JP3692407B2 - Manufacturing method of semiconductor quantum dot device - Google Patents
Manufacturing method of semiconductor quantum dot device Download PDFInfo
- Publication number
- JP3692407B2 JP3692407B2 JP2003304978A JP2003304978A JP3692407B2 JP 3692407 B2 JP3692407 B2 JP 3692407B2 JP 2003304978 A JP2003304978 A JP 2003304978A JP 2003304978 A JP2003304978 A JP 2003304978A JP 3692407 B2 JP3692407 B2 JP 3692407B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- buffer layer
- semiconductor
- layer
- semiconductor buffer
- quantum dot
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 189
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 title claims description 107
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 22
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 38
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 28
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 15
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 12
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000000137 annealing Methods 0.000 claims description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 9
- RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N triethylgallium Chemical compound CC[Ga](CC)CC RGGPNXQUMRMPRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 3
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 191
- 238000000089 atomic force micrograph Methods 0.000 description 15
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 12
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- IBEFSUTVZWZJEL-UHFFFAOYSA-N trimethylindium Chemical compound C[In](C)C IBEFSUTVZWZJEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 238000003887 surface segregation Methods 0.000 description 3
- XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N trimethylgallium Chemical compound C[Ga](C)C XCZXGTMEAKBVPV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 2
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- QTQRGDBFHFYIBH-UHFFFAOYSA-N tert-butylarsenic Chemical compound CC(C)(C)[As] QTQRGDBFHFYIBH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000002109 crystal growth method Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910021478 group 5 element Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
- H01S5/341—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D62/00—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
- H10D62/80—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials
- H10D62/81—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials of structures exhibiting quantum-confinement effects, e.g. single quantum wells; of structures having periodic or quasi-periodic potential variation
- H10D62/812—Single quantum well structures
- H10D62/814—Quantum box structures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
- H01S5/341—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires
- H01S5/3412—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires quantum box or quantum dash
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Recrystallisation Techniques (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
本発明は、半導体量子ドット素子の製造方法に関し、特に、高均一性を有し、且つ高密度に形成された量子ドットを有する半導体量子ドット素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor quantum dot device, in particular, have a high uniformity, a method of manufacturing a semiconductor quantum dot device having quantum dots and densely formed.
近年、量子ドットなどの半導体ナノ構造の自己組織化形成技術の発展により、量子ドットレーザ等の開発が盛んに行われている。量子ドットとは、電子と正孔を3次元的に非常に狭いエネルギーポテンシャル中に閉じ込める構造を有したものである。このような構造において電子と正孔のエネルギー準位は完全に離散化し、状態密度関数は先鋭化したパルス状となる。 In recent years, quantum dot lasers and the like have been actively developed due to the development of self-organization forming technology of semiconductor nanostructures such as quantum dots. A quantum dot has a structure in which electrons and holes are confined in a very narrow energy potential three-dimensionally. In such a structure, the energy levels of electrons and holes are completely discretized, and the state density function has a sharp pulse shape.
このような特性を有する量子ドットを半導体レーザ活性層に導入すると、レーザの基本特性が大きく改善される。改善される代表的な特性として(1)閾値電流、(2)変調特性、(3)スペクトル特性の3つの特性が挙げられる。ここで閾値電流は半導体レーザの基本特性であるが、量子ドットを活性層に導入することにより、状態密度の先鋭化によって温度依存性の抑圧に加え閾値電流の低減を期待できる。また変調特性、スペクトル特性のようなレーザのダイナミック特性は、状態密度関数の広がりが抑制されて利得スペクトルが狭くなることによって、キャリア密度の増加に伴う利得の増加の割合、つまり微分利得が大きくなる。緩和振動周波数は、微分利得の平方根に比例するので、量子ドットを活性層に用いることにより、変調帯域幅の大幅な増大が期待できる。 When quantum dots having such characteristics are introduced into the semiconductor laser active layer, the basic characteristics of the laser are greatly improved. Typical characteristics to be improved include three characteristics: (1) threshold current, (2) modulation characteristics, and (3) spectral characteristics. Here, the threshold current is a basic characteristic of a semiconductor laser. By introducing quantum dots into the active layer, it is possible to expect reduction of the threshold current in addition to suppression of temperature dependence by sharpening of the state density. The dynamic characteristics of the laser, such as modulation characteristics and spectral characteristics, increase the rate of gain with increasing carrier density, that is, the differential gain, by reducing the spread of the state density function and narrowing the gain spectrum. . Since the relaxation oscillation frequency is proportional to the square root of the differential gain, a significant increase in the modulation bandwidth can be expected by using quantum dots in the active layer.
現在、光通信分野においてInAs/GaAs量子ドットは、光通信に必要な1.3μm帯での発振が可能となり、近年では1.52μm帯までその波長範囲が拡大している。また、もう1つの重要な波長帯である1.55μm帯にも近づきつつある。 Currently, InAs / GaAs quantum dots can oscillate in the 1.3 μm band necessary for optical communication in the optical communication field, and in recent years, the wavelength range has been expanded to the 1.52 μm band. It is also approaching the 1.55 μm band, which is another important wavelength band.
上述のような量子ドットレーザを実現させるためには、結晶性の劣化を生じさせず、且つ高均一で高密度な量子ドットを形成する必要がある。現在、比較的簡便な量子ドットの製造方法には、自己組織化、又はStranski-Krastanow成長モードを利用する方法がある。成長装置としては、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)装置や有機金属気相成長法(Metal organic chemical vapor deposition:MOCVD)装置が用いられている。 In order to realize the quantum dot laser as described above, it is necessary to form highly uniform and high density quantum dots without causing deterioration of crystallinity. At present, relatively simple quantum dot production methods include self-organization or a method using the Stranski-Krastanow growth mode. As a growth apparatus, a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus or a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) apparatus is used.
ここで図11を参照して、上記方法で作製された従来の半導体量子ドット素子の構造を説明する。同図に示すように半導体量子ドット素子は、半導体基板(図示せず)上に結晶成長により積層された半導体バッファ層110と、この半導体バッファ層110と異なる格子定数を有し半導体バッファ層110上に形成されたドット構造を有する量子ドット層120と、このドット構造を埋め込むように積層形成された埋込層130とで構成されている。ここで半導体バッファ層110及び埋込層130はGaAsによって形成され、量子ドット層120はInAsによって形成されている。
ところで、上記MBE装置及びMOCVD装置を用いて量子ドットを形成することは、比較的簡便な方法である反面、量子ドット層120内に形成されるドット構造の2次元的均一性が低いという問題がある。この問題は光学特性に直接的に影響を与える。 By the way, forming the quantum dots using the MBE apparatus and the MOCVD apparatus is a relatively simple method, but has a problem that the two-dimensional uniformity of the dot structure formed in the quantum dot layer 120 is low. is there. This problem directly affects the optical properties.
