JP5006876B2 - 量子ドットベースの光電子デバイス及びこれを作製する方法 - Google Patents

量子ドットベースの光電子デバイス及びこれを作製する方法 Download PDF

Info

Publication number
JP5006876B2
JP5006876B2 JP2008518105A JP2008518105A JP5006876B2 JP 5006876 B2 JP5006876 B2 JP 5006876B2 JP 2008518105 A JP2008518105 A JP 2008518105A JP 2008518105 A JP2008518105 A JP 2008518105A JP 5006876 B2 JP5006876 B2 JP 5006876B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
silicon
layer
forming
silicon substrate
photoactive region
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.)
Active
Application number
JP2008518105A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2008547218A (ja
Inventor
シエ，ヤーホン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
THE REGENTS OF THE UNIVERSITY OF CARIFORNIA
Original Assignee
THE REGENTS OF THE UNIVERSITY OF CARIFORNIA
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by THE REGENTS OF THE UNIVERSITY OF CARIFORNIA filed Critical THE REGENTS OF THE UNIVERSITY OF CARIFORNIA
Publication of JP2008547218A publication Critical patent/JP2008547218A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5006876B2 publication Critical patent/JP5006876B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18341—Intra-cavity contacts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/341—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0083—Processes for devices with an active region comprising only II-VI compounds
    • H01L33/0087—Processes for devices with an active region comprising only II-VI compounds with a substrate not being a II-VI compound
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/20—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/0206—Substrates, e.g. growth, shape, material, removal or bonding
    • H01S5/0207—Substrates having a special shape
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/0206—Substrates, e.g. growth, shape, material, removal or bonding
    • H01S5/021—Silicon based substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18361—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors
    • H01S5/18369—Structure of the reflectors, e.g. hybrid mirrors based on dielectric materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • H01S5/3223—IV compounds
    • H01S5/3224—Si
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/341—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires
    • H01S5/3412—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires quantum box or quantum dash
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S977/00—Nanotechnology
    • Y10S977/70—Nanostructure
    • Y10S977/778—Nanostructure within specified host or matrix material, e.g. nanocomposite films
    • Y10S977/784—Electrically conducting, semi-conducting, or semi-insulating host material
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S977/00—Nanotechnology
    • Y10S977/902—Specified use of nanostructure
    • Y10S977/932—Specified use of nanostructure for electronic or optoelectronic application
    • Y10S977/949—Radiation emitter using nanostructure
    • Y10S977/95—Electromagnetic energy
    • Y10S977/951—Laser

