JP3903182B2 - Quantum dot formation method and quantum dot semiconductor device in low lattice mismatch system - Google Patents
Quantum dot formation method and quantum dot semiconductor device in low lattice mismatch system Download PDFInfo
- Publication number
- JP3903182B2 JP3903182B2 JP2003322038A JP2003322038A JP3903182B2 JP 3903182 B2 JP3903182 B2 JP 3903182B2 JP 2003322038 A JP2003322038 A JP 2003322038A JP 2003322038 A JP2003322038 A JP 2003322038A JP 3903182 B2 JP3903182 B2 JP 3903182B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- quantum dots
- inas
- algasb
- molecular beam
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 title claims description 100
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 58
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 31
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title description 12
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 81
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 66
- 229910017115 AlSb Inorganic materials 0.000 claims description 54
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 51
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 47
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 38
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 25
- 229910005542 GaSb Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910021478 group 5 element Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 8
- 239000000470 constituent Substances 0.000 claims description 7
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 138
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 43
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 21
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 14
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 9
- 238000000103 photoluminescence spectrum Methods 0.000 description 8
- 239000002052 molecular layer Substances 0.000 description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 6
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 6
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 3
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 2
- -1 GaAs compound Chemical class 0.000 description 1
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N Indium phosphide Chemical compound [In]#P GPXJNWSHGFTCBW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- WGPCGCOKHWGKJJ-UHFFFAOYSA-N sulfanylidenezinc Chemical compound [Zn]=S WGPCGCOKHWGKJJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Description
本発明は、低格子不整合系における量子ドットの形成方法および量子ドット半導体素子に関する。とくに、量子ドットがＩＩＩ−Ｖ族量子ドットであって、この格子定数と低格子不整合率の格子定数であるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体上に、ＩＩＩ−Ｖ族量子ドットを形成する方法である。 The present invention relates to a method for forming quantum dots and a quantum dot semiconductor device in a low lattice mismatch system. In particular, the quantum dot is a group III-V quantum dot, and a group III-V quantum dot is formed on a group III-V compound semiconductor having a lattice constant and a lattice constant having a low lattice mismatch rate. .
低閾値量子ドットレーザなどの高性能の光電子デバイスを実現するために、ＳＫ成長モードなどの自己形成現象（自己組織化）を利用することによって量子ドットを形成する方法が現在研究されている。 In order to realize high-performance optoelectronic devices such as low threshold quantum dot lasers, methods for forming quantum dots by utilizing self-forming phenomena (self-organization) such as the SK growth mode are currently being studied.
このようなＳＫ成長モードなどの自己形成現象（自己組織化）を利用する場合には、形成する量子ドットの格子定数と、量子ドットが形成される化合物半導体基板の格子定数とにおいて、比較的大きい格子不整合率を有することが要求される。例えば、従来一般的に行われているような、ＧａＡｓ基板にＩｎＡｓ量子ドットを形成する場合、その両者の格子不整合率は約７．２％である。そして、この場合のフォトルミネッセンス（ＰＬ）発光の強度は、波長が約１．０μｍ付近でピークを有するものとなっていた。 When utilizing such a self-forming phenomenon (self-organization) such as the SK growth mode, the lattice constant of the quantum dots to be formed and the lattice constant of the compound semiconductor substrate on which the quantum dots are formed are relatively large. It is required to have a lattice mismatch rate. For example, in the case where InAs quantum dots are formed on a GaAs substrate, which is generally performed in the past, the lattice mismatch ratio between the two is about 7.2%. In this case, the intensity of photoluminescence (PL) emission has a peak at a wavelength of about 1.0 μm.
ＳＫ成長モードなどの自己形成現象（自己組織化）は、比較的大きい格子不整合に基づく圧縮歪を緩和するべく量子ドットが形成されるものと理解されるところ、従来においては、格子不整合率がある程度大きくなければ量子ドットを形成することが困難であった。 Self-formation phenomena (self-organization) such as the SK growth mode are understood to form quantum dots to alleviate compressive strain based on a relatively large lattice mismatch. It was difficult to form quantum dots unless the size was large to some extent.
一方、このように比較的大きい格子不整合率に基づくＳＫ成長モードなどの自己形成現象（自己組織化）を利用して形成された量子ドットでは、そのＰＬ発光強度のピークが比較的小さい波長へシフトするものとなっていた。具体的には量子ドットの種類によるので一概には言えないが、上記例のようにＧａＡｓ基板／ＩｎＡｓ量子ドットでは約１．０μｍ付近にピークを有するものとなっていた。これは、量子ドット内のエネルギーバンドが、比較的大きい格子不整合率を有する基板からの圧縮歪による影響を受けるからと考えられる。 On the other hand, in a quantum dot formed by utilizing such a self-organization phenomenon (self-organization) such as an SK growth mode based on a relatively large lattice mismatch rate, the peak of the PL emission intensity has a relatively small wavelength. It was to shift. Specifically, since it depends on the kind of quantum dot, it cannot be generally stated, but the GaAs substrate / InAs quantum dot has a peak in the vicinity of about 1.0 μm as in the above example. This is presumably because the energy band in the quantum dot is affected by compressive strain from a substrate having a relatively large lattice mismatch rate.
しかしながら、このような比較的小さい波長でピークを有するようでは、高速度光通信に用いられる光ファイバにレーザ光を送る発光装置として用いることが困難である。なぜなら、例えばシングルモード光ファイバでは、１．３μｍ付近で波長分散が零になるように設計されており、その他光ファイバで利用可能となるためには、１．３μｍや１．５５μｍ付近でピークを有することが好ましいからである。さらには、比較的大きい格子不整合率に基づく圧縮歪によって、量子ドットの多層化が困難であった。 However, if it has a peak at such a relatively small wavelength, it is difficult to use it as a light emitting device for sending laser light to an optical fiber used for high speed optical communication. This is because, for example, a single mode optical fiber is designed so that chromatic dispersion becomes zero near 1.3 μm, and in order to be usable in other optical fibers, a peak is observed near 1.3 μm or 1.55 μm. It is because it is preferable to have. Furthermore, it is difficult to make quantum dots multi-layered due to compressive strain based on a relatively large lattice mismatch rate.
そして、上記のような困難の克服を、できるだけ一般的な化合物半導体の材料、即ち比較的安価で入手しやすくポピュラーな化合物半導体や元素材料で実現することが望まれる。そこで、量子ドット、それを形成する基板がともにＩＩＩ−Ｖ族の化合物とする。 It is desired to overcome the above-described difficulties by using a general compound semiconductor material as much as possible, that is, a compound semiconductor or elemental material that is relatively inexpensive and easily available. Therefore, both the quantum dots and the substrate on which they are formed are III-V group compounds.
勿論、量子ドットを形成するからには、できるだけ量子ドットの面密度が大きくなるのが好ましい。 Of course, in order to form quantum dots, it is preferable that the surface density of the quantum dots be as large as possible.
そこで本発明は、量子ドットがＩＩＩ−Ｖ族量子ドットであって、この格子定数と低格子不整合率の格子定数であるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体上に、ＩＩＩ−Ｖ族量子ドットを形成する方法を提供することを課題とする。 Therefore, in the present invention, the III-V group quantum dot is formed on the III-V group compound semiconductor having the lattice constant and the lattice constant having a low lattice mismatch rate. It is an object to provide a method.
本発明は上記課題の解決を図るため、次の手段を用いる。
即ち、ＩＩＩ―Ｖ族量子ドットの格子定数に対して３％以下の格子不整合率の格子定数であるＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体上に、ＩＩＩ―Ｖ族量子ドットを構成するＶ族元素の分子線を桁数にして１０-7Ｔｏｒｒの条件において照射することによって、ＩＩＩ―Ｖ族量子ドットを成長させて形成することを特徴とする低格子不整合系における量子ドットの形成方法とするのである。
The present invention uses the following means in order to solve the above problems.
That is, the molecule of the group V element constituting the group III-V quantum dot on the group III-V compound semiconductor having a lattice mismatch rate of 3% or less with respect to the lattice constant of the group III-V quantum dot. A method for forming quantum dots in a low-lattice mismatched system is characterized in that III-V quantum dots are grown and formed by irradiating under the condition of 10 −7 Torr with the number of lines being 10 digits. .
