JP5397929B2 - 半導体光デバイス及び光通信用半導体デバイス、並びにその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体微細構造を改良した半導体光デバイス及び光通信用半導体デバイス、並びにその製造方法に関する。
発光ダイオードやレーザなどで知られる半導体光デバイスは用途が広く、その研究開発が盛んである。
例えば、量子ドットレーザは、消費電力や温度依存特性の改善などの点で次世代レーザとして期待されている。
従来の光・電子デバイスでは、結晶成長技術として格子整合系の材料に限られた開発がなされてきた。量子ドット(QD：Quantum dot)構造を応用した技術では、格子不整合系の材料を積極的に用いることになり、従来よりも扱える材料種が豊富となると期待されている。
材料種の多様化は、従来では作製が困難または不可能であった新デバイスの開発につながる。例えば、GaAs基板上で波長1.1ミクロンを超えるレーザ素子の開発などが、量子ドット構造を用いることにより可能となる。また、量子化準位を有する量子ドット構造を半導体レーザに積極的に用いることにより、その発振低閾値化や低消費電力化、温度依存特性の改善などの効果が期待されている。（非特許文献１〜２）
例えば、量子ドットレーザは、消費電力や温度依存特性の改善などの点で次世代レーザとして期待されている。
従来の光・電子デバイスでは、結晶成長技術として格子整合系の材料に限られた開発がなされてきた。量子ドット(QD：Quantum dot)構造を応用した技術では、格子不整合系の材料を積極的に用いることになり、従来よりも扱える材料種が豊富となると期待されている。
材料種の多様化は、従来では作製が困難または不可能であった新デバイスの開発につながる。例えば、GaAs基板上で波長1.1ミクロンを超えるレーザ素子の開発などが、量子ドット構造を用いることにより可能となる。また、量子化準位を有する量子ドット構造を半導体レーザに積極的に用いることにより、その発振低閾値化や低消費電力化、温度依存特性の改善などの効果が期待されている。（非特許文献１〜２）
Y. Arakawa and H.Sakaki, "Multidimensional quantum well laser and temperature dependence ofits threshold current," Appl.Phys. Lett.40, pp.939-941 (1982)
K. Otsubo, N.Hatori, M. Ishida, S. Okumura, T. Akiyama, Y. Nakata, H. Ebe M. Sugawara, and YArakawa, "Temperature-Insensitive Eye-Opening under 10-Gb/s Modulation of 1.3-μm p-Doped Quantum-Dot Lasers without Current Adjustments," Jpn. J. Appl. Phys. 43, L1124-L1126 (2004)
また、Oバンド帯の長波長光がメトロ・アクセス系通信網で今後より多くの活用が期待され、低コスト・低消費電力なOバンド帯近傍の光源が次世代光ファイバ通信の重要なキーデバイスとして求められている。（非特許文献３）
N. N. Ledentsov, "Long-WavelengthQuantum-Dot Lasers on GaAs Substrates: From Media to Device Concepts", IEEE J. Select. Topic. Quantum Electron. Vol. 8, No. 5,pp.1015-1024, (2002)
N. N. Ledentsov, "Long-WavelengthQuantum-Dot Lasers on GaAs Substrates: From Media to Device Concepts", IEEE J. Select. Topic. Quantum Electron. Vol. 8, No. 5,pp.1015-1024, (2002)
そのような特徴を有する光源は、大きな基板面積が得られるGaAs上での量子ドット構造を応用した長波長レーザ素子の開発により作製可能と期待できる。
