結晶成長方法及び結晶成長装置
【課題】 結晶成長方法及び結晶成長装置に関し、基板とエピタキシャル層との格子定数の差を、用いられる物質により一義的決定されることなく一定程度の範囲で任意に設定する。
【解決手段】 湾曲させた基板１上にエピタキシャル成長をさせる。
【解決手段】 湾曲させた基板１上にエピタキシャル成長をさせる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は結晶成長方法及び結晶成長装置に関するものであり、特に、量子ドット型赤外線検出器等の量子ドットデバイスを格子定数に差の少ない基板上に成長させるための構成に特徴のある結晶成長方法及び結晶成長装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（ＳＫ）モードと呼ばれる自己形成メカニズムにより形成された量子ドット結晶は、リソグラフィ技術と再成長による量子ドット形成など他の方法で形成した量子ドットに比べて、結晶欠陥が少ないことから、半導体デバイスに適用しうるレベルの品質を有する。
【０００３】
この様な自己形成メカニズムによる量子ドットは、基板上に基板より格子定数の大きな半導体をエピタキシャル成長させた場合に、エピタキシャル層に生じる圧縮応力が臨界応力を越えることによって生じる。
この圧縮応力は、エピタキシャル層が本来有する格子定数と基板との格子定数の差が大きいほど、また、エピタキシャル層の厚さが厚いほど大きくなる。
【０００４】
例えば、ＧａＡs 基板上にＩｎＡｓ量子ドットを形成する場合、ＩｎＡｓの格子定数がＧａＡｓの格子定数より約７％大きいため、ＩｎＡｓを約２原子層に相当する厚さに積んだところで臨界応力を越えて量子ドットの形成が観測されるが、この厚さを臨界膜厚と呼んでいる。
【０００５】
現在、入射した光を吸収した場合に流れる電流を捕えることによって光を検知する光検知器において、垂直入射光を吸収できる量子ドットを用いた量子ドット型赤外線検出器（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＱＤＩＰ）の研究が精力的に行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この量子ドット型赤外線検知器は、半導体結晶層（以下、中間層）の中に量子ドットを埋め込んだ層を２つの電極層の間に挟んだ構造を持ち、量子ドット内に閉じ込められた電子が赤外線を吸収し、量子ドットから脱出して電流、即ち、光電流となることで、赤外線を電気信号に変換して検知しているので、ここで、図１０を参照して、従来のＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系ＱＤＩＰ素子を説明する。
【０００７】
図１０参照
図１０は従来のＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系ＱＤＩＰ素子の断面図であり、まず、ＧａＡｓ基板７１上にＧａＡｓバッファ層７２を介してｎ型ＧａＡｓコンタクト層７３及びＧａＡｓ中間層７４を設けたのち、ＭＢＥ法を用いてＩｎ及びＡｓを供給する。
【０００８】
この時、半導体層構造における格子歪を利用したストランスキー−クラスタノフ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）結晶成長モードによる自己形成現象により、まず、成長初期においてＧａＡｓ中間層７４の結晶構造を引き継いだ形でＩｎＡｓ濡れ層７５が成長する。
【０００９】
さらに供給を続けると、上述のように下地材料との格子定数の違いによる歪のエネルギーを緩和するため、この面状の構造から再配列を起こして３次元的なＩｎＡｓ量子ドット７６が形成される。
【００１０】
次いで、ＩｎＡｓの供給を停止してＧａＡｓを供給することによって、ＧａＡｓ中間層７７を成長させてＩｎＡｓ量子ドット７６を埋め込む。
この様な積層工程を繰り返すことによって、中間層を介して多数の量子ドットを積み重ね、最後に、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７８を設けている。
なお、結晶成長方法は、ＭＢＥ法に限られずＭＯＶＰＥ法でも実現可能である。
【００１１】
図１１参照
図１１は、量子ドット構造を示すバンドダイヤグラムであり、このＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系ＱＤＩＰ素子では、キャリアのエネルギーに対してＧａＡｓ中間層７４及びＧａＡｓ中間層７７がポテンシャル障壁、ＩｎＡｓ量子ドット７６がポテンシャル井戸として作用し、ＩｎＡｓ量子ドット７６内部に離散的に量子準位、即ち、基底準位７９と第１励起準位８０が形成される。
【００１２】
形成された量子準位間のエネルギー差に相当する光が入射した場合、キャリアが励起され信号電流として検出される。
また、赤外線を吸収して電子を放出した量子ドットは、新たに電子を捕獲して量子ドット内に電子を閉じ込めた状態になるまで、赤外線を吸収しなくなるが、結晶中を流れている電子の一部が量子ドットに捕獲されることで再び赤外線を吸収するようになる。
【特許文献１】特開平１０−２５６５８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、このように、量子ドットを赤外線センサに適用する場合、感光波長・感度など所望のデバイス特性を得るために、ＩｎＡｓ量子ドットに代えて、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ３元混晶量子ドットを得たいとの要請が強くある。
【００１４】
この場合、Ｉｎ組成比ｘが小さい場合、その混晶の格子定数がＧａＡｓの格子定数に近づくことから臨界膜厚は大きくなるので、その様子を図１２を参照して説明する。
【００１５】
図１２参照
図１２は、臨界膜厚のＩｎ組成比ｘ依存性の説明図であり、図に示すように、ｘが０．５より小さくなる付近から臨界膜厚が急激に増加し、現実には、所望の形状を有する量子ドットが形成できないという問題が生じる。
【００１６】
即ち、デバイスの感光波長・感度などの特性がドットの形状に密接に関係しているため、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ３元混晶量子ドットのＩｎ組成比ｘが０．５より小さくなる組成領域では、所望の形状ができないことから、赤外線センサの感光波長・感度の制御が困難となるという問題があった。
【００１７】
基板とエピタキシャル層との格子定数の差は、基板とエピタキシャル層に用いる物質が決まれば一義的に決り、圧縮応力は格子定数の差によって一義的に決まるので、基板とエピタキシャル層に用いる物質が決まれば圧縮応力の不足により生じる問題は避けられなかった。
【００１８】
したがって、本発明は、基板とエピタキシャル層との格子定数の差を、用いられる物質により一義的決定されることなく一定程度の範囲で任意に設定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記課題を解決するために、本発明は、結晶成長方法であって、湾曲させた基板１上にエピタキシャル成長をさせることを特徴とする。
【００２０】
このように、基板１を湾曲させることによって、基板１に外部から歪応力を加えエピタキシャル成長に供する基板１の面内方向の格子定数を減少させて、その格子定数と所望の物質のエピタキシャル層の格子定数との差を湾曲の程度に応じて任意の値に実効的に大きくすることができる。
