JP2006237045A

JP2006237045A - Semiconductor quantum dot structure and manufacturing method thereof

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Publication number: JP2006237045A
Application number: JP2005045172A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Okamoto; 浩岡本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2006-09-07

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To uniformly and reproducibly form semiconductor quantum dots which have a wider more manufacturable light-emission or light-reception wavelength range, has less defective, is excellent in optical characteristic, and is less restricted in forming, than conventional quantum dots. <P>SOLUTION: In a semiconductor quantum dot structure, a structure where quantum dots 105 are formed on a semiconductor substrate 101, the quantum dots 105 each consists of at least two kinds of semiconductor materials in which at least one part of composition or a constituent element is different. The quantum dots 105 each have a first region 105a consisting of a self-organized quantum dot, and a second region 105b selectively formed on the first region 105a by compositional modulation induced in a distorted field by the first region 105a during growth of a thin film layer 106. In addition, a bismuth or an antimony or the both are doped in at least one kind of semiconductor material constituting the quantum dots 105. Thus, the semiconductor quantum dot structure and its manufacturing method are configured. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は半導体量子ドット構造及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor quantum dot structure and a manufacturing method thereof.

従来の構造による半導体量子ドットは、その多くが半導体基板上に該基板とは格子定数が一定の値以上に異なる半導体層を特定の条件下で成長した時に生じる量子ドットの自己形成の現象を利用して作成されているため、半導体量子ドットの大きさや密度、ドットが他の半導体層に埋め込まれた場合の歪等を狙い通りに制御することが難しい、という問題点があった。 Many semiconductor quantum dots with conventional structures utilize the phenomenon of self-formation of quantum dots that occurs when a semiconductor layer with a lattice constant different from that of the substrate by a certain value is grown on a semiconductor substrate under specific conditions. Therefore, there is a problem that it is difficult to control the size and density of the semiconductor quantum dots and the distortion when the dots are embedded in another semiconductor layer as intended.

例えばＧａＡｓ基板上にＩｎＡｓ量子ドットを作成する場合を例にあげると、量子ドットの大きさを大きくして発光波長を長波にしようとした場合には面内のドットの密度が下がり、ドットの密度を上げようとした場合には量子ドットの大きさが小さくなる、といった制約があった。 For example, in the case of creating InAs quantum dots on a GaAs substrate, for example, when the size of the quantum dots is increased to increase the emission wavelength, the density of dots in the plane decreases, and the dot density However, there is a restriction that the size of the quantum dot becomes small when trying to increase it.

また、上記ＩｎＡｓ量子ドットをＧａＡｓで埋め込んだ場合にはＩｎＡｓ量子ドット中に大きな圧縮歪が残留することにより、その発光波長はＩｎＡｓ本来のバンドギャップによるものに比べ、大幅に短波となっていた。 Further, when the InAs quantum dots are embedded with GaAs, a large compressive strain remains in the InAs quantum dots, so that the emission wavelength is significantly shorter than that due to the band gap inherent in InAs.

上記問題を解決するために従来から各種の半導体量子ドット構造並びに製造方法が考案されており、例えば再度ＧａＡｓ基板上にＩｎＡｓ量子ドットを作成する場合を例にあげると、ＩｎＡｓ量子ドット上又は上下に圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓ層を積層し、ＩｎＡｓ量子ドット中の残留歪を弾性的に緩和して小さくする方法（例えば、非特許文献１）、或いは圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓ層の代わりに伸張歪を有するＧａＡｓＮ層を積層して同様の効果を得る方法（例えば、非特許文献２）などが用いられている。 In order to solve the above problems, various semiconductor quantum dot structures and manufacturing methods have been conventionally devised. For example, in the case where InAs quantum dots are again formed on a GaAs substrate, the InAs quantum dots may be formed on or above the InAs quantum dots. A method of laminating an InGaAs layer having compressive strain and elastically relaxing and reducing the residual strain in the InAs quantum dots (for example, Non-Patent Document 1), or having an extension strain instead of an InGaAs layer having a compressive strain A method of obtaining the same effect by stacking GaAsN layers (for example, Non-Patent Document 2) is used.

また、面内のドットの密度を下げずにその大きさを大きくする方法としては上記ＩｎＧａＡｓ層を積層する際に一定の条件下で発生する相分離現象を利用して系の歪場に対応した混晶組成の変調を意図的に発生させ、ＩｎＡｓ量子ドットの周囲に選択的にＩｎ組成の高いＩｎＧａＡｓを成長することにより、実効的なドット体積を大きくする手法も一部で用いられている（例えば、非特許文献３参照）。この相分離現象は混晶成長における混合不安定領域以外においても系の歪場に誘起されて発生するものであり、非特許文献３の筆者らはこの現象を活性化スピノーダル分解と呼んでいることから、本明細書中でも同様とする。 In addition, as a method of increasing the size of the dots without reducing the in-plane dot density, the phase separation phenomenon that occurs under certain conditions when the InGaAs layer is stacked is used to cope with the strain field of the system. Some methods have been used to increase the effective dot volume by intentionally generating mixed crystal composition modulation and selectively growing InGaAs with a high In composition around InAs quantum dots. For example, refer nonpatent literature 3). This phase separation phenomenon is induced by the strain field of the system other than the mixed instability region in the mixed crystal growth, and the authors of Non-Patent Document 3 call this phenomenon activated spinodal decomposition. Therefore, the same applies to the present specification.

また、従来ＧａＡｓ基板上のＩｎＡｓ量子ドットを用いた半導体レーザーの発振波長は１．３μｍ前後、あるいはそれ以下が主であったが、一部の試みとして同量子ドットの発光波長を１．５μｍ以上にまで長波長化できたことが報告されている。一つの手法は上記圧縮歪を有するＩｎＧａＡｓ層の積層による残留歪の緩和方法として、Ｉｎ_XＧａ_1-XＡｓの組成を３％以上の圧縮歪が生じるＸ＝０．４５まで高くするものであり、１．５２μｍフォトルミネッセンス（ＰＬ）発光が得られている（例えば、非特許文献４）。また、他の手法としては、横方向に結合した量子ドット構造を低温成長により作成し、１．７μｍのＰＬ発光を得た例（例えば、非特許文献５）がある。 Conventionally, the oscillation wavelength of a semiconductor laser using InAs quantum dots on a GaAs substrate was mainly about 1.3 μm or less, but as a part of the trial, the emission wavelength of the quantum dots was 1.5 μm or more. It has been reported that the wavelength could be extended to One method is to increase the composition of In _X Ga _{1 -X} As to X = 0.45 where a compressive strain of 3% or more is generated as a method for reducing residual strain by laminating InGaAs layers having compressive strain. 1.52 μm photoluminescence (PL) emission has been obtained (for example, Non-Patent Document 4). As another method, there is an example (for example, Non-Patent Document 5) in which a laterally coupled quantum dot structure is formed by low-temperature growth to obtain 1.7 μm PL light emission.

また一方、半導体薄膜の成長時にビスマス、アンチモン、タリウム等の材料を供給し、表面改質剤（サーファクタントと呼ばれる）として用いることにより平坦性の良い結晶を得る試み（例えば特許文献１、非特許文献６参照）や、ＩｎＡｓ量子ドットの成長時にビスマスをサーファクタントとして用いた例（例えば、非特許文献７）もある。 On the other hand, when a semiconductor thin film is grown, a material such as bismuth, antimony, and thallium is supplied and used as a surface modifier (referred to as a surfactant) to obtain a crystal with good flatness (for example, Patent Document 1, Non-Patent Document). 6), and there is an example (for example, Non-Patent Document 7) in which bismuth is used as a surfactant during the growth of InAs quantum dots.

特許第３２３９８２１号公報Japanese Patent No. 3239821 K.Nishi他、“A narrow photoluminescence linewidth of 21 meV at 1.35μm from strain-reduced InAs quantum dots covered by In0.2Ga0.8As grown on GaAs substrates", Applied Physics Letters, Vol.74, p.1111, 1999.K. Nishi et al., “A narrow photoluminescence linewidth of 21 meV at 1.35μm from strain-reduced InAs quantum dots covered by In0.2Ga0.8As grown on GaAs substrates”, Applied Physics Letters, Vol.74, p.1111, 1999. X.Q.Zhang他、“Photoluminescence study of InAs quantum dots embedded in GaNAs strain compensating layer grown by metalorganic-morecular-beam epitaxy", Journal of Applied Physics, Vol.92, p.6813, 2002.X.Q.Zhang et al., “Photoluminescence study of InAs quantum dots embedded in GaNAs strain compensating layer grown by metalorganic-morecular-beam epitaxy”, Journal of Applied Physics, Vol.92, p.6813, 2002. M.V．Maximov他、“GaAs-Based 1.3μm InGaAs Quantum Dot Lasers：A status Report ”, Journal of Electronic Materials, Vol.29 p.476, 2000.M.V. Maximov et al., “GaAs-Based 1.3μm InGaAs Quantum Dot Lasers: A status Report”, Journal of Electronic Materials, Vol. 29 p.476, 2000. J.Tatebayashi他、“Over 1.5μm light emission from InAs quantum dots embedded in InGaAs strain-reducing layer grown by metalorganic chemical vapor deposition", Applied Physics Letters, Vol.78, p.3469, 2001.J. Tatebayashi et al., “Over 1.5μm light emission from InAs quantum dots embedded in InGaAs strain-reducing layer grown by metalorganic chemical vapor deposition”, Applied Physics Letters, Vol.78, p.3469, 2001. M.V．Maximov他、“Optical and structural properties of InAs quantum dots in a GaAs matrix for a spectral range up to 1.7μm", Applied Physics Letters, Vol.75, p.2347, 1999.M.V. Maximov et al., “Optical and structural properties of InAs quantum dots in a GaAs matrix for a spectral range up to 1.7μm”, Applied Physics Letters, Vol.75, p.2347, 1999. S.Tixier他、“Surfactant enhanced growth of GaNAs and InGaNAs using bismuth”, Journal of Crystal Growth, VoL.251, p.449, 2003.S. Tixier et al., “Surfactant enhanced growth of GaNAs and InGaNAs using bismuth”, Journal of Crystal Growth, VoL.251, p.449, 2003. B.N.Zvonkov他、“Surfactant effect of bismuth in the MOVPE grown of the InAs quantum dots on GaAs”, Nanotechnology, Vol.11, p.221, 2000.B.N.Zvonkov et al., “Surfactant effect of bismuth in the MOVPE grown of the InAs quantum dots on GaAs”, Nanotechnology, Vol. 11, p.221, 2000.