とくに、ＩＩＩ―Ｖ族量子ドットを、ＩｎおよびＡｓを主たる構成元素とするＩｎＡｓ系量子ドットとし、ＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体を、Ｓｂおよび、Ａｌ、Ｇａの少なくともいずれか一方の元素を主たる構成元素とするＡｌＧａＳｂ系化合物半導体とするものでもよい。 In particular, the group III-V quantum dot is an InAs-based quantum dot whose main constituent elements are In and As, and the group III-V compound semiconductor is a main constituent element containing at least one of Sb, Al, and Ga. An AlGaSb-based compound semiconductor may be used.
そしてとくに、ＡｌＧａＳｂ系化合物半導体上に、温度条件が約５００℃、Ａｓ分子線を３．０×１０-7〜７．０×１０-7Ｔｏｒｒの条件において照射することによって、ＩｎＡｓ系量子ドットを成長させて形成するものでもよい。 In particular, by irradiating an AlGaSb-based compound semiconductor with an As molecular beam at a temperature condition of about 500 ° C. and an As molecular beam of 3.0 × 10 −7 to 7.0 × 10 −7 Torr, It may be formed by growing.
また、ＧａＡｓ基板上に、ＡｌＡｓ層をエピタキシャル成長させて形成し、次いで、ＡｌＡｓ層上に、ＡｌＳｂ層をエピタキシャル成長させて形成し、さらに、ＡｌＳｂ層上に、Ｓｂ分子線および、Ａｌ分子線、Ｇａ分子線の少なくともいずれか一方の分子線を照射することによってエピタキシャル成長して形成されたＡｌＧａＳｂ系層が、上記ＡｌＧａＳｂ系化合物半導体とすることでもよい。 Further, an AlAs layer is formed by epitaxial growth on a GaAs substrate, and then an AlSb layer is formed by epitaxial growth on the AlAs layer. Further, an Sb molecular beam, an Al molecular beam, and a Ga molecular layer are formed on the AlSb layer. An AlGaSb-based layer formed by epitaxial growth by irradiating at least one of the molecular beams may be the AlGaSb-based compound semiconductor.
さらには、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓバッファ層をエピタキシャル成長させて形成し、さらにＧａＡｓバッファ層上に、ＡｌＡｓ層をエピタキシャル成長させて形成するようにしてもよい。 Further, a GaAs buffer layer may be formed by epitaxial growth on a GaAs substrate, and an AlAs layer may be formed by epitaxial growth on the GaAs buffer layer.
ＩｎＡｓ系量子ドットが形成されたＡｌＧａＳｂ系化合物半導体表面を、ＡｌＧａＳｂ系化合物で被覆するものでもよい。 The AlGaSb compound semiconductor surface on which the InAs quantum dots are formed may be coated with an AlGaSb compound.
さらに、被覆したＡｌＧａＳｂ系化合物の表面に、ＩｎＡｓ系量子ドットを成長させて形成することを繰り返すことで、ＩｎＡｓ系量子ドットを多層化して形成するようにしてもよい。 Further, the InAs quantum dots may be formed in multiple layers by repeating the growth and formation of InAs quantum dots on the surface of the coated AlGaSb compound.
また、被覆したＡｌＧａＳｂ系化合物の表面に、ＡｌＳｂバリア層をエピタキシャル成長させて形成し、ＡｌＳｂ層の表面にＩｎＡｓ系量子ドットを成長させて形成することを繰り返すようにしてもよい。 Alternatively, the AlSb barrier layer may be formed by epitaxial growth on the surface of the coated AlGaSb-based compound, and the InAs-based quantum dots may be grown and formed on the surface of the AlSb layer.
上記の低格子不整合系における形成方法によって形成されたＩＩＩ−Ｖ族量子ドットを用いた量子ドット半導体素子は、通信波長帯の発光装置として利用することが可能である。とくに、汎用基板上に形成されたＡｌＧａＳｂ系層上に形成されるＩｎＡｓ系量子ドットの場合に、通信用光ファイバの発光半導体素子として有用となる。 The quantum dot semiconductor element using the III-V group quantum dot formed by the formation method in the low lattice mismatch system can be used as a light emitting device in a communication wavelength band. In particular, in the case of InAs-based quantum dots formed on an AlGaSb-based layer formed on a general-purpose substrate, it is useful as a light-emitting semiconductor element of a communication optical fiber.
上記のように被覆したＡｌＧａＳｂ系化合物の表面に、ＡｌＳｂ層をエピタキシャル成長させて形成し、ＡｌＳｂ層上に、ＧａＳｂ層をエピタキシャル成長させて形成してなる量子ドット半導体素子は、光通信にとって良好な発光波長を有するものとなる。 A quantum dot semiconductor element formed by epitaxially growing an AlSb layer on the surface of an AlGaSb-based compound coated as described above and epitaxially growing the GaSb layer on the AlSb layer has a light emission wavelength that is favorable for optical communication. It will have.
本発明によれば、量子ドットがＩＩＩ−Ｖ族量子ドットであって、この格子定数と低格子不整合率の格子定数であるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体上に、ＩＩＩ−Ｖ族量子ドットを高面密度に形成することができる。とくに、ＡｌＧａＳｂ系化合物の表面に、これと低格子不整合率の格子定数のＩｎＡｓ系量子ドットを高面密度に形成でき、さらに、光通信用として有効な波長の発光が得られるので、本発明の量子ドット半導体素子は、光通信用発光装置として利用できるようになる。 According to the present invention, the quantum dot is a group III-V quantum dot, and the group III-V quantum dot is formed on the group III-V compound semiconductor having the lattice constant and the lattice constant having a low lattice mismatch rate. The surface density can be formed. In particular, an InAs quantum dot having a lattice constant with a low lattice mismatch rate can be formed on the surface of an AlGaSb compound at a high surface density, and light emission having an effective wavelength for optical communication can be obtained. The quantum dot semiconductor device can be used as a light emitting device for optical communication.
第１図ないし第２図を基に、本発明の実施形態を詳述する。なお、本発明は、以下の説明に限定されるものではなく適宜設計変更可能である。また、下記に記載する実施形態が必ず最良であるとは限らない。なぜなら、化合物半導体の種類やその結晶面のミラー指数、量子ドットとなる化合物を構成する元素の種類、化合物半導体と量子ドットのそれぞれの格子定数の相違の程度などによって、温度条件や元素の照射時間等を適宜変更するのが好ましいからである。 The embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. In addition, this invention is not limited to the following description, A design change is possible suitably. Also, the embodiments described below are not necessarily the best. Because, depending on the type of compound semiconductor, the Miller index of its crystal plane, the type of element constituting the compound that becomes the quantum dot, the degree of difference in the lattice constant between the compound semiconductor and the quantum dot, etc., the temperature condition and the irradiation time of the element It is because it is preferable to change etc. suitably.
まず、本発明の低格子不整合系における量子ドットの形成方法は、必ずしもＭＢＥ法のみによってしかなしえないものではなく、各種の化学気相成長法（例えばＭＯＣＶＤ法）によってもなしうるものである。しかしながら、化合物半導体上で量子ドットを結晶成長させるには、薄膜の１分子層レベルの成長が精密に制御可能なＭＢＥ法によることが好ましい。 First, the method for forming quantum dots in the low-lattice mismatched system of the present invention is not necessarily achieved only by the MBE method, but can also be achieved by various chemical vapor deposition methods (for example, MOCVD method). . However, in order to grow quantum dots on a compound semiconductor, it is preferable to use the MBE method in which the growth of a single molecular layer of a thin film can be precisely controlled.
チャンバー（１）内に化合物半導体である基板（２）を設置する（図１参照）。基板（２）の形状に特別の限定はないが、平坦なおよそ平面状であることが好適である。 A substrate (2), which is a compound semiconductor, is placed in the chamber (1) (see FIG. 1). Although there is no special limitation in the shape of a board | substrate (2), it is suitable that it is flat substantially planar shape.
基板（２）の化合物半導体は、格別の限定は無いもののＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とするのが好ましい。より具体的には、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム燐（ＩｎＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などが挙げられる。ここでは、基板（２）を、ＧａＡｓ半導体とする。ＧａＡｓ基板は、比較的入手容易な安価な半導体基板だからである。 The compound semiconductor of the substrate (2) is preferably a III-V group compound semiconductor although there is no particular limitation. More specifically, gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (InP), gallium nitride (GaN), and the like can be given. Here, the substrate (2) is a GaAs semiconductor. This is because the GaAs substrate is a relatively inexpensive and inexpensive semiconductor substrate.