【００２１】
この場合、基板１を凹面状に湾曲させることが望ましく、それによって、基板１の表面の実効的格子定数を小さくすることができ、特に、湾曲させた基板１の凹面上に基板１との格子定数の差が少ない物質による量子ドットを成長させる場合に有効になる。
【００２２】
このような、量子ドットとしては、多元混晶量子ドット、特に、ＩｎＧａＡｓ等の３元混晶量子ドットが典型的なものであり、それによって、ＩｎＡｓでは得られない感光波長及び感度を有する光デバイスを実現することができる。
【００２３】
また、結晶成長装置としては、基板１を支持する基板支持部材２に、基板１を凹状に湾曲させる基板湾曲機構を設ければ良く、例えば、基板湾曲機構が形状記憶合金からなり、結晶成長温度において凹状に湾曲させるもの、或いは、基板湾曲機構がバイメタル構造からなり、結晶成長温度において必要とする応力が得られるように材料を選択したものを用いれば良い。
【００２４】
或いは、基板湾曲機構が複数の真空吸着機構からなり、複数の真空吸着機構の内の中央部に設けた真空吸着機構を周辺部に設けた真空吸着機構に対して相対的に下降させる手段を有するようにしても良く、この場合には、湾曲の程度を成長温度とは無関係に設定することができる。
【００２５】
また、形状記憶合金或いはバイメタルからなる基板湾曲機構を利用して結晶成長を行う場合には、基板支持部材２と基板１をＩｎソルダで貼り付けて基板１を凹状に湾曲させるか、或いは、基板１を基板支持部材２に真空チャックで吸着させて基板１を凹状に湾曲させることが望ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、基板に外部から歪応力を加えエピタキシャル成長に供する基板の面内方向の格子定数を減少させているので、例えば、ＧａＡｓ基板を用いた場合に、所望の量子ドット形状を形成できるＩｎ組成領域の拡大により、ＩｎＧａＡｓ３元混晶ドット結晶を用いて従来より広い範囲で所望の波長に感度を有する光デバイスを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明は、形状記憶合金、バイメタル構造、或いは、複数の真空吸着機構からなる基板湾曲機構により基板に外部から歪応力を加え凹面状に湾曲させてエピタキシャル成長に供する基板の面内方向の格子定数を減少させた状態で、凹面上に基板に対して格子定数の差の少ない物質からなる量子ドット、典型的には、ＧａＡｓ基板に対してＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ量子ドット（ｘ＜０．５）を形成し、従来より広い範囲で所望の波長に感度を有する光デバイスを形成するものである。
【実施例１】
【００２８】
ここで、図２乃至図５を参照して、本発明の実施例１のＱＤＩＰの製造方法を説明する。
図２参照
図２は、本発明の実施例１に用いる基板ホルダーの概念的構成図であり、基板ホルダー１１を形状記憶合金によって構成したものである。
この場合の形状記憶合金としては、例えば、ＴｉＮｉ化合物を用いる。
【００２９】
次に、図３を参照して、本発明の実施例１のＱＤＩＰの基本的製造工程を説明する。
図３参照
まず、基板ホルダー１１に、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２をＩｎソルダ１３によって接着する。
【００３０】
次いで、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２を接着させた基板ホルダー１１を結晶成長装置内に搬入して、結晶成長温度、例えば、４７０℃まで昇温する。
この時、基板ホルダー１１は予め凹状に湾曲させた形状を記憶させた温度に達するので、予め記憶させたように湾曲し、それに伴って半絶縁性ＧａＡｓ基板１２も湾曲する。
【００３１】
この時、例えば、基板ホルダー１１の表面の曲率半径Ｒが５０ｃｍになるように湾曲させることによって、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２の表面の格子定数を約１．０％減少させることができる。
【００３２】
図４参照
図４は、臨界膜厚とＩｎ組成比ｘの相関関係のＧａＡｓ格子定数依存性の説明図であり、ＧａＡｓ基板に外部から歪応力を加えエピタキシャル成長に供する基板の面内方向の格子定数を減少させた場合の臨界膜厚とＩｎ組成比ｘの相関関係をシミュレーションしたものである。
【００３３】
従来のようにＧａＡｓ基板に歪応力を加えない場合には、Ｉｎ組成ｘが０．５付近から急激に臨界膜厚が増加しはじめ、ｘ＝０．４で臨界膜厚が約５原子層（５ＭＬ）を越えると、必要とされる形状の量子ドットが形成されにくくなる。
【００３４】
ＧａＡｓ基板に歪応力を加えて格子定数を小さくすることによって臨界膜厚が小さくなり、ＧａＡｓ基板の格子定数を１％減少させた場合、同じ膜厚（５ＭＬ）で、ｘ＝０．２５の量子ドット結晶が得られることが分る。
【００３５】
再び、図３参照
以降は、従来例と同様な手順で、ｉ型ＧａＡｓバッファ層１４を介してｎ型ＧａＡｓコンタクト層１５及びｉ型ＧａＡｓ中間層１６を設けたのち、ＭＢＥ法を用いてＩｎ、Ｇａ及びＡｓをＩｎx Ｇａ1-x ＡｓにおけるＩｎ組成比ｘが例えば、０．３０になるように供給する。
【００３６】
この時、ｉ型ＧａＡｓ中間層１６の表面の格子定数も湾曲によって加えられる歪応力によって約１．０％減少しているので、Ｉｎ組成比ｘを０．３０としても、上述の図４から予測されるように、４．１原子層（ＭＬ）分のＩｎ、Ｇａ及びＡｓを供給するだけで、ストランスキー−クラスタノフ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）結晶成長モードによる自己形成現象によりＩｎＧａＡｓ量子ドット１８が形成される。
【００３７】
この時、成長初期において、まず、ＩｎＧａＡｓ濡れ層１７が成長し、次いで、下地材料との格子定数の違いによる歪のエネルギーを緩和するため、この面状の構造から再配列を起こして３次元的なＩｎＧａＡｓ量子ドット１８が形成されることになる。
【００３８】
図５参照
次いで、Ｉｎの供給を停止することによって、ｉ型ＧａＡｓ中間層１９を成長させてＩｎＧａＡｓ量子ドット１８を埋め込む。
この様な積層工程を繰り返すことによって、中間層を介して多数の量子ドットを積み重ね、最後に、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２０を設ける。
【００３９】
次いで、例えば、ドライエッチングを用いて下部電極層となるｎ型ＧａＡｓコンタクト層１５に達するまでメサエッチングを行ったのち、例えば、金属蒸着法を用いて例えば、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ構造の下部電極２１及び上部電極２２を形成することによって、本発明の実施例１のＱＤＩＰの基本構成が完成する。
【００４０】
このように、本発明の実施例１においては、基板ホルダー１１を形状記憶合金を用いて形成することによって、基板ホルダー１１に基板湾曲機能を持たせているので、形状記憶させる段階で所定の曲率半径を持つように湾曲させることによって、ＧａＡｓ基板上にＳ−ＫモードによるＩｎＧａＡｓ３元混晶量子ドットを形成することが可能になる。
【実施例２】
【００４１】
次に、図６を参照して、本発明の実施例２のＱＤＩＰの製造方法を説明するが、基本的な製造工程は上記の実施例１と全く同様であるので、基板ホルダーの構造及び湾曲状態を説明する。