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

本発明は、一般に、光電子デバイス及びこれを作成する方法に関する。特に、本発明は、例えば、量子ドットを使用して形成されたレーザダイオード、発光ダイオード、及び光検出器といった光電子デバイスの分野に関する。
光電子デバイスは、例えば、電気通信産業といった多くの産業にとって増々重要になっている。典型的な光電子ベースのデバイスは、レーザダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤｓ）、及び光検出器（ＰＤｓ）を有する。これらのデバイスは、それが配置される基板とは異なる格子定数を有する半導体材料でできた光活性領域を具えて製造される。シリコン（Ｓｉ）は、集積回路技術に使用されるよく知られた基板材料であり、集積回路を製造する際のその使用に関して成熟した技術的基礎を開発している。都合の悪いことに、シリコンは発光できないため、発光又は光学的放射の検出のための光電子デバイスの「活性」部分で使用できない。
光活性な（例えば、光学的放射を行う）化合物半導体材料をシリコンと一体化するための取り組みが過去になされているが、うまくいっていない。シリコンに化合物半導体材料を組み込む際の第１の障害は、シリコン基板上の化合物半導体材料の成長によって生じる結晶の欠陥である。このような欠陥は、近接する化合物半導体材料と下位のシリコン基板との間の比較的大きな格子不整合（すなわち、異なる格子定数）によるものである。例えば、ＩｎＡｓとＳｉとの間に約１１％の格子不整合、及びＧａＡｓとＳｉとの間に４％の格子不整合がある。ＩｎＧａＡｓは、０．８μｍから１．５μｍ以上の波長−すなわち、現状の電気通信事業のニーズ（例えば、インターネット及び他のＷＡＮ）に応える大部分の光ファイバネットワークの波長−の光を発光する２つの化合物半導体材料（ＩｎＡｓ及びＧａＡｓ）の合金である。
ＩｎＧａＡｓは、Ｓｉ＜００１＞基板上にエピタキシャル成長する場合に、１０オングストロームのオーダーの層の臨界厚さを有するものと知られている。このため、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長可能なＩｎＧａＡｓの厚さは、１０オングストロームよりも薄い。比較として、ＩｎＧａＡｓで形成される典型的な量子井戸レーザの厚さは、２０００オングストロームのオーダーである。このため、ＩｎＧａＡｓの転位は、不可避である。エピタキシャル膜の緩和によって導入される転位は、例えば、半導体レーザといった、光電子デバイスの性能及び寿命を大幅に制限する。
このため、シリコン基板上で化合物半導体材料を使用するためのデバイス及び方法の必要性がある。好適には、このようなデバイスを、シリコン基板上での光電子デバイスの光活性領域のエピタキシャル形成によって作成できる。好適には、このようなデバイスを、非常に小さく又は限られた量の光活性な材料で形成してよい。
本発明は、シリコン基板上に光活性領域を有する光電子デバイスを形成する方法を扱う。本発明の一態様によれば、化合物半導体材料からエピタキシャル成長した量子ドットアレイを使用して、シリコン基板上に光活性領域を形成する。例えば、化合物半導体材料は、下位のＳｉ基板に対して格子不整合を有してよい。
本発明の別の態様によれば、量子ドットの形式で与えられた場合に、優れた性能を発揮しながら、光活性化材料（例えば、ＩｎＧａＡｓ）の量又は数を最小限にする。例えば、ＩｎＧａＡｓ量子ドットが、転位無しに、例えば光学利得を形成してもよい。これは、光活性のレベルに達するのに多くの材料を必要とするフィルムベースの方法と対照的であるため、化合物半導体材料及びシリコン間の格子不整合により、光電子アプリケーションのための十分な厚さの層の中に高密度の転位をもたらす。
本発明の一態様によれば、シリコン基板上に光活性領域を形成する方法が、シリコン基板上に任意のシリコンバッファ層をエピタキシャル成長させるステップと、複数の量子ドットアレイを有するクラッド層をエピタキシャル成長させるステップとを有しており、量子ドットがシリコンバッファ層に対して格子不整合を有する化合物半導体材料で形成される。光活性領域を、発光ダイオード、レーザダイオード、及び光検出器といったデバイスに組み込んでもよい。
