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明細書 :量子ドットの形成方法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第4825965号 (P4825965)
公開番号 特開2006-080293 (P2006-080293A)
登録日 平成23年9月22日(2011.9.22)
発行日 平成23年11月30日(2011.11.30)
公開日 平成18年3月23日(2006.3.23)
発明の名称または考案の名称 量子ドットの形成方法
国際特許分類 H01L  29/06        (2006.01)
H01L  21/203       (2006.01)
H01S   5/343       (2006.01)
B82B   3/00        (2006.01)
B82Y  10/00        (2011.01)
ＦＩ H01L 29/06 601D
H01L 21/203 M
H01S 5/343
B82B 3/00
B82Y 10/00
請求項の数または発明の数 10
全頁数 17
出願番号 特願2004-262638 (P2004-262638)
出願日 平成16年9月9日(2004.9.9)
新規性喪失の例外の表示 特許法第３０条第１項適用 ２００４年３月２８日 社団法人応用物理学会発行の「２００４年（平成１６年）春季 第５１回 応用物理学関係連合講演会講演予稿集 第３分冊」に発表
特許法第３０条第１項適用 ２００４年９月１日 社団法人応用物理学会発行の「２００４年（平成１６年）秋季 第６５回 応用物理学会学術講演会講演予稿集 第０分冊、第１分冊、第３分冊」に発表
審査請求日 平成19年5月24日(2007.5.24)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】504133110
【氏名又は名称】国立大学法人電気通信大学
発明者または考案者 【氏名】山口 浩一
個別代理人の代理人 【識別番号】100070150、【弁理士】、【氏名又は名称】伊東 忠彦
審査官 【審査官】行武 哲太郎
参考文献・文献 特開平９－８３０６５（ＪＰ，Ａ）
特開２００１－１５６２９８（ＪＰ，Ａ）
特開平９－３２６４７４（ＪＰ，Ａ）
特開２００１－２３７４１３（ＪＰ，Ａ）
H.-R. Blank, M. Thomas, K. C. Wong, and H. Kroemer，Influence of the buffer layers on the morphology and the transport properties in InAs/(Al,Ga)Sb quantum wells grown by molecular beam epitaxy，Applied Physics Letters，米国，American Institute of Physics，１９９６年 ７月２２日，69，2080-2082
赤羽浩一、山本直克、大谷直毅，ＧａＡｓＳｂ歪緩和層導入によるＩｎＡｓ量子ドットの１．３μｍ帯発光 Over-1.3 m emission from InAs quantum dots covered by GaAsSb strain reduced layer，２００３年（平成１５年）春季 第５０回応用物理学関係連合講演会講演予稿集 第３分冊 Extended Abstracts (The 50th Spring Meeting, 2003); The Japan Society of Applied Physics and Related Societies No.3，日本，応用物理学会，２００３年 ３月，29p-ZE-6，1473
調査した分野 Ｈ０１Ｌ ２９／００－２９／３８
Ｂ８２Ｂ ３／００
Ｂ８２Ｙ １０／００
特許請求の範囲 【請求項1】
ＧａＡｓ基板の表面に、ＧａＡｓバッファ層を成長して形成し、
前記ＧａＡｓバッファ層の表面または前記ＧａＡｓバッファ層の上層に、ＧａＳｂｘＡｓ１－ｘ（ｘ＝１）層を０．２４～１．５２ＭＬ厚に成長して形成し、