図６参照
図６は、本発明の実施例２に用いる基板ホルダーの概念的構成図であり、基板ホルダー３１は、例えば、形状記憶合金であるＴｉＮｉ化合物から構成されるとともに、真空チャック機構と連結されている。
【００４２】
この真空チャック機構は、基板ホルダー３１に設けられた５か所の吸気口３２，３３と、周辺部に設けた４つの吸気口３２に接続されたフレキパイプ３４、及び、中央部に設けた吸気口３３に接続されたフレキパイプ３５、及び、フレキパイプ３４及びフレキパイプ３５を連結する真空排気パイプ３６からなり、真空排気パイプ３６を介して真空排気ポンプ（図示は省略）に接続されている。
【００４３】
まず、室温において、基板ホルダー３１上に半絶縁性ＧａＡｓ基板１２を載置したのち、真空チャック機構を吸引固定したのち、結晶成長装置内へ搬入する。
【００４４】
次いで結晶成長装置内において、結晶成長温度、例えば、４７０℃まで昇温する。
この時、基板ホルダー３１は予め凹状に湾曲させた形状を記憶させた温度に達するので、予め記憶させたように湾曲し、それに伴って半絶縁性ＧａＡｓ基板１２も湾曲する。
【００４５】
この場合、中央部の吸気口３３をフレキパイプ３５で接続しているので、基板ホルダー３１は真空吸着状態を保ったまま湾曲することになる。
以降は、上記の実施例１と全く同様に結晶成長工程を行うことによって、実施例１と同様のＱＤＩＰが得られる。
【００４６】
この場合、ＧａＡｓ基板の固定を真空チャック機構によって行っているので、上記の実施例１の場合のように加熱状態におけるＩｎソルダの塑性変形による歪応力の緩和が少なく、より効果的に歪応力をＧａＡｓ基板に加えることができる。
【実施例３】
【００４７】
次に、図７を参照して、本発明の実施例３のＱＤＩＰの製造方法を説明するが、基本的な製造工程は上記の実施例１と全く同様であるので、基板ホルダーの構造及び湾曲状態を説明する。
図７参照
図７は、本発明の実施例３に用いる基板ホルダーの概念的構成図であり、基板ホルダー４１は、例えば、鉄ニッケル合金を用いたバイメタル構造で構成する。 なお、このバイメタル構造は下側の鉄ニッケル合金４２と組成の異なる上側の鉄ニッケル合金４３を貼り合わせて構成する。
まず、基板ホルダー４１に、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２をＩｎソルダ１３によって接着する。
【００４８】
次いで、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２を接着させた基板ホルダー１１を結晶成長装置内に搬入して、結晶成長温度、例えば、４７０℃まで昇温する。
この時、基板ホルダー４１を構成するバイメタル構造は、結晶成長温度において半絶縁性ＧａＡｓ基板１２の表面の曲率径が５０ｃｍになるように材料を選択しているので、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２の表面の格子定数を約１．０％減少させることができる。
以降は、上記の実施例１と全く同様に結晶成長工程を行うことによって、実施例１と同様のＱＤＩＰが得られる。
【００４９】
このように、本発明の実施例３においては、基板湾曲機構としてバイメタル構造を用いているので、実施例１の場合に比較して、基板ホルダーを構成する材料の選択肢の範囲が拡がる。
【実施例４】
【００５０】
次に、図８を参照して、本発明の実施例４のＱＤＩＰの製造方法を説明するが、基本的な製造工程は上記の実施例３と全く同様であるので、基板ホルダーの構造及び湾曲状態を説明する。
図８参照
図８は、本発明の実施例４に用いる基板ホルダーの概念的構成図であり、基板ホルダー５１は、例えば、下側の鉄ニッケル合金５２と組成の異なる上側の鉄ニッケル合金５３を貼り合わせたバイメタル構造から構成されるとともに、真空チャック機構と連結されている。
【００５１】
この真空チャック機構は、上記の実施例２と同様に基板ホルダー５１に設けられた５か所の吸気口５４，５５と、周辺部に設けた４つの吸気口５４に接続されたフレキパイプ３４、及び、中央部に設けた吸気口５５に接続されたフレキパイプ３５、及び、フレキパイプ３４及びフレキパイプ３５を連結する真空排気パイプ３６からなり、真空排気パイプ３６を介して真空排気ポンプ（図示は省略）に接続されている。
【００５２】
まず、室温において、基板ホルダー５１上に半絶縁性ＧａＡｓ基板１２を載置したのち、真空チャック機構を吸引固定したのち、結晶成長装置内へ搬入する。
【００５３】
この時、基板ホルダー５１を構成するバイメタル構造は、結晶成長温度において半絶縁性ＧａＡｓ基板１２の表面の曲率径が５０ｃｍになるように材料を選択しているので、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２の表面の格子定数を約１．０％減少させることができる。
【００５４】
この場合、実施例２と同様に、中央部の吸気口５５をフレキパイプ３５で接続しているので、基板ホルダー５１は真空吸着状態を保ったまま湾曲することになる。
以降は、上記の実施例１と全く同様に結晶成長工程を行うことによって、実施例１と同様のＱＤＩＰが得られる。
【００５５】
この場合、ＧａＡｓ基板の固定を真空チャック機構によって行っているので、上記の実施例３の場合のように加熱状態におけるＩｎの塑性変形による歪応力の緩和が少なく、より効果的に歪応力をＧａＡｓ基板に加えることができる。
【実施例５】
【００５６】
次に、図９を参照して、本発明の実施例５のＱＤＩＰの製造方法を説明するが、基本的な製造工程は上記の実施例１と全く同様であるので、基板ホルダーの構造及び湾曲状態を説明する。
図９参照
図９は、本発明の実施例５に用いる基板ホルダーの概念的構成図であり、基板ホルダー６０は、周辺部に設けた４つのサブホルダー６１と中央に設けた１つのサブホルダー６２とから構成され、各サブホルダー６１，６２にはそれぞれ吸気口６３，６４が設けられており、この吸気口６３，６４に対してそれぞれ吸引パイプ６５，６６が接続されている。
【００５７】
また、周辺部に設けた吸引パイプ６５は真空排気パイプ６７に連結されており、一方、中央に設けた吸引パイプ６６は真空排気パイプ６８を介して真空排気ポンプ（図示は省略）に接続されている。
【００５８】
また、中央の吸引パイプ６６には上下動機構（図示を省略）が設けられており、中央の吸引パイプ６６を周辺部の吸引パイプ６５に対して相対的に下降させることによって、基板ホルダー６０に真空吸着した基板を所定の曲率を有するように湾曲させることが可能である。
【００５９】
まず、室温において、基板ホルダー６０に半絶縁性ＧａＡｓ基板１２を真空吸着させたのち、結晶成長装置内へ搬入し、所定の結晶成長温度まで昇温したのち、従来例と同様な手順で、ｉ型ＧａＡｓバッファ層を介してｎ型ＧａＡｓコンタクト層及びｉ型ＧａＡｓ中間層を設ける。
【００６０】
次いで、中央の吸引パイプ６６をサブホルダー６２とともに下降させることによって、ｉ型ＧａＡｓ中間層の曲率が５０ｃｍになるように湾曲させたのち、Ｉｎ、Ｇａ及びＡｓをＩｎx Ｇａ1-x ＡｓにおけるＩｎ組成比ｘが例えば、０．３０になるように供給して、上述のように、Ｓ−Ｋ結晶成長モードによる自己形成現象によりＩｎＧａＡｓ量子ドットが形成される。
以降は、上記の実施例１と全く同様に結晶成長工程を行うことによって、実施例１と同様のＱＤＩＰが得られる。
【００６１】
