半導体素子及び半導体素子の製造方法
【課題】コラムナ量子ドットの上方に、高品質な半導体層を成長させるのに適した半導体素子、及び、そのような半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体素子は、半導体基板と、半導体基板上方に形成されたコラムナ量子ドットとを有し、コラムナ量子ドットは、第１量子ドットと、第１量子ドット上に積層され半導体基板に対し引張歪量を持つ第１スペーサ層とで形成された第１部と、第２量子ドットと、第２量子ドット上に積層され半導体基板に対し第１スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第２スペーサ層とで形成された第２部とが、厚さ方向に交互に配置された構造を有する。
【解決手段】半導体素子は、半導体基板と、半導体基板上方に形成されたコラムナ量子ドットとを有し、コラムナ量子ドットは、第１量子ドットと、第１量子ドット上に積層され半導体基板に対し引張歪量を持つ第１スペーサ層とで形成された第１部と、第２量子ドットと、第２量子ドット上に積層され半導体基板に対し第１スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第２スペーサ層とで形成された第２部とが、厚さ方向に交互に配置された構造を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子及び半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光半導体素子を高温で安定動作させるために、熱励起による発振準位からのキャリア漏出を抑制することが望まれる。このためには、離散的なエネルギー準位を有する量子ドットを活性層に活用することが有効である。
【０００３】
Ｓｔｒａｎｓｋｉ‐Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ−Ｋ）モードで自己生成した量子ドットを、スペーサ層（バリア層とも呼ばれる）を介して高さ方向に積み上げたコラムナ量子ドットが提案されている。１つのコラムナ量子ドット内に重ねられた複数の量子ドットは、相互に量子力学的に結合している。具体的には、量子ドットの高さ方向間隔が、キャリアの波動関数の広がりよりも狭い。量子ドットの重ね数（高さ）や、スペーサ層の歪量等の構造パラメータを変えることによって、コラムナ量子ドットの偏光特性を制御することが可能である。
【０００４】
半導体レーザに、高い電気光変換効率が求められ、半導体光増幅器に、高い光利得が求められる。コラムナ量子ドットの分布密度を高めることにより、電気光変換効率や光利得の向上を図ることができる。コラムナ量子ドットが面内に分布しているコラムナ量子ドット層を多段に積み重ねることにより、コラムナ量子ドットの体積分布密度を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１５７９７５号公報
【特許文献２】特開２００７−２４２７４８号公報
【特許文献３】特開２００８−２４４２３５号公報
【非特許文献１】２００９年春季第５６回応用物理学関係連合講演会予稿集、安岡他、２ａ−Ｇ−２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
コラムナ量子ドット層を積み重ねる際には、コラムナ量子ドット層の間に中間層が配置される。多段化されたコラムナ量子ドット層により活性層が形成される。活性層が厚くなると、縦高次モードが発生しやすくなるため、活性層を過度に厚くすることは好ましくない。活性層が過度に厚くなることを避けるために、中間層を薄くすることが好ましい。中間層が薄くなると、下段のコラムナ量子ドット層の歪が、中間層を経由して上段のコラムナ量子ドット層に伝播しやすくなる。これに起因して、良好な結晶状態を保って結晶成長させることが難しくなる。
【０００７】
また、コラムナ量子ドット層を多段に積み重ねる場合に限らず、単層のコラムナ量子ドット層上に半導体層を形成する場合にも、半導体層の結晶品質を高める技術が望まれる。
【０００８】
本発明の一目的は、コラムナ量子ドットの上方に、高品質な半導体層を成長させるのに適した半導体素子、及び、そのような半導体素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板上方に形成されたコラムナ量子ドットとを有し、前記コラムナ量子ドットは、第１量子ドットと、前記第１量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し引張歪量を持つ第１スペーサ層とで形成された第１部と、第２量子ドットと、前記第２量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し前記第１スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第２スペーサ層とで形成された第２部とが、厚さ方向に交互に配置された構造を有する半導体素子が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
相対的に引張歪量の小さい第１スペーサ層と、相対的に引張歪量の大きい第２スペーサ層とが、厚さ方向に交互に配置されているコラムナ量子ドットにより、スペーサ層の引張歪量が均一なコラムナ量子ドットに比べて、所定発光波長に対応する平均歪量を低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、第１実施例の半導体光増幅器が含む、コラムナ量子ドットの多段積層部分を示す概略断面図である。
【図２】図２は、第１実施例のコラムナ量子ドット１つ分を拡大して示す概略断面図である。
【図３】図３は、第１実施例の半導体光増幅器の、増幅される光の入射方向から見た概略断面図である。
【図４】図４は、第１実施例の半導体光増幅器の、増幅される光が入射する面を真横から見た（厚さ方向の）概略断面図である。
【図５】図５は、第１実施例及び第２実施例のコラムナ量子ドットの平均歪量とＰＬ発光波長との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、比較例及び第１実施例のコラムナ量子ドットの、量子ドットに関する概略的な伝導帯バンドラインナップである。
【図７】図７は、第２実施例のコラムナ量子ドット１つ分を拡大して示す概略断面図である。
【図８】図８は、第３実施例の半導体光増幅器が含む、コラムナ量子ドットの多段積層部分を示す概略断面図である。
【図９】図９は、第３実施例のコラムナ量子ドット１つ分を拡大して示す概略断面図である。
【図１０】図１０は、第３実施例の半導体光増幅器の、増幅される光の入射方向から見た概略断面図である。
【図１１】図１１は、第４実施例の半導体光増幅器が含む、コラムナ量子ドットの多段積層部分を示す概略断面図である。
【図１２】図１２は、第４実施例のコラムナ量子ドット１つ分を拡大して示す概略断面図である。
【図１３】図１３は、比較例のコラムナ量子ドットを示す概略断面図である。
【図１４】図１４は、比較例のコラムナ量子ドットの平均歪量とＰＬ発光波長との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施例による半導体素子について説明する前に、まず、比較例について説明する。比較例として、１段のコラムナ量子ドットを作製しフォトルミネッセンス（ＰＬ）発光波長を測定した実験と、コラムナ量子ドットの多段積層を試みた実験を行った。
【００１３】
図１３は、比較例のコラムナ量子ドットを示す概略断面図である。ＩｎＰ（００１）基板上方に、ＩｎＧａＡｓＰ層１０３が形成されている。ＩｎＧａＡｓＰ層１０３上に、量子ドット１０４とスペーサ層１０５とが交互に積層されて、コラムナ量子ドット１０６が形成されている。コラムナ量子ドット１０６の最上部は、量子ドット１０４が配置されており、量子ドット１０４が１２層形成され、スペーサ層１０５が１１層形成されている。
【００１４】
量子ドット１０４は、ＩｎＡｓで形成され、スペーサ層１０５は、バンドギャップに対応する波長（これを以下、組成波長と呼ぶ）が１．０μｍのＩｎＧａＡｓＰで形成されている。量子ドット１０４及びスペーサ層１０５の形成方法として、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）を用いることができる。
【００１５】
コラムナ量子ドットの平均歪量εａを、下記の式で定義する。
【００１６】
【数１】
【００１７】
ここで、εＱＤｉは、下からｉ番目の量子ドット１０４の歪量であり、εＳＢｉは、下からｉ番目のスペーサ層１０５の歪量である。歪量εａ、εＱＤｉ、及びεＳＢｉは、例えば％単位で表される。
【００１８】
ｄＱＤｉ及びｄＳＢｉは、それぞれ、下からｉ番目の量子ドット１０４及びスペーサ層１０５の厚さである。量子ドット１０４及びスペーサ層１０５の厚さは、成長中に供給した原料により均一な厚さの膜が形成されたと仮定した場合の膜の厚さを意味する。厚さｄＱＤｉ及びｄＳＢｉは、例えばモノレイヤー（ＭＬ）単位で表される。
【００１９】
量子ドット１０４の歪量εＱＤｉは、下記の式で算出される。
【００２０】
【数２】
【００２１】
スペーサ層１０５の歪量εＳＢｉは、下記の式で算出される。
【００２２】
【数３】
【００２３】
ここで、ａＩｎＡｓ、ａＩｎＧａＡｓＰ、及びａＩｎＰは、それぞれ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、及びＩｎＰの格子定数である。ＩｎＧａＡｓＰの格子定数は、ＩｎＧａＡｓＰの各元素の組成比から格子定数を求め、求められた格子定数を用いて算出することができる。なお、「格子定数」とは、半導体材料に歪が発生していないと仮定したときの格子定数を意味する。
【００２４】
圧縮歪が正、引張歪が負になる。量子ドット１０４を形成するＩｎＡｓは、基板のＩｎＰに対して格子定数が大きく、圧縮歪を持つ。スペーサ層１０５を形成するＩｎＧａＡｓＰは、基板のＩｎＰに対して格子定数が小さく、引張歪を持つ。スペーサ層１０５が、量子ドット１０４に起因する圧縮歪を補償する。
【００２５】
以下、スペーサ層１０５の引張歪量は、マイナス記号を省略して示し、引張歪量の絶対値が大きいほど引張歪量が大きい（または高い）と表現し、引張歪量の絶対値が小さいほど引張歪量が小さい（または低い）と表現する。後述の実施例についても、コラムナ量子ドットの平均歪量は同様に定義される。コラムナ量子ドットの平均歪量を、単に「平均歪量」と呼ぶこともある。
【００２６】
比較例のコラムナ量子ドット１０６では、積層された全スペーサ層１０５で、引張歪量が均一に設定されている。コラムナ量子ドット１０６が１段形成された試料を、スペーサ層１０５の引張歪量を変化させて、つまり、平均歪量を変化させて複数作製し、これらの試料のＰＬ発光波長を測定した。
【００２７】
各試料のスペーサ層１０５の引張歪量は、０．４％、０．６％、０．８％、１．０％、１．２％、及び１．４％とした。なお、ＩｎＡｓ量子ドット１０４の圧縮歪量は３．２％である。スペーサ層１０５の引張歪量が大きくなるほど、量子ドット１０４に起因する圧縮歪が補償されて、平均歪量（補償されずに残る圧縮歪量）が小さくなる。
【００２８】
図１４は、比較例のコラムナ量子ドットの平均歪量とＰＬ発光波長との関係を示すグラフである。横軸が、％単位で表した平均歪量であり、縦軸が、μｍ単位で表したＰＬ発光波長である。平均歪量が小さくなるほど、つまり、スペーサ層の引張歪量が大きくなるほど、ＰＬ発光波長が短くなっている。例えば、Ｃバンド（１．５３μｍ〜１．５６５μｍ）に含まれる波長１．５５μｍ程度でＰＬ発光が得られる平均歪量は０．７７５％（スペーサ層引張歪量は０．６％）である。
【００２９】
次に、所望のＰＬ発光波長を１．５５μｍと想定し、平均歪量０．７７５％を採用して、コラムナ量子ドットの多段積層を試みた。厚さ４０ｎｍのＩｎＧａＡｓ中間層を介し、３段のコラムナ量子ドットの積層を試みたところ、コラムナ量子ドットに起因する圧縮歪が厚さ方向に伝播して、良好な結晶状態を保った成長が困難であった。
【００３０】
一方、平均歪量を０．６５４％まで下げた（スペーサ層引張歪量を０．８％まで増やした）条件でも、厚さ４０ｎｍのＩｎＧａＡｓ中間層を介し、３段のコラムナ量子ドットの積層を試みたところ、良好な結晶状態を保った成長が可能であった。
【００３１】
このように、コラムナ量子ドットを良好に多段積層するには、平均歪量を低下させることが望ましいとわかった。ただし、平均歪量を例えば０．６５４％まで下げたことに伴って、ＰＬ発光波長が１．５２９μｍとなり、所望の波長より短波長になってしまう。平均歪量を低下させても発光波長が短波長側にずれにくい、あるいは、所望の発光波長に対応する平均歪量を低減することができるコラムナ量子ドット構造が望まれる。
【００３２】
次に、第１実施例によるコラムナ量子ドット、及びそれを利用した半導体光増幅器について説明する。
【００３３】
図１は、第１実施例の半導体光増幅器が含む、コラムナ量子ドットの多段積層部分を示す概略断面図である。
【００３４】
図２は、第１実施例のコラムナ量子ドット１つ分を拡大して示す概略断面図である。
【００３５】
図１及び図２を参照しながら、製造工程に沿って説明を進める。結晶成長方法として、ＭＯＶＰＥを用いることができる。ＩＩＩ族元素原料として、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ｖ族元素原料として、アルシン（ＡｓＨ３）、フォスフィン（ＰＨ３）を用いることができる。ｎ型ドーパント原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）、ｐ型ドーパント原料としてジエチルジンク（ＤＥＺｎ）、キャリアガスとして水素（Ｈ２）を用いることができる。成長圧力は、例えば５０Ｔｏｒｒである。