本発明の別の態様によれば、光活性領域を有するデバイスが、シリコン基板と、シリコン基板上にエピタキシャル成長したＳｉＧｅクラッド層とを有しており、ＳｉＧｅクラッド層が、少なくとも１のＳｉＧｅスペーサ層によって分けられた複数のＩｎＧａＡｓ量子ドットアレイを具えている。
本発明の別の態様によれば、シリコン基板上に光活性領域を形成する方法が、シリコン基板上にＳｉＧｅエッチング停止層をエピタキシャル成長させるステップと、ＳｉＧｅエッチング停止層にシリコンバッファ層をエピタキシャル成長させるステップとを有している。そして、エピタキシャル成長したＩｎＧａＡｓ量子ドットのアレイを有するＳｉＧｅのクラッド層をエピタキシャル成長させる。そして、シリコン基板の背面をエッチングするのに続いて、シリコンバッファ層の下面が露出するようにＳｉＧｅエッチング停止層をエッチングする。上記の光活性領域を２つの四分の一波長スタック間に入れて、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を形成してもよい。
化合物半導体材料で形成された光活性化領域を有するシリコンベースの光電子デバイスの製造方法を提供することが、本発明の目的の一つである。このようなヘテロ構成（例えば、格子不整合）に基づくデバイスは、商品寿命優れた性能特性を有するであろう。本書に記載された方法に従って製造される典型的な製品は、シリコンベースの光トランシーバチップ、レーザダイオード、発光ダイオード、及び光検出器を有する。
好適な実施例に係る以下の図面及び説明を検討して、さらなる態様及び利点が明らかとなろう。
図１は、端面発光レーザ１０の概略図を示す。端面発光レーザ１０は、ｐ型のシリコン基板１０を有する。光活性領域１４が、ｐ型のシリコン基板１２の上面に形成されている。光活性領域１４は、シリコン（Ｓｉ）又はシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）クラッド層１６を有しており、クラッド層１６は、化合物半導体材料で形成された、それに配置された１又はそれ以上の量子ドット２０アレイ１８層を有する。量子ドット２０は、その寸法が電子又は「正孔」の量子力学的波長よりも小さい原子のクラスタである。本発明に係るある好適な態様では、量子ドット２０がダイレクトエネルギバンドギャップを具えた半導体材料で形成される。説明する量子ドット２０用半導体材料は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＳｂ、ＰｂＴｅ、ＣｄＴｅ、及びＣｄＳｅを有する。ある態様では、量子ドット２０を、下位のシリコンバッファ層との格子不整合（例えば、少なくとも５％の格子不整合）を有する化合物半導体材料で形成する。図１Ａに示すように、光活性領域１４の端部は、エッチング面１５を有する。
本発明のある態様では、個々の量子ドット２０アレイ１８を、優先的核形成部位のアレイにダイレクトエネルギバンドギャップを具えた半導体材料の島又はドットを成長させることによって形成する。これらの核形成部位を、例えば、ＳｉＧｅといった歪んだ膜をエピタキシャル成長させることにより垂直方向に向いた一連の転位線（図示せず）を導入することによって形成してよく、それに続いてＳｉＧｅを転位を通して緩和することができる。例えば、米国特許番号第５，８８８，８８５号は、３次元量子ドットアレイの製造方法を開示している。’８８５特許は、本書で十分に説明するように参照することにより盛り込まれている。ＳｉＧｅで形成した層といったスペーサ層２２を、隣接する量子ドットアレイ１８間に入れてもよい。
さらに図１を参照すると、端面発光レーザ１０のケースでは、クラッド層１６が、その上に配置されたｎ型シリコン層２４を有している。また、ｎ型シリコン層２４にｎ型不純物を高濃度にドープして、オーム接触し易くしてもよい。図１Ａに開示されている光活性領域１４の利点は、材料が量子ドット２０の形式である場合に所望の光電子機能のために非常に少量の材料（例えば、ＩｎＧａＡｓ）で十分であるという事実を有する。光活性領域１４におけるこのような歪んだ少量の材料は、結晶欠陥の可能性を減らしたり抑制する。光活性領域１４の第２の利点は、転位ネットワークにより、より組織立った且つ均一な量子ドット２０の変形が可能なことである。例えば、埋没した転位ネットワークからの歪み場を利用するナノメートルサイズのパターニングが、より均一な大きさの量子ドット２０の分布を形成する。これは、共振空洞によって単波長を選択するＬＤｓのケースで特に有効である。量子ドット２０がより詰まって分布していることで、より多くの量子ドット２０がレージング作用に関与することになる−このため、必要とする光活性な化合物半導体の量を減らす。
図１Ｂは、面発光レーザ３０の一実施例を示す。面発光レーザ３０は、例えば、図１Ｂに示すようなシリコンベースの垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）でよい。面発光レーザ３０は、四分の一波長スタック５４（ＱＷＳ）を含むキャビティ３４を形成するようエッチングされた底面を有するｐ型のシリコン基板３２を有する。四分の一波長スタック５４は、四分の一波長の厚さで高−低インデックス材料、例えば、ＳｉＯ２及びＴｉＯ２、が交互に重なった層を蒸着することによって形成した誘電体層である。四分の一波長スタック５４は、レージング作用の際に量子ドット（以下に記載）によって発生する光放射を十分に反射させることができる。ｐ型シリコン基板３２の底面は、金属端子３８を有する。
さらに、図１Ｂを参照すると、ドープしたｐ型シリコンバッファ層４０がシリコン基板３２の上に形成され、四分の一波長スタック３６の間に入っている。光活性領域４２が、ｐ型シリコンバッファ層４０の上面に形成されている。光活性領域４２は、シリコン又はシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）のクラッド層４４を有しており、クラッド層４４は、それに配置された、化合物半導体で形成した１又はそれ以上の量子ドット４８アレイ４６を有する。本発明の一態様では、量子ドット２０を、下位のシリコンバッファ層に対する格子不整合を有する化合物半導体材料で形成する。代替的に、量子ドット２０を、格子不整合を必要としないように、パターニングすることで形成してもよい。例えば、量子ドット４８をＩｎＧａＡｓで形成してよい。ＳｉＧｅで形成した層といったスペーサ層５０を、隣接する量子ドットアレイ４６間に入れてもよい。ドープしたｎ型シリコン層を、上部接触層５２を形成するよう構成する。第２の四分の一波長スタック５４が、例えば、スパッタリング又は蒸着によって層５２上に配置されている。
酸化分離領域５６（ＳｉＯ２）が、光活性領域４２に隣接して形成されている。面発光レーザ３０は、例えば、パターン化したレジストの上に金属を蒸着した後に湿式溶剤リフトオフプロセスによって除去することで形成した上部金属端子層５８を有する。任意の透明層（図示せず）を四分の一波長スタック３６の上に配置してもよい。
面発光レーザ３０からの放射方向を、四分の一波長スタック３６，５４のそれぞれの反射率を調整することによって制御してもよい。
図２は、図１Ｂに示すようなタイプの面発光レーザ３０を形成するためのプロセスのフローチャートを示す。ステップ１００は、ｐ型シリコン基板３２の清掃及び／又は洗浄を含む。例えば、これは、高濃度にドープされたｐ型シリコン基板３２の面の湿式化学洗浄を有してよい。ステップ１０５で、ｐ型ＳｉＧｅエッチング停止層（図示せず）、シリコンバッファ層４０、及び光活性領域４２が、エピタキシャル成長する。シリコンバッファ層４０は、約３０００オングストロームの厚さを有する高濃度にドープされたｐ型シリコンバッファ層４０を用いて、ｐ型ＳｉＧｅエッチング停止層の上に成長する。活性領域４２に関しては、複数（例えば３つ）のＩｎＧａＡｓ量子ドットアレイ４６を有するドープされていない（５％Ｇｅを具えた）ＳｉＧｅクラッド層４４を形成する。図１Ｂに示すように、クラッド層４４は、トータルの厚さが１０００オングストロームのＳｉＧｅスペーサ層５０を有してよい。活性領域４２を、約２００オングストロームの厚さを有するドープしていないシリコンキャップ層で仕上げてもよい。
