JP6916510B2 - Manufacturing method of optical device - Google Patents

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本発明は、光デバイス及び光デバイスの製造方法に関する。 The present invention relates to an optical device and a method for manufacturing the optical device.

従来、半導体光デバイスとして、量子井戸を発光層とする近赤外波長の半導体レーザーやLEDが広く使われている。量子井戸は、バンドギャップの異なる半導体結晶のヘテロエピタキシャル成長によって得られ、例えば、GaAs結晶基板上に、InGaAs結晶薄膜を成長させ、さらにその上にGaAs結晶を成長させて得られる。量子井戸は、例えば、特許文献1に開示されている。 Conventionally, as semiconductor optical devices, semiconductor lasers and LEDs having a near-infrared wavelength having a quantum well as a light emitting layer have been widely used. The quantum well is obtained by heteroepitaxial growth of semiconductor crystals having different band gaps. For example, an InGaAs crystal thin film is grown on a GaAs crystal substrate, and a GaAs crystal is further grown on the GaAs crystal substrate. Quantum wells are disclosed, for example, in Patent Document 1.

量子井戸は、2次元結晶成長法によって形成される半導体薄膜構造であり、薄膜の厚さ方向のみの1次元方向への量子閉じ込め効果を持つ。量子井戸は、一定の膜厚を有し、膜厚によって決定される発光波長又は吸収波長も一定(狭帯域)になる。2次元結晶成長では、結晶原子層が順次積層されていくため、薄膜の界面は、ステップアンドテラス構造となる。ステップアンドテラス構造とは、原子整列部位である平坦なテラス部分と、1原子層程度の高さのステップ部分と、を有する構造である。2次元結晶成長よって形成された薄膜の界面の形状を、2次元構造という。2次元構造である界面は、原子層レベルの平坦性を有することが特徴である。 The quantum well is a semiconductor thin film structure formed by a two-dimensional crystal growth method, and has a quantum confinement effect in the one-dimensional direction only in the thickness direction of the thin film. The quantum well has a constant film thickness, and the emission wavelength or absorption wavelength determined by the film thickness is also constant (narrow band). In two-dimensional crystal growth, the crystal atomic layers are sequentially laminated, so that the interface of the thin film has a step-and-terrace structure. The step-and-terrace structure is a structure having a flat terrace portion which is an atomic alignment portion and a step portion having a height of about one atomic layer. The shape of the interface of the thin film formed by two-dimensional crystal growth is called a two-dimensional structure. The interface, which is a two-dimensional structure, is characterized by having an atomic layer level flatness.

特開2009−170775号公報JP-A-2009-170775

本発明者らは、量子井戸よりも広帯域化が可能な新規な量子構造を見出した。本発明の一の態様における光デバイスは、半導体薄膜を備え、前記半導体薄膜は、平均膜厚が臨界膜厚未満であり、3次元構造の界面を有する。 The present inventors have found a novel quantum structure capable of having a wider band than a quantum well. The optical device according to one aspect of the present invention includes a semiconductor thin film, the semiconductor thin film having an average film thickness of less than the critical film thickness and having an interface having a three-dimensional structure.

本発明者らの実験によれば、半導体薄膜の界面を、量子井戸のように2次元構造ではなく、3次元構造とすることで、薄膜の膜厚が面内でばらつきをもって分布するため、発光波長又は吸収波長が分布し、その結果、発光又は光吸収が広帯域化する。 According to the experiments of the present inventors, by making the interface of the semiconductor thin film a three-dimensional structure instead of a two-dimensional structure like a quantum well, the film thickness of the thin film is distributed with variation in the plane, so that light emission occurs. Wavelengths or absorption wavelengths are distributed, resulting in broader emission or light absorption.

ここで、3次元構造とは、3次元的成長によって形成された形状又は3次元成長によって形成される形状と同様の形状である。3次元的成長によって形成される従来の量子構造としては、例えば、量子ドット及び量子ダッシュがある。量子ドット及び量子ダッシュは、薄膜は有しておらず、量子構造全体が3次元構造である。具体的には、量子ドットは、厚み方向だけでなく面内方向も含む3次元方向への量子閉じ込め効果を持ち、ドット状の粒子を有する。量子ダッシュは、2次元方向への量子閉じ込め効果を持ち、量子ドットにおけるドット粒子を長細くした形状の突起を有する。3次元構造は、2次元構造が有するような、原子層による平坦部分を有しない又はほとんど有しないのが特徴である。 Here, the three-dimensional structure is a shape formed by three-dimensional growth or a shape similar to a shape formed by three-dimensional growth. Conventional quantum structures formed by three-dimensional growth include, for example, quantum dots and quantum dashes. The quantum dots and quantum dashes do not have a thin film, and the entire quantum structure is a three-dimensional structure. Specifically, the quantum dots have a quantum confinement effect in the three-dimensional direction including not only the thickness direction but also the in-plane direction, and have dot-shaped particles. The quantum dash has a quantum confinement effect in the two-dimensional direction, and has protrusions in the shape of elongated dot particles in the quantum dots. The three-dimensional structure is characterized by having little or no flat portion due to the atomic layer, as the two-dimensional structure has.

本発明者らが見出した量子構造は、量子ドット及び量子ダッシュのように量子構造全体が3次元構造であるのではなく、量子井戸のような半導体薄膜を有しつつも、薄膜の界面が3次元構造を有する。 The quantum structure found by the present inventors does not have a three-dimensional structure as a whole like quantum dots and quantum dashes, but has a semiconductor thin film such as a quantum well, but the interface of the thin film is three. It has a dimensional structure.

薄膜界面の3次元構造は、薄膜の膜厚が臨界膜厚以上となっても得られるが、薄膜に欠陥が生じるのを抑えるため、薄膜の平均膜厚は、臨界膜厚未満とするのが好ましい。臨界膜厚とは、ミスフィット転移が発生する膜厚である。膜厚が、臨界膜厚以上となると、格子不整合による歪によって、ミスフィット転移が発生し、薄膜に欠陥が生じる。欠陥は、非発光中心となり、発光強度を低下させる。ここで、平均膜厚は、3次元構造の界面における複数個所において測定された膜厚の平均である。界面の3次元構造を容易に得る観点からは、薄膜の平均膜厚は、臨界膜厚未満であって、臨界膜厚近傍の値であるのが好ましい。 The three-dimensional structure of the thin film interface can be obtained even if the film thickness of the thin film is equal to or higher than the critical film thickness, but the average film thickness of the thin film should be less than the critical film thickness in order to prevent defects from occurring in the thin film. preferable. The critical film thickness is the film thickness at which a misfit transition occurs. When the film thickness is equal to or higher than the critical film thickness, a misfit transition occurs due to strain due to lattice mismatch, and a defect occurs in the thin film. The defect becomes a non-emission center and reduces the emission intensity. Here, the average film thickness is the average of the film thicknesses measured at a plurality of locations at the interface of the three-dimensional structure. From the viewpoint of easily obtaining the three-dimensional structure of the interface, the average film thickness of the thin film is preferably less than the critical film thickness and close to the critical film thickness.

本発明の他の態様は、光デバイスの製造方法である。実施形態において、製造方法は、基板上に、基板とは格子定数が異なる結晶構造を有する半導体薄膜を成長させる成長工程を含む。成長工程では、半導体薄膜が基板とは格子定数が異なることによる歪によって、半導体薄膜の界面に3次元構造が成長する。前記半導体薄膜の平均膜厚は臨界膜厚未満である。 Another aspect of the present invention is a method of manufacturing an optical device. In the embodiment, the manufacturing method includes a growth step of growing a semiconductor thin film having a crystal structure having a crystal structure different from that of the substrate on the substrate. In the growth process, a three-dimensional structure grows at the interface of the semiconductor thin film due to strain caused by the semiconductor thin film having a different lattice constant from that of the substrate. The average film thickness of the semiconductor thin film is less than the critical film thickness.

3次元構造の界面を有する薄膜の模式図である。It is a schematic diagram of a thin film having an interface of a three-dimensional structure. 半導体光デバイスの断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor optical device. 実験に用いた成長基板の断面図である。It is sectional drawing of the growth substrate used in an experiment. In0.34Ga0.66As薄膜の界面の2次元AFM像である。It is a two-dimensional AFM image of the interface of the In 0.34 Ga 0.66 As thin film. In0.34Ga0.66As薄膜の界面の3次元AFM像である。It is a three-dimensional AFM image of the interface of the In 0.34 Ga 0.66 As thin film. In0.34Ga0.66As薄膜を有する発光素子の発光波長を示す図である。It is a figure which shows the emission wavelength of the light emitting element which has In 0.34 Ga 0.66 As thin film. In0.3Ga0.7As薄膜の界面の2次元AFM像である。It is a two-dimensional AFM image of the interface of the In 0.3 Ga 0.7 As thin film. In0.34Ga0.7As薄膜の界面の3次元AFM像である。It is a three-dimensional AFM image of the interface of the In 0.34 Ga 0.7 As thin film. In0.3Ga0.7As薄膜を有する発光素子の発光波長を示す図である。It is a figure which shows the emission wavelength of the light emitting element which has In 0.3 Ga 0.7 As thin film. In0.2Ga0.8As薄膜の界面の2次元AFM像である。It is a two-dimensional AFM image of the interface of an In 0.2 Ga 0.8 As thin film. In0.2Ga0.8As薄膜の界面の3次元AFM像である。It is a three-dimensional AFM image of the interface of an In 0.2 Ga 0.8 As thin film. In0.5Ga0.5As薄膜の界面のAFM像である。It is an AFM image of the interface of an In 0.5 Ga 0.5 As thin film. In0.28Ga0.72As薄膜の界面のAFM像である。It is an AFM image of the interface of In 0.28 Ga 0.72 As thin film. In0.28Ga0.72As薄膜を有する発光素子の発光波長を示す図である。It is a figure which shows the emission wavelength of the light emitting element which has In 0.28 Ga 0.72 As thin film. 成長温度とPLピーク波長の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a growth temperature and a PL peak wavelength. 成長温度とPLピーク強度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the growth temperature and PL peak intensity. 成長温度とFWHMの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the growth temperature and FWHM. 成長温度とPLピーク波長の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a growth temperature and a PL peak wavelength. 成長温度とPLピーク強度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the growth temperature and PL peak intensity. 成長温度とFWHMの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the growth temperature and FWHM. 波長とPLピーク強度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the wavelength and PL peak intensity. InGa1−xAs組成比と膜厚との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the composition ratio of In x Ga 1-x As, and the film thickness.

[1.実施形態の概要]
実施形態に係る光デバイスは、半導体薄膜を有する。半導体薄膜は、発光層又は光吸収層として機能する。以下では、半導体薄膜を、単に、薄膜という。薄膜は、平均膜厚が臨界膜厚未満である。薄膜は、3次元構造の界面を有する。3次元構造は、例えば、界面に量子ドット状又は量子ダッシュ状の突起を有する形状である。平均膜厚は、3次元構造の界面における複数個所において測定された膜厚の平均である。平均膜厚は、例えば、薄膜を有するサンプルを劈開し、断面のSEM画像上で薄膜の複数個所における厚さを実測し、実測値の平均を求めることで得られる。
[1. Outline of the embodiment]
The optical device according to the embodiment has a semiconductor thin film. The semiconductor thin film functions as a light emitting layer or a light absorbing layer. Hereinafter, the semiconductor thin film is simply referred to as a thin film. The thin film has an average film thickness of less than the critical film thickness. The thin film has an interface with a three-dimensional structure. The three-dimensional structure is, for example, a shape having quantum dot-shaped or quantum dash-shaped protrusions at the interface. The average film thickness is the average of the film thicknesses measured at a plurality of locations at the interface of the three-dimensional structure. The average film thickness can be obtained, for example, by cleaving a sample having a thin film, measuring the thickness of the thin film at a plurality of locations on an SEM image of a cross section, and obtaining the average of the measured values.

3次元構造は、突起を有する形状であり、突起の密度は、1010個/cm以上であるのが好ましく、1012個/cm以下であるのがより好ましい。 The three-dimensional structure has a shape having protrusions, and the density of the protrusions is preferably 10 10 pieces / cm 2 or more, and more preferably 10 12 pieces / cm 2 or less.

界面は、1nm以上のRMS表面粗さを有するのが好ましく、2nm以上のRMS表面粗さを有するのがより好ましい。界面は、4nm以下のRMS表面粗さを有するのが好ましい。 The interface preferably has an RMS surface roughness of 1 nm or more, and more preferably has an RMS surface roughness of 2 nm or more. The interface preferably has an RMS surface roughness of 4 nm or less.

光デバイスは、発光帯域の中心波長が、950nm以上であるのが好ましく、1000nm以上であるのがより好ましい。 The central wavelength of the light emitting band of the optical device is preferably 950 nm or more, and more preferably 1000 nm or more.

光デバイスは、発光帯域の中心波長が、1200nm以下であるのが好ましく、1100nm以下であるのがより好ましい。 The central wavelength of the light emitting band of the optical device is preferably 1200 nm or less, and more preferably 1100 nm or less.

薄膜は、InGa1−x(xはインジウムの組成比)からなるのが好ましい。xは、0.25以上であるのが好ましく、0.28以上であるのがより好ましく、0.3以上であるのがさらに好ましい。xは、0.45以下であるのが好ましく、0.42以下がより好ましく、0.4以下であるのがより好ましく、0.38以下であるのがより好ましい。 The thin film preferably comprises In x Ga 1-x A x (x is the composition ratio of indium). x is preferably 0.25 or more, more preferably 0.28 or more, and even more preferably 0.3 or more. x is preferably 0.45 or less, more preferably 0.42 or less, more preferably 0.4 or less, and even more preferably 0.38 or less.

薄膜の平均膜厚は、3nm以上であるのが好ましく、4nm以上であるのがより好ましい。薄膜の平均膜厚は、9nm以下であるのが好ましく、8nm以下であるのがより好ましい。 The average film thickness of the thin film is preferably 3 nm or more, and more preferably 4 nm or more. The average film thickness of the thin film is preferably 9 nm or less, more preferably 8 nm or less.

実施形態に係る光デバイスの製造方法は、基板上に、基板とは格子定数が異なる結晶構造を有する薄膜を成長させる成長工程を含む。成長工程では、薄膜が基板とは格子定数が異なることによる歪によって、薄膜の界面に3次元構造が成長する。薄膜の平均膜厚は臨界膜厚未満である。 The method for manufacturing an optical device according to an embodiment includes a growth step of growing a thin film having a crystal structure having a lattice constant different from that of the substrate on the substrate. In the growth process, a three-dimensional structure grows at the interface of the thin film due to the strain caused by the thin film having a different lattice constant from that of the substrate. The average film thickness of the thin film is less than the critical film thickness.

実施形態に係る光デバイスの製造方法は、基板上に、InGa1−xAs(xはインジウムの組成比)の薄膜を成長させる成長工程を含む。基板は、InGa1−xAsとは格子定数が異なる。xは、0.25以上0.45以下である。薄膜の成長温度は、500℃以上であるのが好ましく、550℃以下であるのが好ましい。成長温度は、インジウムの熱拡散及び再蒸発の少なくともいずれか一方が生じる温度であるのが好ましい。 The method for manufacturing an optical device according to the embodiment includes a growth step of growing a thin film of In x Ga 1-x As (x is an indium composition ratio) on a substrate. The substrate has a different lattice constant from In x Ga 1-x As. x is 0.25 or more and 0.45 or less. The growth temperature of the thin film is preferably 500 ° C. or higher, and preferably 550 ° C. or lower. The growth temperature is preferably a temperature at which at least one of thermal diffusion and re-evaporation of indium occurs.

[2.実施形態の詳細] [2. Details of the embodiment]

[2.1 半導体薄膜]
図1は、GaAs結晶基板11上に形成されたInGaAs薄膜13を示している。薄膜13の上側の界面15は、ステップアンドテラス構造のような平坦部分を有しておらず、3次元構造となっている。薄膜13は、量子井戸と同様に、薄膜の厚さ方向のみの1次元方向への量子閉じ込め効果を持つ。薄膜13は、その厚さに依存した波長での発光又は吸収をする。図1のように界面15が3次元構造である薄膜13は膜厚が不均一になり、その結果、光の帯域幅が広がる。
[2.1 Semiconductor thin film]
FIG. 1 shows an InGaAs thin film 13 formed on a GaAs crystal substrate 11. The interface 15 on the upper side of the thin film 13 does not have a flat portion like a step-and-terrace structure, and has a three-dimensional structure. Like the quantum well, the thin film 13 has a quantum confinement effect in the one-dimensional direction only in the thickness direction of the thin film. The thin film 13 emits light or absorbs light at a wavelength depending on its thickness. As shown in FIG. 1, the thin film 13 having a three-dimensional structure at the interface 15 has a non-uniform film thickness, and as a result, the bandwidth of light is widened.

[2.2 発光素子] [2.2 Light emitting element]

図2は、複数の薄膜13を有する活性層10を備えた半導体光デバイス(量子デバイス)100を示している。このデバイス100は、例えば、発光素子である。発光素子100は、n−GaAs基板25上に形成されたバッファ層23、バッファ層23の上に形成されたn型クラッド層21、クラッド層21の上に形成された活性層10、活性層10の上に形成されたp型クラッド層31、及び、クラッド層31の上に形成されたバッファ層23を有している。図2において、バッファ層23はn−GaAsであり、クラッド層21はn−Al0.35Ga0.65Asであり、クラッド層31はp−Al0.35Ga0.65Asであり、バッファ槽33はn−GaAsである。なお、発光素子100は、図示しない電極などを有する。 FIG. 2 shows a semiconductor optical device (quantum device) 100 including an active layer 10 having a plurality of thin films 13. The device 100 is, for example, a light emitting element. The light emitting element 100 includes a buffer layer 23 formed on the n + -GaAs substrate 25, an n-type clad layer 21 formed on the buffer layer 23, an active layer 10 formed on the clad layer 21, and an active layer. It has a p-type clad layer 31 formed on the clad layer 31 and a buffer layer 23 formed on the clad layer 31. In FIG. 2, the buffer layer 23 is n + -GaAs, the clad layer 21 is n-Al 0.35 Ga 0.65 As, and the clad layer 31 is p-Al 0.35 Ga 0.65 As. , The buffer tank 33 is n + −GaAs. The light emitting element 100 has electrodes and the like (not shown).

活性層10は、多重量子井戸のような多重構造であり、作製複数の薄膜13それぞれを、バリア層11で挟んだ構造である。図2において、バリア層11は、GaAsであり、薄膜13は、InGaAs薄膜である。 The active layer 10 has a multiple structure such as a multiple quantum well, and has a structure in which each of the plurality of thin films 13 produced is sandwiched between the barrier layers 11. In FIG. 2, the barrier layer 11 is a GaAs and the thin film 13 is an InGaAs thin film.

複数の薄膜13のうちの少なくとも1つは、上側のバリア層11との界面15が、図1に示すような3次元構造を有している。なお、結晶の成長が進む方向を上とする。図2に示すように、活性層10においては、複数の薄膜13全ての界面15が3次元構造を有していても良いし、2次元構造の界面を有する薄膜と3次元構造の界面15を有する薄膜13とが混在した構造を有していても良い。 At least one of the plurality of thin films 13 has an interface 15 with the upper barrier layer 11 having a three-dimensional structure as shown in FIG. The direction in which crystal growth proceeds is upward. As shown in FIG. 2, in the active layer 10, all the interfaces 15 of the plurality of thin films 13 may have a three-dimensional structure, or the interface 15 between the thin film having the interface of the two-dimensional structure and the interface 15 of the three-dimensional structure may be formed. It may have a structure in which the thin film 13 to have is mixed.

光デバイス100は、例えば、光干渉断層計(OCT)のための発光デバイスであってもよいし、近赤外線多重波長通信(WDM)のための発光デバイスであってもよい。光デバイス100は受光素子であってもよい。光デバイス100は、例えば、近赤外光ディタクタであってもよい。光デバイス100は、太陽電池であってもよい。 The optical device 100 may be, for example, a light emitting device for an optical coherence tomography (OCT) or a light emitting device for near-infrared division multiplexing (WDM). The optical device 100 may be a light receiving element. The optical device 100 may be, for example, a near-infrared optical detector. The optical device 100 may be a solar cell.

図2に示す半導体結晶層は、例えば、分子線エピタキシー法(MBE)法によって製造される。MBE成長は、結晶基板25上にエピタキシャル成長により結晶を成長させる方式である。MBE成長は、MBE成長装置によって行われる。MBE成長装置は、超高真空チャンバ内の基板ホルダに設置された結晶基板25に対し、原料供給機構から原料を供給する。真空チャンバ内には、基板加熱ヒータが設置され、基板25を加熱する。 The semiconductor crystal layer shown in FIG. 2 is manufactured by, for example, a molecular beam epitaxy method (MBE) method. MBE growth is a method in which a crystal is grown on a crystal substrate 25 by epitaxial growth. MBE growth is performed by the MBE growth device. The MBE growth apparatus supplies raw materials from the raw material supply mechanism to the crystal substrate 25 installed in the substrate holder in the ultra-high vacuum chamber. A substrate heater is installed in the vacuum chamber to heat the substrate 25.

[2.3 実験]
実験では、GaAs結晶基板の上に、In,Ga,及びAs原子を供給し、InGa1−xAsをエピタキシャル成長させた。以下に実験結果を示す。なお、実験では、図3に示す成長基板断面構造を有するサンプルを作製した。また、以下に説明する実験では、特に断らない限り、InGa1−xAs薄膜13の厚さが7nmになる量の原料(In,Ga,As)が供給される。
[2.3 Experiment]
In the experiment, In, Ga, and As atoms were supplied on the GaAs crystal substrate, and In x Ga 1-x As was epitaxially grown. The experimental results are shown below. In the experiment, a sample having the cross-sectional structure of the growth substrate shown in FIG. 3 was prepared. Further, in the experiment described below, unless otherwise specified, raw materials (In, Ga, As) having a thickness of the In x Ga 1-x As thin film 13 of 7 nm are supplied.

ここで、厚さがT[nm]になる量の原料とは、界面(表面)15が2次元構造である薄膜を形成した場合に、薄膜の膜厚がT[nm]となる量の原料である。以下の実験では、界面15が3次元構造になることがあり、この場合、成長した薄膜の厚さは一定ではない。厚さがT[nm]になる量の原料が供給されて、界面15が3次元構造となった場合、薄膜の平均膜厚は、T[nm]となる。ただし、後述のように、薄膜の成長工程中に、原料の再蒸発が起こることがあるため、原料供給量に比して膜厚が薄くなっていることがある。原料の再蒸発が起こると、厚さがT[nm]になる量の原料が供給されても、薄膜の平均膜厚は、T[nm]未満となる。 Here, the raw material having a thickness of T [nm] is a raw material having a thickness of T [nm] when the interface (surface) 15 forms a thin film having a two-dimensional structure. Is. In the following experiments, the interface 15 may have a three-dimensional structure, in which case the thickness of the grown thin film is not constant. When a raw material having a thickness of T [nm] is supplied and the interface 15 has a three-dimensional structure, the average film thickness of the thin film is T [nm]. However, as will be described later, since the raw material may be re-evaporated during the thin film growth process, the film thickness may be thinner than the amount of the raw material supplied. When the raw material is re-evaporated, the average film thickness of the thin film becomes less than T [nm] even if an amount of the raw material having a thickness of T [nm] is supplied.

[2.3.1 In0.34Ga0.66As 7nm] [2.3.1 In 0.34 Ga 0.66 As 7nm]

図4及び図5は、様々な基板温度(成長温度)で作製したIn0.34Ga0.66As薄膜13の界面(表面)15の観察像を示している。図4及び図5に示す観察像は、原子間力顕微鏡(AFM)によって得た。図4は、界面15の2次元画像であり、図5は、界面15の3次元画像である。 4 and 5 show observation images of the interface (surface) 15 of the In 0.34 Ga 0.66 As thin film 13 produced at various substrate temperatures (growth temperatures). The observation images shown in FIGS. 4 and 5 were obtained by an atomic force microscope (AFM). FIG. 4 is a two-dimensional image of the interface 15, and FIG. 5 is a three-dimensional image of the interface 15.

図4(a)及び図5(a)は、437℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。437°は、界面15が2次元構造である従来の量子井戸を成長させるのに適した比較的低温の成長温度である。図4(a)及び図5(a)に示す界面15は、原子層による平坦性を有し2次元構造である。図4(a)及び図5(a)に示す界面15のRMS表面粗さは、0.360nmであった。0.360nm表面粗さは、1原子層(Mono Layer:ML)の厚さ相当であるため、このことからも、図4(a)及び図5(a)に示す界面15が、2次元構造であるステップアンドテラス構造であることが裏付けられる。 4 (a) and 5 (a) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 437 ° C. 437 ° is a relatively low growth temperature suitable for growing a conventional quantum well having a two-dimensional interface 15. The interface 15 shown in FIGS. 4 (a) and 5 (a) has a flatness due to an atomic layer and has a two-dimensional structure. The RMS surface roughness of the interface 15 shown in FIGS. 4 (a) and 5 (a) was 0.360 nm. Since the surface roughness of 0.360 nm is equivalent to the thickness of the monolayer (ML), the interface 15 shown in FIGS. 4 (a) and 5 (a) has a two-dimensional structure. It is confirmed that it is a step-and-terrace structure.

図4(b)及び図5(b)は、469℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。図4(b)及び図5(b)に示す界面15は、原子層による平坦性を有しておらず、多数の粒子状の突起を有する3次元構造である。界面15のRMS表面粗さは、1.62nmであった。突起の密度は、1.3×1011個/cmであった。なお、突起の密度は、AFM画像を観察し、単位面積当たりの突起の数をカウントすることにより求めた。 4 (b) and 5 (b) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 469 ° C. The interface 15 shown in FIGS. 4 (b) and 5 (b) is a three-dimensional structure having a large number of particle-like protrusions without having flatness due to the atomic layer. The RMS surface roughness of the interface 15 was 1.62 nm. The density of protrusions was 1.3 × 10 11 pieces / cm 2 . The density of protrusions was determined by observing an AFM image and counting the number of protrusions per unit area.

図4(c)及び図5(c)は、489℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。図4(c)及び図5(c)に示す界面15は、原子層による平坦性を有しておらず、多数の粒子状の突起を有する3次元構造である。界面15のRMS表面粗さは、1.66nmであった。突起の密度は、1.0×1011個/cmであった。 4 (c) and 5 (c) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 489 ° C. The interface 15 shown in FIGS. 4 (c) and 5 (c) is a three-dimensional structure having a large number of particle-like protrusions without having flatness due to the atomic layer. The RMS surface roughness of the interface 15 was 1.66 nm. The density of the protrusions was 1.0 × 10 11 pieces / cm 2 .

図4(d)及び図5(d)は、505℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。図4(d)及び図5(d)に示す界面15は、原子層による平坦性を有しておらず、多数の粒子状の突起を有する3次元構造である。界面15のRMS表面粗さは、1.66nmであった。突起の密度は、4.4×1010個/cmであった。 4 (d) and 5 (d) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 505 ° C. The interface 15 shown in FIGS. 4 (d) and 5 (d) is a three-dimensional structure having a large number of particle-like protrusions without having flatness due to the atomic layer. The RMS surface roughness of the interface 15 was 1.66 nm. The density of protrusions was 4.4 × 10 10 pieces / cm 2 .

図4(e)及び図5(e)は、510℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。図4(e)及び図5(e)に示す界面15は、原子層による平坦性を有しておらず、多数の粒子状の突起を有する3次元構造である。示す界面15のRMS表面粗さは、2.98nmであった。突起の密度は、3.5×1010個/cmであった。 4 (e) and 5 (e) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 510 ° C. The interface 15 shown in FIGS. 4 (e) and 5 (e) is a three-dimensional structure having a large number of particle-like protrusions without having flatness due to the atomic layer. The RMS surface roughness of the indicated interface 15 was 2.98 nm. The density of protrusions was 3.5 × 10 10 pieces / cm 2 .

図4(f)及び図5(f)は、520℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。図4(f)及び図5(f)に示す界面15は、原子層による平坦性を有しておらず、多数の粒子状の突起を有する3次元構造である。界面15のRMS表面粗さは、3.69nmであった。突起の密度は、2.4×1010個/cmであった。 4 (f) and 5 (f) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 520 ° C. The interface 15 shown in FIGS. 4 (f) and 5 (f) is a three-dimensional structure having a large number of particle-like protrusions without having flatness due to the atomic layer. The RMS surface roughness of the interface 15 was 3.69 nm. The density of protrusions was 2.4 × 10 10 pieces / cm 2 .

図4(g)及び図5(g)は、526℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。図4(g)及び図5(g)に示す界面15は、原子層による平坦性を有しておらず、多数の粒子状の突起を有する3次元構造である。界面15のRMS表面粗さは、3.38nmであった。突起の密度は、2.1×1010個/cmであった。 4 (g) and 5 (g) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 526 ° C. The interface 15 shown in FIGS. 4 (g) and 5 (g) is a three-dimensional structure having a large number of particle-like protrusions without having flatness due to the atomic layer. The RMS surface roughness of the interface 15 was 3.38 nm. The density of protrusions was 2.1 × 10 10 pieces / cm 2 .

図4(h)及び図5(h)は、538℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。図4(h)及び図5(h)に示す界面15は、原子層による平坦性を有しておらず、多数の粒子状の突起を有する3次元構造である。界面15のRMS表面粗さは、2.95nmであった。 4 (h) and 5 (h) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 538 ° C. The interface 15 shown in FIGS. 4 (h) and 5 (h) is a three-dimensional structure having a large number of particle-like protrusions without having flatness due to the atomic layer. The RMS surface roughness of the interface 15 was 2.95 nm.

比較的低温である437℃の成長温度では、界面15が2次元膜成長をしているのに対して、469℃以上の成長温度では、界面15の平坦性がなくなっており、界面15が3次元成長していることが、図4及び図5からわかる。実験で得られた3次元構造における突起は、従来の量子ドット状の形状である。ただし、理想的な量子ドット構造は、等方的な形状や、側面にファセットを有する対象形状であるが、実験で得られた3次元構造は、Inの熱拡散によると考えられる形状の不均一性がみられ、突起のサイズも均一ではなく、ばらつきがある。538℃の成長温度で得られた界面15における突起には、細長くなっているものも含まれる。細長い突起は、従来の量子ダッシュ状の形状である。 At a relatively low growth temperature of 437 ° C., the interface 15 undergoes two-dimensional film growth, whereas at a growth temperature of 469 ° C. or higher, the interface 15 loses its flatness and the interface 15 has 3 It can be seen from FIGS. 4 and 5 that the dimension is growing. The protrusions in the three-dimensional structure obtained in the experiment have a conventional quantum dot-like shape. However, the ideal quantum dot structure is an isotropic shape or a target shape with facets on the side surface, but the three-dimensional structure obtained in the experiment is non-uniform in shape, which is considered to be due to thermal diffusion of In. The sex is observed, and the size of the protrusions is not uniform and varies. The protrusions at the interface 15 obtained at the growth temperature of 538 ° C. include those that are elongated. The elongated protrusions have a conventional quantum dash-like shape.

437℃で成長させた界面15は、2次元膜成長しているため平坦であり、大きな荒れは認められないのに対し、界面15が3次元成長すると、1原子層の高さを超えた非常に多数の突起が生成される。界面15が3次元成長すると、例えば、1010個/cm以上の突起密度が得られる。突起密度は、好ましくは、1012個/cm以下であり、より好ましくは、1011個/cm以下である。 The interface 15 grown at 437 ° C. is flat because it grows in a two-dimensional film, and no large roughness is observed. On the other hand, when the interface 15 grows three-dimensionally, it exceeds the height of one atomic layer. Many protrusions are generated in. When the interface 15 grows three-dimensionally, for example, a protrusion density of 10 10 pieces / cm 2 or more can be obtained. The protrusion density is preferably 10 12 pieces / cm 2 or less, and more preferably 10 11 pieces / cm 2 or less.

図4及び図5に示すように、成長温度を高くすると、突起の大きさが大きくなっている。これは、Inの熱拡散により突起を大きく成長させているものと考えられる。また、538°で成長した界面15に細長い突起が存在するのは、Inの熱拡散により突起同士のつながり生じたものと考えられる。 As shown in FIGS. 4 and 5, the size of the protrusions increases as the growth temperature increases. It is considered that this is because the protrusions are greatly grown due to the thermal diffusion of In. Further, it is considered that the existence of elongated protrusions at the interface 15 grown at 538 ° is caused by the connection between the protrusions due to the thermal diffusion of In.

437℃で2次元膜成長させた界面15のRMS表面粗さは、1ML相当の0.360nmという非常に小さい値であるのに対して、3次元成長させた界面15のRMS表面粗さは、数ML相当である1nm又はそれを超えるものとなる。界面15のRMS表面粗さは、好ましくは、2nm以上である。界面15のRMS表面粗さは、好ましくは4nm以下であり、より好ましくは3nm以下である。 The RMS surface roughness of the interface 15 grown in a two-dimensional film at 437 ° C. is a very small value of 0.360 nm, which is equivalent to 1 ML, whereas the RMS surface roughness of the interface 15 grown in three dimensions is It will be 1 nm or more, which is equivalent to several ML. The RMS surface roughness of the interface 15 is preferably 2 nm or more. The RMS surface roughness of the interface 15 is preferably 4 nm or less, more preferably 3 nm or less.

界面15のRMS表面粗さは、成長温度を高くするにつれて、大きくなる傾向が認められる。これは、1つ1つの突起の成長によるものと考えられる。ただし、成長温度が538℃の場合は、成長温度が526℃の場合に比べて、RMS表面粗さが小さくなっている。これは、Inの熱拡散により突起同士のつながりが生じ、粗さが低下したものと考えられる。また、Inの再蒸発が原因と考えられる。 The RMS surface roughness of the interface 15 tends to increase as the growth temperature is increased. This is considered to be due to the growth of each protrusion. However, when the growth temperature is 538 ° C., the RMS surface roughness is smaller than when the growth temperature is 526 ° C. It is considered that this is because the heat diffusion of In causes the protrusions to be connected to each other and the roughness is reduced. Further, it is considered that the cause is the re-evaporation of In.

