JP2007311463A - Quantum dot semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make a size and a shape of a self-forming quantum dot uniform in a quantum dot semiconductor device. <P>SOLUTION: A short-period superlattice structure layer 4 in which an integral multiple of a plurality of two-dimensional compound semiconductor molecular layers are alternately laminated is provided on a semiconductor substrate 1, and in addition the self-forming quantum dot 5 is provided on the structure layer 4. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は量子ドット半導体装置に関するものであり、特に、量子ドット半導体レーザや量子ドット光増幅器等を構成する自己形成型量子ドットのサイズ・形状を均一にするための構成に特徴のある量子ドット半導体装置に関するものである。   The present invention relates to a quantum dot semiconductor device, and in particular, a quantum dot semiconductor characterized by a configuration for making the size and shape of self-forming quantum dots that constitute a quantum dot semiconductor laser, a quantum dot optical amplifier, and the like uniform. It relates to the device.

近年、光通信等に用いる半導体レーザや半導体光増幅器として、InP基板を用いた量子ドット構造デバイスが用いられており、この場合、光導波路形成の観点から、例えば、4元混晶であるInGaAsP層やAlGaInAs層を下地層としてその上にInAs量子ドットを形成し、InAs量子ドットを埋め込む中間層としては、InGaAsP層(非特許文献1参照)やInGaAlAs層(特許文献1参照)を用いることが一般的である。   In recent years, quantum dot structure devices using InP substrates have been used as semiconductor lasers and semiconductor optical amplifiers used in optical communications and the like. In this case, for example, an InGaAsP layer that is a quaternary mixed crystal from the viewpoint of optical waveguide formation. It is common to use an InGaAsP layer (see Non-Patent Document 1) or an InGaAlAs layer (see Patent Document 1) as an intermediate layer in which InAs quantum dots are formed using an AlGaInAs layer as a base layer and an InAs quantum dot is embedded therein. Is.

例えば、特許文献1においては、InP基板上にInAsP量子ドットを含むInGaAlAsバッファ層を設け、その上に、InAs量子ドット及びIn0.47Ga0.11Al0.42As中間層を繰り返し積層している。
IEEELEOS2003 abst.,p.949 特開2003−197900号公報
For example, in Patent Document 1, an InGaAlAs buffer layer including InAsP quantum dots is provided on an InP substrate, and an InAs quantum dot and an In 0.47 Ga 0.11 Al 0.42 As intermediate layer are repeatedly stacked thereon.
IEEE ELEOS 2003 abst. , P. 949 JP 2003-197900 A

しかしながら、上述の従来の手法では、4元混晶下地層上に形成された量子ドットのサイズ・形状の分布が大きくなるという問題があった。   However, the above-described conventional method has a problem that the size / shape distribution of the quantum dots formed on the quaternary mixed crystal underlayer is increased.

これは、下地層となるInGaAsP混晶もしくはInGaAlAs混晶の元素分布が面内で均一でないために、局所的な歪分布が発生し、上部に形成される量子ドットが下地層の歪量分布の影響を受けるためであると考えられる。   This is because the element distribution of the InGaAsP mixed crystal or InGaAlAs mixed crystal serving as the underlayer is not uniform in the plane, so that a local strain distribution is generated, and the quantum dots formed on the upper layer have a strain distribution distribution of the underlayer. This is thought to be affected.

したがって、本発明は、自己形成型量子ドットのサイズ及び形状を均一にすることを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to make the size and shape of self-forming quantum dots uniform.

図1は本発明の原理的構成図であり、ここで図1を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図における符号2,3,6,7は、夫々、バッファ層、量子ドット構造層、中間層、及び、クラッド層である。
図1参照
上記課題を解決するために、本発明は、量子ドット半導体装置において、半導体基板1上に複数の2元化合物半導体の分子層の整数倍が交互に積層された短周期超格子構造層4を設けるとともに、短周期超格子構造層4上に自己形成型量子ドット5を設けたことを特徴とする。
FIG. 1 is a diagram illustrating the basic configuration of the present invention. Means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
Reference numerals 2, 3, 6, and 7 in the figure denote a buffer layer, a quantum dot structure layer, an intermediate layer, and a cladding layer, respectively.
See FIG. 1 In order to solve the above-described problem, the present invention provides a short-period superlattice structure layer in which an integer multiple of molecular layers of a plurality of binary compound semiconductors are alternately stacked on a semiconductor substrate 1 in a quantum dot semiconductor device. 4 and a self-forming quantum dot 5 is provided on the short-period superlattice structure layer 4.

このように、量子ドットを構成する下地層として2元化合物半導体の分子層の整数倍が交互に積層された短周期超格子構造層4を用いることによって、短周期超格子構造層4により形成された表面は完全な分子層の2元化合物半導体からなるため、下地層の元素分布が均一になり、それに伴って歪みも均一になるので、自己形成型量子ドット5のサイズ及び形状が均一になる。   As described above, the short-period superlattice structure layer 4 in which integer multiples of the molecular layers of the binary compound semiconductor are alternately stacked is used as the base layer constituting the quantum dots, thereby forming the short-period superlattice structure layer 4. Since the surface is made of a binary compound semiconductor of a complete molecular layer, the element distribution in the underlayer becomes uniform, and the strain becomes uniform accordingly, so the size and shape of the self-forming quantum dots 5 become uniform. .