つまり、理想的には1個の量子ドットから出力されるフォトルミネッセンス半値幅を極限として、半導体量子ドット素子全体のフォトルミネッセンス半値幅がこの極限に近づくことが望ましい。しかし、図11に示した構造を有する半導体量子ドット素子は、フォトルミネッセンス半値幅が50−80meVと大きく広がり実用化は困難である。現在、製造方法の低成長速度、低As圧の条件を適切値にすることでフォトルミネッセンス半値幅は25−30meVまで改善されているが、実用化には更なる改善が必要である。 That is, ideally, it is desirable that the half width of the photoluminescence output from one quantum dot is the limit, and the half width of the photoluminescence of the entire semiconductor quantum dot element approaches this limit. However, the semiconductor quantum dot device having the structure shown in FIG. 11 has a photoluminescence half width of 50-80 meV and is difficult to put into practical use. At present, the photoluminescence half-value width is improved to 25-30 meV by adjusting the conditions of the low growth rate and low As pressure of the manufacturing method to an appropriate value, but further improvement is necessary for practical use.
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、均一性の高い量子ドットの作製条件を見つけることにより、フォトルミネッセンス半値幅を極限まで狭めることができる半導体量子ドット素子の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to find a method for producing a semiconductor quantum dot device capable of narrowing the photoluminescence half-value width to the limit by finding conditions for producing highly uniform quantum dots. Is to provide.
上記目的を達成するために、本発明の半導体量子ドット素子は、半導体基板上に結晶成長により形成された第1の半導体バッファ層と、第1の半導体バッファ層上に結晶成長により形成され、第1の半導体バッファ層と格子定数が異なり、且つ3次元成長が生じない臨界膜厚以下の膜厚を積層してなる第2の半導体バッファ層と、第2の半導体バッファ層上に形成され単原子層平坦化が生じる膜厚を有する第3の半導体バッファ層と、第3の半導体バッファ層上に形成され、第3の半導体バッファ層と格子定数が異なり、且つ3次元成長が生じる臨界膜厚以上の膜厚を積層してなる量子ドット層を有することを要旨する。 In order to achieve the above object, a semiconductor quantum dot device of the present invention includes a first semiconductor buffer layer formed by crystal growth on a semiconductor substrate, and formed by crystal growth on the first semiconductor buffer layer, A semiconductor buffer layer having a lattice constant different from that of the first semiconductor buffer layer, and a second semiconductor buffer layer having a thickness less than a critical thickness that does not cause three-dimensional growth; and a single atom formed on the second semiconductor buffer layer A third semiconductor buffer layer having a film thickness that causes layer planarization, and a critical film thickness that is formed on the third semiconductor buffer layer, has a lattice constant different from that of the third semiconductor buffer layer, and causes three-dimensional growth. The gist of the present invention is to have a quantum dot layer formed by laminating the film thicknesses.
また、本発明の半導体量子ドット素子の製造方法は、結晶成長により、半導体基板上に積層して第1の半導体バッファ層を形成する工程と、結晶成長により、第1の半導体バッファ層との間に格子不整合による3次元成長が生じない臨界膜厚以下の膜厚で第1の半導体バッファ層上に積層して第2の半導体バッファ層を形成する工程と、第2の半導体バッファ層の表面をアニールするアニール工程と、アニール工程後、結晶成長により、第2の半導体バッファ層上に第3の半導体バッファ層を形成する工程と、結晶成長により、第2の半導体バッファ層との間に格子不整合による3次元成長が生じる臨界膜厚以上の膜厚で前記第3の半導体バッファ層上に積層して量子ドット層を形成する工程とを有することを要旨する。 The method for manufacturing a semiconductor quantum dot device according to the present invention includes a step of forming a first semiconductor buffer layer by stacking on a semiconductor substrate by crystal growth, and a step of forming the first semiconductor buffer layer by crystal growth. Forming a second semiconductor buffer layer by stacking on the first semiconductor buffer layer with a film thickness equal to or less than a critical film thickness that does not cause a three-dimensional growth due to lattice mismatch, and a surface of the second semiconductor buffer layer and annealing step of annealing, after annealing, the crystal growth, a step of forming a third semiconductor buffer layer on the second semiconductor buffer layer by crystal growth, lattice between the second semiconductor buffer layer And a step of forming a quantum dot layer by stacking on the third semiconductor buffer layer with a film thickness equal to or greater than a critical film thickness at which three-dimensional growth due to mismatching occurs.
本発明によれば、量子ドット層の下に、第2の半導体バッファ層と第3の半導体バッファ層で構成される結合歪バッファ層を設けることで単原子層平坦化させることができるので、第3の半導体バッファ層上の2次元面内方向の様々な方向に広がるステップを密に形成することができる。これにより量子ドットを2次元面内に均一、且つ高密度に結晶成長させることができる。また、量子ドットを均一に成長させることが可能となるから隣接する量子ドットが重合する確率が低下し、ドットの巨大化を抑制できる。更に、量子ドットを成長させる環境がどの領域でも同品質化されるので量子ドットの大きさを均一化させることができる。 According to the present invention, the monoatomic layer can be planarized by providing the coupling strain buffer layer composed of the second semiconductor buffer layer and the third semiconductor buffer layer below the quantum dot layer. Steps extending in various directions in the two-dimensional in-plane direction on the three semiconductor buffer layers can be formed densely. Thereby, the quantum dots can be crystal-grown uniformly and densely in the two-dimensional plane. In addition, since the quantum dots can be grown uniformly, the probability that adjacent quantum dots are polymerized is reduced, and the enlargement of the dots can be suppressed. Furthermore, since the quality of the environment in which quantum dots are grown is the same in any region, the size of the quantum dots can be made uniform.
従って本発明によれば、量子ドット層の下に、第2の半導体バッファ層と第3の半導体バッファ層で構成される結合歪バッファ層を設けることで、第3の半導体バッファ層の2次元面内方向にステップを密に形成することができるので、量子ドットを高均一、且つ高密度に形成することができる。その結果、量子ドットのフォトルミネッセンス半値幅を極限まで狭めた半導体量子ドット素子の製造方法を提供することができる。 Therefore, according to the present invention, a two-dimensional surface of the third semiconductor buffer layer is provided by providing a coupled strain buffer layer composed of the second semiconductor buffer layer and the third semiconductor buffer layer under the quantum dot layer. Since the steps can be densely formed in the inward direction, the quantum dots can be formed with high uniformity and high density. As a result, it is possible to provide a method of manufacturing a semiconductor quantum dot device narrowed photoluminescence FWHM of the quantum dots to the limit.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態に係る半導体量子ドット素子の断面構成図である。 FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram of a semiconductor quantum dot device according to an embodiment of the present invention.
