量子ドットの形成方法及び半導体装置の製造方法
【課題】不純物を直接ドーピングしても良好な結晶性を得ることができる量子ドットの形成方法及び半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】ＧａＡｓバッファ層の厚さが所定値に達すると、Ｉｎ及びＡｓの原料を供給し始める。この結果、ぬれ層が成長し始める。ぬれ層の成長開始から１２０秒程度経過すると、核生成が生じる（段階Ａ）。更に５秒間程度経過すると、核生成が停止し、各核を起点として量子ドットに原料が凝集し始める（段階Ｂ）。この段階においてＳｉの供給を開始し、量子ドットに不純物としてＳｉをドーピングする。更に３０秒間程度経過すると、量子ドットの凝集が停止し始める（段階Ｃ）。凝集が停止し始める時に不純物の供給を停止する。つまり、Ｓｉのドーピングを停止する。その後、不純物の供給を停止してから４５秒間経過した時にＩｎの供給を停止し、Ｇａの供給を再開することにより、キャップ層の形成を開始する。
【解決手段】ＧａＡｓバッファ層の厚さが所定値に達すると、Ｉｎ及びＡｓの原料を供給し始める。この結果、ぬれ層が成長し始める。ぬれ層の成長開始から１２０秒程度経過すると、核生成が生じる（段階Ａ）。更に５秒間程度経過すると、核生成が停止し、各核を起点として量子ドットに原料が凝集し始める（段階Ｂ）。この段階においてＳｉの供給を開始し、量子ドットに不純物としてＳｉをドーピングする。更に３０秒間程度経過すると、量子ドットの凝集が停止し始める（段階Ｃ）。凝集が停止し始める時に不純物の供給を停止する。つまり、Ｓｉのドーピングを停止する。その後、不純物の供給を停止してから４５秒間経過した時にＩｎの供給を停止し、Ｇａの供給を再開することにより、キャップ層の形成を開始する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電素子等に好適な量子ドットの形成方法及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、遠赤外光検出器等の光電素子、温度無依存の半導体レーザ及び超高速変調光中継デバイス等の光通信に用いる光デバイス、並びに量子情報における演算機能デバイスでの量子ドットの使用に関する研究が行われている。
【０００３】
量子ドットは３次元のナノスケールでキャリアの閉じ込めを制御でき、状態数が離散的なため、既存の半導体装置を超える特性を得ることができる。例えば、Ｓｉが直接ドーピングされたＩｎＡｓ量子ドットを遠赤外光検出器に用いた場合に、伝導帯のサブバンド間遷移を用いたμｍオーダーの波長検出が可能となる。また、量子ドットの近傍にＰ型不純物が添加された量子ドットレーザでは、優れた温度安定性が示されている。
【０００４】
また、ＩｎＡｓ量子ドットレーザの特性を改善するために、量子ドットのサイズを均一化させ、発光スペクトルの狭線化を狙うために、Ｓｉを量子ドットに直接ドーピングする技術についての研究も行われている。
【０００５】
しかしながら、量子ドットに不純物を直接ドーピングすると、結晶性が低下してしまい、発光強度の低下及び量子ドットのサイズの２極化等の問題が生じてしまう。このため、光デバイスの実用化が困難である。これらの原因に関し、不純物によって非輻射再結合中心が形成されるために発光強度が低下するという考え方がある。その一方で、Ｓｉ2Ｈ6ガスを用いた有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）でＳｉをドーピングした場合に、フォトルミネッセンス（ＰＬ）発光強度が強くなるという報告もある。このように、現状では、量子ドットの結晶性及び発光強度に関する研究が十分とはいえず、不純物を直接ドーピングした量子ドットの結晶性を良好なものとして、安定して強い発光強度を得ることができない。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１７５１１８号公報
【非特許文献１】Zhao Qian et al. / Journal of Crystal Growth 200 (1999) 603-607
【非特許文献２】C.-Y. Huang et al. / Thin Solid Films 515 (2007) 4459-4461
【非特許文献３】H. Hwang et al. / Current Applied Physics 3 (2003) 465-468
【非特許文献４】J.S. Kim et al. / Journal of Crystal Growth 234 (2002) 105-109
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、不純物を直接ドーピングしても良好な結晶性を得ることができる量子ドットの形成方法及び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】
【０００８】
本願発明者は、上記課題を解決すべく、鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【０００９】
量子ドットの形成方法では、半導体層上に量子ドットの核を生成し、その後、前記核を起点として量子ドットを成長させる。そして、前記核を生成する際には不純物のドーピングを行わずに、前記量子ドットを成長させる際に不純物のドーピングを行う。
【００１０】
半導体装置の製造方法では、上記の方法により、量子ドットを半導体素子の活性層に形成する。
【発明の効果】
【００１１】
上記の方法によれば、不純物のドーピングのタイミングを適切に規定しているため、良好な結晶性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（量子ドットの成長態様）
先ず、本願発明者等が行った量子ドットの成長態様に関する解析の内容について説明する。図１は、量子ドットの形成に用いられる分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置の概要を示す模式図である。
【００１３】
この分子線エピタキシー装置では、図１に示すように、チャンバ１にＲＨＥＥＤ（反射高エネルギ電子線回折：reflection high-energy electron diffraction）電子銃２及びＲＨＥＥＤスクリーン３が設けられている。また、チャンバ１内にヒ素（Ａｓ）を供給するＡｓセル４、チャンバ１内にインジウム（Ｉｎ）を供給するＩｎセル５、チャンバ１内にガリウム（Ｇａ）を供給するＧａセル６、及びチャンバ１内に不純物を供給する不純物セル７も設けられている。不純物としては、例えばシリコン（Ｎ型不純物）、ベリリウム（Ｐ型不純物）等が用いられる。また、不純物としてサルファー又はカーボンを用いてもよい。更に、試料８を保持するホルダ９及び四重極質量分析器１０も設けられている。