図6は、T=437℃、T=489℃,T=526℃、T=538℃の4つの成長温度それぞれで得られたIn0.34Ga0.66As薄膜13を有する発光素子の発光波長を示す。図6において縦軸は、発光強度(Norm.PL intensity)を示し、横軸は、発光波長及び光子エネルギーを示す。なお、図6の発光強度は、正規化されており、実際の発光強度は、温度毎に異なる。成長温度と発光強度との関係については後述する。 FIG. 6 has an In 0.34 Ga 0.66 As thin film 13 obtained at each of the four growth temperatures of T 1 = 437 ° C, T 2 = 489 ° C, T 3 = 526 ° C, and T 4 = 538 ° C. Indicates the emission wavelength of the light emitting element. In FIG. 6, the vertical axis represents the emission intensity (Norm.PL intensity), and the horizontal axis indicates the emission wavelength and photon energy. The emission intensity in FIG. 6 is normalized, and the actual emission intensity differs depending on the temperature. The relationship between the growth temperature and the emission intensity will be described later.

成長温度Tで得られたIn0.34Ga0.66As薄膜13による発光帯域の中心波長λは、1100nm付近にある。その帯域幅Δλは27nmである。ここで、帯域幅は、半値全幅(FWHM)であり、以下同様である。界面15が2次元構造となるT=437℃の成長温度では、作製されたIn0.34Ga0.66As薄膜13は、通常の量子井戸構造と同様に界面が2次元構造であり、帯域幅は、比較的狭い。 The central wavelength λ 1 of the emission band by the In 0.34 Ga 0.66 As thin film 13 obtained at the growth temperature T 1 is around 1100 nm. Its bandwidth Δλ 1 is 27 nm. Here, the bandwidth is the full width at half maximum (FWHM), and so on. At a growth temperature of T 1 = 437 ° C. in which the interface 15 has a two-dimensional structure , the produced In 0.34 Ga 0.66 As thin film 13 has a two-dimensional interface similar to that of a normal quantum well structure. Bandwidth is relatively narrow.

成長温度Tで得られたIn0.34Ga0.66As薄膜13による発光帯域の中心波長λは、1160nm付近にシフト(長波長側へのシフト;レッドシフト)している。レッドシフトは、比較的高い成長温度のため、Inの偏析が生じ、Inの濃度分布が生じたためである。また、その帯域幅Δλは、比較的広くなっている。これは、界面15が3次元構造であることにより、薄膜13の膜厚が一定でなくなり、分布が生じたためである。発光は、薄膜の厚さに依存した波長で行われるため、膜厚が不均一になると、発光波長の帯域幅が広がる。また、広帯域化は、Inの拡散・再蒸発によって、Inの濃度分布が生じ、界面15上のランダムなIn組成比が生じたことも寄与していると考えられる。 The central wavelength λ 2 of the emission band by the In 0.34 Ga 0.66 As thin film 13 obtained at the growth temperature T 2 is shifted to around 1160 nm (shift to the long wavelength side; red shift). This is because the red shift is due to the segregation of In due to the relatively high growth temperature and the concentration distribution of In. Moreover, the bandwidth Δλ 2 is relatively wide. This is because the interface 15 has a three-dimensional structure, so that the film thickness of the thin film 13 is not constant and a distribution occurs. Since light emission is performed at a wavelength that depends on the thickness of the thin film, if the film thickness becomes non-uniform, the bandwidth of the light emission wavelength increases. Further, it is considered that the wide band is also contributed by the fact that the concentration distribution of In is generated by the diffusion and re-evaporation of In, and the random In composition ratio on the interface 15 is generated.

成長温度Tで得られたIn0.34Ga0.66As薄膜13による発光帯域の中心波長λは、1180nm付近にシフト(短波長側へのシフト;ブルーシフト)している。高い成長温度では、Inの熱拡散だけでなく再蒸発が生じるため、Inの濃度が低下する。Inの濃度低下は、短波長化を生じさせる。したがって、ブルーシフトは、Inの再蒸発を生じさせるような高い成長温度よるものである。また、その帯域幅Δλは、成長温度Tにおける帯域幅Δλよりも、広くなっている。これは、薄膜13の膜厚不均一さの増大とIn濃度分布の発生のためである。 The central wavelength λ 3 of the emission band by the In 0.34 Ga 0.66 As thin film 13 obtained at the growth temperature T 3 is shifted to around 1180 nm (shift to the short wavelength side; blue shift). At a high growth temperature, not only thermal diffusion of In but also re-evaporation occurs, so that the concentration of In decreases. A decrease in the concentration of In causes a shortening of the wavelength. Therefore, the blue shift is due to the high growth temperature that causes the re-evaporation of In. Further, the bandwidth Δλ 3 is wider than the bandwidth Δλ 2 at the growth temperature T 2. This is due to the increase in film thickness non-uniformity of the thin film 13 and the occurrence of the In concentration distribution.

成長温度Tで得られたIn0.34Ga0.66As薄膜13による発光帯域の中心波長λは、1020nm付近にさらにブルーシフトしている。これは、成長温度Tの場合よりも、Inの再蒸発が多くなっているためである。また、その帯域幅Δλは、成長温度Tにおける帯域幅Δλよりも、さらに広くなっている。これは、薄膜13の膜厚不均一さの増大とIn濃度分布の発生のためである。成長温度Tで得られたIn0.34Ga0.66As薄膜13による発光のスペクトル形状は、なめらかな単峰性を示している。 The central wavelength λ 4 of the emission band by the In 0.34 Ga 0.66 As thin film 13 obtained at the growth temperature T 4 is further blue-shifted to around 1020 nm. This, than in the case of the growth temperature T 3, because the re-evaporation of In is increased. Further, the bandwidth Δλ 4 is even wider than the bandwidth Δλ 3 at the growth temperature T 3. This is due to the increase in film thickness non-uniformity of the thin film 13 and the occurrence of the In concentration distribution. The spectral shape of the light emitted by the In 0.34 Ga 0.66 As thin film 13 obtained at the growth temperature T 4 shows a smooth monomodity.

以上の実験結果より、界面15が3次元構造である薄膜13は、界面15が2次元構造である量子井戸13に比べて、発光帯域幅が広がることがわかる。また、3次元構造を成長させる温度によって、中心波長を異ならせることができることがわかる。 From the above experimental results, it can be seen that the thin film 13 having the interface 15 having a three-dimensional structure has a wider emission bandwidth than the quantum well 13 having the interface 15 having a two-dimensional structure. Further, it can be seen that the central wavelength can be changed depending on the temperature at which the three-dimensional structure is grown.

[2.3.2 In0.3Ga0.7As 7nm] [2.3.2 In 0.3 Ga 0.7 As 7 nm]

図7A及び図7Bは、様々な成長温度で作製したIn0.3Ga0.7As薄膜13の界面15の観察像(AFM像)を示している。図7Aは、界面15の2次元画像であり、図7Bは、界面15の3次元画像である。 7A and 7B show observation images (AFM images) of the interface 15 of the In 0.3 Ga 0.7 As thin film 13 prepared at various growth temperatures. FIG. 7A is a two-dimensional image of the interface 15, and FIG. 7B is a three-dimensional image of the interface 15.

図7A(a)及び図7B(a)は、415℃で成長させた薄膜の界面15を示し、図7(b)及び図7B(b)は、440℃で成長させた薄膜の界面15を示している。成長温度が415℃及び440℃では、界面15は2次元構造となることがわかる。 7A and 7B (a) show the interface 15 of the thin film grown at 415 ° C, and FIGS. 7B and 7B (b) show the interface 15 of the thin film grown at 440 ° C. Shown. It can be seen that at the growth temperatures of 415 ° C and 440 ° C, the interface 15 has a two-dimensional structure.

図7A(c)及び図7B(c)は、484℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。図7A(d)及び図7B(d)は、516℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。成長温度が484℃及び516℃では、界面15は、3次元構造となることがわかる。AFM像より、成長温度が高い方が、粒子状の突起が大きく成長していることがわかる。 7A (c) and 7B (c) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 484 ° C. 7A (d) and 7B (d) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 516 ° C. It can be seen that at the growth temperatures of 484 ° C and 516 ° C, the interface 15 has a three-dimensional structure. From the AFM image, it can be seen that the higher the growth temperature, the larger the particle-like protrusions grow.

図7A(e)及び図7B(e)は、536℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。成長温度が536℃では、界面15は2次元構造となることがわかる。成長温度が高すぎると、In原料の再蒸発がより多く生じ、In組成が低下するため、3次元成長するのに十分な膜厚が得られなかったものと考えられる。 7A (e) and 7B (e) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 536 ° C. It can be seen that at the growth temperature of 536 ° C., the interface 15 has a two-dimensional structure. If the growth temperature is too high, more re-evaporation of the In raw material occurs and the In composition decreases, so that it is considered that a sufficient film thickness for three-dimensional growth could not be obtained.

図8は、T11=415℃、T12=440℃、T13=484℃、T14=516℃、T15=536℃の5つの成長温度それぞれで得られたIn0.3Ga0.7As薄膜13を有する発光素子の発光波長を示す。図8において縦軸は、発光強度(Norm.PL intensity)を示し、横軸は、発光波長及び光子エネルギーを示す。なお、図8の発光強度は、正規化されており、実際の発光強度は、温度毎に異なる。 FIG. 8 shows In 0.3 Ga 0. obtained at each of the five growth temperatures of T 11 = 415 ° C, T 12 = 440 ° C, T 13 = 484 ° C, T 14 = 516 ° C, and T 15 = 536 ° C. 7 The emission wavelength of the light emitting element having the As thin film 13 is shown. In FIG. 8, the vertical axis represents the emission intensity (Norm.PL intensity), and the horizontal axis indicates the emission wavelength and photon energy. The emission intensity in FIG. 8 is normalized, and the actual emission intensity differs depending on the temperature.

In0.3Ga0.7Asは、In0.34Ga0.66Asに比べてIn濃度が低いため、発光波長が短くなる。成長温度T11=415℃で得られた薄膜13、成長温度T12=440℃で得られた薄膜13、及び成長温度T15=536℃で得られた薄膜13は、界面15が2次元構造であるため、帯域が比較的狭い。 In 0.3 Ga 0.7 As has a lower In concentration than In 0.34 Ga 0.66 As, so that the emission wavelength is shorter. The interface 15 of the thin film 13 obtained at the growth temperature T 11 = 415 ° C, the thin film 13 obtained at the growth temperature T 12 = 440 ° C, and the thin film 13 obtained at the growth temperature T 15 = 536 ° C has a two-dimensional structure. Therefore, the band is relatively narrow.

これに対して、成長温度T13=484℃で得られた薄膜13及び成長温度T14=516℃で得られた薄膜13は、界面15が、3次元構造であるため、帯域が広がっている。成長温度T13で得られた薄膜13による発光帯域の中心波長λ13は、1030nm付近にあり、帯域幅Δλ13は、63nmである。 On the other hand, the thin film 13 obtained at the growth temperature T 13 = 484 ° C. and the thin film 13 obtained at the growth temperature T 14 = 516 ° C. have a wide band because the interface 15 has a three-dimensional structure. .. The resulting central wavelength lambda 13 of the light emitting zone by a thin film 13 at the growth temperature T 13, located near 1030 nm, bandwidth [Delta] [lambda] 13 is 63 nm.

成長温度T14=516℃で得られた薄膜13による発光帯域の中心波長λ14は、Inの再蒸発によるIn濃度低下により、1010nm付近にブルーシフトしている。また、帯域幅Δλ14は、75nmであり、薄膜13の膜厚不均一さの増大により、成長温度T13における帯域幅Δλ13よりも、帯域幅が広がっている。 The central wavelength λ 14 of the emission band due to the thin film 13 obtained at the growth temperature T 14 = 516 ° C. is blue-shifted to around 1010 nm due to the decrease in In concentration due to the re-evaporation of In. Further, the bandwidth Δλ 14 is 75 nm, and the bandwidth is wider than the bandwidth Δλ 13 at the growth temperature T 13 due to the increase in the film thickness non-uniformity of the thin film 13.