この場合の半導体基板1としては、InP基板或いはGaAs基板が典型的なものであり、InP基板を用いる場合には、短周期超格子構造層4をAlAs分子層、GaAs分子層、及び、InAs分子層によって構成すれば良く、また、GaAs基板を用いる場合には、短周期超格子構造層4をAlAs分子層及びGaAs分子層によって構成すれば良い。   In this case, the semiconductor substrate 1 is typically an InP substrate or a GaAs substrate. When an InP substrate is used, the short-period superlattice structure layer 4 is formed of an AlAs molecular layer, a GaAs molecular layer, and an InAs molecule. What is necessary is just to comprise by a layer, and when using a GaAs substrate, the short period superlattice structure layer 4 should just be comprised by an AlAs molecular layer and a GaAs molecular layer.

さらには、InP基板を用いる場合には、短周期超格子構造層4をGaP分子層、InP分子層、GaAs分子層、及び、InAs分子層によって構成しても良く、また、GaAs基板を用いる場合には、短周期超格子構造層4をAlAs分子層、GaAs分子層、及び、InAs分子層によって構成しても良い。   Furthermore, in the case of using an InP substrate, the short period superlattice structure layer 4 may be composed of a GaP molecular layer, an InP molecular layer, a GaAs molecular layer, and an InAs molecular layer. Alternatively, the short-period superlattice structure layer 4 may be composed of an AlAs molecular layer, a GaAs molecular layer, and an InAs molecular layer.

また、自己形成型量子ドット5としては、InAs量子ドットが典型的であるが、InSb量子ドット或いはGaSb量子ドットを用いても良いものである。   The self-forming quantum dots 5 are typically InAs quantum dots, but InSb quantum dots or GaSb quantum dots may be used.

また、短周期超格子構造層4としては、短周期超格子構造層4の平均組成に相当する格子定数aave が、半導体基板1の格子定数asub に対して、
−0.5〔%〕≦〔(asub −aave )/asub 〕×100≦0.5〔%〕
の関係を満たすことが望ましく、それによって、短周期超格子構造層4の結晶性を保つことができる。
Further, as the short period superlattice structure layer 4, the lattice constant a ave corresponding to the average composition of the short period superlattice structure layer 4 is equal to the lattice constant a sub of the semiconductor substrate 1.
−0.5 [%] ≦ [(a sub −a ave ) / a sub ] × 100 ≦ 0.5 [%]
It is desirable to satisfy this relationship, whereby the crystallinity of the short-period superlattice structure layer 4 can be maintained.

なお、この場合の短周期超格子構造層4の平均組成とは、繰り返しの単位周期内の原子数比を表すものであり、例えば、繰り返しの単位周期が、(InAs)1ML (GaAs)1ML (InAs)1ML (AlAs)1ML の場合は、平均組成はAl0.25Ga0.25In0.50Asとなる。
なお、1ML(Mono Layer)は、単層の分子層を表す。
The average composition of the short-period superlattice structure layer 4 in this case represents the ratio of the number of atoms in the repetitive unit period. For example, the repetitive unit period is (InAs) 1ML (GaAs) 1ML ( InAs) 1ML (AlAs) 1ML , the average composition is Al 0.25 Ga 0.25 In 0.50 As.
Note that 1 ML (Mono Layer) represents a single molecular layer.

本発明によれば、自己形成型量子ドットのサイズ・形状の均一性が、4元混晶下地層上に形成した場合に比較して向上するので、この量子ドット構造を半導体レーザの活性層として適用した場合、発振波長での利得が増大し、閾値電流値の低下や、緩和振動数の増加を実現することができる。   According to the present invention, the uniformity of the size and shape of the self-formed quantum dots is improved as compared with the case where the self-formed quantum dots are formed on the quaternary mixed crystal underlayer, so that this quantum dot structure is used as an active layer of a semiconductor laser. When applied, the gain at the oscillation wavelength increases, and a reduction in threshold current value and an increase in relaxation frequency can be realized.

本発明は、InP基板やGaAs基板等の半導体基板上にバッファ層を介して複数の2元化合物半導体の分子層の整数倍が交互に積層された短周期超格子構造層を設けたのち、この短周期超格子構造層上に自己形成型量子ドットを形成し、この自己形成型量子ドットを4元混晶半導体中間層(バリア層)で埋め込んだのち、再び、短周期超格子構造層及び自己形成型量子ドットの積層を必要とする層数だけ繰り返して、最後にクラッド層及び必要に応じてコンタクト層を設けるものである。   The present invention provides a short-period superlattice structure layer in which an integer multiple of molecular layers of a plurality of binary compound semiconductors are alternately stacked via a buffer layer on a semiconductor substrate such as an InP substrate or a GaAs substrate. A self-forming quantum dot is formed on the short-period superlattice structure layer, and the self-formation quantum dot is embedded with a quaternary mixed crystal semiconductor intermediate layer (barrier layer). The formation type quantum dots are repeatedly stacked as many times as necessary, and finally a cladding layer and, if necessary, a contact layer are provided.