【００１４】
このように構成された分子線エピタキシー装置では、ＲＨＥＥＤ電子銃２から電子線を試料８の表面に照射すると、反射高速電子回折により、その回折像がＲＨＥＥＤスクリーン３に映し出される。そして、回折像の解析を行うことにより、試料８の結晶の状態等を把握することができる。
【００１５】
量子ドットをＳ−Ｋ（Stranski-Krastanov）モードの自己形成により化合物半導体層等の上に成長させた場合、図２（ａ）に示すような（００４）面の回折スポットが現れる。また、その成長段階では、当該回折スポットの長軸から傾斜した方向に延びる回折像（シェブロンテール）も現れる。そこで、本願発明者らは、回折スポットの中心から長軸が延びる方向に任意の距離Ｌだけ離れた点を通り、かつ長軸に垂直な直線上における回折像の強度を測定した。シェブロンテールが現れている場合には、図２（ｂ）に示すように、シェブロンテールと交差する位置において明敏なピークが現れる。
【００１６】
そして、ＩｎＡｓ量子ドットの成長過程において、このような回折像の強度の変化の観察を行ったところ、図３に示す結果が得られた。なお、図３中の横軸は上記の直線上の位置を示し、横軸の「ＩｎＡｓ堆積厚さ」は、ＩｎＡｓ量子ドットの成長速度に時間を乗じて厚さに換算した値を示している。
【００１７】
また、図２（ａ）に示すように、シェブロンテールと回折スポットの長軸とのなす角の大きさ（シェブロン角度）の変化を観察したところ、図４に示す結果が得られた。
【００１８】
これらの結果から、本願発明者等は量子ドットの成長過程を、図３に示すように４つの段階に分けることができることを見出した。つまり、本願発明者等は、量子ドットの成長過程を、シェブロンテールの出現前の段階Ａ、シェブロン角度が徐々に大きくなる段階Ｂ、シェブロン角度が安定する段階Ｃ及びシェブロン角度が徐々に小さくなる段階Ｄに分けることができることを見出した。なお、図３における段階Ａよりも前の段階は、ぬれ層が形成される段階である。図４は、シェブロン角度の変化を示すグラフである。
【００１９】
更に、段階Ｂ、Ｃ及びＤにおける量子ドットの形状を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて観察したところ、夫々図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）に示す像が得られた。つまり、段階Ｂでは、図５（ａ）に示すように、サイズの分布が二極化していた。また、段階Ｃでは、図５（ｂ）に示すように、サイズの分布がほぼ均一になっていた。また、段階Ｄでは、図５（ｃ）に示すように、巨大な量子ドットが出現している一方で、個数密度が低下していた。
【００２０】
これらの観察結果から、段階Ａは量子ドットの核生成が行われる段階、段階Ｂは量子ドットの原料が凝集する段階、段階Ｃは凝集が停止してサイズが均一化する段階、段階Ｄは一部の量子ドットが巨大化し、他の一部の量子ドットが分解する段階であるということができる。これらを図示すると図６のようになる。つまり、段階Ａでは、図６（ａ）に示すように、ぬれ層２１の複数箇所に核２２が発生する。段階Ｂでは、図６（ｂ）に示すように、核２２を起点として原料が凝集して量子ドット２３が成長し始める。段階Ｃでは、図６（ｃ）に示すように、一定の大きさに達した量子ドット２３の凝集が停止する。段階Ｄでは、図６（ｄ）に示すように、一部の量子ドット２３が更に成長し、他の一部の量子ドット２３が粒子２４に分解する。
【００２１】
そして、本願発明者らは、これらの４段階の夫々において不純物のドーピングを行った場合に、量子ドットの結晶がどのような状態となるか検討した結果、次のような知見を得た。即ち、段階Ａにおいて不純物のドーピングを行うと、核生成が阻害されて結晶性が低下してしまう。段階Ｂにおいて不純物のドーピングを行うと、量子ドットが不純物の原子を活発に取り込み、結晶性が均一で良好なものとなる。段階Ｃにおいて不純物のドーピングを行うと、成長が平衡状態となるため不純物の取り込みは弱まるが、結晶性は均一で良好なものとなる。段階Ｄにおいて不純物のドーピングを行うと、点欠陥が多く発生し、結晶性が低下してしまう。なお、段階Ｄは、量子ドットを備えた半導体装置には必要とされない段階でもある。
【００２２】
（実施形態）
次に、上記の知見に基づく実施形態について説明する。図７は、本実施形態において形成する半導体装置の構造の一部を示す断面図である。
【００２３】
この半導体装置では、図７に示すように、基板１１上にバッファ層１２が位置し、その上にぬれ層１３及び複数の量子ドット１４が位置する。更に、ぬれ層１３上に、量子ドット１４を覆うキャップ層１５が位置する。例えば、基板１１はＧａＡｓから構成され、その表面のミラー指数は（００１）である。また、バッファ層１２はＧａＡｓから構成され、その厚さは５００ｎｍ程度である。ぬれ層１３及び量子ドット１４はＳｉがドーピングされたＩｎＡｓから構成される。キャップ層１５はＧａＡｓから構成され、その厚さは１５０ｎｍ程度である。
【００２４】
このような構造の形成に当たり、本実施形態では、図１に示す分子線エピタキシー装置を用いたエピタキシャル成長を行う。図８は、本実施形態における各原料のセルのシャッターの開閉を示すタイミングチャートである。なお、横軸の数値は量子ドット層（ぬれ層１３及び量子ドット１４）の形成を開始してからの経過時間を示している。
【００２５】
本実施形態では、図８に示すように、先ず、Ｇａセル６及びＡｓセル４のシャッターを開き、基板１１上にＧａＡｓからなるバッファ層１２を形成する。
【００２６】
その後、バッファ層１２の厚さが所定値（例えば５００ｎｍ）に達すると、Ｇａセル６のシャッターを閉じ、Ｉｎセル５のシャッターを開く。また、基板１１の温度を４５０℃に設定し、チャンバ１内のＡｓ圧を３．０×１０-6Ｔｏｒｒ（４×１０-4Ｐａ程度）とする。そして、量子ドット層の成長速度を０．０１２ＭＬ／ｓとする。この結果、ぬれ層１３が成長し始める。
【００２７】
そして、ぬれ層１３の成長開始から１２０秒程度経過すると、核生成が生じる（段階Ａ）。
【００２８】
更に５秒間程度経過すると、核生成が停止し、各核を起点として量子ドット１４に原料が凝集し始める（段階Ｂ）。本実施形態では、この段階において不純物セル７のシャッターを開き、原料を凝集しようとする量子ドット１４に、不純物としてＳｉをドーピングする。
【００２９】
更に３０秒間程度経過すると、量子ドット１４の凝集が停止し始める（段階Ｃ）。本実施形態では、凝集が停止し始める時に不純物セル７のシャッターを閉じる。つまり、Ｓｉのドーピングを停止する。
【００３０】