また、本発明において形成する量子ドットは、ＩＩＩ−Ｖ族量子ドットであり、それを構成する構成元素に格別の限定は無く、例えばＩＩＩ族元素であればガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）などから選ばれる１つ以上の元素であり、Ｖ族元素であれば燐（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などから選ばれる１つ以上の元素である。つまり、ＩＩＩ−Ｖ族量子ドットは、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｌＳｂなどである。ここではとくにＩｎＡｓ系量子ドットとする。そして、ＩｎＡｓ系量子ドットを形成する化合物半導体は、ここではとくにＡｌＧａＳｂ系化合物半導体とする。 In addition, the quantum dots formed in the present invention are III-V group quantum dots, and there are no particular limitations on the constituent elements constituting the quantum dots. For example, in the case of a group III element, gallium (Ga), indium (In), One or more elements selected from aluminum (Al) or the like, and one or more elements selected from phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb) or the like in the case of a group V element. That is, the III-V group quantum dots are InAs, InGaSb, InAsSb, AlGaSb, InAlSb, and the like. Here, in particular, InAs quantum dots are used. The compound semiconductor that forms the InAs-based quantum dots is particularly an AlGaSb-based compound semiconductor here.
ところで、ＩｎＡｓ系量子ドットとは、ＩｎおよびＡｓを主たる構成元素とする量子ドットのことであり、ＡｌＧａＳｂ系化合物半導体とは、Ｓｂおよび、Ａｌ、Ｇａの中から少なくともいずれか一方の元素を主たる構成元素とする化合物半導体のことをいう。ＩｎＡｓ系量子ドットの具体例としては、上記のＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＳｂなどである。また、ＡｌＧａＳｂ系化合物半導体の具体例としては、ＡｌＧａＳｂ、ＩｎＡｌＧａＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂなどである。 By the way, the InAs-based quantum dot is a quantum dot having In and As as main constituent elements, and the AlGaSb-based compound semiconductor has a main configuration of at least one element selected from Sb, Al, and Ga. It refers to a compound semiconductor that is an element. Specific examples of InAs-based quantum dots include InAs and InAsSb described above. Specific examples of the AlGaSb-based compound semiconductor include AlGaSb, InAlGaSb, and AlGaAsSb.
ＩｎＡｓ系量子ドットとＡｌＧａＳｂ系化合物半導体との格子不整合率は、ＩｎＡｓ系量子ドットとＡｌＧａＳｂ系化合物半導体それぞれを構成する元素の組成比にもよるが、ＩｎＡｓ系量子ドットがＩｎＡｓの場合の格子定数と、ＡｌＧａＳｂ系化合物半導体がＡｌＧａＳｂの場合の格子定数との不整合率は、わずか約１．３％である。ＳＫ成長モードの本質が、量子ドット／化合物半導体系の格子不整合に基づく圧縮歪の緩和にあると考えられるところ、格子定数の不整合率が例えばほぼ同じような場合は格別、本発明の形成方法の効果は、量子ドット／化合物半導体系の格子不整合率が３％以下、より詳細には、０．８％〜３％のものに対して顕著である。 The lattice mismatch rate between the InAs quantum dots and the AlGaSb compound semiconductor depends on the composition ratio of the elements constituting the InAs quantum dots and the AlGaSb compound semiconductor, but the lattice constant when the InAs quantum dots are InAs. The mismatch rate with the lattice constant when the AlGaSb compound semiconductor is AlGaSb is only about 1.3%. It is considered that the essence of the SK growth mode lies in relaxation of compressive strain based on lattice mismatch of the quantum dot / compound semiconductor system. The effect of the method is significant for a quantum dot / compound semiconductor system with a lattice mismatch rate of 3% or less, more specifically 0.8% to 3%.
ＡｌＧａＳｂ化合物半導体の格子定数に対して約３％以内の低不整合率の格子定数を有するＩｎＡｓ系量子ドットであるためには、例えばＩｎＡｓＳｂの場合にＳｂの組成比を大きくとることができない。同様に、例えばＩｎＧａＡｓの場合に、Ｇａの組成比を大きくとることができない。つまり、Ｉｎ、Ａｓ以外の構成元素を置換できる割合は制限される。従って例えば、上記例では、ＩｎＡｓ0.5Ｓｂ0.5やＩｎ0.8Ｇａ0.2Ａｓとなる。 In order to be an InAs-based quantum dot having a lattice constant with a low mismatch rate within about 3% of the lattice constant of the AlGaSb compound semiconductor, for example, in the case of InAsSb, the composition ratio of Sb cannot be increased. Similarly, in the case of InGaAs, for example, the Ga composition ratio cannot be increased. That is, the rate at which constituent elements other than In and As can be replaced is limited. Therefore, for example, in the above example, InAs 0.5 Sb 0.5 and In 0.8 Ga 0.2 As are obtained.
ＧａＡｓ半導体は、閃亜鉛鉱型結晶構造であり、結晶面はミラー指数｛１００｝とする。なお、その他の化合物半導体の基板でも、同様のミラー指数の結晶面でなければならないことはなく適宜変更可能である。 The GaAs semiconductor has a zinc blende crystal structure, and the crystal plane has a Miller index {100}. Note that other compound semiconductor substrates do not have to have the same Miller index crystal plane, and can be changed as appropriate.
チャンバー（１）内は、高真空状態を保つようにする。このことによって、余計な不純物が基板上に混入する可能性が少なくなる。 The chamber (1) is kept in a high vacuum state. This reduces the possibility of extra impurities entering the substrate.
そして、基板（２）を、所定温度にまで加温する。本実施形態例では、ＧａＡｓ半導体である基板（２）をおよそ５８０℃まで加温する。 Then, the substrate (2) is heated to a predetermined temperature. In this embodiment, the substrate (2), which is a GaAs semiconductor, is heated to approximately 580 ° C.
チャンバー（１）には、複数の元素を加熱蒸発可能な坩堝（図示しない）と、蒸発した元素を分子線として射出可能な分子線照射装置が備えられている。本実施形態例では、分子線照射装置は、Ｇａ分子線照射装置（１０）、Ａｓ分子線照射装置（１１）、Ａｌ分子線照射装置（１２）、Ｓｂ分子線照射装置（１３）、Ｉｎ分子線照射装置（１４）を備える。 The chamber (1) is provided with a crucible (not shown) capable of heating and evaporating a plurality of elements and a molecular beam irradiation apparatus capable of injecting the evaporated elements as molecular beams. In the present embodiment example, the molecular beam irradiation apparatus includes a Ga molecular beam irradiation apparatus (10), an As molecular beam irradiation apparatus (11), an Al molecular beam irradiation apparatus (12), an Sb molecular beam irradiation apparatus (13), and an In molecule. A line irradiation apparatus (14) is provided.
基板（２）が所定温度にまで加温され安定した温度状態になったところで、この基板（２）に対して、Ｇａ分子線照射装置（１０）とＡｓ分子線照射装置（１１）によってＧａ分子線とＡｓ分子線を照射する。このことによって、基板（２）上に、ＧａＡｓバッファ層（３）をエピタキシャル成長させて形成する。Ｇａ分子線とＡｓ分子線の照射量は、１秒間あたりＧａＡｓの１分子層をエピタキシャル成長させることが可能な程度とする。そして、ＧａＡｓバッファ層（３）を厚さがおよそ２００ｎｍ（ナノメートル）になるまでエピタキシャル成長させて形成する。 When the substrate (2) is heated to a predetermined temperature and is in a stable temperature state, the Ga molecule beam irradiation device (10) and the As molecular beam irradiation device (11) are applied to the substrate (2) with Ga molecules. Irradiation with a beam and an As molecular beam. Thus, the GaAs buffer layer (3) is formed by epitaxial growth on the substrate (2). The irradiation amounts of the Ga molecular beam and the As molecular beam are set such that one molecular layer of GaAs can be epitaxially grown per second. Then, the GaAs buffer layer (3) is formed by epitaxial growth until the thickness becomes approximately 200 nm (nanometer).
ＧａＡｓバッファ層（３）は、基板（２）表面を平坦化する目的で行うものである。基板（２）の表面が平坦でないと、良好に後述のＡｌＡｓ層を形成させることができないからである。従って、基板（２）の表面が、ＡｌＡｓ層を形成するのに良好な程度に平坦であれば、Ｇａ分子線とＡｓ分子線を照射してＧａＡｓバッファ層を形成する工程は必要ではない。なお、平坦とはいっても、通常化合物半導体には格子欠陥が生成するので、原子の大きさ単位での完全な平坦を意味するものではなく、ＡｌＡｓ層を形成するに適した程度の平坦を意味するにとどまる。また、Ｇａ分子線とＡｓ分子線の照射量や、エピタキシャル成長させて形成するＧａＡｓバッファ層（３）の厚さは適宜変更可能である。 The GaAs buffer layer (3) is formed for the purpose of planarizing the surface of the substrate (2). This is because if the surface of the substrate (2) is not flat, a later-described AlAs layer cannot be formed satisfactorily. Therefore, if the surface of the substrate (2) is flat enough to form the AlAs layer, the step of forming the GaAs buffer layer by irradiating the Ga molecular beam and the As molecular beam is not necessary. Note that even if flat, a lattice defect is usually generated in a compound semiconductor, so it does not mean perfect flatness in units of atomic size, but means flatness suitable for forming an AlAs layer. Stay on. Moreover, the irradiation amount of Ga molecular beam and As molecular beam, and the thickness of the GaAs buffer layer (3) formed by epitaxial growth can be appropriately changed.
ＧａＡｓバッファ層（３）をエピタキシャル成長して形成した後、このＧａＡｓバッファ層（３）が形成された基板（２）の温度を所定温度まで低下させる。この所定温度は、本実施形態例ではＡｌＡｓ層を形成するに適した温度にするのが良く、およそ４８０℃とする。勿論、ＧａＡｓバッファ層（３）またはＧａＡｓ層の上に形成する層の種類によって、この温度は適宜変更可能である。 After the GaAs buffer layer (3) is formed by epitaxial growth, the temperature of the substrate (2) on which the GaAs buffer layer (3) is formed is lowered to a predetermined temperature. In this embodiment, the predetermined temperature is preferably set to a temperature suitable for forming the AlAs layer, and is about 480 ° C. Of course, the temperature can be appropriately changed depending on the type of the GaAs buffer layer (3) or the layer formed on the GaAs layer.
このように基板（２）の温度を低下させている過程においては、Ａｓ分子線を基板（２）に、とくにＧａＡｓバッファ層（３）に照射し続けるのが良い。ＧａＡｓ化合物はおよそ４５０℃以上で結晶の分解が始まるため、基板（２）、とくにＧａＡｓバッファ層（３）の表面から、分解したＡｓが抜けてしまうことを防止するのである。無論、例えば基板がＧａＮの場合には、Ｎ分子線を照射するようにすれば良い。 In this process of lowering the temperature of the substrate (2), it is preferable to continue irradiating the substrate (2) with the As molecular beam, particularly the GaAs buffer layer (3). Since the GaAs compound begins to decompose at about 450 ° C. or higher, it prevents the decomposed As from escaping from the surface of the substrate (2), particularly the GaAs buffer layer (3). Of course, for example, when the substrate is GaN, the N molecular beam may be irradiated.
続いて、基板（２）の温度が安定したら、Ａｓ抜け防止のためのＡｓ分子線の照射を続けたまま、Ｇａ分子線の照射を停止して、Ａｌ分子線照射装置（１２）によってＡｌ分子線を照射する。このことによって、ＧａＡｓバッファ層（３）上に、ＡｌＡｓ層（４）をエピタキシャル成長させて形成する。Ａｌ分子線とＡｓ分子線の照射量は、１秒間あたりＡｌＡｓの０．３分子層をエピタキシャル成長させることが可能な程度とする。そして、ＡｌＡｓ層（４）を厚さがおよそ５ｎｍになるまでエピタキシャル成長させて形成する。Ａｌ分子線とＡｓ分子線の照射量や、エピタキシャル成長させて形成するＡｌＡｓ層（４）の厚さは適宜変更可能である。 Subsequently, when the temperature of the substrate (2) is stabilized, the irradiation of the Ga molecular beam is stopped while continuing the irradiation of the As molecular beam for preventing the loss of As, and the Al molecular beam irradiation device (12) stops the Al molecule. Irradiate the line. Thus, the AlAs layer (4) is formed by epitaxial growth on the GaAs buffer layer (3). The irradiation amounts of the Al molecular beam and the As molecular beam are set such that an AlAs 0.3 molecular layer can be epitaxially grown per second. Then, the AlAs layer (4) is formed by epitaxial growth until the thickness becomes approximately 5 nm. The irradiation amount of the Al molecular beam and the As molecular beam and the thickness of the AlAs layer (4) formed by epitaxial growth can be appropriately changed.
続いて、およそ同じ温度状態にて、Ａｓ分子線を停止し、Ｓｂ分子線照射装置（１３）によってＳｂ分子線を照射する。この際、Ｓｂ分子線の照射が安定してから、Ａｌ分子線とＳｂ分子線を照射するのがよい。このことによって、ＡｌＡｓ層（４）上に、ＡｌＳｂ層（５）をエピタキシャル成長させて形成する。Ａｌ分子線とＳｂ分子線の照射量は、１秒間あたりＡｌＳｂの０．３５分子層をエピタキシャル成長させることが可能な程度とする。そして、ＡｌＳｂ層（５）を厚さがおよそ２００ｎｍになるまでエピタキシャル成長させて形成する。Ａｌ分子線とＳｂ分子線の照射量や、エピタキシャル成長させて形成するＡｌＳｂ層（５）の厚さは適宜変更可能である。 Subsequently, the As molecular beam is stopped in approximately the same temperature state, and the Sb molecular beam is irradiated by the Sb molecular beam irradiation apparatus (13). At this time, it is preferable to irradiate the Al molecular beam and the Sb molecular beam after the irradiation of the Sb molecular beam is stabilized. Thus, the AlSb layer (5) is formed by epitaxial growth on the AlAs layer (4). The irradiation amount of the Al molecular beam and the Sb molecular beam is set such that an AlSb 0.35 molecular layer can be epitaxially grown per second. Then, an AlSb layer (5) is formed by epitaxial growth until the thickness becomes approximately 200 nm. The irradiation amount of the Al molecular beam and the Sb molecular beam and the thickness of the AlSb layer (5) formed by epitaxial growth can be appropriately changed.
そして続く過程では、基板の温度を上昇させて約５００℃とする。そして、Ａｌ分子線、Ｓｂ分子線による照射に加えて、Ｇａ分子線の照射を行う。このことによって、ＡｌＳｂ層（５）上に、ＡｌＧａＳｂ層（６）をエピタキシャル成長させて形成する。 In the subsequent process, the temperature of the substrate is raised to about 500.degree. Then, in addition to irradiation with an Al molecular beam and an Sb molecular beam, irradiation with a Ga molecular beam is performed. Thus, the AlGaSb layer (6) is formed by epitaxial growth on the AlSb layer (5).