この場合、基板がInP基板である場合には、例えば、(InAs)1ML (GaAs)1ML (InAs)1ML (AlAs)1ML の繰り返し周期の短周期超格子構造層を用い、基板がGaAs基板である場合には、例えば、(GaAs)2ML (AlAs)1ML の繰り返し周期の短周期超格子構造層を用いる。 In this case, when the substrate is an InP substrate, for example, a short-period superlattice structure layer having a repetition period of (InAs) 1ML (GaAs) 1ML (InAs) 1ML (AlAs) 1ML is used, and the substrate is a GaAs substrate. In this case, for example, a short-period superlattice structure layer having a repetition period of (GaAs) 2ML (AlAs) 1ML is used.

また、ストライプ構造としては、基板がInP基板である場合には一般には埋込ヘテロ接合構造を用い、基板がGaAs基板である場合には一般にはリッジストライプ構造を用いる。   As the stripe structure, a buried heterojunction structure is generally used when the substrate is an InP substrate, and a ridge stripe structure is generally used when the substrate is a GaAs substrate.

ここで、図2乃至図5を参照して、本発明の実施例1の量子ドット半導体レーザを説明する。
図2参照
まず、(100)面を主面とするn型InP基板11上にガスソースMBE法を用いて、例えば、600℃の成長温度においてSi濃度が例えば、5.0×1017cm-3でドーピングされ、厚さが、例えば、300nmのn型InPバッファ層12を成長させる。
Here, a quantum dot semiconductor laser according to Example 1 of the present invention will be described with reference to FIGS.
See Figure 2
First, using a gas source MBE method on an n-type InP substrate 11 having a (100) plane as a main surface, for example, doping at an Si concentration of, for example, 5.0 × 10 17 cm −3 at a growth temperature of 600 ° C. Then, the n-type InP buffer layer 12 having a thickness of, for example, 300 nm is grown.

続いて、PH3 雰囲気下で成長温度を500℃まで下げたのち、1 周期が(InAs)1ML 14/(GaAs)1ML 15/(InAs)1ML 16/(AlAs)1ML 17で合計20周期分(厚さ約25nm)の短周期超格子構造層13を形成する。
この短周期超格子構造層13は平均組成がAl0.25Ga0.25In0.50Asとなり、組成波長1.13μm、圧縮歪量0.19%に相当する。
Subsequently, after the growth temperature is lowered to 500 ° C. in a PH 3 atmosphere, one period is (InAs) 1ML 14 / (GaAs) 1ML 15 / (InAs) 1ML 16 / (AlAs) 1ML 17 for a total of 20 periods ( A short-period superlattice structure layer 13 having a thickness of about 25 nm is formed.
The short-period superlattice structure layer 13 has an average composition of Al 0.25 Ga 0.25 In 0.50 As, which corresponds to a composition wavelength of 1.13 μm and a compressive strain of 0.19%.

引き続いて、基板温度は500℃のままで、InAsを2ML(分子層)分供給することによって、InAs量子ドット18を自己形成する。   Subsequently, the InAs quantum dots 18 are self-formed by supplying 2ML (molecular layer) of InAs while keeping the substrate temperature at 500 ° C.

図3参照
引き続いて、基板温度は500℃のままで、組成波長が1.13μmのAlGaInAsバリア層19を例えば、10nmの厚さに形成する。
この10nmのAlGaInAsバリア層19の形成でInAs量子ドット18は完全に埋め込まれ、表面は十分な平坦性が得られた状態になる。
See Figure 3
Subsequently, the AlGaInAs barrier layer 19 having a composition wavelength of 1.13 μm is formed to a thickness of 10 nm, for example, while the substrate temperature remains at 500 ° C.
By forming the 10 nm AlGaInAs barrier layer 19, the InAs quantum dots 18 are completely embedded, and the surface is in a state where sufficient flatness is obtained.

引き続いて、上述の短周期超格子構造層13、InAs量子ドット18、及び、AlGaInAsバリア層19の成長までを1周期とする量子ドット構造層20を繰り返して例えば、10周期形成する。   Subsequently, the quantum dot structure layer 20 having one period until the growth of the above-described short period superlattice structure layer 13, InAs quantum dots 18, and AlGaInAs barrier layer 19 is repeated to form, for example, 10 periods.

引き続いて、AsH3 雰囲気下で基板温度を再び600℃まで上げ、Zn濃度が例えば、5.0×1017cm-3でドーピングされ、厚さが、例えば、300nmのp型InPクラッド層21を形成する。 Subsequently, the substrate temperature is again raised to 600 ° C. under an AsH 3 atmosphere, and a p-type InP cladding layer 21 having a Zn concentration of, eg, 5.0 × 10 17 cm −3 and a thickness of, eg, 300 nm is formed. Form.