しかしながら、非特許文献１、２或いは３による半導体量子ドット構造並びに製造方法による半導体量子ドットは作成における再現性、面内均一性が十分ではない、という問題点があることに加え、更に量子ドットの形成並びに他の半導体層による埋込み成長においては通常より低温の成長が必要となる結果、非発光中心となる欠陥が導入されやすく、十分な光学特性が得られにくい、といった問題点があった。 However, the semiconductor quantum dot structure according to Non-Patent Documents 1, 2, or 3 and the semiconductor quantum dot produced by the manufacturing method have problems that the reproducibility in production and in-plane uniformity are not sufficient. In formation and burying growth with other semiconductor layers, growth at a temperature lower than usual is required. As a result, defects serving as non-luminescent centers are easily introduced, and sufficient optical characteristics cannot be obtained.

特に半導体レーザー用等のエピタキシャルウェハ生産に多く用いられる有機金属化合物気相エピタキシャル成長法（ＭＯＶＰＥ法）においては成長原料を熱分解する必要があることから低温成長条件においては良質な半導体層を得ることが困難であった。 In particular, in the organic metal compound vapor phase epitaxial growth method (MOVPE method) often used for the production of epitaxial wafers for semiconductor lasers and the like, it is necessary to thermally decompose the growth raw material, so that a high-quality semiconductor layer can be obtained under low temperature growth conditions. It was difficult.

また、非特許文献４の手法においては歪量の大きいＩｎＧａＡｓ層を使用することから、光学特性の良い量子ドットを再現性良く作成することが困難であり、非特許文献５の手法においては量子ドット近辺に欠陥が導入されやすく、再現性良い成長が困難である、という問題点があった。更に、特許文献１、非特許文献６によって得た原料を本発明のように組成変調現象の促進に利用した例はない。 In addition, since the method of Non-Patent Document 4 uses an InGaAs layer with a large amount of strain, it is difficult to produce quantum dots with good optical characteristics with good reproducibility. There was a problem that defects were easily introduced in the vicinity and growth with good reproducibility was difficult. Furthermore, there is no example in which the raw materials obtained by Patent Document 1 and Non-Patent Document 6 are used for promoting the composition modulation phenomenon as in the present invention.

非特許文献７においてビスマスはＩｎＡｓ量子ドットの成長時にのみ供給され、ドットサイズの均一化のみに用いられており、本発明における薄膜層へのビスマス添加を含む手法とは構造、製造方法ともに異なるものである。また、非特許文献７ではビスマスの供給は反応炉内に設置した団体ビスマス材料をパルスレーザの照射で昇華させる手法を用いており、本発明におけるＴＭＢｉ添加とは原料の供給方法、即ち製造方法に関しても異なるものである。 In Non-Patent Document 7, bismuth is supplied only during the growth of InAs quantum dots, and is used only to make the dot size uniform, and is different from the method including adding bismuth to the thin film layer in the present invention in both structure and manufacturing method. It is. In Non-Patent Document 7, the supply of bismuth uses a technique of sublimating the group bismuth material installed in the reactor by pulse laser irradiation, and the addition of TMBi in the present invention relates to a raw material supply method, that is, a production method. Is also different.

従って、本発明は上記のごとき従来の構造並びに製造方法による半導体量子ドットの限界あるいは欠点を解決するためになされたもので、より製造可能な発光或いは受光波長範囲が広く、かつ、より欠陥が少なく光学特性に優れ、作成上の制約も少ない半導体量子ドットを均一性、再現性良く作成することを目的としてなされたものである。 Accordingly, the present invention has been made to solve the limitations or disadvantages of the semiconductor quantum dots by the conventional structure and manufacturing method as described above, and has a wider range of light emission or light receiving wavelength that can be manufactured and fewer defects. It was made for the purpose of producing semiconductor quantum dots having excellent optical characteristics and few restrictions on production with good uniformity and reproducibility.

上記課題を解決する本発明の請求項１に係る半導体量子ドット構造は、半導体基板上に半導体量子ドットが形成される構造において、前記半導体量子ドットが、少なくとも２種類の、組成或いは構成元素の少なくとも一部が異なる半導体材料から構成され、少なくとも１種類の前記半導体材料中にビスマスまたはアンチモン、或いはその双方が添加されていることを特徴とする。 The semiconductor quantum dot structure according to claim 1 of the present invention for solving the above-mentioned problem is a structure in which semiconductor quantum dots are formed on a semiconductor substrate, wherein the semiconductor quantum dots are at least two kinds of compositions or constituent elements. A part thereof is composed of different semiconductor materials, and bismuth and / or antimony or both are added to at least one kind of the semiconductor materials.

上記課題を解決する本発明の請求項２に係る半導体量子ドット構造は、半導体基板上に半導体量子ドットが形成される構造において、前記半導体量子ドットがバッファ層となる半導体薄膜層上に形成されており、かつ、前記半導体量子ドットが、少なくとも２種類の、組成或いは構成元素の少なくとも一部が異なる半導体材料から構成され、かつ、前記バッファ層中、或いは前記バッファ層中かつ少なくとも１種類の前記半導体材料中にビスマスまたはアンチモン、或いはその双方が添加されていることを特徴とする。 The semiconductor quantum dot structure according to claim 2 of the present invention for solving the above-mentioned problems is a structure in which semiconductor quantum dots are formed on a semiconductor substrate, wherein the semiconductor quantum dots are formed on a semiconductor thin film layer serving as a buffer layer. And the semiconductor quantum dot is composed of at least two kinds of semiconductor materials having different compositions or constituent elements, and is in the buffer layer or in the buffer layer and at least one kind of the semiconductor. Bismuth and / or antimony or both are added to the material.

上記課題を解決する本発明の請求項３に係る半導体量子ドット構造は、請求項１又は請求項２に記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体量子ドットが、前記半導体基板に対して圧縮歪を有する半導体材料からなり、かつ、結晶成長時に自己組織化によってドット形状が形成された領域である第一領域と、前記第一領域と対比して、基板に対する歪みが、無歪状態を含むより小さな圧縮歪、或いは伸張歪を有する少なくとも１種類以上の半導体材料により構成されている領域である第二領域によって構成されていることを特徴とする。 The semiconductor quantum dot structure according to claim 3 of the present invention that solves the above problem is the semiconductor quantum dot structure according to claim 1 or 2, wherein the semiconductor quantum dot has a compressive strain with respect to the semiconductor substrate. Compared with the first region, which is made of a semiconductor material and having a dot shape formed by self-organization during crystal growth, the strain on the substrate is smaller than that including the unstrained state. It is characterized by comprising a second region which is a region composed of at least one kind of semiconductor material having compressive strain or tensile strain.

上記課題を解決する本発明の請求項４に係る半導体量子ドット構造は、請求項３に記載の半導体量子ドット構造において、前記第二領域が、半導体混晶からなる薄膜層中において、歪場に誘起されて生じる混晶組成の変調によって形成されていることを特徴とする。 A semiconductor quantum dot structure according to a fourth aspect of the present invention for solving the above-described problems is the semiconductor quantum dot structure according to the third aspect, wherein the second region is subjected to a strain field in a thin film layer made of a semiconductor mixed crystal. It is formed by the modulation of the mixed crystal composition that is induced.

上記課題を解決する本発明の請求項５に係る半導体量子ドット構造は、請求項４に記載の半導体量子ドット構造において、前記第二領域を内包する薄膜層の、前記半導体基板に対する歪量の絶対値が、前記薄膜層全体を平均化して計算した場合に１％以下であることを特徴とする。 The semiconductor quantum dot structure according to claim 5 of the present invention for solving the above problem is the semiconductor quantum dot structure according to claim 4, wherein an absolute amount of strain of the thin film layer including the second region with respect to the semiconductor substrate is included. The value is 1% or less when the whole thin film layer is averaged and calculated.

上記課題を解決する本発明の請求項６に係る半導体量子ドット構造は、請求項５に記載の半導体量子ドット構造において、前記第二領域を内包する前記薄膜層の膜厚が１０ｎｍより大きいことを特徴とする。 The semiconductor quantum dot structure according to claim 6 of the present invention for solving the above-mentioned problem is that in the semiconductor quantum dot structure according to claim 5, the film thickness of the thin film layer including the second region is larger than 10 nm. Features.

上記課題を解決する本発明の請求項７に係る半導体量子ドット構造は、請求項１乃至請求項６に記載のいずれかの半導体量子ドット構造において、前記半導体基板、前記半導体量子ドット並びに前記薄膜半導体層がＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、或いはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶であることを特徴とする。 A semiconductor quantum dot structure according to a seventh aspect of the present invention for solving the above-described problems is the semiconductor quantum dot structure according to any one of the first to sixth aspects, wherein the semiconductor substrate, the semiconductor quantum dot, and the thin film semiconductor are provided. The layer is a group III-V compound semiconductor or a group III-V compound semiconductor mixed crystal.

上記課題を解決する本発明の請求項８に係る半導体量子ドット構造は、請求項７に記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓであり、かつ前記第一領域の主成分がＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰであり、かつ前記第二領域の主成分がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓＰであり、かつ請求項２で規定される前記バッファ層を有する場合には前記バッファ層の主成分がＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓＰであることを特徴とする。 The semiconductor quantum dot structure according to an eighth aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems is the semiconductor quantum dot structure according to the seventh aspect, wherein the semiconductor substrate is GaAs or InGaAs and the main component of the first region is 3. In the case of InAs, InGaAs or InGaAsP, and the main component of the second region is InGaAs, InGaAsP, GaNAs, InNAs, GaInNAs or GaInNAsP, and has the buffer layer defined in claim 2, the buffer layer The main component is GaAs, InGaAs, InGaAsP, GaNAs, InNAs, GaInNAs or GaInNAsP.

上記課題を解決する本発明の請求項９に係る半導体量子ドット構造は、請求項７に記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がＩｎＰであり、かつ前記第一領域の主成分がＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰであり、かつ前記第二領域の主成分がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓＰであり、かつ請求項２で規定される前記バッファ層を有する場合には前記バッファ層の主成分がＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓＰであることを特徴とする。 The semiconductor quantum dot structure according to claim 9 of the present invention for solving the above-described problem is the semiconductor quantum dot structure according to claim 7, wherein the semiconductor substrate is InP, and the main component of the first region is InAs, In the case of InGaAs or InGaAsP, and the main component of the second region is InGaAs, InGaAsP, InNP, InNAs, GaInNAs or GaInNAsP, and the buffer layer defined in claim 2 is provided, The component is InP, InGaAs, InGaAsP, InNP, InNAs, GaInNAs, or GaInNAsP.

上記課題を解決する本発明の請求項１０に係る半導体量子ドット構造は、請求項７における半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓであり、かつ前記第一領域の主成分がＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓＰであり、かつ前記第二領域の主成分がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓＰであり、かつ請求項２で規定される前記バッファ層を有する場合には前記バッファ層の主成分がＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓＰであることを特徴とする。 A semiconductor quantum dot structure according to a tenth aspect of the present invention for solving the above problem is the semiconductor quantum dot structure according to the seventh aspect, wherein the semiconductor substrate is GaAs or InGaAs, and a main component of the first region is InNAs, In the case of GaInNAs or GaInNAsP, and the main component of the second region is InGaAs, InGaAsP, GaNAs, InNAs, GaInNAs, or GaInNAsP, and has the buffer layer defined in claim 2, the main of the buffer layer The component is GaAs, InGaAs, InGaAsP, GaNAs, InNAs, GaInNAs or GaInNAsP.

上記課題を解決する本発明の請求項１１に係る半導体量子ドット構造は、請求項７における半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がＩｎＰであり、かつ前記第一領域の主成分がＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓＰであり、かつ第二領域の主成分がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓＰであり、かつ請求項２で規定される前記バッファ層を有する場合には前記バッファ層の主成分がＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓＰであることを特徴とする。 A semiconductor quantum dot structure according to an eleventh aspect of the present invention that solves the above problem is the semiconductor quantum dot structure according to the seventh aspect, wherein the semiconductor substrate is InP and the main component of the first region is InNAs, GaInNAs, or In the case where the main component of the second region is InGaAs, InGaAsP, InNP, InNAs, GaInNAs, or GaInNAsP and the buffer layer defined in claim 2 is included, the main component of the buffer layer is InP. InGaAs, InGaAsP, InNP, InNAs, GaInNAs or GaInNAsP.

上記課題を解決する本発明の請求項１２に係る半導体量子ドット構造の製造方法は、請求項１乃至請求項１１に記載のいずれかの半導体量子ドット構造を製造する方法において、前記第一領域並びに前記第二領域の成長温度が、５００℃以下であり、かつ前記第一領域並びに前記第二領域の少なくとも一方の成長時、又は請求項２で規定される前記バッファ層を有する場合には少なくとも前記バッファ層の成長時にビスマスまたはアンチモン、或いはその両方を供給することを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor quantum dot structure according to claim 12 of the present invention for solving the above-described problem is the method for manufacturing a semiconductor quantum dot structure according to any one of claims 1 to 11, wherein the first region and When the growth temperature of the second region is 500 ° C. or less and at least one of the first region and the second region grows, or when the buffer layer defined in claim 2 is included, at least the Bismuth and / or antimony or both are supplied during the growth of the buffer layer.

上記課題を解決する本発明の請求項１３に係る半導体量子ドット構造の製造方法は、請求項１２による半導体量子ドット構造の製造方法において、ガリウムの原料としてトリイソプロピルガリウムを用いることを特徴とする。 A method for manufacturing a semiconductor quantum dot structure according to a thirteenth aspect of the present invention for solving the above-described problems is characterized in that in the method for manufacturing a semiconductor quantum dot structure according to the twelfth aspect, triisopropyl gallium is used as a gallium raw material.

上記課題を解決する本発明の請求項１４に係る半導体量子ドット構造の製造方法は、請求項１２による半導体量子ドット構造の製造方法において、ビスマスの原料としてトリメチルビスマスを用いることを特徴とする半導体量子ドット構造の製造方法。 A method for producing a semiconductor quantum dot structure according to claim 14 of the present invention for solving the above-mentioned problems is characterized in that in the method for producing a semiconductor quantum dot structure according to claim 12, trimethylbismuth is used as a raw material for bismuth. Manufacturing method of dot structure.

本発明による半導体量子ドット構造は従来の技術による半導体量子ドット構造に比べ、より発光効率等の特性に優れ、より発光波長に関する自由度の高い半導体光源並びに半導体光増幅器の活性層、より発光波長に関する自由度の高い半導体素子の光吸収層として作用する。 The semiconductor quantum dot structure according to the present invention is more excellent in characteristics such as luminous efficiency than the semiconductor quantum dot structure according to the prior art, and has a higher degree of freedom with respect to the emission wavelength, the active layer of the semiconductor optical amplifier, and the emission wavelength. It acts as a light absorption layer of a semiconductor element having a high degree of freedom.

更に、本発明による半導体量子ドット構造の製造方法は、上記本発明による半導体量子ドット構造を再現性、歩留まり良く提供することを可能にする。 Furthermore, the method for producing a semiconductor quantum dot structure according to the present invention makes it possible to provide the semiconductor quantum dot structure according to the present invention with good reproducibility and yield.

本発明の最良の実施形態は以下の通りである。
（１）本発明の最良の形態による半導体量子ドット構造は、前記量子ドットが、組成あるいは構成元素が異なる、少なくとも２種類の半導体材料から構成される複合構造であり、前記複合構造を構成する少なくとも１種類の半導体材料にビスマスまたはアンチモン、或いはその双方が添加されていることを特徴とするものである。なお、上記複合構造は自己組織化量子ドットからなる第一領域と、より歪量が小さい第二領域によって構成することができ、さらに上記第二領域は半導体混晶からなる薄膜層中において、歪場に誘起されて生じる混晶組成の変調によって形成されている、という特徴を有する。 The best embodiment of the present invention is as follows.
(1) The semiconductor quantum dot structure according to the best mode of the present invention is a composite structure in which the quantum dots are composed of at least two kinds of semiconductor materials having different compositions or constituent elements, and at least constitutes the composite structure. Bismuth and / or antimony or both are added to one kind of semiconductor material. The composite structure can be composed of a first region composed of self-assembled quantum dots and a second region with a smaller amount of strain, and the second region is strained in a thin film layer composed of a semiconductor mixed crystal. It is characterized by being formed by modulation of the mixed crystal composition that is induced by the field.

ここでビスマスを添加することによって得られる効果は大きく分けて３種類となる。
第一の効果はビスマスまたはアンチモンの添加によって非発光中心となる欠陥が少なく、光学特性に優れた半導体量子ドット並びに上記薄膜半導体層が低温の成長条件においても得られる点、第二にはビスマスまたはアンチモンの添加によって前記薄膜半導体層成長時の組成変調現象が促進される結果、より大きい、即ち、より長波で発光する半導体量子ドットが均一性良く構成される点、第三にはビスマスまたはアンチモンの添加によって半導体量子ドットを構成する材料のバンドギャップが小さくなり、その発光がより長波となる半導体量子ドット構造が得られる点である。 Here, the effects obtained by adding bismuth are roughly divided into three types.
The first effect is that the addition of bismuth or antimony has few defects that become non-emission centers, and semiconductor quantum dots having excellent optical characteristics and the above thin film semiconductor layer can be obtained even under low temperature growth conditions, and secondly, bismuth or The addition of antimony promotes the compositional modulation phenomenon during the growth of the thin-film semiconductor layer. As a result, a semiconductor quantum dot that is larger, that is, emits light at a longer wave, is constructed with good uniformity. The addition is that the band gap of the material constituting the semiconductor quantum dot is reduced, and a semiconductor quantum dot structure in which the light emission becomes longer wave is obtained.

この結果、本実施形態による半導体量子ドット構造においては光学特性に優れ、発光波長に関する自由度が大きく、更にウェハ面内の均一性も高い、という特徴がある。 As a result, the semiconductor quantum dot structure according to the present embodiment is characterized by excellent optical characteristics, a large degree of freedom regarding the emission wavelength, and a high uniformity within the wafer surface.

更に加えて本実施形態による半導体量子ドット構造は、ビスマスまたはアンチモンの添加によって上記薄膜半導体層成長時の組成変調現象が促進される結果、上記薄膜半導体層の歪量を１％以下とした場合にも長波で発光する半導体量子ドットが作成できるため、長波で発光する特性を具備しながらも欠陥が少なく光学特性に優れた半導体量子ドットを均一性、再現性良く作成することが可能である。 In addition, in the semiconductor quantum dot structure according to the present embodiment, the composition modulation phenomenon during the growth of the thin film semiconductor layer is promoted by the addition of bismuth or antimony. As a result, the strain amount of the thin film semiconductor layer is set to 1% or less. In addition, since semiconductor quantum dots that emit light at a long wave can be produced, it is possible to produce semiconductor quantum dots that have the characteristics of emitting light at a long wave but have few defects and excellent optical characteristics with good uniformity and reproducibility.

更には上記薄膜半導体層の歪量を１％以下とすれば、上記薄膜層の厚さを従来報告されている薄膜（４〜１０ｎｍ）よりも厚くした場合においても欠陥が導入されにくく、良好な光学特性を保つことができるため、例えば１２ｎｍの高さを有する、従来構造よりも大幅に長波で発光する、或いは上記従来構造の長波で発光する量子ドットよりも大幅に発光効率の高い、上記複合型構造を有する半導体量子ドットを製造することが可能となった。 Furthermore, if the amount of strain of the thin film semiconductor layer is 1% or less, defects are less likely to be introduced even when the thickness of the thin film layer is thicker than that of a conventionally reported thin film (4 to 10 nm). Since the optical characteristics can be maintained, for example, the composite having the height of 12 nm, emitting light at a much longer wave than the conventional structure, or having a light emission efficiency significantly higher than the quantum dot emitting at the long wave of the conventional structure. It has become possible to produce semiconductor quantum dots having a mold structure.

また、半導体量子ドットをバッファ層となる半導体薄膜層上に形成する場合、半導体量子ドットの下地となるバッファ層にビスマスまたはアンチモンを添加することが基本とされるが、この場合には同元素の添加により二つの効果が得られる。一つはバッファ層の結晶性が向上することであり、もう一つはビスマスまたはアンチモンの元素が表面に偏析して生じるサーファクタント効果である。 In addition, when semiconductor quantum dots are formed on a semiconductor thin film layer serving as a buffer layer, bismuth or antimony is basically added to the buffer layer serving as the base of the semiconductor quantum dots. Two effects can be obtained by the addition. One is an improvement in crystallinity of the buffer layer, and the other is a surfactant effect caused by segregation of bismuth or antimony elements on the surface.

