JP2005347662A - Semiconductor quantum dot structure and its manufacturing method - Google Patents

Semiconductor quantum dot structure and its manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
JP2005347662A
JP2005347662A JP2004168089A JP2004168089A JP2005347662A JP 2005347662 A JP2005347662 A JP 2005347662A JP 2004168089 A JP2004168089 A JP 2004168089A JP 2004168089 A JP2004168089 A JP 2004168089A JP 2005347662 A JP2005347662 A JP 2005347662A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor
quantum dot
thin film
semiconductor quantum
ingaas
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.)
Granted
Application number
JP2004168089A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3771925B2 (en
Inventor
Hiroshi Okamoto
浩 岡本
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.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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 Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP2004168089A priority Critical patent/JP3771925B2/en
Publication of JP2005347662A publication Critical patent/JP2005347662A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3771925B2 publication Critical patent/JP3771925B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To manufacture a semiconductor quantum dot which has a further wide producible emission wavelength range, has little defect, is excellent in optical property and has little manufacturing limit with good uniformity and reproducibility. <P>SOLUTION: In a structure wherein a semiconductor quantum dot 105 is formed on a semiconductor substrate 101, the semiconductor quantum dot 105 is laminated with at least one thin film semiconductor layer 106 consisting of a semiconductor material which is different from a semiconductor material constituting the semiconductor substrate 101 in composition or constituent element. At least one thin film semiconductor layer 106, or both at least one thin film semiconductor layer 106 and the semiconductor quantum dot 105 are impregnated with bismuth. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体量子ドット構造及びその製造方法に関するのものである。   The present invention relates to a semiconductor quantum dot structure and a manufacturing method thereof.

従来の構造による半導体量子ドットは、その多くが半導体基板上に該基板とは格子定数が一定の値以上に異なる半導体層を特定の条件下で成長した時に生じる量子ドットの自己形成の現象を利用して作成されているため、半導体量子ドットの大きさや密度、ドットが他の半導体層に埋め込まれた場合の歪等を狙い通りに制御することが難しい、という問題点があった。
例えばGaAs基板上にInAs量子ドットを作成する場合を例にあげると、量子ドットの大きさを大きくして発光波長を長波にしようとした場合には面内のドットの密度が下がり、ドットの密度を上げようとした場合には量子ドットの大きさが小さくなる、といった制約があった。
Many semiconductor quantum dots with conventional structures utilize the phenomenon of self-formation of quantum dots that occurs when a semiconductor layer with a lattice constant different from that of the substrate by a certain value is grown on a semiconductor substrate under specific conditions. Therefore, there is a problem that it is difficult to control the size and density of the semiconductor quantum dots and the distortion when the dots are embedded in another semiconductor layer as intended.
For example, in the case of creating InAs quantum dots on a GaAs substrate, for example, when the size of the quantum dots is increased to increase the emission wavelength, the density of dots in the plane decreases, and the dot density However, there is a restriction that the size of the quantum dot becomes small when trying to increase it.

また、上記InAs量子ドットをGaAsで埋め込んだ場合にはInAs量子ドット中に大きな圧縮歪が残留することにより、その発光波長はInAs本来のバンドギャップによるものに比べ、大幅に短波となっていた。
上記問題を解決するために従来から各種の半導体量子ドット構造並びに製造方法が考案されており、例えば再度GaAs基板上にInAs量子ドットを作成する場合を例にあげると、InAs量子ドット上又は上下に圧縮歪を有するInGaAs層を積層し、InAs量子ドット中の残留歪を弾性的に緩和して小さくする方法、或いは圧縮歪を有するInGaAs層の代わりに伸張歪を有するGaAsN層を積層して同様の効果を得る方法などが用いられている。
Further, when the InAs quantum dots are embedded with GaAs, a large compressive strain remains in the InAs quantum dots, so that the emission wavelength is significantly shorter than that due to the band gap inherent in InAs.
In order to solve the above problems, various semiconductor quantum dot structures and manufacturing methods have been conventionally devised. For example, in the case where InAs quantum dots are again formed on a GaAs substrate, the InAs quantum dots may be formed on or above the InAs quantum dots. A method of laminating an InGaAs layer having a compressive strain and reducing the residual strain in the InAs quantum dots by elastically reducing it, or a layer of a GaAsN layer having an extension strain instead of an InGaAs layer having a compressive strain is the same. A method for obtaining an effect is used.

また、面内のドットの密度を下げずにその大きさを大きくする方法としては上記InGaAs層を積層する際に一定の条件下で発生する相分離現象を利用して、InAs量子ドットの周囲に選択的にIn組成の高いInGaAsを成長し、実効的なドット体積を大きくする手法も一部で用いられている(例えば、非特許文献1参照)。
しかしながら、上記のごとき従来の構造並びに製造方法による半導体量子ドットは作成における再現性、面内均一性が十分ではない、という問題点があることに加え、更に量子ドットの形成並びに他の半導体層による埋込み成長においては通常より低温の成長が必要となる結果、非発光中心となる欠陥が導入されやすく、十分な光学特性が得られにくい、といった問題点があった。
In addition, as a method of increasing the size of the dots without reducing the in-plane density, a phase separation phenomenon that occurs under certain conditions when the InGaAs layer is stacked is used to surround the InAs quantum dots. A method of selectively growing InGaAs with a high In composition to increase the effective dot volume is also used in part (see Non-Patent Document 1, for example).
However, the semiconductor quantum dots obtained by the conventional structure and manufacturing method as described above have problems that the reproducibility and in-plane uniformity in production are not sufficient, and further, the formation of quantum dots and other semiconductor layers In the buried growth, growth at a lower temperature than usual is required. As a result, defects that become non-luminescent centers are easily introduced, and it is difficult to obtain sufficient optical characteristics.

特に半導体レーザー用等のエピタキシャルウェハ生産に多く用いられる有機金属化合物気相エピタキシャル成長法(MOVPE法)においては成長原料を熱分解する必要があることから低温成長条件においては良質な半導体層を得ることが困難であった。
また一方、半導体薄膜の成長時にビスマス、アンチモン、タリウム等の材料を供給し、表面改質剤(サーファクタントと呼ばれる)として用いることにより平坦性の良い結晶を得る試みが行われている(例えば特許文献1、非特許文献2参照)が、これらの原料を上記のような相分離の促進に利用した例はなかった。
特許掲載公報第3239821号、「歪半導体結晶の製造方法」 M.V.Maximov他、“GaAs-Based 1.3μm InGaAs Quantum Dot Lasers:A status Report ”Journal of Electronic Materials, Vol. 29 p.476, 2000. S.Tixier他、”Surfactant enhanced growth of GaNAs and InGaNAs using bismuth“Journal of Crystal Growth, VoL.251, p.449, 2003.
In particular, in the organic metal compound vapor phase epitaxial growth method (MOVPE method) often used for the production of epitaxial wafers for semiconductor lasers and the like, it is necessary to thermally decompose the growth raw material, so that a high-quality semiconductor layer can be obtained under low temperature growth conditions. It was difficult.
On the other hand, attempts have been made to obtain crystals with good flatness by supplying materials such as bismuth, antimony, and thallium during the growth of semiconductor thin films and using them as surface modifiers (called surfactants). 1 (see Non-Patent Document 2), however, there was no example in which these raw materials were used for promoting phase separation as described above.
Patent Publication No. 3239821, “Method for producing strained semiconductor crystal” MV. Maximov et al., “GaAs-Based 1.3μm InGaAs Quantum Dot Lasers: A status Report” Journal of Electronic Materials, Vol. 29 p.476, 2000. S. Tixier et al., “Surfactant enhanced growth of GaNAs and InGaNAs using bismuth” Journal of Crystal Growth, VoL.251, p.449, 2003.

本発明は上記のごとき従来の構造並びに製造方法による半導体量子ドットの限界あるいは欠点を解決するためになされたもので、より製造可能な発光波長範囲が広く、かつ、より欠陥が少なく光学特性に優れ、作成上の制約も少ない半導体量子ドットを均一性、再現性良く作成することを目的としてなされたものである。   The present invention was made to solve the limitations or disadvantages of the semiconductor quantum dots by the conventional structure and manufacturing method as described above, and has a wider range of light emission wavelengths that can be manufactured, and has fewer defects and excellent optical properties. The purpose is to produce semiconductor quantum dots with few restrictions on production with good uniformity and reproducibility.