[2.3.3 In0.2Ga0.8As 7nm] [2.3.3 In 0.2 Ga 0.8 As 7 nm]

図9及び図10は、様々な基板温度(成長温度)で作製したIn0.2Ga0.8As薄膜13の界面(表面)15のAFM像を示している。図9は、界面15の2次元画像であり、図10は、界面15の3次元画像である。 9 and 10 show AFM images of the interface (surface) 15 of the In 0.2 Ga 0.8 As thin film 13 produced at various substrate temperatures (growth temperatures). FIG. 9 is a two-dimensional image of the interface 15, and FIG. 10 is a three-dimensional image of the interface 15.

図9(a)及び図10(a)は、425℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。図9(b)及び図10(b)は、434℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。図9(c)及び図10(c)は、483℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。図9(d)及び図10(d)は、520℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。図9(e)及び図10(e)は、536℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。 9 (a) and 10 (a) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 425 ° C. 9 (b) and 10 (b) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 434 ° C. 9 (c) and 10 (c) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 483 ° C. 9 (d) and 10 (d) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 520 ° C. 9 (e) and 10 (e) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 536 ° C.

In0.2Ga0.8Asの場合、上記のいずれの成長温度においても、界面15は2次元構造であり、3次元構造は得られなかった。したがって、得られたIn0.2Ga0.8As薄膜13は、界面が2次元構造である通常の量子井戸である。界面が2次元構造である通常の量子井戸は、In0.2Ga0.8AsのようにIn組成比が比較的低く、420℃から500℃程度の比較的低温で成長させて得られる。実験によれば、通常の量子井戸の組成であるIn0.2Ga0.8Asの成長温度を536℃まで高くしても3次元構造は得られなかった。3次元構造が得られない理由については後述する。 In the case of In 0.2 Ga 0.8 As, the interface 15 had a two-dimensional structure at any of the above growth temperatures, and a three-dimensional structure could not be obtained. Therefore, the obtained In 0.2 Ga 0.8 As thin film 13 is a normal quantum well having a two-dimensional interface. A normal quantum well having a two-dimensional interface has a relatively low In composition ratio such as In 0.2 Ga 0.8 As, and is obtained by growing at a relatively low temperature of about 420 ° C. to 500 ° C. According to the experiment, a three-dimensional structure could not be obtained even if the growth temperature of In 0.2 Ga 0.8 As, which is the composition of a normal quantum well, was raised to 536 ° C. The reason why the three-dimensional structure cannot be obtained will be described later.

[2.3.4 In0.5Ga0.5As 7nm] [2.3.4 In 0.5 Ga 0.5 As 7 nm]

図11は、様々な基板温度(成長温度)で作製したIn0.5Ga0.5As薄膜13の界面(表面)15のAFM像を示している。図11(a)(c)(e)は、界面15の2次元画像であり、図11(b)(d)(f)は、界面15の3次元画像である。 FIG. 11 shows an AFM image of the interface (surface) 15 of the In 0.5 Ga 0.5 As thin film 13 produced at various substrate temperatures (growth temperatures). 11 (a), (c), and (e) are two-dimensional images of the interface 15, and FIGS. 11 (b), (d), and (f) are three-dimensional images of the interface 15.

図11(a)(b)は、484℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。図11(c)(d)は、517℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。図11(e)(f)は、535℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。 11 (a) and 11 (b) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 484 ° C. 11 (c) and 11 (d) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 517 ° C. 11 (e) and 11 (f) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 535 ° C.

In0.5Ga0.5Asの場合、上記のいずれの成長温度においても、界面15は3次元構造となった。ただし、発光は得られなかったか、非常に弱い発光であったため、得られたIn0.5Ga0.5As薄膜13は、光デバイスとしては十分に機能していないと考えられる。 In the case of In 0.5 Ga 0.5 As, the interface 15 has a three-dimensional structure at any of the above growth temperatures. However, since no light emission was obtained or the light emission was very weak, it is considered that the obtained In 0.5 Ga 0.5 As thin film 13 does not sufficiently function as an optical device.

[2.3.5 In0.28Ga0.72As 9nm] [2.3.5 In 0.28 Ga 0.72 As 9 nm]

図12は、様々な基板温度(成長温度)で作製したIn0.28Ga0.72As薄膜13の界面(表面)15のAFM像を示している。ここでは、薄膜13の厚さが9nmになる量の原料を供給した。図12(a)(c)(e)は、界面15の2次元画像であり、図12(b)(d)(f)は、界面15の3次元画像である。 FIG. 12 shows an AFM image of the interface (surface) 15 of the In 0.28 Ga 0.72 As thin film 13 produced at various substrate temperatures (growth temperatures). Here, an amount of raw material was supplied so that the thickness of the thin film 13 became 9 nm. 12 (a), (c), and (e) are two-dimensional images of the interface 15, and FIGS. 12 (b), (d), and (f) are three-dimensional images of the interface 15.

図12(a)及び図12(b)は、446℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。図12(c)及び図12(d)は、486℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。図12(e)及び図12(f)は、519℃で成長させた薄膜13の界面15を示す。成長温度が446℃では、界面15は、2次元構造となるが、成長温度が486℃及び519℃では、界面15は、3次元構造となることがわかる。AFM像より、成長温度が高い方が、粒子状の突起が大きく成長していることがわかる。 12 (a) and 12 (b) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 446 ° C. 12 (c) and 12 (d) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 486 ° C. 12 (e) and 12 (f) show the interface 15 of the thin film 13 grown at 519 ° C. It can be seen that when the growth temperature is 446 ° C., the interface 15 has a two-dimensional structure, but when the growth temperatures are 486 ° C. and 519 ° C., the interface 15 has a three-dimensional structure. From the AFM image, it can be seen that the higher the growth temperature, the larger the particle-like protrusions grow.

図13は、T21=446℃、T22=486℃、T23=519℃の3つの成長温度それぞれで得られたIn0.28Ga0.72As薄膜13を有する発光素子の発光波長を示す。図13において縦軸は、発光強度(Norm.PL intensity)を示し、横軸は、光子エネルギーを示す。なお、図13の発光強度は、正規化されており、実際の発光強度は、温度毎に異なる。 FIG. 13 shows the emission wavelengths of the light emitting device having the In 0.28 Ga 0.72 As thin film 13 obtained at each of the three growth temperatures of T 21 = 446 ° C, T 22 = 486 ° C, and T 23 = 519 ° C. show. In FIG. 13, the vertical axis represents the emission intensity (Norm.PL intensity), and the horizontal axis represents the photon energy. The emission intensity in FIG. 13 is normalized, and the actual emission intensity differs depending on the temperature.

成長温度T21=446℃で得られた薄膜13は、界面15が2次元構造であるため、帯域が比較的狭い。 The thin film 13 obtained at the growth temperature T 21 = 446 ° C. has a relatively narrow band because the interface 15 has a two-dimensional structure.

これに対して、成長温度T22=486℃で得られた薄膜13及び成長温度T23=519℃で得られた薄膜13は、界面15が、3次元構造であるため、帯域が広がっている。
成長温度T22=486℃で得られた薄膜13による発光帯域の中心波長λ22は、1046nm付近にあり、その帯域幅Δλ22は、42nmである。成長温度T23=519℃で得られた薄膜13による発光帯域の中心波長λ23は、1010nm付近にあり、その帯域幅Δλ23は、52nmである。
On the other hand, the thin film 13 obtained at the growth temperature T 22 = 486 ° C. and the thin film 13 obtained at the growth temperature T 23 = 519 ° C. have a wide band because the interface 15 has a three-dimensional structure. ..
The central wavelength λ 22 of the emission band by the thin film 13 obtained at the growth temperature T 22 = 486 ° C. is around 1046 nm, and the bandwidth Δλ 22 is 42 nm. The central wavelength λ 23 of the emission band by the thin film 13 obtained at the growth temperature T 23 = 519 ° C. is around 1010 nm, and the bandwidth Δλ 23 is 52 nm.

[2.3.6 In組成による比較] [Comparison by 2.3.6 In composition]

図14は、複数のIn組成比それぞれについての、成長温度とPLピーク波長(中心波長)との関係を示し、図15は、複数のIn組成比それぞれについての、成長温度とPLピーク強度との関係を示し、図16は、複数のIn組成比それぞれについての、成長温度と帯域幅(半値全幅:FWHM)との関係を示す。図14,図15,図16において、x=0.34は、In0.34Ga0.66Asを示し、x=0.30は、In0.3Ga0.7Asを示し、x=0.20は、In0.2Ga0.8Asを示す。なお、図14〜図16は、室温での測定結果である。 FIG. 14 shows the relationship between the growth temperature and the PL peak wavelength (center wavelength) for each of the plurality of In composition ratios, and FIG. 15 shows the relationship between the growth temperature and the PL peak intensity for each of the plurality of In composition ratios. The relationship is shown, and FIG. 16 shows the relationship between the growth temperature and the bandwidth (full width at half maximum: FWHM) for each of the plurality of In composition ratios. In FIGS. 14, 15, and 16, x = 0.34 indicates In 0.34 Ga 0.66 As, x = 0.30 indicates In 0.3 Ga 0.7 As, and x = 0.20 indicates In 0.2 Ga 0.8 As. 14 to 16 are measurement results at room temperature.

界面15が2次元構造となるIn0.2Ga0.8As薄膜の場合、図12に示すように、中心波長は、いずれの成長温度においても、1000nm未満であり、1000nm以上の中心波長が得られない。特に、成長温度を500℃以上にすると、In再蒸発が多くなり、In濃度が低下し、中心波長がさらに短くなる。また、図14に示すように、半値全幅(FWHM)も小さく、狭帯域である。 In the case of an In 0.2 Ga 0.8 As thin film having an interface 15 having a two-dimensional structure, as shown in FIG. 12, the center wavelength is less than 1000 nm at any growth temperature, and the center wavelength of 1000 nm or more is I can't get it. In particular, when the growth temperature is 500 ° C. or higher, In re-evaporation increases, the In concentration decreases, and the center wavelength becomes even shorter. Further, as shown in FIG. 14, the full width at half maximum (FWHM) is also small, and the band is narrow.

これに対して、In0.34Ga0.66As薄膜の場合、図14に示すように、界面15が2次元構造となる437℃以下の成長温度では、中心波長は、1100nm付近である。成長温度を高くしていくと、界面15が3次元構造となり、500℃付近までは、中心波長がレッドシフト(長波長化)する。成長温度を500℃付近(510℃付近)よりもさらに高くすると、ブルーシフト(短波長化)が生じ、520℃付近で、中心波長が元の1000nmに戻り、540℃付近では、中心波長が1000nm付近となる。したがって、成長温度を適切に設定することで、1000nm以上の範囲においても、所望の中心波長を得ることができ、1000nm以下の中心波長を得ることも可能である。 On the other hand, in the case of the In 0.34 Ga 0.66 As thin film, as shown in FIG. 14, the center wavelength is around 1100 nm at the growth temperature of 437 ° C. or lower in which the interface 15 has a two-dimensional structure. As the growth temperature is increased, the interface 15 has a three-dimensional structure, and the center wavelength is red-shifted (lengthened) up to around 500 ° C. When the growth temperature is further raised above around 500 ° C. (around 510 ° C.), a blue shift (shortening of wavelength) occurs, the central wavelength returns to the original 1000 nm at around 520 ° C., and the central wavelength is 1000 nm at around 540 ° C. It will be in the vicinity. Therefore, by appropriately setting the growth temperature, a desired center wavelength can be obtained even in the range of 1000 nm or more, and a center wavelength of 1000 nm or less can be obtained.