本実施形態ではこれら二つの効果の相乗作用として、上記バッファ層上への上記複合型半導体量子ドット成長時において供給原料の表面における拡散距離が大きくなることから、前記同様に薄膜半導体層成長時の組成変調現象が促進されるという効果を有する。よって効果の大小の違いはあるものの、上記バッファ層のみにビスマスまたはアンチモンを添加した場合にも上記複合型構造を有する半導体量子ドットを製造することが可能である。 In the present embodiment, as a synergistic action of these two effects, the diffusion distance on the surface of the feedstock is increased during the growth of the composite semiconductor quantum dots on the buffer layer. This has the effect of promoting the composition modulation phenomenon. Therefore, although there is a difference in effect, it is possible to manufacture a semiconductor quantum dot having the above composite structure even when bismuth or antimony is added only to the buffer layer.

（２）本実施形態による半導体量子ドット構造の製造方法は、半導体量子ドットの第一領域、並びに第二領域を形成するための薄膜半導体層の成長時において、成長温度を５００℃以下とし、かつ上記薄膜半導体層あるいは上記バッファ層の成長時にビスマスまたはアンチモンを供給することにより上記半導体薄膜構造中における自己発生的な組成変調が光学特性の劣化を伴うことなく促進可能であるという特徴を有するものである。 (2) In the method of manufacturing a semiconductor quantum dot structure according to the present embodiment, the growth temperature is set to 500 ° C. or less during the growth of the thin film semiconductor layer for forming the first region and the second region of the semiconductor quantum dot, and By supplying bismuth or antimony during the growth of the thin film semiconductor layer or the buffer layer, self-generated compositional modulation in the semiconductor thin film structure can be promoted without deteriorating optical properties. is there.

ここで上記薄膜半導体層の成長温度を５００℃以下とした理由は、５００℃を越える温度で半導体量子ドットを埋め込んだ場合には同量子ドットが変形し、光学特性が劣化することに加え、熱力学的に前記組成変調が起こりにくくなり、所望の発光波長、特に長波の発光を得るための制御が困難になるためである。 Here, the reason for setting the growth temperature of the thin film semiconductor layer to 500 ° C. or lower is that when the semiconductor quantum dots are embedded at a temperature exceeding 500 ° C., the quantum dots are deformed and the optical characteristics are deteriorated. This is because the compositional modulation hardly occurs mechanically, and control for obtaining a desired light emission wavelength, particularly long wave light emission, becomes difficult.

また、従来低温成長が難しいとされていたＭＯＶＰＥ法による半導体層の成長において、本発明ではビスマスの原料としてＭＯＶＰＥ成長に適している有機Ｖ族材料であるトリメチルビスマスを用いるとともに、トリメチルインジウム等のインジウム原料に比べ分解温度の高いトリメチルガリウムやトリエチルガリウム等のガリウム原料に代え、トリイソプロピルガリウムを用いることにより、低温成長条件においても良質な半導体層の成長が可能になった。 In addition, in the growth of a semiconductor layer by the MOVPE method, which has conventionally been difficult to grow at a low temperature, in the present invention, trimethylbismuth, which is an organic group V material suitable for MOVPE growth, is used as a bismuth raw material, and indium such as trimethylindium is used. By using triisopropyl gallium instead of a gallium raw material such as trimethyl gallium or triethyl gallium having a higher decomposition temperature than the raw material, a high-quality semiconductor layer can be grown even under low temperature growth conditions.

この結果、本実施形態による半導体量子ドット構造の製造方法においては特許文献１の発明による残留歪の緩和手法、或いは従来の組成変調現象を利用したドット体積の拡大手法に比べ、より光学特性に優れ、発光または受光波長に関する自由度が大きく、更にウェハ面内の均一性も高い半導体量子ドット構造をＭＯＶＰＥ法により製造した場合においても再現性、歩留まり良く提供することが可能となった。 As a result, in the method of manufacturing the semiconductor quantum dot structure according to the present embodiment, the optical characteristics are more excellent than the residual strain relaxation method according to the invention of Patent Document 1 or the conventional dot volume enlargement method using the composition modulation phenomenon. In addition, even when a semiconductor quantum dot structure having a high degree of freedom with respect to light emission or light receiving wavelength and having high uniformity within the wafer surface is manufactured by the MOVPE method, it is possible to provide high reproducibility and yield.

ビスマスまたはアンチモンの供給により上記のような作用が得られる理由は今のところ直接的な証明はできないが、前述のようにビスマスまたはアンチモンの供給により成長層表面における表面エネルギーが小さくなり、成長原料の結晶表面における拡散距離がより大きくなることの効果、即ち従来の提案とは結果として得られる効果が全く逆ではあるものの、一種のサーファクタント効果であると考えられる。 The reason why the above-mentioned effects can be obtained by supplying bismuth or antimony cannot be directly proved at present. However, as described above, the surface energy on the growth layer surface is reduced by supplying bismuth or antimony, so that Although the effect of increasing the diffusion distance on the crystal surface, that is, the effect obtained as a result is completely opposite to the conventional proposal, it is considered to be a kind of surfactant effect.

ただし、本発明による半導体量子ドット構造の製造方法においては低温の成長条件を用いているため、供給したビスマスまたはアンチモンは純粋なサーファクタントではなく、その一部が結晶内に取り込まれ、バンドギャップを狭小化する作用をも有していること、即ち発光波長を長波長化する作用を有していることについても従来にない特徴がある。 However, since the manufacturing method of the semiconductor quantum dot structure according to the present invention uses low-temperature growth conditions, the supplied bismuth or antimony is not a pure surfactant, and a part of the bismuth or antimony is taken into the crystal and the band gap is narrowed. There is also an unprecedented feature in that it also has an effect of increasing the emission wavelength, that is, an effect of increasing the emission wavelength.

以下に、本実施形態による作用を説明する。
本実施形態による半導体量子ドット構造を前記半導体光源の活性層として使用した場合、従来技術を用いた場合に比べ、出射可能な光出力の波長範囲を大幅に広げられるほか、その発光効率、温度特性を大幅に向上することが可能である。 The operation according to this embodiment will be described below.
When the semiconductor quantum dot structure according to the present embodiment is used as the active layer of the semiconductor light source, the wavelength range of the light output that can be emitted is greatly widened compared to the case of using the conventional technology, and the luminous efficiency and temperature characteristics thereof. Can be significantly improved.

また、本実施形態による半導体量子ドット構造を前記半導体光増幅器の活性層として使用した場合、従来技術を用いた場合に比べ、増幅できる波長の帯域が広く、飽和光出力が大きく、且つ高速応答特性を兼ね備えた特性を得ることが可能である。更に、本実施形態による半導体量子ドット構造を前記半導体受光素子の光吸収層として使用した場合、従来技術を用いた場合に比べ、受光可能な光出力の波長範囲を大幅に広げることが可能である。 In addition, when the semiconductor quantum dot structure according to the present embodiment is used as the active layer of the semiconductor optical amplifier, the wavelength band that can be amplified is wide, the saturation light output is large, and the high-speed response characteristic compared with the case of using the conventional technique. It is possible to obtain characteristics having both. Furthermore, when the semiconductor quantum dot structure according to the present embodiment is used as the light absorption layer of the semiconductor light receiving element, it is possible to greatly widen the wavelength range of light output capable of receiving light compared to the case of using the conventional technique. .

また、本実施形態による半導体量子ドット構造の製造方法を用いた場合、半導体量子ドット構造を再現性、歩留まり良く提供することが可能である。 In addition, when the manufacturing method of the semiconductor quantum dot structure according to the present embodiment is used, it is possible to provide the semiconductor quantum dot structure with good reproducibility and yield.

本発明の請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、及び請求項８に関する実施例を図１に表す。 Examples relating to claims 1, 2, 3, 4, 4, 5, 6, 7, and 8 of the present invention are shown in FIG.

図中、１０１は基板（ＧａＡｓ）、１０２はクラッド層（ＡｌＧａＡｓ，膜厚１．５μｍ）、１０３は光閉じ込め層（ＡｌＧａＡｓ，膜厚２００ｎｍ）、１０４は障壁層（ＧａＡｓ、膜厚５０ｎｍ）、１０５は複合構造を有する量子ドット（Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ：Ｂｉ）、１０６は薄膜層（ＩｎＧａＡｓ：Ｂｉ，膜厚１２ｎｍ）、１０７はコンタクト層（ＧａＡｓ，膜厚３００ｎｍ）であり、更に量子ドット１０５中、１０５ａは自己組織化によって形成された第一領域であるＩｎＡｓ：Ｂｉ、１０５ｂは薄膜層１０６の成長中に第一領域１０５ａによる歪場に誘起された組成変調によって第一領域１０５ａ上に選択的に形成された第二領域であるＩｎＧａＡｓ：Ｂｉである。 In the figure, 101 is a substrate (GaAs), 102 is a cladding layer (AlGaAs, film thickness 1.5 μm), 103 is an optical confinement layer (AlGaAs, film thickness 200 nm), 104 is a barrier layer (GaAs, film thickness 50 nm), 105 Is a quantum dot (In (Ga) As: Bi) having a composite structure, 106 is a thin film layer (InGaAs: Bi, film thickness 12 nm), 107 is a contact layer (GaAs, film thickness 300 nm). 105a is a first region formed by self-assembly. InAs: Bi, 105b is selectively formed on the first region 105a by compositional modulation induced by a strain field by the first region 105a during the growth of the thin film layer 106. InGaAs: Bi, which is the second region formed in

ここで第二領域１０５ｂにおけるＩｎ組成は薄膜層１０６の平均的Ｉｎ組成に比べて高いため、本実施例においては第一領域１０５ａと第二領域１０５ｂの複合体が実効的な量子ドットとして作用しており、量子ドットの体積が大きくなることによってその発光波長が長波長化している。更に本実施例においては薄膜層１０６の平均歪量を１．０％に抑え、薄膜層１０６の厚さを１２ｎｍとしても欠陥の発生が認められず、発光効率の高い量子ドットが得られた。また、更に加えて第一領域１０５ａと第二領域１０５ｂで構成される量子ドット１０５中にはビスマスが添加されているため、量子ドット１０５発光波長のさらなる長波長化ができた。 Here, since the In composition in the second region 105b is higher than the average In composition of the thin film layer 106, the composite of the first region 105a and the second region 105b acts as an effective quantum dot in this embodiment. In addition, as the volume of the quantum dots increases, the emission wavelength becomes longer. Further, in this example, even when the average strain amount of the thin film layer 106 was suppressed to 1.0% and the thickness of the thin film layer 106 was set to 12 nm, generation of defects was not observed, and a quantum dot with high light emission efficiency was obtained. In addition, since the bismuth is added to the quantum dot 105 composed of the first region 105a and the second region 105b, the emission wavelength of the quantum dot 105 can be further increased.