このとき、前過程のＡｌ分子線の照射強度をそのままにするのではなく、適宜調節することによって、形成されるＡｌＧａＳｂ層（６）におけるＡｌＧａＳｂの組成比を調節することができる。逆に言えば、所望の組成比のＡｌＧａＳｂを形成できるように、Ａｌ分子線、Ｇａ分子線の照射強度を調節すればよい。なお、調節によっては照射強度０、即ち分子線を照射しないとすることであってもよいが、少なくともＡｌ分子線、Ｇａ分子線のいずれか１つは照射するようにする。さらに、分子線の強度を調整している間も、Ｓｂ分子線は照射し続ける。これは高温によってＡｌＳｂ層表面が熱分解してＳｂが抜けてしまうことを防止するためである。このようして形成されるＡｌＧａＳｂを、その組成比を意識してＡｌxＧａ1-xＳｂ（組成比ｘは、０≦ｘ≦１）と表現することにする。Ａｌ分子線、Ｇａ分子線、Ｓｂ分子線の照射量は、１秒間あたりＡｌＧａＳｂの０．２分子層をエピタキシャル成長させることが可能な程度とする。図２では、ＡｌxＧａ1-xＳｂ層（６）を厚さがおよそ２００ｎｍになるまでエピタキシャル成長させて形成した場合を示す（図では、組成比ｘ＝０である。）。Ａｌ分子線、Ｇａ分子線、Ｓｂ分子線の照射量や、エピタキシャル成長させて形成するＡｌxＧａ1-xＳｂ層（６）の厚さは適宜変更可能である。例えば図３には、ＡｌxＧａ1-xＳｂ層（６）の厚さが５０ｎｍの場合を示す。 At this time, the composition ratio of AlGaSb in the formed AlGaSb layer (6) can be adjusted by appropriately adjusting the irradiation intensity of the Al molecular beam in the previous process, as it is. In other words, the irradiation intensity of the Al molecular beam and the Ga molecular beam may be adjusted so that AlGaSb having a desired composition ratio can be formed. Depending on the adjustment, the irradiation intensity may be 0, that is, the molecular beam may not be irradiated, but at least one of the Al molecular beam and the Ga molecular beam is irradiated. Furthermore, the Sb molecular beam continues to be irradiated while adjusting the molecular beam intensity. This is to prevent the surface of the AlSb layer from being thermally decomposed due to a high temperature and losing Sb. The AlGaSb thus formed will be expressed as Al x Ga 1-x Sb (composition ratio x is 0 ≦ x ≦ 1) in consideration of the composition ratio. The irradiation amount of the Al molecular beam, Ga molecular beam, and Sb molecular beam is set such that a 0.2 molecular layer of AlGaSb can be epitaxially grown per second. FIG. 2 shows a case where the Al x Ga 1-x Sb layer (6) is formed by epitaxial growth until the thickness becomes approximately 200 nm (in the figure, the composition ratio x = 0). The irradiation amount of the Al molecular beam, Ga molecular beam, and Sb molecular beam and the thickness of the Al x Ga 1-x Sb layer (6) formed by epitaxial growth can be appropriately changed. For example, FIG. 3 shows a case where the thickness of the Al x Ga 1-x Sb layer (6) is 50 nm.
以上のように、ＧａＡｓ基板（２）ないしＧａＡｓバッファ層（３）の上（直上表面という意味ではない。）に、ＡｌxＧａ1-xＳｂ層を形成するのであるが、ＧａＡｓ基板（２）の直上に、ＡｌxＧａ1-xＳｂ層を形成しないのには次のような理由がある。それは、ＧａＡｓ基板（２）ないしＧａＡｓバッファ層（３）の直上表面に、ＡｌxＧａ1-xＳｂ層を形成しようとすると、界面での混晶がうまくいかず、そのため界面における結晶化のコントロールが困難になるからである。そこで、順次ＩＩＩ族、Ｖ族元素を切り換えて、できるだけ混晶の元素を合わせるようにして各層を形成し、最終的に所望のＡｌxＧａ1-xＳｂ層を得るようにするのである。 As described above, the Al x Ga 1-x Sb layer is formed on the GaAs substrate (2) or the GaAs buffer layer (3) (not the surface directly above), but the GaAs substrate (2). The reason why the Al x Ga 1-x Sb layer is not formed immediately above is as follows. This is because when an Al x Ga 1-x Sb layer is formed on the surface immediately above the GaAs substrate (2) or GaAs buffer layer (3), the mixed crystal at the interface does not work well. This is because it becomes difficult. Therefore, the group III and group V elements are sequentially switched to form each layer so as to match the mixed crystal elements as much as possible, and finally a desired Al x Ga 1-x Sb layer is obtained.
これをより詳しく説明する。
最終的に得たいのは、ＡｌxＧａ1-xＳｂ層である。ここでＩＩＩ族元素はＡｌとＧａで、Ｖ族元素はＳｂである。この各族元素の一方を同じにして格子整合のとれる化合物として、ＡｌＳｂがある。そこでＡｌxＧａ1-xＳｂ層を、ＡｌＳｂ層上に形成するようにする。次に、ＡｌＳｂ層では、ＩＩＩ族元素はＡｌであり、Ｖ族元素はＳｂである。そこで、次はＩＩＩ族元素を同じにして、Ｖ族元素を切り換える。つまり、ＡｌＳｂと混晶の元素組成が近くて、Ｖ族元素を切り換えた化合物として、ＡｌＡｓがある。よってＡｌＳｂ層を、ＡｌＡｓ層の上に形成するようにする。そして、このＡｌＡｓはＧａＡｓに格子整合をとることができるので、ＡｌＡｓ層は、ＧａＡｓ基板ないしＧａＡｓバッファ層の上に形成できる。このように、ＧａＡｓ基板を始めとして、順次ＩＩＩ族またはＶ族の一方を切り換えながら所望のＡｌxＧａ1-xＳｂ層を形成するのである。
This will be described in more detail.
The ultimately desired is a Al x Ga 1-x Sb layer. Here, group III elements are Al and Ga, and group V elements are Sb. AlSb is a compound that can be lattice-matched by making one of these group elements the same. Therefore, an Al x Ga 1-x Sb layer is formed on the AlSb layer. Next, in the AlSb layer, the group III element is Al and the group V element is Sb. Therefore, next, the group III element is made the same, and the group V element is switched. That is, AlAs is a compound having a mixed crystal element composition close to that of AlSb and switching the group V element. Therefore, the AlSb layer is formed on the AlAs layer. Since this AlAs can be lattice-matched to GaAs, the AlAs layer can be formed on the GaAs substrate or GaAs buffer layer. In this way, a desired Al x Ga 1-x Sb layer is formed while switching one of the group III or group V starting from the GaAs substrate.
以上のようにしてＡｌxＧａ1-xＳｂ層が形成できたら、この上にＩｎＡｓ系量子ドットを形成することになる。ここでは、ＩｎＡｓ量子ドットの形成を例に説明する。 When the Al x Ga 1-x Sb layer can be formed as described above, InAs-based quantum dots are formed thereon. Here, the formation of InAs quantum dots will be described as an example.
各層の形成された基板（２）の温度は、ＡｌxＧａ1-xＳｂ層（６）を形成するときのままで約５００℃とする。ＡｌxＧａ1-xＳｂ層の形成において照射していたＡｌ分子線、Ｇａ分子線、Ｓｂ分子線から、Ｉｎ分子線照射装置（１４）によるＩｎ分子線、Ａｓ分子線に切り換えるのであるが、Ａｓ分子線の照射量は、約５．５×１０-7Ｔｏｒｒとする。この照射量は、例えば上記のようなＧａＡｓバッファ層（３）を結晶成長させる際に一般的に使用されるＡｓ分子線の照射量（およそ１．０×１０-5Ｔｏｒｒ）よりも遙かに少ないものである。そしてＩｎ分子線、Ａｓ分子線の照射量は、１秒間あたりＩｎＡｓの０．１分子層をエピタキシャル成長させることが可能な程度とする。照射時間は、ＩｎＡｓが２分子層から４分子層程度成長する程度が好ましい。 The temperature of the substrate (2) on which each layer is formed is about 500 ° C. as it is when the Al x Ga 1-x Sb layer (6) is formed. Al x Ga 1-x Sb layer Al molecular beam which has been irradiated in the form of, Ga molecular beam, the Sb molecular beam, In molecular beam by In molecular beam irradiation device (14), although the switching to the As molecular beams, The irradiation amount of the As molecular beam is about 5.5 × 10 −7 Torr. This irradiation amount is far greater than the irradiation amount of As molecular beam (approximately 1.0 × 10 −5 Torr) generally used for crystal growth of the GaAs buffer layer (3) as described above, for example. There are few things. The irradiation amount of the In molecular beam and the As molecular beam is set such that an 0.1 molecular layer of InAs can be epitaxially grown per second. The irradiation time is preferably such that InAs grows about 2 to 4 molecular layers.
このようにして、ＡｌxＧａ1-xＳｂ層（６）の表面に、高い面密度でＩｎＡｓ量子ドット（７）が形成される。ＩｎＡｓ系量子ドットが、上記例の如くＩｎＡｓＳｂやＩｎＧａＡｓなどである場合には、適宜Ｓｂ分子線やＧａ分子線を照射すれば良い（以上の工程は図２参照。但し、図２では組成比ｘ＝０である。）。 In this way, InAs quantum dots (7) are formed at a high surface density on the surface of the Al x Ga 1 -x Sb layer (6). When the InAs-based quantum dots are InAsSb, InGaAs, or the like as in the above example, the Sb molecular beam or Ga molecular beam may be appropriately irradiated (see FIG. 2 for the above process, however, the composition ratio x in FIG. 2). = 0).
