JP2011216800A - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】（００１）面上における対称形状を有する量子ドットを作製することができる光半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】成長雰囲気内でＩｎＰ基板の上方にＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を形成する工程と、アルミニウム原料を成長雰囲気に供給する工程と、アルミニウム原料の成長雰囲気への供給を停止する工程と、砒素原料、アンチモン原料のうち少なくとも一方とインジウム原料、ガリウム原料の少なくとも一方とを含むガスを成長雰囲気に供給することにより、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層の上にＩｎ_ａＧａ_１−ａＡｓ_ｂＳｂ_１−ｂ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）量子ドットを形成する工程とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光半導体装置及びその製造方法に関する。

光ファイバ通信では、低消費電力化の観点から、ペルチエ素子による温度コントロールが不要で、しかも高温下で動作が可能な光半導体素子、例えば半導体レーザ、半導体光増幅器が必要とされている。

光半導体素子の高温動作を可能にするためには、光半導体素子の活性層のエネルギーバンド構造において、熱励起による発振準位からのキャリアの漏出を防ぐ必要がある。その対策として、離散的なエネルギー準位を有する量子ドットを活性層に適用することが有効であるとされている。

一方、長距離光通信において使用される光の波長帯域として、光ファイバ内での光損失が小さな波長１．５５μｍ帯が適用されるが、この波長帯域で光利得が得られる量子ドットとしてはＩｎＡｓ／ＩｎＰ系量子ドットが代表的である。

そこで、ＩｎＰ基板を使用して（００１）面上に量子ドットを形成する例として、格子整合系の関係にある材料から選択されるＩｎＡｌＡｓ層上にＩｎＡｓ量子ドットを形成する構造が知られている。そのＩｎＡｓ量子ドットは、［１１０］方向の長さに比べて［−１１０］方向の長さが長い非対称な形状に形成される。

別の例として、ＩｎＰ基板上の（００１）面上に、格子整合系の関係にある材料から選択されるＩｎＧａＡｓＰ層上にＩｎＡｓ量子ドットを成長することが知られている。この場合でも、非対称な形状の量子ドット、即ち［−１１０］方向に長い量子細線、もしくは量子ダッシュに近い量子ドットが形成されやすい。

以上の２つの構造において非対称な量子ドットが形成される原因は、ＩｎＰ基板の（００１）面上では［１１０］方向に比べて［−１１０］方向へのインジウム（Ｉｎ）原子のマイグレーション長が長いためである。
一方、表面の原子ステップ数が多い（３１１）Ｂ面に傾斜したＩｎＰ傾斜基板の主面上ではＩｎ原子のマイグレーションが生じ難いので、（３１１）Ｂ面上には対称形状を有する量子ドットが形成されることが知られている。

J.Brault et al.,Journal of applied physics, 92, 507(2002) N. Sritirawisarn et al., Journal of CrystalGrowth, 305, 63(2007) K. Akahane et al., Applied physics letters, 93, 041121(2008)

非対称な形状の量子ドットによれば、対称形状を有する量子ドットに比較して、量子閉じ込め効果が低下する。その結果、量子井戸において形成される離散準位間隔が狭くなり、熱励起による高次準位へのキャリアのエスケイプが発生しやすくなることから、例えば半導体レーザでは高温時の閾値電流値の増加や光出射効率の低下が懸念され、また、半導
体光増幅器では高温時の光利得の低下が懸念される。

即ち、光半導体素子の温度特性の向上のためには、量子井戸における離散準位間隔の大きな対称形状を有する量子ドットの形成が必要とされる。
一方、ＩｎＰ傾斜基板の（３１１）Ｂ面上に形成される光半導体装置では、低消費電力の観点から有利な活性層メサ形状の両脇をＩｎＰ層で埋め込んで電流狭窄構造を作製することが困難である。
従って、低消費電力化および製造上の観点から埋め込み電流狭窄構造の作製が容易なＩｎＰ基板の（００１）面上に対称形状を有する量子ドットを作製する技術が求められる。