上記課題を解決する本発明の請求項1に係る半導体量子ドット構造は、半導体基板上に半導体量子ドットが形成される構造において、前記半導体量子ドットが半導体基板を構成する半導体材料とは組成、或いは構成元素が異なる半導体材料からなる少なくとも1層の半導体薄膜層と積層されており、上記半導体薄膜層の少なくとも1層に、又は上記半導体薄膜層の少なくとも1層と上記半導体量子ドットの双方にビスマスが添加されていることを特徴とする。   The semiconductor quantum dot structure according to claim 1 of the present invention for solving the above-mentioned problems is a structure in which semiconductor quantum dots are formed on a semiconductor substrate, wherein the semiconductor quantum dots are composed of a semiconductor material constituting the semiconductor substrate, or It is laminated with at least one semiconductor thin film layer made of a semiconductor material having different constituent elements, and bismuth is formed in at least one layer of the semiconductor thin film layer, or in at least one layer of the semiconductor thin film layer and the semiconductor quantum dot. It is characterized by being added.

上記課題を解決する本発明の請求項2に係る半導体量子ドット構造は、請求項1記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板、前記半導体量子ドット並びに前記半導体薄膜層がIII−V族化合物半導体、或いはIII−V族化合物半導体混晶であることを特徴とする。   The semiconductor quantum dot structure according to claim 2 of the present invention for solving the above-mentioned problems is the semiconductor quantum dot structure according to claim 1, wherein the semiconductor substrate, the semiconductor quantum dot and the semiconductor thin film layer are III-V compound semiconductors. Or a III-V compound semiconductor mixed crystal.

上記課題を解決する本発明の請求項3に係る半導体量子ドット構造は、請求項2記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がGaAs又はInGaAsであり、かつ、前記半導体量子ドットがInAs、InAsSb、InGaAs、InGaAsP又はInGaAsSbであり、かつ、前記半導体薄膜層がInGaAs、InGaAsP又はInGaAsSbであることを特徴とする。   The semiconductor quantum dot structure according to claim 3 of the present invention for solving the above-described problems is the semiconductor quantum dot structure according to claim 2, wherein the semiconductor substrate is GaAs or InGaAs, and the semiconductor quantum dots are InAs, InAsSb. InGaAs, InGaAsP or InGaAsSb, and the semiconductor thin film layer is InGaAs, InGaAsP or InGaAsSb.

上記課題を解決する本発明の請求項4に係る半導体量子ドット構造は、請求項2記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がInPであり、かつ、
前記半導体量子ドットがInAs、InAsSb、InGaAs、InGaAsP又はInGaAsSbであり、かつ、前記半導体薄膜層がInGaAs、InGaAsP又はInGaAsSbであることを特徴とする。
The semiconductor quantum dot structure according to claim 4 of the present invention that solves the above problem is the semiconductor quantum dot structure according to claim 2, wherein the semiconductor substrate is InP, and
The semiconductor quantum dot is InAs, InAsSb, InGaAs, InGaAsP or InGaAsSb, and the semiconductor thin film layer is InGaAs, InGaAsP or InGaAsSb.

上記課題を解決する本発明の請求項5に係る半導体量子ドット構造は、請求項2記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がGaAs又はInGaAsであり、かつ、前記半導体量子ドットがInNAs、GaInNAs、InNAsSb又はGaInNAsSbであり、かつ、前記半導体薄膜層がInGaAs、InGaAsP、InGaAsSb、GaNAs、InNAs、GaInNAs、InNAsSb又はGaInNAsSbであることを特徴とする。   The semiconductor quantum dot structure according to claim 5 of the present invention for solving the above-mentioned problems is the semiconductor quantum dot structure according to claim 2, wherein the semiconductor substrate is GaAs or InGaAs, and the semiconductor quantum dots are InNAs, GaInNAs. InNAsSb or GaInNAsSb, and the semiconductor thin film layer is InGaAs, InGaAsP, InGaAsSb, GaNAs, InNAs, GaInNAs, InNAsSb, or GaInNAsSb.

上記課題を解決する本発明の請求項6に係る半導体量子ドット構造は、請求項2記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がInPであり、かつ、前記半導体量子ドットがInNAs、GaInNAs、InNAsSb又はGaInNAsSbであり、かつ、前記半導体薄膜層がInGaAs、InGaAsP、InGaAsSb、GaNAs、InNAs、GaInNAs、InNAsSb又はGaInNAsSbであることを特徴とする。   The semiconductor quantum dot structure according to claim 6 of the present invention for solving the above-mentioned problems is the semiconductor quantum dot structure according to claim 2, wherein the semiconductor substrate is InP, and the semiconductor quantum dots are InNAs, GaInNAs, InNAsSb. Alternatively, it is GaInNAsSb, and the semiconductor thin film layer is InGaAs, InGaAsP, InGaAsSb, GaNAs, InNAs, GaInNAs, InNAsSb, or GaInNAsSb.

上記課題を解決する本発明の請求項7に係る半導体量子ドット構造の製造方法は、請求項1,2,3,4,5又は6記載の半導体量子ドット構造を製造する方法において、前記半導体薄膜層の成長温度が、500℃以下であり、かつ前記半導体薄膜層の少なくとも1層の成長時又は前記半導体薄膜層の少なくとも1層と上記半導体量子ドットの双方の成長時にビスマスを供給することを特徴とする。   The method of manufacturing a semiconductor quantum dot structure according to claim 7 of the present invention for solving the above-described problem is the method of manufacturing a semiconductor quantum dot structure according to claim 1, 2, 3, 4, 5 or 6, wherein the semiconductor thin film The growth temperature of the layer is 500 ° C. or less, and bismuth is supplied during growth of at least one of the semiconductor thin film layers or growth of at least one of the semiconductor thin film layers and the semiconductor quantum dots. And

上記課題を解決する本発明の請求項8に係る半導体量子ドット構造の製造方法は、請求項7記載の半導体量子ドット構造の製造方法において、前記ビスマスの原料としてトリメチルビスマスを用い、ガリウムの原料としてトリイソプロピルガリウムを用いることを特徴とする。   The method for producing a semiconductor quantum dot structure according to claim 8 of the present invention for solving the above-described problem is the method for producing a semiconductor quantum dot structure according to claim 7, wherein trimethylbismuth is used as the bismuth material and gallium is used as the gallium material. Triisopropyl gallium is used.

本発明による半導体量子ドット構造を前記半導体光源の活性層として使用した場合、従来技術を用いた場合に比べ、出射可能な光出力の波長範囲を大幅に広げられる他、その発光効率、温度特性を大幅に向上することが可能である。
また、本発明による半導体量子ドット構造を前記半導体光増幅器の活性層として使用した場合、従来技術を用いた場合に比べ、増幅できる波長の帯域が広く、飽和光出力が大きく、かつ高速応答特性を兼ね備えた特性を得ることが可能である。
また、本発明による半導体量子ドット構造の製造方法を用いた場合、上記本発明による半導体量子ドット構造を再現性、歩留まり良く提供することが可能である。
When the semiconductor quantum dot structure according to the present invention is used as the active layer of the semiconductor light source, the wavelength range of the light output that can be emitted can be greatly widened compared to the case of using the prior art, and the light emission efficiency and temperature characteristics are also improved. It can be greatly improved.
In addition, when the semiconductor quantum dot structure according to the present invention is used as the active layer of the semiconductor optical amplifier, the wavelength band that can be amplified is wide, the saturation light output is large, and the high-speed response characteristic is obtained as compared with the case of using the prior art. It is possible to obtain the combined characteristics.
Further, when the method for producing a semiconductor quantum dot structure according to the present invention is used, the semiconductor quantum dot structure according to the present invention can be provided with good reproducibility and yield.