図1に示すように、本実施の形態に係る半導体量子ドット素子は、第1の半導体バッファ層10上に、第2の半導体バッファ層20と第3の半導体バッファ層30とが連続積層されてなる結合歪バッファ層60が形成されており、この結合歪バッファ層60上に量子ドット層40が形成されている。そして量子ドット層40を埋め込むように埋込層50が設けられている。 As shown in FIG. 1, in the semiconductor quantum dot device according to the present embodiment, a second semiconductor buffer layer 20 and a third semiconductor buffer layer 30 are continuously stacked on a first semiconductor buffer layer 10. The coupled strain buffer layer 60 is formed, and the quantum dot layer 40 is formed on the coupled strain buffer layer 60. An embedded layer 50 is provided so as to embed the quantum dot layer 40.
ここで、本実施の形態の半導体量子ドット素子の特徴のひとつは、半導体基板上に形成された第1の半導体バッファ層10上に、第1の半導体バッファ層10より大きい格子定数を有する化合物半導体を結晶成長させて第2の半導体バッファ層20を形成し、第2の半導体バッファ層20上に歪を形成させると共に、第2の半導体バッファ層20の膜厚を化合物半導体が3次元成長を生じない臨界膜厚以下で成長させることで、第2の半導体バッファ層20の表面上に欠陥が無く、歪のみが形成された表面層を形成する。 Here, one of the features of the semiconductor quantum dot device of the present embodiment is a compound semiconductor having a lattice constant larger than that of the first semiconductor buffer layer 10 on the first semiconductor buffer layer 10 formed on the semiconductor substrate. The second semiconductor buffer layer 20 is formed by crystal growth, strain is formed on the second semiconductor buffer layer 20, and the thickness of the second semiconductor buffer layer 20 is increased by three-dimensional growth of the compound semiconductor. By growing at a critical thickness or less, a surface layer having no defects and only strain is formed on the surface of the second semiconductor buffer layer 20.
また、歪みが形成された第2の半導体バッファ層20上に化合物半導体を結晶成長させて第3の半導体バッファ層30を形成し、第2の半導体バッファ層20上の歪を第3の半導体バッファ層30の表面に継承させつつ、第3の半導体バッファ層30の2次元面内に単原子層のステップを形成する。 Further, a compound semiconductor is crystal-grown on the second semiconductor buffer layer 20 in which strain is formed to form a third semiconductor buffer layer 30, and the strain on the second semiconductor buffer layer 20 is reduced to the third semiconductor buffer layer 20. A monoatomic layer step is formed in the two-dimensional plane of the third semiconductor buffer layer 30 while inheriting the surface of the layer 30.
ここで第1の半導体バッファ層10は、半導体基板(図示せず)上に結晶成長により形成される層である。結晶成長材料は、III−V族化合物半導体が好ましく、具体的にはGaAsが望ましい。尚、GaAsに限らず、GaAsに微量のInやAlを化合したInAlAs、InAlGaAsでもよい。 Here, the first semiconductor buffer layer 10 is a layer formed by crystal growth on a semiconductor substrate (not shown). The crystal growth material is preferably a group III-V compound semiconductor, specifically GaAs. In addition to GaAs, InAlAs or InAlGaAs in which a small amount of In or Al is combined with GaAs may be used.
一方、結合歪バッファ層60のうち第2の半導体バッファ層20は、第1の半導体バッファ層10の上に結晶成長により形成される層である。結晶成長材料は、In元素を含むIII−V族化合物半導体が好ましく、具体的にはInxGa1-xAsが望ましい。しかしInGaAsに限らず、InGaAlAs等の4元混晶半導体であってもよい。 On the other hand, the second semiconductor buffer layer 20 in the coupled strain buffer layer 60 is a layer formed on the first semiconductor buffer layer 10 by crystal growth. The crystal growth material is preferably a III-V group compound semiconductor containing In element, specifically InxGa1-xAs. However, it is not limited to InGaAs but may be a quaternary mixed crystal semiconductor such as InGaAlAs.
ここで第2の半導体バッファ層20は、格子不整合により歪を生じ、結晶品質を損なわず、且つ3次元成長を生じない臨界膜厚以下で結晶成長される必要がある。In元素を含むIII−V族化合物半導体を結晶成長させるためには、少なくともGaAsとInAsの格子不整合度(約7%)より小さく、望ましくは0より大きく2.1%以下である。 Here, the second semiconductor buffer layer 20 needs to be crystal-grown at a critical film thickness or less that causes distortion due to lattice mismatch, does not impair crystal quality, and does not cause three-dimensional growth. In order to grow a III-V compound semiconductor containing In element, the lattice mismatch between GaAs and InAs (approximately 7%) is at least smaller, preferably greater than 0 and less than 2.1%.
例えばInxGa1-xAsで第2の半導体バッファ層20を形成した場合、組成xが0<x≦0.3の範囲内にあるとき結晶品質は損なわれない。そこで、この組成範囲を格子不整合度に換算すると、GaAsとInAsの格子不整合度が約7%であることから、この値に組成xを乗算することで結晶品質が損なわれない程度の格子不整合度が得られる。つまり具体的には、組成x=0.12(In0.12Ga0.88As)のとき格子不整合度は約1%となり(7%×0.12=0.84%)、同様に組成x=0.3(In0.3Ga0.7As)のとき格子不整合度は約2.1%となることから求められる。 For example, when the second semiconductor buffer layer 20 is formed of InxGa1-xAs, the crystal quality is not impaired when the composition x is in the range of 0 <x ≦ 0.3. Therefore, when this composition range is converted into the degree of lattice mismatch, the degree of lattice mismatch between GaAs and InAs is about 7%. Therefore, by multiplying this value by the composition x, the crystal quality is not impaired. Inconsistency is obtained. Specifically, when the composition x = 0.12 (In 0.12 Ga 0.88 As), the degree of lattice mismatch becomes about 1% (7% × 0.12 = 0.84%), and similarly the composition x = 0. .3 (In 0.3 Ga 0.7 As), the degree of lattice mismatch is about 2.1%.