ステップ１００で、光活性領域４２のレーザ領域を、フォトリソグラフィを用いて形成又はそうでなければ規定する。ステップ１１５で、シリコンバッファ層４０の中に酸化分離領域５６を形成する。例えば、シリコンバッファ層４０の電気化学エッチングといった従来の方法を用いて多孔質シリコンを形成してよい。多孔質シリコンの形成は、好適にはシリコンバッファ層４０の内側で停止する。そして、シリコン基板３２及びこれに形成される構成は、熱酸化を受けて酸化物分離領域５６を形成する。得られる酸化物分離領域は、約１００オングストロームの厚さを有する。
ステップ１２０で、高濃度にドープされたｎ型シリコンの１０００オングストロームよりも薄い厚さの非選択的エピタキシャル成長によって、上部接触層５２を形成する。ステップ１２５で、第１の四分の一波長スタック３６を、例えばスパッタリング又は蒸着によって配置する。そして、第１の四分の一波長３６の上部ミラーを従来のフォトリソグラフィ技術を用いて規定し、第１の四分の一波長スタック３６に、ＱＷＳ３６を形成してｎ型シリコンの上部接触層５２で停まる、エッチング処理を施す。
そして、ステップ１３０で、上部金属接触層５８を、例えば、パターン化したレジストの上に金属を蒸着又はスパッタリングした後に湿式溶剤リフトオフプロセスによって部分的に除去することで形成する。次に、ステップ１３５で、シリコン基板３２の下面に酸化シリコン層を形成する。酸化シリコン層は、それに続くシリコン基板３２のエッチングのための酸化物マスクを形成する。
ステップ１４０で、シリコン基板３２の上面（及び関連する構成要素）を、例えば、ワックス又は蒸着した二酸化シリコンを用いて保護する。そして、ステップ１４５で、シリコン基板３２の下面を、例えばＫＯＨ溶液でエッチングする。好適には、ステップ１０５で成長したＳｉＧｅエッチング停止層から数ミクロンでエッチングを停止する。
ステップ１５０で、ＳｉＧｅエッチング停止層をエッチングして、上部のシリコン層を露出させる。例えば、Ｓｉ及びＧｅに対して代替的な溶液を選択的に使用して、エッチング停止層を除去してよい。ステップ１５５で、シリコン基板３２の下面へのスパッタリング又は蒸着によって、第２の四分の一波長スタック５４を形成する。第２の四分の一波長スタック５４は、フォトリソグラフィによって規定され、続いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行う。ステップ１６０で、ステップ１３５で形成した下部酸化シリコンマスクを除去して、下部金属接触層３８を形成する。下部金属接触層３８を、初めにパターン化したレジストの上に金属をスパッタリング又は蒸着した後に湿式溶剤リフトオフプロセスによって除去することで形成してよい。
図１Ｂ及び図２に示すプロセスを面発光レーザ３０に関して示したが、光検出器（ＰＤｓ）に対して同一又は類似する構成を使用してよいことに留意されたい。本発明の一態様によれば、発光体及び／又はＰＤｓのスペクトル感度を、量子ドット（２０，４８）の大きさを制御することによって調整してよい。
本書に記載した方法及びデバイスは、様々なデバイスに光活性領域を形成するのに有用となろう。例えば、光活性領域を、シリコンベースの駆動回路及び光検出器と一体となったＬＤｓ又はＬＥＤｓに設けて、高帯域幅光ファイバ通信用の一体型トランシーバを形成してもよい。
本発明の実施例を図示及び記載したが、本発明の範囲から逸脱することなしに、様々な変更を行ってもよい。このため、上記の特許請求の範囲及びそれらに相当するものを除いて、本発明を限定すべきではない。
図１Ａは、端面発光レーザの概略図を示す。 図１Ｂは、面発光レーザの概略図を示す。 図２は、シリコンベースの面発光レーザの製造方法のプロセスのフローチャートを示す。