この実施例５においては、上下動が可能なサブホルダーからなる基板ホルダーを用いているので、温度やバイメタル特性とは全く関係なく、任意の温度において任意の曲率を設定することができるので、結晶成長条件の自由度が大きくなり、感光波長・感度の制御が容易になる。
【００６２】
以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能であり、例えば、上記の各実施例においてはＩｎＧａＡｓ量子ドットとしているが、ＩｎＧａＡｓ量子ドットに限られるのではなく、ＩｎＡｌＡｓ量子ドット、ＩｎＡｓＳｂ量子ドット、ＧａＡｓＳｂ量子ドット等の他の３元混晶量子ドットにも適用されるのである。
【００６３】
さらには、３元混晶量子ドットに限られるものではなく、ＩｎＡｌＧａＡｓ量子ドット、ＩｎＡｌＧａＡｓＳｂ量子ドット等の３元以上の多元混晶量子ドットにも適用されるものである。
【００６４】
また、上記の各実施例においては基板としてＧａＡｓを用いているが、ＧａＡｓに限られるものではなく、ＩｎＧａＡｓ基板等の混晶基板或いはＩｎＰ基板等の他の基板を用いても良いものである。
【００６５】
また、上記の実施例２及び実施例４においては、吸気口を中央に１か所、周辺部に４か所としているが、個数及び配置は任意であり、基板ホルダーが湾曲しても基板の真空吸着を保持することができれば良いものである。
【００６６】
また、上記の実施例５においては、サブホルダーを中央に１か所、周辺部に４か所としているが、個数及び配置はこのような個数及び配置に限られるものではなく、基板が等方的に湾曲するように点対象的な配置であれば個数は任意である。
【００６７】
さらに、上記の各実施例においては非ナイトライド系のIII-Ｖ族化合物半導体デバイスとして説明しているが、ＧａＮ系のIII-Ｖ族化合物半導体にも適用されるものであり、その場合には、基板としてＧａＮ、ＳｉＣ、或いは、サファイア等を用いれば良い。
【００６８】
ここで、再び図１を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図１参照
（付記１） 湾曲させた基板１上にエピタキシャル成長をさせることを特徴とする結晶成長方法。
（付記２） 上記湾曲させた基板１の凹面上にエピタキシャル成長をさせることを特徴とする付記１記載の結晶成長方法。
（付記３） 上記湾曲させた基板１の凹面上に量子ドットを成長させることを特徴とする付記２記載の結晶成長方法。
（付記４） 上記量子ドットが３元混晶量子ドットであることを特徴とする付記３記載の結晶成長方法。
（付記５） 上記量子ドットが多元混晶量子ドットであることを特徴とする付記３記載の結晶成長方法。
（付記６） 基板１を支持する基板支持部材２に、基板１を凹状に湾曲させる基板湾曲機構を設けたことを特徴とする結晶成長装置。
（付記７） 上記基板湾曲機構が形状記憶合金からなり、結晶成長温度において凹状に湾曲させることを特徴とする付記６記載の結晶成長装置。
（付記８） 上記基板湾曲機構がバイメタル構造からなり、結晶成長温度において必要とする曲率が得られるように材料を選択したことを特徴とする付記６記載の結晶成長装置。
（付記９） 上記基板湾曲機構が複数の真空吸着機構からなり、前記複数の真空吸着機構の内の中央部に設けた真空吸着機構を周辺部に設けた真空吸着機構に対して相対的に下降させる手段を有していることを特徴とする付記６記載の結晶成長装置。
（付記１０） 付記７または８に記載の結晶成長装置を用いた結晶成長方法において、基板支持部材２と基板１をＩｎソルダで貼り付けて前記基板１を凹状に湾曲させることを特徴とする結晶成長方法。
（付記１１） 付記７または８に記載の結晶成長装置を用いた結晶成長方法において、基板１を基板支持部材２に真空チャックで吸着させて前記基板１を凹状に湾曲させることを特徴とする結晶成長方法。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明の活用例としては、ＱＤＩＰが典型的なものであるが、半導体レーザや発光ダイオード等の発光素子にも適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施例１に用いる基板ホルダーの概念的構成図である。
【図３】本発明の実施例１のＱＤＩＰの基本的製造工程の説明図である。
【図４】臨界膜厚とＩｎ組成比ｘの相関関係のＧａＡｓ格子定数依存性の説明図である。
【図５】本発明の実施例１のＱＤＩＰの基本構成図である。
【図６】本発明の実施例２に用いる基板ホルダーの概念的構成図である。
【図７】本発明の実施例３に用いる基板ホルダーの概念的構成図でありる。
【図８】本発明の実施例４に用いる基板ホルダーの概念的構成図である。
【図９】本発明の実施例５に用いる基板ホルダーの概念的構成図である。
【図１０】従来のＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系ＱＤＩＰ素子の断面図である。
【図１１】量子ドット構造を示すバンドダイヤグラムである。
【図１２】臨界膜厚のＩｎ組成比ｘ依存性の説明図である。
【符号の説明】
【００７１】
１ 基板
２ 基板支持部材
１１ 基板ホルダー
１２ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
１３ Ｉｎソルダ
１４ ｉ型ＧａＡｓバッファ層
１５ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
１６ ｉ型ＧａＡｓ中間層
１７ ＩｎＧａＡｓ濡れ層
１８ ＩｎＧａＡｓ量子ドット
１９ ｉ型ＧａＡｓ中間層
２０ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
２１ 下部電極
２２ 上部電極
３１ 基板ホルダー
３２ 吸気口
３３ 吸気口
３４ フレキパイプ
３５ フレキパイプ
３６ 真空排気パイプ
４１ 基板ホルダー
４２ 鉄ニッケル合金
４３ 鉄ニッケル合金
５１ 基板ホルダー
５２ 鉄ニッケル合金
５３ 鉄ニッケル合金
５４ 吸気口
５５ 吸気口
６０ 基板ホルダー
６１ サブホルダー
６２ サブホルダー
６３ 吸気口
６４ 吸気口
６５ 吸引パイプ
６６ 吸引パイプ
６７ 真空排気パイプ
６８ 真空排気パイプ
７１ ＧａＡｓ基板
７２ ＧａＡｓバッファ層
７３ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
７４ ＧａＡｓ中間層
７５ ＩｎＡｓ濡れ層
７６ ＩｎＡｓ量子ドット
７７ ＧａＡｓ中間層
７８ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
７９ 基底準位
８０ 第１励起準位
【技術分野】
【０００１】
本発明は結晶成長方法及び結晶成長装置に関するものであり、特に、量子ドット型赤外線検出器等の量子ドットデバイスを格子定数に差の少ない基板上に成長させるための構成に特徴のある結晶成長方法及び結晶成長装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（ＳＫ）モードと呼ばれる自己形成メカニズムにより形成された量子ドット結晶は、リソグラフィ技術と再成長による量子ドット形成など他の方法で形成した量子ドットに比べて、結晶欠陥が少ないことから、半導体デバイスに適用しうるレベルの品質を有する。
【０００３】
この様な自己形成メカニズムによる量子ドットは、基板上に基板より格子定数の大きな半導体をエピタキシャル成長させた場合に、エピタキシャル層に生じる圧縮応力が臨界応力を越えることによって生じる。
