JP2005019654A - Quantum dot semiconductor element and its manufacturing method, and quantum dot semiconductor laser, optical amplification element, photoelectric transducer, optical transmitter, optical relay and optical receiver using the quantum dot semiconductor element - Google Patents

Quantum dot semiconductor element and its manufacturing method, and quantum dot semiconductor laser, optical amplification element, photoelectric transducer, optical transmitter, optical relay and optical receiver using the quantum dot semiconductor element Download PDF

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隆 喜多
Osamu Wada
修 和田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prolong the wavelengths in a function wavelength such as oscillation wavelength, amplification wavelength and photoelectric transducing wavelength in a quantum dot semiconductor element. <P>SOLUTION: A method of manufacturing the quantum dot semiconductor element includes the steps of forming a quantum dot 23a in a substrate 21, introducing nitrogen onto a surface of the quantum dot 23a, and forming a cap layer 25 for protecting the quantum dot 23a having the surface onto which nitrogen is introduced. By such manufacturing method, the quantum dot semiconductor element in which nitrogen is introduced onto the surface of the quantum dot is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子ドット半導体素子に関し、特に、作用波長を長波長化した量子ドット半導体素子に関する。そして、該量子ドット半導体素子の製造方法に関する。さらに、該量子ドット半導体素子を用いた量子ドットレーザ、光増幅素子、光電変換素子、光送信機、光中継機及び光受信機に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、エレクトロニクス技術の更なる発展を目指し、量子力学的効果を利用した素子が盛んに研究及び開発されている。この量子力学的効果を利用する材料の一つとして量子ドットが知られている。量子ドットは、半導体や金属等で作られた微小な粒子であり、キャリアに3次元的な量子閉じ込めを与えるほど極めて微細なポテンシャルの箱である。量子ドットは、0次元電子系の特有な性質を発揮する。例えば、量子ドットを半導体レーザの活性層に用いた量子ドット半導体レーザでは、非常に鋭い発光スペクトル、発振閾値電流における温度特性の改善、発振閾値電流の低減及び変調帯域の増加等の、デバイスへの応用上非常に魅力的な特性改善が実現し得る。
【0003】
この量子ドットは、初期の頃では、半導体結晶を電子線リソグラフィ技術又は集束イオン・ビームを用いて微細加工する技術が用いられていたが、ナノ・スケールの微細加工の限界やダメージ等の問題から、近年では、専ら、結晶成長中の自己組織化が利用されている。その量子ドットの製造方法としては、格子不整合系材料の結晶成長を利用したSK(Stranski−Krastanow)法がある。
【0004】
このSK法は、第1の格子定数を持つ第1半導体下地基板上に第1の格子定数に較べて大きい格子定数を持つ第2半導体を成長させる方法である。第2半導体は、成長を開始した初期においては2次元層状に成長するが、第2半導体の層厚が或る閾値を越えると、この2次元層上にナノ・スケールの3次元島状に成長する。この3次元島が量子ドットであり、2次元層は、ぬれ層と呼ばれる。このような成長は、下地基板と成長層との間の結合力及び格子不整合に起因すると考えられている。第2半導体は、成長初期においては第1半導体下地基板との結合力が強く働き2次元的に平坦に成長し、さらに成長が行われると第1半導体下地基板と第2半導体の成長層との格子不整合による歪みエネルギーが増大し、ついには3次元島状の成長となる。なお、3次元島は、第1半導体下地基板と第2半導体の成長層との格子不整合が大きいほど小さくなる性質がある(なお、例えば、特許文献1参照)。
【0005】
一方、近年、インターネットの急速な普及により通信トラフィックが急増し、これに対応すべく、通信信号が大量かつ高速に伝送可能な光通信システムが発展してきている。光通信システムは、一般に、光を発光する光源部、光源部から出力された光を送信すべき情報に従って変調して光信号として出力する外部変調部、及び、変調された光信号を増幅する光増幅部を備えて増幅された光信号を出力する光送信機と、光送信機から出力された光を伝送する光ファイバを備える伝送路と、光ファイバで伝送された光を増幅する光増幅部、及び、増幅された光を受信する受信部を備える光受信機とを備えて構成される。そして、伝送距離が長い場合には伝送損失を補償するために光を増幅する光増幅部を備えた光中継機が必要に応じて伝送路中に介設される。また、外部変調部を設けることなく光源部を直接変調する光送信機もある。
【0006】
【特許文献1】
特開2000−196198号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、現在の光通信システムは、石英系ガラスを材料とした光ファイバが主に用いられ、そして、光ファイバの伝送損失が波長1.3μm帯又は波長1.55μm帯で小さいことから、通信波長帯域としてこれら波長帯域が使用されている。このため、発振波長1.3μm帯又は波長1.55μm帯に対応した量子ドット半導体素子が要望されており、量子ドット半導体素子における発振波長、増幅波長及び光電変換波長等の作用波長における長波長化が要望されている。
【0008】
特に、量子ドット半導体レーザは、上述した0次元電子系の特有な性質に基づき様々な特性改善が見込まれ、これを組み込んだ光送信機の性能向上が期待される。また、現在の光通信システムでは、光増幅器に希土類元素添加光ファイバ増幅器が用いられている。この希土類元素添加光ファイバ増幅器は、所定の増幅率を得るために長尺な光ファイバが必要であることから他の部品に較べて大型である。その結果、希土類元素添加光ファイバ増幅器を組み込んだ光送信機、光中継機及び光受信機の小型化が阻害されている。
【0009】
本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、作用する光の波長を長波長化した量子ドット半導体素子及び該量子ドット半導体素子の製造方法を提供することを目的とする。さらに、このような量子ドット半導体素子を用いた量子ドット半導体レーザ、光増幅素子、光電変換素子、光送信機、光中継機及び光受信機を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る量子ドット半導体素子は、量子ドットの表面に窒素を導入する。そして、このような量子ドット半導体素子の製造方法は、基板に量子ドットを形成する工程と、前記量子ドットの表面に窒素を導入する工程と、表面に窒素を導入した前記量子ドットを被覆するキャップ層を形成する工程とを備える。そして、上述の量子ドット半導体素子において、前記量子ドットは、GaAsの所定の表面に形成したInAsの量子ドットである。
【0011】
このような構成の量子ドット半導体素子は、量子ドットの表面に窒素を導入することによって、導入しない量子ドット半導体素子に較べて作用波長を長波長化することができる。
【0012】
そして、上述の量子ドット半導体素子において、表面に窒素を導入した前記量子ドットを被覆するキャップ層をさらに備える。このような構成の量子ドット半導体素子は、キャップ層を設けることによって量子ドットを保護することができ、キャップ層上に量子ドットの層をさらに重ねることによって、量子ドットの層を多層化することができる。
【0013】
さらに、上述の量子ドット半導体素子において、前記キャップ層は、InGaAs、GaAsN又はInAsSbの何れかである。このような構成の量子ドット半導体素子は、キャップ層にInGaAs、GaAsN又はInAsSbの何れかを用いるので、さらに作用波長を長波長化することができる。
【0014】
また、本発明に係る量子ドット半導体レーザは、活性層に上述の何れかの量子ドット半導体素子を用いる。本発明に係る光増幅素子は、増幅層に上述の何れかの量子ドット半導体素子を用いる。本発明に係る光電変換素子は、光電変換層に上述の何れかの量子ドット半導体素子を用いる。
【0015】
このような構成の量子ドット半導体レーザ、光増幅素子及び光電変換素子は、窒素を導入した量子ドット半導体素子を、量子ドット半導体レーザの活性層、光増幅素子の増幅層、光電変換素子の光電変換層にそれぞれ用いるので、窒素を導入しない量子ドット半導体素子を用いた場合に較べて作用波長を長波長化することができ、そして、0次元電子系の特有な性質に基づき特性が改善され得る。
【0016】
さらに、本発明では、光を発光する光源部と、前記光源部の光を送信すべき情報に従って変調する変調部と、前記変調部で変調された光を増幅する光増幅部とを備えた光送信機において、前記光源部は、活性層に上述の何れかの量子ドット半導体素子を用いた量子ドット半導体レーザを備える。本発明では、光を発光する光源部と、前記光源部の光を送信すべき情報に従って変調する変調部と、前記変調部で変調された光を増幅する光増幅部とを備えた光送信機において、前記光増幅部は、増幅層に上述の何れかの量子ドット半導体素子を用いた光増幅素子を備える。
【0017】
このような構成の光送信機は、窒素を導入した量子ドット半導体素子を用いた量子ドット半導体レーザ又は光増幅素子を利用するので、これらに窒素を導入しない量子ドット半導体素子を用いた場合に較べて作用波長を長波長化することができる。特に、窒素を導入した量子ドット半導体素子を用いた光増幅素子を利用することによって、光送信機を小型化することができる。
【0018】
本発明では、伝送路中に介設され光を増幅する光増幅部を備えた光中継機において、前記光増幅部は、増幅層に上述の何れかの量子ドット半導体素子を用いた光増幅素子を備える。このような構成の光中継機は、窒素を導入した量子ドット半導体素子を用いた光増幅素子を利用するので、これに窒素を導入しない量子ドット半導体素子を用いた場合に較べて作用波長を長波長化することができる。また、光中継機を小型化することができる。
【0019】
本発明では、光を増幅する光増幅部と、前記光増幅で増幅された光を受信する受信部とを備える光受信機において、前記光増幅部は、増幅層に上述の何れかの量子ドット半導体素子を用いた光増幅素子を備える。そして、本発明では、光を増幅する光増幅部と、前記光増幅で増幅された光を受信する光受信部とを備える光受信機において、前記光受信部は、光電変換層に上述の何れかの量子ドット半導体素子を用いた光電変換素子を備える。
【0020】
このような構成の光受信機は、窒素を導入した量子ドット半導体素子を用いた光増幅素子又は光電変換素子を利用するので、窒素を導入しない量子ドット半導体素子を用いた場合に較べて作用波長を長波長化することができる。特に、窒素を導入した量子ドット半導体素子を用いた光増幅素子を利用することによって、光受信機を小型化することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。まず、窒素導入量子ドット半導体素子の製造装置について説明する。
【0022】
図1は、分子線エピタキシによる窒素導入量子ドット半導体素子の製造装置における成長室の概略構成図である。
【0023】
一般に、分子線エピタキシ(Molecular Beam Epitaxy:MBE)は、10−10〜10−11Torr程度の超高真空中において、基板を成長温度に加熱し、エピタキシャル成長すべき元素の原料物質が入ったセルを加熱することによって当該原料物質を蒸発させて分子線の形で基板に供給してエピタキシャル成長させる結晶成長法である。
【0024】
窒素導入量子ドット半導体素子の製造装置は、周知のMBE装置と同様に、基板21に各層を成長させる成長室1、試料を交換するための交換室(ロードロック室)、交換室から成長室1に基板21等の試料を搬送するための搬送室等の複数のチャンバを備えて構成される。図1において、成長室1は、チャンバ10、インジウムセル(以下、「Inセル」と略記する。)11、ガリウムセル(以下、「Gaセル」と略記する。)12、ヒ素セル(以下、「Asセル」と略記する。)13、窒素プラズマセル14、基板ホルダ15、マニピュレータ16、RHEED電子銃17、及び、RHEEDスクリーン18を備えて構成される。
【0025】
チャンバ10は、外界と環境を区切るための筐体であり、ロータリポンプやターボ分子ポンプ等の真空ポンプを利用することによってその内部圧力を超高真空にすることが可能となっている。
【0026】
基板ホルダ15は、基板21を支持する例えばMo(モリブデン)製の部材であり、マニピュレータ16によってチャンバ10に支持される。マニピュレータ16の基板ホルダ15に近い先端部には不図示の抵抗加熱ヒータが取り付けられており、この抵抗加熱ヒータによってマニピュレータ16及び基板ホルダ15を介して基板21が加熱される。基板ホルダ15内には熱電対が内蔵されており、この熱電対によって基板温度が検出される。また、基板21の基板温度をより正確に監視する観点からさらに不図示の赤外線放射温度計が備えられる。
【0027】
Inセル11、Gaセル12及びAsセル13は、クヌードセンセル(Knudsen−sell)型分子線源である。Inセル11は、インジウム(以下、元素記号「In」で略記する。)が入ったルツボを抵抗線で加熱することによってInを高温蒸発させ、シャッタ11aを開けることによってInを分子線として基板21に供給する。同様に、Gaセルは、ガリウム(以下、元素記号「Ga」で略記する。)が入ったルツボを抵抗線で加熱することによってGaを高温蒸発させ、シャッタ12aを開けることによってGaを分子線として基板21に供給する。Asセルは、ヒ素(以下、元素記号「As」で略記する。)を加熱することによって高温蒸発させ、シャッタ13aを開けることによってAsを分子線として基板21に供給する。In、Ga及びAsの分子線の制御は、シャッタの開閉(開時間)及びルツボの加熱温度によって行われる。
【0028】
窒素プラズマセル14は、窒素ガスにRF(Radio Frequency)の電界を作用させることによって主に原子状窒素(窒素プラズマ)を生成し、シャッタ14aを開けることによって原子状窒素を基板21に供給する。ここで、原子状窒素を生成する装置としてECR(Electron Cyclotron Resonance)プラズマセルもあり、ECRプラズマセルも利用可能であるが、量子ドットに損傷を与える窒素のイオン種をあまり発生しないように比較的容易に制御可能である点で、本実施形態で用いるRFプラズマセルが好ましい。原子状窒素の分子線の制御は、シャッタの開閉(開時間)及びRFのパワーによって行われる。
【0029】
図2は、窒素プラズマの分光スペクトルを示す図である。図2の横軸は、nm単位の波長(Wavelength)を示し、その縦軸は、強度(Intensity)を示す。
【0030】
窒素プラズマセル14内では、1st positive N、2st positive Nと呼ばれる励起窒素分子、原子状窒素(Atomic N)及び窒素イオンが生成されるが、窒素イオンは、結晶にダメージを与えるためその発生を抑制することが望ましい。そのため、窒素プラズマセル14は、図2に示すように、窒素イオン(発光線391、428nm)及び2st positive N(316〜400nm)シリーズがほとんど無く、原子状窒素(発光線743.0、818.3、865.1nm)及び中性窒素ラジカルに基づく1st positive N(550〜800nm)シリーズを含む分子線源となるように、RFパワーを比較的低く設定する等によって制御される。従って、本実施形態においては、原子状窒素及び1st positive Nが量子ドット表面への窒素の添加に寄与していると考えられる。
【0031】
RHEED電子銃17は、約10keV〜40keVの電子線を照射する装置であり、RHEEDスクリーン18は、基板21で反射回折された電子線の回折像を投影する装置である。これらRHEED電子銃17及びRHEEDスクリーン18を備えてRHEED装置を構成する。
【0032】
RHEED(Reflection High Energy Electron Diffracyion:反射型高速電子線回折)は、電子線を基板表面に浅い角度で入射させ、表面原子配列によって回折された電子線を蛍光スクリーンに投影する方法である。RHEEDは、電子線が浅い角度で入射されるため、回折像は、表面2次元格子の特徴をよく表し、しかも、成長過程に擾乱を与えないという特徴を持っている。このため、RHEEDは、表面原子配列の観察に最も適した方法であり、成長過程中において表面原子配列を観察することができる。
【0033】
この特徴から、本実施形態では、RHEEDは、成長過程における表面を監視(モニタ)するための装置として用いられている。本実施形態では、基板温度に基づいて各層の成長を制御するのではなく、RHEEDによって直接基板表面の構造を確認しながら(その場観察しながら)成長の制御を行うので、再現性よく精密に各層を成長させることができる。本実施形態では、後述するように、例えば、バッファ層の成長を基板温度約550℃で行ったが、この基板温度は、参考であってRHEEDの回折像に基づいて成長の制御を行っている。
【0034】
次に、窒素導入量子ドット半導体素子の製造方法について説明する。
【0035】
図3は、窒素導入量子ドット半導体素子の製造方法を示すフローチャートである。図4は、各製造工程における窒素導入量子ドット半導体素子の断面模式図である。図5は、2.5MLのInAs成長過程における[−110]方向のRHEEDパターンを示す図である。図6は、1.0MLのInAs成長過程における[−110]方向のRHEEDパターンを示す図である。図7は、2.5MLのInAsについてのヘテロ構造成長過程における[−110]方向のRHEEDパターンを示す図である。
【0036】
まず、基板21の第1の洗浄が行われる(S11)。この第1の洗浄は、基板21をチャンバ10内に入れる前に行う、基板21に付着した汚染物質を除去するための洗浄である。第1の洗浄は、本実施形態では、基板21をアセトン及びメタノールで有機煮沸洗浄し、フッ化水素酸で酸化膜を除去し、さらに、HO(水):H(過酸化水素):HSO(硫酸)=1:1:3の比率で作製した溶液でエッチングすることによって行った。
【0037】
ここで、基板21について説明する。基板21には、1.3μm帯や1.55μm帯に対応するバンドギャップを有し得るIII−V族半導体が用いられる。1.3μm帯や1.55μm帯は、現在の光通信システムにおける通信波長帯域である。III族元素には、B(ホウ素)、Al(アルミニウム)、Ga(ガリウム)及びIn(インジウム)が用いられ、V族元素には、N(窒素)、P(リン)、As(ヒ素)及びSb(アンチモン)が用いられる。基板21は、本実施形態では、GaAsである。
【0038】
また、基板21の表面構造について説明する。GaAs(001)表面における表面再構成構造は、Ga−rich表面とAs−rich表面とに分けられ、As−rich表面の表面再構成構造は、基板温度の高いほうから(2×4)α、(2×4)β、(2×4)γ、c(4×4)がある。Asの被覆率は、順に2/4、3/4、4/4、7/4になっており、これは、基板温度が高いほどAsが脱離し易いことを示している。(2×4)αでは2個のAsダイマ(As二量体)が[−110]方向に存在し、(2×4)βでは3個のAsダイマが[−110]方向に存在し、(2×4)γでは2個のAsダイマのうち一方が[110]方向に他方が[−110]方向に存在し、そして、c(4×4)では1個のAsダイマが[110]方向に存在する。一方、Asを脱離させることによってGa−rich表面にすることができ、その場合の表面再構成構造は(4×2)となる。本実施形態では、種々の実験結果から窒素を精密に成長することができることから、特に表面再構成構造は、(2×4)γである。よって、本実施形態では、(2×4)γのGaAs(001)の基板21を用いた。
【0039】
次に、基板21が成長室1のチャンバ10に入れられ、基板21の第2の洗浄が行われる(S12)。この第2の洗浄は、基板21をチャンバ10内に入れた後に行う、基板21の表面における酸化膜等を除去するための洗浄である。この第2の洗浄は、本実施形態では、3.0×10−6TorrのAs雰囲気中で、この基板21を20分間、600℃で加熱することによって行った。なお、RHEEDパターンを参照することによって酸化膜等の除去を確認した。
【0040】
次に、結晶欠陥を低減させ、表面を原子レベルで平坦にするために基板21上にバッファ層22を成長させる(S13)。本実施形態では、欠陥の少ない良好な表面再構成構造(2×4)γの表面を出すために、3.0×10−6TorrのAs雰囲気中で、基板温度約550℃でGaAsのバッファ層22を160nm成長した(図4(A)参照)。なお、RHEEDパターンを参照することによって表面再構成構造が(2×4)γになっていることを確認しながら成長させる。バッファ層成長後に3.0×10−6TorrのAs雰囲気中で表面を観察すると、RHEEDの[110]方向のパターンは、(00)、(±1/2 0)、(±1 0)の各ロッドを示し、[−110]方向では、図5(A)、図6(A)及び図7(A)を見ると分かるように、RHEEDパターンにストリーク状の(00)、(0±1/4)、(0±2/4)、(0±3/4)、(0±1)の各ロッドが確認でき、さらに、(0±2/4)ロッドの強度が弱いことから、バッファ層22の表面再構成構造が(2×4)γになっていることが確認できる。
【0041】
次に、SK法により量子ドットを形成するためにバッファ層22上に所定物質の薄膜23を成長させる(S14)。本実施形態では、基板温度約473℃において、3.0×10−6TorrのAs雰囲気中でInセル11のシャッタを所定時間開くことによってInAsの薄膜23を所定膜圧に成長させた(図4(B)参照)。Inセル11によるInAsの薄膜23における成長速度は、Inセル11の温度が640℃で約86s/ML(分子層)である。
【0042】
ここで、量子ドットの形成条件を調べるために、所定時間を86秒及び210秒に設定し、所定膜圧が1.0ML及び2.5MLの2種類のInAs薄膜23を形成した。InAsの薄膜23における膜圧が1.0MLでは、図6(C)に示すように[−110]方向のRHEEDパターンにストリーク状の(00)及び(0±1)のロッドだけが見えるので、2次元ぬれ層23aのみの2次元層状構造で量子ドットは形成されていない。一方、InAsの薄膜23における膜圧が2.5MLでは、図5(C)及び図7(B)に示すように[−110]方向のRHEEDパターンに(00)及び(0±1)のロッドがアローパターンに変化したことから、2次元ぬれ層23a上に三次元島状構造の量子ドット23bが形成されていることが分かる。GaAs及びInAsの格子定数は、それぞれ5.623オングストローム及び6.058オングストロームであり、これらの差から生じる約7%の格子不整合による歪みエネルギーが蓄積され、3次元島状構造の量子ドットが形成される。なお、2.5ML及び1.0MLの各条件において、成長途中である10秒後のRHEEDパターンを図5(B)及び図6(B)にそれぞれ示す。
【0043】
