JPH0332082A - 半導体装置及び半導体レーザ装置 - Google Patents

半導体装置及び半導体レーザ装置

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JPH0332082A
JPH0332082A JP1165464A JP16546489A JPH0332082A JP H0332082 A JPH0332082 A JP H0332082A JP 1165464 A JP1165464 A JP 1165464A JP 16546489 A JP16546489 A JP 16546489A JP H0332082 A JPH0332082 A JP H0332082A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置に用いられる半導体構造体及びその
構造体を用いた半導体レーザ装置に関する。
〔従来の技術〕
従来の原子層超格子構造を有する半導体装置は、特開昭
６３−２３６３８７に記載のように、結晶の成長方向に
１原子の精度で上記構造が形成されている。
また、−回の結晶成長で量子細線や量子箱を作製する従
来技術は１例えば、第１０回半導体レーザ国際会議会報
；第８頁から９頁（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｉｎ　ｔｈ
ｅ　１０ｔｈ　ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ
　Ｓｅｗ＊１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬａｓｅｒ　ｃｏｎｆ
ｅｒｅｎｃ、Ｋａｎａｚａｖａ、Ｊａｐａｎ　（１９８
６）Ｐ、Ｐ、８−９）や第１６回量子エレクトロニクス
国際会議会報；第３０頁から第３１頁（Ｐｒｏｃｅａｄ
ｉｎｇｉｉ　ｉｎ　ｔｈｅ　１６ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａ
ｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、ｏｎ　Ｑｕａｎ
ｔｕｍ　Ｅｌｅｃ−ｔｒｏｎｉｃｓ、Ｔｏｋｙｏ、Ｊａ
ｐａｎ（１９８ｇ）Ｐ、Ｐ、３Ｏ−３１）に記載されて
いるように、基板結晶に予め凸部や凹部を形成しておき
、続けて行なわれる結晶成長により上記凸部の頂点や凹
部の最低部に当る箇所に量子細線や量子箱を形成するも
のである。
〔発明が解決しようとする課題〕
上記前者の従来技術は、面内方向の構造の形成について
は十分配慮されておらず１面内方向の構造の精度につい
て問題があった。すなわち１面内方向に所望の構造を形
成するには、通常は一度原子層超格子構造を形成した材
料にエツチングにより面内方向の加工を施し、再び結晶
成長を行なわなければならない、そのため、面内方向の
精度は、上記エツチングの精度に依存し、１１００ｎ　
（およそ１０００原子層）程度であり、結晶成長方向の
精度に比較して非常に悪いという問題があった。
上記後者の従来技術は、凸部の頂点や凹部の最低部に当
る箇所に上記構造を形成するものであるため、面内方向
で相互作用を及ぼしつる間隔で上記構造を複数個形成す
ることがは困難であり、また、結晶成長方向にも同じ構
造を何回も繰り返して形成することはできないという問
題があった。
本発明の目的は、物性の異なる複数種の原子層超格子を
面内方向に精度よく配置した半導体構造体及びその構造
体を用いた半導体レーザ装置を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的は（１）複数の面方位を有する基板結晶の上に
、原子層程度の周期で異なる半導体が交互に積層された
原子層超格子を有することを特徴とする半導体構造体、
（２）上記原子層超格子を構成する各半導体層の厚みは
、５原子層から１原子層の厚みである上記ｌ記載の半導
