半導体素子
【課題】 量子ドットの高さ方向のサイズを調整し、波長スペクトルが長波長側に偏移するとともに、発光強度の低下が抑制された半導体素子を提供する。
【解決手段】 量子ドットが形成されたＩｎＡｓ活性層１５とＧａＡｓキャップ層１７との間に、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６を形成する。歪緩和層１６の組成パラメータｘは、活性層１５との界面からの距離に対して連続的に減少するように設定されている。活性層１５に生じる歪力は、歪緩和層１６との格子定数の差によって決定されるが、活性層１５と歪緩和層１６との界面のみならず、歪緩和層１６自体の格子定数のミスマッチ度によって量子ドットに生じる歪力を調整できるため、量子ドットの高さを従来のものに比べて高くでき、出力波長を長波長側に偏移させることができる。また、量子ドットの均一性が悪化することはなく、発光強度の減少を抑制することができる。
【解決手段】 量子ドットが形成されたＩｎＡｓ活性層１５とＧａＡｓキャップ層１７との間に、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６を形成する。歪緩和層１６の組成パラメータｘは、活性層１５との界面からの距離に対して連続的に減少するように設定されている。活性層１５に生じる歪力は、歪緩和層１６との格子定数の差によって決定されるが、活性層１５と歪緩和層１６との界面のみならず、歪緩和層１６自体の格子定数のミスマッチ度によって量子ドットに生じる歪力を調整できるため、量子ドットの高さを従来のものに比べて高くでき、出力波長を長波長側に偏移させることができる。また、量子ドットの均一性が悪化することはなく、発光強度の減少を抑制することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の表面に形成された量子ドット層に生じる歪力を緩和することにより、量子ドットの圧縮効果が低減して量子ドットの高さ方向のサイズを大きくすることができる半導体素子に関し、その結果として、波長スペクトルが長波長側に偏移するとともに、発光強度の低下が抑制された半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細加工技術に代表される半導体製造技術の進展によって、集積度の向上に加えて、量子サイズ効果を利用した量子ドットレーザ（Quantum Dot Laser）、単一電子トランジスタ（Single Electron Transistor）等のデバイスが提案されている。
【０００３】
例えば、III−V族化合物半導体のガリウム砒素（以下、ＧａＡｓ）基板に、インジウム砒素（以下、ＩｎＡｓ）の量子ドットを形成して活性層とし、活性層をＧａＡｓからなるキャップ層で被覆した構成の半導体素子（量子ドットレーザ）が提案されている。量子ドットは、電子のド・ブロイ波長と同程度の寸法（大きさ）を有するため、その中に電子を０次元的に閉じ込め、電子のエネルギー準位を離散化、すなわち、状態密度をデルタ関数とすることが可能であり、量子ドットが形成された量子ドットレーザは、従来の枠を超越した性能を有する。
【０００４】
量子ドットは、歪層の結晶成長のみで形成するという自己形成的な手法が主として用いられる。例えば、格子定数の大きい層を格子の小さい基板上に積層することにより、成長初期に２次元的な薄膜が成長し、所定の臨界膜厚に達すると、表面に３次元的な島状構造が形成される（Ｓ−Ｋ（Stransky-Krastanov）モード成長法）。Ｓ−Ｋモード成長法の利点は、面内サイズを規定させるための製造プロセスが基本的に不要であり、格子不整合系の結晶成長だけで形成できるため、加工により生じるダメージに起因する特性劣化が存在しないことである。
【０００５】
ところで、Ｓ−Ｋモード成長法によって量子ドットを形成する場合、量子ドットが受ける歪は、量子ドットの材料の格子定数と、それに隣接する層の格子定数との差によって決定される。上述の量子ドットレーザでは、ＧａＡｓ，ＩｎＡｓ（量子ドット），ＧａＡｓの順に層が積層されているが、ＧａＡｓとＩｎＡｓとの組合せでは、格子定数の差が大きく、量子ドットが受ける歪が大きすぎるために、上述の量子ドットレーザのフォトルミネッセンス（ＰＬ）の波長スペクトルの中心値は１．０３μｍとなり、光無線通信分野において望まれる１．３〜１．５５μｍの波長帯での発光が得られなかった。
【０００６】
そこで、本発明者らは、出力光の長波長化を実現すべく、ＩｎＡｓの活性層とＧａＡｓのキャップ層との間に、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓの歪緩和層を設けた半導体素子を提案している（例えば、非特許文献１参照。）。非特許文献１には、組成パラメータ（組成比）ｘが０．２１（２１％）である厚さ６ｎｍのＩｎx Ｇａ1-x Ａｓを設けた場合、設けなかったときに比べて、ＰＬの波長スペクトルの中心値が略１０％長波長側に偏移（１．０３μｍ→１．１２５μｍ）することが開示されている。
【０００７】
さらに、活性層とキャップ層との間に、２層からなる歪緩和層を設けることにより、量子ドットに生じる歪力をさらに抑制し、出力光がさらに長波長側に偏移することが開示されている。例えば、組成パラメータｘ１が０．３３である厚さ１０モノレイヤ（原子層）のＩｎx1Ｇａ1-x1Ａｓと、組成パラメータｘ２が０．２１である厚さ３ｎｍのＩｎx2Ｇａ1-x2Ａｓとからなる歪緩和層を順次積層すれば、波長スペクトルの中心値が１．２０７μｍとなる。
【非特許文献１】シャンムカム サラバナン（S.Saravanan），他４名著 「長波長化のためのInGaAs歪緩和層を有するGaAs基板上のInAs量子ドット（InAs quantum dots on GaAs substrates with InGaAs strain reducing layer for long wavelength emission)」 固体物理学論文誌(physica status solidi(c)) 2003年発行，0巻，4号，P1193-1196
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、波長スペクトルの中心値は１．２０７μｍであり、１．３〜１．５５μｍの波長帯の光を発光するには、さらに長波長化する必要があった。
また、活性層とキャップ層との間に歪緩和層を設けた場合、歪緩和層の組成パラメータｘが低いとき（ｘ＜０．１２）は、歪緩和層に含まれるＩｎが量子ドットに生じる歪力の緩和に支配的であるが、組成パラメータｘが高いとき（ｘ≧０．１２）は、キャリアの非放射再結合が増加すると推定されており、その再結合によって発光強度が低下するという問題があった。例えば、組成パラメータｘが０．４５の場合、発光強度は略１／１３に低下することが確認されている。
【０００９】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、量子ドット層を構成する第１物質と被覆層を構成する第２物質とが含有され、第１物質の第２物質に対する組成比が量子ドット層の界面からの距離に応じて異なった歪緩和層を、量子ドット層と被覆層との間に備える構成とすることにより、量子ドット層と歪緩和層との界面のみならず、歪緩和層自体の格子定数のミスマッチ度によって量子ドットに生じる歪力を調整して、量子ドットの高さ方向のサイズを調整することができる半導体素子の提供を目的とする。
【００１０】