前記ＧａＳｂｘＡｓ１－ｘ（ｘ＝１）層の表面に、ＩｎＡｓ量子ドットを成長して自己形成する
ことを特徴とする量子ドットの形成方法。
【請求項2】
前記ＧａＳｂｘＡｓ１－ｘ（ｘ＝１）層は、Ａｓ－Ｓｂ交換反応によって形成され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ＩｎＡｓ量子ドットは、１．１×１０11ｃｍ-2以上のドット密度で自己形成され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4】
前記ＩｎＡｓ量子ドットの自己形成ステップにおいて、コアレッセンスの発生が抑制され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5】
前記ＩｎＡｓ量子ドットは、その成長初期において、細線状の２次元島が形成され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6】
ＧａＡｓ基板の表面に、ＧａＡｓバッファ層を成長して形成し、
前記ＧａＡｓバッファ層の表面に、ＧａＡｓＳｂ混晶バッファ層を成長して形成し、
前記ＧａＡｓＳｂ混晶バッファ層上にＧａＡｓ層を成長して形成し、
前記ＧａＡｓ層の表面にＩｎＡｓ量子ドットを、前記基板面内の所定の方向に、正方格子状に自己配列させて形成することを特徴とする量子ドットの形成方法。
【請求項7】
前記ＩｎＡｓ量子ドットは、（００１）基板面内上の＜０１０＞方向に沿って正方格子状に配列する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ＩｎＡｓ量子ドットは、１×１０11ｃｍ-2以上のドット密度で正方格子状に自己配列する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9】
前記ＧａＡｓＳｂ混晶バッファ層を、Ａｓ4／Ｓｂ4 照射フラックス比３～９で形成する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10】
ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板上の活性層と、
前記活性層に電流を注入する電極と
を備え、前記活性層は、
０．２４～１．５２ＭＬ厚のＧａＳｂ層と、
前記ＧａＳｂ層の表面に成長したＩｎＡｓ量子ドットと、
前記ＩｎＡｓ量子ドットを埋め込むＧａＡｓ埋め込み層と、
を含み、前記ＩｎＡｓ量子ドットは、１．１×１０11ｃｍ-2以上の密度で配置されることを特徴とする量子ドットレーザ。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、量子ドットの形成方法に関し、特に、高密度で均一な量子ドットを自己形成する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、量子ドットの光電子デバイスへの適用が注目を集め、種々の研究、開発がなされている。３次元的なキャリアの閉じ込め構造である量子ドットは、キャリアの一次元的な閉じ込めである量子井戸構造や、二次元的な閉じ込めである量子細線構造と比較して、キャリアのエネルギスペクトルが非常に鋭く、離散的になる。室温においても、キャリアの遷移が量子準位間で不連続に生じ、鋭い発光スペクトルを得ることができる。
【0003】
量子ドットの形成には、ヘテロエピタキシャル成長の初期に出現するいわゆるＳ－Ｋ（Stranski-Krastanov）モード成長を利用する方法が、一般的に採用されている。この方法では、ヘテロ界面に生じる歪エネルギを利用するため、リソグラフィやエッチングなどのようなバルク材料の加工を必要せず、簡単なプロセスで量子ドットが自己形成される。一例として、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓバッファ層を成長し、ＧａＡｓバッファ層上に、格子定数の異なるＩｎＡｓ層を１．８分子層成長させることによって、円錐状の成長島（量子ドット）を自己形成（自己組織化）することができる（たとえば、特許文献１参照）。