体構造体、（３）上記面方位が（１００）面及び（１１
１）面からなる群から選ばれた少なくとも１つの面を含
むことを特徴とする上記１記載の半導体構造体。
（４）複数の面方位を有する基板結晶の上に、Ｈ子房程
度の周期で異なる半導体が交互に積層された原子層超格
子を有し、該基板結晶の所望の面方位の実質的に上部に
配置された該原子層超格子の部分の少なくとも工部が他
の部分と異なる物理定数を有することを特徴とする半導
体構造体、（５）基板上に、二つのクラッド層と、該ク
ラッド層に挟まれた活性層とを有する半導体レーザ装置
において、該基板は複数の面方位を有する基板結晶であ
り、該活性層は原子層程度の周期で異なる半導体が交互
に積層された原子層超格子であることを特徴とする半導
体レーザ装置、（６）上記原子層超格子を構成する各半
導体層の厚みは、５原子層から１原子層の厚みである上
記５記載の半導体レーザ装置、（７）上記面方位が（１
００）面及び（１１１）面からなる群から選ばれた少な
くとも工つの面を含むことを特徴とする上記５記載の半
導体レーザ装置、（８）基板上に、二つのクラッド層と
、該クラッド層に挟まれた活性層とを有する半導体レー
ザ装置において、該基板は複数の面方位を有する基板結
晶であり、該活性層は原子層程度の周期で異なる半導体
が交互に積層された原子層超格子であり、該基板の所望
の面方位の実質的に上部に配置された該原子層超格子の
部分の少なくとも１部の屈折率が他の原子層超格子の部
分の屈折率より大きいことを特徴とする半導体レーザ装
置によって達成される。
上記において、基板の所望の面方位の実質的に上部に配
置された該原子層超格子の部分とは、上記面方位の部分
から基板に対して垂直な真上の部分を意味しない、後に
実施例により説明するように、上記面方位の影響を受け
て形成された部分であれば上記面方位の部分の斜め上の
部分であってもよい。
また１ｇ子層程度の周期とは、１原子層から１０原子層
程度の厚みの周期であることが好ましく、１ｙＫ子層か
ら５ＦＡ子層程度の厚みの周期であることがより好まし
い。
なお、ｍ数の面方位を有する基板結晶を作製する方法の
一例を第２図に示す、まず第２図（ａ）に示すように、
リソグラフィ技術を用いて（１００）面２１ｂを有する
基板結晶２１の所望の部分（図の右側部分）をレジスト
２２で覆う１次に１例えば燐酸系エツチング液を用いて
ウェットエツチングするとレジスト２２の端の部分では
第２図（ｂ）に示すようにサイドエッチが起こり、　（
１１１）面２１ａでエツチングが停止する。　（１１１
）面２１ａのファセットの幅ｄはエツチングの深さｔに
より決まるので、上記の複数の面方位を有する基板結晶
を再現性よく作製できる。
〔作用〕
原子層超格子半導体は、特開昭６３−２３６３８７に示
されているように、平均的組成が同じであっても、原子
層超格子を構成する各半導体の暦数、つまり超格子の周
期が変わると物性定数が変わる。
今、第１図（ａ）に示したように、（１００）面と（１
１１）面を有するＧａＡｓ基板結晶の上に、ＡＱＰとＩ
ｎＰとを１原子層ずつ交互に積層した原子層超格子をエ
ピタキシャル成長した場合を考える。
以下、このような原子層超格子を（Ａ　Ｑ　Ｐ）□（Ｉ
ｎＰ）１の様に略し、添文字で層の数を表わす、このよ
うな原子層超格子の（１１１）面上の部分Ａと（１００
）面上の部分Ｂでは、共にＡｆｌＰとＩｎＰが１原子層
ずつ積層している事には変わりがないが、基板表面に対
するＡＱ、Ｐ、Ｉｎ、Ｐ８Ｗ子の配列の方向が異なるた
め、超格子の周期はそれぞれ６．５３人と５．６５人と
異なる。
従って、この周期の違いに原因して、　（１１１）面上
の部分Ａのバンドギツプは（１００）面上の部分Ｂに比
べて低くなる。その差は原子層超格子を形成する材料や
その周期により変わるが、一般に数１０ｍｅＶから１０
０ｍｅＶである。また、屈折率も、電子の分極状態が変
わるためにバンドギャップの変化に対応して（１１１）
面上の部分Ａの値が大きくなる。
以上の説明から判かる様に、原子層超格子はたとえ構成
材料や周期が同じであっても基板結晶の面方位によって
全く異なる物性を示す。
次に、第工図（ｂ）に示す様に、（１１１）面と（１０
０）面上に、（Ａ　Ｑ　Ｐ）１（Ｉ　ｎ　Ｐ）、２．４
と（ＧａＰ）□（ＩｎＰ）、３のダブルへテロ構造を形
成した場合を考える。　（Ｇ　ａ　Ｐ）、（Ｉ　ｎ　Ｐ
）、３は、（ＡｌｌＰ）１（Ｉ　ｎ　Ｐ）、２，４に比
べてバンドキャップが低く、屈折率は高い、先に述べた
ように、（１１１）面上の部分Ａは（１００）面上の部
分Ｂに比べてバンドキャップが低く、屈折率は高いので
、（ＧａＰ）、（Ｉ　ｎＰ）Ｌ３で（１１１）面上の部
分Ａがバンドキャップが一番低く、屈折率が一番高くな
るｍ　Ｇ　ａＡｓ基板に設ける（１１１）面の幅ｄを数
１Ｏｒ＋＋ｗ以下とすれば、（Ｇ　ａ　Ｐ　）１（Ｉ　
ｎ　Ｐ　）ｔ　３のＡの部分を量子細線として形成する
事が可能となる。
〔実施例〕
実施例１ 以下１本発明の一実施例の半導体構造体を第３図を用い
て説明する。まず最初に第３図に示すように間隔１０ｎ
ｗｉ、幅１２．２ｎｍで３本の（１１１）面ファセット
線を有する（１００）面のＧ　ａ　Ａ　ｓ基板１を準備
する。
次に結晶成長を有機金属気相エピタキシー法（ＯＭＶＰ
Ｅ）により行なう、原料は、トリメチルアルミニウム（
ＴＭＡ）、　　トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、　　ト
リメチルインジウム（ＴＭＩ）、フォスフイン及びアル
シンを用いる。
横型常圧のＯＭＶＰＨの反応管内に、上記ＧａＡｓ基板
１をセットし、アルシン雰囲気中で成長温度である４５
０℃まで昇温する。そして、ＴＭＡ。
フォスフイン、ＴＭＩ、フォスフインをこの順に３６回
繰り返して反応管に導入し、２０ｎｍの厚みの（Ａ　１
１　Ｐ　）１（Ｉ　ｎ　Ｐ　）ｔ　３２を成長させる０
次に、ＴＭＧ、フォスフイン、ＴＭＩ、フォスフインを
この順に１８回反応管に導入し、１０ｎｍの厚みの（Ｇ
　ａ　Ｐ　）　−（Ｉ　ｎ　Ｐ　）　ｘ　３３を成長さ
せる。以下同様の手順で１０ｎｍの厚みの（ＡＱＰ）１
（ＩｎＰ）、３４．１０ｎｍの厚みの（ＧａＰ）、（Ｉ
ｎＰ）、３５．１０ｎｍの厚みの（ＡＱＰ）。
（ＩｎＰ）１３６．１０ｎｍの厚みの（ＧａＰ）、（Ｉ
ｎＰ）１３７．２０ｎｍの厚みの（ＡｆｌＰ）、（Ｉｎ
Ｐ）１３８．をそれぞれ成長させる。この結果、第３図
に斜線部で示すように３×３個の量子細線を作製する事
ができた。
実施例２ 第４図（ａ）に平面図、第４図（ｂ）にそのａａ′断面
の縦断面図、第４図（ｃ）にそのｂｂ’断面の横断面図
を示すような凸部を有するＧａＡｓ基板１を準備する。
この基板の上に、第５図（ａ）（ｂ）に示すように、３
６原子層のＡｎＡｓ（厚み１０ｎｍ）４２．９周期の（
ＡＱＡｓ）。
（ＧａＡｓ）２原子層超格子（厚み１０ｎｍ）４３、そ
して３６原子層のＡＱ、Ａｓ　（厚み１０ｎｍ）４４を
エピタキシャル成長させる。なお、第５図（ａ）（ｂ）
は第４図（ａ）におけるａａ’方向とｂｂ′方向に断面
にそれぞれ相当する。結晶成長は分子線エピタキシー（
ＭＢＥ）法により行なう、原料は、アルミニウム、ガリ
ウム、及び金属ヒ素を用い、成長温度と成長圧力は５０
０℃及び１０−”ｔｏｒｒである。上記のエピタキシャ
ル層は。
ＲＨＥＥＤ強度をｒｉｉ４察しながら、ヒ素のるつぼの
シャッタとアルミニウムのるつぼのシャッタを交互に開
閉することにより形成できる。
第５図（ａ）において、（Ａ　Ｑ　Ａ　ｓ　）　２（Ｇ
　ａＡｓ）、４３の斜線で示した（１１１）面上の部分
Ａは、第５図（ｂ）から判る様に（１００）面上の部分
Ｂに挟まれるので、この部分がこの付近で一番バンドギ
ャップが低く、屈折率が高い、従ってこの部分が量子箱
として形成される事になる。
実施例３ 本発明の一実施例のレーザの横断面図を第６図に示す、
ＧａＡｓ基板１としては、Ｓｉドープｎ型Ｇ　ａ　Ａ　
ｓ基板を用い、この基板上に、ｎ型（ＡＱＰ）、（Ｉ　