さらに、このようにして形成されたＩｎＡｓ系量子ドットを被覆するようにしてもよい（図３参照）。被覆する物質は、とくに限定がないものの、ＩｎＡｓ系量子ドットの格子定数に比較的近い格子定数を有する化合物、例えばＡｌＧａＳｂ系化合物がよい。なぜなら、被覆化合物の格子定数がＩｎＡｓ系量子ドットの格子定数に比較的近い場合には、圧縮歪によるストレスが小さくなるので、ＩｎＡｓ量子ドットの発光波長が長波長側へシフトするからである。ＩｎＡｓ系量子ドットがＩｎＡｓ量子ドットの場合には、ＡｌxＧａ1-xＳｂの格子定数はＩｎＡｓに格子定数が近いので、ＡｌxＧａ1-xＳｂ化合物半導体で被覆するのがよい。
被覆する方法は、上記ＧａＡｓバッファ層（３）などの各層をエピタキシャル成長させて形成するのと同様の方法に依ればよい。
Furthermore, you may make it coat | cover the InAs type | system | group quantum dot formed in this way (refer FIG. 3). The material to be coated is not particularly limited, but a compound having a lattice constant relatively close to the lattice constant of InAs quantum dots, such as an AlGaSb compound, is preferable. This is because when the lattice constant of the coating compound is relatively close to the lattice constant of the InAs-based quantum dots, the stress due to compressive strain is reduced, and the emission wavelength of the InAs quantum dots is shifted to the longer wavelength side. If InAs-based quantum dots of InAs quantum dots, a lattice constant of Al x Ga 1-x Sb since close lattice constant InAs, it may be coated with Al x Ga 1-x Sb compound semiconductor.
The method of covering may be the same as the method of epitaxially growing each layer such as the GaAs buffer layer (3).
また、ＩｎＡｓ系量子ドットを形成し、次いで上記の如くＡｌＧａＳｂ系化合物で被覆し、この被覆化合物上にさらにＩｎＡｓ系量子ドットを上記の方法で形成し、さらにこれを上記の如く被覆し、またさらにこの被覆化合物の表面にＩｎＡｓ系量子ドットを形成することを繰り返すことによって、ＩｎＡｓ系量子ドットの形成を多層化するものでもよい（図３参照。図３では３層の繰り返しの場合を示す。）。 Further, an InAs quantum dot is formed, and then coated with an AlGaSb compound as described above, and an InAs quantum dot is further formed on the coating compound by the above method, and further coated as described above. The formation of InAs quantum dots may be multilayered by repeating the formation of InAs quantum dots on the surface of the coating compound (see FIG. 3. FIG. 3 shows the case of repeating three layers). .
あるいは、ＩｎＡｓ系量子ドットを形成し、次いで上記の如くＡｌＧａＳｂ系化合物で被覆し、この被覆化合物の表面に、ＡｌＳｂバリア層（８）をエピタキシャル成長させて形成し、このＡｌＳｂバリア層（８）の表面にＩｎＡｓ系量子ドットを上記の方法で形成し、さらにこれを上記の如くＡｌＧａＳｂ系化合物で被覆し、この被覆化合物の表面に、ＡｌＳｂバリア層（８）をエピタキシャル成長させて形成し、またさらにこのＡｌＳｂバリア層（８）の表面にＩｎＡｓ系量子ドットを形成することを繰り返すことによって、ＩｎＡｓ系量子ドットの形成を多層化するものでもよい（図４参照。図４では３層の繰り返しの場合を示す。）。なお、この場合には、ＩｎＡｓ系量子ドットは、ＡｌＳｂバリア層（８）とＡｌxＧａ1-xＳｂ層（６）によって挟み込まれるようになる。従って、最初に形成するＩｎＡｓ系量子ドットは、ＡｌＳｂ層（５）上に形成されることになる。 Alternatively, an InAs quantum dot is formed and then coated with an AlGaSb compound as described above, and an AlSb barrier layer (8) is formed on the surface of the coating compound by epitaxial growth, and the surface of the AlSb barrier layer (8) is formed. InAs-based quantum dots are formed by the above-described method, and this is coated with an AlGaSb-based compound as described above, and an AlSb barrier layer (8) is epitaxially grown on the surface of the coating compound, and this AlSb is further formed. The formation of InAs quantum dots may be multilayered by repeating the formation of InAs quantum dots on the surface of the barrier layer (8) (see FIG. 4. FIG. 4 shows the case of repeating three layers). .) In this case, the InAs quantum dots are sandwiched between the AlSb barrier layer (8) and the Al x Ga 1-x Sb layer (6). Therefore, the InAs quantum dots to be formed first are formed on the AlSb layer (5).
図４では、最初に形成するＩｎＡｓ系量子ドットは、ＡｌＳｂバリア層（８）上に形成される如く示されているが、化合物として観察するときＡｌＳｂ層（５）とＡｌＳｂバリア層（８）とは何ら変わるものではない。図４に、最初に形成するＩｎＡｓ系量子ドットをＡｌＳｂバリア層（８）上に形成するが如く示したのは、ＩｎＡｓ系量子ドットが、ＡｌＳｂバリア層（８）とＡｌxＧａ1-xＳｂ層（６）によって挟み込まれるようして繰り返して多層化される様子を協調する便宜のためである。因みに、図４では、ＡｌＳｂバリア層（８）の厚さが約１４ｎｍ、ＡｌxＧａ1-xＳｂ層（６）の厚さが約６ｎｍと示されているが、これは一般に、多層化された量子ドットに挟まれる中間層の厚さの和、ここではＡｌＳｂバリア層（８）とＡｌxＧａ1-xＳｂ層（６）の厚さの和が２０ｎｍ程度で発光効率が良くなることが知られていることに基づくものである。勿論、上記例のように６ｎｍと１４ｎｍのようにするのではなく、８ｎｍと１２ｎｍのようにしてもよいし、必ず中間層の厚さ和が２０ｎｍになるように限定されるものでもない。 In FIG. 4, the InAs-based quantum dots to be formed first are shown as being formed on the AlSb barrier layer (8), but when observed as a compound, the AlSb layer (5) and the AlSb barrier layer (8) Does not change anything. FIG. 4 shows that the InAs-based quantum dots to be formed first are formed on the AlSb barrier layer (8). The InAs-based quantum dots are formed of the AlSb barrier layer (8) and the Al x Ga 1-x Sb. This is for the purpose of coordinating the state of being repeatedly layered so as to be sandwiched between layers (6). In FIG. 4, the AlSb barrier layer (8) has a thickness of about 14 nm and the Al x Ga 1-x Sb layer (6) has a thickness of about 6 nm. The luminous efficiency is improved when the sum of the thicknesses of the intermediate layers sandwiched between the quantum dots, here, the sum of the thicknesses of the AlSb barrier layer (8) and the Al x Ga 1-x Sb layer (6) is about 20 nm. It is based on what is known. Of course, instead of 6 nm and 14 nm as in the above example, it may be 8 nm and 12 nm, and the intermediate layer is not necessarily limited to a total thickness of 20 nm.
