DE60302246T2 - Verfahren zur herstellung von quantum dots für langwelligen betrieb - Google Patents

Verfahren zur herstellung von quantum dots für langwelligen betrieb Download PDF

Info

Publication number
DE60302246T2
DE60302246T2 DE60302246T DE60302246T DE60302246T2 DE 60302246 T2 DE60302246 T2 DE 60302246T2 DE 60302246 T DE60302246 T DE 60302246T DE 60302246 T DE60302246 T DE 60302246T DE 60302246 T2 DE60302246 T2 DE 60302246T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
layer
quantum dots
active
active layer
spacer
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 - Fee Related
Application number
DE60302246T
Other languages
English (en)
Other versions
DE60302246D1 (de
Inventor
Simon Timothy JONES
Patrick Howe
Ray Murray
Eric Le Ru
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ip2ipo Innovations Ltd
Original Assignee
Imperial College Innovations Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Imperial College Innovations Ltd filed Critical Imperial College Innovations Ltd
Publication of DE60302246D1 publication Critical patent/DE60302246D1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE60302246T2 publication Critical patent/DE60302246T2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/122—Single quantum well structures
    • H01L29/127—Quantum box structures
    • 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
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02587—Structure
    • H01L21/0259—Microstructure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02387—Group 13/15 materials
    • H01L21/02395—Arsenides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02455—Group 13/15 materials
    • H01L21/02458—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02455—Group 13/15 materials
    • H01L21/02463—Arsenides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02538—Group 13/15 materials
    • H01L21/0254—Nitrides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02538—Group 13/15 materials
    • H01L21/02546—Arsenides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
    • 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
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/323—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/3235—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000 nm, e.g. InP-based 1300 nm and 1500 nm lasers
    • H01S5/32358—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000 nm, e.g. InP-based 1300 nm and 1500 nm lasers containing very small amounts, usually less than 1%, of an additional III or V compound to decrease the bandgap strongly in a non-linear way by the bowing effect
    • H01S5/32366—(In)GaAs with small amount of N
    • 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
    • H01S5/3403—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 having a strained layer structure in which the strain performs a special function, e.g. general strain effects, strain versus polarisation
    • 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
    • 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
    • H01S5/343—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 in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34306—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 in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser emitting light at a wavelength longer than 1000nm, e.g. InP based 1300 and 1500nm lasers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S438/00—Semiconductor device manufacturing: process
    • Y10S438/962—Quantum dots and lines

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Led Devices (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von opto-elektronischen Vorrichtungen. Genauer gesagt bezieht sich diese Erfindung auf opto-elektronische Vorrichtungen, die Halbleiter-Quantendots enthalten, deren Grundzustandsemission bei einer Wellenlänge größer als 1350 nm bei einer Temperatur von im wesentlichen 293 K auftritt.
  • Halbleitermaterialien werden in vielen opto-elektronischen Vorrichtungen verwendet. Die Halbleiterstruktur ist normalerweise so eingerichtet, daß die Vorrichtungen bei einer für diese bestimmte Vorrichtung gewünschten Wellenlänge optisch aktiv ist. In vielen Anwendungen, insbesondere bei der Telekommunikation, gibt es eine Notwendigkeit, Wellenlängen zwischen 1250 und 1650 nm zu verwenden. Diese Wellenlängen sind gut für Glasfaser-Übertragung und andere Glasfaser-Vorrichtungen geeignet.
  • Opto-elektronische Vorrichtungen zur Verwendung bei diesen Wellenlängen basierend auf Indium-Phosphat-(InP)-Substrat herzustellen, ist bekannt. Es wäre wünschenswert, in der Lage zu sein, Vorrichtungen herzustellen, die bei diesen Wellenlängen mittels Galliumarsenid-(GaAs)-Substraten anstelle von InP-Substraten betreibbar sind.
  • Die Hauptvorteile von GaAs-Substraten sind, daß sie in großem Umfang verfügbar und weniger teuer als InP-Substrate sind. GaAs-Substrate werden bereits in großen Umfang für Vorrichtungen verwendet, die bei kürzeren Wellenlängen (unterhalb von 1200 nm) betrieben werden und die Verfahren zur Herstellung, Verarbeitung und Paketierung solcher Einrichtungen sind gut entwickelt und könnten für Vorrichtungen, die bei einer längeren Wellenlänge betrieben werden, angepaßt werden.
  • Die Leistungsfähigkeit von GaAs-basierten Vorrichtungen ist in gewisser Hinsicht derjenigen auf InP basierenden überlegen besonders im Hinblick auf Temperaturempfndlichkeit. Komplexe Strukturen wie Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSE-Laser) können oft einfach auf GaAs-Systemen in einem einzigen Aufwachsschritt hergestellt werden im Vergleich zu den komplizierten Vorgängen wie das Wafer Bonding, das für InP-Systeme erforderlich wäre, um dieselben Strukturen zu erhalten. Darüber hinaus ist die GaAs-Elektronik gut entwickelt und GaAs-basierte optoelektronische Vorrichtungen, die sowohl die optischen Funktionen als auch die zu ihrer Steuerung erforderlichen, elektronischen Schaltungen monolithisch auf demselben Chip integrieren, können relativ einfach bereitgestellt werden.
  • Man erkennt aus dem Obenstehenden, daß es höchst wünschenswert wäre, wenn GaAs-Systeme dazu gebracht werden könnten, bei längeren Wellenlängen zu arbeiten.
  • Es gibt drei bekannte Technologien, von denen gezeigt wurde, daß sie einen Betrieb bei längerer Wellenlänge auf GaAs-Substrat erreichen: (siehe zum Beispiel V. M. Ustinov und A. E. Zhukov, „GaAs-based long-wavelength lasers"; Semicond. Sci. Technol. 2000, 15, R41). Diese sind InAs- oder InGaAs-Quantendots, GaInNAs-Quantenwells oder -Dotierungen und GaAsSb-Quantenwells.
  • Im Falle von GaInNAs- und GaAsSb-Quantenwells reduziert das Hinzufügen von Stickstoff oder von Antimon in der Struktur die Bandlücke und führt zur Emission längerer Wellenlängen. Jedoch wird bei den gegenwärtigen Zuchttechniken die Qualität des Materials verschlechtert, wenn Stickstoff oder Antimon hinzugefügt wird.
  • Darüber hinaus bieten Quantendots einige Vorteile gegenüber den beiden konkurrierenden Techniken (basierend auf Quantenwells). Diese Vorteile sind auf die dreidimensionale Einschränkung der Träger (im Gegensatz zur eindimensionalen für Quantenwells) und auf die inhomogen verbreiterte Emission (im Gegensatz zur homogen verbreiterten Emission für Quantenwells) zurückzuführen. Diese Vorteile sind geringer Schwellwertstrom für Laser, geringere Temperaturempfindlichkeit oder die Möglichkeit zum Betrieb auf einem breiteren Band von Wellenlängen.
  • Eine andere wichtige Eigenschaft ist, daß Quantendots üblicherweise nicht nur bei ihrem Fundamentalübergang, sondern auch in einem breiten Band von Wellenlängen (entsprechend den angeregten Zuständen), die kürzer als ihr Fundamentalübergang sind, funktionieren können. Zum Beispiel ist das Herstellen von Quantendots, die bei 1480 nm aus ihrem Grundzustand emittieren, nicht nur wichtig für Anwendungen bei dieser Wellenlänge, sondern kann auch bei kürzeren Wellenlängen wie etwa 1300 nm (zum Beispiel aus ihrem zweiten angeregten Zustand) verwendet werden. Einiger Nutzen wird dann im Vergleich zu Quantendots, die direkt Licht bei 1300 nm aus ihrem Grundzustand emittieren, gewonnen wegen einer stärkeren Entartung der angeregten Zustände.
  • InAs- oder InGaAs-Quantendots werden üblicherweise gemäß dem Stranski-Krastanov-Zuchtmodus hergestellt, bei dem die Stammkultur, die aus einer Gitterfehlanpassung zwischen dem Substrat (GaAs) und dem Dotiermaterial (InAs oder InGaAs) resultiert, zur selbständigen Bildung von dreidimensionalen Inseln führt. Die Zucht wird üblicherweise mittels zweier Haupttechniken erreicht: Molekularstrahlenepitaxie (MBE) oder metallorganische Gasphasenepitaxie (MOCVD). Unter herkömmlichen Zuchtbedingungen (d. h. ähnlich zu dem, was für InGaAs-Quantenwells verwendet wird) betragen die lateralen Dotdimensionen typischerweise zwischen 14 und 30 nm (siehe zum Beispiel US-A-5.614435) und sie emittieren typischerweise bei Wellenlängen kürzer als 1200 nm bei 300K. In den hier vorgestellten Fällen zur Emission bei längeren Wellenlängen sind die lateralen Dotdimensionen typischerweise größer.
  • Um die Wellenlängen in InAs/GaAs-Quantendots weiter auszudehnen, wurden verschiedene Techniken entwickelt: R. P. Mirin et al., „1.3 μm photoluminescence from InGaAs quantum dots on GaAs; Appl. Phys. Lett. 1995, 67, 3795 schlug die Verwendung von Alternate-Layer-Epitaxie vor. R. Murray et. al., «1.3 μm room temperature emission from InAs/GaAs self-assembled quantum dots", Jpn. J. Appl. Phys. 1999, Part 1 38, 528 schlug die Verwendung niedriger InAs-Zuchtraten vor. Die längsten Wellenlängen, die mit diesen Techniken erzielt wurden, sind jedoch nahe bei 1300 nm und höchstens 1340 nm.
  • Es wurde ein alternatives Verfahren entwickelt, das entweder das Abdecken der Quantendots mit InGaAs oder Zucht der Dots auf InGaAs oder beides einbezieht. K. Nishi et al., „A narrow photoluminescence linewidth of 21 meV at 1.35 μm from strain-reduced InAs quantum dots covered by In0.2Ga0.8As grown on GaAs substrates", Appl. Phys. Lett. 1999, 74, 1111 schlug das Abdecken der Dots mit InGaAs vor und erreichte eine Emission bis zu 1350 nm mit MBE. A. Passaseo et al., „Wavelength control from 1.25 to 1.4 μm in InxGa1-xAs quantum dot structures grown by metal organic chemical vapor deposition", Appl. Phys. Lett. 2001, 78, 1382 verwendete eine ähnliche Technik, um Emissionen bis zu 1390 nm mit MOCVD zu erreichen. Schließlich beobachteten J. Tatebayashi et al., „Over 1.5 μm light emission from InAs quantum dots embedded in InGaAs strain-reducing layer grown by metalorganic chemical vapor deposition", Appl. Phys. Lett, 2001, 78, 3469 Emission bis zu 1520 nm, jedoch mit einer stark reduzierten Lumineszenzeffizienz, was daher nicht zur Verwendung in einer opto-elektronischen Vorrichtung geeignet ist.
  • Eine andere wichtige Eigenschaft einer Quantendotprobe ist die inhomogene Verbreiterung der Emission, gemessen durch die volle Breite bei halbem Maximum (FWHM) der Spitze der Photolumineszenz im Grundzustand bei niedriger Anregung und niedriger Temperatur (typischerweise 10 K). Für viele Anwendungen wie Laser muß die FWHM so klein wie möglich sein, um beste Leistungen zu erzielen. Die schmalste FWHM, die für Emissionswellenlängen oberhalb von 1300 nm erreicht wurde, ist 18 meV in R. P. Mirin et al., „Narrow photoluminescence linewidths from ensembles of self-assembled InGaAs quantum dots", J. Vac. Sci. Technol. B 2000, 18, 1510.
  • Eine Eigenschaft der Zucht von Quantendots, die für die vorliegende Erfindung relevant ist, ist die Möglichkeit, vertikal ausgerichtete Quantendots-Strukturen einfach durch das Züchten von aufeinander folgenden, nahe beieinander liegenden Quantendots-Schichten zu züchten (siehe zum Beispiel US 6177684 oder die japanische Patentanmeldung JP09326506 ). Diese Eigenschaft wurde früh erkannt (siehe zum Beispiel Q. Xie et al., „Vertically self-organized InAs quantum box islands on GaAs (100)", Phys. Rev. Lett. 1995, 75, 2542) und wurde seitdem vielfach untersucht. Mukhametzhanov et al., „Independent manipulation of density and size of stress-driven self-assembled quantum dots", Appl. Phys. Lett. 1998, 73, 1841 verwendeten diese Eigenschaft, um eine zweite Schicht größerer Dots mit einer niedrigeren Dichte zu züchten, als ansonsten unter den verwendeten Zuchtbedingungen möglich wäre. Eine erste Schicht mit einer niedrigen Dichte von kleinen Quantendots wurde gezüchtet, die aufgrund der vertikalen Stapelung die Dichte der zweiten Schicht bestimmte. Die resultierenden Quantendots in der zweiten Schicht waren dann ähnlich (in Hinsicht auf Dichte, Ausdehnung und Emissionseigenschaften) zu den Quantendots, die direkt mit einer niedrigen Zuchtraten gezüchtet wurden, obwohl sie bei einer herkömmlichen Zuchtrate von 0,22 ML/s gezüchtet wurden.
  • Von einem Aspekt betrachtet stellt die vorliegende Erfindung eine opto-elektronische Vorrichtung bereit einschließlich Halbleiter-Quantendots, die zumindest Strahlung in ihrem Grundzustand bei Wellenlängen größer als 1350 nm bei einer Temperatur von im wesentlichen 293 K oder in ihrem angeregten Zuständen emittieren, absorbieren oder verstärken.
  • Von einem anderen Aspekt betrachtet stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bilden der aktiven Region einer opto-elektronischen Vorrichtung bereit, die Halbleiter-Quantendots einbezieht, deren Emission im Grundzustand bei Wellenlängen größer als 1350 nm bei einer Temperatur von im wesentlichen 293 K auftritt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
    Züchten einer ersten Schicht von Quantendots, die entweder auf einer Substratschicht oder einer Pufferschicht gebildet werden, wobei Quantendots der ersten Schicht aufgrund einer Gitterfehlanpassung zwischen der Substratschicht und den Quantendots der ersten Schicht einer Spannung unterworfen sind;
    Züchten eines Spacer-Layer bzw. einer Abstandschicht über der ersten Schicht, wobei das Spacer-Layer aufgrund einer Gitterfehlanpassung zwischen den Quantendots der ersten Schicht und des Spacer-Layer einer Spannung in angespannten Bereichen unterworfen ist, die die Quantendots der ersten Schicht überlagern;
    Züchten einer aktiven Schicht von Quantendots auf dem Spacer-Layer, wobei die Quantendots der aktiven Schicht vorwiegend auf verspannten Bereichen des Spacer-Layer gebildet werden, so daß die Oberflächendichte der Quantendots der aktiven Schicht im wesentlichen durch die Oberflächendichte der Quantendots der ersten Schicht bestimmt werden, wobei die Quantendots der aktiven Schicht in einem weniger verspannten Zustand sind, in dem die Quantendots der aktiven Schicht geringerer Spannung unterworfen sind als die Quantendots, die auf einer nicht verspannten Oberfläche gezüchtet wurden, wobei die Zuchtbedingungen für die aktive Schicht verschieden sind von denjenigen der ersten Schicht und geeignet gewählt sind, wobei insbesondere die Substrat-Temperatur niedrig genug ist, um im wesentlichen den weniger verspannten Zustand zu bewahren und das Mischen der Quantendots der aktiven Schicht mit dem Spacer-Layer zu begrenzen; und
    Züchten einer Abdeckschicht auf der aktiven Schicht, wobei die Zuchtbedingungen der Abdeckschicht geeignet gewählt sind, wobei insbesondere die Substrattemperatur niedrig genug ist, um im Wesentlichen den geringer verspannten Zustand zu erhalten und das Vermischen der Quantendots der aktiven Schicht mit dem Spacer-Layer und mit der Abdeckschicht zu begrenzen.
  • Die vorliegende Erfindung beruht zum Teil auf der Möglichkeit zum Aufwachsen bzw. Züchten einer ersten Schicht, um die Dichte einer zweiten Schicht festzulegen. Obwohl diese Technik seit vielen Jahren bekannt ist, wurde die Möglichkeit, die erste Schicht zum Steuern des Spannungszustands der zweiten Schicht zu verwenden, und die Wichtigkeit des Mischeffekts während der Zucht und der Abdeckung dieser zweiten Schicht nicht erkannt. Das ist der Grund, warum diese Technik nicht zum Erweitern der Emission der Quantendots zu wünschenswerten Wellenlängen jenseits von 1350 nm bei Raumtemperatur verwendet wurde.
  • Man wird verstehen, daß diese Technik insbesondere für Ausführungsformen gut geeignet ist, bei denen das Substrat ein GaAs-Substrat ist.
  • Unter geeigneten Zucht- und Abdeckbedingungen führt die Verringerung der Spannung in den Quantendots der aktiven Schicht zu einer geringeren Bandlücke und folglich einer Emission im Grundzustand bei einer längeren Wellenlänge. Die Abdeckbedingungen können so gewählt werden, daß der durch die Verringerung der Spannung erhaltene Gewinn (Emissionen langer Wellenlänge) nicht aufgrund eines anderen konkurrierenden Mechanismus' verloren geht. Zum Beispiel haben geringer verspannte InGaAs-Quantendots eine Tendenz, mehr Gallium/Indium-Vermischung während der Abdeckung zu erfahren, was zu einer Emission kürzerer Wellenlänge führen würde. Die Substratstemperatur kann daher niedrig genug gehalten werden, um diese Mischeffekte zu vermeiden. Dies wird durch die Tatsache erleichtert, daß die Oberflächendichte der Quantendots der aktiven Schicht aufgrund des Zusammenwirkens der Spannung durch diejenige der ersten Schicht bestimmt wird. Die Zuchtparameter der aktiven Schicht können daher angepaßt werden, ohne die Dichte ihrer Quantendots zu beeinflussen. Dies ist anders als bei einer herkömmlichen Quanten-Dotschicht, bei der das Ändern der Zuchtparameter die Dichte stark beeinflußt und bei der zum Beispiel eine reduzierte Substrattemperatur zu einer hohen Dichte von kleinen Quantendots führt, die bei kurzen Wellenlängen emittieren.
  • Bestehende Techniken, die zum Ausdehnen der Emissionswellenlänge von InAs-Quantendots verwendet wurden, wie die Verwendung von InGaAs-Sperren oder das Einfügen von Stickstoff, sind üblicherweise mit einer Verschlechterung der Materialqualität und folglich starker Reduktion der Intensität der Emission bei Raumtemperatur verbunden. Diese Techniken können vorteilhafterweise in einigen Ausführungsformen vermieden werden, wobei eine Emission langer Wellenlänge und eine starke Emission bei Raumtemperatur erhalten bleiben.
  • Das Zusammenwirken der Spannung zwischen den Schichten und das reduzierte Mischen produzieren auch Quantendots mit einer besseren Gleichmäßigkeit. Viel schmalere FWHM in der Photolumineszenz-Emission der aktiven Schicht können daher erzielt werden.
  • Es versteht sich, daß die Dicke des Spacer-Layer abhängig von den jeweiligen Umständen und den verwendeten Substanzen variieren könnte, aber es hat sich herausgestellt, daß dieses Spacer-Layer vorteilhafterweise eine Dicke von 3 × 10–9 m bis 3 × 10–8 m hat.
  • In den bevorzugten Ausführungsformen ist es vorteilhaft, daß die Quantendots der ersten Schicht derart gezüchtet werden, daß ihr Spannungsfeld stark genug ist, um sich im wesentlichen durch das Spacer-Layer (Abstandsschicht) auszudehnen. Dies wird durch Züchten der ersten Quantendotschicht bei einer niedrigen Wachstumsrate von weniger als 0,06 Monolayer pro Sekunde erleichtert. Der Einfachheit halber kann diese Wachstumsrate auch für die zweite Quantendotschicht unverändert gehalten werden
  • Es versteht sich, daß die Quantendots der aktiven Schicht abhängig von der Dicke des Spacer-Layer elektronisch mit denen der ersten Schicht gekoppelt sein können, was für einige Anwendungen einen Vorteil darstellen kann.
  • Während es sich versteht, daß die Oberflächendichte der Quantendots abhängig von der bestimmten Vorrichtung und Anwendung beträchtlich variieren könnte, ist die Erfindung im Speziellen für Ausführungsformen gut geeignet, bei denen die Oberflächendichte der Quantendots zwischen 1013 und 1015 pro Quadratmeter liegt.
  • Man versteht, daß es für einige Vorrichtungen und in besonderen Umständen wünschenswert sein kann, mehr als eine aktive Schicht von Quantendots zu haben, und dies kann durch Bilden weiterer Spacer-Layers (möglicherweise durch die Abdeckschicht bereitgestellt) und aktiver Schichten erreicht werden, um einen Stapel aktiven Schichten von Quantendots zu erzeugen, die die wünschenswerten Eigenschaften haben.
  • Während die vorhandenen Techniken unter Verwendung einer Reihe von verschiedenen Materialmöglichkeiten angewendet werden können, sind in bevorzugten Ausführungsformen die Quantendots unter anderen InAs-Quantendots. InGaAs-Quantendots oder GaInNAs-Quantendots. In einer ähnlichen Weise könnte zumindest ein Teil der Substratschicht aus einer Vielzahl von Materialien gebildet werden, aber es ist vorzugsweise GaAs oder AlGaAs. Das Spacer-Layer und die Abdeckschicht können auch zumindest teilweise aus einer Vielzahl von verschiedenen komplementären Materialien gebildet werden wie GaAs, AlGaAs, InGaAs, InAlGaAs oder GaInNAs. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, den letzten Teil des Spacer-Layer oder den ersten Teil der Abdeckschicht oder beide mit InGaAs anstelle von GaAs zu bilden.
  • Die mittels der oben beschriebenen Techniken gebildeten opto-elektronischen Vorrichtungen könnten abhängig von der speziellen Anwendung eine große Vielfalt von unterschiedlichen Funktionen und Formen haben, aber die vorliegende Erfindung ist besonders nützlich, wenn die aktive Schicht betrieben wird, um mindestens Strahlungsemission, Strahlungsverstärkung, Strahlungserkennung oder Strahlungsabsorption durchzuführen.
  • Eine erste Eigenschaft des aktiven Bereichs gemäß der aktuellen Technik und verbunden mit seiner verbesserten Leistungsfähigkeit ist, daß die Dichte der Dots der aktiven Schicht durch die Dichte der Dots der ersten Schicht bestimmt wird. Dies ermöglicht die Wahl der Dichte der Dotierungen in der aktiven Schicht unabhängig von den Zuchtparametern, die verwendet werden, um sie zu züchten und abzudecken.
  • Eine zweite Eigenschaft dieser Technik ist, daß die erste Eigenschaft verwendet wird, um die Zuchtparameter der aktiven Schicht auszuwählen, so daß der weniger verspannte Zustand der Dots der aktiven Schicht beibehalten wird und die Mischeffekte soweit wie möglich reduziert werden. Dies sind zwei signifikante Faktoren zum Erreichen einer Abstrahlung längerer Wellenlänge mit einer schmalen Verbreiterung.
  • Eine besonders bevorzugte, vorteilhafte Eigenschaft dieses Verfahrens zum Bilden einer opto-elektronischen Vorrichtung ist, daß die aktive Schicht bei einer niedrigeren Temperatur als die erste Schicht gezüchtet wird. Dies wird durch die Vorlage/Abtastungsaktion der verspannten Bereiche des Spacer-Layer beim Bereitstellen der Orte von Quantendots der aktiven Schicht erleichtert, um sich bei Temperaturen auszubilden, die niedriger sind, als sonst zum Bilden solcher Quantendots in Abwesenheit des Spacer-Layer benötigt würde. Die Bildung der Quantendots der aktiven Schicht bei einer niedrigeren als sonst üblichen Temperatur verbessert tendenziell ihre Gleichmäßigkeit und Leistungscharakteristiken, z. B. der Emission einer längeren Wellenlänge mit einer niedrigeren FWHM.
  • Die Wirkung des Spacer-Layer beim Bereitstellen einer Vorlage/Schlüssels zur Bildung der Quantendots in der aktiven Schicht wird verbessert, wenn das Spacer-Layer vor der Bildung der Quantendots der aktiven Schicht einer Temperung unterzogen wird.
  • Ausführungsformen der Erfindung werden nun nur als Beispiel unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von denen:
  • 1 die Bildung des aktiven Bereichs einer opto-elektronischen Vorrichtung schematisch darstellt;
  • 2 die Schichtstruktur des aktiven Bereichs einer opto-elektronischen Vorrichtung mit fünf aktiven Schichten von Quantendots schematisch darstellt;
  • 3 die Schichtstruktur des aktiven Bereichs einer opto-elektronischen Vorrichtung mit drei aktiven Schichten von Quantendots schematisch darstellt;
  • 4 das Photolumineszenz-Spektrum bei niedriger Temperatur und niedriger Anregung des aktiven Bereichs einer opto-elektronischen Vorrichtung darstellt, wobei die Spacer- und Abdeckschichten nur aus GaAs bestehen;
  • 5 das Photolumineszenz-Spektrum bei Raumtemperatur und hoher Anregung desselben aktiven Bereichs einer opto-elektronischen Vorrichtung wie der in 4 gezeigten darstellt;
  • 6 das Photolumineszenz-Spektrum bei niedriger Temperatur und niedriger Anregung eines anderen aktiven Bereichs einer opto-elektronischen Vorrichtung darstellt, wobei der letzte Teil des Spacer-Layer und der erste Teil der Abdeckschicht aus InGaAs bestehen; und
  • 7 das Photolumineszenz-Spektrum bei Raumtemperatur und hoher Anregung desselben aktiven Bereichs einer anderen opto-elektronischen Vorrichtung wie der in 6 gezeigten darstellt.
  • Es wird ein Verfahren zum Herstellen hochqualitativer Quantendotschichten beschrieben, die bei längeren Wellenlängen (über 1350 nm) aus ihrem Grundzustand heraus bei einer guten Lumineszienzeffizienz und einer niedrigen FWHM emittieren. Eine solche Struktur kann als aktiver Bereich vieler opto-elektronischen Vorrichtungen verwendet werden, die auf GaAs-Substrat gezüchtet und bei Wellenlängen oberhalb 1350 nm betrieben werden. Ein solcher aktiver Bereich könnte auch bedeutende Verbesserungen für opto-elektronische Vorrichtungen bieten, die bei kürzeren Wellenlängen mittels Emission und Absorption in den angeregten Zuständen der Dotierungen betrieben werden.
  • 1 stellt die Bildung des aktiven Bereichs einer opto-elektronischen Vorrichtung schematisch dar. Bei Schritt (a) wird ein Substrat wie ein GaAs-Substrat typischerweise in der Form eines Wafer bereitgestellt. Eine Pufferschicht wie GaAs kann auf diesem Substrat gezüchtet werden.
  • Bei Schritt (b) wird eine erste Schicht von Quantendots wie InAs-Quantendots gemäß dem Stranski-Krastanov-Zuchtmodus gebildet, wobei die aus der Gitterfehlanpassung zwischen dem Substrat und den Quantendots resultierende Spannung zur Selbstbildung der dreidimensionalen Inseln führt, welche die Quantendots ausmachen.
  • Bei Schritt (c) wird ein Spacer-Layer wie ein GaAs-Spacer-Layer über der ersten Schicht abgelagert. Die Nichtübereinstimmung der Gitterkonstanten zwischen den Quantendots der ersten Schicht und des Spacer-Layer führt zu einem Spannungsbereich zwischen dem Spacer-Layer und den Quantendots, der sich bis zur oberen Oberfläche des Spacer-Layer erstreckt, um verspannte Bereiche auf der oberen Oberfläche des Spacer-Layer zu erzeugen, die den darunterliegenden Quantendots der ersten Schicht entsprechen.
  • Bei Schritt (d) wird eine aktive Schicht von Quantendots wie InAs-Quantendots oberhalb des Spacer-Layer abgelagert. Die verspannten Bereiche der oberen Oberfläche des Spacer-Layer bilden ein Muster für die Bildung der Quantendots der aktiven Schicht, die ausgerichtet sind, um die Quantendots der ersten Schicht zu überlagern. Das Vorhandensein dieses Spannungsbereiches bzw. -feldes verfestigt sich üblicherweise durch eine Reduktion in der InAs-Überdeckung, die für die Zucht zum Wechseln von 2D zu 3D erforderlich ist, was mittels Beugung hochenergetischer Elektronen (RHEED) gemessen werden kann. Die Oberflächendichte der Quantendots der aktiven Schicht wird durch das Muster, das von den verspannten Bereichen auf der oberen Oberfläche des Spacer-Layer bereitgestellt wird, effektiv gesteuert anstatt durch die speziellen Zuchtparameter, die zur Bildung der aktiven Schicht verwendet werden. Dementsprechend kann die aktive Schicht von Quantendots mit anderen Zuchtparametern gebildet werden, als sonst nötig wären, um die aktive Schicht von Quantendots bei Fehlen der darunterliegenden ersten Schicht und des Spacer-Layer zu bilden. Diese zumindest teilweise Entkopplung der Zuchtparameter für die Quantendots der aktiven Schicht von der Oberflächendichte der Quantendots der aktiven Schicht ermöglicht es, Zuchtparametern zu verwenden, die zum Erreichen von Emissionscharakteristiken mit langer Wellenlängen der aktiven Schicht von Quantendots günstiger sind, als ansonsten möglich wäre. Als ein Beispiel kann die aktive Schicht von Quantendots bei einer niedrigeren Temperatur gezüchtet werden, was zu geringerer Mischung des Materials der Quantendots mit dem darunterliegenden Spacer-Layer führt. Die höhere Gleichmäßigkeit der aktiven Schicht von Quantendots, die dadurch erreicht wird, führt zu einer schmäleren inhomogenen Verbreiterung. Darüber hinaus hat das Spacer-Layer, da es durch die darunterliegende erste Schicht vorgespannt wird, eine Gitterkonstante in den verspannten Bereichen, die den Quantendots der aktiven Schicht genauer entspricht, und dementsprechend sind die Quantendots der aktiven Schicht weniger verspannt als die Quantendots, die sich auf einer nicht vorgespannten Oberfläche bilden. Dies trägt zusammen mit der verminderten Vermischung zur gewünschten Emission langer Wellenlängen bei.
  • Bei Schritt (e) wird eine Abdeckschicht wie beispielsweise GaAs über der aktiven Schicht von Quantendots gebildet. Die Abdeckschicht und speziell ihre ersten wenigen Nanometer wird üblicherweise, aber nicht notwendigerweise, unter denselben Zuchtbedingungen gezüchtet wie die aktive Schicht, um eine Wachstumsunterbrechung zu vermeiden.
  • Es versteht sich, daß das einfache in 1 gezeigte Beispiel ein System mit einem Material, nämlich GaAs und InAs, verwendet, daß jedoch andere Möglichkeiten verfügbar sind wie das Bilden der Abdeckschichten und/oder Spacer-Layers oder Teilen davon aus InGaAs anstelle von GaAs. Als weitere Alternativen können Materialsysteme wie AlGaAs mit InAlGaAs-Spacers anstelle der oben diskutierten GaAs- und InGaAs-Schichten verwendet werden. GaInNAs kann auch als das Material der Quantendots oder Abstands-/Abdeckschichten verwendet werden.
  • Die Ausführungsform von 1 zeigt die Bildung einer einzelnen aktiven Schicht. 2 stellt den aktiven Bereich einer opto-elektronischen Vorrichtung dar, bei der weitere aktive Schichten durch wiederholte Ablagerung eines Spacer-Layer und einer aktiven Schicht gebildet werden. In dem Beispiel von 2 werden, sobald die anfängliche erste Schicht von Quantendots gebildet wurde, fünf Gruppen von zusammengehörigen bzw. zugeordneten Abdeckschichten/Spacer-Layers und aktiven Schichten darüber abgelagert gefolgt von einer abschließenden Abdeckschicht.
  • 3 stellt eine alternative Ausführungsform des aktiven Bereichs einer opto-elektronischen Vorrichtung dar. In dieser Ausführungsform werden drei aktive Schichten gebildet. Die Vorrichtung wird aus drei Gruppen von Schichten gebildet, wobei jede Gruppe von Schichten eine erste Schicht, ein Spacer-Layer, eine aktive Schicht und eine Abdeckschicht aufweist. Nachdem die erste Abdeckschicht abgeschieden wurde, wird eine weitere erste Schicht darüber abgeschieden und die Sequenz wiederholt.
  • Eine Unterscheidung zwischen einer Abdeckschicht und einem Spacer-Layer in der Ausführungsform von 3 stellt die Dicke der Abdeckschicht relativ zu der Dicke eines Spacer-Layer in Beziehung. Eine Abdeckschicht ist im allgemeinen viel dicker, so daß sich die verspannten Bereiche nicht durch sie hindurch erstrecken.
  • 4 stellt das Photolumineszenz-Spektrum bei niedriger Temperatur (10K) und niedriger Anregung des aktiven Bereichs einer opto-elektronischen Vorrichtung dar, die gemäß der obigen Techniken gebildet wird. In diesem ersten Beispiel werden eine Spacer-Layer und eine Abdeckschicht nur aus GaAs gebildet. Wie sich zeigt, hat die Emission bei relativ hohen 1280 nm eine Spitze mit einer schmalen vollen Breite und bei halbem Maximum (FWHM) von 14 meV, was die hohe Gleichmäßigkeit der Quantendots anzeigt, die gebildet wurden.
  • 5 stellt das Spektrum bei Raumtemperatur und hoher Anregung für dieselbe Vorrichtung dar. In diesem Fall zeigt sich, daß die Emissionsspitzen für diesen Arbeitsbereich bei Raumtemperatur der Vorrichtung in der Wellenlänge zu ungefähr 1390 nm für die Emission im Grundzustand nach oben bewegt haben, wobei sie sich sogar bis zu 1430 nm erstrecken. Dies macht die Herstellung von GaAs-basierten Vorrichtungen möglich, die bei Wellenlängen jenseits von 1350 nm betrieben werden. Darüber hinaus wird die Emission des ersten angeregten Zustandes um 1300 nm herum beobachtet. Ein solcher aktiver Bereich könnte daher die Leistungsfähigkeit von Vorrichtungen mit GaAs-basierten Quantendots verbessern, die nah bei 1300 nm betrieben werden, da der maximale optische Zugewinn, der aus dem ersten angeregten Zustand erreichbar ist, doppelt so groß ist wie der aus dem Grundzustand erreichbare.
  • Ein anderes Beispiel eines Quanten-Dotbeispiels, das den Nutzen dieser Technik darstellt, wird nun gegeben. Der Unterschied zu dem vorigen Beispiel ist, daß InGaAs anstelle von GaAs verwendet wurde, um die Dots abzudecken. Die resultierende Emissionswellenlänge ist sogar länger und wird bei 1480 nm bei Raumtemperatur beobachtet.
  • 6 stellt das Photolumineszenz-Spektrum bei niedriger Temperatur (10 K) und niedriger Anregung in diesem anderen aktiven Bereich dar, der gemäß der obigen Techniken gebildet wird. Der Unterschied zu dem vorigen Beispiel ist, daß InGaAs anstelle von GaAs in dem letzten Teil des Spacer-Layer und in dem ersten Teil der Abdeckschicht verwendet wurde. Man erkennt, daß die Emission bei einer noch höheren Wellenlänge von 1350 nm (bei 10 K) eine Spitze hat mit einer schmalen FWHM von 14,5 meV.
  • 7 stellt das Spektrum bei Raumtemperatur und hoher Anregung für demselben aktiven Bereich dar. In diesem Fall erkennt man, daß die Emission bei Raumtemperatur aus dem Grundzustand bei 1480 nm eine Spitze hat und sich bis jenseits von 1500 nm erstreckt. Dies wiederum macht die Herstellung von GaAs-basierten Vorrichtungen möglich, die bei diesen langen Wellenlängen betrieben werden. Außerdem ergibt sich die Emission im ersten angeregten Zustand bei 1390 nm und die Emission im zweiten angeregten Zustand um 1300 nm. Ein solcher aktiver Bereich könnte daher die Leistungsfähigkeit von Vorrichtungen mit GaAs-basierten Quantendots verbessern, die bei diesen Wellenlängen betrieben werden, da die maximale optische Verstärkung, die aus dem zweiten angeregten Zustand erreichbar ist, viermal so hoch ist wie im Grundzustand, und diejenige des ersten angeregten Zustandes zweimal so groß ist wie diejenige aus dem Grundzustand.
  • Ein spezielleres Beispiel der zur Bildung der beispielhaften opto-elektronischen Einrichtung verwendeten Parameter, für die die Spektren bei niedriger Temperatur und bei Raumtemperatur in den 4 und 5 dargestellt sind, wird unten gegeben.
  • Ein 2-Zoll n+-dotierter GaAs-Wafer wird in ein Molekularstrahlepitaxie-(MBE)-System geladen und auf ein extrem hohes Vakuum abgepumpt. Die Substrattemperatur wird bei 620°C zur Oxid-Entfernung gehalten. Nach Zucht einer 100 nm dicken GaAs-Pufferschicht bei 580°C wird die Temperatur zur Zucht der ersten Quantendotschicht auf 500°C gesenkt. Die absoluten Werte der Substrattemperaturen sind in einem MBE-System schwierig auszuwerten. In unserem Fall ist die Referenztemperatur die Temperatur, bei der sich die Rekonstruktion der GaAs-Oberfläche von einem 2×4-Muster zu einem c4×4-Muster ändert, wobei dieses Muster mittels Beugung hochenergetischer Elektronen (RHEED) überwacht wird. Für den hier verwendeten Hintergrunddruck von Arsen (2,6 × 10–6mbar) wurde diese Referenztemperatur mit einem Pyrometer als 500°C gemessen. Die anderen Temperaturen werden relativ zu dieser Referenztemperatur mittels eines Thermokelements gemessen. Die erste Quantendotschicht besteht aus einer Abscheidung von 2,2 ML von InAs bei einer Wachstumsrate von 0,015 Monolayer pro Sekunde und wird unmittelbar bei 12 nm von GaAs bei 500°C abgedeckt. Die Temperatur wird von auf 580°C erhöht, die Probe für 10 Minuten getempert und die Temperatur wieder auf 470°C abgesenkt zur Zucht der aktiven Quantendotschicht. Diese Schicht besteht aus der Abscheidung von 2,7 ML von InAs bei 470°C, unmittelbar begrenzt mit 10 nm von GaAs bei 470°C. Die Temperatur wird dann zur Zucht des Rests der GaAs-Abdeckung (100 nm) auf 580°C erhöht. Siehe 4 und 5 für die Photolumineszenz bei niedriger Temperatur und bei Raumtemperatur von einer solchen Probe.
  • Bei dem zweiten Beispiel (6 und 7) sind die einzigen Unterschiede, daß das Spacer-Layer aus 10 nm GaAs gefolgt von 2 nm InGaAs mit einem Indium-Anteil von 15% besteht und daß die ersten 5 nm der Abdeckschicht durch 5 nm inGaAs mit einem Indium-Anteil von 26% ersetzt werden.
  • SCHLÜSSEL ZU DEN FIGUREN
  • 4
  • Photolumineszenz-Spektrum bei niedriger Temperatur und niedriger Anregung. Die Emission hat bei 0,968 eV (1280 nm) eine Spitze mit einer schmalen, vollen Breite bei halbem Maximum von 14 meV, was die hohe Gleichmäßigkeit der Quantendots anzeigt.
  • 5
  • Spektrum bei Raumtemperatur und hoher Anregung. Die Emission im Grundzustand hat bei 1390 nm eine Spitze und erstreckt sich hinauf bis ungefähr 1430 nm. Die erste angeregte Emission tritt um 1300 nm herum auf.
  • 6
  • Photolumineszenz-Spektrum bei niedriger Temperatur und niedriger Anregung des zweiten Beispiels (das InGaAs in den Spacer- und Abdeckschichten enthält). Die Emission hat bei 0,918 eV (1350 nm) eine Spitze bei einer schmalen, vollen Breite bei halbem Maximum von 14,5 meV, was eine hohe Gleichmäßigkeit der Quantendots anzeigt.
  • 7
  • Photolumineszenz-Spektrum bei Raumtemperatur und hoher Anregung des zweiten Beispiels (das InGaAs in den Spacer- und Abdeckschichten enthält). Die Emission im Grundzustand hat bei 1480 nm eine Spitze und erstreckt sich bis jenseits von 1500 nm. Die Emission im ersten angeregten Zustand tritt bei 1390 nm auf und die Emission im zweiten angeregten Zustand um 1300 nm herum.

Claims (21)

  1. Verfahren zum Ausbilden der aktiven Region einer optoelektronischen Vorrichtung, die Halbleiterquantendots beinhaltet, deren Grundzustandsemission bei im wesentlichen 293 K bei Wellenlängen größer als 1350 nm auftritt, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Aufwachsen einer ersten Schicht von Quantendots gebildet auf einer Substratschicht oder einer Pufferschicht, wobei die Quantendots der ersten Schicht einer Spannung aufgrund einer Gitterfehlanpassung zwischen der Substratschicht und den Quantendots der ersten Schicht ausgesetzt sind, Aufwachsen einer Abstandsschicht über der ersten Schicht und wobei die Abstandsschicht einer Spannung in verspannten Bereichen, welche über den Quantendots bzw. Quantenpunkten der ersten Schicht liegen, aufgrund einer Gitterfehlanpassung zwischen den Quantendots der ersten Schicht und der Abstandsschicht, ausgesetzt ist, Aufwachsen einer aktiven Schicht von Quantendots auf der Abstandsschicht, wobei sich Quantendots der aktiven Schicht vorwiegend auf den unter Spannung stehenden Bereichen der Abstandsschicht ausbilden, so daß die Oberflächendichte der Quantendots der aktiven Schicht im wesentlichen durch die Oberflächendichte der Quantendots der ersten Schicht bestimmt wird, wobei die Quantendots der aktiven Schicht in einem spannungserholten Zustand sind, in dem die Quantendots der aktiven Schicht einer geringeren Spannung ausgesetzt sind als die Quantendots, die auf einer nicht verspannten Fläche aufgewachsen sind, wobei sich die Aufwachsbedingungen für die aktive Schicht von denen der ersten Schicht unterscheiden und geeignet ausgewählt sind, wobei insbesondere die Substrattemperatur niedrig genug ist, um so im wesentlichen den spannungserholten Zustand zu erhalten und das Vermischen der Quantendots der aktiven Schicht mit der Abstandsschicht zu begrenzen, und Aufwachsen einer Deckschicht auf der aktiven Schicht, wobei die Aufwachsbedingungen für die Abdeckschicht geeignet gewählt sind, insbesondere die Substrattemperatur niedrig genug ist, um im wesentlichen den spannungserholten Zustand beizubehalten und das Vermischen der Quantendots der aktiven Schicht mit der Abstandsschicht und mit der Deckschicht zu begrenzen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abstandsschicht mit einer Dicke von 3 × 10–9 m bis 3 × 10–8 m aufgewachsen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Schicht der Quantendots mit einer Wachstumsrate von weniger als 0,06 Monolayers bzw. Monoschichten pro Sekunde aufgewachsen wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei die Quantendots in der ersten Schicht aufgewachsen werden, so daß sie eine Oberflächendichte von zwischen 1013 und 1015 pro Quadratmeter haben.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, wobei die Deckschicht als eine Abstandsschicht für das Aufwachsen von einer oder mehreren weiteren aktiven Schichten und Abdeckschichten fungiert.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, die das Aufwachsen von einer oder mehreren weiteren ersten Schicht, Abstandsschicht, aktiven Schicht und Abdeckschichtgruppen auf der Abdeckschicht aufweist.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Quantendots (i) InAs-Quantendots, (ii) InGaAs-Quantendots oder (iii) GaInNAs-Quantendots sind.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der Substratschicht der Pufferschicht (i) GaAs oder (ii) AlGaAs ist.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der Abstandsschicht aus: (i) GaAs, (ii) AlGaAs, (iii) InGaAs, (iv) InAlGaAs oder (v) GaInNAs besteht.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zumindest ein Teil der Abdeckschicht aus: (i) GaAs, (ii) AlGaAs, (iii) InGaAs, (iv) InAlGaAs oder (v) GaInNAs besteht.
  11. Verfahren nach einem vorherigen Ansprüche, bei dem die aktive Schicht betreibbar ist, um zumindest (i) die Strahlungsemission, (ii) die Strahlungsverstärkung, (iii) die Strahlungserfassung oder (iv) die Strahlungsabsorbierung durchzuführen.
  12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die durchschnittliche Größe der Quantendots in der aktiven Schicht sich von der durchschnittlichen Größe der Quantendots in der ersten Schicht unterscheidet.
  13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die aktive Schicht bei einer niedrigeren Temperatur als die erste Schicht aufgewachsen wird.
  14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Abdeckschicht bei einer niedrigeren Temperatur als die erste Schicht aufgewachsen wird.
  15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Abdeckschicht vor dem Aufwachsen der aktiven Schicht auf der Abstandsschicht getempert wird.
  16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Aufwachsen zwischen der Abstandsschicht und der aktiven Schicht unterbrochen wird, um die Wachstumsparameter zu verändern.
  17. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Aufwachsen zwischen der aktiven Schicht und der Abdeckschicht unterbrochen wird, um die Wachstumsparameter zu verändern.
  18. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Quantendots der ersten Schicht elektronisch mit den Quantendots der aktiven Schicht gekoppelt sind.
  19. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Quantendots der aktiven Schicht betreibbar sind, so daß sie zumindest in ihren Grundzuständen Licht emittieren, absorbieren oder verstärken.
  20. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Quantendots der aktiven Schicht betreibbar sind, so daß sie in ihren angeregten Zuständen zumindest Licht emittieren, absorbieren oder verstärken.
  21. Optoelektronische Vorrichtung, die einen aktiven Bereich enthält, der entsprechend dem Verfahren aufgewachsen ist, das in einem der Ansprüche 1 bis 20 beschrieben ist.
DE60302246T 2002-05-24 2003-05-19 Verfahren zur herstellung von quantum dots für langwelligen betrieb Expired - Fee Related DE60302246T2 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB0212055 2002-05-24
GB0212055A GB2388957A (en) 2002-05-24 2002-05-24 Quantum dots for extended wavelength operation
PCT/GB2003/002152 WO2003100833A2 (en) 2002-05-24 2003-05-19 Method of forming quantum dots for extended wavelength operation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE60302246D1 DE60302246D1 (de) 2005-12-15
DE60302246T2 true DE60302246T2 (de) 2006-08-03

