JP2000183327A - Formation of quantum dots, quantum dot structure formed thereby and semiconductor quantum dot laser - Google Patents
Formation of quantum dots, quantum dot structure formed thereby and semiconductor quantum dot laserInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、量子ドットの作製
方法、並びに、該方法により作製された量子ドット構造
及び半導体量子ドットレーザに係る。より詳細には、量
子ドットの場所やサイズを正確かつ容易に制御できる、
量子ドットの作製方法、並びに、該方法により作製され
た量子ドット構造及び半導体量子ドットレーザに関す
る。本発明は、半導体レーザなどの発光デバイスや電界
効果型トランジスタなどの電子デバイスなどの性能を飛
躍的に向上させるための量子ドットの作製に好適に用い
られる。The present invention relates to a method for manufacturing a quantum dot, and to a quantum dot structure and a semiconductor quantum dot laser manufactured by the method. More specifically, the location and size of quantum dots can be controlled accurately and easily,
The present invention relates to a method of manufacturing a quantum dot, a quantum dot structure manufactured by the method, and a semiconductor quantum dot laser. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitably used for producing quantum dots for dramatically improving the performance of light emitting devices such as semiconductor lasers and electronic devices such as field effect transistors.
【０００２】[0002]
【従来の技術】電子はそのド・ブロイ波長と同程度の大
きさのポテンシャル井戸に閉じ込められると、自由空間
の場合とは全く違った振る舞いを示す。この特殊な効果
は量子閉じ込め効果と呼ばれている。１次元の閉じ込め
は、電子の運動の自由度を２次元平面内に限定する。ま
た、２次元の閉じ込めは、電子の１次元の運動のみを許
す。この様な構造は、量子細線または量子井戸線と呼ば
れる。これに対し、電子を３次元に閉じ込めると、電子
の運動はあらゆる方向での運動の自由度を奪われる。こ
の状態の電子をゼロ次元電子、またこの状態を生じさせ
る構造を量子ドットまたは量子箱と呼ぶ。2. Description of the Related Art When an electron is confined in a potential well of the same size as its de Broglie wavelength, it behaves completely differently than in free space. This special effect is called the quantum confinement effect. One-dimensional confinement limits the degree of freedom of electron motion to a two-dimensional plane. Also, two-dimensional confinement allows only one-dimensional movement of electrons. Such a structure is called a quantum wire or a quantum well wire. On the other hand, if the electrons are confined in three dimensions, the movement of the electrons loses the freedom of movement in all directions. The electrons in this state are called zero-dimensional electrons, and the structure that causes this state is called a quantum dot or quantum box.
【０００３】半導体を微細な構造に加工して、電子や正
孔などのキャリアを微細な領域に閉じ込めた量子ドット
は、半導体デバイスの性能を飛躍的に向上させる可能性
を持っている。特に、半導体レーザなどの発光素子の活
性層を量子ドットにより構成すると、発光閾値の低減
や、高速応答性の向上などが期待できるので、種々の研
究機関において、良質な量子ドットの作製が試みられて
いる。A quantum dot obtained by processing a semiconductor into a fine structure and confining carriers such as electrons and holes in a fine region has a possibility of dramatically improving the performance of a semiconductor device. In particular, if the active layer of a light emitting element such as a semiconductor laser is made of quantum dots, a reduction in emission threshold and an improvement in high-speed response can be expected. Various research institutions have attempted to produce high-quality quantum dots. ing.
【０００４】従来、量子ドット構造を作製する方法とし
ては、SKモードと呼ばれる結晶成長法が一般的であっ
た。Conventionally, as a method of manufacturing a quantum dot structure, a crystal growth method called an SK mode has been generally used.
【０００５】この方法は、成長させる半導体の格子定数
が基板を構成する半導体の格子定数と異なることに起因
する二種の半導体界面での応力の作用により、自然に成
長させる半導体がドット形状となる現象を利用してい
る。この自己形成法で量子ドット構造を作製した例とし
ては、ＧａＡｓ上にＩｎＡｓの量子ドットを成長する例
（Applied Physics Letters、第64巻、196頁（1994））
や、ＧａＡｓ上にＩｎＧａＡｓの量子ドットを成長する
例（Applied Physics Letters、第63巻、3203頁,63（19
93））や、ＡｌＧａＮ上にＧａＮの量子ドットを成長す
る例（Applied Physics Letters、第69巻、4096頁（199
6））などが報告されている。In this method, a naturally grown semiconductor has a dot shape due to the action of stress at the interface between two types of semiconductors caused by the fact that the lattice constant of the semiconductor to be grown is different from the lattice constant of the semiconductor constituting the substrate. Utilize the phenomenon. As an example of fabricating a quantum dot structure by this self-forming method, an example of growing InAs quantum dots on GaAs (Applied Physics Letters, Vol. 64, p. 196 (1994))
And an example of growing InGaAs quantum dots on GaAs (Applied Physics Letters, Vol. 63, p. 3203, 63 (19
93)) and examples of growing GaN quantum dots on AlGaN (Applied Physics Letters, Vol. 69, p. 4096 (199)
6)) has been reported.
【０００６】上記自己形成法により形成された量子ドッ
トには、次に挙げるような利点がある。[0006] The quantum dots formed by the self-forming method have the following advantages.
【０００７】一回の成長で量子ドット構造を形成でき
る。 成長前の基板の微細加工など特別な前処理が不要であ
る。 成長後にドット作製のための微細加工が不要である。 量子ドットの形成過程は成長する半導体を構成する原
子の結合エネルギーによって規定されるので、比較的大
きさのそろった量子ドットが形成される。A quantum dot structure can be formed by a single growth. No special pretreatment such as microfabrication of the substrate before growth is required. Fine processing for dot production after growth is not required. Since the process of forming quantum dots is determined by the binding energy of the atoms constituting the growing semiconductor, quantum dots of relatively large size are formed.
【０００８】つまり、自己形成法は簡単な工程で、加工
損傷を受けない良質な、なおかつ大きさの比較的そろっ
た量子ドット構造を作製できるという特徴がある。[0008] In other words, the self-forming method has a feature that it is possible to produce a high-quality and relatively uniform quantum dot structure which is not damaged by processing by a simple process.
【０００９】しかしながら、上記手法では、一般に量子
ドットの場所や各量子ドットのサイズを正確に制御する
ことが困難であった。このため、例えば半導体レーザな
どの発光素子を作製する場合は、量子ドットのサイズが
ばらつくことから、発光利得スペクトルが広がってしま
い、量子ドット特有の効果を生じさせることができない
という欠点があった。さらに、量子ドット間の間隔を正
確に制御することが非常に困難であるため、単位面積あ
たりの量子ドットの個数を大きくすることができないと
いう欠点があった。また、利用できる材料系も格子定数
が異なる材料に限られ、材料選択の範囲が狭いという欠
点もあった。However, in the above method, it is generally difficult to accurately control the location of the quantum dots and the size of each quantum dot. For this reason, in the case of manufacturing a light emitting device such as a semiconductor laser, for example, there is a disadvantage that the size of the quantum dot varies, so that the emission gain spectrum is broadened and an effect peculiar to the quantum dot cannot be produced. Furthermore, since it is very difficult to accurately control the interval between quantum dots, there is a disadvantage that the number of quantum dots per unit area cannot be increased. Further, available material systems are also limited to materials having different lattice constants, and there is a disadvantage that the range of material selection is narrow.
【００１０】一方、量子ドットの位置や各量子ドット間
の間隔を正確に制御することを目的として、予めＥＢ描
画装置などを用いてパターニングを行った後に、量子ド
ットを形成する方法も試みられている。On the other hand, for the purpose of accurately controlling the positions of the quantum dots and the intervals between the quantum dots, a method of forming the quantum dots after performing patterning in advance using an EB lithography apparatus or the like has been attempted. I have.
【００１１】しかしながら、このような方法では、量子
ドットを形成する工程が非常に複雑となって、スループ
ットが悪く、生産コストが大幅に増大するという欠点が
ある上に、量子ドットはパターニングされた面の近傍に
作製されることになるので、ダメージを受けやすく、特
に発光素子のように界面のダメージのために発光効率が
極端に悪化するようなデバイスへの応用が難しいという
欠点もあった。However, such a method has the drawbacks that the process of forming the quantum dots is very complicated, the throughput is low, and the production cost is greatly increased. Therefore, there is a disadvantage that it is difficult to be applied to a device in which luminous efficiency is extremely deteriorated due to damage of an interface, such as a light emitting element, in particular, because the device is easily damaged.
【００１２】[0012]
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上述
した点に鑑み、均一なサイズで位置の制御された量子ド
ットを予めパターニングすること無く正確に制御して作
製できると共に、作製された量子ドットのサイズや位置
を所望の値に制御できる、量子ドットの作製方法、並び
に、該方法により作製された量子ドット構造及び半導体
量子ドットレーザを提供することである。SUMMARY OF THE INVENTION In view of the foregoing, it is an object of the present invention to provide a quantum dot having a uniform size and a controlled position, which can be accurately controlled without prior patterning, and which has been manufactured. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a quantum dot, which can control the size and position of the quantum dot to desired values, and a quantum dot structure and a semiconductor quantum dot laser manufactured by the method.
【００１３】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明に係る量子ドット
の作製方法は、原子層オーダーで平坦な第１の単結晶半
導体基板上に、前記第１の単結晶半導体基板と同じ格子
定数と同じ面方位を有し、原子層オーダーで平坦な第２
の単結晶半導体基板を、基板面が互いに平行となるよう
にして、かつ、基板面内の結晶軸方向が互いに所定の角
度で回転した状態となるようにして、貼り合わせる第一
工程と、前記第一工程の後、前記第２の単結晶半導体基
板を１００ｎｍ以下に薄膜化する第二工程と、前記第二
工程の後、前記第１の単結晶半導体基板上に前記第２の
単結晶半導体基板を回転させて貼り合わせた際に生じた
結晶転位を選択的にエッチングする第三工程と、を具備
したことを特徴とする。According to a method of manufacturing a quantum dot according to the present invention, the same lattice constant as that of the first single crystal semiconductor substrate is formed on a first single crystal semiconductor substrate which is flat in the order of an atomic layer. The second, which has a plane orientation and is flat at the atomic layer order
A single crystal semiconductor substrate, so that the substrate surfaces are parallel to each other, and such that the crystal axis directions in the substrate surface are rotated at a predetermined angle to each other, the first step of bonding, After the first step, a second step of thinning the second single crystal semiconductor substrate to 100 nm or less, and after the second step, the second single crystal semiconductor is formed on the first single crystal semiconductor substrate. A third step of selectively etching crystal dislocations generated when the substrates are rotated and bonded to each other.
