JP3771925B2 - 半導体量子ドット構造及びその製造方法 - Google Patents
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Description
例えばGaAs基板上にInAs量子ドットを作成する場合を例にあげると、量子ドットの大きさを大きくして発光波長を長波にしようとした場合には面内のドットの密度が下がり、ドットの密度を上げようとした場合には量子ドットの大きさが小さくなる、といった制約があった。
上記問題を解決するために従来から各種の半導体量子ドット構造並びに製造方法が考案されており、例えば再度GaAs基板上にInAs量子ドットを作成する場合を例にあげると、InAs量子ドット上又は上下に圧縮歪を有するInGaAs層を積層し、InAs量子ドット中の残留歪を弾性的に緩和して小さくする方法、或いは圧縮歪を有するInGaAs層の代わりに伸張歪を有するGaAsN層を積層して同様の効果を得る方法などが用いられている。
しかしながら、上記のごとき従来の構造並びに製造方法による半導体量子ドットは作成における再現性、面内均一性が十分ではない、という問題点があることに加え、更に量子ドットの形成並びに他の半導体層による埋込み成長においては通常より低温の成長が必要となる結果、非発光中心となる欠陥が導入されやすく、十分な光学特性が得られにくい、といった問題点があった。
また一方、半導体薄膜の成長時にビスマス、アンチモン、タリウム等の材料を供給し、表面改質剤(サーファクタントと呼ばれる)として用いることにより平坦性の良い結晶を得る試みが行われている(例えば特許文献1、非特許文献2参照)が、これらの原料を上記のような相分離の促進に利用した例はなかった。
前記半導体量子ドットがInAs、InAsSb、InGaAs、InGaAsP又はInGaAsSbであり、かつ、前記半導体薄膜層がInGaAs、InGaAsP又はInGaAsSbであることを特徴とする。
又、上記課題を解決する本発明の請求項9に係る半導体量子ドット構造の製造方法は、半導体基板上に半導体量子ドットを形成する際、前記半導体基板を構成する半導体材料とは組成、或いは構成元素が異なる半導体材料からなる1層又は2層の半導体薄膜層と直接接触して、前記半導体量子ドットを積層すると共に、上記半導体薄膜層の少なくとも1層に、又は上記半導体薄膜層の少なくとも1層と上記半導体量子ドットの双方にビスマスを添加することを特徴とする。
また、本発明による半導体量子ドット構造を前記半導体光増幅器の活性層として使用した場合、従来技術を用いた場合に比べ、増幅できる波長の帯域が広く、飽和光出力が大きく、かつ高速応答特性を兼ね備えた特性を得ることが可能である。
また、本発明による半導体量子ドット構造の製造方法を用いた場合、上記本発明による半導体量子ドット構造を再現性、歩留まり良く提供することが可能である。
ここでビスマスを添加することによって得られる効果は大きく分けて3種類となる。
この結果、本発明による半導体量子ドット構造においては光学特性に優れ、発光波長に関する自由度が大きく、更にウェハ面内の均一性も高い、という特徴がある。
ここで成長温度を500℃以下とした理由は、500℃を越える温度で半導体量子ドットを埋め込んだ場合には同量子ドットが変形し、光学特性が劣化することに加え、熱力学的に前記相分離が起こりにくくなり、所望の発光波長を得るための制御が困難になるためである。
この結果、本発明による半導体量子ドット構造の製造方法においては前記従来の発明による相分離現象を利用したドット体積の拡大手法に比べ、より光学特性に優れ、発光波長に関する自由度が大きく、更にウェハ面内の均一性も高い半導体量子ドット構造をMOVPE法を用いた場合においても再現性、歩留まり良く提供することが可能である。
但し、本発明による半導体量子ドット構造の製造方法においては低温の成長条件を用いているため、供給したビスマスは純粋なサーファクタントではなく、その一部が結晶内に取り込まれ、バンドギャップを狭小化する作用をも有していることに特徴がある。
[作用]
また、本発明による半導体量子ドット構造の製造方法は、上記本発明による半導体量子ドット構造を再現性、歩留まり良く提供することを可能にする。
図中、101は基板(GaAs)、102はクラッド層(AlGaAs,膜厚1.5μm)、103は光閉じ込め層(AlGaAs,膜厚200nm)、104は障壁層(GaAs,膜厚50nm)、105は量子ドット(In(Ga)As:Bi)、106は薄膜層(InGaAs:Bi,膜厚10nm)、107はコンタクト層(GaAs,膜厚300nm)である。
更に、量子ドット105の中、105aは自己形成したInAs:Biよりなる領域であり、105bは薄膜層106の成長中に相分離によって、105aのドット上に選択的に成長したInGaAs:Biよりなる領域である。
また、更に加えて領域105aと領域105bで構成される量子ドット105中にはビスマスが添加されているため、量子ドット発光波長のさらなる長波長化ができた。
第一の効果は、ビスマスの添加によって非発光中心となる欠陥が少なく、光学特性に優れた半導体量子ドット並びに上記半導体薄膜層が低温の成長条件においても得られる点である。
第二の効果は、ビスマスの添加によって前記半導体薄膜層成長時の相分離現象が促進される結果、より大きい、即ち、より長波で発光する半導体量子ドットが均一性良く構成されている点である。
第三の効果は、ビスマスの添加によって半導体量子ドットを構成する材料のバンドギャップが小さくなり、その発光がより長波となる半導体量子ドット構造が得られる点である。
この結果、本実施例による半導体量子ドット構造においては光学特性に優れ、発光波長に関する自由度が大きく、更にウェハ面内の均一性も高い、という特徴がある。
本実施例に係る半導体量子ドット構造を種々の成長条件を用いて作成し、レーザダイオード素子を作成した結果、発光波長1〜1.5μmの素子が得られた。
また、同構造を作成する際、故意に量子ドットの大きさが分布するように成長条件を定め、得られた構造により半導体光増幅器を作成した結果、増幅帯域1〜1.5μmの、広帯域、高飽和出力の素子が得られた。
図中、201は基板(InP)、202はクラッド層(InP,膜厚1.5μm)、203は光閉じ込め層(InGaAsP,膜厚200nm)、204は障壁層(InGaA
sP,膜厚50nm)、205は量子ドット(In(Ga)As:Bi)、206は薄膜層(InGaAs:Bi,膜厚10nm)、207はコンタクト層(InGaAs,膜厚
300nm)である。
更に、量子ドット205の中、205aは自己形成したInAs:Biよりなる領域であり、205bは薄膜層206の成長中に相分離によって領域205aのドット上に選択的に成長したInGaAs:Biよりなる領域である。
薄膜層206の平均的なIn組成に比べて大幅に高いため、本実施例においては領域205aと領域205bの複合体が実効的な量子ドット205として作用しており、量子ドット205の体積が大きくなることによってその発光波長が長波長化している。
また、更に加えて領域205aと領域205bで構成される量子ドット205中にはビスマスが添加されているため、量子ドット発光波長のさらなる長波長化ができた。
即ち、ビスマスが添加されたことにより、本実施例においても、実施例1で説明したように、3種類の効果が奏される。
本実施例に係る半導体量子ドット構造を種々の成長条件を用いて作成し、レーザダイオード素子を作成した結果、発光波長1.3〜2.2μmの素子が得られた。
また、同構造を作成する際、故意に量子ドットの大きさが分布するように成長条件を定め、得られた構造により半導体光増幅器を作成した結果、増幅帯域1.3〜2.2μmの、広帯域、高飽和出力の素子が得られた。
図中、301は基板(GaAs)、302はクラッド層(AlGaAs,膜厚1.5μm)、303は光閉じ込め層(AlGaAs,膜厚200nm)、304は障壁層(GaAs,膜厚50nm)、305は量子ドット(In(Ga)NAs:Bi)、306は薄膜層(GaInNAs:Bi,膜厚10nm)、307はコンタクト層(GaAs,膜厚300nm)である。
更に、量子ドット305の中、305aは自己形成したInAs:Biよりなる領域であり、305bは薄膜層306の成長中に相分離によって領域305aのドット上に選択的に成長したInGaNAs:Biよりなる領域である。
また、更に加えて領域305aと領域305bで構成される量子ドット305中にはビスマスが添加されているため、量子ドット発光波長のさらなる長波長化ができた。
即ち、ビスマスが添加されたことにより、本実施例においても、実施例1で説明したように、3種類の効果が奏される。
本実施例に係る半導体量子ドット構造を種々の成長条件を用いて作成し、レーザダイオード素子を作成した結果、発光波長1〜1.7μmの素子が得られた。
また、同構造を作成する際、故意に量子ドットの大きさが分布するように成長条件を定め、得られた構造により半導体光増幅器を作成した結果、増幅帯域1〜1.7μmの、広帯域、高飽和出力の素子が得られた。
図中、401は基板(InP)、402はクラッド層(InP,膜厚1.5μm)、403は光閉じ込め層(InGaAsP,膜厚200nm)、404は障壁層(InGaA
sP,膜厚50nm)、405は量子ドット(In(Ga)NAs:Bi)、406は薄
膜層(GaInNAs:Bi,膜厚10nm)、407はコンタクト層(InGaAs,膜厚300nm)である。
更に、量子ドット405の中、405aは自己形成したInNAs:Biよりなる領域であり、405bは薄膜層406の成長中に相分離によって領域405aのドット上に選択的に成長したInGaNAs:Biよりなる領域である。
また、更に加えて領域405aと領域405bで構成される量子ドット405中にはビスマスが添加されているため、量子ドット発光波長のさらなる長波長化ができた。
即ち、ビスマスが添加されたことにより、本実施例においても、実施例1で説明したように、3種類の効果が奏される。
また、本実施例に係る半導体量子ドット構造を種々の成長条件を用いて作成し、レーザダイオード素子を作成した結果、発光波長1.3〜2.6μmの素子が得られた。
また、同構造を作成する際、故意に量子ドットの大きさが分布するように成長条件を定め、得られた構造により半導体光増幅器を作成した結果、増幅帯域1.3〜2.6μmの、広帯域、高飽和出力の素子が得られた。
半導体量子ドット構造の成長にはMOVPE法を用いた。
まず、基板(GaAs)101を装置内に導入し、通常の成長手順でクラッド層(AlGaAs)102、光閉じ込め層(AlGaAs)103、障壁層(GaAs)104を成長する。
次に成長を中断し、基板温度を450℃まで下げた後、量子ドット(In(Ga)As
:Bi)105と薄膜層(InGaAs:Bi)106をトリメチルインジウム、トリイソプロピルガリウム、トリメチルビスマス、ターシャリーブチルアルシンを原料として成長した。
トリメチルビスマスは、量子ドット105と薄膜層106の成長時に供給したが、薄膜層106の少なくとも1層の成長時、或いは、薄膜層106の少なくとも1層と量子ドット105の双方の成長時に供給することもできる。
また更に、InGaAs混晶が熱力学的に相分離を起こしやすい450℃という温度下においてビスマス原料を供給したことにより相分離が促進され、量子ドット(In(Ga)As:Bi)105の複合体として領域(InAs:Bi)105aの周辺にIn組成の高いInGaAs:Biからなる領域105bが再現性良く形成できた。
即ち、成長温度を500℃以下とする場合に比較し、500℃を越える温度で半導体量子ドットを埋め込んだ場合には同量子ドットが変形し、光学特性が劣化することに加え、熱力学的に前記相分離が起こりにくくなり、所望の発光波長を得るための制御が困難になるためである。
この結果、本発明による半導体量子ドット構造の製造方法においては前記従来の発明による相分離現象を利用したドット体積の拡大手法に比べ、より光学特性に優れ、発光波長に関する自由度が大きく、更にウェハ面内の均一性も高い半導体量子ドット構造をMOVPE法を用いた場合においても再現性、歩留まり良く提供することが可能である。
但し、本発明による半導体量子ドット構造の製造方法においては低温の成長条件を用いているため、供給したビスマスは純粋なサーファクタントではなく、その一部が結晶内に取り込まれ、バンドギャップを狭小化する作用をも有していることに特徴がある。
TMA:トリメチルアルミニウム
TMG:トリメチルガリウム
AsH3:アルシン
TMI:トリメチルインジウム
TIPG:トリイソプロピルガリウム
TMBi:トリメチルビスマス
TBAs:ターシャリーブチルアルシン
102 AlGaAsクラッド層
103 AlGaAs光閉じ込め層
104 GaAs障壁層
105 In(Ga)As:Bi量子ドット
106 InGaAs:Bi薄膜層
107 GaAsコンタクト層
105a 自己形成したInAs:Biよりなる領域
105b 薄膜層106の成長中に相分離によって領域105aのドット上に選択的に成長したInGaAs:Biよりなる領域
201 InP基板
202 InPクラッド層
203 InGaAsP光閉じ込め層
204 InGaAsP障壁層
205 In(Ga)As:Bi量子ドット
206 InGaAs:Bi薄膜層
207 InGaAsコンタクト層
301 GaAs基板
302 AlGaAsクラッド層
205a 自己形成したInAs:Biよりなる領域
205b 薄膜層206の成長中に相分離によって領域205aのドット上に選択的に成長したInGaAs:Biよりなる領域
303 AlGaAs光閉じ込め層
304 GaAs障壁層
305 In(Ga)NAs:Bi量子ドット
306 GaInNAs:Bi薄膜層
307 GaAsコンタクト層
305a 自己形成したInAs:Biよりなる領域
305b 薄膜層306の成長中に相分離によって領域305aのドット上に選択的に成長したInGaNAs:Biよりなる領域
401 InP基板
402 InPクラッド層
403 InGaAsP光閉じ込め層
404 InGaAsP障壁層
405 In(Ga)NAs:Bi量子ドット
406 GaInNAs:Bi薄膜層
407 InGaAsコンタクト層
405a 自己形成したInNAs:Biよりなる領域
405b 薄膜層406の成長中に相分離によって領域405aのドット上に選択的に成長したInGaNAs:Biよりなる領域
Claims (9)
- 半導体基板上に半導体量子ドットが形成される構造において、
前記半導体量子ドットが半導体基板を構成する半導体材料とは組成、或いは構成元素が異なる半導体材料からなる1層又は2層の半導体薄膜層と直接接触して積層されており、
上記半導体薄膜層の少なくとも1層に、又は上記半導体薄膜層の少なくとも1層と上記半導体量子ドットの双方にビスマスが添加されていることを特徴とする半導体量子ドット構造。 - 請求項1記載の半導体量子ドット構造において、
前記半導体基板、前記半導体量子ドット並びに前記半導体薄膜層がIII−V族化合物半導体、或いはIII−V族化合物半導体混晶であることを特徴とする半導体量子ドット構造。 - 請求項2記載の半導体量子ドット構造において、
前記半導体基板がGaAs又はInGaAsであり、かつ、前記半導体量子ドットがInAs、InAsSb、InGaAs、InGaAsP又はInGaAsSbであり、かつ、前記半導体薄膜層がInGaAs、InGaAsP又はInGaAsSbであることを特徴とする半導体量子ドット構造。 - 請求項2記載の半導体量子ドット構造において、
前記半導体基板がInPであり、かつ、前記半導体量子ドットがInAs、InAsSb、InGaAs、InGaAsP又はInGaAsSbであり、かつ、前記半導体薄膜層がInGaAs、InGaAsP又はInGaAsSbであることを特徴とする半導体量子ドット構造。 - 請求項2記載の半導体量子ドット構造において、
前記半導体基板がGaAs又はInGaAsであり、かつ、前記半導体量子ドットがInNAs、GaInNAs、InNAsSb又はGaInNAsSbであり、かつ、前記半導体薄膜層がInGaAs、InGaAsP、InGaAsSb、GaNAs、InNAs、GaInNAs、InNAsSb又はGaInNAsSbであることを特徴とする半導体量子ドット構造。 - 請求項2記載の半導体量子ドット構造において、
前記半導体基板がInPであり、かつ、前記半導体量子ドットがInNAs、GaInNAs、InNAsSb又はGaInNAsSbであり、かつ、前記半導体薄膜層がInGaAs、InGaAsP、InGaAsSb、GaNAs、InNAs、GaInNAs、InNAsSb又はGaInNAsSbであることを特徴とする半導体量子ドット構造。 - 請求項1,2,3,4,5又は6記載の半導体量子ドット構造を製造する方法において、
前記半導体薄膜層の成長温度が、500℃以下であり、かつ前記半導体薄膜層の少なくとも1層の成長時又は前記半導体薄膜層の少なくとも1層と上記半導体量子ドットの双方の成長時にビスマスを供給することを特徴とする半導体量子ドット構造の製造方法。 - 請求項7記載の半導体量子ドット構造の製造方法において、
前記ビスマスの原料としてトリメチルビスマスを用い、ガリウムの原料としてトリイソプロピルガリウムを用いることを特徴とする半導体量子ドット構造の製造方法。 - 半導体基板上に半導体量子ドットを形成する際、
前記半導体基板を構成する半導体材料とは組成、或いは構成元素が異なる半導体材料からなる1層又は2層の半導体薄膜層と直接接触して、前記半導体量子ドットを積層すると共に、
上記半導体薄膜層の少なくとも1層に、又は上記半導体薄膜層の少なくとも1層と上記半導体量子ドットの双方にビスマスを添加することを特徴とする半導体量子ドット構造の製造方法。
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