JP4652712B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、量子ナノ構造を有する半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device having a quantum nanostructure.
近年、インターネットをはじめとする様々なマルチメディアの普及に伴い、データトラヒックの増大が問題となっている。そこで、その問題を解決すべく、WDM(波長多重伝送)システムがめざましい発展を遂げ普及している。 In recent years, with the spread of various multimedia including the Internet, an increase in data traffic has become a problem. Therefore, in order to solve the problem, WDM (wavelength multiplex transmission) systems have made remarkable development and become widespread.
WDMシステムでは、複数の光信号をそれぞれ異なる波長に乗せて伝送することにより1本のファイバで従来の100倍にも及ぶ大容量伝送を実現している。特に既存のWDMシステムは、エルビウム添加ファイバアンプ(以下、EDFAという)やラマンアンプ等の光ファイバアンプを用いることにより広帯域・長距離伝送を可能としている。 In the WDM system, a plurality of optical signals are transmitted on different wavelengths, respectively, thereby realizing a large capacity transmission that is 100 times as large as that of a conventional fiber. In particular, the existing WDM system enables broadband and long-distance transmission by using an optical fiber amplifier such as an erbium-doped fiber amplifier (hereinafter referred to as EDFA) or a Raman amplifier.
ここで、EDFAは、エルビウムという元素を添加した光ファイバに、波長1480nm帯の光、あるいは波長980nmの励起レーザで励起した際に伝送信号である波長1550nm帯の光を通すことにより、これらの光が前記光ファイバの中で増幅されるという原理を応用した光ファイバアンプである。 Here, the EDFA transmits these light by passing light having a wavelength of 1480 nm or light having a wavelength of 1550 nm, which is a transmission signal when excited by an excitation laser having a wavelength of 980 nm, through an optical fiber to which an element called erbium is added. Is an optical fiber amplifier that applies the principle that is amplified in the optical fiber.
また、ラマンアンプは、EDFAのようにエルビウム添加ファイバといった特殊な光ファイバを必要とせずに、通常の伝送路ファイバを利得媒体とする光ファイバアンプであり、従来のEDFAを用いることを前提としたWDMシステムに比べて広帯域で平坦な利得を有する伝送帯域を実現することができるという特徴を有している。 The Raman amplifier is an optical fiber amplifier that uses a normal transmission line fiber as a gain medium without using a special optical fiber such as an erbium-doped fiber like an EDFA, and is based on the assumption that a conventional EDFA is used. Compared to a WDM system, it has a feature that a transmission band having a wide band and a flat gain can be realized.
前記WDMシステムの安定性向上や中継数の低減を実現するためには、前述した光ファイバアンプには、水平単一横モードで安定動作する高出力の半導体励起光源(励起レーザ)が必要となる。
一方、WDMシステムの信号光源においては、狭線幅で高速変調可能な単一モード発振する半導体信号光源(信号レーザ)が大容量・長距離伝送する上で必要となる。
このように、現在の光ファイバ通信システムにおいては、半導体レーザは、必要不可欠なデバイスである。特に、量子井戸構造、好適には複数の量子井戸とバリア層で構成された多重量子井戸構造(MQW構造:Multi-Quantum Well構造)を活性層として有する埋め込みヘテロ(BH)型半導体レーザは安定した水平単一モードを実現するという点で有効であり、実際に、これらの構造を有した半導体レーザをパッケージした半導体レーザモジュールが光ファイバアンプの半導体励起光源やWDMシステムの半導体信号光源として用いられている。
In order to improve the stability of the WDM system and reduce the number of relays, the optical fiber amplifier described above requires a high-power semiconductor pumping light source (pumping laser) that operates stably in the horizontal single transverse mode. .
On the other hand, in a signal light source of a WDM system, a semiconductor signal light source (signal laser) capable of single-mode oscillation capable of high-speed modulation with a narrow line width is required for large capacity and long distance transmission.
Thus, in the current optical fiber communication system, the semiconductor laser is an indispensable device. In particular, a buried hetero (BH) type semiconductor laser having a quantum well structure, preferably a multiple quantum well structure (MQW structure: Multi-Quantum Well structure) composed of a plurality of quantum wells and barrier layers as an active layer is stable. It is effective in realizing a horizontal single mode. In fact, a semiconductor laser module packaged with a semiconductor laser having these structures is used as a semiconductor pump light source for an optical fiber amplifier or a semiconductor signal light source for a WDM system. Yes.
半導体レーザの高出力化を実現する技術として、活性層を多重量子井戸(MQW)構造、特に歪MQW構造で形成することが知られている。MQW構造は、半導体材料で作成された井戸層とバリア層が交互にヘテロ接合されることで実現され、特に各へテロ接合において、バリア層は、井戸層よりも広いバンドギャップエネルギーを有している。また、歪MQW構造は、井戸層の半導体材料の格子定数と半導体基板の格子定数が異なる構造であり、一層の高性能化が可能であることが知られている。 As a technique for realizing high output of a semiconductor laser, it is known to form an active layer with a multiple quantum well (MQW) structure, particularly a strained MQW structure. The MQW structure is realized by alternately heterojunction of a well layer and a barrier layer made of a semiconductor material, and in each heterojunction, the barrier layer has a wider band gap energy than the well layer. Yes. Further, the strained MQW structure is a structure in which the lattice constant of the semiconductor material of the well layer is different from the lattice constant of the semiconductor substrate, and it is known that higher performance can be achieved.
