JP2806089B2 - 半導体多重歪量子井戸構造 - Google Patents
半導体多重歪量子井戸構造Info
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Description
体レーザの活性層に、また受光器や光変調器の光吸収層
に用いて、様々なデバイス特性向上が実証されている。
さらに、近年では多重量子井戸構造の量子井戸に圧縮
歪、引っ張り歪をかけてより一層の特性向上を目指した
研究が盛んに行われている。本発明は、このような半導
体多重歪量子井戸構造に関するものである。
子井戸構造の断面図である。この従来例は有機金属気相
成長法(Metal−Organic Vapor P
hase Epitaxy(MOVPE)法)を用いて
形成したInGaAs/InGaAsP/InP系の多
重歪量子井戸構造を示している。(例えば、C.E.Z
ah 他 Appl.Phys.lett.57(1
6),1608(1990))。この多重歪量子井戸構
造の製法としては、初めにInP基板15上にMOVP
E法により、InPバッファ層16、InP基板と同じ
格子定数を持つバンドギャップ波長1.2μmのInG
aAsPバッファ層17を順次積層させた後、InP基
板より長い格子定数を持つIn0 . 6 Ga0 . 4 As量
子井戸層18、InP基板に格子整合したバンドギャッ
プ波長1.2μmのInGaAsPバリア層19を順次
形成してなる多層膜を一周期としてこれを多数回繰り返
し積層させ、最後にInPのキャップ層20を積層させ
て完成する。量子井戸層18にはInP基板15面に平
行方向に0.5%の圧縮歪が掛けられる。
て得られた単一歪量子井戸構造、5周期の多重歪量子井
戸構造の温度77Kでのフォトルミネッセンススペクト
ルを示す。単一量子井戸構造では、バンド端発光が比較
的狭いスペクトル幅で観測されるが、5周期構造では、
歪の緩和によって結晶転位が発生し、バンド端発光以外
に結晶欠陥に起因する深い準位の発光が観測される。こ
の原因は主に2つあげられる。
nGaAsPの界面であり、5族元素の界面付近での拡
散現象のために良好な量子井戸界面が形成され難く、量
子井戸に歪がある場合に結晶転位が発生しやすいことで
ある。第2に結晶転位が発生せずに層構造が形成できる
層厚、すなわち臨界膜層は、歪量に層厚をかけたものを
多層構造内で平均化した量で決まるが、無歪のバリア層
が薄い場合にはこの量が大きくなり、多層膜の臨界膜厚
が小さくなることである。このように、従来例による多
重歪量子井戸構造の形成には、周期数に制限がある。単
に周期数を増やすだけならば、無歪のバリア層を非常に
厚くすれば可能であるが、多重量子井戸の量子井戸数の
一定層厚あたりの大きさがきわめて小さくなって、デバ
イス応用には適さない。上記の例は0.5%の比較的小
さい歪の歪量子井戸のものであるが、この歪量が大きい
場合は多重歪量子井戸構造の形成がより困難になる。
戸数が多く、かつ量子井戸の歪量が大きい領域でも結晶
欠陥の少ない光学特性に優れた多重量子井戸構造を提供
することにある。
歪量子井戸構造においては、多重量子井戸構造の1つの
周期が、前記半導体基板と異なった格子定数a1 をもつ
半導体層からなる量子井戸層と、前記半導体基板と同じ
格子定数a0 をもつ半導体からなる第1のバリア層と、
格子定数a2 をもつ半導体層からなる第2のバリア層
と、格子定数a0 をもつ半導体層からなる第3のバリア
層とを順次積層してなる多層膜であり、かつa1 <a0
<a2 またはa1 >a0 >a2 であることを特徴とす
る。
は、前記半導体基板がInPで、前記量子井戸層がIn
GaAs、前記第1及び第3のバリア層がInGaAs
Pであることを特徴とする。
板の格子定数をa0、歪量子井戸層の格子定数をa1 と
すると、a1 <a0 ≦a2 またはa1 >a0 ≧a2 であ
る格子定数a2 を持つ第2のバリア層を格子定数a0 の
第1、第3バリア層内に挿入することにより多重歪量子
井戸構造の1周期あたりの平均歪量が小さくなり、前記
臨界膜厚が増大する。 また、前記半導体基板がInP
で、前記量子井戸層がInz Ga1 - z As、前記第1
及び第3のバリア層がInx Ga1 - xAsP1 - Y で
ある場合、前記第1及び第3のバリア層のバンドギャッ
プ波長が1.3μm以上の長波長とすれば、バリア層の
Inx Ga1 - x AsY P1 - Y のAs組成比が充分大
きくなるため、量子井戸界面付近での5族元素の拡散現
象の影響が小さくなり、良好な量子井戸界面が形成さ
れ、量子井戸の歪量が小さい場合は結晶転位が発生し難
く、多周期の多重歪量子井戸構造が形成できる。
造の断面図である。ここではMOVPE法を用いたIn
GaAs/InGaAsP/InP系の多重歪量子井戸
構造について説明する。
にMOVPE法によって、層厚0.3μmのInPバッ
ファ層2、InP基板と同じ格子定数a0 を持つ層厚1
2nm、バンドギャップ波長1.3μmのInGaAs
Pバッファ層3を順次積層させた後、InP基板より長
い格子定数a1 を持つ層厚3nmのIn0 . 7 5 Ga
0 . 2 5 Asから成る量子井戸層4、格子定数a0 を持
つ層厚4nm、バンドギャップ波長1.3μmのInG
aAsPから成る第1のバリア層5、InP基板よりも
短い格子定数a2 を持つ層厚4nm、バンドギャップ波
長1.3μmのInGaAsPから成る第2のバリア層
6、格子定数a0 を持つ層厚4nm、バンドギャップ波
長1.3μmのInGaAsPから成る第3のバリア層
7を順次形成してなる多層膜を一周期としてこれを多数
回繰り返し積層させ、最後に0.5μmのInPのキャ
ップ層8を積層させて本発明にかかる多重歪量子井戸構
造は完成する。量子井戸層4には1.5%の圧縮歪、第
2のバリア層6には0.2%の引っ張り歪がそれぞれか
かっている。
断面図である。ここではMOVPE法を用いたInGa
As/InGaAsP/InP系の多重歪量子井戸構造
の製造方法について説明する。
層厚0.3μmのInPバッファ層10、InP基板と
同じ格子定数a0 を持つ層厚12nm、バンドギャップ
波長1.3μmのInGaAsPバッファ層11を順次
積層させた後、InP基板より長い格子定数a1 を持つ
層厚3nmのIn0 . 6 Ga0 . 4 Asから成る量子井
戸層12、格子定数a0 を持つ層厚12nm、バンドギ
ャップ波長1.3μmのInGaAsPから成るバリア
層13を順次形成してなる多層膜を一周期としてこれを
多数回繰り返し積層させ、最後に0.5μmのInPの
キャップ層14を積層させて本発明にかかる多重歪量子
井戸構造は完成する。量子井戸層12は0.5%の圧縮
歪がかかっている。歪量子井戸層の歪量が小さい場合に
有効である。
の実施例で説明した20周期の多重歪量子井戸構造の温
度77Kでのフォトルミネッセンススペクトルを示す。
いずれの場合も狭いスペクトル線幅のバンド端発光以外
に結晶欠陥に起因する深い準位からの発光は観測され
ず、歪の緩和による結晶転位の発生が抑制されているこ
とが判る。本発明の実施例の場合は、量子井戸の歪量が
1.5%と大きい場合でも、量子井戸と反対方向の歪方
向を持つ第2のバリア層によって、多重量子井戸1周期
あたりの平均歪量が小さくなり、多周期の良好な多重歪
量子井戸構造が得られる。比較例の場合は、量子井戸の
歪量が0.5%と小さいため、本発明の実施例の様な第
2のバリア層を用いなくても良好な多重歪量子井戸構造
が得られる。これは、従来例の場合と異なり、バリア層
が1.3μmのバンドギャップ波長を持ち、InGaA
sPのAs組成比が大きく、InGaAs量子井戸界面
での5族元素の拡散が起きにくい為である。従って、良
好な量子井戸界面が得られ、歪に対する結晶の耐性が大
きくなっている。ちなみに、比較例のみを用いて1.5
%の歪量の多重歪量子井戸構造を形成した場合は、77
Kでのフォトルミネッセンスにおいて結晶欠陥に起因す
る深い準位の発光がみられ、歪量が大きい場合に本発明
の構造が有効であることを示している。
定層厚あたりの量子井戸数が大きく、かつ結晶欠陥の少
ない光学特性に優れた多重歪量子井戸構造を得ることが
できる。この構造を半導体レーザ、光変調器、受光器等
に適用することにより素子特性が向上する。
いたInGaAs/InGaAsP/InP系の多重歪
量子井戸構造について述べたが、本発明は他のエピタキ
シャル成長法を用いた場合または他の材料の多重歪量子
井戸構造にも適用できる。
る。
トルを示す図である。(a)(b)はそれぞれ本発明の
実施例と比較例の場合を示す。
ある。
スペクトルを示す図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 半導体基板上に形成された、半導体量子
井戸層と該半導体量子井戸層よりもバンドギャップの大
きい半導体バリア層を交互に積層した多重量子井戸構造
に於いて、前記多重量子井戸構造の1つの周期が、前記
半導体基板と異なった格子定数a1 をもつ半導体層から
なる量子井戸層と、前記半導体基板と同じ格子定数a0
をもつ半導体からなる第1のバリア層と、格子定数a2
をもつ半導体層からなる第2のバリア層と、格子定数a
0 をもつ半導体層からなる第3のバリア層とを順次積層
してなる多層膜であり、かつa1 <a0 <a2 またはa
1 >a0 >a2 であることを特徴とする半導体多重歪量
子井戸構造。 - 【請求項2】 前記半導体基板がInPで、前記量子井
戸層がInGaAs、前記第1及び第3のバリア層がI
nGaAsPであることを特徴とする請求項1記載の半
導体多重歪量子井戸構造。
Priority Applications (1)
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JP19633991A JP2806089B2 (ja) | 1991-08-06 | 1991-08-06 | 半導体多重歪量子井戸構造 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP19633991A JP2806089B2 (ja) | 1991-08-06 | 1991-08-06 | 半導体多重歪量子井戸構造 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0541564A JPH0541564A (ja) | 1993-02-19 |
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Family
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Family Applications (1)
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JP19633991A Expired - Lifetime JP2806089B2 (ja) | 1991-08-06 | 1991-08-06 | 半導体多重歪量子井戸構造 |
Country Status (1)
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-
1991
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