図4参照
次いで、p型InPクラッド層21上に幅が、例えば、1.5μmのSiO2 マスク22を形成し、ドライエッチングによって、エッチングされる領域のn型InP基板11と上部にSiO2 マスク22があってエッチングされない領域のn型InP基板との段差が例えば、1.5μmとなるストライプ状メサ構造を形成する。
See Figure 4
Then, the width on the p-type InP cladding layer 21 is, for example, to form a SiO 2 mask 22 of 1.5 [mu] m, by dry etching, the SiO 2 mask 22 is a n-type InP substrate 11 and the top of the area to be etched Then, a striped mesa structure is formed in which the level difference from the n-type InP substrate in the region that is not etched is 1.5 μm, for example.

次いで、SiO2 マスク22を選択成長マスクとして用いてMOCVD法によって、p型InP埋込層23及びn型InP電流ブロック層24を設ける。 Next, a p-type InP buried layer 23 and an n-type InP current blocking layer 24 are provided by MOCVD using the SiO 2 mask 22 as a selective growth mask.

図5参照
次いで、SiO2 マスク22を除去したのち、再び、MOCVD法によって、Zn濃度が1.0×1018cm-3で、厚さが、例えば、2000nmのp型InPクラッド層25及びZn濃度が1.0×1019cm-3でドーピングされ、厚さが、例えば、500nmのp型InGaAsコンタクト層26を設け、次いで、n側電極27及びp側電極28を順次設ける。
最後に、図示は、省略するものの、レーザ前端面に低反射膜および後端面に高反射膜を施すことによって、本発明の実施例1の量子ドット半導体レーザの基本構造が完成する。
See Figure 5
Next, after removing the SiO 2 mask 22, the p-type InP cladding layer 25 with a Zn concentration of 1.0 × 10 18 cm −3 and a thickness of, for example, 2000 nm and a Zn concentration of 1 are again formed by MOCVD. A p-type InGaAs contact layer 26 doped with 0.0 × 10 19 cm −3 and having a thickness of, for example, 500 nm is provided, and then an n-side electrode 27 and a p-side electrode 28 are sequentially provided.
Finally, although not shown, the basic structure of the quantum dot semiconductor laser of Example 1 of the present invention is completed by providing a low reflection film on the laser front end face and a high reflection film on the rear end face.

この本発明の実施例1の量子ドット半導体レーザにおけるフォトルミネッセンスの半値幅は20〜30meVとなり、バルクAlGaInAs上にInAs量子ドットを形成した場合の半値幅の50〜100meVに比べて大幅な改善が見られ、これは、下地層として短周期超格子構造層を採用することによってInAs量子ドットの均一性が向上したためと考えられる。   The half width of photoluminescence in the quantum dot semiconductor laser of Example 1 of the present invention is 20 to 30 meV, which is a significant improvement over the half width of 50 to 100 meV when InAs quantum dots are formed on bulk AlGaInAs. This is thought to be because the uniformity of InAs quantum dots was improved by adopting a short-period superlattice structure layer as the underlayer.

次に、図6乃至図8を参照して、本発明の実施例2の量子ドット半導体レーザを説明する。
図6参照
まず、(100)面を主面とするn型GaAs基板31上に固体ソースMBE法によって、例えば、600℃の成長温度において、Si濃度が例えば、5.0×1017cm-3でドーピングされ、厚さが、例えば、300nmのn型GaAsバッファ層32を成長させる。
Next, a quantum dot semiconductor laser according to Example 2 of the present invention will be described with reference to FIGS.
See FIG.
First, an n-type GaAs substrate 31 having a (100) plane as a main surface is doped with a Si concentration of, eg, 5.0 × 10 17 cm −3 at a growth temperature of, eg, 600 ° C. by a solid source MBE method. The n-type GaAs buffer layer 32 having a thickness of, for example, 300 nm is grown.

続いて、As4 雰囲気下で成長温度を500℃まで下げたのち、1 周期が(GaAs)2ML 34/(AlAs)1ML 35で合計36周期分(厚さ約30nm)の短周期超格子構造層33を形成する。
この短周期超格子構造層33は平均組成がAl0.33Ga0.67Asとなり、組成波長0.667μm、歪量0%に相当する。
Subsequently, after the growth temperature is lowered to 500 ° C. in an As 4 atmosphere, a short period superlattice structure layer in which one period is (GaAs) 2ML 34 / (AlAs) 1ML 35 for a total of 36 periods (thickness of about 30 nm). 33 is formed.
The short-period superlattice structure layer 33 has an average composition of Al 0.33 Ga 0.67 As, which corresponds to a composition wavelength of 0.667 μm and a strain amount of 0%.

引き続いて、基板温度は500℃のままで、InAsを2ML(分子層)分供給することによって、InAs量子ドット36を自己形成する。   Subsequently, the InAs quantum dots 36 are self-formed by supplying 2ML (molecular layer) of InAs while keeping the substrate temperature at 500 ° C.