【００１４】上記方法について、図１及び図２に基づき
説明する。The above method will be described with reference to FIGS.
【００１５】まず、図１に示すように、単結晶の基板
（第１の単結晶半導体基板）１上に、その単結晶とほぼ
同一の結晶格子定数を持ち、基板材料よりもバンドギャ
ップの狭い単結晶薄膜（第２の単結晶半導体基板）２を
結晶軸を面内方向で角度θだけ回転させて貼り付ける
（第一工程）。この時、結晶格子は図１に示したよう
に、互いに角度を持って交差しているので、モアレパタ
ーンが生ずる。First, as shown in FIG. 1, a single-crystal substrate (first single-crystal semiconductor substrate) 1 has substantially the same crystal lattice constant as the single crystal and has a narrower band gap than the substrate material. A single crystal thin film (second single crystal semiconductor substrate) 2 is attached by rotating the crystal axis by an angle θ in an in-plane direction (first step). At this time, since the crystal lattices cross each other at an angle as shown in FIG. 1, a moire pattern occurs.
【００１６】次に、前記第２の単結晶半導体基板２を１
００ｎｍ以下に薄膜化する（第二工程）することによ
り、上記モアレパターンのうち、下部の基板の結晶格子
位置と貼り付けた上部の結晶格子位置が比較的近い場合
は、貼り付けた薄膜の結晶格子は基板の結晶格子の位置
に移動して安定なサイトに収まるが、貼り付けた上部の
結晶格子位置が下部の基板の結晶格子位置から遠い場合
には、下部の基板との結合が弱く、不安定な位置に留ま
る。その結果、図２に示すような互いに平行な螺旋転位
３が格子状に形成される。Next, the second single crystal semiconductor substrate 2 is
By thinning the film to a thickness of 00 nm or less (second step), when the crystal lattice position of the lower substrate is relatively close to the crystal lattice position of the bonded upper portion in the moiré pattern, the crystal of the bonded thin film is formed. The lattice moves to the crystal lattice position of the substrate and fits in a stable site, but if the attached upper crystal lattice position is far from the lower substrate crystal lattice position, the bond with the lower substrate is weak, Stay in an unstable position. As a result, screw dislocations 3 parallel to each other are formed in a lattice shape as shown in FIG.
【００１７】その後、前記第１の単結晶半導体基板上に
前記第２の単結晶半導体基板を回転させて貼り合わせた
際に生じた結晶転位を選択的にエッチングする（第三工
程）を行う。これにより、上述した螺旋転位は、化学エ
ッチングによって容易に除去され得るので、転位を選択
的にエッチングすることで、螺旋転位の部分が取り除か
れた図４のような規則正しく整列した、ほぼ同じ大きさ
の島状の半導体層４を作製することができる。After that, crystal dislocations generated when the second single crystal semiconductor substrate is rotated and bonded to the first single crystal semiconductor substrate are selectively etched (third step). Thereby, the screw dislocations described above can be easily removed by chemical etching. Therefore, by selectively etching the dislocations, the screw dislocations are removed, and the screw dislocations are regularly aligned and almost the same size as in FIG. The island-shaped semiconductor layer 4 can be manufactured.
【００１８】つまり、上記方法によって本発明の目的で
ある、均一なサイズで位置の制御された量子ドットを予
めパターニングすること無く正確に制御して作製する事
が可能となる。That is, according to the above-mentioned method, it is possible to manufacture a quantum dot having a uniform size and a controlled position, which is an object of the present invention, by precisely controlling without previously patterning.
【００１９】例えば、単結晶がキュービックの結晶構造
を持っている場合は、この格子間隔をａとし、回転角を
θとすれば、螺旋転位の間の間隔ｄは ｄ＝ｂ／（２ｓｉｎ（θ／２）） ≒ｂ／２ と表される。ここでｂはバーガーズ・ベクトルで、この
場合、格子間隔に等しい。上式で表されるように、つま
り、回転角度を適当に調整することによって、生じる螺
旋転位の間隔を自由に選ぶことができる。For example, when the single crystal has a cubic crystal structure, if the lattice spacing is a and the rotation angle is θ, the spacing d between screw dislocations is d = b / (2 sin (θ / 2)) ≒ b / 2. Where b is the Burgers vector, in this case equal to the grid spacing. As expressed by the above equation, that is, by appropriately adjusting the rotation angle, the interval between the generated screw dislocations can be freely selected.