その後、不純物セル７のシャッターを閉じてから４５秒間経過した時にＩｎセル５のシャッターを閉じ、Ｇａセル６のシャッターを開き、キャップ層１５の形成を開始する。この結果、量子ドット層の厚さは２．４ＭＬとなる。そして、キャップ層１５の厚さが所定値（例えば１５０ｎｍ）に達すると、再度、量子ドット層の形成を開始する。
【００３１】
このような量子ドット層の形成とキャップ層１５の形成を繰り返すことにより、所定の数の量子ドット層を形成する。更に、電極及び配線等を形成して半導体装置を完成させる。このような半導体装置では、量子ドット層が活性層として機能する。なお、最初の量子ドット層の形成の前に電極等を形成しておいてもよい。
【００３２】
このような方法によれば、適切な段階において不純物であるＳｉのドーピングを行っているので、良好な結晶性の量子ドット１４を得ることができる。従って、発光素子として用いれば、安定して強い発光強度を得ることができる。
【００３３】
なお、図９に示すように、量子ドット１４の凝集が停止し始めた後で、かつキャップ層１５の形成を開始する前の段階においてＳｉのドーピングを行ってもよい。また、図１０に示すように、凝集中にＳｉのドーピングを開始して、凝集が停止し始めてからＳｉのドーピングを停止してもよい。
【００３４】
また、各シャッターの開閉は、ＲＨＥＥＤスクリーン３に映し出される回折像を観察しながら行うことが好ましいが、経過時間と量子ドット層の状態との相関関係が予め得られていれば、経過時間に基づいて各シャッターの開閉を制御してもよい。
【００３５】
（第１の実験）
次に、本願発明者等が行った第１の実験の内容及び結果について説明する。第１の実験では、表１に示すように、Ｓｉのドーピングの段階又は密度を異ならせた５種類の試料を作製した。
【００３６】
【表１】
【００３７】
そして、比較例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．１、及び実施例Ｎｏ．４について、原子間力顕微鏡を用いた量子ドットの分布及び電流の測定を行った。これらの結果を、夫々図１１、図１２、図１３に示す。なお、図１１〜図１３中の（ａ）は量子ドットの形状像を示し、（ｂ）は電流像を示す。なお、電流像では、電気抵抗が低く電流が多く流れる部分ほど明るくなる。
【００３８】
比較例Ｎｏ．１での量子ドットの密度が４．５×１０10ｃｍ-2であるのに対し、Ｓｉがドーピングされている実施例Ｎｏ．１及び実施例Ｎｏ．２での量子ドットの密度は５．２×１０10ｃｍ-2であり、１５％程度高くなった。また、比較例Ｎｏ．１の電流像（図１１（ｂ））には明るい点が存在しないが、実施例Ｎｏ．１及び実施例Ｎｏ．２の電流像（図１２（ｂ）及び図１３（ｂ））には明るい点が存在する。このことは、実施例Ｎｏ．１及び実施例Ｎｏ．２において、不純物（Ｓｉ）のドーピングにより量子ドットの導電率が高くなっていることを意味している。また、実施例Ｎｏ．１及び実施例Ｎｏ．２の電流像を比較すると、実施例Ｎｏ．１の方が、量子ドットが位置する点の明るさが均一である。このことは、実施例Ｎｏ．１の方が、ドーピングが均一に行われたことを意味している。
【００３９】
また、本願発明者等は、比較例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．２及び実施例Ｎｏ．３について、Ａｒイオンレーザ（波長：４８８ｎｍ）を励起光源とし、励起光強度を０．５ｍＷ、温度を１４Ｋとした環境下においてフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を行った。この結果を図１４に示す。
【００４０】
図１４に示すように、Ｓｉがドーピングされた実施例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．２及び実施例Ｎｏ．３において、比較例Ｎｏ．１の１．５〜３倍程度の発光強度が得られた。このことから、量子効率の向上、即ち量子ドットデバイスの利得向上に利用できると考えられる。また、フィッティングによって得られた、各試料の基底準位の発光波長、発光エネルギ及び半値幅を表２に示す。また、図１５に、Ｓｉの密度と発光波長との関係を示す。
【００４１】
【表２】
【００４２】
これらの結果から、Ｓｉの密度を調整することにより、発光波長を制御できるといえる。また、Ｓｉがドーピングされた実施例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．２及び実施例Ｎｏ．３では、半値幅が狭くなっている。これは、量子ドットのサイズの均一性が向上したためであると考えられる。
【００４３】
本願発明者等は、更に、比較例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．２及び実施例Ｎｏ．３について、励起光強度を２０ｍＷとしたときのＰＬ温度特性を測定した。この結果を図１６に示す。
【００４４】
図１６に示すように、Ｓｉがドーピングされた実施例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．２及び実施例Ｎｏ．３において、温度安定性が著しく向上した。つまり、３００Ｋにおける発光強度は、比較例Ｎｏ．１では、１４Ｋにおける発光強度の約１０９０分の１となったが、実施例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．２及び実施例Ｎｏ．３では、約２５〜４０分の１となり、温度安定性が２７倍〜４３倍程度まで向上した。
【００４５】
また、本願発明者等は、比較例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．１、及び実施例Ｎｏ．４について、室温での発光強度を測定した。この結果を図１７に示す。
【００４６】
図１７に示すように、実施例Ｎｏ．１、及び実施例Ｎｏ．４の発光強度が比較例Ｎｏ．１の１００倍以上になった。
【００４７】
（第２の実験）
次に、本願発明者等が行った第２の実験の内容及び結果について説明する。第２の実験では、Ｓｉのドーピングを段階Ａから段階Ｂにかけて行って比較例Ｎｏ．２の試料を作製した。なお、Ｓｉの密度は、実施例Ｎｏ．１及びＮｏ．４と同様に１．４×１０11（ｃｍ-2）とした。
【００４８】
そして、比較例Ｎｏ．２について、実施例Ｎｏ．１及びＮｏ．４と同様に、原子間力顕微鏡を用いた電流の測定を行った。この結果を、実施例Ｎｏ．１及びＮｏ．４の結果（図１２（ｂ）、図１３（ｂ））と共に図１８に示す。図１８（ａ）が比較例Ｎｏ．２の結果を示し、図１８（ｂ）が実施例Ｎｏ．１の結果を示し、図１８（ｃ）が実施例Ｎｏ．４の結果を示している。
【００４９】
図１８に示すように、実施例Ｎｏ．１及び実施例Ｎｏ．４の結果が、比較例Ｎｏ．２の結果よりも良好なものとなった。このことは、核生成の段階で不純物のドーピングを行っても、量子ドットの抵抗を十分に低減することはできず、所望の結果は得られないことを意味している。
【００５０】
また、比較例Ｎｏ．２について、レーザ（波長：６５９ｎｍ）を励起光源とし、温度を５Ｋとした環境下においてフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を行った。この結果を、比較例Ｎｏ．１の結果と共に図１９に示す。
【００５１】
図１９に示すように、比較例Ｎｏ．２では、Ｓｉがドーピングされていない比較例Ｎｏ．１と同程度の発光強度しか得られなかった。このことは、実施例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．２及び実施例Ｎｏ．３では、比較例Ｎｏ．２と比較しても高い発光強度が得られることを意味している。
【００５２】
また、本願発明者等は、比較例Ｎｏ．２について、室温での発光強度を測定した。この結果を、比較例Ｎｏ．１の結果と共に図２０に示す。
【００５３】
図２０に示すように、比較例Ｎｏ．２では、比較例Ｎｏ．１と同程度の発光強度しか得られなかった。このことからも、実施例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．２及び実施例Ｎｏ．３では、比較例Ｎｏ．２と比較しても高い発光強度が得られるということができる。
【００５４】
本願発明者等は、更に、比較例Ｎｏ．２についてＰＬ温度特性を測定した。この結果を図２１に示す。
【００５５】
図２１に示すように、比較例Ｎｏ．２の温度依存性は、比較例Ｎｏ．１と同様のものとなった。このことは、実施例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．２及び実施例Ｎｏ．３では、比較例Ｎｏ．２と比較しても良好な温度依存性が得られることを意味している。
【００５６】
（第３の実験）
第３の実験では、不純物をＳｉからＢｅに代えて、段階Ｂの凝集時にＢｅをドーピングした場合の発光強度の測定も行った。この場合には、不純物セル７からＢｅの供給を行った。この結果を図２２に示す。
【００５７】
図２２に示すように、Ｂｅをドーピングした場合にも、適切な量のドーピングを行った試料では、ドーピングをしていない試料よりも高い発光強度を得ることができた。
【００５８】
これらの結果からも、量子ドットレーザ等の発光素子としてのみならず、赤外光検出器等の光電素子等の他の量子ドットデバイス（半導体装置）の温度安定性が著しく向上するといえる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】量子ドットの形成に用いられる分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置の概要を示す模式図である。
【図２】回折像及び強度の測定箇所を示す図である。
【図３】回折像の強度の変化を示す図である。
【図４】シェブロン角度の変化を示す図である。
【図５】段階Ｂ、Ｃ及びＤにおける量子ドットの形状を示す図である。
【図６】量子ドットの成長態様を示す図である。
【図７】実施形態において形成する半導体装置の構造の一部を示す断面図である。
【図８】実施形態における各原料のセルのシャッターの開閉を示すタイミングチャートである。
【図９】各原料のセルのシャッターの開閉の他の例を示すタイミングチャートである。
【図１０】各原料のセルのシャッターの開閉の更に他の例を示すタイミングチャートである。
【図１１】比較例Ｎｏ．１についての量子ドットの分布及び電流の測定結果を示す図である。
【図１２】実施例Ｎｏ．１についての量子ドットの分布及び電流の測定結果を示す図である。
【図１３】実施例Ｎｏ．４についての量子ドットの分布及び電流の測定結果を示す図である。
【図１４】１４Ｋにおける試料毎の発光強度を示す図である。
【図１５】Ｓｉの密度と発光波長との関係を示す図である。
【図１６】温度と発光波長との関係を示す図である。
【図１７】室温における試料毎の発光強度を示す図である。
【図１８】比較例Ｎｏ．２についての電流の測定結果を、実施例Ｎｏ．１及びＮｏ．４の結果と共に示す図である。
【図１９】５Ｋにおける比較例Ｎｏ．１及び比較例Ｎｏ．２の発光強度を示す図である。
【図２０】室温における比較例Ｎｏ．１及び比較例Ｎｏ．２の発光強度を示す図である。
【図２１】比較例Ｎｏ．１及び比較例Ｎｏ．２における温度と発光波長との関係を示す図である。
【図２２】Ｂｅを用いた場合の発光強度を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１：チャンバ
２：ＲＨＥＥＤ電子銃
３：ＲＨＥＥＤスクリーン
４：Ａｓセル
５：Ｉｎセル
６：Ｇａセル
７：不純物セル
８：試料
９：ホルダ
１０：四重極質量分析器
１１：基板
１２：バッファ層
１３：ぬれ層
１４：量子ドット
１５：キャップ層
２１：ぬれ層
２２：核
２３：量子ドット
２４：粒子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電素子等に好適な量子ドットの形成方法及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、遠赤外光検出器等の光電素子、温度無依存の半導体レーザ及び超高速変調光中継デバイス等の光通信に用いる光デバイス、並びに量子情報における演算機能デバイスでの量子ドットの使用に関する研究が行われている。
【０００３】
量子ドットは３次元のナノスケールでキャリアの閉じ込めを制御でき、状態数が離散的なため、既存の半導体装置を超える特性を得ることができる。例えば、Ｓｉが直接ドーピングされたＩｎＡｓ量子ドットを遠赤外光検出器に用いた場合に、伝導帯のサブバンド間遷移を用いたμｍオーダーの波長検出が可能となる。また、量子ドットの近傍にＰ型不純物が添加された量子ドットレーザでは、優れた温度安定性が示されている。
【０００４】
また、ＩｎＡｓ量子ドットレーザの特性を改善するために、量子ドットのサイズを均一化させ、発光スペクトルの狭線化を狙うために、Ｓｉを量子ドットに直接ドーピングする技術についての研究も行われている。
【０００５】
しかしながら、量子ドットに不純物を直接ドーピングすると、結晶性が低下してしまい、発光強度の低下及び量子ドットのサイズの２極化等の問題が生じてしまう。このため、光デバイスの実用化が困難である。これらの原因に関し、不純物によって非輻射再結合中心が形成されるために発光強度が低下するという考え方がある。その一方で、Ｓｉ2Ｈ6ガスを用いた有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）でＳｉをドーピングした場合に、フォトルミネッセンス（ＰＬ）発光強度が強くなるという報告もある。このように、現状では、量子ドットの結晶性及び発光強度に関する研究が十分とはいえず、不純物を直接ドーピングした量子ドットの結晶性を良好なものとして、安定して強い発光強度を得ることができない。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−１７５１１８号公報