上記のように被覆されることによって作成された量子ドット半導体素子は、発光装置や光通信デバイス用の半導体材料として用いることが可能になる。より具体的な例としては、図３、４に示すように、基板（２）をｎ−ＧａＡｓ半導体とし、ＩｎＡｓ系量子ドットを多層化して形成し（勿論、単層でもよい。）、その上をＡｌＧａＳｂ系化合物で被覆して、さらにその上にＡｌＳｂ層（５）を形成し、さらにその上にＧａＳｂ層（９）を形成するようにする。最上層のＧａＳｂ層（９）は、量子ドット半導体素子の酸化を防止するために形成する。また、各層は適宜ドープすることでｐ型、ｎ型半導体として極性をもたせるもので良い。そして、基板（２）の底部とＧａＳｂ層の表面に電極（図示しない）を取り付けて電圧を加えることを可能にするのである。このようにすることによって、ＩｎＡｓ系量子ドットが形成された部位を活性層とした、レーザーダイオードや面発光レーザ装置、または光受信装置などとして利用可能になる。 The quantum dot semiconductor element produced by being coated as described above can be used as a semiconductor material for a light emitting device or an optical communication device. As a more specific example, as shown in FIGS. 3 and 4, the substrate (2) is made of an n-GaAs semiconductor and InAs-based quantum dots are formed in multiple layers (of course, it may be a single layer), and further on. Is coated with an AlGaSb-based compound, an AlSb layer (5) is further formed thereon, and a GaSb layer (9) is further formed thereon. The uppermost GaSb layer (9) is formed to prevent oxidation of the quantum dot semiconductor element. In addition, each layer may be appropriately doped to have polarity as a p-type or n-type semiconductor. Then, an electrode (not shown) is attached to the bottom of the substrate (2) and the surface of the GaSb layer so that a voltage can be applied. By doing in this way, it becomes possible to use as a laser diode, a surface emitting laser device, a light receiving device, or the like using the site where the InAs quantum dots are formed as an active layer.
ＩｎＡｓ系量子ドットの形成後は、適宜各種分子線を照射しながら、基板（２）［より正確には、例えば、「ＩｎＡｓ系量子ドットが形成された基板」や「多層化して作成された量子ドット半導体素子」というべきものである。］の温度を室温まで低下させ、チャンバー（１）内の気圧を大気圧に戻してチャンバー外へ取り出せばよい。 After the formation of the InAs quantum dots, while appropriately irradiating various molecular beams, the substrate (2) [To be more precise, for example, “a substrate on which InAs quantum dots are formed” or “multilayered quantum dots It should be called “dot semiconductor element”. ] To the room temperature, the atmospheric pressure in the chamber (1) is returned to the atmospheric pressure and taken out of the chamber.
具体的には、基板（２）［あるいは、バッファ層］の上にＩｎＡｓ系量子ドットを形成しただけで取り出す場合には、Ａｓ分子線を照射してＡｓ雰囲気を保った状態で、基板（２）の温度を室温まで低下させ、チャンバー（１）内の気圧を大気圧に戻してチャンバー外へ取り出せばよい。また、ＩｎＡｓ系量子ドットを化合物で被覆して作成した量子ドット半導体素子を取り出す場合には、被覆した化合物が例えばＧａＳｂであればＳｂ分子線を照射しながら、基板（２）の温度を室温まで低下させ、チャンバー（１）内の気圧を大気圧に戻してチャンバー外へ取り出せばよい。要は、高温状態において化合物の分解が進行することを防止するために、適宜各種の分子線を照射すればよいのである。 Specifically, when an InAs quantum dot is simply formed on the substrate (2) [or buffer layer], the substrate (2) is irradiated with an As molecular beam and the As atmosphere is maintained. ) Is lowered to room temperature, the pressure inside the chamber (1) is returned to atmospheric pressure and taken out of the chamber. When a quantum dot semiconductor element formed by coating InAs-based quantum dots with a compound is taken out, for example, if the coated compound is GaSb, the temperature of the substrate (2) is lowered to room temperature while irradiating Sb molecular beams. The air pressure in the chamber (1) may be reduced to the atmospheric pressure and taken out of the chamber. In short, various molecular beams may be appropriately irradiated in order to prevent the decomposition of the compound from proceeding in a high temperature state.
上記形成方法によってＡｌxＧａ1-xＳｂ層の表面に４分子層形成されたＩｎＡｓ量子ドットのＡＦＭによる観察・撮像によれば、高面密度の量子ドット構造が確認された。そして、平均高さ、直径、およびそれらの量子ドットの面密度も、それぞれ５．８ｎｍ、４５．２ｎｍ、２．１８×１０10／ｃｍ2と見積もられた。これらの数値は、従来技術によって（００１）結晶面のＧａＡｓ基板上に形成したＩｎＡｓ量子ドットのそれらに匹敵するものである。これは、格子不整合率の小さい量子ドット／化合物半導体系内で高面密度に量子ドットを形成できたことを意味する。具体的には、圧縮歪の影響の少ないＩｎＡｓ量子ドットを、ＧａＡｓ（００１）基板上に作られるＡｌＧａＳｂ層表面に高い面密度で形成できたことが確認された。 According to AFM observation / imaging of InAs quantum dots formed on the surface of the Al x Ga 1-x Sb layer by the above-described formation method, a high surface density quantum dot structure was confirmed. The average height, diameter, and surface density of these quantum dots were also respectively estimated 5.8nm, 45.2nm, and 2.18 × 10 10 / cm 2. These figures are comparable to those of InAs quantum dots formed on a (001) crystal plane GaAs substrate by the prior art. This means that quantum dots could be formed at a high surface density in a quantum dot / compound semiconductor system with a low lattice mismatch rate. Specifically, it was confirmed that InAs quantum dots with little influence of compressive strain could be formed at a high surface density on the surface of the AlGaSb layer formed on a GaAs (001) substrate.
図５には図３に示す構造のように、ＡｌxＧａ1-xＳｂ層に挟み込まれて多層化形成された４分子層のＩｎＡｓ量子ドットのＰＬのスペクトルを示す。ＧａＡｓ表面に形成されるＩｎＡｓ量子ドットは、一般的に約１μｍ(１．２４ｅＶ)でＰＬ強度のピークを示すが、本発明の形成方法によって、ＡｌxＧａ1-xＳｂ層に挟み込まれるように多層化されたＩｎＡｓ量子ドットからは、前者に比較して長波長領域でＰＬ強度のピークを得ることができた。 FIG. 5 shows a PL spectrum of a four-molecular InAs quantum dot layered between layers of Al x Ga 1-x Sb layers as in the structure shown in FIG. InAs quantum dots formed on the GaAs surface generally show a peak of PL intensity at about 1 μm (1.24 eV), but are formed so as to be sandwiched between Al x Ga 1-x Sb layers by the formation method of the present invention. From the multi-layered InAs quantum dots, it was possible to obtain a PL intensity peak in a longer wavelength region than the former.
これらのＰＬのスペクトルには、低い光電子エネルギーと高い光電子エネルギーの２つのピークがある（図６参照）。図７に、ＰＬ強度のピークを示す光電子エネルギーと、ＡｌxＧａ1-xＳｂの組成比ｘとの関係を示す。ＡｌxＧａ1-xＳｂ層の組成比ｘが増大するにつれて低いピーク（ピークＡ）と高いピーク（ピークＢ）との両方が増大するのがわかる。これは、およそ１．３μｍから１．７μｍまでの長波長の発光が、ＡｌxＧａ1-xＳｂ層の組成比ｘの変化によって制御できることを示すものである。この結果はＡｌxＧａ1-xＳｂ層に挟み込まれるようにして形成されたＩｎＡｓ量子ドット、正確にはＩｎＡｓ量子ドットがこのように形成されてなる量子ドット半導体素子が、光ファイバー通信網用の量子ドットデバイスを実現させることに有効であることを示す。 These PL spectra have two peaks, a low photoelectron energy and a high photoelectron energy (see FIG. 6). FIG. 7 shows the relationship between the photoelectron energy showing the PL intensity peak and the composition ratio x of Al x Ga 1-x Sb. It can be seen that both the low peak (peak A) and the high peak (peak B) increase as the composition ratio x of the Al x Ga 1-x Sb layer increases. This indicates that light emission with a long wavelength from about 1.3 μm to 1.7 μm can be controlled by changing the composition ratio x of the Al x Ga 1-x Sb layer. This result shows that an InAs quantum dot formed so as to be sandwiched between Al x Ga 1-x Sb layers, more precisely, a quantum dot semiconductor element formed by forming an InAs quantum dot in this manner is a quantum dot for an optical fiber communication network. It is effective for realizing a dot device.