また、このような第2の半導体バッファ層20は、格子不整合の作用から、ある膜厚以上の結晶成長を続けると表面に3次元成長が生じる(又は欠陥が導入される)。組成xと膜厚の関係は、組成xの変化に応じて変化するものであるが、上記組成範囲(0<x≦0.3)内においては、膜厚d1が0<d1≦10nmの範囲内にあるとき結晶品質を損なわず、且つ3次元成長を生じない範囲で結晶成長させることができる。 In addition, the second semiconductor buffer layer 20 has a three-dimensional growth (or a defect is introduced) on the surface when crystal growth of a certain film thickness or more is continued due to the effect of lattice mismatch. The relationship between the composition x and the film thickness changes according to the change of the composition x, but within the composition range (0 <x ≦ 0.3), the film thickness d1 is in the range of 0 <d1 ≦ 10 nm. The crystal can be grown as long as the crystal quality is not deteriorated and the three-dimensional growth does not occur.
尚ここで、「3次元成長」とは、結晶間の格子定数差により生じる現象であり、2次元的な層成長が起きた後、3次元的な島状成長が起きることをいう。従って「3次元成長が生じない臨界膜厚以下」とは、欠陥が導入されず、且つ島状の3次元成長が生じる手前の臨界膜厚を含むそれ以下の膜厚を意味している。 Here, “three-dimensional growth” is a phenomenon caused by a difference in lattice constant between crystals, and means that three-dimensional island growth occurs after two-dimensional layer growth occurs. Therefore, “below the critical film thickness at which three-dimensional growth does not occur” means a film thickness below that including the critical film thickness before defects are not introduced and island-like three-dimensional growth occurs.
結合歪バッファ層のうち第3の半導体バッファ層30は、第2の半導体バッファ層20上に結晶成長により形成される層である。結晶成長材料は、III−V族化合物半導体が好ましく、具体的にはGaAsが望ましい。また、GaAsの積層膜厚d2は、数原子層(数モノレイヤー:ML)から数nmであり、具体的には0<d2≦10nmが望ましい。 Of the coupled strain buffer layer, the third semiconductor buffer layer 30 is a layer formed on the second semiconductor buffer layer 20 by crystal growth. The crystal growth material is preferably a group III-V compound semiconductor, specifically GaAs. Further, the laminated film thickness d2 of GaAs is several atomic layers (several monolayers: ML) to several nm, and specifically, 0 <d2 ≦ 10 nm is desirable.
また、この第3の半導体バッファ層30は、第2の半導体バッファ層20をアニールした場合にできるInの不均一な表面偏析分布を軽減する効果を有する。これにより単原子層のステップがほぼ均一に存在する平坦表面とすることができる。またこれにより、第1の半導体バッファ層10に直接量子ドット層を成長する場合よりも均一性と密度が、第3の半導体バッファ層30の膜厚d2のゼロから数nmの範囲内で変化する。しかし第3の半導体バッファ層30の膜厚d2が、数nmを越えると直接第1の半導体バッファ層10上にドットを成長した時と同じ状態となる。つまり結合歪バッファ層60の効果が消失するため、第3の半導体バッファの膜厚d2は、ゼロから直接第1の半導体バッファ層10上にドットを形成した際の均一性及び密度が同等になるまでの範囲である必要がある。すなわち0<d2≦10nmとなる。尚、ここで「単原子層平坦化」とは、原子レベルで平坦化することをいい、換言すれば、単原子層ステップの高低差が1原子で、ほぼ平坦面であることをいう。 Further, the third semiconductor buffer layer 30 has an effect of reducing the uneven surface segregation distribution of In that is generated when the second semiconductor buffer layer 20 is annealed. Thereby, it is possible to obtain a flat surface on which steps of the monoatomic layer exist almost uniformly. This also causes the uniformity and density to vary within the range from zero to several nm of the film thickness d2 of the third semiconductor buffer layer 30 as compared with the case where the quantum dot layer is directly grown on the first semiconductor buffer layer 10. . However, when the film thickness d2 of the third semiconductor buffer layer 30 exceeds several nm, the same state as when the dots are grown directly on the first semiconductor buffer layer 10 is obtained. That is, since the effect of the coupled strain buffer layer 60 disappears, the film thickness d2 of the third semiconductor buffer has the same uniformity and density when dots are formed directly on the first semiconductor buffer layer 10 from zero. Must be in the range. That is, 0 <d2 ≦ 10 nm. Here, “monoatomic layer flattening” means flattening at the atomic level, in other words, a monoatomic layer step height difference is one atom, which means that the surface is substantially flat.
量子ドット層40は、第3の半導体バッファ層30上に結晶成長により形成される層である。結晶成長材料は、III−V族化合物半導体が好ましく、具体的にはInAsが挙げられる。結晶成長材料はこれに限らず、微量のGaを含む3元混晶半導体であってもよい。このとき結晶成長材料は、第3の半導体バッファ層上で3次元成長を生じるように、第3の半導体バッファ層との格子不整合度が大きいことが望ましい。これにより量子ドット層40は、格子不整合の作用を利用して、ある膜厚以上の結晶成長を続けることによりドットを3次元成長させて形成される。 The quantum dot layer 40 is a layer formed by crystal growth on the third semiconductor buffer layer 30. The crystal growth material is preferably a III-V compound semiconductor, and specifically includes InAs. The crystal growth material is not limited to this, and may be a ternary mixed crystal semiconductor containing a small amount of Ga. At this time, it is desirable that the crystal growth material has a large degree of lattice mismatch with the third semiconductor buffer layer so that three-dimensional growth occurs on the third semiconductor buffer layer. Thereby, the quantum dot layer 40 is formed by growing the dots three-dimensionally by continuing the crystal growth of a certain film thickness or more using the effect of lattice mismatch.
埋込層50は、量子ドット層40の上に結晶成長により形成される層である。結晶成長材料は、III−V族化合物半導体が好ましく、具体的にはGaAsが望ましい。尚、GaAsに限らず、GaAsに微量のInを化合したInGaAsや、InGaAsを積層した後にGaAsを積層しても良く、その積層形態は特に限定しない。尚、ここでトリエチルガリウム(triethylgallium:TEG)を適用することで低温成長が可能となるので、量子ドットを変形させず高品質のドットを形成することができる。 The buried layer 50 is a layer formed on the quantum dot layer 40 by crystal growth. The crystal growth material is preferably a group III-V compound semiconductor, specifically GaAs. Not only GaAs but also InGaAs obtained by combining a small amount of In with GaAs, or GaAs may be laminated after laminating InGaAs, and the lamination form is not particularly limited. In addition, since low temperature growth is attained by applying triethylgallium (TEG) here, high quality dots can be formed without deforming the quantum dots.
上記構成の半導体量子ドット素子によれば、量子ドット層の下に、第2の半導体バッファ層と第3の半導体バッファ層で構成される結合歪バッファ層を設けることで単原子層平坦化させることができるので、第3の半導体バッファ層の2次元面内の様々な方向にステップを密に形成することができる。これにより量子ドットを2次元面内に均一且つ高密度に結晶成長させることができる。また、量子ドットを均一に成長させることが可能となるから隣接する量子ドットが重合する確率が低下し、ドットの巨大化を抑制できる。更に、量子ドットを成長させる環境がどの領域でも同品質化されるので量子ドットの大きさを均一化させることができる。 According to the semiconductor quantum dot device having the above configuration, the monoatomic layer can be planarized by providing a bonding strain buffer layer composed of the second semiconductor buffer layer and the third semiconductor buffer layer below the quantum dot layer. Therefore, steps can be densely formed in various directions within the two-dimensional plane of the third semiconductor buffer layer. Thereby, quantum dots can be crystal-grown uniformly and with high density in a two-dimensional plane. In addition, since the quantum dots can be grown uniformly, the probability that adjacent quantum dots are polymerized is reduced, and the enlargement of the dots can be suppressed. Furthermore, since the quality of the environment in which quantum dots are grown is the same in any region, the size of the quantum dots can be made uniform.
尚、本実施の形態においては、量子ドット層は1層としたが、層数はこれに限らず、例えば量子ドット層は多層構造としてもよい。この場合、埋込層50の上に、結合歪バッファ層(第2及び第3の半導体バッファ層)を形成し、その上に量子ドット層を自己組織化により結晶成長させればよい。 In the present embodiment, the number of quantum dot layers is one, but the number of layers is not limited to this. For example, the quantum dot layers may have a multilayer structure. In this case, a coupled strain buffer layer (second and third semiconductor buffer layers) may be formed on the buried layer 50, and a quantum dot layer may be crystal-grown thereon by self-organization.
(製造方法)
次に、図2を参照して、本発明の実施形態に係る半導体量子ドット素子の製造方法を説明する。本実施の形態では、第1の半導体バッファ層10にはGaAs、第2の半導体バッファ層20にはIn0.12Ga0.88As、第3の半導体バッファ層30にはGaAsを用いた。また、結晶成長法に、有機金属気相成長法(MOCVD法)を用いた。
(Production method)
Next, with reference to FIG. 2, the manufacturing method of the semiconductor quantum dot element which concerns on embodiment of this invention is demonstrated. In the present embodiment, GaAs is used for the first semiconductor buffer layer 10, In 0.12 Ga 0.88 As is used for the second semiconductor buffer layer 20, and GaAs is used for the third semiconductor buffer layer 30. In addition, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method) was used as the crystal growth method.
先ず、図2(a)に示すように、半導体基板としてGaAs(001)基板を用意し、この基板温度を700℃に設定してGaAsを250nmの厚さまで成長させ、第1の半導体バッファ層11を形成する。ここでIII族の元素の原料としてトリメチルガリウム(TMG)を用い、V族の元素の原料としてターシャルブチルアルシン(TBA)を用いる。 First, as shown in FIG. 2A, a GaAs (001) substrate is prepared as a semiconductor substrate, the substrate temperature is set to 700 ° C., GaAs is grown to a thickness of 250 nm, and the first semiconductor buffer layer 11 is grown. Form. Here, trimethylgallium (TMG) is used as the raw material for the group III element, and tertiary butylarsine (TBA) is used as the raw material for the group V element.
続いて、図2(b)に示すように、V族の原料は変えずにIII族の元素の原料にトリメチルインジウム(TMI)を更に加える。そして基板温度を500℃まで下げて、第1の半導体バッファ層11の上にIn0.12Ga0.88Asを5nmの厚さまで成長させ、第2の半導体バッファ層21を形成する。In0.12Ga0.88Asは、GaAsとの間の格子不整合度が約1%であるため、成長膜厚が5nmを越す付近で表面に歪みが生じる。 Subsequently, as shown in FIG. 2B, trimethylindium (TMI) is further added to the group III element source without changing the group V source. Then, the substrate temperature is lowered to 500 ° C., In 0.12 Ga 0.88 As is grown on the first semiconductor buffer layer 11 to a thickness of 5 nm, and the second semiconductor buffer layer 21 is formed. Since In 0.12 Ga 0.88 As has a lattice mismatch with GaAs of about 1%, distortion occurs on the surface in the vicinity where the growth film thickness exceeds 5 nm.
そして図2(c)に示すように、TMIの供給を停止し、基板温度を600℃まで上げて(このとき600℃に上げるのに450秒間を有し、この間試料はアニール状態となる)。そして第2の半導体バッファ層21の上にGaAsを2nmの厚さまで成長させて第3の半導体バッファ層31を形成する。 Then, as shown in FIG. 2C, the supply of TMI is stopped, and the substrate temperature is raised to 600 ° C. (At this time, it takes 450 seconds to raise the temperature to 600 ° C., during which the sample is in an annealed state). Then, the third semiconductor buffer layer 31 is formed by growing GaAs on the second semiconductor buffer layer 21 to a thickness of 2 nm.
次いで図2(d)に示すように、TMGの供給を停止し再びTMIを供給する。そして基板温度を500℃に下げて、第3の半導体バッファ層31の上にInAsを成長させ、量子ドット層41を形成する。InAsは、GaAsとの間の格子不整合度が約7%であるため、成長膜厚が0.57nmを越す付近で3次元成長を生じ、InAs量子ドットが自己組織化により形成される。 Next, as shown in FIG. 2D, the supply of TMG is stopped and TMI is supplied again. Then, the substrate temperature is lowered to 500 ° C., InAs is grown on the third semiconductor buffer layer 31, and the quantum dot layer 41 is formed. Since InAs has a degree of lattice mismatch with GaAs of about 7%, three-dimensional growth occurs in the vicinity of the growth film thickness exceeding 0.57 nm, and InAs quantum dots are formed by self-organization.
そして最後に図2(e)に示すように、III族の元素の原料をトリエチルガリウム(TEG)に切り替えて、基板温度を500℃に維持した状態で量子ドット層41の上にGaAsを100nmの厚さまで成長させ、埋込層51を形成する。 Finally, as shown in FIG. 2E, the raw material of the group III element is switched to triethylgallium (TEG), and the substrate temperature is maintained at 500 ° C., and GaAs is deposited on the quantum dot layer 41 to a thickness of 100 nm. The buried layer 51 is formed by growing to a thickness.
以上の製造方法によれば、量子ドット層41の下に、第2の半導体バッファ層21と、第3の半導体バッファ層31で構成される結合歪バッファ層を設けることで、第2の半導体バッファ層21の表面に形成された歪みを第3の半導体バッファ層31に継承させつつ単一原子層平坦化することができるので、第3の半導体バッファ層31の2次元面内の様々な方向に広がるステップを形成することができる。その結果、量子ドットを2次元方向に高均一化させることができると同時に、高密度化させることができる。 According to the above manufacturing method, by providing the coupled strain buffer layer including the second semiconductor buffer layer 21 and the third semiconductor buffer layer 31 below the quantum dot layer 41, the second semiconductor buffer Since the single atomic layer can be planarized while the strain formed on the surface of the layer 21 is inherited by the third semiconductor buffer layer 31, it can be applied in various directions within the two-dimensional plane of the third semiconductor buffer layer 31. A spreading step can be formed. As a result, the quantum dots can be made highly uniform in the two-dimensional direction, and at the same time, the density can be increased.
また、埋込層51にTEGを用いることで、従来と比較して結晶成長が良くなると共に、波長1.3μmの発光波長の制御が可能になる。 Further, by using TEG for the buried layer 51, the crystal growth is improved as compared with the conventional case, and the emission wavelength of 1.3 μm can be controlled.
また更に、基板温度を500℃から600℃まで450秒かけて上昇させることで、第2の半導体バッファ層21上に形成されたステップをより2次元的に平坦化することができる。 Furthermore, by raising the substrate temperature from 500 ° C. to 600 ° C. over 450 seconds, the steps formed on the second semiconductor buffer layer 21 can be planarized more two-dimensionally.
また、第3の半導体バッファ層(GaAs)31は、第2の半導体バッファ層(InGaAs)21をアニールした場合にできるInの不均一な表面偏析分布を軽減することができる。その結果、単原子層からなる第3の半導体バッファ層の表面がより原子的に均一な平坦表面となる。 Further, the third semiconductor buffer layer (GaAs) 31 can reduce the uneven surface segregation distribution of In that is generated when the second semiconductor buffer layer (InGaAs) 21 is annealed. As a result, the surface of the third semiconductor buffer layer made of a monoatomic layer becomes a more atomically flat surface.
尚、第2の半導体バッファ層21の膜厚d1は、InxGa1-xAsの組成xと相関関係があることから、組成が0<x≦0.3の範囲内にあるとき膜厚d1を0<d1≦10nmの範囲内で膜厚変化させても結晶性を損なわない結晶成長が可能である。また第3の半導体バッファ層31の膜厚d2も、膜厚2nmに限らず、0<d2≦10nmの範囲内であれば第2の半導体バッファ層21の歪みを消失させることなく原子的に均一な平坦表面を形成することができる。またアニール温度は600℃に限らず、500℃から700℃の間であればInの不均一な表面偏析分布を軽減させることができる。 Since the film thickness d1 of the second semiconductor buffer layer 21 has a correlation with the composition x of InxGa1-xAs, the film thickness d1 is set to 0 <when the composition is in the range of 0 <x ≦ 0.3. Even if the film thickness is changed within the range of d1 ≦ 10 nm, crystal growth without impairing crystallinity is possible. Further, the film thickness d2 of the third semiconductor buffer layer 31 is not limited to 2 nm, and if it is within the range of 0 <d2 ≦ 10 nm, it is atomically uniform without erasing the distortion of the second semiconductor buffer layer 21. A flat surface can be formed. Further, the annealing temperature is not limited to 600 ° C., and if it is between 500 ° C. and 700 ° C., the uneven surface segregation distribution of In can be reduced.
次に、図3〜図6を参照して、図2で示した製造工程で形成された各層表面の状態を説明する。各層表面は、原子間力顕微鏡(atomic force microscope:AFM、Nanoscope IIIa)を用いて測定した。以下、原子間力顕微鏡で撮影した像をAFM像と呼ぶ。 Next, the state of the surface of each layer formed in the manufacturing process shown in FIG. 2 will be described with reference to FIGS. The surface of each layer was measured using an atomic force microscope (AFM, Nanoscope IIIa). Hereinafter, an image taken with an atomic force microscope is referred to as an AFM image.
図3は、図2(a)の工程で作製した第1の半導体バッファ層11の層表面11aを撮影したAFM像である。この第1の半導体バッファ層は、GaAsによって形成されている。このようにGaAsを結晶成長させると層表面11aに1次元方向に波形を有するステップバンチングが発生する。 FIG. 3 is an AFM image obtained by photographing the layer surface 11a of the first semiconductor buffer layer 11 produced in the process of FIG. The first semiconductor buffer layer is made of GaAs. When GaAs is grown in this manner, step bunching having a waveform in a one-dimensional direction is generated on the layer surface 11a.
図4は、図2(b)の工程で作製した第2の半導体バッファ層21の層表面21aを撮影したAFM像である。この第2の半導体バッファ層21は、第1の半導体バッファ層11と異なる格子定数を有するInGaAsによって形成されている。そのため第2の半導体バッファ層表面21aの上にInに起因した斑点状の島ができる。 FIG. 4 is an AFM image obtained by photographing the layer surface 21a of the second semiconductor buffer layer 21 manufactured in the step of FIG. The second semiconductor buffer layer 21 is made of InGaAs having a lattice constant different from that of the first semiconductor buffer layer 11. Therefore, a spot-like island caused by In is formed on the second semiconductor buffer layer surface 21a.
図5は、第2の半導体バッファ層表面21aを600℃でアニールした場合のAFM像である。第2の半導体バッファ層21をアニールすることにより、Inが表面に偏析して表面が緩和される。(しかしこのままでは、まだ大きな島の境界線に起因した形でドットが形成される)。 FIG. 5 is an AFM image when the second semiconductor buffer layer surface 21a is annealed at 600 ° C. FIG. By annealing the second semiconductor buffer layer 21, In is segregated on the surface and the surface is relaxed. (But if you keep it, dots are still formed due to the boundaries of the large island.)
図6は、図2(c)の工程で作製した第3の半導体バッファ層31の層表面31aを撮影したAFM像である。この第3の半導体バッファ層31はGaAsによって形成されている。このとき結晶成長させる膜厚を0<d2≦10nmとすることで、歪が緩和され、結果としてステップが2次元面内の様々な方向に均一に存在する単原子平坦表面へと変化する。このステップとステップの間隔は数十nmから数百nmであり、平坦なステップ上に形成される島(斑若しくは円盤に近い)の大きさは、150nm〜500nm程度である。 FIG. 6 is an AFM image obtained by photographing the layer surface 31a of the third semiconductor buffer layer 31 manufactured in the step of FIG. The third semiconductor buffer layer 31 is made of GaAs. At this time, by setting the film thickness for crystal growth to 0 <d2 ≦ 10 nm, the strain is relieved, and as a result, the step changes to a monoatomic flat surface uniformly existing in various directions in the two-dimensional plane. The interval between the steps is several tens nm to several hundreds nm, and the size of the island (spots or spots close to a disk) formed on the flat step is about 150 nm to 500 nm.
次に、図7,8を参照して、図3に示した層表面11a上に形成された量子ドットのサイズ分布を示す。 Next, the size distribution of the quantum dots formed on the layer surface 11a shown in FIG. 3 is shown with reference to FIGS.
図7は、図3に示した層表面11a上に直接量子ドットを成長させた場合のAFM像である。同図に示すように第1の半導体バッファ層11の層表面11aは、1次元方向に波状のステップバンチングが形成されているので、量子ドットもこのステップバンチングに依存して1次元方向に形成されている。また、形成された量子ドットのサイズに不均一性がみられる。 FIG. 7 is an AFM image when quantum dots are directly grown on the layer surface 11a shown in FIG. As shown in the figure, since the layer surface 11a of the first semiconductor buffer layer 11 has wavy step bunching formed in the one-dimensional direction, quantum dots are also formed in the one-dimensional direction depending on the step bunching. ing. In addition, nonuniformity is observed in the size of the formed quantum dots.
図8は、横軸を量子ドットの高さ、縦軸を量子ドットの数とした場合の分布図である。ここでドット数はAFM像を画像処理して計数した。分布図から読み取れるように、高さ2nm〜13nmを有する量子ドットが、数個から数十個、それぞれ形成されていた。このときの密度は1.49×1010cm-2であり、量子ドットの平均の高さhは9.3nm、平均の幅dは31.9nmであった。 FIG. 8 is a distribution diagram in which the horizontal axis represents the height of the quantum dots and the vertical axis represents the number of quantum dots. Here, the number of dots was counted by image processing of the AFM image. As can be seen from the distribution diagram, several to several tens of quantum dots having a height of 2 nm to 13 nm were formed. The density at this time was 1.49 × 10 10 cm −2 , the average height h of the quantum dots was 9.3 nm, and the average width d was 31.9 nm.
一方、図9は、図6に示した層表面31a上に形成された量子ドットのAFM像である。同図に示すように層表面31aは、2次元面内方向にステップが形成されているので、量子ドットもこのステップに依存して2次元面内方向に均一に広がって形成されている。また同像より、形成された量子ドットのサイズがほぼ均一であることが観察できる。 On the other hand, FIG. 9 is an AFM image of the quantum dots formed on the layer surface 31a shown in FIG. As shown in the figure, since the layer surface 31a has steps formed in the two-dimensional in-plane direction, the quantum dots are also formed to spread uniformly in the two-dimensional in-plane direction depending on this step. From the same image, it can be observed that the size of the formed quantum dots is almost uniform.
ここで上記と同様に、図9のAFM像を画像処理してドット数を計数した。ドットの分布図を図10に示す。この分布図から読み取れるように、高さ10nm程度を有する量子ドットが全体の80%を占めていた。尚、このときの密度は1.74×1010cm-2であり、量子ドットの平均の高さhは9.7nm、平均の幅dは39.0nmであった。 Here, in the same manner as described above, the number of dots was counted by image processing of the AFM image of FIG. A distribution map of dots is shown in FIG. As can be seen from this distribution map, quantum dots having a height of about 10 nm accounted for 80% of the total. The density at this time was 1.74 × 10 10 cm −2 , the average height h of the quantum dots was 9.7 nm, and the average width d was 39.0 nm.
以上のように、結合歪バッファ層60を挿入して作製したInAs量子ドットは、量子ドット密度が、従来の1.49×1010cm-2より16.8%高い、1.74×1010cm-2に増加した。 As described above, the InAs quantum dots prepared by inserting a coupling strain buffer layer 60, the quantum dot density is 16.8% higher than the conventional 1.49 × 10 10 cm -2, 1.74 × 10 10 increased to cm -2 .
また、本実施の形態に係る半導体量子ドット素子のフォトルミネッセンス半値幅と、従来技術(図11)で作製したフォトルミネッセンス半値幅を測定した結果、従来のInAs量子ドットが、26meVであったのに比べ、本実施の形態のInAs量子ドットは、20.5meVと減少して、高均一化の効果が現れた。 Moreover, as a result of measuring the photoluminescence half width of the semiconductor quantum dot device according to the present embodiment and the photoluminescence half width produced by the conventional technique (FIG. 11), the conventional InAs quantum dot was 26 meV. In comparison, the InAs quantum dots of the present embodiment decreased to 20.5 meV, and the effect of high uniformity appeared.
従って、第1の半導体バッファ層(例えばGaAs)11上に、第1の半導体バッファ層(例えばGaAs)11と格子不整合により歪を生じる第2の半導体バッファ層(例えばInGaAs)21を0<d1≦10nmの範囲内で結晶成長させ、第2の半導体バッファ層21を所定時間アニール後、第2の半導体バッファ層21の歪を緩和し、且つ単原子層平坦面を形成する第3の半導体バッファ層(GaAs)31を0<d2≦10nmの範囲内で結晶成長させることで、第3の半導体バッファ層31の2次元面内方向に一様に広がる単原子層のステップを形成することができるので、量子ドット(InAs)を高均一、且つ高密度に結晶成長させることができる。その結果、量子ドットの成長環境を均一化することができるのでフォトルミネッセンス半値幅を極限まで狭めることができる。 Accordingly, the second semiconductor buffer layer (for example, InGaAs) 21 that generates strain due to lattice mismatch with the first semiconductor buffer layer (for example, GaAs) 11 is formed on the first semiconductor buffer layer (for example, GaAs) 11 with 0 <d1. A third semiconductor buffer in which a crystal is grown within a range of ≦ 10 nm, the second semiconductor buffer layer 21 is annealed for a predetermined time, the strain of the second semiconductor buffer layer 21 is relaxed, and a monoatomic layer flat surface is formed. By growing the layer (GaAs) 31 in the range of 0 <d2 ≦ 10 nm, a step of a monoatomic layer that uniformly spreads in the two-dimensional in-plane direction of the third semiconductor buffer layer 31 can be formed. Therefore, quantum dots (InAs) can be crystal-grown with high uniformity and high density. As a result, the growth environment of the quantum dots can be made uniform, so that the photoluminescence half width can be narrowed to the limit.
10、11…第1の半導体バッファ層
20、21…第2の半導体バッファ層
30、31…第3の半導体バッファ層
40、41…量子ドット層
50、51…埋込層
60…結合歪バッファ層
110…半導体バッファ層
120…量子ドット層
130…埋込層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 11 ... 1st semiconductor buffer layer 20, 21 ... 2nd semiconductor buffer layer 30, 31 ... 3rd semiconductor buffer layer 40, 41 ... Quantum dot layer 50, 51 ... Embedded layer 60 ... Coupling distortion buffer layer DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 ... Semiconductor buffer layer 120 ... Quantum dot layer 130 ... Embedded layer
Claims (10)
結晶成長により、前記第1の半導体バッファ層との間に格子不整合による3次元成長が生じない臨界膜厚以下の膜厚で前記第1の半導体バッファ層上に積層して第2の半導体バッファ層を形成する工程と、
前記第2の半導体バッファ層の表面をアニールするアニール工程と、
前記アニール工程後、結晶成長により、前記第2の半導体バッファ層上に第3の半導体バッファ層を形成する工程と、
結晶成長により、前記第3の半導体バッファ層との間に格子不整合による3次元成長が生じる臨界膜厚以上の膜厚で前記第3の半導体バッファ層上に積層して量子ドット層を形成する工程とを有することを特徴する半導体量子ドット素子の製造方法。 Forming a first semiconductor buffer layer by stacking on a semiconductor substrate by crystal growth;
A second semiconductor buffer is formed by stacking on the first semiconductor buffer layer with a film thickness equal to or less than a critical film thickness that does not cause three-dimensional growth due to lattice mismatch between the first semiconductor buffer layer and the first semiconductor buffer layer. Forming a layer;
An annealing step of annealing the surface of the second semiconductor buffer layer ;
After the annealing step, the crystal growth, a step of forming a third semiconductor buffer layer on the second semiconductor buffer layer,
A quantum dot layer is formed on the third semiconductor buffer layer by crystal growth so as to have a thickness greater than or equal to a critical thickness at which three-dimensional growth due to lattice mismatch occurs between the third semiconductor buffer layer and the third semiconductor buffer layer. A process for producing a semiconductor quantum dot device.
InxGa1-xAsの化合物半導体によって形成され、組成xが、0<x≦0.3の範囲内にあるとき膜厚d1を0<d1≦10nmの範囲内とすることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体量子ドット素子の製造方法。 The second semiconductor buffer layer includes:
InxGa1-xAs is a formed by a compound semiconductor, the composition x is 0 <to claim 1, characterized in that the thickness d1 in the range of 0 <d1 ≦ 10 nm when in the range of x ≦ 0.3 6. The method for producing a semiconductor quantum dot device according to any one of 5 above.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003304978A JP3692407B2 (en) | 2003-08-28 | 2003-08-28 | Manufacturing method of semiconductor quantum dot device |
PCT/JP2004/012355 WO2005022640A1 (en) | 2003-08-28 | 2004-08-27 | Semiconductor quantum dot device and its production method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003304978A JP3692407B2 (en) | 2003-08-28 | 2003-08-28 | Manufacturing method of semiconductor quantum dot device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005079182A JP2005079182A (en) | 2005-03-24 |
JP3692407B2 true JP3692407B2 (en) | 2005-09-07 |
Family
ID=34269285
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003304978A Expired - Lifetime JP3692407B2 (en) | 2003-08-28 | 2003-08-28 | Manufacturing method of semiconductor quantum dot device |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3692407B2 (en) |
WO (1) | WO2005022640A1 (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4972995B2 (en) * | 2006-05-17 | 2012-07-11 | 富士通株式会社 | Quantum dot semiconductor device |
JPWO2011010389A1 (en) * | 2009-07-24 | 2012-12-27 | パイオニア株式会社 | Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device |
TWI442455B (en) * | 2010-03-29 | 2014-06-21 | Soitec Silicon On Insulator | III-V semiconductor structure and method of forming same |
GB2480265B (en) | 2010-05-10 | 2013-10-02 | Toshiba Res Europ Ltd | A semiconductor device and a method of fabricating a semiconductor device |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CA2423782A1 (en) * | 2000-10-06 | 2002-07-25 | Science & Technology Corporation @ Unm | Quantum dot lasers |
-
2003
- 2003-08-28 JP JP2003304978A patent/JP3692407B2/en not_active Expired - Lifetime
-
2004
- 2004-08-27 WO PCT/JP2004/012355 patent/WO2005022640A1/en active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2005079182A (en) | 2005-03-24 |
WO2005022640A1 (en) | 2005-03-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8183073B2 (en) | Method of manufacturing a semiconductor device with quantum dots formed by self-assembled growth | |
US6696372B2 (en) | Method of fabricating a semiconductor structure having quantum wires and a semiconductor device including such structure | |
JP2000012961A (en) | Semiconductor laser | |
JP4651759B2 (en) | Device with quantum dots | |
JP3692407B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor quantum dot device | |
JP2630264B2 (en) | Strained quantum well semiconductor laser | |
JP2000196193A (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP4041877B2 (en) | Semiconductor device | |
JP2008091420A (en) | Quantum dot optical semiconductor device manufacturing method | |
JP3768790B2 (en) | Quantum dot structure and semiconductor device apparatus having the same | |
CN104157759B (en) | High density and high uniformity InGaN quantum dot structure and growth method thereof | |
JP4795747B2 (en) | Quantum dot optical semiconductor device manufacturing method | |
JPH0620949A (en) | Method of making an article including a periodic heteroepitaxial semiconductor structure | |
JP4762202B2 (en) | Semiconductor quantum dot device, manufacturing method thereof, optical switch, semiconductor laser, and photodetector | |
US10121935B2 (en) | Three-dimensional semiconductor nanoheterostructure and method of making same | |
JP2001085665A (en) | Semiconductor device using quantum dots | |
JP5297519B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
JP3903182B2 (en) | Quantum dot formation method and quantum dot semiconductor device in low lattice mismatch system | |
JP2006005256A (en) | Semiconductor element | |
JP4575173B2 (en) | Manufacturing method of quantum well structure | |
JP4086465B2 (en) | Quantum dot structure and method for forming the same, and semiconductor device device having the quantum dot structure | |
JP4440876B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor quantum dot structure | |
JP4041887B2 (en) | Method for forming antimony quantum dots | |
JPH1131811A (en) | Method for growing strained multiple quantum well structure | |
JP6635462B2 (en) | Method for manufacturing semiconductor quantum dot device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20050119 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050131 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20050524 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20050609 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 3692407 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term |