【００３６】
ｎ型ＩｎＰ（００１）基板１を、ＭＯＶＰＥ成長炉に装備して、ＰＨ３雰囲気下で成長温度（成長表面の温度）を６３０℃まで昇温する。
【００３７】
次に、ＴＭＩｎ及びＳｉＨ４も供給して、ドーピング濃度が５．０×１０１７ｃｍ−３のｎ型ＩｎＰバッファ層２を、厚さ５００ｎｍ形成する。
【００３８】
ＴＭＩｎ及びＳｉＨ４の供給を停止し、ＰＨ３雰囲気下で成長温度を４３０℃まで下げる。次に、ＩＩＩ族ガスをＴＭＩｎ及びＴＥＧａとし、Ｖ族ガスをＡｓＨ３及びＰＨ３として、バッファ層２上に、組成波長が１．１μｍで歪量が０％のノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３を、厚さ３０ｎｍ形成する。
【００３９】
次に、供給ガスをＴＭＩｎ及びＡｓＨ３とし、光閉じ込め層３上に、ＩｎＡｓ量子ドット４を形成する。ＩｎＡｓ量子ドット４の成長条件は、例えば、供給量２．５ＭＬ相当、成長速度０．０４５μｍ／ｈ、Ｖ／ＩＩＩ比３０である。
【００４０】
この条件により、横方向寸法が［１１０］方向に２０ｎｍ程度、［−１１０］方向に３０ｎｍ程度で、面内密度が７．５×１０１０ｃｍ−２程度の量子ドット４が形成される。量子ドット４はＳ−Ｋモードにより成長し、量子ドット４の外側には、濡れ層４ａが残る。
【００４１】
次に、供給ガスをＴＭＩｎ、ＴＥＧａ、ＡｓＨ３、及びＰＨ３とし、量子ドット４を覆って光閉じ込め層３上に、組成波長が１．０μｍで、引張歪量が相対的に低い０．４％となるような組成の、低引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｌを形成する。低引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｌの成長条件は、例えば、供給量２．５ＭＬ相当、成長速度０．１μｍ／ｈ、Ｖ／ＩＩＩ比１６００である。
【００４２】
なお、説明の便宜上、図１に示すように、スペーサ層を引張歪量の相対的な大小を区別せずに、「スペーサ層５」と表すこともある。図２には、スペーサ層を、引張歪量の相対的な大小を区別して示す。
【００４３】
このようにして、量子ドット４上に低引張歪スペーサ層５Ｌが積層された低引張歪量子ドット部ＱＤＬが形成される。低引張歪スペーサ層５Ｌが積層された量子ドット４を、量子ドット４Ｌと呼ぶこともある。
【００４４】
次に、再び供給ガスをＴＭＩｎ及びＡｓＨ３とし、低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、ＩｎＡｓ量子ドット４を形成する。ＩｎＡｓ量子ドット４の成長条件は、例えば、最初に形成した量子ドット４と同様である。ただし、下から２番目以降の量子ドット４については、供給量を例えば１．２ＭＬ相当に減らす。
【００４５】
次に、再び供給ガスをＴＭＩｎ、ＴＥＧａ、ＡｓＨ３、及びＰＨ３とし、量子ドット４を覆って低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、組成波長が１．０μｍで、引張歪量が相対的に高い２．４％となるような組成の、高引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｈを形成する。高引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｈの成長条件は、例えば、低引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５と同様である。
【００４６】
このようにして、低引張歪量子ドット部ＱＤＬ上に、量子ドット４上に高引張歪スペーサ層５Ｈが積層された高引張歪量子ドット部ＱＤＨが形成される。高引張歪スペーサ層５Ｈが積層された量子ドット４を、量子ドット４Ｈと呼ぶこともある。
【００４７】
低引張歪量子ドット部ＱＤＬの形成、及び、高引張歪量子ドット部ＱＤＨの形成を１組とした工程を、その後４回繰り返す。
【００４８】
次に、最上の高引張歪量子ドット部ＱＤＨ上に、低引張歪量子ドット部ＱＤＬを形成する。最後に、最上の低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、ＩｎＡｓ量子ドット４を形成する。このようにして、１２層の量子ドット４と、１１層のスペーサ層５とが交互に積層されたコラムナ量子ドット６が形成される。
【００４９】
第１実施例のコラムナ量子ドット６は、低引張歪スペーサ層５Ｌと高引張歪スペーサ層５Ｈとが１層ずつ交互に積層された構造、つまり、低引張歪量子ドット部ＱＤＬと高引張歪量子ドット部ＱＤＨとが１層ずつ交互に積層された構造を有する。
【００５０】
その後、供給ガスをＴＭＩｎ、ＴＥＧａ、ＡｓＨ３、及びＰＨ３とし、１段目のコラムナ量子ドット６を覆って、組成波長が１．１μｍで歪量が０％のＩｎＧａＡｓＰ中間層７を、厚さ３０ｎｍ形成する。
【００５１】
コラムナ量子ドット６形成、中間層７形成を１組とした工程を、その後２回繰り返す。このようにして、３段のコラムナ量子ドット層６Ａ、６Ｂ、６Ｃが中間層７を介して積層された、コラムナ量子ドットの多段積層構造が形成される。なお、最上に形成されたＩｎＧａＡｓＰ層は、中間層７でなく、光閉じ込め層３と呼ぶこととする。
【００５２】
下側の光閉じ込め層３、１段目のコラムナ量子ドット層６Ａ、下側の中間層７、２段目のコラムナ量子ドット層６Ｂ、上側の中間層７、３段目のコラムナ量子ドット６Ｃ、及び上側の光閉じ込め層３を含んで、活性層８が形成される。
【００５３】
その後、ＰＨ３雰囲気下で成長温度を６３０℃まで昇温し、ＴＭＩｎ、ＰＨ３、及びＤＥＺｎを供給して、上側の光閉じ込め層３上に、ドーピング濃度が５．０×１０１７ｃｍ−３のｐ型ＩｎＰクラッド層９を、厚さ２００ｎｍ形成する。
【００５４】
さらに、図３及び図４も参照して説明を進める。
【００５５】
図３は、第１実施例の半導体光増幅器の、増幅される光の入射方向から見た概略断面図である。
【００５６】
図４は、第１実施例の半導体光増幅器の、増幅される光が入射する面を真横から見た（厚さ方向の）概略断面図である。
【００５７】
図３に示すように、ｐ型クラッド層９上に、［１１０］方向に延在し長さが１００μｍ、幅が１．５μｍの誘電体マスクＭＳＫを形成し、誘電体マスクＭＳＫを用いてドライエッチングにより、誘電体マスクＭＳＫの外側部分を基板１の途中深さまで除去して、ストライプメサ構造を形成する。
【００５８】
次に、誘電体マスクＭＳＫを形成した状態で、メサの両脇にｐ型ＩｎＰ埋め込み層１０、ｎ型ＩｎＰブロック層１１、及びｐ型ＩｎＰ層１２を成長させて、電流狭窄構造を形成する。ｐ型ＩｎＰ埋め込み層１０〜ｐ型ＩｎＰ層１２の形成には、公知の半導体埋め込み成長技術を用いることができる。その後、誘電体マスクＭＳＫを除去する。
【００５９】
図４に示すように、さらに、ｐ型ＩｎＰクラッド層９上にｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１３を形成し、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１３上にｐ側電極１４ｐを形成し、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面上にｎ側電極１４ｎを形成し、光入射側及び光出射側の端面に反射防止膜１５を形成する。このようにして、第１実施例の半導体光増幅器が形成される。
【００６０】
図２に示されたような、低引張歪量子ドット部ＱＤＬと高引張歪量子ドット部ＱＤＨとが１層ずつ交互に積層されたコラムナ量子ドットが、１段形成された試料を作製して、ＰＬ発光波長を測定した。
【００６１】
低引張歪スペーサ層５Ｌの引張歪量を０．４％と一定にし、高引張歪スペーサ層５Ｈの引張歪量を１．４％、２．４％と変化させて、２種の試料を作製した。低引張歪量０．４％で高引張歪量１．４％の試料は、平均歪量０．６１％（圧縮歪）であり、低引張歪量０．４％で高引張歪量２．４％の試料は、平均歪量０．３３％（圧縮歪）である。
【００６２】
図５は、第１実施例のコラムナ量子ドットの平均歪量とＰＬ発光波長との関係を示すグラフである。横軸が、％単位で表した平均歪量であり、縦軸が、μｍ単位で表したＰＬ発光波長である。第１実施例の結果を、三角のプロットで示す。丸のプロットで示されているのは、図１４に示したのと同様な、比較例の結果である。
【００６３】
第１実施例の平均歪量０．６１％（低引張歪量０．４％／高引張歪量１．４％）の試料は、比較例とほぼ同様な、波長１．５２μｍ程度の発光を示した。第１実施例の平均歪量０．３３％（低引張歪量０．４％／高引張歪量２．４％）の試料は、平均歪量の等しい比較例の試料に比べて長波長の、波長１．５０μｍ程度の発光を示した。
【００６４】
このように、第１実施例のコラムナ量子ドットは、比較例に比べ、平均歪量を低下させたときの、発光波長の短波長化が抑制されていることがわかった。あるいは、所望の発光波長（例えば１．５０μｍ）を得るときの平均歪量を、比較例に比べて小さくできることがわかった。
【００６５】
次に、第１実施例のコラムナ量子ドットが、比較例に比べ、等しい平均歪量で長波長のＰＬ発光を示した理由について考察する。なお、この理由は明らかではなく、下記の考察は１つの考え方を示すものである。
【００６６】
比較例のスペーサ層の引張歪量の大きさをε０とし、第１実施例の低引張歪スペーサ層及び高引張歪スペーサ層の歪量の大きさをそれぞれε１及びε２とする。平均歪量が等しいとき、これらの引張歪量の大きさは、ε１＜ε０＜ε２を満たす。
【００６７】
比較例の量子ドットの伝導帯エネルギー準位をＥ０とし、第１実施例の、低引張歪スペーサ層５Ｌが積層された量子ドット４Ｌ、及び、高引張歪スペーサ層５Ｈが積層された量子ドット４Ｈの伝導帯エネルギー準位を、それぞれＥ１及びＥ２とする。
【００６８】
比較例よりわかるように、スペーサ層の引張歪量が大きくなるほど、ＰＬ発光波長が短波長化する傾向がある。これより、スペーサ層の引張歪量が大きくなるほど、スペーサ層に覆われる量子ドットのエネルギーギャップが大きくなり、量子ドットの伝導帯エネルギー準位が上昇するのではないかと推測される。従って、量子ドットの伝導帯エネルギー準位について、Ｅ１＜Ｅ０＜Ｅ２となると考えられる。
【００６９】
図６は、比較例及び第１実施例のコラムナ量子ドットの、量子ドットに関する概略的な伝導帯バンドラインナップである。平均歪量が等しい場合の伝導帯バンドラインナップを、並べて示す。左方が比較例、右方が第１実施例である。「ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ」は、光閉じ込め層（または中間層）を示す。
【００７０】
比較例のコラムナ量子ドットに形成される結合量子準位をＥｕとする。第１実施例のコラムナ量子ドットに形成される、量子ドット４Ｌの結合量子準位をＥｍ、量子ドット４Ｈの結合量子準位をＥｎとする。量子ドット４Ｌによる結合量子準位Ｅｍは、量子ドット４Ｌの低いエネルギー準位Ｅ１の影響を強く受けて、量子ドット４Ｈの高いエネルギー準位Ｅ２の影響を受けにくい状態になると考えられる。
【００７１】
その結果、結合量子準位Ｅｍは、結合量子準位ＥｕよりもΔＥだけ低いエネルギー準位となり、第１実施例のコラムナ量子ドットの方が、等しい平均歪量を持つ比較例のコラムナ量子ドットよりも長波長で発光すると考えられる。
【００７２】
なお、図５に示したように、第１実施例の試料でも、平均歪量０．６１％（低引張歪量０．４％／高引張歪量１．４％）のものは、比較例とほぼ同程度の波長で発光した。これは、高引張歪スペーサ層の歪量が小さいときは、量子ドット４Ｌと量子ドット４Ｈの伝導帯バンドオフセットが小さく、波動関数の結合によるエネルギー準位低下が少ないためであると思われる。
【００７３】
次に、第２実施例によるコラムナ量子ドット、及びそれを利用した半導体光増幅器について説明する。主に第１実施例との違いについて説明する。第２実施例は、第１実施例と、コラムナ量子ドット６における低引張歪スペーサ層５Ｌ、高引張歪スペーサ層５Ｈの積層順序が異なる。
【００７４】
コラムナ量子ドットの多段積層構造や、半導体光増幅器としての構造は、第１実施例と同様であり、コラムナ量子ドット６の構造を第２実施例のものと読み替えた上で、図１、図３及び図４を流用して、第２実施例でも参照する。また、参照符号付与の煩雑さを減らすため、第１実施例と対応が明確な部材等について、参照符号を流用する。量子ドット４、低引張歪スペーサ層５Ｌ、高引張歪スペーサ層５Ｈ等の形成方法は、第１実施例と同様である。
【００７５】
図７は、第２実施例のコラムナ量子ドット６の１つ分を拡大して示す概略断面図である。第１実施例と同様にして、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、下方からｎ型ＩｎＰバッファ層２、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３を形成し、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３上にＩｎＡｓ量子ドット４を形成し、ＩｎＡｓ量子ドット４上に低引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｌを形成する。このようにして、まず、低引張歪量子ドット部ＱＤＬが形成される。
【００７６】