Claims (3)

  1. 光活性デバイスを形成するための方法であって：
    第１の面と第２の面とを有するシリコン基板を提供するステップと；
    前記第１の面にあるシリコン基板上にシリコンバッファ層をエピタキシャル成長させるステップと；
    複数の量子ドットのアレイを有するＳｉＧｅクラッド層をエピタキシャル成長させるステップであって、前記シリコンバッファ層と格子不整合となる化合物半導体材料で前記量子ドットが形成されるステップと；
    前記複数の量子ドットのアレイを有する前記クラッド層で光活性領域を規定するステップと；
    前記光活性領域に隣接する酸化分離領域を形成するステップと；
    前記光活性領域の上方に第１の四分の一波長スタックを形成するステップと；
    前記光活性領域との電気接触用に構成された第１の金属接触部を形成するステップと；
    前記シリコン基板の前記第２の面に溝部を形成するステップと；
    前記光活性領域の下方の前記溝部に第２の四分の一波長スタックを形成するステップと；
    前記シリコン基板上の前記第２の面に第２の金属接触部を形成するステップと；
    を具えることを特徴とする方法。
  2. 前記化合物半導体材料が、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＳｂ、ＣｄＴｅ、ＣｄＳｅ、及びＰｂＴｅからなる群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 少なくとも１のスペーサ層が隣接する量子ドットアレイを分けていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
JP2008518105A 2005-06-27 2005-06-28 量子ドットベースの光電子デバイス及びこれを作製する方法 Active JP5006876B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/169,196 2005-06-27
US11/169,196 US7732237B2 (en) 2005-06-27 2005-06-27 Quantum dot based optoelectronic device and method of making same
PCT/US2005/022661 WO2007001295A2 (en) 2005-06-27 2005-06-28 Quantum dot based optoelectronic device and method of making same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2008547218A JP2008547218A (ja) 2008-12-25
JP5006876B2 true JP5006876B2 (ja) 2012-08-22