本発明の目的は、（００１）面上における対称形状を有する量子ドットを作製することができる光半導体装置とその製造方法を提供することにある。

１つの観点によれば、成長雰囲気内でＩｎＰ基板の上方にＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を形成する工程と、アルミニウム原料を前記成長雰囲気に供給する工程と、前記アルミニウム原料の前記成長雰囲気への供給を停止する工程と、砒素原料、アンチモン原料のうち少なくとも一方とインジウム原料、ガリウム原料の少なくとも一方とを含むガスを前記成長雰囲気に供給することにより、前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層の上にＩｎ_ａＧａ_１−ａＡｓ_ｂＳｂ_１−ｂ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）の量子ドットを形成する工程と、を有する光半導体装置の製造方法が提供される。
他の観点によれば、ＩｎＰ基板の上方に形成されるＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）と、前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層上に残存するアルミニウム元素と、前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層上に形成されるＩｎ_ａＧａ_１−ａＡｓ_ｂＳｂ_１−ｂ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）の量子ドットとを有する光半導体装置が提供される。
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解すべきである。

本発明によれば、Ｉｎ_ａＧａ_１−ａＡｓ_ｂＳｂ_１−ｂの量子ドットをＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層上に形成する直前に、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層の周囲の雰囲気にアルミニウム原料を一時的に供給している。アルミニウム元素は、量子ドット形成用のIII 属元素が［−１１０］方向にマイグレーションすることを抑止するので、Ｉｎ_ａＧａ_１−ａＡｓ_ｂＳｂ_１−ｂ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）の量子ドットの［−１１０］方向と［１１０］方向の長さがほぼ同じになる。この結果、（００１）面の上に形成されるＩｎ_ａＧａ_１−ａＡｓ_ｂＳｂ_１−ｂ量子ドットは対称形状になり、エネルギーバンド構造における基底準位と第１励起準位のエネルギー間隔は従来よりも大きくなるので、光半導体装置の温度特性が向上する。

図１Ａ〜図１Ｃは、実施形態に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図（その１〜３）である。 図１Ｄ、図１Ｅは、実施形態に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図（その４、５）である。 図１Ｆは、実施形態に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図（その６）である。 図１Ｇは、実施形態に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図（その７）である。 図１Ｈは、実施形態に係る光半導体装置の製造工程を示す断面図（その８）である。 図２は、実施形態に係る光半導体装置において量子ドットを含む活性層の形成工程を示すフローチャートである。 図３は、実施形態に係る光半導体装置における量子ドットを示す平面図である。 図４は、比較例に係る量子ドットを示す平面図である。 図５は、量子ドットのエネルギーバンド構造を示す図である。

以下に、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
本実施形態に係る光半導体装置の積層構造を形成する方法として有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を使用する。ＭＯＣＶＤ装置のリアクタ（不図示）内の反応雰囲気に導入されるIII族元素成長原料、Ｖ族元素成長原料等は、例えば次のような原料が主に使用される。

III族元素成長原料として、ガリウム（Ｇａ）原料であるトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、インジウム（Ｉｎ）原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、等を用いる。また、Ｖ族元素成長原料として、例えば、リン原料であるフォスフィン（ＰＨ_３）、砒素（Ａｓ）原料であるアルシン（ＡｓＨ_３）を用いる。また、ｎ型不純物をドープするために例えばシラン（ＳｉＨ_４）を使用し、ｐ型不純物をドープするために例えばジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）を使用する。

また、III 族元素成長原料、Ｖ族元素成長原料等をリアクタ内に導入する際にはキャリアガスとして水素（Ｈ_２）を用いるが、以下の説明ではキャリアガスの供給については省略して記載することもある。Ｈ_２ガスは単独でもリアクタ内に供給される。
なお、リアクタ内の成長圧力は例えば約５０Ｔｏｒｒ（約６．７×１０^３Ｐａ）に設定される。また、以下に示す成長温度はリアクタ内のヒータによって調整される。

次に、図１Ａに示す層構造を形成するまでの工程を説明する。
まず、上面が（００１）面であるｎ型ＩｎＰ基板１を有機金属気相成長装置のリアクタ内に装備する。続いて、リアクタ内にＰＨ_３を導入して成長温度を６３０℃まで昇温する。