次に、低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、ＩｎＡｓ量子ドット４を形成する。なお、第１実施例と同様に、下から２番目以降の量子ドット４については、供給量を例えば１．２ＭＬ相当に減らす。
【００７７】
次に、量子ドット４を覆って低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、再び低引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｌを形成する。このようにして、低引張歪量子ドット部ＱＤＬ上に低引張歪量子ドット部ＱＤＬが重ねられる。
【００７８】
次に、下から２番目の低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、下から３番目のＩｎＡｓ量子ドット４を形成する。次に、下から３番目の量子ドット４を覆って低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、高引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｈを形成して、高引張歪量子ドット部ＱＤＨを形成する。第２実施例では、このようにして、低引張歪量子ドット部ＱＤＬが２層積層され、その上に高引張歪量子ドット部ＱＤＨが１層積層された構造が形成される。
【００７９】
低引張歪量子ドット部ＱＤＬの形成、低引張歪量子ドット部ＱＤＬの形成、及び、高引張歪量子ドット部ＱＤＨの形成を１組とした工程を、その後２回繰り返す。
【００８０】
最上の高引張歪量子ドット部ＱＤＨの上に、さらに２層の低引張歪量子ドット部ＱＤＬを積層する。最後に、最上の低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、量子ドット４を形成する。このようにして、１２層の量子ドット４と、１１層のスペーサ層５とが交互に積層されたコラムナ量子ドット６が形成される。
【００８１】
第２実施例のコラムナ量子ドット６は、２層の低引張歪スペーサ層５Ｌと、１層の高引張歪スペーサ層５Ｈとが交互に積層された構造、つまり、２層の低引張歪量子ドット部ＱＤＬと、１層の高引張歪量子ドット部ＱＤＨとが交互に積層された構造を有する。
【００８２】
その後、第１実施例と同様に、ＩｎＧａＡｓＰ中間層７を介し３段のコラムナ量子ドット層６Ａ〜６Ｃを積層して活性層８を形成し、ｐ型ＩｎＰクラッド層９を形成して、図１に示したような構造を得る。
【００８３】
さらに、第１実施例で図３、図４を参照しながら説明した工程と同様にして、ストライプメサ構造を形成し、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１３、ｐ側電極１４ｐ、ｎ側電極１４ｎ、及び反射防止膜１５を形成する。このようにして、第２実施例の半導体光増幅器が形成される。
【００８４】
図７に示されたような、２層の低引張歪量子ドット部ＱＤＬと、１層の高引張歪量子ドット部ＱＤＨとが交互に積層されたコラムナ量子ドットが、１段形成された試料を作製して、ＰＬ発光波長を測定した。
【００８５】
低引張歪スペーサ層５Ｌの引張歪量を０．４％と一定にし、高引張歪スペーサ層５Ｈの引張歪量を１．４％、２．４％、３．４％と変化させて、３種の試料を作製した。低引張歪量０．４％で高引張歪量１．４％の試料は、平均歪量０．７４％（圧縮歪）であり、低引張歪量０．４％で高引張歪量２．４％の試料は、平均歪量０．５６％（圧縮歪）であり、低引張歪量０．４％で高引張歪量３．４％の試料は、平均歪量０．３９％（圧縮歪）である。
【００８６】
再び図５を参照する。図５に、第２実施例のコラムナ量子ドットの平均歪量とＰＬ発光波長との関係も示す。第２実施例の結果を、四角のプロットで示す。
【００８７】
第２実施例の平均歪量０．７４％（低引張歪量０．４％／高引張歪量１．４％）の試料は、比較例とほぼ同様な、波長１．５４２μｍ程度の発光を示した。第２実施例の平均歪量０．５６％（低引張歪量０．４％／高引張歪量２．４％）の試料、及び、平均歪量０．３９％（低引張歪量０．４％／高引張歪量３．４％）の試料は、それぞれ、平均歪量の等しい比較例の試料に比べて長波長の、波長１．５３８μｍ程度及び波長１．５２６μｍ程度の発光を示した。
【００８８】
第２実施例のコラムナ量子ドットでも、第１実施例と同様に、比較例に比べ、平均歪量を低下させたときの発光波長の短波長化が抑制されている。平均歪量低下に伴う発光波長短波長化の傾きは、第２実施例の方が第１実施例よりも緩やかである傾向が見られる。
【００８９】
第２実施例では、第１実施例に比べ、等しい平均歪量でより長波長の発光が得られる。所望の長波長の発光波長を得るとき、平均歪量をより小さくできるといえる。
【００９０】
次に、第２実施例のコラムナ量子ドットが、第１実施例に比べ、等しい平均歪量でより長波長のＰＬ発光を示した理由について考察する。なお、この理由は明らかではなく、下記の考察は１つの考え方を示すものである。
【００９１】
第１実施例では、低引張歪量子ドット部ＱＤＬと高引張歪量子ドット部ＱＤＨとが１層ずつ交互に積層されている。低引張歪量子ドット部ＱＤＬの含む量子ドット４Ｌは、それを覆う低引張歪スペーサ層５Ｌから作用を受けるとともに、直下の高引張歪量子ドット部ＱＤＨの高引張歪スペーサ層５Ｈからも、やや作用を受ける。そのため、低引張歪スペーサ層５Ｌから受ける作用と、高引張歪スペーサ層５Ｈから受ける作用とが、やや平均化されると考えられる。なお、これは、量子ドット４Ｈについても同様である。これに起因して、量子ドット４Ｌと量子ドット４Ｈのエネルギー準位差が減少すると考えられる。
【００９２】
一方、第２実施例では、２層の低引張歪量子ドット部ＱＤＬと、１層の高引張歪量子ドット部ＱＤＨとが交互に積層されている。２層重なった低引張歪量子ドット部ＱＤＬの、上側の低引張歪量子ドット部ＱＤＬの含む量子ドット４Ｌ（これを、量子ドット４ＬＵと呼ぶこととする）は、それを覆うスペーサ層、及び、その直下のスペーサ層の両方とも、低引張歪スペーサ層５Ｌである。このため、量子ドット４ＬＵは、高引張歪スペーサ層５Ｈによる影響を受けにくく、エネルギー準位が低く保たれやすいと考えられる。従って、第２実施例では、第１実施例に比べて、量子ドット４Ｌと量子ドット４Ｈのエネルギー準位差が減少しにくく、低い結合量子準位が得られやすいのではないかと考えられる。
【００９３】
なお、第２実施例では、２層の低引張歪量子ドット部ＱＤＬと、１層の高引張歪量子ドット部ＱＤＨとの交互積層構造としたが、低引張歪量子ドット部ＱＤＬは３層以上積層することもでき、高引張歪量子ドット部ＱＤＨは２層以上積層することもできると考えられる。ただし、低引張歪量子ドット部ＱＤＬのある積層部分Ｌ１と、この直上に配置された低引張歪量子ドット部ＱＤＬの積層部分Ｌ２との間に配置される、高引張歪量子ドット部ＱＤＨの積層部分は、積層部分Ｌ１に含まれる量子ドット４Ｌと、積層部分Ｌ２に含まれる量子ドット４Ｌとが、互いに量子力学的に結合できる範囲の厚さとする。
【００９４】
以上、第１及び第２実施例で説明したように、低引張歪量子ドット部ＱＤＬと高引張歪量子ドット部ＱＤＨとが厚さ方向に交互に複数配置された構造を有するコラムナ量子ドットを形成することにより、スペーサ層の引張歪量が均一なコラムナ量子ドットに比べて、平均歪量の低下に伴う発光波長の短波長化を抑制でき、あるいは、等しい平均歪量で長波長の発光を得ることが容易になる。
【００９５】
所望の発光波長を得るとき、平均歪量を小さくできることにより、良好な結晶性を保ってコラムナ量子ドットを多段積層することが容易になる。なお、平均歪量を小さくできることにより、コラムナ量子ドットを多段積層する場合に限らず、コラムナ量子ドット上方に形成する半導体層の結晶品質を高めることができる。
【００９６】
また、第２実施例で説明したように、低引張歪量子ドット部ＱＤＬを複数層重ねることにより（ある高引張歪量子ドット部ＱＤＨと、その直上の高引張歪量子ドット部ＱＤＨとの間に、複数層重ねた低引張歪量子ドット部ＱＤＬを配置することにより）、所定の平均歪量での発光波長を、より長波長にしやすい。
【００９７】
なお、第１、第２実施例では、ｎ型ＩｎＰ（００１)基板を用いたが、その他、ｐ型ＩｎＰ（００１）基板、高抵抗（ＳＩ）ＩｎＰ（００１）基板等を適用することもできる。その場合は、導電型、電極配置、埋め込み構造等を、適宜変更することができる。
【００９８】
さらに、コラムナ量子ドットを形成する基板として、ＩｎＰ基板以外の他の半導体基板を用いることもできると考えられる。
【００９９】
次に、第３及び第４実施例として、ＧａＡｓ基板上へのコラムナ量子ドット形成について説明する。なお、参照符号付与の煩雑さを減らすため、第１、第２実施例と対応が明確な部材等について、参照符号を流用する。
【０１００】
第３実施例によるコラムナ量子ドット、及びそれを利用した半導体光増幅器について説明する。
【０１０１】
図８は、第３実施例の半導体光増幅器が含む、コラムナ量子ドットの多段積層部分を示す概略断面図である。
【０１０２】
図９は、第３実施例のコラムナ量子ドット１つ分を拡大して示す概略断面図である。
【０１０３】
図８及び図９を参照しながら、製造工程に沿って説明を進める。結晶成長方法として、第１、第２実施例と同様にＭＯＶＰＥを用いることができ、原料も、第１、第２実施例と同様ものを使用することができる。
【０１０４】
ｎ型ＧａＡｓ（００１）基板１を、ＭＯＶＰＥ成長炉に装備して、ＡｓＨ３雰囲気下で成長温度を６３０℃まで昇温する。
【０１０５】
次に、ＴＥＧａ及びＳｉＨ４も供給して、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２を、厚さ５００ｎｍ形成する。
【０１０６】
ＴＥＧａ及びＳｉＨ４の供給を停止し、ＡｓＨ３雰囲気下で成長温度を４３０℃まで下げる。次に、供給ガスをＴＥＧａ及びＡｓＨ３として、バッファ層２上に、ノンドープＧａＡｓ光閉じ込め層３を、厚さ４０ｎｍ形成する。
【０１０７】
次に、第１実施例と同様にして、光閉じ込め層３上にＩｎＡｓ量子ドット４（４Ｌ）を形成し、量子ドット４（４Ｌ）上に低引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｌを形成し、低引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｌ上にＩｎＡｓ量子ドット４（４Ｈ）を形成し、量子ドット４（４Ｈ）上に高引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｈを形成する。
【０１０８】
ＩｎＡｓ量子ドット４の形成条件は、例えば第１実施例と同様である。低引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｌは、例えば、組成波長が０．７５μｍで、引張歪量が０．４％となるような組成とし、高引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｈは、例えば、組成波長が０．７５μｍで、引張歪量が１．０％となるような組成とする。
【０１０９】
このようにして、低引張歪量子ドット部ＱＤＬ上に高引張歪量子ドット部ＱＤＨが積層された構造が形成される。
【０１１０】
低引張歪量子ドット部ＱＤＬの形成、及び、高引張歪量子ドット部ＱＤＨの形成を１組とした工程を、その後３回繰り返す。次に、最上の高引張歪量子ドット部ＱＤＨ上に、低引張歪量子ドット部ＱＤＬを形成する。最後に、最上の低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、ＩｎＡｓ量子ドット４を形成する。このようにして、１０層の量子ドット４と、９層のスペーサ層５とが交互に積層されたコラムナ量子ドット６が形成される。第３実施例のコラムナ量子ドット６は、波長１．０６μｍ程度での発光が期待される。
【０１１１】
第３実施例のコラムナ量子ドット６は、第１実施例と同様に、低引張歪量子ドット部ＱＤＬと高引張歪量子ドット部ＱＤＨとが１層ずつ交互に積層された構造を有する。
【０１１２】
その後、供給ガスをＴＥＧａ及びＡｓＨ３とし、１段目のコラムナ量子ドット６を覆って、ＧａＡｓ中間層７を、例えば厚さ４０ｎｍ形成する。
【０１１３】
コラムナ量子ドット６形成、中間層７形成を１組とした工程を、その後３回繰り返す。このようにして、４段のコラムナ量子ドット層６Ａ〜６Ｄが中間層７を介して積層された、コラムナ量子ドットの多段積層構造が形成される。なお、最上に形成されたＧａＡｓ層は、中間層７でなく、光閉じ込め層３と呼ぶこととする。
【０１１４】
下側の光閉じ込め層３、１段目のコラムナ量子ドット層６Ａ、下から１番目の中間層７、２段目のコラムナ量子ドット層６Ｂ、下から２番目の中間層７、３段目のコラムナ量子ドット層６Ｃ、下から３番目の中間層７、４段目のコラムナ量子ドット層６Ｄ、及び上側の光閉じ込め層３を含んで、活性層８が形成される。
【０１１５】
その後、ＡｓＨ３雰囲気下で成長温度を６３０℃まで昇温し、ＴＥＧａ、ＡｓＨ３、及びＤＥＺｎを供給して、上側の光閉じ込め層３上に、ｐ型ＧａＡｓクラッド層９を、例えば厚さ１．５μｍ形成する。
【０１１６】
図１０も参照して説明を進める。図１０は、第３実施例の半導体光増幅器の、増幅される光の入射方向から見た概略断面図である。ｐ型ＧａＡｓクラッド層９上に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１３を形成する。次に、ｐ側電極形成領域以外をｐ型クラッド層９の途中深さまでエッチングする。残ったｐ型コンタクト層１３上にｐ側電極１４ｐを形成し、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面上にｎ側電極１４ｎを形成し、リッジ構造とする。