さらに、In0.34Ga0.66As薄膜の場合、図16に示すように、成長温度を高くして、界面15が3次元構造になると、半値全幅(FWHM)が大きくなり、広帯域化している。また、In0.34Ga0.66As薄膜の場合、図15に示すように、成長温度が510℃を超えると、PLピーク強度も高くなっている。これは、Inの熱拡散によって、薄膜13に生じた欠陥が補修されたことによるものと考えられる。 Further, in the case of the In 0.34 Ga 0.66 As thin film, as shown in FIG. 16, when the growth temperature is raised and the interface 15 has a three-dimensional structure, the full width at half maximum (FWHM) becomes large and the bandwidth is widened. There is. Further, in the case of the In 0.34 Ga 0.66 As thin film, as shown in FIG. 15, when the growth temperature exceeds 510 ° C., the PL peak intensity also increases. It is considered that this is because the defect generated in the thin film 13 was repaired by the thermal diffusion of In.

図17は、In0.28Ga0.72As薄膜(9nm)についての、成長温度とPLピーク波長(中心波長)との関係を示し、図18は、In0.28Ga0.72As薄膜についての、成長温度とPLピーク強度との関係を示し、図19は、In0.28Ga0.72As薄膜についての、成長温度と帯域幅(半値全幅:FWHM)との関係を示す。図17によれば、In0.28Ga0.72As薄膜においては、成長温度による発光ピーク波長のシフトが生じることがわかる。図18によれば、In0.28Ga0.72As薄膜においては、成長温度を高くすることで、発光強度が高くなることがわかる。図19によれば、In0.28Ga0.72As薄膜においては、成長温度を高くすることで、広帯域化することがわかる。なお、図17〜図19は、室温での測定結果である。 17, for In 0.28 Ga 0.72 As film (9 nm), shows the relationship between the growth temperature and the PL peak wavelength (center wavelength), FIG. 18, In 0.28 Ga 0.72 As film The relationship between the growth temperature and the PL peak intensity is shown, and FIG. 19 shows the relationship between the growth temperature and the bandwidth (full width at half maximum: FWHM) for the In 0.28 Ga 0.72 As thin film. According to FIG. 17, it can be seen that in the In 0.28 Ga 0.72 As thin film, the emission peak wavelength shifts depending on the growth temperature. According to FIG. 18, in the In 0.28 Ga 0.72 As thin film, it can be seen that the emission intensity is increased by increasing the growth temperature. According to FIG. 19, in the In 0.28 Ga 0.72 As thin film, it can be seen that the bandwidth is widened by increasing the growth temperature. 17 to 19 are measurement results at room temperature.

以上のように、界面15が3次元構造であるInGaAs薄膜13は、950nm以上であり、1000nm付近の発光中心波長を有することができるとともに、広帯域であって、十分な輝度を有する半導体材料となっており、従来の量子構造では得られない特性を有する。かかる特性を有する薄膜13を有する光デバイスは、例えば、医療イメージングの分野に好適である。医療イメージングの分野では、例えば、1050nm帯での広帯域な特性が求められており、3次元構造界面15を有する薄膜13は、医療イメージングにとって適切な特性を有する。 As described above, the InGaAs thin film 13 having a three-dimensional interface 15 is a semiconductor material having a wavelength of 950 nm or more, a emission center wavelength of around 1000 nm, a wide band, and sufficient brightness. It has characteristics that cannot be obtained with a conventional quantum structure. An optical device having a thin film 13 having such characteristics is suitable, for example, in the field of medical imaging. In the field of medical imaging, for example, wideband characteristics in the 1050 nm band are required, and the thin film 13 having a three-dimensional structural interface 15 has characteristics suitable for medical imaging.

従来、通常1200nm〜1300nm程度の中心波長を有するInAs量子ドットを用いて、発光短波長化により、中心波長が1000nm程度で広帯域な特性を得たことの報告例はあるが、発光強度が低下するという課題があった。これに対して、界面15が3次元構造であるInGaAs薄膜では、十分な発光強度が得られている。 Conventionally, there have been reports that InAs quantum dots having a central wavelength of about 1200 nm to 1300 nm were used to obtain a wide band characteristic with a central wavelength of about 1000 nm by shortening the emission wavelength, but the emission intensity is lowered. There was a problem. On the other hand, in the InGaAs thin film having the interface 15 having a three-dimensional structure, sufficient emission intensity is obtained.

また、In0.3Ga0.7As薄膜の場合も、In0.34Ga0.66As薄膜の場合と同様の特性が得られている。また、In0.28Ga0.72As薄膜の場合も、3次元構造の界面が得られている。したがって、In組成比xは、0.25以上であるのが好ましく、より良好な特性を得る観点からは、In組成比xは、0.3以上であるのが好ましい。また、In組成比xは、0.45以下が好ましく、0.42以下がより好ましく、0.4以下がさらに好ましい。広帯域化の促進のため成長温度は、500℃以上であるのが好ましい。原料の過剰な再蒸発を抑制するため成長温度は、550℃以下であるのが好ましい。 Further, in the case of the In 0.3 Ga 0.7 As thin film, the same characteristics as in the case of the In 0.34 Ga 0.66 As thin film are obtained. Further, in the case of the In 0.28 Ga 0.72 As thin film, an interface having a three-dimensional structure is obtained. Therefore, the In composition ratio x is preferably 0.25 or more, and from the viewpoint of obtaining better characteristics, the In composition ratio x is preferably 0.3 or more. The In composition ratio x is preferably 0.45 or less, more preferably 0.42 or less, and even more preferably 0.4 or less. The growth temperature is preferably 500 ° C. or higher in order to promote wide banding. The growth temperature is preferably 550 ° C. or lower in order to suppress excessive re-evaporation of the raw material.

[2.3.6 膜厚による比較]
図20は、供給される原料(In,Ga,As)の量を異ならせてIn0.34Ga0.66As薄膜13を成長させた場合における、波長とPL発光強度との関係を示している。なお、図20において、7nmとは、薄膜13の厚さが7nmになる量の原料を供給した場合であり、5nmとは、薄膜13の厚さが5nmになる量の原料を供給した場合であり、3nmとは、薄膜13の厚さが3nmになる量の原料を供給した場合である。また、7nmの場合には、成長温度を510℃とし、5nmの場合には、成長温度を520℃とし、3nmの場合には、成長温度を560℃とした。
[2.3.6 Comparison by film thickness]
FIG. 20 shows the relationship between the wavelength and the PL emission intensity when the In 0.34 Ga 0.66 As thin film 13 is grown by different amounts of the supplied raw materials (In, Ga, As). There is. In FIG. 20, 7 nm means that a raw material having a thickness of the thin film 13 of 7 nm is supplied, and 5 nm means that a raw material having a thickness of the thin film 13 of 5 nm is supplied. Yes, 3 nm is a case where the raw material is supplied in an amount that makes the thickness of the thin film 13 3 nm. In the case of 7 nm, the growth temperature was 510 ° C., in the case of 5 nm, the growth temperature was 520 ° C., and in the case of 3 nm, the growth temperature was 560 ° C.

3nmの場合、薄膜13は、2次元成長し、薄膜13の界面は2次元構造となり、5nm及び7nmの場合、薄膜13の界面は3次元構造となった。3nmの場合、膜厚が薄いため、5nm及び7nmに比べて中心波長が短波長化しており、狭帯域であって発光強度も低い。これに対して、3次元構造が得られる5nm及び7nmでは、中心波長が、1000nm付近にあり、広帯域化しており発光強度も高い。 At 3 nm, the thin film 13 grew two-dimensionally, and the interface of the thin film 13 had a two-dimensional structure, and at 5 nm and 7 nm, the interface of the thin film 13 had a three-dimensional structure. In the case of 3 nm, since the film thickness is thin, the central wavelength is shorter than that of 5 nm and 7 nm, the band is narrow, and the emission intensity is low. On the other hand, at 5 nm and 7 nm where a three-dimensional structure can be obtained, the center wavelength is around 1000 nm, the band is widened, and the emission intensity is high.

[2.4 薄膜の成長]
以下、3次元構造界面を有する薄膜の成長について説明する。以下では、理解の容易のため、まず、一般的な量子井戸及び量子ドットの成長について説明し、その後、3次元構造界面を有する薄膜の成長について説明する。
[2.4 Growth of thin film]
Hereinafter, the growth of a thin film having a three-dimensional structural interface will be described. In the following, for ease of understanding, first, the growth of general quantum wells and quantum dots will be described, and then the growth of a thin film having a three-dimensional structural interface will be described.

GaAs基板にInGaAs結晶を成長させる場合のように、基板と同じ結晶構造を持つ結晶であって基板とは格子定数が異なる結晶を成長させる場合には、格子不整合による歪が生じる。格子不整合は、結晶成長モードに影響を与える。結晶成長モードには、例えば、Frank-van der Merwe(FM)モード、Stranski-Krastanov(SK)モードが知られている。FMモードは、基板に基板上に結晶層が2次元膜成長するモードである。SKモードは、結晶が3次元成長するモードである。 When an InGaAs crystal is grown on a GaAs substrate, a crystal having the same crystal structure as the substrate but having a lattice constant different from that of the substrate is grown, distortion due to lattice mismatch occurs. Lattice mismatch affects the crystal growth mode. As the crystal growth mode, for example, Frank-van der Merwe (FM) mode and Stranski-Krastanov (SK) mode are known. The FM mode is a mode in which a crystal layer grows on a substrate in a two-dimensional film. The SK mode is a mode in which a crystal grows three-dimensionally.

一般的な量子井戸を成長させる場合、例えば、GaAs基板にInGa1−xAs結晶をFMモードで成長させる。一般的な量子井戸においては、x=0.2程度の比較的低いIn組成比が採用されることが多い。 When growing a general quantum well, for example, an In x Ga 1-x As crystal is grown on a GaAs substrate in FM mode. In a general quantum well, a relatively low In composition ratio of about x = 0.2 is often adopted.

一般的な量子井戸にとって、大きなIn組成比xは、必ずしも好ましいものではない。In組成比xが大きくなると、格子不整合による歪みが大きくなり、結晶に欠陥が生じ易くなり、量子井戸としての機能を損ない易い、と一般的には考えられる。つまり、In組成比xが大きくなると、臨界膜厚(Matthews and Blakeslee臨界膜厚)が小さくなる。成長結晶の膜厚が、臨界膜厚を超えると、格子不整合による歪によってミスフィット転移が発生し、結晶に欠陥が生じる。したがって、一般的な量子井戸において、膜厚は、臨界膜厚よりも十分に小さい値に設定される。 For a general quantum well, a large In composition ratio x is not always preferable. It is generally considered that when the In composition ratio x becomes large, the distortion due to the lattice mismatch becomes large, defects are likely to occur in the crystal, and the function as a quantum well is likely to be impaired. That is, as the In composition ratio x increases, the critical film thickness (Matthews and Blakeslee critical film thickness) decreases. When the film thickness of the grown crystal exceeds the critical film thickness, a misfit transition occurs due to strain due to lattice mismatch, and defects occur in the crystal. Therefore, in a general quantum well, the film thickness is set to a value sufficiently smaller than the critical film thickness.

ただし、In組成比xが低ければ、臨界膜厚は大きくなるため、量子井戸の膜厚を臨界膜厚よりも十分に小さくしても、比較的厚くすることが容易である。なお、薄膜が量子井戸として機能するには、量子効果が現れる10数nm以下の膜厚の薄膜である必要があるが、x=0.2程度であれば、臨界膜厚は、14nm以上であるため、10数nm以下の範囲での膜厚の設定が比較的自由に可能である。膜厚の自由な設定が可能であることにより、所望の波長を得るのが容易となる。 However, if the In composition ratio x is low, the critical film thickness becomes large, so that even if the film thickness of the quantum well is sufficiently smaller than the critical film thickness, it is easy to make it relatively thick. In order for the thin film to function as a quantum well, it must be a thin film with a film thickness of 10 and several nm or less at which the quantum effect appears, but if x = 0.2, the critical film thickness is 14 nm or more. Therefore, the film thickness can be set relatively freely in the range of 10 and several nm or less. Since the film thickness can be freely set, it becomes easy to obtain a desired wavelength.

また、一般的な量子ドットを成長させる場合、例えば、GaAs基板にInAs結晶(つまり、InGa1−xAs結晶においてx=1)をSKモードで成長させる。量子ドットの成長の際には、結晶が3次元成長する。InAsは、GaAs基板との格子不整合度が大きいため、SKモードで成長する。また、量子ドットを成長させるための原料の量は、量子井戸に比べて非常に少なく、例えば、2原子層(2ML)程度の厚さの薄膜を成長させる程度に相当する量でよい。 Further, when growing general quantum dots, for example, an InAs crystal (that is, x = 1 in an In x Ga 1-x As crystal) is grown on a GaAs substrate in SK mode. When the quantum dots grow, the crystal grows three-dimensionally. Since InAs has a large lattice mismatch with the GaAs substrate, it grows in the SK mode. Further, the amount of the raw material for growing the quantum dots is much smaller than that of the quantum well, and may be an amount corresponding to, for example, growing a thin film having a thickness of about 2 atomic layers (2ML).

以上に対して、3次元構造界面15を有する薄膜13の成長は、FMモード及びSKモードの複合的なものである。3次元構造界面15を有する薄膜13の成長は、(界面が平坦でないとしても)薄膜が形成されるという点で、FMモード的である。しかし、3次元構造界面15を有する薄膜13の成長は、3次元成長を含んでいるという点で、FMモードとは異なる。 On the other hand, the growth of the thin film 13 having the three-dimensional structural interface 15 is a composite of FM mode and SK mode. The growth of the thin film 13 having the three-dimensional structural interface 15 is FM-mode in that the thin film is formed (even if the interface is not flat). However, the growth of the thin film 13 having the three-dimensional structural interface 15 is different from the FM mode in that it includes three-dimensional growth.

また、3次元構造界面15を有する薄膜13の成長は、3次元成長を含んでいるという点でSKモード的である。しかし、3次元構造界面15を有する薄膜13の成長は、量子ドットを形成する場合よりも多い量の原料が供給されるという点で、SKモードとは異なる。 Further, the growth of the thin film 13 having the three-dimensional structural interface 15 is SK mode-like in that it includes three-dimensional growth. However, the growth of the thin film 13 having the three-dimensional structural interface 15 differs from the SK mode in that a larger amount of raw material is supplied than in the case of forming quantum dots.

実施形態の3次元構造界面15を有する薄膜13の成長においては、臨界膜厚を超えない範囲で、臨界膜厚近傍にまで薄膜13をFMモード的に成長させることで、量子井戸のような薄膜が形成しつつ、基板と成長結晶との格子不整合による歪を界面15付近において大きくしている。しかも、成長温度が比較的高温(例えば、480℃、より好ましくは500℃以上)であるため、大きな歪と高温状態とが相まって、界面15にSKモード的な3次元成長が生じている。界面15の3次元成長は、高温により熱拡散が生じ得る状態の結晶原料(特にIn)において歪を緩和させようとする力が作用して生じたものである。また、Inの組成比を大きくすることで、歪を大きくして、3次元構造の成長を促すことができる。 In the growth of the thin film 13 having the three-dimensional structural interface 15 of the embodiment, the thin film 13 is grown in the FM mode to the vicinity of the critical film thickness within a range not exceeding the critical film thickness, so that the thin film is like a quantum well. Is formed, and the strain due to the lattice mismatch between the substrate and the grown crystal is increased near the interface 15. Moreover, since the growth temperature is relatively high (for example, 480 ° C., more preferably 500 ° C. or higher), a large strain and a high temperature state are combined to cause SK-mode three-dimensional growth at the interface 15. The three-dimensional growth of the interface 15 is caused by the action of a force for relaxing strain in a crystal raw material (particularly In) in a state where thermal diffusion can occur due to high temperature. Further, by increasing the composition ratio of In, the strain can be increased and the growth of the three-dimensional structure can be promoted.

3次元構造界面15を有する薄膜13の成長においては、臨界膜厚を超えないことで、薄膜13に欠陥が生じるのを抑制できる。例えば、図11に示すIn0.5Ga0.5Asの場合、臨界膜厚は、4nm程度であるが、臨界膜厚を超える量の原料(膜厚が7nmになる量の原料)が供給されている。臨界膜厚を超えたことにより、薄膜13における欠陥が顕著になり、3次元構造界面15を有していても、光デバイスとしての機能が損なわれているものと考えられる。なお、In0.5Ga0.5Asにおいても、臨界膜厚を超えない量、例えば、膜厚が3nmになる量の原料を供給して、平均膜厚が臨界膜厚未満になるようにすることで、3次元構造界面を有し、光デバイスとして機能するための薄膜が得られことが期待される。 In the growth of the thin film 13 having the three-dimensional structural interface 15, it is possible to suppress the occurrence of defects in the thin film 13 by not exceeding the critical film thickness. For example, in the case of In 0.5 Ga 0.5 As shown in FIG. 11, the critical film thickness is about 4 nm, but an amount of raw material exceeding the critical film thickness (raw material having a film thickness of 7 nm) is supplied. Has been done. It is considered that when the critical film thickness is exceeded, the defects in the thin film 13 become remarkable, and even if the thin film 13 has the three-dimensional structural interface 15, the function as an optical device is impaired. Even at In 0.5 Ga 0.5 As, an amount of raw material that does not exceed the critical film thickness, for example, an amount that makes the film thickness 3 nm is supplied so that the average film thickness becomes less than the critical film thickness. By doing so, it is expected that a thin film having a three-dimensional structural interface and functioning as an optical device can be obtained.

また、図20に示すように、In0.34Ga0.66As薄膜13であっても、薄膜13の厚さが3nmになる量の原料を供給した場合には、3次元構造界面15が得られていないのは、膜厚が比較的小さいため、3次元構造を生じさせる歪の蓄積が少なく、成長温度が高温(560℃)であっても、FMモードが維持され、2次元構造になったものと考えられる。逆に、5nm及び7nmにおいて3次元構造が現れていることは、歪による3次元構造の成長を裏付ける。 Further, as shown in FIG. 20, even in the case of In 0.34 Ga 0.66 As thin film 13, when a raw material having an amount of the thin film 13 having a thickness of 3 nm is supplied, the three-dimensional structural interface 15 is formed. What has not been obtained is that since the film thickness is relatively small, the accumulation of strain that causes a three-dimensional structure is small, and even if the growth temperature is high (560 ° C.), the FM mode is maintained and the two-dimensional structure is formed. It is probable that it has become. On the contrary, the appearance of the three-dimensional structure at 5 nm and 7 nm supports the growth of the three-dimensional structure due to strain.

図9及び図10に示すIn0.2Ga0.8As薄膜13では、基板との格子不整合がもともと比較的小さいため、膜厚が7nmであっても、歪の蓄積が比較的少なく、成長温度を高温にしても、FMモードが維持され、2次元構造になったものと考えられる。なお、歪が小さくなる組成においても、膜厚を大きくして歪の蓄積を多くすることで、3次元構造界面の成長が期待される。 In the In 0.2 Ga 0.8 As thin film 13 shown in FIGS. 9 and 10, since the lattice mismatch with the substrate is originally relatively small, strain accumulation is relatively small even when the film thickness is 7 nm. It is considered that the FM mode was maintained and the structure became a two-dimensional structure even when the growth temperature was raised. Even in a composition in which the strain is small, growth of the three-dimensional structural interface is expected by increasing the film thickness and increasing the accumulation of strain.

以上によれば、3次元構造界面を有する薄膜の成長を行うには、結晶原料の組成に対して、適切な原料供給量(膜厚)及び適切な成長温度を設定すればよいことがわかる。ここで、原料供給量は、結晶原料の組成等によって決まる臨界膜厚未満の臨界膜厚近傍の厚さになる量とするのが好ましい。原料供給量を臨界膜厚未満の厚さになる量とすることで、3次元構造界面を有する薄膜の平均膜厚は、臨界膜厚未満となる。膜厚が臨界膜厚近傍にまで大きくなることで、歪の蓄積が大きくなり、3次元構造界面が得られる。成長温度は、原料(特にIn)の熱拡散及び再蒸発の少なくともいずれか一方が生じる温度とするのが好ましい。 From the above, it can be seen that in order to grow a thin film having a three-dimensional structural interface, an appropriate raw material supply amount (film thickness) and an appropriate growth temperature should be set with respect to the composition of the crystal raw material. Here, the raw material supply amount is preferably an amount having a thickness near the critical film thickness, which is less than the critical film thickness determined by the composition of the crystal raw material and the like. By setting the raw material supply amount to a thickness less than the critical film thickness, the average film thickness of the thin film having the three-dimensional structural interface becomes less than the critical film thickness. As the film thickness increases to near the critical film thickness, the accumulation of strain increases and a three-dimensional structural interface can be obtained. The growth temperature is preferably a temperature at which at least one of thermal diffusion and re-evaporation of the raw material (particularly In) occurs.

図21及び下記の表1は、原料組成、膜厚(原料供給量)及び成長温度を異ならせて薄膜を成長させた結果を示している。なお、表1において、発光ピーク波長、半値全幅、PLピーク強度は、室温での測定結果を示している。図21及び表1において、膜厚は、原料供給量を示す。 FIG. 21 and Table 1 below show the results of growing the thin film with different raw material compositions, film thickness (raw material supply amount), and growth temperature. In Table 1, the emission peak wavelength, full width at half maximum, and PL peak intensity show the measurement results at room temperature. In FIG. 21 and Table 1, the film thickness indicates the amount of raw material supplied.

Figure 0006916510
Figure 0006916510

図21において、白丸印(S1,S2,S11,S12及び黒丸印(S3〜S10)は、3次元構造界面を有する薄膜が得られた組成及び膜厚(原料供給量)の組み合わせを示している。黒丸印(S3〜S10)は、白丸印(S1,S2,S11,S12)に比べて、比較的高い発光強度が得られたものを示している。図21において、四角印(S13〜S17)は、実験した成長温度では3次元構造界面を有する薄膜が得られなかった組成及び膜厚(原料供給量)の組み合わせを示している。四角印(S13〜S17)において、実験した成長温度は、S13については、425℃、440℃、483℃、520℃、536℃であり、S14については、500℃であり、S15については、443℃であり、S16については、443℃であり、S17については、440℃、480℃、520℃、540℃である。図21において、×印は、3次元構造界面は得られたものの、非発光又は発光が非常に弱いものを示している。 In FIG. 21, white circles (S1, S2, S11, S12 and black circles (S3 to S10) indicate a combination of composition and film thickness (raw material supply amount) in which a thin film having a three-dimensional structural interface is obtained. The black circles (S3 to S10) indicate that a relatively high emission intensity was obtained as compared with the white circles (S1, S2, S11, S12). In FIG. 21, the square marks (S13 to S17). ) Indicates a combination of composition and film thickness (raw material supply amount) in which a thin film having a three-dimensional structural interface could not be obtained at the experimental growth temperature. In the square marks (S13 to S17), the experimental growth temperature is , S13 is 425 ° C., 440 ° C., 483 ° C., 520 ° C., 536 ° C., S14 is 500 ° C., S15 is 443 ° C., S16 is 443 ° C., and S17. Is 440 ° C., 480 ° C., 520 ° C., and 540 ° C. In FIG. 21, a cross indicates that a three-dimensional structural interface is obtained, but non-emission or light emission is very weak.