その後に、成長原料ガスとしてＰＨ_３、ＴＭＩｎ及びＳｉＨ_４をリアクタ内に導入することにより、ｎ型ＩｎＰ基板１の（００１）面上にｎ型ＩｎＰバッファ層２を例えば約１００ｎｍ〜５００ｎｍの厚さに形成する。この場合、ｎ型不純物であるシリコンのドーピング濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３となるようにガス流量を調整する。
次に、ＴＭＩｎ及びＳｉＨ_４のリアクタ内への供給を停止し、リアクタ内をＰＨ_３の雰囲気に切り換えた後に成長温度を４７０℃まで下げる。

さらに、リアクタ内にＡｓＨ_３ガスを追加供給し、リアクタ内をＰＨ_３、ＡｓＨ_３のＶ属元素ソースガス雰囲気とする。続いて、III 属元素ソースガスであるＴＥＧａ及びＴＭＩｎをリアクタ内に供給する。これにより、ｎ型ＩｎＰバッファ層２の上に、組成波長が１．１μｍのノンドープのＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層を第１のＳＣＨ層３として例えば約１００ｎｍの厚さに形成する。この場合、ｘ＝０．８５、ｙ＝０．３３とする。

その後に、図１Ｂ、図１Ｃに示すように、第１のＳＣＨ層３上にＩｎＡｓ量子ドット４を形成する。その後に、図１Ｄに示すように、ＩｎＡｓ量子ドット４上にＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層６とＩｎＡｓ量子ドット４を交互に複数形成し、さらに、最上
のＩｎＡｓ量子ドット４の上に第２のＳＣＨ層７を形成する。
ＩｎＡｓ量子ドット４、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙガイド層６の形成方法を図２に例示するフローチャートを参照して説明する。

まず、図２のａに示すように、第１のＳＣＨ層３を形成した後に、図２のｂ、ｃに示すように、ＴＭＩｎ、ＴＥＧａ及びＡｓＨ_３のガスのリアクタ内への供給を停止し、ＰＨ_３の雰囲気下で成長温度を調整して約４５０℃まで下げる。

続いて、成長温度が４５０℃で安定した後に、図２のｄ、ｅ、ｆに示すように、ＰＨ_３の供給を停止し、リアクタ内でＨ_２を導入する状態を約１０秒間保持する。このようなＨ_２雰囲気状態の保持によってリアクタ内からＰＨ_３が除去される。なお、成長温度が４５０℃と低い温度であるため、第１のＳＣＨ層３であるＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層の表面ではリン（Ｐ）抜けによる荒れは発生しない。

次に、図２のｇに示すように、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）をリアクタ内に導入することにより、第１のＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙＳＣＨ層３の表面にアルミニウム（Ａｌ）元素を１．０ＭＬ（原子層：monolayer）相当で供給する。

その後に、図２のｇ、ｈ、ｉに示すように、ＴＥＡｌのリアクタへの供給を停止し、リアクタ内をＨ_２雰囲気で例えば５秒間保持する。これはリアクタ内に残留するＴＥＡｌを除去するためである。
以上のような処理の後には、図１Ｂに示すように、第１のＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙＳＣＨ層３の表面にはＡｌ元素が残存している。

次に、図２のｊ、ｋに示すように、リアクタ内にＡｓＨ_３を例えば１秒間供給し、その後にリアクタ内にＡｓＨ_３、ＴＭＩｎを供給する。

これにより、図１Ｃに示すように、第１のＳＣＨ層３上にＩｎＡｓ量子ドット４が形成される。この場合、ＩｎＡｓの供給量を２．５ＭＬとし、成長速度を０．０４５μｍ／時にするとともに、III族元素ガスソースに対するＶ族元素ガスソースのガス流量比、即ちＶ／III 比を３０にする、という成長条件に設定する。なお、ＩｎＡｓ量子ドット４の周囲には、ＩｎＡｓ量子ドット４よりも薄いＩｎＡｓウェッティング層５が形成される。なお、第１のＳＣＨ層３表面にはＡｌが残存している。