Family

ID=9937401

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE60302246T Expired - Fee Related DE60302246T2 (de) 2002-05-24 2003-05-19 Verfahren zur herstellung von quantum dots für langwelligen betrieb

Country Status (10)

Country Link
US (1) US7160822B2 (de)
EP (1) EP1508189B1 (de)
JP (1) JP2005534164A (de)
CN (1) CN100375353C (de)
AT (1) ATE309634T1 (de)
AU (1) AU2003239674A1 (de)
DE (1) DE60302246T2 (de)
ES (1) ES2253678T3 (de)
GB (1) GB2388957A (de)
WO (1) WO2003100833A2 (de)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2409334A (en) * 2003-12-20 2005-06-22 Agilent Technologies Inc Quantum dot structure having GaAs layers formed at varying partial pressures
US7749787B2 (en) * 2004-12-08 2010-07-06 Electronics And Telecommunications Research Institute Method for forming quantum dots by alternate growth process
CN100511734C (zh) * 2005-08-31 2009-07-08 中国科学院半导体研究所 1.02-1.08微米波段InGaAs/GaAs量子点外延结构及其制造方法
CN100487864C (zh) * 2006-01-26 2009-05-13 中国科学院半导体研究所 宽光谱砷化铟/砷化铟镓/砷化镓量子点材料生长方法
JP5182363B2 (ja) * 2008-03-19 2013-04-17 富士通株式会社 半導体発光素子及びその製造方法
US7842595B2 (en) * 2009-03-04 2010-11-30 Alcatel-Lucent Usa Inc. Fabricating electronic-photonic devices having an active layer with spherical quantum dots
US20140175287A1 (en) * 2012-12-21 2014-06-26 Jarrod Vaillancourt Optical Antenna Enhanced Infrared Detector
CN103137789A (zh) * 2013-01-28 2013-06-05 中国科学院半导体研究所 制备低密度、长波长InAs/GaAs 量子点的方法
US9240449B2 (en) * 2014-05-26 2016-01-19 Yu-chen Chang Zero-dimensional electron devices and methods of fabricating the same
DE102016110041A1 (de) * 2016-05-31 2017-11-30 Osram Opto Semiconductors Gmbh Bauelement zum Detektieren von UV-Strahlung und Verfahren zur Herstellung eines Bauelements
CN109038220A (zh) * 2018-08-16 2018-12-18 海南师范大学 一种长波长InGaAs量子点结构及其制备方法
US11809957B2 (en) * 2018-11-19 2023-11-07 Google Llc Three qubit entangling gate through two-local hamiltonian control

