JP2007053322A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 半導体発光素子は、第1層のGaAs層と、前記第1層のGaAs層上に形成される第2層である複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層と、前記第2層である複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層上に形成される第3層のInGaAs層と、前記第3層のInGaAs層上に形成される第4層のGaAs層からなる半導体発光素子であって、前記As原料をAs2としたことを特徴とする。
【選択図】 図5
Description
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、1.3μm波長領域で発光する量子ドットの高密度化及び高品質化を実現する半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、量子ドットの高密度化及び発光特性の高品質化を実現しながら多層化する半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。
(1) 砒素材料をAs4からAs2に変更する。
(2) 成長温度や成長速度を最適化する。
(3) 高In組成のInGaAsを用いる。
(4) InGaAs層を組成変調させたInGaAs層とする。
(5) 高密度量子ドットの積層化を行い、高密度化を実現した。
(6) GaAsバリア層を最適化することで高均一化を実現した。
更に、好ましくは、面型にすることで光を扱う領域を調節し、そこに存在する量子ドットの個数を増やす。
具体的には、以下の手段を採用する。
第1層のGaAs層と、
前記第1層のGaAs層上に形成される第2層である複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層と、
前記第2層である複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層上に形成される第3層のInGaAs層と、
前記第3層のInGaAs層上に形成される第4層のGaAs層
からなる半導体発光素子であって、
前記As原料をAs2としたことを特徴とする。
(2) 上記(1)記載の半導体発光素子は、
前記第2層である複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を、成長温度が540℃以上、成長速度が0.006ML/S以上で製造したことを特徴とする。
(3) 上記(1)又は(2)記載の半導体発光素子は、発光波長が1.28μm以上で1.34μm以下の範囲内の値で、面密度が6×1010cm―2以上としたことを特徴とする。
(4) 上記(1)又は(2)記載の半導体発光素子は、発光波長が1.28μm以上で1.34μm以下の範囲内の値で、面密度が6×1010cm―2以上で、発光半値幅が30meV以下としたことを特徴とする。
半導体基板上にGaAs層を形成する第1工程と、
前記GaAs層上に複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を形成する第2工程と、
前記複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層上にInGaAs層を形成する第3工程と、
前記InGaAs層上にGaAs層を形成する第4工程
からなる半導体発光素子の製造方法であって、
前記As原料をAs2としたことを特徴とする。
(6) 上記(5)記載の半導体発光素子の製造方法は、
前記複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を、成長温度を540℃以上で製造したことを特徴とする。
(7) 上記(6)記載の半導体発光素子の製造方法は、
前記複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を、成長温度を540℃以上でインジューム蒸発温度以下の任意の温度で製造したことを特徴とする。
(8) 上記(5)乃至(7)のいずれか1項記載の半導体発光素子の製造方法は、
前記複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を、成長速度を0.006ML/S以上で製造したことを特徴とする。
(9) 上記(5)記載の半導体発光素子の製造方法は、
前記複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を、成長温度が540℃以上、成長速度が0.006ML/S以上で製造したことを特徴とする。
(11) 上記(10)記載の半導体発光素子は、
前記InAs量子ドットと前記InGaAs層との界面にのみ高In組成のInGaAs層を形成し、界面を離れるに従って漸次Inの組成を減らして構成することを特徴とする。