そのような条件で形成されたＩｎＡｓ量子ドット４は、図３の平面図に示すように、［１１０］方向、［−１１０］方向で対称形状となる。その詳細については後述する。

ＩｎＡｓ量子ドット４を形成した後に図２のｌに示すようにリアクタ内へのＴＭＩｎの供給を停止する。続いて、図２のｍに示すように、ＡｓＨ_３を１０秒間供給し、その後に停止する。
ここで、図２のｎに示すように、ＩｎＡｓ量子ドット４の上下の層数が設定値に達していない場合には、図２のｏに示すように、リアクタ内にＡｓＨ_３とＰＨ_３を１秒間供給する。

続いて、図２のｐに示すように、リアクタ内にＡｓＨ_３、ＰＨ_３、ＴＭＩｎ及びＴＥＧａを供給することにより、図１Ｄに示すように、ノンドープのＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙバリア層６を例えば約４０ｎｍの厚さに形成する。この場合、ｘ＝０．８５、ｙ＝０．３３とする。
その後に、図２のｑに示すように、リアクタ内へのＡｓＨ_３、ＰＨ_３、ＴＭＩｎとＴＥＧａの供給を停止する。

その後に、図２のｅ〜ｑに示すように、ＩｎＡｓ量子ドット４とＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙバリア層６を交互に繰り返して形成することにより、ＩｎＡｓ量子ドット４とＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙバリア層６を３層ずつ形成し、さらに最上のＩｎＡｓ量子ドット４を形成する。これにより、ＩｎＡｓ量子ドット４の層数を５とする。

複数層のＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙバリア層６はそれぞれ同じ条件で形成され、複数層のＩｎＡｓ量子ドット４はそれぞれ同じ条件で形成される。
即ち、ＩｎＡｓ量子ドット４を形成する前に、リアクタ内において、ＴＭＩｎ、ＴＥＧａ、ＡｓＨ_３、ＰＨ_３の供給を停止した後に、Ｈ_２を供給する状態を約１０秒間保持し、さらにＴＥＡｌをリアクタ内に１０秒間供給する。さらに、ＴＥＡｌの供給停止から５秒後に、ＡｓＨ_３をリアクタ内に１秒間供給し、さらにＡｓＨ_３、ＴＭＩｎをリアクタ内に供給してＩｎＡｓ量子ドット４を形成する。

ここではＩｎＡｓ量子ドット４の層数は５として説明しているが、数は５に限られるものではない。

そして、図２のｎに示すようにＩｎＡｓ量子ドット４の層数が目標に達した場合には、図２のｍに示すようにＩｎＡｓ量子ドット４の形成後にＡｓＨ_３をリアクタに１０秒間供給した後に、図２のｎ、ｒに示すように最上のＩｎＡｓ量子ドット４の上に第２のＳＣＨ層７を形成する。第２のＳＣＨ層７としてＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層を例えば１００ｎｍの厚さに形成する。そのＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層は、例えばＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙバリア層６と同じ条件で形成される。
以上により、図１Ｄに示すように、ｎ型ＩｎＰバッファ層２の上に量子ドット４の多層構造を有する活性層８が形成される。

次に、図１Ｅに示す構造を形成する工程を説明する。
活性層８の形成を終えた後に、成長原料ガスとしてＰＨ_３、ＴＭＩｎ及びＤＥＺｎをリアクタ内に導入することにより、第２のＳＣＨ層７の上に第１のｐ型ＩｎＰクラッド層９を例えば約２００ｎｍの厚さに形成する。この場合、ｐ型不純物である亜鉛のドーピング濃度が５．０×１０^１７ｃｍ^−３となるようにガス流量を調整する。

続いて、ｎ型ＩｎＰ基板１をＭＯＣＶＤ装置のリアクタから取り出した後に、第１のｐ型ＩｎＰクラッド層９上に誘電体、例えばシリコン酸化膜１０を形成する。さらに、シリコン酸化膜１０上にフォトレジスト（不図示）を塗布し、これを露光、現像することにより、レジストパターンを形成する。レジストパターンは、光導波領域を覆うストライプ平面形状に形成される。

さらに、レジストパターンに覆われない領域のシリコン酸化膜１０を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によりエッチングすることにより、導波路領域にストライプ形状のマスクを形成する。この場合、シリコン酸化膜１０のエッチングガスとしてフッ素系ガスを使用する。

