JP2964161B2 - 量子井戸構造をもつ半導体装置 - Google Patents

量子井戸構造をもつ半導体装置

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【発明の詳細な説明】 〔概要〕 光論理素子や半導体パルス・レーザなど、光スイッチ
ングを行なう為の量子井戸構造をもつ半導体装置の改良
に関し、 量子井戸構造にライフ・タイム・キラーとなる結晶欠
陥を生成させても吸収効率低下がないように、従って、
損失を低く抑えたまま励起子の吸収緩和時間を飛躍的に
高め、しかも、吸収緩和時間を調整することもできるよ
うにすることを目的とし、 基板上に積層形成された量子井戸構造が二次元励起子
のボーア半径を半径とする円よりも大きく且つヘテロ界
面に垂直な方向に延在する結晶欠陥層で分割されてなる
よう構成する。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、光論理素子や半導体パルス・レーザなど、
光スイッチングを行なう為の量子井戸構造をもつ半導体
装置の改良に関する。
通常、多重量子井戸(multiple quantum wells:MQ
W)構造を光励起した場合には〔フェムト(femto)秒:f
s〕オーダで励起子が生成される為、光スイッチングの
オン時間は極短くて高速である。然しながら、再結合緩
和時間は20〔ns〕〜30〔ns〕オーダであることから、光
スイッチングのオフ時間は長くなって低速であり、これ
が、光論理素子などに於ける光スイッチングの時間的律
速原因となっている。
従って、この問題を解決すれば、光スイッチングは更
に高速化することができる。
〔従来の技術〕
従来、光スイッチングを行なう為のMQW構造をもつ半
導体装置に於いて、励起子の再結合緩和時間を短くし、
光スイッチングのオフ時間を高速にする為、MQWに対し
てヘテロ界面に垂直にイオンを打ち込んで結晶欠陥を誘
発し、それを再結合中心として利用する技術が提案され
ている(要すれば、「Appl.Phys.Lett.46(1985)pp701
−703」、を参照)。
この公知技術に依ると、MQW構造全体にライフ・タイ
ム・キラーを発生させるものであり、その再結合緩和時
間は〜150〔ps〕を得たとされている。
〔発明が解決しようとする課題〕
前記したように、MQW構造にイオンを打ち込んで結晶
全体に欠陥を誘発する技術を実施した場合、吸収係数の
減少を招来し、また、イオン注入後の結晶性回復を図る
為、熱処理工程が必須となる。
この従来の技術を実施する場合、ライフ・タイム・キ
ラー以外に結晶に与えるダメージを軽減する為、イオン
源として軽元素である例えばプロトン(H+)やHeイオン
(He+)を用いる方法が知られている。この理論では、
ドーズ量から平均イオン間距離を考え、それが二次元励
起子のボーア半径を半径とする円よりも大きければ、イ
オン注入に依るダメージが励起子に与える影響は小さい
とするのであるが、MQW構造全体にダメージ、即ち、発
光中心や非発光中心を誘発することには変わりない。ま
た、この従来の技術では、励起子の吸収緩和時間を変え
る為には注入するイオンのドーズ量を変えるようにして
いる。然しながら、目的を達する為には、ドーズ量が桁
違いに増大し、結晶性を損なうことになる。
本発明は、量子井戸構造にライフ・タイム・キラーと
なる結晶欠陥を生成させても吸収効率低下がないよう
に、従って、損失を低く抑えたまま励起子の吸収緩和時
間を飛躍的に高め、しかも、吸収緩和時間を調整するこ
ともできるようにしようとする。
〔課題を解決するための手段〕
一般に、二次元励起子はヘテロ界面の垂直方向には自
由度がない為、水平方向、即ち、ヘテロ界面に沿う横方
向に移動する。通常、ヘテロ界面には、一原子層程度の
不均一が存在する為、MQW構造に於ける井戸幅にも不均
一を生ずる。前記したように、横方向に移動する励起子
は、より井戸幅が広い井戸へ、従って、局所的にエネル
ギが低い井戸へとエネルギ交差緩和に依って移動する。
普通には、前記井戸幅の不均一は、200〔Å〕〜300
〔Å〕から始まって2〔μm〕〜3〔μm〕になるとさ
れている。そして、エネルギ的に安定な井戸に落ち着い
た励起子が解離し、再結合し、消滅してゆく時間は20
〔ns〕〜30〔ns〕オーダである。
さて、励起子の吸収緩和時間を律速しているのは、前
記したエネルギ的に安定な井戸内に於ける励起子の再結
合時間であることから、その吸収緩和時間を短くする為
には、励起子が横方向に移動しているときに再結合中心
と出会うようにすれば良いことが理解されよう。つま
り、光励起に依って発生する二次元励起子の大きさ、即
ち、ボーア半径を半径とする円を越える領域に再結合中
心となる結晶欠陥を配置すれば良い筈である。
ここで、ボーア半径×2をボーア直径DBとすると、 GaAsの場合:DB=約240〔Å〕程度、 In0.53Ga0.47Asの場合:DB=約380〔Å〕程度である。
従って、例えばGaAs/AlGaAsMQW構造やInGaAs/InAlAsM
QW構造に表面から垂直に集束イオン・ビーム(focused
ion beam:FIB)を照射してボーア直径DBを直径とす
る円よりも大きく且つ閉じた領域を描画することで前記
した条件を満たす再結合中心が生成することができる。
第1図は本発明の原理を説明する為の要部切断斜面説
明図を表している。
図に於いて、CL1,CL2,CL3・・・・はFIBを照射して生
成させたボーア半径rBを半径とする円より大で且つ閉じ
られたダメージ層で囲まれた領域、3はエッチング停止
層、4はMQW、4Aはバリヤ層、4Bは井戸層、5はキャッ
プ層、6はダメージ層、hは正孔、eは電子、DBはボー
ア直径をそれぞれ示している。
図示されているダメージ層6が領域CL1,CL2,CL3・・
・・を画成し、且つ、再結合中心になることは云うまで
もない。
図では、判り易くする為、ダメージ層で囲まれた領域
CL1,CL2,CL3・・・・が、それぞれ分離した状態で表さ
れているのであるが、実際には、それ等は基板及び諸半
導体層で一体に連結された状態にある。但し、ダメージ
層で囲まれた領域CL1・・・・の直下、即ち、エッチン
グ停止層3の直下では、バッファ層などの半導体層並び
に基板は選択的に除去されていて存在しないが、この点
に関しては、実施例の説明で理由が明らかになる。
本発明の場合に於けるFIBのイオン源や注入条件など
は、必要な線幅、二次元励起子の濃度に依って決定し、
この場合、描画する領域の形状や大きさの上限などは任
意である。励起子の振る舞いが二次元平面内で等方的で
あれば、点対称、或いは、それに近い形状が良い。ま
た、異方的であれば、これに合わせて異方的な形状にし
ても良く、何れにせよ、描画する領域の形状及び大きさ
として、要は、必要とする励起子吸収緩和時間に合わせ
て決めれば良い。
このようなことから、本発明に依る量子井戸構造をも
つ半導体に於いては、 (1) 基板(例えばGaAs基板1)上に積層形成され且つ二次
元励起子のボーア半径(例えばボーア半径rB)を半径と
する円よりも大きい平面(例えばヘテロ界面と平行して
拡がる面)を囲んで線状をなすと共にヘテロ界面に垂直
な方向に延在する結晶欠陥層(例えばダメージ層6)で
分割された量子井戸構造(例えばMQW4)を備えてなるこ
とを特徴とするか、又は、 (2) 前記(1)に於いて、量子井戸構造の表裏に光学ミラ
ー(例えば光学ミラー7及び8)が設けられてなること
を特徴とする。
〔作用〕
前記手段を採ることに依り、ダメージ層で囲まれた領
域では、イオン注入に依るダメージがなく、通常の量子
井戸構造として作用するので、これ等の領域内に於ける
光吸収効率が良好に維持され、従って、光吸収の損失を
低く抑えたまま、励起子の吸収緩和時間を飛躍的に向上
させることができ、また、前記領域の大きさ、或いは、
形状を変えることに依って量子井戸の結晶性を損なうこ
となく励起子の吸収緩和時間を調整することができる。
〔実施例〕
第2図は本発明一実施例を説明する為の製造工程要所
に於ける半導体装置の要部切断側面図、また、第3図は
同じく要部切断斜面図をそれぞれ表している。尚、第3
図では第2図に見られるMQW及びその近傍のみを採って
表してある。
図に於いて、1はGaAs基板、2はGaAsバッファ層、3
はAlGaAsエッチング停止層、4はMQW、4AはAlGaAsバリ
ヤ層、4BはGaAs井戸層、5はGaAsキャップ層、6はダメ
ージ層(結晶欠陥層)、7及び8は光学ミラーをそれぞ
れ示している。
この半導体装置は、次のような工程を経て製造され
る。
(1) 分子線エピタキシャル成長(molecular beam
epitaxy:MBE)法を適用することに依って、GaAs基板
1上にGaAsバッファ層2、AlGaAsエッチング停止層3、
MQW4、GaAsキャップ層5を成長させる。
これ等の各部分に関する主なデータを例示すると次の
通りである。
(a) GaAs基板1について 面指数:(001) (b) GaAsバッファ層2について 厚さ:1〔μm〕 (c) AlGaAsエッチング停止層3について x値:0.5 厚さ:3000〔Å〕 (d) MQW4について AlGaAsバリヤ層4Aの厚さ:40〔Å〕 同じくx値:0.3 GaAs井戸層4Bの厚さ:40〔Å〕 周期:100 (e) GaAsキャップ層5について 厚さ:100〔Å〕 (2) FIBを用いて格子縞状の描画を行なって、ダメ
ージ層6を形成する。
本実施例では、ダメージ層6の線幅を400〔Å〕と
し、それに依って囲まれた領域は一辺を0.2〔μm〕の
正方形とした。また、イオン源にはAu−Beを用いた。
(3) エピタキシャル成長した表面には、その全面を
覆うマスクを形成し、裏面、即ち、基板の表出面には選
択的にマスクを形成する。
(4) アンモニア(NH3)系エッチング液を用いてGaA
s基板1及びGaAsバッファ層2を選択的にエッチングす
る。
このようにして作成した試料である半導体装置につい
て、パルス幅が100〔フェムト秒〕の衝突パルスモード
同期(colliding pulse mode−locked:CPM)レーザを
用いたポンプ・プローブ法を適用して吸収の時間分解測
定を行なったところ、励起光パルスの入射と共に励起子
に依る吸収が認められ、緩和時定数が約10〔ps〕で吸収
が回復した。
第4図は前記した吸収の時間分解測定を行なって得ら
れたデータを表す線図であり、縦軸には光透過率を、横
軸には時間をそれぞれ採ってある。
図に於いて、実線が本発明に依る半導体装置の特性線
であり、また、破線が従来技術に依る半導体装置の特性
線である。
本発明に依った場合、励起子パルスが入射すると励起
子に依る吸収が急速に発生し、その吸収の回復も従来の
ものに比較すると著しく速いことが看取されよう。
因に、レーザ光励起に依って発生した二次元励起子が
拡散に依って周囲に広がるとした場合、 L=(Dτ)1/2 D=μ・kT/q L:拡散長 D:拡散係数 τ:励起子を含む電子・正孔対の寿命 μ:励起子の移動度 k:ボルツマン定数(1.38×10-23) T:格子温度(300〔K〕) q:電荷素量(1.602×10-19C) (尚、通常、二次元励起子の寿命は温度に強く依存す
る。ここで謂う寿命は、二次元励起子が生成後、解離し
て電子・正孔対となり、拡散して最終的に発光するまで
の時間を指すものとする。) なる式が成り立ち、 励起子の移動度μ=400〔cm2/Vs〕 とした場合、L=0.2〔μm〕でτ=38〔ps〕、L=0.1
〔μm〕でτ=9.6〔ps〕となる。
本発明に於いては、前記説明した実施例の他に多くの
改変を行なうことができる。例えば、前記何れの実施例
に於いても、第2図に見られるように、光学ミラー7及
び8を形成することに依り、吸収緩和が速いエタロンな
どの非線形光学素子として使用することができる。この
光学ミラー7及び8には、通常のように、多層誘電体膜
を用いることができる。また、第2図乃至第4図につい
て説明した実施例に於けるダメージ層6の平面的な形状
は、正方形の集合のみでなく、原理で説明したようなボ
ーア直径DBよりも大きい、例えば、0.5〔μm〕〜0.6
〔μm〕程度の円形や正多角形など、点対称或いはそれ
に近い形状を任意に選択することができる。
〔発明の効果〕
本発明に依る量子井戸構造をもつ半導体装置に於いて
は、基板上に積層形成され且つ二次元励起子のボーア半
径を半径とする円よりも大きい平面を囲んで線状をなす
と共にヘテロ界面に垂直な方向に延在する結晶欠陥層で
分割された量子井戸構造を備える。
前記構成を採ることに依り、ダメージ層で囲まれた領
域では、イオン注入に依るダメージがなく、通常の量子
井戸構造として作用するので、これ等の領域内に於ける
光吸収効率が良好に維持され、従って、光吸収の損失を
低く抑えたまま、励起子の吸収緩和時間を飛躍的に向上
させることができ、また、前記領域の大きさ、或いは、
形状を変えることに依って量子井戸の結晶性を損なうこ
となく励起子の吸収緩和時間を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の原理を説明する為の要部切断斜面説明
図、第2図は本発明一実施例を説明する為の製造工程要
所に於ける半導体装置の要部切断側面図、第3図は同じ
く要部切断斜面図、第4図は吸収の時間分解測定を行な
って得られたデータの線図を表している。 図に於いて、CL1,CL2,CL3・・・・はFIBを照射すること
で生成されたボーア直径DBを直径とする円より大で且つ
閉じられたダメージ層で囲まれた領域、1は基板、2は
バッファ層、3はエッチング停止層、4はMQW、4Aはバ
リヤ層、4Bは井戸層、5はキャップ層、5Aは溝、6はダ
メージ層7及び8は光学ミラーをそれぞれ示している。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−59549(JP,A) 特開 平1−179023(JP,A) 特開 平2−127627(JP,A) 特開 平1−134435(JP,A) 特開 昭63−133581(JP,A) 特開 昭60−7190(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01S 3/18

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上に積層形成され且つ二次元励起子の
    ボーア半径を半径とする円よりも大きい平面を囲んで線
    状をなすと共にヘテロ界面に垂直な方向に延在する結晶
    欠陥層で分割された量子井戸構造 を備えてなることを特徴とする量子井戸構造をもつ半導
    体装置。
  2. 【請求項2】量子井戸構造の表裏に光学ミラーが設けら
    れてなること を特徴とする請求項1記載の量子井戸構造をもつ半導体
    装置。
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