(12) 半導体発光素子の製造方法は、
半導体基板上にGaAs層を形成する第1工程と、
前記GaAs層上に複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を形成する第2工程と、
前記複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層上にInGaAs層を形成する第3工程と、
前記InGaAs層上にGaAs層を形成する第4工程
からなる一連の工程を縦積する半導体発光素子の数だけ設けてなる半導体発光素子の製造方法であって、
前記As原料をAs2としたことを特徴とする。
(13) 上記(12)記載の半導体発光素子の製造方法は、
前記InAs量子ドットと前記InGaAs層との界面にのみ高In組成のInGaAs層を形成し、界面を離れるに従って漸次Inの組成を減らして構成することを特徴とする。
前記複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を、成長温度を540℃以上で製造したことを特徴とする。
(15) 上記(14)記載の半導体発光素子の製造方法は、
前記複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を、成長温度を540℃以上でインジューム蒸発温度以下の任意の温度で製造したことを特徴とする。
(16) 上記(12)又は(13)記載の半導体発光素子の製造方法は、
前記複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を、成長速度を0.006ML/S以上で製造したことを特徴とする。
(17) 上記(12)又は(13)記載の半導体発光素子の製造方法は、
前記複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を、成長温度が540℃以上、成長速度が0.006ML/S以上で製造したことを特徴とする。
(18) 上記(1)、(2)、(3)、(4)、(10)、(11)のいずれか1項記載の半導体発光素子において、前記半導体発光素子を面型に構成したことを特徴とする。
(1) 砒素材料をAs4からAs2に変更することによりAs4ではできなかった製造方法を用いることができる。
(2) 成長温度や成長速度を最適化する、特に、前記第2層である複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を、成長温度が540℃以上、成長速度が0.006ML/S以上で製造すると量子ドット密度を向上することができ、発光強度を良好なものとすることができる。
(3) 高In組成のGaInAsを用いることにより、格子定数の整合をとることができ、発光波長を長波長化することができる。特に1.3μm波長領域で発光する量子ドットの高密度化及び高品質化を実現することができる。
(4) InGaAs層を組成変調させたInGaAs層とする、特に、組成傾斜させる
ことにより、1.3μm波長領域で発光する量子ドットの高密度化及び高品質化を実現することができる。
(5) GaAsバリア層を最適化することで、多層化を行っても発光半値幅が40meV以下と高品質化が保たれた。
(6) また、面型にすることで光を扱う領域を調節し、そこに存在する量子ドットの個数を増やすことができる。
この時、GaAs層上のInAs量子ドットの密度は走査型電子顕微鏡(SEM)で測定した。また、InAs量子ドットの上にGaAs層を成長した時の発光波長をフォトルミネッセンス法(PL)で測定した。
図5の構成、即ち、GaAs層3上に、InAs薄膜層4とその上のInAs量子ドット5を設け、その上にInGaAs層6を設けて平坦化し、最後にGaAs層を設けた半導体発光素子を単位として構成する。
図6(a)に示すように、GaAs層上にAs2を供給しながら、成長中断を60秒入れた後、図6(b)に示すように、InとAs2を供給して、InAs量子ドットを製作し、図6(c)に示すように、As2を供給しながらの30秒の成長中断中に成長温度を50℃ほど下げ、その上に図6(d)に示すように、InとGaとAs2を供給しInGaAs層を成長する。さらにその上に図6(e)に示すように、GaとAs2を供給し、GaAs層を成長した。InGaAs層のIn組成は高ければ高いほど、InAs量子ドットとGaAs層との間の歪みを緩和させる効果を発揮するので、量子ドットの特性を向上させる。InGaAs層の組成は両者の歪みの中間点であるIn0.5Ga0.5Asが最もよい。しかし、InGaAs層のIn組成は今までは20%以下が用いられている。これは高いIn組成を用いると臨界膜厚を超えるためミスフィット転移が生じ、発光の半値幅が広くなるという発光特性の劣化が起きてしまう。このため、本発明ではInGaAs層を薄くし、臨界膜厚によるミスフィット転移の影響を減らしている。
(InGaAs層の厚さと組成)
GaAs層3、
InAs薄膜層4、
2.4MLのInAs量子ドット5、