【非特許文献１】Zhao Qian et al. / Journal of Crystal Growth 200 (1999) 603-607
【非特許文献２】C.-Y. Huang et al. / Thin Solid Films 515 (2007) 4459-4461
【非特許文献３】H. Hwang et al. / Current Applied Physics 3 (2003) 465-468
【非特許文献４】J.S. Kim et al. / Journal of Crystal Growth 234 (2002) 105-109
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、不純物を直接ドーピングしても良好な結晶性を得ることができる量子ドットの形成方法及び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】
【０００８】
本願発明者は、上記課題を解決すべく、鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【０００９】
量子ドットの形成方法では、半導体層上に量子ドットの核を生成し、その後、前記核を起点として量子ドットを成長させる。そして、前記核を生成する際には不純物のドーピングを行わずに、前記量子ドットを成長させる際に不純物のドーピングを行う。
【００１０】
半導体装置の製造方法では、上記の方法により、量子ドットを半導体素子の活性層に形成する。
【発明の効果】
【００１１】
上記の方法によれば、不純物のドーピングのタイミングを適切に規定しているため、良好な結晶性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（量子ドットの成長態様）
先ず、本願発明者等が行った量子ドットの成長態様に関する解析の内容について説明する。図１は、量子ドットの形成に用いられる分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置の概要を示す模式図である。
【００１３】
この分子線エピタキシー装置では、図１に示すように、チャンバ１にＲＨＥＥＤ（反射高エネルギ電子線回折：reflection high-energy electron diffraction）電子銃２及びＲＨＥＥＤスクリーン３が設けられている。また、チャンバ１内にヒ素（Ａｓ）を供給するＡｓセル４、チャンバ１内にインジウム（Ｉｎ）を供給するＩｎセル５、チャンバ１内にガリウム（Ｇａ）を供給するＧａセル６、及びチャンバ１内に不純物を供給する不純物セル７も設けられている。不純物としては、例えばシリコン（Ｎ型不純物）、ベリリウム（Ｐ型不純物）等が用いられる。また、不純物としてサルファー又はカーボンを用いてもよい。更に、試料８を保持するホルダ９及び四重極質量分析器１０も設けられている。
【００１４】
このように構成された分子線エピタキシー装置では、ＲＨＥＥＤ電子銃２から電子線を試料８の表面に照射すると、反射高速電子回折により、その回折像がＲＨＥＥＤスクリーン３に映し出される。そして、回折像の解析を行うことにより、試料８の結晶の状態等を把握することができる。
【００１５】
量子ドットをＳ−Ｋ（Stranski-Krastanov）モードの自己形成により化合物半導体層等の上に成長させた場合、図２（ａ）に示すような（００４）面の回折スポットが現れる。また、その成長段階では、当該回折スポットの長軸から傾斜した方向に延びる回折像（シェブロンテール）も現れる。そこで、本願発明者らは、回折スポットの中心から長軸が延びる方向に任意の距離Ｌだけ離れた点を通り、かつ長軸に垂直な直線上における回折像の強度を測定した。シェブロンテールが現れている場合には、図２（ｂ）に示すように、シェブロンテールと交差する位置において明敏なピークが現れる。
【００１６】
そして、ＩｎＡｓ量子ドットの成長過程において、このような回折像の強度の変化の観察を行ったところ、図３に示す結果が得られた。なお、図３中の横軸は上記の直線上の位置を示し、横軸の「ＩｎＡｓ堆積厚さ」は、ＩｎＡｓ量子ドットの成長速度に時間を乗じて厚さに換算した値を示している。
【００１７】
また、図２（ａ）に示すように、シェブロンテールと回折スポットの長軸とのなす角の大きさ（シェブロン角度）の変化を観察したところ、図４に示す結果が得られた。
【００１８】
これらの結果から、本願発明者等は量子ドットの成長過程を、図３に示すように４つの段階に分けることができることを見出した。つまり、本願発明者等は、量子ドットの成長過程を、シェブロンテールの出現前の段階Ａ、シェブロン角度が徐々に大きくなる段階Ｂ、シェブロン角度が安定する段階Ｃ及びシェブロン角度が徐々に小さくなる段階Ｄに分けることができることを見出した。なお、図３における段階Ａよりも前の段階は、ぬれ層が形成される段階である。図４は、シェブロン角度の変化を示すグラフである。
【００１９】
更に、段階Ｂ、Ｃ及びＤにおける量子ドットの形状を、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて観察したところ、夫々図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）に示す像が得られた。つまり、段階Ｂでは、図５（ａ）に示すように、サイズの分布が二極化していた。また、段階Ｃでは、図５（ｂ）に示すように、サイズの分布がほぼ均一になっていた。また、段階Ｄでは、図５（ｃ）に示すように、巨大な量子ドットが出現している一方で、個数密度が低下していた。
【００２０】
これらの観察結果から、段階Ａは量子ドットの核生成が行われる段階、段階Ｂは量子ドットの原料が凝集する段階、段階Ｃは凝集が停止してサイズが均一化する段階、段階Ｄは一部の量子ドットが巨大化し、他の一部の量子ドットが分解する段階であるということができる。これらを図示すると図６のようになる。つまり、段階Ａでは、図６（ａ）に示すように、ぬれ層２１の複数箇所に核２２が発生する。段階Ｂでは、図６（ｂ）に示すように、核２２を起点として原料が凝集して量子ドット２３が成長し始める。段階Ｃでは、図６（ｃ）に示すように、一定の大きさに達した量子ドット２３の凝集が停止する。段階Ｄでは、図６（ｄ）に示すように、一部の量子ドット２３が更に成長し、他の一部の量子ドット２３が粒子２４に分解する。
【００２１】
そして、本願発明者らは、これらの４段階の夫々において不純物のドーピングを行った場合に、量子ドットの結晶がどのような状態となるか検討した結果、次のような知見を得た。即ち、段階Ａにおいて不純物のドーピングを行うと、核生成が阻害されて結晶性が低下してしまう。段階Ｂにおいて不純物のドーピングを行うと、量子ドットが不純物の原子を活発に取り込み、結晶性が均一で良好なものとなる。段階Ｃにおいて不純物のドーピングを行うと、成長が平衡状態となるため不純物の取り込みは弱まるが、結晶性は均一で良好なものとなる。段階Ｄにおいて不純物のドーピングを行うと、点欠陥が多く発生し、結晶性が低下してしまう。なお、段階Ｄは、量子ドットを備えた半導体装置には必要とされない段階でもある。
【００２２】
（実施形態）
次に、上記の知見に基づく実施形態について説明する。図７は、本実施形態において形成する半導体装置の構造の一部を示す断面図である。
【００２３】
この半導体装置では、図７に示すように、基板１１上にバッファ層１２が位置し、その上にぬれ層１３及び複数の量子ドット１４が位置する。更に、ぬれ層１３上に、量子ドット１４を覆うキャップ層１５が位置する。例えば、基板１１はＧａＡｓから構成され、その表面のミラー指数は（００１）である。また、バッファ層１２はＧａＡｓから構成され、その厚さは５００ｎｍ程度である。ぬれ層１３及び量子ドット１４はＳｉがドーピングされたＩｎＡｓから構成される。キャップ層１５はＧａＡｓから構成され、その厚さは１５０ｎｍ程度である。
【００２４】
このような構造の形成に当たり、本実施形態では、図１に示す分子線エピタキシー装置を用いたエピタキシャル成長を行う。図８は、本実施形態における各原料のセルのシャッターの開閉を示すタイミングチャートである。なお、横軸の数値は量子ドット層（ぬれ層１３及び量子ドット１４）の形成を開始してからの経過時間を示している。
【００２５】
本実施形態では、図８に示すように、先ず、Ｇａセル６及びＡｓセル４のシャッターを開き、基板１１上にＧａＡｓからなるバッファ層１２を形成する。
【００２６】
その後、バッファ層１２の厚さが所定値（例えば５００ｎｍ）に達すると、Ｇａセル６のシャッターを閉じ、Ｉｎセル５のシャッターを開く。また、基板１１の温度を４５０℃に設定し、チャンバ１内のＡｓ圧を３．０×１０-6Ｔｏｒｒ（４×１０-4Ｐａ程度）とする。そして、量子ドット層の成長速度を０．０１２ＭＬ／ｓとする。この結果、ぬれ層１３が成長し始める。
【００２７】
そして、ぬれ層１３の成長開始から１２０秒程度経過すると、核生成が生じる（段階Ａ）。
【００２８】
更に５秒間程度経過すると、核生成が停止し、各核を起点として量子ドット１４に原料が凝集し始める（段階Ｂ）。本実施形態では、この段階において不純物セル７のシャッターを開き、原料を凝集しようとする量子ドット１４に、不純物としてＳｉをドーピングする。
【００２９】
更に３０秒間程度経過すると、量子ドット１４の凝集が停止し始める（段階Ｃ）。本実施形態では、凝集が停止し始める時に不純物セル７のシャッターを閉じる。つまり、Ｓｉのドーピングを停止する。
【００３０】
その後、不純物セル７のシャッターを閉じてから４５秒間経過した時にＩｎセル５のシャッターを閉じ、Ｇａセル６のシャッターを開き、キャップ層１５の形成を開始する。この結果、量子ドット層の厚さは２．４ＭＬとなる。そして、キャップ層１５の厚さが所定値（例えば１５０ｎｍ）に達すると、再度、量子ドット層の形成を開始する。
【００３１】
このような量子ドット層の形成とキャップ層１５の形成を繰り返すことにより、所定の数の量子ドット層を形成する。更に、電極及び配線等を形成して半導体装置を完成させる。このような半導体装置では、量子ドット層が活性層として機能する。なお、最初の量子ドット層の形成の前に電極等を形成しておいてもよい。
【００３２】
このような方法によれば、適切な段階において不純物であるＳｉのドーピングを行っているので、良好な結晶性の量子ドット１４を得ることができる。従って、発光素子として用いれば、安定して強い発光強度を得ることができる。
【００３３】
なお、図９に示すように、量子ドット１４の凝集が停止し始めた後で、かつキャップ層１５の形成を開始する前の段階においてＳｉのドーピングを行ってもよい。また、図１０に示すように、凝集中にＳｉのドーピングを開始して、凝集が停止し始めてからＳｉのドーピングを停止してもよい。
【００３４】
また、各シャッターの開閉は、ＲＨＥＥＤスクリーン３に映し出される回折像を観察しながら行うことが好ましいが、経過時間と量子ドット層の状態との相関関係が予め得られていれば、経過時間に基づいて各シャッターの開閉を制御してもよい。
【００３５】
（第１の実験）
次に、本願発明者等が行った第１の実験の内容及び結果について説明する。第１の実験では、表１に示すように、Ｓｉのドーピングの段階又は密度を異ならせた５種類の試料を作製した。
【００３６】
【表１】
【００３７】
そして、比較例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．１、及び実施例Ｎｏ．４について、原子間力顕微鏡を用いた量子ドットの分布及び電流の測定を行った。これらの結果を、夫々図１１、図１２、図１３に示す。なお、図１１〜図１３中の（ａ）は量子ドットの形状像を示し、（ｂ）は電流像を示す。なお、電流像では、電気抵抗が低く電流が多く流れる部分ほど明るくなる。
【００３８】
比較例Ｎｏ．１での量子ドットの密度が４．５×１０10ｃｍ-2であるのに対し、Ｓｉがドーピングされている実施例Ｎｏ．１及び実施例Ｎｏ．２での量子ドットの密度は５．２×１０10ｃｍ-2であり、１５％程度高くなった。また、比較例Ｎｏ．１の電流像（図１１（ｂ））には明るい点が存在しないが、実施例Ｎｏ．１及び実施例Ｎｏ．２の電流像（図１２（ｂ）及び図１３（ｂ））には明るい点が存在する。このことは、実施例Ｎｏ．１及び実施例Ｎｏ．２において、不純物（Ｓｉ）のドーピングにより量子ドットの導電率が高くなっていることを意味している。また、実施例Ｎｏ．１及び実施例Ｎｏ．２の電流像を比較すると、実施例Ｎｏ．１の方が、量子ドットが位置する点の明るさが均一である。このことは、実施例Ｎｏ．１の方が、ドーピングが均一に行われたことを意味している。
【００３９】
また、本願発明者等は、比較例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．２及び実施例Ｎｏ．３について、Ａｒイオンレーザ（波長：４８８ｎｍ）を励起光源とし、励起光強度を０．５ｍＷ、温度を１４Ｋとした環境下においてフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を行った。この結果を図１４に示す。
【００４０】
図１４に示すように、Ｓｉがドーピングされた実施例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．２及び実施例Ｎｏ．３において、比較例Ｎｏ．１の１．５〜３倍程度の発光強度が得られた。このことから、量子効率の向上、即ち量子ドットデバイスの利得向上に利用できると考えられる。また、フィッティングによって得られた、各試料の基底準位の発光波長、発光エネルギ及び半値幅を表２に示す。また、図１５に、Ｓｉの密度と発光波長との関係を示す。