【0004】
Ｓ－Ｋモード成長を利用すると、結晶成長のみにより量子ドットが形成されるため、良質な結晶ドットが得られる。しかし、この方法では、量子ドットのサイズや位置、密度の制御が困難であり、Ｓ－Ｋモード成長を利用しつつ、サイズと密度の揃った量子ドットを自己形成する方法は、いまだ実現されていない。
【0005】
一方、自己形成によらずに、機械的な手法で均一な量子ドットを高密度で形成する方法が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【0006】
この方法は、半導体基板の表面に先端が鋭利な金属構造物を近接させ、これに電気的パルスを印加して、基板の表面に直径、高さが数ｎｍ～数十ｎｍの微細突起物を形成する。その後、この突起物を含む基板表面に、半導体の超薄膜をエピタキシャル成長すると、突起物の直上に微細なくぼみが形成される。微細なくぼみを有する超薄膜の表面に量子ドット原材料を供給すると、くぼみの部分にのみ量子ドットが形成される。
【0007】
走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）チップを用いると、５０ｎｍ～１００ｎｎの繰り返し周期で量子ドットの２次元配列を形成することができる。しかし、この方法では、エピタキシャル成長室とＳＴＭ加工室の間で、基板搬送しなければならない。量子ドットを積層にする場合は、エピタキシャル成長室とＳＴＭ加工室の間の往復を、何度も繰り返す必要がある。量子ドット形成プロセスとして煩雑であるうえに、メタルチップ（カンチレバー、プローブ等）による基板への悪影響が懸念される。

【特許文献1】特開平１０－２８９９９６号公報
【特許文献2】特開２００１－７３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
ＧａＡｓ基板上へのＩｎＡｓ系量子ドットは、光通信波長帯の高性能な半導体レーザ（量子ドットレーザ）などへの応用が期待されている。量子ドットレーザの実現のためには、高均一かつ高密度の量子ドット作製方法の開発が必須である。特に、良質な結晶ドットを高均一、高密度で得るために、Ｓ－Ｋ成長モードを用いた量子ドットの自己形成法の開発が進められている。
【0009】
量子ドットの自己形成において、高均一化を図るためには、成長速度を低減して、成長因子の表面マイグレーションを活発にさせることが重要である。このため、低い成長速度の条件が必要とされていた。
【0010】
しかし、このような長い表面マイグレーションの成長条件では、ドットサイズが大きくなり、量子ドットの密度が１×１０10～３×１０10程度と低く、高密度化が困難である。
【0011】
また、形成される量子ドットの密度を上げようとすると、ドット同士のコアレッセンス（合体）が生じるという問題もある。
【0012】
そこで、本発明は、量子ドット同士のコアレッセンスを防止しつつ、高均一かつ高密度の量子ドットを形成する方法を提供することを課題とする。
【0013】
また、このような量子ドットを利用した量子ドットレーザの提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上記課題を解決するために、本発明では、ＧａＡｓ基板上にＩｎＡｓ量子ドットを作製する際に、ＧａＡｓ層表面上に、ＧａＳｂｘＡｓ１－ｘ（０＜ｘ≦１）層を導入し、このＧａＳｂｘＡｓ１－ｘ（０＜ｘ≦１）層上に、ＩｎＡｓ量子ドットを自己形成する。
【0015】
１つの態様として、ＧａＡｓ層表面に、０．２４～１．５２ＭＬ厚、より好ましくは１分子層厚のＧａＳｂ層を導入し、ＧａＳｂ層上にＩｎＡｓ量子ドットを形成する。これは、ＧａＳｂｘＡｓ１－ｘ層の組成で、ｘ＝１の場合である。
【0016】
この場合は、ＩｎＡｓ量子ドットは、１．１×１０11ｃｍ-2以上のドット密度で自己形成される。
【0017】
別の態様として、ＧａＡｓ層表面に、ＧａＡｓＳｂ混晶バッファ層を導入し、ＧａＡｓＳｂ混晶バッファ層上にＩｎＡｓ量子ドットを形成する。これは、ＧａＳｂｘＡｓ１－ｘ層の組成でｘ≠１の場合である。
【0018】
この場合は、ＩｎＡｓ量子ドットは、基板面内の所定の方向に、正方格子状に自己配列する。また、１．０×１０11ｃｍ-2以上の高いドット密度で、均一に配列される。
【0019】
より具体的には、量子ドットの形成方法は、
（ａ）ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓバッファ層を形成し、
（ｂ）前記ＧａＡｓバッファ層上に、ＧａＳｂｘＡｓ１－ｘ（０＜ｘ≦１）層を形成し、
（ｃ）前記ＧａＳｂｘＡｓ１－ｘ（０＜ｘ≦１）層上に、ＩｎＡｓ量子ドットを自己形成する。
【0020】
この方法によれば、ＧａＡｓバッファ層表面に、アンチモン（Ｓｂ）を含む薄膜を導入することによって、ＩｎＡｓ量子ドットの高密度かつ高均一な形成を実現するとともに、量子ドット同士のコアレッセンスを効果的に抑制することができる。
【0021】
さらに、上述した量子ドットの形成方法を量子ドットレーザに適用することができる。量子ドットレーザは、ＧａＡｓ基板と、ＧａＡｓ基板上の活性層と、活性層に電流を注入する電極とを備え、活性層は、
（ａ）０．２４～１．５２ＭＬ厚のＧａＳｂ層と、
（ｂ）ＧａＳｂ層上のＩｎＡｓ量子ドットと、
（ｃ）ＩｎＡｓ量子ドットを埋め込むＧａＡｓ埋め込み層と、
を含み、前記ＩｎＡｓ量子ドットは、１．１×１０11ｃｍ-2以上の密度で配置される。
【発明の効果】
【0022】
コアレッセンスの発生を抑制しつつ、現実のデバイス応用に適した高密度かつ高均一な量子ドットを自己形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0023】
以下で、添付図面を参照して、本発明の良好な実施形態を説明する。
【0024】
図１は、本発明の第１実施形態に係るＧａＡｓ基板上へのＩｎＡｓ量子ドットの形成を説明するための模式図である。本発明において、ＩｎＡｓ量子ドットは、ＧａＡｓバッファ層の表面に導入されたＧａＳｂｘＡｓ１－ｘ（０＜ｘ≦１）層上に形成されるが、第１実施形態では、Ｓｂの組成ｘをｘ＝１に設定し、ＧａＳｂ層上にＩｎＡｓ量子ドットを形成する。
【0025】
図１（ａ）は、ＧａＳｂ層上にＩｎＡｓ量子ドットを形成したサンプルの模式図である。このサンプルは、ＧａＡｓ基板１の（００１）面にＧａＡｓバッファ層２を形成し、ＧａＡｓバッファ層２の表面にＧａＳｂ層３を形成し、ＧａＳｂ層３上にＩｎＡｓ量子ドット４を自己形成することによって得られる。このサンプルに形成されたＩｎＡｓ量子ドット４の表面配置形状は、後述するように、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）により観察される。
【0026】
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＩｎＡｓ量子ドット４を、ＧａＡｓキャップ層５でさらに埋め込んだサンプルの模式図である。後述するように、このサンプルを用いて、ＩｎＡｓ量子ドット４のフォトルミネッセンス（ＰＬ）を観察する。
【0027】
図２は、ＩｎＡｓ量子ドット４を形成する際の、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法による各層の成長条件を示す表である。
【0028】
まず、ＧａＡｓ基板１の（００１）面に、ＧａＡｓバッファ層２を成長温度５９０℃で２００ｎｍの膜厚に成長する。このときのＡｓ圧力は１６×１０-7Ｔｏｒｒである。なお、この圧力の値は絶対圧力ではなく、所定の補正係数を乗算して得られた値である。補正係数は、測定方法、成長条件、ガス原料の種類、測定子の構造など、複数の要素に基づいて算出されたものである。同様に、以下の実施形態中においても、供給物質の圧力は、補正係数が乗算された値で示すものとする。
【0029】