前記InAs量子ドット5を埋めて平坦化するInGaAs層6、
26nmのGaAs層2(3)、
InAs薄膜層4、
2.4MLのInAs量子ドット5、
前記InAs量子ドット5を埋めて平坦化するInGaAs層6
26nmのGaAs層2(3)、
InAs薄膜層4、
2.4MLのInAs量子ドット5、
前記InAs量子ドット5を埋めて平坦化するInGaAs層6
26nmのGaAs層2、が積層される。
(組成傾斜)
以上述べた量子ドットの密度は、成長時の温度条件と速度条件と圧力条件によって決まる。以下説明する。
実施例1において、InAs層の成長温度を低くし、成長速度を早くすれば、原子の拡散長が短くなることから、量子ドットの高密度化が実現できることを記載したが、この記載は高密度を達成するためだけの条件を記載したもので、このように成長温度を下げると、結晶性が悪くなり、印加された電流は発光には寄与せず、熱になって逃げてしまう傾向を有する。
そこで、成長速度を固定し、成長温度を変えたときの発光強度特性を調べた。
図5の半導体発光素子のInAs量子ドット5とInGaAs層6を成長速度0.1ML/sで成長させるときの温度依存特性を示す。
量子ドットを成長させる時の成長温度を、550℃、560℃、570℃、580℃の4種類に変更した時の波長(横軸:nm)−発光強度(縦軸:フォトンの数/単位時間)特性である。温度依存特性のサンプリングデータを表1に示す。なお、成長温度540℃の場合は既に述べてあるので省略した。
550℃の特性のピークは、周波数1309nmのとき143.6となり、560℃の特性のピークは、周波数1321nmのとき400.2となり、570℃の特性のピークは、周波数1311nmのとき980.6となり、580℃の特性のピークは、周波数1303nmのとき302.0となる。
これは、成長温度550℃から570℃までは成長温度の上昇に伴って量子ドットのサイズが急峻に揃ってゆくため発光強度が増加してゆく。一方、成長温度570℃から580℃までは量子ドット材料、特にインジュームの蒸発が進み、量子ドットの数が急峻に減少してゆく。このため、発光強度が急峻に減少してゆくからである。但し、成長温度580℃であっても、発光強度が使用可能な周波数領域を有する。
以上のとおりであるから、成長温度は540℃以上が使用可能となる。
成長温度は540℃からインジュームの蒸発温度までの間の任意の温度とすることにより、発光強度を良好なものとすることができる。このうち、成長温度が570℃を中心として前後10℃以内であれば好ましい。特に570℃が好ましい。
図16は、本発明の半導体発光素子単体における高密度化による発光強度の増強特性図である。量子ドットの表面密度を変えた場合の波長(横軸:μm)−発光強度(縦軸:フォトンの数/単位時間)特性図である。測定条件は、図5の半導体発光素子において、成長温度570℃、成長速度0.1ML/sとする。但し、[ML/s]は(モノレーヤー/秒)を意味する。
下記表2に素子単体の発光強度特性のサンプリングデータを示す。
量子ドットの表面密度を、8×109cm−2から1桁上げて8×1010cm−2にすると、特性曲線の頂点の座標が、8×109cm−2の場合の(波長1288μm、発光強度250)から8×1010cm−2の場合の(波長1319μm、発光強度2500)へ変化する。これらの特性から、表面密度を10倍にすると、発光強度は10倍になる。従って、本発明の半導体発光素子は、量子ドットの高密度化に応じて発光強度が増大する傾向を有するといえる。
図17は、本発明の量子ドットの成長レートと面密度の特性図である。
測定条件は、図5の構造を有する量子ドットを成長温度が570℃に固定し、成長レートを変えて測定した。下記表3に成長レートと密度の関係を示す特性のサンプルデータを示す。
量子ドットをAs2を用いて成長レート0.006ML/s以上で製造した事例は今までになく本発明が最初となる。
成長レートを0.006ML/s、0.1ML/s、0.23ML/s、0.46ML/sと高速にすることで高密度化を実現できる。
このデータによれば、面密度は成長レートに比例するといえる。
このことから、量子ドットの成長速度(成長レート)は早いほうが好ましい。
以上の説明から、組成傾斜歪み緩和層の特性を向上するには、成長速度を早くしたほうがよく、成長温度を高くする方がよい。成長速度を上げるために原料供給ラインを複数にすることも有効である。さらに速度を上げれば、組成傾斜法なしでも高品質な歪み緩和層が製作できる。
本発明のInAs量子ドットレーザは、上に述べた1層の量子ドット層を備えたレーザ素子を基本とし、この基本のレーザ素子を任意数積層することにより必要な特性を達成する。次に、量子ドットレーザ素子単体を3層に積層した例について説明する。
図18は本発明の量子ドットレーザ素子単体を3層に積層したInAs量子ドットレーザの構成図である。
N型GaAs基板上に、N型不純物密度8×1017cm―3のAl0.75Ga0.25As層を1.5μm積み、そのAl0.75Ga0.25As層上にWaveguide(ウエーブガイド)となる量子ドットレーザ素子単体を3層分210nm積層する(図7参照)。