ここで本実施例において薄膜層１０６は量子ドット１０５の下部にもバッファ層として存在するが、同下部のバッファ層としての薄膜層１０６を省略しても本発明における効果は同様に得られる。 In this embodiment, the thin film layer 106 also exists as a buffer layer below the quantum dots 105. However, even if the thin film layer 106 as the lower buffer layer is omitted, the effect of the present invention can be obtained in the same manner.

図１に示した半導体量子ドット構造を種々の成長条件を用いて作成し、レーザダイオード素子を作成した結果、発光波長１．２〜１．６μｍの素子が得られた。
また、上記構造を作成する際、故意に量子ドットの大きさが分布するように成長条件を定め、得られた構造により半導体光増幅器を作成した結果、増幅帯域１．２〜１．６μｍの、広帯域、高飽和出力の素子が得られた。 As a result of producing the semiconductor quantum dot structure shown in FIG. 1 using various growth conditions and producing a laser diode element, an element having an emission wavelength of 1.2 to 1.6 μm was obtained.
Further, when creating the above structure, the growth conditions are intentionally determined so that the size of the quantum dots is distributed, and as a result of creating a semiconductor optical amplifier with the obtained structure, an amplification band of 1.2 to 1.6 μm, A broadband, high-saturation output device was obtained.

なお、本実施例ではビスマスを添加する場合の半導体薄膜構造について説明したが、アンチモンの添加時、或いはそれら両方の添加時においても同様の効果が得られる。また、本実施例ではレーザダイオードと半導体光増幅器に関する応用を示したが、その他の光デバイス、例えば発光ダイオード、フォトダイオード、半導体導電型受光器、半導体ショットキー型受光器等においても実施可能であることは言うまでもない。これは以下に述べる実施例についても同様である。 Although the semiconductor thin film structure in the case where bismuth is added is described in this embodiment, the same effect can be obtained when antimony is added or when both are added. Further, in this embodiment, an application relating to a laser diode and a semiconductor optical amplifier has been shown. However, the present invention can also be applied to other optical devices such as a light emitting diode, a photodiode, a semiconductor conductive type receiver, and a semiconductor Schottky type receiver. Needless to say. The same applies to the embodiments described below.

更に、本実施例では半導体工学における慣例に従い、元素の添加をコロンを用いて表記している箇所（例えばビスマスの添加を“：Ｂｉ”と示した）がある。また、本実施例ではｎ型、ｐ型半導体を形成するための不純物ドーピングは図面上から省いているが、ｐｎ接合を含むダイオード構造を有する素子を製造する場合には適宜不純物ドーピングが行われる。これも以下に述べる実施例について同様である。 Furthermore, in this embodiment, there are places where addition of elements is indicated by using a colon (for example, addition of bismuth is indicated as “: Bi”) in accordance with a custom in semiconductor engineering. In this embodiment, impurity doping for forming n-type and p-type semiconductors is omitted from the drawing. However, when an element having a diode structure including a pn junction is manufactured, impurity doping is appropriately performed. This also applies to the embodiments described below.

また、図１は半導体量子ドット構造を模式的に示したものであり、図中量子ドットは規則正しく配列されているが、これに限らない。これは以下に述べる実施例を表す全ての図について同様である。 FIG. 1 schematically shows a semiconductor quantum dot structure. In the figure, the quantum dots are regularly arranged, but the present invention is not limited to this. This is the same for all the figures representing the embodiments described below.

本発明の請求項１、請求項２，請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、及び請求項９に関する実施例を図２に表す。 FIG. 2 shows an embodiment relating to claims 1, 2, 3, 4, 4, 5, 6, 7, and 9 of the present invention.

図中、２０１は基板（ＩｎＰ）、２０２はクラッド層（ＩｎＰ，膜厚１．５μｍ）、２０３は光閉じ込め層（ＩｎＧａＡｓＰ，膜厚２００ｎｍ）、２０４は障壁層（ＩｎＧａＡｓＰ，膜厚５０ｎｍ）、２０５は複合構造を有する量子ドット（Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ：Ｂｉ）、２０６は薄膜層（ＩｎＧａＡｓ：Ｂｉ，膜厚１２ｎｍ）、２０７はコンタクト層（ＩｎＧａＡｓ，膜厚３００ｎｍ）であり、更に量子ドット２０５中、２０５ａは自己組織化によって形成された第一領域であるＩｎＡｓ：Ｂｉ、２０５ｂは薄膜層２０６の成長中に２０５ａによる歪場に誘起された組成変調によって第一領域２０５ａのドット上に選択的に成長した第二領域であるＩｎＧａＡｓ：Ｂｉである。 In the figure, 201 is a substrate (InP), 202 is a cladding layer (InP, film thickness 1.5 μm), 203 is an optical confinement layer (InGaAsP, film thickness 200 nm), 204 is a barrier layer (InGaAsP, film thickness 50 nm), 205 Is a quantum dot (In (Ga) As: Bi) having a composite structure, 206 is a thin film layer (InGaAs: Bi, film thickness 12 nm), 207 is a contact layer (InGaAs, film thickness 300 nm), and in the quantum dot 205 205a is a first region formed by self-organization. InAs: Bi, 205b is selectively formed on the dots of the first region 205a by compositional modulation induced by a strain field by 205a during the growth of the thin film layer 206. The grown second region is InGaAs: Bi.

ここで第二領域２０５ｂのＩｎの組成は薄膜層２０６の平均的Ｉｎ組成に比べて高いため、本実施例においては第一領域２０５ａと第二領域２０５ｂの複合体が実効的な量子ドットとして作用しており、量子ドットの体積が大きくなることによってその発光波長が長波長化している。更に本実施例においては薄膜層２０６の平均歪量を１．０％に抑え、薄膜層２０６の厚さを１２ｎｍとしても欠陥の発生が認められず、発光効率の高い量子ドットが得られた。また、更に加えて第一領域２０５ａと第二領域２０５ｂで構成される量子ドット２０５中にはビスマスが添加されているため、量子ドット２０５発光波長のさらなる長波長化ができた。 Here, since the In composition of the second region 205b is higher than the average In composition of the thin film layer 206, the composite of the first region 205a and the second region 205b acts as an effective quantum dot in this embodiment. In addition, as the volume of the quantum dots increases, the emission wavelength becomes longer. Further, in this example, even when the average strain amount of the thin film layer 206 was suppressed to 1.0% and the thickness of the thin film layer 206 was set to 12 nm, the generation of defects was not observed, and a quantum dot with high luminous efficiency was obtained. In addition, since bismuth is added to the quantum dots 205 composed of the first region 205a and the second region 205b, the emission wavelength of the quantum dots 205 can be further increased.

ここで本実施例において薄膜層２０６は量子ドット２０５の下部にもバッファ層として存在するが、同下部のバッファ層としての薄膜層２０６を省略しても本発明における効果は同様に得られる。 In this embodiment, the thin film layer 206 also exists as a buffer layer below the quantum dots 205. However, even if the thin film layer 206 serving as the lower buffer layer is omitted, the effect of the present invention can be obtained similarly.

図２に示した半導体量子ドット構造を種々の成長条件を用いて作成し、レーザダイオード素子を作成した結果、発光波長１．３〜２．４μｍの素子が得られた。
また、上記構造を作成する際、故意に量子ドットの大きさが分布するように成長条件を定め、得られた構造により半導体光増幅器を作成した結果、増幅帯域１．３〜２．４μｍの、広帯域、高飽和出力の素子が得られた。 As a result of producing the semiconductor quantum dot structure shown in FIG. 2 using various growth conditions and producing a laser diode element, an element having an emission wavelength of 1.3 to 2.4 μm was obtained.
Further, when creating the above structure, the growth conditions are intentionally determined so that the size of the quantum dots is distributed, and as a result of creating a semiconductor optical amplifier with the obtained structure, an amplification band of 1.3 to 2.4 μm, A broadband, high-saturation output device was obtained.

本発明の請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、及び請求項１０に関する実施例を図３に表す。 Examples relating to claims 1, 2, 3, 4, 4, 5, 6, 7, and 10 of the present invention are shown in FIG.

図中、３０１は基板（ＧａＡｓ）、３０２はクラッド層（ＡｌＧａＡｓ，膜厚１．５μｍ）、３０３は光閉じ込め層（ＡｌＧａＡｓ，膜厚２００ｎｍ）、３０４は障壁層（ＧａＡｓ，膜厚５０ｎｍ）、３０５は複合構造を有する量子ドット（Ｉｎ（Ｇａ）ＮＡｓ：Ｂｉ）、３０６は薄膜層（ＩｎＧａＮＡｓ：Ｂｉ，膜厚１２ｎｍ）、３０７はコンタクト層（ＧａＡｓ，膜厚３００ｎｍ）であり、更に量子ドット３０５中、３０５ａは自己組織化によって形成された第一領域であるＩｎＮＡｓ：Ｂｉ、３０５ｂは薄膜層３０６の成長中に第一領域３０５ａによる歪場に誘起された組成変調によって第一領域３０５ａのドット上に選択的に成長した第二領域であるＩｎＧａＮＡｓ：Ｂｉである。 In the figure, 301 is a substrate (GaAs), 302 is a cladding layer (AlGaAs, film thickness 1.5 μm), 303 is an optical confinement layer (AlGaAs, film thickness 200 nm), 304 is a barrier layer (GaAs, film thickness 50 nm), 305 Is a quantum dot (In (Ga) NAs: Bi) having a composite structure, 306 is a thin film layer (InGaNAs: Bi, film thickness 12 nm), 307 is a contact layer (GaAs, film thickness 300 nm). 305a is a first region formed by self-assembly. InNAs: Bi, 305b is formed on the dots of the first region 305a by the compositional modulation induced by the strain field by the first region 305a during the growth of the thin film layer 306. InGaNAs: Bi, which is a second region selectively grown.

ここで第二領域３０５ｂのＩｎ組成は薄膜層３０６の平均的Ｉｎ組成に比べて高いため、本実施例においては第一領域３０５ａと第二領域３０５ｂの複合体が実効的な量子ドットとして作用しており、量子ドットの体積が大きくなることによってその発光波長が長波長化している。更に本実施例においては薄膜層３０６の平均歪量を１．０％に抑え、薄膜層３０６の厚さを１２ｎｍとしても欠陥の発生が認められず、発光効率の高い量子ドットが得られた。また、更に加えて第一領域３０５ａと第二領域３０５ｂで構成される量子ドット３０５中にはビスマスが添加されているため、量子ドット発光波長のさらなる長波長化ができた。 Here, since the In composition of the second region 305b is higher than the average In composition of the thin film layer 306, the composite of the first region 305a and the second region 305b acts as an effective quantum dot in this embodiment. In addition, as the volume of the quantum dots increases, the emission wavelength becomes longer. Further, in this example, even when the average strain amount of the thin film layer 306 was suppressed to 1.0% and the thickness of the thin film layer 306 was set to 12 nm, generation of defects was not recognized, and a quantum dot with high light emission efficiency was obtained. In addition, since bismuth is added to the quantum dots 305 constituted by the first region 305a and the second region 305b, the wavelength of the quantum dots can be further increased.

ここで本実施例において薄膜層３０６は量子ドット３０５の下部にもバッファ層として存在するが、同下部のバッファ層としての薄膜層３０６を省略しても本発明における効果は同様に得られる。 In this embodiment, the thin film layer 306 is also present as a buffer layer below the quantum dots 305. However, even if the thin film layer 306 as the lower buffer layer is omitted, the effect of the present invention can be obtained similarly.

図３に示した半導体量子ドット構造を種々の成長条件を用いて作成し、レーザダイオード素子を作成した結果、発光波長１．１〜１．８μｍの素子が得られた。
また、上記構造を作成する際、故意に量子ドットの大きさが分布するように成長条件を定め、得られた構造により半導体光増幅器を作成した結果、増幅帯域１．１〜１．８μｍの、広帯域、高飽和出力の素子が得られた。 As a result of producing the semiconductor quantum dot structure shown in FIG. 3 using various growth conditions and producing a laser diode element, an element having an emission wavelength of 1.1 to 1.8 μm was obtained.
In addition, when creating the above structure, the growth conditions are intentionally determined so that the size of the quantum dots is distributed, and as a result of creating a semiconductor optical amplifier with the obtained structure, an amplification band of 1.1 to 1.8 μm, A broadband, high-saturation output device was obtained.

本発明の請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、及び請求項１１に関する実施例を図４に表す。 FIG. 4 shows an embodiment related to claims 1, 2, 3, 4, 4, 5, 6, and 11 of the present invention.

図中、４０１は基板（ＩｎＰ）、４０２はクラッド層（ＩｎＰ，膜厚１．５μｍ）、４０３は光閉じ込め層（ＩｎＧａＡｓＰ，膜厚２００ｎｍ）、４０４は障壁層（ＩｎＧａＡｓＰ，膜厚５０ｎｍ）、４０５は複合構造を有する量子ドット（Ｉｎ（Ｇａ）ＮＡｓ：Ｂｉ）、４０６は薄膜層（ＩｎＧａＮＡｓ：Ｂｉ，膜厚１２ｎｍ）、４０７はコンタクト層（ＩｎＧａＡｓ，膜厚３００ｎｍ）であり、更に量子ドット４０５中、４０５ａは自己組織化によって形成された第一領域であるＩｎＮＡｓ：Ｂｉ、４０５ｂは薄膜層４０６の成長中に４０５ａによる歪場に誘起された組成変調によって４０５ａのドット上に選択的に成長した第二領域であるＩｎＧａＮＡｓ：Ｂｉである。 In the figure, 401 is a substrate (InP), 402 is a cladding layer (InP, thickness 1.5 μm), 403 is an optical confinement layer (InGaAsP, thickness 200 nm), 404 is a barrier layer (InGaAsP, thickness 50 nm), 405 Is a quantum dot (In (Ga) NAs: Bi) having a composite structure, 406 is a thin film layer (InGaNAs: Bi, film thickness 12 nm), 407 is a contact layer (InGaAs, film thickness 300 nm), and further in the quantum dot 405 405a is a first region formed by self-assembly. InNAs: Bi, 405b is a first region that is selectively grown on a dot of 405a by compositional modulation induced by a strain field by 405a during the growth of the thin film layer 406. InGaNAs: Bi, which is a two-region area.

ここで第二領域４０５ｂのＩｎの組成は薄膜層４０６の平均的Ｉｎ組成に比べて高いため、本実施例においては第一領域４０５ａと第二領域４０５ｂの複合体が実効的な量子ドットとして作用しており、量子ドットの体積が大きくなることによってその発光波長が長波長化している。更に本実施例においては薄膜層４０６の平均歪量を１．０％に抑え、同薄膜層の厚さを１２ｎｍとしても欠陥の発生が認められず、発光効率の高い量子ドットが得られた。また、更に加えて第一領域４０５ａと第二領域４０５ｂで構成される量子ドット４０５中にはビスマスが添加されているため、量子ドット４０５発光波長のさらなる長波長化ができた。 Here, since the In composition of the second region 405b is higher than the average In composition of the thin film layer 406, the composite of the first region 405a and the second region 405b acts as an effective quantum dot in this embodiment. In addition, as the volume of the quantum dots increases, the emission wavelength becomes longer. Further, in this example, even when the average strain amount of the thin film layer 406 was suppressed to 1.0% and the thickness of the thin film layer was set to 12 nm, generation of defects was not observed, and a quantum dot with high light emission efficiency was obtained. In addition, since bismuth is added to the quantum dot 405 composed of the first region 405a and the second region 405b, the emission wavelength of the quantum dot 405 can be further increased.

ここで本実施例において薄膜層４０６は量子ドット４０５の下部にもバッファ層として存在するが、同下部のバッファ層としての薄膜層４０６を省略しても本発明における効果は同様に得られる。 In this embodiment, the thin film layer 406 is also present as a buffer layer below the quantum dots 405. However, even if the thin film layer 406 serving as the lower buffer layer is omitted, the effect of the present invention can be similarly obtained.

また、図４に示した半導体量子ドット構造を種々の成長条件を用いて作成し、レーザダイオード素子を作成した結果、発光波長１．３〜２．８μｍの素子が得られた。
また、上記構造を作成する際、故意に量子ドットの大きさが分布するように成長条件を定め、得られた構造により半導体光増幅器を作成した結果、増幅帯域１．３〜２．８μｍの、広帯域、高飽和出力の素子が得られた。 Moreover, as a result of producing the semiconductor quantum dot structure shown in FIG. 4 using various growth conditions and producing a laser diode element, an element having an emission wavelength of 1.3 to 2.8 μm was obtained.
Further, when creating the above structure, the growth conditions are intentionally determined so that the size of the quantum dots is distributed, and as a result of creating a semiconductor optical amplifier with the obtained structure, an amplification band of 1.3 to 2.8 μm, A broadband, high-saturation output device was obtained.

本発明の請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、及び請求項８に関する実施例を図５に表す。 FIG. 5 shows an embodiment related to claims 2, 3, 4, 4, 5, 6, 7 and 8 of the present invention.

図中、５０１は基板（ＧａＡｓ）、５０２はクラッド層（ＡｌＧａＡｓ，膜厚１．５μｍ）、５０３は光閉じ込め層（ＡｌＧａＡｓ，膜厚２００ｎｍ）、５０４は障壁層（ＧａＡｓ，膜厚５０ｎｍ）、５０５は複合構造を有する量子ドット（Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ）、５０６ａは薄膜層（ＩｎＧａＡｓ：Ｂｉ，膜厚４ｎｍ）、５０６ｂは薄膜層（ＩｎＧａＡｓ，膜厚８ｎｍ）、５０７はＧａＡｓコンタクト層（膜厚３００ｎｍ）であり、更に量子ドット５０５中、５０５ａは自己組織化によって形成された第一領域であるＩｎＡｓ、５０５ｂはＩｎＧａＡｓ薄膜層５０６ｂの成長中に第一領域５０５ａによる歪場に誘起された組成変調によって第一領域５０５ａ上に選択的に形成された第二領域であるＩｎＧａＡｓである。 In the figure, 501 is a substrate (GaAs), 502 is a cladding layer (AlGaAs, film thickness 1.5 μm), 503 is an optical confinement layer (AlGaAs, film thickness 200 nm), 504 is a barrier layer (GaAs, film thickness 50 nm), 505 Is a quantum dot (In (Ga) As) having a composite structure, 506a is a thin film layer (InGaAs: Bi, film thickness 4 nm), 506b is a thin film layer (InGaAs, film thickness 8 nm), and 507 is a GaAs contact layer (film thickness 300 nm). In the quantum dot 505, 505a is a first region formed by self-assembly, InAs, and 505b is a composition modulation induced by a strain field by the first region 505a during the growth of the InGaAs thin film layer 506b. InGaAs is a second region selectively formed on the first region 505a.

ここで第二領域５０５ｂにおけるＩｎ組成はＩｎＧａＡｓ薄膜層５０６ｂの平均的Ｉｎ組成に比べて高いため、本実施例においては第一領域５０５ａと第二領域５０５ｂの複合体が実効的な量子ドット５０５として作用しており、量子ドット５０５の体積が大きくなることによってその発光波長が長波長化している。更に本実施例においてはＩｎＧａＡｓ：Ｂｉ薄膜層５０６ａ及びＩｎＧａＡｓ薄膜層５０６ｂの平均歪量を１．０％に抑え、ＩｎＧａＡｓ：Ｂｉ薄膜層５０６ａ及びＩｎＧａＡｓ薄膜層５０６ｂの合計厚さを１２ｎｍとしても欠陥の発生が認められず、発光効率の高い量子ドットが得られた。 Here, since the In composition in the second region 505b is higher than the average In composition of the InGaAs thin film layer 506b, the composite of the first region 505a and the second region 505b is used as an effective quantum dot 505 in this embodiment. The emission wavelength of the quantum dot 505 increases and the emission wavelength of the quantum dot 505 increases. Further, in this embodiment, even if the average strain amount of the InGaAs: Bi thin film layer 506a and the InGaAs thin film layer 506b is suppressed to 1.0% and the total thickness of the InGaAs: Bi thin film layer 506a and the InGaAs thin film layer 506b is set to 12 nm, defects are eliminated. Generation | occurrence | production was not recognized but the quantum dot with high luminous efficiency was obtained.