また本発明は、歪緩和層を構成する第１物質の第２物質に対する組成比を量子ドット層の界面からの距離に応じて減少する構成とすることにより、量子ドット層と歪緩和層との界面における量子ドット層と歪緩和層との格子定数のミスマッチ度を小さくすることができ、量子ドットの圧縮効果が低減して量子ドットの高さ方向のサイズを高くすることができる半導体素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１発明に係る半導体素子は、半導体の表面に、量子ドット層と、該量子ドット層に生じる歪力を緩和する歪緩和層と、該歪緩和層を被覆する被覆層とが積層された半導体素子において、前記歪緩和層は、前記量子ドット層を構成する第１物質と前記被覆層を構成する第２物質とを含んでおり、前記第１物質の前記第２物質に対する組成比が、前記量子ドット層との界面からの距離に応じて異なっていることを特徴とする。
【００１２】
第２発明に係る半導体素子は、第１発明において、前記組成比は、前記量子ドット層との界面からの距離に応じて連続的に減少されていることを特徴とする。
【００１３】
第３発明に係る半導体素子は、第１発明において、前記組成比は、前記量子ドット層との界面からの距離に応じて段階的に減少されていることを特徴とする。
【００１４】
第４発明に係る半導体素子は、第１発明乃至第３発明のいずれかにおいて、前記半導体及び前記被覆層はＧａＡｓであり、前記量子ドット層及び前記歪緩和層は、それぞれＩｎＡｓ及びＩｎx Ｇａ1-x Ａｓであり、前記第１物質及び前記第２物質は、それぞれＩｎ及びＧａであることを特徴とする。
【００１５】
第１発明にあっては、歪緩和層を構成する第１物質の第２物質に対する組成比を量子ドット層の界面からの距離に応じて調整することにより、歪緩和層の層内における格子定数のミスマッチ度を調整することができる。よって、量子ドット層と歪緩和層との界面のみならず、歪緩和層自体のミスマッチ度によって量子ドットに生じる歪力を調整できるため、量子ドットの高さ方向のサイズの調整範囲を従来より広げることができる。
【００１６】
第２発明及び第３発明にあっては、歪緩和層を構成する第１物質の第２物質に対する組成比を量子ドット層の界面からの距離に応じて減少することにより、換言すれば、量子ドット層の界面における第１物質の組成を大きくするとともに第２物質の組成を小さくすることにより、量子ドット層と歪緩和層との界面における量子ドット層と歪緩和層との格子定数のミスマッチ度を小さくすることができ、量子ドットの圧縮効果が低減して量子ドットの高さ方向のサイズを従来より高くすることができる。従って、例えば、ＰＬ特性の波長スペクトルを長波長側に偏移させることができる。
【００１７】
第４発明にあっては、ＧａＡｓ上に、ＩｎＡｓの量子ドットが形成され、量子ドットに生じる歪力を緩和するＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ：組成比）と、ＧａＡｓとが積層される。量子ドットとの界面からの距離に応じてＩｎx Ｇａ1-x Ａｓの組成比ｘを調整することにより、量子ドットとの界面におけるＩｎＡｓとＩｎx Ｇａ1-x Ａｓとの格子定数のミスマッチ度を小さくすることができ、量子ドットの圧縮効果が低減して量子ドットの高さ方向のサイズを調整することができる。例えば、量子ドットとの界面における組成比ｘを大きくすることにより、格子定数のミスマッチ度を小さくできる。従って、量子ドットの圧縮効果が低減して量子ドットの高さ方向のサイズを高くすることができる。一方、量子ドットとの界面における組成比ｘを小さくすることにより、ＩｎＡｓとＩｎx Ｇａ1-x Ａｓとの組成を意図的に異ならせ、格子定数のミスマッチ度を大きくできる。従って、量子ドットの圧縮効果が増大して量子ドットの高さ方向のサイズを低くすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、量子ドット層を構成する第１物質と被覆層を構成する第２物質とが含有され、第１物質の第２物質に対する組成比が量子ドット層の界面からの距離に応じて異なった歪緩和層を、量子ドット層と被覆層との間に備えたので、量子ドット層と歪緩和層との界面のみならず、歪緩和層自体の格子定数のミスマッチ度によって量子ドットに生じる歪力を調整して、量子ドットの高さ方向のサイズを調整することができる。
【００１９】
また本発明によれば、歪緩和層を構成する第１物質の第２物質に対する組成比を量子ドット層の界面からの距離に応じて連続的に減少するようにしたので、量子ドット層と歪緩和層との界面における量子ドット層と歪緩和層との格子定数のミスマッチ度を小さくすることができ、量子ドットの圧縮効果が低減して量子ドットの高さ方向のサイズを高くすることができる。
【００２０】
したがって、歪緩和層の組成比を調整することによって、発光強度の低下を抑制しつつ、波長スペクトルが長波長側に偏移した半導体素子を実現することができる。例えば、近年の光無線通信分野において要望されている１．３〜１．５５μｍの波長帯の光を発光する量子ドットレーザを実現することができる等、優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
【００２２】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る半導体素子の一例である量子ドットレーザの構造を示す模式的断面図である。
【００２３】
本発明の実施形態１に係る量子ドットレーザ１は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０に各種の半導体層を順次積層した構造を有する。ｎ型ＧａＡｓ基板１０は、ＧａＡｓ基板に所定濃度のＳｉをドープすることによりｎ型となる（以下、同様）。
【００２４】
ｎ型ＧａＡｓ基板１０には、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１１、ｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓクラッド層１２が、それぞれ３００ｎｍの厚さで積層されている。ｎ型ＧａＡｓバッファ層１１は下地に生じた歪を解消するために設ける。ｎ型ＧａＡｓバッファ層１１及びｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓクラッド層１２は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０の基板温度を５４０℃として、ＧａＡｓエピタキシャル膜、Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓエピタキシャル膜をそれぞれ成長させて形成する。各エピタキシャル膜は、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、有機金属気相成長法、液相成長法などによりエピタキシャル成長させて形成できる。なお、このときのｎ型ＧａＡｓ基板１０の基板温度は、エピタキシャル膜の成長速度の１要素である。
【００２５】
ｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓクラッド層１２の上面には、厚さ２ｎｍのＧａＡｓと厚さ２ｎｍのＡｌＡｓとが１層毎に積層され、それぞれ１０層が積層された構造を有する超格子層１３が形成されている。
【００２６】
超格子層１３の上面には、厚さ３００ｎｍのＧａＡｓからなるｎ型バッファ層１４を介して、ＩｎＡｓの量子ドットからなるＩｎＡｓ活性層１５（すなわち、量子ドット層）が積層されている。量子ドットは、それ自体公知のＳ−Ｋモード成長法を利用して、Ｉｎ及びＡｓをＭＢＥ法で供給することによって形成する。本例では、ｎ型ＧａＡｓ基板１０の基板温度を５００℃にして、ＩｎＡｓ換算で３モノレイヤ相当のＩｎ及びＡｓを供給して、面密度が８．３×１０10ｃｍ-2、高さが６ｎｍ、直径が２７ｎｍのドーム状の量子ドットを形成した。
【００２７】
ＩｎＡｓ活性層１５の上面には、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６が積層されている。詳細は後述するが、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６の組成パラメータｘは、ＩｎＡｓ活性層１５との界面からの距離に対して連続的に減少するように設定されている。Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６の上面には、厚さ１００ｎｍのＧａＡｓキャップ層１７が積層されている。ＧａＡｓキャップ層１７を形成する際のｎ型ＧａＡｓ基板１０の基板温度は、本例では５００℃とした。
【００２８】
ＧａＡｓキャップ層１７の上面には、ｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓクラッド層１８、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１９が、それぞれ３００ｎｍの厚さで積層されている。
【００２９】
ｎ型ＧａＡｓ基板１０の裏面を所定厚さ除去した後に、その裏面に電極材料を蒸着によって形成するとともに、所定パターンにエッチングしてｎ側電極を形成し、同様に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１９上に電極材料を蒸着によって形成するとともに、所定パターンにエッチングしてｐ側電極を形成する。
【００３０】
図２はＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６の組成パラメータを示すグラフである。同図横軸はＩｎＡｓ活性層１５とＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６との界面からの距離Ｌを、縦軸はＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６を構成するＩｎx Ｇａ1-x Ａｓの組成パラメータｘを夫々示す。
【００３１】
（１）実施例１（線分Ａ）
実施例１において、組成パラメータｘは、ＩｎＡｓ活性層１５とＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６との界面（Ｌ＝０）では”０．４５”、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６とＧａＡｓキャップ層１７との界面（Ｌ＝Ｔmax（Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６の膜厚））では”０”、すなわちＩｎは含まれない。つまり、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６は、ＩｎＡｓ活性層１５との界面における組成がＩｎ0.45Ｇａ0.55Ａｓとなり、ＧａＡｓキャップ層１７との界面における組成がＧａＡｓとなっている。
【００３２】
（２）実施例２（線分Ｂ）
実施例２において、ＩｎＡｓ活性層１５とＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６との界面（Ｌ＝０）、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６とＧａＡｓキャップ層１７との界面（Ｌ＝Ｔmax）における組成パラメータｘは、共に実施例１と同様であり、さらに、Ｌ＝０及びＬ＝Ｔmaxにおける線分Ｂの１次微分係数が”０”となるようにした。
【００３３】
図３はＩｎＡｓ活性層１５に生じる歪力を説明するための説明図である。同図破線は、もっとも広く行われている、緩和層をＧａＡｓとした場合における量子ドットの形状を示す。
【００３４】
ＩｎＡｓ活性層１５を構成するＩｎＡｓ量子ドット１５ａに生じる歪力は、その上面に設けた物質、すなわちＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６との格子定数の差によって決定されるが、本発明においては、ＩｎＡｓ量子ドット１５ａとＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６との格子定数の差は、もっとも広く行われている、緩和層をＧａＡｓとした場合よりも小さく、また組成パラメータｘを変化させることによって調整することができる。これにより、ＩｎＡｓ量子ドット１５ａにおける歪を制御して、ＩｎＡｓ量子ドット１５ａの高さを調整することができる。
【００３５】
従って、ＩｎＡｓ量子ドット１５ａの高さを従来のものに比べて高くすることができるため、出力波長を長波長側に偏移させることができる。なお、長波長化は、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６自体によるものではなく、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６を設けることによってＩｎＡｓ量子ドット１５ａにおける歪が緩和されたことによると推定される。また、ＩｎＡｓ量子ドット１５ａのサイズの均一性が悪化しないように、組成パラメータｘを調整して、ＩｎＡｓ量子ドット１５ａにおける歪を制御することができる。従って、本発明によれば、ＰＬ半値幅が大きくなることはなく、発光強度の減少を抑制することができる。例えば、実施例のように、ＩｎＡｓ活性層１５とＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６との界面３０（Ｌ＝０）での組成パラメータｘが”０．４５”である場合であっても、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６（Ｌ＝０〜Ｔmax）での組成パラメータｘを調整することによって、ＩｎＡｓ量子ドット１５ａへの影響を間接的に制御して、発光強度の減少を抑制することができる。
【００３６】
なお、本実施形態では２つの実施例を示したが、組成パラメータｘの値について限定されるものではなく、組成パラメータｘを適宜変更することにより、量子ドットに生じる歪力を調整して、所望波長帯の光を出力するように構成することができる。
【００３７】
（実施形態２）
実施形態１では、組成パラメータｘが連続的に変化するＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層を設けるようにしたが、組成パラメータｘが段階的（ステップ的）に変化するＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層を設けるようにしてもよく、このようにしたものが実施形態２である。
【００３８】
図４は本発明の実施形態２に係る半導体素子の一例である量子ドットレーザの構造を示す模式的断面図である。
【００３９】
本発明の実施形態２に係る量子ドットレーザ２は、ＩｎＡｓ活性層１５とＧａＡｓキャップ層１７との間に、本実施形態の特徴であるＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層２６が形成されている。Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層２６は、図５に示すように、厚さ５モノレイヤの第１歪緩和層２６ａ、厚さ５モノレイヤの第２歪緩和層２６ｂ、厚さ５モノレイヤの第３歪緩和層２６ｃ、厚さ５モノレイヤの第４歪緩和層２６ｄが順次積層された構造を有する。その他の構成は図１と同様であるので、対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００４０】
図６はＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層２６の組成パラメータを示すグラフである。同図横軸はＩｎＡｓ活性層１５とＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層２６ａとの界面からの距離Ｌを、縦軸はＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層２６を構成するＩｎx Ｇａ1-x Ａｓの組成パラメータｘを夫々示す。
【００４１】
組成パラメータｘは、ＩｎＡｓ活性層１５と第１歪緩和層２６ａとの界面（Ｌ＝０モノレイヤ）から第１歪緩和層２６ａと第２歪緩和層２６ｂとの界面（Ｌ＝５モノレイヤ）までは”０．４５”である。Ｌ＝５モノレイヤから第２歪緩和層２６ｂと第３歪緩和層２６ｃとの界面（Ｌ＝１０モノレイヤ）までは”０．３５〜０．４”である。Ｌ＝１０モノレイヤから第３歪緩和層２６ｃと第４歪緩和層２６ｄとの界面（Ｌ＝１５モノレイヤ）までは”０．２５〜０．３”である。Ｌ＝１５モノレイヤから第４歪緩和層２６ｄとＧａＡｓキャップ層１７との界面（Ｌ＝２０モノレイヤ）までは”０．１５〜０．２”である。
【００４２】
このような構成の量子ドットレーザのＰＬ特性について測定を行った。測定の結果、量子ドットレーザ２の出力波長の中心値は、１．５５μｍであった。つまり、１．３〜１．５５μｍの波長帯を発光する量子ドットレーザを実現することができる。これは、量子ドットレーザ２においては、ＩｎＡｓ活性層１５との界面に設けた第１歪緩和層２６ａの組成パラメータｘが大きく（ｘ＝０．４５）、その格子定数がＩｎＡｓ活性層１５の格子定数に近いため、量子ドットに生じる歪力が小さくなり、量子ドットの圧縮効果が低減して、波長が長波長側に偏移したものと考えられる。
【００４３】
また、量子ドットレーザ２の発光強度は、従来のものと比較して、出力波長が長波長側に偏移しているにもかかわらず、その強度の低下は観測できなかった。
【００４４】
なお、各歪緩和層の厚みは一例であり、第１歪緩和層が３〜７モノレイヤ、第２歪緩和層が３〜６モノレイヤ、第３歪緩和層が３〜５モノレイヤ、第４歪緩和層が３〜５モノレイヤの厚みの範囲内であれば、出力波長が略１．５５μｍとなる。もちろん、歪緩和層の層数についても限定されるものではなく、ＩｎＡｓ活性層１５からＧａＡｓキャップ層１７にかけて、組成パラメータｘが小さくなるように設定した歪緩和層を設けるようにしてもよい。各歪緩和層の組成パラメータｘを適宜調整することにより、量子ドットに生じる歪力を調整して、所望波長帯の光を出力するように構成することができる。
【００４５】
なお、各実施形態では、ＧａＡｓに、ＩｎＡｓの量子ドット、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓの歪緩和層、ＧａＡｓのキャップ層を積層する場合（ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓと標記する）について説明したが、格子定数が異なり、Ｓ−Ｋモード成長が生じる組み合わせ、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ，ＩｎＰ／ＧａＡｓ，ＧａＳｂ／ＧａＡｓ，ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ，ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ，ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓ，ＧａＡｓ／ＧａＰ，ＧａＡｓＰ／ＧａＰ，ＺｎＴｅＳｅ／ＺｎＳｅ，ＺｎＳｅ／ＺｎＳ，ＧａＮ／ＡｌＮ，ＩｎＡｌＮ／ＡｌＮ，ＩｎＡｌＮ／ＧａＮ，ＳｉＧｅ／Ｓｉに対しても有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態１に係る半導体素子の一例である量子ドットレーザの構造を示す模式的断面図である。
【図２】Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６の組成パラメータを示すグラフである。
【図３】ＩｎＡｓ活性層に生じる歪力を説明するための説明図である。
【図４】本発明の実施形態２に係る半導体素子の一例である量子ドットレーザの構造を示す模式的断面図である。
【図５】Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層２６の構造を示す模式的断面図である。
【図６】Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層２６の組成パラメータを示すグラフである。
【符号の説明】
【００４７】
１，２ 量子ドットレーザ
１０ ｎ型ＧａＡｓ基板
１１ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１２ ｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓクラッド層
１３ 超格子層
１４ ｎ型バッファ層
１５ ＩｎＡｓ活性層
１６，２６ Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層
１７ ＧａＡｓキャップ層
１８ ｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓクラッド層
１９ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
２６ａ 第１歪緩和層
２６ｂ 第２歪緩和層
２６ｃ 第３歪緩和層
２６ｄ 第４歪緩和層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の表面に形成された量子ドット層に生じる歪力を緩和することにより、量子ドットの圧縮効果が低減して量子ドットの高さ方向のサイズを大きくすることができる半導体素子に関し、その結果として、波長スペクトルが長波長側に偏移するとともに、発光強度の低下が抑制された半導体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細加工技術に代表される半導体製造技術の進展によって、集積度の向上に加えて、量子サイズ効果を利用した量子ドットレーザ（Quantum Dot Laser）、単一電子トランジスタ（Single Electron Transistor）等のデバイスが提案されている。
【０００３】
例えば、III−V族化合物半導体のガリウム砒素（以下、ＧａＡｓ）基板に、インジウム砒素（以下、ＩｎＡｓ）の量子ドットを形成して活性層とし、活性層をＧａＡｓからなるキャップ層で被覆した構成の半導体素子（量子ドットレーザ）が提案されている。量子ドットは、電子のド・ブロイ波長と同程度の寸法（大きさ）を有するため、その中に電子を０次元的に閉じ込め、電子のエネルギー準位を離散化、すなわち、状態密度をデルタ関数とすることが可能であり、量子ドットが形成された量子ドットレーザは、従来の枠を超越した性能を有する。
【０００４】
量子ドットは、歪層の結晶成長のみで形成するという自己形成的な手法が主として用いられる。例えば、格子定数の大きい層を格子の小さい基板上に積層することにより、成長初期に２次元的な薄膜が成長し、所定の臨界膜厚に達すると、表面に３次元的な島状構造が形成される（Ｓ−Ｋ（Stransky-Krastanov）モード成長法）。Ｓ−Ｋモード成長法の利点は、面内サイズを規定させるための製造プロセスが基本的に不要であり、格子不整合系の結晶成長だけで形成できるため、加工により生じるダメージに起因する特性劣化が存在しないことである。
【０００５】
ところで、Ｓ−Ｋモード成長法によって量子ドットを形成する場合、量子ドットが受ける歪は、量子ドットの材料の格子定数と、それに隣接する層の格子定数との差によって決定される。上述の量子ドットレーザでは、ＧａＡｓ，ＩｎＡｓ（量子ドット），ＧａＡｓの順に層が積層されているが、ＧａＡｓとＩｎＡｓとの組合せでは、格子定数の差が大きく、量子ドットが受ける歪が大きすぎるために、上述の量子ドットレーザのフォトルミネッセンス（ＰＬ）の波長スペクトルの中心値は１．０３μｍとなり、光無線通信分野において望まれる１．３〜１．５５μｍの波長帯での発光が得られなかった。
【０００６】
そこで、本発明者らは、出力光の長波長化を実現すべく、ＩｎＡｓの活性層とＧａＡｓのキャップ層との間に、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓの歪緩和層を設けた半導体素子を提案している（例えば、非特許文献１参照。）。非特許文献１には、組成パラメータ（組成比）ｘが０．２１（２１％）である厚さ６ｎｍのＩｎx Ｇａ1-x Ａｓを設けた場合、設けなかったときに比べて、ＰＬの波長スペクトルの中心値が略１０％長波長側に偏移（１．０３μｍ→１．１２５μｍ）することが開示されている。
【０００７】
さらに、活性層とキャップ層との間に、２層からなる歪緩和層を設けることにより、量子ドットに生じる歪力をさらに抑制し、出力光がさらに長波長側に偏移することが開示されている。例えば、組成パラメータｘ１が０．３３である厚さ１０モノレイヤ（原子層）のＩｎx1Ｇａ1-x1Ａｓと、組成パラメータｘ２が０．２１である厚さ３ｎｍのＩｎx2Ｇａ1-x2Ａｓとからなる歪緩和層を順次積層すれば、波長スペクトルの中心値が１．２０７μｍとなる。
【非特許文献１】シャンムカム サラバナン（S.Saravanan），他４名著 「長波長化のためのInGaAs歪緩和層を有するGaAs基板上のInAs量子ドット（InAs quantum dots on GaAs substrates with InGaAs strain reducing layer for long wavelength emission)」 固体物理学論文誌(physica status solidi(c)) 2003年発行，0巻，4号，P1193-1196
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、波長スペクトルの中心値は１．２０７μｍであり、１．３〜１．５５μｍの波長帯の光を発光するには、さらに長波長化する必要があった。
また、活性層とキャップ層との間に歪緩和層を設けた場合、歪緩和層の組成パラメータｘが低いとき（ｘ＜０．１２）は、歪緩和層に含まれるＩｎが量子ドットに生じる歪力の緩和に支配的であるが、組成パラメータｘが高いとき（ｘ≧０．１２）は、キャリアの非放射再結合が増加すると推定されており、その再結合によって発光強度が低下するという問題があった。例えば、組成パラメータｘが０．４５の場合、発光強度は略１／１３に低下することが確認されている。
【０００９】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、量子ドット層を構成する第１物質と被覆層を構成する第２物質とが含有され、第１物質の第２物質に対する組成比が量子ドット層の界面からの距離に応じて異なった歪緩和層を、量子ドット層と被覆層との間に備える構成とすることにより、量子ドット層と歪緩和層との界面のみならず、歪緩和層自体の格子定数のミスマッチ度によって量子ドットに生じる歪力を調整して、量子ドットの高さ方向のサイズを調整することができる半導体素子の提供を目的とする。
【００１０】
また本発明は、歪緩和層を構成する第１物質の第２物質に対する組成比を量子ドット層の界面からの距離に応じて減少する構成とすることにより、量子ドット層と歪緩和層との界面における量子ドット層と歪緩和層との格子定数のミスマッチ度を小さくすることができ、量子ドットの圧縮効果が低減して量子ドットの高さ方向のサイズを高くすることができる半導体素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１発明に係る半導体素子は、半導体の表面に、量子ドット層と、該量子ドット層に生じる歪力を緩和する歪緩和層と、該歪緩和層を被覆する被覆層とが積層された半導体素子において、前記歪緩和層は、前記量子ドット層を構成する第１物質と前記被覆層を構成する第２物質とを含んでおり、前記第１物質の前記第２物質に対する組成比が、前記量子ドット層との界面からの距離に応じて異なっていることを特徴とする。
【００１２】
第２発明に係る半導体素子は、第１発明において、前記組成比は、前記量子ドット層との界面からの距離に応じて連続的に減少されていることを特徴とする。
【００１３】
第３発明に係る半導体素子は、第１発明において、前記組成比は、前記量子ドット層との界面からの距離に応じて段階的に減少されていることを特徴とする。
【００１４】
第４発明に係る半導体素子は、第１発明乃至第３発明のいずれかにおいて、前記半導体及び前記被覆層はＧａＡｓであり、前記量子ドット層及び前記歪緩和層は、それぞれＩｎＡｓ及びＩｎx Ｇａ1-x Ａｓであり、前記第１物質及び前記第２物質は、それぞれＩｎ及びＧａであることを特徴とする。
【００１５】
第１発明にあっては、歪緩和層を構成する第１物質の第２物質に対する組成比を量子ドット層の界面からの距離に応じて調整することにより、歪緩和層の層内における格子定数のミスマッチ度を調整することができる。よって、量子ドット層と歪緩和層との界面のみならず、歪緩和層自体のミスマッチ度によって量子ドットに生じる歪力を調整できるため、量子ドットの高さ方向のサイズの調整範囲を従来より広げることができる。
【００１６】
第２発明及び第３発明にあっては、歪緩和層を構成する第１物質の第２物質に対する組成比を量子ドット層の界面からの距離に応じて減少することにより、換言すれば、量子ドット層の界面における第１物質の組成を大きくするとともに第２物質の組成を小さくすることにより、量子ドット層と歪緩和層との界面における量子ドット層と歪緩和層との格子定数のミスマッチ度を小さくすることができ、量子ドットの圧縮効果が低減して量子ドットの高さ方向のサイズを従来より高くすることができる。従って、例えば、ＰＬ特性の波長スペクトルを長波長側に偏移させることができる。
【００１７】
第４発明にあっては、ＧａＡｓ上に、ＩｎＡｓの量子ドットが形成され、量子ドットに生じる歪力を緩和するＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ（ｘ：組成比）と、ＧａＡｓとが積層される。量子ドットとの界面からの距離に応じてＩｎx Ｇａ1-x Ａｓの組成比ｘを調整することにより、量子ドットとの界面におけるＩｎＡｓとＩｎx Ｇａ1-x Ａｓとの格子定数のミスマッチ度を小さくすることができ、量子ドットの圧縮効果が低減して量子ドットの高さ方向のサイズを調整することができる。例えば、量子ドットとの界面における組成比ｘを大きくすることにより、格子定数のミスマッチ度を小さくできる。従って、量子ドットの圧縮効果が低減して量子ドットの高さ方向のサイズを高くすることができる。一方、量子ドットとの界面における組成比ｘを小さくすることにより、ＩｎＡｓとＩｎx Ｇａ1-x Ａｓとの組成を意図的に異ならせ、格子定数のミスマッチ度を大きくできる。従って、量子ドットの圧縮効果が増大して量子ドットの高さ方向のサイズを低くすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、量子ドット層を構成する第１物質と被覆層を構成する第２物質とが含有され、第１物質の第２物質に対する組成比が量子ドット層の界面からの距離に応じて異なった歪緩和層を、量子ドット層と被覆層との間に備えたので、量子ドット層と歪緩和層との界面のみならず、歪緩和層自体の格子定数のミスマッチ度によって量子ドットに生じる歪力を調整して、量子ドットの高さ方向のサイズを調整することができる。
【００１９】
また本発明によれば、歪緩和層を構成する第１物質の第２物質に対する組成比を量子ドット層の界面からの距離に応じて連続的に減少するようにしたので、量子ドット層と歪緩和層との界面における量子ドット層と歪緩和層との格子定数のミスマッチ度を小さくすることができ、量子ドットの圧縮効果が低減して量子ドットの高さ方向のサイズを高くすることができる。
【００２０】
したがって、歪緩和層の組成比を調整することによって、発光強度の低下を抑制しつつ、波長スペクトルが長波長側に偏移した半導体素子を実現することができる。例えば、近年の光無線通信分野において要望されている１．３〜１．５５μｍの波長帯の光を発光する量子ドットレーザを実現することができる等、優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
【００２２】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１に係る半導体素子の一例である量子ドットレーザの構造を示す模式的断面図である。
【００２３】
本発明の実施形態１に係る量子ドットレーザ１は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０に各種の半導体層を順次積層した構造を有する。ｎ型ＧａＡｓ基板１０は、ＧａＡｓ基板に所定濃度のＳｉをドープすることによりｎ型となる（以下、同様）。
【００２４】
ｎ型ＧａＡｓ基板１０には、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１１、ｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓクラッド層１２が、それぞれ３００ｎｍの厚さで積層されている。ｎ型ＧａＡｓバッファ層１１は下地に生じた歪を解消するために設ける。ｎ型ＧａＡｓバッファ層１１及びｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓクラッド層１２は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０の基板温度を５４０℃として、ＧａＡｓエピタキシャル膜、Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓエピタキシャル膜をそれぞれ成長させて形成する。各エピタキシャル膜は、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法、有機金属気相成長法、液相成長法などによりエピタキシャル成長させて形成できる。なお、このときのｎ型ＧａＡｓ基板１０の基板温度は、エピタキシャル膜の成長速度の１要素である。
【００２５】
ｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓクラッド層１２の上面には、厚さ２ｎｍのＧａＡｓと厚さ２ｎｍのＡｌＡｓとが１層毎に積層され、それぞれ１０層が積層された構造を有する超格子層１３が形成されている。
【００２６】
超格子層１３の上面には、厚さ３００ｎｍのＧａＡｓからなるｎ型バッファ層１４を介して、ＩｎＡｓの量子ドットからなるＩｎＡｓ活性層１５（すなわち、量子ドット層）が積層されている。量子ドットは、それ自体公知のＳ−Ｋモード成長法を利用して、Ｉｎ及びＡｓをＭＢＥ法で供給することによって形成する。本例では、ｎ型ＧａＡｓ基板１０の基板温度を５００℃にして、ＩｎＡｓ換算で３モノレイヤ相当のＩｎ及びＡｓを供給して、面密度が８．３×１０10ｃｍ-2、高さが６ｎｍ、直径が２７ｎｍのドーム状の量子ドットを形成した。
【００２７】
ＩｎＡｓ活性層１５の上面には、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６が積層されている。詳細は後述するが、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６の組成パラメータｘは、ＩｎＡｓ活性層１５との界面からの距離に対して連続的に減少するように設定されている。Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６の上面には、厚さ１００ｎｍのＧａＡｓキャップ層１７が積層されている。ＧａＡｓキャップ層１７を形成する際のｎ型ＧａＡｓ基板１０の基板温度は、本例では５００℃とした。
【００２８】
ＧａＡｓキャップ層１７の上面には、ｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓクラッド層１８、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１９が、それぞれ３００ｎｍの厚さで積層されている。
【００２９】
ｎ型ＧａＡｓ基板１０の裏面を所定厚さ除去した後に、その裏面に電極材料を蒸着によって形成するとともに、所定パターンにエッチングしてｎ側電極を形成し、同様に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１９上に電極材料を蒸着によって形成するとともに、所定パターンにエッチングしてｐ側電極を形成する。
【００３０】
図２はＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６の組成パラメータを示すグラフである。同図横軸はＩｎＡｓ活性層１５とＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６との界面からの距離Ｌを、縦軸はＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６を構成するＩｎx Ｇａ1-x Ａｓの組成パラメータｘを夫々示す。
【００３１】
（１）実施例１（線分Ａ）
実施例１において、組成パラメータｘは、ＩｎＡｓ活性層１５とＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６との界面（Ｌ＝０）では”０．４５”、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６とＧａＡｓキャップ層１７との界面（Ｌ＝Ｔmax（Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６の膜厚））では”０”、すなわちＩｎは含まれない。つまり、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６は、ＩｎＡｓ活性層１５との界面における組成がＩｎ0.45Ｇａ0.55Ａｓとなり、ＧａＡｓキャップ層１７との界面における組成がＧａＡｓとなっている。
【００３２】
（２）実施例２（線分Ｂ）
実施例２において、ＩｎＡｓ活性層１５とＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６との界面（Ｌ＝０）、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６とＧａＡｓキャップ層１７との界面（Ｌ＝Ｔmax）における組成パラメータｘは、共に実施例１と同様であり、さらに、Ｌ＝０及びＬ＝Ｔmaxにおける線分Ｂの１次微分係数が”０”となるようにした。
【００３３】
図３はＩｎＡｓ活性層１５に生じる歪力を説明するための説明図である。同図破線は、もっとも広く行われている、緩和層をＧａＡｓとした場合における量子ドットの形状を示す。
【００３４】
ＩｎＡｓ活性層１５を構成するＩｎＡｓ量子ドット１５ａに生じる歪力は、その上面に設けた物質、すなわちＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６との格子定数の差によって決定されるが、本発明においては、ＩｎＡｓ量子ドット１５ａとＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６との格子定数の差は、もっとも広く行われている、緩和層をＧａＡｓとした場合よりも小さく、また組成パラメータｘを変化させることによって調整することができる。これにより、ＩｎＡｓ量子ドット１５ａにおける歪を制御して、ＩｎＡｓ量子ドット１５ａの高さを調整することができる。
【００３５】
従って、ＩｎＡｓ量子ドット１５ａの高さを従来のものに比べて高くすることができるため、出力波長を長波長側に偏移させることができる。なお、長波長化は、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６自体によるものではなく、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６を設けることによってＩｎＡｓ量子ドット１５ａにおける歪が緩和されたことによると推定される。また、ＩｎＡｓ量子ドット１５ａのサイズの均一性が悪化しないように、組成パラメータｘを調整して、ＩｎＡｓ量子ドット１５ａにおける歪を制御することができる。従って、本発明によれば、ＰＬ半値幅が大きくなることはなく、発光強度の減少を抑制することができる。例えば、実施例のように、ＩｎＡｓ活性層１５とＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６との界面３０（Ｌ＝０）での組成パラメータｘが”０．４５”である場合であっても、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６（Ｌ＝０〜Ｔmax）での組成パラメータｘを調整することによって、ＩｎＡｓ量子ドット１５ａへの影響を間接的に制御して、発光強度の減少を抑制することができる。
【００３６】
なお、本実施形態では２つの実施例を示したが、組成パラメータｘの値について限定されるものではなく、組成パラメータｘを適宜変更することにより、量子ドットに生じる歪力を調整して、所望波長帯の光を出力するように構成することができる。
【００３７】
（実施形態２）
実施形態１では、組成パラメータｘが連続的に変化するＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層を設けるようにしたが、組成パラメータｘが段階的（ステップ的）に変化するＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層を設けるようにしてもよく、このようにしたものが実施形態２である。
【００３８】
図４は本発明の実施形態２に係る半導体素子の一例である量子ドットレーザの構造を示す模式的断面図である。
【００３９】
本発明の実施形態２に係る量子ドットレーザ２は、ＩｎＡｓ活性層１５とＧａＡｓキャップ層１７との間に、本実施形態の特徴であるＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層２６が形成されている。Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層２６は、図５に示すように、厚さ５モノレイヤの第１歪緩和層２６ａ、厚さ５モノレイヤの第２歪緩和層２６ｂ、厚さ５モノレイヤの第３歪緩和層２６ｃ、厚さ５モノレイヤの第４歪緩和層２６ｄが順次積層された構造を有する。その他の構成は図１と同様であるので、対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００４０】
図６はＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層２６の組成パラメータを示すグラフである。同図横軸はＩｎＡｓ活性層１５とＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層２６ａとの界面からの距離Ｌを、縦軸はＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層２６を構成するＩｎx Ｇａ1-x Ａｓの組成パラメータｘを夫々示す。
【００４１】
組成パラメータｘは、ＩｎＡｓ活性層１５と第１歪緩和層２６ａとの界面（Ｌ＝０モノレイヤ）から第１歪緩和層２６ａと第２歪緩和層２６ｂとの界面（Ｌ＝５モノレイヤ）までは”０．４５”である。Ｌ＝５モノレイヤから第２歪緩和層２６ｂと第３歪緩和層２６ｃとの界面（Ｌ＝１０モノレイヤ）までは”０．３５〜０．４”である。Ｌ＝１０モノレイヤから第３歪緩和層２６ｃと第４歪緩和層２６ｄとの界面（Ｌ＝１５モノレイヤ）までは”０．２５〜０．３”である。Ｌ＝１５モノレイヤから第４歪緩和層２６ｄとＧａＡｓキャップ層１７との界面（Ｌ＝２０モノレイヤ）までは”０．１５〜０．２”である。
【００４２】
このような構成の量子ドットレーザのＰＬ特性について測定を行った。測定の結果、量子ドットレーザ２の出力波長の中心値は、１．５５μｍであった。つまり、１．３〜１．５５μｍの波長帯を発光する量子ドットレーザを実現することができる。これは、量子ドットレーザ２においては、ＩｎＡｓ活性層１５との界面に設けた第１歪緩和層２６ａの組成パラメータｘが大きく（ｘ＝０．４５）、その格子定数がＩｎＡｓ活性層１５の格子定数に近いため、量子ドットに生じる歪力が小さくなり、量子ドットの圧縮効果が低減して、波長が長波長側に偏移したものと考えられる。
【００４３】
また、量子ドットレーザ２の発光強度は、従来のものと比較して、出力波長が長波長側に偏移しているにもかかわらず、その強度の低下は観測できなかった。
【００４４】
なお、各歪緩和層の厚みは一例であり、第１歪緩和層が３〜７モノレイヤ、第２歪緩和層が３〜６モノレイヤ、第３歪緩和層が３〜５モノレイヤ、第４歪緩和層が３〜５モノレイヤの厚みの範囲内であれば、出力波長が略１．５５μｍとなる。もちろん、歪緩和層の層数についても限定されるものではなく、ＩｎＡｓ活性層１５からＧａＡｓキャップ層１７にかけて、組成パラメータｘが小さくなるように設定した歪緩和層を設けるようにしてもよい。各歪緩和層の組成パラメータｘを適宜調整することにより、量子ドットに生じる歪力を調整して、所望波長帯の光を出力するように構成することができる。
【００４５】
なお、各実施形態では、ＧａＡｓに、ＩｎＡｓの量子ドット、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓの歪緩和層、ＧａＡｓのキャップ層を積層する場合（ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓと標記する）について説明したが、格子定数が異なり、Ｓ−Ｋモード成長が生じる組み合わせ、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ，ＩｎＰ／ＧａＡｓ，ＧａＳｂ／ＧａＡｓ，ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ，ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ，ＩｎＰ／ＩｎＡｌＡｓ，ＧａＡｓ／ＧａＰ，ＧａＡｓＰ／ＧａＰ，ＺｎＴｅＳｅ／ＺｎＳｅ，ＺｎＳｅ／ＺｎＳ，ＧａＮ／ＡｌＮ，ＩｎＡｌＮ／ＡｌＮ，ＩｎＡｌＮ／ＧａＮ，ＳｉＧｅ／Ｓｉに対しても有効である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態１に係る半導体素子の一例である量子ドットレーザの構造を示す模式的断面図である。
【図２】Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層１６の組成パラメータを示すグラフである。
【図３】ＩｎＡｓ活性層に生じる歪力を説明するための説明図である。
【図４】本発明の実施形態２に係る半導体素子の一例である量子ドットレーザの構造を示す模式的断面図である。
【図５】Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層２６の構造を示す模式的断面図である。
【図６】Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層２６の組成パラメータを示すグラフである。
【符号の説明】
【００４７】
１，２ 量子ドットレーザ
１０ ｎ型ＧａＡｓ基板
１１ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１２ ｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓクラッド層
１３ 超格子層
１４ ｎ型バッファ層
１５ ＩｎＡｓ活性層
１６，２６ Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ歪緩和層
１７ ＧａＡｓキャップ層
１８ ｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓクラッド層
１９ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
２６ａ 第１歪緩和層
２６ｂ 第２歪緩和層
２６ｃ 第３歪緩和層
２６ｄ 第４歪緩和層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体の表面に、量子ドット層と、該量子ドット層に生じる歪力を緩和する歪緩和層と、該歪緩和層を被覆する被覆層とが積層された半導体素子において、
前記歪緩和層は、
前記量子ドット層を構成する第１物質と前記被覆層を構成する第２物質とを含んでおり、
前記第１物質の前記第２物質に対する組成比が、前記量子ドット層との界面からの距離に応じて異なっていること
を特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記組成比は、前記量子ドット層との界面からの距離に応じて連続的に減少されていること
を特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記組成比は、前記量子ドット層との界面からの距離に応じて段階的に減少されていること
を特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記半導体及び前記被覆層はＧａＡｓであり、
前記量子ドット層及び前記歪緩和層は、それぞれＩｎＡｓ及びＩｎx Ｇａ1-x Ａｓであり、
前記第１物質及び前記第２物質は、それぞれＩｎ及びＧａであること
を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体素子。
【請求項１】
半導体の表面に、量子ドット層と、該量子ドット層に生じる歪力を緩和する歪緩和層と、該歪緩和層を被覆する被覆層とが積層された半導体素子において、
前記歪緩和層は、
前記量子ドット層を構成する第１物質と前記被覆層を構成する第２物質とを含んでおり、
前記第１物質の前記第２物質に対する組成比が、前記量子ドット層との界面からの距離に応じて異なっていること
を特徴とする半導体素子。
【請求項２】
前記組成比は、前記量子ドット層との界面からの距離に応じて連続的に減少されていること
を特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項３】
前記組成比は、前記量子ドット層との界面からの距離に応じて段階的に減少されていること
を特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
【請求項４】
前記半導体及び前記被覆層はＧａＡｓであり、
前記量子ドット層及び前記歪緩和層は、それぞれＩｎＡｓ及びＩｎx Ｇａ1-x Ａｓであり、
前記第１物質及び前記第２物質は、それぞれＩｎ及びＧａであること
を特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−５２５６（Ｐ２００６−５２５６Ａ）
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１８１７８０（Ｐ２００４−１８１７８０）
【出願日】平成１６年６月１８日（２００４．６．１８）
【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１６年度独立行政法人情報通信研究機構、研究テーマ「自律分散型無線ネットワークの研究開発」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月１８日（２００４．６．１８）
【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１６年度独立行政法人情報通信研究機構、研究テーマ「自律分散型無線ネットワークの研究開発」に関する委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３９３０３１５８６）株式会社国際電気通信基礎技術研究所 (905)
【Ｆターム（参考）】
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