次に、ＧａＡｓバッファ層２上に、０．２４～１．５２ＭＬ、好ましくは１ＭＬのＧａＳｂ層３を、基板温度５００℃、Ｓｂ圧力０．５×１０-7Ｔｏｒｒで形成する。このとき、ＧａＳｂ層３の膜厚を正確に制御して、表面構造をＲＨＥＥＤで観察すると、Ａｓ4 の照射をＳｂ4 の照射に切り換えた直後から、ＧａＡｓ－ｃ（４×４）回折パターンが、徐々に（１×３）回折パターンに変化し、ＡｓとＳｂの交換反応により、ＧａＳｂの再配列表面が形成されることがわかる。すなわち、最表面でＧａと結合しているＡｓが、部分的にＳｂに置き換えられ、その後、全体がＳｂに置き換えられて、表面がフラットなＧａＳｂ層が形成されると考えられる。
【0030】
次に、ＧａＳｂ層３上に、ＩｎＡｓ量子ドット４を、基板温度５００℃、成長速度０．０３５ＭＬ／ｓでＳ－Ｋモード成長により形成する。このときのＡｓ圧力は、３×１０-7～８×１０-7Ｔｏｒｒ、好ましくは３×１０-7～６×１０-7Ｔｏｒｒである。このような成長速度とＡｓ圧力を低く設定することによって、ＩｎＡｓ量子ドットサイズのばらつきを低減することができる。ＩｎＡｓ量子ドット４の成長量は、２．１～３．７ＭＬである。
この状態が、図１（ａ）に示す状態である。
【0031】
ＩｎＡｓ量子ドット４の形成後、基板温度を急激に４５０℃に下げて、６×１０-7ＴｏｒｒのＡｓ圧力下で、１００ｎｍの膜厚のＧａＡｓキャップ層５を形成する。この状態が、図１（ｂ）に示す状態である。
【0032】
図３（ａ）は、図１（ａ）のサンプルから得られたＡＦＭ像である。図１（ａ）のサンプルでは、ＧａＳｂ層３の膜厚は、１分子層厚、ＩｎＡｓ量子ドットの成長量は３ＭＬである。ＡＦＭの観察結果に基づき、ＩｎＡｓ量子ドットのサイズと密度を評価した。
【0033】
ＩｎＡｓ量子ドットの下地層に、１分子層厚のＧａＳｂ層を導入することで１．１×１０11ｃｍ-2という高密度のＩｎＡｓ量子ドットが形成される。また、図３（ａ）のＡＦＭ像から明らかなように、ＧａＳｂ層上のＩｎＡｓ量子ドットは、非常に高い均一性を有している。
【0034】
注目すべき点は、このような高密度の形成にもかかわらず、コアレッセンスの発生が抑制されていることである。図３（ａ）で得られた観察結果では、コアレッセンスの発生による転位などの欠陥もほとんどない。
【0035】
アンチモン（Ｓｂ）は表面エネルギを下げる働きをすることが知られている。ＩｎＡｓ量子ドットの下地にＧａＳｂ層を挿入することによって、表面が安定化し、この低エネルギ化は、ＧａＳｂ／ＩｎＡｓ界面から、ＩｎＡｓ量子ドットの表面にも影響するものと考えられる。すなわち、隣接するＩｎＡｓ量子ドット表面の不活性により、コアレッセンスが効果的に抑制されると考えられる。この表面安定性は、ＩｎＡｓ量子ドットの高均一化にも寄与していると考えられる。
【0036】
比較例として、図３（ｂ）および図３（ｃ）に、ＧａＳｂ層を導入せずに、従来のようにＧａＡｓバッファ層上にＩｎＡｓ量子ドットを形成したときのＡＦＭ像を示す。図３（ｂ）は、ＧａＡｓバッファ層上に、成長速度０．０３５ＭＬ／ｓＩｎＡｓ量子ドットを形成したもの、図３（ｃ）は、同じくＧａＡｓバッファ層上に、成長速度０．１７ＭＬ／ｓでＩｎＡｓ量子ドットを形成したものである。
【0037】
図３（ｂ）に示すように、成長速度およびＡｓ圧力を低く設定することによって、表面マイグレーションが活発になる。この結果、ドットサイズが大きくなるが、サイズのばらつきが小さくなる。しかし、ドット密度は、２×１０10ｃｍ-2であり、十分な密度を得ることができない。
【0038】
一方、図３（ｃ）のように、成長速度を速くすると、７×１０10ｃｍ-2という比較的高い密度を達成することができるが、ＩｎＡｓ量子ドットのサイズのばらつきがはげしい。さらに、コアレッセンスの発生が著しく（２×１０9ｃｍ-2）、コアレッセンス（合体）により巨大化したドットが多くみられる。コアレッセンスを起こして巨大化したドットには、結晶欠陥が存在し、デバイス応用上の問題となる。
【0039】
このように、従来の自己形成方法では、成長条件の調整だけでは、高密度かつ高均一の