【０１１７】
さらに、図４も流用して参照し、説明を進める。第３実施例の半導体光増幅器の、増幅される光が入射する面を真横から見た（厚さ方向の）概略断面図は、第１、第２実施例の半導体光増幅器と同様に、図４のようなものである。光入射側及び光出射側の端面に、反射防止膜１５を形成する。このようにして、第３実施例の半導体光増幅器が形成される。
【０１１８】
第４実施例によるコラムナ量子ドット、及びそれを利用した半導体光増幅器について説明する。第４実施例は、第３実施例と、コラムナ量子ドット６における低引張歪スペーサ層５Ｌ、高引張歪スペーサ層５Ｈの積層順序が異なる。半導体光増幅器としての構造は、第３実施例と同様であり、図１１及び図４を流用して、第４実施例でも参照する。量子ドット４、低引張歪スペーサ層５Ｌ、高引張歪スペーサ層５Ｈ等の形成方法は、第３実施例と同様である。
【０１１９】
図１１は、第４実施例の半導体光増幅器が含む、コラムナ量子ドットの多段積層部分を示す概略断面図である。
【０１２０】
図１２は、第４実施例のコラムナ量子ドット１つ分を拡大して示す概略断面図である。
【０１２１】
第３実施例と同様にして、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、下方からｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ＧａＡｓ光閉じ込め層３を形成し、ＧａＡｓ光閉じ込め層３上にＩｎＡｓ量子ドット４を形成し、ＩｎＡｓ量子ドット４上に低引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｌを形成する。
【０１２２】
低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、ＩｎＡｓ量子ドット４（４Ｌ）を形成し、量子ドット４（４Ｌ）上に、再び低引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｌを形成する。
【０１２３】
下から２番目の低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、ＩｎＡｓ量子ドット４（４Ｈ）を形成し、量子ドット４（４Ｈ）上に、高引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｈを形成する。
【０１２４】
このようにして、低引張歪量子ドット部ＱＤＬが２層積層され、その上に高引張歪量子ドット部ＱＤＨが１層積層された構造が形成される。
【０１２５】
低引張歪量子ドット部ＱＤＬの形成、低引張歪量子ドット部ＱＤＬの形成、及び、高引張歪量子ドット部ＱＤＨの形成を１組とした工程を、その後１回行う。
【０１２６】
最上の高引張歪量子ドット部ＱＤＨの上に、さらに２層の低引張歪量子ドット部ＱＤＬを積層する。最後に、最上の低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、量子ドット４を形成する。このようにして、９層の量子ドット４と、８層のスペーサ層５とが交互に積層されたコラムナ量子ドット６が形成される。第４実施例のコラムナ量子ドット６は、波長１．２μｍ〜１．３μｍ程度での発光が期待される。
【０１２７】
第４実施例のコラムナ量子ドット６は、第２実施例と同様に、２層の低引張歪量子ドット部ＱＤＬと、１層の高引張歪量子ドット部ＱＤＨとが交互に積層された構造を有する。
【０１２８】
その後、第３実施例と同様に、ＧａＡｓ中間層７を介し４段のコラムナ量子ドット層６Ａ〜６Ｄを積層して活性層８を形成し、ｐ型ＧａＡｓクラッド層９を形成して、図１１に示したような構造を得る。
【０１２９】
さらに、第３実施例で図１０、図４を参照しながら説明した工程と同様な工程を経て、第４実施例の半導体光増幅器が形成される。
【０１３０】
なお、第３、第４実施例では、ｎ型ＧａＡｓ基板を用いたが、その他、ｐ型ＧａＡｓ基板、高抵抗（ＳＩ）ＧａＡｓ基板等を適用することもできる。その場合は、導電型、電極配置等を適宜変更することができる。
【０１３１】
なお、構造パラメータ、材料、デバイス構造等は、第１〜第４実施例に記載されたものに限定されるものではない。
【０１３２】
例えば、ＩｎＡｓ量子ドットの供給量、ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層の組成波長、厚さ、歪量は、第１〜第４実施例の値に限定されるものではない。低引張歪スペーサ層と高引張歪スペーサ層の組成波長を等しくすることは必須ではない。
【０１３３】
また例えば、量子ドットの材料として、ＩｎＡｓの他に、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＳｂ等の適用も可能であると考えられる。組成を明示して表すと、量子ドットの材料として、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＳｂ１−ｙ（０＜ｘ≦１，０≦ｙ≦１）を用いることができると考えられる。ただし、量子ドットの面内の対称性が良いという観点で、ＩｎＡｓが好ましい。
【０１３４】
また例えば、スペーサ層の材料として、ＩｎＧａＡｓＰの他に、ＡｌＧａＩｎＡｓの適用も可能であると考えられる。ただし、量子ドットの成長温度が低温の場合、スペーサ層の結晶性向上の観点からは、ＩｎＧａＡｓＰがより好ましい。
【０１３５】
また例えば、第１〜第４実施例の半導体素子として半導体光増幅器を示したが、同様な製造工程で、両端面を劈開もしくは高反射膜コートすることにより、半導体レーザの作製も可能である。
【０１３６】
なお、第１〜第４実施例では、コラムナ量子ドットの最上部を、量子ドットがスペーサ層に覆われない構造としたが、コラムナ量子ドットの最上部を、量子ドットがスペーサ層に覆われた構造とすることもできる。
【０１３７】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【０１３８】
以上説明した第１〜第４実施例を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
半導体基板と、
前記半導体基板上方に形成されたコラムナ量子ドットと
を有し、
前記コラムナ量子ドットは、
第１量子ドットと、前記第１量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し引張歪量を持つ第１スペーサ層とで形成された第１部と、
第２量子ドットと、前記第２量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し前記第１スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第２スペーサ層とで形成された第２部とが、
厚さ方向に交互に配置された構造を有する半導体素子。
（付記２）
前記コラムナ量子ドットは、ある前記第２部と、その直上の前記第２部との間に、複数の前記第１部が積層されている構造を有する付記１に記載の半導体素子。
（付記３）
前記コラムナ量子ドットは、複数積層された前記第１部と、１層の前記第２部とが、交互に積層された構造を有する付記１または２に記載の半導体素子。
（付記４）
前記半導体基板は、ＩｎＰで形成されている付記１〜３のいずれか１つに記載の半導体素子。
（付記５）
前記半導体基板は、ＧａＡｓで形成されている付記１〜３のいずれか１つに記載の半導体素子。
（付記６）
前記第１量子ドット及び前記第２量子ドットは、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＳｂ１−ｙ（０＜ｘ≦１，０≦ｙ≦１）で形成されている付記１〜５のいずれか１つに記載の半導体素子。
（付記７）
前記第１スペーサ層及び前記第２スペーサ層は、ＩｎＧａＡｓＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓで形成されている付記１〜６のいずれか１つに記載の半導体素子。
（付記８）
半導体基板と、
前記半導体基板上方に、中間層を介して複数段重ねられたコラムナ量子ドットと
を有し、
前記複数段重ねられたコラムナ量子ドットの各々は、
第１量子ドットと、前記第１量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し引張歪量を持つ第１スペーサ層とで形成された第１部と、
第２量子ドットと、前記第２量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し前記第１スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第２スペーサ層とで形成された第２部とが、
厚さ方向に交互に配置された構造を有する半導体素子。
（付記９）
さらに、
前記半導体基板と前記複数段重ねられたコラムナ量子ドットとの間に配置された第１導電型の第１半導体層と、
前記複数段重ねられたコラムナ量子ドットの上方に配置され前記第１導電型と反対の第２導電型の第２半導体層と
を有し、
半導体光増幅器または半導体レーザである付記８に記載の半導体素子。
（付記１０）
半導体基板の上方に、第１量子ドットを形成し、前記第１量子ドット上に、前記半導体基板に対し引張歪量を持つ第１スペーサ層を積層して、前記第１量子ドット上に前記第１スペーサ層が積層された第１部を形成する工程と、
前記第１スペーサ層の上方に、第２量子ドットを形成し、前記第２量子ドット上に、前記半導体基板に対し前記第１スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第２スペーサ層を積層して、前記第２量子ドット上に前記第２スペーサ層が積層された第２部を形成する工程と
を有し、
前記第１部と前記第２部とが、厚さ方向に交互に配置された構造が形成されるように、前記第１部を形成する工程と、前記第２部を形成する工程とを繰り返す半導体素子の製造方法。
【符号の説明】
【０１３９】
１ 基板
２ バッファ層
３ 光閉じ込め層
４ 量子ドット
４Ｌ 低引張歪スペーサ層が積層された量子ドット
４Ｈ 高引張歪スペーサ層が積層された量子ドット
５ スペーサ層
５Ｌ 低引張歪スペーサ層
５Ｈ 高引張歪スペーサ層
ＱＤＬ 低引張歪量子ドット部
ＱＤＨ 高引張歪量子ドット部
６ コラムナ量子ドット
６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ コラムナ量子ドット層
７ 中間層
８ 活性層
９ クラッド層
１０ ｐ型ＩｎＰ埋め込み層
１１ ｎ型ＩｎＰブロック層
１２ ｐ型ＩｎＰ層
１３ コンタクト層
１４ｐ、１４ｎ 電極
１５ 反射防止膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子及び半導体素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光半導体素子を高温で安定動作させるために、熱励起による発振準位からのキャリア漏出を抑制することが望まれる。このためには、離散的なエネルギー準位を有する量子ドットを活性層に活用することが有効である。
【０００３】
Ｓｔｒａｎｓｋｉ‐Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ−Ｋ）モードで自己生成した量子ドットを、スペーサ層（バリア層とも呼ばれる）を介して高さ方向に積み上げたコラムナ量子ドットが提案されている。１つのコラムナ量子ドット内に重ねられた複数の量子ドットは、相互に量子力学的に結合している。具体的には、量子ドットの高さ方向間隔が、キャリアの波動関数の広がりよりも狭い。量子ドットの重ね数（高さ）や、スペーサ層の歪量等の構造パラメータを変えることによって、コラムナ量子ドットの偏光特性を制御することが可能である。
【０００４】
半導体レーザに、高い電気光変換効率が求められ、半導体光増幅器に、高い光利得が求められる。コラムナ量子ドットの分布密度を高めることにより、電気光変換効率や光利得の向上を図ることができる。コラムナ量子ドットが面内に分布しているコラムナ量子ドット層を多段に積み重ねることにより、コラムナ量子ドットの体積分布密度を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１５７９７５号公報
【特許文献２】特開２００７−２４２７４８号公報
【特許文献３】特開２００８−２４４２３５号公報
【非特許文献１】２００９年春季第５６回応用物理学関係連合講演会予稿集、安岡他、２ａ−Ｇ−２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
コラムナ量子ドット層を積み重ねる際には、コラムナ量子ドット層の間に中間層が配置される。多段化されたコラムナ量子ドット層により活性層が形成される。活性層が厚くなると、縦高次モードが発生しやすくなるため、活性層を過度に厚くすることは好ましくない。活性層が過度に厚くなることを避けるために、中間層を薄くすることが好ましい。中間層が薄くなると、下段のコラムナ量子ドット層の歪が、中間層を経由して上段のコラムナ量子ドット層に伝播しやすくなる。これに起因して、良好な結晶状態を保って結晶成長させることが難しくなる。
【０００７】
また、コラムナ量子ドット層を多段に積み重ねる場合に限らず、単層のコラムナ量子ドット層上に半導体層を形成する場合にも、半導体層の結晶品質を高める技術が望まれる。
【０００８】
