JP3414992B2 - 半導体光素子とその製造方法 - Google Patents
半導体光素子とその製造方法Info
- Publication number
- JP3414992B2 JP3414992B2 JP21873997A JP21873997A JP3414992B2 JP 3414992 B2 JP3414992 B2 JP 3414992B2 JP 21873997 A JP21873997 A JP 21873997A JP 21873997 A JP21873997 A JP 21873997A JP 3414992 B2 JP3414992 B2 JP 3414992B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- semiconductor
- optical device
- semiconductor optical
- manufacturing
- mixed crystal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信や光情報処
理に用いられる半導体発光素子、半導体受光素子、半導
体導波路素子等の半導体光素子およびその製造方法に係
り、特に、従来の半導体光素子よりも、発光波長、受光
可能波長、および導波路の等価屈折率が周囲温度に影響
され難い構造の半導体光素子およびその製造方法に関す
る。
理に用いられる半導体発光素子、半導体受光素子、半導
体導波路素子等の半導体光素子およびその製造方法に係
り、特に、従来の半導体光素子よりも、発光波長、受光
可能波長、および導波路の等価屈折率が周囲温度に影響
され難い構造の半導体光素子およびその製造方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】光通信においては、その伝送路である光
ファイバの損失が小さい、波長１.３μｍから１.６μｍ
の領域における半導体素子が、光源や光検出器として用
いられている。そして、それらの半導体素子にはＩｎＧ
ａＡｓＰ半導体混晶が用いられ、信頼性を含め良好な特
性が得られている。一方、通信に供せられ、情報量が膨
大なものとなると、従来の１個の波長を使った光通信方
式から、多数の波長を使って通信情報を増大させる波長
多重通信方式が注目を集めている。この場合には、波長
は時間経過および周囲温度の変動に対して常に一定であ
る必要があるため、複雑な波長監視および精密な温度制
御等が必要であった。
ファイバの損失が小さい、波長１.３μｍから１.６μｍ
の領域における半導体素子が、光源や光検出器として用
いられている。そして、それらの半導体素子にはＩｎＧ
ａＡｓＰ半導体混晶が用いられ、信頼性を含め良好な特
性が得られている。一方、通信に供せられ、情報量が膨
大なものとなると、従来の１個の波長を使った光通信方
式から、多数の波長を使って通信情報を増大させる波長
多重通信方式が注目を集めている。この場合には、波長
は時間経過および周囲温度の変動に対して常に一定であ
る必要があるため、複雑な波長監視および精密な温度制
御等が必要であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来から用いられてい
るＧａＩｎＡｓＰやＧａＩｎＡｌＡｓ等の材料は、周囲
の温度変動に伴ってバンドギャップや屈折率が変動する
という欠点を持っていた。そのため、波長多重通信に、
これらの半導体材料よりなる素子を用いるときには、そ
の温度を一定にするためにペルチェ素子上に搭載する必
要があったが、これは全体の寸法を大きくし、かつ装置
の消費電力と発熱量が大きくなり、かつ高価となる問題
がある。この問題を解決するために、ビスマス（Ｂｉ）
あるいはタリウム（Ｔｌ）を含むIII−Ｖ族半導体混晶
をレーザ素子の活性層に使用することを、例えば、K.Oe
and H.Asai：IEICE Transactions Vol.E79-C, No.12,
(1996) pp.1751-1759において提案されている。しかし
ながら、これらの混晶系は熱平衡状態において安定では
ないため、所望のビスマス組成を得ることは困難であっ
た。
るＧａＩｎＡｓＰやＧａＩｎＡｌＡｓ等の材料は、周囲
の温度変動に伴ってバンドギャップや屈折率が変動する
という欠点を持っていた。そのため、波長多重通信に、
これらの半導体材料よりなる素子を用いるときには、そ
の温度を一定にするためにペルチェ素子上に搭載する必
要があったが、これは全体の寸法を大きくし、かつ装置
の消費電力と発熱量が大きくなり、かつ高価となる問題
がある。この問題を解決するために、ビスマス（Ｂｉ）
あるいはタリウム（Ｔｌ）を含むIII−Ｖ族半導体混晶
をレーザ素子の活性層に使用することを、例えば、K.Oe
and H.Asai：IEICE Transactions Vol.E79-C, No.12,
(1996) pp.1751-1759において提案されている。しかし
ながら、これらの混晶系は熱平衡状態において安定では
ないため、所望のビスマス組成を得ることは困難であっ
た。
【０００４】本発明の目的は、上記従来技術における問
題点を解消し、周囲温度の変動に対して、より安定な半
導体発光素子、半導体受光素子および半導体導波路素子
等の半導体光素子を容易に、かつ安価に作製する方法を
提供することにある。
題点を解消し、周囲温度の変動に対して、より安定な半
導体発光素子、半導体受光素子および半導体導波路素子
等の半導体光素子を容易に、かつ安価に作製する方法を
提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構
成とするものである。すなわち、本発明は請求項１に記
載のように、半導体基板上に、該基板とは異なる半導体
からなる活性領域もしくは導波領域を備えた半導体光素
子において、上記活性領域もしくは導波領域の少なくと
も一部が、少なくとも２種類のIII−Ｖ族半導体もしく
はその混晶の薄膜を構成単位とした短周期超格子からな
り、かつ上記III−Ｖ族半導体もしくはその混晶の薄膜
のうち、格子定数の最も大きい該III−Ｖ族半導体もし
くはその混晶の薄膜に、ビスマスもしくはタリウムを含
有してなる半導体発光素子、受光素子または光導波路素
子等の半導体光素子とするものである。このように、Ｂ
ｉ（ビスマス）もしくはＴｌ（タリウム）と他のIII族
とＶ族の元素よりなる材料を用い、各元素の組成を適正
に調整することによって、周囲温度が変動しても、その
等価的バンドギャップを一定の状態に保持することが可
能となる。また、短周期超格子構造を用いることによ
り、従来の上記材料を単一の混晶で実現する場合におけ
る組成制御の難しさを回避することができ、さらに、量
子細線または量子ディスクまたは量子ドット構造を用い
た場合には、状態密度の離散化のため、キャリアによる
バンドフィリングに起因する発光波長の変動をも軽減す
ることができ、より周囲温度に対して安定な半導体光素
子を実現できる効果がある。また、本発明は請求項２に
記載のように、請求項１に記載の半導体光素子を製造す
る方法であって、少なくとも２種類のIII−Ｖ族半導体
もしくはその混晶の薄膜を構成単位とした短周期超格子
からなる活性領域もしくは導波領域を形成する過程にお
いて、上記少なくとも２種類のIII−Ｖ族半導体もしく
はその混晶の薄膜のうち、格子定数のより大きい薄膜の
形成時に、ビスマスもしくはタリウムの原料ガスを供給
して、ビスマスもしくはタリウムを含有する短周期超格
子からなる薄膜もしくは細線を形成する工程を少なくと
も含む半導体光素子の製造方法とするものである。この
ように、少なくとも２種類のIII−Ｖ族半導体もしくは
その混晶の薄膜のうち、格子定数のより大きい薄膜の形
成時に、ビスマスもしくはタリウムの原料ガスを供給し
て、ビスマスもしくはタリウムを含有する短周期超格子
からなる薄膜もしくは細線を形成する工程を用いること
により、極めて容易に所望組成のビスマスもしくはタリ
ウムを導入した素子を作製できる効果がある。また、本
発明は請求項３に記載のように、請求項２に記載の半導
体光素子の製造方法において、使用する半導体基板は
｛１００｝面から最近接＜１１１＞Ａ、もしくは最近接
＜１１１＞Ｂ、もしくは最近接＜１１０＞、の方向に２
度から４３度の範囲の角度で傾斜してなる半導体基板を
用いる半導体光素子の製造方法とするものである。この
ように、表面エネルギーの高い（４１１）Ａ面を用いて
いるため、原料の基板表面におけるマイグレーションが
抑制される結果、余剰Ｂｉの凝縮を抑制することができ
る。すなわち、余剰Ｂｉが液滴として安定に存在する臨
界核を形成する前に再蒸発するため、良好な基板表面に
所望のＩｎＢｉ組成を有するＩｎＡｓＢｉ結晶等が得ら
れる効果がある。また、本発明は請求項４に記載のよう
に、請求項１に記載の半導体光素子において、その活性
領域もしくは導波領域が、短周期超格子からなる量子デ
ィスク構造もしくは量子ドット構造を有する半導体光素
子、もしくは上記短周期超格子の代わりにビスマスもし
くはタリウムを含むIII−Ｖ族半導体混晶を用いた量子
ディスク構造もしくは量子ドット構造を有する半導体光
素子を製造する方法において、基板表面にフォトリソグ
ラフィーもしくは集束イオンビーム加工等によって応力
場形成用の凹部を形成する第１の工程と、ビスマスもし
くはタリウムを含むIII−Ｖ族半導体混晶もしくは該混
晶薄膜と他のIII−Ｖ族半導体もしくはその混晶の薄膜
からなる短周期超格子を形成した後に薄膜の成長中断を
行い、自己形成量子ディスクもしくは量子ドットを形成
する第２の工程と、さらに障壁層を成長する第３の工程
の後に、上記第２の工程と該第３の工程を、単数回もし
くは複数回繰り返すことによって多重量子ディスク構造
もしくは多重量子ドット構造を作製する工程を含む半導
体光素子の製造方法とするものである。このように、成
長中断を行うと、例えば、ＩｎＡｓＢｉ層が（４１１）
Ａ面ＩｎＰ基板およびＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層との
格子定数差による応力を緩和するために自然にＩｎＡｓ
Ｂｉ量子ドットを形成するが、この際、応力場形成用凹
部の存在により、ＩｎＡｓＢｉ量子ドットは、系の自由
エネルギーを最小にするべく優先的に上記凹部に整列す
る効果が生じる。また、本発明は請求項５に記載のよう
に、請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の半
導体光素子の製造方法において、ビスマスもしくはタリ
ウムを含むIII−Ｖ族半導体もしくはその混晶の成長時
の基板温度を２００℃から５００℃の範囲とする半導体
光素子の製造方法とするものである。上記基板温度は、
通常、ＭＯＶＰＥ成長で用いられる６００℃程度の拡散
律速領域では熱平衡状態に近い成長となるため、Ｂｉは
ごく微量しか導入できず、非平衡状態における成長の要
請から５００℃以下の反応律速領域下での成長が必要と
なる。また、成長温度の下限は原料の分解温度によって
決まるが、プラズマアシスト等の手法を用いれば２００
℃以上ならば成長可能となる。
するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構
成とするものである。すなわち、本発明は請求項１に記
載のように、半導体基板上に、該基板とは異なる半導体
からなる活性領域もしくは導波領域を備えた半導体光素
子において、上記活性領域もしくは導波領域の少なくと
も一部が、少なくとも２種類のIII−Ｖ族半導体もしく
はその混晶の薄膜を構成単位とした短周期超格子からな
り、かつ上記III−Ｖ族半導体もしくはその混晶の薄膜
のうち、格子定数の最も大きい該III−Ｖ族半導体もし
くはその混晶の薄膜に、ビスマスもしくはタリウムを含
有してなる半導体発光素子、受光素子または光導波路素
子等の半導体光素子とするものである。このように、Ｂ
ｉ（ビスマス）もしくはＴｌ（タリウム）と他のIII族
とＶ族の元素よりなる材料を用い、各元素の組成を適正
に調整することによって、周囲温度が変動しても、その
等価的バンドギャップを一定の状態に保持することが可
能となる。また、短周期超格子構造を用いることによ
り、従来の上記材料を単一の混晶で実現する場合におけ
る組成制御の難しさを回避することができ、さらに、量
子細線または量子ディスクまたは量子ドット構造を用い
た場合には、状態密度の離散化のため、キャリアによる
バンドフィリングに起因する発光波長の変動をも軽減す
ることができ、より周囲温度に対して安定な半導体光素
子を実現できる効果がある。また、本発明は請求項２に
記載のように、請求項１に記載の半導体光素子を製造す
る方法であって、少なくとも２種類のIII−Ｖ族半導体
もしくはその混晶の薄膜を構成単位とした短周期超格子
からなる活性領域もしくは導波領域を形成する過程にお
いて、上記少なくとも２種類のIII−Ｖ族半導体もしく
はその混晶の薄膜のうち、格子定数のより大きい薄膜の
形成時に、ビスマスもしくはタリウムの原料ガスを供給
して、ビスマスもしくはタリウムを含有する短周期超格
子からなる薄膜もしくは細線を形成する工程を少なくと
も含む半導体光素子の製造方法とするものである。この
ように、少なくとも２種類のIII−Ｖ族半導体もしくは
その混晶の薄膜のうち、格子定数のより大きい薄膜の形
成時に、ビスマスもしくはタリウムの原料ガスを供給し
て、ビスマスもしくはタリウムを含有する短周期超格子
からなる薄膜もしくは細線を形成する工程を用いること
により、極めて容易に所望組成のビスマスもしくはタリ
ウムを導入した素子を作製できる効果がある。また、本
発明は請求項３に記載のように、請求項２に記載の半導
体光素子の製造方法において、使用する半導体基板は
｛１００｝面から最近接＜１１１＞Ａ、もしくは最近接
＜１１１＞Ｂ、もしくは最近接＜１１０＞、の方向に２
度から４３度の範囲の角度で傾斜してなる半導体基板を
用いる半導体光素子の製造方法とするものである。この
ように、表面エネルギーの高い（４１１）Ａ面を用いて
いるため、原料の基板表面におけるマイグレーションが
抑制される結果、余剰Ｂｉの凝縮を抑制することができ
る。すなわち、余剰Ｂｉが液滴として安定に存在する臨
界核を形成する前に再蒸発するため、良好な基板表面に
所望のＩｎＢｉ組成を有するＩｎＡｓＢｉ結晶等が得ら
れる効果がある。また、本発明は請求項４に記載のよう
に、請求項１に記載の半導体光素子において、その活性
領域もしくは導波領域が、短周期超格子からなる量子デ
ィスク構造もしくは量子ドット構造を有する半導体光素
子、もしくは上記短周期超格子の代わりにビスマスもし
くはタリウムを含むIII−Ｖ族半導体混晶を用いた量子
ディスク構造もしくは量子ドット構造を有する半導体光
素子を製造する方法において、基板表面にフォトリソグ
ラフィーもしくは集束イオンビーム加工等によって応力
場形成用の凹部を形成する第１の工程と、ビスマスもし
くはタリウムを含むIII−Ｖ族半導体混晶もしくは該混
晶薄膜と他のIII−Ｖ族半導体もしくはその混晶の薄膜
からなる短周期超格子を形成した後に薄膜の成長中断を
行い、自己形成量子ディスクもしくは量子ドットを形成
する第２の工程と、さらに障壁層を成長する第３の工程
の後に、上記第２の工程と該第３の工程を、単数回もし
くは複数回繰り返すことによって多重量子ディスク構造
もしくは多重量子ドット構造を作製する工程を含む半導
体光素子の製造方法とするものである。このように、成
長中断を行うと、例えば、ＩｎＡｓＢｉ層が（４１１）
Ａ面ＩｎＰ基板およびＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層との
格子定数差による応力を緩和するために自然にＩｎＡｓ
Ｂｉ量子ドットを形成するが、この際、応力場形成用凹
部の存在により、ＩｎＡｓＢｉ量子ドットは、系の自由
エネルギーを最小にするべく優先的に上記凹部に整列す
る効果が生じる。また、本発明は請求項５に記載のよう
に、請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の半
導体光素子の製造方法において、ビスマスもしくはタリ
ウムを含むIII−Ｖ族半導体もしくはその混晶の成長時
の基板温度を２００℃から５００℃の範囲とする半導体
光素子の製造方法とするものである。上記基板温度は、
通常、ＭＯＶＰＥ成長で用いられる６００℃程度の拡散
律速領域では熱平衡状態に近い成長となるため、Ｂｉは
ごく微量しか導入できず、非平衡状態における成長の要
請から５００℃以下の反応律速領域下での成長が必要と
なる。また、成長温度の下限は原料の分解温度によって
決まるが、プラズマアシスト等の手法を用いれば２００
℃以上ならば成長可能となる。
【０００６】本発明の半導体光素子は、半導体発光素子
および半導体受光素子の活性層、もしくは半導体導波路
素子の導波路層の少なくとも一部に、ＢｉもしくはＴｌ
を含むIII−Ｖ族材料を用いた短周期超格子を使用し、
かつ、上記材料の組成および組み合わせを適正に選択す
るものである。上記材料には、（ＩｎＡｓＢｉ)m（Ｇａ
Ａｓ)n短周期超格子、あるいは（ＩｎＳｂＢｉ)m（Ｇａ
Ａｓ)n短周期超格子、あるいは（ＩｎＴｌＡｓ)m（Ｇａ
Ａｓ)n短周期超格子等、あるいは、それらを用いた量子
細線、量子ディスクまたは量子ドット、あるいはＩｎＡ
ｓＢｉ量子細線、量子ディスクまたは量子ドット、ある
いはＩｎＴｌＡｓ量子細線、量子ディスクまたは量子ド
ット等、を用いることができる。ここで、上記材料の組
み合わせにおいて、ビスマスもしくはタリウムの組成を
上げるため短周期超格子を構成するIII−Ｖ族半導体あ
るいはその混晶の薄膜のうち、格子定数のより大きい薄
膜を形成する該III−Ｖ族半導体あるいはその混晶の薄
膜にビスマスもしくはタリウムを含むことが重要な要件
となる。本発明の半導体光素子に用いる半導体材料は、
Ｂｉ（ビスマス）もしくはＴｌ（タリウム）と他のIII
族とＶ族の元素よりなり、このような材料を用い、各元
素の組成を適正に調整することによって、温度が変動し
ても、その等価的バンドギャップを一定の状態に保持す
ることができる。また、本発明においては、短周期超格
子構造を用いることにより、従来の上記材料を単一の混
晶で実現する場合における組成制御の難しさを回避する
ことができる。さらに、量子細線または量子ディスクま
たは量子ドット構造を用いた場合には、状態密度の離散
化のため、キャリアによるバンドフィリングに起因する
発光波長の変動をも軽減することができ、より周囲温度
に対して安定な半導体光素子を実現することができる。
および半導体受光素子の活性層、もしくは半導体導波路
素子の導波路層の少なくとも一部に、ＢｉもしくはＴｌ
を含むIII−Ｖ族材料を用いた短周期超格子を使用し、
かつ、上記材料の組成および組み合わせを適正に選択す
るものである。上記材料には、（ＩｎＡｓＢｉ)m（Ｇａ
Ａｓ)n短周期超格子、あるいは（ＩｎＳｂＢｉ)m（Ｇａ
Ａｓ)n短周期超格子、あるいは（ＩｎＴｌＡｓ)m（Ｇａ
Ａｓ)n短周期超格子等、あるいは、それらを用いた量子
細線、量子ディスクまたは量子ドット、あるいはＩｎＡ
ｓＢｉ量子細線、量子ディスクまたは量子ドット、ある
いはＩｎＴｌＡｓ量子細線、量子ディスクまたは量子ド
ット等、を用いることができる。ここで、上記材料の組
み合わせにおいて、ビスマスもしくはタリウムの組成を
上げるため短周期超格子を構成するIII−Ｖ族半導体あ
るいはその混晶の薄膜のうち、格子定数のより大きい薄
膜を形成する該III−Ｖ族半導体あるいはその混晶の薄
膜にビスマスもしくはタリウムを含むことが重要な要件
となる。本発明の半導体光素子に用いる半導体材料は、
Ｂｉ（ビスマス）もしくはＴｌ（タリウム）と他のIII
族とＶ族の元素よりなり、このような材料を用い、各元
素の組成を適正に調整することによって、温度が変動し
ても、その等価的バンドギャップを一定の状態に保持す
ることができる。また、本発明においては、短周期超格
子構造を用いることにより、従来の上記材料を単一の混
晶で実現する場合における組成制御の難しさを回避する
ことができる。さらに、量子細線または量子ディスクま
たは量子ドット構造を用いた場合には、状態密度の離散
化のため、キャリアによるバンドフィリングに起因する
発光波長の変動をも軽減することができ、より周囲温度
に対して安定な半導体光素子を実現することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態の一例
を挙げ、図面を用いてさらに詳細に説明する。 〈実施の形態１〉図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の請求
項１に関する実施の形態で、リッジ型半導体レーザ素子
の断面構造の一例を示す模式図であり、分子層超格子量
子井戸層４ａを用いるものである。なお、図７および図
８は、従来のリッジ型半導体レーザ素子の断面構造であ
り、それぞれ活性層がＩｎＧａＡｓ量子井戸層、ＩｎＧ
ａＡｓＢｉ量子井戸層からなるものである。これに対
し、本実施の形態では、図１（ａ）、（ｂ）に示すよう
に、量子井戸層として（ＩｎＡｓＢｉ)1（ＧａＡｓ)1×
２０周期からなる短周期超格子構造４ａを用いている。
ここで（ＩｎＡｓＢｉ)1（ＧａＡｓ)1は１分子層のＩｎ
ＡｓＢｉと１分子層のＧａＡｓの積層構造を示してお
り、ＩｎＡｓＢｉ分子層とはＩｎＡｓ単分子層のある割
合がＩｎＢｉに置き換わっている構造を示すものであ
る。図１（ａ）は、ｎ−ＩｎＰ基板上に、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ光閉じ込め層２を設け、その上に、短周期超格子量子
井戸層４ａと、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層３を交互に積層
し、ｐ−ＩｎＰ層５および電極６、７を設けたリッジ型
半導体レーザ素子を示すものである。なお、（ＩｎＡｓ
Ｂｉ)1（ＧａＡｓ)1×２０周期からなる短周期超格子量
子井戸層４ａの細部構造については図１（ｂ）に示す。
本実施の形態で示すリッジ型半導体レーザ素子構造の特
徴とするところは、図８に示す従来のＩｎＧａＡｓＢｉ
量子井戸層を用いた素子に比べ、格子定数の大きいＩｎ
Ａｓ中のみにＢｉが導入されている構造であるため製造
が極めて容易である。これとは逆に、（ＩｎＡｓ)m（Ｇ
ａＡｓＢｉ)nのような組み合わせでは製造が極端に困難
となる。なお、製造方法の特徴については実施例４にお
いて詳細に説明する。さらに、従来のＩｎＧａＡｓＢｉ
あるいはＧａＡｓＢｉ混晶などは熱力学的に不安定であ
るため、例えば、半導体レーザ素子として用いる場合の
高温、高電流密度下の駆動条件において、固相拡散によ
る組成分離が生じてしまうために信頼性の上で大きな問
題となっている。一方、本発明の素子構造では格子定数
の大きいＩｎＡｓ中のみにＢｉが導入されているため材
料が熱力学的に安定しており、従来の素子構造であるＩ
ｎＧａ−ＡｓＢｉ活性層、あるいは（ＩｎＡｓ)m（Ｇａ
ＡｓＢｉ)nのような素子構造に比べて、例えば、半導体
レーザ素子として用いる場合の高温、高電流密度下での
駆動条件においても固相拡散による組成分離が起きにく
く、信頼性に優れるという特徴がある。
を挙げ、図面を用いてさらに詳細に説明する。 〈実施の形態１〉図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の請求
項１に関する実施の形態で、リッジ型半導体レーザ素子
の断面構造の一例を示す模式図であり、分子層超格子量
子井戸層４ａを用いるものである。なお、図７および図
８は、従来のリッジ型半導体レーザ素子の断面構造であ
り、それぞれ活性層がＩｎＧａＡｓ量子井戸層、ＩｎＧ
ａＡｓＢｉ量子井戸層からなるものである。これに対
し、本実施の形態では、図１（ａ）、（ｂ）に示すよう
に、量子井戸層として（ＩｎＡｓＢｉ)1（ＧａＡｓ)1×
２０周期からなる短周期超格子構造４ａを用いている。
ここで（ＩｎＡｓＢｉ)1（ＧａＡｓ)1は１分子層のＩｎ
ＡｓＢｉと１分子層のＧａＡｓの積層構造を示してお
り、ＩｎＡｓＢｉ分子層とはＩｎＡｓ単分子層のある割
合がＩｎＢｉに置き換わっている構造を示すものであ
る。図１（ａ）は、ｎ−ＩｎＰ基板上に、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ光閉じ込め層２を設け、その上に、短周期超格子量子
井戸層４ａと、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層３を交互に積層
し、ｐ−ＩｎＰ層５および電極６、７を設けたリッジ型
半導体レーザ素子を示すものである。なお、（ＩｎＡｓ
Ｂｉ)1（ＧａＡｓ)1×２０周期からなる短周期超格子量
子井戸層４ａの細部構造については図１（ｂ）に示す。
本実施の形態で示すリッジ型半導体レーザ素子構造の特
徴とするところは、図８に示す従来のＩｎＧａＡｓＢｉ
量子井戸層を用いた素子に比べ、格子定数の大きいＩｎ
Ａｓ中のみにＢｉが導入されている構造であるため製造
が極めて容易である。これとは逆に、（ＩｎＡｓ)m（Ｇ
ａＡｓＢｉ)nのような組み合わせでは製造が極端に困難
となる。なお、製造方法の特徴については実施例４にお
いて詳細に説明する。さらに、従来のＩｎＧａＡｓＢｉ
あるいはＧａＡｓＢｉ混晶などは熱力学的に不安定であ
るため、例えば、半導体レーザ素子として用いる場合の
高温、高電流密度下の駆動条件において、固相拡散によ
る組成分離が生じてしまうために信頼性の上で大きな問
題となっている。一方、本発明の素子構造では格子定数
の大きいＩｎＡｓ中のみにＢｉが導入されているため材
料が熱力学的に安定しており、従来の素子構造であるＩ
ｎＧａ−ＡｓＢｉ活性層、あるいは（ＩｎＡｓ)m（Ｇａ
ＡｓＢｉ)nのような素子構造に比べて、例えば、半導体
レーザ素子として用いる場合の高温、高電流密度下での
駆動条件においても固相拡散による組成分離が起きにく
く、信頼性に優れるという特徴がある。
【０００８】〈実施の形態２〉図２（ａ）、（ｂ）は、
本発明の請求項１に関する第２の実施の形態を示すもの
で、短周期超格子縦方向量子井戸構造４ｂを用いたリッ
ジ型半導体レーザ素子の構成の一例を示すものである。
本実施の形態では、例えば、図２（ｂ）に示すように、
短周期超格子として、（ＩｎＡｓＢｉ)1（ＧａＡｓ)1×
ｍ周期からなる短周期超格子縦方向量子井戸層９を用い
ている。ここで（ＩｎＡｓＢｉ)1（ＧａＡｓ)1は１分子
層のＩｎＡｓＢｉと１分子層のＧａＡｓの積層構造を示
しており、ＩｎＡｓＢｉ分子層はＩｎＡｓ単分子層のあ
る割合がＩｎＢｉに置き換わっている構造とする。その
他の構造は、実施の形態１の図１（ａ）に示すリッジ型
半導体レーザ素子構造と同様である。本実施の形態にお
ける素子構造の特徴は、従来のＩｎＧａＡｓＢｉ量子井
戸層を用いた素子に比べ、格子定数の大きいＩｎＡｓ中
のみにＢｉが導入されているため製造が大幅に容易とな
る。これとは逆に（ＩｎＡｓ)m（ＧａＡｓＢｉ)nのよう
な組み合わせでは、製造が極端に困難となる。製造方法
の特徴については実施例５において詳述する。一方、本
構造では格子定数の大きいＩｎＡｓ中のみにＢｉを導入
しているため材料が熱力学的に安定しており、従来技術
によるＩｎＧａＡｓＢｉ活性層、あるいは（ＩｎＡｓ)m
（ＧａＡｓＢｉ)nのような構造に比べ、例えば、半導体
レーザ素子として用いる場合の高温、高電流密度下の駆
動条件においても固相拡散による組成分離が起きにく
く、信頼性に優れるという特徴を有する。
本発明の請求項１に関する第２の実施の形態を示すもの
で、短周期超格子縦方向量子井戸構造４ｂを用いたリッ
ジ型半導体レーザ素子の構成の一例を示すものである。
本実施の形態では、例えば、図２（ｂ）に示すように、
短周期超格子として、（ＩｎＡｓＢｉ)1（ＧａＡｓ)1×
ｍ周期からなる短周期超格子縦方向量子井戸層９を用い
ている。ここで（ＩｎＡｓＢｉ)1（ＧａＡｓ)1は１分子
層のＩｎＡｓＢｉと１分子層のＧａＡｓの積層構造を示
しており、ＩｎＡｓＢｉ分子層はＩｎＡｓ単分子層のあ
る割合がＩｎＢｉに置き換わっている構造とする。その
他の構造は、実施の形態１の図１（ａ）に示すリッジ型
半導体レーザ素子構造と同様である。本実施の形態にお
ける素子構造の特徴は、従来のＩｎＧａＡｓＢｉ量子井
戸層を用いた素子に比べ、格子定数の大きいＩｎＡｓ中
のみにＢｉが導入されているため製造が大幅に容易とな
る。これとは逆に（ＩｎＡｓ)m（ＧａＡｓＢｉ)nのよう
な組み合わせでは、製造が極端に困難となる。製造方法
の特徴については実施例５において詳述する。一方、本
構造では格子定数の大きいＩｎＡｓ中のみにＢｉを導入
しているため材料が熱力学的に安定しており、従来技術
によるＩｎＧａＡｓＢｉ活性層、あるいは（ＩｎＡｓ)m
（ＧａＡｓＢｉ)nのような構造に比べ、例えば、半導体
レーザ素子として用いる場合の高温、高電流密度下の駆
動条件においても固相拡散による組成分離が起きにく
く、信頼性に優れるという特徴を有する。
【０００９】〈実施の形態３〉図３（ａ）、（ｂ）は、
本発明の請求項１に関する第３の実施の形態を示すもの
で、短周期超格子量子細線４ｃを用いた場合のリッジ型
半導体レーザ素子構造の一例を示すものである。本実施
の形態で示す素子構造の特徴とするところは、ＩｎＧａ
ＡｓＢｉ量子細線を用いた素子に比べ、格子定数の大き
いＩｎＡｓ中のみにＢｉを導入しているため製造が極め
て容易となる。これとは逆に、（ＩｎＡｓ)m（ＧａＡｓ
Ｂｉ)nのような組み合わせでは、製造が極端に困難とな
る。なお、製造方法の特徴については実施例５において
詳述する。一方、本構造では格子定数の大きいＩｎＡｓ
中のみにＢｉが導入されているため材料が熱力学的に安
定であり、従来技術におけるＩｎＧａＡｓＢｉ活性層、
あるいは（ＩｎＡｓ)m（ＧａＡｓＢｉ)nのような構造に
比べ、例えば、半導体レーザ素子として用いる場合の高
温、高電流密度下の駆動条件においても固相拡散による
組成分離が起きにくく、信頼性に優れるという特徴が有
ある。なお、実施の形態１、２および３においては（Ｉ
ｎＡｓＢｉ)1（ＧａＡｓ)1×２０周期の短周期超格子構
造を用いたが、短周期超格子の材料の組み合わせとして
は、以下に示す材料を用いても上記と同様の効果が得ら
れる。 （ＩｎＡｓＢｉ)m（ＧａＡｓ)n、（ＩｎＡｓＢｉ)m（Ｉ
ｎＧａＡｓ)n、（ＩｎＡｓＢｉ)m（ＡｌＡｓ)n、（Ｉｎ
ＡｓＢｉ)m（ＩｎＡｌＡｓ)n、（ＩｎＡｓＢｉ)m（Ｇａ
Ｐ)n、（ＩｎＡｓＢｉ)m（ＧａＡｓＰ)n、（ＩｎＡｓＢ
ｉ)m（ＡｌＰ)n、（ＩｎＡｓＢｉ)m（ＡｌＡｓＰ)n、
（ＩｎＡｓＢｉ)m（ＩｎＧａＰ)n、（ＩｎＡｓＢｉ)
m（ＩｎＡｌＰ)n、（ＩｎＡｓＢｉ)m（ＩｎＰ)n、（Ｉ
ｎＡｓＢｉ)m（ＩｎＡｓＰ)n、（ＩｎＰＢｉ)m（Ｇａ
Ｐ)n、（ＩｎＰＢｉ)m（ＩｎＧａＰ)n、（ＩｎＰＢｉ)m
（ＡｌＰ)n、（ＩｎＰＢｉ)m（ＩｎＡｌＰ)n、（ＩｎＳ
ｂＢｉ)m（ＧａＡｓ)n、（ＩｎＳｂＢｉ)m（ＩｎＧａＡ
ｓ)n、（ＩｎＡｓＳｂＢｉ)m（ＧａＡｓ)n、（ＩｎＡｓ
ＳｂＢｉ)m（ＩｎＧａＡｓ)n、（ＩｎＳｂＢｉ)m（Ａｌ
Ａｓ)n、（ＩｎＳｂＢｉ)m（ＩｎＡｌＡｓ)n、（ＩｎＡ
ｓＳｂＢｉ)m（ＡｌＡｓ)n、（ＩｎＡｓＳｂＢｉ)m（Ｉ
ｎＡｌＡｓ)n、（ＩｎＳｂＢｉ)m（ＧａＰ)n、（ＩｎＳ
ｂＢｉ)m（ＩｎＧａＰ)n、（ＩｎＰＳｂＢｉ)m（Ｇａ
Ｐ)n、（ＩｎＰＳｂＢｉ)m（ＩｎＧａＰ)n、（ＩｎＳｂ
Ｂｉ)m（ＡｌＰ)n、（ＩｎＳｂＢｉ)m（ＩｎＡｌＰ)n、
（ＩｎＰＳｂＢｉ)m（ＡｌＡｓ)n、（ＩｎＰＳｂＢｉ)m
（ＩｎＡｌＡｓ)n、（ＴｌＩｎＡｓ)m（ＧａＡｓ)n、
（ＴｌＩｎＡｓ)m（ＩｎＧａＡｓ)n、（ＴｌＩｎＡｓ)m
（ＡｌＡｓ)n、（ＴｌＩｎＡｓ)m（ＩｎＡｌＡｓ)n、
（ＴｌＩｎＰ)m（ＧａＡｓ)n、（ＴｌＩｎＰ)m（ＩｎＧ
ａＰ)n、（ＴｌＩｎＰ)m（ＡｌＰ)n、（ＴｌＩｎＰ)
m（ＩｎＡｌＰ)n 〈実施の形態４〉本発明の請求項２、請求項３および請
求項５に関連する半導体光素子の製造方法の第１の実施
の形態について、図４および図９を用いて説明する。一
般に、Ｂｉを含むIII−Ｖ族混晶においては、熱平衡状
態におけるＢｉの固溶度が非常に小さいため、非平衡状
態における成長が必要となる。特に、構成原子の原子半
径とＢｉ原子半径の差が大きいＧａＡｓ、ＩｎＰに、Ｂ
ｉを導入することは困難である。例えば、有機金属気相
成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて、ＩｎＧａＡｓＢｉを
成長する場合に、成長温度におけるＢｉの蒸気圧よりは
るかに高いＢｉ分圧下における成長が必要となるが、従
来の製造方法において、このような成長を行った場合
に、結晶中にはＢｉが取り込まれにくく、図９に示すよ
うに、余剰Ｂｉ原子液滴３３、３５を形成し、成長条件
によっては余剰Ｂｉが種となって、ウィスカ成長したＩ
ｎＧａＡｓＢｉ３４が生成する。これに対し、図４に示
す本発明による結晶成長方法では、ＩｎＡｓＢｉ層１４
とＧａＡｓ層１３を交互に成長するために、ＧａＡｓに
比べＢｉに原子半径の近いＩｎＡｓ中にＢｉ（またはＴ
ｌ）の導入ができる。実際に、３６５℃の低温で成長を
行うことにより容易に数％のＩｎＢｉ組成を有するＩｎ
ＡｓＢｉ層１４が得られた。ＩｎＡｓＢｉ層１４の成長
温度に関しては、通常、ＭＯＶＰＥ成長で用いられる６
００℃程度の拡散律速領域では熱平衡状態に近い成長と
なるため、Ｂｉはごく微量しか導入できず、上記非平衡
状態における成長の要請から５００℃以下の反応律速領
域下での成長が必要であった。また、成長温度の下限は
原料の分解温度によって決まるが、プラズマアシスト等
の手法を用いることにより２００℃以上ならば成長は可
能である。さらに、本実施の形態では、表面エネルギー
の高い（４１１）Ａ面を用いているため、原料の基板表
面におけるマイグレーションが抑制される結果、余剰Ｂ
ｉの凝縮を抑制することができた。すなわち、余剰Ｂｉ
が液滴として安定に存在する臨界核を形成する前に再蒸
発するため、良好な基板表面に所望のＩｎＢｉ組成を有
するＩｎＡｓＢｉ結晶が得られた。ここで、表面エネル
ギーの高い基板面としては、本実施の形態の（４１１）
Ａ面の他、結晶面が｛１００｝面から最近接＜１１１＞
Ａ、あるいは最近接＜１１１＞Ｂ、あるいは最近接＜１
１０＞、の方向に、２度から４３度の範囲の角度で傾斜
した基板面を用いることができる。ここで角度が２度よ
り小さい場合には効果的な表面エネルギーが得られず、
角度が４３度より大きい場合には次の表面エネルギー極
小点に達してしまうため再び効果を失うので好ましくな
い。
本発明の請求項１に関する第３の実施の形態を示すもの
で、短周期超格子量子細線４ｃを用いた場合のリッジ型
半導体レーザ素子構造の一例を示すものである。本実施
の形態で示す素子構造の特徴とするところは、ＩｎＧａ
ＡｓＢｉ量子細線を用いた素子に比べ、格子定数の大き
いＩｎＡｓ中のみにＢｉを導入しているため製造が極め
て容易となる。これとは逆に、（ＩｎＡｓ)m（ＧａＡｓ
Ｂｉ)nのような組み合わせでは、製造が極端に困難とな
る。なお、製造方法の特徴については実施例５において
詳述する。一方、本構造では格子定数の大きいＩｎＡｓ
中のみにＢｉが導入されているため材料が熱力学的に安
定であり、従来技術におけるＩｎＧａＡｓＢｉ活性層、
あるいは（ＩｎＡｓ)m（ＧａＡｓＢｉ)nのような構造に
比べ、例えば、半導体レーザ素子として用いる場合の高
温、高電流密度下の駆動条件においても固相拡散による
組成分離が起きにくく、信頼性に優れるという特徴が有
ある。なお、実施の形態１、２および３においては（Ｉ
ｎＡｓＢｉ)1（ＧａＡｓ)1×２０周期の短周期超格子構
造を用いたが、短周期超格子の材料の組み合わせとして
は、以下に示す材料を用いても上記と同様の効果が得ら
れる。 （ＩｎＡｓＢｉ)m（ＧａＡｓ)n、（ＩｎＡｓＢｉ)m（Ｉ
ｎＧａＡｓ)n、（ＩｎＡｓＢｉ)m（ＡｌＡｓ)n、（Ｉｎ
ＡｓＢｉ)m（ＩｎＡｌＡｓ)n、（ＩｎＡｓＢｉ)m（Ｇａ
Ｐ)n、（ＩｎＡｓＢｉ)m（ＧａＡｓＰ)n、（ＩｎＡｓＢ
ｉ)m（ＡｌＰ)n、（ＩｎＡｓＢｉ)m（ＡｌＡｓＰ)n、
（ＩｎＡｓＢｉ)m（ＩｎＧａＰ)n、（ＩｎＡｓＢｉ)
m（ＩｎＡｌＰ)n、（ＩｎＡｓＢｉ)m（ＩｎＰ)n、（Ｉ
ｎＡｓＢｉ)m（ＩｎＡｓＰ)n、（ＩｎＰＢｉ)m（Ｇａ
Ｐ)n、（ＩｎＰＢｉ)m（ＩｎＧａＰ)n、（ＩｎＰＢｉ)m
（ＡｌＰ)n、（ＩｎＰＢｉ)m（ＩｎＡｌＰ)n、（ＩｎＳ
ｂＢｉ)m（ＧａＡｓ)n、（ＩｎＳｂＢｉ)m（ＩｎＧａＡ
ｓ)n、（ＩｎＡｓＳｂＢｉ)m（ＧａＡｓ)n、（ＩｎＡｓ
ＳｂＢｉ)m（ＩｎＧａＡｓ)n、（ＩｎＳｂＢｉ)m（Ａｌ
Ａｓ)n、（ＩｎＳｂＢｉ)m（ＩｎＡｌＡｓ)n、（ＩｎＡ
ｓＳｂＢｉ)m（ＡｌＡｓ)n、（ＩｎＡｓＳｂＢｉ)m（Ｉ
ｎＡｌＡｓ)n、（ＩｎＳｂＢｉ)m（ＧａＰ)n、（ＩｎＳ
ｂＢｉ)m（ＩｎＧａＰ)n、（ＩｎＰＳｂＢｉ)m（Ｇａ
Ｐ)n、（ＩｎＰＳｂＢｉ)m（ＩｎＧａＰ)n、（ＩｎＳｂ
Ｂｉ)m（ＡｌＰ)n、（ＩｎＳｂＢｉ)m（ＩｎＡｌＰ)n、
（ＩｎＰＳｂＢｉ)m（ＡｌＡｓ)n、（ＩｎＰＳｂＢｉ)m
（ＩｎＡｌＡｓ)n、（ＴｌＩｎＡｓ)m（ＧａＡｓ)n、
（ＴｌＩｎＡｓ)m（ＩｎＧａＡｓ)n、（ＴｌＩｎＡｓ)m
（ＡｌＡｓ)n、（ＴｌＩｎＡｓ)m（ＩｎＡｌＡｓ)n、
（ＴｌＩｎＰ)m（ＧａＡｓ)n、（ＴｌＩｎＰ)m（ＩｎＧ
ａＰ)n、（ＴｌＩｎＰ)m（ＡｌＰ)n、（ＴｌＩｎＰ)
m（ＩｎＡｌＰ)n 〈実施の形態４〉本発明の請求項２、請求項３および請
求項５に関連する半導体光素子の製造方法の第１の実施
の形態について、図４および図９を用いて説明する。一
般に、Ｂｉを含むIII−Ｖ族混晶においては、熱平衡状
態におけるＢｉの固溶度が非常に小さいため、非平衡状
態における成長が必要となる。特に、構成原子の原子半
径とＢｉ原子半径の差が大きいＧａＡｓ、ＩｎＰに、Ｂ
ｉを導入することは困難である。例えば、有機金属気相
成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて、ＩｎＧａＡｓＢｉを
成長する場合に、成長温度におけるＢｉの蒸気圧よりは
るかに高いＢｉ分圧下における成長が必要となるが、従
来の製造方法において、このような成長を行った場合
に、結晶中にはＢｉが取り込まれにくく、図９に示すよ
うに、余剰Ｂｉ原子液滴３３、３５を形成し、成長条件
によっては余剰Ｂｉが種となって、ウィスカ成長したＩ
ｎＧａＡｓＢｉ３４が生成する。これに対し、図４に示
す本発明による結晶成長方法では、ＩｎＡｓＢｉ層１４
とＧａＡｓ層１３を交互に成長するために、ＧａＡｓに
比べＢｉに原子半径の近いＩｎＡｓ中にＢｉ（またはＴ
ｌ）の導入ができる。実際に、３６５℃の低温で成長を
行うことにより容易に数％のＩｎＢｉ組成を有するＩｎ
ＡｓＢｉ層１４が得られた。ＩｎＡｓＢｉ層１４の成長
温度に関しては、通常、ＭＯＶＰＥ成長で用いられる６
００℃程度の拡散律速領域では熱平衡状態に近い成長と
なるため、Ｂｉはごく微量しか導入できず、上記非平衡
状態における成長の要請から５００℃以下の反応律速領
域下での成長が必要であった。また、成長温度の下限は
原料の分解温度によって決まるが、プラズマアシスト等
の手法を用いることにより２００℃以上ならば成長は可
能である。さらに、本実施の形態では、表面エネルギー
の高い（４１１）Ａ面を用いているため、原料の基板表
面におけるマイグレーションが抑制される結果、余剰Ｂ
ｉの凝縮を抑制することができた。すなわち、余剰Ｂｉ
が液滴として安定に存在する臨界核を形成する前に再蒸
発するため、良好な基板表面に所望のＩｎＢｉ組成を有
するＩｎＡｓＢｉ結晶が得られた。ここで、表面エネル
ギーの高い基板面としては、本実施の形態の（４１１）
Ａ面の他、結晶面が｛１００｝面から最近接＜１１１＞
Ａ、あるいは最近接＜１１１＞Ｂ、あるいは最近接＜１
１０＞、の方向に、２度から４３度の範囲の角度で傾斜
した基板面を用いることができる。ここで角度が２度よ
り小さい場合には効果的な表面エネルギーが得られず、
角度が４３度より大きい場合には次の表面エネルギー極
小点に達してしまうため再び効果を失うので好ましくな
い。
【００１０】〈実施の形態５〉本発明の請求項２、請求
項３および請求項５に関連する半導体光素子の製造方法
の第２の実施の形態について、図５を用いて説明する。
まず、図５（ａ）に示すように、小角傾斜ＩｎＰ基板１
６上に、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１７を形成し、小
角傾斜ＩｎＰ基板１６が｛１００｝面から傾斜している
ことによって生じた該基板上のステップに沿ってＩｎＡ
ｓＢｉ層１８を形成する。上記基板の傾斜角度は、ステ
ップ間隔が所望の量子細線ピッチに等しくなるように選
択する。ＩｎＡｓＢｉ層１８は、ステップフロー成長に
よりステップ端からテラス状に成長する。ここで、上記
ＩｎＡｓＢｉ層１８が所望の幅の細線を形成した時点
で、成長層をＩｎＧａＡｓＰ層１９に切り換える。Ｉｎ
ＧａＡｓＰ層１９の成長は、図５（ｂ）に示すように、
次のステップ端に達したところで終了し、さらに成長層
をＧａＡｓ層に切り換えて細線を形成した後、ＩｎＧａ
ＡｓＰ層１９を同様に成長する。これらの工程を、所望
の膜厚が得られるまで繰り返すことによって、例えば、
（ＩｎＡｓＢｉ)1（ＧａＡｓ)1×２０周期からなる短周
期超格子量子細線２０を形成する〔図５（ｃ）〕。さら
に、図５（ｃ）に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層２
１の成長後に、さらなる量子細線を形成することによっ
て多重量子細線構造が得られる。本実施の形態では、量
子細線の材料として（ＩｎＡｓＢｉ）１（ＧａＡｓ)1×
２０周期からなる短周期超格子を用いているが、この短
周期超格子の代わりに単体の混晶であるＩｎＡｓＢｉを
使用して同様の構造を形成することも可能である。
項３および請求項５に関連する半導体光素子の製造方法
の第２の実施の形態について、図５を用いて説明する。
まず、図５（ａ）に示すように、小角傾斜ＩｎＰ基板１
６上に、ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層１７を形成し、小
角傾斜ＩｎＰ基板１６が｛１００｝面から傾斜している
ことによって生じた該基板上のステップに沿ってＩｎＡ
ｓＢｉ層１８を形成する。上記基板の傾斜角度は、ステ
ップ間隔が所望の量子細線ピッチに等しくなるように選
択する。ＩｎＡｓＢｉ層１８は、ステップフロー成長に
よりステップ端からテラス状に成長する。ここで、上記
ＩｎＡｓＢｉ層１８が所望の幅の細線を形成した時点
で、成長層をＩｎＧａＡｓＰ層１９に切り換える。Ｉｎ
ＧａＡｓＰ層１９の成長は、図５（ｂ）に示すように、
次のステップ端に達したところで終了し、さらに成長層
をＧａＡｓ層に切り換えて細線を形成した後、ＩｎＧａ
ＡｓＰ層１９を同様に成長する。これらの工程を、所望
の膜厚が得られるまで繰り返すことによって、例えば、
（ＩｎＡｓＢｉ)1（ＧａＡｓ)1×２０周期からなる短周
期超格子量子細線２０を形成する〔図５（ｃ）〕。さら
に、図５（ｃ）に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層２
１の成長後に、さらなる量子細線を形成することによっ
て多重量子細線構造が得られる。本実施の形態では、量
子細線の材料として（ＩｎＡｓＢｉ）１（ＧａＡｓ)1×
２０周期からなる短周期超格子を用いているが、この短
周期超格子の代わりに単体の混晶であるＩｎＡｓＢｉを
使用して同様の構造を形成することも可能である。
【００１１】〈実施の形態６〉本発明の請求項４に関連
する半導体光素子の製造方法について図６を用いて説明
する。まず、図６（ａ）に示すように、｛１００｝面か
ら傾斜した基板〔例えば（４１１）Ａ面ＩｎＰ基板２
２〕上に、フォトリソグラフィー、集束イオンビーム加
工等によって応力場形成用凹部２３を形成し、ＩｎＧａ
ＡｓＰ光閉じ込め層２４、ＩｎＡｓＢｉ層２５を順次成
長する。（図中、ステップは模式的に示したものであ
り、その密度は（４１１）Ａ面とは対応していない。次
に、成長中断を行うと図６（ｂ）に示すように、ＩｎＡ
ｓＢｉ層２５が（４１１）Ａ面ＩｎＰ基板２２およびＩ
ｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層２４との格子定数差による応
力を緩和するために自然にＩｎＡｓＢｉ量子ドット２６
を形成するが、この際、応力場形成用凹部２３の存在に
より、ＩｎＡｓＢｉ量子ドット２６は、系の自由エネル
ギーを最小にするべく優先的に上記凹部に整列する。さ
らに、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層２７の成長を行うと、Ｉｎ
ＧａＡｓＰ障壁層２７は、成長初期において界面自由エ
ネルギーが大きくなるＩｎＡｓＢｉ量子ドット２６上を
避けて成長する結果、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層２７上に、
再び凹部が形成される。したがって、上記成長工程を繰
り返すことにより、図６（ｃ）に示すように、整然と配
列した多重量子ドット構造が形成される。また、本実施
の形態では、｛１００｝面から傾斜した基板を用いてい
るが、｛１００｝面を用いた場合でも、成長条件を選択
することにより、上記同様の多重量子ドット構造の製造
を行うことができる。
する半導体光素子の製造方法について図６を用いて説明
する。まず、図６（ａ）に示すように、｛１００｝面か
ら傾斜した基板〔例えば（４１１）Ａ面ＩｎＰ基板２
２〕上に、フォトリソグラフィー、集束イオンビーム加
工等によって応力場形成用凹部２３を形成し、ＩｎＧａ
ＡｓＰ光閉じ込め層２４、ＩｎＡｓＢｉ層２５を順次成
長する。（図中、ステップは模式的に示したものであ
り、その密度は（４１１）Ａ面とは対応していない。次
に、成長中断を行うと図６（ｂ）に示すように、ＩｎＡ
ｓＢｉ層２５が（４１１）Ａ面ＩｎＰ基板２２およびＩ
ｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層２４との格子定数差による応
力を緩和するために自然にＩｎＡｓＢｉ量子ドット２６
を形成するが、この際、応力場形成用凹部２３の存在に
より、ＩｎＡｓＢｉ量子ドット２６は、系の自由エネル
ギーを最小にするべく優先的に上記凹部に整列する。さ
らに、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層２７の成長を行うと、Ｉｎ
ＧａＡｓＰ障壁層２７は、成長初期において界面自由エ
ネルギーが大きくなるＩｎＡｓＢｉ量子ドット２６上を
避けて成長する結果、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層２７上に、
再び凹部が形成される。したがって、上記成長工程を繰
り返すことにより、図６（ｃ）に示すように、整然と配
列した多重量子ドット構造が形成される。また、本実施
の形態では、｛１００｝面から傾斜した基板を用いてい
るが、｛１００｝面を用いた場合でも、成長条件を選択
することにより、上記同様の多重量子ドット構造の製造
を行うことができる。
【００１２】
【発明の効果】本発明による半導体光素子は、その活性
領域あるいは導波領域の少なくとも一部が、ビスマスも
しくはタリウムを含むIII−Ｖ族半導体薄膜、あるいは
その混晶薄膜を層構造中に有する短周期超格子からなる
ため、温度変動に対して、発光波長、または受光波長、
あるいは導波路の等価屈折率の変化が小さいという特性
がある。さらに、量子細線、量子ディスクまたは量子ド
ット構造を用いた場合には状態密度の離散化のため、キ
ャリアによるバンドフィリングに起因する発光波長の変
動をも軽減することができ、より周囲温度に対して安定
な半導体光素子を実現することができる。さらに、本発
明による半導体光素子の製造方法を用いれば、良好な基
板表面を保持しつつ所要のＢｉもしくはＴｌ組成を有す
る半導体光素子の活性領域もしくは導波領域を、従来の
方法に比べ極めて容易に作製することができる。
領域あるいは導波領域の少なくとも一部が、ビスマスも
しくはタリウムを含むIII−Ｖ族半導体薄膜、あるいは
その混晶薄膜を層構造中に有する短周期超格子からなる
ため、温度変動に対して、発光波長、または受光波長、
あるいは導波路の等価屈折率の変化が小さいという特性
がある。さらに、量子細線、量子ディスクまたは量子ド
ット構造を用いた場合には状態密度の離散化のため、キ
ャリアによるバンドフィリングに起因する発光波長の変
動をも軽減することができ、より周囲温度に対して安定
な半導体光素子を実現することができる。さらに、本発
明による半導体光素子の製造方法を用いれば、良好な基
板表面を保持しつつ所要のＢｉもしくはＴｌ組成を有す
る半導体光素子の活性領域もしくは導波領域を、従来の
方法に比べ極めて容易に作製することができる。
【図１】本発明の実施の形態１で例示した半導体光素子
の構成の一例を示す模式図。
の構成の一例を示す模式図。
【図２】本発明の実施の形態２で例示した半導体光素子
の構成の一例を示す模式図。
の構成の一例を示す模式図。
【図３】本発明の実施の形態３で例示した半導体光素子
の構成の一例を示す模式図。
の構成の一例を示す模式図。
【図４】本発明の実施の形態４で例示した半導体光素子
の構成の一例を示す模式図。
の構成の一例を示す模式図。
【図５】本発明の実施の形態５で例示した半導体光素子
の製作過程の一例を示す模式図。
の製作過程の一例を示す模式図。
【図６】本発明の実施の形態６で例示した半導体光素子
の製作過程の一例を示す模式図。
の製作過程の一例を示す模式図。
【図７】従来の半導体レーザ素子構造の一例を示す模式
図。
図。
【図８】従来の半導体レーザ素子構造の一例を示す模式
図。
図。
【図９】従来のＩｎＧａＡｓＢｉ層を成長した場合の成
長表面状況を示す模式図。
長表面状況を示す模式図。
１…ｎ−ＩｎＰ層
２…ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層
３…ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
４ａ…（ＩｎＡｓＢｉ)1（ＧａＡｓ)1×２０周期からな
る短周期超格子量子井戸層 ４ｂ…短周期超格子縦方向量子井戸層 ４ｃ…（ＩｎＡｓＢｉ)1（ＧａＡｓ)1×２０周期からな
る短周期超格子量子細線 ４ｄ…ＩｎＧａＡｓ量子井戸層 ４ｅ…ＩｎＧａＡｓＢｉ量子井戸層 ５…ｐ−ＩｎＰ層 ６…電極 ７…電極 ９…（ＩｎＡｓＢｉ)1（ＧａＡｓ)1×ｍ周期からなる短
周期超格子縦方向量子井戸層４ｂの一部 １１…（４１１）Ａ面ＩｎＰ基板 １２…ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層 １３…ＧａＡｓ層 １４…ＩｎＡｓＢｉ層 １５…余剰Ｂｉ原子クラスタ １６…小角傾斜ＩｎＰ基板 １７…ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層 １８…ＩｎＡｓＢｉ層 １９…ＩｎＧａＡｓＰ層 ２０…（ＩｎＡｓＢｉ)1（ＧａＡｓ)1×２０周期からな
る短周期超格子量子細線 ２１…ＩｎＧａＡｓＰ障壁層 ２２…（４１１）Ａ面ＩｎＰ基板 ２３…応力場形成用凹部 ２４…ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層 ２５…ＩｎＡｓＢｉ層 ２６…ＩｎＡｓＢｉ量子ビット ２７…ＩｎＧａＡｓＰ障壁層 ３０…ＩｎＰ基板 ３１…ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層 ３２…ＩｎＧａＡｓＢｉ層 ３３…余剰Ｂｉ原子液滴 ３４…ウィスカ成長したＩｎＧａＡｓＢｉ ３５…余剰Ｂｉ原子液滴
る短周期超格子量子井戸層 ４ｂ…短周期超格子縦方向量子井戸層 ４ｃ…（ＩｎＡｓＢｉ)1（ＧａＡｓ)1×２０周期からな
る短周期超格子量子細線 ４ｄ…ＩｎＧａＡｓ量子井戸層 ４ｅ…ＩｎＧａＡｓＢｉ量子井戸層 ５…ｐ−ＩｎＰ層 ６…電極 ７…電極 ９…（ＩｎＡｓＢｉ)1（ＧａＡｓ)1×ｍ周期からなる短
周期超格子縦方向量子井戸層４ｂの一部 １１…（４１１）Ａ面ＩｎＰ基板 １２…ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層 １３…ＧａＡｓ層 １４…ＩｎＡｓＢｉ層 １５…余剰Ｂｉ原子クラスタ １６…小角傾斜ＩｎＰ基板 １７…ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層 １８…ＩｎＡｓＢｉ層 １９…ＩｎＧａＡｓＰ層 ２０…（ＩｎＡｓＢｉ)1（ＧａＡｓ)1×２０周期からな
る短周期超格子量子細線 ２１…ＩｎＧａＡｓＰ障壁層 ２２…（４１１）Ａ面ＩｎＰ基板 ２３…応力場形成用凹部 ２４…ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層 ２５…ＩｎＡｓＢｉ層 ２６…ＩｎＡｓＢｉ量子ビット ２７…ＩｎＧａＡｓＰ障壁層 ３０…ＩｎＰ基板 ３１…ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層 ３２…ＩｎＧａＡｓＢｉ層 ３３…余剰Ｂｉ原子液滴 ３４…ウィスカ成長したＩｎＧａＡｓＢｉ ３５…余剰Ｂｉ原子液滴
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01S 5/00 - 5/50
H01L 33/00
Claims (5)
- 【請求項１】半導体基板上に、該基板とは異なる半導体
からなる活性領域もしくは導波領域を備えた半導体光素
子において、上記活性領域もしくは導波領域の少なくと
も一部が、少なくとも２種類のIII−Ｖ族半導体もしく
はその混晶の薄膜を構成単位とした短周期超格子からな
り、かつ上記III−Ｖ族半導体もしくはその混晶の薄膜
のうち、格子定数の最も大きい該III−Ｖ族半導体もし
くはその混晶の薄膜に、ビスマスもしくはタリウムを含
有してなることを特徴とする半導体発光素子、受光素子
または光導波路素子等の半導体光素子。 - 【請求項２】請求項１に記載の半導体光素子を製造する
方法であって、少なくとも２種類のIII−Ｖ族半導体も
しくはその混晶の薄膜を構成単位とした短周期超格子か
らなる活性領域もしくは導波領域を形成する過程におい
て、上記少なくとも２種類のIII−Ｖ族半導体もしくは
その混晶の薄膜のうち、格子定数のより大きい薄膜の形
成時に、ビスマスもしくはタリウムの原料ガスを供給し
て、ビスマスもしくはタリウムを含有する短周期超格子
からなる薄膜もしくは細線を形成する工程を少なくとも
含むことを特徴とする半導体光素子の製造方法。 - 【請求項３】請求項２に記載の半導体光素子の製造方法
において、使用する半導体基板は｛１００｝面から最近
接＜１１１＞Ａ、もしくは最近接＜１１１＞Ｂ、もしく
は最近接＜１１０＞、の方向に２度から４３度の範囲の
角度で傾斜してなることを特徴とする半導体光素子の製
造方法。 - 【請求項４】請求項１に記載の半導体光素子において、
その活性領域もしくは導波領域が、短周期超格子からな
る量子ディスク構造もしくは量子ドット構造を有する半
導体光素子、もしくは上記短周期超格子の代わりにビス
マスもしくはタリウムを含むIII−Ｖ族半導体混晶を用
いた量子ディスク構造もしくは量子ドット構造を有する
半導体光素子を製造する方法において、基板表面にフォ
トリソグラフィーもしくは集束イオンビーム加工等によ
って応力場形成用の凹部を形成する第１の工程と、ビス
マスもしくはタリウムを含むIII−Ｖ族半導体混晶もし
くは該混晶薄膜と他のIII−Ｖ族半導体もしくはその混
晶の薄膜からなる短周期超格子を形成した後に薄膜の成
長中断を行い、自己形成量子ディスクもしくは量子ドッ
トを形成する第２の工程と、さらに障壁層を成長する第
３の工程の後に、上記第２の工程と該第３の工程を、単
数回もしくは複数回繰り返すことによって多重量子ディ
スク構造もしくは多重量子ドット構造を作製する工程を
含むことを特徴とする半導体光素子の製造方法。 - 【請求項５】請求項２ないし請求項４のいずれか１項に
記載の半導体光素子の製造方法において、ビスマスもし
くはタリウムを含むIII−Ｖ族半導体もしくはその混晶
の成長時の基板温度を２００℃から５００℃の範囲とす
ることを特徴とする半導体光素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21873997A JP3414992B2 (ja) | 1997-08-13 | 1997-08-13 | 半導体光素子とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21873997A JP3414992B2 (ja) | 1997-08-13 | 1997-08-13 | 半導体光素子とその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1168238A JPH1168238A (ja) | 1999-03-09 |
| JP3414992B2 true JP3414992B2 (ja) | 2003-06-09 |
Family
ID=16724674
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21873997A Expired - Fee Related JP3414992B2 (ja) | 1997-08-13 | 1997-08-13 | 半導体光素子とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3414992B2 (ja) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB0109782D0 (en) * | 2001-04-20 | 2001-06-13 | Btg Int Ltd | Nanoelectronic devices and circuits |
| JP2007525012A (ja) * | 2003-06-27 | 2007-08-30 | アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド | 低ジッタのパルス型量子ドットレーザシステム |
| JP2005136267A (ja) * | 2003-10-31 | 2005-05-26 | Fujitsu Ltd | 半導体量子ドット素子 |
| JP2007251089A (ja) * | 2006-03-20 | 2007-09-27 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体積層構造の製造方法及び半導体量子ドット構造の製造方法 |
| JP5857774B2 (ja) * | 2012-02-09 | 2016-02-10 | 三菱電機株式会社 | 半導体受光素子 |
| CN103367575A (zh) * | 2013-06-27 | 2013-10-23 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种提高热稳定性的稀铋半导体量子阱结构及其制备方法 |
| CN111418120B (zh) * | 2017-12-04 | 2022-10-21 | 三菱电机株式会社 | 电场吸收型调制器、光半导体装置及光模块 |
-
1997
- 1997-08-13 JP JP21873997A patent/JP3414992B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH1168238A (ja) | 1999-03-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4318058A (en) | Semiconductor diode laser array | |
| US6600169B2 (en) | Quantum dash device | |
| EP0896406B1 (en) | Semiconductor laser device, optical communication system using the same, and method for producing compound semiconductor | |
| US4855255A (en) | Tapered laser or waveguide optoelectronic method | |
| US6541297B2 (en) | Method for fabricating semiconductor device and semiconductor device | |
| EP0661784B1 (en) | Semiconductor laser diode | |
| JPH0418476B2 (ja) | ||
| JPH07235732A (ja) | 半導体レーザ | |
| JP2558744B2 (ja) | 半導体レーザ素子及びその製造方法 | |
| JPH06224512A (ja) | 半導体装置及びその製造プロセス | |
| JP3414992B2 (ja) | 半導体光素子とその製造方法 | |
| US4916708A (en) | Semiconductor light-emitting devices | |
| JPH07101674B2 (ja) | 光半導体素子の製造方法 | |
| US7288783B2 (en) | Optical semiconductor device and method for fabricating the same | |
| US4999316A (en) | Method for forming tapered laser or waveguide optoelectronic structures | |
| Arai et al. | Growth of highly strained GaInAs-GaAs quantum wells on patterned substrate and its application for multiple-wavelength vertical-cavity surface-emitting laser array | |
| JP3132433B2 (ja) | 無秩序化結晶構造の製造方法、半導体レーザの製造方法及びウィンドウ構造半導体レーザの製造方法 | |
| JPH01248585A (ja) | 分布帰還形半導体レーザ | |
| WO2023012925A1 (ja) | 半導体光デバイスおよびその製造方法 | |
| JP2546381B2 (ja) | 分布帰還型半導体レーザおよびその製造方法 | |
| US6275515B1 (en) | Semiconductor laser device and method of producing the same | |
| JPH0563290A (ja) | 半導体レーザ | |
| JP3298572B2 (ja) | 光半導体装置の製造方法 | |
| JP2630273B2 (ja) | 分布帰還型半導体レーザ | |
| JP2679358B2 (ja) | 半導体レーザ装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090404 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090404 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100404 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110404 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120404 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130404 Year of fee payment: 10 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |