JP2803719B2 - 半導体量子ドット素子とその製造方法 - Google Patents
半導体量子ドット素子とその製造方法Info
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Description
界効果トランジスタなどの半導体デバイスに使用される
半導体量子ドット素子とその製造方法に関するものであ
る。
量子ドット構造のデバイスは、一般的な量子井戸構造の
デバイスよりも優れた特性を持つと期待されている。こ
の量子ドット構造を製造する方法として、半導体障壁層
上にこれとは格子定数の異なる半導体からなる量子ドッ
トを自己形成的に形成させる方法が知られている(Ap
plied Physics Letters、第63
巻、3203ページ(1993))。
長が、応力の作用により、自然にドット構造となること
を利用しており、Stranski−Krastano
w(SK)モード成長と呼ばれている。この方法で形成
される量子ドットは、1回の成長だけで形成され、成長
前の基板加工や、成長後のドット加工などの工程を必要
としない。したがって、工程が簡易であるばかりでな
く、加工損傷などの欠陥が無い良質な結晶を持つドット
が製造できる。
ード成長で量子ドットを形成させる際には、量子ドット
の下に、ぬれ層と呼ばれる中間層が同時に形成される。
これは、基板上に格子不整合の半導体が成長していく
と、まず、基板からの応力を維持できる厚さのぬれ層が
成長して、その後、応力緩和のためにドット状の結晶成
長が生じるためである。
トと同じ半導体であるが、数原子層のごく薄い厚さの量
子井戸となり、量子ドットの持つ量子準位とは異なる量
子準位を作る。したがって、電荷キャリヤーを流すと、
この中間層からなる量子井戸においてキャリヤー結合が
おきる。この、中間層は量子ドットの下側全面に存在す
るために、ここでのキャリヤーの消費が大きくなると、
量子ドットヘ有効的にキャリヤーが注入できなくなる。
ドットの下に形成されていたぬれ層からなる量子井戸構
造を無くして、効率的に量子ドットヘキャリヤー注入を
行える半導体量子ドット素子を提供することである。
半導体からなる半導体障壁層と、前記第1の半導体より
もバンドギャップが小さく、格子定数の異なる第2の半
導体からなる半導体量子ドット構造を備えた半導体量子
ドット素子において、前記半導体障壁層と前記半導体量
子ドット構造の間に、前記第1の半導体よりもバンドギ
ャップが大きく、前記第2の半導体と格子定数の等しい
第3の半導体からなる、数原子層厚の半導体中間層を備
えることを特徴とする半導体量子ドット素子が得られ
る。
体がA1GaAsであり、前記第2の半導体がInGa
Asであり、前記第3の半導体がInAlAsであるこ
とを特徴とする半導体量子ドット素子が得られる。
層上に前記半導体中間層を数原子層厚だけ形成する工程
と、前記半導体中間層上に前記半導体量子ドット構造を
形成する工程を含むことを特徴とする半導体量子ドット
素子の製造方法が得られる。
と格子定数が等しく、障壁層よりもバンドギャップの大
きい半導体からなる中間層を、従来のぬれ層の替わりに
成長させる。この中間層が応力を溜める役目を果たし、
その上に量子ドットを成長させると、中間層上ですぐに
応力緩和を起こし、直接ドット構造が形成される。この
中間層は障壁層よりもバンドギャップが大きいため、障
壁層に挟まれても、量子井戸とはならない。したがっ
て、電流を流した際には、この中間層でのキャリヤー捕
獲が無く、また、非常に薄い層なので、キャリヤーは中
間層を自由にトンネルできて、量子ドットに容易に注入
される。これにより、高効率な半導体量子ドット素子が
形成できる。
て図面を参照にして詳細に説明する。図1は本発明の一
実施の形態を説明する量子ドット構造断面図である。図
1において、n型のGaAs基板1上に、n型Al0.03
Ga0.97Asの障壁層2が厚さ0.4μmで積層され、
その上にIn0.5 Al0.5 Asの中間層3が厚さ0.6
nmで積層され、その上にIn0.5 Ga0.5 Asの量子
ドット4が直径20nm、厚さ6nmで積層され、その
上にp型のAl0.03Ga0.97Asの障壁層5が厚さ0.
3μmで積層され、その上にp型のGaAsキャップ層
6が厚さ500nmで積層されて構成されている。
は、障壁層2,5のAl0.03Ga0.97Asが0.565
nm、中間層3のIn0.5 Al0.5 Asが0.586n
m、量子ドット4のIn0.5 Ga0.5 Asが同じく0.
586nmである。また、それぞれの半導体のバンドギ
ャップは障壁層2,5のAl0.03Ga0.97Asが1.4
6eV、中間層3のIn0.5 Al0.5 Asが1.48e
V、量子ドット4のIn0.5 Ga0.5 Asが0.75e
Vである。この場合、中間層3のバンドギャップは障壁
層2,5のバンドギャップよりも大きいために、量子井
戸は形成されない。
n型の障壁層2を通るキャリヤーである電子は、ごく薄
い中間層3のエネルギー障壁をトンネルして、量子ドッ
ト4に流れ込む。これが、p型の障壁層5から量子ドッ
ト4に流れ込む正孔と結合する。したがって、図2に示
すように、この量子ドット4を活性層としたレ一ザ構造
の場合、量子ドットにおける効率的な電子一正孔間の結
合によって起こる発光により、低電流で発振し、高効率
な特性を有するレーザが得られる。
る。まず、Siをドープしたn型GaAs基板1を分子
線エピタキシャル成長装置に導入する。このn型GaA
s基板1上に、Siドープのn型Al0.03Ga0.97As
の障壁層2(厚さ0.4μm)が成長する(図3
(a))。この上に、In0.5 Al0.5 Asの中間層3
(厚さ0.6nm)が成長する(図3(b))。障壁層
2と中間層3はそれぞれ格子定数が0.565nmと
0.586nmであるため、中間層3に応力が蓄積され
る。尚、中間層3の厚さ0.6nmは応力が蓄積できる
限界の厚さである。
の上に中間層3と同じ格子定数のIn0.5 Ga0.5 As
が成長すると、すぐに応力緩和してドット形状が形成さ
れる。これによって、Al0.03Ga0.97Asの障壁層上
に直接In0.5 Ga0.5 Asが成長した時に、従来量子
ドットの下に形成されたぬれ層と呼ばれるIn0.5 Ga
0.5 Asの中間層は形成されず、このぬれ層による量子
井戸構造が無いので、InGaAsの量子ドットヘ効率
よくキャリヤーが流れ、高性能な量子ドット素子とな
る。
のp型Al0.03Ga0.97Asの障壁層5(厚さO.3μ
m)、p型GaAsキャップ層6(厚さ500nm)が
成長する(図3(d))。以上の成長工程により、量子
ドット構造が製造され、この量子ドット構造は高性能な
半導体レーザや、電界効果トランジスタのデバイスに応
用できる。
形成による量子ドット構造において、障壁層よりバンド
ギャップの大きい中間層を障壁層と量子ドットの間に設
けることにより、中間層でのキャリヤー結合を無くし
て、効率よく量子ドットにキャリヤーを注入することが
できる。これにより、例えば、量子ドットを活性層に用
いた高性能な半導体レーザが得られる。
図である。
ーザの構造断面図である。
造図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 第1の半導体からなる半導体障壁層と、
前記第1の半導体よりもバンドギャップが小さく、格子
定数の異なる第2の半導体からなる半導体量子ドット構
造を備えた半導体量子ドット素子において、前記半導体
障壁層と前記半導体量子ドット構造の間に、前記第1の
半導体よりもバンドギャップが大きく、前記第2の半導
体と格子定数の等しい第3の半導体からなる、数原子層
厚の半導体中間層を備えることを特徴とする半導体量子
ドット素子。 - 【請求項2】 前記第1の半導体がA1GaAsであ
り、前記第2の半導体がInGaAsであり、前記第3
の半導体がInAlAsであることを特徴とする請求項
1記載の半導体量子ドット素子。 - 【請求項3】 請求項1又は2記載の半導体量子ドット
素子の製造方法において、前記半導体障壁層上に前記半
導体中間層を数原子層厚だけ形成する工程と、前記半導
体中間層上に前記半導体量子ドット構造を形成する工程
を含むことを特徴とする半導体量子ドット素子の製造方
法。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP7777296A JP2803719B2 (ja) | 1996-03-29 | 1996-03-29 | 半導体量子ドット素子とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP7777296A JP2803719B2 (ja) | 1996-03-29 | 1996-03-29 | 半導体量子ドット素子とその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09270508A JPH09270508A (ja) | 1997-10-14 |
JP2803719B2 true JP2803719B2 (ja) | 1998-09-24 |
Family
ID=13643254
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP7777296A Expired - Fee Related JP2803719B2 (ja) | 1996-03-29 | 1996-03-29 | 半導体量子ドット素子とその製造方法 |
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Families Citing this family (6)
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KR100695842B1 (ko) * | 2005-01-12 | 2007-03-19 | 한국과학기술연구원 | 양자점 상하에 비대칭 반도체층을 구비하는 광소자 및 그제조 방법 |
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1996
- 1996-03-29 JP JP7777296A patent/JP2803719B2/ja not_active Expired - Fee Related
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