(1)本発明による半導体量子ドット構造は前記半導体量子ドットが半導体基板を構成する半導体材料とは組成、或いは構成元素が異なる半導体材料からなる少なくとも1層の半導体薄膜層と積層されており、上記半導体薄膜層の少なくとも1層に、又は上記半導体薄膜層の少なくとも1層と上記半導体量子ドットの双方にビスマスが添加されていることを特徴としている。
ここでビスマスを添加することによって得られる効果は大きく分けて3種類となる。
(1) In the semiconductor quantum dot structure according to the present invention, the semiconductor quantum dot is laminated with at least one semiconductor thin film layer made of a semiconductor material having a composition or a constituent element different from that of the semiconductor material constituting the semiconductor substrate. Bismuth is added to at least one of the semiconductor thin film layers, or to at least one of the semiconductor thin film layers and the semiconductor quantum dots.
Here, the effects obtained by adding bismuth are roughly divided into three types.

第一の効果はビスマスの添加によって非発光中心となる欠陥が少なく、光学特性に優れた半導体量子ドット並びに上記半導体薄膜層が低温の成長条件においても得られる点、第二にはビスマスの添加によって前記半導体薄膜層成長時の相分離現象が促進される結果、より大きい、即ち、より長波で発光する半導体量子ドットが均一性良く構成されている点、第三にはビスマスの添加によって半導体量子ドットを構成する材料のバンドギャップが小さくなり、その発光がより長波となる半導体量子ドット構造が得られる点である。
この結果、本発明による半導体量子ドット構造においては光学特性に優れ、発光波長に関する自由度が大きく、更にウェハ面内の均一性も高い、という特徴がある。
The first effect is that the addition of bismuth has few defects that become non-luminescent centers, and the semiconductor quantum dots having excellent optical properties and the semiconductor thin film layer can be obtained even under low temperature growth conditions. Second, the addition of bismuth. As a result of promoting the phase separation phenomenon during the growth of the semiconductor thin film layer, a semiconductor quantum dot that is larger, that is, emits light at a longer wave, is configured with good uniformity. Third, the addition of bismuth makes the semiconductor quantum dot The band gap of the material constituting the material is reduced, and a semiconductor quantum dot structure in which the light emission becomes longer wave is obtained.
As a result, the semiconductor quantum dot structure according to the present invention is characterized by excellent optical characteristics, a high degree of freedom regarding the emission wavelength, and a high uniformity within the wafer surface.

(2)本発明による半導体量子ドット構造の製造方法は、半導体量子ドットを埋め込む半導体薄膜層の成長時において、成長温度を500℃以下とし、かつ前記半導体薄膜層の成長時にビスマスを供給することにより前記半導体薄膜構造中における自己発生的な相分離が光学特性の劣化を伴うことなく促進可能であるという特徴を有するものである。
ここで成長温度を500℃以下とした理由は、500℃を越える温度で半導体量子ドットを埋め込んだ場合には同量子ドットが変形し、光学特性が劣化することに加え、熱力学的に前記相分離が起こりにくくなり、所望の発光波長を得るための制御が困難になるためである。
(2) In the method of manufacturing a semiconductor quantum dot structure according to the present invention, the growth temperature is set to 500 ° C. or less during the growth of the semiconductor thin film layer in which the semiconductor quantum dots are embedded, and bismuth is supplied during the growth of the semiconductor thin film layer. It is characterized in that self-generated phase separation in the semiconductor thin film structure can be promoted without deteriorating optical characteristics.
Here, the reason why the growth temperature is set to 500 ° C. or lower is that when the semiconductor quantum dots are embedded at a temperature exceeding 500 ° C., the quantum dots are deformed and the optical characteristics are deteriorated, and the above-mentioned phase is thermodynamically. This is because separation hardly occurs and control for obtaining a desired emission wavelength becomes difficult.

また、従来低温成長が難しいとされていたMOVPE法による半導体層の成長において、本発明ではビスマスの原料としてトリメチルビスマスを用いるとともに、トリメチルインジウム等の原料に比べ分解温度の高いトリメチルガリウムやトリエチチルガリウム等のガリウム原料に代え、トリイソプロピルガリウムを用いることにより、低温成長条件においても良質な半導体層の成長が可能になった。
この結果、本発明による半導体量子ドット構造の製造方法においては前記従来の発明による相分離現象を利用したドット体積の拡大手法に比べ、より光学特性に優れ、発光波長に関する自由度が大きく、更にウェハ面内の均一性も高い半導体量子ドット構造をMOVPE法を用いた場合においても再現性、歩留まり良く提供することが可能である。
In addition, in the growth of a semiconductor layer by the MOVPE method, which is conventionally difficult to grow at a low temperature, in the present invention, trimethylbismuth is used as a bismuth raw material, and trimethylgallium and triethylyl having a decomposition temperature higher than that of a raw material such as trimethylindium. By using triisopropyl gallium instead of a gallium raw material such as gallium, it is possible to grow a high-quality semiconductor layer even under low temperature growth conditions.
As a result, in the method of manufacturing a semiconductor quantum dot structure according to the present invention, compared with the method of enlarging the dot volume using the phase separation phenomenon according to the conventional invention, the optical characteristics are superior and the degree of freedom with respect to the emission wavelength is large. It is possible to provide a semiconductor quantum dot structure with high in-plane uniformity with good reproducibility and yield even when the MOVPE method is used.

ビスマスの供給により以上のような作用が得られる理由は今のところ明確ではないが、ビスマスの供給により成長層表面における表面エネルギーが小さくなり、成長原料の結晶表面における拡散距離がより大きくなることの効果、即ち従来の提案とは結果として得られる効果が全く逆ではあるものの、一種のサーファクタント効果であると考えられる。
但し、本発明による半導体量子ドット構造の製造方法においては低温の成長条件を用いているため、供給したビスマスは純粋なサーファクタントではなく、その一部が結晶内に取り込まれ、バンドギャップを狭小化する作用をも有していることに特徴がある。
[作用]
The reason why the above action can be obtained by supplying bismuth is not clear at present, but the supply of bismuth decreases the surface energy on the growth layer surface and increases the diffusion distance on the crystal surface of the growth material. Although the effect, that is, the effect obtained as a result is completely opposite to the conventional proposal, it is considered to be a kind of surfactant effect.
However, since the manufacturing method of the semiconductor quantum dot structure according to the present invention uses low-temperature growth conditions, the supplied bismuth is not a pure surfactant, and a part of the bismuth is taken into the crystal to narrow the band gap. It is characterized by having an action.
[Action]

本発明による半導体量子ドット構造は、従来の技術による半導体量子ドット構造に比べ、より発光効率等の特性に優れ、より発光波長に関する自由度の高い半導体光源の活性層として作用する。
また、本発明による半導体量子ドット構造の製造方法は、上記本発明による半導体量子ドット構造を再現性、歩留まり良く提供することを可能にする。
The semiconductor quantum dot structure according to the present invention is more excellent in characteristics such as light emission efficiency than the semiconductor quantum dot structure according to the prior art, and acts as an active layer of a semiconductor light source having a higher degree of freedom regarding the emission wavelength.
Also, the method for producing a semiconductor quantum dot structure according to the present invention makes it possible to provide the semiconductor quantum dot structure according to the present invention with good reproducibility and yield.

本発明の請求項1,2及び3に関する実施例を図1に表す。
図中、101は基板(GaAs)、102はクラッド層(AlGaAs,膜厚1.5μm)、103は光閉じ込め層(AlGaAs,膜厚200nm)、104は障壁層(GaAs,膜厚50nm)、105は量子ドット(In(Ga)As:Bi)、106は薄膜層(InGaAs:Bi,膜厚10nm)、107はコンタクト層(GaAs,膜厚300nm)である。
更に、量子ドット105の中、105aは自己形成したInAs:Biよりなる領域であり、105bは薄膜層106の成長中に相分離によって、105aのドット上に選択的に成長したInGaAs:Biよりなる領域である。
An embodiment relating to claims 1, 2 and 3 of the invention is represented in FIG.
In the figure, 101 is a substrate (GaAs), 102 is a cladding layer (AlGaAs, film thickness 1.5 μm), 103 is an optical confinement layer (AlGaAs, film thickness 200 nm), 104 is a barrier layer (GaAs, film thickness 50 nm), 105 Is a quantum dot (In (Ga) As: Bi), 106 is a thin film layer (InGaAs: Bi, film thickness 10 nm), and 107 is a contact layer (GaAs, film thickness 300 nm).
Further, among the quantum dots 105, 105a is a region made of self-formed InAs: Bi, and 105b is made of InGaAs: Bi selectively grown on the dots of 105a by phase separation during the growth of the thin film layer 106. It is an area.

ここで上記選択的に成長した領域(InGaAs:Bi)105bのIn組成は薄膜層106の平均的なIn組成に比べて大幅に高いため、本実施例においては領域105aと領域105bの複合体が実効的な量子ドット105として作用しており、量子ドット105の体積が大きくなることによって、その発光波長が長波長化している。
また、更に加えて領域105aと領域105bで構成される量子ドット105中にはビスマスが添加されているため、量子ドット発光波長のさらなる長波長化ができた。
Here, since the In composition of the selectively grown region (InGaAs: Bi) 105b is much higher than the average In composition of the thin film layer 106, the composite of the region 105a and the region 105b is formed in this embodiment. The quantum dot 105 acts as an effective quantum dot 105, and the light emission wavelength becomes longer as the volume of the quantum dot 105 increases.
In addition, since bismuth is added to the quantum dots 105 composed of the regions 105a and 105b, the emission wavelength of the quantum dots can be further increased.

即ち、ビスマスを添加することによって、次の3種類の効果が得られる。
第一の効果は、ビスマスの添加によって非発光中心となる欠陥が少なく、光学特性に優れた半導体量子ドット並びに上記半導体薄膜層が低温の成長条件においても得られる点である。
第二の効果は、ビスマスの添加によって前記半導体薄膜層成長時の相分離現象が促進される結果、より大きい、即ち、より長波で発光する半導体量子ドットが均一性良く構成されている点である。
第三の効果は、ビスマスの添加によって半導体量子ドットを構成する材料のバンドギャップが小さくなり、その発光がより長波となる半導体量子ドット構造が得られる点である。
この結果、本実施例による半導体量子ドット構造においては光学特性に優れ、発光波長に関する自由度が大きく、更にウェハ面内の均一性も高い、という特徴がある。
That is, the following three types of effects can be obtained by adding bismuth.
The first effect is that the addition of bismuth has few defects serving as non-luminescent centers, and the semiconductor quantum dots having excellent optical characteristics and the semiconductor thin film layer can be obtained even under low temperature growth conditions.
The second effect is that the addition of bismuth promotes the phase separation phenomenon during the growth of the semiconductor thin film layer, and as a result, the semiconductor quantum dots that are larger, that is, emit light at longer waves, are configured with good uniformity. .
The third effect is that by adding bismuth, the band gap of the material constituting the semiconductor quantum dot is reduced, and a semiconductor quantum dot structure in which the light emission becomes longer wave is obtained.
As a result, the semiconductor quantum dot structure according to the present embodiment is characterized by excellent optical characteristics, a large degree of freedom with respect to the emission wavelength, and a high uniformity within the wafer surface.

ここで本実施例においては、薄膜層106は量子ドット105の上下にあるが、当該薄膜層106は当該量子ドット105の上部のみであっても本発明における効果は同様に得られる。
本実施例に係る半導体量子ドット構造を種々の成長条件を用いて作成し、レーザダイオード素子を作成した結果、発光波長1〜1.5μmの素子が得られた。
また、同構造を作成する際、故意に量子ドットの大きさが分布するように成長条件を定め、得られた構造により半導体光増幅器を作成した結果、増幅帯域1〜1.5μmの、広帯域、高飽和出力の素子が得られた。
Here, in the present embodiment, the thin film layer 106 is above and below the quantum dot 105, but even if the thin film layer 106 is only above the quantum dot 105, the effect of the present invention can be obtained similarly.
As a result of producing the semiconductor quantum dot structure according to this example using various growth conditions and producing a laser diode element, an element having an emission wavelength of 1 to 1.5 μm was obtained.
In addition, when creating the same structure, the growth conditions are intentionally determined so that the size of the quantum dots is distributed, and as a result of creating a semiconductor optical amplifier with the obtained structure, a wide band with an amplification band of 1 to 1.5 μm, A highly saturated output device was obtained.

なお、基板101としてGaAsに代えてInGaAsが用いられること、量子ドット105としてInGaAsに代えてInAs、InAsSb、InGaAsP又はInGaAsSbが用いられること、薄膜層106としてInGaAsに代えてInGaAsP又はInGaAsSbが用いられることはいうまでもない。   Note that InGaAs instead of GaAs is used as the substrate 101, InAs, InAsSb, InGaAsP or InGaAsSb is used as the quantum dot 105, and InGaAsP or InGaAsSb is used as the thin film layer 106 instead of InGaAs. Needless to say.

本発明の請求項1,2及び4に関する実施例を図2に表す。
図中、201は基板(InP)、202はクラッド層(InP,膜厚1.5μm)、203は光閉じ込め層(InGaAsP,膜厚200nm)、204は障壁層(InGaA
sP,膜厚50nm)、205は量子ドット(In(Ga)As:Bi)、206は薄膜層(InGaAs:Bi,膜厚10nm)、207はコンタクト層(InGaAs,膜厚
300nm)である。
更に、量子ドット205の中、205aは自己形成したInAs:Biよりなる領域であり、205bは薄膜層206の成長中に相分離によって領域205aのドット上に選択的に成長したInGaAs:Biよりなる領域である。
An embodiment relating to claims 1, 2 and 4 of the invention is represented in FIG.
In the figure, 201 is a substrate (InP), 202 is a cladding layer (InP, thickness 1.5 μm), 203 is an optical confinement layer (InGaAsP, thickness 200 nm), and 204 is a barrier layer (InGaA).
sP, film thickness 50 nm), 205 is a quantum dot (In (Ga) As: Bi), 206 is a thin film layer (InGaAs: Bi, film thickness 10 nm), and 207 is a contact layer (InGaAs, film thickness 300 nm).
Further, among the quantum dots 205, 205a is a region made of self-formed InAs: Bi, and 205b is made of InGaAs: Bi selectively grown on the dots in the region 205a by phase separation during the growth of the thin film layer 206. It is an area.

ここで上記選択的に成長した領域(InGaAs:Bi)205bのInの組成は上記
薄膜層206の平均的なIn組成に比べて大幅に高いため、本実施例においては領域205aと領域205bの複合体が実効的な量子ドット205として作用しており、量子ドット205の体積が大きくなることによってその発光波長が長波長化している。
また、更に加えて領域205aと領域205bで構成される量子ドット205中にはビスマスが添加されているため、量子ドット発光波長のさらなる長波長化ができた。
即ち、ビスマスが添加されたことにより、本実施例においても、実施例1で説明したように、3種類の効果が奏される。
Here, since the In composition of the selectively grown region (InGaAs: Bi) 205b is significantly higher than the average In composition of the thin film layer 206, in this embodiment, the composite of the region 205a and the region 205b is used. The body acts as an effective quantum dot 205, and the emission wavelength of the quantum dot 205 is increased by increasing the volume of the quantum dot 205.
In addition, since bismuth is added to the quantum dots 205 composed of the regions 205a and 205b, the emission wavelength of the quantum dots can be further increased.
That is, by adding bismuth, also in this embodiment, as described in Embodiment 1, three kinds of effects are exhibited.

ここで本実施例においては、薄膜層206は量子ドット205の上下にあるが、当該薄膜層206は当該量子ドット205の上部のみであっても本発明における効果は同様に得られる。
本実施例に係る半導体量子ドット構造を種々の成長条件を用いて作成し、レーザダイオード素子を作成した結果、発光波長1.3〜2.2μmの素子が得られた。
また、同構造を作成する際、故意に量子ドットの大きさが分布するように成長条件を定め、得られた構造により半導体光増幅器を作成した結果、増幅帯域1.3〜2.2μmの、広帯域、高飽和出力の素子が得られた。
Here, in this embodiment, the thin film layer 206 is above and below the quantum dot 205, but the effect of the present invention can be similarly obtained even if the thin film layer 206 is only above the quantum dot 205.
The semiconductor quantum dot structure according to the present example was prepared using various growth conditions, and a laser diode element was produced. As a result, an element having an emission wavelength of 1.3 to 2.2 μm was obtained.
Moreover, when creating the same structure, the growth conditions are intentionally determined so that the size of the quantum dots is distributed, and as a result of creating a semiconductor optical amplifier with the obtained structure, an amplification band of 1.3 to 2.2 μm, A broadband, high-saturation output device was obtained.

なお、量子ドット205としてInGaAsに代えてInAs、InAsSb、InGaAsP又はInGaAsSbが用いられること、薄膜層206としてInGaAsに代えてInGaAsP又はInGaAsSbが用いられることはいうまでもない。   Needless to say, InAs, InAsSb, InGaAsP or InGaAsSb is used as the quantum dot 205 instead of InGaAs, and InGaAsP or InGaAsSb is used as the thin film layer 206 instead of InGaAs.

本発明の請求項1,2及び5に関する実施例を図3に表す。
図中、301は基板(GaAs)、302はクラッド層(AlGaAs,膜厚1.5μm)、303は光閉じ込め層(AlGaAs,膜厚200nm)、304は障壁層(GaAs,膜厚50nm)、305は量子ドット(In(Ga)NAs:Bi)、306は薄膜層(GaInNAs:Bi,膜厚10nm)、307はコンタクト層(GaAs,膜厚300nm)である。
更に、量子ドット305の中、305aは自己形成したInAs:Biよりなる領域であり、305bは薄膜層306の成長中に相分離によって領域305aのドット上に選択的に成長したInGaNAs:Biよりなる領域である。
An embodiment relating to claims 1, 2 and 5 of the present invention is shown in FIG.
In the figure, 301 is a substrate (GaAs), 302 is a cladding layer (AlGaAs, film thickness 1.5 μm), 303 is an optical confinement layer (AlGaAs, film thickness 200 nm), 304 is a barrier layer (GaAs, film thickness 50 nm), 305 Is a quantum dot (In (Ga) NAs: Bi), 306 is a thin film layer (GaInNAs: Bi, film thickness 10 nm), and 307 is a contact layer (GaAs, film thickness 300 nm).
Further, in the quantum dots 305, 305a is a region made of self-formed InAs: Bi, and 305b is made of InGaNAs: Bi selectively grown on the dots in the region 305a by phase separation during the growth of the thin film layer 306. It is an area.

ここで上記選択的に成長した領域(InGaNAs:Bi)305bのInの組成は上記薄膜層306の平均的なIn組成に比べて大幅に高いため、本実施例においては領域305aと領域305bの複合体が実効的な量子ドット305として作用しており、量子ドット305の体積が大きくなることによってその発光波長が長波長化している。
また、更に加えて領域305aと領域305bで構成される量子ドット305中にはビスマスが添加されているため、量子ドット発光波長のさらなる長波長化ができた。
即ち、ビスマスが添加されたことにより、本実施例においても、実施例1で説明したように、3種類の効果が奏される。
Here, since the In composition of the selectively grown region (InGaNAs: Bi) 305b is significantly higher than the average In composition of the thin film layer 306, in this embodiment, the composite of the region 305a and the region 305b is used. The body acts as an effective quantum dot 305, and the light emission wavelength becomes longer as the volume of the quantum dot 305 increases.
In addition, since bismuth is added to the quantum dot 305 constituted by the region 305a and the region 305b, the emission wavelength of the quantum dot can be further increased.
That is, by adding bismuth, also in this embodiment, as described in Embodiment 1, three kinds of effects are exhibited.

ここで本実施倒においては、薄膜層306は量子ドット305の上下にあるが、当該薄膜層306は当該量子ドット305の上部のみであっても本発明における効果は同様に得られる。
本実施例に係る半導体量子ドット構造を種々の成長条件を用いて作成し、レーザダイオード素子を作成した結果、発光波長1〜1.7μmの素子が得られた。
また、同構造を作成する際、故意に量子ドットの大きさが分布するように成長条件を定め、得られた構造により半導体光増幅器を作成した結果、増幅帯域1〜1.7μmの、広帯域、高飽和出力の素子が得られた。
Here, in this embodiment, the thin film layer 306 is above and below the quantum dot 305, but even if the thin film layer 306 is only above the quantum dot 305, the effect of the present invention is obtained similarly.
The semiconductor quantum dot structure according to this example was created using various growth conditions, and laser diode elements were produced. As a result, an element having an emission wavelength of 1 to 1.7 μm was obtained.
In addition, when the same structure is created, growth conditions are intentionally determined so that the size of the quantum dots is distributed, and a semiconductor optical amplifier is created using the obtained structure. As a result, a wideband with an amplification band of 1 to 1.7 μm, A highly saturated output device was obtained.

なお、基板301としてGaAsに代えてInGaAsが用いられること、量子ドット305にとしてGaInNAsに代えてInNAs、InNAsSb又はGaInNAsSbが用いられること、薄膜層306としてGaInNAsに代えてInGaAs、InGaAsP、InGaAsSb、GaNAs、InNAs、InNAsSb又はGaInNAsSbが用いられることはいうまでもない。   Note that InGaAs is used instead of GaAs as the substrate 301, InNAs, InNAsSb or GaInNAsSb is used as the quantum dot 305 instead of GaInNAs, and InGaAs, InGaAsP, InGaAsSb, GaNAs, instead of GaInNAs as the thin film layer 306, It goes without saying that InNAs, InNAsSb or GaInNAsSb is used.

本発明の請求項1、2及び6に関する実施例を図4に表す。
図中、401は基板(InP)、402はクラッド層(InP,膜厚1.5μm)、403は光閉じ込め層(InGaAsP,膜厚200nm)、404は障壁層(InGaA
sP,膜厚50nm)、405は量子ドット(In(Ga)NAs:Bi)、406は薄
膜層(GaInNAs:Bi,膜厚10nm)、407はコンタクト層(InGaAs,膜厚300nm)である。
更に、量子ドット405の中、405aは自己形成したInNAs:Biよりなる領域であり、405bは薄膜層406の成長中に相分離によって領域405aのドット上に選択的に成長したInGaNAs:Biよりなる領域である。
An embodiment relating to claims 1, 2 and 6 of the present invention is shown in FIG.
In the figure, 401 is a substrate (InP), 402 is a cladding layer (InP, film thickness 1.5 μm), 403 is an optical confinement layer (InGaAsP, film thickness 200 nm), and 404 is a barrier layer (InGaA).
sP, film thickness 50 nm), 405 are quantum dots (In (Ga) NAs: Bi), 406 is a thin film layer (GaInNAs: Bi, film thickness 10 nm), and 407 is a contact layer (InGaAs, film thickness 300 nm).
Further, in the quantum dots 405, 405a is a region made of self-formed InNAs: Bi, and 405b is made of InGaNAs: Bi selectively grown on the dots in the region 405a by phase separation during the growth of the thin film layer 406. It is an area.

ここで上記選択的に成長した領域(InGaNAs:Bi)405bのInの組成は上記薄膜層406の平均的なIn組成に比べて大幅に高いため、本実施例においては領域405aと領域405bの複合体が実効的な量子ドット405として作用しており、量子ドット405の体積が大きくなることによってその発光波長が長波長化している。
また、更に加えて領域405aと領域405bで構成される量子ドット405中にはビスマスが添加されているため、量子ドット発光波長のさらなる長波長化ができた。
即ち、ビスマスが添加されたことにより、本実施例においても、実施例1で説明したように、3種類の効果が奏される。
Here, since the In composition in the selectively grown region (InGaNAs: Bi) 405b is significantly higher than the average In composition of the thin film layer 406, in this embodiment, the composite of the region 405a and the region 405b is used. The body acts as an effective quantum dot 405, and the light emission wavelength is lengthened by increasing the volume of the quantum dot 405.
In addition, since bismuth is added to the quantum dot 405 composed of the region 405a and the region 405b, the quantum dot emission wavelength can be further increased.
That is, by adding bismuth, also in this embodiment, as described in Embodiment 1, three kinds of effects are exhibited.

ここで本実施例においては、薄膜層406は量子ドット405の上下にあるが、当該薄膜層406は当該量子ドット405の上部のみであっても本発明における効果は同様に得られる。
また、本実施例に係る半導体量子ドット構造を種々の成長条件を用いて作成し、レーザダイオード素子を作成した結果、発光波長1.3〜2.6μmの素子が得られた。
また、同構造を作成する際、故意に量子ドットの大きさが分布するように成長条件を定め、得られた構造により半導体光増幅器を作成した結果、増幅帯域1.3〜2.6μmの、広帯域、高飽和出力の素子が得られた。
Here, in this embodiment, the thin film layer 406 is above and below the quantum dot 405, but even if the thin film layer 406 is only above the quantum dot 405, the effect of the present invention can be obtained similarly.
Moreover, as a result of producing the semiconductor quantum dot structure according to this example using various growth conditions and producing a laser diode element, an element having an emission wavelength of 1.3 to 2.6 μm was obtained.
In addition, when creating the same structure, the growth conditions are intentionally determined so that the size of the quantum dots is distributed, and as a result of creating a semiconductor optical amplifier with the obtained structure, an amplification band of 1.3 to 2.6 μm, A broadband, high-saturation output device was obtained.

なお、量子ドット405としてGaInNAsに代えてInNAs、InNAsSb又はGaInNAsSbが用いられること、薄膜層406としてGaInNAsに代えてInGaAs、InGaAsP、InGaAsSb、GaNAs、InNAs、InNAsSb又はGaInNAsSbが用いられることはいうまでもない。   It should be noted that InNAs, InNAsSb or GaInNAsSb is used as the quantum dot 405 instead of GaInNAs, and InGaAs, InGaAsP, InGaAsSb, GaNAs, InNAs, InNAsSb or GaInNAsSb is used as the thin film layer 406 instead of GaInNAs. .

本発明の請求項7及び8に関する実施例を以下、実施例1の構造を製造する場合を例に説明する。
半導体量子ドット構造の成長にはMOVPE法を用いた。
まず、基板(GaAs)101を装置内に導入し、通常の成長手順でクラッド層(AlGaAs)102、光閉じ込め層(AlGaAs)103、障壁層(GaAs)104を成長する。
次に成長を中断し、基板温度を450℃まで下げた後、量子ドット(In(Ga)As
:Bi)105と薄膜層(InGaAs:Bi)106をトリメチルインジウム、トリイソプロピルガリウム、トリメチルビスマス、ターシャリーブチルアルシンを原料として成長した。
トリメチルビスマスは、量子ドット105と薄膜層106の成長時に供給したが、薄膜層106の少なくとも1層の成長時、或いは、薄膜層106の少なくとも1層と量子ドット105の双方の成長時に供給することもできる。
Examples relating to Claims 7 and 8 of the present invention will be described below by taking as an example the case of manufacturing the structure of Example 1.
The MOVPE method was used for the growth of the semiconductor quantum dot structure.
First, a substrate (GaAs) 101 is introduced into the apparatus, and a cladding layer (AlGaAs) 102, an optical confinement layer (AlGaAs) 103, and a barrier layer (GaAs) 104 are grown by a normal growth procedure.
Next, after stopping the growth and lowering the substrate temperature to 450 ° C., quantum dots (In (Ga) As)
: Bi) 105 and a thin film layer (InGaAs: Bi) 106 were grown using trimethylindium, triisopropylgallium, trimethylbismuth, and tertiary butylarsine as raw materials.
Trimethylbismuth is supplied when the quantum dots 105 and the thin film layer 106 are grown. However, trimethylbismuth is supplied when at least one of the thin film layers 106 is grown or when both the thin film layer 106 and the quantum dots 105 are grown. You can also.

ここで、薄膜層106の成長におけるガリウム材料としてトリイソプロピルガリウムを用いたことにより、450℃という低温においても十分な熱分解が得られたことに加え、ビスマス原料の供給による低温成長時の結晶性劣化防止効果により光学特性の良い結晶が得られた。
また更に、InGaAs混晶が熱力学的に相分離を起こしやすい450℃という温度下においてビスマス原料を供給したことにより相分離が促進され、量子ドット(In(Ga)As:Bi)105の複合体として領域(InAs:Bi)105aの周辺にIn組成の高いInGaAs:Biからなる領域105bが再現性良く形成できた。
Here, by using triisopropyl gallium as a gallium material in the growth of the thin film layer 106, sufficient thermal decomposition was obtained even at a low temperature of 450 ° C., and crystallinity during low temperature growth by supplying a bismuth raw material. Crystals with good optical properties were obtained due to the effect of preventing deterioration.
Furthermore, the phase separation is promoted by supplying the bismuth raw material at a temperature of 450 ° C. at which the InGaAs mixed crystal is thermodynamically susceptible to phase separation, and a composite of quantum dots (In (Ga) As: Bi) 105 As a result, a region 105b made of InGaAs: Bi having a high In composition was formed with good reproducibility around the region (InAs: Bi) 105a.

次に再び成長を中断し、基板温度を上げた後、障壁層(GaAs)104、光閉じ込め層(AlGaAs)103、クラッド層(AlGaAs)102、コンタクト層(GaAs)107を成長し、実施例1の構造を得た。   Next, after the growth is interrupted again and the substrate temperature is raised, a barrier layer (GaAs) 104, an optical confinement layer (AlGaAs) 103, a cladding layer (AlGaAs) 102, and a contact layer (GaAs) 107 are grown. The structure was obtained.

なお、上記実施例では、薄膜層106の成長温度を450℃としたが、500℃以下としても、上述したと同程度の効果を期待できる。
即ち、成長温度を500℃以下とする場合に比較し、500℃を越える温度で半導体量子ドットを埋め込んだ場合には同量子ドットが変形し、光学特性が劣化することに加え、熱力学的に前記相分離が起こりにくくなり、所望の発光波長を得るための制御が困難になるためである。
In the above embodiment, the growth temperature of the thin film layer 106 is set to 450 ° C. However, even when the growth temperature is 500 ° C. or less, the same effect as described above can be expected.
That is, in comparison with the case where the growth temperature is 500 ° C. or lower, when the semiconductor quantum dots are embedded at a temperature exceeding 500 ° C., the quantum dots are deformed and the optical characteristics are deteriorated, and the thermodynamically This is because the phase separation is less likely to occur, and control for obtaining a desired emission wavelength is difficult.

本実施例では、従来低温成長が難しいとされていたMOVPE法による半導体層の成長において、ビスマスの原料としてトリメチルビスマスを用いるとともに、トリメチルインジウム等の原料に比べ分解温度の高いトリメチルガリウムやトリエチチルガリウム等のガリウム原料に代え、トリイソプロピルガリウムを用いることにより、低温成長条件においても良質な半導体層の成長が可能になった。
この結果、本発明による半導体量子ドット構造の製造方法においては前記従来の発明による相分離現象を利用したドット体積の拡大手法に比べ、より光学特性に優れ、発光波長に関する自由度が大きく、更にウェハ面内の均一性も高い半導体量子ドット構造をMOVPE法を用いた場合においても再現性、歩留まり良く提供することが可能である。
In this embodiment, trimethyl bismuth is used as a raw material for bismuth in the growth of a semiconductor layer by the MOVPE method, which has conventionally been difficult to grow at a low temperature, and trimethylgallium and triethylyl having a decomposition temperature higher than that of a raw material such as trimethylindium. By using triisopropyl gallium instead of a gallium raw material such as gallium, it is possible to grow a high-quality semiconductor layer even under low temperature growth conditions.
As a result, in the method of manufacturing a semiconductor quantum dot structure according to the present invention, compared with the method of enlarging the dot volume using the phase separation phenomenon according to the conventional invention, the optical characteristics are superior and the degree of freedom with respect to the emission wavelength is large. It is possible to provide a semiconductor quantum dot structure with high in-plane uniformity with good reproducibility and yield even when the MOVPE method is used.

なお、ビスマスの供給により以上のような作用が得られる理由は今のところ明確ではないが、ビスマスの供給により成長層表面における表面エネルギーが小さくなり、成長原料の結晶表面における拡散距離がより大きくなることの効果、即ち従来の提案とは結果として得られる効果が全く逆ではあるものの、一種のサーファクタント効果であると考えられる。
但し、本発明による半導体量子ドット構造の製造方法においては低温の成長条件を用いているため、供給したビスマスは純粋なサーファクタントではなく、その一部が結晶内に取り込まれ、バンドギャップを狭小化する作用をも有していることに特徴がある。
The reason why the above action can be obtained by supplying bismuth is not clear at present, but the supply of bismuth reduces the surface energy on the surface of the growth layer and increases the diffusion distance of the growth raw material on the crystal surface. Although this effect, that is, the effect obtained as a result is completely opposite to that of the conventional proposal, it is considered to be a kind of surfactant effect.
However, since the manufacturing method of the semiconductor quantum dot structure according to the present invention uses low-temperature growth conditions, the supplied bismuth is not a pure surfactant, and a part of the bismuth is taken into the crystal to narrow the band gap. It is characterized by having an action.

各層の成長に用いた原料、ならびに成長温度を次表に示す。   The raw materials used for the growth of each layer and the growth temperature are shown in the following table.

Figure 2005347662
Figure 2005347662

なお、表中に略記した原料名は以下の通りである。
TMA:トリメチルアルミニウム
TMG:トリメチルガリウム
AsH3:アルシン
TMI:トリメチルインジウム
TIPG:トリイソプロピルガリウム
TMBi:トリメチルビスマス
TBAs:ターシャリーブチルアルシン
The material names abbreviated in the table are as follows.
TMA: Trimethylaluminum TMG: Trimethylgallium AsH3: Arsine TMI: Trimethylindium TIPG: Triisopropylgallium TMBi: Trimethylbismuth TBAs: Tertiary butylarsine

このように説明したように、本発明はレーザーダイオードや半導体光増幅器等の活性層に用いる半導体量子ドット構造に関し、活性層が量子ドットとその上に形成された薄膜半導体からなり、少なくとも薄膜半導体層の一層にビスマスが添加されていることに特徴がある。特に従来よりも、量子ドット構造に自由度が大きく、量子ドットの品質も高いことから、発光波長の選択範囲が広く、発光効率並びに温度特性がより良好な半導体光源を実現できる。   As described above, the present invention relates to a semiconductor quantum dot structure used for an active layer such as a laser diode or a semiconductor optical amplifier. The active layer includes a quantum dot and a thin film semiconductor formed thereon, and at least the thin film semiconductor layer. It is characterized in that bismuth is added to one layer. In particular, since the quantum dot structure has a higher degree of freedom and the quality of the quantum dots is higher than in the past, it is possible to realize a semiconductor light source having a wide selection range of emission wavelengths and better emission efficiency and temperature characteristics.

本発明に係る半導体量子ドットは、光通信、光計測機器用の半導体光源、半導体光増幅器の活性層として広く利用できるものである。   The semiconductor quantum dot according to the present invention can be widely used as an active layer of a semiconductor light source for a semiconductor communication optical amplifier or an optical measurement device.

図1(a)は本発明の請求項1,2及び3に関する実施例を表す断面図、図1(b)は同図(a)中の1点鎖線で囲んだ範囲Bの拡大図である。FIG. 1A is a cross-sectional view showing an embodiment relating to claims 1, 2 and 3 of the present invention, and FIG. . 図2(a)は本発明の請求項1,2及び4に関する実施例を表す断面図、図2(b)は同図(a)中の1点鎖線で囲んだ範囲Bの拡大図である。2A is a cross-sectional view showing an embodiment relating to claims 1, 2 and 4 of the present invention, and FIG. 2B is an enlarged view of a range B surrounded by a one-dot chain line in FIG. . 図3(a)は本発明の請求項1,2及び5に関する実施例を表す断面図、図3(b)は同図(a)中の1点鎖線で囲んだ範囲Bの拡大図である。3A is a cross-sectional view showing an embodiment relating to claims 1, 2 and 5 of the present invention, and FIG. 3B is an enlarged view of a range B surrounded by a one-dot chain line in FIG. . 図4(a)は本発明の請求項1,2及び6に関する実施例を表す断面図、図4(b)は同図(a)中の1点鎖線で囲んだ範囲Bの拡大図である。4A is a cross-sectional view showing an embodiment relating to claims 1, 2 and 6 of the present invention, and FIG. 4B is an enlarged view of a range B surrounded by a one-dot chain line in FIG. .

符号の説明Explanation of symbols

101 GaAs基板
102 AlGaAsクラッド層
103 AlGaAs光閉じ込め層
104 GaAs障壁層
105 In(Ga)As:Bi量子ドット
106 InGaAs:Bi薄膜層
107 GaAsコンタクト層
105a 自己形成したInAs:Biよりなる領域
105b 薄膜層106の成長中に相分離によって領域105aのドット上に選択的に成長したInGaAs:Biよりなる領域
201 InP基板
202 InPクラッド層
203 InGaAsP光閉じ込め層
204 InGaAsP障壁層
205 In(Ga)As:Bi量子ドット
206 InGaAs:Bi薄膜層
207 InGaAsコンタクト層
301 GaAs基板
302 AlGaAsクラッド層
205a 自己形成したInAs:Biよりなる領域
205b 薄膜層206の成長中に相分離によって領域205aのドット上に選択的に成長したInGaAs:Biよりなる領域
303 AlGaAs光閉じ込め層
304 GaAs障壁層
305 In(Ga)NAs:Bi量子ドット
306 GaInNAs:Bi薄膜層
307 GaAsコンタクト層
305a 自己形成したInAs:Biよりなる領域
305b 薄膜層306の成長中に相分離によって領域305aのドット上に選択的に成長したInGaNAs:Biよりなる領域
401 InP基板
402 InPクラッド層
403 InGaAsP光閉じ込め層
404 InGaAsP障壁層
405 In(Ga)NAs:Bi量子ドット
406 GaInNAs:Bi薄膜層
407 InGaAsコンタクト層
405a 自己形成したInNAs:Biよりなる領域
405b 薄膜層406の成長中に相分離によって領域405aのドット上に選択的に成長したInGaNAs:Biよりなる領域
101 GaAs substrate 102 AlGaAs cladding layer 103 AlGaAs optical confinement layer 104 GaAs barrier layer 105 In (Ga) As: Bi quantum dot 106 InGaAs: Bi thin film layer 107 GaAs contact layer 105a Self-formed region of InAs: Bi 105b Thin film layer 106 InGaAs: Bi region 201 InP substrate 202 InP clad layer 203 InGaAsP light confinement layer 204 InGaAsP barrier layer 205 In (Ga) As: Bi quantum dots selectively grown on the dots in the region 105a by phase separation during growth 206 InGaAs: Bi thin film layer 207 InGaAs contact layer 301 GaAs substrate 302 AlGaAs cladding layer 205a Self-formed region of InAs: Bi 205b Thin film layer 2 Region 303 made of InGaAs: Bi selectively grown on the dots in the region 205a by phase separation during the growth of layer 6 AlGaAs optical confinement layer 304 GaAs barrier layer 305 In (Ga) NAs: Bi quantum dot 306 GaInNAs: Bi thin film layer 307 GaAs contact layer 305a Self-formed InAs: Bi region 305b InGaN As: Bi region 401 grown selectively on the dots in region 305a by phase separation during the growth of thin film layer 306 InP substrate 402 InP cladding layer 403 InGaAsP optical confinement layer 404 InGaAsP barrier layer 405 In (Ga) NAs: Bi quantum dot 406 GaInNAs: Bi thin film layer 407 InGaAs contact layer 405a Self-formed region 40 of InNAs: Bi 5b InGaNAs: Bi region selectively grown on the dots in the region 405a by phase separation during the growth of the thin film layer 406

Claims (8)

半導体基板上に半導体量子ドットが形成される構造において、前記半導体量子ドットが半導体基板を構成する半導体材料とは組成、或いは構成元素が異なる半導体材料からなる少なくとも1層の半導体薄膜層と積層されており、上記半導体薄膜層の少なくとも1層に、又は上記半導体薄膜層の少なくとも1層と上記半導体量子ドットの双方にビスマスが添加されていることを特徴とする半導体量子ドット構造。 In a structure in which semiconductor quantum dots are formed on a semiconductor substrate, the semiconductor quantum dots are laminated with at least one semiconductor thin film layer made of a semiconductor material having a composition or a constituent element different from that of a semiconductor material constituting the semiconductor substrate. And bismuth is added to at least one of the semiconductor thin film layers, or to at least one of the semiconductor thin film layers and both of the semiconductor quantum dots. 請求項1記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板、前記半導体量子ドット並びに前記半導体薄膜層がIII−V族化合物半導体、或いはIII−V族化合物半導体混晶であることを特徴とする半導体量子ドット構造。 2. The semiconductor quantum dot structure according to claim 1, wherein the semiconductor substrate, the semiconductor quantum dot, and the semiconductor thin film layer are a III-V compound semiconductor or a III-V compound semiconductor mixed crystal. Dot structure. 請求項2記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がGaAs又はInGaAsであり、かつ、前記半導体量子ドットがInAs、InAsSb、InGaAs、InGaAsP又はInGaAsSbであり、かつ、前記半導体薄膜層がInGaAs、InGaAsP又はInGaAsSbであることを特徴とする半導体量子ドット構造。 3. The semiconductor quantum dot structure according to claim 2, wherein the semiconductor substrate is GaAs or InGaAs, the semiconductor quantum dot is InAs, InAsSb, InGaAs, InGaAsP or InGaAsSb, and the semiconductor thin film layer is InGaAs, InGaAsP. Alternatively, the semiconductor quantum dot structure is InGaAsSb. 請求項2記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がInPであり、かつ、前記半導体量子ドットがInAs、InAsSb、InGaAs、InGaAsP又はInGaAsSbであり、かつ、前記半導体薄膜層がInGaAs、InGaAsP又はInGaAsSbであることを特徴とする半導体量子ドット構造。 3. The semiconductor quantum dot structure according to claim 2, wherein said semiconductor substrate is InP, said semiconductor quantum dot is InAs, InAsSb, InGaAs, InGaAsP or InGaAsSb, and said semiconductor thin film layer is InGaAs, InGaAsP or InGaAsSb. The semiconductor quantum dot structure characterized by being. 請求項2記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がGaAs又はInGaAsであり、かつ、前記半導体量子ドットがInNAs、GaInNAs、InNAsSb又はGaInNAsSbであり、かつ、前記半導体薄膜層がInGaAs、InGaAsP、InGaAsSb、GaNAs、InNAs、GaInNAs、InNAsSb又はGaInNAsSbであることを特徴とする半導体量子ドット構造。 3. The semiconductor quantum dot structure according to claim 2, wherein said semiconductor substrate is GaAs or InGaAs, said semiconductor quantum dot is InNAs, GaInNAs, InNAsSb or GaInNAsSb, and said semiconductor thin film layer is InGaAs, InGaAsP, InGaAsSb. , GANAs, InNAs, GaInNAs, InNAsSb or GaInNAsSb. 請求項2記載の半導体量子ドット構造において、前記半導体基板がInPであり、かつ、前記半導体量子ドットがInNAs、GaInNAs、InNAsSb又はGaInNAsSbであり、かつ、前記半導体薄膜層がInGaAs、InGaAsP、InGaAsSb、GaNAs、InNAs、GaInNAs、InNAsSb又はGaInNAsSbであることを特徴とする半導体量子ドット構造。 3. The semiconductor quantum dot structure according to claim 2, wherein said semiconductor substrate is InP, said semiconductor quantum dot is InNAs, GaInNAs, InNAsSb or GaInNAsSb, and said semiconductor thin film layer is InGaAs, InGaAsP, InGaAsSb, GaNAs. , InNAs, GaInNAs, InNAsSb or GaInNAsSb. 請求項1,2,3,4,5又は6記載の半導体量子ドット構造を製造する方法において、前記半導体薄膜層の成長温度が、500℃以下であり、かつ前記半導体薄膜層の少なくとも1層の成長時又は前記半導体薄膜層の少なくとも1層と上記半導体量子ドットの双方の成長時にビスマスを供給することを特徴とする半導体量子ドット構造の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor quantum dot structure according to claim 1, 2, 3, 4, 5, or 6, wherein a growth temperature of the semiconductor thin film layer is 500 ° C. or less, and at least one layer of the semiconductor thin film layer is formed. A method for producing a semiconductor quantum dot structure, comprising supplying bismuth during growth or growth of at least one of the semiconductor thin film layers and the semiconductor quantum dot. 請求項7記載の半導体量子ドット構造の製造方法において、前記ビスマスの原料としてトリメチルビスマスを用い、ガリウムの原料としてトリイソプロピルガリウムを用いることを特徴とする半導体量子ドット構造の製造方法。
8. The method of manufacturing a semiconductor quantum dot structure according to claim 7, wherein trimethyl bismuth is used as the bismuth raw material and triisopropyl gallium is used as the gallium raw material.
JP2004168089A 2004-06-07 2004-06-07 Semiconductor quantum dot structure and manufacturing method thereof Active JP3771925B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004168089A JP3771925B2 (en) 2004-06-07 2004-06-07 Semiconductor quantum dot structure and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004168089A JP3771925B2 (en) 2004-06-07 2004-06-07 Semiconductor quantum dot structure and manufacturing method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005347662A true JP2005347662A (en) 2005-12-15
JP3771925B2 JP3771925B2 (en) 2006-05-10

Family

ID=35499719

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004168089A Active JP3771925B2 (en) 2004-06-07 2004-06-07 Semiconductor quantum dot structure and manufacturing method thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3771925B2 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006229010A (en) * 2005-02-18 2006-08-31 Fujitsu Ltd Optical semiconductor device and its manufacturing method
JP2006237045A (en) * 2005-02-22 2006-09-07 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Semiconductor quantum dot structure and manufacturing method thereof
JP2007053322A (en) * 2004-08-26 2007-03-01 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Semiconductor light emitting device and its manufacturing method
JP2007251089A (en) * 2006-03-20 2007-09-27 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Manufacturing method for semiconductor laminated structure and manufacturing method for semiconductor quantum dot structure
JP2008251903A (en) * 2007-03-30 2008-10-16 Fujitsu Ltd Manufacturing method of compound semiconductor quantum dot

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007053322A (en) * 2004-08-26 2007-03-01 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Semiconductor light emitting device and its manufacturing method
JP2006229010A (en) * 2005-02-18 2006-08-31 Fujitsu Ltd Optical semiconductor device and its manufacturing method
JP2006237045A (en) * 2005-02-22 2006-09-07 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Semiconductor quantum dot structure and manufacturing method thereof
JP2007251089A (en) * 2006-03-20 2007-09-27 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Manufacturing method for semiconductor laminated structure and manufacturing method for semiconductor quantum dot structure
JP2008251903A (en) * 2007-03-30 2008-10-16 Fujitsu Ltd Manufacturing method of compound semiconductor quantum dot

Also Published As

Publication number Publication date
JP3771925B2 (en) 2006-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4554526B2 (en) Semiconductor light emitting device
KR20090023672A (en) Zno-based semiconductor element
JP7101374B2 (en) Manufacturing method of vertical resonator type light emitting element and vertical resonator type light emitting element
JP2900990B2 (en) Nitride semiconductor light emitting device
JP4662345B2 (en) Multiple strain quantum well structure and manufacturing method thereof
JPH09116225A (en) Semiconductor light emitting device
JP3771925B2 (en) Semiconductor quantum dot structure and manufacturing method thereof
JPH10341060A (en) Crystal growth method of nitride compound semiconductor and gallium nitride light-emitting diode
JP2006237045A (en) Semiconductor quantum dot structure and manufacturing method thereof
JP2018098340A (en) Semiconductor multilayer film mirror, vertical resonator type light-emitting element using the same, and manufacturing methods thereof
JP7205474B2 (en) Template substrate, electronic device, light-emitting device, template substrate manufacturing method, and electronic device manufacturing method
JP4440876B2 (en) Manufacturing method of semiconductor quantum dot structure
JP5307972B2 (en) Optical semiconductor device
JP2000299530A (en) Semiconductor light-emitting device
JP2009212343A (en) Nitride semiconductor element, and method of manufacturing the same
JP2000332293A (en) Iii-v nitride semiconductor light emitting element and its manufacture
KR100695842B1 (en) Optical device having dissymmetrical semiconductor layers formed on upper and lower of quantum dots and method for fabricating the same
JP2006190853A (en) Quantum well structure and its manufacturing method
JP4002323B2 (en) Method for producing compound semiconductor
JP4006055B2 (en) Compound semiconductor manufacturing method and compound semiconductor device
JPH01130584A (en) Semiconductor light emitting device
JPH10242511A (en) Strained multiple quantum well structure
JP4057473B2 (en) Compound semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof
JPH08316571A (en) Semiconductor laser and manufacture thereof
JP2967719B2 (en) Semiconductor crystal growth method and semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20051025

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20051220

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20060207

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20060210

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 3771925

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090217

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100217

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110217

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110217

Year of fee payment: 5

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120217

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130217

Year of fee payment: 7

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350