量子ドットを形成することが困難であったが、本実施形態のように、ＧａＡｓバッファ層の表面に１分子層程度の膜厚のＧａＳｂ層を導入することによって、サイズおよび配置間隔がともに均一なＩｎＡｓ量子ドットが高密度に形成される。これと同時に、好ましくないコアレッセンスの発生も効果的に抑制され、デバイスへの実用性が非常に高い。
【0040】
図４は、上記と同じ基板温度、成長速度、Ａｓ圧力で、１分子層厚のＧａＳｂ層上に、ＩｎＡｓ量子ドットを３．２８ＭＬの成長量で形成したときの平面ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）像である。１．１×１０11ｃｍ-2という高いドット密度にもかかわらず、コアレッセンスの発生が抑制されており、転位などの欠陥もほとんど観察されない。
【0041】
また、図５および図６に示すように、観察の結果、ＧａＳｂ層上のＩｎＡｓの成長初期（成長量１ＭＬ程度）において、高さ約０．３ｎｍ（約１ＭＬ）、幅約１０ｎｍの細線状の２次元初期核が、＜１－１０＞方向に周期的な配列で形成されることがわかった。
【0042】
図５（ａ）～５（ｄ）は、ＧａＳｂ層表面へのＩｎＡｓ量子ドットの成長過程を示すＡＦＭ像である。ＧａＳｂ層の表面に、ＩｎＡｓを１ＭＬ程度成長すると、細線状の２次元島が発生し始め、１．４ＭＬでは、図５（ｂ）に示すように、非常に狭く高密度な２次元島が形成される。
【0043】
ＩｎＡｓを１．６ＭＬまで成長すると、図５（ｃ）に示すように２次元島が３次元島に遷移し、３．１ＭＬまで成長すると、図５（ｄ）のように、高密度、高均一なＩｎＡｓ量子ドットが形成される。
【0044】
図６（ａ）は、図５（ｂ）のＩｎＡｓ２次元島の拡大像である。＜１－１０＞方向に周期的かつ高密度に配列した、細長い線状の２次元島の発生が確認できる。図６（ｂ）は、２次元島から３次元島への遷移を模式的に描いた図である。細線状の２次元島の上にトラップされるように３次元ドットが成長するので、最終的に図５（ｄ）のような高密度、高均一のＩｎＡｓ量子ドットが形成されるものと思われる。このとき、ＩｎＡｓ３次元量子ドットの形成過程においても、下地層のＳｂ表面偏析効果が生じ、表面近傍のＳｂ原子による表面エネルギの低下が、効果的にコアレッセンスの発生を抑制している。
【0045】
１分子層厚のＧａＳｂ層上に成長したＩｎＡｓ量子ドットのサイズと構成は、ＩｎＡｓの成長量によって制御可能である。
【0046】
図７は、ＩｎＡｓ量子ドットの成長量を変化させたときのＡＦＭ像である。図７（ａ）は、ＩｎＡｓカバレッジ（成長量）が２．４ＭＬのときのＡＦＭ像、図７（ｂ）は、ＩｎＡｓカバレッジが３．７ＭＬのときのＡＦＭ像である。ＩｎＡｓ成長量を２．４～３．７ＭＬまで変化させることによって、ドット密度が７×１０10ｃｍ-2 から１．１×１０11ｃｍ-2に向上する。図７のＡＦＭ像からも明らかなように、コアレッセンスの発生が非常に少ない。３ＭＬを超える成長量では、ドット間の距離が狭くなり、この結果、ドットサイズはほぼ飽和する。すなわち、ＩｎＡｓカバレッジを高くした高密度ＩｎＡｓドットでは、サイズのばらつきの抑制効果が期待される。
【0047】
サイズのばらつきの抑制には、ドットの側壁に形成される安定した｛１１０｝ファセットと｛１３６｝ファセットによる自己制限現象が重要な役割を果たす。ファセットの形成を観察するために、ＧａＡｓ表面のＧａＳｂ層（ＧａＳｂ／ＧａＡｓ）上にＩｎＡｓ量子ドットをＳ－Ｋモード成長する間、ＲＨＥＥＤシェブロンパターンをモニタした。
【0048】
図８は、ＧａＳｂ／ＧａＡｓ層上にＩｎＡｓドットが形成された直後のＲＨＥＥＤパターンであり、＜１００＞方向と＜１３０＞方向で観察したものである。図８（ａ）は、ＩｎＡｓ量子ドットの成長量が２．４ＭＬ、図８（ｂ）は成長量が３．７ＭＬのときのものである。
【0049】
ＩｎＡｓカバレッジが２．４ＭＬのとき（図８（ａ））は、＜１３０＞方向で｛１３６｝ファセットを示すＲＨＥＥＤシェブロンが観察されている。ＩｎＡｓ成長量が増えるにつれ、｛１１０｝ファセットも観察されるようになる。図８（ｂ）に示すように、３．７ＭＬのカバレッジでは、｛１３６｝ファセットと｛１１０｝ファセットの双方が観察される。
【0050】