【００２０】更に、前記第三工程の後、前記第２の単結
晶半導体基板の表面のバンドギャップよりも大きなバン
ドギャップを有する半導体を結晶成長させて、前記量子
ドットを埋め込む（第四工程）を行う。すなわち、上記
島状薄膜の成長した基板を結晶成長装置の中に保持し
て、基板と同一の材料、または、基板とも島状薄膜とも
異なり、バンドギャップが島状薄膜よりも広い材料によ
って埋め込むことにより、島状薄膜を井戸とする量子ド
ットが作製できる。Further, after the third step, a semiconductor having a band gap larger than the band gap of the surface of the second single crystal semiconductor substrate is crystal-grown, and the quantum dots are embedded (fourth step). Do. That is, the substrate on which the island-shaped thin film is grown is held in a crystal growth apparatus, and is buried with the same material as the substrate or with a material having a band gap wider than the island-shaped thin film, which is different from the substrate and the island-shaped thin film. Thereby, a quantum dot using the island-shaped thin film as a well can be produced.
【００２１】[0021]
【発明の実施の形態】以下では、本発明に係る量子ドッ
トの作製方法、並びに、該方法により作製された量子ド
ット構造及び半導体量子ドットレーザについて、図面を
参照して述べる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a method for manufacturing a quantum dot according to the present invention, and a quantum dot structure and a semiconductor quantum dot laser manufactured by the method will be described with reference to the drawings.
【００２２】（第一の実施の形態）本発明に係る基本的
な量子ドットの作製方法を、主に図４を参照して説明す
る。但し、以下の括弧付きの番号は、その作製手順を示
す。(First Embodiment) A basic method for manufacturing a quantum dot according to the present invention will be described mainly with reference to FIG. However, the numbers in parentheses below indicate the manufacturing procedure.
【００２３】（１）清浄化した（１００）ＧａＡｓ単結
晶半導体基板（この基板を第１の単結晶半導体基板と呼
ぶ）４０１上に、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical
VaporDeposidion）法によって、厚さ１μｍのＧａＡｓ
単結晶成長層４０２、厚さ１００ｎｍのＡｌＡｓ単結晶
成長層４０３、厚さ１０ｎｍのＧａＡｓ単結晶成長層４
０４、を順次積層させた（図４（ａ））。(1) On a cleaned (100) GaAs single crystal semiconductor substrate (this substrate is referred to as a first single crystal semiconductor substrate) 401, MOCVD (Metal-Organic Chemical) is performed.
1 μm thick GaAs by the Vapor Deposidion method
Single crystal growth layer 402, 100 nm thick AlAs single crystal growth layer 403, 10 nm thick GaAs single crystal growth layer 4
04 were sequentially laminated (FIG. 4A).
【００２４】（２）続いて、前工程で用意したのとは別
の（１００）ＧａＡｓ単結晶半導体基板（この基板を第
２の単結晶半導体基板と呼ぶ）４０５上に、厚さ１μｍ
のＧａＡｓ単結晶成長層４０６、厚さ３００ｎｍのＡｌ
0.3Ｇａ0.7Ａｓ成長層４０７、を順次積層させた（図４
（ｂ））。(2) Subsequently, on a (100) GaAs single crystal semiconductor substrate 405 (this substrate is referred to as a second single crystal semiconductor substrate) 405 different from the one prepared in the previous step, a thickness of 1 μm
GaAs single crystal growth layer 406, 300 nm thick Al
A 0.3 Ga 0.7 As growth layer 407 was sequentially stacked (FIG. 4).
(B)).
【００２５】（３）次に、図１に示すように、第１の単
結晶半導体基板４０１（図１では結晶格子パターン１か
らなる単結晶半導体基板）と第２の単結晶半導体基板４
０５（図１では結晶格子パターン２からなる単結晶半導
体基板）とを互いに成長面が接触し、かつ、互いの（０
１０）方向が４．７度ずれるようにして貼り合わせた。
そして、その貼り合わせた基板の上部から圧力を加えな
がら、石英管の中で、Ｈ 2の雰囲気下で、５５０℃で３
０分加熱し、貼り合わせた（図４（ｃ））。(3) Next, as shown in FIG.
Crystal semiconductor substrate 401 (in FIG. 1, crystal lattice pattern 1
Single-crystal semiconductor substrate) and second single-crystal semiconductor substrate 4
05 (FIG. 1 shows a single-crystal semiconductor having a crystal lattice pattern 2).
Body substrate) and the growth surface are in contact with each other, and (0
10) Lamination was performed so that the direction was shifted by 4.7 degrees.
Then, do not apply pressure from the top of the bonded substrates.
In a quartz tube, H Two3 at 550 ° C under the atmosphere of
It was heated for 0 minutes and bonded (FIG. 4 (c)).
【００２６】（４）続いて、この貼り合わされた基板の
うち、第１の単結晶半導体基板の部分４０１を研磨し
（図４（ｄ））、さらに選択エッチング法によって、Ｇ
ａＡｓ単結晶成長層４０２のみを除去し（図４
（ｅ））、さらに、積層したＡｌＡｓ単結晶成長層４０
３を選択エッチングにより取り除いた（図４（ｆ））。(4) Subsequently, of the bonded substrates, a portion 401 of the first single crystal semiconductor substrate is polished (FIG. 4 (d)), and G is further etched by selective etching.