本発明の一目的は、コラムナ量子ドットの上方に、高品質な半導体層を成長させるのに適した半導体素子、及び、そのような半導体素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板上方に形成されたコラムナ量子ドットとを有し、前記コラムナ量子ドットは、第１量子ドットと、前記第１量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し引張歪量を持つ第１スペーサ層とで形成された第１部と、第２量子ドットと、前記第２量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し前記第１スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第２スペーサ層とで形成された第２部とが、厚さ方向に交互に配置された構造を有する半導体素子が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
相対的に引張歪量の小さい第１スペーサ層と、相対的に引張歪量の大きい第２スペーサ層とが、厚さ方向に交互に配置されているコラムナ量子ドットにより、スペーサ層の引張歪量が均一なコラムナ量子ドットに比べて、所定発光波長に対応する平均歪量を低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、第１実施例の半導体光増幅器が含む、コラムナ量子ドットの多段積層部分を示す概略断面図である。
【図２】図２は、第１実施例のコラムナ量子ドット１つ分を拡大して示す概略断面図である。
【図３】図３は、第１実施例の半導体光増幅器の、増幅される光の入射方向から見た概略断面図である。
【図４】図４は、第１実施例の半導体光増幅器の、増幅される光が入射する面を真横から見た（厚さ方向の）概略断面図である。
【図５】図５は、第１実施例及び第２実施例のコラムナ量子ドットの平均歪量とＰＬ発光波長との関係を示すグラフである。
【図６】図６は、比較例及び第１実施例のコラムナ量子ドットの、量子ドットに関する概略的な伝導帯バンドラインナップである。
【図７】図７は、第２実施例のコラムナ量子ドット１つ分を拡大して示す概略断面図である。
【図８】図８は、第３実施例の半導体光増幅器が含む、コラムナ量子ドットの多段積層部分を示す概略断面図である。
【図９】図９は、第３実施例のコラムナ量子ドット１つ分を拡大して示す概略断面図である。
【図１０】図１０は、第３実施例の半導体光増幅器の、増幅される光の入射方向から見た概略断面図である。
【図１１】図１１は、第４実施例の半導体光増幅器が含む、コラムナ量子ドットの多段積層部分を示す概略断面図である。
【図１２】図１２は、第４実施例のコラムナ量子ドット１つ分を拡大して示す概略断面図である。
【図１３】図１３は、比較例のコラムナ量子ドットを示す概略断面図である。
【図１４】図１４は、比較例のコラムナ量子ドットの平均歪量とＰＬ発光波長との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施例による半導体素子について説明する前に、まず、比較例について説明する。比較例として、１段のコラムナ量子ドットを作製しフォトルミネッセンス（ＰＬ）発光波長を測定した実験と、コラムナ量子ドットの多段積層を試みた実験を行った。
【００１３】
図１３は、比較例のコラムナ量子ドットを示す概略断面図である。ＩｎＰ（００１）基板上方に、ＩｎＧａＡｓＰ層１０３が形成されている。ＩｎＧａＡｓＰ層１０３上に、量子ドット１０４とスペーサ層１０５とが交互に積層されて、コラムナ量子ドット１０６が形成されている。コラムナ量子ドット１０６の最上部は、量子ドット１０４が配置されており、量子ドット１０４が１２層形成され、スペーサ層１０５が１１層形成されている。
【００１４】
量子ドット１０４は、ＩｎＡｓで形成され、スペーサ層１０５は、バンドギャップに対応する波長（これを以下、組成波長と呼ぶ）が１．０μｍのＩｎＧａＡｓＰで形成されている。量子ドット１０４及びスペーサ層１０５の形成方法として、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）を用いることができる。
【００１５】
コラムナ量子ドットの平均歪量εａを、下記の式で定義する。
【００１６】
【数１】
【００１７】
ここで、εＱＤｉは、下からｉ番目の量子ドット１０４の歪量であり、εＳＢｉは、下からｉ番目のスペーサ層１０５の歪量である。歪量εａ、εＱＤｉ、及びεＳＢｉは、例えば％単位で表される。
【００１８】
ｄＱＤｉ及びｄＳＢｉは、それぞれ、下からｉ番目の量子ドット１０４及びスペーサ層１０５の厚さである。量子ドット１０４及びスペーサ層１０５の厚さは、成長中に供給した原料により均一な厚さの膜が形成されたと仮定した場合の膜の厚さを意味する。厚さｄＱＤｉ及びｄＳＢｉは、例えばモノレイヤー（ＭＬ）単位で表される。
【００１９】
量子ドット１０４の歪量εＱＤｉは、下記の式で算出される。
【００２０】
【数２】
【００２１】
スペーサ層１０５の歪量εＳＢｉは、下記の式で算出される。
【００２２】
【数３】
【００２３】
ここで、ａＩｎＡｓ、ａＩｎＧａＡｓＰ、及びａＩｎＰは、それぞれ、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、及びＩｎＰの格子定数である。ＩｎＧａＡｓＰの格子定数は、ＩｎＧａＡｓＰの各元素の組成比から格子定数を求め、求められた格子定数を用いて算出することができる。なお、「格子定数」とは、半導体材料に歪が発生していないと仮定したときの格子定数を意味する。
【００２４】
圧縮歪が正、引張歪が負になる。量子ドット１０４を形成するＩｎＡｓは、基板のＩｎＰに対して格子定数が大きく、圧縮歪を持つ。スペーサ層１０５を形成するＩｎＧａＡｓＰは、基板のＩｎＰに対して格子定数が小さく、引張歪を持つ。スペーサ層１０５が、量子ドット１０４に起因する圧縮歪を補償する。
【００２５】
以下、スペーサ層１０５の引張歪量は、マイナス記号を省略して示し、引張歪量の絶対値が大きいほど引張歪量が大きい（または高い）と表現し、引張歪量の絶対値が小さいほど引張歪量が小さい（または低い）と表現する。後述の実施例についても、コラムナ量子ドットの平均歪量は同様に定義される。コラムナ量子ドットの平均歪量を、単に「平均歪量」と呼ぶこともある。
【００２６】
比較例のコラムナ量子ドット１０６では、積層された全スペーサ層１０５で、引張歪量が均一に設定されている。コラムナ量子ドット１０６が１段形成された試料を、スペーサ層１０５の引張歪量を変化させて、つまり、平均歪量を変化させて複数作製し、これらの試料のＰＬ発光波長を測定した。
【００２７】
各試料のスペーサ層１０５の引張歪量は、０．４％、０．６％、０．８％、１．０％、１．２％、及び１．４％とした。なお、ＩｎＡｓ量子ドット１０４の圧縮歪量は３．２％である。スペーサ層１０５の引張歪量が大きくなるほど、量子ドット１０４に起因する圧縮歪が補償されて、平均歪量（補償されずに残る圧縮歪量）が小さくなる。
【００２８】
図１４は、比較例のコラムナ量子ドットの平均歪量とＰＬ発光波長との関係を示すグラフである。横軸が、％単位で表した平均歪量であり、縦軸が、μｍ単位で表したＰＬ発光波長である。平均歪量が小さくなるほど、つまり、スペーサ層の引張歪量が大きくなるほど、ＰＬ発光波長が短くなっている。例えば、Ｃバンド（１．５３μｍ〜１．５６５μｍ）に含まれる波長１．５５μｍ程度でＰＬ発光が得られる平均歪量は０．７７５％（スペーサ層引張歪量は０．６％）である。
【００２９】
次に、所望のＰＬ発光波長を１．５５μｍと想定し、平均歪量０．７７５％を採用して、コラムナ量子ドットの多段積層を試みた。厚さ４０ｎｍのＩｎＧａＡｓ中間層を介し、３段のコラムナ量子ドットの積層を試みたところ、コラムナ量子ドットに起因する圧縮歪が厚さ方向に伝播して、良好な結晶状態を保った成長が困難であった。
【００３０】
一方、平均歪量を０．６５４％まで下げた（スペーサ層引張歪量を０．８％まで増やした）条件でも、厚さ４０ｎｍのＩｎＧａＡｓ中間層を介し、３段のコラムナ量子ドットの積層を試みたところ、良好な結晶状態を保った成長が可能であった。
【００３１】
このように、コラムナ量子ドットを良好に多段積層するには、平均歪量を低下させることが望ましいとわかった。ただし、平均歪量を例えば０．６５４％まで下げたことに伴って、ＰＬ発光波長が１．５２９μｍとなり、所望の波長より短波長になってしまう。平均歪量を低下させても発光波長が短波長側にずれにくい、あるいは、所望の発光波長に対応する平均歪量を低減することができるコラムナ量子ドット構造が望まれる。
【００３２】
次に、第１実施例によるコラムナ量子ドット、及びそれを利用した半導体光増幅器について説明する。
【００３３】
図１は、第１実施例の半導体光増幅器が含む、コラムナ量子ドットの多段積層部分を示す概略断面図である。
【００３４】
図２は、第１実施例のコラムナ量子ドット１つ分を拡大して示す概略断面図である。
【００３５】
図１及び図２を参照しながら、製造工程に沿って説明を進める。結晶成長方法として、ＭＯＶＰＥを用いることができる。ＩＩＩ族元素原料として、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ｖ族元素原料として、アルシン（ＡｓＨ３）、フォスフィン（ＰＨ３）を用いることができる。ｎ型ドーパント原料としてモノシラン（ＳｉＨ４）、ｐ型ドーパント原料としてジエチルジンク（ＤＥＺｎ）、キャリアガスとして水素（Ｈ２）を用いることができる。成長圧力は、例えば５０Ｔｏｒｒである。
【００３６】
ｎ型ＩｎＰ（００１）基板１を、ＭＯＶＰＥ成長炉に装備して、ＰＨ３雰囲気下で成長温度（成長表面の温度）を６３０℃まで昇温する。
【００３７】
次に、ＴＭＩｎ及びＳｉＨ４も供給して、ドーピング濃度が５．０×１０１７ｃｍ−３のｎ型ＩｎＰバッファ層２を、厚さ５００ｎｍ形成する。
【００３８】
ＴＭＩｎ及びＳｉＨ４の供給を停止し、ＰＨ３雰囲気下で成長温度を４３０℃まで下げる。次に、ＩＩＩ族ガスをＴＭＩｎ及びＴＥＧａとし、Ｖ族ガスをＡｓＨ３及びＰＨ３として、バッファ層２上に、組成波長が１．１μｍで歪量が０％のノンドープＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３を、厚さ３０ｎｍ形成する。
【００３９】
次に、供給ガスをＴＭＩｎ及びＡｓＨ３とし、光閉じ込め層３上に、ＩｎＡｓ量子ドット４を形成する。ＩｎＡｓ量子ドット４の成長条件は、例えば、供給量２．５ＭＬ相当、成長速度０．０４５μｍ／ｈ、Ｖ／ＩＩＩ比３０である。
【００４０】
この条件により、横方向寸法が［１１０］方向に２０ｎｍ程度、［−１１０］方向に３０ｎｍ程度で、面内密度が７．５×１０１０ｃｍ−２程度の量子ドット４が形成される。量子ドット４はＳ−Ｋモードにより成長し、量子ドット４の外側には、濡れ層４ａが残る。
【００４１】
次に、供給ガスをＴＭＩｎ、ＴＥＧａ、ＡｓＨ３、及びＰＨ３とし、量子ドット４を覆って光閉じ込め層３上に、組成波長が１．０μｍで、引張歪量が相対的に低い０．４％となるような組成の、低引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｌを形成する。低引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｌの成長条件は、例えば、供給量２．５ＭＬ相当、成長速度０．１μｍ／ｈ、Ｖ／ＩＩＩ比１６００である。
【００４２】
なお、説明の便宜上、図１に示すように、スペーサ層を引張歪量の相対的な大小を区別せずに、「スペーサ層５」と表すこともある。図２には、スペーサ層を、引張歪量の相対的な大小を区別して示す。
【００４３】
このようにして、量子ドット４上に低引張歪スペーサ層５Ｌが積層された低引張歪量子ドット部ＱＤＬが形成される。低引張歪スペーサ層５Ｌが積層された量子ドット４を、量子ドット４Ｌと呼ぶこともある。
【００４４】
次に、再び供給ガスをＴＭＩｎ及びＡｓＨ３とし、低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、ＩｎＡｓ量子ドット４を形成する。ＩｎＡｓ量子ドット４の成長条件は、例えば、最初に形成した量子ドット４と同様である。ただし、下から２番目以降の量子ドット４については、供給量を例えば１．２ＭＬ相当に減らす。
【００４５】
次に、再び供給ガスをＴＭＩｎ、ＴＥＧａ、ＡｓＨ３、及びＰＨ３とし、量子ドット４を覆って低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、組成波長が１．０μｍで、引張歪量が相対的に高い２．４％となるような組成の、高引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｈを形成する。高引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｈの成長条件は、例えば、低引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５と同様である。
【００４６】
このようにして、低引張歪量子ドット部ＱＤＬ上に、量子ドット４上に高引張歪スペーサ層５Ｈが積層された高引張歪量子ドット部ＱＤＨが形成される。高引張歪スペーサ層５Ｈが積層された量子ドット４を、量子ドット４Ｈと呼ぶこともある。
【００４７】
低引張歪量子ドット部ＱＤＬの形成、及び、高引張歪量子ドット部ＱＤＨの形成を１組とした工程を、その後４回繰り返す。
【００４８】