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0665578B1 (de) * 1993-11-25 2002-02-20 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Halbleiterstruktur und Herstellungsverfahren
JP3672678B2 (ja) * 1996-04-05 2005-07-20 富士通株式会社 量子半導体装置およびその製造方法
US5888885A (en) * 1997-05-14 1999-03-30 Lucent Technologies Inc. Method for fabricating three-dimensional quantum dot arrays and resulting products
JP4138930B2 (ja) * 1998-03-17 2008-08-27 富士通株式会社 量子半導体装置および量子半導体発光装置
CA2268997C (en) * 1998-05-05 2005-03-22 National Research Council Of Canada Quantum dot infrared photodetectors (qdip) and methods of making the same
US6507042B1 (en) * 1998-12-25 2003-01-14 Fujitsu Limited Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2000196193A (ja) * 1998-12-25 2000-07-14 Fujitsu Ltd 半導体装置及びその製造方法
KR100319300B1 (ko) * 2000-03-23 2002-01-04 윤종용 이종접합구조의 양자점 버퍼층을 가지는 반도체 소자
DE10042947A1 (de) * 2000-08-31 2002-03-21 Osram Opto Semiconductors Gmbh Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement auf GaN-Basis
US6600169B2 (en) * 2000-09-22 2003-07-29 Andreas Stintz Quantum dash device
US6816525B2 (en) * 2000-09-22 2004-11-09 Andreas Stintz Quantum dot lasers
JP3753605B2 (ja) * 2000-11-01 2006-03-08 シャープ株式会社 太陽電池およびその製造方法
SG98018A1 (en) * 2000-12-08 2003-08-20 Inst Materials Research & Eng A method of fabricating a semiconductor structure having quantum wires and a semiconductor device including such structure
JP2002184970A (ja) * 2000-12-15 2002-06-28 Fujitsu Ltd 量子ドットを含む半導体装置、その製造方法及び半導体レーザ装置
GB2373371A (en) * 2001-03-17 2002-09-18 Agilent Technologies Inc Quantum dot laser structure
US6645885B2 (en) * 2001-09-27 2003-11-11 The National University Of Singapore Forming indium nitride (InN) and indium gallium nitride (InGaN) quantum dots grown by metal-organic-vapor-phase-epitaxy (MOCVD)
JP4041877B2 (ja) * 2001-12-27 2008-02-06 国立大学法人 筑波大学 半導体装置
JP3868353B2 (ja) * 2002-08-27 2007-01-17 富士通株式会社 量子ドットを有する半導体光装置

Also Published As

Publication number Publication date
DE60302246D1 (de) 2005-12-15
WO2003100833A2 (en) 2003-12-04
EP1508189B1 (de) 2005-11-09
ES2253678T3 (es) 2006-06-01
ATE309634T1 (de) 2005-11-15
CN1656658A (zh) 2005-08-17
GB2388957A (en) 2003-11-26
CN100375353C (zh) 2008-03-12
WO2003100833A3 (en) 2004-11-11
AU2003239674A8 (en) 2003-12-12
US20050227386A1 (en) 2005-10-13
JP2005534164A (ja) 2005-11-10
US7160822B2 (en) 2007-01-09
EP1508189A2 (de) 2005-02-23
AU2003239674A1 (en) 2003-12-12
GB0212055D0 (en) 2002-07-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60317862T2 (de) Lichtemittierende Halbleitervorrichtung
DE69921189T2 (de) Verbindungshalbleiterstruktur für optoelektronische bauelemente
DE69834415T2 (de) Lichtemittierendes galliumnitridhalbleiterelement mit einer aktiven schicht mit multiplexquantentrogstruktur und halbleiterlaserlichtquellenvorrichtung
DE2453347C2 (de) Halbleitervorrichtung, insbesondere Halbleiterlaser
DE69936564T2 (de) Züchtungsverfahren für einen III-V-Nitridverbindungshalbleiter und Herstellungsverfahren für ein Halbleiterbauelement
DE60014097T2 (de) Nitrid-halbleiterschichtenstruktur und deren anwendung in halbleiterlasern
DE102004009531B4 (de) Quanten-Kaskaden-Laser-Struktur
DE60225781T2 (de) Langwelliges photonisches Bauelement mit InGaAsSb Quantentopfschicht
DE60302246T2 (de) Verfahren zur herstellung von quantum dots für langwelligen betrieb
DE102010012711A1 (de) Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement und Verfahren zur Herstellung eines strahlungsemittierenden Halbleiterbauelements
DE102006010277A1 (de) Halbleitervorrichtung
WO2009106070A1 (de) Optoelektronischer halbleiterkörper mit tunnelübergang und verfahren zur herstellung eines solchen
DE112004002804T5 (de) Züchtungsverfahren für eine Nitridhalbleiterschicht sowie Lichtemissionsbauteil unter Verwendung dieses Züchtungsverfahrens
DE60220803T2 (de) Halbleiterstruktur für Infrarotbereich und Herstellungsverfahren
DE112004000211T5 (de) System und Verfahren unter Verwendung von Migration-Enhanced-Epitaxie zum Abflachen aktiver Schichten und zur mechanischen Stabilisierung von mit oberflächenemittierenden Lasern assoziierten Quantentöpfen
EP0752165B1 (de) Quantenschichtstruktur
DE60206025T2 (de) Herstellungsverfahren für optische vorrichtungen und verbesserungen
DE112014002691B4 (de) Anregungsbereich, der Nanopunkte (auch als "Quantenpunkte" bezeichnet) in einem Matrixkristall umfasst, der auf Si-Substrat gezüchtet wurde und aus AlyInxGa1-y-xN-Kristall (y ≧ 0, x > 0) mit Zinkblendestruktur (auch als "kubisch" bezeichnet) besteht, und lichtemittierende Vorrichtung (LED und LD), die unter Verwendung desselben erhalten wurde
DE3704424A1 (de) Halbleiter-laser
DE19515752A1 (de) Halbleiterlaservorrichtung und Herstellungsverfahren dafür
EP3345224B1 (de) Optoelektronischer halbleiterchip und verfahren zu dessen herstellung
WO2017121529A1 (de) Elektronisches bauteil sowie verfahren zur herstellung eines elektronischen bauteils
WO2009074149A2 (de) Passivierung einer resonator-endfläche eines halbleiter-lasers mit einem halbleiter-übergitter
DE102018105208B4 (de) Halbleiterschichtenfolge und ein darauf basierendes Halbleiterbauelement
DE102016103852A1 (de) Bauelement im System AlGaInN mit einem Tunnelübergang

Legal Events

Date Code Title Description
8364 No opposition during term of opposition
8339 Ceased/non-payment of the annual fee