Only the aAs single crystal growth layer 402 is removed (FIG. 4).
(E)) Further, the stacked AlAs single crystal growth layer 40
3 was removed by selective etching (FIG. 4F).
【００２７】（５）次いで、螺旋転位３（図２）の部分
を選択的にエッチングするために熔融ＫＯＨ、またはＡ
Ｂエッチャントを用いて、溶液中に１秒程、浸し、螺旋
転位の部分のみを除去することにより、周期的に配列さ
れたＧａＡｓ量子ドット４０８のアレーを作製した（図
４（ｇ））。このプロセスで形成されたＧａＡｓ量子ド
ット４０８の間隔は約３ｎｍであった。また、各量子ド
ットの大きさは、螺旋転移を選択エッチングする時のエ
ッチング時間に依って多少変化するが、本例では、約２
ｎｍであった。(5) Next, in order to selectively etch the screw dislocation 3 (FIG. 2), molten KOH or A
An array of GaAs quantum dots 408 arranged periodically was fabricated by immersing in a solution for about 1 second using a B etchant to remove only screw dislocations (FIG. 4 (g)). The distance between the GaAs quantum dots 408 formed in this process was about 3 nm. In addition, the size of each quantum dot slightly changes depending on the etching time when the spiral transition is selectively etched.
nm.
【００２８】（６）次に、この量子ドット４０８を覆う
ように、ＭＯＣＶＤ法によって、厚さ３００ｎｍのＡｌ
0.3Ｇａ0.7Ａｓ成長層４０９を積層させた（図４
（ｈ））。(6) Next, a 300 nm thick Al is deposited by MOCVD so as to cover the quantum dots 408.
A 0.3 Ga 0.7 As growth layer 409 was laminated (FIG.
(H)).
【００２９】以上の工程によって、量子ドットが周期的
に配列された構造を作製した。Through the above steps, a structure in which quantum dots are periodically arranged was manufactured.
【００３０】なお、本例では、回転して貼り合わせる角
度θを約４．７度としたが、この角度を変化させる事に
よって、それぞれの量子ドットの間の間隔を自由に変化
させることができる。図５は、ガリウム砒素を基板とし
て用いた場合の回転角度θと、得られる量子ドットの間
隔との関係を示すグラフである。図５から明らかなよう
に、量子ドットの間隔は回転角によって、制御すること
が可能である。さらに、各量子ドットの大きさは、螺旋
転位を選択的にエッチングする時のエッチング時間を調
整することによって、制御することができる。In the present embodiment, the angle θ for rotating and bonding is set to about 4.7 degrees. However, by changing this angle, the interval between the quantum dots can be changed freely. . FIG. 5 is a graph showing the relationship between the rotation angle θ when gallium arsenide is used as the substrate and the distance between the obtained quantum dots. As is clear from FIG. 5, the interval between the quantum dots can be controlled by the rotation angle. Furthermore, the size of each quantum dot can be controlled by adjusting the etching time when selectively etching screw dislocations.
【００３１】また、本例では、量子ドットを作製する材
料として、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系を用いた場合を示
したが、本発明はこれに限るものではなく、例えばＩｎ
ＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系や、ＧａＩｎＡｌＰ系、Ｉｎ−Ｇ
ａＮ／ＡｌＧａＮ系、ＳｉＧｅ／Ｓｉ系などヘテロ接合
の形成できる材料系一般に応用可能である。In this example, the case where an AlGaAs / GaAs system is used as a material for forming a quantum dot has been described. However, the present invention is not limited to this.
GaAsP / InP, GaInAlP, In-G
The present invention can be generally applied to a material system capable of forming a heterojunction such as an aN / AlGaN system or a SiGe / Si system.
【００３２】（第二の実施の形態）第一の実施の形態に
おいて得られた量子ドット列と同様の量子ドット列を半
導体レーザに応用した場合（図６）について説明する。
但し、以下の括弧付きの番号は、その作製手順を示す。(Second Embodiment) A case where a quantum dot array similar to the quantum dot array obtained in the first embodiment is applied to a semiconductor laser (FIG. 6) will be described.
However, the numbers in parentheses below indicate the manufacturing procedure.
【００３３】（１）清浄化したｎ型（１００）ＧａＡｓ
単結晶半導体基板（この基板を第１の単結晶半導体基板
と呼ぶ：不図示）上に、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Ch
emicalVapor Deposidion）法によって、厚さ１μｍのＧ
ａＡｓ単結晶成長層（不図示）、厚さ１００ｎｍのＡｌ
Ａｓ単結晶成長層（不図示）、厚さ１０ｎｍのＧａＡｓ
単結晶成長層（不図示）、を順次積層させた。(1) Cleaned n-type (100) GaAs
On a single crystal semiconductor substrate (this substrate is referred to as a first single crystal semiconductor substrate: not shown), MOCVD (Metal-Organic Ch
emical Vapor Deposidion) method to obtain a 1 μm thick G
aAs single crystal growth layer (not shown), 100 nm thick Al
As single crystal growth layer (not shown), 10 nm thick GaAs
Single crystal growth layers (not shown) were sequentially laminated.
【００３４】（２）続いて、前工程で用意したのとは別
のｎ型（１００）ＧａＡｓ単結晶半導体基板（この基板
を第２の単結晶半導体基板と呼ぶ）６０１上に、厚さ１
μｍのｎ型ＧａＡｓ単結晶成長層６０２、厚さ５００ｎ
ｍのｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ成長層６０３、厚さ１００
ｎｍのｉ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ成長層６０４、を順次
積層させた。なお、成長層のドーピング濃度はｎ型Ｇａ
Ａｓ、ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0 .7Ａｓともに２×１０18（ｃｍ
-3）とした。(2) Subsequently, on an n-type (100) GaAs single crystal semiconductor substrate 601 (this substrate is referred to as a second single crystal semiconductor substrate) 601 different from the one prepared in the previous step,
μm n-type GaAs single crystal growth layer 602, thickness 500n
m-type Al 0.3 Ga 0.7 As growth layer 603, thickness 100
An i-type Al 0.15 Ga 0.85 As growth layer 604 having a thickness of nm was sequentially laminated. The doping concentration of the growth layer is n-type Ga
As, n-type Al 0.3 Ga 0 .7 As both 2 × 10 18 (cm
-3 ).
【００３５】（３）次に、第１の単結晶半導体基板（不
図示）と第２の単結晶半導体基板６０１とを互いに成長
面が接触し、かつ、互いの（０１０）方向が４．７度ず
れるようにして貼り合わせた。そして、その貼り合わせ
た基板の上部から圧力を加えながら、石英管の中で、Ｈ
2の雰囲気下で、５５０℃で３０分加熱し、貼り合わせ
た。(3) Next, the first single-crystal semiconductor substrate (not shown) and the second single-crystal semiconductor substrate 601 are brought into contact with each other on the growth surface, and the (010) direction of each other is 4.7. It stuck so that it might shift. Then, while applying pressure from above the bonded substrate, H
Heating was performed at 550 ° C. for 30 minutes in the atmosphere of No. 2 to perform bonding.
【００３６】（４）続いて、この貼り合わされた基板の
うち、第１の単結晶半導体基板の部分（不図示）を研磨
し、さらに選択エッチング法によって、積層したＡｌＡ
ｓ単結晶成長層（不図示）を取り除き、次に、さらに選
択エッチングした。(4) Subsequently, of the bonded substrates, a portion (not shown) of the first single crystal semiconductor substrate is polished, and the stacked AlA is formed by a selective etching method.
The s single crystal growth layer (not shown) was removed, and then selective etching was further performed.
【００３７】（５）次いで、螺旋転位の部分を選択的に
エッチングするために熔融ＫＯＨを用いて、溶液中に１
秒程、浸し、螺旋転位の部分のみを除去することによ
り、周期的に配列されたｉ型ＧａＡｓ量子ドット６０５
のアレーを作製した。このプロセスで形成されたＧａＡ
ｓ量子ドット６０５の間隔は約３ｎｍであった。また、
各量子ドットの大きさは、螺旋転移を選択エッチングす
る時のエッチング時間に依って多少変化するが、本例で
は、約２ｎｍであった。(5) Next, using molten KOH to selectively etch screw dislocations,
By immersing for about a second and removing only the screw dislocation portion, periodically arranged i-type GaAs quantum dots 605 are formed.
Was made. GaAs formed by this process
The interval between the s quantum dots 605 was about 3 nm. Also,
Although the size of each quantum dot slightly changes depending on the etching time when the spiral transition is selectively etched, in this example, it was about 2 nm.
【００３８】（６）次に、この量子ドット６０５を覆う
ように、ＭＯＣＶＤ法によって、厚さ１００ｎｍのｉ型
Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ成長層６０６を形成させた後に順
次、厚さ５００ｎｍのｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ成長層６
０７、厚さ１０ｎｍのｐ型ＧａＡｓ単結晶成長層６０８
を形成させた。(6) Next, a 100 nm-thick i-type Al 0.15 Ga 0.85 As growth layer 606 is formed by MOCVD so as to cover the quantum dots 605, and then a 500 nm-thick p-type Al 0.3 Ga 0.7 As growth layer 6
07, p-type GaAs single crystal growth layer 608 having a thickness of 10 nm
Was formed.
【００３９】以上の工程により、量子ドットが周期的に
配列された構造を有する半導体レーザ基板を作製した。Through the above steps, a semiconductor laser substrate having a structure in which quantum dots are periodically arranged was manufactured.
【００４０】（７）作製された半導体レーザ基板に２μ
ｍのストライプをパターニングし、このパターンをもと
にエッチングを施して、リッジストライプレーザを作製
した後基板上部にＡｕＳｎ電極６０９を作製した。さら
に、第２の単結晶半導体基板６０１をラッピングして、
１００μｍ程度の厚さにした後、Ａｕ／Ｃｒ電極６１０
を蒸着し、電気炉で加熱、合金化してオーミックコンタ
クトを形成した。(7) 2 μm is applied to the manufactured semiconductor laser substrate.
An mS stripe was patterned and etched based on this pattern to produce a ridge stripe laser, and then an AuSn electrode 609 was formed on the substrate. Further, the second single crystal semiconductor substrate 601 is wrapped,
After the thickness is about 100 μm, the Au / Cr electrode 610 is formed.
Was deposited and heated and alloyed in an electric furnace to form an ohmic contact.
【００４１】（８）最後に、素子をレーザストライプの
方向と直交する方向にへき開して、光共振器を作製し、
量子ドット半導体レーザを完成させた。図６は、最終的
に作製された量子ドット半導体レーザの構造を示す模式
的な断面図である。(8) Finally, the device is cleaved in a direction perpendicular to the direction of the laser stripe to produce an optical resonator.
A quantum dot semiconductor laser was completed. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the finally manufactured quantum dot semiconductor laser.
【００４２】[0042]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
均一なサイズで位置の制御された量子ドットを予めパタ
ーニングすること無く正確に制御して作製できると共
に、作製された量子ドットのサイズや位置を所望の値に
制御できる、量子ドットの作製方法、並びに、該方法に
より作製された量子ドット構造及び半導体量子ドットレ
ーザが提供できる。As described above, according to the present invention,
A method for producing a quantum dot that can be precisely controlled and produced without controlling the quantum dots at a uniform size and position beforehand without patterning in advance, and that the size and position of the produced quantum dot can be controlled to desired values, and And a quantum dot structure and a semiconductor quantum dot laser produced by the method.
【図１】第１の単結晶半導体基板に対して第２の単結晶
半導体基板を回転させて貼り合わせた時のモアレパター
ンを示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a moire pattern when a second single crystal semiconductor substrate is rotated and attached to a first single crystal semiconductor substrate.
【図２】第１の単結晶半導体基板に対して第２の単結晶
半導体基板を貼り合わせた結果、生じた螺旋転位のパタ
ーンを示す模式図である。FIG. 2 is a schematic view showing a pattern of screw dislocations generated as a result of bonding a second single crystal semiconductor substrate to a first single crystal semiconductor substrate.
【図３】螺旋転位を選択エッチングして作製された量子
ドットを示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating quantum dots produced by selectively etching screw dislocations.
【図４】本発明に係る第一の実施形態において量子ドッ
トの作製方法を示す模式的な断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing a quantum dot in the first embodiment according to the present invention.
【図５】ガリウム砒素を基板として用いた場合の回転角
度θと、得られる量子ドットの間隔との関係を示すグラ
フである。FIG. 5 is a graph showing a relationship between a rotation angle θ when gallium arsenide is used as a substrate and an interval between obtained quantum dots.
【図６】本発明に係る第二の実施形態において作製した
量子ドット半導体レーザの構造を示す模式的な断面図で
ある。FIG. 6 is a schematic sectional view showing a structure of a quantum dot semiconductor laser manufactured in a second embodiment according to the present invention.
１ 単結晶半導体基板の結晶格子パターン、 ２ 単結晶半導体薄膜の結晶格子パターン、 ３ 螺旋転位、 ４ 量子ドット、 ４０１ （１００）ＧａＡｓ単結晶半導体基板（第１の
単結晶半導体基板）、 ４０２ ＧａＡｓ単結晶成長層、 ４０３ ＡｌＡｓ単結晶成長層、 ４０４ ＧａＡｓ単結晶成長層、 ４０５ （１００）ＧａＡｓ単結晶半導体基板（第２の
単結晶半導体基板）、 ４０６ ＧａＡｓ単結晶成長層、 ４０７ Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ成長層、 ４０８ ＧａＡｓ量子ドット、 ４０９ Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ成長層、 ６０１ ｎ型（１００）ＧａＡｓ単結晶半導体基板（第
２の単結晶半導体基板）、 ６０２ ｎ型ＧａＡｓ単結晶成長層、 ６０３ ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ成長層、 ６０４ ｉ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ成長層、 ６０５ ｉ型ＧａＡｓ量子ドット、 ６０６ ｉ型Ａｌ0.15Ｇａ0.85Ａｓ成長層、 ６０７ ｐ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ成長層、 ６０８ ｐ型ＧａＡｓ単結晶成長層、 ６０９ ＡｕＳｎ電極、 ６１０ Ａｕ／Ｃｒ電極。Reference Signs List 1 Crystal lattice pattern of single crystal semiconductor substrate, 2 Crystal lattice pattern of single crystal semiconductor thin film, 3 screw dislocation, 4 quantum dot, 401 (100) GaAs single crystal semiconductor substrate (first single crystal semiconductor substrate), 402 GaAs single Crystal growth layer, 403 AlAs single crystal growth layer, 404 GaAs single crystal growth layer, 405 (100) GaAs single crystal semiconductor substrate (second single crystal semiconductor substrate), 406 GaAs single crystal growth layer, 407 Al 0.3 Ga 0.7 As Growth layer, 408 GaAs quantum dots, 409 Al 0.3 Ga 0.7 As growth layer, 601 n-type (100) GaAs single crystal semiconductor substrate (second single crystal semiconductor substrate), 602 n-type GaAs single crystal growth layer, 603 n-type Al 0.3 Ga 0.7 As grown layer, 604 i-type Al 0.15 Ga 0.85 As grown layer, 605 i-type GaAs quantum Tsu DOO, 606 i-type Al 0.15 Ga 0.85 As grown layer, 607 p-type Al 0.3 Ga 0.7 As grown layer, 608 p-type GaAs single crystal growth layer, 609 AuSn electrode, 610 Au / Cr electrode.
Claims (5)
導体基板上に、前記第１の単結晶半導体基板と同じ格子
定数と同じ面方位を有し、原子層オーダーで平坦な第２
の単結晶半導体基板を、基板面が互いに平行となるよう
にして、かつ、基板面内の結晶軸方向が互いに所定の角
度で回転した状態となるようにして、貼り合わせる第一
工程と、 前記第一工程の後、前記第２の単結晶半導体基板を１０
０ｎｍ以下に薄膜化する第二工程と、 前記第二工程の後、前記第１の単結晶半導体基板上に前
記第２の単結晶半導体基板を回転させて貼り合わせた際
に生じた結晶転位を選択的にエッチングする第三工程
と、 を具備したことを特徴とする量子ドットの作製方法。1. A second single-crystal semiconductor substrate having the same lattice constant and the same plane orientation as the first single-crystal semiconductor substrate on a first single-crystal semiconductor substrate which is flat in the order of an atomic layer.
A single crystal semiconductor substrate, so that the substrate surfaces are parallel to each other, and such that the crystal axis directions in the substrate surface are rotated at a predetermined angle to each other, the first step of bonding, After the first step, the second single crystal semiconductor substrate is
A second step of reducing the thickness to 0 nm or less; and after the second step, crystal dislocations generated when the second single crystal semiconductor substrate is rotated and bonded to the first single crystal semiconductor substrate. And a third step of selectively etching. A method for producing a quantum dot, comprising:
導体基板の表面のバンドギャップよりも大きなバンドギ
ャップを有する半導体を結晶成長させて、前記量子ドッ
トを埋め込む第四工程、 を具備したことを特徴とする請求項１に記載の量子ドッ
トの作製方法。2. The method according to claim 1, further comprising: after the third step, a fourth step of crystal-growing a semiconductor having a band gap larger than a band gap of a surface of the second single crystal semiconductor substrate to bury the quantum dots. The method for producing a quantum dot according to claim 1, wherein:
第１の単結晶半導体基板の表面のバンドギャップが、前
記第２の単結晶半導体基板の表面のバンドギャップより
も大きいものを用いることを特徴とする請求項１に記載
の量子ドットの作製方法。3. The method according to claim 1, wherein the first single-crystal semiconductor substrate has a bandgap on a surface of the first single-crystal semiconductor substrate larger than a bandgap on a surface of the second single-crystal semiconductor substrate. The method for producing a quantum dot according to claim 1, wherein:
量子ドットの作製方法により作製されたことを特徴とす
る量子ドット構造。4. A quantum dot structure produced by the method for producing a quantum dot according to claim 1.
量子ドットの作製方法により作製された量子ドット構造
を有することを特徴とする半導体量子ドットレーザ。5. A semiconductor quantum dot laser having a quantum dot structure produced by the method for producing a quantum dot according to claim 1. Description:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35814598A JP2000183327A (en) | 1998-12-16 | 1998-12-16 | Formation of quantum dots, quantum dot structure formed thereby and semiconductor quantum dot laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35814598A JP2000183327A (en) | 1998-12-16 | 1998-12-16 | Formation of quantum dots, quantum dot structure formed thereby and semiconductor quantum dot laser |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000183327A true JP2000183327A (en) | 2000-06-30 |
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ID=18457784
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35814598A Pending JP2000183327A (en) | 1998-12-16 | 1998-12-16 | Formation of quantum dots, quantum dot structure formed thereby and semiconductor quantum dot laser |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000183327A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007208241A (en) * | 2005-12-27 | 2007-08-16 | Commiss Energ Atom | Method for preparing nano-level systematic structure |
| CN103204455A (en) * | 2012-01-12 | 2013-07-17 | 中国科学院上海微***与信息技术研究所 | Controllable graphene array preparation method |
| JPWO2012173162A1 (en) * | 2011-06-13 | 2015-07-30 | 国立大学法人東北大学 | Quantum nanodot, two-dimensional quantum nanodot array, semiconductor device using the same, and manufacturing method |
-
1998
- 1998-12-16 JP JP35814598A patent/JP2000183327A/en active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007208241A (en) * | 2005-12-27 | 2007-08-16 | Commiss Energ Atom | Method for preparing nano-level systematic structure |
| JPWO2012173162A1 (en) * | 2011-06-13 | 2015-07-30 | 国立大学法人東北大学 | Quantum nanodot, two-dimensional quantum nanodot array, semiconductor device using the same, and manufacturing method |
| CN103204455A (en) * | 2012-01-12 | 2013-07-17 | 中国科学院上海微***与信息技术研究所 | Controllable graphene array preparation method |
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