図7参照
引き続いて、基板温度は500℃のままで、Al0.33Ga0.67Asバリア層37を例えば、10nmの厚さに形成する。
この10nmのAl0.33Ga0.67Asバリア層37の形成でInAs量子ドット36は完全に埋め込まれ、表面は十分な平坦性が得られた状態になる。
See FIG.
Subsequently, the Al 0.33 Ga 0.67 As barrier layer 37 is formed to a thickness of 10 nm, for example, while the substrate temperature remains at 500 ° C.
By forming the 10 nm Al 0.33 Ga 0.67 As barrier layer 37, the InAs quantum dots 36 are completely embedded, and the surface is in a state where sufficient flatness is obtained.

引き続いて、上述の短周期超格子構造層33、InAs量子ドット36、及び、Al0.33Ga0.67Asバリア層37の成長までを1周期とする量子ドット構造層38を繰り返して例えば、10周期形成する。 Subsequently, the quantum dot structure layer 38 having one period until the growth of the above-described short period superlattice structure layer 33, InAs quantum dots 36, and Al 0.33 Ga 0.67 As barrier layer 37 is repeated to form, for example, 10 periods. .

引き続いて、As4 雰囲気下で基板温度を再び600℃まで上げ、Be濃度が例えば、5.0×1017cm-3でドピングされ、厚さが、例えば、1500nmのp型GaAsクラッド層39及びBe濃度が例えば、2.0×1019cm-3でドピングされ、厚さが、例えば、300nmのp+ 型GaAsコンタクト層40を形成する。 Subsequently, the substrate temperature is again raised to 600 ° C. under an As 4 atmosphere, a p-type GaAs cladding layer 39 having a Be concentration of, for example, 5.0 × 10 17 cm −3 and a thickness of, for example, 1500 nm, and A p + -type GaAs contact layer 40 having a Be concentration of, for example, 2.0 × 10 19 cm −3 and a thickness of, for example, 300 nm is formed.

図8参照
次いで、p+ 型GaAsコンタクト層40上に幅が、例えば、1.5μmのSiO2 マスク41を形成し、ドライエッチングによって、エッチングされる領域のp型GaAsクラッド層39と、上部にSiO2 マスク41があってエッチングされない領域のp型GaAsクラッド層39との段差が例えば、1.0μmとなるリッジ構造を形成する。
See FIG.
Next, a SiO 2 mask 41 having a width of, for example, 1.5 μm is formed on the p + -type GaAs contact layer 40, and a p-type GaAs cladding layer 39 in an area to be etched by dry etching, and an SiO 2 mask on the upper part. A ridge structure is formed in which a step with respect to the p-type GaAs cladding layer 39 in a region where there is 41 and is not etched is 1.0 μm, for example.

次いで、SiO2 マスク41を除去したのち、n側電極42及びp側電極43を順次設け、最後に、図示は、省略するものの、レーザ前端面に低反射膜および後端面に高反射膜を施すことによって、本発明の実施例2の量子ドット半導体レーザの基本構造が完成する。 Next, after removing the SiO 2 mask 41, an n-side electrode 42 and a p-side electrode 43 are sequentially provided. Finally, although not shown, a low reflection film and a high reflection film are applied to the laser front end face and the rear end face, respectively. This completes the basic structure of the quantum dot semiconductor laser of Example 2 of the present invention.

この本発明の実施例2の量子ドット半導体レーザの場合も、InAs量子ドットを形成する下地層として短周期超格子構造層を採用しているので、InAs量子ドットの均一性が向上し、フォトルミネッセンスの半値幅の幅狭化が可能になる。   Also in the case of the quantum dot semiconductor laser of Example 2 of the present invention, since the short-period superlattice structure layer is employed as the underlayer for forming the InAs quantum dots, the uniformity of the InAs quantum dots is improved and photoluminescence is achieved. It becomes possible to narrow the half width of.

以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能であり、例えば、上記の各実施例における電流狭窄構造は、単なる一例にすぎず、公知の各種の電流狭窄構造・ストライプ構造を用いても良いことは言うまでもない。   The embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments, and various modifications are possible. For example, in the above embodiments It goes without saying that the current confinement structure is merely an example, and various known current confinement structures and stripe structures may be used.

また、上記の実施例1においては、短周期超格子構造層を(InAs)1ML (GaAs)1ML (InAs)1ML (AlAs)1ML の繰り返しで構成しているが、GaAsとAlAsとの間にInAsが存在すれば、その積層順序は任意である。 In the first embodiment, the short-period superlattice structure layer is formed by repeating (InAs) 1ML (GaAs) 1ML (InAs) 1ML (AlAs) 1ML , but InAs is interposed between GaAs and AlAs. Is present, the stacking order is arbitrary.

また、上記の実施例1においては、上述のように短周期超格子構造層をInAs分子層,GaAs分子層,AlAs分子層によって構成しているが、GaP分子層、InP分子層、GaAs分子層、及び、InAs分子層によって構成しても良いものである。   In Example 1 described above, the short-period superlattice structure layer is composed of the InAs molecular layer, the GaAs molecular layer, and the AlAs molecular layer as described above. However, the GaP molecular layer, the InP molecular layer, and the GaAs molecular layer are used. , And an InAs molecular layer.