次に、InAs表面に窒素を導入する(S15)。ここに本発明の一特徴がある。本実施形態では、基板温度約473℃において、3.0×10−6TorrのAs雰囲気中で、窒素プラズマセル14に224Wの高周波電界を加えて、窒素プラズマの発生から8秒間窒素をシャッタ14aを開くことによって、InAs表面に窒素原子を導入した。これによって図4(C)に示すように、量子ドット23b及びぬれ面23aに窒素原子に関する層24を形成する。図7(B)と図7(C)とを比較すると分かるように、窒素8秒間導入後のRHEEDパターンは、InAs210秒間成長後のRHEEDパターンと略同様であり、量子ドット23bに損傷を与えることなく窒素が導入されていることが分かる。即ち、窒素の導入後も量子ドットが維持されている。なお、InAs表面に導入された窒素原子は、表面に化学吸着したもの(InAsの表層におけるAsと原子状窒素が交換しInAsの表層にInAsNの窒化物層が形成されたもの)と思われる。しかしながら、量子ドットに損傷を与えることなくInAsの表面に窒素が導入され、後述するように、窒素に関する層を形成しない場合較べて、この窒素導入量子ドット半導体素子における作用波長が長波長化する。
【0044】
次に、GaAsキャップ層を成長させ、窒素に関する層24を被覆する(S16)。本実施形態では、3.0×10−6TorrのAs雰囲気中で、基板温度約473℃でGaAsのキャップ層25を50nm成長した(図4(D)参照)。なお、この場合における[−110]方向におけるRHEEDパターンを図7(D)に示す。キャップ層を設けることによって窒素に関する層24を形成した量子ドットを保護することができ、キャップ層上に量子ドットの層をさらに重ねることによって、量子ドットの層を多層化することができる。
【0045】
このような各製造工程を経て、面指数(001)で表面再構成(2×4)γのGaAs層21、22、InAs量子ドットを形成するInAs層23、窒素に関する層24及びGaAsキャップ層25から成る窒素導入量子ドット半導体素子が製造される。
【0046】
図8は、フォトルミネッセンスの発光スペクトルを示す図である。図8の横軸はnm単位の波長を示し、その縦軸は強度を示す。測定は、測定温度4Kで励起光源に発振波長488nm、20mWのArレーザを用いて試料を発光させてGaInAsのCCDを用いて発光を検出することにより行った。
【0047】
半導体結晶にバンド間端エネルギーEよりも大きいエネルギーを持つ励起光を照射するとフォトルミネッセンス(Photoluminescence)と呼ばれる光が発生することがある。これは、励起光によりキャリアが発生して励起状態へ遷移し再結合を行う際に放出する光である。高純度結晶に極低温で励起光を照射すると、バンド端間付近(near−band−edge)のエネルギー領域に鋭い発光ピークが現われる。一方、電子と正孔が再結合する際、結晶内に存在している不純物や格子欠陥を介して結合する過程を経由すると、発光スペクトルは、不純物や格子欠陥固有のものとなる。また、発光強度は、励起光の強度とエネルギー、不純物濃度、非放射再結合中心の濃度、測定温度等の多くの因子によって決まる。このフォトルミネッセンスの発光スペクトルを解析することにより、バンド構造、不純物、格子欠陥、量子物性に関する情報が得られ、半導体素子を半導体レーザ、光増幅素子又は光電変換素子に適用した場合に発光波長、増幅波長又は変換波長等の作用波長が分かる。
【0048】
図8において、Aの発光スペクトルは、窒素を導入しないInAs量子ドット(InAs QDs)の場合であり、Bの発光スペクトルは、窒素を導入したInAs量子ドット(InAs QDs+窒素)の場合である。A及びBの発光スペクトルを見ると分かるように、4Kにおいて発光ピークが約1060nmから約1190nmへ約130nmシフトして長波長化していることが分かる。このように窒素導入量子ドット半導体素子は、窒素に関する層を形成しない場合較べて、作用波長が長波長化する。
【0049】
図9は、フォトルミネッセンスの発光スペクトルにおける温度依存性を示す図である。図9の横軸はnm単位の波長を示し、その縦軸は強度を示す。発光スペクトルは、4K、6K、8K10K、15K、20K、30K、40K、60K、80K、100K、150Kの各温度で調べた。図10は、発光ピークの温度特性を示す図である。図10の横軸はK単位の温度を示し、その縦軸はnm単位の波長を示す。図10の破線は、発光ピークの温度特性を示す、測定結果に基づくフィッティング関数である。
【0050】
図9から分かるように、本実施形態に係る窒素導入量子ドット半導体素子は、150Kまでの温度で、量子ドットに起因する約1200nmの比較的強い発光(発光ピーク)と2次元ぬれ層に起因する約1000nm〜約1100nmのブロードな発光がある。また、図9及び図10から分かるように、発光ピークは、温度上昇に伴って長波長側へシフトしていることが分かる。発光ピークの温度特性は、各温度における各発光ピークの値から式1のように表される。
Eg(T)=Eg(0)−αT/(β+T)
α=4.99×10−4eV/K、β=319K ・・・ (1)
この式から室温27℃(300K)における発光ピークは、約1300nmと予測される。
【0051】
本発明に係る窒素導入量子ドット半導体素子は、量子ドットレーザ、光増幅素子、光信号処理素子及び光電変換素子等に応用することができる。そこで、次に、本発明に係る窒素導入量子ドット半導体素子を半導体レーザの活性層、光増幅素子の増幅層又は光電変換素子の変換層に用いた場合について説明する。なお、光信号処理素子は、光を増幅するだけでなく、変調等も行うことができる高機能化・多機能化された素子である。
【0052】
図11は、窒素導入量子ドット半導体レーザ又は窒素導入量子ドット光増幅素子の構成を示す図である。
【0053】
図11において、窒素導入量子ドット半導体レーザ100は、ファブリペロー型の半導体レーザであり、半導体の基板112と、基板112上に形成された半導体のクラッド層113と、クラッド層113上に形成された活性層114と、活性層114上に形成された半導体のクラッド層114と、クラッド層114上にクラッド層114をストライプ状に残して形成された酸化物の絶縁層116と、絶縁層116及びストライプ状に残されたクラッド層114上に形成された金属のオーミック電極117と、基板112におけるクラッド層113を形成した面の反対側に形成された金属のオーミック電極111とを備えて構成される。この活性層114は、上述の実施形態と同様に、バッファ層と、窒素を導入した量子ドット層と、キャップ層とを備えて構成される。
【0054】
このような構成の窒素導入量子ドット半導体レーザ100は、電流を注入すると活性層114の端面からレーザ光が出力される。そして、出力レーザ光の波長は、バッファ層と、量子ドット層と、キャップ層とを備えて構成される活性層の量子ドット半導体レーザに較べて長波長となる。
【0055】
なお、発光強度を向上させるために、窒素を導入した量子ドット層とキャップ層とから成る層を複数重ねて活性層114を構成してもよい。また、窒素を導入した量子ドット層とキャップ層とから成る層、及び、窒素を導入しない通常の量子ドット層とキャップ層とから成る層を複数重ねて活性層114を構成してもよい。
【0056】
一方、窒素導入量子ドット光増幅素子120は、図11に示す活性層114が増幅層124と呼び方が変わるだけで、窒素導入量子ドット半導体レーザ100と同様の構成である。そして、増幅層124は、上述の実施形態と同様に、バッファ層と、窒素を導入した量子ドット層と、キャップ層とを備えて構成される。
【0057】
このような構成の窒素導入量子ドット光増幅素子120は、図11に破線で示すように、増幅層124の一方端面からレーザ光を入力すると、誘導放出により入力レーザ光が増幅されて増幅層124の他方端面から出力される。そして、この増幅されるレーザ光の波長は、バッファ層と、量子ドット層と、キャップ層とを備えて構成される増幅層の量子ドット光増幅素子に較べて長波長となる。
【0058】
なお、増幅率を向上させるために、窒素を導入した量子ドット層とキャップ層とから成る層を複数重ねて増幅層124を構成してもよい。また、窒素を導入した量子ドット層とキャップ層とから成る層、及び、窒素を導入しない通常の量子ドット層とキャップ層とから成る層を複数重ねて増幅層114を構成してもよい。
【0059】
図12は、窒素導入量子ドット光電変換素子の構成を示す図である。図12において、窒素導入量子ドット光増幅素子130は、半導体の基板132と、基板132上に形成された光電変換層133と、光電変換層133上に形成された透明電極134と、基板132における光電変換層133を形成した面の反対側に形成された金属のオーミック電極131とを備えて構成される。この光電変換層133は、上述の実施形態と同様に、バッファ層と、窒素を導入した量子ドット層と、キャップ層とを備えて構成される。透明電極は、例えば、ITOである。
【0060】
このような構成の窒素導入量子ドット光電変換素子130は、透明電極134を介して光電変換層133に光が入射されると、光電変換層133で光がその強度に従った電流に変換され、オーミック電極131及び透明電極134から取り出される。そして、光電変換される光の波長は、バッファ層と、量子ドット層と、キャップ層とを備えて構成される光電変換層の量子ドット光電変換素子に較べて長波長となる。
【0061】
特に、窒素導入量子ドット光電変換素子130は、上述したGaAs基板にInAsの量子ドットを形成してこの量子ドットの表面に窒素を導入した窒素導入量子ドットを光電変換層133に用いると、赤外光を光電変換する素子となる。このため、窒素導入量子ドット光電変換素子130が太陽電池に利用された場合には、赤外光を光電変換することができるので、太陽電池全体の変換効率を向上させることができる。また、窒素導入量子ドット光電変換素子130が固体撮像素子に利用された場合には、赤外光を光電変換する撮像素子を製造することができる。
【0062】
なお、変換効率を向上させるために、窒素を導入した量子ドット層とキャップ層とから成る層を複数重ねて光電変換層133を構成してもよい。また、窒素を導入した量子ドット層とキャップ層とから成る層、及び、窒素を導入しない通常の量子ドット層とキャップ層とから成る層を複数重ねて光電変換層133を構成してもよい。
【0063】
図13は、光通信システムの構成を示す図である。図13において、光通信システム200は、光信号を送信する光送信機201と、光送信機201から出力された光信号を伝送する伝送路202と、伝送路202で伝送された光信号を受信する光受信機203を備えて構成され、光信号の伝送損失を考慮して1又は複数の光信号を増幅する光中継機204(204−1、・・・、204−n)が伝送路202中に備えられる。
【0064】
光送信機201は、レーザ光を出力するレーザ光源(以下、「LD光源」と略記する。)211と、LD光源から射出されたレーザ光を送信すべき情報に従って変調する外部変調器212と、外部変調器212で変調されたレーザ光を増幅する光増幅器213と、光増幅器213で増幅されたレーザ光を2つに分岐する光カプラ214と、光カプラ214で分岐した一方のレーザ光を受光して光電変換する受光素子215と、LD光源211、外部変調器212及び光増幅器213を制御する制御回路216とを備えて構成され、光カプラ214で分岐した他方のレーザ光が該光送信機201の出力となる。制御回路216は、受光素子215の出力に基づいて、該光送信機201から一定強度のレーザ光が出力されるように光増幅器213のゲインを調整する。LD光源211は、例えば、レーザ光を発光する本発明に係る窒素導入量子ドット半導体レーザと、この窒素導入量子ドット半導体レーザを駆動する駆動回路とを備えて構成され、必要に応じて窒素導入量子ドット半導体レーザを冷却する冷却部をさらに備える。
【0065】
なお、上述では、外部変調器212でレーザ光を変調したが、レーザ光源の駆動電流を変調することで変調する直接変調によってレーザ光を変調してもよい。この場合には、駆動回路が変調部に相当する一実施形態となる。
【0066】
光中継機204は、伝送路202からのレーザ光(光信号)を増幅する光増幅器241を備えて構成される。なお、光中継機204には、必要に応じて波長分散を補償する分散補償光ファイバをさらに備えてもよい。
【0067】