しかしながら、Oバンド帯近傍で動作する量子ドット構造の作製には高度な技術を要するため、長波長レーザ素子及び光源の簡単かつ効率的な作製に関する研究はまだ途上である。
しかしながら、Oバンド帯近傍で動作する量子ドット構造の作製には高度な技術を要するため、長波長レーザ素子及び光源の簡単かつ効率的な作製に関する研究はまだ途上である。
図１は、従来の量子ドット構造におけるエネルギーバンドを示す説明図である。
SK成長モードによる量子ドット構造を用いることによって、バルク中に微小点としての低エネルギーバンド構造を作製することができる。これによって、格子整合によるバルク結晶成長とは異なる新しいバンドエンジニアリングが可能性となり、例えば、AlGaAsや歪InGaAs、GaAsSbなど、基板のGaAsに格子整合する材料系では不可能であった長波長発光が期待される。
SK成長モードによる量子ドット構造を用いることによって、バルク中に微小点としての低エネルギーバンド構造を作製することができる。これによって、格子整合によるバルク結晶成長とは異なる新しいバンドエンジニアリングが可能性となり、例えば、AlGaAsや歪InGaAs、GaAsSbなど、基板のGaAsに格子整合する材料系では不可能であった長波長発光が期待される。
図２は、従来のDWELL （Dot in a Well）構造におけるエネルギーバンドを示す説明図である。
量子ドット構造は、結晶中の非常に狭い空間にポテンシャルの穴を形成することから、電流注入によるキャリアの捕獲が弱いと考えられる。そこで、キャリアを効率よく量子ドット構造へ供給するために、量子ドット構造を量子井戸(QW：Quantum Well)で挟むDWELL構造が提案されている。（非特許文献４）
G. T. Liu, A.Stintz, H. Li, T. C. Newell, A. L. Gray, P. M. Varangis, K. J. Malloy, L. F.Lester, "The influence of quantum-well composition on the performance ofquantum dot lasers using InAs/InGaAs dots-in-a-well (DWELL) structures," IEEE J. Quantum Electron. Vol.36 (11), pp.1272-1279 (2000)
量子ドット構造は、結晶中の非常に狭い空間にポテンシャルの穴を形成することから、電流注入によるキャリアの捕獲が弱いと考えられる。そこで、キャリアを効率よく量子ドット構造へ供給するために、量子ドット構造を量子井戸(QW：Quantum Well)で挟むDWELL構造が提案されている。（非特許文献４）
G. T. Liu, A.Stintz, H. Li, T. C. Newell, A. L. Gray, P. M. Varangis, K. J. Malloy, L. F.Lester, "The influence of quantum-well composition on the performance ofquantum dot lasers using InAs/InGaAs dots-in-a-well (DWELL) structures," IEEE J. Quantum Electron. Vol.36 (11), pp.1272-1279 (2000)
しかしながら、DWELL構造では、バルクGaAs結晶中にIn組成の大きな量子ドット構造と量子井戸構造が入ることから、DWELL構造の近傍の結晶欠陥発生が顕著となり、その欠陥による光デバイス作製の困難さとデバイス性能向上の妨げが懸念されている。（非特許文献５）
山田太郎，移動通信，木村次郎（編），pp.21-41, 電子情報通信学会，東京，1989
山田太郎，移動通信，木村次郎（編），pp.21-41, 電子情報通信学会，東京，1989
量子ドットレーザに関連する従来技術には特許文献１〜３などもあるが、結晶欠陥が少なくOバンド帯近傍の高強度光源を得られる量子ドット構造はなかった。
他方、本発明者らは、量子ドットレーザをはじめとする半導体光デバイスに関連して、特許文献４〜７などを開示している。