次に、最上の高引張歪量子ドット部ＱＤＨ上に、低引張歪量子ドット部ＱＤＬを形成する。最後に、最上の低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、ＩｎＡｓ量子ドット４を形成する。このようにして、１２層の量子ドット４と、１１層のスペーサ層５とが交互に積層されたコラムナ量子ドット６が形成される。
【００４９】
第１実施例のコラムナ量子ドット６は、低引張歪スペーサ層５Ｌと高引張歪スペーサ層５Ｈとが１層ずつ交互に積層された構造、つまり、低引張歪量子ドット部ＱＤＬと高引張歪量子ドット部ＱＤＨとが１層ずつ交互に積層された構造を有する。
【００５０】
その後、供給ガスをＴＭＩｎ、ＴＥＧａ、ＡｓＨ３、及びＰＨ３とし、１段目のコラムナ量子ドット６を覆って、組成波長が１．１μｍで歪量が０％のＩｎＧａＡｓＰ中間層７を、厚さ３０ｎｍ形成する。
【００５１】
コラムナ量子ドット６形成、中間層７形成を１組とした工程を、その後２回繰り返す。このようにして、３段のコラムナ量子ドット層６Ａ、６Ｂ、６Ｃが中間層７を介して積層された、コラムナ量子ドットの多段積層構造が形成される。なお、最上に形成されたＩｎＧａＡｓＰ層は、中間層７でなく、光閉じ込め層３と呼ぶこととする。
【００５２】
下側の光閉じ込め層３、１段目のコラムナ量子ドット層６Ａ、下側の中間層７、２段目のコラムナ量子ドット層６Ｂ、上側の中間層７、３段目のコラムナ量子ドット６Ｃ、及び上側の光閉じ込め層３を含んで、活性層８が形成される。
【００５３】
その後、ＰＨ３雰囲気下で成長温度を６３０℃まで昇温し、ＴＭＩｎ、ＰＨ３、及びＤＥＺｎを供給して、上側の光閉じ込め層３上に、ドーピング濃度が５．０×１０１７ｃｍ−３のｐ型ＩｎＰクラッド層９を、厚さ２００ｎｍ形成する。
【００５４】
さらに、図３及び図４も参照して説明を進める。
【００５５】
図３は、第１実施例の半導体光増幅器の、増幅される光の入射方向から見た概略断面図である。
【００５６】
図４は、第１実施例の半導体光増幅器の、増幅される光が入射する面を真横から見た（厚さ方向の）概略断面図である。
【００５７】
図３に示すように、ｐ型クラッド層９上に、［１１０］方向に延在し長さが１００μｍ、幅が１．５μｍの誘電体マスクＭＳＫを形成し、誘電体マスクＭＳＫを用いてドライエッチングにより、誘電体マスクＭＳＫの外側部分を基板１の途中深さまで除去して、ストライプメサ構造を形成する。
【００５８】
次に、誘電体マスクＭＳＫを形成した状態で、メサの両脇にｐ型ＩｎＰ埋め込み層１０、ｎ型ＩｎＰブロック層１１、及びｐ型ＩｎＰ層１２を成長させて、電流狭窄構造を形成する。ｐ型ＩｎＰ埋め込み層１０〜ｐ型ＩｎＰ層１２の形成には、公知の半導体埋め込み成長技術を用いることができる。その後、誘電体マスクＭＳＫを除去する。
【００５９】
図４に示すように、さらに、ｐ型ＩｎＰクラッド層９上にｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１３を形成し、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１３上にｐ側電極１４ｐを形成し、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面上にｎ側電極１４ｎを形成し、光入射側及び光出射側の端面に反射防止膜１５を形成する。このようにして、第１実施例の半導体光増幅器が形成される。
【００６０】
図２に示されたような、低引張歪量子ドット部ＱＤＬと高引張歪量子ドット部ＱＤＨとが１層ずつ交互に積層されたコラムナ量子ドットが、１段形成された試料を作製して、ＰＬ発光波長を測定した。
【００６１】
低引張歪スペーサ層５Ｌの引張歪量を０．４％と一定にし、高引張歪スペーサ層５Ｈの引張歪量を１．４％、２．４％と変化させて、２種の試料を作製した。低引張歪量０．４％で高引張歪量１．４％の試料は、平均歪量０．６１％（圧縮歪）であり、低引張歪量０．４％で高引張歪量２．４％の試料は、平均歪量０．３３％（圧縮歪）である。
【００６２】
図５は、第１実施例のコラムナ量子ドットの平均歪量とＰＬ発光波長との関係を示すグラフである。横軸が、％単位で表した平均歪量であり、縦軸が、μｍ単位で表したＰＬ発光波長である。第１実施例の結果を、三角のプロットで示す。丸のプロットで示されているのは、図１４に示したのと同様な、比較例の結果である。
【００６３】
第１実施例の平均歪量０．６１％（低引張歪量０．４％／高引張歪量１．４％）の試料は、比較例とほぼ同様な、波長１．５２μｍ程度の発光を示した。第１実施例の平均歪量０．３３％（低引張歪量０．４％／高引張歪量２．４％）の試料は、平均歪量の等しい比較例の試料に比べて長波長の、波長１．５０μｍ程度の発光を示した。
【００６４】
このように、第１実施例のコラムナ量子ドットは、比較例に比べ、平均歪量を低下させたときの、発光波長の短波長化が抑制されていることがわかった。あるいは、所望の発光波長（例えば１．５０μｍ）を得るときの平均歪量を、比較例に比べて小さくできることがわかった。
【００６５】
次に、第１実施例のコラムナ量子ドットが、比較例に比べ、等しい平均歪量で長波長のＰＬ発光を示した理由について考察する。なお、この理由は明らかではなく、下記の考察は１つの考え方を示すものである。
【００６６】
比較例のスペーサ層の引張歪量の大きさをε０とし、第１実施例の低引張歪スペーサ層及び高引張歪スペーサ層の歪量の大きさをそれぞれε１及びε２とする。平均歪量が等しいとき、これらの引張歪量の大きさは、ε１＜ε０＜ε２を満たす。
【００６７】
比較例の量子ドットの伝導帯エネルギー準位をＥ０とし、第１実施例の、低引張歪スペーサ層５Ｌが積層された量子ドット４Ｌ、及び、高引張歪スペーサ層５Ｈが積層された量子ドット４Ｈの伝導帯エネルギー準位を、それぞれＥ１及びＥ２とする。
【００６８】
比較例よりわかるように、スペーサ層の引張歪量が大きくなるほど、ＰＬ発光波長が短波長化する傾向がある。これより、スペーサ層の引張歪量が大きくなるほど、スペーサ層に覆われる量子ドットのエネルギーギャップが大きくなり、量子ドットの伝導帯エネルギー準位が上昇するのではないかと推測される。従って、量子ドットの伝導帯エネルギー準位について、Ｅ１＜Ｅ０＜Ｅ２となると考えられる。
【００６９】
図６は、比較例及び第１実施例のコラムナ量子ドットの、量子ドットに関する概略的な伝導帯バンドラインナップである。平均歪量が等しい場合の伝導帯バンドラインナップを、並べて示す。左方が比較例、右方が第１実施例である。「ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ」は、光閉じ込め層（または中間層）を示す。
【００７０】
比較例のコラムナ量子ドットに形成される結合量子準位をＥｕとする。第１実施例のコラムナ量子ドットに形成される、量子ドット４Ｌの結合量子準位をＥｍ、量子ドット４Ｈの結合量子準位をＥｎとする。量子ドット４Ｌによる結合量子準位Ｅｍは、量子ドット４Ｌの低いエネルギー準位Ｅ１の影響を強く受けて、量子ドット４Ｈの高いエネルギー準位Ｅ２の影響を受けにくい状態になると考えられる。
【００７１】
その結果、結合量子準位Ｅｍは、結合量子準位ＥｕよりもΔＥだけ低いエネルギー準位となり、第１実施例のコラムナ量子ドットの方が、等しい平均歪量を持つ比較例のコラムナ量子ドットよりも長波長で発光すると考えられる。
【００７２】
なお、図５に示したように、第１実施例の試料でも、平均歪量０．６１％（低引張歪量０．４％／高引張歪量１．４％）のものは、比較例とほぼ同程度の波長で発光した。これは、高引張歪スペーサ層の歪量が小さいときは、量子ドット４Ｌと量子ドット４Ｈの伝導帯バンドオフセットが小さく、波動関数の結合によるエネルギー準位低下が少ないためであると思われる。
【００７３】
次に、第２実施例によるコラムナ量子ドット、及びそれを利用した半導体光増幅器について説明する。主に第１実施例との違いについて説明する。第２実施例は、第１実施例と、コラムナ量子ドット６における低引張歪スペーサ層５Ｌ、高引張歪スペーサ層５Ｈの積層順序が異なる。
【００７４】
コラムナ量子ドットの多段積層構造や、半導体光増幅器としての構造は、第１実施例と同様であり、コラムナ量子ドット６の構造を第２実施例のものと読み替えた上で、図１、図３及び図４を流用して、第２実施例でも参照する。また、参照符号付与の煩雑さを減らすため、第１実施例と対応が明確な部材等について、参照符号を流用する。量子ドット４、低引張歪スペーサ層５Ｌ、高引張歪スペーサ層５Ｈ等の形成方法は、第１実施例と同様である。
【００７５】
図７は、第２実施例のコラムナ量子ドット６の１つ分を拡大して示す概略断面図である。第１実施例と同様にして、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、下方からｎ型ＩｎＰバッファ層２、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３を形成し、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層３上にＩｎＡｓ量子ドット４を形成し、ＩｎＡｓ量子ドット４上に低引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｌを形成する。このようにして、まず、低引張歪量子ドット部ＱＤＬが形成される。
【００７６】
次に、低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、ＩｎＡｓ量子ドット４を形成する。なお、第１実施例と同様に、下から２番目以降の量子ドット４については、供給量を例えば１．２ＭＬ相当に減らす。
【００７７】
次に、量子ドット４を覆って低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、再び低引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｌを形成する。このようにして、低引張歪量子ドット部ＱＤＬ上に低引張歪量子ドット部ＱＤＬが重ねられる。
【００７８】
次に、下から２番目の低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、下から３番目のＩｎＡｓ量子ドット４を形成する。次に、下から３番目の量子ドット４を覆って低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、高引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｈを形成して、高引張歪量子ドット部ＱＤＨを形成する。第２実施例では、このようにして、低引張歪量子ドット部ＱＤＬが２層積層され、その上に高引張歪量子ドット部ＱＤＨが１層積層された構造が形成される。
【００７９】
低引張歪量子ドット部ＱＤＬの形成、低引張歪量子ドット部ＱＤＬの形成、及び、高引張歪量子ドット部ＱＤＨの形成を１組とした工程を、その後２回繰り返す。
【００８０】
最上の高引張歪量子ドット部ＱＤＨの上に、さらに２層の低引張歪量子ドット部ＱＤＬを積層する。最後に、最上の低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、量子ドット４を形成する。このようにして、１２層の量子ドット４と、１１層のスペーサ層５とが交互に積層されたコラムナ量子ドット６が形成される。
【００８１】
第２実施例のコラムナ量子ドット６は、２層の低引張歪スペーサ層５Ｌと、１層の高引張歪スペーサ層５Ｈとが交互に積層された構造、つまり、２層の低引張歪量子ドット部ＱＤＬと、１層の高引張歪量子ドット部ＱＤＨとが交互に積層された構造を有する。
【００８２】
その後、第１実施例と同様に、ＩｎＧａＡｓＰ中間層７を介し３段のコラムナ量子ドット層６Ａ〜６Ｃを積層して活性層８を形成し、ｐ型ＩｎＰクラッド層９を形成して、図１に示したような構造を得る。
【００８３】
さらに、第１実施例で図３、図４を参照しながら説明した工程と同様にして、ストライプメサ構造を形成し、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１３、ｐ側電極１４ｐ、ｎ側電極１４ｎ、及び反射防止膜１５を形成する。このようにして、第２実施例の半導体光増幅器が形成される。
【００８４】
図７に示されたような、２層の低引張歪量子ドット部ＱＤＬと、１層の高引張歪量子ドット部ＱＤＨとが交互に積層されたコラムナ量子ドットが、１段形成された試料を作製して、ＰＬ発光波長を測定した。
【００８５】
低引張歪スペーサ層５Ｌの引張歪量を０．４％と一定にし、高引張歪スペーサ層５Ｈの引張歪量を１．４％、２．４％、３．４％と変化させて、３種の試料を作製した。低引張歪量０．４％で高引張歪量１．４％の試料は、平均歪量０．７４％（圧縮歪）であり、低引張歪量０．４％で高引張歪量２．４％の試料は、平均歪量０．５６％（圧縮歪）であり、低引張歪量０．４％で高引張歪量３．４％の試料は、平均歪量０．３９％（圧縮歪）である。
【００８６】
再び図５を参照する。図５に、第２実施例のコラムナ量子ドットの平均歪量とＰＬ発光波長との関係も示す。第２実施例の結果を、四角のプロットで示す。
【００８７】
第２実施例の平均歪量０．７４％（低引張歪量０．４％／高引張歪量１．４％）の試料は、比較例とほぼ同様な、波長１．５４２μｍ程度の発光を示した。第２実施例の平均歪量０．５６％（低引張歪量０．４％／高引張歪量２．４％）の試料、及び、平均歪量０．３９％（低引張歪量０．４％／高引張歪量３．４％）の試料は、それぞれ、平均歪量の等しい比較例の試料に比べて長波長の、波長１．５３８μｍ程度及び波長１．５２６μｍ程度の発光を示した。
【００８８】
第２実施例のコラムナ量子ドットでも、第１実施例と同様に、比較例に比べ、平均歪量を低下させたときの発光波長の短波長化が抑制されている。平均歪量低下に伴う発光波長短波長化の傾きは、第２実施例の方が第１実施例よりも緩やかである傾向が見られる。
【００８９】
第２実施例では、第１実施例に比べ、等しい平均歪量でより長波長の発光が得られる。所望の長波長の発光波長を得るとき、平均歪量をより小さくできるといえる。
【００９０】
次に、第２実施例のコラムナ量子ドットが、第１実施例に比べ、等しい平均歪量でより長波長のＰＬ発光を示した理由について考察する。なお、この理由は明らかではなく、下記の考察は１つの考え方を示すものである。
【００９１】
第１実施例では、低引張歪量子ドット部ＱＤＬと高引張歪量子ドット部ＱＤＨとが１層ずつ交互に積層されている。低引張歪量子ドット部ＱＤＬの含む量子ドット４Ｌは、それを覆う低引張歪スペーサ層５Ｌから作用を受けるとともに、直下の高引張歪量子ドット部ＱＤＨの高引張歪スペーサ層５Ｈからも、やや作用を受ける。そのため、低引張歪スペーサ層５Ｌから受ける作用と、高引張歪スペーサ層５Ｈから受ける作用とが、やや平均化されると考えられる。なお、これは、量子ドット４Ｈについても同様である。これに起因して、量子ドット４Ｌと量子ドット４Ｈのエネルギー準位差が減少すると考えられる。
【００９２】
一方、第２実施例では、２層の低引張歪量子ドット部ＱＤＬと、１層の高引張歪量子ドット部ＱＤＨとが交互に積層されている。２層重なった低引張歪量子ドット部ＱＤＬの、上側の低引張歪量子ドット部ＱＤＬの含む量子ドット４Ｌ（これを、量子ドット４ＬＵと呼ぶこととする）は、それを覆うスペーサ層、及び、その直下のスペーサ層の両方とも、低引張歪スペーサ層５Ｌである。このため、量子ドット４ＬＵは、高引張歪スペーサ層５Ｈによる影響を受けにくく、エネルギー準位が低く保たれやすいと考えられる。従って、第２実施例では、第１実施例に比べて、量子ドット４Ｌと量子ドット４Ｈのエネルギー準位差が減少しにくく、低い結合量子準位が得られやすいのではないかと考えられる。
【００９３】
なお、第２実施例では、２層の低引張歪量子ドット部ＱＤＬと、１層の高引張歪量子ドット部ＱＤＨとの交互積層構造としたが、低引張歪量子ドット部ＱＤＬは３層以上積層することもでき、高引張歪量子ドット部ＱＤＨは２層以上積層することもできると考えられる。ただし、低引張歪量子ドット部ＱＤＬのある積層部分Ｌ１と、この直上に配置された低引張歪量子ドット部ＱＤＬの積層部分Ｌ２との間に配置される、高引張歪量子ドット部ＱＤＨの積層部分は、積層部分Ｌ１に含まれる量子ドット４Ｌと、積層部分Ｌ２に含まれる量子ドット４Ｌとが、互いに量子力学的に結合できる範囲の厚さとする。
【００９４】
以上、第１及び第２実施例で説明したように、低引張歪量子ドット部ＱＤＬと高引張歪量子ドット部ＱＤＨとが厚さ方向に交互に複数配置された構造を有するコラムナ量子ドットを形成することにより、スペーサ層の引張歪量が均一なコラムナ量子ドットに比べて、平均歪量の低下に伴う発光波長の短波長化を抑制でき、あるいは、等しい平均歪量で長波長の発光を得ることが容易になる。
【００９５】
所望の発光波長を得るとき、平均歪量を小さくできることにより、良好な結晶性を保ってコラムナ量子ドットを多段積層することが容易になる。なお、平均歪量を小さくできることにより、コラムナ量子ドットを多段積層する場合に限らず、コラムナ量子ドット上方に形成する半導体層の結晶品質を高めることができる。
【００９６】
また、第２実施例で説明したように、低引張歪量子ドット部ＱＤＬを複数層重ねることにより（ある高引張歪量子ドット部ＱＤＨと、その直上の高引張歪量子ドット部ＱＤＨとの間に、複数層重ねた低引張歪量子ドット部ＱＤＬを配置することにより）、所定の平均歪量での発光波長を、より長波長にしやすい。
【００９７】
なお、第１、第２実施例では、ｎ型ＩｎＰ（００１)基板を用いたが、その他、ｐ型ＩｎＰ（００１）基板、高抵抗（ＳＩ）ＩｎＰ（００１）基板等を適用することもできる。その場合は、導電型、電極配置、埋め込み構造等を、適宜変更することができる。
【００９８】
さらに、コラムナ量子ドットを形成する基板として、ＩｎＰ基板以外の他の半導体基板を用いることもできると考えられる。
【００９９】
次に、第３及び第４実施例として、ＧａＡｓ基板上へのコラムナ量子ドット形成について説明する。なお、参照符号付与の煩雑さを減らすため、第１、第２実施例と対応が明確な部材等について、参照符号を流用する。
【０１００】
第３実施例によるコラムナ量子ドット、及びそれを利用した半導体光増幅器について説明する。
【０１０１】
図８は、第３実施例の半導体光増幅器が含む、コラムナ量子ドットの多段積層部分を示す概略断面図である。
【０１０２】
図９は、第３実施例のコラムナ量子ドット１つ分を拡大して示す概略断面図である。
【０１０３】
図８及び図９を参照しながら、製造工程に沿って説明を進める。結晶成長方法として、第１、第２実施例と同様にＭＯＶＰＥを用いることができ、原料も、第１、第２実施例と同様ものを使用することができる。
【０１０４】
ｎ型ＧａＡｓ（００１）基板１を、ＭＯＶＰＥ成長炉に装備して、ＡｓＨ３雰囲気下で成長温度を６３０℃まで昇温する。
【０１０５】
次に、ＴＥＧａ及びＳｉＨ４も供給して、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２を、厚さ５００ｎｍ形成する。
【０１０６】
ＴＥＧａ及びＳｉＨ４の供給を停止し、ＡｓＨ３雰囲気下で成長温度を４３０℃まで下げる。次に、供給ガスをＴＥＧａ及びＡｓＨ３として、バッファ層２上に、ノンドープＧａＡｓ光閉じ込め層３を、厚さ４０ｎｍ形成する。
【０１０７】
次に、第１実施例と同様にして、光閉じ込め層３上にＩｎＡｓ量子ドット４（４Ｌ）を形成し、量子ドット４（４Ｌ）上に低引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｌを形成し、低引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｌ上にＩｎＡｓ量子ドット４（４Ｈ）を形成し、量子ドット４（４Ｈ）上に高引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｈを形成する。
【０１０８】
ＩｎＡｓ量子ドット４の形成条件は、例えば第１実施例と同様である。低引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｌは、例えば、組成波長が０．７５μｍで、引張歪量が０．４％となるような組成とし、高引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｈは、例えば、組成波長が０．７５μｍで、引張歪量が１．０％となるような組成とする。
【０１０９】
このようにして、低引張歪量子ドット部ＱＤＬ上に高引張歪量子ドット部ＱＤＨが積層された構造が形成される。
【０１１０】
低引張歪量子ドット部ＱＤＬの形成、及び、高引張歪量子ドット部ＱＤＨの形成を１組とした工程を、その後３回繰り返す。次に、最上の高引張歪量子ドット部ＱＤＨ上に、低引張歪量子ドット部ＱＤＬを形成する。最後に、最上の低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、ＩｎＡｓ量子ドット４を形成する。このようにして、１０層の量子ドット４と、９層のスペーサ層５とが交互に積層されたコラムナ量子ドット６が形成される。第３実施例のコラムナ量子ドット６は、波長１．０６μｍ程度での発光が期待される。
【０１１１】
第３実施例のコラムナ量子ドット６は、第１実施例と同様に、低引張歪量子ドット部ＱＤＬと高引張歪量子ドット部ＱＤＨとが１層ずつ交互に積層された構造を有する。
【０１１２】
その後、供給ガスをＴＥＧａ及びＡｓＨ３とし、１段目のコラムナ量子ドット６を覆って、ＧａＡｓ中間層７を、例えば厚さ４０ｎｍ形成する。
【０１１３】
コラムナ量子ドット６形成、中間層７形成を１組とした工程を、その後３回繰り返す。このようにして、４段のコラムナ量子ドット層６Ａ〜６Ｄが中間層７を介して積層された、コラムナ量子ドットの多段積層構造が形成される。なお、最上に形成されたＧａＡｓ層は、中間層７でなく、光閉じ込め層３と呼ぶこととする。
【０１１４】
下側の光閉じ込め層３、１段目のコラムナ量子ドット層６Ａ、下から１番目の中間層７、２段目のコラムナ量子ドット層６Ｂ、下から２番目の中間層７、３段目のコラムナ量子ドット層６Ｃ、下から３番目の中間層７、４段目のコラムナ量子ドット層６Ｄ、及び上側の光閉じ込め層３を含んで、活性層８が形成される。
【０１１５】
その後、ＡｓＨ３雰囲気下で成長温度を６３０℃まで昇温し、ＴＥＧａ、ＡｓＨ３、及びＤＥＺｎを供給して、上側の光閉じ込め層３上に、ｐ型ＧａＡｓクラッド層９を、例えば厚さ１．５μｍ形成する。
【０１１６】
図１０も参照して説明を進める。図１０は、第３実施例の半導体光増幅器の、増幅される光の入射方向から見た概略断面図である。ｐ型ＧａＡｓクラッド層９上に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１３を形成する。次に、ｐ側電極形成領域以外をｐ型クラッド層９の途中深さまでエッチングする。残ったｐ型コンタクト層１３上にｐ側電極１４ｐを形成し、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面上にｎ側電極１４ｎを形成し、リッジ構造とする。
【０１１７】
さらに、図４も流用して参照し、説明を進める。第３実施例の半導体光増幅器の、増幅される光が入射する面を真横から見た（厚さ方向の）概略断面図は、第１、第２実施例の半導体光増幅器と同様に、図４のようなものである。光入射側及び光出射側の端面に、反射防止膜１５を形成する。このようにして、第３実施例の半導体光増幅器が形成される。
【０１１８】
第４実施例によるコラムナ量子ドット、及びそれを利用した半導体光増幅器について説明する。第４実施例は、第３実施例と、コラムナ量子ドット６における低引張歪スペーサ層５Ｌ、高引張歪スペーサ層５Ｈの積層順序が異なる。半導体光増幅器としての構造は、第３実施例と同様であり、図１１及び図４を流用して、第４実施例でも参照する。量子ドット４、低引張歪スペーサ層５Ｌ、高引張歪スペーサ層５Ｈ等の形成方法は、第３実施例と同様である。
【０１１９】
図１１は、第４実施例の半導体光増幅器が含む、コラムナ量子ドットの多段積層部分を示す概略断面図である。
【０１２０】
図１２は、第４実施例のコラムナ量子ドット１つ分を拡大して示す概略断面図である。
【０１２１】
第３実施例と同様にして、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、下方からｎ型ＧａＡｓバッファ層２、ＧａＡｓ光閉じ込め層３を形成し、ＧａＡｓ光閉じ込め層３上にＩｎＡｓ量子ドット４を形成し、ＩｎＡｓ量子ドット４上に低引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｌを形成する。
【０１２２】
低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、ＩｎＡｓ量子ドット４（４Ｌ）を形成し、量子ドット４（４Ｌ）上に、再び低引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｌを形成する。
【０１２３】
下から２番目の低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、ＩｎＡｓ量子ドット４（４Ｈ）を形成し、量子ドット４（４Ｈ）上に、高引張歪ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層５Ｈを形成する。
【０１２４】
このようにして、低引張歪量子ドット部ＱＤＬが２層積層され、その上に高引張歪量子ドット部ＱＤＨが１層積層された構造が形成される。
【０１２５】
低引張歪量子ドット部ＱＤＬの形成、低引張歪量子ドット部ＱＤＬの形成、及び、高引張歪量子ドット部ＱＤＨの形成を１組とした工程を、その後１回行う。
【０１２６】
最上の高引張歪量子ドット部ＱＤＨの上に、さらに２層の低引張歪量子ドット部ＱＤＬを積層する。最後に、最上の低引張歪スペーサ層５Ｌ上に、量子ドット４を形成する。このようにして、９層の量子ドット４と、８層のスペーサ層５とが交互に積層されたコラムナ量子ドット６が形成される。第４実施例のコラムナ量子ドット６は、波長１．２μｍ〜１．３μｍ程度での発光が期待される。
【０１２７】
第４実施例のコラムナ量子ドット６は、第２実施例と同様に、２層の低引張歪量子ドット部ＱＤＬと、１層の高引張歪量子ドット部ＱＤＨとが交互に積層された構造を有する。
【０１２８】
その後、第３実施例と同様に、ＧａＡｓ中間層７を介し４段のコラムナ量子ドット層６Ａ〜６Ｄを積層して活性層８を形成し、ｐ型ＧａＡｓクラッド層９を形成して、図１１に示したような構造を得る。
【０１２９】
さらに、第３実施例で図１０、図４を参照しながら説明した工程と同様な工程を経て、第４実施例の半導体光増幅器が形成される。
【０１３０】
なお、第３、第４実施例では、ｎ型ＧａＡｓ基板を用いたが、その他、ｐ型ＧａＡｓ基板、高抵抗（ＳＩ）ＧａＡｓ基板等を適用することもできる。その場合は、導電型、電極配置等を適宜変更することができる。
【０１３１】
なお、構造パラメータ、材料、デバイス構造等は、第１〜第４実施例に記載されたものに限定されるものではない。
【０１３２】
例えば、ＩｎＡｓ量子ドットの供給量、ＩｎＧａＡｓＰスペーサ層の組成波長、厚さ、歪量は、第１〜第４実施例の値に限定されるものではない。低引張歪スペーサ層と高引張歪スペーサ層の組成波長を等しくすることは必須ではない。
【０１３３】
また例えば、量子ドットの材料として、ＩｎＡｓの他に、ＩｎＳｂ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＳｂ等の適用も可能であると考えられる。組成を明示して表すと、量子ドットの材料として、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＳｂ１−ｙ（０＜ｘ≦１，０≦ｙ≦１）を用いることができると考えられる。ただし、量子ドットの面内の対称性が良いという観点で、ＩｎＡｓが好ましい。
【０１３４】
また例えば、スペーサ層の材料として、ＩｎＧａＡｓＰの他に、ＡｌＧａＩｎＡｓの適用も可能であると考えられる。ただし、量子ドットの成長温度が低温の場合、スペーサ層の結晶性向上の観点からは、ＩｎＧａＡｓＰがより好ましい。
【０１３５】
また例えば、第１〜第４実施例の半導体素子として半導体光増幅器を示したが、同様な製造工程で、両端面を劈開もしくは高反射膜コートすることにより、半導体レーザの作製も可能である。
【０１３６】
なお、第１〜第４実施例では、コラムナ量子ドットの最上部を、量子ドットがスペーサ層に覆われない構造としたが、コラムナ量子ドットの最上部を、量子ドットがスペーサ層に覆われた構造とすることもできる。
【０１３７】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【０１３８】
以上説明した第１〜第４実施例を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
半導体基板と、
前記半導体基板上方に形成されたコラムナ量子ドットと
を有し、
前記コラムナ量子ドットは、
第１量子ドットと、前記第１量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し引張歪量を持つ第１スペーサ層とで形成された第１部と、
第２量子ドットと、前記第２量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し前記第１スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第２スペーサ層とで形成された第２部とが、
厚さ方向に交互に配置された構造を有する半導体素子。
（付記２）
前記コラムナ量子ドットは、ある前記第２部と、その直上の前記第２部との間に、複数の前記第１部が積層されている構造を有する付記１に記載の半導体素子。
（付記３）
前記コラムナ量子ドットは、複数積層された前記第１部と、１層の前記第２部とが、交互に積層された構造を有する付記１または２に記載の半導体素子。
（付記４）
前記半導体基板は、ＩｎＰで形成されている付記１〜３のいずれか１つに記載の半導体素子。
（付記５）
前記半導体基板は、ＧａＡｓで形成されている付記１〜３のいずれか１つに記載の半導体素子。
（付記６）
前記第１量子ドット及び前記第２量子ドットは、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＳｂ１−ｙ（０＜ｘ≦１，０≦ｙ≦１）で形成されている付記１〜５のいずれか１つに記載の半導体素子。
（付記７）
前記第１スペーサ層及び前記第２スペーサ層は、ＩｎＧａＡｓＰまたはＡｌＧａＩｎＡｓで形成されている付記１〜６のいずれか１つに記載の半導体素子。
（付記８）
半導体基板と、
前記半導体基板上方に、中間層を介して複数段重ねられたコラムナ量子ドットと
を有し、
前記複数段重ねられたコラムナ量子ドットの各々は、
第１量子ドットと、前記第１量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し引張歪量を持つ第１スペーサ層とで形成された第１部と、
第２量子ドットと、前記第２量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し前記第１スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第２スペーサ層とで形成された第２部とが、
厚さ方向に交互に配置された構造を有する半導体素子。
（付記９）
さらに、
前記半導体基板と前記複数段重ねられたコラムナ量子ドットとの間に配置された第１導電型の第１半導体層と、
前記複数段重ねられたコラムナ量子ドットの上方に配置され前記第１導電型と反対の第２導電型の第２半導体層と
を有し、
半導体光増幅器または半導体レーザである付記８に記載の半導体素子。
（付記１０）
半導体基板の上方に、第１量子ドットを形成し、前記第１量子ドット上に、前記半導体基板に対し引張歪量を持つ第１スペーサ層を積層して、前記第１量子ドット上に前記第１スペーサ層が積層された第１部を形成する工程と、
前記第１スペーサ層の上方に、第２量子ドットを形成し、前記第２量子ドット上に、前記半導体基板に対し前記第１スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第２スペーサ層を積層して、前記第２量子ドット上に前記第２スペーサ層が積層された第２部を形成する工程と
を有し、
前記第１部と前記第２部とが、厚さ方向に交互に配置された構造が形成されるように、前記第１部を形成する工程と、前記第２部を形成する工程とを繰り返す半導体素子の製造方法。
【符号の説明】
【０１３９】
１ 基板
２ バッファ層
３ 光閉じ込め層
４ 量子ドット
４Ｌ 低引張歪スペーサ層が積層された量子ドット
４Ｈ 高引張歪スペーサ層が積層された量子ドット
５ スペーサ層
５Ｌ 低引張歪スペーサ層
５Ｈ 高引張歪スペーサ層
ＱＤＬ 低引張歪量子ドット部
ＱＤＨ 高引張歪量子ドット部
６ コラムナ量子ドット
６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ コラムナ量子ドット層
７ 中間層
８ 活性層
９ クラッド層
１０ ｐ型ＩｎＰ埋め込み層
１１ ｎ型ＩｎＰブロック層
１２ ｐ型ＩｎＰ層
１３ コンタクト層
１４ｐ、１４ｎ 電極
１５ 反射防止膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上方に形成されたコラムナ量子ドットと
を有し、
前記コラムナ量子ドットは、
第１量子ドットと、前記第１量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し引張歪量を持つ第１スペーサ層とで形成された第１部と、
第２量子ドットと、前記第２量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し前記第１スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第２スペーサ層とで形成された第２部とが、
厚さ方向に交互に配置された構造を有する半導体素子。
【請求項２】
前記コラムナ量子ドットは、ある前記第２部と、その直上の前記第２部との間に、複数の前記第１部が積層されている構造を有する請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
半導体基板と、
前記半導体基板上方に、中間層を介して複数段重ねられたコラムナ量子ドットと
を有し、
前記複数段重ねられたコラムナ量子ドットの各々は、
第１量子ドットと、前記第１量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し引張歪量を持つ第１スペーサ層とで形成された第１部と、
第２量子ドットと、前記第２量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し前記第１スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第２スペーサ層とで形成された第２部とが、
厚さ方向に交互に配置された構造を有する半導体素子。
【請求項４】
さらに、
前記半導体基板と前記複数段重ねられたコラムナ量子ドットとの間に配置された第１導電型の第１半導体層と、
前記複数段重ねられたコラムナ量子ドットの上方に配置され前記第１導電型と反対の第２導電型の第２半導体層と
を有し、
半導体光増幅器または半導体レーザである請求項３に記載の半導体素子。
【請求項５】
半導体基板の上方に、第１量子ドットを形成し、前記第１量子ドット上に、前記半導体基板に対し引張歪量を持つ第１スペーサ層を積層して、前記第１量子ドット上に前記第１スペーサ層が積層された第１部を形成する工程と、
前記第１スペーサ層の上方に、第２量子ドットを形成し、前記第２量子ドット上に、前記半導体基板に対し前記第１スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第２スペーサ層を積層して、前記第２量子ドット上に前記第２スペーサ層が積層された第２部を形成する工程と
を有し、
前記第１部と前記第２部とが、厚さ方向に交互に配置された構造が形成されるように、前記第１部を形成する工程と、前記第２部を形成する工程とを繰り返す半導体素子の製造方法。
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上方に形成されたコラムナ量子ドットと
を有し、
前記コラムナ量子ドットは、
第１量子ドットと、前記第１量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し引張歪量を持つ第１スペーサ層とで形成された第１部と、
第２量子ドットと、前記第２量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し前記第１スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第２スペーサ層とで形成された第２部とが、
厚さ方向に交互に配置された構造を有する半導体素子。
【請求項２】
前記コラムナ量子ドットは、ある前記第２部と、その直上の前記第２部との間に、複数の前記第１部が積層されている構造を有する請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
半導体基板と、
前記半導体基板上方に、中間層を介して複数段重ねられたコラムナ量子ドットと
を有し、
前記複数段重ねられたコラムナ量子ドットの各々は、
第１量子ドットと、前記第１量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し引張歪量を持つ第１スペーサ層とで形成された第１部と、
第２量子ドットと、前記第２量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し前記第１スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第２スペーサ層とで形成された第２部とが、
厚さ方向に交互に配置された構造を有する半導体素子。
【請求項４】
さらに、
前記半導体基板と前記複数段重ねられたコラムナ量子ドットとの間に配置された第１導電型の第１半導体層と、
前記複数段重ねられたコラムナ量子ドットの上方に配置され前記第１導電型と反対の第２導電型の第２半導体層と
を有し、
半導体光増幅器または半導体レーザである請求項３に記載の半導体素子。
【請求項５】
半導体基板の上方に、第１量子ドットを形成し、前記第１量子ドット上に、前記半導体基板に対し引張歪量を持つ第１スペーサ層を積層して、前記第１量子ドット上に前記第１スペーサ層が積層された第１部を形成する工程と、
前記第１スペーサ層の上方に、第２量子ドットを形成し、前記第２量子ドット上に、前記半導体基板に対し前記第１スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第２スペーサ層を積層して、前記第２量子ドット上に前記第２スペーサ層が積層された第２部を形成する工程と
を有し、
前記第１部と前記第２部とが、厚さ方向に交互に配置された構造が形成されるように、前記第１部を形成する工程と、前記第２部を形成する工程とを繰り返す半導体素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図５】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図５】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−１３４３８４（Ｐ２０１２−１３４３８４Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８６３４３（Ｐ２０１０−２８６３４３）
【出願日】平成２２年１２月２２日（２０１０．１２．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「次世代高効率ネットワークデバイス技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２２日（２０１０．１２．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「次世代高効率ネットワークデバイス技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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