光受信機203は、伝送路202からのレーザ光(光信号)を増幅する光増幅器231と、光増幅器231で増幅されたレーザ光を受光して光電変換する受光素子232と、受光素子232の出力に基づいて情報を復調する復調器233とを備えて構成される。
【0068】
そして、光増幅器213、231、241は、例えば、本発明に係る窒素導入量子ドット光増幅素子を備えて構成され、必要に応じて窒素導入量子ドット光増幅素子を冷却する冷却部をさらに備える。受光素子215、232は、例えば、本発明に係る窒素導入量子ドット光電変換素子を備えて構成され、必要に応じて窒素導入量子ドット光電変換素子を冷却する冷却部をさらに備える。
【0069】
このような構成の光通信システム200では、光送信機201から出力された光信号は、光中継機204で伝送損失を補償されつつ伝送路202を伝送し、光受信機203で受信される。そして、特に、光送信機201は、窒素導入量子ドット半導体レーザを利用することによって、性能が向上し、また、光送信機201、光受信機203及び光中継機204は、光増幅器213、231、241に窒素導入量子ドット光増幅素子を利用することによって小型にすることができる。
【0070】
なお、本実施形態では、各層の成長をMBE法を用いたが、これに限定されるものではなく、レーザ蒸着法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:有機金属化学気相蒸着法)等の半導体成長製造技術を利用することができる。
【0071】
また、本実施形態では、InAsの量子ドットを形成したが、これに限定されるものではなく、長波長化の観点から、InAsのバンドギャップを小さくする材料を入れてた物質、例えば、InAsNで量子ドットを形成してもよい。
【0072】
さらに、本実施形態では、キャップ層にGaAsを用いたが、これに限定されるものではなく、長波長化の観点から、InGa1−xAs、InSbAs又はGaAs1−yを用いてもよい。InGa1−xAsを用いた場合には、xの値が大きくなるに従って長波長化する。また、GaAs1−yを用いた場合には、yの値が大きくなるに従って長波長化する。
【0073】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る量子ドット半導体素子は、量子ドットの表面に窒素を導入することによって、導入しない量子ドット半導体素子に較べて作用波長を長波長化することができる。そして、本発明に係る量子ドット半導体素子を半導体レーザ、光増幅素子及び光電変換素子にそれぞれ適用することによって長波長化及び特性改善を行うことができる。また、これら素子を光通信システムにおける光送信機、光中継機及び光受信機にそれぞれ利用することによって、長波長化、性能改善及び機器の小型化を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】分子線エピタキシによる窒素導入量子ドット半導体素子の製造装置における成長室の概略構成図である。
【図2】窒素プラズマの分光スペクトルを示す図である。
【図3】窒素導入量子ドット半導体素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図4】各製造工程における窒素導入量子ドット半導体素子の断面模式図である。
【図5】2.5MLのInAs成長過程における[−110]方向のRHEEDパターンを示す図である。
【図6】1.0MLのInAs成長過程における[−110]方向のRHEEDパターンを示す図である。
【図7】2.5MLのInAsについてのヘテロ構造成長過程における[−110]方向のRHEEDパターンを示す図である。
【図8】フォトルミネッセンスの発光スペクトルを示す図である。
【図9】フォトルミネッセンスの発光スペクトルにおける温度依存性を示す図である。
【図10】発光ピークの温度特性を示す図である。
【図11】窒素導入量子ドット半導体レーザ又は窒素導入量子ドット光増幅素子の構成を示す図である。
【図12】窒素導入量子ドット光電変換素子の構成を示す図である。
【図13】光通信システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
1 成長室、10 チャンバ、11 インジウムセル、12 ガリウムセル、13 ヒ素セル、14 窒素プラズマセル、15 基板ホルダ、16 マニピュレータ、17 RHEED電子銃、18 RHEEDスクリーン、21、112、132 基板、22 バッファ層、23 薄膜、23a 量子ドット、23b ぬれ層、24 窒素に関する層、25 キャップ層、100 窒素導入量子ドット半導体レーザ、111、117、131 オーミック電極、113、115 クラッド層、114 活性層、116 絶縁層、120 窒素導入量子ドット光増幅素子、124 増幅層、130 窒素導入量子ドット光電変換素子、133光電変換層、134 透明電極、200 光通信システム、201 光送信機、202 伝送路、203 光受信機、204 光中継機、211 レーザ光源、212 外部変調器、213、231、241 光増幅器、214 光カプラ、215、232 受光素子、216 制御回路、233 復調回路
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a quantum dot semiconductor device, and more particularly to a quantum dot semiconductor device having a longer working wavelength. And it is related with the manufacturing method of this quantum dot semiconductor element. Furthermore, the present invention relates to a quantum dot laser, an optical amplification element, a photoelectric conversion element, an optical transmitter, an optical repeater, and an optical receiver using the quantum dot semiconductor element.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the aim of further development of electronics technology, devices utilizing quantum mechanical effects have been actively researched and developed. Quantum dots are known as one of materials that utilize this quantum mechanical effect. A quantum dot is a minute particle made of a semiconductor, a metal, or the like, and is a very fine potential box that gives a carrier a three-dimensional quantum confinement. Quantum dots exhibit the unique properties of zero-dimensional electron systems. For example, in a quantum dot semiconductor laser using quantum dots as an active layer of a semiconductor laser, a very sharp emission spectrum, improved temperature characteristics at the oscillation threshold current, reduced oscillation threshold current, increased modulation bandwidth, etc. A very attractive characteristic improvement in application can be realized.
[0003]
In the early days of this quantum dot, a technique for finely processing a semiconductor crystal using an electron beam lithography technique or a focused ion beam was used. However, due to problems such as limitations of nanoscale fine processing and damage. Recently, self-organization during crystal growth has been used exclusively. As a method for producing the quantum dots, there is a SK (Stranski-Krastanow) method using crystal growth of a lattice mismatched material.
[0004]
The SK method is a method for growing a second semiconductor having a lattice constant larger than the first lattice constant on a first semiconductor base substrate having a first lattice constant. The second semiconductor grows in a two-dimensional layer at the beginning of the growth, but when the thickness of the second semiconductor exceeds a certain threshold, it grows into a nanoscale three-dimensional island on the two-dimensional layer. To do. This three-dimensional island is a quantum dot, and the two-dimensional layer is called a wetting layer. Such growth is believed to be due to the bonding force and lattice mismatch between the underlying substrate and the growth layer. In the initial stage of growth, the second semiconductor has a strong bonding force with the first semiconductor base substrate and grows two-dimensionally flat. When further growth is performed, the first semiconductor base substrate and the growth layer of the second semiconductor The strain energy due to lattice mismatch increases, and finally a three-dimensional island-like growth occurs. Note that the three-dimensional island has a property of becoming smaller as the lattice mismatch between the first semiconductor base substrate and the second semiconductor growth layer is larger (see, for example, Patent Document 1).