そこで、本発明は、本発明者らによる上記特許文献等の研究の延長として、結晶欠陥の発生を抑制した高品質な半導体光デバイス及び光通信用半導体デバイス、並びに、その製造方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明の半導体光デバイスの製造方法は次の構成を備える。
すなわち、半導体を用いた光デバイスにおいて、その半導体微細構造を形成する前に、その半導体微細構造が形成される領域に対して、半導体微細構造の組成と同一もしくは異なる原子・分子線を照射して、その原子・分子で半導体微細構造の周囲の一部をコーティングすることを特徴とする。
すなわち、半導体を用いた光デバイスにおいて、その半導体微細構造を形成する前に、その半導体微細構造が形成される領域に対して、半導体微細構造の組成と同一もしくは異なる原子・分子線を照射して、その原子・分子で半導体微細構造の周囲の一部をコーティングすることを特徴とする。
同様に、半導体を用いた光デバイスにおいて、その半導体微細構造を形成した後に、その半導体微細構造が形成された領域に対して、半導体微細構造の組成と同一もしくは異なる原子・分子線を照射して、その原子・分子で半導体微細構造の周囲の一部をコーティングしてもよい。
同様に、半導体を用いた光デバイスにおいて、その半導体微細構造を形成する前に、その半導体微細構造が形成される領域に対して、半導体微細構造の組成と同一もしくは異なる原子・分子線を照射すると共に、その半導体微細構造を形成した後に、その半導体微細構造が形成された領域に対して、半導体微細構造の組成と同一もしくは異なる原子・分子線を照射して、その原子・分子で半導体微細構造の周囲をコーティングしてもよい。
ここで、半導体微細構造に、In, Ga, AlのIII族原子とAs,
N, SbのV族原子の組み合わせにより構成されるIII−V族化合物半導体の量子ドット構造、量子細線構造、量子井戸構造、またはその組み合わせの構造を用いてもよい。
N, SbのV族原子の組み合わせにより構成されるIII−V族化合物半導体の量子ドット構造、量子細線構造、量子井戸構造、またはその組み合わせの構造を用いてもよい。
同様に、半導体微細構造に、C, Si, Ge, SnのIV族原子からなるIV族化合物半導体の量子ドット構造、量子細線構造、量子井戸構造、またはその組み合わせの構造を用いてもよい。
半導体微細構造の作製と原子・分子線照射には、分子線エピタキシー法が利用できる。
同様に、半導体微細構造の作製と原子・分子線照射には、有機金属気相成長法も利用できる。
原子・分子線には、アンチモンが有用に使用できる。
アンチモン照射のフラックス量には、約1.0x10−７ 〜 1.0x10−６ Torrが適用できる。
本発明の半導体光デバイスは、半導体を用いた光デバイスにおいて、その半導体微細構造の周囲の一部または全部が、その半導体微細構造の組成と同一もしくは異なる原子・分子によってコーティングされたことを特徴とする。
ここで、半導体微細構造は、In, Ga, AlのIII族原子とAs,
N, SbのV族原子の組み合わせにより構成されるIII−V族化合物半導体の量子ドット構造、量子細線構造、量子井戸構造、またはその組み合わせの構造でもよい。
N, SbのV族原子の組み合わせにより構成されるIII−V族化合物半導体の量子ドット構造、量子細線構造、量子井戸構造、またはその組み合わせの構造でもよい。
半導体微細構造は、C, Si, Ge, SnのIV族原子からなるIV族半導体の量子ドット構造、量子細線構造、量子井戸構造、またはその組み合わせの構造でもよい。
半導体微細構造を、量子ドット構造を量子井戸構造で挟むDWELL構造とし、その半導体微細構造をコーティングする原子・分子をアンチモンとしてもよい。
半導体の基板をGaAsとし、量子井戸構造をInGaAsとし、量子ドット構造をInAsとしてもよい。
本発明の光通信用半導体デバイスは、上記の半導体光デバイスを有し、波長１〜２ミクロン帯動作可能であることを特徴とする。
そのような光通信用半導体デバイスには、半導体発光ダイオード、または、半導体スーパールミネッセンスダイオード、半導体レーザ、半導体光増幅器、半導体光変調器、半導体過飽和吸収素子が挙げられる。
本発明は、上記構成を備えることにより次の効果を奏する。