図５に示した半導体量子ドット構造を種々の成長条件を用いて作成し、レーザダイオード素子を作成した結果、発光波長１．１〜１．５μｍの素子が得られた。
また、上記構造を作成する際、故意に量子ドットの大きさが分布するように成長条件を定め、得られた構造により半導体光増幅器を作成した結果、増幅帯域１．１〜１．５μｍの、広帯域、高飽和出力の素子が得られた。 As a result of producing the semiconductor quantum dot structure shown in FIG. 5 using various growth conditions and producing a laser diode element, an element having an emission wavelength of 1.1 to 1.5 μm was obtained.
Moreover, when creating the above structure, the growth conditions are intentionally determined so that the size of the quantum dots is distributed, and as a result of creating a semiconductor optical amplifier with the obtained structure, an amplification band of 1.1 to 1.5 μm, A broadband, high-saturation output device was obtained.

本発明の請求項１２、請求項１３及び請求項１４に関する実施例を以下、実施例１の構造を製造する場合を例に図１に従って説明する。なお、複合型半導体量子ドット構造の成長にはＭＯＶＰＥ法を用いた。 Examples relating to claims 12, 13 and 14 of the present invention will be described below with reference to FIG. The MOVPE method was used for the growth of the composite semiconductor quantum dot structure.

まず、基板１０１を装置内に導入し、通常の成長手順でクラッド層１０２、光閉じ込め層１０３、障壁層１０４を成長する。次に成長を中断し、基板温度を４００℃まで下げた後、量子ドット１０５と薄膜層１０６をトリメチルインジウム、トリイソプロピルガリウム、トリメチルビスマス、ターシャリーブチルアルシンを原料として成長した。 First, the substrate 101 is introduced into the apparatus, and the cladding layer 102, the optical confinement layer 103, and the barrier layer 104 are grown by a normal growth procedure. Next, the growth was interrupted and the substrate temperature was lowered to 400 ° C., and then the quantum dots 105 and the thin film layer 106 were grown using trimethylindium, triisopropylgallium, trimethylbismuth, and tertiary butylarsine as raw materials.

ここで上記薄膜層の成長におけるガリウム材料としてトリイソプロピルガリウムを用いたことにより４００℃という低温においても十分な熱分解が得られたことに加え、ビスマス原料を供給することにより低温成長下においても光学特性の良い結晶が得られた。また更にビスマス原料を供給したことにより歪場によって誘起された組成変調（活性化スピノーダル分解）が促進され、量子ドット１０５の周辺及び上部にＩｎ組成の高いＩｎＧａＡｓ：Ｂｉからなる領域１０５ｂが再現性良く形成できた。 Here, by using triisopropyl gallium as the gallium material in the growth of the thin film layer, sufficient thermal decomposition was obtained even at a low temperature of 400 ° C., and by supplying a bismuth raw material, optical properties were also obtained under low temperature growth. Crystals with good characteristics were obtained. Furthermore, the composition modulation (activated spinodal decomposition) induced by the strain field is promoted by supplying the bismuth raw material, and the region 105b made of InGaAs: Bi having a high In composition is formed with good reproducibility around and above the quantum dot 105. I was able to form.

次に再び成長を中断し、基板温度を６００℃まで上げた後、障壁層１０４、光閉じ込め層１０３、クラッド層１０２、コンタクト層１０７を成長し、実施例１の構造を得た。ここで成長温度を６００℃とした理由は量子ドットの変形を避けるためである。なお、一般的にはＡｌＧａＡｓの成長は７５０℃程度で行われるが、ここでは砒素の原料としてターシャリーブチルアルシンを用いているため、６００℃の成長温度においても良好な結晶性が得られている。 Next, the growth was interrupted again, and after raising the substrate temperature to 600 ° C., the barrier layer 104, the optical confinement layer 103, the cladding layer 102, and the contact layer 107 were grown, and the structure of Example 1 was obtained. Here, the reason for setting the growth temperature to 600 ° C. is to avoid deformation of the quantum dots. In general, AlGaAs is grown at about 750 ° C., but here, tertiary butylarsine is used as an arsenic raw material, so that good crystallinity is obtained even at a growth temperature of 600 ° C. .

なお、本実施例ではＭＯＶＰＥ法を用いた製造方法を例として説明したが、本発明は他の製造方法、例えば分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）、有機金属分子線エピタキシー法（ＭＯＭＢＥ法）等を用いても実施可能であることは言うまでもない。 In this embodiment, the manufacturing method using the MOVPE method has been described as an example. However, the present invention can be applied to other manufacturing methods such as a molecular beam epitaxy method (MBE method), an organometallic molecular beam epitaxy method (MOMBE method), and the like. Needless to say, it can be implemented even if it is used.

各層の成長に用いた原料、並びに成長温度を次表に示す。 The raw materials used for the growth of each layer and the growth temperature are shown in the following table.

なお、表中に略記した原料名は以下の通りである。
ＴＭＡ：トリメチルアルミニウム
ＴＥＧ：トリエチルガリウム
ＡｓＨ３：アルシン
ＴＭＩ：トリメチルインジウム
ＴＩＰＧ：トリイソプロピルガリウム
ＴＭＢｉ：トリメチルビスマス
ＴＢＡｓ：ターシャリーブチルアルシン The material names abbreviated in the table are as follows.
TMA: Trimethylaluminum TEG: Triethylgallium AsH3: Arsine TMI: Trimethylindium TIPG: Triisopropylgallium TMBi: Trimethylbismuth TBAs: Tertiary butylarsine

本発明は光通信、光計測機器用の半導体光源並びに半導体光増幅器の活性層、或いは半導体受光素子の光吸収層として用いることができる半導体量子ドット構造及びその製造方法に利用可能である。特に従来の発明に関するものよりも、量子ドット構造に自由度が大きく、量子ドットの品質も高いことから、発光波長の選択範囲が広く、発光効率並びに温度特性がより良好な半導体光源、或いは増幅波長の選択範囲が広く、飽和出力の大きい半導体光増幅器、或いは受光波長の選択範囲が広い半導体受光素子を実現できる、という特徴を有する。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a semiconductor quantum dot structure that can be used as a semiconductor light source for optical communication, an optical measurement device, an active layer of a semiconductor optical amplifier, or a light absorption layer of a semiconductor light receiving element, and a manufacturing method thereof. In particular, the quantum dot structure has a higher degree of freedom and the quality of the quantum dot is higher than those related to the conventional invention, so that the selection range of the emission wavelength is wide, and the light emission efficiency and temperature characteristics are better. Therefore, it is possible to realize a semiconductor optical amplifier having a wide selection range and a large saturation output, or a semiconductor light receiving element having a wide selection range of light receiving wavelength.

図１（ａ）は本発明の実施例１を表す模式図、図１（ｂ）は同図（ａ）中の一点鎖線で囲んだ範囲Ａの拡大図である。FIG. 1A is a schematic diagram showing Example 1 of the present invention, and FIG. 1B is an enlarged view of a range A surrounded by an alternate long and short dash line in FIG. 図２（ａ）は本発明の実施例２を表す模式図、図２（ｂ）は同図（ａ）中の一点鎖線で囲んだ範囲Ａの拡大図である。FIG. 2A is a schematic diagram showing Example 2 of the present invention, and FIG. 2B is an enlarged view of a range A surrounded by an alternate long and short dash line in FIG. 図３（ａ）は本発明の実施例３を表す模式図、図３（ｂ）は同図（ａ）中の一点鎖線で囲んだ範囲Ａの拡大図である。FIG. 3A is a schematic diagram showing Example 3 of the present invention, and FIG. 3B is an enlarged view of a range A surrounded by a one-dot chain line in FIG. 図４（ａ）は本発明の実施例４を表す模式図、図４（ｂ）は同図（ａ）中の一点鎖線で囲んだ範囲Ａの拡大図である。FIG. 4A is a schematic diagram showing Example 4 of the present invention, and FIG. 4B is an enlarged view of a range A surrounded by an alternate long and short dash line in FIG. 図５（ａ）は本発明の実施例５を表す模式図、図５（ｂ）は同図（ａ）中の一点鎖線で囲んだ範囲Ａの拡大図である。FIG. 5 (a) is a schematic diagram showing Example 5 of the present invention, and FIG. 5 (b) is an enlarged view of a range A surrounded by a one-dot chain line in FIG. 5 (a).

符号の説明Explanation of symbols

１０１，３０１，５０１ＧａＡｓ基板
１０２，３０２，５０２ＡｌＧａＡｓクラッド層
１０３，３０３，５０３ＡｌＧａＡｓ光閉じ込め層
１０４，３０４，５０４ＧａＡｓ障壁層
１０５Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ：Ｂｉ量子ドット
１０５ａＩｎＡｓ：Ｂｉ
１０５ｂＩｎＧａＡｓ：Ｂｉ
１０６ＩｎＧａＡｓ：Ｂｉ薄膜層
１０７，３０７，５０７ＧａＡｓコンタクト層
２０１，４０１ＩｎＰ基板
２０２，４０２ＩｎＰクラッド層
２０３，４０３ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層
２０４，４０４ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
２０５Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ：Ｂｉ量子ドット
２０５ａＩｎＡｓ：Ｂｉ
２０５ｂＩｎＧａＡｓ：Ｂｉ
２０６ＩｎＧａＡｓ：Ｂｉ薄膜層
２０７，４０７ＩｎＧａＡｓコンタクト層
３０５Ｉｎ（Ｇａ）ＮＡｓ：Ｂｉ量子ドット
３０５ａＩｎＮＡｓ：Ｂｉ
３０５ｂＩｎＧａＮＡｓ：Ｂｉ
３０６ＩｎＧａＮＡｓ：Ｂｉ薄膜層
４０５Ｉｎ（Ｇａ）ＮＡｓ：Ｂｉ量子ドット
４０５ａＩｎＮＡｓ：Ｂｉ
４０５ｂＩｎＧａＮＡｓ：Ｂｉ
４０６ＩｎＧａＮＡｓ：Ｂｉ薄膜層
５０５Ｉｎ（Ｇａ）Ａｓ量子ドット
５０５ａＩｎＡｓ
５０５ｂＩｎＧａＡｓ
５０６ａＩｎＧａＡｓ：Ｂｉ薄膜層
５０６ｂＩｎＧａＡｓ薄膜層 101, 301, 501 GaAs substrate 102, 302, 502 AlGaAs cladding layer 103, 303, 503 AlGaAs optical confinement layer 104, 304, 504 GaAs barrier layer 105 In (Ga) As: Bi quantum dot 105a InAs: Bi
105b InGaAs: Bi
106 InGaAs: Bi thin film layer 107,307,507 GaAs contact layer 201,401 InP substrate 202,402 InP clad layer 203,403 InGaAsP light confinement layer 204,404 InGaAsP barrier layer 205 In (Ga) As: Bi quantum dot 205a InAs : Bi
205b InGaAs: Bi
206 InGaAs: Bi thin film layer 207,407 InGaAs contact layer 305 In (Ga) NAs: Bi quantum dot 305a InNAs: Bi
305b InGaNAs: Bi
306 InGaNAs: Bi thin film layer 405 In (Ga) NAs: Bi quantum dot 405a InNAs: Bi
405b InGaNAs: Bi
406 InGaNAs: Bi thin film layer 505 In (Ga) As quantum dot 505a InAs
505b InGaAs
506a InGaAs: Bi thin film layer 506b InGaAs thin film layer

Claims

半導体基板上に半導体量子ドットが形成される構造において、前記半導体量子ドットが、少なくとも２種類の、組成或いは構成元素の少なくとも一部が異なる半導体材料から構成され、少なくとも１種類の前記半導体材料中にビスマスまたはアンチモン、或いはその双方が添加されていることを特徴とする半導体量子ドット構造。 In a structure in which a semiconductor quantum dot is formed on a semiconductor substrate, the semiconductor quantum dot is composed of at least two kinds of semiconductor materials having different compositions or constituent elements, and at least one kind of the semiconductor material is included. A semiconductor quantum dot structure to which bismuth and / or antimony are added.

半導体基板上に半導体量子ドットが形成される構造において、前記半導体量子ドットがバッファ層となる半導体薄膜層上に形成されており、かつ、前記半導体量子ドットが、少なくとも２種類の、組成或いは構成元素の少なくとも一部が異なる半導体材料から構成され、かつ、前記バッファ層中、或いは前記バッファ層中かつ少なくとも１種類の前記半導体材料中にビスマスまたはアンチモン、或いはその双方が添加されていることを特徴とする半導体量子ドット構造。 In a structure in which a semiconductor quantum dot is formed on a semiconductor substrate, the semiconductor quantum dot is formed on a semiconductor thin film layer serving as a buffer layer, and the semiconductor quantum dot has at least two kinds of compositions or constituent elements Bismuth and / or antimony are added to the buffer layer, or to the buffer layer and to at least one kind of the semiconductor material. Semiconductor quantum dot structure.

請求項１又は請求項２に記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体量子ドットが、前記半導体基板に対して圧縮歪を有する半導体材料からなり、かつ、結晶成長時に自己組織化によってドット形状が形成された領域である第一領域と、前記第一領域と対比して、基板に対する歪みが、無歪状態を含むより小さな圧縮歪、或いは伸張歪を有する少なくとも１種類以上の半導体材料により構成されている領域である第二領域によって構成されていることを特徴とする半導体量子ドット構造。 3. The semiconductor quantum dot structure according to claim 1, wherein the semiconductor quantum dot is made of a semiconductor material having a compressive strain with respect to the semiconductor substrate, and a dot shape is formed by self-organization during crystal growth. In contrast to the first region, which is a region formed, and the first region, the strain on the substrate is composed of at least one kind of semiconductor material having a smaller compressive strain including an unstrained state or an extension strain. A semiconductor quantum dot structure characterized in that the semiconductor quantum dot structure is constituted by a second region which is a region that is present.

請求項３に記載の半導体量子ドット構造において、前記第二領域が、半導体混晶からなる薄膜層中において、歪場に誘起されて生じる混晶組成の変調によって形成されていることを特徴とする半導体量子ドット構造。 4. The semiconductor quantum dot structure according to claim 3, wherein the second region is formed by modulation of a mixed crystal composition caused by a strain field in a thin film layer made of a semiconductor mixed crystal. Semiconductor quantum dot structure.

請求項４に記載の半導体量子ドット構造において、前記第二領域を内包する薄膜層の、前記半導体基板に対する歪量の絶対値が、前記薄膜層全体を平均化して計算した場合に１％以下であることを特徴とする半導体量子ドット構造。 5. The semiconductor quantum dot structure according to claim 4, wherein the absolute value of the strain amount of the thin film layer including the second region with respect to the semiconductor substrate is 1% or less when calculated by averaging the entire thin film layer. A semiconductor quantum dot structure characterized by being.

請求項５に記載の半導体量子ドット構造において、前記第二領域を内包する前記薄膜層の膜厚が１０ｎｍより大きいことを特徴とする半導体量子ドット構造。 6. The semiconductor quantum dot structure according to claim 5, wherein the thickness of the thin film layer including the second region is larger than 10 nm.

請求項１乃至請求項６に記載のいずれかの半導体量子ドット構造において、前記半導体基板、前記半導体量子ドット並びに前記薄膜半導体層がＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、或いはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶であることを特徴とする半導体量子ドット構造。 7. The semiconductor quantum dot structure according to claim 1, wherein the semiconductor substrate, the semiconductor quantum dot, and the thin film semiconductor layer are made of a III-V group compound semiconductor or a III-V group compound semiconductor mixed crystal. A semiconductor quantum dot structure characterized by being.

請求項７に記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓであり、かつ前記第一領域の主成分がＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰであり、かつ前記第二領域の主成分がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓＰであり、かつ請求項２で規定される前記バッファ層を有する場合には前記バッファ層の主成分がＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓＰであることを特徴とする半導体量子ドット構造。 8. The semiconductor quantum dot structure according to claim 7, wherein the semiconductor substrate is GaAs or InGaAs, the main component of the first region is InAs, InGaAs or InGaAsP, and the main component of the second region is InGaAs, In the case where the buffer layer defined in claim 2 is used, the main component of the buffer layer is GaAs, InGaAs, InGaAsP, GaNAs, InNAs, GaInNAs or GaInNAsP. A semiconductor quantum dot structure.

請求項７に記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がＩｎＰであり、かつ前記第一領域の主成分がＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰであり、かつ前記第二領域の主成分がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓＰであり、かつ請求項２で規定される前記バッファ層を有する場合には前記バッファ層の主成分がＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓＰであることを特徴とする半導体量子ドット構造。 8. The semiconductor quantum dot structure according to claim 7, wherein the semiconductor substrate is InP, the main component of the first region is InAs, InGaAs, or InGaAsP, and the main component of the second region is InGaAs, InGaAsP, In the case of being InNP, InNAs, GaInNAs or GaInNAsP and having the buffer layer defined in claim 2, the main component of the buffer layer is InP, InGaAs, InGaAsP, InNP, InNAs, GaInNAsP or GaInNAsP Characteristic semiconductor quantum dot structure.

請求項７における半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓであり、かつ前記第一領域の主成分がＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓＰであり、かつ前記第二領域の主成分がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓＰであり、かつ請求項２で規定される前記バッファ層を有する場合には前記バッファ層の主成分がＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓＰであることを特徴とする半導体量子ドット構造。 8. The semiconductor quantum dot structure according to claim 7, wherein the semiconductor substrate is GaAs or InGaAs, the main component of the first region is InNAs, GaInNAs or GaInNAsP, and the main component of the second region is InGaAs, InGaAsP, In the case of GaNAs, InNAs, GaInNAs or GaInNAsP and having the buffer layer defined in claim 2, the main component of the buffer layer is GaAs, InGaAs, InGaAsP, GaNAs, InNAs, GaInNAsP or GaInNAsP Characteristic semiconductor quantum dot structure.

請求項７における半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がＩｎＰであり、かつ前記第一領域の主成分がＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓＰであり、かつ第二領域の主成分がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓＰであり、かつ請求項２で規定される前記バッファ層を有する場合には前記バッファ層の主成分がＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ又はＧａＩｎＮＡｓＰであることを特徴とする半導体量子ドット構造。 8. The semiconductor quantum dot structure according to claim 7, wherein the semiconductor substrate is InP, the main component of the first region is InNAs, GaInNAs, or GaInNAsP, and the main component of the second region is InGaAs, InGaAsP, InNP, InNAs. , GaInNAs or GaInNAsP, and having the buffer layer defined in claim 2, the main component of the buffer layer is InP, InGaAs, InGaAsP, InNP, InNAs, GaInNAs, or GaInNAsP. Semiconductor quantum dot structure.

請求項１乃至請求項１１に記載のいずれかの半導体量子ドット構造を製造する方法において、前記第一領域並びに前記第二領域の成長温度が、５００℃以下であり、かつ前記第一領域並びに前記第二領域の少なくとも一方の成長時、又は請求項２で規定される前記バッファ層を有する場合には少なくとも前記バッファ層の成長時にビスマスまたはアンチモン、或いはその両方を供給することを特徴とする半導体量子ドット構造の製造方法。 12. The method of manufacturing a semiconductor quantum dot structure according to claim 1, wherein a growth temperature of the first region and the second region is 500 ° C. or less, and the first region and the Bismuth and / or antimony, or both are supplied during growth of at least one of the second regions, or in the case of having the buffer layer defined in claim 2 at least during growth of the buffer layer. Manufacturing method of dot structure.

請求項１２による半導体量子ドット構造の製造方法において、ガリウムの原料としてトリイソプロピルガリウムを用いることを特徴とする半導体量子ドット構造の製造方法。 13. The method of manufacturing a semiconductor quantum dot structure according to claim 12, wherein triisopropyl gallium is used as a gallium raw material.

請求項１２による半導体量子ドット構造の製造方法において、ビスマスの原料としてトリメチルビスマスを用いることを特徴とする半導体量子ドット構造の製造方法。 13. The method for producing a semiconductor quantum dot structure according to claim 12, wherein trimethylbismuth is used as a raw material for bismuth.