【００４１】
【表２】
【００４２】
これらの結果から、Ｓｉの密度を調整することにより、発光波長を制御できるといえる。また、Ｓｉがドーピングされた実施例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．２及び実施例Ｎｏ．３では、半値幅が狭くなっている。これは、量子ドットのサイズの均一性が向上したためであると考えられる。
【００４３】
本願発明者等は、更に、比較例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．２及び実施例Ｎｏ．３について、励起光強度を２０ｍＷとしたときのＰＬ温度特性を測定した。この結果を図１６に示す。
【００４４】
図１６に示すように、Ｓｉがドーピングされた実施例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．２及び実施例Ｎｏ．３において、温度安定性が著しく向上した。つまり、３００Ｋにおける発光強度は、比較例Ｎｏ．１では、１４Ｋにおける発光強度の約１０９０分の１となったが、実施例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．２及び実施例Ｎｏ．３では、約２５〜４０分の１となり、温度安定性が２７倍〜４３倍程度まで向上した。
【００４５】
また、本願発明者等は、比較例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．１、及び実施例Ｎｏ．４について、室温での発光強度を測定した。この結果を図１７に示す。
【００４６】
図１７に示すように、実施例Ｎｏ．１、及び実施例Ｎｏ．４の発光強度が比較例Ｎｏ．１の１００倍以上になった。
【００４７】
（第２の実験）
次に、本願発明者等が行った第２の実験の内容及び結果について説明する。第２の実験では、Ｓｉのドーピングを段階Ａから段階Ｂにかけて行って比較例Ｎｏ．２の試料を作製した。なお、Ｓｉの密度は、実施例Ｎｏ．１及びＮｏ．４と同様に１．４×１０11（ｃｍ-2）とした。
【００４８】
そして、比較例Ｎｏ．２について、実施例Ｎｏ．１及びＮｏ．４と同様に、原子間力顕微鏡を用いた電流の測定を行った。この結果を、実施例Ｎｏ．１及びＮｏ．４の結果（図１２（ｂ）、図１３（ｂ））と共に図１８に示す。図１８（ａ）が比較例Ｎｏ．２の結果を示し、図１８（ｂ）が実施例Ｎｏ．１の結果を示し、図１８（ｃ）が実施例Ｎｏ．４の結果を示している。
【００４９】
図１８に示すように、実施例Ｎｏ．１及び実施例Ｎｏ．４の結果が、比較例Ｎｏ．２の結果よりも良好なものとなった。このことは、核生成の段階で不純物のドーピングを行っても、量子ドットの抵抗を十分に低減することはできず、所望の結果は得られないことを意味している。
【００５０】
また、比較例Ｎｏ．２について、レーザ（波長：６５９ｎｍ）を励起光源とし、温度を５Ｋとした環境下においてフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を行った。この結果を、比較例Ｎｏ．１の結果と共に図１９に示す。
【００５１】
図１９に示すように、比較例Ｎｏ．２では、Ｓｉがドーピングされていない比較例Ｎｏ．１と同程度の発光強度しか得られなかった。このことは、実施例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．２及び実施例Ｎｏ．３では、比較例Ｎｏ．２と比較しても高い発光強度が得られることを意味している。
【００５２】
また、本願発明者等は、比較例Ｎｏ．２について、室温での発光強度を測定した。この結果を、比較例Ｎｏ．１の結果と共に図２０に示す。
【００５３】
図２０に示すように、比較例Ｎｏ．２では、比較例Ｎｏ．１と同程度の発光強度しか得られなかった。このことからも、実施例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．２及び実施例Ｎｏ．３では、比較例Ｎｏ．２と比較しても高い発光強度が得られるということができる。
【００５４】
本願発明者等は、更に、比較例Ｎｏ．２についてＰＬ温度特性を測定した。この結果を図２１に示す。
【００５５】
図２１に示すように、比較例Ｎｏ．２の温度依存性は、比較例Ｎｏ．１と同様のものとなった。このことは、実施例Ｎｏ．１、実施例Ｎｏ．２及び実施例Ｎｏ．３では、比較例Ｎｏ．２と比較しても良好な温度依存性が得られることを意味している。
【００５６】
（第３の実験）
第３の実験では、不純物をＳｉからＢｅに代えて、段階Ｂの凝集時にＢｅをドーピングした場合の発光強度の測定も行った。この場合には、不純物セル７からＢｅの供給を行った。この結果を図２２に示す。
【００５７】
図２２に示すように、Ｂｅをドーピングした場合にも、適切な量のドーピングを行った試料では、ドーピングをしていない試料よりも高い発光強度を得ることができた。
【００５８】
これらの結果からも、量子ドットレーザ等の発光素子としてのみならず、赤外光検出器等の光電素子等の他の量子ドットデバイス（半導体装置）の温度安定性が著しく向上するといえる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】量子ドットの形成に用いられる分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置の概要を示す模式図である。
【図２】回折像及び強度の測定箇所を示す図である。
【図３】回折像の強度の変化を示す図である。
【図４】シェブロン角度の変化を示す図である。
【図５】段階Ｂ、Ｃ及びＤにおける量子ドットの形状を示す図である。
【図６】量子ドットの成長態様を示す図である。
【図７】実施形態において形成する半導体装置の構造の一部を示す断面図である。
【図８】実施形態における各原料のセルのシャッターの開閉を示すタイミングチャートである。
【図９】各原料のセルのシャッターの開閉の他の例を示すタイミングチャートである。
【図１０】各原料のセルのシャッターの開閉の更に他の例を示すタイミングチャートである。
【図１１】比較例Ｎｏ．１についての量子ドットの分布及び電流の測定結果を示す図である。
【図１２】実施例Ｎｏ．１についての量子ドットの分布及び電流の測定結果を示す図である。
【図１３】実施例Ｎｏ．４についての量子ドットの分布及び電流の測定結果を示す図である。
【図１４】１４Ｋにおける試料毎の発光強度を示す図である。
【図１５】Ｓｉの密度と発光波長との関係を示す図である。
【図１６】温度と発光波長との関係を示す図である。
【図１７】室温における試料毎の発光強度を示す図である。
【図１８】比較例Ｎｏ．２についての電流の測定結果を、実施例Ｎｏ．１及びＮｏ．４の結果と共に示す図である。
【図１９】５Ｋにおける比較例Ｎｏ．１及び比較例Ｎｏ．２の発光強度を示す図である。
【図２０】室温における比較例Ｎｏ．１及び比較例Ｎｏ．２の発光強度を示す図である。
【図２１】比較例Ｎｏ．１及び比較例Ｎｏ．２における温度と発光波長との関係を示す図である。
【図２２】Ｂｅを用いた場合の発光強度を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１：チャンバ
２：ＲＨＥＥＤ電子銃
３：ＲＨＥＥＤスクリーン
４：Ａｓセル
５：Ｉｎセル
６：Ｇａセル
７：不純物セル
８：試料
９：ホルダ
１０：四重極質量分析器
１１：基板
１２：バッファ層
１３：ぬれ層
１４：量子ドット
１５：キャップ層
２１：ぬれ層
２２：核
２３：量子ドット
２４：粒子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層上に量子ドットの核を生成する工程と、
前記核を起点として量子ドットを成長させる工程と、
を有し、
前記核を生成する工程では不純物のドーピングを行わずに、前記量子ドットを成長させる工程において不純物のドーピングを行うことを特徴とする量子ドットの形成方法。
【請求項２】
前記量子ドットを成長させる工程では、
前記量子ドットの原料が凝集し、その後、前記原料の凝集が停止して量子ドットの成長が停滞することを特徴とする請求項１に記載の量子ドットの形成方法。
【請求項３】
前記不純物のドーピングを、前記原料が凝集する工程内で行うことを特徴とする請求項２に記載の量子ドットの形成方法。
【請求項４】
前記不純物のドーピングを、前記原料の凝集が停止して量子ドットの成長が停滞する工程内で行うことを特徴とする請求項２に記載の量子ドットの形成方法。
【請求項５】
前記不純物のドーピングを、前記原料が凝集する段階から前記原料の凝集が停止して量子ドットの成長が停滞する段階にかけて行うことを特徴とする請求項２に記載の量子ドットの形成方法。
【請求項６】
前記不純物のドーピングを開始するタイミングの決定のために反射高エネルギ電子線回折法により前記核の生成を観察することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の量子ドットの形成方法。
【請求項７】
前記核を生成する工程の開始から前記量子ドットを成長させる工程の終了までの期間を、反射高エネルギ電子線回折法により得られるシェブロン像のスポットが現れる核生成過程、シェブロン角度が徐々に広がる凝集過程、及びシェブロン角が変化しない停止過程に分類し、前記不純物のドーピングを、前記凝集過程又は前記停止過程の少なくとも一方において行うことを特徴とする請求項６に記載の量子ドットの形成方法。
【請求項８】
前記不純物として、シリコン、ベリリウム、サルファー又はカーボンを用いることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の量子ドットの形成方法。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法により、量子ドットを半導体素子の活性層に形成する工程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１】
半導体層上に量子ドットの核を生成する工程と、
前記核を起点として量子ドットを成長させる工程と、
を有し、
前記核を生成する工程では不純物のドーピングを行わずに、前記量子ドットを成長させる工程において不純物のドーピングを行うことを特徴とする量子ドットの形成方法。
【請求項２】
前記量子ドットを成長させる工程では、
前記量子ドットの原料が凝集し、その後、前記原料の凝集が停止して量子ドットの成長が停滞することを特徴とする請求項１に記載の量子ドットの形成方法。
【請求項３】
前記不純物のドーピングを、前記原料が凝集する工程内で行うことを特徴とする請求項２に記載の量子ドットの形成方法。
【請求項４】
前記不純物のドーピングを、前記原料の凝集が停止して量子ドットの成長が停滞する工程内で行うことを特徴とする請求項２に記載の量子ドットの形成方法。
【請求項５】
前記不純物のドーピングを、前記原料が凝集する段階から前記原料の凝集が停止して量子ドットの成長が停滞する段階にかけて行うことを特徴とする請求項２に記載の量子ドットの形成方法。
【請求項６】
前記不純物のドーピングを開始するタイミングの決定のために反射高エネルギ電子線回折法により前記核の生成を観察することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の量子ドットの形成方法。
【請求項７】
前記核を生成する工程の開始から前記量子ドットを成長させる工程の終了までの期間を、反射高エネルギ電子線回折法により得られるシェブロン像のスポットが現れる核生成過程、シェブロン角度が徐々に広がる凝集過程、及びシェブロン角が変化しない停止過程に分類し、前記不純物のドーピングを、前記凝集過程又は前記停止過程の少なくとも一方において行うことを特徴とする請求項６に記載の量子ドットの形成方法。
【請求項８】
前記不純物として、シリコン、ベリリウム、サルファー又はカーボンを用いることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の量子ドットの形成方法。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法により、量子ドットを半導体素子の活性層に形成する工程を有する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】
【公開番号】特開２０１０−４０６８０（Ｐ２０１０−４０６８０Ａ）
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２００２５１（Ｐ２００８−２００２５１）
【出願日】平成２０年８月１日（２００８．８．１）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【出願人】（５０４１５０４５０）国立大学法人神戸大学 (421)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月１日（２００８．８．１）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【出願人】（５０４１５０４５０）国立大学法人神戸大学 (421)
【Ｆターム（参考）】
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