ここで、発振閾値の大幅な低減、レーザ発振特性の温度特性改善などの特性改善には量子井戸活性層に量子細線、量子ドット構造といったナノオーダーの2次元あるいは3次元構造の量子ナノ構造を用いることが有効であると発表されている。これは、電子あるいは正孔といったキャリアが2次元あるいは3次元ポテンシャルに閉じ込められることによって、量子サイズ効果が生じ、状態密度が特定の離散順位に局在化あるいは先鋭化することに起因する。また近年、量子ドット構造をSK(Stranski−Krastanow)モードによる自然形成現象、すなわち、結晶の歪エネルギーを利用して、結晶成長中の自己組織化現象を用いた形成方法が活発に研究されている。(非特許文献1参照) Here, in order to improve characteristics such as significantly reducing the oscillation threshold and improving the temperature characteristics of the laser oscillation characteristics, the quantum well active layer uses quantum nanostructures of nano-order two-dimensional or three-dimensional structures such as quantum wires and quantum dot structures. Has been announced to be effective. This is due to the fact that carriers such as electrons or holes are confined in a two-dimensional or three-dimensional potential, thereby producing a quantum size effect, and the state density is localized or sharpened to a specific discrete order. In recent years, a method of forming a quantum dot structure using a SK (Stranski-Krastanow) mode, that is, a self-organization phenomenon during crystal growth using the strain energy of the crystal has been actively studied. . (See Non-Patent Document 1)
非特許文献1には、分子線エピタキシー(MBE)を用いたSK成長による量子ドットの形成過程が開示されている。具体的には、以下のことが開示されている。すなわち、GaAs(001)基板上にInAsからなる量子ドット構造を形成する場合、基板上のInAsの堆積量が1ML(分子層)の時、層状成長が行われウェッティング層というある程度基板からのGa原子を含んだGaInAs層が形成される。ついで堆積量が増えて1.7ML程度になると、該ウェッティング層上に3次元のInAs島が出現し、量子ドットが形成される。さらに、堆積量が増えて2.2ML以上に達すると、各量子ドット同士が接触するようになる。
Non-Patent
しかしながら、かかる作製方法では、量子ドットの位置制御が困難であり、無秩序な配置をすることや形成される量子ドットの形状のばらつきが大きい。これらにより、状態密度も揺らぐことになり、レーザの発振時の光学利得スペクトルが非常に広帯域なスペクトルになり、量子サイズ効果が十分に発現しないといった問題がある。 However, in such a manufacturing method, it is difficult to control the position of the quantum dots, resulting in disordered arrangement and large variations in the shape of the formed quantum dots. As a result, the density of states also fluctuates, the optical gain spectrum at the time of laser oscillation becomes a very wide spectrum, and the quantum size effect is not sufficiently exhibited.
また、量子ドット構造では十分な光学利得を得るために密度を大きくすることが必要であるが、単層量子ドット構造では、量子ドットの面密度、すなわち、面内におけるドットの充填率が小さくなるために十分な光学利得を得ることが困難である。
このため、従来の量子ドット構造では、密度を大きくするために多層化が不可欠であるが、量子ドットに蓄積される歪エネルギーにより良質な結晶を維持した状態で多層化できる量子ドットの層数が制限され、結果として十分な光学利得を得ることが困難である。
In addition, in the quantum dot structure, it is necessary to increase the density in order to obtain a sufficient optical gain, but in the single-layer quantum dot structure, the surface density of the quantum dots, that is, the dot filling rate in the surface is reduced. Therefore, it is difficult to obtain a sufficient optical gain.
For this reason, in the conventional quantum dot structure, multilayering is indispensable for increasing the density. However, the number of quantum dots that can be multilayered while maintaining a high-quality crystal due to the strain energy accumulated in the quantum dots. As a result, it is difficult to obtain sufficient optical gain.
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであって、量子ドットの位置が制御された、高密度の量子ドット等の量子ナノ構造を用いることにより、半導体レーザの高出力化、閾値動作、低消費電力駆動や、受光素子の受光感度改善などのといった性能が改善された半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and by using a quantum nanostructure such as a high-density quantum dot in which the position of the quantum dot is controlled, the output of the semiconductor laser is increased, the threshold operation is reduced. An object of the present invention is to provide a semiconductor device with improved performance such as power consumption driving and improvement of light receiving sensitivity of a light receiving element.
請求項1に係る発明は、少なくとも半導体基板と組成あるいはバンドギャップの異なる2
種類以上の量子ナノ構造を含む導波路層あるいは吸収層を有する半導体装置であって、前
記量子ナノ構造を構成する各々の量子ナノ構造の格子定数は、前記半導体基板の格子定数
に対して正負が異なっており、前記量子ナノ構造は(100)面方位から<011>方向
に傾斜した結晶面方位を有する層構造上に形成されており、前記量子ナノ構造が形成され
る層の表面には、前記傾斜した結晶面方位により形成されたステップと、<011>方向
に形成されたストライプとを有し、前記量子ナノ構造は前記ステップと前記ストライプの
交わる領域であって、前記ストライプが半導体層によって形成されている場合には、該半
導体層上に形成され、前記ストライプが誘電体マスクによって形成されている場合には、
該誘電体マスクが形成されていない領域に形成されていることを特徴とする。
According to the first aspect of the present invention, at least two compositions or band gaps different from those of the semiconductor substrate are used.
A semiconductor device having a waveguide layer or an absorption layer including more than one type of quantum nanostructure, wherein the lattice constant of each quantum nanostructure constituting the quantum nanostructure is positive or negative with respect to the lattice constant of the semiconductor substrate. The quantum nanostructure is formed on a layer structure having a crystal plane orientation inclined in the <011> direction from the (100) plane orientation, and the surface of the layer on which the quantum nanostructure is formed has A step formed by the inclined crystal plane orientation; and a stripe formed in a <011> direction, wherein the quantum nanostructure is a region where the step and the stripe intersect, and the stripe is formed by a semiconductor layer. If formed, the half
When formed on a conductor layer and the stripe is formed by a dielectric mask,
The dielectric mask is formed in a region where it is not formed.
請求項3に係る発明は、量子ナノ構造が少なくとも、量子ドット、量子箱、量子ダッシュ
のいずれ一つを含むことを特徴とする。
The invention according to claim 3 is characterized in that the quantum nanostructure includes at least one of a quantum dot, a quantum box, and a quantum dash.
請求項4に係る発明は、量子ナノ構造が結晶成長中の自己形成あるいは自己組織化現象に
より形成されることを特徴とする。
The invention according to
請求項2に係る発明は、量子ナノ構造が形成される層は、前記半導体基板の格子定数より
も大きい格子定数を有する領域には圧縮歪みを有する量子ナノ構造を有し、前記半導体基
板の格子定数よりも小さい格子定数を有する領域には引張り歪みを有する量子ナノ構造を
有することを特徴とする。
In the invention according to
The region having a larger lattice constant has a quantum nanostructure having compressive strain, and the semiconductor substrate
The region having a lattice constant smaller than that of the plate has a quantum nanostructure having tensile strain .
請求項5に係る発明は、量子ナノ構造の結晶面方位が(n11)である層構造上に形成される
ことを特徴とする。
The invention according to
請求項6に係る発明は、半導体基板の面方位が(n11)であること特徴とする。
The invention according to claim 6 is characterized in that the surface orientation of the semiconductor substrate is (n11).
請求項7に係る発明は、電流注入により発光することを特徴とする。
The invention according to claim 7 emits light by current injection.
本発明によれば、高密度の量子ナノ構造を有する半導体装置を実現できる。特に高密度の量子ナノ構造を半導体レーザ等の光能動素子の導波路層として、または変調器等の光受動素子の吸収層として機能する活性層に適用できる。このような活性層を有する半導体装置は、発振閾値の大幅な低減、高出力動作、低消費電力動作、発振特性の温度特性を改善することが出来る。 According to the present invention, a semiconductor device having a high-density quantum nanostructure can be realized. In particular, a high-density quantum nanostructure can be applied to an active layer that functions as a waveguide layer of an optical active device such as a semiconductor laser or an absorption layer of an optical passive device such as a modulator. A semiconductor device having such an active layer can significantly reduce the oscillation threshold, improve the high output operation, reduce the power consumption, and improve the temperature characteristics of the oscillation characteristics.
以下に、本発明にかかる半導体装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1は、本発明に関わる半導体装置、具体的には半導体レーザ装置の断面図である。 Embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to the present invention, specifically, a semiconductor laser device.
図1に示す半導体レーザ装置は、半導体基板1上に、下クラッド層2A、下SCH層3A、活性層4、上SCH層3B、上クラッド層2B、コンタクト層5を有している。また、前記コンタクト層5上には電極6Aが、半導体基板1の前記下クラッド層2Aを形成した面とは反対側の面に電極6Bが形成されている。
The semiconductor laser device shown in FIG. 1 has a
また、前記活性層4は、量子ドット層100とバリア層101により形成されている。さらに、該量子ドット層100はウエッティング層100A−1と量子ドット100A−2からなる量子ドット領域100Aと該量子ドット領域100Aとは組成の異なる量子ドット100Bにより構成されている。
The
一般に、量子ドット層では、層の表面の面内における量子ドットの充填率が通常に用い
られる量子薄膜構造よりも小さくなるために活性層に適用するには多層化することが好ま
しいと考えてられる。本実施の形態では、組成の異なる2種類の量子ドット領域100A
、量子ドット100Bを形成した後に、バリア層を形成するため、量子ドット層一層当た
りに占める量子ドットの占有率は、従来構造よりも大きくなる。また、バリア層101を
形成する前に、第1の量子ドット領域100Aの量子ドット100A−2の間を、第2の
量子ドット100Bで埋め込むようにしているので、結晶欠陥に起因する転位を抑制でき
る。
In general, in the quantum dot layer, the quantum dot filling rate in the surface of the layer is smaller than that of a commonly used quantum thin film structure. . In the present embodiment, two types of
Since the barrier layer is formed after the
また、前記量子ドット領域100Aの格子定数を半導体基板に対して正、前記量子ドッ
ト100Bの格子定数を半導体基板1の格子定数に対して負とすることで、面内方向での
結晶歪を補償するように構成することが可能となる。これにより、従来の量子ドットと比
較して、多層化しても結晶欠陥や転移の少ない結晶性に優れた量子ドット構造を実現する
ことができる。なお、正負の関係が逆、すなわち前記量子ドット領域100Aの格子定数
を半導体基板に対して負、前記量子ドット100Bの格子定数を半導体基板1の格子定数
に対して正としても良い。
The positive grid constants of the
また、前記量子ドット領域100A及び量子ドット100Bの組成波長を制御することにより、発振波長と光利得の波長帯域だけでなく、キャリアの閉じ込めも制御できる。
Further, by controlling the composition wavelength of the
すなわち、両者の組成波長の差が大きいときは、組成波長が小さい量子ドットは、面内方向における障壁として機能し、面内方向への光閉じ込めに加えて、組成波長の大きい量子ドットに注入キャリアを集中することができる。 In other words, when the difference between the two composition wavelengths is large, the quantum dots with the small composition wavelength function as a barrier in the in-plane direction, and in addition to the light confinement in the in-plane direction, the injected carriers are injected into the quantum dots with the large composition wavelength. Can concentrate.
一方、両者の組成波長の差が小さい時は、組成波長が小さい量子ドットへもキャリア注入がなされ、2つの量子ドットは井戸層として機能するため、広い波長範囲で、光利得を有することを特徴とする半導体レーザ装置を構成することができる。 On the other hand, when the difference in composition wavelength between the two is small, carriers are also injected into quantum dots with a small composition wavelength, and the two quantum dots function as well layers, so they have optical gain over a wide wavelength range. The semiconductor laser device can be configured.
ここで、本実施の形態例においては活性層4の最下層のバリア層101が下地層を兼ね
ている。下地層は所望の波長を実現するために量子ドットのサイズ及び形状を制御するた
めに設けられるが、最下層のバリア層とは独立させて前記活性層4と前記下部SCH層3
Aの間に形成することができる。また該下地層は、活性層4中に形成することもできる。
この場合には、バリア層101とウエッティング層100A−1の間に下地層を形成する
ことが好ましい。なお、下地層を複数の箇所に形成することも可能である。
Here, in the present embodiment, the
A can be formed between A. The underlying layer may also be formed in the
In this case, it is preferable to form an underlayer between the
なお、前記下地層を歪層にすることにより量子ドットのサイズ及び形状を制御することが可能となる。その結果、半導体レーザ装置の発光波長の制御領域を広くすることができる。 It should be noted that the size and shape of the quantum dots can be controlled by using the underlying layer as a strained layer. As a result, the control region of the emission wavelength of the semiconductor laser device can be widened.
特に、前記量子ドット領域100Aの格子定数を半導体基板に対して正(負)、前記量
子ドット100Bの格子定数を半導体基板1の格子定数に対して負(正)とした場合に下
地層102面内に、半導体基板1に対して格子定数が正負に変化する歪補償構造を用いる
と以下のような効果を得ることができる。すなわち半導体基板1の格子定数よりも大きい
格子定数を有する下地層(圧縮歪みを有する下地層)の領域には圧縮歪みを有する量子ド
ットを、半導体基板1の格子定数よりも小さい格子定数を有する下地層(引張り歪みを有
する下地層)の領域には引張り歪みを有する量子ドットを優先的に形成することができる
。このようにして、量子ドットの位置をより正確に制御することができる。
In particular, the positive grid constants of the
これは、量子ドットは量子ドットに蓄えられる歪みエネルギーがもっとも小さくなるように形成されるためである。例えば、圧縮歪みを有する量子ドットは、引張り歪みを有する下地層の領域に成長するよりも圧縮歪みを有する下地層の領域に成長した方が、ドットに蓄積される歪みエネルギーが小さくなる。 This is because the quantum dots are formed so that the strain energy stored in the quantum dots is minimized. For example, a quantum dot having compressive strain has a smaller strain energy accumulated in the dot when grown in the region of the underlayer having compressive strain than in the region of the underlayer having tensile strain.
本実施例にかかる半導体レーザ装置について説明する。図2は、本実施例にかかる半導
体レーザ装置の断面図である。ここで、図2(a)は、長手方向の縦断面図を示し、図2
(b)は、光出射面に平行な断面図を示す。本実施例にかかる半導体レーザ装置は、n型
InP半導体基板1上に、n型の下部クラッド層2A、アンドープの下部SCH(光閉じ
込め)層3A、活性層4、アンドープの上部SCH(光閉じ込め層)3B、p型の上部I
nPクラッド層2B、p型のGaInAsPコンタクト層5が順に積層された構造である
。これらの層は、例えばMOCVDやMBEのようなエピタキシー結晶成長技術によってn
型InP半導体基板1上に順に形成される。
The semiconductor laser device according to this example will be described. FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor laser device according to this example. Here, FIG. 2 (a) shows a longitudinal sectional view of the longitudinal direction, FIG. 2
(b) shows sectional drawing parallel to a light-projection surface. The semiconductor laser device according to this example includes an n-type
The
It is formed in order on the type
また、n型の下部電極6Bがn型InP半導体基板1の下側表面に形成され、p型の上
部電極6Aがコンタクト層5上に形成される。図2(b)に示すp型の半導体層8とn型
の半導体層9は電流ブロッキング層を形成している。前記p型の半導体層8とn型の半導
体層9はフォトリソグラフィ技術とエッチングプロセスで形成されたメサ構造(前記下部
光閉じ込め層3A、活性層4、上部光閉じ込め層3B)の隣接領域に形成される。前記電
流ブロッキング層の存在によって、活性層4は注入電流に対する狭窄領域として機能する
とともに、安定した水平単一横モードを実現する。なお、安定した水平単一モードが実現
することが可能であれば、メサの形状はテーパー状であっても良いし、メサ幅の異なる複
数のメサを有する形状であっても良い。さらに、本発明では、より安定した水平単一モー
ドを実現するためにBH構造を用いているが、横モードが制御されていれば、リッジ構造
やSAS(自己整合型)構造であっても良い。
An n-type
さらに、図2(a)に示すように、この半導体レーザ装置は、光が出射される面でありか
つ劈開面で形成される前端面とそれに対向した劈開面で形成される後端面とによって共振
器長Lが規定される。前端面上には、共振器の前面からの光出射が容易となるように、低
反射膜11が被覆されており、後端面上には後面からの光出射が抑制されるように高反射
膜12が被覆される。
Furthermore, as shown in FIG. 2 (a), the semiconductor laser device, the resonance by the rear end face of the light is formed by the front end face and the cleave plane opposed thereto formed in it and the cleavage plane at the surface is emitted A device length L is defined. A
ここで、本実施例では高出力動作を実現するために共振器長を1300μmとしたが、高出力動作と言う観点からは800μm以上、好適には1000μm以上、より好適には1500μm以上であることが望ましい。一方、信号光源用途などの低閾値動作及び高速変調動作が要求されるレーザでは、共振器長は400μm以下、より好適には300μm以下であることが望ましい。このように共振器長は、レーザモジュールの所望の光出力、消費電力、動作電流といった仕様から最適な共振器長が決定される。 Here, in this embodiment, the resonator length is set to 1300 μm in order to realize high output operation, but from the viewpoint of high output operation, it is 800 μm or more, preferably 1000 μm or more, and more preferably 1500 μm or more. Is desirable. On the other hand, in a laser that requires low threshold operation and high-speed modulation operation such as signal light source use, the resonator length is desirably 400 μm or less, and more desirably 300 μm or less. As described above, the optimum resonator length is determined from specifications such as a desired optical output, power consumption, and operating current of the laser module.
また高出力動作を実現するには、共振器長だけではなく、低反射膜11の反射率を共振器長に応じて最適化することが好ましい。例えば共振器長が1000μm以上である半導体レーザ装置では、低反射膜は5%以下、より好適には3%以下が望ましい。本実施例では、共振器長を1300μmとしたので低反射膜11の反射率を1.5%とした。なお、共振器長が1000μm以上であってファイバブラッググレーティング等の外部共振器が具備される場合は、その反射率を1%以下とすることが望ましい。一方、高反射膜12の反射率は、光出力動作のためには90%以上が望ましいが、本実施例では98%とした。
In order to realize a high output operation, it is preferable to optimize not only the resonator length but also the reflectance of the low
ここで、活性層4は、量子ドット構造を含む多重量子井戸(MQW)構造であり、その活性層4を挟むように配置されたSCH層3A、3Bは、GRIN−SCH構造である。
図3に、本実施例の半導体レーザ装置の下部クラッド層2Aから上部クラッド層2Bの伝導帯と価電子帯との間のバンドギャップダイヤグラム、すなわち、積層方向におけるエネルギーバンドギャップダイアグラムを示す。図3に示すように、活性層4は量子ドット層100とバリア層101が交互に隣接してヘテロ接合され、該活性層4は3つの井戸を有するMQW構造で形成されている。
Here, the
FIG. 3 shows a band gap diagram between the conduction band and the valence band of the
図3に示すように、SCH層3A、3Bはそれぞれ、活性層4から離れるにつれて各層のバンドギャップエネルギーが階段状に増加する複数の層3A1、3A2、・・・、3Anと3B1,3B2、・・・、3Bnを有したGRIN−SCH構造である。
本実施例では、活性層4のバリア層101の組成波長を1.2μmとし、GaInAsPからなるSCH層3A、3Bをそれぞれ各層の厚さが40nmの組成波長0.95μm、1.0μm、1.05μm、1.1μm、1.15μm、1.2μmからなる層で形成した。
As shown in FIG. 3, each of the SCH layers 3A and 3B has a plurality of
In the present embodiment, the composition wavelength of the
また、SCH層3A、3Bのそれぞれの厚み(全体)は、200nm以下、好適には100nm以下、より好適には30〜40nmとすることが望ましく、要求される光出力や、閾値電流の仕様に応じて最適化される。 Further, it is desirable that the thickness (total) of each of the SCH layers 3A and 3B is 200 nm or less, preferably 100 nm or less, more preferably 30 to 40 nm, to meet the required optical output and threshold current specifications. Optimized accordingly.
なお、本実施例では、最適構造としてバンドギャップエネルギーが直線的に変化する多段のGRIN−SCH構造をSCH層として採用したが、所望の出力が得られるのであれば、この限りではない。
また、本実施例においては上部SCH層3Aと下部SCH層3Bを、活性層4に対して位置、厚み、組成が全て対称となるように形成したが、下部SCH層3Aを上部SCH層3Bより厚くした非対称構造にしてもよい。
In this embodiment, a multi-stage GRIN-SCH structure in which the band gap energy changes linearly as the optimum structure is adopted as the SCH layer. However, this is not limited as long as a desired output can be obtained.
In this embodiment, the
また、活性層4、SCH層3A、3B、クラッド層2A、2Bの間のエネルギーバンドの関係は、活性層4(MQW構造)内の量子ドット層100のエネルギーバンドギャップが最も小さく、次いで活性層4内のバリア層100、SCH層3A、3B、クラッド層2A、2Bの順にエネルギーバンドギャップは大きくなっている。
The energy band relationship between the
本実施例の量子ドット構造は、層厚5nmのInAsからなる量子ドット100A−2
を含む量子ドット領域100Aと層厚5nmのGaAsからなる量子ドット100Bで構
成される量子ドット層100と層厚10nmのGaInAsPからなるバリア層101と
からなる歪多重量子井戸構造である。
The quantum dot structure of this example has a
A strained multiple quantum well structure comprising a
本実施例では、量子ドットのサイズ、位置を制御するため、図4に示すように (100)結晶面から2°傾斜したInPからなる半導体基板1を用い、さらに第一層目の量子ドット層100が形成されるバリア層101上に層厚5nmのGaInAsPからなるストライプ200を<011>方向に形成した。
In this embodiment, in order to control the size and position of the quantum dots, as shown in FIG. 4, the
前記(100)結晶面から2°傾斜したInPからなる半導体基板1においては、該半導体基板1の表面に<011>方向にステップが形成されている。このステップは、前記半導体基板1上に形成される各半導体層に転写されるため、第一層目の量子ドット層100が形成されるバリア層101の表面にもステップが形成されている。また、前記ストライプは前記ステップに垂直に形成されているので、該ステップと該ストライプの交わる領域がもっとも表面エネルギーの低い領域となり、この領域において優先的に量子ドットが形成されることになる。
In the
このため、従来では量子ドットの位置を制御することが困難であったのに対し、本実施例では、ステップとストライプの交わる領域に量子ドットを配置するといった位置制御できる。また、形成するストライプの形状、間隔により量子ドットの密度、形状、サイズを制御することができる。 For this reason, it has been difficult to control the position of the quantum dots in the past, but in this embodiment, the position can be controlled such that the quantum dots are arranged in a region where the step and the stripe intersect. Further, the density, shape, and size of the quantum dots can be controlled by the shape and interval of the stripe to be formed.
ここで、GaAsからなる量子ドット(図示しない)は、InAsからなる量子ドット
100A−2よりもバンドギャップが大きいので、キャリア注入時にGaAsからなる量
子ドットにはキャリアが注入されず、結果としてGaAsからなる量子ドットは面内方向
のバリア層として機能する。また、面内方向において量子ドット領域100Aの屈折率は
GaAsからなる量子ドットよりも大きいので、量子ドット100A−2に光が閉じ込め
られる。また、量子ドット100A−2のバンドギャップエネルギーは、GaInAsP
からなるバリア層101よりも小さいので、電流注入時には、バリア層101には、キャ
リアが注入されない。また、GaInAsPからなるストライプ200も、量子ドット1
00A−2よりもバンドギャップが大きいので、キャリアが注入されることはない。結局
、量子ドット100A−2のみにキャリア注入が効率的に行なわれる。また、この時、量
子ドット100A−2はサイズが揃っているので、光利得の線幅が狭く、強度の大きいも
のとなる。従って、低電流で発振し、かつ高効率で動作する半導体レーザ装置が得られる
。
Here, since the quantum dot (not shown) made of GaAs has a larger band gap than the
Therefore, carriers are not injected into the
Since the band gap is larger than 00A- 2 , carriers are not injected. As a result, carrier injection is efficiently performed only on the
また、本実施例では、活性層4にn型不純物を7×1017cm-3ドープして、素子抵抗および熱抵抗を低減させ、高い注入電流時においても、低消費電力高出力動作が可能なレーザ構造とした。なお、不純物ドーピングは、多重量子井戸構造を構成する量子ドット層100およびそれに隣接したバリア層101からなるペアの少なくとも一部に行えばよく、全てに行う必要はない。なお、所望の光出力値によっては、活性層4にp型不純物をドーピングする構造であっても、活性層4に不純物をドーピングしない構造であっても問題はない。
In this embodiment, the
なお、本実施例においては、上述したように半導体基板1をInPで形成し、活性層4やSCH層3A、3BをInGaAsPで形成することが好ましいが、他の材料を用いて形成することも可能である。例えば半導体基板1をInPで形成し、活性層4やSCH層3A、3BをAlGaInAsPで形成したり、半導体基板1をGaAsで形成し、活性層4やSCH層3A、3BをAlGaInP、AlGaInNAsPまたはGaInAsPなどで形成したりしても良い。また、本実施例においては半導体基板1の導電型をn型としたが、これをp型に換えて、その上に形成する各層の導電型をそれに合わせて変更することもできる。
In the present embodiment, it is preferable that the
さらに、本実施例の半導体レーザ装置は、少なくとも半導体基板と組成あるいはバンドギャップの異なる2種類以上の量子ナノ構造を含む導波路層あるいは吸収層を有していれば、他の種々の積層構造で実現される半導体レーザ装置に対して適用することができる。
例えば、分布帰還型(DFB)レーザ装置、分布ブラッグ反射型(DBR)レーザ装置、活性層の近傍に形成されたグレーティングの波長選択特性によって所定出力値以下の複数の発振縦モードのレーザ光を生成する半導体レーザ装置や面発光レーザ装置及び、変調器などに適用することができる。なお、量子ドットの体積充填率の点からは、3層以上の量子ドット層で構成される活性層がより好適である。
Furthermore, the semiconductor laser device of this embodiment has various other laminated structures as long as it has a waveguide layer or an absorption layer including at least two types of quantum nanostructures having different compositions or band gaps from the semiconductor substrate. The present invention can be applied to a realized semiconductor laser device.
For example, a laser of multiple oscillation longitudinal modes below a predetermined output value is generated by the wavelength selective characteristic of a distributed feedback (DFB) laser device, a distributed Bragg reflection (DBR) laser device, or a grating formed near the active layer. The present invention can be applied to a semiconductor laser device, a surface emitting laser device, a modulator, and the like. From the viewpoint of the volume filling rate of quantum dots, an active layer composed of three or more quantum dot layers is more suitable.
なお、本実施例では、量子ドットを用いた半導体レーザ装置を例に取って説明したが、量子ナノ構造として、前記量子ドットに代えて、量子箱、量子ダッシュ、量子細線、量子ディスクを用いることもできるし、これらのうちのいくつかを組み合わせることもできる。 In this embodiment, the semiconductor laser device using quantum dots has been described as an example. However, instead of the quantum dots, quantum boxes, quantum dashes, quantum wires, and quantum disks are used as quantum nanostructures. You can also combine some of these.
なお、本実施例においては、半導体層により形成されるストライプを用いたが、酸化珪素や窒化珪素などから構成される誘電体マスクで形成されるストライプを用いることもできる。この場合には、誘電体マスクのない領域に選択的に成長がなされると言った特徴を活かして、量子ドットの位置、形状、サイズの制御をすることができる。これは、誘電体マスクの形状により、被成長表面上において実効的に量子ドットを形成するための原子の供給量が変化するためである。
また、このような誘電体マスクを用いたストライプを用いた半導体レーザ装置において、有機金属気相成長法によって量子ドットを形成した場合は、成長時の圧力が低いほど、成長の選択性が大きくなり、20Torr程度の成長圧力では、形成する誘電体マスクの結晶方向によらず多結晶をマスク上に形成しない状態で高密度の量子ドット構造を実現することができる。
In this embodiment, a stripe formed by a semiconductor layer is used, but a stripe formed by a dielectric mask made of silicon oxide, silicon nitride, or the like can also be used. In this case, the position, shape, and size of the quantum dots can be controlled by taking advantage of the feature that the growth is selectively performed in the region without the dielectric mask. This is because the supply amount of atoms for effectively forming quantum dots on the surface to be grown varies depending on the shape of the dielectric mask.
In addition, in semiconductor laser devices using stripes using such a dielectric mask, when quantum dots are formed by metal organic vapor phase epitaxy, the lower the pressure during growth, the greater the growth selectivity. With a growth pressure of about 20 Torr, a high-density quantum dot structure can be realized without forming a polycrystal on the mask regardless of the crystal direction of the dielectric mask to be formed.
また、本実施例においては前記(100)結晶面から2°傾斜したInPからなる半導体基板を用いたが、このような(100)結晶面から傾斜した基板に限らず、特定結晶面方位を有する(n11)基板や(100)結晶面を基板に用い、エッチングにより形成した結晶面を用いても、同様の手法により、同様の効果が得られる。 In this example, a semiconductor substrate made of InP inclined by 2 ° from the (100) crystal plane was used. However, the semiconductor substrate is not limited to such a (100) crystal plane and has a specific crystal plane orientation. Even if the (n11) substrate or the (100) crystal plane is used as the substrate and the crystal plane formed by etching is used, the same effect can be obtained by the same method.
以上の結果より、本発明によれば、高密度の量子ナノ構造を有する半導体装置を実現できる。特に高密度の量子ナノ構造を半導体レーザ装置、半導体増幅装置等の光能動素子の導波路層として機能する活性層に適用できる。特にこのような活性層を有する半導体レーザ装置は、発振閾値の大幅な低減、高出力動作、低消費電力動作、発振特性の温度特性を改善することができるという効果を奏する。 From the above results, according to the present invention, a semiconductor device having a high-density quantum nanostructure can be realized. In particular, a high-density quantum nanostructure can be applied to an active layer that functions as a waveguide layer of an optical active element such as a semiconductor laser device or a semiconductor amplifying device. In particular, the semiconductor laser device having such an active layer has the effects that the oscillation threshold can be greatly reduced, the high output operation, the low power consumption operation, and the temperature characteristics of the oscillation characteristics can be improved.
また、本発明によれば、高密度の量子ナノ構造を変調器、受光素子等の光受動素子の吸収層として機能する層に適用できる。特にこのような層を有する半導体装置は、電界印加時の大きな屈折率変化を利用して、消光比を大きくすることができる高性能な光スイッチを実現することができるという効果を奏する。 Further, according to the present invention, a high-density quantum nanostructure can be applied to a layer that functions as an absorption layer of an optical passive element such as a modulator or a light receiving element. In particular, a semiconductor device having such a layer has an effect that a high-performance optical switch capable of increasing the extinction ratio can be realized by utilizing a large change in refractive index when an electric field is applied.
また、本発明は、電子デバイスに適用することもできる。 The present invention can also be applied to electronic devices.
1 半導体基板
2A 下部クラッド層
2B 上部クラッド層
3A 下部SCH層
3B 上部SCH層
4 活性層
100 量子ドット層
101 バリア層
5 コンタクト層
6A 上部電極
6B 下部電極
8 半導体層
9 半導体層
11 低反射膜
12 高反射膜
DESCRIPTION OF
Claims (7)
を含む導波路層あるいは吸収層を有する半導体装置であって、
前記量子ナノ構造を構成する各々の量子ナノ構造の格子定数が、前記半導体基板の格子定
数に対して正負に異なっており、
前記量子ナノ構造は(100)面方位から<011>方向に傾斜した結晶面方位を有する
層構造上に形成されており、
前記量子ナノ構造が形成される層の表面には、前記傾斜した結晶面方位により形成された
ステップと、<011>方向に形成されたストライプとを有し、
前記量子ナノ構造は前記ステップと前記ストライプの交わる領域であって、
前記ストライプが半導体層によって形成されている場合には、該半導体層上に形成され、
前記ストライプが誘電体マスクによって形成されている場合には、該誘電体マスクが形成
されていない領域
に形成されていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device having a waveguide layer or an absorption layer including at least two types of quantum nanostructures different in composition or band gap from a semiconductor substrate,
The lattice constant of each quantum nanostructure constituting the quantum nanostructure is positively or negatively different from the lattice constant of the semiconductor substrate,
The quantum nanostructure is formed on a layer structure having a crystal plane orientation inclined in a <011> direction from a (100) plane orientation,
The surface of the layer where the quantum nanostructure is formed has a step formed by the inclined crystal plane orientation, and a stripe formed in the <011> direction,
The quantum nanostructure is a region where the step and the stripe intersect,
When the stripe is formed of a semiconductor layer, it is formed on the semiconductor layer,
When the stripe is formed by a dielectric mask, the dielectric mask is formed.
A semiconductor device formed in a non- processed region .
前記半導体基板の格子定数よりも大きい格子定数を有する領域には圧縮歪みを有する量子
ナノ構造を有し、
前記半導体基板の格子定数よりも小さい格子定数を有する領域には引張り歪みを有する量
子ナノ構造を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The layer in which the quantum nanostructure is formed is
A region having a lattice constant larger than the lattice constant of the semiconductor substrate has a quantum having compressive strain.
Has a nanostructure,
An amount having tensile strain in a region having a lattice constant smaller than that of the semiconductor substrate
The semiconductor device according to claim 1, having a child nanostructure .
含むことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the quantum nanostructure includes at least one of a quantum dot, a quantum box, and a quantum dash.
とを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置。 4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the quantum nanostructure is formed by a self-formation or a self-organization phenomenon during crystal growth. 5.
する請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光半導体装置。 5. The optical semiconductor device according to claim 1, wherein the quantum nanostructure is formed on a layer structure having a crystal plane orientation of (n11). 6.
項に記載の半導体装置。 6. The surface orientation of the semiconductor substrate is (n11).
The semiconductor device according to item.
装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device emits light by current injection.
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