この圧縮応力は、エピタキシャル層が本来有する格子定数と基板との格子定数の差が大きいほど、また、エピタキシャル層の厚さが厚いほど大きくなる。
【０００４】
例えば、ＧａＡs 基板上にＩｎＡｓ量子ドットを形成する場合、ＩｎＡｓの格子定数がＧａＡｓの格子定数より約７％大きいため、ＩｎＡｓを約２原子層に相当する厚さに積んだところで臨界応力を越えて量子ドットの形成が観測されるが、この厚さを臨界膜厚と呼んでいる。
【０００５】
現在、入射した光を吸収した場合に流れる電流を捕えることによって光を検知する光検知器において、垂直入射光を吸収できる量子ドットを用いた量子ドット型赤外線検出器（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＱＤＩＰ）の研究が精力的に行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この量子ドット型赤外線検知器は、半導体結晶層（以下、中間層）の中に量子ドットを埋め込んだ層を２つの電極層の間に挟んだ構造を持ち、量子ドット内に閉じ込められた電子が赤外線を吸収し、量子ドットから脱出して電流、即ち、光電流となることで、赤外線を電気信号に変換して検知しているので、ここで、図１０を参照して、従来のＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系ＱＤＩＰ素子を説明する。
【０００７】
図１０参照
図１０は従来のＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系ＱＤＩＰ素子の断面図であり、まず、ＧａＡｓ基板７１上にＧａＡｓバッファ層７２を介してｎ型ＧａＡｓコンタクト層７３及びＧａＡｓ中間層７４を設けたのち、ＭＢＥ法を用いてＩｎ及びＡｓを供給する。
【０００８】
この時、半導体層構造における格子歪を利用したストランスキー−クラスタノフ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）結晶成長モードによる自己形成現象により、まず、成長初期においてＧａＡｓ中間層７４の結晶構造を引き継いだ形でＩｎＡｓ濡れ層７５が成長する。
【０００９】
さらに供給を続けると、上述のように下地材料との格子定数の違いによる歪のエネルギーを緩和するため、この面状の構造から再配列を起こして３次元的なＩｎＡｓ量子ドット７６が形成される。
【００１０】
次いで、ＩｎＡｓの供給を停止してＧａＡｓを供給することによって、ＧａＡｓ中間層７７を成長させてＩｎＡｓ量子ドット７６を埋め込む。
この様な積層工程を繰り返すことによって、中間層を介して多数の量子ドットを積み重ね、最後に、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７８を設けている。
なお、結晶成長方法は、ＭＢＥ法に限られずＭＯＶＰＥ法でも実現可能である。
【００１１】
図１１参照
図１１は、量子ドット構造を示すバンドダイヤグラムであり、このＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系ＱＤＩＰ素子では、キャリアのエネルギーに対してＧａＡｓ中間層７４及びＧａＡｓ中間層７７がポテンシャル障壁、ＩｎＡｓ量子ドット７６がポテンシャル井戸として作用し、ＩｎＡｓ量子ドット７６内部に離散的に量子準位、即ち、基底準位７９と第１励起準位８０が形成される。
【００１２】
形成された量子準位間のエネルギー差に相当する光が入射した場合、キャリアが励起され信号電流として検出される。
また、赤外線を吸収して電子を放出した量子ドットは、新たに電子を捕獲して量子ドット内に電子を閉じ込めた状態になるまで、赤外線を吸収しなくなるが、結晶中を流れている電子の一部が量子ドットに捕獲されることで再び赤外線を吸収するようになる。
【特許文献１】特開平１０−２５６５８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、このように、量子ドットを赤外線センサに適用する場合、感光波長・感度など所望のデバイス特性を得るために、ＩｎＡｓ量子ドットに代えて、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ３元混晶量子ドットを得たいとの要請が強くある。
【００１４】
この場合、Ｉｎ組成比ｘが小さい場合、その混晶の格子定数がＧａＡｓの格子定数に近づくことから臨界膜厚は大きくなるので、その様子を図１２を参照して説明する。
【００１５】
図１２参照
図１２は、臨界膜厚のＩｎ組成比ｘ依存性の説明図であり、図に示すように、ｘが０．５より小さくなる付近から臨界膜厚が急激に増加し、現実には、所望の形状を有する量子ドットが形成できないという問題が生じる。
【００１６】
即ち、デバイスの感光波長・感度などの特性がドットの形状に密接に関係しているため、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ３元混晶量子ドットのＩｎ組成比ｘが０．５より小さくなる組成領域では、所望の形状ができないことから、赤外線センサの感光波長・感度の制御が困難となるという問題があった。
【００１７】
基板とエピタキシャル層との格子定数の差は、基板とエピタキシャル層に用いる物質が決まれば一義的に決り、圧縮応力は格子定数の差によって一義的に決まるので、基板とエピタキシャル層に用いる物質が決まれば圧縮応力の不足により生じる問題は避けられなかった。
【００１８】
したがって、本発明は、基板とエピタキシャル層との格子定数の差を、用いられる物質により一義的決定されることなく一定程度の範囲で任意に設定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記課題を解決するために、本発明は、結晶成長方法であって、湾曲させた基板１上にエピタキシャル成長をさせることを特徴とする。
【００２０】
このように、基板１を湾曲させることによって、基板１に外部から歪応力を加えエピタキシャル成長に供する基板１の面内方向の格子定数を減少させて、その格子定数と所望の物質のエピタキシャル層の格子定数との差を湾曲の程度に応じて任意の値に実効的に大きくすることができる。
【００２１】
この場合、基板１を凹面状に湾曲させることが望ましく、それによって、基板１の表面の実効的格子定数を小さくすることができ、特に、湾曲させた基板１の凹面上に基板１との格子定数の差が少ない物質による量子ドットを成長させる場合に有効になる。
【００２２】
このような、量子ドットとしては、多元混晶量子ドット、特に、ＩｎＧａＡｓ等の３元混晶量子ドットが典型的なものであり、それによって、ＩｎＡｓでは得られない感光波長及び感度を有する光デバイスを実現することができる。
【００２３】
また、結晶成長装置としては、基板１を支持する基板支持部材２に、基板１を凹状に湾曲させる基板湾曲機構を設ければ良く、例えば、基板湾曲機構が形状記憶合金からなり、結晶成長温度において凹状に湾曲させるもの、或いは、基板湾曲機構がバイメタル構造からなり、結晶成長温度において必要とする応力が得られるように材料を選択したものを用いれば良い。
【００２４】
或いは、基板湾曲機構が複数の真空吸着機構からなり、複数の真空吸着機構の内の中央部に設けた真空吸着機構を周辺部に設けた真空吸着機構に対して相対的に下降させる手段を有するようにしても良く、この場合には、湾曲の程度を成長温度とは無関係に設定することができる。
【００２５】
また、形状記憶合金或いはバイメタルからなる基板湾曲機構を利用して結晶成長を行う場合には、基板支持部材２と基板１をＩｎソルダで貼り付けて基板１を凹状に湾曲させるか、或いは、基板１を基板支持部材２に真空チャックで吸着させて基板１を凹状に湾曲させることが望ましい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、基板に外部から歪応力を加えエピタキシャル成長に供する基板の面内方向の格子定数を減少させているので、例えば、ＧａＡｓ基板を用いた場合に、所望の量子ドット形状を形成できるＩｎ組成領域の拡大により、ＩｎＧａＡｓ３元混晶ドット結晶を用いて従来より広い範囲で所望の波長に感度を有する光デバイスを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明は、形状記憶合金、バイメタル構造、或いは、複数の真空吸着機構からなる基板湾曲機構により基板に外部から歪応力を加え凹面状に湾曲させてエピタキシャル成長に供する基板の面内方向の格子定数を減少させた状態で、凹面上に基板に対して格子定数の差の少ない物質からなる量子ドット、典型的には、ＧａＡｓ基板に対してＩｎx Ｇａ1-x Ａｓ量子ドット（ｘ＜０．５）を形成し、従来より広い範囲で所望の波長に感度を有する光デバイスを形成するものである。
【実施例１】
【００２８】
ここで、図２乃至図５を参照して、本発明の実施例１のＱＤＩＰの製造方法を説明する。
図２参照
図２は、本発明の実施例１に用いる基板ホルダーの概念的構成図であり、基板ホルダー１１を形状記憶合金によって構成したものである。
この場合の形状記憶合金としては、例えば、ＴｉＮｉ化合物を用いる。
【００２９】
次に、図３を参照して、本発明の実施例１のＱＤＩＰの基本的製造工程を説明する。
図３参照
まず、基板ホルダー１１に、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２をＩｎソルダ１３によって接着する。
【００３０】
次いで、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２を接着させた基板ホルダー１１を結晶成長装置内に搬入して、結晶成長温度、例えば、４７０℃まで昇温する。
この時、基板ホルダー１１は予め凹状に湾曲させた形状を記憶させた温度に達するので、予め記憶させたように湾曲し、それに伴って半絶縁性ＧａＡｓ基板１２も湾曲する。
【００３１】
この時、例えば、基板ホルダー１１の表面の曲率半径Ｒが５０ｃｍになるように湾曲させることによって、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２の表面の格子定数を約１．０％減少させることができる。
【００３２】
図４参照
図４は、臨界膜厚とＩｎ組成比ｘの相関関係のＧａＡｓ格子定数依存性の説明図であり、ＧａＡｓ基板に外部から歪応力を加えエピタキシャル成長に供する基板の面内方向の格子定数を減少させた場合の臨界膜厚とＩｎ組成比ｘの相関関係をシミュレーションしたものである。
【００３３】
従来のようにＧａＡｓ基板に歪応力を加えない場合には、Ｉｎ組成ｘが０．５付近から急激に臨界膜厚が増加しはじめ、ｘ＝０．４で臨界膜厚が約５原子層（５ＭＬ）を越えると、必要とされる形状の量子ドットが形成されにくくなる。
【００３４】
ＧａＡｓ基板に歪応力を加えて格子定数を小さくすることによって臨界膜厚が小さくなり、ＧａＡｓ基板の格子定数を１％減少させた場合、同じ膜厚（５ＭＬ）で、ｘ＝０．２５の量子ドット結晶が得られることが分る。
【００３５】
再び、図３参照
以降は、従来例と同様な手順で、ｉ型ＧａＡｓバッファ層１４を介してｎ型ＧａＡｓコンタクト層１５及びｉ型ＧａＡｓ中間層１６を設けたのち、ＭＢＥ法を用いてＩｎ、Ｇａ及びＡｓをＩｎx Ｇａ1-x ＡｓにおけるＩｎ組成比ｘが例えば、０．３０になるように供給する。
【００３６】
この時、ｉ型ＧａＡｓ中間層１６の表面の格子定数も湾曲によって加えられる歪応力によって約１．０％減少しているので、Ｉｎ組成比ｘを０．３０としても、上述の図４から予測されるように、４．１原子層（ＭＬ）分のＩｎ、Ｇａ及びＡｓを供給するだけで、ストランスキー−クラスタノフ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）結晶成長モードによる自己形成現象によりＩｎＧａＡｓ量子ドット１８が形成される。
【００３７】
この時、成長初期において、まず、ＩｎＧａＡｓ濡れ層１７が成長し、次いで、下地材料との格子定数の違いによる歪のエネルギーを緩和するため、この面状の構造から再配列を起こして３次元的なＩｎＧａＡｓ量子ドット１８が形成されることになる。
【００３８】
図５参照
次いで、Ｉｎの供給を停止することによって、ｉ型ＧａＡｓ中間層１９を成長させてＩｎＧａＡｓ量子ドット１８を埋め込む。
この様な積層工程を繰り返すことによって、中間層を介して多数の量子ドットを積み重ね、最後に、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２０を設ける。
【００３９】
次いで、例えば、ドライエッチングを用いて下部電極層となるｎ型ＧａＡｓコンタクト層１５に達するまでメサエッチングを行ったのち、例えば、金属蒸着法を用いて例えば、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ構造の下部電極２１及び上部電極２２を形成することによって、本発明の実施例１のＱＤＩＰの基本構成が完成する。
【００４０】
このように、本発明の実施例１においては、基板ホルダー１１を形状記憶合金を用いて形成することによって、基板ホルダー１１に基板湾曲機能を持たせているので、形状記憶させる段階で所定の曲率半径を持つように湾曲させることによって、ＧａＡｓ基板上にＳ−ＫモードによるＩｎＧａＡｓ３元混晶量子ドットを形成することが可能になる。
【実施例２】
【００４１】
次に、図６を参照して、本発明の実施例２のＱＤＩＰの製造方法を説明するが、基本的な製造工程は上記の実施例１と全く同様であるので、基板ホルダーの構造及び湾曲状態を説明する。
図６参照
図６は、本発明の実施例２に用いる基板ホルダーの概念的構成図であり、基板ホルダー３１は、例えば、形状記憶合金であるＴｉＮｉ化合物から構成されるとともに、真空チャック機構と連結されている。
【００４２】
この真空チャック機構は、基板ホルダー３１に設けられた５か所の吸気口３２，３３と、周辺部に設けた４つの吸気口３２に接続されたフレキパイプ３４、及び、中央部に設けた吸気口３３に接続されたフレキパイプ３５、及び、フレキパイプ３４及びフレキパイプ３５を連結する真空排気パイプ３６からなり、真空排気パイプ３６を介して真空排気ポンプ（図示は省略）に接続されている。
【００４３】
まず、室温において、基板ホルダー３１上に半絶縁性ＧａＡｓ基板１２を載置したのち、真空チャック機構を吸引固定したのち、結晶成長装置内へ搬入する。
【００４４】
次いで結晶成長装置内において、結晶成長温度、例えば、４７０℃まで昇温する。
この時、基板ホルダー３１は予め凹状に湾曲させた形状を記憶させた温度に達するので、予め記憶させたように湾曲し、それに伴って半絶縁性ＧａＡｓ基板１２も湾曲する。
【００４５】
この場合、中央部の吸気口３３をフレキパイプ３５で接続しているので、基板ホルダー３１は真空吸着状態を保ったまま湾曲することになる。
以降は、上記の実施例１と全く同様に結晶成長工程を行うことによって、実施例１と同様のＱＤＩＰが得られる。
【００４６】
この場合、ＧａＡｓ基板の固定を真空チャック機構によって行っているので、上記の実施例１の場合のように加熱状態におけるＩｎソルダの塑性変形による歪応力の緩和が少なく、より効果的に歪応力をＧａＡｓ基板に加えることができる。
【実施例３】
【００４７】
次に、図７を参照して、本発明の実施例３のＱＤＩＰの製造方法を説明するが、基本的な製造工程は上記の実施例１と全く同様であるので、基板ホルダーの構造及び湾曲状態を説明する。
図７参照
図７は、本発明の実施例３に用いる基板ホルダーの概念的構成図であり、基板ホルダー４１は、例えば、鉄ニッケル合金を用いたバイメタル構造で構成する。 なお、このバイメタル構造は下側の鉄ニッケル合金４２と組成の異なる上側の鉄ニッケル合金４３を貼り合わせて構成する。
まず、基板ホルダー４１に、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２をＩｎソルダ１３によって接着する。
【００４８】
次いで、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２を接着させた基板ホルダー１１を結晶成長装置内に搬入して、結晶成長温度、例えば、４７０℃まで昇温する。
この時、基板ホルダー４１を構成するバイメタル構造は、結晶成長温度において半絶縁性ＧａＡｓ基板１２の表面の曲率径が５０ｃｍになるように材料を選択しているので、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２の表面の格子定数を約１．０％減少させることができる。
以降は、上記の実施例１と全く同様に結晶成長工程を行うことによって、実施例１と同様のＱＤＩＰが得られる。
【００４９】
このように、本発明の実施例３においては、基板湾曲機構としてバイメタル構造を用いているので、実施例１の場合に比較して、基板ホルダーを構成する材料の選択肢の範囲が拡がる。
【実施例４】
【００５０】
次に、図８を参照して、本発明の実施例４のＱＤＩＰの製造方法を説明するが、基本的な製造工程は上記の実施例３と全く同様であるので、基板ホルダーの構造及び湾曲状態を説明する。
図８参照
図８は、本発明の実施例４に用いる基板ホルダーの概念的構成図であり、基板ホルダー５１は、例えば、下側の鉄ニッケル合金５２と組成の異なる上側の鉄ニッケル合金５３を貼り合わせたバイメタル構造から構成されるとともに、真空チャック機構と連結されている。
【００５１】
この真空チャック機構は、上記の実施例２と同様に基板ホルダー５１に設けられた５か所の吸気口５４，５５と、周辺部に設けた４つの吸気口５４に接続されたフレキパイプ３４、及び、中央部に設けた吸気口５５に接続されたフレキパイプ３５、及び、フレキパイプ３４及びフレキパイプ３５を連結する真空排気パイプ３６からなり、真空排気パイプ３６を介して真空排気ポンプ（図示は省略）に接続されている。
【００５２】
まず、室温において、基板ホルダー５１上に半絶縁性ＧａＡｓ基板１２を載置したのち、真空チャック機構を吸引固定したのち、結晶成長装置内へ搬入する。
【００５３】
この時、基板ホルダー５１を構成するバイメタル構造は、結晶成長温度において半絶縁性ＧａＡｓ基板１２の表面の曲率径が５０ｃｍになるように材料を選択しているので、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２の表面の格子定数を約１．０％減少させることができる。
【００５４】
この場合、実施例２と同様に、中央部の吸気口５５をフレキパイプ３５で接続しているので、基板ホルダー５１は真空吸着状態を保ったまま湾曲することになる。
以降は、上記の実施例１と全く同様に結晶成長工程を行うことによって、実施例１と同様のＱＤＩＰが得られる。
【００５５】
この場合、ＧａＡｓ基板の固定を真空チャック機構によって行っているので、上記の実施例３の場合のように加熱状態におけるＩｎの塑性変形による歪応力の緩和が少なく、より効果的に歪応力をＧａＡｓ基板に加えることができる。
【実施例５】
【００５６】
次に、図９を参照して、本発明の実施例５のＱＤＩＰの製造方法を説明するが、基本的な製造工程は上記の実施例１と全く同様であるので、基板ホルダーの構造及び湾曲状態を説明する。
図９参照
図９は、本発明の実施例５に用いる基板ホルダーの概念的構成図であり、基板ホルダー６０は、周辺部に設けた４つのサブホルダー６１と中央に設けた１つのサブホルダー６２とから構成され、各サブホルダー６１，６２にはそれぞれ吸気口６３，６４が設けられており、この吸気口６３，６４に対してそれぞれ吸引パイプ６５，６６が接続されている。
【００５７】
また、周辺部に設けた吸引パイプ６５は真空排気パイプ６７に連結されており、一方、中央に設けた吸引パイプ６６は真空排気パイプ６８を介して真空排気ポンプ（図示は省略）に接続されている。
【００５８】
また、中央の吸引パイプ６６には上下動機構（図示を省略）が設けられており、中央の吸引パイプ６６を周辺部の吸引パイプ６５に対して相対的に下降させることによって、基板ホルダー６０に真空吸着した基板を所定の曲率を有するように湾曲させることが可能である。
【００５９】
まず、室温において、基板ホルダー６０に半絶縁性ＧａＡｓ基板１２を真空吸着させたのち、結晶成長装置内へ搬入し、所定の結晶成長温度まで昇温したのち、従来例と同様な手順で、ｉ型ＧａＡｓバッファ層を介してｎ型ＧａＡｓコンタクト層及びｉ型ＧａＡｓ中間層を設ける。
【００６０】
次いで、中央の吸引パイプ６６をサブホルダー６２とともに下降させることによって、ｉ型ＧａＡｓ中間層の曲率が５０ｃｍになるように湾曲させたのち、Ｉｎ、Ｇａ及びＡｓをＩｎx Ｇａ1-x ＡｓにおけるＩｎ組成比ｘが例えば、０．３０になるように供給して、上述のように、Ｓ−Ｋ結晶成長モードによる自己形成現象によりＩｎＧａＡｓ量子ドットが形成される。
以降は、上記の実施例１と全く同様に結晶成長工程を行うことによって、実施例１と同様のＱＤＩＰが得られる。
【００６１】
この実施例５においては、上下動が可能なサブホルダーからなる基板ホルダーを用いているので、温度やバイメタル特性とは全く関係なく、任意の温度において任意の曲率を設定することができるので、結晶成長条件の自由度が大きくなり、感光波長・感度の制御が容易になる。
【００６２】
以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能であり、例えば、上記の各実施例においてはＩｎＧａＡｓ量子ドットとしているが、ＩｎＧａＡｓ量子ドットに限られるのではなく、ＩｎＡｌＡｓ量子ドット、ＩｎＡｓＳｂ量子ドット、ＧａＡｓＳｂ量子ドット等の他の３元混晶量子ドットにも適用されるのである。
【００６３】
さらには、３元混晶量子ドットに限られるものではなく、ＩｎＡｌＧａＡｓ量子ドット、ＩｎＡｌＧａＡｓＳｂ量子ドット等の３元以上の多元混晶量子ドットにも適用されるものである。
【００６４】
また、上記の各実施例においては基板としてＧａＡｓを用いているが、ＧａＡｓに限られるものではなく、ＩｎＧａＡｓ基板等の混晶基板或いはＩｎＰ基板等の他の基板を用いても良いものである。
【００６５】
また、上記の実施例２及び実施例４においては、吸気口を中央に１か所、周辺部に４か所としているが、個数及び配置は任意であり、基板ホルダーが湾曲しても基板の真空吸着を保持することができれば良いものである。
【００６６】