次に、図Ｆに示すように、マスクであるシリコン酸化膜１０に覆われない領域のｐ型ＩｎＰクラッド層９からｎ型ＩｎＰ基板１の上部までをＲＩＥ法によりエッチングすることにより、シリコン酸化膜１０の下方の層をストライプのメサ形状にするとともに、その両側に凹部１ａを形成する。この場合、エッチングガスとして塩素系ガスを使用する。

レジストパターンを除去した状態で、ｎ型ＩｎＰ基板１をＭＯＣＶＤ装置のリアクタに入れ、ＴＭＩｎ、ＰＨ_３、ＤＥＺｎをリアクタ内に供給する。これにより、図１Ｇに示す
ように、ｎ型ＩｎＰ基板１上の凹部１ａ内にｐ型ＩｎＰ埋込層１１を第１のｐ型ＩｎＰクラッド層９の上面に達する厚さに選択的に形成する。

続いて、ＴＭＩｎ、ＰＨ_３、ＤＥＺｎの供給を停止し、所定時間が経過した後に、ＴＭＩｎ、ＳｉＨ_３をリアクタ内に供給することにより、ｐ型ＩｎＰ埋込層１１の上にｎ型ＩｎＰブロック層１２を形成する。

これにより、量子ドット４を有する活性層８を含むメサ形状の両側には、ｐ型ＩｎＰ埋込層１１、ｎ型ＩｎＰブロック層１２から形成されるｐｎ接合埋込構造が形成される。
その後に、ｎ型ＩｎＰ基板１をリアクタから取り出し、シリコン酸化膜１０をウェットエッチング又はドライエッチングにより除去する。

次に、図１Ｈに示す構造を形成するまでの工程を説明する。
まず、ｎ型ＩｎＰ基板１をＭＯＣＶＤ装置のリアクタ内に入れ、ＴＭＩｎ、ＰＨ_３、ＤＥＺｎをリアクタ内に供給して、ｎ型ＩｎＰブロック層１１及び第１のｐ型ＩｎＰクラッド層９の上に第２のｐ型ＩｎＰクラッド層１３を形成する。

続いて、ＰＨ_３、ＴＭＩｎ及びＤＥＺｎのリアクタへの供給を停止した後に、時間をおいてＴＭＩｎ、ＴＥＧａ、ＡｓＨ_３及びＤＥＺｎをリアクタに導入する。これにより、第２のｐ型ＩｎＰクラッド層１３の上にｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１４を形成する。

さらに、ｎ型ＩｎＰ基板１をリアクタから取り出した後に、ｐ型コンタクト層１４の上にｐ側電極１５として例えばＡｕ／Ｚｎ／Ａｕを蒸着により順に形成する。さらに、ｎ型ＩｎＰ基板１の下面に蒸着によりｎ側電極１６としてＡｕＧｅ／Ａｕを形成する。
これにより半導体レーザが形成される。

以上のように本実施形態によれば、ＩｎＡｓ量子ドット４を形成するための原料、即ちＴＭＩｎ、ＡｓＨ_３をリアクタに供給する前に、その下地となる第１のＳＣＨ層３又はバリア層６であるＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層の表面にＴＥＡｌを例えば１ＭＬ相当で一定時間だけ供給している。

そのような条件により形成されたＩｎＡｓ量子ドット４は、図３に示すような平面形状となり、［−１１０］方向のサイズが従来よりも小さく、［−１１０］方向のサイズと［１１０］方向のサイズがほぼ同じになって対称形状が得られている。具体的には、図３の量子ドットは、［−１１０］方向、［１１０］方向の双方で約２０ｎｍの長さになっている。

これに対し、ＩｎＡｓ量子ドットを形成する前に、ＴＥＡｌをリアクタ内に供給しない条件では、図４に示すように、量子ドット２１は楕円形状の非対称形状になっている。図４に示す量子ドット２１は、具体的には、［−１１０］方向で約３０ｎｍの長さ、［１１０］方向で約２０ｎｍの長さになっている。
なお、図３、図４の平面図は、原子間顕微鏡（ＡＦＭ）像の量子ドット４、２１のうち一部を抽出して描かれている。

対称形状のＩｎＡｓ量子ドット４が形成されるのは次のような理由による。
上記した実施形態では、ＩｎＡｓ量子ドット４を形成する前にリアクタからＶ族原料であるＰＨ_３を除去している。このため、その後に供給されるＴＥＡｌは、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層の表面で有機側鎖が分解されて図１Ｂに示したようにＡｌ元素雰囲気となる。Ａｌ元素は蒸気圧が低くしかもＶ族元素と結合せずにＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層の表面上を浮遊する。

その後に、ＴＥＡｌのリアクタへの供給を停止し、Ｈ_２によりリアクタからＴＥＡｌを除去した後に、ＩｎＡｓ量子ドット４の原料であるＡｓＨ_３、ＴＭＩｎをリアクタに供給している。その際、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層の表面ではＡｌ元素が浮遊したままとなる。

一方、ＴＭＩｎは、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層表面で有機側鎖が分解されてＩｎ原子となりその表面を［−１１０］方向にマイグレーションしようとする。しかし、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層表面に浮遊するＡｌ元素はＩｎ元素のマイグレーションを抑制し、アンチサーファクタントとして作用する。

これにより、Ｉｎは［−１１０］方向への移動が抑制されるので、反応により生成されるＩｎＡｓは［−１１０］方向と［１１０］方向でほぼ同じ大きさの量子ドットになる。その結果、図３に示すような対称形状のＩｎＡｓ量子ドット４が形成されることになる。

これに対し、ＩｎＡｓ量子ドットを形成する前にＴＥＡｌを供給しない場合には、Ｉｎ元素は、［−１１０］方向に移動し易くなり、図４に示すように［−１１０］方向に長い略楕円形状の量子ドット２１が形成されることになる。

即ち、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層の表面のＴＭＩｎの有機側鎖は分解されてIn原子となり、その表面をマイグレーションする。そのような状態で、最終的にエネルギー的に安定な箇所に留まり量子ドットを形成するわけであるが、Ａｌ元素の直前供給がない場合は、上述したようにIn原子のマイグレーション長の異方性に起因する［−１１０］方向に伸びた非対称な形状の量子ドットが形成される。

長距離光通信波長帯である１．５５μｍ帯で発光が得られる量子ドットにおいて、本実施形態により形成された対称形状のＩｎＡｓ量子ドット４を適用すると、その基底準位は、図５のエネルギーバンド構造の伝導帯に示すように、１次高次準位のエネルギー間隔Ｅ_１が７０ｍｅＶ程度となる。従って、本実施形態によれば、従来技術での非対称形状の量子ドットの６０ｍｅＶ程度と比較して１０ｍｅＶ程度にエネルギー間隔の大きな量子ドットの形成が可能となる。

その結果、高温時における基底準位から第１励起準位以上への電子のエスケイプを低減することが可能であるため、利得の低下を抑制でき、半導体レーザ、光増幅器等の高温下における動作特性を向上させることが可能となる。例えば、半導体レーザにおいて例えば８５℃程度の温度に対する閾値の上昇率を１５％程度低減でき、また、半導体光増幅器において、例えば８５℃程度の温度に対する光利得の低減率を１５％程度改善することが可能になる。

ところで、上記の説明では、直前供給するＡｌ原料としてＴＥＡｌを用いたが、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリイソブチルアルミニウム（ＴＩＢＡｌ）等種々のＡｌ原料を用いてもかまわない。

また、ＩｎＡｓ量子ドット４を形成するための原料を供給する直前にリアクタに供給するＡｌ原料は、上記に挙げたガスのいずれかを単独で供給することに限定されることはなく、上記のＡｌ原料から２種類以上、例えばＴＥＡｌとＴＭＡｌを同時にリアクタ内に供給してもよい。

また、ＩｎＡｓ量子ドットの下地層として本実施例ではＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ
のｘを０．８５、ｙを０．３３としているが、ｘは０≦ｘ≦１、ｙは０≦ｙ≦１の関係にあってもよい。

また、上記の実施例で示した種々の成長パラメータは各成長装置に応じて適用範囲が異なるため、任意に変更が可能である。成長パラメータとして、例えば、量子ドット４を形成する前のＡｌ原料の供給量や、或いはＡｌ含有ガス供給の直前にＶ族、III 族原料ガスのリアクタへの供給を停止した後にＨ_２雰囲気下で成長を中断する時間が挙げられる。さらに、Ａｌ含有ガス供給後のＨ_２雰囲気下での成長中断時間であり、或いは、量子ドットを形成するために供給されるＡｓＨ_３の供給時間であり、或いは、量子ドットを形成するために供給されるＴＭＩｎの供給量であり、或いは、量子ドット成長後のＡｓＨ_３の供給時間が挙げられる。

また、本実施形態では量子ドットの成長温度は、４５０℃に限られるものではなく、量子ドットが形成可能な成長温度であればよい。
さらに、上記の実施形態では量子ドット形成直前のＴＥＡｌの供給後に、リアクタ内からＴＥＡｌを除去する目的で５秒間Ｈ_２雰囲気により成長の中断を導入した。これに対し、例えば、圧力１０Ｔｏｒｒ以下の減圧ＭＯＶＰＥ法や、超高真空ＣＶＤ(ＵＨＶ−ＣＶＤ)法のような成長方法では、原料の流速が早いため、図２のｈ、ｉの処理を省くことによりＨ_２雰囲気下で成長を中断しなくてもよい。

また、量子ドットの下地となるＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層の成長温度は、４７０℃に限られるものではなく、４元Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙが成長可能な温度範囲であれよい。

さらに、本実施形態では、厚さ４０ｎｍのＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙバリア層６を４０ｎｍの厚さに形成し、ＩｎＡｓ量子ドット４の周期数を５としているが、その数はデバイス設計に応じて任意に変更されてもよい。

上記の実施形態で用いた成長原料以外にも種々の成長原料を使用してもかまわない。例えば、III 族原料として、ＴＭＩｎの代わりにトリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）を用い、ＴＥＧａの代わりにトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を用いてもよい。

上記のＶ族の砒素、リンの原料として、ＡｓＨ_３の代わりに有機金属原料であるターシャリブチルアルシン（ＴＢＡｓＨ_３）を用い、ＰＨ_３の代わりに有機金属原料であるターシャリブチルフォスフィン（ＴＢＰＨ_３）を用いてもよい。

また、上記の実施形態では、活性層８内の量子ドットとしてＩｎＡｓ量子ドット４を形成しているが、３元混晶のＩｎＧａＡｓやＩｎＡｓＳｂの量子ドットであってもよく、また４元混晶のＩｎＧａＡｓＳｂであってもかまわない。即ち、量子ドットは、Ｉｎ_ａＧａ_１−ａＡｓ_ｂＳｂ_１−ｂ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）から形成されることになる。なお、アンチモンの原料として、例えばトリエチルアンチモン（ＴＥＳｂ）、トリメチルアンチモン（ＴＭＳｂ）を使用する。

この場合、Ａｓ元素かアンチモン（Ｓｂ）元素の少なくともどちらか一方を含む水素化合物ガスもしくは有機金属原料と、Ｉｎ元素かＧａ元素の少なくともどちらか一方を含む有機金属原料とを同時に供給してもよい。或いは、Ａｓ元素かＳｂ元素の少なくともどちらか一方を含む水素化合物ガスもしくは有機金属原料を供給し、しかる後に、Ｉｎ元素かＧａ元素の少なくともどちらか一方を含む有機金属原料とＡｓ元素かＳｂ元素の少なくともどちらか一方を含む水素化合物ガスもしくは有機金属原料を同時に供給してもよい。

また、上記の実施形態ではｎ型ＩｎＰ基板を用いたが、主面が（００１）面であるp型ＩｎＰ基板や、主面が（００１）面である高抵抗（ＳＩ）ＩｎＰ基板を適用してもよい。その場合は、上記した埋め込み構造等は任意に変更される。
上記したキャリアガスはＨ_２に限られるものではなく、Ｈ_２の代わりに又は併用してヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスを使用してもよい。

ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈すべきであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができると理解すべきである。