[0005]
On the other hand, in recent years, communication traffic has increased rapidly due to the rapid spread of the Internet, and in response to this, an optical communication system capable of transmitting a large amount of communication signals at high speed has been developed. An optical communication system generally includes a light source unit that emits light, an external modulation unit that modulates light output from the light source unit according to information to be transmitted and outputs it as an optical signal, and light that amplifies the modulated optical signal An optical transmitter that outputs an amplified optical signal with an amplifying unit, a transmission path that includes an optical fiber that transmits light output from the optical transmitter, and an optical amplifying unit that amplifies the light transmitted through the optical fiber And an optical receiver including a receiving unit that receives the amplified light. If the transmission distance is long, an optical repeater having an optical amplifying unit for amplifying light to compensate for transmission loss is interposed in the transmission line as necessary. There is also an optical transmitter that directly modulates the light source unit without providing an external modulation unit.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2000-196198 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the current optical communication system, an optical fiber made of silica glass is mainly used, and the transmission loss of the optical fiber is small in the wavelength band of 1.3 μm or the wavelength of 1.55 μm. These wavelength bands are used as bands. For this reason, a quantum dot semiconductor device corresponding to the oscillation wavelength 1.3 μm band or the wavelength 1.55 μm band has been demanded, and the wavelength in the working wavelength such as the oscillation wavelength, the amplification wavelength, and the photoelectric conversion wavelength in the quantum dot semiconductor device is increased. Is desired.
[0008]
In particular, quantum dot semiconductor lasers are expected to improve various characteristics based on the above-described unique properties of the zero-dimensional electron system, and are expected to improve the performance of optical transmitters incorporating them. In the current optical communication system, a rare earth element-doped optical fiber amplifier is used as an optical amplifier. This rare earth element-doped optical fiber amplifier is larger than other components because a long optical fiber is required to obtain a predetermined amplification factor. As a result, miniaturization of optical transmitters, optical repeaters, and optical receivers incorporating rare earth element-doped optical fiber amplifiers is hindered.
[0009]
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a quantum dot semiconductor element in which the wavelength of the acting light is increased and a method for manufacturing the quantum dot semiconductor element. Furthermore, it aims at providing the quantum dot semiconductor laser, optical amplification element, photoelectric conversion element, optical transmitter, optical repeater, and optical receiver using such a quantum dot semiconductor element.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-described object, the quantum dot semiconductor device according to the present invention introduces nitrogen into the surface of the quantum dot. And the manufacturing method of such a quantum dot semiconductor element has the process of forming a quantum dot in a substrate, the process of introducing nitrogen into the surface of the quantum dot, and the cap which covers the quantum dot which introduced nitrogen into the surface Forming a layer. In the quantum dot semiconductor device described above, the quantum dots are InAs quantum dots formed on a predetermined surface of GaAs.
[0011]
In the quantum dot semiconductor device having such a configuration, by introducing nitrogen into the surface of the quantum dot, the working wavelength can be increased as compared with a quantum dot semiconductor device that is not introduced.
[0012]
And in the above-mentioned quantum dot semiconductor element, the cap layer which coat | covers the said quantum dot which introduce | transduced nitrogen on the surface is further provided. The quantum dot semiconductor device having such a configuration can protect the quantum dots by providing a cap layer, and further stack the quantum dot layer on the cap layer to make the quantum dot layer multi-layered. it can.
[0013]
Furthermore, in the above-described quantum dot semiconductor device, the cap layer is one of InGaAs, GaAsN, or InAsSb. Since the quantum dot semiconductor device having such a configuration uses InGaAs, GaAsN, or InAsSb for the cap layer, the working wavelength can be further increased.
[0014]
In addition, the quantum dot semiconductor laser according to the present invention uses any of the quantum dot semiconductor elements described above for the active layer. The optical amplifying element according to the present invention uses any of the above-described quantum dot semiconductor elements for the amplifying layer. The photoelectric conversion element according to the present invention uses any of the above-described quantum dot semiconductor elements for the photoelectric conversion layer.
[0015]
The quantum dot semiconductor laser, the optical amplifying element, and the photoelectric conversion element having such a configuration are obtained by converting the quantum dot semiconductor element into which nitrogen is introduced into the active layer of the quantum dot semiconductor laser, the amplification layer of the optical amplification element, and the photoelectric conversion of the photoelectric conversion element. Since each layer is used, the working wavelength can be made longer than when a quantum dot semiconductor element into which nitrogen is not introduced is used, and the characteristics can be improved based on the unique properties of the zero-dimensional electron system.
[0016]
Further, according to the present invention, light including a light source unit that emits light, a modulation unit that modulates light of the light source unit according to information to be transmitted, and an optical amplification unit that amplifies the light modulated by the modulation unit In the transmitter, the light source unit includes a quantum dot semiconductor laser using any one of the above quantum dot semiconductor elements in an active layer. In the present invention, an optical transmitter including a light source unit that emits light, a modulation unit that modulates light from the light source unit according to information to be transmitted, and an optical amplification unit that amplifies the light modulated by the modulation unit The optical amplifying unit includes an optical amplifying element using any of the above-described quantum dot semiconductor elements in the amplifying layer.
[0017]
Since the optical transmitter having such a configuration uses a quantum dot semiconductor laser or an optical amplifying element using a quantum dot semiconductor element into which nitrogen is introduced, it is compared with a case where a quantum dot semiconductor element into which nitrogen is not introduced is used. Thus, the working wavelength can be increased. In particular, the optical transmitter can be reduced in size by using an optical amplifying element using a quantum dot semiconductor element into which nitrogen is introduced.
[0018]
In the present invention, in the optical repeater including an optical amplifying unit interposed in the transmission path and amplifying the light, the optical amplifying unit uses any of the above-described quantum dot semiconductor elements in the amplifying layer. Is provided. Since the optical repeater having such a configuration uses an optical amplifying element using a quantum dot semiconductor element into which nitrogen is introduced, the working wavelength is longer than that in the case of using a quantum dot semiconductor element into which nitrogen is not introduced. The wavelength can be changed. In addition, the optical repeater can be reduced in size.
[0019]
In the present invention, in an optical receiver comprising an optical amplifying unit for amplifying light and a receiving unit for receiving the light amplified by the optical amplification, the optical amplifying unit includes any one of the quantum dots described above in the amplifying layer. An optical amplification element using a semiconductor element is provided. In the present invention, in an optical receiver comprising an optical amplifying unit for amplifying light and an optical receiving unit for receiving the light amplified by the optical amplification, the optical receiving unit is connected to any of the photoelectric conversion layers described above. A photoelectric conversion element using such a quantum dot semiconductor element is provided.
[0020]
Since the optical receiver having such a configuration uses an optical amplifying element or a photoelectric conversion element using a quantum dot semiconductor element into which nitrogen is introduced, the working wavelength is compared with that in the case of using a quantum dot semiconductor element into which nitrogen is not introduced. Can be made longer. In particular, by using an optical amplifying element using a quantum dot semiconductor element into which nitrogen is introduced, the optical receiver can be downsized.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. First, the manufacturing apparatus of a nitrogen introduction | transduction quantum dot semiconductor element is demonstrated.
[0022]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a growth chamber in an apparatus for manufacturing a nitrogen-introduced quantum dot semiconductor device by molecular beam epitaxy.
[0023]
In general, molecular beam epitaxy (MBE) is 10 -10 -10 -11 In an ultra-high vacuum of about Torr, the substrate is heated to a growth temperature, and the cell containing the raw material of the element to be epitaxially grown is heated to evaporate the raw material and supply it to the substrate in the form of a molecular beam. This is a crystal growth method for epitaxial growth.
[0024]
The apparatus for producing a nitrogen-introduced quantum dot semiconductor element has a growth chamber 1 for growing each layer on a substrate 21, an exchange chamber (load lock chamber) for exchanging a sample, and an exchange chamber to a growth chamber 1, as in the well-known MBE apparatus. And a plurality of chambers such as a transfer chamber for transferring a sample such as the substrate 21. In FIG. 1, a growth chamber 1 includes a chamber 10, an indium cell (hereinafter abbreviated as “In cell”) 11, a gallium cell (hereinafter abbreviated as “Ga cell”) 12, and an arsenic cell (hereinafter “ Abbreviated as “As cell”) 13, nitrogen plasma cell 14, substrate holder 15, manipulator 16, RHEED electron gun 17, and RHEED screen 18.
[0025]
The chamber 10 is a housing for separating the outside from the environment, and the internal pressure of the chamber 10 can be set to an ultra-high vacuum by using a vacuum pump such as a rotary pump or a turbo molecular pump.
[0026]
The substrate holder 15 is a member made of, for example, Mo (molybdenum) that supports the substrate 21, and is supported by the chamber 10 by the manipulator 16. A resistance heater (not shown) is attached to the tip of the manipulator 16 near the substrate holder 15, and the substrate 21 is heated by the resistance heater through the manipulator 16 and the substrate holder 15. A thermocouple is built in the substrate holder 15, and the substrate temperature is detected by this thermocouple. Further, from the viewpoint of more accurately monitoring the substrate temperature of the substrate 21, an infrared radiation thermometer (not shown) is further provided.
[0027]
The In cell 11, the Ga cell 12, and the As cell 13 are Knudsen-cell type molecular beam sources. The In cell 11 is a substrate 21 in which In is evaporated as a molecular beam by heating a crucible containing indium (hereinafter abbreviated by the element symbol “In”) with a resistance wire to evaporate In at a high temperature and opening the shutter 11a. To supply. Similarly, the Ga cell heats a crucible containing gallium (hereinafter abbreviated as the element symbol “Ga”) with a resistance wire to evaporate Ga at a high temperature, and opens the shutter 12a to make Ga a molecular beam. Supply to the substrate 21. The As cell evaporates at a high temperature by heating arsenic (hereinafter abbreviated as element symbol “As”), and supplies As to the substrate 21 as a molecular beam by opening the shutter 13a. Control of molecular beams of In, Ga, and As is performed by opening / closing the shutter (opening time) and the heating temperature of the crucible.
[0028]
The nitrogen plasma cell 14 mainly generates atomic nitrogen (nitrogen plasma) by applying an RF (Radio Frequency) electric field to nitrogen gas, and supplies the atomic nitrogen to the substrate 21 by opening the shutter 14a. Here, as an apparatus for generating atomic nitrogen, there is an ECR (Electron Cyclotron Resonance) plasma cell, and an ECR plasma cell can be used. However, it is relatively difficult to generate nitrogen ion species that damage quantum dots. The RF plasma cell used in this embodiment is preferable because it can be easily controlled. The atomic nitrogen molecular beam is controlled by opening / closing the shutter (opening time) and RF power.
[0029]
FIG. 2 is a diagram showing a spectrum of nitrogen plasma. The horizontal axis of FIG. 2 indicates the wavelength (Wavelength) in nm units, and the vertical axis indicates the intensity (Intensity).
