JP2969979B2 - オプトエレクトロニクス部品用の半導体構造 - Google Patents
オプトエレクトロニクス部品用の半導体構造Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は半導体材料、特に半導
体レーザの多層構造に関する。より一般的には、この発
明の応用はオプトエレクトロニクスであり、更に光及び
超小形電子技術のモノリシックまで広範囲に関する。
体レーザの多層構造に関する。より一般的には、この発
明の応用はオプトエレクトロニクスであり、更に光及び
超小形電子技術のモノリシックまで広範囲に関する。
【０００２】
【従来の技術】シリコンＳｉ及びガリウムヒ素ＧａＡｓ
は現在最も広く使用されている半導体材料である。シリ
コンを用いた超小形電子技術においては非常に大規模な
集積が確立されているが、オプトエレクトロニクスを形
成しているヘテロ構造のレーザは、ＧａＡｓ基板の上の
ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ及びＩｎＰ基板上のＧａＩｎＡ
ｓ／ＡｌＩｎＰまたはＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰのようにメ
ンデレーエフ分類表のＩＩＩ族及びＶ族の半導体材料に
よっている。例えばＩＩＩ族、Ｖ族及びシリコンのよう
な種々の材料から製造されるコンプリメント機能を有し
たオプトエレクトロニクス及び超小形電子技術デバイス
の同一基板上への集積が特に興味のある分野であり、近
年し烈な研究作業となりつつある。
は現在最も広く使用されている半導体材料である。シリ
コンを用いた超小形電子技術においては非常に大規模な
集積が確立されているが、オプトエレクトロニクスを形
成しているヘテロ構造のレーザは、ＧａＡｓ基板の上の
ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ及びＩｎＰ基板上のＧａＩｎＡ
ｓ／ＡｌＩｎＰまたはＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰのようにメ
ンデレーエフ分類表のＩＩＩ族及びＶ族の半導体材料に
よっている。例えばＩＩＩ族、Ｖ族及びシリコンのよう
な種々の材料から製造されるコンプリメント機能を有し
たオプトエレクトロニクス及び超小形電子技術デバイス
の同一基板上への集積が特に興味のある分野であり、近
年し烈な研究作業となりつつある。
【０００３】シリコン基板には多くの利点がある：固体
性、完全性、高熱伝導率、低価格等．シリコン上へのＩ
ＩＩ−Ｖ族化合物の堆積をメインとする研究が主になさ
れている。この種のエピタキシアル成長について多くの
進歩が得られ、その進歩により次の障害の一部分を解決
できる：ＩＩＩ−Ｖ族半導体のような有極材料をシリコ
ンのような無極材料の上に堆積させる難かしさ、及びそ
れらの間の格子変数の差、（例えばシリコン上のＧａＡ
ｓでは４％）に起因する問題。
性、完全性、高熱伝導率、低価格等．シリコン上へのＩ
ＩＩ−Ｖ族化合物の堆積をメインとする研究が主になさ
れている。この種のエピタキシアル成長について多くの
進歩が得られ、その進歩により次の障害の一部分を解決
できる：ＩＩＩ−Ｖ族半導体のような有極材料をシリコ
ンのような無極材料の上に堆積させる難かしさ、及びそ
れらの間の格子変数の差、（例えばシリコン上のＧａＡ
ｓでは４％）に起因する問題。
【０００４】とりわけ、この不整合は１０ナノメータの
エピタキシアル堆積材料の中に非常に多量の転位（disl
ocation，例えば結晶欠陥）があることを示している。
これらの転位の原因はエピタキシアル成長が行われる表
面の状態と、エピタキシアル半導体の結晶が時間により
劣化することの両方または一方であるとすることができ
る。それらの原因がどうであれ、これらの転位により局
部的な不均一が生じ大きくなる。
エピタキシアル堆積材料の中に非常に多量の転位（disl
ocation，例えば結晶欠陥）があることを示している。
これらの転位の原因はエピタキシアル成長が行われる表
面の状態と、エピタキシアル半導体の結晶が時間により
劣化することの両方または一方であるとすることができ
る。それらの原因がどうであれ、これらの転位により局
部的な不均一が生じ大きくなる。
【０００５】例えば、ある層の結晶格子変数が次の層の
結晶格子変数より低いならば、１番目の層は張力を受け
やすく、しかもその層の境界面で転位が生ずる。１番目
の層が活性層のレーザ素子ならば、そのレーザ素子の性
能は存在している転位の数にかなり左右される。こうし
た欠陥により少数キャリアがこの素子の電流のスレショ
ルドに影響を与えることは勿論であるが、更にそのエー
ジングにも影響を与える。素子が動作するとき、電界更
に高密度の光子とキャリアがあることにより、新たな欠
陥を生ずる転位が更に促進されしかも新しい欠陥の発生
が助長される。
結晶格子変数より低いならば、１番目の層は張力を受け
やすく、しかもその層の境界面で転位が生ずる。１番目
の層が活性層のレーザ素子ならば、そのレーザ素子の性
能は存在している転位の数にかなり左右される。こうし
た欠陥により少数キャリアがこの素子の電流のスレショ
ルドに影響を与えることは勿論であるが、更にそのエー
ジングにも影響を与える。素子が動作するとき、電界更
に高密度の光子とキャリアがあることにより、新たな欠
陥を生ずる転位が更に促進されしかも新しい欠陥の発生
が助長される。
【０００６】オプトエレクトロニクスの従来の応用にお
いて、オプトエレクトロニクス成分はＧａＡｓ基板上に
ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓのように、またＩｎＰ基板上の
ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓのような、ＩＩＩ−Ｖ族半
導体のヘテロ構造から構成されている。これらの構造が
従来の技術により成長する間得られる転位の割合は、有
機金属化合物から生ずるエピタキシイ分子線及び気相成
長法のように約１０４／cm２ である。その割合は商業
的大規模な使用により証明されているように、波長が
０．８５μｍのＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓレーザダイオー
ドのようなオプトエレクトロニクス素子の特有な働きに
対し矛盾していない；しかしある場合には、素子が動作
している間転位の変位と増殖が観測され、それらはこれ
らの成分の寿命と関係がある。転位に関係のある問題
は、この場合は潜在的であるが使用材料に欠陥が多い場
合には厳しい問題となる。
いて、オプトエレクトロニクス成分はＧａＡｓ基板上に
ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓのように、またＩｎＰ基板上の
ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓのような、ＩＩＩ−Ｖ族半
導体のヘテロ構造から構成されている。これらの構造が
従来の技術により成長する間得られる転位の割合は、有
機金属化合物から生ずるエピタキシイ分子線及び気相成
長法のように約１０４／cm２ である。その割合は商業
的大規模な使用により証明されているように、波長が
０．８５μｍのＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓレーザダイオー
ドのようなオプトエレクトロニクス素子の特有な働きに
対し矛盾していない；しかしある場合には、素子が動作
している間転位の変位と増殖が観測され、それらはこれ
らの成分の寿命と関係がある。転位に関係のある問題
は、この場合は潜在的であるが使用材料に欠陥が多い場
合には厳しい問題となる。
【０００７】シリコン上にＩＩＩ−Ｖ族の材料を成長さ
せる場合、構造内では出来るだけ低い転位率で捜すこと
が基本である。材料の表面層の転位率はcm２ 当たりの
転位が約１０６ から１０７ である。転位の数は堆積の
厚さと共に減少するが、堆積は材料に対し４ないし５ミ
クロンを越えることがない。シリコンとＩＩＩ−Ｖ族の
材料の膨張係数が大きく異ることにより、約５００℃か
ら６００℃の成長温度が室温まで低下した時、多数のク
ラックの組成物がエピタキシャル層内に残る。転位の数
を減少する試みの失敗は全てシリコン基板上に作られた
レーザ成分の安定性に関係がある。
せる場合、構造内では出来るだけ低い転位率で捜すこと
が基本である。材料の表面層の転位率はcm２ 当たりの
転位が約１０６ から１０７ である。転位の数は堆積の
厚さと共に減少するが、堆積は材料に対し４ないし５ミ
クロンを越えることがない。シリコンとＩＩＩ−Ｖ族の
材料の膨張係数が大きく異ることにより、約５００℃か
ら６００℃の成長温度が室温まで低下した時、多数のク
ラックの組成物がエピタキシャル層内に残る。転位の数
を減少する試みの失敗は全てシリコン基板上に作られた
レーザ成分の安定性に関係がある。
【０００８】このようにして得られた結果を示すため、
Ｓｉ上のＧａＡｓ基板の場合を検討するが、それについ
ては最も一生懸命に研究されている。室温での連続放射
によるダブルヘテロ構造のレーザは素子がレーザのスレ
ッシュホールド以下では劣化するので現在のところ観測
されていない。他方、パルスモードと約１分の短期間連
続モードにおける常温での動作が、量子井戸レーザすな
わち傾斜率により分離された閉じ込めを有する構造に観
測される。活性層の寸法を小さくすると、オプトエレク
トロニクス素子の動作に有利なことは明らかである。こ
のことはいくつかの有利な因子となる。分離された閉じ
込めの考えを使用することにより、素子のスレショルド
電流を下げることができ、それ故素子の安定性を増加で
きる。更に、２種類のキャリアが同時に存在する構造の
活性層の寸法を小さくすることができる：再結合の前に
キャリアの拡散がある平面で生ずるが、転位は活性層を
交差するラインの一部分を除いてキャリア捕獲内にもは
や生じない。しかし、これらの量子井戸構造を用いたと
しても得られた成分は十分には安定しておらず、寿命に
関係した問題がある。
Ｓｉ上のＧａＡｓ基板の場合を検討するが、それについ
ては最も一生懸命に研究されている。室温での連続放射
によるダブルヘテロ構造のレーザは素子がレーザのスレ
ッシュホールド以下では劣化するので現在のところ観測
されていない。他方、パルスモードと約１分の短期間連
続モードにおける常温での動作が、量子井戸レーザすな
わち傾斜率により分離された閉じ込めを有する構造に観
測される。活性層の寸法を小さくすると、オプトエレク
トロニクス素子の動作に有利なことは明らかである。こ
のことはいくつかの有利な因子となる。分離された閉じ
込めの考えを使用することにより、素子のスレショルド
電流を下げることができ、それ故素子の安定性を増加で
きる。更に、２種類のキャリアが同時に存在する構造の
活性層の寸法を小さくすることができる：再結合の前に
キャリアの拡散がある平面で生ずるが、転位は活性層を
交差するラインの一部分を除いてキャリア捕獲内にもは
や生じない。しかし、これらの量子井戸構造を用いたと
しても得られた成分は十分には安定しておらず、寿命に
関係した問題がある。
【０００９】
【発明の目的】この発明の主な目的は、半導体材料から
作られたレーザのようなオプトエレクトロニクス素子が
動作するとき、転位の影響を少なくすることである。
作られたレーザのようなオプトエレクトロニクス素子が
動作するとき、転位の影響を少なくすることである。
【００１０】
【発明の要約】従って、半導体材料に複数の層を有する
構造が与えられ、その材料内で層の１つには半導体材料
の中に３次元含有物があり、その半導体材料の禁制帯
（バンドギャップ）は前記材料の層の禁制帯より狭い。
構造が与えられ、その材料内で層の１つには半導体材料
の中に３次元含有物があり、その半導体材料の禁制帯
（バンドギャップ）は前記材料の層の禁制帯より狭い。
【００１１】含有物を構成する層にはレーザのようなオ
プトエレクトロニクス素子の活性層がある。含有物によ
りキャリアに対する補促機能が確実となり、それにより
転位の核の方向及び関連した非放射性中心の方向に対す
るキャリアの拡散を避けることができる。含有物はレー
ザ利得を生ずる電子と捕促ホールの間の放射性再結合の
位置にある。
プトエレクトロニクス素子の活性層がある。含有物によ
りキャリアに対する補促機能が確実となり、それにより
転位の核の方向及び関連した非放射性中心の方向に対す
るキャリアの拡散を避けることができる。含有物はレー
ザ利得を生ずる電子と捕促ホールの間の放射性再結合の
位置にある。
【００１２】含有物は成長の間、３次元核モードを使用
することにより挿入されるが、その核モードはＩＩＩ−
Ｖ族の材料のエピタキシイにより使用されている基板の
不整合の高いことが観測される。従って、この発明の実
施態様である多層構造を作る方法は、前記層の１つを構
成する材料が成長する間、次の２つの連続した段階をと
る：−少なくとも一度前記成長を中断すること、−３次
元含有物を構成する前記層の材料の禁制帯より狭い禁制
帯を有する半導体材料の薄い層を堆積すること。
することにより挿入されるが、その核モードはＩＩＩ−
Ｖ族の材料のエピタキシイにより使用されている基板の
不整合の高いことが観測される。従って、この発明の実
施態様である多層構造を作る方法は、前記層の１つを構
成する材料が成長する間、次の２つの連続した段階をと
る：−少なくとも一度前記成長を中断すること、−３次
元含有物を構成する前記層の材料の禁制帯より狭い禁制
帯を有する半導体材料の薄い層を堆積すること。
【００１３】
【実施例】図１と図４を比較すると明らかなように、こ
の発明による半導体レーザの構造は周知の半導体レーザ
構造と類似のものである。周知の構造には半導体基板１
と、基板１の主となる側に置かれた半導体材料２、３、
４、５の３層ないし４層の積層がある。
の発明による半導体レーザの構造は周知の半導体レーザ
構造と類似のものである。周知の構造には半導体基板１
と、基板１の主となる側に置かれた半導体材料２、３、
４、５の３層ないし４層の積層がある。
【００１４】図１に示す実施例によれば、２から５まで
の４層にはダブルヘテロ構造が与えられしかも構成して
いる。２から４までの層は半導体材料であり、それによ
り価電子帯ＢＶと導電帯ＢＣの間に狭い禁制帯（バンド
ギャップ）ＢＩがあり、しかも屈折率が高い；層２と４
の半導体材料はＧａＡｓとすることができる。他の２つ
の層３と５は禁制帯Ｌ３とＬ５を有した半導体材料であ
り、Ｌ３とＬ５の禁制帯の幅は図２と図３に示すように
層４の禁制帯Ｌ４より大きく屈折率が低い。層２と４の
禁制帯の狭さはここでは層３と５の禁制帯の大きさとの
関係で決められている。これらの条件では周知のよう
に、層３と５により層３と５の間の中間にある活性層４
内を伝播するレーザビームが閉じ込められる。
の４層にはダブルヘテロ構造が与えられしかも構成して
いる。２から４までの層は半導体材料であり、それによ
り価電子帯ＢＶと導電帯ＢＣの間に狭い禁制帯（バンド
ギャップ）ＢＩがあり、しかも屈折率が高い；層２と４
の半導体材料はＧａＡｓとすることができる。他の２つ
の層３と５は禁制帯Ｌ３とＬ５を有した半導体材料であ
り、Ｌ３とＬ５の禁制帯の幅は図２と図３に示すように
層４の禁制帯Ｌ４より大きく屈折率が低い。層２と４の
禁制帯の狭さはここでは層３と５の禁制帯の大きさとの
関係で決められている。これらの条件では周知のよう
に、層３と５により層３と５の間の中間にある活性層４
内を伝播するレーザビームが閉じ込められる。
【００１５】好ましい実施例によれば、層２から層５の
積層により、シリコンＳｉの基板上に形成されるダブル
ヘテロ構造のＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓが構成される。
積層により、シリコンＳｉの基板上に形成されるダブル
ヘテロ構造のＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓが構成される。
【００１６】層２はその種類が単層または多層であり、
基板１の前記の主となる側に直接エピタキシイとして堆
積され、しかもＧａＡｓの中にある。層２にあるバッフ
ァ層は出来るだけ転位しないようにされており、その唯
一の目的は層３、４、５により構成されたレーザ構造と
整合性のある格子である媒体を提供することである。あ
る実施例によれば、層２は取り除くことができる。
基板１の前記の主となる側に直接エピタキシイとして堆
積され、しかもＧａＡｓの中にある。層２にあるバッフ
ァ層は出来るだけ転位しないようにされており、その唯
一の目的は層３、４、５により構成されたレーザ構造と
整合性のある格子である媒体を提供することである。あ
る実施例によれば、層２は取り除くことができる。
【００１７】活性層４はＧａＡｓの中にあり、更に３と
５の厚い層の間に差し込まれており、それらより厚い。
５の厚い層の間に差し込まれており、それらより厚い。
【００１８】層３と５は、層３と５の間に埋められた活
性層４より屈折率が小さい３種類の合金ＧａＡｌＡｓの
中にある。層３と５は導電性でそれぞれ種類がｎとｐの
反対の不純物が注入されている。注入された電子とホー
ルはこのように閉じ込められ、光波を確実に閉じ込める
活性層４の中で再結合する。レーザの活性領域を作る層
４の中でエネルギはキャリアの再結合により電磁波に変
換される。
性層４より屈折率が小さい３種類の合金ＧａＡｌＡｓの
中にある。層３と５は導電性でそれぞれ種類がｎとｐの
反対の不純物が注入されている。注入された電子とホー
ルはこのように閉じ込められ、光波を確実に閉じ込める
活性層４の中で再結合する。レーザの活性領域を作る層
４の中でエネルギはキャリアの再結合により電磁波に変
換される。
【００１９】理解を完全にするために、この発明は光変
調器や光スイッチのようなオプトエレクトロニクスの素
子として半導体材料のあらゆる種類の既知の構造に適応
できることを知る必要がある。とりわけ、閉じ込めを行
う層３と５は、それぞれ濃度の異る注入の材料が同じい
くつかの層により構成され、上側の層５は種類と導電率
の両方または一方が異る半導体材料の他の層で覆われて
いる場合があり、或いはＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４のよ
うな絶縁層で覆われている場合がある。電極を形成する
２つの薄い金属層６、７は積層の両側に与えられること
は勿論である。
調器や光スイッチのようなオプトエレクトロニクスの素
子として半導体材料のあらゆる種類の既知の構造に適応
できることを知る必要がある。とりわけ、閉じ込めを行
う層３と５は、それぞれ濃度の異る注入の材料が同じい
くつかの層により構成され、上側の層５は種類と導電率
の両方または一方が異る半導体材料の他の層で覆われて
いる場合があり、或いはＳｉＯ２またはＳｉ３Ｎ４のよ
うな絶縁層で覆われている場合がある。電極を形成する
２つの薄い金属層６、７は積層の両側に与えられること
は勿論である。
【００２０】図４に移り、この発明の実施態様である半
導体レーザ構造には基板１ａと、重畳された層２ａ、３
ａ、４ａ、５ａがあり、同様に図１に示す既知の構造の
基板１と、２から５の層、電極６と７と同じ方法で他に
対して配置された電極６ａ、７ａがある。層４ａを除い
た他の全ての層は既知の構造の対応する層に等しい。
導体レーザ構造には基板１ａと、重畳された層２ａ、３
ａ、４ａ、５ａがあり、同様に図１に示す既知の構造の
基板１と、２から５の層、電極６と７と同じ方法で他に
対して配置された電極６ａ、７ａがある。層４ａを除い
た他の全ての層は既知の構造の対応する層に等しい。
【００２１】この発明によれば、活性層４ａは前述の層
４と比較するとインジウムヒ素ＩｎＡｓのような半導体
材料の中にある点状の含有物８により修飾されており、
このＩｎＡｓには図６に示すようにガリウムヒ素ＧａＡ
ｓのような活性層４ａの半導体材料の禁制帯Ｌ４より幅
の小さい禁制帯Ｌ８がある。図５により詳細にしかも模
型的に示すように、ＩｎＡｓの含有物８により半球状の
帽子の形をした島が作られており、その島は層４ａの上
に広がっており、密度がほぼ一定であり、閉じ込めの層
３ａと５ａに平行ないくつかの平面内にある。図５への
過剰な記載を避けるため、含有物８の３つの平面Ｐ１、
Ｐ２、ＰＮのみが図示されている。
４と比較するとインジウムヒ素ＩｎＡｓのような半導体
材料の中にある点状の含有物８により修飾されており、
このＩｎＡｓには図６に示すようにガリウムヒ素ＧａＡ
ｓのような活性層４ａの半導体材料の禁制帯Ｌ４より幅
の小さい禁制帯Ｌ８がある。図５により詳細にしかも模
型的に示すように、ＩｎＡｓの含有物８により半球状の
帽子の形をした島が作られており、その島は層４ａの上
に広がっており、密度がほぼ一定であり、閉じ込めの層
３ａと５ａに平行ないくつかの平面内にある。図５への
過剰な記載を避けるため、含有物８の３つの平面Ｐ１、
Ｐ２、ＰＮのみが図示されている。
【００２２】この発明の実施態様による半導体レーザの
製造は、活性層４ａを構成する段階を除くと従来の技術
と同じ種類のレーザの製造と類似している。レーザ構造
は全て、例えば分子ビームエピタキシイＭＢＥのような
同じ成長技術により、または他の実施態様による気相成
長法により作られる。
製造は、活性層４ａを構成する段階を除くと従来の技術
と同じ種類のレーザの製造と類似している。レーザ構造
は全て、例えば分子ビームエピタキシイＭＢＥのような
同じ成長技術により、または他の実施態様による気相成
長法により作られる。
【００２３】層４ａを構成する材料のＧａＡｓの分子線
エピタキシイによる成長は閉じ込め層３ａの端から始ま
る。この層４ａの厚さが平面Ｐ１からＰＮのそれぞれに
到達すると、その成長は平面Ｐ２に対する図８に示すよ
うに、構造内のその点で中断される。ＩｎＡｓの薄い層
は活性層４ａに４ａ１ 、４ａ２ 、…のように形成され
た副層の表面に堆積する。ＩｎＡｓの様な材料にある格
子はＧａＡｓとの不整合が約７％と大きく、ＩｎＡｓ成
長モードに強い影響を与える。実際には、厚さがほぼ
０．３nmである１番目のＩｎＡｓの分子層Ｐ１はこの格
子変数の違いを弾力的に調整する。しかし、平面Ｐ２に
対応した２番目の単層から、３次元成長モードへの移行
が観測されるのは５００℃から５５０℃の通常の成長温
度である。インジウムヒ素ＩｎＡｓの島８はその表面に
作られる。走査形伝送電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）でこれら
の島を観察してみると、ＩｎＡｓの島の大きさはかなり
均一に見え、島の分布状態は図９の２番目の活性副層４
ａ２ のレベルに示すようにサンプルの表面の上で比較
的に一様である。実際には、含有物のそれぞれは大きさ
がほぼ５×５×２nm３ の小さな敷物の中に彫られてお
り、その含有物は図５に示す平面Ｐ１、Ｐ２及びＰＮの
ように１つのまたは多数の平面の上に広がっている。平
面内の含有物がそれぞれ堆積した後、ＧａＡｓのエピタ
キシャル成長は再び他の活性層を形成するように行われ
る。ＧａＡｓ格子内に閉じ込められるので、含有物には
いかなる転位も含まれていない。
エピタキシイによる成長は閉じ込め層３ａの端から始ま
る。この層４ａの厚さが平面Ｐ１からＰＮのそれぞれに
到達すると、その成長は平面Ｐ２に対する図８に示すよ
うに、構造内のその点で中断される。ＩｎＡｓの薄い層
は活性層４ａに４ａ１ 、４ａ２ 、…のように形成され
た副層の表面に堆積する。ＩｎＡｓの様な材料にある格
子はＧａＡｓとの不整合が約７％と大きく、ＩｎＡｓ成
長モードに強い影響を与える。実際には、厚さがほぼ
０．３nmである１番目のＩｎＡｓの分子層Ｐ１はこの格
子変数の違いを弾力的に調整する。しかし、平面Ｐ２に
対応した２番目の単層から、３次元成長モードへの移行
が観測されるのは５００℃から５５０℃の通常の成長温
度である。インジウムヒ素ＩｎＡｓの島８はその表面に
作られる。走査形伝送電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）でこれら
の島を観察してみると、ＩｎＡｓの島の大きさはかなり
均一に見え、島の分布状態は図９の２番目の活性副層４
ａ２ のレベルに示すようにサンプルの表面の上で比較
的に一様である。実際には、含有物のそれぞれは大きさ
がほぼ５×５×２nm３ の小さな敷物の中に彫られてお
り、その含有物は図５に示す平面Ｐ１、Ｐ２及びＰＮの
ように１つのまたは多数の平面の上に広がっている。平
面内の含有物がそれぞれ堆積した後、ＧａＡｓのエピタ
キシャル成長は再び他の活性層を形成するように行われ
る。ＧａＡｓ格子内に閉じ込められるので、含有物には
いかなる転位も含まれていない。
【００２４】図６と図７に示すように、インジウムヒ素
ＩｎＡｓの禁制帯エネルギ（バンドギャップエネルギ）
はガリウムヒ素ＧａＡｓの禁制帯エネルギより小さい。
含有物８はそれ故、電子とホールに対しより魅力的であ
る。ＧａＡｓのＩｎＡｓ構造に対する光ルミネセンスの
研究により示されているのは、含有物によりキャリアを
非常に効率よく補促することが行なわれるのは、含有物
による非常に強いルミネセンスと共に非常に小さな役割
をするＧａＡｓ格子によってであり、更にこれらの構造
の光学的品質が非常に良いということである。これらの
構造の透過についての研究により示されているのは、こ
のルミネセンスが固有的である、すなわちルミネセンス
エネルギと結合する高密度の状態に連結されているとい
うことである。最終的に含有物の大きさと、従って関係
したルミネセンスラインの位置を左右するのは３次元成
長モードに変換された後に堆積するＩｎＡｓの品質であ
る。
ＩｎＡｓの禁制帯エネルギ（バンドギャップエネルギ）
はガリウムヒ素ＧａＡｓの禁制帯エネルギより小さい。
含有物８はそれ故、電子とホールに対しより魅力的であ
る。ＧａＡｓのＩｎＡｓ構造に対する光ルミネセンスの
研究により示されているのは、含有物によりキャリアを
非常に効率よく補促することが行なわれるのは、含有物
による非常に強いルミネセンスと共に非常に小さな役割
をするＧａＡｓ格子によってであり、更にこれらの構造
の光学的品質が非常に良いということである。これらの
構造の透過についての研究により示されているのは、こ
のルミネセンスが固有的である、すなわちルミネセンス
エネルギと結合する高密度の状態に連結されているとい
うことである。最終的に含有物の大きさと、従って関係
したルミネセンスラインの位置を左右するのは３次元成
長モードに変換された後に堆積するＩｎＡｓの品質であ
る。
【００２５】更に平面Ｐ１からＰＮまでの中にあるＩｎ
Ａｓ含有物８の密度は非常に高くほぼ１０１２／cm２
であり、特にＳｉ上にある周知のＧａＡｓ構造の転位の
数、典型的には約１０６ ／cm２ と比較すると高い。転
位の近くにある含有物８はそれ故集団の小さな一部分で
あることを示している。注入キャリアがそれ故有する補
促の可能性は転位によるよりも含有物によっており、し
かも転位の近くで撹乱された含有物によるよりも元のま
まの含有物によっている。最終的に、ＩｎＡｓ含有物の
回りにかなり束縛された領域があることにより転位の伝
播を阻止することができる。活性層４ａの中にある光波
の一部として決められる閉じ込め係数Γはこの発明によ
る実施態様の構造では低いが、図１に示すダブルヘテロ
構造の場合は１に近い。含有物の平面Ｐ１からＰＮに対
して、閉じ込め係数は０．６nmの幅の量子単井戸構造の
閉じ込め係数に近い。他方、活性媒体ｇｖ の単位体積
当たりの利得は量子箱のあるレーザのようなものに対し
ては非常に意味のある増加をする。空洞内で光波に対し
同じ増幅を得るには、モード利得Γ・ｇｖ は構造の２
倍と同じにする必要がある。光閉じ込め係数を増加させ
るためには、構造内の含有物平面を増やす必要がある。
この要求は厚さが２００nmのＧａＡｓの空洞にＩｎＡｓ
含有物８のＮ＝１０から４０の平面Ｐ１からＰＮを形成
することにより満たされる。
Ａｓ含有物８の密度は非常に高くほぼ１０１２／cm２
であり、特にＳｉ上にある周知のＧａＡｓ構造の転位の
数、典型的には約１０６ ／cm２ と比較すると高い。転
位の近くにある含有物８はそれ故集団の小さな一部分で
あることを示している。注入キャリアがそれ故有する補
促の可能性は転位によるよりも含有物によっており、し
かも転位の近くで撹乱された含有物によるよりも元のま
まの含有物によっている。最終的に、ＩｎＡｓ含有物の
回りにかなり束縛された領域があることにより転位の伝
播を阻止することができる。活性層４ａの中にある光波
の一部として決められる閉じ込め係数Γはこの発明によ
る実施態様の構造では低いが、図１に示すダブルヘテロ
構造の場合は１に近い。含有物の平面Ｐ１からＰＮに対
して、閉じ込め係数は０．６nmの幅の量子単井戸構造の
閉じ込め係数に近い。他方、活性媒体ｇｖ の単位体積
当たりの利得は量子箱のあるレーザのようなものに対し
ては非常に意味のある増加をする。空洞内で光波に対し
同じ増幅を得るには、モード利得Γ・ｇｖ は構造の２
倍と同じにする必要がある。光閉じ込め係数を増加させ
るためには、構造内の含有物平面を増やす必要がある。
この要求は厚さが２００nmのＧａＡｓの空洞にＩｎＡｓ
含有物８のＮ＝１０から４０の平面Ｐ１からＰＮを形成
することにより満たされる。
【００２６】ＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓヘテロ構造に対す
る上述の事を通して、本発明により他の周知のヘテロ構
造の活性層に含有物を導入することができる。ＩＩＩ−
Ｖ族化合物の半導体合金ヘテロ構造では、不整合の大き
いＳｉまたはＧａＡｓ基板上にレーザ構造（ＩｎＧａ）
Ａｓ／（ＩｎＡｌ）Ａｓまたは（ＩｎＧａ）Ａｓ／Ｉｎ
Ｐを作ることが言える。ＩｎＡｓ含有物はこの発明の実
施態様の方法により製造することができる。２元合金ま
たは３元合金の代りにＧａＩｎＡｓＰまたはＩｎＧａＡ
ｌＡｓのような４元合金を与えることができる。商業的
に使用できる基板が不十分な品質である時、すなわち転
位率が高い時は、本発明は整合構造でも実施することが
できる。
る上述の事を通して、本発明により他の周知のヘテロ構
造の活性層に含有物を導入することができる。ＩＩＩ−
Ｖ族化合物の半導体合金ヘテロ構造では、不整合の大き
いＳｉまたはＧａＡｓ基板上にレーザ構造（ＩｎＧａ）
Ａｓ／（ＩｎＡｌ）Ａｓまたは（ＩｎＧａ）Ａｓ／Ｉｎ
Ｐを作ることが言える。ＩｎＡｓ含有物はこの発明の実
施態様の方法により製造することができる。２元合金ま
たは３元合金の代りにＧａＩｎＡｓＰまたはＩｎＧａＡ
ｌＡｓのような４元合金を与えることができる。商業的
に使用できる基板が不十分な品質である時、すなわち転
位率が高い時は、本発明は整合構造でも実施することが
できる。
【００２７】この発明は、分離した閉じ込め、つまり傾
斜率により分離した閉じ込めを有するヘテロ構造のよう
に、光閉じ込め係数とキャリアの収集を最適にするため
通常使用されているレーザ構造にも適用される。
斜率により分離した閉じ込めを有するヘテロ構造のよう
に、光閉じ込め係数とキャリアの収集を最適にするため
通常使用されているレーザ構造にも適用される。
【００２８】この発明は、３次元成長モードへの変換が
観測される他の成長技術の構成にも適用することができ
る。ＧａＡｓレーザ構造をＩｎＡｓ含有物のあるＳｉの
上に作ることが、例えば有機金属化合物から生ずる気相
成長の中にあることもありうる。
観測される他の成長技術の構成にも適用することができ
る。ＧａＡｓレーザ構造をＩｎＡｓ含有物のあるＳｉの
上に作ることが、例えば有機金属化合物から生ずる気相
成長の中にあることもありうる。
【００２９】一般的に言えば、この発明によりオプトエ
レクトロニクス素子の性能の劣化を少くすることができ
るのは、それが数の増加か或いは伝播の問題であるかに
拘らず、この劣化が転位により生ずる時であり、その理
由は転位の影響が減少するからである。この状況はレー
ザの出力を応用する場合に重要である。
レクトロニクス素子の性能の劣化を少くすることができ
るのは、それが数の増加か或いは伝播の問題であるかに
拘らず、この劣化が転位により生ずる時であり、その理
由は転位の影響が減少するからである。この状況はレー
ザの出力を応用する場合に重要である。
【図１】従来の技術によるレーザ構造の概略を示す横断
面図
面図
【図２】図１による構造のラインＩＩ−ＩＩに対応した
厚さ−量子エネルギを示す図
厚さ−量子エネルギを示す図
【図３】図１に示す構造のラインＩＩ−ＩＩによる厚さ
−屈折率を示す図
−屈折率を示す図
【図４】図１と同じ種類でこの発明の実施態様である半
導体材料の多層構造の概略を示す横断面図
導体材料の多層構造の概略を示す横断面図
【図５】図４に示す構造の活性層の詳細図
【図６】図５のラインＶＩ−ＶＩに従った図４に示す構
造の厚さ−量子エネルギ図
造の厚さ−量子エネルギ図
【図７】図５のラインＶＩＩ−ＶＩＩに従った図４に示
す構造の厚さ−量子エネルギ図
す構造の厚さ−量子エネルギ図
【図８】図４の構造の概略の透視図であり、ある平面で
の含有物の堆積の前後と、含有物の上に活性層の副層が
堆積した後の図５の活性層の位置の説明図
の含有物の堆積の前後と、含有物の上に活性層の副層が
堆積した後の図５の活性層の位置の説明図
【図９】図４の構造の概略の透視図であり、ある平面で
の含有物の堆積の前後と、含有物の上に活性層の副層が
堆積した後の図５の活性層の位置の説明図
の含有物の堆積の前後と、含有物の上に活性層の副層が
堆積した後の図５の活性層の位置の説明図
【図１０】図４の構造の概略の透視図であり、ある平面
での含有物の堆積の前後と、含有物の上に活性層の副層
が堆積した後の図５の活性層の位置の説明図
での含有物の堆積の前後と、含有物の上に活性層の副層
が堆積した後の図５の活性層の位置の説明図
【符号の説明】 １、１ａ 半導体基板 ２、２ａ 半導体材料（活性層） ３、３ａ 半導体材料（活性層） ４、４ａ 半導体材料（活性層） ４ａ１ 、４ａ２ 、… 活性副層 ５、５ａ 半導体材料（活性層） ６、６ａ 電極 ７、７ａ 電極 ８ 含有物 ＢＣ 導電帯 ＢＩ 禁制帯 ＢＶ 価電子帯 Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ８ 禁制帯の幅 Ｐ１、Ｐ２、…、ＰＮ 平面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−31479（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−270399（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−315600（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−184320（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．53 ［10］（1988）ｐ．854−855 Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ 81（1987）ｐ．67−72 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/18
Claims (7)
- 【請求項１】 半導体材料（１ａ、５ａ）の間に複数の
層を有する半導体構造において、 前記複数の層の中のひとつの層（４ａ）はオプトエレク
トロニクス部品用の活性層を形成し、当該層（４ａ）の
材料の禁制帯（Ｌ４）よりも狭い禁制帯（Ｌ８）をもつ
半導体材料の３次元含有物（８）を有し、該含有物は点
状で、活性層の転位に比べて高い密度を示すことを特徴
とする半導体構造。 - 【請求項２】 前記活性層の中の前記含有物（８）は数
個のほぼ平行な面（Ｐ１−ＰＮ）にわたって分布する、
請求項１記載の半導体構造。 - 【請求項３】 前記活性層の中の各含有物の大きさが約
５０ｎｍ３である請求項１又は２に記載の半導体構造。 - 【請求項４】 含有物（８）がインジウムヒ素（ＩｎＡ
ｓ）である、請求項１−３のひとつに記載の半導体構
造。 - 【請求項５】 前記含有物（８）を有する前記活性層
（４ａ）はＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、
ＩｎＧａＡｌＡｓから選択されるひとつの半導体により
構成される、請求項１−４のひとつに記載の半導体構
造。 - 【請求項６】 請求項１−５のひとつに記載の半導体構
造の製造方法において、前記活性層（４ａ）を構成する
材料の成長の間に、前記成長が少なくとも２回中断され
て、前記層（４ａ）の材料の禁制帯より狭い禁制帯をも
ち前記含有物を構成する半導体材料の薄層（Ｐ１−Ｐ
Ｎ）を堆積する製造方法。 - 【請求項７】 前記成長は有機金属化合物の分子線エピ
タキシイ又は気相エピタキシイにより行われる請求項６
記載の製造方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR90.00229 | 1990-01-10 | ||
| FR9000229A FR2656955B1 (fr) | 1990-01-10 | 1990-01-10 | Structure a semiconducteurs pour composant optoelectronique. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0677580A JPH0677580A (ja) | 1994-03-18 |
| JP2969979B2 true JP2969979B2 (ja) | 1999-11-02 |
Family
ID=9392645
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3012449A Expired - Lifetime JP2969979B2 (ja) | 1990-01-10 | 1991-01-10 | オプトエレクトロニクス部品用の半導体構造 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5075742A (ja) |
| EP (1) | EP0437385B1 (ja) |
| JP (1) | JP2969979B2 (ja) |
| DE (1) | DE69107630T2 (ja) |
| FR (1) | FR2656955B1 (ja) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5332910A (en) * | 1991-03-22 | 1994-07-26 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor optical device with nanowhiskers |
| US5293050A (en) * | 1993-03-25 | 1994-03-08 | International Business Machines Corporation | Semiconductor quantum dot light emitting/detecting devices |
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