Family

ID=37566274

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008518105A Active JP5006876B2 (ja) 2005-06-27 2005-06-28 量子ドットベースの光電子デバイス及びこれを作製する方法

Country Status (6)

Country Link
US (2) US7732237B2 (ja)
EP (1) EP1897144A4 (ja)
JP (1) JP5006876B2 (ja)
KR (1) KR101172107B1 (ja)
CN (1) CN101443915B (ja)
WO (1) WO2007001295A2 (ja)

Families Citing this family (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100668328B1 (ko) * 2005-02-15 2007-01-12 삼성전자주식회사 양자점 수직공진형 표면방출 레이저 및 그 제조방법
US7732237B2 (en) 2005-06-27 2010-06-08 The Regents Of The University Of California Quantum dot based optoelectronic device and method of making same
US9951438B2 (en) 2006-03-07 2018-04-24 Samsung Electronics Co., Ltd. Compositions, optical component, system including an optical component, devices, and other products
WO2007143197A2 (en) 2006-06-02 2007-12-13 Qd Vision, Inc. Light-emitting devices and displays with improved performance
WO2009014590A2 (en) 2007-06-25 2009-01-29 Qd Vision, Inc. Compositions and methods including depositing nanomaterial
WO2009014707A2 (en) * 2007-07-23 2009-01-29 Qd Vision, Inc. Quantum dot light enhancement substrate and lighting device including same
WO2009073002A1 (en) * 2007-12-04 2009-06-11 Menon Vinod M Flexible microcavity structure made of organic materials using spin-coating technique and method of making
JP5205071B2 (ja) * 2008-02-01 2013-06-05 富士通株式会社 発光素子及び集積素子
KR101995371B1 (ko) 2008-04-03 2019-07-02 삼성 리서치 아메리카 인코포레이티드 양자점들을 포함하는 발광 소자
US9525148B2 (en) 2008-04-03 2016-12-20 Qd Vision, Inc. Device including quantum dots
WO2009137053A1 (en) 2008-05-06 2009-11-12 Qd Vision, Inc. Optical components, systems including an optical component, and devices
EP2297762B1 (en) 2008-05-06 2017-03-15 Samsung Electronics Co., Ltd. Solid state lighting devices including quantum confined semiconductor nanoparticles
US9207385B2 (en) 2008-05-06 2015-12-08 Qd Vision, Inc. Lighting systems and devices including same
US8222657B2 (en) * 2009-02-23 2012-07-17 The Penn State Research Foundation Light emitting apparatus
US7842595B2 (en) * 2009-03-04 2010-11-30 Alcatel-Lucent Usa Inc. Fabricating electronic-photonic devices having an active layer with spherical quantum dots
CN105713599B (zh) 2009-08-14 2018-09-11 三星电子株式会社 发光器件、用于发光器件的光学元件、以及方法
EP2531508A1 (en) 2010-02-05 2012-12-12 Pfizer Inc. Pyrrolo [ 2, 3 - d]pyrimidine urea compounds as jak inhibitors
EP2495772A1 (en) * 2011-03-02 2012-09-05 Azzurro Semiconductors AG Semiconductor light emitter device
US9929325B2 (en) 2012-06-05 2018-03-27 Samsung Electronics Co., Ltd. Lighting device including quantum dots
CN102801108B (zh) * 2012-08-03 2015-06-24 西安立芯光电科技有限公司 多量子阱半导体激光器及其制备方法
US9360623B2 (en) * 2013-12-20 2016-06-07 The Regents Of The University Of California Bonding of heterogeneous material grown on silicon to a silicon photonic circuit
US10852492B1 (en) * 2014-10-29 2020-12-01 Acacia Communications, Inc. Techniques to combine two integrated photonic substrates
FR3028050B1 (fr) * 2014-10-29 2016-12-30 Commissariat Energie Atomique Substrat pre-structure pour la realisation de composants photoniques, circuit photonique et procede de fabrication associes
CN104701431B (zh) * 2014-11-27 2017-03-29 厦门市三安光电科技有限公司 一种发光二极管的外延结构及其制作方法
US10109983B2 (en) 2016-04-28 2018-10-23 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Devices with quantum dots
US10192976B2 (en) * 2016-04-28 2019-01-29 The Trustees Of Princeton University Semiconductor quantum dot device and method for forming a scalable linear array of quantum dots
US10566765B2 (en) 2016-10-27 2020-02-18 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Multi-wavelength semiconductor lasers
US10680407B2 (en) 2017-04-10 2020-06-09 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Multi-wavelength semiconductor comb lasers
KR102150546B1 (ko) * 2017-05-31 2020-09-01 세종대학교산학협력단 식각 저지층을 이용한 후면 조사 이미지 센서의 제조 공정
US10396521B2 (en) 2017-09-29 2019-08-27 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Laser
CN111727535B (zh) * 2018-03-02 2023-11-24 思科技术公司 利用机械特征和贯穿硅通孔集成在硅基座上的量子点激光器
CN110165555A (zh) * 2019-04-28 2019-08-23 西安理工大学 一种基于GexSi1-x可变晶格常数基体的红光半导体激光器
CN112420901B (zh) * 2020-11-06 2022-02-01 深圳市华星光电半导体显示技术有限公司 微型发光二极管及显示面板
CN113764969B (zh) * 2021-09-08 2023-10-31 深圳市中科光芯半导体科技有限公司 一种硅基双面垂直腔面发射激光器及其制备方法