｛１１０｝ファセットの形成は、ドットサイズの増大と、ドットアスペクト比の向上を意味する。
【0051】
図９は、ＧａＳｂ上の高密度ＩｎＡｓ量子ドットの成長量に応じたフォトルミネッセンススペクトル（温度１２Ｋ）を示す。ＩｎＡｓ成長量が２．４ＭＬ以下では、ＰＬスペクトルの幅が広く、ピーク波長は１１００ｎｍ近傍にある。ＩｎＡｓ成長量が増すにつれ、
長波長側（１１７０ｎｍ）に狭いＰＬスペクトルが現れるようになる。このような、ＰＬスペクトルのドット成長量に対する依存性は、図８を参照して説明したＩｎＡｓ量子ドットの形状遷移によって説明できる。
【0052】
すなわち、成長量の増大につれて｛１１０｝ファセットを有するに到ったＩｎＡｓ量子ドットで、低エネルギ側の１１７０ｎｍにピークを有するようになる。これは、ＩｎＡｓカバレッジ（成長）が進むにつれ、大きなドットサイズの量子ドットが増えていることを裏付けるものである。この結果、４．１ＭＬの成長量で形成された高密度のＩｎＡｓ量子ドットにおいて、３３ｍｅＶという比較的狭いピーク幅を得ることができ、ドットサイズのばらつきも抑制されていることがわかる。
【0053】
このように、第１実施形態においては、ＧａＡｓ（００１）基板上のＧａＡｓバッファ層表面に、１分子層厚程度のＧａＳｂ層を導入することによって、高い均一性で、ＩｎＡｓ量子ドットを１．１×１０11ｃｍ-2以上の密度で形成することが可能になる。
【0054】
さらに、このような高密度化にもかかわらず、コアレッセンスの発生を効果的に抑制でき、デバイスへの適用が期待される。
【0055】
図１０は、上述した高密度かつ高均一なＩｎＡｓ量子ドットを適用した量子ドットレーザの概略構成図である。図１０（ａ）の例では、量子ドットレーザ１０は、ｎ型のＧａＡｓ（００１）基板１１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１３、ＧａＡｓ導波層１４を有し、ＧａＡｓ導波層１４上に、活性層１５を有する。この活性層１５を挟んで、ＧａＡｓ導波層１６、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１７が位置し、開口部を有する絶縁層（ＳｉＯ2層）１８を介して、ｐ型電極１９を有する。一方、基板１１の裏面には、ｎ型電極２０が設けられる。
【0056】
図１０（ｂ）に示すように、活性層１５は、１分子層厚程度のＧａＳｂ層２１と、ＧａＳｂ層２１上に１．１×１０11ｃｍ-2以上の密度で高均一に形成されたＩｎＡｓ量子ドット２２と、ＧａＡｓキャップ層２３を有する。ＧａＳｂ層２１の膜厚は、０．２４～１．５２ＭＬ厚の範囲で制御可能であるが、１分子層程度の膜厚が望ましい。図１０（ｂ）では便宜上、２層の積層構造を示しているが、ＧａＳｂ層２１上に自己成長したＩｎＡｓ量子ドット２２を、３層以上に積層してもよい。
【0057】
プローブやカンチレバーを用いて量子ドットを形成する場合と異なり、何層に積層しても、同一の成長室内で、供給ガスの種類と供給量を制御することによって、高密度、高均一のＩｎＡｓ量子ドットを自己形成することができる。
【0058】
また、商業的に入手が容易なＧａＡｓ（００１）基板を用いて、高密度、高均一の量子ドットを容易に形成できるので、コストの低減にも寄与する。
【0059】
次に、図１１および図１２を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態では、ＧａＡｓバッファ層上のＧａＳｂｘＡｓ１－ｘ（０＜ｘ≦１）層として、ＧａＡｓＳｂ混晶バッファ層（ｘ≠１）を用いる。この場合、ＩｎＡｓ量子ドットは、ＧａＡｓ基板面内の所定の方向に、正方格子状に自己配列する。
【0060】
図１１は、ＧａＡｓＳｂ混晶バッファ層上に自己配列形成されたＩｎＡｓ量子ドットのＡＦＭ像である。ＧａＡｓ基板の（００１）面内の＜０１０＞方向に、ＩｎＡｓ量子ドットが、１×１０11ｃｍ-2以上の高密度で、均一な正方格子状に自己配列する様子がわかる。
【0061】
図１２は、このような正方格子状態のＩｎＡｓ量子ドットの形成を説明するための模式図である。
【0062】
ＧａＡｓ（００１）基板３１上に、ＧａＡｓバッファ層３２を５９０℃で成長した後、
成長温度４５０℃、Ａｓ4／Ｓｂ4照射フラックス比３～９でＧａＡｓＳｂ混晶バッファ層３３を１０ＭＬ形成する。Ａｓ4／Ｓｂ4照射フラックス比は、３～９の範囲で適宜調整できるが、一例として、照射フラックス比を６に設定してＧａＡｓＳｂ混晶バッファ層３３を形成し、さらにその上にＧａＡｓ層３４を２ＭＬ形成する。ＧａＡｓ層３４上にＩｎＡｓ量子ドット３５を成長温度５００℃で２．６ＭＬ成長する。
【0063】
第１実施形態のようにＳｂの組成ｘ＝１の場合、すなわちＧａＳｂ層を導入する場合は、ＩｎＡｓ量子ドットは全体にまんべんなく均一な配置になる。これに対し、第２実施形態のように、Ｓｂの構成ｘを１以外の値（０＜ｘ＜１）にして、ＧａＡｓＳｂ混晶バッファ層３３の膜厚を、Ａｓ4／Ｓｂ4照射フラックス比に応じて適切に制御することによって、第１実施形態と同様の高密度で、正方格子状の量子ドットが得られる。また、正方格子状に配列する場合の均一性も高い。
【0064】
以上述べたように、本発明の実施形態では、ＩｎＡｓ量子ドットを形成する際に、ＧａＡｓバッファ層表面にアンチモン（Ｓｂ）を含む薄膜を導入することによって、高密度かつ高均一な量子ドットの自己形成を、低コストで実現することができる。
【0065】
ＧａＳｂ膜上にＩｎＡｓ量子ドットを形成する場合は、コアレッセンスの発生を抑制して、ランダムな均一配置で高密度の量子ドットが得られる。
【0066】
ＧａＡｓＳｂ膜上にＩｎＡｓ量子ドットを形成する場合は、高密度の量子ドットを均一な正方格子状に自己配列することができる。
【図面の簡単な説明】
【0067】
【図1】本発明の第１実施形態に係る量子ドットの形成を説明するための模式図である。
【図2】本発明の第１実施形態に係る量子ドットの成長条件を示す表である。
【図3】図３（ａ）は本発明の第１実施形態に係るＧａＳｂ／ＧａＡｓ層上へのＩｎＡｓ量子ドットの成長を示すＡＦＭ像であり、図３（ｂ）および３（ｃ）は、比較例として、従来方法でＧａＡｓバッファ層上に成長速度を変えてＩｎＡｓ量子ドットを成長したときのＡＦＭ像である。
【図4】本発明の第１実施形態に係るＧａＳｂ／ＧａＡｓ層上へのＩｎＡｓ量子ドットの成長を示すＴＥＭ像である。
【図5】本発明の第１実施形態に係るＧａＳｂ／ＧａＡｓ層上へのＩｎＡｓ量子ドットの成長を示すＡＦＭ像であり、図５（ａ）は、ＩｎＡｓカバレッジ（成長量）が２．４ＭＬ、図５（ｂ）は、ＩｎＡｓカバレッジが３．７ＭＬのときの像である。
【図6】ＧａＳｂ上へのＩｎＡｓ２次元島から３次元島への成長を示すＡＦＭ像である。
【図7】図７（ａ）は、図６に示す細線状の２次元島のＡＦＭ拡大像であり、図７（ｂ）は、２次元島から３次元島への遷移を示す模式図である。
【図8】本発明の第１実施形態に係る１分子層厚のＧａＳｂ層上のＩｎＡｓ量子ドット形成直後のＲＨＥＥＤ像であり、図８（ａ）は２．４ＭＬのＩｎＡｓカバレッジ、図８（ｂ）は３．７ＭＬのＩｎＡｓカバレッジのときの像である。
【図9】本発明の第１実施形態に係る１分子層厚のＧａＳｂ層上のＩｎＡｓ量子ドットの成長量に応じたＰＬスペクトルを示すグラフである。
【図10】本発明の第１実施形態に係る量子ドットを適用した量子ドットレーザの概略構成図である。
【図11】本発明の第２実施形態に係るＧａＡｓＳｂバッファ層上に自己配列形成される量子ドットのＡＦＭ像である。
【図12】本発明の第２実施形態に係る量子ドットの形成を説明するための模式図である。
【符号の説明】
【0068】
１、１１、３１ ＧａＡｓ基板
２、１２、３２、３４ ＧａＡｓバッファ層
３、２１ ＧａＳｂ層
４、２２、３５ ＩｎＡｓ量子ドット
５、２３ ＧａＡｓキャップ層
１３、１７ ＡｌＧａＡｓクラッド層
１４、１６ ＧａＡｓ光導波層
１５ 活性層
３３ ＧａＡｓＳｂ混晶バッファ層
図面
【図1】
0 		【図2】
1
【図9】
2 		【図10】
3
【図12】
4 		【図3】
5
【図4】
6 		【図5】
7
【図6】
8 		【図7】
9
【図8】
10 		【図11】
11