すなわち、半導体微細構造の周囲の一部または全部を原子・分子線の照射でコーティングすることによって、巨大ドット構造などの結晶欠陥が抑制され、また、半導体微細構造の結晶性も向上させられる。これに伴い、レーザとしては発光強度が増大し、また、発光ピークをOバンド帯まで長波長化できる。
すなわち、半導体微細構造の周囲の一部または全部を原子・分子線の照射でコーティングすることによって、巨大ドット構造などの結晶欠陥が抑制され、また、半導体微細構造の結晶性も向上させられる。これに伴い、レーザとしては発光強度が増大し、また、発光ピークをOバンド帯まで長波長化できる。
以下に、本発明の実施形態を、図面に示す実施例を基に説明する。なお、実施形態は下記の例示に限らず、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で、本発明者らによる前記特許文献や従来公知の技術を用いて適宜設計変更可能である。
図３は、本発明による量子ドット構造の模式図である。
結晶欠陥発生の原因と考えられる量子ドット構造の近傍へ、アンチモン照射を行い、欠陥抑制とレーザ特性について検討した。
基板はGaAs(001)とし、InAs 量子ドット構造(QD)とInGaAs 量子井戸構造(QW)を用いた。その際、量子ドット構造を作製する前後に、約30秒間アンチモン分子を照射することで、量子ドット構造近傍をアンチモン原子でコーティングされた構造を作製した。アンチモン分子照射は、バルブ制御により急峻にフラックス量を調整することができる。
結晶欠陥発生の原因と考えられる量子ドット構造の近傍へ、アンチモン照射を行い、欠陥抑制とレーザ特性について検討した。
基板はGaAs(001)とし、InAs 量子ドット構造(QD)とInGaAs 量子井戸構造(QW)を用いた。その際、量子ドット構造を作製する前後に、約30秒間アンチモン分子を照射することで、量子ドット構造近傍をアンチモン原子でコーティングされた構造を作製した。アンチモン分子照射は、バルブ制御により急峻にフラックス量を調整することができる。
図４及び５は、量子ドット構造を量子井戸構造で挟んだDWELL構造において、アンチモン照射の有無による表面の差異を示す原子間力顕微鏡(Atomic
Force Microscope)による観察像であり、図４は、アンチモン照射の無い場合、図５は、アンチモン照射のある場合を示す。
いずれも、InGaAs量子井戸構造(QW)の上にInAs
量子ドット構造(QD)が1010 /cm程度の高密度で作製された。InAs量子ドット構造の平均高さは7 nm程度であり、一般的なInAs 量子ドット構造と同程度の大きさであった。
図４のアンチモン照射が無い場合では、3ミクロンスケール内で十数個程度の低密度で大きさが通常の量子ドットの４倍以上ある巨大ドット構造が観測された。このような低密度な巨大ドットは、局所的な量子ドット構造の物性評価では必ずしも重大な問題とはならない。しかし、光源や光アンプなどの量子ドットデバイス開発では、この巨大ドット形成が致命的な問題となる。それに対し、図５のアンチモン照射がある場合では、巨大ドットの形成が抑制された。
Force Microscope)による観察像であり、図４は、アンチモン照射の無い場合、図５は、アンチモン照射のある場合を示す。
いずれも、InGaAs量子井戸構造(QW)の上にInAs
量子ドット構造(QD)が1010 /cm程度の高密度で作製された。InAs量子ドット構造の平均高さは7 nm程度であり、一般的なInAs 量子ドット構造と同程度の大きさであった。
図４のアンチモン照射が無い場合では、3ミクロンスケール内で十数個程度の低密度で大きさが通常の量子ドットの４倍以上ある巨大ドット構造が観測された。このような低密度な巨大ドットは、局所的な量子ドット構造の物性評価では必ずしも重大な問題とはならない。しかし、光源や光アンプなどの量子ドットデバイス開発では、この巨大ドット形成が致命的な問題となる。それに対し、図５のアンチモン照射がある場合では、巨大ドットの形成が抑制された。
図６は、DWELL構造をGaAsキャップ層で埋め込んだ構造におけるフォトルミネッセンス(PL：Photoluminescence)特性を示すグラフである。
グリーンレーザ励起(532 nm)による室温フォトルミネッセンスを用いた。アンチモン照射による添加を行った場合に、量子ドット構造のフォトルミネッセンス発光強度が増大することが観測された。
この発光強度増加の現象は、LED (Light emitting diode)構造による電流注入発光でも観測された。これらの実験結果より、量子ドット構造近傍へアンチモンを照射して添加する方法は、デバイス作製の障害となる巨大ドット形成の抑制と、発光強度増大に効果があることが明らかとなった。
グリーンレーザ励起(532 nm)による室温フォトルミネッセンスを用いた。アンチモン照射による添加を行った場合に、量子ドット構造のフォトルミネッセンス発光強度が増大することが観測された。
この発光強度増加の現象は、LED (Light emitting diode)構造による電流注入発光でも観測された。これらの実験結果より、量子ドット構造近傍へアンチモンを照射して添加する方法は、デバイス作製の障害となる巨大ドット形成の抑制と、発光強度増大に効果があることが明らかとなった。
図７は、ブロードエリアレーザ素子の断面を示す電子顕微鏡像である。
上述のアンチモン添加法を用いることで量子ドットの構造と発光特性の改善が確認されたので、それを用いてブロードエリアレーザ素子を作製した。
クラッドにはAlGaAsを用い、またコアにはGaAsをスペーサ層とする積層DWELL構造を用いた。光導波路の幅は約10ミクロン程度とし、オーミックコンタクトは電子ビーム蒸着法の金属蒸着により作製した。へき開による端面ミラーを形成し、光キャビティを構成した。
上述のアンチモン添加法を用いることで量子ドットの構造と発光特性の改善が確認されたので、それを用いてブロードエリアレーザ素子を作製した。
クラッドにはAlGaAsを用い、またコアにはGaAsをスペーサ層とする積層DWELL構造を用いた。光導波路の幅は約10ミクロン程度とし、オーミックコンタクトは電子ビーム蒸着法の金属蒸着により作製した。へき開による端面ミラーを形成し、光キャビティを構成した。
図８は、エレクトロルミネセンス（EL：Electroluminescence）の発光スペクトルを示すグラフである。
これに用いたDWELL構造の作製では、2.4ML InAs量子ドット構造の近傍に、上述のアンチモン添加法を用い、InGaAs量子井戸を埋め込む構造とした。アンチモン添加には、室温で、5.0x10−７ Torrのフラックスを照射した。1.0x10−７ 〜 1.0x10−６ Torr程度のフラックスが利用できる。
これに用いたDWELL構造の作製では、2.4ML InAs量子ドット構造の近傍に、上述のアンチモン添加法を用い、InGaAs量子井戸を埋め込む構造とした。アンチモン添加には、室温で、5.0x10−７ Torrのフラックスを照射した。1.0x10−７ 〜 1.0x10−６ Torr程度のフラックスが利用できる。
アンチモン照射には、物理吸着を利用する分子線エピタキシー法や、有機金属気相成長法など、公知の手法を適宜利用できる。
発光ピークの波長は、1.31ミクロンとなり、Oバンド帯のセンター波長であった。このことよりアンチモン添加法によるDWELL構造は、GaAs基板ベースの光通信用光源に有効な材料と考えられる。
アンチモンの添加量は、約0.5〜5nm 、すなわち1nm程度の層厚で効果が得られる。
発光ピークの波長は、1.31ミクロンとなり、Oバンド帯のセンター波長であった。このことよりアンチモン添加法によるDWELL構造は、GaAs基板ベースの光通信用光源に有効な材料と考えられる。
アンチモンの添加量は、約0.5〜5nm 、すなわち1nm程度の層厚で効果が得られる。
図９は、アンチモン照射の有無によるレーザ素子の発振スペクトルの差を示すグラフである。
2ML InAs量子ドット構造の近傍へアンチモンを照射して添加させたレーザ素子と、アンチモンを添加しないレーザ素子の２種類を作製した。量子ドット構造はInGaAs量子井戸中に埋め込んだ。
これら２つのレーザ素子を室温で動作することを確認した後、レーザ出力を5 mW一定として発振スペクトルを測定した。
2ML InAs量子ドット構造の近傍へアンチモンを照射して添加させたレーザ素子と、アンチモンを添加しないレーザ素子の２種類を作製した。量子ドット構造はInGaAs量子井戸中に埋め込んだ。
これら２つのレーザ素子を室温で動作することを確認した後、レーザ出力を5 mW一定として発振スペクトルを測定した。
その結果、アンチモンを添加した場合は、レーザ発振波長が長波長側へシフトする傾向が観測された。アンチモン添加したDWELL構造によるレーザ素子は、波長1.27ミクロンの基底準位で室温発振することが確認された。また、注入電流の増加に伴い量子ドット構造の励起準位発振も観測されるが、アンチモン添加したレーザ素子では100mW以上の安定した高出力発振が観測された。
上述では、InGaAs系半導体を例示したが、In, Ga, AlのIII族原子とAs, N, SbのV族原子の組み合わせにより構成される他のIII−V族化合物半導体や、C, Si,
Ge, SnのIV族原子からなるＩＶ族化合物半導体についても同様の効果が得られる。
また、上述では、半導体微細構造として、DWELL構造を例示したが、量子ドット構造、量子細線構造、量子井戸構造、またはその任意の組み合わせの構造についても同様の効果が得られる。
また、半導体微細構造に添加する原子・分子にとして、V族の半金属であるアンチモンを例示したが、半導体微細構造に対して薄膜状に添加できれば、他のV族原子や、III、ＩＶ族原子なども適宜利用できる。
Ge, SnのIV族原子からなるＩＶ族化合物半導体についても同様の効果が得られる。
また、上述では、半導体微細構造として、DWELL構造を例示したが、量子ドット構造、量子細線構造、量子井戸構造、またはその任意の組み合わせの構造についても同様の効果が得られる。
また、半導体微細構造に添加する原子・分子にとして、V族の半金属であるアンチモンを例示したが、半導体微細構造に対して薄膜状に添加できれば、他のV族原子や、III、ＩＶ族原子なども適宜利用できる。
本発明による半導体微細構造に対する原子・分子の添加は非常にシンプルな手段であるが、量子ドット構造と発光特性の向上に非常に有効であることが明らかとなり、更にレーザ発振波長の長波長化にも効果があることが確認された。このような作用は、半導体発光ダイオードや、半導体スーパールミネッセンスダイオード、半導体レーザ、半導体光増幅器、半導体光変調器、半導体過飽和吸収素子などの光通信用半導体デバイスに使用でき、産業上利用価値が高い。
Claims (6)
- 半導体を用いた光デバイスにおいて、
その半導体の微細構造の作製に、分子線エピタキシー法を用い、
その半導体微細構造を形成する前に、
その半導体微細構造が形成される領域に対して、フラックス量が約1.0x10−７〜1.0x10−６Torrのアンチモンの原子・分子線を照射して、層厚が0.5〜5nmのアンチモンのコーティング下層を形成し、
そのアンチモンのコーティング層の上に、InAsの量子ドット構造を形成し、
その半導体微細構造が形成された領域に対して、フラックス量が約1.0x10−７〜1.0x10−６Torrのアンチモンの原子・分子線を照射して、層厚が0.5〜5nmのアンチモンのコーティング上層を形成することで、
アンチモンのコーティング下層とアンチモンのコーティング上層との間にInAsの量子ドット構造を挟み、アンチモンの原子・分子でInAsの量子ドット構造を覆うことで、巨大ドットの形成を抑制すると共に半導体微細構造の周囲をコーティングする
ことを特徴とする半導体光デバイスの製造方法。 - 請求項１に記載の方法によって製造された光デバイスであって、
InAsの量子ドット構造を有する半導体微細構造の周囲がアンチモンの原子・分子によってコーティングされた
ことを特徴とする半導体光デバイス。 - 半導体微細構造が、量子ドット構造を量子井戸構造で挟む構造である
請求項２に記載する半導体光デバイス。 - 半導体の基板がGaAsであり、量子井戸構造がInGaAsである
請求項２または３に記載の半導体光デバイス。 - 請求項２ないし４のいずれかに記載の半導体光デバイスを有し、波長１〜２ミクロン帯動作可能である
ことを特徴とする光通信用半導体デバイス。 - 光通信用半導体デバイスが、半導体発光ダイオード、または、半導体スーパールミネッセンスダイオード、半導体レーザ、半導体光増幅器、半導体光変調器、半導体過飽和吸収素子のいずれかである
請求項５に記載の光通信用半導体デバイス。
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