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5251163A (en) * 1992-01-13 1993-10-05 Rouhani Sayd Z Keypointer for single-hand computer keyboard
US5351163A (en) * 1992-12-30 1994-09-27 Westinghouse Electric Corporation High Q monolithic MIM capacitor
US5413679A (en) * 1993-06-30 1995-05-09 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Method of producing a silicon membrane using a silicon alloy etch stop layer
US5310451A (en) * 1993-08-19 1994-05-10 International Business Machines Corporation Method of forming an ultra-uniform silicon-on-insulator layer
US5395481A (en) * 1993-10-18 1995-03-07 Regents Of The University Of California Method for forming silicon on a glass substrate
JP3465349B2 (ja) * 1994-06-20 2003-11-10 松下電器産業株式会社 半導体多層基板および半導体多層膜の製造方法
US5557627A (en) * 1995-05-19 1996-09-17 Sandia Corporation Visible-wavelength semiconductor lasers and arrays
US5793913A (en) * 1996-07-10 1998-08-11 Northern Telecom Limited Method for the hybrid integration of discrete elements on a semiconductor substrate
FR2753577B1 (fr) * 1996-09-13 1999-01-08 Alsthom Cge Alcatel Procede de fabrication d'un composant optoelectronique a semiconducteur et composant et matrice de composants fabriques selon ce procede
JPH10256158A (ja) * 1997-03-13 1998-09-25 Hitachi Ltd 半導体装置及びその製造方法
US5888885A (en) * 1997-05-14 1999-03-30 Lucent Technologies Inc. Method for fabricating three-dimensional quantum dot arrays and resulting products
CA2327421A1 (en) * 1998-04-10 1999-10-21 Jeffrey T. Borenstein Silicon-germanium etch stop layer system
FR2789496B1 (fr) * 1999-02-10 2002-06-07 Commissariat Energie Atomique Dispositif emetteur et guide de lumiere, avec une region active de silicium contenant des centres radiatifs, et procede de fabrication d'un tel dispositif
FR2812763B1 (fr) * 2000-08-04 2002-11-01 St Microelectronics Sa Formation de boites quantiques
US6697413B2 (en) * 2001-10-31 2004-02-24 Applied Optoelectronics, Inc. Tunable vertical-cavity surface-emitting laser with tuning junction
US6965626B2 (en) * 2002-09-03 2005-11-15 Finisar Corporation Single mode VCSEL
US7074630B2 (en) * 2003-05-20 2006-07-11 United Microelectronics Corp. Method of forming light emitter layer
TWI237908B (en) * 2003-08-29 2005-08-11 Ind Tech Res Inst A method for manufacturing a strained Si having few threading dislocations
EP1704596A2 (en) * 2003-09-05 2006-09-27 Dot Metrics Technology, Inc. Quantum dot optoelectronic devices with nanoscale epitaxial lateral overgrowth and methods of manufacture
JP4612671B2 (ja) * 2005-02-09 2011-01-12 富士通株式会社 発光デバイス及び半導体装置
US7732237B2 (en) 2005-06-27 2010-06-08 The Regents Of The University Of California Quantum dot based optoelectronic device and method of making same
JP5205729B2 (ja) * 2006-09-28 2013-06-05 富士通株式会社 半導体レーザ装置及びその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR101172107B1 (ko) 2012-08-10
EP1897144A2 (en) 2008-03-12
WO2007001295A2 (en) 2007-01-04
US20080054249A1 (en) 2008-03-06
US7935956B2 (en) 2011-05-03
CN101443915A (zh) 2009-05-27
EP1897144A4 (en) 2009-12-02
JP2008547218A (ja) 2008-12-25
KR20080037624A (ko) 2008-04-30
US20060289855A1 (en) 2006-12-28
CN101443915B (zh) 2012-11-28
US7732237B2 (en) 2010-06-08
WO2007001295A3 (en) 2009-04-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5006876B2 (ja) 量子ドットベースの光電子デバイス及びこれを作製する方法
JP3805522B2 (ja) 長波長放出垂直空洞面放出レーザおよびその製造方法
KR100449768B1 (ko) 가시적방출vcsel용의하이브리드미러구조
US7387906B2 (en) Multi-wavelength surface emitting laser and method for manufacturing the same
CN113708214B (zh) 一种基于选区外延技术的双波长vcsel结构及其制备方法
JPH1056234A (ja) 改善された半導体レーザおよびそれを製造する方法
JP2011044447A (ja) 面発光レーザ
JP2001332812A (ja) 面発光半導体レーザ素子
CN111916997A (zh) 基于空气孔的分布式反馈激光器及制备方法
JP4443094B2 (ja) 半導体発光素子
JP2002232080A (ja) 電流閉じ込め構造を持つ半導体素子及びその製造方法
JP2008103483A (ja) 半導体発光素子および半導体発光素子の製造方法
KR100446604B1 (ko) 단일횡모드GaN계면발광레이저다이오드및그제조방법
KR100674835B1 (ko) 다파장 반도체 레이저 제조방법
JP2001168470A (ja) 半導体光素子の作製方法及び半導体光素子
JP2006324552A (ja) 赤色半導体レーザ素子及びその製造方法
KR100446606B1 (ko) 단일 모드 gan계 면발광 레이저 다이오드 및 그 제조방법
JP2000124553A (ja) 半導体レーザ装置及びその製造方法
JPH07312462A (ja) 面発光レーザダイオードの製造方法，及び面発光レーザダイオード
JP2003060297A (ja) 半導体レーザおよびその製造方法
KR100272129B1 (ko) 단일 모드 gan계 면발광 레이저 다이오드 및 그 제조방법
JPH10154850A (ja) 垂直共振器型半導体発光素子、発光装置、光ディスク装置、記録装置、及びエッチング方法
JPH10135512A (ja) 半導体素子および半導体素子の製造方法
JPH05259565A (ja) マルチビーム半導体レーザ
JP2005243917A (ja) 光電子集積素子およびその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110622

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110628

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20110927

A602 Written permission of extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602

Effective date: 20111004

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20111028

A602 Written permission of extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602

Effective date: 20111107

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20111125

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120508

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120525

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150601

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5006876

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250