図21では、臨界膜厚曲線(Matthews and Blakeslee臨界膜厚曲線)も示されている。なお、図21に描かれた臨界膜厚曲線は、参考的なものであって、厳密なものではない。また、臨界膜厚は、温度によっても多少変動する。図21では、臨界膜厚未満であって臨界膜厚近傍の膜厚範囲をグレーで示した。 In FIG. 21, a critical film thickness curve (Matthews and Blakeslee critical film thickness curve) is also shown. The critical film thickness curve drawn in FIG. 21 is for reference only and is not exact. In addition, the critical film thickness varies slightly depending on the temperature. In FIG. 21, the film thickness range below the critical film thickness and near the critical film thickness is shown in gray.

図21に示すように、グレーの範囲(臨界膜厚未満であって臨界膜厚近傍)内の原料組成及び膜厚(原料供給量)の組み合わせの場合(白丸印及び黒丸印の場合)には、成長温度を適切に設定することで、3次元構造界面が得られたまた、原料組成に対応した臨界膜厚以上の厚さになる量の原料が供給された場合(×印の場合)、3次元構造は得られるものの、非発光又は発光が非常に弱くなる。さらに、原料供給量が、臨界膜厚未満であっても、臨界膜厚を大きく下回る量であると、3次元構造界面が得られず2次元構造界面が得られた。特に、In0.34Ga0.66Asのように、膜厚によっては3次元構造界面が得られる組成であっても、膜厚が小さいと、格子不整合による歪の蓄積が大きくならず、3次元構造界面が現れないものと考えられる。逆に、実験では2次元構造界面が得られていない組成であっても、膜厚を臨界膜厚近傍にすることで、3次元構造界面が得られることが期待される。 As shown in FIG. 21, in the case of a combination of the raw material composition and the film thickness (raw material supply amount) within the gray range (less than the critical film thickness and near the critical film thickness) (in the case of white circles and black circles). When a three-dimensional structural interface is obtained by appropriately setting the growth temperature, and when an amount of raw material having a thickness equal to or greater than the critical film thickness corresponding to the raw material composition is supplied (in the case of x mark), Although a three-dimensional structure can be obtained, non-emission or light emission is very weak. Further, even if the raw material supply amount is less than the critical film thickness, if the amount is much lower than the critical film thickness, the three-dimensional structural interface cannot be obtained and the two-dimensional structural interface is obtained. In particular, even if the composition is such that a three-dimensional structural interface can be obtained depending on the film thickness, such as In 0.34 Ga 0.66 As, if the film thickness is small, the accumulation of strain due to lattice mismatch does not increase. It is considered that the three-dimensional structural interface does not appear. On the contrary, even if the composition does not have a two-dimensional structural interface in the experiment, it is expected that a three-dimensional structural interface can be obtained by setting the film thickness to the vicinity of the critical film thickness.

表1に示すS13及びS14(四角印)は、2次元構造界面を有する薄膜であるため、半値全幅がそれぞれ、20.0meV及び26.8mevであり、狭帯域となっている。これに対して、S1〜S12(白丸印及び黒丸印)では、全て30meV以上の広帯域が得られる。より広い帯域という観点からは、発光帯域は、40meV以上であるのがより好ましく、60meV以上であるのがさらに好ましい。 Since S13 and S14 (square marks) shown in Table 1 are thin films having a two-dimensional structural interface, the full width at half maximum is 20.0 meV and 26.8 mev, respectively, which are narrow bands. On the other hand, in S1 to S12 (white circles and black circles), a wide band of 30 meV or more can be obtained. From the viewpoint of a wider band, the light emission band is more preferably 40 meV or more, and further preferably 60 meV or more.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、薄膜は、InGaAsに限定されるものではなく、基板と同じ結晶構造を有し、基板に対して格子不整合が生じるものであれば特に限定されない。基板に対して格子不整合があることで、3次元構造界面を生じさせる歪が得られる。格子不整合による歪を利用することで、薄膜の原料の種類にかかわらず、3次元構造界面を有する薄膜が得られる。3次元構造界面を有する薄膜は、薄膜の組成にかかわらず、薄膜の組成に応じた臨界膜厚未満であって臨界膜厚近傍の膜厚が形成される量の原料を供給し、適切な温度で薄膜を成長させることで得られる。 The present invention is not limited to the above embodiment. For example, the thin film is not limited to InGaAs, and is not particularly limited as long as it has the same crystal structure as the substrate and lattice mismatch occurs with respect to the substrate. Due to the lattice mismatch with respect to the substrate, distortion that causes a three-dimensional structural interface can be obtained. By utilizing the strain due to lattice mismatch, a thin film having a three-dimensional structural interface can be obtained regardless of the type of raw material of the thin film. A thin film having a three-dimensional structural interface supplies an amount of raw material that is less than the critical film thickness according to the composition of the thin film and forms a film thickness close to the critical film thickness, regardless of the composition of the thin film, and has an appropriate temperature. It is obtained by growing a thin film with.

薄膜は、例えば、InGaNであってもよい。薄膜は、熱拡散又は再蒸発が生じやすいInを含むのが好ましい。薄膜は、SiGeであってもよいし、GaInASであってもよいし、GaInNであってもよいし、ZnSSeであってもよい。また、基板は、Siであってもよいし、GaAsであってもよいし、GaNであってもよいし、ZnSeであってもよい。 The thin film may be, for example, InGaN. The thin film preferably contains In, which is prone to thermal diffusion or re-evaporation. The thin film may be SiGe, GaInAS, GaInN, or ZnSSe. Further, the substrate may be Si, GaAs, GaN, or ZnSe.

[薄膜/基板]の組み合わせとしては、[SiGe/Si]であってもよいし、[GaInAS/GaAs]であってもよいし、[GaInN/GaN]であってもよいし、[ZnSSe/ZnSe]であってもよい。これらの薄膜と基板の組み合わせは、同じ結晶構造を有し、格子不整合度が大きいため好ましい。 The combination of [thin film / substrate] may be [SiGe / Si], [GaInAS / GaAs], [GaInN / GaN], or [ZnSSe / ZnSe]. ] May be. The combination of these thin films and the substrate is preferable because they have the same crystal structure and have a large lattice mismatch.

光デバイスは、発光素子に限られず、受光素子であってもよい。 The optical device is not limited to the light emitting element, and may be a light receiving element.

10 活性層
11 基板
13 半導体薄膜
15 界面
100 光デバイス
10 Active layer 11 Substrate 13 Semiconductor thin film 15 Interface 100 Optical device

Claims (11)

上下をクラッド層に挟まれた活性層を含む光デバイスの製造方法であって、
Inの熱拡散及び再蒸発の少なくとも一方が生じ得る成長温度で、GaAsの基板上に、InGa1−xAs(xはインジウムの組成比であり、xの値は0.3,0.34,0.36又は0.38)の薄膜を前記活性層として成長させる成長工程を含み、
前記成長工程では、前記薄膜が前記基板とは格子定数が異なることによる歪によって、前記薄膜の界面に3次元構造が成長し、前記薄膜の平均膜厚は臨界膜厚未満であり、
前記3次元構造は、前記界面に量子ドット状又は量子ダッシュ状の突起を有する形状であり、
以下の組成比のとき、前記平均膜厚は、右に示す臨界膜厚近傍の膜厚範囲内又は膜厚である、光デバイスの製造方法。
x=0.3のとき 前記平均膜厚は7nm
x=0.34のとき 前記平均膜厚は5nm以上7nm以下
x=0.36のとき 前記平均膜厚は3nm以上5nm以下
x=0.38のとき 前記平均膜厚は3nm
A method for manufacturing an optical device including an active layer sandwiched between clad layers at the top and bottom.
In x Ga 1-x As (x is the composition ratio of indium, the value of x is 0.3,0. A growth step of growing a thin film of 34, 0.36 or 0.38) as the active layer is included.
In the growth step, a three-dimensional structure grows at the interface of the thin film due to strain caused by the thin film having a different lattice constant from the substrate, and the average film thickness of the thin film is less than the critical film thickness.
The three-dimensional structure has a shape having quantum dot-shaped or quantum dash-shaped protrusions at the interface.
A method for manufacturing an optical device, wherein when the composition ratio is as follows, the average film thickness is within the film thickness range or the film thickness near the critical film thickness shown on the right.
When x = 0.3, the average film thickness is 7 nm.
When x = 0.34 When the average film thickness is 5 nm or more and 7 nm or less When x = 0.36 When the average film thickness is 3 nm or more and 5 nm or less When x = 0.38 The average film thickness is 3 nm
前記3次元構造は、突起を有する形状であり、
前記突起の密度が、1010個/cm以上である
請求項1に記載の光デバイスの製造方法
The three-dimensional structure has a shape having protrusions and has a protrusion.
The method for manufacturing an optical device according to claim 1, wherein the density of the protrusions is 10 10 pieces / cm 2 or more.
前記突起の密度が、1012個/cm以下である
請求項2に記載の光デバイスの製造方法
The method for manufacturing an optical device according to claim 2 , wherein the density of the protrusions is 10 12 pieces / cm 2 or less.
前記界面は、1nm以上のRMS表面粗さを有する
請求項1〜3のいずれか1項に記載の光デバイスの製造方法
The method for manufacturing an optical device according to any one of claims 1 to 3, wherein the interface has an RMS surface roughness of 1 nm or more.
前記界面は、2nm以上のRMS表面粗さを有する
請求項1〜3のいずれか1項に記載の光デバイスの製造方法
The method for manufacturing an optical device according to any one of claims 1 to 3, wherein the interface has an RMS surface roughness of 2 nm or more.
前記界面は、4nm以下のRMS表面粗さを有する
請求項4又は5に記載の光デバイスの製造方法
The method for manufacturing an optical device according to claim 4 or 5, wherein the interface has an RMS surface roughness of 4 nm or less.
発光帯域の中心波長が、950nm以上である
請求項1〜6のいずれか1項に記載の光デバイスの製造方法
The method for manufacturing an optical device according to any one of claims 1 to 6, wherein the central wavelength of the light emitting band is 950 nm or more.
前記中心波長が、1000nm以上である
請求項7に記載の光デバイスの製造方法
The method for manufacturing an optical device according to claim 7, wherein the center wavelength is 1000 nm or more.
発光帯域の中心波長が、1200nm以下である
請求項1〜8のいずれか1項に記載の光デバイスの製造方法
The method for manufacturing an optical device according to any one of claims 1 to 8, wherein the central wavelength of the light emitting band is 1200 nm or less.
前記中心波長が、1100nm以下である
請求項9に記載の光デバイスの製造方法
The method for manufacturing an optical device according to claim 9, wherein the center wavelength is 1100 nm or less.
前記成長温度は、480℃以上550℃以下である
請求項1〜10のいずれか1項に記載の光デバイスの製造方法。
The method for manufacturing an optical device according to any one of claims 1 to 10, wherein the growth temperature is 480 ° C. or higher and 550 ° C. or lower.
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