ｎＰ）ＩＪＪＫ子層超格子によるクラッド層７２　（１
７７０周期；　１　ｐ　ｍ　）、（ＧａＰ）。
（ＩｎＰ）１原子層超格子による活性層７３（１７７周
期；ｏ、ｌｐｍ）−ｐ型（ＡＱＰ）、（ＧａＰ）１原子
層超格子によるクラッド層７４（１７７０周期；１μｍ
）を形成する。ＧａＡｓ基板１には、同図に示すように
１μｍ幅のファセットを予め設ける。クラッド層７２．
活性層７３゜クラッド層７４は実施例１と同様にＯＭＶ
ＰＨ法を用い、■族原料と■族原料を交互に供給するこ
とにより連続してエピタキシャル成長させる。ｎ型及び
ｐ型ドーパントとしてはセレン化水素及びジメチル亜鉛
を用い、それぞれ■族原料、■族原料に混合して成長界
面に供給しくＡＱＰ）、（ＩｎＰ）を原子層超格子層を
ｎ型及びＰ型の伝導層とする。こうして得られたダブル
へテロウェハによる電流ブロック層７５を設け、ｐ型電
極７６、ｎ型ｆＭ、極７７を形成して半導体レーザとす
る。このレーザは活性層の（１１１）面２１ａの部分に
おいて屈折率が最も高くなるので、−回の結晶成長のみ
で屈折率導波型レーザを作製できる。
実施例４ 本発明を適用した他の実施例の半導体レーザの横断面図
を第７図に示す。ＧａＡｓ基板ｌとして、実施例■で用
いた基板と同じ、Ｓｉドープｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板結
晶に間隔１０ｎｍ、幅１２．２ｎｍの３本の（１１１）
ファセットを設けた基板を準備する。ただし、（１１１
）ファセットの左部に酸素をイオン注入した高抵抗部分
８２を設ける。
このＧａＡｓ基板１上にｎ型ＣＡＱＰ）　１（ＩｎＰ〉
、原子層超格子によるクラッド層７２（１７７０周期：
１μｍ）を成長させる。つぎに実施例１と同様に１８周
期の（ＧａＰ）　１（ＩｎＰ）、、１８周期の（Ａ　Ｑ
　Ｐ　）　ｘ　（Ｉ　ｎ　Ｐ　）　ｘ、１８周期の（Ｇ
ａＰ）、（Ｉ　ｎＰ）ｘ、１８周期の（ＡＱＰ）１（Ｉ
　ｎ　Ｐ　）　１．１８周期の（Ｇ　ａ　Ｐ）　１（Ｉ
　ｎ　Ｐ）　ｘを順次成長させ、半導体レーザの活性層
７３を形成する。そして、Ｐ型（ＡＱＰ）　１（ＩｎＰ
）　、原子層超格子によるクラッド層７４　（１７７０
周期１μｍ）を成長させ、最後にｐ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓキ
ャップ層８６をエピタキシャル成長させる。こうして得
られたダブルへテロウェアの（１１１）ファセットの右
部に再び酸素イオンを注入し、高抵抗部分８７形成する
。そしてｐ型電極７６及びｎ型電極７７を設け、半導体
レーザとする。この半導体レーザに電流を注入すると高
抵抗部分８２及び８７により（１１１）ファセット部分
に電流が集中して流れる様になり、注入されたキャリア
は３×３の量子細線で再結合し量子細線半導体レーザが
実現できた。
一般に、１次元量子井戸構造（量子薄膜）、２次元量子
井戸構造（量子細線）、３次元量子井戸構造（量子箱）
と次元が高くなるにつれて量子効果が増大するので、本
量子井戸半導体レーザは、通常の量子薄膜半導体レーザ
に比べて、（１）低しきい値となる、（２）しきい値電
流の温度依存性が小さくなる、（３）緩和振動共振周波
数が高くなる。（４）発振スペクトル線幅が狭くなる等
の利点を有する。
また、高次元量子井戸構造は非線形光学定数も増大する
ので１本発明により作製された高次元量子井戸構造は、
光調波発生装置や光メモリの材料としても利用できる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、物性の異なる複数種の量子細線、量子
箱又はこれらを拡大した構造の原子層超格子を同一基板
の面内方向に配置した構造を提供することができる。ま
た、この構造を有する半導体レーザ装置を提供すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ）は、　　（１００）面と（１１１）面を有
するＧａＡｓ基板上の（ＡＲＰ）　１（ＩｎＰ）Ｌ原子
層超格子の原子配置のモデル図、第１図（ｂ）は、（１
１１）ファセットの線を有する（１００）ＧａＡ　ｓ　
Ｉ＆抜板上（Ａ　Ｑ　Ｐ）ｘ（Ｉ　ｎ　Ｐ）ｚと（Ｇａ
Ｐ）。 （ＩｎＰ）、のダブルへテロＪＲ造のを説明するための
説明図、第２図は、複数の面方位を有する基板結晶を作
製する方法の一例を説明するための基板結晶の断面図、
第３図は１本発明の半導体構造体の一実施例の断面図、
第４図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、基板結晶の一例の平
面図、縦断面図及び横断面図、第５図（ａ）、（ｂ）は
、それぞれ第４図（ａ）におけるａａ’及びｂｂ’断面
に相当する半導体構造体の縦断面図及び横断面図、第６
図は、本発明の半導体レーザの一実施例の部分断面図、
第７図は、本発明の半導体レーザの他の実施例の部分断
面図である。 １・・・Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板 ２．４．３２．３４．３６．３８・・・（ＡＱＰ）１（
ＩｎＰ）。 ３．３３．３５．３７＝−（ＧａＰ）　、（ＩｎＰ）。 ２１・・・基板結晶　　２１ａ・・・（１１１）面２　
ｌ　ｂ−（１００）面　２１ｃ・・・（ＯｌＯ）面２２
・・・レジスト ４２．４４・・・Ａ巴Ａｓ ４３−　（ＡＩ２Ａｓ）、（ＧａＡｓ）ｘ７２．７４・
・・クラッド層 ７３・・・活性層　　　７５・・・電流ブロック層７６
・・・ｐ型電極　　７７・・・ｎ型電極８２．８７・・
・高抵抗部分 ８６・・・キャップ層　Ａ・・・（１１１）面上の部分
Ｂ・・・（１００）面上の部分

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、複数の面方位を有する基板結晶の上に、原子層程度
    の周期で異なる半導体が交互に積層された原子層超格子
    を有することを特徴とする半導体構造体。 ２、上記原子層超格子を構成する各半導体層の厚みは、
    ５原子層から１原子層の厚みである請求項１記載の半導
    体構造体。 ３、上記面方位が（１００）面及び（１１１）面からな
    る群から選ばれた少なくとも１つの面を含むことを特徴
    とする請求項１記載の半導体構造体。 ４、複数の面方位を有する基板結晶の上に、原子層程度
    の周期で異なる半導体が交互に積層された原子層超格子
    を有し、該基板結晶の所望の面方位の実質的に上部に配
    置された該原子層超格子の部分の少なくとも１部が他の
    部分と異なる物理定数を有することを特徴とする半導体
    構造体。 ５、基板上に、二つのクラッド層と、該クラッド層に挟
    まれた活性層とを有する半導体レーザ装置において、該
    基板は複数の面方位を有する基板結晶であり、該活性層
    は原子層程度の周期で異なる半導体が交互に積層された
    原子層超格子であることを特徴とする半導体レーザ装置
    。 ６、上記原子層超格子を構成する各半導体層の厚みは、
    ５原子層から１原子層の厚みである請求項５記載の半導
    体レーザ装置。 ７、上記面方位が（１００）面及び（１１１）面からな
    る群から選ばれた少なくとも１つの面を含むことを特徴
    とする請求項５記載の半導体レーザ装置。 ８、基板上に、二つのクラッド層と、該クラッド層に挟
    まれた活性層とを有する半導体レーザ装置において、該
    基板は複数の面方位を有する基板結晶であり、該活性層
    は原子層程度の周期で異なる半導体が交互に積層された
    原子層超格子であり、該基板の所望の面方位の実質的に
    上部に配置された該原子層超格子の部分の少なくとも１
    部の屈折率が他の原子層超格子の部分の屈折率より大き
    いことを特徴とする半導体レーザ装置。
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