[0030]
In the nitrogen plasma cell 14, 1 st positive N 2 2 st positive N 2 Excited nitrogen molecule called atomic nitrogen (Atomic N) 2 ) And nitrogen ions are generated, and it is desirable to suppress the generation of nitrogen ions because they damage the crystal. Therefore, the nitrogen plasma cell 14 has nitrogen ions (light emission lines 391, 428 nm) and 2 as shown in FIG. st positive N 2 (316-400 nm) Almost no series, 1 based on atomic nitrogen (emission lines 743.0, 818.3, 865.1 nm) and neutral nitrogen radicals st positive N 2 The RF power is controlled to be relatively low so that the molecular beam source includes the (550 to 800 nm) series. Therefore, in this embodiment, atomic nitrogen and 1 st positive N 2 Is considered to contribute to the addition of nitrogen to the surface of the quantum dots.
[0031]
The RHEED electron gun 17 is a device that irradiates an electron beam of about 10 keV to 40 keV, and the RHEED screen 18 is a device that projects a diffraction image of the electron beam reflected and diffracted by the substrate 21. These RHEED electron gun 17 and RHEED screen 18 are provided to constitute an RHEED device.
[0032]
RHEED (Reflection High Energy Electron Diffraction) is a method in which an electron beam is incident on a substrate surface at a shallow angle and an electron beam diffracted by a surface atomic arrangement is projected onto a fluorescent screen. In RHEED, since an electron beam is incident at a shallow angle, the diffraction image well represents the characteristics of the surface two-dimensional grating, and has a characteristic that the growth process is not disturbed. For this reason, RHEED is the most suitable method for observing the surface atomic arrangement, and the surface atomic arrangement can be observed during the growth process.
[0033]
From this feature, in this embodiment, RHEED is used as an apparatus for monitoring (monitoring) the surface in the growth process. In this embodiment, the growth of each layer is not controlled on the basis of the substrate temperature, but the growth is controlled while directly confirming the structure of the substrate surface by RHEED (in-situ observation). Each layer can be grown. In this embodiment, as will be described later, for example, the buffer layer is grown at a substrate temperature of about 550 ° C., but this substrate temperature is a reference, and the growth is controlled based on the diffraction image of RHEED. .
[0034]
Next, the manufacturing method of a nitrogen introduction | transduction quantum dot semiconductor element is demonstrated.
[0035]
FIG. 3 is a flowchart showing a method for manufacturing a nitrogen-introduced quantum dot semiconductor device. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a nitrogen-introduced quantum dot semiconductor element in each manufacturing process. FIG. 5 is a diagram showing an RHEED pattern in the [−110] direction in the 2.5 ML InAs growth process. FIG. 6 is a diagram showing an RHEED pattern in the [−110] direction in a 1.0 ML InAs growth process. FIG. 7 is a diagram showing an RHEED pattern in the [−110] direction in the heterostructure growth process for 2.5 ML InAs.
[0036]
First, the first cleaning of the substrate 21 is performed (S11). This first cleaning is performed to remove contaminants attached to the substrate 21 before the substrate 21 is placed in the chamber 10. In this embodiment, the first cleaning is performed by boiling the substrate 21 with acetone and methanol, removing the oxide film with hydrofluoric acid, 2 O (water): H 2 O 2 (Hydrogen peroxide): H 2 SO 4 (Sulfuric acid) It was performed by etching with a solution prepared at a ratio of 1: 1: 3.
[0037]
Here, the substrate 21 will be described. The substrate 21 is made of a III-V semiconductor that can have a band gap corresponding to the 1.3 μm band or the 1.55 μm band. The 1.3 μm band and the 1.55 μm band are communication wavelength bands in the current optical communication system. B (boron), Al (aluminum), Ga (gallium) and In (indium) are used as group III elements, and N (nitrogen), P (phosphorus), As (arsenic) and group V elements are used. Sb (antimony) is used. In the present embodiment, the substrate 21 is GaAs.
[0038]
Further, the surface structure of the substrate 21 will be described. The surface reconstruction structure on the GaAs (001) surface is divided into a Ga-rich surface and an As-rich surface, and the surface reconstruction structure on the As-rich surface is (2 × 4) α from the higher substrate temperature. There are (2 × 4) β, (2 × 4) γ, and c (4 × 4). The coverage of As is 2/4, 3/4, 4/4, and 7/4 in order, which indicates that As is higher, the As is more easily desorbed. In (2 × 4) α, two As dimers (As dimers) exist in the [−110] direction, and in (2 × 4) β, three As dimers exist in the [−110] direction, In (2 × 4) γ, one of the two As dimers exists in the [110] direction and the other in the [−110] direction, and in c (4 × 4), one As dimer is [110]. Exists in the direction. On the other hand, a Ga-rich surface can be obtained by desorbing As, and the surface reconstruction structure in that case is (4 × 2). In this embodiment, nitrogen can be accurately grown from various experimental results, and therefore the surface reconstruction structure is (2 × 4) γ. Therefore, in this embodiment, the (21 × 4) γ GaAs (001) substrate 21 is used.
[0039]
Next, the substrate 21 is put into the chamber 10 of the growth chamber 1, and the substrate 21 is subjected to the second cleaning (S12). This second cleaning is performed for removing an oxide film or the like on the surface of the substrate 21 after the substrate 21 is placed in the chamber 10. In the present embodiment, this second cleaning is 3.0 × 10. -6 The substrate 21 was heated at 600 ° C. for 20 minutes in an As atmosphere of Torr. The removal of the oxide film and the like was confirmed by referring to the RHEED pattern.
[0040]
Next, the buffer layer 22 is grown on the substrate 21 in order to reduce crystal defects and flatten the surface at the atomic level (S13). In this embodiment, in order to bring out the surface of a good surface reconstruction structure (2 × 4) γ with few defects, 3.0 × 10 -6 A GaAs buffer layer 22 was grown to a thickness of 160 nm at a substrate temperature of about 550 ° C. in an As atmosphere of Torr (see FIG. 4A). It is grown while confirming that the surface reconstruction structure is (2 × 4) γ by referring to the RHEED pattern. 3.0 × 10 after buffer layer growth -6 When the surface is observed in the As atmosphere of Torr, the [110] direction pattern of RHEED shows the rods of (00), (± 1/20), (± 10), and in the [−110] direction, As can be seen from FIGS. 5A, 6A, and 7A, streaky (00), (0 ± 1/4), (0 ± 2/4) in the RHEED pattern. , (0 ± 3/4), (0 ± 1) rods can be confirmed, and the strength of the (0 ± 2/4) rod is weak, so that the surface reconstruction structure of the buffer layer 22 is (2 × 4) It can be confirmed that it is γ.
[0041]
Next, a thin film 23 of a predetermined material is grown on the buffer layer 22 in order to form quantum dots by the SK method (S14). In this embodiment, at a substrate temperature of about 473 ° C., 3.0 × 10 -6 The InAs thin film 23 was grown to a predetermined film pressure by opening the shutter of the In cell 11 for a predetermined time in the As atmosphere of Torr (see FIG. 4B). The growth rate of the InAs thin film 23 by the In cell 11 is about 86 s / ML (molecular layer) when the temperature of the In cell 11 is 640 ° C.
[0042]
Here, in order to examine the formation conditions of the quantum dots, the predetermined time was set to 86 seconds and 210 seconds, and two types of InAs thin films 23 having a predetermined film pressure of 1.0 ML and 2.5 ML were formed. When the film pressure of the InAs thin film 23 is 1.0 ML, only streaky (00) and (0 ± 1) rods are visible in the [−110] direction RHEED pattern, as shown in FIG. A quantum dot is not formed in a two-dimensional layered structure having only the two-dimensional wetting layer 23a. On the other hand, when the film pressure in the InAs thin film 23 is 2.5 ML, the rods of (00) and (0 ± 1) are formed in the RHEED pattern in the [−110] direction as shown in FIGS. 5 (C) and 7 (B). Has changed to an arrow pattern, it can be seen that quantum dots 23b having a three-dimensional island structure are formed on the two-dimensional wetting layer 23a. The lattice constants of GaAs and InAs are 5.623 angstroms and 6.058 angstroms, respectively, and about 7% of strain energy resulting from these differences is accumulated, resulting in the formation of quantum dots with a three-dimensional island structure. Is done. Note that the RHEED patterns after 10 seconds during the growth are shown in FIGS. 5B and 6B, respectively, under the conditions of 2.5 ML and 1.0 ML.
[0043]
Next, nitrogen is introduced into the InAs surface (S15). This is one feature of the present invention. In this embodiment, at a substrate temperature of about 473 ° C., 3.0 × 10 -6 Nitrogen atoms were introduced into the InAs surface by applying a 224 W high-frequency electric field to the nitrogen plasma cell 14 in the As atmosphere of Torr and opening the shutter 14a for 8 seconds from the generation of the nitrogen plasma. As a result, as shown in FIG. 4C, a layer 24 relating to nitrogen atoms is formed on the quantum dots 23b and the wetting surface 23a. As can be seen by comparing FIG. 7B and FIG. 7C, the RHEED pattern after introduction of nitrogen for 8 seconds is substantially the same as the RHEED pattern after growth of InAs 210 seconds and damages the quantum dots 23b. It can be seen that nitrogen is introduced. That is, the quantum dots are maintained even after the introduction of nitrogen. The nitrogen atoms introduced to the surface of InAs are considered to be chemically adsorbed on the surface (As and atomic nitrogen on the surface layer of InAs are exchanged to form an InAsN nitride layer on the surface layer of InAs). However, nitrogen is introduced into the surface of InAs without damaging the quantum dots, and the working wavelength in the nitrogen-introduced quantum dot semiconductor element becomes longer than that in the case where a layer relating to nitrogen is not formed, as will be described later.
[0044]
Next, a GaAs cap layer is grown to cover the layer 24 related to nitrogen (S16). In this embodiment, a GaAs cap layer 25 is grown by 50 nm at a substrate temperature of about 473 ° C. in an As atmosphere of 3.0 × 10 −6 Torr (see FIG. 4D). FIG. 7D shows the RHEED pattern in the [−110] direction in this case. By providing the cap layer, the quantum dot in which the layer 24 relating to nitrogen is formed can be protected, and by further overlapping the quantum dot layer on the cap layer, the quantum dot layer can be multilayered.
