半導体装置の製造方法
【課題】高い結晶品質を有する量子ドットを高密度に形成しうる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】下地層１０上に、自己組織化成長により量子ドット１６を形成する工程と、量子ドット１６を形成する工程の前又は量子ドット１６を形成する工程の際に、下地層１０の表面にＳｂ又はＧａＳｂを照射する工程と、量子ドット１６の表面をＡｓ原料ガスによりエッチングすることにより、量子ドット１６の表面に析出したＳｂを含むＩｎＳｂ層１８を除去する工程と、ＩｎＳｂ層１８が除去された量子ドット１６上に、キャップ層２２を成長する工程とを有している。
【解決手段】下地層１０上に、自己組織化成長により量子ドット１６を形成する工程と、量子ドット１６を形成する工程の前又は量子ドット１６を形成する工程の際に、下地層１０の表面にＳｂ又はＧａＳｂを照射する工程と、量子ドット１６の表面をＡｓ原料ガスによりエッチングすることにより、量子ドット１６の表面に析出したＳｂを含むＩｎＳｂ層１８を除去する工程と、ＩｎＳｂ層１８が除去された量子ドット１６上に、キャップ層２２を成長する工程とを有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に、自己組織化成長により量子ドットを形成する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子ドットを用いた半導体素子、例えば半導体レーザの活性層に量子ドットを導入した量子ドットレーザ等に関する研究が盛んに行われている。
【０００３】
量子ドットレーザ等に用いられる量子ドットの形成技術としては、自己組織化成長により量子ドットを形成する技術が知られている。これは、格子不整合の半導体をある条件で気相エピタキシャル成長することで、３次元の微細構造である量子ドットが自己形成される現象を用いたものである。
【０００４】
量子ドットの自己形成については、いくつかの形成モードが知られている。中でも最も知られている形成モードは、Stranski-Krastanowモード（Ｓ−Ｋモード）と呼ばれるモードである。Ｓ−Ｋモードとは、エピタキシャル成長される半導体結晶が、成長開始当初は２次元成長（膜成長）するが、膜の弾性限界を超えた段階で３次元成長するモードのことである。下地の材料より格子定数の大きい膜をエピタキシャル成長することにより、３次元成長島よりなる量子ドットが自己形成される。
【０００５】
しかしながら、自己組織化成長により量子ドットが形成された従来の量子ドットレーザは、量子ドットの密度が５×１０１０ｃｍ−２以下と不十分であるため、１０Ｇｂｐｓ以上の高速直接変調ができないという難点を有していた。そこで、量子ドットの密度の向上を図るため、新しい量子ドットの成長方法が提案されている。このような新しい量子ドットの成長方法のひとつとして、量子ドットを成長する前に、量子ドットを成長する下地の半導体層に対してＳｂを照射する方法が提案されている。
【０００６】
量子ドットを成長する下地の半導体層に対してＳｂを照射する従来の量子ドットの成長方法について図３１を用いて説明する。なお、以下では、ＧａＡｓよりなる下地層上に、ＩｎＡｓよりなる量子ドットを成長する場合について説明する。
【０００７】
まず、ＧａＡｓよりなる下地層１００の表面にＳｂを照射する。これにより、下地層１００の表面に、１原子層（monolayer、ＭＬ）程度のＳｂ層１０２を形成する（図３１（ａ））。
【０００８】
次いで、表面にＳｂ層１０２が形成された下地層１００上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、ＩｎＡｓよりなる量子ドット層１０４を成長する。ＩｎＡｓは下地層１００のＧａＡｓと格子定数が異なるため、量子ドット層１０４には、Ｓ−Ｋモードにより量子ドット１０６が形成される（図３１（ｂ））。
【０００９】
量子ドット層１０４が成長する間、下地層１００の表面のＳｂは、量子ドット層１０４の材料であるＩｎＡｓのＡｓと相互拡散し、量子ドット層１０４の表面に析出していく。こうして、量子ドット層１０４の表面に、Ｓｂを含む表面層、例えばＩｎＳｂ層１０８が形成される（図３１（ｃ））。
【００１０】
次いで、表面にＩｎＳｂ層１０８が形成された量子ドット層１０４上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、量子ドット１０６を埋め込むように、ＧａＡｓよりなるキャップ層１１０を成長する（図３１（ｄ））。
【特許文献１】特開２００５−０９３５５３号公報
【特許文献２】特開２００４−３３５６６５号公報
【特許文献３】特開平６−２０４４９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述した図３１に示す量子ドットの成長方法によれば、これまでと比較して量子ドットの密度を２倍程度増加することができることが知られている。しかしながらその反面、量子ドットの結晶品質が劣化し、量子ドットの発光効率が低下するという不都合があった。
【００１２】
また、量子ドット層を活性層に用いた量子ドットレーザにおいては、量子ドット層を積層して活性層を構成することが行われている。しかしながら、量子ドット層の積層数が多くなると、下地の歪みが蓄積されるため、上層の量子ドット層において、量子ドットのサイズ分布や密度が下層の量子ドット層と大きく異なったり、欠陥が生じたりする等の不都合があった。
【００１３】
また、従来の量子ドットレーザにおいては、量子ドットを破壊しないように例えば６００℃程度の比較的低温の成長温度でクラッド層を成長する必要があった。しかしながら、このように低温の成長温度でクラッド層を成長したのでは、ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）層、活性層、コンタクト層等のクラッド層と隣接する半導体層とクラッド層との界面の粗さが増大してしまっていた。この結果、光の散乱損失が増大するという不都合があった。
【００１４】
本発明の目的は、高い結晶品質を有する量子ドットを高密度に形成しうる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１５】
また、本発明の他の目的は、欠陥を生じることなく、量子ドットのサイズ分布及び密度を層間で均一に保ちつつ、複数層の量子ドット層を繰り返して形成しうる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１６】
また、本発明の更に他の目的は、光半導体装置の活性層に量子ドット層を用いる場合において、量子ドットの発光特性の劣化を伴うことなく、結晶品質の高いクラッド層及びコンタクト層を活性層上に成長しうる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一観点によれば、下地層上に、自己組織化成長により量子ドットを形成する工程と、前記量子ドットの表面に、有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程と、前記量子ドット上に、キャップ層を成長する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【００１８】
また、本発明の他の観点によれば、下地層上に、自己組織化成長により量子ドットを形成する工程と、前記量子ドットを形成する工程の前又は前記量子ドットを形成する工程の際に、前記下地層の表面にＳｂ又はＧａＳｂを照射する工程と、前記量子ドット上に、キャップ層を成長する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【００１９】
また、本発明の更に他の観点によれば、自己組織化成長により形成される量子ドットを含む量子ドット層を成長する工程と；前記量子ドット層の表面に、有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程と；前記量子ドット層上に、キャップ層を成長する工程とを繰り返すことにより、半導体基板上に、前記量子ドット層をｎ層（ｎは２以上の整数）含む活性層を形成する工程を有し、前記活性層を形成する工程では、第ｉ層目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１を満たす整数）の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比を高く設定する半導体装置の製造方法が提供される。
【００２０】
また、本発明の更に他の観点によれば、自己組織化成長により形成される量子ドットを含む量子ドット層を成長する工程と；前記量子ドット層を成長する工程の前又は前記量子ドット層を成長する工程の際に、前記量子ドット層の下地層の表面にＳｂ又はＧａＳｂを照射する工程と；前記量子ドット層上に、キャップ層を成長する工程とを繰り返すことにより、半導体基板上に、前記量子ドット層をｎ層（ｎは２以上の整数）含む活性層を形成する工程を有し、前記活性層を形成する工程では、第ｉ層目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１を満たす整数）の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比を高く設定する半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、量子ドットの表面に、有機Ｓｂ原料ガスを照射することによりＳｂを含む被覆層を形成するので、量子ドットの形状を保ち、量子ドットの発光波長を長波長化することができる。
【００２２】
また、本発明によれば、量子ドットを形成する工程の前又は量子ドットを形成する工程の際に、下地層の表面にＳｂ又はＧａＳｂを照射する工程を有する半導体装置の製造方法において、量子ドットを形成する工程の後、キャップ層を成長する工程の前に、量子ドットの表面をＡｓ原料ガスによりエッチングすることにより、量子ドットの表面に析出したＳｂを含む表面層を除去するので、高い結晶品質を有する量子ドットを高密度に形成することができる。
【００２３】
また、本発明によれば、量子ドットの表面のＳｂがキャップ層の最表面に拡散するのに十分な０．２７５ｎｍ／ｓ以下の成長速度でキャップ層を成長するので、量子ドットの結晶品質を向上することができる。
【００２４】
また、本発明によれば、量子ドット層をｎ層（ｎは２以上の整数）含む活性層を形成する工程において、第ｉ層目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１を満たす整数）の量子ドット層の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の量子ドット層の成長時のＶ／III比を高く設定するので、欠陥を生じることなく、量子ドットのサイズ分布及び密度を層間で均一に保ちつつ、複数層の量子ドット層を繰り返して形成することができる。
【００２５】
また、本発明によれば、量子ドットを含む活性層上に、６１０〜６６０℃の成長温度で、Ｇａ原料としてトリメチルガリウムを用いてクラッド層を成長するので、量子ドットの発光特性の劣化や量子ドットの破壊を伴うことなく、結晶品質が高く平坦な上部クラッド層を成長することができる。
【００２６】
また、本発明によれば、クラッド層上に、６００〜６１０℃の成長温度で、Ｇａ原料としてトリエチルガリウムを用いてコンタクト層を成長するので、量子ドットの発光特性の劣化や量子ドットの破壊を伴うことなく、結晶品質の高いコンタクト層を成長することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
［本発明の原理］
はじめに、本発明の原理について説明する。
【００２８】
量子ドットを成長する前に、量子ドットを成長する下地層の表面にＳｂを照射する従来の量子ドットの成長方法には、量子ドットの高密度化を実現することができるという利点がある。その反面、量子ドットの結晶品質が劣化し、発光効率が低下するという不都合があった。
【００２９】
本願発明者等は、この原因について実験的研究を重ね、量子ドット層が成長する間に量子ドット層の表面にＳｂが析出することにより形成されたＩｎＳｂ層等のＳｂを含む表面層に欠陥が存在しているという結果を得た。
【００３０】
図１は、図３１に示す従来の量子ドットの成長方法において生じる欠陥を説明する概略断面図である。従来の量子ドットの成長方法では、図示するように、量子ドット層１０４が成長する間に量子ドット層１０４の表面にＳｂが析出し、Ｓｂを含む表面層、例えばＩｎＳｂ層１０８が形成される。このＩｎＳｂ層１０８に、図中×印で示すように欠陥が生じている。
【００３１】
このようなＩｎＳｂ層１０８は、量子ドット１０４の結晶品質に影響を与え、発光効率の低下の原因になっていると考えられる。したがって、量子ドット層１０４の表面に析出したＳｂを除去することにより、結晶品質の高い量子ドットを高密度に形成することができる。
【００３２】
本発明による半導体装置の製造方法は、かかる知見に基づくものであり、量子ドット層の表面に析出したＳｂを除去する工程を有することに主たる特徴の一つがある。以下、本発明による半導体装置の製造方法の概略について図２及び図３を用いて説明する。図２及び図３は本発明による半導体装置の製造方法の概略を説明する工程断面図である。
【００３３】
まず、ＧａＡｓよりなる下地層１０の表面に、例えば有機Ｓｂ原料ガスを照射することにより、Ｓｂを照射する。これにより、下地層１０の表面に、例えば１ＭＬ程度のＳｂ層１２を形成する（図２（ａ））。量子ドットの成長前に、下地層１０の表面にＳｂを照射しておくことにより、量子ドットを高密度に成長することができる。なお、Ｓｂの照射に代えて、下地層１０の表面にＧａＳｂを照射してもよい。また、Ｓｂ又はＧａＳｂは、量子ドットの成長中に、下地層１０の表面に照射してもよい。
【００３４】
次いで、表面にＳｂ層１２が形成された下地層１０上に、ＩｎＡｓよりなる量子ドット層１４を成長する。ＩｎＡｓは下地層１０のＧａＡｓと格子定数が異なるため、量子ドット層１４には、Ｓ−Ｋモードと呼ばれる自己組織化成長により量子ドット１６が形成される（図２（ｂ））。
【００３５】
量子ドット層１４が成長する間、下地層１０の表面のＳｂは、量子ドット層１４の材料であるＩｎＡｓのＡｓと相互拡散し、量子ドット層１４の表面に析出していく。こうして、量子ドット層１４の表面に、Ｓｂを含む表面層、例えばＩｎＳｂ層１８が形成される（図２（ｃ））。
【００３６】
次いで、ＩｎＳｂ層１８が形成された量子ドット層１４の表面にＡｓ原料を一定時間照射し、量子ドット層１４の表面をＡｓ原料ガスでエッチングする（図２（ｄ））。一定時間照射するＡｓ原料としては、例えば、ターシャリーブチルアルシン（tertiarybutylarsine、ＴＢＡ）、ＡｓＨ３、Ａｓ２、Ａｓ４を用いることができる。これにより、量子ドット層１４の表面のＩｎＳｂ層１８が除去される（図３（ａ））。
【００３７】
このように、本発明による半導体装置の製造方法は、ＩｎＳｂ層１８が形成された量子ドット層１４の表面にＡｓ原料ガスを一定時間照射し、量子ドット層１４の表面をＡｓ原料ガスでエッチングすることに主たる特徴の一つがある。Ａｓ原料ガスを用いたエッチングによりＩｎＳｂ層１８が除去されるため、量子ドット１６の欠陥を低減し、量子ドット１６の結晶品質を向上することができる。
【００３８】
次いで、量子ドット層１４の表面に、有機Ｓｂ原料ガスと、III族金属（Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ）の有機原料ガスとを同時に照射する。これにより、量子ドット層１４の表面に、III族金属（Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ）とＳｂとを含む被覆層２０を形成する（図３（ｂ））。III族金属とＳｂとを含む被覆層２０とは、具体的には、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、又はこれらの混晶よりなるものである。
【００３９】
このように、本発明による半導体装置の製造方法は、量子ドット層１４の表面に、有機Ｓｂ原料ガスと、III族金属（Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ）の有機原料ガスと照射することにも主たる特徴の一つがある。
【００４０】
ＩｎＳｂ等よりなる被覆層２０により量子ドット１６の表面が被覆されるため、この後のキャップ層２２を成長する工程において、量子ドット１６の形状を保ち、量子ドット１６の発光波長を長波長化することができる。
【００４１】
なお、III族金属の有機原料ガスは照射せずに有機Ｓｂ原料ガスを単独で照射し、Ｓｂよりなる被覆層２０を形成してもよい。
【００４２】
次いで、表面に被覆層２０が形成された量子ドット層１４上に、量子ドット１６を埋め込むように、ＧａＡｓよりなるキャップ層２２を成長する（図３（ｃ））。
【００４３】
キャップ層２２を成長する間、被覆層２０のＳｂは、キャップ層２２の材料であるＧａＡｓのＡｓと相互拡散し、キャップ層２２の表面に析出していく。こうして、キャップ層２２の表面に、Ｓｂを含む表面層、例えばＧａＳｂ層２４が形成される（図３（ｃ））。
【００４４】
ここで、本発明による半導体装置の製造方法は、キャップ層２２を成長する工程において、Ｓｂがキャップ層２２の最表面まで拡散するのに十分な低成長速度でキャップ層２２を成長することにも主たる特徴がある。具体的には、キャップ層２２を０．２７５ｎｍ／ｓ以下の成長速度で成長する。これにより、量子ドット層１４の表面のＳｂを十分に除去することができる。
【００４５】
なお、本発明においては、図２（ａ）及び図２（ｃ）に示す量子ドット層１４を成長する工程の後に、図２（ｄ）及び図３（ａ）に示すＡｓ原料ガスを一定時間照射する工程、及び図３（ｂ）に示す被覆層２０を形成する工程を行わずに、キャップ層２２を成長する工程を行ってもよい。この場合においても、キャップ層２２を０．２７５ｎｍ／ｓ以下の成長速度で成長することにより、量子ドット層１４の表面に析出したＳｂを十分に除去することができる。このように、キャップ層２２を低成長速度で成長することによってもＳｂを十分に除去することができ、量子ドット１６の結晶品質を向上することができる。
【００４６】
このように、本発明による半導体装置の製造方法によれば、結晶品質の高い量子ドット１６を高密度に成長することができる。
【００４７】
こうして製造される本発明による半導体装置における量子ドット１６は、密度が例えば５×１０１０ｃｍ−２以上であり、発光波長が例えば１．３μｍ以上の長波長となっている。
【００４８】
さらに、図３（ｂ）に示す被覆層２０を形成する工程を行った場合には、量子ドット層１４とキャップ層２２との界面に以下に述べる構造的特徴を有している。
【００４９】
すなわち、低成長速度でキャップ層２２を成長した場合であっても、量子ドット層１４とキャップ層２２との間の被覆層２０が完全には除去されない場合がある。この場合、量子ドット層１４とキャップ層２２との間には、図４に示すように、III族金属とＳｂとを含む薄膜２１、すなわち、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、又はこれらの混晶よりなる薄膜２１が残存している。薄膜２１の膜厚は、例えば０．５〜１ＭＬである。
【００５０】
以下、実施形態を示しつつ本発明を説明する。
【００５１】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による半導体装置の製造方法について図５乃至図７を用いて説明する。図５は本実施形態による半導体装置の製造方法において供給する原料ガスの分圧等を示すグラフ、図６は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図、図７は量子ドットの成長後にＳｂ照射を行った場合等における量子ドットの室温でのＰＬ発光スペクトルを示すグラフである。
【００５２】
本実施形態による半導体装置の製造方法においては、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を結晶成長に用いる。
【００５３】
まず、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に、ＧａＡｓ基板２６を収容する。
【００５４】
次いで、基板温度を例えば７００℃とし、ＴＢＡ、トリメチルガリウム（trimethylgallium、ＴＭＧ）を反応室内に供給する（図５の時間間隔ｔ１）。これにより、ＧａＡｓ基板２６上に、ＧａＡｓよりなるバッファ層２８を成長する（図６（ａ））。
【００５５】
次いで、ＴＭＧの供給を停止し、基板温度を例えば５００℃まで徐々に降温する（図５の時間間隔ｔ２）。この間、ＴＢＡの供給は継続する。
【００５６】
次いで、ＴＢＡの分圧を下げて、ＴＢＡの供給を継続する（図５の時間間隔ｔ３）。この間、基板温度は例えば５００℃に維持する。
【００５７】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持しつつ、ＴＢＡの供給を継続するとともに、トリメチルインジウム（trimethylindium、ＴＭＩ）を反応室内に供給する（図５の時間間隔ｔ４）。こうして、バッファ層２８上に、例えば２．６４ＭＬ相当のＩｎＡｓを、例えば成長速度０．０１１ＭＬ／ｓで成長することにより、ＩｎＡｓよりなる量子ドット層３０を成長する。ＩｎＡｓとバッファ層２８のＧａＡｓとは格子定数が異なるため、量子ドット層３０には、Ｓ−Ｋモードと呼ばれる自己組織化成長により量子ドット３２が形成される（図６（ｂ））。
【００５８】
次いで、ＴＭＩの供給を停止する一方、ＴＢＡの供給を継続する（図５の時間間隔ｔ５）。この間、基板温度は例えば５００℃に維持する。
【００５９】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持しつつ、ＴＢＡの供給を停止して、トリメチルアンチモン（trimethylantimony、ＴＭＳｂ）を反応室内に供給する（図５の時間間隔ｔ６）。こうして、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂを照射することにより、量子ドット層３０の表面にＳｂ層３４を形成する（図６（ｃ））。
【００６０】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持したまま、分圧を上げてＴＢＡの供給を再開するとともに、トリエチルガリウム（triethylgallium、ＴＥＧ）を反応室内に供給する（図５の時間間隔ｔ７）。これにより、量子ドット層３０上に、量子ドット３２を埋め込むようにＧａＡｓよりなるキャップ層３６を成長する（図６（ｄ））。
【００６１】
キャップ層３６が成長する間、量子ドット層３０の表面に形成されたＳｂ層３４のＳｂは、キャップ層３６の材料であるＧａＡｓのＡｓと相互拡散し、キャップ層３６の表面に析出していく。こうして、キャップ層３６の表面に、ＧａＳｂ層３８が形成される。
【００６２】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、量子ドット層３０を成長する工程の後、キャップ層３６を成長する工程の前に、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂを照射する工程を有することに特徴がある。
【００６３】
ＴＭＳｂを照射することにより形成されたＳｂ層３４により量子ドット３２の表面が被覆されるため、キャップ層３６を成長する工程において、量子ドット３２の形状を保つことができる。これにより、量子ドット３２の発光波長を長波長化することができる。
【００６４】
図７は、量子ドットの成長後にＴＭＳｂを照射した場合等における量子ドットの室温でのＰＬ発光スペクトルを示すグラフである。図中、▲印で示すスペクトルは、ＴＭＳｂの照射時間を２秒間とし、ＧａＡｓよりなるキャップ層の成長速度を０．１３７５ｎｍ／ｓとした試料について得られたＰＬ発光スペクトルである。○印で示すスペクトルは、ＴＭＳｂの照射時間を２秒間とし、ＧａＡｓよりなるキャップ層の成長速度を０．２７５ｎｍ／ｓとした試料について得られたＰＬ発光スペクトルである。破線で示すスペクトルは、ＴＭＳｂの照射を行わず、ＧａＡｓよりなるキャップ層の成長速度を０．２７５ｎｍ／ｓとした標準試料について得られたＰＬ発光スペクトルである。いずれの試料についても、量子ドットは、２．６４ＭＬ相当のＩｎＡｓを、成長速度０．０１１ＭＬ／ｓで成長することにより形成した。なお、□印、■印で示すスペクトルについてはそれぞれ第２実施形態において説明する。
【００６５】
図７に示すスペクトルから明らかなように、量子ドットの成長後にＴＭＳｂを照射した試料は、標準試料と比較して、量子ドットの発光波長が長波長側にシフトしていることが分かる。具体的には、標準試料のピーク発光波長は、１．３０８μｍとなっている。これに対し、量子ドットの成長後にＴＭＳｂを照射した試料のピーク発光波長は、キャップ層の成長速度が０．１３７５ｎｍ／ｓ、０．２７５ｎｍ／ｓのいずれの場合も１．３５７μｍとなっている。但し、ＴＭＳｂを照射した試料は、標準試料と比較して発光強度が低下している。ＴＭＳｂを照射した試料間では、キャップ層の成長速度がより速い試料の方が発光強度の低下が著しくなっている。
【００６６】
このように、本実施形態によれば、量子ドット層３０を成長する工程の後、キャップ層３６を成長する工程の前に、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂを照射することにより量子ドット３２の表面を被覆するＳｂ層３４を形成するので、量子ドット３２の形状を保ち、量子ドット３２の発光波長を長波長化することができる。
【００６７】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による半導体装置の製造方法について図７乃至図９を用いて説明する。図８は本実施形態による半導体装置の製造方法において供給する原料ガスの分圧等を示すグラフ、図９は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。なお、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同一の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【００６８】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、第１実施形態による半導体装置の製造方法とほぼ同様である。本実施形態による半導体装置の製造方法は、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射する点で、ＴＭＳｂを単独で照射する第１実施形態による半導体装置の製造方法とは異なっている。
【００６９】
まず、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、ＧａＡｓ基板２６上に、ＧａＡｓよりなるバッファ層２８、ＩｎＡｓよりなる量子ドット層３０を成長する（図８の時間間隔ｔ１〜ｔ４、図９（ａ））。
【００７０】
次いで、ＴＭＩの供給を停止する一方、ＴＢＡの供給を継続する（図８の時間間隔ｔ５）。この間、基板温度は例えば５００℃に維持する。
【００７１】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持しつつ、ＴＢＡの供給を停止して、ＴＭＳｂとＴＥＧとを反応室内に供給する（図８の時間間隔ｔ６）。こうして、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射することにより、量子ドット層３０の表面にＧａＳｂ層４０を形成する（図９（ｂ））。
【００７２】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持したまま、分圧を上げてＴＢＡの供給を再開するとともに、ＴＥＧの供給を継続する（図８の時間間隔ｔ７）。これにより、量子ドット層３０上に、量子ドット３２を埋め込むようにＧａＡｓよりなるキャップ層３６を成長する（図９（ｃ））。
【００７３】
キャップ層３６が成長する間、量子ドット層３０の表面に形成されたＧａＳｂ層４０のＳｂは、キャップ層３６の材料であるＧａＡｓのＡｓと相互拡散し、キャップ層３６の表面に析出していく。こうして、キャップ層３６の表面に、ＧａＳｂ層４２が形成される。
【００７４】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、量子ドット層３０を成長する工程の後、キャップ層３６を成長する工程の前に、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射する工程を有することに特徴がある。
【００７５】
ＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射することにより形成されたＧａＳｂ層４０により量子ドット３２の表面が被覆されるため、キャップ層３６を成長する工程において、量子ドット３２の形状を保つことができる。これにより、量子ドット３２の発光波長を長波長化することができる。
【００７６】
図７には、第１実施形態において説明したＰＬ発光スペクトルに加えて、量子ドットの成長後にＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射した場合における量子ドットの室温でのＰＬ発光スペクトルを示している。図中、□印で示すスペクトルは、ＴＭＳｂ及びＴＥＧの照射時間を２秒間とし、ＧａＡｓよりなるキャップ層の成長速度を０．２７５ｎｍ／ｓとした試料について得られたＰＬ発光スペクトルである。■印で示すスペクトルは、ＴＭＳｂ及びＴＥＧの照射時間を２秒間とし、ＧａＡｓよりなるキャップ層の成長速度を０．１３７５ｎｍ／ｓとした試料について得られたＰＬ発光スペクトルである。これらの試料についても、量子ドットは、２．６４ＭＬ相当のＩｎＡｓを、成長速度０．０１１ＭＬ／ｓで成長することにより形成した。
【００７７】
図７に示すスペクトルから明らかなように、ＴＭＳｂを単独で照射した試料と同様に、量子ドットの成長後にＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射した試料も、標準試料と比較して、量子ドットの発光波長が長波長側にシフトしていることが分かる。具体的には、量子ドットの成長後にＴＭＳｂとＴＥＧとを照射した試料のピーク発光波長は、キャップ層の成長速度が０．１３７５ｎｍ／ｓの場合には１．３２６μｍ、キャップ層の成長速度が０．
２７５ｎｍ／ｓの場合には１．３４４μｍとなっている。ＴＭＳｂを単独で照射した試料と比較すると、発光波長は短波長側にシフトしているものの、ＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射した試料では、高い発光強度が得られている。キャップ層の成長速度が０．１３７５ｎｍ／ｓの場合には、標準試料と同程度の発光強度が得られている。
【００７８】
このように、本実施形態によれば、量子ドット層３０を成長する工程の後、キャップ層３６を成長する工程の前に、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射することにより量子ドット３２の表面を被覆するＧａＳｂ層４０を形成するので、量子ドット３２の形状を保ち、量子ドット３２の発光波長を長波長化することができる。また、本実施形態によれば、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂを単独で照射する第１実施形態による半導体装置の製造方法と比較して高い発光強度を得ることができる。
【００７９】
なお、本実施形態による半導体装置の製造方法により製造される半導体装置は、量子ドット層３０とキャップ層３６との界面に以下に述べる構造的特徴を有している。
【００８０】
すなわち、低成長速度でキャップ層３６を成長した場合であっても、量子ドット層１４とキャップ層２２との間のＧａＳｂ層４０が完全には除去されない場合がある。この場合、量子ドット層３０とキャップ層３６との間には、ＧａＳｂよりなる薄膜が残存したものとなっている。
【００８１】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による半導体装置の製造方法について図１０乃至図１３を用いて説明する。図１０は本実施形態による半導体装置の製造方法において供給する原料ガスの分圧等を示すグラフ、図１１及び図１２は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図、図１３は量子ドットのピーク発光波長及び発光強度とＴＢＡによるエッチング時間との関係を示すグラフである。なお、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同一の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【００８２】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、量子ドット層３０を成長する工程の前に、バッファ層２８の表面にＴＭＳｂを照射する工程を有する半導体装置の製造方法において、量子ドット層３０を成長する工程の後、キャップ層３６を成長する工程の前に、量子ドット層３０の表面にＴＢＡを一定時間照射し、量子ドット層３０の表面をＴＢＡによりエッチングする工程を更に有することに主たる特徴がある。
【００８３】
まず、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、ＧａＡｓ基板２６上に、ＧａＡｓよりなるバッファ層２８を成長する（図１０の時間間隔ｔ１）。
【００８４】
次いで、ＴＭＧの供給を停止し、基板温度を例えば５００℃まで徐々に降温する（図１０の時間間隔ｔ２）。この間、ＴＢＡの供給は継続する。
【００８５】
次いで、ＴＢＡの分圧を下げて、ＴＢＡの供給を継続する（図１０の時間間隔ｔ３）。この間、基板温度は例えば５００℃に維持する。
【００８６】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持しつつ、ＴＢＡの供給を停止して、ＴＭＳｂを反応室内に供給する（図１０の時間間隔ｔ４）。こうして、バッファ層２８の表面にＴＭＳｂを照射することにより、バッファ層２８の表面に、例えば１ＭＬ程度のＳｂ層４４を形成する（図１１（ａ））。量子ドットを成長する前にバッファ層２８の表面にＴＭＳｂを照射しているため、例えば５×１０１０ｃｍ−２よりも高い密度で量子ドットを成長することが可能となる。
【００８７】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持しつつ、ＴＢＡの供給を再開するとともに、ＴＭＩを反応室内に供給する（図１０の時間間隔ｔ５）。こうして、バッファ層２８上に、ＩｎＡｓよりなる量子ドット層３０を成長する。ＩｎＡｓとバッファ層２８のＧａＡｓとは格子定数が異なるため、量子ドット層３０には、Ｓ−Ｋモードにより量子ドット３２が形成される（図１１（ｂ））。
【００８８】
量子ドット層３０が成長する間、バッファ層２８の表面のＳｂは、量子ドット層３０の材料であるＩｎＡｓのＡｓと相互拡散し、量子ドット層３０の表面に析出していく。こうして、量子ドット層３０の表面に、ＩｎＳｂ層４６が形成される（図１１（ｃ））。
【００８９】
次いで、ＴＭＩの供給を停止する一方、ＴＢＡの供給を継続する（図１０の時間間隔ｔ６）。この間、基板温度は例えば５００℃に維持する。
【００９０】
次いで、分圧を上げてＴＢＡの供給を継続する（図１０の時間間隔ｔ７）。こうして、ＩｎＳｂ層４６が形成された量子ドット層３０の表面にＴＢＡを一定時間照射し、量子ドット層３０の表面をＴＢＡによりエッチングする（図１２（ａ））。これにより、量子ドット層３０の表面のＩｎＳｂ層４６が除去される（図１２（ｂ））。
【００９１】
このように、本実施形態による半導体装置の製造方法は、ＩｎＳｂ層４６が形成された量子ドット層３０の表面にＴＢＡを一定時間照射し、量子ドット層３０の表面をＴＢＡによりエッチングすることに主たる特徴がある。ＴＢＡによるエッチングによりＩｎＳｂ層４６が除去されるため、量子ドット３２の欠陥を低減し、量子ドット３２の結晶品質を向上することができる。
【００９２】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持したまま、分圧を下げてＴＢＡの供給を継続するとともに、ＴＥＧを反応室内に供給する（図１０の時間間隔ｔ８）。これにより、量子ドット層３０上に、量子ドット３２を埋め込むようにＧａＡｓよりなるキャップ層３６を成長する（図１２（ｃ））。
【００９３】
図１３は、量子ドットのピーク発光波長及び発光強度とＴＢＡによるエッチング時間との関係を示すグラフである。グラフの横軸はＴＢＡによるエッチング時間を示している。グラフの左側縦軸はピーク発光波長を示し、右側縦軸は発光強度を示している。▲印、△印のプロットは、量子ドットの成長前にＴＭＳｂの照射を１秒間行った試料について得られた量子ドットのピーク発光波長、発光強度をそれぞれ示している。■印、□印のプロットは、量子ドットの成長前にＴＭＳｂの照射を行っていない標準試料について得られた量子ドットのピーク発光波長、発光強度をそれぞれ示している。なお、キャップ層の成長速度は、各試料について共通の０．５５ｎｍ／ｓとした。
【００９４】
図１３に示すように、量子ドットの成長前にＴＭＳｂの照射を行った試料の場合、ＴＢＡによるエッチングを行わないと、量子ドットの発光強度は標準試料の場合の約３００分の１と非常に小さくなっている。このようなＴＭＳｂの照射を行った試料に対してＴＢＡによるエッチングを行うと、ＴＢＡによるエッチング時間が長くなるに従って、その量子ドットの発光強度は増加している。そして、ＴＢＡによるエッチングを２０秒間以上行った場合、量子ドットの発光強度は、標準試料の場合の約２分の１にまで増加している。
【００９５】
ＴＢＡによるエッチングを行うことで発光強度が増加することから、量子ドットの表面に析出したＳｂに起因する欠陥が低減され、量子ドットの結晶品質が向上しているものと考えられる。
【００９６】
このように、本実施形態によれば、量子ドット層３０を成長する工程の前に、バッファ層２８の表面にＴＭＳｂを照射する工程を有する半導体装置の製造方法において、量子ドット３２を成長する工程の後、キャップ層３６を成長する工程の前に、量子ドット層３０の表面にＴＢＡを一定時間照射し、量子ドット層３０の表面をＴＢＡによりエッチングすることによりＩｎＳｂ層４６を除去するので、高い結晶品質を有する量子ドット３２を高密度に形成することができる。
【００９７】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による半導体装置の製造方法について図１４及び図１５を用いて説明する。図１４はキャップ層の成長速度が異なる試料について得られた量子ドットの室温でのＰＬ発光スペクトルを示すグラフ、図１５は本実施形態による半導体装置の製造方法におけるＳｂの拡散を説明する概略断面図である。なお、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【００９８】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、量子ドット層３０を成長した後のキャップ層３６を成長する工程において、量子ドット層３０の表面のＳｂがキャップ層３６の最表面に拡散するのに十分な成長速度、具体的には０．２７５ｎｍ／ｓ以下の成長速度でキャップ層３６を成長することに主たる特徴がある。
【００９９】
図１４は、キャップ層の成長速度が異なる試料について得られた量子ドットの室温でのＰＬ発光スペクトルを示すグラフである。
【０１００】
ＰＬ発光スペクトルの測定に用いた試料は、表面にＳｂが析出した量子ドット上にＧａＡｓよりなるキャップ層を成長したものである。量子ドットは、表面にＴＭＳｂを１秒間照射したＧａＡｓよりなるバッファ層上に、２．６４ＭＬ相当のＩｎＡｓを、成長速度０．０１１ＭＬ／ｓで成長することにより形成した。なお、標準試料として、バッファ層の表面にＴＭＳｂを照射せずに量子ドットを形成した試料を用意した。
【０１０１】
図中、□印で示すスペクトルは、表面にＳｂが析出した量子ドット上に成長速度０．２７５ｎｍ／ｓでキャップ層を成長した試料について得られたＰＬ発光スペクトルである。■印で示すスペクトルは、表面にＳｂが析出した量子ドット上に成長速度０．５５ｎｍ／ｓでキャップ層を成長した試料について得られたＰＬ発光スペクトルである。破線で示すスペクトルは、量子ドット上に成長速度０．２７５ｎｍ／ｓでキャップ層を成長した標準試料について得られたＰＬ発光スペクトルである。
【０１０２】
図１４から明らかなように、表面にＳｂが析出した量子ドット上に成長速度０．５５ｎｍ／ｓでキャップ層を成長した試料の場合、標準試料と比較して発光波長は長波長側にシフトしている。しかし、その発光強度は、標準試料の約９００分の１となっている。
【０１０３】
これに対して、キャップ層の成長速度を遅くし、表面にＳｂが析出した量子ドット上に成長速度０．２７５ｎｍ／ｓでキャップ層を成長した試料の場合、発光強度は、キャップ層の成長速度が同じである標準試料と同程度或いはそれ以上に増加している。また、その発光波長は、標準試料と比較して長波長側にシフトしたままとなっている。
【０１０４】
上記の結果は、量子ドットの表面のＳｂの拡散が、キャップ層の成長速度による影響を受けているためであると考えられる。
【０１０５】
図１５（ａ）は、成長速度０．５５ｎｍ／ｓでキャップ層を成長した場合におけるＳｂの状態を示す概略断面図である。
【０１０６】
キャップ層３６の成長速度が０．５５ｎｍ／ｓの場合、量子ドット３２の表面のＳｂは、成長速度が速いために、キャップ層３６の材料であるＧａＡｓのＡｓと効率よく相互拡散することができない。このため、Ｓｂは、量子ドット３２の表面にとどまっている。
【０１０７】
このようにキャップ層３６の成長速度が速い場合に抑制されるＳｂとＡｓとの相互拡散は、キャップ層３６の成長速度を遅くすることにより促進される。
【０１０８】
そして、キャップ層の３６の成長速度が０．２７５ｎｍ／ｓの場合には、Ｓｂがキャップ層３６の最表面まで拡散していると考えられる。この場合、Ｓｂの状態としては、図１５（ｂ）又は図１５（ｃ）に示す状態が考えられる。図１５（ｂ）、図１５（ｃ）は、成長速度０．２７５ｎｍ／ｓでキャップ層を成長した場合におけるＳｂの状態を示す概略断面図である。
【０１０９】
まず、図１５（ｂ）に示すように、キャップ層３６の最表面まで拡散したＳｂと、キャップ層３６中に残留したＳｂとが混在している状態が考えられる。
【０１１０】
または、図１５（ｃ）に示すように、Ｓｂが完全にキャップ層の３６の最表面まで拡散している状態が考えられる。
【０１１１】
このように、０．２７５ｎｍ／ｓ又はそれ以下の低成長速度でキャップ層３６を成長することにより、量子ドット３２の表面のＳｂがキャップ層３６の最表面に拡散する。これにより、量子ドット３２の結晶品質が向上し、高い発光強度が実現される。
【０１１２】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、量子ドット層３０を成長した後のキャップ層３６を成長する工程において、量子ドット３２の表面のＳｂがキャップ層３６の最表面に拡散するのに十分な０．２７５ｎｍ／ｓ以下の成長速度でキャップ層３６を成長するので、量子ドット３２の結晶品質を向上し、高い発光強度を実現することができる。
【０１１３】
なお、第１及び第２実施形態による半導体装置の製造方法においても、上記と同様に、０．２７５ｎｍ／ｓ以下の成長速度でキャップ層３６を成長してもよい。これにより、量子ドット層３０の表面にＳｂ又はＧａＳｂを照射した場合においても、量子ドット３２の結晶品質を向上し、高い発光強度を実現することができる。
【０１１４】
また、第３実施形態による半導体装置の製造方法においても、上記と同様に、０．２７５ｎｍ／ｓ以下の成長速度でキャップ層３６を成長してもよい。これにより、量子ドット層３０の表面のＳｂを更に確実に除去することができ、量子ドット３２の結晶品質を向上し、高い発光強度を実現することができる。
【０１１５】
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による半導体装置の製造方法について図１６乃至図１８を用いて説明する。図１６は本実施形態による半導体装置の製造方法において供給する原料ガスの分圧等を示すグラフ、図１７及び図１８は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。なお、第１乃至第４実施形態による半導体装置の製造方法と同様の構成要素については説明を省略し或いは簡略にする。
【０１１６】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、第３実施形態による半導体装置の製造方法において、ＴＢＡを一定時間照射する工程の後、キャップ層３６を成長する工程の前に、第２実施形態による半導体装置の製造方法と同様に量子ドット３２の表面にＧａＳｂを照射する工程を有するものである。さらに、キャップ層３６を成長する工程においては、第４実施形態による半導体装置の製造方法と同様に低成長速度でキャップ層３６を成長する。
【０１１７】
まず、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、ＧａＡｓ基板２６上に、ＧａＡｓよりなるバッファ層２８を成長する（図１６の時間間隔ｔ１）。
【０１１８】
次いで、ＴＭＧの供給を停止し、基板温度を例えば５００℃まで徐々に降温する（図１６の時間間隔ｔ２）。この間、ＴＢＡの供給は継続する。
【０１１９】
次いで、ＴＢＡの分圧を下げて、ＴＢＡの供給を継続する（図１６の時間間隔ｔ３）。この間、基板温度は例えば５００℃に維持する。
【０１２０】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持しつつ、ＴＢＡの供給を停止して、ＴＭＳｂを反応室内に供給する（図１６の時間間隔ｔ４）。こうして、バッファ層２８の表面にＴＭＳｂを照射することにより、バッファ層２８の表面に、例えば１ＭＬ程度のＳｂ層４４を形成する（図１７（ａ））。量子ドットを成長する前にバッファ層２８の表面にＴＭＳｂを照射しているため、例えば５×１０１０ｃｍ−２よりも高い密度で量子ドットを成長することが可能となる。
【０１２１】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持しつつ、ＴＢＡの供給を再開するとともに、ＴＭＩを反応室内に供給する（図１６の時間間隔ｔ５）。こうして、バッファ層２８上に、ＩｎＡｓよりなる量子ドット層３０を成長する。ＩｎＡｓとバッファ層２８のＧａＡｓとは格子定数が異なるため、量子ドット層３０には、Ｓ−Ｋモードにより量子ドット３２が形成される（図１７（ｂ））。
【０１２２】
量子ドット層３０が成長する間、バッファ層２８の表面のＳｂは、量子ドット層３０の材料であるＩｎＡｓのＡｓと相互拡散し、量子ドット層３０の表面に析出していく。こうして、量子ドット層３０の表面に、ＩｎＳｂ層４６が形成される（図１７（ｃ））。
【０１２３】
次いで、ＴＭＩの供給を停止する一方、ＴＢＡの供給を継続する（図１６の時間間隔ｔ６）。この間、基板温度は例えば５００℃に維持する。
【０１２４】
次いで、分圧を上げてＴＢＡの供給を継続する（図１６の時間間隔ｔ７）。こうして、ＩｎＳｂ層４６が形成された量子ドット層３０の表面にＴＢＡを一定時間照射し、量子ドット層３０の表面をＴＢＡによりエッチングする（図１７（ｄ））。これにより、量子ドット層３０の表面のＩｎＳｂ層４６が除去される（図１８（ａ））。第３実施形態による半導体装置の製造方法と同様に、ＴＢＡによるエッチングによりＩｎＳｂ層４６が除去されるため、量子ドット３２の欠陥を低減し、量子ドット３２の結晶品質を向上することができる。
【０１２５】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持しつつ、ＴＢＡの供給を停止して、ＴＭＳｂとＴＥＧとを反応室内に供給する（図１６の時間間隔ｔ８）。こうして、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射することにより、量子ドット層３０の表面にＧａＳｂ層４０を形成する（図１８（ｂ））。第２実施形態による半導体装置の製造方法と同様に、キャップ層３６を成長する工程の前に、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射するので、量子ドット３２の発光波長を長波長化するとともに、高い発光強度を得ることができる。なお、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様に、ＴＭＳｂを単独で照射してもよい。
【０１２６】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持したまま、ＴＢＡの供給を再開するとともに、ＴＥＧの供給を継続する（図１６の時間間隔ｔ９）。これにより、量子ドット層３０上に、量子ドット３２を埋め込むようにＧａＡｓよりなるキャップ層３６を成長する（図１８（ｃ））。
【０１２７】
キャップ層３６が成長する間、量子ドット層３０の表面に形成されたＧａＳｂ層４０のＳｂは、キャップ層３６の材料であるＧａＡｓのＡｓと相互拡散し、キャップ層３６の表面に析出していく。こうして、キャップ層３６の表面に、ＧａＳｂ層４２が形成される。
【０１２８】
ここで、キャップ層３６は、第４実施形態による半導体装置の製造方法と同様に、例えば０．２７５ｎｍ／ｓ以下の成長速度で成長する。量子ドット３２の表面のＳｂがキャップ層３６の最表面に拡散するのに十分な成長速度でキャップ層３６を成長するので、量子ドット３２の結晶品質を向上し、高い発光強度を実現することができる。
【０１２９】
こうして、本実施形態による半導体装置の製造方法により製造された半導体装置における量子ドット３２は、密度が例えば５×１０１０ｃｍ−２以上であり、発光波長が例えば１．３μｍ以上の長波長となっている。
【０１３０】
［第６実施形態］
本発明の第６実施形態による半導体装置及びその製造方法について図１９乃至図２１を用いて説明する。図１９は本実施形態による半導体装置の構造を示す断面図、図２０及び図２１は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。なお、第５実施形態による半導体装置の製造方法と同様の構成要素については説明を省略し或いは簡略にする。
【０１３１】
本実施形態では、第５実施形態による半導体装置の製造方法より成長した量子ドット３２を半導体レーザの活性層に適用したリッジ型の量子ドットレーザについて説明する。
【０１３２】
ｎ−ＧａＡｓ基板５０上に、例えば不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３のｎ−ＧａＡｓよりなるバッファ層５２が形成されている。ｎ−ＧａＡｓ基板５０に導入されているｎ型不純物の濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３となっている。バッファ層５２に導入されているｎ型不純物の濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３となっている。
【０１３３】
バッファ層５２上には、ｎ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓよりなる下部クラッド層５４が形成されている。下部クラッド層５４に導入されているｎ型不純物の濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３となっている。下部クラッド層５４の膜厚は、例えば３μｍとなっている。
【０１３４】
下部クラッド層５４上には、活性層５６が形成されている。活性層５６の膜厚は、例えば０．５μｍとなっている。活性層５６には、第５実施形態による半導体装置の製造方法により成長した量子ドット層３０とキャップ層３６との積層膜が３層繰り返して形成されている。繰り返し形成された量子ドット層３０の間隔は、例えば３０ｎｍとなっている。各量子ドット層３０の量子ドット３２は、密度が例えば５×１０１０ｃｍ−２以上であり、具体的には７×１０１０ｃｍ−２となっている。さらに、発光波長が例えば１．３μｍ以上の長波長となっている。
【０１３５】
活性層５６上には、ｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓよりなる上部クラッド層５８が形成されている。上部クラッド層５８に導入されているｐ型不純物の濃度は、５×１０１７ｃｍ−３となっている。上部クラッド層５８の膜厚は、例えば３μｍとなっている。
【０１３６】
上部クラッド層５８上には、ｐ−ＧａＡｓよりなるコンタクト層６０が形成されている。コンタクト層６０に導入されているｐ型不純物の濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３となっている。コンタクト層６０の膜厚は、例えば０．５μｍとなっている。
【０１３７】
コンタクト層６０及び上部クラッド層５８は例えば幅３μｍのストライプ状に加工されており、レーザの横モードを安定させるリッジ構造が形成されている。
【０１３８】
コンタクト層６０上には、ｐ側電極６２が形成されている。
【０１３９】
ｎ−ＧａＡｓ基板５０の裏面には、ｎ側電極６４が形成されている。
【０１４０】
こうして、本実施形態による半導体装置が構成されている。
【０１４１】
本実施形態による半導体装置は、活性層５６に、第５実施形態による半導体装置の製造方法により成長した量子ドット層３０を３層有している。各量子ドット層３０の量子ドット３２は、密度が例えば５×１０１０ｃｍ−２以上であり、具体的には７×１０１０ｃｍ−２となっている。したがって、例えば１０Ｇｂｐｓの高速直接変調を実現することができる。
【０１４２】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図２０及び図２１を用いて説明する。
【０１４３】
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板５０上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、例えば不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３のｎ−ＧａＡｓよりなるバッファ層５２を成長する。ｎ−ＧａＡｓ基板５０に導入されているｎ型不純物の濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３とする。バッファ層５２に導入するｎ型不純物の濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３とする。
【０１４４】
次いで、バッファ層５２上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、ｎ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓよりなる下部クラッド層５４を成長する（図２０（ａ））。下部クラッド層５４に導入するｎ型不純物の濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３とする。下部クラッド層５４の膜厚は、例えば３μｍとする。
【０１４５】
次いで、下部クラッド層５４上に、第５実施形態による半導体装置の製造方法により、量子ドット層３０とキャップ層３６との積層膜を３層繰り返して形成する。
【０１４６】
ここで、第２層目の量子ドット層３０の下地層となる第１層目のキャップ層３６の表面には、Ｓｂが析出し、ＧａＳｂ層４２が形成される。したがって、第２層目の量子ドット層３０を成長する前に第１層目のキャップ層３６の表面にＴＭＳｂを照射する工程は省略してもよい。なお、第１層目のキャップ層３６の表面に形成されたＧａＳｂ層４２を除去してから、その表面にＴＭＳｂを照射した上で、第２層目の量子ドット層３０を成長してもよい。
【０１４７】
同様に、第３層目の量子ドット層３０の下地層となる第２層目のキャップ層３６の表面にも、Ｓｂが析出し、ＧａＳｂ層４２が形成される。したがって、第３層目の量子ドット層３０を成長する前に第２層目のキャップ層３６の表面にＴＭＳｂを照射する工程も省略してもよい。なお、第２層目のキャップ層３６の表面に形成されたＧａＳｂ層４２を除去してから、その表面にＴＭＳｂを照射した上で、第３層目の量子ドット層３０を成長してもよい。
【０１４８】
こうして、下部クラッド層５４上に、第５実施形態による半導体装置の製造方法により成長した量子ドット層３０とキャップ層３６との積層膜が３層繰り返して形成された活性層５４を形成する（図２０（ｂ））。活性層５４の膜厚は、例えば０．５μｍとする。また、キャップ層３６の膜厚を適宜設定することにより、量子ドット層３０の間隔を例えば３０ｎｍとする。
【０１４９】
次いで、活性層５６上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、ｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓよりなる上部クラッド層５８を成長する。上部クラッド層５８に導入するｐ型不純物の濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３とする。上部クラッド層５８の膜厚は、例えば３μｍとする。
