JP3829153B2 - Optical semiconductor device - Google Patents

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JP3829153B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自己組織化量子ドットが生成された層を多層化してなる積層体を用いる光半導体装置の改良に関する。
【0002】
現在、自己組織化量子ドット層は、例えば半導体レーザの活性層に用いられ、低しきい値電流でレーザ発振させるのに有効な手段とされているが、量子ドットの大きさが揃わないなどの点が問題とされているので、本発明は、それを解決する一手段を開示する。
【0003】
【従来の技術】
例えば、半導体レーザは、過去20年程の間に着実に高性能化されてきたことは衆目の一致するところであり、その原動力となったのは、半導体レーザの発光部分として用いられている活性層の構成が進歩したことにある。
【0004】
1980年代初期には、活性層として、厚さが100〔nm〕以上もあるバルク材料が用いられていたが、1980年代半ばから、厚さ10〔nm〕の薄膜からなる量子井戸構造が用いられ、量子効果を利用するようになった。
【0005】
1990年代に入ると、量子井戸に意図的に歪みを導入した歪み量子井戸構造が実現され、これ等の技術進歩に依って、レーザ発振のしきい値電流は、100〔mA〕から1〔mA〕程度、即ち、約2桁も低減された。
【0006】
近年、更なる低しきい値電流化を達成する為、活性層を半導体量子ドットで構成する試みが盛んになりつつあり、そのような開発及び研究が可能になってきたのは、量子ドットをなす結晶を自己形成させる旨の新しい結晶成長技術が発見されて、実用になる量子ドットを比較的容易に成長させ得ることが理由になっている。
【0007】
量子ドットは、キャリヤを3次元的に狭い領域に閉じ込め、そのエネルギを完全に量子化する為に用いられるものであり、この性質を半導体レーザの活性層に利用することで、レーザ発振に寄与しない余分なキャリヤを低減させ、効率良く光学利得を発生させることが可能となるので、その結果、低しきい値電流化を達成することができるのである。
【0008】
量子ドットを作成する技術として、微傾斜基板上のステップを利用する方法、リソグラフィ技術及びエッチング技術を利用する方法、形状基板(段差基板)上の成長を利用する方法などが知られている。
【0009】
然しながら、前記各方法で作成した量子ドットは、
(1) 結晶品質が悪い
(2) サイズが大きく充分な量子効果が得られない
(3) 密度が低い
などの欠点があり、その為、期待したような高性能の半導体レーザを実現することはできなかった。
【0010】
然しながら、自己組織化に依る量子ドットの形成方法に依れば、半導体レーザの活性層として充分に実用可能な量子ドットを作成できるようになった。
【0011】
図7は量子ドットの自己組織化について定性的に説明する為の工程要所に於ける光半導体装置を表す要部切断側面図である。
【0012】
図7(A)参照
7−(1)
MOCVD(metalorganic chemical vapourdeposition)法或いはMBE(molecular beamepitaxy)法を適用することに依り、半導体基板1上に、その半導体とは格子不整合の半導体からなるウエッティング層(濡れ層)2を形成する。
【0013】
ウエッティング層2が1分子層或いは2分子層程度であれば、図示されているように、2次元的にエピタキシャル成長が起こる。
【0014】
図7(B)参照
7−(2)
ウエッティング層2は歪んでいるので、層内には歪みエネルギが蓄積された状態にあり、ここで、更に結晶を厚く堆積させた場合、歪みエネルギが増大して、図示されているようにクラスタ状の島3が生成される。
【0015】
このクラスタ状の島3は極めて小さいものであって、充分に量子ドットとしての特性を備えている。
【0016】
前記したような自己組織化量子ドットを多数含んでいる量子ドット層を活性層として用いることで半導体レーザを高性能化しようとする試みがなされている。
【0017】
図8は量子ドット層を活性層として用いた半導体レーザを表す要部切断側面図である。
【0018】
図に於いて、11はn型半導体基板、12はn側クラッド層、13は光閉じ込め層、14は量子ドット活性層、15は光閉じ込め層、16はp側クラッド層、17はキャップ層、18はp側電極、19はn側電極をそれぞれ示している。
【0019】
図9は図8について説明した半導体レーザに於ける量子ドット活性層を拡大して表した要部切断側面図であり、図8に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0020】
図に於いて、14A乃至14Dは量子ドット活性層14を構成する為の第1層目乃至第4層目の量子ドット層、21A乃至21Cは第1層目乃至第3層目の層間半導体層、Q1乃至Q4は第1層目乃至第4層目の量子ドットをそれぞれ示している。
【0021】
半導体レーザに於いて、レーザ発振を起こす為には、それに必要な光学利得がなければならず、その目的を達成する為、量子ドット活性層14に於いては、図示されているように、複数の量子ドット層を積層することが行なわれている。
【0022】
ところで、図9からも明らかであるが、量子ドット層14Aなどを積層形成した場合、
(1) 量子ドットQ1・・・・は縦方向に配列された状態になる
(2) 量子ドットQ1・・・・は積層された量子ドット層の表面側の層に含まれるものほど大きくなる
ことが知られている。
【0023】
前記(1)として挙げた量子ドットが縦方向に並ぶ点については、さしたる問題はないが、前記(2)に挙げた量子ドットの大きさが変わる点は半導体レーザに於いては問題である。
【0024】
即ち、各量子ドットの大きさが異なることは、それぞれの量子ドットに於ける発光エネルギが異なることを意味するので、共振器光モードへの光学利得の寄与が小さくなってしまうものであり、従って、レーザ発振のしきい値電流を低下させる目的を達成する為には、量子ドットの大きさは揃っていることが好ましい。
【0025】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、自己組織化量子ドットが生成されている層を多層に積層形成した場合、層内は勿論のこと、層を異にする量子ドットとの間であっても、大きさが揃うようにする。
【0026】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、自己組織化量子ドット層を積層形成した場合、積層数が増加する程、含まれる量子ドットが大きくなるのかを考察した。
【0027】
ここで、格子定数がasub である半導体基板上にasub に比較して大きい格子定数ae をもつ材料を結晶成長させる場合を考える。尚、格子定数がasub に比較して小さい材料についても全く同じ議論をすることができる。
【0028】
図1及び図2は本発明の光半導体装置を実現させるに際して行なった実験を解説する為の工程要所に於ける自己組織化量子ドット層を表す要部切断側面図である。
【0029】
図1(A)及び(B)は、量子ドット層を一層成長させた状態を表していて、21は半導体基板、22は第1層目ウエッティング層、23は第1層目量子ドット、24は層間半導体層、a1 は第1層目量子ドット23の頂点に於ける格子定数、a2 は第1層目ウエッティング層22の表面に於ける格子定数、a3 は第1層目量子ドット23の頂点上に在る層間半導体層24の表面に於ける格子定数、a4 は第1層目ウエッティング層22上に在る層間半導体層24の表面に於ける格子定数をそれぞれ示している。
【0030】
図1(A)に見られる量子ドット層に於いて、ウエッティング層22の表面に於ける格子定数a2 と量子ドット23の頂点に於ける格子定数a1 とは異なっていることに注意しなければならない。
【0031】
即ち、量子ドット23の頂点では歪みからかなり解放されて成長材料本来の格子定数に近い大きな格子定数になっているのであるが、ウエッティング層22は歪んでいて、表面は基板21と同じ面内格子定数(小さい)になっている。
【0032】
ここで、量子ドット23の頂点に於ける格子定数a1 は、
e >a1 >asub
であり、第1層目ウエッティング層22の表面に於ける格子定数a2 は、
2 =asub
である。
【0033】
図1(B)は、図1(A)について説明した量子ドット層の全面に基板21と同じ結晶からなる層間半導体層24を成長させた状態を表していて、表出されたウエッティング層22上に在る層間半導体層24の表面に於ける格子定数a4 は基板21の格子定数asub と等しいが、量子ドット23の頂点上に在る層間半導体層24の表面に於ける格子定数a3 は若干小さくはなるが基板21の格子定数asub と比較して大きい格子定数になっている。
【0034】
ここで、量子ドット23の頂点上に在る層間半導体層24の表面に於ける格子定数a3 は、
1 >a3 >asub
であり、第1層目ウエッティング層22上に在る層間半導体層24の表面に於ける格子定数a4 は、
4 =a2 =asub
である。
【0035】
図2(A)及び(B)は、図1について説明したように第1層目の量子ドット層を形成してから、第2層目の量子ドット層を成長させる工程を説明していて、25は第2層目ウエッティング層、25Aは成長核、26は第2層目量子ドットをそれぞれ示している。
【0036】
ところで、図1について説明した通り、量子ドット23の頂点上に在る層間半導体層24の表面に於ける格子定数a3 は、量子ドット23の頂点に於ける格子定数a1 に比較して若干小さくはなるが、基板21の格子定数asub と比較した場合、即ち、第1層目ウエッティング層22上に在る層間半導体層24の表面に於ける格子定数a4 と比較すると大きい格子定数になっていて、
e −a3 >ae −a4
である。
【0037】
その結果、一般的にはInAsである成長核25Aは、歪みエネルギが小さくなっている量子ドット23の頂点上に在る層間半導体層24の部分に生成され、そして、一旦成長核25Aが生成されれば、そこに第2層目量子ドット26が成長されることになり、これが、各量子ドット23、26・・・・が縦に並ぶ理由である。
【0038】
さて、第2層目量子ドット26は、下地、即ち、量子ドット23の頂点上に在る層間半導体層24の表面に於ける格子定数a3 との格子定数差が、第1層目量子ドット23に比較して小さく、
e −a3 <ae −asub
であり、従って、歪みエネルギも小さいので、より大きな量子ドット26が形成されることになるのである。
【0039】
従って、前記したようなプロセスを繰り返すと、量子ドット層の積層が上にゆくほど大きな量子ドットが生成される。
【0040】
この問題を解消して、量子ドットの大きさを揃える為には、ある量子ドット層を形成した後、全面に成長する層間半導体層の格子定数を小さくすれば良い筈であり、層間半導体層の格子定数をac とした場合、
c <asub
とすれば良い。
【0041】
図3及び図4は本発明の原理を解説する為の工程要所に於ける自己組織化量子ドット層を表す要部切断側面図である。
【0042】
図3(A)及び(B)は、量子ドット層を一層成長させてから層間半導体層を成長させた状態を表していて、31は半導体基板、32は第1層目ウエッティング層、33は第1層目量子ドット、34は層間半導体層、34Aは成長核、a5 は量子ドット33の頂点上に在る層間半導体層34の格子定数、a6 は第1層目ウエッティング層32上に在る層間半導体層34の表面に於ける格子定数をそれぞれ示している。尚、図3及び図4に於いても、図1及び図2に関する説明と同様、第1層目量子ドット33の頂点に於ける格子定数はa1 、第1層目ウエッティング層32に於ける格子定数はa2 であるとする。
【0043】
本発明では、層間半導体層34を構成する材料の格子定数をac とした場合、前記した通り、
c <asub
である材料を選択することが基本になっていて、その材料を用いた場合、量子ドット33の頂点上に在る層間半導体層34の表面に於ける格子定数a5 は、
3 >a5 >asub
であり、従って、層間半導体層34を構成する材料の格子定数ac の大きさを適切に選択することで、量子ドット33の頂点上に在る層間半導体層34の表面に於ける格子定数a5 を基板31の格子定数asub に近づけることができ、量子ドットに於けるサイズの増加を無視することができるほどに小さくすることが可能となる。
【0044】
この場合、第1層目ウエッティング層32上に在る層間半導体層34の表面に於ける格子定数a6 は、
6 =asub
となる。
【0045】
図4は、図3(A)及び(B)について説明した第1層目の量子ドット層を形成してから、第1層目の量子ドット層と同様にして、第2層目の量子ドット層を成長させる工程を表していて、35は第2層目ウエッティング層、36は第2層目量子ドット、Lは量子ドットの大きさをそれぞれ示している。
【0046】
図示されている通り、第1層目量子ドット33と第2層目量子ドット36の大きさLは殆ど同じであり、この状態は、量子ドット層を更に多層化しても変わりなく実現することができる。
【0047】
前記したところから、本発明の光半導体装置では、自己組織化量子ドットが形成された量子ドット層の複数が基板上に積層形成された積層体を有し、asub :基板(例えば半導体基板31:図3参照)の格子定数、ac :量子ドット層間の層間半導体層(例えば層間半導体層34:図3参照)の格子定数、ae :半導体材料の格子定数(ウエッティング層を構成する半導体材料そのものの格子定数)とした場合にac <asub <ae 或いはae <asub <ac であることを特徴とする。
【0048】
前記手段を採ることに依り、自己組織化量子ドットが生成されている層を多層に積層形成した場合、層内は勿論のこと、層を異にする量子ドットとの間であっても大きさを殆ど揃えることが可能になり、量子ドット層を活性層として低しきい値電流で発振する半導体レーザを構成するのに好適である。
【0049】
【発明の実施の形態】
図5及び図6は本発明に於ける一実施の形態である光半導体装置を製造する工程について説明する為の工程要所に於ける自己組織化量子ドット層を表す要部切断側面図である。以下、図を参照しつつ説明する。
【0050】
図5(A)参照
5−(1)
MOCVD法を適用することに依り、基板41上にウエッティング層42、第1層目量子ドット43を形成する。
【0051】
ここで、各半導体部分に関する主要なデータを例示すると次の通りである。
▲1▼ 基板41について
材料:GaAs
格子定数asub =5.6533〔Å〕
▲2▼ ウエッティング層42
材料:InAs
格子定数ae =6.0584〔Å〕
▲3▼ 第1層目量子ドット43について
材料:InAs
頂点の格子定数a1 :asub <a1 <ae
【0052】
図5(B)参照
5−(2)
MOCVD法を適用することに依り、第1層目量子ドット層上に層間半導体層44を形成する。
【0053】
層間半導体層44に関する主要なデータを例示すると次の通りである。
材料:GaAs0.7 0.3
格子定数ac :5.593〔Å〕
第1層目量子ドット43上に在る部分の表面に於ける格子定数a5
:asub に比較して僅かに大
第1層目ウエッティング層42上に在る部分の表面に於ける格子定数a6
:≒asub
従って、asub <a6 <a5 である。
【0054】
図6(A)参照
6−(1)
MOCVD法を適用することに依り、層間半導体層44上にウエッティング層を形成する為のソース・ガスを吹き付けると自然発生的に成長核44Aが生成される。
【0055】
図6(B)参照
6−(2)
引き続きMOCVD法を適用することに依り、層間半導体層44上に成膜を行なって、ウエッティング層45、第2層目量子ドット46を形成する。
【0056】
ここで、各半導体部分に関する主要なデータを例示すると次の通りである。
▲1▼ ウエッティング層45について
材料:InAs
格子定数ae =6.0584〔Å〕
厚さ:1分子層〜2分子層
▲2▼ 第2層目量子ドット46について
材料:InAs
頂点の格子定数a1 :asub <a1 <ae
【0057】
図示のように、第1層目量子ドット43と第2層目量子ドット46の大きさは殆ど同じであり、この状態は、量子ドット層を更に多層化しても変わりなく実現することができた。
【0058】
本発明では、前記実施の形態に限られることなく、他に多くの改変を実現することができる。
【0059】
例えば、前記実施の形態では、自己組織化量子ドットが形成された量子ドット層の複数を基板上に積層形成した積層体を半導体レーザに於ける活性層として用いることを例示したが、その他、該積層体を半導体光変調器や半導体光スイッチに於ける活性層として用いることができる。
【0060】
前記実施の形態では、基板にGaAs、量子ドットにInAs、量子ドット層間の層間半導体層にGaAsPを用いたが、この他、
▲1▼ 前記材料系で量子ドットにInGaAsを用いること、
▲2▼ 基板にGaAs、量子ドットにInGaAs或いはInAs、量子ドット層間の層間半導体層にInGaPを用いること、
▲3▼ 基板にGaAs、量子ドットにInGaAs或いはInAs、量子ドット層間の層間半導体層にInGaAsPを用いること、
▲4▼ 基板にGaAs、量子ドットにInGaAs或いはInAs、量子ドット層間の層間半導体層にAlAsPを用いること、
▲5▼ 基板にInP、量子ドットにInPAs或いはInAs、量子ドット層間の層間半導体層にInGaP或いはGaAsP或いはInGaAsP或いはAlAsPを用いること
ができる。
【0061】
【発明の効果】
本発明に依る光半導体装置に於いては、自己組織化量子ドットが形成された量子ドット層の複数が基板上に積層形成された積層体を有し、asub :基板の格子定数、ac :量子ドット層間の層間半導体層の格子定数、ae :半導体材料の格子定数(ウエッティング層を構成する半導体材料そのものの格子定数)とした場合にac <asub <ae 或いはae <asub <ac であることを特徴とする。
【0062】
前記構成を採ることに依り、自己組織化量子ドットが生成されている層を多層に積層形成した場合、層内は勿論のこと、層を異にする量子ドットとの間であっても大きさを殆ど揃えることが可能になり、量子ドット層を活性層として低しきい値電流で発振する半導体レーザを構成するのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光半導体装置を実現させるに際して行なった実験を解説する為の工程要所に於ける自己組織化量子ドット層を表す要部切断側面図である。
【図2】本発明の光半導体装置を実現させるに際して行なった実験を解説する為の工程要所に於ける自己組織化量子ドット層を表す要部切断側面図である。
【図3】本発明の原理を解説する為の工程要所に於ける自己組織化量子ドット層を表す要部切断側面図である。
【図4】本発明の原理を解説する為の工程要所に於ける自己組織化量子ドット層を表す要部切断側面図である。
【図5】本発明に於ける一実施の形態である光半導体装置を製造する工程について説明する為の工程要所に於ける自己組織化量子ドット層を表す要部切断側面図である。
【図6】本発明に於ける一実施の形態である光半導体装置を製造する工程について説明する為の工程要所に於ける自己組織化量子ドット層を表す要部切断側面図である。
【図7】量子ドットの自己組織化について定性的に説明する為の工程要所に於ける光半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図8】量子ドット層を活性層として用いた半導体レーザを表す要部切断側面図である。
【図9】図8について説明した半導体レーザに於ける量子ドット活性層を拡大して表した要部切断側面図である。
【符号の説明】
31 半導体基板
32 第1層目ウエッティング層
33 第1層目量子ドット
34 層間半導体層
34A 成長核
sub 格子定数
e 格子定数
c 格子定数
1 〜a6 格子定数
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improvement in an optical semiconductor device using a laminated body formed by multilayering layers in which self-assembled quantum dots are generated.
[0002]
At present, the self-assembled quantum dot layer is used as an active layer of a semiconductor laser, for example, and is an effective means for lasing with a low threshold current, but the size of the quantum dots is not uniform. Since the point is regarded as a problem, the present invention discloses a means for solving the problem.
[0003]
[Prior art]
For example, semiconductor lasers have been steadily improved in performance over the past 20 years or so, and the driving force is the active layer used as the light emitting part of the semiconductor laser. The structure of is advanced.
[0004]
In the early 1980s, a bulk material having a thickness of 100 nm or more was used as the active layer, but since the mid 1980s, a quantum well structure composed of a thin film having a thickness of 10 nm was used. , Began to use the quantum effect.
[0005]
In the 1990s, a strained quantum well structure in which strain is intentionally introduced into a quantum well is realized, and the laser oscillation threshold current is changed from 100 [mA] to 1 [mA depending on these technological advances. ], Ie, about two orders of magnitude.
[0006]
In recent years, in order to achieve further lower threshold current, attempts to construct the active layer with semiconductor quantum dots are becoming popular, and such development and research has become possible. The reason is that a new crystal growth technique for self-forming a formed crystal has been discovered, and a practical quantum dot can be grown relatively easily.
[0007]
Quantum dots are used to confine carriers in a three-dimensionally narrow region and fully quantize the energy. By utilizing this property for the active layer of a semiconductor laser, it does not contribute to laser oscillation. Since excess carriers can be reduced and optical gain can be generated efficiently, as a result, a low threshold current can be achieved.
[0008]
As a technique for creating quantum dots, a method using a step on a slightly inclined substrate, a method using a lithography technique and an etching technique, a method using growth on a shaped substrate (stepped substrate), and the like are known.
[0009]
However, the quantum dots created by the above methods are
(1) Poor crystal quality (2) Large size and sufficient quantum effect cannot be obtained (3) There are drawbacks such as low density. Therefore, to realize a high performance semiconductor laser as expected could not.
[0010]
However, according to the quantum dot formation method based on self-organization, it has become possible to produce a quantum dot that is sufficiently practical as an active layer of a semiconductor laser.
[0011]
FIG. 7 is a cut-away side view of an essential part showing an optical semiconductor device at a process point for qualitatively explaining self-organization of quantum dots.
[0012]
Refer to FIG. 7A. 7- (1)
A wet layer (wetting layer) 2 made of a semiconductor that is lattice-mismatched with the semiconductor is formed on the semiconductor substrate 1 by applying a MOCVD (Metalical Chemical Vapor Deposition) method or an MBE (Molecular Beampitity) method.
[0013]
If the wetting layer 2 is about one molecular layer or two molecular layers, epitaxial growth occurs two-dimensionally as shown.
[0014]
Refer to FIG. 7B. 7- (2)
Since the wetting layer 2 is distorted, strain energy is accumulated in the layer. Here, when a thicker crystal is deposited, the strain energy increases, and as shown in FIG. A shaped island 3 is generated.
[0015]
The cluster-like islands 3 are extremely small and have sufficient characteristics as quantum dots.
[0016]
Attempts have been made to improve the performance of semiconductor lasers by using, as an active layer, a quantum dot layer containing many self-assembled quantum dots as described above.
[0017]
FIG. 8 is a cutaway side view of a main part showing a semiconductor laser using a quantum dot layer as an active layer.
[0018]
In the figure, 11 is an n-type semiconductor substrate, 12 is an n-side cladding layer, 13 is a light confinement layer, 14 is a quantum dot active layer, 15 is a light confinement layer, 16 is a p-side cladding layer, 17 is a cap layer, Reference numeral 18 denotes a p-side electrode, and 19 denotes an n-side electrode.
[0019]
FIG. 9 is an enlarged side view of the principal part of the quantum dot active layer in the semiconductor laser described with reference to FIG. 8, and the same reference numerals as those used in FIG. It shall have meaning.
[0020]
In the figure, reference numerals 14A to 14D denote first to fourth quantum dot layers for constituting the quantum dot active layer 14, and 21A to 21C denote first to third interlayer semiconductor layers. , Q1 to Q4 indicate the first to fourth quantum dots, respectively.
[0021]
In order to cause laser oscillation in a semiconductor laser, it is necessary to have an optical gain necessary for it, and in order to achieve the purpose, the quantum dot active layer 14 has a plurality of as shown in the figure. The quantum dot layers are stacked.
[0022]
By the way, as is clear from FIG. 9, when the quantum dot layer 14A and the like are stacked,
(1) The quantum dots Q1... Are arranged in the vertical direction. (2) The quantum dots Q1... Are larger as they are included in the layer on the surface side of the stacked quantum dot layers. It has been known.
[0023]
There is no particular problem with respect to the point where the quantum dots listed as (1) are arranged in the vertical direction, but the point where the size of the quantum dots mentioned in (2) changes is a problem with semiconductor lasers.
[0024]
That is, the difference in the size of each quantum dot means that the light emission energy in each quantum dot is different, so that the contribution of the optical gain to the resonator optical mode is reduced. In order to achieve the purpose of reducing the threshold current of laser oscillation, it is preferable that the quantum dots have the same size.
[0025]
[Problems to be solved by the invention]
In the present invention, when a layer in which self-assembled quantum dots are generated is formed in multiple layers, the size is uniform not only within the layer but also between quantum dots of different layers. To.
[0026]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor considered whether the included quantum dots increase as the number of stacked layers increases when the self-assembled quantum dot layers are stacked.
[0027]
Here, consider a case where a material having a lattice constant a e larger than a sub is crystal-grown on a semiconductor substrate having a lattice constant a sub . The same argument can be made for a material having a smaller lattice constant than a sub .
[0028]
FIG. 1 and FIG. 2 are fragmentary cutaway side views showing a self-assembled quantum dot layer in a process essential point for explaining an experiment conducted in realizing the optical semiconductor device of the present invention.
[0029]
1A and 1B show a state in which a quantum dot layer is further grown, wherein 21 is a semiconductor substrate, 22 is a first layer wetting layer, 23 is a first layer quantum dot, 24 Is the interlayer semiconductor layer, a 1 is the lattice constant at the apex of the first layer quantum dot 23, a 2 is the lattice constant at the surface of the first wetting layer 22, and a 3 is the first layer quantum. shows the surface in the lattice constant of the interlayer semiconductor layer 24 located on the apex of the dots 23, a 4 is the in lattice constant on the surface of the interlayer semiconductor layer 24 overlying the first layer wetting layer 22, respectively Yes.
[0030]
Note that in the quantum dot layer shown in FIG. 1A, the lattice constant a 2 at the surface of the wetting layer 22 and the lattice constant a 1 at the apex of the quantum dot 23 are different. There must be.
[0031]
That is, the top of the quantum dot 23 is considerably free from strain and has a large lattice constant close to the original lattice constant of the growth material, but the wetting layer 22 is distorted and the surface is in the same plane as the substrate 21. The lattice constant is small.
[0032]
Here, the lattice constant a 1 at the vertex of the quantum dot 23 is
a e > a 1 > a sub
The lattice constant a 2 on the surface of the first wetting layer 22 is
a 2 = a sub
It is.
[0033]
FIG. 1B shows a state in which an interlayer semiconductor layer 24 made of the same crystal as the substrate 21 is grown on the entire surface of the quantum dot layer described with reference to FIG. The lattice constant a 4 on the surface of the interlayer semiconductor layer 24 located above is equal to the lattice constant a sub of the substrate 21, but the lattice constant a on the surface of the interlayer semiconductor layer 24 located on the vertex of the quantum dot 23. Although 3 is slightly smaller, the lattice constant is larger than the lattice constant a sub of the substrate 21.
[0034]
Here, the lattice constant a 3 on the surface of the interlayer semiconductor layer 24 on the top of the quantum dot 23 is
a 1 > a 3 > a sub
The lattice constant a 4 on the surface of the interlayer semiconductor layer 24 on the first wetting layer 22 is
a 4 = a 2 = a sub
It is.
[0035]
FIGS. 2A and 2B illustrate a process of growing the second quantum dot layer after forming the first quantum dot layer as described with reference to FIG. Reference numeral 25 denotes a second layer wetting layer, 25A denotes a growth nucleus, and 26 denotes a second layer quantum dot.
[0036]
By the way, as described with reference to FIG. 1, the lattice constant a 3 on the surface of the interlayer semiconductor layer 24 on the top of the quantum dot 23 is slightly larger than the lattice constant a 1 on the top of the quantum dot 23. Although smaller, when compared with the lattice constant a sub of the substrate 21, that is, when compared with the lattice constant a 4 on the surface of the interlayer semiconductor layer 24 on the first wetting layer 22, the lattice constant is large. And
a e −a 3 > a e −a 4
It is.
[0037]
As a result, the growth nucleus 25A, which is generally InAs, is generated in the portion of the interlayer semiconductor layer 24 on the top of the quantum dot 23 where the strain energy is small, and once the growth nucleus 25A is generated. Then, the second-layer quantum dots 26 are grown there, and this is the reason why the quantum dots 23, 26,.
[0038]
The second layer quantum dot 26 has a difference in lattice constant with the lattice constant a 3 on the surface of the interlayer semiconductor layer 24 on the base, that is, on the vertex of the quantum dot 23, so that the first layer quantum dot Smaller than 23,
a e −a 3 <a e −a sub
Therefore, since the strain energy is also small, a larger quantum dot 26 is formed.
[0039]
Therefore, when the process as described above is repeated, a larger quantum dot is generated as the quantum dot layer stacks upward.
[0040]
In order to solve this problem and to align the size of the quantum dots, it is necessary to reduce the lattice constant of the interlayer semiconductor layer grown on the entire surface after forming a certain quantum dot layer. If the lattice constant is a c ,
a c <a sub
What should I do?
[0041]
FIG. 3 and FIG. 4 are side sectional views showing the main part of the self-assembled quantum dot layer at the process points for explaining the principle of the present invention.
[0042]
FIGS. 3A and 3B show a state in which the quantum dot layer is grown one layer and then the interlayer semiconductor layer is grown, where 31 is the semiconductor substrate, 32 is the first wetting layer, and 33 is First layer quantum dots, 34 is an interlayer semiconductor layer, 34A is a growth nucleus, a 5 is a lattice constant of the interlayer semiconductor layer 34 on the top of the quantum dot 33, and a 6 is on the first wetting layer 32 The lattice constants on the surface of the interlayer semiconductor layer 34 in FIG. 3 and 4, the lattice constant at the apex of the first layer quantum dot 33 is a 1 , and the first layer wetting layer 32 is the same as described with reference to FIGS. 1 and 2. The lattice constant is assumed to be a 2 .
[0043]
In the present invention, when the lattice constant of the material constituting the interlayer semiconductor layer 34 is a c , as described above,
a c <a sub
When the material is used, the lattice constant a 5 on the surface of the interlayer semiconductor layer 34 on the top of the quantum dot 33 is
a 3 > a 5 > a sub
, And the thus, inter semiconductor layer 34 by appropriately selecting the size of the lattice constant a c of the material constituting the surface in the lattice constant of the interlayer semiconductor layer 34 located on the vertices of the quantum dots 33 a 5 can be made close to the lattice constant a sub of the substrate 31, and the increase in size in the quantum dots can be made small enough to be ignored.
[0044]
In this case, the lattice constant a 6 on the surface of the interlayer semiconductor layer 34 on the first wetting layer 32 is
a 6 = a sub
It becomes.
[0045]
FIG. 4 illustrates the second quantum dot layer formed in the same manner as the first quantum dot layer after the first quantum dot layer described with reference to FIGS. 3A and 3B is formed. The step of growing a layer is shown. 35 indicates a second-layer wetting layer, 36 indicates a second-layer quantum dot, and L indicates the size of the quantum dot.
[0046]
As shown in the figure, the size L of the first layer quantum dots 33 and the second layer quantum dots 36 are almost the same, and this state can be realized even if the quantum dot layer is further multilayered. it can.
[0047]
As described above, in the optical semiconductor device of the present invention, the optical semiconductor device has a stacked body in which a plurality of quantum dot layers in which self-assembled quantum dots are formed are stacked on a substrate, and a sub : substrate (for example, semiconductor substrate 31). : lattice constant of the reference Figure 3), a c: interlayer semiconductor layer of the quantum dot layers (e.g. interlayer semiconductor layer 34: lattice constant of the reference Figure 3), a e: lattice constant of the semiconductor material (semiconductor forming the wetting layer A c <a sub <a e or a e <a sub <a c .
[0048]
When the layers in which self-assembled quantum dots are generated are formed in multiple layers by adopting the above means, the size is not limited to the inside of the layers but also between the quantum dots of different layers. Therefore, it is preferable to construct a semiconductor laser that oscillates with a low threshold current using the quantum dot layer as an active layer.
[0049]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 5 and FIG. 6 are fragmentary cutaway side views showing a self-assembled quantum dot layer at a process point for explaining a process for manufacturing an optical semiconductor device according to an embodiment of the present invention. . Hereinafter, description will be given with reference to the drawings.
[0050]
Refer to FIG. 5A. 5- (1)
By applying the MOCVD method, the wetting layer 42 and the first layer quantum dots 43 are formed on the substrate 41.
[0051]
Here, main data regarding each semiconductor part is exemplified as follows.
(1) About substrate 41 Material: GaAs
Lattice constant a sub = 5.6533 [Å]
(2) Wetting layer 42
Material: InAs
Lattice constant a e = 6.058 [Å]
(3) About the first layer quantum dots 43 Material: InAs
Vertex lattice constant a 1 : a sub <a 1 <a e
[0052]
Refer to FIG. 5B. 5- (2)
By applying the MOCVD method, the interlayer semiconductor layer 44 is formed on the first quantum dot layer.
[0053]
Examples of main data regarding the interlayer semiconductor layer 44 are as follows.
Material: GaAs 0.7 P 0.3
Lattice constant a c : 5.593 [Å]
Lattice constant a 5 at the surface of the portion on the first layer quantum dot 43
: Slightly larger than a sub Lattice constant a 6 on the surface of the portion on the first wetting layer 42
: ≒ a sub
Therefore, a sub <a 6 <a 5 .
[0054]
Refer to FIG. 6 (A) 6- (1)
By applying the MOCVD method, when the source gas for forming the wetting layer is sprayed on the interlayer semiconductor layer 44, the growth nucleus 44A is generated spontaneously.
[0055]
Refer to FIG. 6 (B) 6- (2)
Subsequently, a film is formed on the interlayer semiconductor layer 44 by applying the MOCVD method, and the wetting layer 45 and the second-layer quantum dots 46 are formed.
[0056]
Here, main data regarding each semiconductor part is exemplified as follows.
(1) About the wetting layer 45 Material: InAs
Lattice constant a e = 6.058 [Å]
Thickness: 1 molecular layer to 2 molecular layer (2) About the second layer quantum dot 46 Material: InAs
Vertex lattice constant a 1 : a sub <a 1 <a e
[0057]
As shown in the figure, the first layer quantum dots 43 and the second layer quantum dots 46 are almost the same size, and this state can be realized without change even if the quantum dot layer is further multilayered. .
[0058]
The present invention is not limited to the above embodiment, and many other modifications can be realized.
[0059]
For example, in the above-described embodiment, the multilayer body in which a plurality of quantum dot layers in which self-assembled quantum dots are formed is stacked on a substrate is used as an active layer in a semiconductor laser. The laminate can be used as an active layer in a semiconductor optical modulator or a semiconductor optical switch.
[0060]
In the above embodiment, GaAs is used for the substrate, InAs is used for the quantum dots, and GaAsP is used for the interlayer semiconductor layer between the quantum dots.
(1) InGaAs is used for quantum dots in the material system,
(2) Use GaAs for the substrate, InGaAs or InAs for the quantum dots, and InGaP for the interlayer semiconductor layer between the quantum dots.
(3) Use GaAs for the substrate, InGaAs or InAs for the quantum dots, and InGaAsP for the interlayer semiconductor layer between the quantum dots.
(4) Use GaAs for the substrate, InGaAs or InAs for the quantum dots, and AlAsP for the interlayer semiconductor layer between the quantum dots.
(5) InP can be used for the substrate, InPAs or InAs for the quantum dots, and InGaP, GaAsP, InGaAsP, or AlAsP can be used for the interlayer semiconductor layer between the quantum dots.
[0061]
【The invention's effect】
In the optical semiconductor device according to the present invention, a plurality of quantum dot layers in which self-assembled quantum dots are formed has a laminate formed on a substrate, a sub : lattice constant of the substrate, a c : Lattice constant of the interlayer semiconductor layer between the quantum dot layers, a e : lattice constant of the semiconductor material (lattice constant of the semiconductor material itself constituting the wetting layer) a c <a sub <a e or a e < characterized in that it is a a sub <a c.
[0062]
When the layers in which self-assembled quantum dots are generated are formed in multiple layers by adopting the above configuration, the size is not limited to the inside of the layer, but also between the quantum dots of different layers. Therefore, it is preferable to construct a semiconductor laser that oscillates with a low threshold current using the quantum dot layer as an active layer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cutaway side view of a principal part showing a self-assembled quantum dot layer in a process essential point for explaining an experiment conducted when realizing an optical semiconductor device of the present invention.
FIG. 2 is a cut-away side view of a main part showing a self-assembled quantum dot layer in a process key point for explaining an experiment conducted when realizing an optical semiconductor device of the present invention.
FIG. 3 is a cut-away side view of a principal part showing a self-assembled quantum dot layer at a process point for explaining the principle of the present invention.
FIG. 4 is a cut-away side view of a principal part showing a self-assembled quantum dot layer at a process point for explaining the principle of the present invention.
FIG. 5 is a cut-away side view of a main part showing a self-assembled quantum dot layer at a process point for explaining a process for manufacturing an optical semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cutaway side view of a principal part showing a self-assembled quantum dot layer at a process point for explaining a process for manufacturing an optical semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cut-away side view of an essential part showing an optical semiconductor device at a process point for qualitatively explaining self-organization of quantum dots.
FIG. 8 is a cutaway side view of a main part showing a semiconductor laser using a quantum dot layer as an active layer.
FIG. 9 is an enlarged side view of a principal part showing an enlarged quantum dot active layer in the semiconductor laser described with reference to FIG. 8;
[Explanation of symbols]
31 semiconductor substrate 32 first layer wetting layer 33 first layer quantum dot 34 interlayer semiconductor layer 34A growth nucleus a sub lattice constant a e lattice constant a c lattice constant a 1 to a 6 lattice constant

Claims (1)

自己組織化量子ドットが形成された量子ドット層の複数が基板上に積層形成された積層体を有し、
sub :基板の格子定数
c :量子ドット層間の層間半導体層の格子定数
e :ウエッティング層を構成する半導体材料そのものの格子定数
とした場合に
c <asub <ae 或いはae <asub <ac
であることを特徴とする光半導体装置。
A plurality of quantum dot layers in which self-assembled quantum dots are formed have a laminate in which the substrate is laminated on the substrate,
a sub : lattice constant of the substrate a c : lattice constant of the interlayer semiconductor layer between the quantum dot layers a e : lattice constant of the semiconductor material itself constituting the wetting layer a c <a sub <a e or a e <A sub < ac
An optical semiconductor device characterized by the above.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4583726B2 (en) * 2003-05-23 2010-11-17 富士通株式会社 Quantum semiconductor device and manufacturing method thereof
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EP1709690A4 (en) * 2004-01-20 2009-03-11 Cyrium Technologies Inc Solar cell with epitaxially grown quantum dot material
JP2006261589A (en) * 2005-03-18 2006-09-28 Furukawa Electric Co Ltd:The Optical semiconductor device, manufacturing method thereof, and laser module
JP4762202B2 (en) * 2007-06-28 2011-08-31 株式会社東芝 Semiconductor quantum dot device, manufacturing method thereof, optical switch, semiconductor laser, and photodetector
JP2007318164A (en) * 2007-07-17 2007-12-06 Univ Of Tsukuba Semiconductor device, and method of manufacturing the same
US20110290311A1 (en) 2009-02-09 2011-12-01 Yoshiki Fukada Solar cell
JP6195305B2 (en) * 2013-12-17 2017-09-13 富士通株式会社 Optical semiconductor device and method for manufacturing optical semiconductor device

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3468866B2 (en) * 1994-09-16 2003-11-17 富士通株式会社 Semiconductor device using three-dimensional quantum confinement
JPH09260779A (en) * 1996-03-22 1997-10-03 Nec Corp Semiconductor surface emission laser and manufacturing method thereof
JP3672678B2 (en) * 1996-04-05 2005-07-20 富士通株式会社 Quantum semiconductor device and manufacturing method thereof

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