[0045]
Through these manufacturing steps, the surface reconstruction (2 × 4) γ GaAs layers 21 and 22, the InAs layer 23 that forms InAs quantum dots, the nitrogen-related layer 24, and the GaAs cap layer 25. A nitrogen-introduced quantum dot semiconductor device comprising:
[0046]
FIG. 8 is a diagram showing an emission spectrum of photoluminescence. The horizontal axis in FIG. 8 indicates the wavelength in nm, and the vertical axis indicates the intensity. The measurement was performed at a measurement temperature of 4K and an excitation light source with an oscillation wavelength of 488 nm and 20 mW Ar. + The sample was emitted using a laser and the emission was detected using a GaInAs CCD.
[0047]
Interband edge energy E in semiconductor crystals g Irradiation with excitation light having a larger energy may generate light called photoluminescence. This is light emitted when carriers are generated by excitation light and transition to an excited state to perform recombination. When a high-purity crystal is irradiated with excitation light at an extremely low temperature, a sharp emission peak appears in the energy region near the band edge (near-band-edge). On the other hand, when electrons and holes are recombined, the emission spectrum becomes unique to the impurities and lattice defects through a process of coupling through impurities and lattice defects present in the crystal. The emission intensity is determined by many factors such as the intensity and energy of excitation light, the impurity concentration, the concentration of non-radiative recombination centers, and the measurement temperature. By analyzing the emission spectrum of this photoluminescence, information on the band structure, impurities, lattice defects, and quantum properties can be obtained. When the semiconductor device is applied to a semiconductor laser, an optical amplification device, or a photoelectric conversion device, the emission wavelength and amplification The working wavelength such as wavelength or conversion wavelength is known.
[0048]
In FIG. 8, the emission spectrum of A is the case of InAs quantum dots (InAs QDs) in which nitrogen is not introduced, and the emission spectrum of B is the case of InAs quantum dots (InAs QDs + nitrogen) into which nitrogen is introduced. As can be seen from the emission spectra of A and B, it can be seen that the emission peak at 4K is shifted from about 1060 nm to about 1190 nm by about 130 nm and lengthened. Thus, the nitrogen-introduced quantum dot semiconductor element has a longer working wavelength than when no nitrogen-related layer is formed.
[0049]
FIG. 9 is a diagram showing the temperature dependence of the emission spectrum of photoluminescence. The horizontal axis in FIG. 9 indicates the wavelength in nm, and the vertical axis indicates the intensity. The emission spectrum was examined at each temperature of 4K, 6K, 8K10K, 15K, 20K, 30K, 40K, 60K, 80K, 100K, and 150K. FIG. 10 is a diagram showing the temperature characteristics of the emission peak. The horizontal axis in FIG. 10 indicates the temperature in K units, and the vertical axis indicates the wavelength in nm units. The broken line in FIG. 10 is a fitting function based on the measurement result indicating the temperature characteristic of the emission peak.
[0050]
As can be seen from FIG. 9, the nitrogen-introduced quantum dot semiconductor device according to the present embodiment is caused by a relatively strong light emission (emission peak) of about 1200 nm and a two-dimensional wetting layer due to the quantum dots at temperatures up to 150K. There is a broad emission of about 1000 nm to about 1100 nm. Further, as can be seen from FIGS. 9 and 10, it can be seen that the emission peak shifts to the longer wavelength side as the temperature rises. The temperature characteristic of the luminescence peak is expressed as in Equation 1 from the value of each luminescence peak at each temperature.
Eg (T) = Eg (0) −αT 2 / (Β + T)
α = 4.99 × 10 -4 eV / K, β = 319K (1)
From this equation, the emission peak at a room temperature of 27 ° C. (300 K) is predicted to be about 1300 nm.
[0051]
The nitrogen-introduced quantum dot semiconductor device according to the present invention can be applied to a quantum dot laser, an optical amplification device, an optical signal processing device, a photoelectric conversion device, and the like. Then, next, the case where the nitrogen introduction | transduction quantum dot semiconductor element which concerns on this invention is used for the active layer of a semiconductor laser, the amplification layer of an optical amplification element, or the conversion layer of a photoelectric conversion element is demonstrated. The optical signal processing element is a highly functional / multifunctional element that can not only amplify light but also perform modulation and the like.
[0052]
FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of a nitrogen-introduced quantum dot semiconductor laser or a nitrogen-introduced quantum dot optical amplifier.
[0053]
In FIG. 11, a nitrogen-introduced quantum dot semiconductor laser 100 is a Fabry-Perot type semiconductor laser, and is formed on a semiconductor substrate 112, a semiconductor cladding layer 113 formed on the substrate 112, and the cladding layer 113. The active layer 114, the semiconductor clad layer 114 formed on the active layer 114, the oxide insulating layer 116 formed on the clad layer 114 leaving the clad layer 114 in a stripe shape, the insulating layer 116 and the stripe The metal ohmic electrode 117 formed on the clad layer 114 left in the shape and the metal ohmic electrode 111 formed on the opposite side of the surface of the substrate 112 on which the clad layer 113 is formed. The active layer 114 includes a buffer layer, a quantum dot layer into which nitrogen is introduced, and a cap layer, as in the above embodiment.
[0054]
The nitrogen-introduced quantum dot semiconductor laser 100 having such a configuration outputs laser light from the end face of the active layer 114 when current is injected. The wavelength of the output laser beam is longer than that of an active layer quantum dot semiconductor laser including a buffer layer, a quantum dot layer, and a cap layer.
[0055]
In order to improve the emission intensity, the active layer 114 may be formed by stacking a plurality of layers including a quantum dot layer into which nitrogen is introduced and a cap layer. Further, the active layer 114 may be configured by stacking a plurality of layers including a quantum dot layer and a cap layer into which nitrogen is introduced, and a layer including a normal quantum dot layer and a cap layer into which nitrogen is not introduced.
[0056]
On the other hand, the nitrogen-introduced quantum dot optical amplifier 120 has the same configuration as the nitrogen-introduced quantum dot semiconductor laser 100 except that the active layer 114 shown in FIG. The amplification layer 124 includes a buffer layer, a quantum dot layer into which nitrogen is introduced, and a cap layer, as in the above-described embodiment.
[0057]
In the nitrogen-introduced quantum dot light amplifying element 120 having such a configuration, as shown by a broken line in FIG. 11, when laser light is input from one end face of the amplification layer 124, the input laser light is amplified by stimulated emission and the amplification layer 124. Is output from the other end face of the. The wavelength of the laser light to be amplified is longer than that of the quantum dot light amplifying element of the amplification layer configured to include the buffer layer, the quantum dot layer, and the cap layer.
[0058]
In order to improve the amplification factor, the amplification layer 124 may be configured by stacking a plurality of layers each including a quantum dot layer into which nitrogen is introduced and a cap layer. Further, the amplification layer 114 may be configured by stacking a plurality of layers composed of a quantum dot layer and a cap layer into which nitrogen is introduced, and a layer composed of a normal quantum dot layer and a cap layer into which nitrogen is not introduced.
[0059]
FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration of a nitrogen-introduced quantum dot photoelectric conversion element. In FIG. 12, the nitrogen-introduced quantum dot light amplifying element 130 includes a semiconductor substrate 132, a photoelectric conversion layer 133 formed on the substrate 132, a transparent electrode 134 formed on the photoelectric conversion layer 133, and a substrate 132. And a metal ohmic electrode 131 formed on the opposite side of the surface on which the photoelectric conversion layer 133 is formed. The photoelectric conversion layer 133 includes a buffer layer, a quantum dot layer into which nitrogen is introduced, and a cap layer, as in the above-described embodiment. The transparent electrode is, for example, ITO.
[0060]
In the nitrogen-introduced quantum dot photoelectric conversion element 130 having such a configuration, when light is incident on the photoelectric conversion layer 133 via the transparent electrode 134, the light is converted into a current according to the intensity by the photoelectric conversion layer 133, It is taken out from the ohmic electrode 131 and the transparent electrode 134. And the wavelength of the light photoelectrically converted becomes a long wavelength compared with the quantum dot photoelectric conversion element of the photoelectric conversion layer comprised including a buffer layer, a quantum dot layer, and a cap layer.
[0061]
In particular, the nitrogen-introduced quantum dot photoelectric conversion element 130 uses an InAs quantum dot formed on the GaAs substrate and nitrogen is introduced into the surface of the quantum dot for the photoelectric conversion layer 133. It becomes an element that photoelectrically converts light. For this reason, when the nitrogen introduction | transduction quantum dot photoelectric conversion element 130 is utilized for a solar cell, since infrared light can be photoelectrically converted, the conversion efficiency of the whole solar cell can be improved. In addition, when the nitrogen-introduced quantum dot photoelectric conversion element 130 is used for a solid-state imaging element, an imaging element that photoelectrically converts infrared light can be manufactured.
[0062]
In order to improve the conversion efficiency, the photoelectric conversion layer 133 may be configured by stacking a plurality of layers including a quantum dot layer into which nitrogen is introduced and a cap layer. Alternatively, the photoelectric conversion layer 133 may be configured by stacking a plurality of layers including a quantum dot layer and a cap layer into which nitrogen is introduced and a normal quantum dot layer and a cap layer into which nitrogen is not introduced.
[0063]
FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of an optical communication system. In FIG. 13, an optical communication system 200 receives an optical transmitter 201 that transmits an optical signal, a transmission path 202 that transmits an optical signal output from the optical transmitter 201, and an optical signal that is transmitted through the transmission path 202. An optical repeater 204 (204-1,..., 204-n) that is configured to include an optical receiver 203 that amplifies one or a plurality of optical signals in consideration of transmission loss of the optical signal. Provided inside.
[0064]
The optical transmitter 201 includes a laser light source (hereinafter abbreviated as “LD light source”) 211 that outputs laser light, an external modulator 212 that modulates laser light emitted from the LD light source according to information to be transmitted, An optical amplifier 213 that amplifies the laser light modulated by the external modulator 212, an optical coupler 214 that branches the laser light amplified by the optical amplifier 213 into two, and one of the laser lights branched by the optical coupler 214 is received. And a control circuit 216 for controlling the LD light source 211, the external modulator 212, and the optical amplifier 213, and the other laser beam branched by the optical coupler 214 is transmitted to the optical transmitter. 201 output. Based on the output of the light receiving element 215, the control circuit 216 adjusts the gain of the optical amplifier 213 so that laser light having a constant intensity is output from the optical transmitter 201. The LD light source 211 includes, for example, a nitrogen-introduced quantum dot semiconductor laser according to the present invention that emits laser light, and a drive circuit that drives the nitrogen-introduced quantum dot semiconductor laser. A cooling unit for cooling the dot semiconductor laser is further provided.
[0065]
In the above description, the laser light is modulated by the external modulator 212. However, the laser light may be modulated by direct modulation that modulates the drive current of the laser light source. In this case, the drive circuit is an embodiment corresponding to the modulation unit.
[0066]
The optical repeater 204 includes an optical amplifier 241 that amplifies laser light (optical signal) from the transmission path 202. The optical repeater 204 may further include a dispersion compensating optical fiber that compensates for chromatic dispersion as necessary.
[0067]
The optical receiver 203 includes an optical amplifier 231 that amplifies laser light (optical signal) from the transmission path 202, a light receiving element 232 that receives and photoelectrically converts the laser light amplified by the optical amplifier 231, and a light receiving element 232. And a demodulator 233 that demodulates information based on the output.
[0068]
The optical amplifiers 213, 231, and 241 are configured to include, for example, the nitrogen-introduced quantum dot optical amplifier according to the present invention, and further include a cooling unit that cools the nitrogen-introduced quantum dot optical amplifier as necessary. The light receiving elements 215 and 232 are configured to include, for example, the nitrogen-introduced quantum dot photoelectric conversion element according to the present invention, and further include a cooling unit that cools the nitrogen-introduced quantum dot photoelectric conversion element as necessary.
[0069]
In the optical communication system 200 having such a configuration, the optical signal output from the optical transmitter 201 is transmitted through the transmission line 202 while being compensated for transmission loss by the optical repeater 204 and received by the optical receiver 203. In particular, the performance of the optical transmitter 201 is improved by using a nitrogen-introduced quantum dot semiconductor laser, and the optical transmitter 201, the optical receiver 203, and the optical repeater 204 have optical amplifiers 213 and 231, respectively. 241 can be miniaturized by using a nitrogen-introduced quantum dot light amplifying element.
[0070]
In this embodiment, the MBE method is used for the growth of each layer. However, the present invention is not limited to this, and a semiconductor such as a laser vapor deposition method or MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) is used. Growth manufacturing technology can be used.
[0071]
In the present embodiment, InAs quantum dots are formed. However, the present invention is not limited to this. From the viewpoint of increasing the wavelength, a substance containing a material that reduces the band gap of InAs, for example, InAsN is used. Quantum dots may be formed.
[0072]
Furthermore, in the present embodiment, GaAs is used for the cap layer, but the present invention is not limited to this. From the viewpoint of increasing the wavelength, In is used. x Ga 1-x As, InSbAs or GaAs 1-y N y May be used. In x Ga 1-x When As is used, the wavelength increases as the value of x increases. GaAs 1-y N y Is used, the wavelength increases as the value of y increases.
[0073]
【The invention's effect】
As described above, in the quantum dot semiconductor device according to the present invention, the working wavelength can be increased by introducing nitrogen into the surface of the quantum dot as compared with the quantum dot semiconductor device that is not introduced. Further, by applying the quantum dot semiconductor device according to the present invention to a semiconductor laser, an optical amplifying device, and a photoelectric conversion device, the wavelength can be increased and the characteristics can be improved. Further, by using these elements for an optical transmitter, an optical repeater, and an optical receiver in an optical communication system, it is possible to increase the wavelength, improve the performance, and reduce the size of the device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a growth chamber in an apparatus for producing a nitrogen-introduced quantum dot semiconductor device by molecular beam epitaxy.
FIG. 2 is a diagram showing a spectrum of nitrogen plasma.
FIG. 3 is a flowchart showing a method for manufacturing a nitrogen-introduced quantum dot semiconductor device.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a nitrogen-introduced quantum dot semiconductor device in each manufacturing process.
FIG. 5 is a diagram showing an RHEED pattern in a [−110] direction in a 2.5 ML InAs growth process.
FIG. 6 is a diagram showing an RHEED pattern in a [−110] direction in a 1.0 ML InAs growth process.
FIG. 7 is a diagram showing an RHEED pattern in the [−110] direction in a heterostructure growth process for 2.5 ML InAs.
FIG. 8 is a diagram showing an emission spectrum of photoluminescence.
FIG. 9 is a graph showing the temperature dependence of the emission spectrum of photoluminescence.
FIG. 10 is a graph showing temperature characteristics of emission peaks.
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a nitrogen-introduced quantum dot semiconductor laser or a nitrogen-introduced quantum dot optical amplifying element.
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of a nitrogen-introduced quantum dot photoelectric conversion element.
FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of an optical communication system.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Growth chamber, 10 chamber, 11 Indium cell, 12 Gallium cell, 13 Arsenic cell, 14 Nitrogen plasma cell, 15 Substrate holder, 16 Manipulator, 17 RHEED electron gun, 18 RHEED screen, 21, 112, 132 Substrate, 22 Buffer layer , 23 Thin film, 23a Quantum dot, 23b Wetting layer, 24 Nitrogen layer, 25 Cap layer, 100 Nitrogen introduced quantum dot semiconductor laser, 111, 117, 131 Ohmic electrode, 113, 115 Clad layer, 114 Active layer, 116 Insulating layer , 120 Nitrogen-introduced quantum dot optical amplifying element, 124 Amplifying layer, 130 Nitrogen-introduced quantum dot photoelectric conversion element, 133 Photoelectric converting layer, 134 Transparent electrode, 200 Optical communication system, 201 Optical transmitter, 202 Transmission path, 203 Optical receiver 204 Optical repeater 211 Chromatography The light source, 212 an external modulator, 213,231,241 optical amplifier 214 an optical coupler, 215,232 light receiving element, 216 a control circuit, 233 a demodulation circuit

Claims (13)

量子ドットの表面に窒素を導入したこと
を特徴とする量子ドット半導体素子。
A quantum dot semiconductor device, wherein nitrogen is introduced into the surface of the quantum dot.
前記量子ドットは、GaAsの所定の表面に形成したInAsの量子ドットであること
を特徴とする請求項1に記載の量子ドット半導体素子。
2. The quantum dot semiconductor device according to claim 1, wherein the quantum dots are InAs quantum dots formed on a predetermined surface of GaAs.
表面に窒素を導入した前記量子ドットを被覆するキャップ層をさらに備えること
を特徴とする請求項1又は請求項2に記載の量子ドット半導体素子。
The quantum dot semiconductor device according to claim 1, further comprising a cap layer that covers the quantum dots having nitrogen introduced on a surface thereof.
前記キャップ層は、InGaAs、GaAsN又はInAsSbの何れかであること
を特徴とする請求項3に記載の量子ドット半導体素子。
4. The quantum dot semiconductor device according to claim 3, wherein the cap layer is one of InGaAs, GaAsN, and InAsSb.
活性層に請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の量子ドット半導体素子を用いたこと
を特徴とする量子ドット半導体レーザ。
A quantum dot semiconductor laser using the quantum dot semiconductor device according to any one of claims 1 to 4 in an active layer.
増幅層に請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の量子ドット半導体素子を用いたこと
を特徴とする光増幅素子。
An optical amplifying element using the quantum dot semiconductor element according to any one of claims 1 to 4 for an amplifying layer.
光電変換層に請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の量子ドット半導体素子を用いたこと
を特徴とする光電変換素子。
A photoelectric conversion element using the quantum dot semiconductor element according to any one of claims 1 to 4 for a photoelectric conversion layer.
光を発光する光源部と、前記光源部の光を送信すべき情報に従って変調する変調部と、前記変調部で変調された光を増幅する光増幅部とを備えた光送信機において、
前記光源部は、請求項5に記載の量子ドット半導体レーザを備えること
を特徴とする光送信機。
In an optical transmitter including a light source unit that emits light, a modulation unit that modulates light of the light source unit according to information to be transmitted, and an optical amplification unit that amplifies the light modulated by the modulation unit,
The light source unit includes the quantum dot semiconductor laser according to claim 5.
光を発光する光源部と、前記光源部の光を送信すべき情報に従って変調する変調部と、前記変調部で変調された光を増幅する光増幅部とを備えた光送信機において、
前記光増幅部は、請求項6に記載の光増幅素子を備えること
を特徴とする光送信機。
In an optical transmitter including a light source unit that emits light, a modulation unit that modulates light of the light source unit according to information to be transmitted, and an optical amplification unit that amplifies the light modulated by the modulation unit,
The optical transmitter includes the optical amplifying element according to claim 6.
伝送路中に介設され光を増幅する光増幅部を備えた光中継機において、
前記光増幅部は、請求項6に記載の光増幅素子を備えること
を特徴とする光中継機。
In an optical repeater provided with an optical amplifying unit interposed in the transmission path to amplify light,
An optical repeater comprising the optical amplifying element according to claim 6.
光を増幅する光増幅部と、前記光増幅で増幅された光を受信する受信部とを備える光受信機において、
前記光増幅部は、請求項6に記載の光増幅素子を備えること
を特徴とする光受信機。
In an optical receiver comprising an optical amplification unit that amplifies light and a reception unit that receives light amplified by the optical amplification,
The optical receiver includes the optical amplifying element according to claim 6.
光を増幅する光増幅部と、前記光増幅で増幅された光を受信する光受信部とを備える光受信機において、
前記光受信部は、請求項7に記載の光電変換素子を備えること
を特徴とする光受信機。
In an optical receiver comprising an optical amplifying unit for amplifying light and an optical receiving unit for receiving the light amplified by the optical amplification,
The said optical receiver is provided with the photoelectric conversion element of Claim 7, The optical receiver characterized by the above-mentioned.
基板に量子ドットを形成する工程と、
前記量子ドットの表面に窒素を導入する工程と、
表面に窒素を導入した前記量子ドットを被覆するキャップ層を形成する工程とを備えること
を特徴とする量子ドット半導体素子の製造方法。
Forming quantum dots on the substrate;
Introducing nitrogen into the surface of the quantum dots;
And a step of forming a cap layer that covers the quantum dots introduced with nitrogen on the surface thereof.
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