この量子ドットレーザ素子単体を3層積層した上にP型の不純物密度7×1017cm―3のAl0.75Ga0.25As層を1.5μm積み、このP型層の上にP型コンタクトを設ける。最後に、N−GaAs基板にAuGe(100nm)/Au(100nm)の電極を設け、P−cotact上にTi(30nm)/Pt(10nm)/Au(150nm)の電極を設ける。InAs薄膜層4とInGaAs6層との間のGaAs層2(3)を26nmとする。この例は、光閉じ込め係数を0.0624、量子ドット密度を8×1010cm−2とした。
半導体レーザ素子を下記の条件で製作した特性を図19に示し、そのサンプリングデータを下記表4に示す。
条件:
・5層の高密度量子ドット構造を採用し、
・短共振器長、HRミラー無しで基底準位発振(1.316μm)、
・R.T.、Pulse 室温、(高周波パルス)、
・共振器長L=0.89mm、
・CL/CL(へき開面のみでHRコート無し)。
特性上、500mA以上でレーザ発振を行う。へき開面のみの構造でレーザ共振器長が0.89mmでもレーザ発振するのは、量子ドットの数が多いので多数キャリアを処理できるためである。
半導体レーザ素子を下記の条件で製作したときのI−V(電流−電圧)特性、I−L(電流―光量)特性を図20に示し、そのサンプリングデータを下記表5に示す。
条件:
・3層構造体で、
・HRコート(高反射率ミラー)無しでLD動作を行い、
・R.T.、Pulse 室温、(高周波パルス)、
・共振器長L=3mm、
・CL/CL(へき開面のみでHRコート無し)。
本発明ではInGaAs歪み緩和層のIn組成を20%以上とすることで、高密度化を実現した。さらにGaAsバリア層を最適化することで、発光半値幅40meV以下の高均一を維持しながら、9層以上の多層化を実現した。
GaAs層2の上に
2.3MLのInAs薄膜層4と高密度なInAs量子ドット5、
前記高密度なInAs量子ドット5を埋めて歪みを緩和するInGaAs層6、
GaAsバリア層3、
そして再び次段のInAs薄膜層4と高密度なInAs量子ドットが存在し、このサイクルを多層化の数だけ重ねる。
発光特性の結果は図21、図22に示すとおり、発光波長のピークは多層化を行っても1.30μmから1.31μmの間に収まり設計どおりの値を示した。
図21は層数(縦軸)に対する発光ピーク波長[nm]の関係を示す特性図である。図22はTtacking(層数)に対するFWHM(発光半値幅)[meV]の関係を示す特性図である。
また、GaAsバリア層の厚さを変化させても1.30μmから1.31μmの間に収まり設計どおりの値を示している。発光半値幅は単層構造では22meV以下であったものが、多層構造になることでだんだん大きな値となる。GaAsバリア層26nmのサンプルにおいて、3層構造では25.5meV、5層構造では26.2meV、7層構造では26.8meVと30meVより小さな良好な値を示した。実用上は、40meVより小さな値をとるものであれば使用可能である。30meVよりもデータの悪い40meVについてはデータの開示は省略する。
さらにGaAsバリア層を35nmと厚くしたサンプルでは、7層構造で23.2meV、9層構造で25.8meVとさらなる良好な結果を得ている。この半値幅が狭いという結果は良質の結晶が得られた事と各層でほとんど同一なInAs量子ドットが製造できた事を意味する。これにより、高密度量子ドットが良好に多層化することが初めて可能となった。
図23はSEM測定用にサンプル上部のInGaAs歪み緩和層とGaAs層を省いたInAs量子ドットの断面構造図である。
前記の発光素子構造のサンプルとは異なり、最終層でInGaAs歪み緩和層6とGaAs層2を除いたInAs量子ドット5で終了した構造を製作した。
単層のサンプルにはほとんどなかった大きな量子ドットがGaAsバリア層26nmのサンプルでは多層化することで多数出現している。しかし、GaAsバリア層35nmのサンプルでは多層構造にしても大きな量子ドットはほとんど出現しない。SEM観測からもGaAsバリア層を厚くした方が均一な量子ドットが製作できることが分かった。
本発明は、以上述べた素子の構成又は製造方法において、その内の要件を適宜変更することは同じ機能を奏する限りにおいて可能である。
2、3 GaAs層(GaAsバリア層)
4 InAs薄膜
5 InAs量子ドット
6 InGaAs(InGaAs歪み緩和層)
Claims (18)
- 第1層のGaAs層と、
前記第1層のGaAs層上に形成される第2層である複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層と、
前記第2層である複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層上に形成される第3層のInGaAs層と、
前記第3層のInGaAs層上に形成される第4層のGaAs層
からなる半導体発光素子であって、
前記As原料をAs2としたことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記第2層である複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を、成長温度が540℃以上、成長速度が0.006ML/S以上で製造したことを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 発光波長が1.28μm以上で1.34μm以下の範囲内の値で、面密度が6×1010cm―2以上としたことを特徴とする請求項1又は2記載の半導体発光素子。
- 発光波長が1.28μm以上で1.34μm以下の範囲内の値で、面密度が6×1010cm―2以上で、発光半値幅が30meV以下としたことを特徴とする請求項1又は2記載の半導体発光素子。
- 半導体基板上にGaAs層を形成する第1工程と、
前記GaAs層上に複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を形成する第2工程と、
前記複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層上にInGaAs層を形成する第3工程と、
前記InGaAs層上にGaAs層を形成する第4工程
からなる半導体発光素子の製造方法であって、
前記As原料をAs2としたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を、成長温度を540℃以上で製造したことを特徴とする請求項5記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を、成長温度を540℃以上でインジューム蒸発温度以下の任意の温度で製造したことを特徴とする請求項6記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を、成長速度を0.006ML/S以上で製造したことを特徴とする請求項5乃至7のいずれか1項記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を、成長温度が540℃以上、成長速度が0.006ML/S以上で製造したことを特徴とする請求項5記載の半導体発光素子の製造方法。
- 請求項1乃至4のいずれか1項記載の半導体発光素子を複数個縦積した重ね構造の半導体発光素子であって、前記半導体発光素子の前記第4層とその上に縦積した半導体発光素子の第1層を設けたことを特徴とする半導体発光素子。
- 前記InAs量子ドットとの界面に高In組成のInGaAs層を形成し、界面を離れるに従って漸次Inの組成を減らして構成することを特徴とする請求項10記載の半導体発光素子。
- 半導体基板上にGaAs層を形成する第1工程と、
前記GaAs層上に複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を形成する第2工程と、
前記複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層上にInGaAs層を形成する第3工程と、
前記InGaAs層上にGaAs層を形成する第4工程
からなる一連の工程を縦積する半導体発光素子の数だけ設けてなる半導体発光素子の製造方法であって、
前記As原料をAs2としたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記InAs量子ドットと前記InGaAs層との界面にのみ高In組成のInGaAs層を形成し、界面を離れるに従って漸次Inの組成を減らして構成することを特徴とする請求項12記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を、成長温度を540℃以上で製造したことを特徴とする請求項12又は13記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を、成長温度を540℃以上でインジューム蒸発温度以下の任意の温度で製造したことを特徴とする請求項14記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を、成長速度を0.006ML/S以上で製造したことを特徴とする請求項12又は13記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記複数のInAs量子ドットを有するInAs薄膜層を、成長温度が540℃以上、成長速度が0.006ML/S以上で製造したことを特徴とする請求項12又は13記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記半導体発光素子を面型に構成したことを特徴とする請求項1、2、3、4、10、11のいずれか1項記載の半導体発光素子。
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