また、上記の実施例2においては、短周期超格子構造層を(GaAs)2ML (AlAs)1ML で構成しているが、(GaAs)1ML (AlAs)1ML 等の他の層数比率で構成しても良いものである。 In the second embodiment, the short-period superlattice structure layer is composed of (GaAs) 2ML (AlAs) 1ML , but is composed of other layer ratios such as (GaAs) 1ML (AlAs) 1ML. It is good.

また、上記の実施例1においては、短周期超格子構造層の周期数を20周期とし、実施例2においては、短周期超格子構造層の周期数を36周期としているが、これらの周期数は任意であり、20周期或いは36周期に限られるものではない。   Further, in Example 1 described above, the number of periods of the short-period superlattice structure layer is 20 periods, and in Example 2, the period number of the short-period superlattice structure layer is 36 periods. Is arbitrary, and is not limited to 20 cycles or 36 cycles.

また、上記の実施例2においては、上述のように短周期超格子構造層をGaAs分子層及びAlAs分子層によって構成しているが、AlAs分子層、GaAs分子層、及び、InAs分子層によって構成しても良いものである。   In Example 2 described above, the short-period superlattice structure layer is composed of the GaAs molecular layer and the AlAs molecular layer as described above, but is composed of the AlAs molecular layer, the GaAs molecular layer, and the InAs molecular layer. You can do it.

また、上記の各実施例においては、短周期超格子構造層と半導体基板との格子整合については特に言及していないが、短周期超格子構造層の平均組成に相当する格子定数aave が、半導体基板の格子定数asub に対して、
−0.5〔%〕≦〔(asub −aave )/asub 〕×100≦0.5〔%〕
の関係を満たすようにすれば良く、それによって、短周期超格子構造層の結晶性を良好に保つことができる。
In each of the above embodiments, no particular mention is made of lattice matching between the short-period superlattice structure layer and the semiconductor substrate, but the lattice constant a ave corresponding to the average composition of the short-period superlattice structure layer is For the lattice constant a sub of the semiconductor substrate,
−0.5 [%] ≦ [(a sub −a ave ) / a sub ] × 100 ≦ 0.5 [%]
It is sufficient to satisfy this relationship, whereby the crystallinity of the short-period superlattice structure layer can be kept good.

また、上記の各実施例においては量子ドットをInAs量子ドットで構成しているが、InAs量子ドットに限られるものではなく、InSb量子ドット或いはGaSb量子ドットとしても良いものである。   Further, in each of the above embodiments, the quantum dots are composed of InAs quantum dots, but are not limited to InAs quantum dots, and may be InSb quantum dots or GaSb quantum dots.

また、上記の各実施例においては基板としてGaAs或いはInPを用いているが、InGaAs基板等の混晶基板等の他の基板を用いても良いものである。   In each of the above embodiments, GaAs or InP is used as a substrate, but other substrates such as a mixed crystal substrate such as an InGaAs substrate may be used.

さらに、上記の各実施例においては非ナイトライド系のIII-V族化合物半導体デバイスとして説明しているが、GaN系のIII-V族化合物半導体にも適用されるものであり、その場合には、基板としてGaN、SiC、或いは、サファイア等を用いれば良い。   Further, in each of the above embodiments, the non-nitride group III-V compound semiconductor device is described. However, the present invention is also applicable to a GaN group III-V compound semiconductor device. GaN, SiC, sapphire or the like may be used as the substrate.

ここで、再び図1を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図1参照
(付記1) 半導体基板1上に複数の2元化合物半導体の分子層の整数倍が交互に積層された短周期超格子構造層4を設けるとともに、前記短周期超格子構造層4上に自己形成型量子ドット5を設けたことを特徴とする量子ドット半導体装置。
(付記2) 上記半導体基板1がInP基板であり、上記短周期超格子構造層4がAlAs分子層、GaAs分子層、及び、InAs分子層によって構成されることを特徴とする付記1記載の量子ドット半導体装置。
(付記3) 上記半導体基板1がInP基板であり、上記短周期超格子構造層4がGaP分子層、InP分子層、GaAs分子層、及び、InAs分子層によって構成されることを特徴とする付記1記載の量子ドット半導体装置。
(付記4) 上記半導体基板1がGaAs基板であり、上記短周期超格子構造層4がAlAs分子層及びGaAs分子層によって構成されることを特徴とする付記1記載の量子ドット半導体装置。
(付記5) 上記半導体基板1がGaAs基板であり、上記短周期超格子構造層4がAlAs分子層、GaAs分子層、及び、InAs分子層によって構成されることを特徴とする付記1記載の量子ドット半導体装置。
(付記6) 上記自己形成型量子ドット5が、InAs量子ドット、InSb量子ドット、或いは、GaSb量子ドットのいずれかからなることを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の量子ドット半導体装置。
(付記7) 上記短周期超格子構造層4の平均組成に相当する格子定数aave が、上記半導体基板1の格子定数asub に対して、
−0.5〔%〕≦〔(asub −aave )/asub 〕×100≦0.5〔%〕
の関係を満たすことを特徴とする付記1乃至6のいずれか1項に記載の量子ドット半導体装置。
Here, the detailed features of the present invention will be described again with reference to FIG.
1 again. (Supplementary Note 1) A short-period superlattice structure layer 4 in which an integer multiple of molecular layers of a plurality of binary compound semiconductors are alternately stacked on a semiconductor substrate 1 is provided. 4. A quantum dot semiconductor device comprising a self-forming quantum dot 5 provided on a substrate 4.
(Supplementary note 2) The quantum according to Supplementary note 1, wherein the semiconductor substrate 1 is an InP substrate, and the short-period superlattice structure layer 4 is composed of an AlAs molecular layer, a GaAs molecular layer, and an InAs molecular layer. Dot semiconductor device.
(Supplementary note 3) The semiconductor substrate 1 is an InP substrate, and the short-period superlattice structure layer 4 is composed of a GaP molecular layer, an InP molecular layer, a GaAs molecular layer, and an InAs molecular layer. 1. The quantum dot semiconductor device according to 1.
(Additional remark 4) The said semiconductor substrate 1 is a GaAs substrate, The said short period superlattice structure layer 4 is comprised by the AlAs molecular layer and the GaAs molecular layer, The quantum dot semiconductor device of Additional remark 1 characterized by the above-mentioned.
(Supplementary note 5) The quantum according to Supplementary note 1, wherein the semiconductor substrate 1 is a GaAs substrate, and the short-period superlattice structure layer 4 is composed of an AlAs molecular layer, a GaAs molecular layer, and an InAs molecular layer. Dot semiconductor device.
(Appendix 6) The quantum dot according to any one of appendices 1 to 5, wherein the self-forming quantum dot 5 is composed of any one of an InAs quantum dot, an InSb quantum dot, and a GaSb quantum dot. Semiconductor device.
(Supplementary Note 7) The lattice constant a ave corresponding to the average composition of the short-period superlattice structure layer 4 is equal to the lattice constant a sub of the semiconductor substrate 1.
−0.5 [%] ≦ [(a sub −a ave ) / a sub ] × 100 ≦ 0.5 [%]
7. The quantum dot semiconductor device according to any one of appendices 1 to 6, wherein the relationship is satisfied.

本発明の活用例としては、半導体レーザが典型的なものであるが、半導体光増幅器(SOA)にも適用されるものであり、さらには、サブバンド間の遷移を利用する量子ドット型赤外線検出素子(QDIP)等にも適用されるものである。   As a practical example of the present invention, a semiconductor laser is typical, but it is also applied to a semiconductor optical amplifier (SOA), and further, quantum dot infrared detection using transition between subbands. The present invention is also applied to an element (QDIP) or the like.

本発明の原理的構成の説明図である。It is explanatory drawing of the fundamental structure of this invention. 本発明の実施例1の量子ドット半導体レーザの途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle of the quantum dot semiconductor laser of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の量子ドット半導体レーザの図2以降の途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle after FIG. 2 of the quantum dot semiconductor laser of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の量子ドット半導体レーザの図3以降の途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle after FIG. 3 of the quantum dot semiconductor laser of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の量子ドット半導体レーザの図4以降の製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process after FIG. 4 of the quantum dot semiconductor laser of Example 1 of this invention. 本発明の実施例2の量子ドット半導体レーザの途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle of the quantum dot semiconductor laser of Example 2 of this invention. 本発明の実施例2の量子ドット半導体レーザの図6以降の途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle after FIG. 6 of the quantum dot semiconductor laser of Example 2 of this invention. 本発明の実施例2の量子ドット半導体レーザの図7以降の製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process after FIG. 7 of the quantum dot semiconductor laser of Example 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板
2 バッファ層
3 量子ドット構造層
4 短周期超格子構造層
5 自己形成型量子ドット
6 中間層
7 クラッド層
11 n型InP基板
12 n型InPバッファ層
13 短周期超格子構造層
14 (InAs)1ML
15 (GaAs)1ML
16 (InAs)1ML
17 (AlAs)1ML
18 InAs量子ドット
19 AlGaInAsバリア層
20 量子ドット構造層
21 p型InPクラッド層
22 SiO2 マスク
23 p型InP埋込層
24 n型InP電流ブロック層
25 p型InPクラッド層
26 p型InGaAsコンタクト層
27 n側電極
28 p側電極
31 n型GaAs基板
32 n型GaAsバッファ層
33 短周期超格子構造層
34 (GaAs)2ML
35 (AlAs)1ML
36 InAs量子ドット
37 Al0.33Ga0.67Asバリア層
38 量子ドット構造層
39 p型GaAsクラッド層
40 p+ 型GaAsコンタクト層
41 SiO2 マスク
42 n側電極
43 p側電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Buffer layer 3 Quantum dot structure layer 4 Short period superlattice structure layer 5 Self-forming quantum dot 6 Intermediate layer 7 Cladding layer 11 n-type InP substrate 12 n-type InP buffer layer 13 Short period superlattice structure layer 14 InAs) 1ML
15 (GaAs) 1ML
16 (InAs) 1ML
17 (AlAs) 1ML
18 InAs quantum dots 19 AlGaInAs barrier layer 20 Quantum dot structure layer 21 p-type InP cladding layer 22 SiO 2 mask 23 p-type InP buried layer 24 n-type InP current blocking layer 25 p-type InP cladding layer 26 p-type InGaAs contact layer 27 n-side electrode 28 p-side electrode 31 n-type GaAs substrate 32 n-type GaAs buffer layer 33 short-period superlattice structure layer 34 (GaAs) 2ML
35 (AlAs) 1ML
36 InAs quantum dots 37 Al 0.33 Ga 0.67 As barrier layer 38 Quantum dot structure layer 39 p-type GaAs cladding layer 40 p + -type GaAs contact layer 41 SiO 2 mask 42 n-side electrode 43 p-side electrode

Claims (5)

半導体基板上に複数の2元化合物半導体の分子層の整数倍が交互に積層された短周期超格子構造層を設けるとともに、前記短周期超格子構造層上に自己形成型量子ドットを設けたことを特徴とする量子ドット半導体装置。 A short-period superlattice structure layer in which an integer multiple of a plurality of binary compound semiconductor molecular layers are alternately stacked is provided on a semiconductor substrate, and a self-forming quantum dot is provided on the short-period superlattice structure layer. Quantum dot semiconductor device. 上記半導体基板がInP基板であり、上記短周期超格子構造層がAlAs分子層、GaAs分子層、及び、InAs分子層によって構成されることを特徴とする請求項1記載の量子ドット半導体装置。 2. The quantum dot semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is an InP substrate, and the short-period superlattice structure layer includes an AlAs molecular layer, a GaAs molecular layer, and an InAs molecular layer. 上記半導体基板がGaAs基板であり、上記短周期超格子構造層がAlAs分子層及びGaAs分子層によって構成されることを特徴とする請求項1記載の量子ドット半導体装置。 2. The quantum dot semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a GaAs substrate, and the short-period superlattice structure layer is composed of an AlAs molecular layer and a GaAs molecular layer. 上記自己形成型量子ドットが、InAs量子ドット、InSb量子ドット、或いは、GaSb量子ドットのいずれかからなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の量子ドット半導体装置。 4. The quantum dot semiconductor device according to claim 1, wherein the self-forming quantum dots are any of InAs quantum dots, InSb quantum dots, and GaSb quantum dots. 5. 上記短周期超格子構造層の平均組成に相当する格子定数aave が、上記半導体基板の格子定数asub に対して、
−0.5〔%〕≦〔(asub −aave )/asub 〕×100≦0.5〔%〕
の関係を満たすことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の量子ドット半導体装置。
The lattice constant a ave corresponding to the average composition of the short-period superlattice structure layer is equal to the lattice constant a sub of the semiconductor substrate.
−0.5 [%] ≦ [(a sub −a ave ) / a sub ] × 100 ≦ 0.5 [%]
The quantum dot semiconductor device according to claim 1, wherein the relationship is satisfied.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011243891A (en) * 2010-05-21 2011-12-01 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Quantum dot semiconductor optical amplifier
JP2015216144A (en) * 2014-05-07 2015-12-03 国立研究開発法人情報通信研究機構 Semiconductor quantum dot and method for manufacturing the same
JP2015226062A (en) * 2014-05-26 2015-12-14 宇辰 張 Zero-dimensional electron devices and methods of fabricating the same
US9960567B2 (en) 2014-02-18 2018-05-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Laser device integrated with semiconductor optical amplifier on silicon substrate

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63132421A (en) * 1986-11-22 1988-06-04 Res Dev Corp Of Japan Epitaxial growth method for compound semiconductor
JPS6490523A (en) * 1987-10-01 1989-04-07 Nec Corp Epitaxial growth method for ingaasp mixed crystal
JP2003142773A (en) * 2001-11-02 2003-05-16 Fujitsu Ltd Semiconductor light emitting device
JP2005079182A (en) * 2003-08-28 2005-03-24 Univ Tokyo Semiconductor quantum dot element and its manufacturing method

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63132421A (en) * 1986-11-22 1988-06-04 Res Dev Corp Of Japan Epitaxial growth method for compound semiconductor
JPS6490523A (en) * 1987-10-01 1989-04-07 Nec Corp Epitaxial growth method for ingaasp mixed crystal
JP2003142773A (en) * 2001-11-02 2003-05-16 Fujitsu Ltd Semiconductor light emitting device
JP2005079182A (en) * 2003-08-28 2005-03-24 Univ Tokyo Semiconductor quantum dot element and its manufacturing method

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011243891A (en) * 2010-05-21 2011-12-01 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Quantum dot semiconductor optical amplifier
US9960567B2 (en) 2014-02-18 2018-05-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Laser device integrated with semiconductor optical amplifier on silicon substrate
JP2015216144A (en) * 2014-05-07 2015-12-03 国立研究開発法人情報通信研究機構 Semiconductor quantum dot and method for manufacturing the same
JP2015226062A (en) * 2014-05-26 2015-12-14 宇辰 張 Zero-dimensional electron devices and methods of fabricating the same
JP2017188670A (en) * 2014-05-26 2017-10-12 宇辰 張 Zero dimensional electronic device and manufacturing method of the same

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