次に、本発明の実施形態について特徴を付記する。
（付記１） 成長雰囲気内でＩｎＰ基板の上方にＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を形成する工程と、アルミニウム原料を前記成長雰囲気に供給する工程と、前記アルミニウム原料の前記成長雰囲気への供給を停止する工程と、砒素原料、アンチモン原料のうち少なくとも一方とインジウム原料、ガリウム原料の少なくとも一方とを含む量子ドット形成用ガスを前記成長雰囲気に供給することにより、前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層の上にＩｎ_ａＧａ_１−ａＡｓ_ｂＳｂ_１−ｂ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）の量子ドットを形成する工程と、を有する光半導体装置の製造方法。
（付記２） 前記アルミニウム原料の供給を停止した後に、前記成長雰囲気内にキャリアガスのみを供給する工程を有する付記１に記載の光半導体装置の製造方法。
（付記３） 前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層を形成した後に、前記成長雰囲気内にキャリアガスのみを流す工程を有する付記１又は付記２に記載の光半導体装置の製造方法。
（付記４） 前記キャリアガスは、水素、不活性ガスのいずれかであることを特徴とする付記２又は付記３に記載の光半導体装置の製造方法。
（付記５） 前記アルミニウム原料を供給する前に、前記成長雰囲気においてIII属原料の供給を停止し、フォスフィン及びキャリアガスを供給し、ヒータを前記量子ドットの成長温度に設定する工程を有する付記１乃至付記４のいずれか１つに記載の光半導体装置の製造方法。
（付記６） 前記量子ドット形成用ガスを前記成長雰囲気に供給する前に、砒素元素かアンチモン元素の少なくとも一方を含む原料ガスを前記成長雰囲気に供給する工程を有することを特徴とする付記１乃至付記５のいずれか１つに記載の光半導体装置。
（付記７） 前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層は（００１）面上に形成される付記１乃至付記５のいずれか１つに記載の光半導体装置の製造方法。
（付記８） 前記量子ドットを形成した後に、前記量子ドットの上に第２のＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を形成する工程を有する付記１乃至付記６のいずれか１つに記載の光半導体装置の製造方法。
（付記９） ＩｎＰ基板の上方に形成されるＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）と、前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層上に残存するアルミニウム元素と、前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層上に形成されるＩｎ_ａＧａ_１−ａＡｓ_ｂＳｂ_１−ｂ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）の量子ドットと、を有する光半導体装置。

１ ｎ型ＩｎＰ基板
２ ｎ型ＩｎＰバッファ層
３ 第１のＳＣＨ層
４ ＩｎＡｓ量子ドット
６ Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙバリア層
７ 第２のＳＣＨ層
８ 活性層
９ 第１のｐ型ＩｎＰクラッド層
１０ シリコン酸化膜
１１ ｐ型ＩｎＰ埋込層
１２ ｎ型ＩｎＰブロック層
１３ 第２のｐ型ＩｎＰクラッド層
１４ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１５ ｐ側電極
１６ ｎ側電極

Claims (5)

1. 成長雰囲気内でＩｎＰ基板の上方にＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を形成する工程と、
   アルミニウム原料を前記成長雰囲気に供給する工程と、
   前記アルミニウム原料の前記成長雰囲気への供給を停止する工程と、
   砒素原料、アンチモン原料のうち少なくとも一方とインジウム原料、ガリウム原料の少なくとも一方とを含むガスを前記成長雰囲気に供給することにより、前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層の上にＩｎ_ａＧａ_１−ａＡｓ_ｂＳｂ_１−ｂ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）の量子ドットを形成する工程と、
   を有する光半導体装置の製造方法。
2. 前記アルミニウム原料の供給を停止した後に、前記成長雰囲気内にキャリアガスのみを供給する工程を有する請求項１に記載の光半導体装置の製造方法。
3. 前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層を形成した後に、前記成長雰囲気内にキャリアガスのみを一時的に流す工程を有する請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置の製造方法。
4. 前記アルミニウム原料を供給する前に、前記成長雰囲気においてIII属原料の供給を停止し、フォスフィン及びキャリアガスを供給し、ヒータを前記量子ドットの成長温度に設定する工程を有する請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光半導体装置の製造方法。
5. ＩｎＰ基板の上方に形成されるＩｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）と、
   前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層上に残存するアルミニウム元素と、
   前記Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｙＡｓ_ｙＰ_１−ｙ層上に形成されるＩｎ_ａＧａ_１−ａＡｓ_ｂＳｂ_１−ｂ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）の量子ドットと、
   を有する光半導体装置。

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