また、上記の実施例５においては、サブホルダーを中央に１か所、周辺部に４か所としているが、個数及び配置はこのような個数及び配置に限られるものではなく、基板が等方的に湾曲するように点対象的な配置であれば個数は任意である。
【００６７】
さらに、上記の各実施例においては非ナイトライド系のIII-Ｖ族化合物半導体デバイスとして説明しているが、ＧａＮ系のIII-Ｖ族化合物半導体にも適用されるものであり、その場合には、基板としてＧａＮ、ＳｉＣ、或いは、サファイア等を用いれば良い。
【００６８】
ここで、再び図１を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図１参照
（付記１） 湾曲させた基板１上にエピタキシャル成長をさせることを特徴とする結晶成長方法。
（付記２） 上記湾曲させた基板１の凹面上にエピタキシャル成長をさせることを特徴とする付記１記載の結晶成長方法。
（付記３） 上記湾曲させた基板１の凹面上に量子ドットを成長させることを特徴とする付記２記載の結晶成長方法。
（付記４） 上記量子ドットが３元混晶量子ドットであることを特徴とする付記３記載の結晶成長方法。
（付記５） 上記量子ドットが多元混晶量子ドットであることを特徴とする付記３記載の結晶成長方法。
（付記６） 基板１を支持する基板支持部材２に、基板１を凹状に湾曲させる基板湾曲機構を設けたことを特徴とする結晶成長装置。
（付記７） 上記基板湾曲機構が形状記憶合金からなり、結晶成長温度において凹状に湾曲させることを特徴とする付記６記載の結晶成長装置。
（付記８） 上記基板湾曲機構がバイメタル構造からなり、結晶成長温度において必要とする曲率が得られるように材料を選択したことを特徴とする付記６記載の結晶成長装置。
（付記９） 上記基板湾曲機構が複数の真空吸着機構からなり、前記複数の真空吸着機構の内の中央部に設けた真空吸着機構を周辺部に設けた真空吸着機構に対して相対的に下降させる手段を有していることを特徴とする付記６記載の結晶成長装置。
（付記１０） 付記７または８に記載の結晶成長装置を用いた結晶成長方法において、基板支持部材２と基板１をＩｎソルダで貼り付けて前記基板１を凹状に湾曲させることを特徴とする結晶成長方法。
（付記１１） 付記７または８に記載の結晶成長装置を用いた結晶成長方法において、基板１を基板支持部材２に真空チャックで吸着させて前記基板１を凹状に湾曲させることを特徴とする結晶成長方法。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明の活用例としては、ＱＤＩＰが典型的なものであるが、半導体レーザや発光ダイオード等の発光素子にも適用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施例１に用いる基板ホルダーの概念的構成図である。
【図３】本発明の実施例１のＱＤＩＰの基本的製造工程の説明図である。
【図４】臨界膜厚とＩｎ組成比ｘの相関関係のＧａＡｓ格子定数依存性の説明図である。
【図５】本発明の実施例１のＱＤＩＰの基本構成図である。
【図６】本発明の実施例２に用いる基板ホルダーの概念的構成図である。
【図７】本発明の実施例３に用いる基板ホルダーの概念的構成図でありる。
【図８】本発明の実施例４に用いる基板ホルダーの概念的構成図である。
【図９】本発明の実施例５に用いる基板ホルダーの概念的構成図である。
【図１０】従来のＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系ＱＤＩＰ素子の断面図である。
【図１１】量子ドット構造を示すバンドダイヤグラムである。
【図１２】臨界膜厚のＩｎ組成比ｘ依存性の説明図である。
【符号の説明】
【００７１】
１ 基板
２ 基板支持部材
１１ 基板ホルダー
１２ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
１３ Ｉｎソルダ
１４ ｉ型ＧａＡｓバッファ層
１５ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
１６ ｉ型ＧａＡｓ中間層
１７ ＩｎＧａＡｓ濡れ層
１８ ＩｎＧａＡｓ量子ドット
１９ ｉ型ＧａＡｓ中間層
２０ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
２１ 下部電極
２２ 上部電極
３１ 基板ホルダー
３２ 吸気口
３３ 吸気口
３４ フレキパイプ
３５ フレキパイプ
３６ 真空排気パイプ
４１ 基板ホルダー
４２ 鉄ニッケル合金
４３ 鉄ニッケル合金
５１ 基板ホルダー
５２ 鉄ニッケル合金
５３ 鉄ニッケル合金
５４ 吸気口
５５ 吸気口
６０ 基板ホルダー
６１ サブホルダー
６２ サブホルダー
６３ 吸気口
６４ 吸気口
６５ 吸引パイプ
６６ 吸引パイプ
６７ 真空排気パイプ
６８ 真空排気パイプ
７１ ＧａＡｓ基板
７２ ＧａＡｓバッファ層
７３ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
７４ ＧａＡｓ中間層
７５ ＩｎＡｓ濡れ層
７６ ＩｎＡｓ量子ドット
７７ ＧａＡｓ中間層
７８ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
７９ 基底準位
８０ 第１励起準位
【特許請求の範囲】
【請求項１】
湾曲させた基板上にエピタキシャル成長をさせることを特徴とする結晶成長方法。
【請求項２】
上記湾曲させた基板の凹面上にエピタキシャル成長をさせることを特徴とする請求項１記載の結晶成長方法。
【請求項３】
上記湾曲させた基板の凹面上に量子ドットを成長させることを特徴とする請求項２記載の結晶成長方法。
【請求項４】
上記量子ドットが３元混晶量子ドットであることを特徴とする請求項３記載の結晶成長方法。
【請求項５】
基板を支持する基板支持部材に、基板を凹状に湾曲させる基板湾曲機構を設けたことを特徴とする結晶成長装置。
【請求項１】
湾曲させた基板上にエピタキシャル成長をさせることを特徴とする結晶成長方法。
【請求項２】
上記湾曲させた基板の凹面上にエピタキシャル成長をさせることを特徴とする請求項１記載の結晶成長方法。
【請求項３】
上記湾曲させた基板の凹面上に量子ドットを成長させることを特徴とする請求項２記載の結晶成長方法。
【請求項４】
上記量子ドットが３元混晶量子ドットであることを特徴とする請求項３記載の結晶成長方法。
【請求項５】
基板を支持する基板支持部材に、基板を凹状に湾曲させる基板湾曲機構を設けたことを特徴とする結晶成長装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００８−８１８２９（Ｐ２００８−８１８２９Ａ）
【公開日】平成２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２６６４２１（Ｐ２００６−２６６４２１）
【出願日】平成１８年９月２９日（２００６．９．２９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年４月１０日（２００８．４．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月２９日（２００６．９．２９）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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