【０１５０】
次いで、上部クラッド層５８上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、ｐ−ＧａＡｓよりなるコンタクト層６０を成長する（図２０（ｃ））。コンタクト層６０に導入するｐ型不純物の濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３とする。コンタクト層６０の膜厚は、例えば０．５μｍとする。
【０１５１】
次いで、コンタクト層６０及び上部クラッド層５８を、活性層５６上に上部クラッド層５８が１００ｎｍ程度残存するように例えば幅３μｍのストライプ状に加工する（図２１（ａ））。
【０１５２】
次いで、コンタクト層６０上にｐ側電極６２を形成し、ＧａＡｓ基板５０の裏面にｎ側電極６４を形成する（図２１（ｂ））。
【０１５３】
こうして、本実施形態による半導体装置が製造される。
このように、本実施形態によれば、第５実施形態による半導体装置の製造方法により成長した量子ドット３２を活性層５６に適用するので、高速直接変調を実現することができる量子ドットレーザを提供することができる。
【０１５４】
［第７実施形態］
本発明の第７実施形態による半導体装置及びその製造方法について図２２乃至図２９を用いて説明する。図２２は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略図、図２３、図２４、図２６及び図２９は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図、図２５は本実施形態による半導体装置の製造方法において複数層の量子ドット層を成長する際の各量子ドット層の成長時のＶ／III比の下限値及び上限値を示すグラフ、図２７及び図２８は上部クラッド層の成長温度と上部クラッド層表面の二乗平均粗さとの関係、及び量子ドット層のアニール温度と量子ドットの発光のブルーシフトとの関係を示すグラフである。なお、第５実施形態による半導体装置の製造方法と同様の構成要素については説明を省略し或いは簡略にする。
【０１５５】
本実施形態では、第６実施形態と同様に、第５実施形態による半導体装置の製造方法より成長した量子ドット３２を半導体レーザの活性層に適用したリッジ型の量子ドットレーザについて説明する。
【０１５６】
まず、本実施形態による半導体装置の構造について図２２を用いて説明する。図２２（ａ）は本実施形態による半導体装置の構造を示す断面図、図２２（ｂ）は本実施形態による半導体装置における活性層を示す拡大断面図である。
【０１５７】
図２２（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板６６上には、ｎ−ＡｌＧａＡｓよりなるｎ型の下部クラッド層６８が形成されている。ｎ−ＧａＡｓ基板６６に導入されているｎ型不純物の濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３となっている。下部クラッド層６８の組成は、例えばＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓとなっている。下部クラッド層６８に導入されているｎ型不純物の濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３となっている。下部クラッド層６８の膜厚は、例えば１〜３μｍとなっている。なお、下部クラッド層６８は、第６実施形態による半導体装置と同様に、ｎ−ＧａＡｓよりなるバッファ層を介してｎ−ＧａＡｓ基板６６上に形成してもよい。
【０１５８】
下部クラッド層６８上には、ＧａＡｓよりなるＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）層７０が形成されている。ＳＣＨ層７０の膜厚は、例えば４０ｎｍとなっている。
【０１５９】
ＳＣＨ層７０上には、活性層７２が形成されている。活性層７２には、図２２（ｂ）に示すように、第５実施形態による半導体装置の製造方法により成長したＩｎＡｓよりなる量子ドット層３０とＧａＡｓよりなるキャップ層３６との積層膜が複数層、例えば５〜１０層繰り返して形成されている。キャップ層３６は、バリア層として機能する。第１層目の量子ドット層３０とＳＣＨ層７０との間には、ＧａＡｓよりなるバリア層７１が形成されている。バリア層７１及びキャップ層３６の膜厚は、それぞれ例えば４０ｎｍとなっている。図２２（ｂ）では、ＧａＳｂ層４２（図１８（ｃ）参照）を省略している。
【０１６０】
なお、量子ドット層３０とキャップ層３６との間には、量子ドット３２を含む量子ドット層３０を覆うＩｎＧａＡｓよりなる応力緩和層を形成してもよい。この場合、応力緩和層の組成は、例えばＩｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓとする。
【０１６１】
本実施形態では、ＭＯＣＶＤ法によりｎ層（ｎは２以上の整数）のＩｎＡｓよりなる量子ドット層３０を成長する際に、第ｉ層目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１を満たす整数）の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を高く設定している。これにより、複数層の量子ドット層３０が、欠陥を生じることなく、量子ドット３２のサイズ分布及び密度を層間で均一に保たれた状態で繰り返して形成されている。この点については後述する。
【０１６２】
活性層７２上には、図２２（ａ）に示すように、ＧａＡｓよりなるＳＣＨ層７４が形成されている。ＳＣＨ層７４の膜厚は、例えば４０ｎｍとなっている。
【０１６３】
ＳＣＨ層７４上には、ｐ−ＡｌＧａＡｓよりなるｐ型の上部クラッド層７６が形成されている。上部クラッド層７６の組成は、例えばＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓとなっている。上部クラッド層７６に導入されているｐ型不純物の濃度は、例えば５×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３となっている。上部クラッド層７６の膜厚は、例えば１〜３μｍとなっている。
【０１６４】
上部クラッド層７６上には、ｐ−ＧａＡｓよりなるコンタクト層７８が形成されている。コンタクト層７８に導入されているｐ型不純物の濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３となっている。コンタクト層７８の膜厚は、例えば０．５μｍとなっている。
【０１６５】
コンタクト層７８及び上部クラッド層７６は例えば幅３μｍのストライプ状に加工されており、レーザの横モードを安定させるリッジ構造が形成されている。
【０１６６】
コンタクト層７８上には、ｐ側電極８０が形成されている。
【０１６７】
ｎ−ＧａＡｓ基板６６の裏面には、ｎ側電極８２が形成されている。
【０１６８】
こうして、本実施形態による半導体装置が構成されている。
【０１６９】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図２３乃至図２９を用いて説明する。
【０１７０】
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板６６上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＡｌＧａＡｓよりなるｎ型の下部クラッド層６８を成長する（図２３（ａ））。ｎ−ＧａＡｓ基板６６に導入されているｎ型不純物の濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３とする。下部クラッド層６８の組成は、例えばＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓとする。下部クラッド層６８に導入するｎ型不純物の濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３とする。下部クラッド層６８の膜厚は、例えば１〜３μｍとする。また、下部クラッド層６８の成長時のＧａ原料としては、ＴＭＧを用いる。
【０１７１】
次いで、下部クラッド層５４上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＡｓよりなるＳＣＨ層７０を成長する（図２３（ｂ））。ＳＣＨ層７０の膜厚は、例えば４０ｎｍとする。
【０１７２】
次いで、ＳＣＨ層７０上に、第５実施形態による半導体装置の製造方法により、量子ドット層３０とキャップ層３６との積層膜を複数層、例えば５〜１０層繰り返して形成する。これにより、複数層の量子ドット層３０を含む活性層７２を形成する（図２３（ｃ））。
【０１７３】
ここで、活性層７２の形成方法について図２４及び図２５を用いて詳述する。
【０１７４】
まず、ＳＣＨ層７０上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＡｓよりなるバリア層７１を成長する（図２４（ａ））。バリア層７１の膜厚は、例えば４０ｎｍとする。
【０１７５】
次いで、第５実施形態による半導体装置の製造方法により、量子ドット層３０と、バリア層として機能するキャップ層３６との積層膜を複数層、例えば５〜１０層繰り返して形成する。キャップ層３６の膜厚、すなわち量子ドット層３０の間隔は例えば４０ｎｍとする。
【０１７６】
なお、各量子ドット層３０を成長した後、キャップ層３６を成長する前に、量子ドット３２を含む量子ドット層３０を覆うＩｎＧａＡｓよりなる応力緩和層を形成してもよい。この場合、応力緩和層の組成は、例えばＩｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓとする。
【０１７７】
本実施形態では、ＭＯＣＶＤ法によりｎ層（ｎは２以上の整数）のＩｎＡｓよりなる量子ドット層３０を成長する際に、第ｉ層目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１を満たす整数）の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を高く設定する。こうして、量子ドット層３０の層数が増加するに従って量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を徐々に高くしていく。ここで、量子ドット層３０の成長時のＶ／III比とは、量子ドット層３０を成長する際にＭＯＣＶＤ装置の反応室内に供給するIII族原料の供給量に対するＶ族原料の供給量の比のことをいい、本実施形態では、ＴＭＩの供給量に対するＴＢＡの供給量の比のことをいう。
【０１７８】
このように量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を設定する場合において、各量子ドット層３０の成長時のＶ／III比は、図２５に示す範囲内で設定する。図２５は、本実施形態による半導体装置の製造方法において複数層の量子ドット層３０を成長する際の各量子ドット層３０の成長時のＶ／III比の下限値及び上限値を示すグラフである。グラフの縦軸はＶ／III比を示し、横軸は量子ドット層３０の層番号、すなわち第何層目の量子ドット層３０であるかを示している。グラフ中、◆印はＶ／III比の下限値を示し、■印はＶ／III比の上限値を示している。
【０１７９】
図２５に示すように、第１層目の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比は、０．１〜０．８に設定する。
【０１８０】
また、第２層目の量子ドット層３０の成長時の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比は、１．３〜３．６に設定する。
【０１８１】
また、第３層目の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比は、１．８〜４．０に設定する。
【０１８２】
また、第４層目以降の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比は、１．８〜４．０に設定する。
【０１８３】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、ＭＯＣＶＤ法によりｎ層（ｎは２以上の整数）のＩｎＡｓよりなる量子ドット層３０を成長する際に、第ｉ層目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１を満たす整数）の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を高く設定し、量子ドット層３０の層数が増加するに従って量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を徐々に高くしていくことに主たる特徴の一つがある。
【０１８４】
このように量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を設定することにより、欠陥を生じることなく、量子ドット３２のサイズ分布及び密度を層間で均一に保ちつつ、複数層の量子ドット層３０を繰り返して形成することができる。
【０１８５】
なお、図２５に示す量子ドット層３０の成長時のＶ／III比の下限値及び上限値は、以下に述べるように、複数層の量子ドット層３０を繰り返して形成する上で重要な意義を有している。
【０１８６】
まず、或る量子ドット層３０の成長時のＶ／III比が下限値を下回ると、その量子ドット層３０に含まれる量子ドット３２は、密度が大きくなるものの、サイズ分布が急激に広がるとともに、平均サイズが急激に小さくなってしまう。この結果、その量子ドット層３０に含まれる量子ドット３２の特性は、下層の量子ドット層３０、特に第１層目の量子ドット層３０に含まれる量子ドット３２の特性と大きく異なってしまう。量子ドットレーザに用いる量子ドットには、均一なサイズ分布及び発光波長１．３μｍの実現に充分な大きさのサイズが要求される。このため、下限値を下回るＶ／III比で成長された量子ドット３２は、量子ドットレーザに不適である。
【０１８７】
また、或る量子ドット層３０の成長時のＶ／III比が上限値を上回ると、その量子ドット層３０において、合体した島状体の密度が急激に増加する。これら巨大な島状体は、塑性的に緩和しており、転位が生じている。このため、量子ドット層３０には非発光再結合中心が導入され、その光学的な特性は大きく劣化することになる。加えて、巨大な島状体は、複数の量子ドット層３０を繰り返し形成することの妨げとなる。
【０１８８】
本実施形態では、各量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を図２５に示す下限値及び上限値の範囲内で設定するので、量子ドットレーザに好適な量子ドット３２を含む量子ドット層３０を複数層繰り返して形成することができる。
【０１８９】
こうして複数層の量子ドット層３０が繰り返して形成された活性層７２を形成した後、活性層７２上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＡｓよりなるＳＣＨ層７４を成長する（図２６（ａ））。ＳＣＨ層７４の膜厚は、例えば４０ｎｍとする。
【０１９０】
次いで、ＳＣＨ層７４上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｐ−ＡｌＧａＡｓよりなるｐ型の上部クラッド層７６を成長する。上部クラッド層７６の組成は、例えばＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓとする。上部クラッド層７６に導入するｐ型不純物の濃度は、例えば５×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３とする。上部クラッド層７６の膜厚は、例えば１〜３μｍとする。また、上部クラッド層７６の成長条件は、基板温度すなわち成長温度を６１０〜６６０℃とし、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に供給する原料ガスには、Ａｌ原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を、Ｇａ原料としてＴＭＧを、Ａｓ原料としてＴＢＡを用いる。
【０１９１】
このように、本実施形態による半導体装置の製造方法は、成長温度を６１０〜６６０℃とし、Ｇａ原料としてＴＭＧをＭＯＣＶＤ装置の反応室内に供給して上部クラッド層７６を成長することにも主たる特徴の一つがある。
【０１９２】
ここで、上部クラッド層７６の成長温度と、上部クラッド層７６表面の二乗平均粗さ及び量子ドット３２の発光のブルーシフトとの関係について図２７及び図２８を用いて説明する。
【０１９３】
図２７は、ＡｌＧａＡｓよりなる上部クラッド層の成長温度と上部クラッド層表面の二乗平均粗さとの関係、及び量子ドット層のアニール温度と量子ドットの発光のブルーシフトとの関係を示すグラフである。なお、図２７は、量子ドットを含む量子ドット層を覆うＩｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓよりなる応力緩和層を形成していない場合を示している。キャップ層の膜厚は４０ｎｍとし、本発明により５層の量子ドット層を繰り返して形成している。量子ドットの基底状態でのピーク発光波長は、１．２８μｍである。グラフの右側縦軸は上部クラッド層表面の二乗平均粗さを示し、左側縦軸は量子ドットの発光のブルーシフトを示し、グラフの横軸は、二乗平均粗さに対して上部クラッド層の成長温度を示し、発光のブルーシフトに対して量子ドット層のアニール温度を示している。グラフ中、■印は上部クラッド層表面の二乗平均粗さを示し、◆印は量子ドットの発光のブルーシフトを示している。
【０１９４】
量子ドットレーザを構成する結晶の表面形態の品質は、そのレーザの性能を左右する極めて重要な要素の一つである。すなわち、結晶表面は、できるだけ平坦であることが望ましい。この結晶形態の品質は、結晶の成長温度を増加することにより劇的に改善する。
【０１９５】
図２７に示すように、６００℃以下の成長温度で膜厚１．０〜１．４μｍのＡｌＧａＡｓよりなる上部クラッド層を形成した場合、上部クラッド層の表面は、二乗平均粗さが５ｎｍを超える非常に粗いものになっている。
【０１９６】
これに対して、成長温度が６１０℃の場合、上部クラッド層表面の粗さは劇的に改善され、二乗平均粗さは２ｎｍ程度になっている。さらに、成長温度が６２０℃以上の場合には、上部クラッド層の表面は、二乗平均粗さが０．４ｎｍ以下の平坦なものになっている。成長温度が６４０℃以上の場合には、二乗平均粗さが０．２ｎｍ程度の非常に平坦なものになっている。
【０１９７】
本実施形態では、６１０℃以上の成長温度で上部クラッド層７６を成長するので、結晶品質が高く平坦な上部クラッド層７６を成長することができる。これにより、ＳＣＨ層７４と上部クラッド層７６との界面の粗さ及び上部クラッド層７６と後工程で成長するコンタクト層７８との界面の粗さを低減することができる。これにより、量子ドットレーザにおける光の散乱損失を低減することができる。
【０１９８】
また、以下に述べるように、本実施形態では、このように比較的高温の成長温度で上部クラッド層７６を成長しても、量子ドット３２が破壊されたり量子ドット３２の発光特性が劣化したりすることもない。
【０１９９】
上部クラッド層の成長時においては、量子ドットを含む活性層は、非常に高い温度にアニールされることになる。
【０２００】
Ｓｂを用いずにＩｎＡｓよりなる量子ドットとＧａＡｓよりなるキャップ層とを成長する従来の成長方法の場合、量子ドットが非常に高い温度にアニールされると、量子ドットの発光波長が短波長側にシフトする、すなわちブルーシフトすることになる。さらには、量子ドットが破壊されることがある。
【０２０１】
これに対して、Ｓｂを用いてＩｎＡｓよりなる量子ドットとＧａＡｓよりなるキャップ層とを成長する本発明の場合は、アニールの影響を受けることは殆どなく、量子ドットが非常に高い温度にアニールされても、量子ドットの発光波長がブルーシフトすることはなく、量子ドットが破壊されることもない。
【０２０２】
図２７では、膜厚１．４μｍのＡｌＧａＡｓよりなる上部クラッド層を成長速度約０．８ｎｍ／ｓで成長した場合に相当する３０分間の処理時間でアニール処理を行った場合の本発明による量子ドットの発光のブルーシフトを示している。ここで、量子ドットの発光のブルーシフトとは、アニール処理前後での量子ドットの発光波長のピークの差を意味している。発光のブルーシフトの値０は、アニール処理前後で量子ドットのピーク発光波長に変化がないことを意味している。負の値は、量子ドットのピーク発光波長がブルーシフトしていることを意味し、その絶対値が大きいほどシフト量が大きいことを示している。
【０２０３】
図２７から、６６０℃のアニール温度までは、量子ドットのピーク発光波長はブルーシフトしていないことが分かる。これに対して、６７０℃以上のアニール温度では、量子ドットのピーク発光波長が７０ｎｍ以上ブルーシフトしていることが分かる。
【０２０４】
本実施形態では、６６０℃以下の成長温度で上部クラッド層７６を成長するため、上部クラッド層７６の成長時に、活性層７２に含まれる量子ドット３２のピーク発光波長がブルーシフトすることはない。
【０２０５】
このように、本実施形態では、６１０〜６６０℃の成長温度でＡｌＧａＡｓよりなる上部クラッド層７６を成長するので、量子ドット３２の発光特性の劣化や量子ドット３２の破壊を招くことなく、結晶品質が高く平坦な上部クラッド層７６を成長することができる。
【０２０６】
なお、量子ドットの発光のブルーシフトは、量子ドットの被覆状態に依存することが分かっている。
【０２０７】
図２８は、量子ドットを含む量子ドット層を覆うＩｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓよりなる応力緩和層を形成した場合について、図２７と同様に、量子ドット層のアニール温度と量子ドットの発光のブルーシフトとの関係を示している。図２８に示す場合の量子ドット層の積層構造は、応力緩和層を形成している点を除いて図２７に示す場合と同様である。この場合の量子ドットの基底状態でのピーク発光波長は、１．３０５μｍである。
【０２０８】
図２８から、応力緩和層を形成した場合、６４０℃のアニール温度までは、量子ドットのピーク発光波長はブルーシフトしていないことが分かる。これに対して、６５０℃以上のアニール温度では、量子ドットのピーク発光波長が７０ｎｍ以上ブルーシフトしていることが分かる。
【０２０９】
したがって、量子ドット３２を含む量子ドット層３０を覆う応力緩和層を形成する場合には、上部クラッド層７６の成長温度を６１０〜６４０℃に設定することが望ましい。
【０２１０】
こうして上部クラッド層７６を成長した後、上部クラッド層７６上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｐ−ＧａＡｓよりなるコンタクト層７８を成長する（図２６（ｃ））。コンタクト層７８に導入するｐ型不純物の濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３とする。コンタクト層７８の膜厚は、例えば０．５μｍとする。また、コンタクト層７８の成長条件は、成長温度を上部クラッド層７６の成長温度から降温して６００〜６１０℃とし、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に供給する原料ガスには、Ｇａ原料として上部クラッド層７６の成長時に用いたＴＭＧに代えてＴＥＧを用い、Ａｓ原料としてＴＢＡを用いる。
【０２１１】
このように、本実施形態による半導体装置の製造方法は、成長温度を上部クラッド層７６の成長温度から降温して６００〜６１０℃とし、Ｇａ原料として上部クラッド層７６の成長時に用いたＴＭＧに代えてＴＥＧをＭＯＣＶＤ装置の反応室内に供給してコンタクト層７８を成長することにも主たる特徴の一つがある。
【０２１２】
コンタクト層７８をこのような成長条件で成長することにより、結晶品質の高いコンタクト層７８を成長することができ、上部クラッド層７６とコンタクト層７８との界面の粗さを更に低減することができる。これにより、量子ドットレーザにおける光の散乱損失を更に低減することができる。また、量子ドットレーザにおけるリーク電流を低減することができる。
【０２１３】
また、６００〜６１０℃の成長温度でコンタクト層７８を成長するので、コンタクト層７８の成長時に量子ドット３２の発光特性が劣化することもない。また、量子ドット３２が破壊されることもない。
【０２１４】
次いで、コンタクト層７８及び上部クラッド層７６を、ＳＣＨ層７４上に上部クラッド層７６が１０〜１００ｎｍ程度残存するように例えば幅３μｍのストライプ状に加工する（図２９（ａ））。
【０２１５】
次いで、コンタクト層７８上にｐ側電極８０を形成し、ＧａＡｓ基板６２の裏面にｎ側電極８２を形成する（図２９（ｂ））。
【０２１６】
こうして、本実施形態による半導体装置が製造される。
【０２１７】
このように、本実施形態によれば、ＭＯＣＶＤ法によりｎ層のＩｎＡｓよりなる量子ドット層３０を成長する際に、第ｉ層目の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を高く設定し、量子ドット層３０の層数が増加するに従って量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を徐々に高くしていくので、欠陥を生じることなく、量子ドット３２のサイズ分布及び密度を層間で均一に保ちつつ、複数層の量子ドット層３０を繰り返して形成することができる。
【０２１８】
また、本実施形態によれば、成長温度を６１０〜６６０℃とし、Ｇａ原料としてＴＭＧをＭＯＣＶＤ装置の反応室内に供給して上部クラッド層７６を成長するので、量子ドット３２の発光特性の劣化や量子ドット３２の破壊を伴うことなく、結晶品質が高く平坦な上部クラッド層７６を成長することができる。これにより、ＳＣＨ層７４と上部クラッド層７６との界面の粗さ及び上部クラッド層７６とコンタクト層７８との界面の粗さを低減することができる。これにより、量子ドットレーザにおいて光の散乱損失を低減することができる。
【０２１９】
さらに、本実施形態によれば、成長温度を上部クラッド層７６の成長温度から降温して６００〜６１０℃とし、Ｇａ原料として上部クラッド層７６の成長時に用いたＴＭＧに代えてＴＥＧをＭＯＣＶＤ装置の反応室内に供給してコンタクト層７８を成長するので、量子ドット３２の発光特性の劣化や量子ドット３２の破壊を伴うことなく、結晶品質の高いコンタクト層７８を成長することができる。したがって、上部クラッド層７６とコンタクト層７８との界面の粗さを更に低減することができる。これにより、量子ドットレーザにおけるリーク電流を低減することができる。
【０２２０】
なお、上記では、第５実施形態による半導体装置の製造方法により量子ドット層３０とキャップ層３６との積層膜を複数層繰り返して形成する場合について説明したが、第１乃至第４実施形態による半導体装置の製造方法のいずれかにより量子ドット層３０とキャップ層３６との積層膜を複数層繰り返して形成してもよい。この場合においても、上記と同様に量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を設定し、量子ドット層３０の層数が増加するに従って量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を徐々に高くしていくことにより、欠陥を生じることなく、量子ドット３２のサイズ分布及び密度を層間で均一に保ちつつ、複数層の量子ドット層３０を繰り返して形成することができる。
【０２２１】
また、上記では、量子ドット層３０とキャップ層３６との積層膜を複数層繰り返して形成する場合について説明したが、第１乃至第５実施形態による半導体装置の製造方法のいずれかにより量子ドット層３０とキャップ層３６との積層膜を１層だけ形成してもよい。この場合においても、上記と同様の成長条件で上部クラッド層７６の成長することにより、量子ドット３２の発光特性の劣化や量子ドット３２の破壊を招くことなく、結晶品質が高く平坦な上部クラッド層７６を成長することができる。また、上記と同様の成長条件でコンタクト層７８を成長することにより、量子ドット３２の発光特性の劣化や量子ドット３２の破壊を伴うことなく、結晶品質の高いコンタクト層７８を成長することができる。
【０２２２】
［第８実施形態］
本発明の第８実施形態による半導体装置の製造方法について図３０を用いて説明する。図３０は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。なお、第７実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素については説明を省略し或いは簡略にする。
【０２２３】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、第７実施形態による半導体装置の製造方法とほぼ同様である。本実施形態による半導体装置の製造方法は、上部クラッド層７６の成長時において、ドーパントを用いることなく、上部クラッド層７６の成長時のＶ／III比を制御することにより、上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度を制御することに特徴がある。
【０２２４】
まず、第７実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、ｎ−ＧａＡｓ基板６６上に、ＳＣＨ層７４までを形成する（図３０（ａ））。
【０２２５】
次いで、ＳＣＨ層７４上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｐ−ＡｌＧａＡｓよりなるｐ型の上部クラッド層７６を成長する（図３０（ｂ））。上部クラッド層７６の組成は、例えばＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓとする。上部クラッド層７６の膜厚は、例えば１〜３μｍとする。また、上部クラッド層７６の成長条件は、成長温度を６１０〜６６０℃とし、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に供給する原料ガスには、Ａｌ原料としてＴＭＡを、Ｇａ原料としてＴＭＧを、Ａｓ原料としてＴＢＡを用いる。
【０２２６】
本実施形態では、上部クラッド層７６の成長時においてｐ型キャリア濃度を制御するためのドーパントをＭＯＣＶＤ装置の反応室内に供給せずに、上部クラッド層７６の成長時のＶ／III比を制御することにより、上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度を制御する。ここで、上部クラッド層７６の成長時のＶ／III比とは、上部クラッド層７６を成長する際にＭＯＣＶＤ装置の反応室内に供給するIII族原料の供給量に対するＶ族原料の供給量の比のことをいい、本実施形態では、ＴＭＡ及びＴＭＧの供給量に対するＴＢＡの供給量の比のことをいう。
【０２２７】
上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度は、上部クラッド層７６の成長時のＶ／III比が増加するに従って減少し、Ｖ／III比が減少するに従って増加する。具体的には、上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度は、上部クラッド層７６の成長時のＭＯＣＶＤ装置の反応室内のＶ族原料であるＴＢＡの分圧が増加するに従って減少し、ＴＢＡの分圧が減少するに従って増加する。
【０２２８】
このようなＶ／III比とｐ型キャリア濃度との関係に基づき、本実施形態では、上部クラッド層７６の成長時のＶ／III比を例えば１〜１０の範囲で制御することにより、上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度を例えば１０１７〜１０１８ｃｍ−３の範囲に制御する。なお、上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度は、Ｖ／III比のほか成長温度にも依存するため、成長温度に応じてＶ／III比を適宜設定する。
【０２２９】
上部クラッド層７６の成長温度が６１０〜６６０℃の場合において、具体的には以下のようにＶ／III比を設定する。
【０２３０】
例えば上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度を６×１０１７ｃｍ−３に設定する場合、上部クラッド層７６の成長時のＶ／III比を５〜８に設定する。
【０２３１】
また、例えば上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度を１．０×１０１８ｃｍ−３に設定する場合、上部クラッド層７６の成長時のＶ／III比を３〜６に設定する。
【０２３２】
このように、本実施形態による半導体装置の製造方法では、ドーパントを用いることなく、上部クラッド層７６の成長時のＶ／III比を制御することにより、上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度を制御するので、上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度を簡便に所望の濃度に設定することができる。
【０２３３】
なお、上部クラッド層７６の成長時のＶ／III比は、上部クラッド層７６の活性層７２側からコンタクト層７８側に向かって減少するように制御することが望ましい。すなわち、上部クラッド層７６の活性層７２側の部分のＶ／III比が、他の部分のＶ／III比よりも高くなるように制御することが望ましい。
【０２３４】
こうして上部クラッド層７６を成長した後の工程は第７実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので説明を省略する。
【０２３５】
このように、本実施形態によれば、ドーパントを用いることなく、上部クラッド層７６の成長時のＶ／III比を制御することにより、上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度を制御するので、上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度を簡便に所望の濃度に設定することができる。
【０２３６】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【０２３７】
例えば、上記実施形態では、量子ドット層３０としてＩｎＡｓ層を成長する場合について説明したが、量子ドット層３０の材料はこれに限定されるものではない。量子ドット層３０の材料としては、バッファ層２８と格子定数が異なる材料を適宜用いることができ、例えば他のIII−Ｖ族半導体を用いることができる。
【０２３８】
また、上記実施形態では、キャップ層３６としてＧａＡｓ層を成長する場合について説明したが、キャップ層３６の材料はこれに限定されるものではない。キャップ層３６の材料としては、ＩｎＧａＡｓ等を用いることができる。
【０２３９】
また、上記実施形態では、ＭＯＣＶＤ法により半導体層を成長する場合について説明したが、半導体層の成長方法はこれに限定されるものではない。例えば、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等により半導体層を成長してもよい。
【０２４０】
また、上記実施形態では、量子ドット層３０の表面に、有機Ｓｂ原料ガスとしてＴＭＳｂを照射する場合について説明したが、Ｓｂの照射に用いる有機Ｓｂ原料はこれに限定されるものではない。例えば、ＴＭＳｂのほか、ＴＥＳｂ等の有機Ｓｂ原料ガスを量子ドット層３０の表面に照射することにより、Ｓｂの照射を行ってもよい。
【０２４１】
また、上記実施形態では、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射する場合について説明したが、ＧａＳｂの照射に用いる有機金属原料はこれらに限定されるものではない。例えば、上記の有機Ｓｂ原料ガスと、ＴＥＧのほか、ＴＭＧａ等の有機Ｇａ原料ガスとを同時に照射することにより、ＧａＳｂの照射を行ってもよい。また、有機Ｓｂ原料ガスと、Ｇａ以外のIII族金属（Ｉｎ、Ａｌ）の有機原料ガスとを同時に照射してもよい。
【０２４２】
また、上記実施形態では、量子ドット層３０を成長する前にバッファ層２８の表面にＴＭＳｂを照射する場合について説明したが、Ｓｂの照射はこれに限定されるものではない。ＴＭＳｂのほか、上記の有機Ｓｂ原料ガスをバッファ層２８の表面に照射することにより、Ｓｂの照射を行ってもよい。
【０２４３】
また、上記実施形態では、量子ドット層３０を成長する前にバッファ層２８の表面にＳｂを照射する場合について説明したが、量子ドット層３０の成長中にバッファ層２８の表面にＳｂを照射してもよい。また、量子ドット層３０の成長前又は成長中に、バッファ層２８の表面にＧａＳｂを照射してもよい。ＧａＳｂの照射は、バッファ層２８の表面に有機Ｓｂ原料ガスと有機Ｇａ原料ガスとを同時に照射することにより行うことができる。
【０２４４】
また、上記実施形態では、量子ドット層３０の表面にＴＢＡを一定時間照射し、量子ドット層３０の表面をＴＢＡでエッチングする場合について説明したが、量子ドット層３０の表面に一定時間照射するＡｓ原料はこれに限定されるものではない。例えば、ＴＢＡのほか、ＡｓＨ３、Ａｓ２、Ａｓ４等を用いることができる。
【０２４５】
また、上記実施形態では、量子ドット層３０の表面にＴＢＡを一定時間照射することにより、ＩｎＳｂ層４６を除去する場合について説明したが、その他の方法で量子ドット層３０の表面をエッチングすることによりＩｎＳｂ層４６を除去してもよい。
【０２４６】
また、上記第６乃至第８実施形態では、下部クラッド層５４、６８及び上部クラッド層６０、７６の材料としてＡｌＧａＡｓを用いる場合について説明したが、下部クラッド層及び上部クラッド層の材料はこれに限定されるものではなく、例えば他のIII−Ｖ族化合物半導体を用いてもよい。
【０２４７】
また、上記第６乃至第８実施形態では、コンタクト層６０、７８の材料としてＧａＡｓを用いる場合について説明したが、コンタクト層の材料はこれに限定されるものではなく、例えば他のIII−Ｖ族化合物半導体を用いてもよい。
【０２４８】
また、上記第７及び第８実施形態では、ＳＣＨ層７０、７４を形成する場合について説明したが、これらは必ずしも形成しなくてもよい。ＳＣＨ層７４を形成しない場合においては、上述した成長条件で上部クラッド層７６を成長することにより、活性層７２と上部クラッド層７６との界面の粗さを低減することができる。
【０２４９】
また、上記第６乃至第８実施形態では、量子ドット層を活性層に含む量子ドットレーザに本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、量子ドットレーザのほか、量子ドット光増幅器、量子ドット波長変換器、量子ドット波形整形器等、量子ドット層を活性層に含む他の光半導体装置に適用することができる。
【０２５０】
以上詳述した通り、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。
【０２５１】
（付記１） 下地層上に、自己組織化成長により量子ドットを形成する工程と、
前記量子ドットの表面に、有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程と、
前記量子ドット上に、キャップ層を成長する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２５２】
（付記２） 下地層上に、自己組織化成長により量子ドットを形成する工程と、
前記量子ドットを形成する工程の前又は前記量子ドットを形成する工程の際に、前記下地層の表面にＳｂ又はＧａＳｂを照射する工程と、
前記量子ドット上に、キャップ層を成長する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２５３】
（付記３） 付記２記載の半導体装置の製造方法において、
前記量子ドットの表面にＡｓ原料ガスを一定時間照射する又は前記量子ドットの表面をエッチングすることにより、前記量子ドットの表面に析出したＳｂを含む表面層を除去する工程を更に含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２５４】
（付記４） 付記３記載の半導体装置の製造方法において、
前記表面層を除去する工程の後、前記キャップ層を成長する工程の前に、前記量子ドットの表面に、有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２５５】
（付記５） 付記１又は４記載の半導体装置の製造方法において、
前記有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程では、前記有機Ｓｂ原料ガスとともに、III族金属の有機原料ガスを同時に照射する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２５６】
（付記６） 付記１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記キャップ層を成長する工程では、０．２７５ｎｍ／ｓ以下の成長速度で前記キャップ層を成長する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２５７】
（付記７） 付記１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記量子ドットを含む活性層を形成し、
前記活性層上に、６１０〜６６０℃の成長温度で、Ｇａ原料としてトリメチルガリウムを用いてクラッド層を成長する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２５８】
（付記８） 付記７記載の半導体装置の製造方法において、
前記クラッド層を成長する工程の後に、前記クラッド層上に、６００〜６１０℃の成長温度で、Ｇａ原料としてトリエチルガリウムを用いてコンタクト層を成長する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２５９】
（付記９） 付記１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記量子ドットを含む活性層を形成し、
前記活性層上に、クラッド層を成長する工程と、
前記クラッド層上に、６００〜６１０℃の成長温度で、Ｇａ原料としてトリエチルガリウムを用いてコンタクト層を成長する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２６０】
（付記１０） 自己組織化成長により形成される量子ドットを含む量子ドット層を成長する工程と；前記量子ドット層の表面に、有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程と；前記量子ドット層上に、キャップ層を成長する工程とを繰り返すことにより、半導体基板上に、前記量子ドット層をｎ層（ｎは２以上の整数）含む活性層を形成する工程を有し、
前記活性層を形成する工程では、第ｉ層目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１を満たす整数）の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比を高く設定する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２６１】
（付記１１） 自己組織化成長により形成される量子ドットを含む量子ドット層を成長する工程と；前記量子ドット層を成長する工程の前又は前記量子ドット層を成長する工程の際に、前記量子ドット層の下地層の表面にＳｂ又はＧａＳｂを照射する工程と；前記量子ドット層上に、キャップ層を成長する工程とを繰り返すことにより、半導体基板上に、前記量子ドット層をｎ層（ｎは２以上の整数）含む活性層を形成する工程を有し、
前記活性層を形成する工程では、第ｉ層目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１を満たす整数）の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比を高く設定する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２６２】
（付記１２） 付記１１記載の半導体装置の製造方法において、
前記量子ドットの表面にＡｓ原料ガスを一定時間照射する又は前記量子ドットの表面をエッチングすることにより、前記量子ドットの表面に析出したＳｂを含む表面層を除去する工程を更に含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２６３】
（付記１３） 付記１２記載の半導体装置の製造方法において、
前記表面層を除去する工程の後、前記キャップ層を成長する工程の前に、前記量子ドット層の表面に、有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２６４】
（付記１４） 付記１０又は１３記載の半導体装置の製造方法において、
前記有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程では、前記有機Ｓｂ原料ガスとともに、III族金属の有機原料ガスを同時に照射する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２６５】
（付記１５） 付記１０乃至１４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記キャップ層を成長する工程では、０．２７５ｎｍ／ｓ以下の成長速度で前記キャップ層を成長する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２６６】
（付記１６） 付記１０乃至１５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記活性層を形成する工程の後に、前記活性層上に、６１０〜６６０℃の成長温度で、Ｇａ原料としてトリメチルガリウムを用いてクラッド層を成長する工程とを更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２６７】
（付記１７） 付記１６記載の半導体装置の製造方法において、
前記クラッド層を成長する工程の後に、前記クラッド層上に、６００〜６１０℃の成長温度で、Ｇａ原料としてトリエチルガリウムを用いてコンタクト層を成長する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２６８】
（付記１８） 付記１０乃至１５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記活性層を形成する工程の後に、前記活性層上に、クラッド層を成長する工程と、
前記クラッド層上に、６００〜６１０℃の成長温度で、Ｇａ原料としてトリエチルガリウムを用いてコンタクト層を成長する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２６９】
（付記１９） 付記７又は１６記載の半導体装置の製造方法において、
前記クラッド層を成長する工程では、ドーパントを用いることなく、前記クラッド層の成長時のＶ／III比を制御することにより、前記クラッド層のｐ型キャリア濃度を制御する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２７０】
（付記２０） 自己組織化成長により下地層上に形成された量子ドットと、
前記量子ドットを埋め込むキャップ層と、
前記量子ドットとキャップ層との間に形成され、III族金属とＳｂとを含む薄膜と
を有することを特徴とする半導体装置。
【図面の簡単な説明】
【０２７１】
【図１】従来の量子ドットの成長方法において発生する欠陥を説明する概略断面図である。
【図２】本発明による半導体装置の製造方法の概略を説明する工程断面図（その１）である。
【図３】本発明による半導体装置の製造方法の概略を説明する工程断面図（その２）である。
【図４】本発明による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態による半導体装置の製造方法において供給する原料ガスの分圧等を示すグラフである。
【図６】本発明の第１実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図７】量子ドットの成長後にＳｂ照射を行った場合等における量子ドットの室温でのＰＬ発光スペクトルを示すグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態による半導体装置の製造方法において供給する原料ガスの分圧等を示すグラフである。
【図９】本発明の第２実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態による半導体装置の製造方法において供給する原料ガスの分圧等を示すグラフである。
【図１１】本発明の第３実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図１２】本発明の第３実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図１３】量子ドットのピーク発光波長及び発光強度とＴＢＡによるエッチング時間との関係を示すグラフである。
【図１４】キャップ層の成長速度が異なる試料について得られた量子ドットの室温でのＰＬ発光スペクトルを示すグラフである。
【図１５】本発明の第４実施形態による半導体装置の製造方法におけるＳｂの拡散を説明する概略断面図である。
【図１６】本発明の第５実施形態による半導体装置の製造方法において供給する原料ガスの分圧等を示すグラフである。
【図１７】本発明の第５実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図１８】本発明の第５実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図１９】本発明の第６実施形態による半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２０】本発明の第６実施形態による半導体装置の製造方法の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図２１】本発明の第６実施形態による半導体装置の製造方法の製造方法を示す工程断面図である。
【図２２】本発明の第７実施形態による半導体装置の構造を示す概略図である。
【図２３】本発明の第７実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図２４】本発明の第７実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図２５】本発明の第７実施形態による半導体装置の製造方法において複数層の量子ドット層を成長する際の各量子ドット層の成長時のＶ／III比の下限値及び上限値を示すグラフである。
【図２６】本発明の第７実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その３）である。
【図２７】上部クラッド層の成長温度と上部クラッド層表面の二乗平均粗さ、及び量子ドットのアニール温度と量子ドットの発光のブルーシフトとの関係を示すグラフ（その１）である。
【図２８】上部クラッド層の成長温度と上部クラッド層表面の二乗平均粗さ、及び量子ドットのアニール温度と量子ドットの発光のブルーシフトとの関係を示すグラフ（その２）である。
【図２９】本発明の第７実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その４）である。
【図３０】本発明の第８実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図３１】従来の量子ドットの成長方法を示す工程断面図である。
【符号の説明】
【０２７２】
１０…下地層
１２…Ｓｂ層
１４…量子ドット層
１６…量子ドット
１８…ＩｎＳｂ層
２０…被覆層
２１…薄膜
２２…キャップ層
２４…ＧａＳｂ層
２６…ＧａＡｓ基板
２８…バッファ層
３０…量子ドット層
３２…量子ドット
３４…Ｓｂ層
３６…キャップ層
３８…ＧａＳｂ層
４０…ＧａＳｂ層
４２…ＧａＳｂ層
４４…Ｓｂ層
４６…ＩｎＳｂ層
５０、６６…ＧａＡｓ基板
５２…バッファ層
５４、６８…下部クラッド層
５６、７２…活性層
５８、７６…上部クラッド層
６０、７８…コンタクト層
６２、８０…ｐ側電極
６４、８２…ｎ側電極
７０、７４…ＳＣＨ層
７１…バリア層
１００…下地層
１０２…Ｓｂ層
１０４…量子ドット層
１０６…量子ドット
１０８…Ｓｂ層
１１０…キャップ層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に、自己組織化成長により量子ドットを形成する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子ドットを用いた半導体素子、例えば半導体レーザの活性層に量子ドットを導入した量子ドットレーザ等に関する研究が盛んに行われている。
【０００３】
量子ドットレーザ等に用いられる量子ドットの形成技術としては、自己組織化成長により量子ドットを形成する技術が知られている。これは、格子不整合の半導体をある条件で気相エピタキシャル成長することで、３次元の微細構造である量子ドットが自己形成される現象を用いたものである。
【０００４】
量子ドットの自己形成については、いくつかの形成モードが知られている。中でも最も知られている形成モードは、Stranski-Krastanowモード（Ｓ−Ｋモード）と呼ばれるモードである。Ｓ−Ｋモードとは、エピタキシャル成長される半導体結晶が、成長開始当初は２次元成長（膜成長）するが、膜の弾性限界を超えた段階で３次元成長するモードのことである。下地の材料より格子定数の大きい膜をエピタキシャル成長することにより、３次元成長島よりなる量子ドットが自己形成される。
【０００５】
しかしながら、自己組織化成長により量子ドットが形成された従来の量子ドットレーザは、量子ドットの密度が５×１０１０ｃｍ−２以下と不十分であるため、１０Ｇｂｐｓ以上の高速直接変調ができないという難点を有していた。そこで、量子ドットの密度の向上を図るため、新しい量子ドットの成長方法が提案されている。このような新しい量子ドットの成長方法のひとつとして、量子ドットを成長する前に、量子ドットを成長する下地の半導体層に対してＳｂを照射する方法が提案されている。
【０００６】
量子ドットを成長する下地の半導体層に対してＳｂを照射する従来の量子ドットの成長方法について図３１を用いて説明する。なお、以下では、ＧａＡｓよりなる下地層上に、ＩｎＡｓよりなる量子ドットを成長する場合について説明する。
【０００７】
まず、ＧａＡｓよりなる下地層１００の表面にＳｂを照射する。これにより、下地層１００の表面に、１原子層（monolayer、ＭＬ）程度のＳｂ層１０２を形成する（図３１（ａ））。
【０００８】
次いで、表面にＳｂ層１０２が形成された下地層１００上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、ＩｎＡｓよりなる量子ドット層１０４を成長する。ＩｎＡｓは下地層１００のＧａＡｓと格子定数が異なるため、量子ドット層１０４には、Ｓ−Ｋモードにより量子ドット１０６が形成される（図３１（ｂ））。
【０００９】
量子ドット層１０４が成長する間、下地層１００の表面のＳｂは、量子ドット層１０４の材料であるＩｎＡｓのＡｓと相互拡散し、量子ドット層１０４の表面に析出していく。こうして、量子ドット層１０４の表面に、Ｓｂを含む表面層、例えばＩｎＳｂ層１０８が形成される（図３１（ｃ））。
【００１０】
次いで、表面にＩｎＳｂ層１０８が形成された量子ドット層１０４上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、量子ドット１０６を埋め込むように、ＧａＡｓよりなるキャップ層１１０を成長する（図３１（ｄ））。
【特許文献１】特開２００５−０９３５５３号公報
【特許文献２】特開２００４−３３５６６５号公報
【特許文献３】特開平６−２０４４９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述した図３１に示す量子ドットの成長方法によれば、これまでと比較して量子ドットの密度を２倍程度増加することができることが知られている。しかしながらその反面、量子ドットの結晶品質が劣化し、量子ドットの発光効率が低下するという不都合があった。
【００１２】
また、量子ドット層を活性層に用いた量子ドットレーザにおいては、量子ドット層を積層して活性層を構成することが行われている。しかしながら、量子ドット層の積層数が多くなると、下地の歪みが蓄積されるため、上層の量子ドット層において、量子ドットのサイズ分布や密度が下層の量子ドット層と大きく異なったり、欠陥が生じたりする等の不都合があった。
【００１３】
また、従来の量子ドットレーザにおいては、量子ドットを破壊しないように例えば６００℃程度の比較的低温の成長温度でクラッド層を成長する必要があった。しかしながら、このように低温の成長温度でクラッド層を成長したのでは、ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）層、活性層、コンタクト層等のクラッド層と隣接する半導体層とクラッド層との界面の粗さが増大してしまっていた。この結果、光の散乱損失が増大するという不都合があった。
【００１４】
本発明の目的は、高い結晶品質を有する量子ドットを高密度に形成しうる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１５】
また、本発明の他の目的は、欠陥を生じることなく、量子ドットのサイズ分布及び密度を層間で均一に保ちつつ、複数層の量子ドット層を繰り返して形成しうる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１６】
また、本発明の更に他の目的は、光半導体装置の活性層に量子ドット層を用いる場合において、量子ドットの発光特性の劣化を伴うことなく、結晶品質の高いクラッド層及びコンタクト層を活性層上に成長しうる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一観点によれば、下地層上に、自己組織化成長により量子ドットを形成する工程と、前記量子ドットの表面に、有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程と、前記量子ドット上に、キャップ層を成長する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【００１８】
また、本発明の他の観点によれば、下地層上に、自己組織化成長により量子ドットを形成する工程と、前記量子ドットを形成する工程の前又は前記量子ドットを形成する工程の際に、前記下地層の表面にＳｂ又はＧａＳｂを照射する工程と、前記量子ドット上に、キャップ層を成長する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【００１９】
また、本発明の更に他の観点によれば、自己組織化成長により形成される量子ドットを含む量子ドット層を成長する工程と；前記量子ドット層の表面に、有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程と；前記量子ドット層上に、キャップ層を成長する工程とを繰り返すことにより、半導体基板上に、前記量子ドット層をｎ層（ｎは２以上の整数）含む活性層を形成する工程を有し、前記活性層を形成する工程では、第ｉ層目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１を満たす整数）の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比を高く設定する半導体装置の製造方法が提供される。
【００２０】
また、本発明の更に他の観点によれば、自己組織化成長により形成される量子ドットを含む量子ドット層を成長する工程と；前記量子ドット層を成長する工程の前又は前記量子ドット層を成長する工程の際に、前記量子ドット層の下地層の表面にＳｂ又はＧａＳｂを照射する工程と；前記量子ドット層上に、キャップ層を成長する工程とを繰り返すことにより、半導体基板上に、前記量子ドット層をｎ層（ｎは２以上の整数）含む活性層を形成する工程を有し、前記活性層を形成する工程では、第ｉ層目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１を満たす整数）の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比を高く設定する半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、量子ドットの表面に、有機Ｓｂ原料ガスを照射することによりＳｂを含む被覆層を形成するので、量子ドットの形状を保ち、量子ドットの発光波長を長波長化することができる。
【００２２】
また、本発明によれば、量子ドットを形成する工程の前又は量子ドットを形成する工程の際に、下地層の表面にＳｂ又はＧａＳｂを照射する工程を有する半導体装置の製造方法において、量子ドットを形成する工程の後、キャップ層を成長する工程の前に、量子ドットの表面をＡｓ原料ガスによりエッチングすることにより、量子ドットの表面に析出したＳｂを含む表面層を除去するので、高い結晶品質を有する量子ドットを高密度に形成することができる。
【００２３】
また、本発明によれば、量子ドットの表面のＳｂがキャップ層の最表面に拡散するのに十分な０．２７５ｎｍ／ｓ以下の成長速度でキャップ層を成長するので、量子ドットの結晶品質を向上することができる。
【００２４】
また、本発明によれば、量子ドット層をｎ層（ｎは２以上の整数）含む活性層を形成する工程において、第ｉ層目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１を満たす整数）の量子ドット層の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の量子ドット層の成長時のＶ／III比を高く設定するので、欠陥を生じることなく、量子ドットのサイズ分布及び密度を層間で均一に保ちつつ、複数層の量子ドット層を繰り返して形成することができる。
【００２５】
また、本発明によれば、量子ドットを含む活性層上に、６１０〜６６０℃の成長温度で、Ｇａ原料としてトリメチルガリウムを用いてクラッド層を成長するので、量子ドットの発光特性の劣化や量子ドットの破壊を伴うことなく、結晶品質が高く平坦な上部クラッド層を成長することができる。
【００２６】
また、本発明によれば、クラッド層上に、６００〜６１０℃の成長温度で、Ｇａ原料としてトリエチルガリウムを用いてコンタクト層を成長するので、量子ドットの発光特性の劣化や量子ドットの破壊を伴うことなく、結晶品質の高いコンタクト層を成長することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
［本発明の原理］
はじめに、本発明の原理について説明する。
【００２８】
量子ドットを成長する前に、量子ドットを成長する下地層の表面にＳｂを照射する従来の量子ドットの成長方法には、量子ドットの高密度化を実現することができるという利点がある。その反面、量子ドットの結晶品質が劣化し、発光効率が低下するという不都合があった。
【００２９】
本願発明者等は、この原因について実験的研究を重ね、量子ドット層が成長する間に量子ドット層の表面にＳｂが析出することにより形成されたＩｎＳｂ層等のＳｂを含む表面層に欠陥が存在しているという結果を得た。
【００３０】
図１は、図３１に示す従来の量子ドットの成長方法において生じる欠陥を説明する概略断面図である。従来の量子ドットの成長方法では、図示するように、量子ドット層１０４が成長する間に量子ドット層１０４の表面にＳｂが析出し、Ｓｂを含む表面層、例えばＩｎＳｂ層１０８が形成される。このＩｎＳｂ層１０８に、図中×印で示すように欠陥が生じている。
【００３１】
このようなＩｎＳｂ層１０８は、量子ドット１０４の結晶品質に影響を与え、発光効率の低下の原因になっていると考えられる。したがって、量子ドット層１０４の表面に析出したＳｂを除去することにより、結晶品質の高い量子ドットを高密度に形成することができる。
【００３２】
本発明による半導体装置の製造方法は、かかる知見に基づくものであり、量子ドット層の表面に析出したＳｂを除去する工程を有することに主たる特徴の一つがある。以下、本発明による半導体装置の製造方法の概略について図２及び図３を用いて説明する。図２及び図３は本発明による半導体装置の製造方法の概略を説明する工程断面図である。
【００３３】
まず、ＧａＡｓよりなる下地層１０の表面に、例えば有機Ｓｂ原料ガスを照射することにより、Ｓｂを照射する。これにより、下地層１０の表面に、例えば１ＭＬ程度のＳｂ層１２を形成する（図２（ａ））。量子ドットの成長前に、下地層１０の表面にＳｂを照射しておくことにより、量子ドットを高密度に成長することができる。なお、Ｓｂの照射に代えて、下地層１０の表面にＧａＳｂを照射してもよい。また、Ｓｂ又はＧａＳｂは、量子ドットの成長中に、下地層１０の表面に照射してもよい。
【００３４】
次いで、表面にＳｂ層１２が形成された下地層１０上に、ＩｎＡｓよりなる量子ドット層１４を成長する。ＩｎＡｓは下地層１０のＧａＡｓと格子定数が異なるため、量子ドット層１４には、Ｓ−Ｋモードと呼ばれる自己組織化成長により量子ドット１６が形成される（図２（ｂ））。
【００３５】
量子ドット層１４が成長する間、下地層１０の表面のＳｂは、量子ドット層１４の材料であるＩｎＡｓのＡｓと相互拡散し、量子ドット層１４の表面に析出していく。こうして、量子ドット層１４の表面に、Ｓｂを含む表面層、例えばＩｎＳｂ層１８が形成される（図２（ｃ））。
【００３６】
次いで、ＩｎＳｂ層１８が形成された量子ドット層１４の表面にＡｓ原料を一定時間照射し、量子ドット層１４の表面をＡｓ原料ガスでエッチングする（図２（ｄ））。一定時間照射するＡｓ原料としては、例えば、ターシャリーブチルアルシン（tertiarybutylarsine、ＴＢＡ）、ＡｓＨ３、Ａｓ２、Ａｓ４を用いることができる。これにより、量子ドット層１４の表面のＩｎＳｂ層１８が除去される（図３（ａ））。
【００３７】
このように、本発明による半導体装置の製造方法は、ＩｎＳｂ層１８が形成された量子ドット層１４の表面にＡｓ原料ガスを一定時間照射し、量子ドット層１４の表面をＡｓ原料ガスでエッチングすることに主たる特徴の一つがある。Ａｓ原料ガスを用いたエッチングによりＩｎＳｂ層１８が除去されるため、量子ドット１６の欠陥を低減し、量子ドット１６の結晶品質を向上することができる。
【００３８】
次いで、量子ドット層１４の表面に、有機Ｓｂ原料ガスと、III族金属（Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ）の有機原料ガスとを同時に照射する。これにより、量子ドット層１４の表面に、III族金属（Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ）とＳｂとを含む被覆層２０を形成する（図３（ｂ））。III族金属とＳｂとを含む被覆層２０とは、具体的には、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、又はこれらの混晶よりなるものである。
【００３９】
このように、本発明による半導体装置の製造方法は、量子ドット層１４の表面に、有機Ｓｂ原料ガスと、III族金属（Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ）の有機原料ガスと照射することにも主たる特徴の一つがある。
【００４０】
ＩｎＳｂ等よりなる被覆層２０により量子ドット１６の表面が被覆されるため、この後のキャップ層２２を成長する工程において、量子ドット１６の形状を保ち、量子ドット１６の発光波長を長波長化することができる。
【００４１】
なお、III族金属の有機原料ガスは照射せずに有機Ｓｂ原料ガスを単独で照射し、Ｓｂよりなる被覆層２０を形成してもよい。
【００４２】
次いで、表面に被覆層２０が形成された量子ドット層１４上に、量子ドット１６を埋め込むように、ＧａＡｓよりなるキャップ層２２を成長する（図３（ｃ））。
【００４３】
キャップ層２２を成長する間、被覆層２０のＳｂは、キャップ層２２の材料であるＧａＡｓのＡｓと相互拡散し、キャップ層２２の表面に析出していく。こうして、キャップ層２２の表面に、Ｓｂを含む表面層、例えばＧａＳｂ層２４が形成される（図３（ｃ））。
【００４４】
ここで、本発明による半導体装置の製造方法は、キャップ層２２を成長する工程において、Ｓｂがキャップ層２２の最表面まで拡散するのに十分な低成長速度でキャップ層２２を成長することにも主たる特徴がある。具体的には、キャップ層２２を０．２７５ｎｍ／ｓ以下の成長速度で成長する。これにより、量子ドット層１４の表面のＳｂを十分に除去することができる。
【００４５】
なお、本発明においては、図２（ａ）及び図２（ｃ）に示す量子ドット層１４を成長する工程の後に、図２（ｄ）及び図３（ａ）に示すＡｓ原料ガスを一定時間照射する工程、及び図３（ｂ）に示す被覆層２０を形成する工程を行わずに、キャップ層２２を成長する工程を行ってもよい。この場合においても、キャップ層２２を０．２７５ｎｍ／ｓ以下の成長速度で成長することにより、量子ドット層１４の表面に析出したＳｂを十分に除去することができる。このように、キャップ層２２を低成長速度で成長することによってもＳｂを十分に除去することができ、量子ドット１６の結晶品質を向上することができる。
【００４６】
このように、本発明による半導体装置の製造方法によれば、結晶品質の高い量子ドット１６を高密度に成長することができる。
【００４７】
こうして製造される本発明による半導体装置における量子ドット１６は、密度が例えば５×１０１０ｃｍ−２以上であり、発光波長が例えば１．３μｍ以上の長波長となっている。
【００４８】
さらに、図３（ｂ）に示す被覆層２０を形成する工程を行った場合には、量子ドット層１４とキャップ層２２との界面に以下に述べる構造的特徴を有している。
【００４９】
すなわち、低成長速度でキャップ層２２を成長した場合であっても、量子ドット層１４とキャップ層２２との間の被覆層２０が完全には除去されない場合がある。この場合、量子ドット層１４とキャップ層２２との間には、図４に示すように、III族金属とＳｂとを含む薄膜２１、すなわち、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、又はこれらの混晶よりなる薄膜２１が残存している。薄膜２１の膜厚は、例えば０．５〜１ＭＬである。
【００５０】
以下、実施形態を示しつつ本発明を説明する。
【００５１】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による半導体装置の製造方法について図５乃至図７を用いて説明する。図５は本実施形態による半導体装置の製造方法において供給する原料ガスの分圧等を示すグラフ、図６は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図、図７は量子ドットの成長後にＳｂ照射を行った場合等における量子ドットの室温でのＰＬ発光スペクトルを示すグラフである。
【００５２】
本実施形態による半導体装置の製造方法においては、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を結晶成長に用いる。
【００５３】
まず、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に、ＧａＡｓ基板２６を収容する。
【００５４】
次いで、基板温度を例えば７００℃とし、ＴＢＡ、トリメチルガリウム（trimethylgallium、ＴＭＧ）を反応室内に供給する（図５の時間間隔ｔ１）。これにより、ＧａＡｓ基板２６上に、ＧａＡｓよりなるバッファ層２８を成長する（図６（ａ））。
【００５５】
次いで、ＴＭＧの供給を停止し、基板温度を例えば５００℃まで徐々に降温する（図５の時間間隔ｔ２）。この間、ＴＢＡの供給は継続する。
【００５６】
次いで、ＴＢＡの分圧を下げて、ＴＢＡの供給を継続する（図５の時間間隔ｔ３）。この間、基板温度は例えば５００℃に維持する。
【００５７】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持しつつ、ＴＢＡの供給を継続するとともに、トリメチルインジウム（trimethylindium、ＴＭＩ）を反応室内に供給する（図５の時間間隔ｔ４）。こうして、バッファ層２８上に、例えば２．６４ＭＬ相当のＩｎＡｓを、例えば成長速度０．０１１ＭＬ／ｓで成長することにより、ＩｎＡｓよりなる量子ドット層３０を成長する。ＩｎＡｓとバッファ層２８のＧａＡｓとは格子定数が異なるため、量子ドット層３０には、Ｓ−Ｋモードと呼ばれる自己組織化成長により量子ドット３２が形成される（図６（ｂ））。
【００５８】
次いで、ＴＭＩの供給を停止する一方、ＴＢＡの供給を継続する（図５の時間間隔ｔ５）。この間、基板温度は例えば５００℃に維持する。
【００５９】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持しつつ、ＴＢＡの供給を停止して、トリメチルアンチモン（trimethylantimony、ＴＭＳｂ）を反応室内に供給する（図５の時間間隔ｔ６）。こうして、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂを照射することにより、量子ドット層３０の表面にＳｂ層３４を形成する（図６（ｃ））。
【００６０】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持したまま、分圧を上げてＴＢＡの供給を再開するとともに、トリエチルガリウム（triethylgallium、ＴＥＧ）を反応室内に供給する（図５の時間間隔ｔ７）。これにより、量子ドット層３０上に、量子ドット３２を埋め込むようにＧａＡｓよりなるキャップ層３６を成長する（図６（ｄ））。
【００６１】
キャップ層３６が成長する間、量子ドット層３０の表面に形成されたＳｂ層３４のＳｂは、キャップ層３６の材料であるＧａＡｓのＡｓと相互拡散し、キャップ層３６の表面に析出していく。こうして、キャップ層３６の表面に、ＧａＳｂ層３８が形成される。
【００６２】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、量子ドット層３０を成長する工程の後、キャップ層３６を成長する工程の前に、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂを照射する工程を有することに特徴がある。
【００６３】
ＴＭＳｂを照射することにより形成されたＳｂ層３４により量子ドット３２の表面が被覆されるため、キャップ層３６を成長する工程において、量子ドット３２の形状を保つことができる。これにより、量子ドット３２の発光波長を長波長化することができる。
【００６４】
図７は、量子ドットの成長後にＴＭＳｂを照射した場合等における量子ドットの室温でのＰＬ発光スペクトルを示すグラフである。図中、▲印で示すスペクトルは、ＴＭＳｂの照射時間を２秒間とし、ＧａＡｓよりなるキャップ層の成長速度を０．１３７５ｎｍ／ｓとした試料について得られたＰＬ発光スペクトルである。○印で示すスペクトルは、ＴＭＳｂの照射時間を２秒間とし、ＧａＡｓよりなるキャップ層の成長速度を０．２７５ｎｍ／ｓとした試料について得られたＰＬ発光スペクトルである。破線で示すスペクトルは、ＴＭＳｂの照射を行わず、ＧａＡｓよりなるキャップ層の成長速度を０．２７５ｎｍ／ｓとした標準試料について得られたＰＬ発光スペクトルである。いずれの試料についても、量子ドットは、２．６４ＭＬ相当のＩｎＡｓを、成長速度０．０１１ＭＬ／ｓで成長することにより形成した。なお、□印、■印で示すスペクトルについてはそれぞれ第２実施形態において説明する。
【００６５】
図７に示すスペクトルから明らかなように、量子ドットの成長後にＴＭＳｂを照射した試料は、標準試料と比較して、量子ドットの発光波長が長波長側にシフトしていることが分かる。具体的には、標準試料のピーク発光波長は、１．３０８μｍとなっている。これに対し、量子ドットの成長後にＴＭＳｂを照射した試料のピーク発光波長は、キャップ層の成長速度が０．１３７５ｎｍ／ｓ、０．２７５ｎｍ／ｓのいずれの場合も１．３５７μｍとなっている。但し、ＴＭＳｂを照射した試料は、標準試料と比較して発光強度が低下している。ＴＭＳｂを照射した試料間では、キャップ層の成長速度がより速い試料の方が発光強度の低下が著しくなっている。
【００６６】
このように、本実施形態によれば、量子ドット層３０を成長する工程の後、キャップ層３６を成長する工程の前に、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂを照射することにより量子ドット３２の表面を被覆するＳｂ層３４を形成するので、量子ドット３２の形状を保ち、量子ドット３２の発光波長を長波長化することができる。
【００６７】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による半導体装置の製造方法について図７乃至図９を用いて説明する。図８は本実施形態による半導体装置の製造方法において供給する原料ガスの分圧等を示すグラフ、図９は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。なお、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同一の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【００６８】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、第１実施形態による半導体装置の製造方法とほぼ同様である。本実施形態による半導体装置の製造方法は、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射する点で、ＴＭＳｂを単独で照射する第１実施形態による半導体装置の製造方法とは異なっている。
【００６９】
まず、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、ＧａＡｓ基板２６上に、ＧａＡｓよりなるバッファ層２８、ＩｎＡｓよりなる量子ドット層３０を成長する（図８の時間間隔ｔ１〜ｔ４、図９（ａ））。
【００７０】
次いで、ＴＭＩの供給を停止する一方、ＴＢＡの供給を継続する（図８の時間間隔ｔ５）。この間、基板温度は例えば５００℃に維持する。
【００７１】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持しつつ、ＴＢＡの供給を停止して、ＴＭＳｂとＴＥＧとを反応室内に供給する（図８の時間間隔ｔ６）。こうして、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射することにより、量子ドット層３０の表面にＧａＳｂ層４０を形成する（図９（ｂ））。
【００７２】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持したまま、分圧を上げてＴＢＡの供給を再開するとともに、ＴＥＧの供給を継続する（図８の時間間隔ｔ７）。これにより、量子ドット層３０上に、量子ドット３２を埋め込むようにＧａＡｓよりなるキャップ層３６を成長する（図９（ｃ））。
【００７３】
キャップ層３６が成長する間、量子ドット層３０の表面に形成されたＧａＳｂ層４０のＳｂは、キャップ層３６の材料であるＧａＡｓのＡｓと相互拡散し、キャップ層３６の表面に析出していく。こうして、キャップ層３６の表面に、ＧａＳｂ層４２が形成される。
【００７４】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、量子ドット層３０を成長する工程の後、キャップ層３６を成長する工程の前に、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射する工程を有することに特徴がある。
【００７５】
ＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射することにより形成されたＧａＳｂ層４０により量子ドット３２の表面が被覆されるため、キャップ層３６を成長する工程において、量子ドット３２の形状を保つことができる。これにより、量子ドット３２の発光波長を長波長化することができる。
【００７６】
図７には、第１実施形態において説明したＰＬ発光スペクトルに加えて、量子ドットの成長後にＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射した場合における量子ドットの室温でのＰＬ発光スペクトルを示している。図中、□印で示すスペクトルは、ＴＭＳｂ及びＴＥＧの照射時間を２秒間とし、ＧａＡｓよりなるキャップ層の成長速度を０．２７５ｎｍ／ｓとした試料について得られたＰＬ発光スペクトルである。■印で示すスペクトルは、ＴＭＳｂ及びＴＥＧの照射時間を２秒間とし、ＧａＡｓよりなるキャップ層の成長速度を０．１３７５ｎｍ／ｓとした試料について得られたＰＬ発光スペクトルである。これらの試料についても、量子ドットは、２．６４ＭＬ相当のＩｎＡｓを、成長速度０．０１１ＭＬ／ｓで成長することにより形成した。
【００７７】
図７に示すスペクトルから明らかなように、ＴＭＳｂを単独で照射した試料と同様に、量子ドットの成長後にＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射した試料も、標準試料と比較して、量子ドットの発光波長が長波長側にシフトしていることが分かる。具体的には、量子ドットの成長後にＴＭＳｂとＴＥＧとを照射した試料のピーク発光波長は、キャップ層の成長速度が０．１３７５ｎｍ／ｓの場合には１．３２６μｍ、キャップ層の成長速度が０．
２７５ｎｍ／ｓの場合には１．３４４μｍとなっている。ＴＭＳｂを単独で照射した試料と比較すると、発光波長は短波長側にシフトしているものの、ＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射した試料では、高い発光強度が得られている。キャップ層の成長速度が０．１３７５ｎｍ／ｓの場合には、標準試料と同程度の発光強度が得られている。
【００７８】
このように、本実施形態によれば、量子ドット層３０を成長する工程の後、キャップ層３６を成長する工程の前に、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射することにより量子ドット３２の表面を被覆するＧａＳｂ層４０を形成するので、量子ドット３２の形状を保ち、量子ドット３２の発光波長を長波長化することができる。また、本実施形態によれば、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂを単独で照射する第１実施形態による半導体装置の製造方法と比較して高い発光強度を得ることができる。
【００７９】
なお、本実施形態による半導体装置の製造方法により製造される半導体装置は、量子ドット層３０とキャップ層３６との界面に以下に述べる構造的特徴を有している。
【００８０】
すなわち、低成長速度でキャップ層３６を成長した場合であっても、量子ドット層１４とキャップ層２２との間のＧａＳｂ層４０が完全には除去されない場合がある。この場合、量子ドット層３０とキャップ層３６との間には、ＧａＳｂよりなる薄膜が残存したものとなっている。
【００８１】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による半導体装置の製造方法について図１０乃至図１３を用いて説明する。図１０は本実施形態による半導体装置の製造方法において供給する原料ガスの分圧等を示すグラフ、図１１及び図１２は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図、図１３は量子ドットのピーク発光波長及び発光強度とＴＢＡによるエッチング時間との関係を示すグラフである。なお、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同一の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【００８２】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、量子ドット層３０を成長する工程の前に、バッファ層２８の表面にＴＭＳｂを照射する工程を有する半導体装置の製造方法において、量子ドット層３０を成長する工程の後、キャップ層３６を成長する工程の前に、量子ドット層３０の表面にＴＢＡを一定時間照射し、量子ドット層３０の表面をＴＢＡによりエッチングする工程を更に有することに主たる特徴がある。
【００８３】
まず、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、ＧａＡｓ基板２６上に、ＧａＡｓよりなるバッファ層２８を成長する（図１０の時間間隔ｔ１）。
【００８４】
次いで、ＴＭＧの供給を停止し、基板温度を例えば５００℃まで徐々に降温する（図１０の時間間隔ｔ２）。この間、ＴＢＡの供給は継続する。
【００８５】
次いで、ＴＢＡの分圧を下げて、ＴＢＡの供給を継続する（図１０の時間間隔ｔ３）。この間、基板温度は例えば５００℃に維持する。
【００８６】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持しつつ、ＴＢＡの供給を停止して、ＴＭＳｂを反応室内に供給する（図１０の時間間隔ｔ４）。こうして、バッファ層２８の表面にＴＭＳｂを照射することにより、バッファ層２８の表面に、例えば１ＭＬ程度のＳｂ層４４を形成する（図１１（ａ））。量子ドットを成長する前にバッファ層２８の表面にＴＭＳｂを照射しているため、例えば５×１０１０ｃｍ−２よりも高い密度で量子ドットを成長することが可能となる。
【００８７】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持しつつ、ＴＢＡの供給を再開するとともに、ＴＭＩを反応室内に供給する（図１０の時間間隔ｔ５）。こうして、バッファ層２８上に、ＩｎＡｓよりなる量子ドット層３０を成長する。ＩｎＡｓとバッファ層２８のＧａＡｓとは格子定数が異なるため、量子ドット層３０には、Ｓ−Ｋモードにより量子ドット３２が形成される（図１１（ｂ））。
【００８８】
量子ドット層３０が成長する間、バッファ層２８の表面のＳｂは、量子ドット層３０の材料であるＩｎＡｓのＡｓと相互拡散し、量子ドット層３０の表面に析出していく。こうして、量子ドット層３０の表面に、ＩｎＳｂ層４６が形成される（図１１（ｃ））。
【００８９】
次いで、ＴＭＩの供給を停止する一方、ＴＢＡの供給を継続する（図１０の時間間隔ｔ６）。この間、基板温度は例えば５００℃に維持する。
【００９０】
次いで、分圧を上げてＴＢＡの供給を継続する（図１０の時間間隔ｔ７）。こうして、ＩｎＳｂ層４６が形成された量子ドット層３０の表面にＴＢＡを一定時間照射し、量子ドット層３０の表面をＴＢＡによりエッチングする（図１２（ａ））。これにより、量子ドット層３０の表面のＩｎＳｂ層４６が除去される（図１２（ｂ））。
【００９１】
このように、本実施形態による半導体装置の製造方法は、ＩｎＳｂ層４６が形成された量子ドット層３０の表面にＴＢＡを一定時間照射し、量子ドット層３０の表面をＴＢＡによりエッチングすることに主たる特徴がある。ＴＢＡによるエッチングによりＩｎＳｂ層４６が除去されるため、量子ドット３２の欠陥を低減し、量子ドット３２の結晶品質を向上することができる。
【００９２】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持したまま、分圧を下げてＴＢＡの供給を継続するとともに、ＴＥＧを反応室内に供給する（図１０の時間間隔ｔ８）。これにより、量子ドット層３０上に、量子ドット３２を埋め込むようにＧａＡｓよりなるキャップ層３６を成長する（図１２（ｃ））。
【００９３】
図１３は、量子ドットのピーク発光波長及び発光強度とＴＢＡによるエッチング時間との関係を示すグラフである。グラフの横軸はＴＢＡによるエッチング時間を示している。グラフの左側縦軸はピーク発光波長を示し、右側縦軸は発光強度を示している。▲印、△印のプロットは、量子ドットの成長前にＴＭＳｂの照射を１秒間行った試料について得られた量子ドットのピーク発光波長、発光強度をそれぞれ示している。■印、□印のプロットは、量子ドットの成長前にＴＭＳｂの照射を行っていない標準試料について得られた量子ドットのピーク発光波長、発光強度をそれぞれ示している。なお、キャップ層の成長速度は、各試料について共通の０．５５ｎｍ／ｓとした。
【００９４】
図１３に示すように、量子ドットの成長前にＴＭＳｂの照射を行った試料の場合、ＴＢＡによるエッチングを行わないと、量子ドットの発光強度は標準試料の場合の約３００分の１と非常に小さくなっている。このようなＴＭＳｂの照射を行った試料に対してＴＢＡによるエッチングを行うと、ＴＢＡによるエッチング時間が長くなるに従って、その量子ドットの発光強度は増加している。そして、ＴＢＡによるエッチングを２０秒間以上行った場合、量子ドットの発光強度は、標準試料の場合の約２分の１にまで増加している。
【００９５】
ＴＢＡによるエッチングを行うことで発光強度が増加することから、量子ドットの表面に析出したＳｂに起因する欠陥が低減され、量子ドットの結晶品質が向上しているものと考えられる。
【００９６】
このように、本実施形態によれば、量子ドット層３０を成長する工程の前に、バッファ層２８の表面にＴＭＳｂを照射する工程を有する半導体装置の製造方法において、量子ドット３２を成長する工程の後、キャップ層３６を成長する工程の前に、量子ドット層３０の表面にＴＢＡを一定時間照射し、量子ドット層３０の表面をＴＢＡによりエッチングすることによりＩｎＳｂ層４６を除去するので、高い結晶品質を有する量子ドット３２を高密度に形成することができる。
【００９７】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による半導体装置の製造方法について図１４及び図１５を用いて説明する。図１４はキャップ層の成長速度が異なる試料について得られた量子ドットの室温でのＰＬ発光スペクトルを示すグラフ、図１５は本実施形態による半導体装置の製造方法におけるＳｂの拡散を説明する概略断面図である。なお、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【００９８】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、量子ドット層３０を成長した後のキャップ層３６を成長する工程において、量子ドット層３０の表面のＳｂがキャップ層３６の最表面に拡散するのに十分な成長速度、具体的には０．２７５ｎｍ／ｓ以下の成長速度でキャップ層３６を成長することに主たる特徴がある。
【００９９】
図１４は、キャップ層の成長速度が異なる試料について得られた量子ドットの室温でのＰＬ発光スペクトルを示すグラフである。
【０１００】
ＰＬ発光スペクトルの測定に用いた試料は、表面にＳｂが析出した量子ドット上にＧａＡｓよりなるキャップ層を成長したものである。量子ドットは、表面にＴＭＳｂを１秒間照射したＧａＡｓよりなるバッファ層上に、２．６４ＭＬ相当のＩｎＡｓを、成長速度０．０１１ＭＬ／ｓで成長することにより形成した。なお、標準試料として、バッファ層の表面にＴＭＳｂを照射せずに量子ドットを形成した試料を用意した。
【０１０１】
図中、□印で示すスペクトルは、表面にＳｂが析出した量子ドット上に成長速度０．２７５ｎｍ／ｓでキャップ層を成長した試料について得られたＰＬ発光スペクトルである。■印で示すスペクトルは、表面にＳｂが析出した量子ドット上に成長速度０．５５ｎｍ／ｓでキャップ層を成長した試料について得られたＰＬ発光スペクトルである。破線で示すスペクトルは、量子ドット上に成長速度０．２７５ｎｍ／ｓでキャップ層を成長した標準試料について得られたＰＬ発光スペクトルである。
【０１０２】
図１４から明らかなように、表面にＳｂが析出した量子ドット上に成長速度０．５５ｎｍ／ｓでキャップ層を成長した試料の場合、標準試料と比較して発光波長は長波長側にシフトしている。しかし、その発光強度は、標準試料の約９００分の１となっている。
【０１０３】
これに対して、キャップ層の成長速度を遅くし、表面にＳｂが析出した量子ドット上に成長速度０．２７５ｎｍ／ｓでキャップ層を成長した試料の場合、発光強度は、キャップ層の成長速度が同じである標準試料と同程度或いはそれ以上に増加している。また、その発光波長は、標準試料と比較して長波長側にシフトしたままとなっている。
【０１０４】
上記の結果は、量子ドットの表面のＳｂの拡散が、キャップ層の成長速度による影響を受けているためであると考えられる。
【０１０５】
図１５（ａ）は、成長速度０．５５ｎｍ／ｓでキャップ層を成長した場合におけるＳｂの状態を示す概略断面図である。
【０１０６】
キャップ層３６の成長速度が０．５５ｎｍ／ｓの場合、量子ドット３２の表面のＳｂは、成長速度が速いために、キャップ層３６の材料であるＧａＡｓのＡｓと効率よく相互拡散することができない。このため、Ｓｂは、量子ドット３２の表面にとどまっている。
【０１０７】
このようにキャップ層３６の成長速度が速い場合に抑制されるＳｂとＡｓとの相互拡散は、キャップ層３６の成長速度を遅くすることにより促進される。
【０１０８】
そして、キャップ層の３６の成長速度が０．２７５ｎｍ／ｓの場合には、Ｓｂがキャップ層３６の最表面まで拡散していると考えられる。この場合、Ｓｂの状態としては、図１５（ｂ）又は図１５（ｃ）に示す状態が考えられる。図１５（ｂ）、図１５（ｃ）は、成長速度０．２７５ｎｍ／ｓでキャップ層を成長した場合におけるＳｂの状態を示す概略断面図である。
【０１０９】
まず、図１５（ｂ）に示すように、キャップ層３６の最表面まで拡散したＳｂと、キャップ層３６中に残留したＳｂとが混在している状態が考えられる。
【０１１０】
または、図１５（ｃ）に示すように、Ｓｂが完全にキャップ層の３６の最表面まで拡散している状態が考えられる。
【０１１１】
このように、０．２７５ｎｍ／ｓ又はそれ以下の低成長速度でキャップ層３６を成長することにより、量子ドット３２の表面のＳｂがキャップ層３６の最表面に拡散する。これにより、量子ドット３２の結晶品質が向上し、高い発光強度が実現される。
【０１１２】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、量子ドット層３０を成長した後のキャップ層３６を成長する工程において、量子ドット３２の表面のＳｂがキャップ層３６の最表面に拡散するのに十分な０．２７５ｎｍ／ｓ以下の成長速度でキャップ層３６を成長するので、量子ドット３２の結晶品質を向上し、高い発光強度を実現することができる。
【０１１３】
なお、第１及び第２実施形態による半導体装置の製造方法においても、上記と同様に、０．２７５ｎｍ／ｓ以下の成長速度でキャップ層３６を成長してもよい。これにより、量子ドット層３０の表面にＳｂ又はＧａＳｂを照射した場合においても、量子ドット３２の結晶品質を向上し、高い発光強度を実現することができる。
【０１１４】
また、第３実施形態による半導体装置の製造方法においても、上記と同様に、０．２７５ｎｍ／ｓ以下の成長速度でキャップ層３６を成長してもよい。これにより、量子ドット層３０の表面のＳｂを更に確実に除去することができ、量子ドット３２の結晶品質を向上し、高い発光強度を実現することができる。
【０１１５】
［第５実施形態］
本発明の第５実施形態による半導体装置の製造方法について図１６乃至図１８を用いて説明する。図１６は本実施形態による半導体装置の製造方法において供給する原料ガスの分圧等を示すグラフ、図１７及び図１８は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。なお、第１乃至第４実施形態による半導体装置の製造方法と同様の構成要素については説明を省略し或いは簡略にする。
【０１１６】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、第３実施形態による半導体装置の製造方法において、ＴＢＡを一定時間照射する工程の後、キャップ層３６を成長する工程の前に、第２実施形態による半導体装置の製造方法と同様に量子ドット３２の表面にＧａＳｂを照射する工程を有するものである。さらに、キャップ層３６を成長する工程においては、第４実施形態による半導体装置の製造方法と同様に低成長速度でキャップ層３６を成長する。
【０１１７】
まず、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、ＧａＡｓ基板２６上に、ＧａＡｓよりなるバッファ層２８を成長する（図１６の時間間隔ｔ１）。
【０１１８】
次いで、ＴＭＧの供給を停止し、基板温度を例えば５００℃まで徐々に降温する（図１６の時間間隔ｔ２）。この間、ＴＢＡの供給は継続する。
【０１１９】
次いで、ＴＢＡの分圧を下げて、ＴＢＡの供給を継続する（図１６の時間間隔ｔ３）。この間、基板温度は例えば５００℃に維持する。
【０１２０】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持しつつ、ＴＢＡの供給を停止して、ＴＭＳｂを反応室内に供給する（図１６の時間間隔ｔ４）。こうして、バッファ層２８の表面にＴＭＳｂを照射することにより、バッファ層２８の表面に、例えば１ＭＬ程度のＳｂ層４４を形成する（図１７（ａ））。量子ドットを成長する前にバッファ層２８の表面にＴＭＳｂを照射しているため、例えば５×１０１０ｃｍ−２よりも高い密度で量子ドットを成長することが可能となる。
【０１２１】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持しつつ、ＴＢＡの供給を再開するとともに、ＴＭＩを反応室内に供給する（図１６の時間間隔ｔ５）。こうして、バッファ層２８上に、ＩｎＡｓよりなる量子ドット層３０を成長する。ＩｎＡｓとバッファ層２８のＧａＡｓとは格子定数が異なるため、量子ドット層３０には、Ｓ−Ｋモードにより量子ドット３２が形成される（図１７（ｂ））。
【０１２２】
量子ドット層３０が成長する間、バッファ層２８の表面のＳｂは、量子ドット層３０の材料であるＩｎＡｓのＡｓと相互拡散し、量子ドット層３０の表面に析出していく。こうして、量子ドット層３０の表面に、ＩｎＳｂ層４６が形成される（図１７（ｃ））。
【０１２３】
次いで、ＴＭＩの供給を停止する一方、ＴＢＡの供給を継続する（図１６の時間間隔ｔ６）。この間、基板温度は例えば５００℃に維持する。
【０１２４】
次いで、分圧を上げてＴＢＡの供給を継続する（図１６の時間間隔ｔ７）。こうして、ＩｎＳｂ層４６が形成された量子ドット層３０の表面にＴＢＡを一定時間照射し、量子ドット層３０の表面をＴＢＡによりエッチングする（図１７（ｄ））。これにより、量子ドット層３０の表面のＩｎＳｂ層４６が除去される（図１８（ａ））。第３実施形態による半導体装置の製造方法と同様に、ＴＢＡによるエッチングによりＩｎＳｂ層４６が除去されるため、量子ドット３２の欠陥を低減し、量子ドット３２の結晶品質を向上することができる。
【０１２５】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持しつつ、ＴＢＡの供給を停止して、ＴＭＳｂとＴＥＧとを反応室内に供給する（図１６の時間間隔ｔ８）。こうして、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射することにより、量子ドット層３０の表面にＧａＳｂ層４０を形成する（図１８（ｂ））。第２実施形態による半導体装置の製造方法と同様に、キャップ層３６を成長する工程の前に、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射するので、量子ドット３２の発光波長を長波長化するとともに、高い発光強度を得ることができる。なお、第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様に、ＴＭＳｂを単独で照射してもよい。
【０１２６】
次いで、基板温度を例えば５００℃に維持したまま、ＴＢＡの供給を再開するとともに、ＴＥＧの供給を継続する（図１６の時間間隔ｔ９）。これにより、量子ドット層３０上に、量子ドット３２を埋め込むようにＧａＡｓよりなるキャップ層３６を成長する（図１８（ｃ））。
【０１２７】
キャップ層３６が成長する間、量子ドット層３０の表面に形成されたＧａＳｂ層４０のＳｂは、キャップ層３６の材料であるＧａＡｓのＡｓと相互拡散し、キャップ層３６の表面に析出していく。こうして、キャップ層３６の表面に、ＧａＳｂ層４２が形成される。
【０１２８】
ここで、キャップ層３６は、第４実施形態による半導体装置の製造方法と同様に、例えば０．２７５ｎｍ／ｓ以下の成長速度で成長する。量子ドット３２の表面のＳｂがキャップ層３６の最表面に拡散するのに十分な成長速度でキャップ層３６を成長するので、量子ドット３２の結晶品質を向上し、高い発光強度を実現することができる。
【０１２９】
こうして、本実施形態による半導体装置の製造方法により製造された半導体装置における量子ドット３２は、密度が例えば５×１０１０ｃｍ−２以上であり、発光波長が例えば１．３μｍ以上の長波長となっている。
【０１３０】
［第６実施形態］
本発明の第６実施形態による半導体装置及びその製造方法について図１９乃至図２１を用いて説明する。図１９は本実施形態による半導体装置の構造を示す断面図、図２０及び図２１は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。なお、第５実施形態による半導体装置の製造方法と同様の構成要素については説明を省略し或いは簡略にする。
【０１３１】
本実施形態では、第５実施形態による半導体装置の製造方法より成長した量子ドット３２を半導体レーザの活性層に適用したリッジ型の量子ドットレーザについて説明する。
【０１３２】
ｎ−ＧａＡｓ基板５０上に、例えば不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３のｎ−ＧａＡｓよりなるバッファ層５２が形成されている。ｎ−ＧａＡｓ基板５０に導入されているｎ型不純物の濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３となっている。バッファ層５２に導入されているｎ型不純物の濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３となっている。
【０１３３】
バッファ層５２上には、ｎ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓよりなる下部クラッド層５４が形成されている。下部クラッド層５４に導入されているｎ型不純物の濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３となっている。下部クラッド層５４の膜厚は、例えば３μｍとなっている。
【０１３４】
下部クラッド層５４上には、活性層５６が形成されている。活性層５６の膜厚は、例えば０．５μｍとなっている。活性層５６には、第５実施形態による半導体装置の製造方法により成長した量子ドット層３０とキャップ層３６との積層膜が３層繰り返して形成されている。繰り返し形成された量子ドット層３０の間隔は、例えば３０ｎｍとなっている。各量子ドット層３０の量子ドット３２は、密度が例えば５×１０１０ｃｍ−２以上であり、具体的には７×１０１０ｃｍ−２となっている。さらに、発光波長が例えば１．３μｍ以上の長波長となっている。
【０１３５】
活性層５６上には、ｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓよりなる上部クラッド層５８が形成されている。上部クラッド層５８に導入されているｐ型不純物の濃度は、５×１０１７ｃｍ−３となっている。上部クラッド層５８の膜厚は、例えば３μｍとなっている。
【０１３６】
上部クラッド層５８上には、ｐ−ＧａＡｓよりなるコンタクト層６０が形成されている。コンタクト層６０に導入されているｐ型不純物の濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３となっている。コンタクト層６０の膜厚は、例えば０．５μｍとなっている。
【０１３７】
コンタクト層６０及び上部クラッド層５８は例えば幅３μｍのストライプ状に加工されており、レーザの横モードを安定させるリッジ構造が形成されている。
【０１３８】
コンタクト層６０上には、ｐ側電極６２が形成されている。
【０１３９】
ｎ−ＧａＡｓ基板５０の裏面には、ｎ側電極６４が形成されている。
【０１４０】
こうして、本実施形態による半導体装置が構成されている。
【０１４１】
本実施形態による半導体装置は、活性層５６に、第５実施形態による半導体装置の製造方法により成長した量子ドット層３０を３層有している。各量子ドット層３０の量子ドット３２は、密度が例えば５×１０１０ｃｍ−２以上であり、具体的には７×１０１０ｃｍ−２となっている。したがって、例えば１０Ｇｂｐｓの高速直接変調を実現することができる。
【０１４２】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図２０及び図２１を用いて説明する。
【０１４３】
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板５０上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、例えば不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３のｎ−ＧａＡｓよりなるバッファ層５２を成長する。ｎ−ＧａＡｓ基板５０に導入されているｎ型不純物の濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３とする。バッファ層５２に導入するｎ型不純物の濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３とする。
【０１４４】
次いで、バッファ層５２上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、ｎ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓよりなる下部クラッド層５４を成長する（図２０（ａ））。下部クラッド層５４に導入するｎ型不純物の濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３とする。下部クラッド層５４の膜厚は、例えば３μｍとする。
【０１４５】
次いで、下部クラッド層５４上に、第５実施形態による半導体装置の製造方法により、量子ドット層３０とキャップ層３６との積層膜を３層繰り返して形成する。
【０１４６】
ここで、第２層目の量子ドット層３０の下地層となる第１層目のキャップ層３６の表面には、Ｓｂが析出し、ＧａＳｂ層４２が形成される。したがって、第２層目の量子ドット層３０を成長する前に第１層目のキャップ層３６の表面にＴＭＳｂを照射する工程は省略してもよい。なお、第１層目のキャップ層３６の表面に形成されたＧａＳｂ層４２を除去してから、その表面にＴＭＳｂを照射した上で、第２層目の量子ドット層３０を成長してもよい。
【０１４７】
同様に、第３層目の量子ドット層３０の下地層となる第２層目のキャップ層３６の表面にも、Ｓｂが析出し、ＧａＳｂ層４２が形成される。したがって、第３層目の量子ドット層３０を成長する前に第２層目のキャップ層３６の表面にＴＭＳｂを照射する工程も省略してもよい。なお、第２層目のキャップ層３６の表面に形成されたＧａＳｂ層４２を除去してから、その表面にＴＭＳｂを照射した上で、第３層目の量子ドット層３０を成長してもよい。
【０１４８】
こうして、下部クラッド層５４上に、第５実施形態による半導体装置の製造方法により成長した量子ドット層３０とキャップ層３６との積層膜が３層繰り返して形成された活性層５４を形成する（図２０（ｂ））。活性層５４の膜厚は、例えば０．５μｍとする。また、キャップ層３６の膜厚を適宜設定することにより、量子ドット層３０の間隔を例えば３０ｎｍとする。
【０１４９】
次いで、活性層５６上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、ｐ−Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓよりなる上部クラッド層５８を成長する。上部クラッド層５８に導入するｐ型不純物の濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３とする。上部クラッド層５８の膜厚は、例えば３μｍとする。
【０１５０】
次いで、上部クラッド層５８上に、例えばＭＯＣＶＤ法により、ｐ−ＧａＡｓよりなるコンタクト層６０を成長する（図２０（ｃ））。コンタクト層６０に導入するｐ型不純物の濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３とする。コンタクト層６０の膜厚は、例えば０．５μｍとする。
【０１５１】
次いで、コンタクト層６０及び上部クラッド層５８を、活性層５６上に上部クラッド層５８が１００ｎｍ程度残存するように例えば幅３μｍのストライプ状に加工する（図２１（ａ））。
【０１５２】
次いで、コンタクト層６０上にｐ側電極６２を形成し、ＧａＡｓ基板５０の裏面にｎ側電極６４を形成する（図２１（ｂ））。
【０１５３】
こうして、本実施形態による半導体装置が製造される。
このように、本実施形態によれば、第５実施形態による半導体装置の製造方法により成長した量子ドット３２を活性層５６に適用するので、高速直接変調を実現することができる量子ドットレーザを提供することができる。
【０１５４】
［第７実施形態］
本発明の第７実施形態による半導体装置及びその製造方法について図２２乃至図２９を用いて説明する。図２２は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略図、図２３、図２４、図２６及び図２９は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図、図２５は本実施形態による半導体装置の製造方法において複数層の量子ドット層を成長する際の各量子ドット層の成長時のＶ／III比の下限値及び上限値を示すグラフ、図２７及び図２８は上部クラッド層の成長温度と上部クラッド層表面の二乗平均粗さとの関係、及び量子ドット層のアニール温度と量子ドットの発光のブルーシフトとの関係を示すグラフである。なお、第５実施形態による半導体装置の製造方法と同様の構成要素については説明を省略し或いは簡略にする。
【０１５５】
本実施形態では、第６実施形態と同様に、第５実施形態による半導体装置の製造方法より成長した量子ドット３２を半導体レーザの活性層に適用したリッジ型の量子ドットレーザについて説明する。
【０１５６】
まず、本実施形態による半導体装置の構造について図２２を用いて説明する。図２２（ａ）は本実施形態による半導体装置の構造を示す断面図、図２２（ｂ）は本実施形態による半導体装置における活性層を示す拡大断面図である。
【０１５７】
図２２（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓ基板６６上には、ｎ−ＡｌＧａＡｓよりなるｎ型の下部クラッド層６８が形成されている。ｎ−ＧａＡｓ基板６６に導入されているｎ型不純物の濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３となっている。下部クラッド層６８の組成は、例えばＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓとなっている。下部クラッド層６８に導入されているｎ型不純物の濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３となっている。下部クラッド層６８の膜厚は、例えば１〜３μｍとなっている。なお、下部クラッド層６８は、第６実施形態による半導体装置と同様に、ｎ−ＧａＡｓよりなるバッファ層を介してｎ−ＧａＡｓ基板６６上に形成してもよい。
【０１５８】
下部クラッド層６８上には、ＧａＡｓよりなるＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）層７０が形成されている。ＳＣＨ層７０の膜厚は、例えば４０ｎｍとなっている。
【０１５９】
ＳＣＨ層７０上には、活性層７２が形成されている。活性層７２には、図２２（ｂ）に示すように、第５実施形態による半導体装置の製造方法により成長したＩｎＡｓよりなる量子ドット層３０とＧａＡｓよりなるキャップ層３６との積層膜が複数層、例えば５〜１０層繰り返して形成されている。キャップ層３６は、バリア層として機能する。第１層目の量子ドット層３０とＳＣＨ層７０との間には、ＧａＡｓよりなるバリア層７１が形成されている。バリア層７１及びキャップ層３６の膜厚は、それぞれ例えば４０ｎｍとなっている。図２２（ｂ）では、ＧａＳｂ層４２（図１８（ｃ）参照）を省略している。
【０１６０】
なお、量子ドット層３０とキャップ層３６との間には、量子ドット３２を含む量子ドット層３０を覆うＩｎＧａＡｓよりなる応力緩和層を形成してもよい。この場合、応力緩和層の組成は、例えばＩｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓとする。
【０１６１】
本実施形態では、ＭＯＣＶＤ法によりｎ層（ｎは２以上の整数）のＩｎＡｓよりなる量子ドット層３０を成長する際に、第ｉ層目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１を満たす整数）の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を高く設定している。これにより、複数層の量子ドット層３０が、欠陥を生じることなく、量子ドット３２のサイズ分布及び密度を層間で均一に保たれた状態で繰り返して形成されている。この点については後述する。
【０１６２】
活性層７２上には、図２２（ａ）に示すように、ＧａＡｓよりなるＳＣＨ層７４が形成されている。ＳＣＨ層７４の膜厚は、例えば４０ｎｍとなっている。
【０１６３】
ＳＣＨ層７４上には、ｐ−ＡｌＧａＡｓよりなるｐ型の上部クラッド層７６が形成されている。上部クラッド層７６の組成は、例えばＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓとなっている。上部クラッド層７６に導入されているｐ型不純物の濃度は、例えば５×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３となっている。上部クラッド層７６の膜厚は、例えば１〜３μｍとなっている。
【０１６４】
上部クラッド層７６上には、ｐ−ＧａＡｓよりなるコンタクト層７８が形成されている。コンタクト層７８に導入されているｐ型不純物の濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３となっている。コンタクト層７８の膜厚は、例えば０．５μｍとなっている。
【０１６５】
コンタクト層７８及び上部クラッド層７６は例えば幅３μｍのストライプ状に加工されており、レーザの横モードを安定させるリッジ構造が形成されている。
【０１６６】
コンタクト層７８上には、ｐ側電極８０が形成されている。
【０１６７】
ｎ−ＧａＡｓ基板６６の裏面には、ｎ側電極８２が形成されている。
【０１６８】
こうして、本実施形態による半導体装置が構成されている。
【０１６９】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図２３乃至図２９を用いて説明する。
【０１７０】
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板６６上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ−ＡｌＧａＡｓよりなるｎ型の下部クラッド層６８を成長する（図２３（ａ））。ｎ−ＧａＡｓ基板６６に導入されているｎ型不純物の濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３とする。下部クラッド層６８の組成は、例えばＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓとする。下部クラッド層６８に導入するｎ型不純物の濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３とする。下部クラッド層６８の膜厚は、例えば１〜３μｍとする。また、下部クラッド層６８の成長時のＧａ原料としては、ＴＭＧを用いる。
【０１７１】
次いで、下部クラッド層５４上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＡｓよりなるＳＣＨ層７０を成長する（図２３（ｂ））。ＳＣＨ層７０の膜厚は、例えば４０ｎｍとする。
【０１７２】
次いで、ＳＣＨ層７０上に、第５実施形態による半導体装置の製造方法により、量子ドット層３０とキャップ層３６との積層膜を複数層、例えば５〜１０層繰り返して形成する。これにより、複数層の量子ドット層３０を含む活性層７２を形成する（図２３（ｃ））。
【０１７３】
ここで、活性層７２の形成方法について図２４及び図２５を用いて詳述する。
【０１７４】
まず、ＳＣＨ層７０上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＡｓよりなるバリア層７１を成長する（図２４（ａ））。バリア層７１の膜厚は、例えば４０ｎｍとする。
【０１７５】
次いで、第５実施形態による半導体装置の製造方法により、量子ドット層３０と、バリア層として機能するキャップ層３６との積層膜を複数層、例えば５〜１０層繰り返して形成する。キャップ層３６の膜厚、すなわち量子ドット層３０の間隔は例えば４０ｎｍとする。
【０１７６】
なお、各量子ドット層３０を成長した後、キャップ層３６を成長する前に、量子ドット３２を含む量子ドット層３０を覆うＩｎＧａＡｓよりなる応力緩和層を形成してもよい。この場合、応力緩和層の組成は、例えばＩｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓとする。
【０１７７】
本実施形態では、ＭＯＣＶＤ法によりｎ層（ｎは２以上の整数）のＩｎＡｓよりなる量子ドット層３０を成長する際に、第ｉ層目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１を満たす整数）の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を高く設定する。こうして、量子ドット層３０の層数が増加するに従って量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を徐々に高くしていく。ここで、量子ドット層３０の成長時のＶ／III比とは、量子ドット層３０を成長する際にＭＯＣＶＤ装置の反応室内に供給するIII族原料の供給量に対するＶ族原料の供給量の比のことをいい、本実施形態では、ＴＭＩの供給量に対するＴＢＡの供給量の比のことをいう。
【０１７８】
このように量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を設定する場合において、各量子ドット層３０の成長時のＶ／III比は、図２５に示す範囲内で設定する。図２５は、本実施形態による半導体装置の製造方法において複数層の量子ドット層３０を成長する際の各量子ドット層３０の成長時のＶ／III比の下限値及び上限値を示すグラフである。グラフの縦軸はＶ／III比を示し、横軸は量子ドット層３０の層番号、すなわち第何層目の量子ドット層３０であるかを示している。グラフ中、◆印はＶ／III比の下限値を示し、■印はＶ／III比の上限値を示している。
【０１７９】
図２５に示すように、第１層目の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比は、０．１〜０．８に設定する。
【０１８０】
また、第２層目の量子ドット層３０の成長時の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比は、１．３〜３．６に設定する。
【０１８１】
また、第３層目の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比は、１．８〜４．０に設定する。
【０１８２】
また、第４層目以降の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比は、１．８〜４．０に設定する。
【０１８３】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、ＭＯＣＶＤ法によりｎ層（ｎは２以上の整数）のＩｎＡｓよりなる量子ドット層３０を成長する際に、第ｉ層目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１を満たす整数）の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を高く設定し、量子ドット層３０の層数が増加するに従って量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を徐々に高くしていくことに主たる特徴の一つがある。
【０１８４】
このように量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を設定することにより、欠陥を生じることなく、量子ドット３２のサイズ分布及び密度を層間で均一に保ちつつ、複数層の量子ドット層３０を繰り返して形成することができる。
【０１８５】
なお、図２５に示す量子ドット層３０の成長時のＶ／III比の下限値及び上限値は、以下に述べるように、複数層の量子ドット層３０を繰り返して形成する上で重要な意義を有している。
【０１８６】
まず、或る量子ドット層３０の成長時のＶ／III比が下限値を下回ると、その量子ドット層３０に含まれる量子ドット３２は、密度が大きくなるものの、サイズ分布が急激に広がるとともに、平均サイズが急激に小さくなってしまう。この結果、その量子ドット層３０に含まれる量子ドット３２の特性は、下層の量子ドット層３０、特に第１層目の量子ドット層３０に含まれる量子ドット３２の特性と大きく異なってしまう。量子ドットレーザに用いる量子ドットには、均一なサイズ分布及び発光波長１．３μｍの実現に充分な大きさのサイズが要求される。このため、下限値を下回るＶ／III比で成長された量子ドット３２は、量子ドットレーザに不適である。
【０１８７】
また、或る量子ドット層３０の成長時のＶ／III比が上限値を上回ると、その量子ドット層３０において、合体した島状体の密度が急激に増加する。これら巨大な島状体は、塑性的に緩和しており、転位が生じている。このため、量子ドット層３０には非発光再結合中心が導入され、その光学的な特性は大きく劣化することになる。加えて、巨大な島状体は、複数の量子ドット層３０を繰り返し形成することの妨げとなる。
【０１８８】
本実施形態では、各量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を図２５に示す下限値及び上限値の範囲内で設定するので、量子ドットレーザに好適な量子ドット３２を含む量子ドット層３０を複数層繰り返して形成することができる。
【０１８９】
こうして複数層の量子ドット層３０が繰り返して形成された活性層７２を形成した後、活性層７２上に、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＡｓよりなるＳＣＨ層７４を成長する（図２６（ａ））。ＳＣＨ層７４の膜厚は、例えば４０ｎｍとする。
【０１９０】
次いで、ＳＣＨ層７４上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｐ−ＡｌＧａＡｓよりなるｐ型の上部クラッド層７６を成長する。上部クラッド層７６の組成は、例えばＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓとする。上部クラッド層７６に導入するｐ型不純物の濃度は、例えば５×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３とする。上部クラッド層７６の膜厚は、例えば１〜３μｍとする。また、上部クラッド層７６の成長条件は、基板温度すなわち成長温度を６１０〜６６０℃とし、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に供給する原料ガスには、Ａｌ原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を、Ｇａ原料としてＴＭＧを、Ａｓ原料としてＴＢＡを用いる。
【０１９１】
このように、本実施形態による半導体装置の製造方法は、成長温度を６１０〜６６０℃とし、Ｇａ原料としてＴＭＧをＭＯＣＶＤ装置の反応室内に供給して上部クラッド層７６を成長することにも主たる特徴の一つがある。
【０１９２】
ここで、上部クラッド層７６の成長温度と、上部クラッド層７６表面の二乗平均粗さ及び量子ドット３２の発光のブルーシフトとの関係について図２７及び図２８を用いて説明する。
【０１９３】
図２７は、ＡｌＧａＡｓよりなる上部クラッド層の成長温度と上部クラッド層表面の二乗平均粗さとの関係、及び量子ドット層のアニール温度と量子ドットの発光のブルーシフトとの関係を示すグラフである。なお、図２７は、量子ドットを含む量子ドット層を覆うＩｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓよりなる応力緩和層を形成していない場合を示している。キャップ層の膜厚は４０ｎｍとし、本発明により５層の量子ドット層を繰り返して形成している。量子ドットの基底状態でのピーク発光波長は、１．２８μｍである。グラフの右側縦軸は上部クラッド層表面の二乗平均粗さを示し、左側縦軸は量子ドットの発光のブルーシフトを示し、グラフの横軸は、二乗平均粗さに対して上部クラッド層の成長温度を示し、発光のブルーシフトに対して量子ドット層のアニール温度を示している。グラフ中、■印は上部クラッド層表面の二乗平均粗さを示し、◆印は量子ドットの発光のブルーシフトを示している。
【０１９４】
量子ドットレーザを構成する結晶の表面形態の品質は、そのレーザの性能を左右する極めて重要な要素の一つである。すなわち、結晶表面は、できるだけ平坦であることが望ましい。この結晶形態の品質は、結晶の成長温度を増加することにより劇的に改善する。
【０１９５】
図２７に示すように、６００℃以下の成長温度で膜厚１．０〜１．４μｍのＡｌＧａＡｓよりなる上部クラッド層を形成した場合、上部クラッド層の表面は、二乗平均粗さが５ｎｍを超える非常に粗いものになっている。
【０１９６】
これに対して、成長温度が６１０℃の場合、上部クラッド層表面の粗さは劇的に改善され、二乗平均粗さは２ｎｍ程度になっている。さらに、成長温度が６２０℃以上の場合には、上部クラッド層の表面は、二乗平均粗さが０．４ｎｍ以下の平坦なものになっている。成長温度が６４０℃以上の場合には、二乗平均粗さが０．２ｎｍ程度の非常に平坦なものになっている。
【０１９７】
本実施形態では、６１０℃以上の成長温度で上部クラッド層７６を成長するので、結晶品質が高く平坦な上部クラッド層７６を成長することができる。これにより、ＳＣＨ層７４と上部クラッド層７６との界面の粗さ及び上部クラッド層７６と後工程で成長するコンタクト層７８との界面の粗さを低減することができる。これにより、量子ドットレーザにおける光の散乱損失を低減することができる。
【０１９８】
また、以下に述べるように、本実施形態では、このように比較的高温の成長温度で上部クラッド層７６を成長しても、量子ドット３２が破壊されたり量子ドット３２の発光特性が劣化したりすることもない。
【０１９９】
上部クラッド層の成長時においては、量子ドットを含む活性層は、非常に高い温度にアニールされることになる。
【０２００】
Ｓｂを用いずにＩｎＡｓよりなる量子ドットとＧａＡｓよりなるキャップ層とを成長する従来の成長方法の場合、量子ドットが非常に高い温度にアニールされると、量子ドットの発光波長が短波長側にシフトする、すなわちブルーシフトすることになる。さらには、量子ドットが破壊されることがある。
【０２０１】
これに対して、Ｓｂを用いてＩｎＡｓよりなる量子ドットとＧａＡｓよりなるキャップ層とを成長する本発明の場合は、アニールの影響を受けることは殆どなく、量子ドットが非常に高い温度にアニールされても、量子ドットの発光波長がブルーシフトすることはなく、量子ドットが破壊されることもない。
【０２０２】
図２７では、膜厚１．４μｍのＡｌＧａＡｓよりなる上部クラッド層を成長速度約０．８ｎｍ／ｓで成長した場合に相当する３０分間の処理時間でアニール処理を行った場合の本発明による量子ドットの発光のブルーシフトを示している。ここで、量子ドットの発光のブルーシフトとは、アニール処理前後での量子ドットの発光波長のピークの差を意味している。発光のブルーシフトの値０は、アニール処理前後で量子ドットのピーク発光波長に変化がないことを意味している。負の値は、量子ドットのピーク発光波長がブルーシフトしていることを意味し、その絶対値が大きいほどシフト量が大きいことを示している。
【０２０３】
図２７から、６６０℃のアニール温度までは、量子ドットのピーク発光波長はブルーシフトしていないことが分かる。これに対して、６７０℃以上のアニール温度では、量子ドットのピーク発光波長が７０ｎｍ以上ブルーシフトしていることが分かる。
【０２０４】
本実施形態では、６６０℃以下の成長温度で上部クラッド層７６を成長するため、上部クラッド層７６の成長時に、活性層７２に含まれる量子ドット３２のピーク発光波長がブルーシフトすることはない。
【０２０５】
このように、本実施形態では、６１０〜６６０℃の成長温度でＡｌＧａＡｓよりなる上部クラッド層７６を成長するので、量子ドット３２の発光特性の劣化や量子ドット３２の破壊を招くことなく、結晶品質が高く平坦な上部クラッド層７６を成長することができる。
【０２０６】
なお、量子ドットの発光のブルーシフトは、量子ドットの被覆状態に依存することが分かっている。
【０２０７】
図２８は、量子ドットを含む量子ドット層を覆うＩｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓよりなる応力緩和層を形成した場合について、図２７と同様に、量子ドット層のアニール温度と量子ドットの発光のブルーシフトとの関係を示している。図２８に示す場合の量子ドット層の積層構造は、応力緩和層を形成している点を除いて図２７に示す場合と同様である。この場合の量子ドットの基底状態でのピーク発光波長は、１．３０５μｍである。
【０２０８】
図２８から、応力緩和層を形成した場合、６４０℃のアニール温度までは、量子ドットのピーク発光波長はブルーシフトしていないことが分かる。これに対して、６５０℃以上のアニール温度では、量子ドットのピーク発光波長が７０ｎｍ以上ブルーシフトしていることが分かる。
【０２０９】
したがって、量子ドット３２を含む量子ドット層３０を覆う応力緩和層を形成する場合には、上部クラッド層７６の成長温度を６１０〜６４０℃に設定することが望ましい。
【０２１０】
こうして上部クラッド層７６を成長した後、上部クラッド層７６上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｐ−ＧａＡｓよりなるコンタクト層７８を成長する（図２６（ｃ））。コンタクト層７８に導入するｐ型不純物の濃度は、例えば１×１０１９ｃｍ−３とする。コンタクト層７８の膜厚は、例えば０．５μｍとする。また、コンタクト層７８の成長条件は、成長温度を上部クラッド層７６の成長温度から降温して６００〜６１０℃とし、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に供給する原料ガスには、Ｇａ原料として上部クラッド層７６の成長時に用いたＴＭＧに代えてＴＥＧを用い、Ａｓ原料としてＴＢＡを用いる。
【０２１１】
このように、本実施形態による半導体装置の製造方法は、成長温度を上部クラッド層７６の成長温度から降温して６００〜６１０℃とし、Ｇａ原料として上部クラッド層７６の成長時に用いたＴＭＧに代えてＴＥＧをＭＯＣＶＤ装置の反応室内に供給してコンタクト層７８を成長することにも主たる特徴の一つがある。
【０２１２】
コンタクト層７８をこのような成長条件で成長することにより、結晶品質の高いコンタクト層７８を成長することができ、上部クラッド層７６とコンタクト層７８との界面の粗さを更に低減することができる。これにより、量子ドットレーザにおける光の散乱損失を更に低減することができる。また、量子ドットレーザにおけるリーク電流を低減することができる。
【０２１３】
また、６００〜６１０℃の成長温度でコンタクト層７８を成長するので、コンタクト層７８の成長時に量子ドット３２の発光特性が劣化することもない。また、量子ドット３２が破壊されることもない。
【０２１４】
次いで、コンタクト層７８及び上部クラッド層７６を、ＳＣＨ層７４上に上部クラッド層７６が１０〜１００ｎｍ程度残存するように例えば幅３μｍのストライプ状に加工する（図２９（ａ））。
【０２１５】
次いで、コンタクト層７８上にｐ側電極８０を形成し、ＧａＡｓ基板６２の裏面にｎ側電極８２を形成する（図２９（ｂ））。
【０２１６】
こうして、本実施形態による半導体装置が製造される。
【０２１７】
このように、本実施形態によれば、ＭＯＣＶＤ法によりｎ層のＩｎＡｓよりなる量子ドット層３０を成長する際に、第ｉ層目の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を高く設定し、量子ドット層３０の層数が増加するに従って量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を徐々に高くしていくので、欠陥を生じることなく、量子ドット３２のサイズ分布及び密度を層間で均一に保ちつつ、複数層の量子ドット層３０を繰り返して形成することができる。
【０２１８】
また、本実施形態によれば、成長温度を６１０〜６６０℃とし、Ｇａ原料としてＴＭＧをＭＯＣＶＤ装置の反応室内に供給して上部クラッド層７６を成長するので、量子ドット３２の発光特性の劣化や量子ドット３２の破壊を伴うことなく、結晶品質が高く平坦な上部クラッド層７６を成長することができる。これにより、ＳＣＨ層７４と上部クラッド層７６との界面の粗さ及び上部クラッド層７６とコンタクト層７８との界面の粗さを低減することができる。これにより、量子ドットレーザにおいて光の散乱損失を低減することができる。
【０２１９】
さらに、本実施形態によれば、成長温度を上部クラッド層７６の成長温度から降温して６００〜６１０℃とし、Ｇａ原料として上部クラッド層７６の成長時に用いたＴＭＧに代えてＴＥＧをＭＯＣＶＤ装置の反応室内に供給してコンタクト層７８を成長するので、量子ドット３２の発光特性の劣化や量子ドット３２の破壊を伴うことなく、結晶品質の高いコンタクト層７８を成長することができる。したがって、上部クラッド層７６とコンタクト層７８との界面の粗さを更に低減することができる。これにより、量子ドットレーザにおけるリーク電流を低減することができる。
【０２２０】
なお、上記では、第５実施形態による半導体装置の製造方法により量子ドット層３０とキャップ層３６との積層膜を複数層繰り返して形成する場合について説明したが、第１乃至第４実施形態による半導体装置の製造方法のいずれかにより量子ドット層３０とキャップ層３６との積層膜を複数層繰り返して形成してもよい。この場合においても、上記と同様に量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を設定し、量子ドット層３０の層数が増加するに従って量子ドット層３０の成長時のＶ／III比を徐々に高くしていくことにより、欠陥を生じることなく、量子ドット３２のサイズ分布及び密度を層間で均一に保ちつつ、複数層の量子ドット層３０を繰り返して形成することができる。
【０２２１】
また、上記では、量子ドット層３０とキャップ層３６との積層膜を複数層繰り返して形成する場合について説明したが、第１乃至第５実施形態による半導体装置の製造方法のいずれかにより量子ドット層３０とキャップ層３６との積層膜を１層だけ形成してもよい。この場合においても、上記と同様の成長条件で上部クラッド層７６の成長することにより、量子ドット３２の発光特性の劣化や量子ドット３２の破壊を招くことなく、結晶品質が高く平坦な上部クラッド層７６を成長することができる。また、上記と同様の成長条件でコンタクト層７８を成長することにより、量子ドット３２の発光特性の劣化や量子ドット３２の破壊を伴うことなく、結晶品質の高いコンタクト層７８を成長することができる。
【０２２２】
［第８実施形態］
本発明の第８実施形態による半導体装置の製造方法について図３０を用いて説明する。図３０は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。なお、第７実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素については説明を省略し或いは簡略にする。
【０２２３】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、第７実施形態による半導体装置の製造方法とほぼ同様である。本実施形態による半導体装置の製造方法は、上部クラッド層７６の成長時において、ドーパントを用いることなく、上部クラッド層７６の成長時のＶ／III比を制御することにより、上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度を制御することに特徴がある。
【０２２４】
まず、第７実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、ｎ−ＧａＡｓ基板６６上に、ＳＣＨ層７４までを形成する（図３０（ａ））。
【０２２５】
次いで、ＳＣＨ層７４上に、ＭＯＣＶＤ法により、ｐ−ＡｌＧａＡｓよりなるｐ型の上部クラッド層７６を成長する（図３０（ｂ））。上部クラッド層７６の組成は、例えばＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓとする。上部クラッド層７６の膜厚は、例えば１〜３μｍとする。また、上部クラッド層７６の成長条件は、成長温度を６１０〜６６０℃とし、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に供給する原料ガスには、Ａｌ原料としてＴＭＡを、Ｇａ原料としてＴＭＧを、Ａｓ原料としてＴＢＡを用いる。
【０２２６】
本実施形態では、上部クラッド層７６の成長時においてｐ型キャリア濃度を制御するためのドーパントをＭＯＣＶＤ装置の反応室内に供給せずに、上部クラッド層７６の成長時のＶ／III比を制御することにより、上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度を制御する。ここで、上部クラッド層７６の成長時のＶ／III比とは、上部クラッド層７６を成長する際にＭＯＣＶＤ装置の反応室内に供給するIII族原料の供給量に対するＶ族原料の供給量の比のことをいい、本実施形態では、ＴＭＡ及びＴＭＧの供給量に対するＴＢＡの供給量の比のことをいう。
【０２２７】
上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度は、上部クラッド層７６の成長時のＶ／III比が増加するに従って減少し、Ｖ／III比が減少するに従って増加する。具体的には、上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度は、上部クラッド層７６の成長時のＭＯＣＶＤ装置の反応室内のＶ族原料であるＴＢＡの分圧が増加するに従って減少し、ＴＢＡの分圧が減少するに従って増加する。
【０２２８】
このようなＶ／III比とｐ型キャリア濃度との関係に基づき、本実施形態では、上部クラッド層７６の成長時のＶ／III比を例えば１〜１０の範囲で制御することにより、上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度を例えば１０１７〜１０１８ｃｍ−３の範囲に制御する。なお、上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度は、Ｖ／III比のほか成長温度にも依存するため、成長温度に応じてＶ／III比を適宜設定する。
【０２２９】
上部クラッド層７６の成長温度が６１０〜６６０℃の場合において、具体的には以下のようにＶ／III比を設定する。
【０２３０】
例えば上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度を６×１０１７ｃｍ−３に設定する場合、上部クラッド層７６の成長時のＶ／III比を５〜８に設定する。
【０２３１】
また、例えば上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度を１．０×１０１８ｃｍ−３に設定する場合、上部クラッド層７６の成長時のＶ／III比を３〜６に設定する。
【０２３２】
このように、本実施形態による半導体装置の製造方法では、ドーパントを用いることなく、上部クラッド層７６の成長時のＶ／III比を制御することにより、上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度を制御するので、上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度を簡便に所望の濃度に設定することができる。
【０２３３】
なお、上部クラッド層７６の成長時のＶ／III比は、上部クラッド層７６の活性層７２側からコンタクト層７８側に向かって減少するように制御することが望ましい。すなわち、上部クラッド層７６の活性層７２側の部分のＶ／III比が、他の部分のＶ／III比よりも高くなるように制御することが望ましい。
【０２３４】
こうして上部クラッド層７６を成長した後の工程は第７実施形態による半導体装置の製造方法と同様であるので説明を省略する。
【０２３５】
このように、本実施形態によれば、ドーパントを用いることなく、上部クラッド層７６の成長時のＶ／III比を制御することにより、上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度を制御するので、上部クラッド層７６のｐ型キャリア濃度を簡便に所望の濃度に設定することができる。
【０２３６】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【０２３７】
例えば、上記実施形態では、量子ドット層３０としてＩｎＡｓ層を成長する場合について説明したが、量子ドット層３０の材料はこれに限定されるものではない。量子ドット層３０の材料としては、バッファ層２８と格子定数が異なる材料を適宜用いることができ、例えば他のIII−Ｖ族半導体を用いることができる。
【０２３８】
また、上記実施形態では、キャップ層３６としてＧａＡｓ層を成長する場合について説明したが、キャップ層３６の材料はこれに限定されるものではない。キャップ層３６の材料としては、ＩｎＧａＡｓ等を用いることができる。
【０２３９】
また、上記実施形態では、ＭＯＣＶＤ法により半導体層を成長する場合について説明したが、半導体層の成長方法はこれに限定されるものではない。例えば、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等により半導体層を成長してもよい。
【０２４０】
また、上記実施形態では、量子ドット層３０の表面に、有機Ｓｂ原料ガスとしてＴＭＳｂを照射する場合について説明したが、Ｓｂの照射に用いる有機Ｓｂ原料はこれに限定されるものではない。例えば、ＴＭＳｂのほか、ＴＥＳｂ等の有機Ｓｂ原料ガスを量子ドット層３０の表面に照射することにより、Ｓｂの照射を行ってもよい。
【０２４１】
また、上記実施形態では、量子ドット層３０の表面にＴＭＳｂとＴＥＧとを同時に照射する場合について説明したが、ＧａＳｂの照射に用いる有機金属原料はこれらに限定されるものではない。例えば、上記の有機Ｓｂ原料ガスと、ＴＥＧのほか、ＴＭＧａ等の有機Ｇａ原料ガスとを同時に照射することにより、ＧａＳｂの照射を行ってもよい。また、有機Ｓｂ原料ガスと、Ｇａ以外のIII族金属（Ｉｎ、Ａｌ）の有機原料ガスとを同時に照射してもよい。
【０２４２】
また、上記実施形態では、量子ドット層３０を成長する前にバッファ層２８の表面にＴＭＳｂを照射する場合について説明したが、Ｓｂの照射はこれに限定されるものではない。ＴＭＳｂのほか、上記の有機Ｓｂ原料ガスをバッファ層２８の表面に照射することにより、Ｓｂの照射を行ってもよい。
【０２４３】
また、上記実施形態では、量子ドット層３０を成長する前にバッファ層２８の表面にＳｂを照射する場合について説明したが、量子ドット層３０の成長中にバッファ層２８の表面にＳｂを照射してもよい。また、量子ドット層３０の成長前又は成長中に、バッファ層２８の表面にＧａＳｂを照射してもよい。ＧａＳｂの照射は、バッファ層２８の表面に有機Ｓｂ原料ガスと有機Ｇａ原料ガスとを同時に照射することにより行うことができる。
【０２４４】
また、上記実施形態では、量子ドット層３０の表面にＴＢＡを一定時間照射し、量子ドット層３０の表面をＴＢＡでエッチングする場合について説明したが、量子ドット層３０の表面に一定時間照射するＡｓ原料はこれに限定されるものではない。例えば、ＴＢＡのほか、ＡｓＨ３、Ａｓ２、Ａｓ４等を用いることができる。
【０２４５】
また、上記実施形態では、量子ドット層３０の表面にＴＢＡを一定時間照射することにより、ＩｎＳｂ層４６を除去する場合について説明したが、その他の方法で量子ドット層３０の表面をエッチングすることによりＩｎＳｂ層４６を除去してもよい。
【０２４６】
また、上記第６乃至第８実施形態では、下部クラッド層５４、６８及び上部クラッド層６０、７６の材料としてＡｌＧａＡｓを用いる場合について説明したが、下部クラッド層及び上部クラッド層の材料はこれに限定されるものではなく、例えば他のIII−Ｖ族化合物半導体を用いてもよい。
【０２４７】
また、上記第６乃至第８実施形態では、コンタクト層６０、７８の材料としてＧａＡｓを用いる場合について説明したが、コンタクト層の材料はこれに限定されるものではなく、例えば他のIII−Ｖ族化合物半導体を用いてもよい。
【０２４８】
また、上記第７及び第８実施形態では、ＳＣＨ層７０、７４を形成する場合について説明したが、これらは必ずしも形成しなくてもよい。ＳＣＨ層７４を形成しない場合においては、上述した成長条件で上部クラッド層７６を成長することにより、活性層７２と上部クラッド層７６との界面の粗さを低減することができる。
【０２４９】
また、上記第６乃至第８実施形態では、量子ドット層を活性層に含む量子ドットレーザに本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、量子ドットレーザのほか、量子ドット光増幅器、量子ドット波長変換器、量子ドット波形整形器等、量子ドット層を活性層に含む他の光半導体装置に適用することができる。
【０２５０】
以上詳述した通り、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。
【０２５１】
（付記１） 下地層上に、自己組織化成長により量子ドットを形成する工程と、
前記量子ドットの表面に、有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程と、
前記量子ドット上に、キャップ層を成長する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２５２】
（付記２） 下地層上に、自己組織化成長により量子ドットを形成する工程と、
前記量子ドットを形成する工程の前又は前記量子ドットを形成する工程の際に、前記下地層の表面にＳｂ又はＧａＳｂを照射する工程と、
前記量子ドット上に、キャップ層を成長する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２５３】
（付記３） 付記２記載の半導体装置の製造方法において、
前記量子ドットの表面にＡｓ原料ガスを一定時間照射する又は前記量子ドットの表面をエッチングすることにより、前記量子ドットの表面に析出したＳｂを含む表面層を除去する工程を更に含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２５４】
（付記４） 付記３記載の半導体装置の製造方法において、
前記表面層を除去する工程の後、前記キャップ層を成長する工程の前に、前記量子ドットの表面に、有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２５５】
（付記５） 付記１又は４記載の半導体装置の製造方法において、
前記有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程では、前記有機Ｓｂ原料ガスとともに、III族金属の有機原料ガスを同時に照射する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２５６】
（付記６） 付記１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記キャップ層を成長する工程では、０．２７５ｎｍ／ｓ以下の成長速度で前記キャップ層を成長する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２５７】
（付記７） 付記１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記量子ドットを含む活性層を形成し、
前記活性層上に、６１０〜６６０℃の成長温度で、Ｇａ原料としてトリメチルガリウムを用いてクラッド層を成長する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２５８】
（付記８） 付記７記載の半導体装置の製造方法において、
前記クラッド層を成長する工程の後に、前記クラッド層上に、６００〜６１０℃の成長温度で、Ｇａ原料としてトリエチルガリウムを用いてコンタクト層を成長する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２５９】
（付記９） 付記１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記量子ドットを含む活性層を形成し、
前記活性層上に、クラッド層を成長する工程と、
前記クラッド層上に、６００〜６１０℃の成長温度で、Ｇａ原料としてトリエチルガリウムを用いてコンタクト層を成長する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２６０】
（付記１０） 自己組織化成長により形成される量子ドットを含む量子ドット層を成長する工程と；前記量子ドット層の表面に、有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程と；前記量子ドット層上に、キャップ層を成長する工程とを繰り返すことにより、半導体基板上に、前記量子ドット層をｎ層（ｎは２以上の整数）含む活性層を形成する工程を有し、
前記活性層を形成する工程では、第ｉ層目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１を満たす整数）の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比を高く設定する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２６１】
（付記１１） 自己組織化成長により形成される量子ドットを含む量子ドット層を成長する工程と；前記量子ドット層を成長する工程の前又は前記量子ドット層を成長する工程の際に、前記量子ドット層の下地層の表面にＳｂ又はＧａＳｂを照射する工程と；前記量子ドット層上に、キャップ層を成長する工程とを繰り返すことにより、半導体基板上に、前記量子ドット層をｎ層（ｎは２以上の整数）含む活性層を形成する工程を有し、
前記活性層を形成する工程では、第ｉ層目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１を満たす整数）の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比を高く設定する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２６２】
（付記１２） 付記１１記載の半導体装置の製造方法において、
前記量子ドットの表面にＡｓ原料ガスを一定時間照射する又は前記量子ドットの表面をエッチングすることにより、前記量子ドットの表面に析出したＳｂを含む表面層を除去する工程を更に含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２６３】
（付記１３） 付記１２記載の半導体装置の製造方法において、
前記表面層を除去する工程の後、前記キャップ層を成長する工程の前に、前記量子ドット層の表面に、有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２６４】
（付記１４） 付記１０又は１３記載の半導体装置の製造方法において、
前記有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程では、前記有機Ｓｂ原料ガスとともに、III族金属の有機原料ガスを同時に照射する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２６５】
（付記１５） 付記１０乃至１４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記キャップ層を成長する工程では、０．２７５ｎｍ／ｓ以下の成長速度で前記キャップ層を成長する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２６６】
（付記１６） 付記１０乃至１５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記活性層を形成する工程の後に、前記活性層上に、６１０〜６６０℃の成長温度で、Ｇａ原料としてトリメチルガリウムを用いてクラッド層を成長する工程とを更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２６７】
（付記１７） 付記１６記載の半導体装置の製造方法において、
前記クラッド層を成長する工程の後に、前記クラッド層上に、６００〜６１０℃の成長温度で、Ｇａ原料としてトリエチルガリウムを用いてコンタクト層を成長する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２６８】
（付記１８） 付記１０乃至１５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記活性層を形成する工程の後に、前記活性層上に、クラッド層を成長する工程と、
前記クラッド層上に、６００〜６１０℃の成長温度で、Ｇａ原料としてトリエチルガリウムを用いてコンタクト層を成長する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２６９】
（付記１９） 付記７又は１６記載の半導体装置の製造方法において、
前記クラッド層を成長する工程では、ドーパントを用いることなく、前記クラッド層の成長時のＶ／III比を制御することにより、前記クラッド層のｐ型キャリア濃度を制御する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【０２７０】
（付記２０） 自己組織化成長により下地層上に形成された量子ドットと、
前記量子ドットを埋め込むキャップ層と、
前記量子ドットとキャップ層との間に形成され、III族金属とＳｂとを含む薄膜と
を有することを特徴とする半導体装置。
【図面の簡単な説明】
【０２７１】
【図１】従来の量子ドットの成長方法において発生する欠陥を説明する概略断面図である。
【図２】本発明による半導体装置の製造方法の概略を説明する工程断面図（その１）である。
【図３】本発明による半導体装置の製造方法の概略を説明する工程断面図（その２）である。
【図４】本発明による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態による半導体装置の製造方法において供給する原料ガスの分圧等を示すグラフである。
【図６】本発明の第１実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図７】量子ドットの成長後にＳｂ照射を行った場合等における量子ドットの室温でのＰＬ発光スペクトルを示すグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態による半導体装置の製造方法において供給する原料ガスの分圧等を示すグラフである。
【図９】本発明の第２実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態による半導体装置の製造方法において供給する原料ガスの分圧等を示すグラフである。
【図１１】本発明の第３実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図１２】本発明の第３実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図１３】量子ドットのピーク発光波長及び発光強度とＴＢＡによるエッチング時間との関係を示すグラフである。
【図１４】キャップ層の成長速度が異なる試料について得られた量子ドットの室温でのＰＬ発光スペクトルを示すグラフである。
【図１５】本発明の第４実施形態による半導体装置の製造方法におけるＳｂの拡散を説明する概略断面図である。
【図１６】本発明の第５実施形態による半導体装置の製造方法において供給する原料ガスの分圧等を示すグラフである。
【図１７】本発明の第５実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図１８】本発明の第５実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図１９】本発明の第６実施形態による半導体装置の構造を示す断面図である。
【図２０】本発明の第６実施形態による半導体装置の製造方法の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図２１】本発明の第６実施形態による半導体装置の製造方法の製造方法を示す工程断面図である。
【図２２】本発明の第７実施形態による半導体装置の構造を示す概略図である。
【図２３】本発明の第７実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図２４】本発明の第７実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図２５】本発明の第７実施形態による半導体装置の製造方法において複数層の量子ドット層を成長する際の各量子ドット層の成長時のＶ／III比の下限値及び上限値を示すグラフである。
【図２６】本発明の第７実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その３）である。
【図２７】上部クラッド層の成長温度と上部クラッド層表面の二乗平均粗さ、及び量子ドットのアニール温度と量子ドットの発光のブルーシフトとの関係を示すグラフ（その１）である。
【図２８】上部クラッド層の成長温度と上部クラッド層表面の二乗平均粗さ、及び量子ドットのアニール温度と量子ドットの発光のブルーシフトとの関係を示すグラフ（その２）である。
【図２９】本発明の第７実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図（その４）である。
【図３０】本発明の第８実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図３１】従来の量子ドットの成長方法を示す工程断面図である。
【符号の説明】
【０２７２】
１０…下地層
１２…Ｓｂ層
１４…量子ドット層
１６…量子ドット
１８…ＩｎＳｂ層
２０…被覆層
２１…薄膜
２２…キャップ層
２４…ＧａＳｂ層
２６…ＧａＡｓ基板
２８…バッファ層
３０…量子ドット層
３２…量子ドット
３４…Ｓｂ層
３６…キャップ層
３８…ＧａＳｂ層
４０…ＧａＳｂ層
４２…ＧａＳｂ層
４４…Ｓｂ層
４６…ＩｎＳｂ層
５０、６６…ＧａＡｓ基板
５２…バッファ層
５４、６８…下部クラッド層
５６、７２…活性層
５８、７６…上部クラッド層
６０、７８…コンタクト層
６２、８０…ｐ側電極
６４、８２…ｎ側電極
７０、７４…ＳＣＨ層
７１…バリア層
１００…下地層
１０２…Ｓｂ層
１０４…量子ドット層
１０６…量子ドット
１０８…Ｓｂ層
１１０…キャップ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地層上に、自己組織化成長により量子ドットを形成する工程と、
前記量子ドットの表面に、有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程と、
前記量子ドット上に、キャップ層を成長する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
下地層上に、自己組織化成長により量子ドットを形成する工程と、
前記量子ドットを形成する工程の前又は前記量子ドットを形成する工程の際に、前記下地層の表面にＳｂ又はＧａＳｂを照射する工程と、
前記量子ドット上に、キャップ層を成長する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の半導体装置の製造方法において、
前記量子ドットの表面にＡｓ原料ガスを一定時間照射する又は前記量子ドットの表面をエッチングすることにより、前記量子ドットの表面に析出したＳｂを含む表面層を除去する工程を更に含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の半導体装置の製造方法において、
前記表面層を除去する工程の後、前記キャップ層を成長する工程の前に、前記量子ドットの表面に、有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１又は４記載の半導体装置の製造方法において、
前記有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程では、前記有機Ｓｂ原料ガスとともに、III族金属の有機原料ガスを同時に照射する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記量子ドットを含む活性層を形成し、
前記活性層上に、６１０〜６６０℃の成長温度で、Ｇａ原料としてトリメチルガリウムを用いてクラッド層を成長する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記量子ドットを含む活性層を形成し、
前記活性層上に、クラッド層を成長する工程と、
前記クラッド層上に、６００〜６１０℃の成長温度で、Ｇａ原料としてトリエチルガリウムを用いてコンタクト層を成長する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
自己組織化成長により形成される量子ドットを含む量子ドット層を成長する工程と；前記量子ドット層の表面に、有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程と；前記量子ドット層上に、キャップ層を成長する工程とを繰り返すことにより、半導体基板上に、前記量子ドット層をｎ層（ｎは２以上の整数）含む活性層を形成する工程を有し、
前記活性層を形成する工程では、第ｉ層目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１を満たす整数）の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比を高く設定する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
自己組織化成長により形成される量子ドットを含む量子ドット層を成長する工程と；前記量子ドット層を成長する工程の前又は前記量子ドット層を成長する工程の際に、前記量子ドット層の下地層の表面にＳｂ又はＧａＳｂを照射する工程と；前記量子ドット層上に、キャップ層を成長する工程とを繰り返すことにより、半導体基板上に、前記量子ドット層をｎ層（ｎは２以上の整数）含む活性層を形成する工程を有し、
前記活性層を形成する工程では、第ｉ層目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１を満たす整数）の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比を高く設定する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項９記載の半導体装置の製造方法において、
前記量子ドットの表面にＡｓ原料ガスを一定時間照射する又は前記量子ドットの表面をエッチングすることにより、前記量子ドットの表面に析出したＳｂを含む表面層を除去する工程を更に含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１】
下地層上に、自己組織化成長により量子ドットを形成する工程と、
前記量子ドットの表面に、有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程と、
前記量子ドット上に、キャップ層を成長する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
下地層上に、自己組織化成長により量子ドットを形成する工程と、
前記量子ドットを形成する工程の前又は前記量子ドットを形成する工程の際に、前記下地層の表面にＳｂ又はＧａＳｂを照射する工程と、
前記量子ドット上に、キャップ層を成長する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の半導体装置の製造方法において、
前記量子ドットの表面にＡｓ原料ガスを一定時間照射する又は前記量子ドットの表面をエッチングすることにより、前記量子ドットの表面に析出したＳｂを含む表面層を除去する工程を更に含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の半導体装置の製造方法において、
前記表面層を除去する工程の後、前記キャップ層を成長する工程の前に、前記量子ドットの表面に、有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１又は４記載の半導体装置の製造方法において、
前記有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程では、前記有機Ｓｂ原料ガスとともに、III族金属の有機原料ガスを同時に照射する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記量子ドットを含む活性層を形成し、
前記活性層上に、６１０〜６６０℃の成長温度で、Ｇａ原料としてトリメチルガリウムを用いてクラッド層を成長する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記量子ドットを含む活性層を形成し、
前記活性層上に、クラッド層を成長する工程と、
前記クラッド層上に、６００〜６１０℃の成長温度で、Ｇａ原料としてトリエチルガリウムを用いてコンタクト層を成長する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
自己組織化成長により形成される量子ドットを含む量子ドット層を成長する工程と；前記量子ドット層の表面に、有機Ｓｂ原料ガスを照射する工程と；前記量子ドット層上に、キャップ層を成長する工程とを繰り返すことにより、半導体基板上に、前記量子ドット層をｎ層（ｎは２以上の整数）含む活性層を形成する工程を有し、
前記活性層を形成する工程では、第ｉ層目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１を満たす整数）の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比を高く設定する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
自己組織化成長により形成される量子ドットを含む量子ドット層を成長する工程と；前記量子ドット層を成長する工程の前又は前記量子ドット層を成長する工程の際に、前記量子ドット層の下地層の表面にＳｂ又はＧａＳｂを照射する工程と；前記量子ドット層上に、キャップ層を成長する工程とを繰り返すことにより、半導体基板上に、前記量子ドット層をｎ層（ｎは２以上の整数）含む活性層を形成する工程を有し、
前記活性層を形成する工程では、第ｉ層目（ｉは１≦ｉ≦ｎ−１を満たす整数）の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比よりも、第ｉ＋１層目の前記量子ドット層の成長時のＶ／III比を高く設定する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項９記載の半導体装置の製造方法において、
前記量子ドットの表面にＡｓ原料ガスを一定時間照射する又は前記量子ドットの表面をエッチングすることにより、前記量子ドットの表面に析出したＳｂを含む表面層を除去する工程を更に含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【公開番号】特開２０１２−１２４５００（Ｐ２０１２−１２４５００Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８９１３８（Ｐ２０１１−２８９１３８）
【出願日】平成２３年１２月２８日（２０１１．１２．２８）
【分割の表示】特願２００７−１２３５９２（Ｐ２００７−１２３５９２）の分割
【原出願日】平成１９年５月８日（２００７．５．８）
【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１８年度、文部科学省、科学技術試験研究委託費 光・デバイス技術の開発、産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願 平成１９年度、新エネルギー・産業技術総合開発機構、「フォトニックネットワーク技術の開発事業」委託研究、産業再生法第３０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)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月２８日（２０１１．１２．２８）
【分割の表示】特願２００７−１２３５９２（Ｐ２００７−１２３５９２）の分割
【原出願日】平成１９年５月８日（２００７．５．８）
【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１８年度、文部科学省、科学技術試験研究委託費 光・デバイス技術の開発、産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願 平成１９年度、新エネルギー・産業技術総合開発機構、「フォトニックネットワーク技術の開発事業」委託研究、産業再生法第３０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)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
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