また、図４に示すような構造のようにＡｌＳｂバリア層を形成することによって、ＰＬ強度を強めることができることを確認している。ＡｌＳｂバリア層は、ＩｎＡｓ量子ドットの周囲のＡｌxＧａ1-xＳｂ被覆層内の正孔のポテンシャル障壁として働くと考えられる。したがって、ＡｌＳｂポテンシャル障壁が正孔をＡｌxＧａ1-xＳｂ被覆層内に閉じ込めるので、ＩｎＡｓ量子ドット内の電子とＡｌxＧａ1-xＳｂ被覆層内の正孔との間の再結合率が増加されることが期待される。 It has also been confirmed that the PL intensity can be increased by forming an AlSb barrier layer as in the structure shown in FIG. The AlSb barrier layer is considered to act as a potential barrier for holes in the Al x Ga 1-x Sb coating layer around the InAs quantum dots. Therefore, since the AlSb potential barrier confines holes in the Al x Ga 1-x Sb coating layer, the recombination rate between the electrons in the InAs quantum dots and the holes in the Al x Ga 1-x Sb coating layer Is expected to be increased.
図８にＡｌＳｂバリア層が有る場合と無い場合とのＩｎＡｓ量子ドットのＰＬスペクトルを示す。図８では、組成比がｘ＝０．５であるＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｓｂの場合を示す。ＡｌＳｂ層を形成しない場合のＩｎＡｓ量子ドットのＰＬスペクトルは、図３に示す、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｓｂ層に挟み込まれるようにして形成されたＩｎＡｓ量子ドットのＰＬスペクトルに類似する。ＡｌＳｂバリア層を形成することによって、ＰＬ強度が劇的に強くなることが明らかに理解できる。加えて、ＡｌＳｂバリア層を形成した場合のＩｎＡｓ量子ドットのＰＬスペクトルでは２つのピークも同じように観察される。 FIG. 8 shows PL spectra of InAs quantum dots with and without an AlSb barrier layer. FIG. 8 shows the case of Al 0.5 Ga 0.5 Sb where the composition ratio is x = 0.5. The PL spectrum of the InAs quantum dots when the AlSb layer is not formed is similar to the PL spectrum of the InAs quantum dots formed so as to be sandwiched between the Al 0.5 Ga 0.5 Sb layers shown in FIG. It can be clearly understood that the PL intensity is dramatically increased by forming the AlSb barrier layer. In addition, two peaks are similarly observed in the PL spectrum of InAs quantum dots when an AlSb barrier layer is formed.
また、ＡｌＳｂバリア層を形成した場合には、ＰＬスペクトルの半値幅（ＦＷＨＭ）が、ＡｌＳｂバリア層を形成しない場合と比較して約２倍大きいことが、そしてＡｌＳｂバリア層を形成することによって、ＰＬ強度のピークを示すときの、光電子エネルギーは高エネルギー側へわずかに移動することがわかる。これらの現象はＡｌxＧａ1-xＳｂ層内の正孔の量子閉じ込めに原因すると見られる。 In addition, when the AlSb barrier layer is formed, the half width (FWHM) of the PL spectrum is approximately twice as large as when the AlSb barrier layer is not formed, and by forming the AlSb barrier layer, It can be seen that when the PL intensity peak is shown, the photoelectron energy moves slightly toward the high energy side. These phenomena appear to be caused by the quantum confinement of holes in the Al x Ga 1-x Sb layer.
ＡｌxＧａ1-xＳｂ層に挟み込まれて形成されるＩｎＡｓ量子ドットは光ファイバー通信網で利用される長波長（約１．３および１．５５μｍ）の発光をする。また、ＰＬ強度のピークを示す時の発光波長は、ＡｌxＧａ1-xＳｂ層の組成比ｘを変えることによって調節可能である。ＡｌＳｂバリア層を形成してＩｎＡｓ量子ドットを挟み込む場合には、ＰＬ強度が著しく向上する。したがって、本発明は、とくに光通信分野における量子ドットデバイスやデバイス製造に不可欠な量子ドット形成技術として有用である。 InAs quantum dots formed by being sandwiched between Al x Ga 1-x Sb layers emit light having a long wavelength (about 1.3 and 1.55 μm) used in an optical fiber communication network. In addition, the emission wavelength when the PL intensity peak is shown can be adjusted by changing the composition ratio x of the Al x Ga 1 -x Sb layer. When the AlSb barrier layer is formed and the InAs quantum dots are sandwiched, the PL intensity is remarkably improved. Therefore, the present invention is particularly useful as a quantum dot forming technique indispensable for quantum dot devices and device manufacturing in the field of optical communication.
１ チャンバー
２ ＧａＡｓ基板
３ ＧａＡｓバッファ層
４ ＡｌＡｓ層
５ ＡｌＳｂ層
６ ＡｌxＧａ1-xＳｂ層
７ ＩｎＡｓ量子ドット
８ ＡｌＳｂバリア層
1
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003322038A JP3903182B2 (en) | 2003-09-12 | 2003-09-12 | Quantum dot formation method and quantum dot semiconductor device in low lattice mismatch system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003322038A JP3903182B2 (en) | 2003-09-12 | 2003-09-12 | Quantum dot formation method and quantum dot semiconductor device in low lattice mismatch system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005093553A JP2005093553A (en) | 2005-04-07 |
| JP3903182B2 true JP3903182B2 (en) | 2007-04-11 |
Family
ID=34453532
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003322038A Expired - Lifetime JP3903182B2 (en) | 2003-09-12 | 2003-09-12 | Quantum dot formation method and quantum dot semiconductor device in low lattice mismatch system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3903182B2 (en) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5095260B2 (en) * | 2006-05-15 | 2012-12-12 | 富士通株式会社 | Manufacturing method of semiconductor light emitting device |
| JP5297519B2 (en) * | 2006-05-15 | 2013-09-25 | 富士通株式会社 | Manufacturing method of semiconductor device |
| KR101351987B1 (en) * | 2012-10-24 | 2014-01-17 | 한국과학기술연구원 | Compound semiconductor substrate using lattice mismatching reducing layer and manufacturing method thereof |
| CN107207960B (en) * | 2015-02-02 | 2021-05-25 | 斯坦雷电气株式会社 | Method for manufacturing quantum dot and quantum dot |
-
2003
- 2003-09-12 JP JP2003322038A patent/JP3903182B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2005093553A (en) | 2005-04-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4786691B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| JP2000058920A (en) | Semiconductor and its manufacture | |
| US8183073B2 (en) | Method of manufacturing a semiconductor device with quantum dots formed by self-assembled growth | |
| US6462354B1 (en) | Semiconductor device and semiconductor light emitting device | |
| US20190326730A1 (en) | Semiconductor device and fabrication method | |
| JP4795747B2 (en) | Quantum dot optical semiconductor device manufacturing method | |
| Tatebayashi et al. | Low threshold current operation of self-assembled InAs/GaAs quantum dot lasers by metal organic chemicalvapour deposition | |
| US7294202B2 (en) | Process for manufacturing self-assembled nanoparticles | |
| US8048703B2 (en) | Light emitting devices with inhomogeneous quantum well active regions | |
| US6696372B2 (en) | Method of fabricating a semiconductor structure having quantum wires and a semiconductor device including such structure | |
| JP3903182B2 (en) | Quantum dot formation method and quantum dot semiconductor device in low lattice mismatch system | |
| JP3768790B2 (en) | Quantum dot structure and semiconductor device apparatus having the same | |
| TW201901986A (en) | Infrared light emitting diode with strain compensation layer and manufacturing method thereof | |
| JP2006237045A (en) | Semiconductor quantum dot structure and manufacturing method thereof | |
| JP5297519B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
| JP4086465B2 (en) | Quantum dot structure and method for forming the same, and semiconductor device device having the quantum dot structure | |
| JP5227870B2 (en) | Epitaxial substrate, semiconductor element structure, and method for manufacturing epitaxial substrate | |
| JP4440876B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor quantum dot structure | |
| JP4006055B2 (en) | Compound semiconductor manufacturing method and compound semiconductor device | |
| JP4002323B2 (en) | Method for producing compound semiconductor | |
| JP2006005256A (en) | Semiconductor device | |
| JPH01270599A (en) | Semiconductor laminated structure and method for growing semiconductor crystal thereof | |
| JP2002064249A (en) | Compound semiconductor and method of manufacturing the same, and compound semiconductor light-emitting device | |
| JPH11289109A (en) | Compound semiconductor light-emitting element | |
| JP2002064250A (en) | Method of growing compound semiconductor, and compound semiconductor light-emitting device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060510 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20060705 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20060807 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20061005 |
|
| A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20061107 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20061205 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 3903182 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |