JPH0870154A - 半導体光素子 - Google Patents
半導体光素子Info
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- JPH0870154A JPH0870154A JP20328494A JP20328494A JPH0870154A JP H0870154 A JPH0870154 A JP H0870154A JP 20328494 A JP20328494 A JP 20328494A JP 20328494 A JP20328494 A JP 20328494A JP H0870154 A JPH0870154 A JP H0870154A
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- film
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 半導体薄膜超格子構造を利用した半導体光素
子を提供する。 【構成】 本発明では、Ｇｅ半導体を直接遷移型に変換
して光素子に応用する方法として、III −Ｖ族半導体で
あるＡｌX Ｇａ1-X Ａｓ（Ｘ＝０〜0.４５）あるいは、
Ｚｎ，Ｍｇ，Ｂｅ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの内、少なくとも２
種類以上の元素からなるII−ＶＩ族半導体を障壁層に
し、Ｇｅ半導体を井戸層とする超格子構造を形成し、半
導体素子とする。
子を提供する。 【構成】 本発明では、Ｇｅ半導体を直接遷移型に変換
して光素子に応用する方法として、III −Ｖ族半導体で
あるＡｌX Ｇａ1-X Ａｓ（Ｘ＝０〜0.４５）あるいは、
Ｚｎ，Ｍｇ，Ｂｅ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの内、少なくとも２
種類以上の元素からなるII−ＶＩ族半導体を障壁層に
し、Ｇｅ半導体を井戸層とする超格子構造を形成し、半
導体素子とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体薄膜超格子構造を
利用した半導体光素子に関するものである。
利用した半導体光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】本来、ゲルマニウム（Ｇｅ）は間接遷移
型半導体であるため、ＰＩＮフォトダイオードなどの受
光素子を除き半導体レーザー（ＬＤ）などの高効率な半
導体光素子に用いられることは希であった。最近では、
同じＩＶ族元素半導体であるシリコン（Ｓｉ）との歪超
格子構造を用いて間接遷移型から直接遷移型への変換が
試みられてきた。しかし、ＳｉとＧｅの超格子構造にお
いて、直接遷移型への変換が可能となるのは、ＳｉとＧ
ｅの層厚の極めて薄い膜厚範囲に限られる。
型半導体であるため、ＰＩＮフォトダイオードなどの受
光素子を除き半導体レーザー（ＬＤ）などの高効率な半
導体光素子に用いられることは希であった。最近では、
同じＩＶ族元素半導体であるシリコン（Ｓｉ）との歪超
格子構造を用いて間接遷移型から直接遷移型への変換が
試みられてきた。しかし、ＳｉとＧｅの超格子構造にお
いて、直接遷移型への変換が可能となるのは、ＳｉとＧ
ｅの層厚の極めて薄い膜厚範囲に限られる。
【０００３】また、ＳｉとＧｅの間には約４％の格子不
整合が存在するため、この超格子構造を厚く成長した場
合には、基板結晶が反ったり、超格子層にクラックが発
生するなどの問題があった。そのため、この超格子を用
いた直接遷移型への変換を半導体光素子に利用すること
は困難であった。
整合が存在するため、この超格子構造を厚く成長した場
合には、基板結晶が反ったり、超格子層にクラックが発
生するなどの問題があった。そのため、この超格子を用
いた直接遷移型への変換を半導体光素子に利用すること
は困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来ＩＶ族
元素半導体を直接遷移型に変換するために用いられてき
たＳｉ／Ｇｅ超格子構造における、以下の２つの課題の
解決を可能にするものである。 （１）直接遷移への変換の起こる超格子構造は、Ｓｉ層
がＧｅ層の３倍の厚さを有し、かつＧｅ層の厚さが４，
５，６原子層の場合に限られる（１原子層は約2.５オン
グストローム）。 （２）大きな格子不整合歪のために、基板結晶が反った
り、厚い膜を成長するとクラックが発生する。
元素半導体を直接遷移型に変換するために用いられてき
たＳｉ／Ｇｅ超格子構造における、以下の２つの課題の
解決を可能にするものである。 （１）直接遷移への変換の起こる超格子構造は、Ｓｉ層
がＧｅ層の３倍の厚さを有し、かつＧｅ層の厚さが４，
５，６原子層の場合に限られる（１原子層は約2.５オン
グストローム）。 （２）大きな格子不整合歪のために、基板結晶が反った
り、厚い膜を成長するとクラックが発生する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決する本発
明に係る半導体光素子の構成は、III −Ｖ族あるいはII
−ＶＩ族化合物半導体薄膜とＧｅ半導体薄膜からなる超
格子構造を受光及び発光層に用いることを特徴とする。
明に係る半導体光素子の構成は、III −Ｖ族あるいはII
−ＶＩ族化合物半導体薄膜とＧｅ半導体薄膜からなる超
格子構造を受光及び発光層に用いることを特徴とする。
【０００６】上記半導体光素子において、Ｇｅ半導体と
超格子構造を形成するIII −Ｖ族化合物半導体が、Ａｌ
X Ｇａ1-X Ａｓ（Ｘ＝０〜0.４５）であることを特徴と
する。
超格子構造を形成するIII −Ｖ族化合物半導体が、Ａｌ
X Ｇａ1-X Ａｓ（Ｘ＝０〜0.４５）であることを特徴と
する。
【０００７】上記半導体光素子において、Ｇｅ半導体と
超格子構造を形成するII−ＶＩ族化合物半導体が、Ｚ
ｎ，Ｍｇ，Ｂｅ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの内、少なくとも２種
類以上の元素からなる化合物であることを特徴とする。
超格子構造を形成するII−ＶＩ族化合物半導体が、Ｚ
ｎ，Ｍｇ，Ｂｅ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの内、少なくとも２種
類以上の元素からなる化合物であることを特徴とする。
【０００８】すなわち、本発明では、Ｇｅ半導体を直接
遷移型に変換して光素子に応用する方法として、III −
Ｖ族半導体であるＡｌX Ｇａ1-X Ａｓ（Ｘ＝０〜0.４
５）あるいは、Ｚｎ，Ｍｇ，Ｂｅ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの
内、少なくとも２種類以上の元素からなるII−ＶＩ族半
導体を障壁層にし、Ｇｅ半導体を井戸層とする超格子構
造を用いることとしている。
遷移型に変換して光素子に応用する方法として、III −
Ｖ族半導体であるＡｌX Ｇａ1-X Ａｓ（Ｘ＝０〜0.４
５）あるいは、Ｚｎ，Ｍｇ，Ｂｅ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの
内、少なくとも２種類以上の元素からなるII−ＶＩ族半
導体を障壁層にし、Ｇｅ半導体を井戸層とする超格子構
造を用いることとしている。
【０００９】この方法では、Ｇｅと格子整合するＡｌX
Ｇａ1-X Ａｓ（Ｘ＝０〜0.４５）あるいは、II−ＶＩ族
化合物半導体を超格子の作製に用いるため、前述した
（２）で挙げた格子不整合歪の課題は容易に解決でき
る。
Ｇａ1-X Ａｓ（Ｘ＝０〜0.４５）あるいは、II−ＶＩ族
化合物半導体を超格子の作製に用いるため、前述した
（２）で挙げた格子不整合歪の課題は容易に解決でき
る。
【００１０】次にＧｅの伝導型を直接遷移型に遷移させ
る機構について説明する。なお、ここでの説明では井戸
層にＧｅ、障壁層にＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓを用いた多重
量子井戸構造の場合を例に取り上げているため、Ｇｅが
直接遷移型となる井戸層厚は３５オングストローム以下
となっているが、障壁層の材料を変えることで３５オン
グストロームよりも厚いＧｅ層でも直接遷移化が可能で
ある。例えば、後述する実施例２で示しているＺｎ0.9
Ｍｇ0.1 Ｓ0.15Ｓｅ0.85層を障壁層とした多重井戸構造
では、厚さ１００オングストローム（１０ｎｍ）以下で
あればＧｅ層は直接遷移型となっている。
る機構について説明する。なお、ここでの説明では井戸
層にＧｅ、障壁層にＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓを用いた多重
量子井戸構造の場合を例に取り上げているため、Ｇｅが
直接遷移型となる井戸層厚は３５オングストローム以下
となっているが、障壁層の材料を変えることで３５オン
グストロームよりも厚いＧｅ層でも直接遷移化が可能で
ある。例えば、後述する実施例２で示しているＺｎ0.9
Ｍｇ0.1 Ｓ0.15Ｓｅ0.85層を障壁層とした多重井戸構造
では、厚さ１００オングストローム（１０ｎｍ）以下で
あればＧｅ層は直接遷移型となっている。
【００１１】図１は、井戸層がＧｅと障壁層がＡｌ0.2
Ｇａ0.8 Ａｓの場合の多重量子井戸構造のＬ点（点線）
とΓ点（実線）のバンドダイアグラムを示している。本
発明ではＧｅ伝導帯のエネルギーの最低点であるＬ点を
深い量子井戸にすると同時に、Γ点を浅い量子井戸に
し、井戸層厚をある程度まで薄くすることで、Ｌ点の電
子準位のエネルギー値を逆転させる手法を採っている。
Ｇａ0.8 Ａｓの場合の多重量子井戸構造のＬ点（点線）
とΓ点（実線）のバンドダイアグラムを示している。本
発明ではＧｅ伝導帯のエネルギーの最低点であるＬ点を
深い量子井戸にすると同時に、Γ点を浅い量子井戸に
し、井戸層厚をある程度まで薄くすることで、Ｌ点の電
子準位のエネルギー値を逆転させる手法を採っている。
【００１２】すなわち、図１に示すように、Ｇｅの伝導
帯の底であるＬ点は、Ａｌ0.2 Ｇａ 0.8 Ａｓとのバンド
オフセットにより、深さ４６０meV の深い量子井戸とな
り、Γ点は深さ３０meV の浅い量子井戸となっている。
帯の底であるＬ点は、Ａｌ0.2 Ｇａ 0.8 Ａｓとのバンド
オフセットにより、深さ４６０meV の深い量子井戸とな
り、Γ点は深さ３０meV の浅い量子井戸となっている。
【００１３】このような構造において、Ｇｅ量子井戸層
の層厚を減らしていくと、量子井戸層内の電子凖位のエ
ネルギー値は上昇していく。
の層厚を減らしていくと、量子井戸層内の電子凖位のエ
ネルギー値は上昇していく。
【００１４】バルクＧｅのＬ点のエネルギーを基準とす
ると、層厚の減少によるエネルギー値の増加は、Ｌ点に
ついては４６０meV に漸近することが可能であるが、Γ
点については３０meV 未満に留まる。そのため、Γ点の
量子井戸中の電子凖位は、Ｌ点とΓ点とのエネルギー差
である１４０meV と、量子井戸化によるエネルギー増加
の最大値である３０meV との、和である１７０meV より
も小さい位置に来る。
ると、層厚の減少によるエネルギー値の増加は、Ｌ点に
ついては４６０meV に漸近することが可能であるが、Γ
点については３０meV 未満に留まる。そのため、Γ点の
量子井戸中の電子凖位は、Ｌ点とΓ点とのエネルギー差
である１４０meV と、量子井戸化によるエネルギー増加
の最大値である３０meV との、和である１７０meV より
も小さい位置に来る。
【００１５】一方、深さ４６０meV の量子井戸中にある
Ｌ点では、Ｇｅ井戸層厚を薄くすることで、電子凖位を
１７０meV よりも高エネルギー側へシフトさせることが
可能である。その結果、Ｇｅ量子井戸層の伝導帯の最低
エネルギー谷はΓ点となり、Ｇｅは直接遷移型半導体と
して振る舞う。
Ｌ点では、Ｇｅ井戸層厚を薄くすることで、電子凖位を
１７０meV よりも高エネルギー側へシフトさせることが
可能である。その結果、Ｇｅ量子井戸層の伝導帯の最低
エネルギー谷はΓ点となり、Ｇｅは直接遷移型半導体と
して振る舞う。
【００１６】図１のバンドダイアグラムに基づき、Ｇｅ
井戸層厚をパラメータとして、Ｌ点とΓ点との電子凖位
を計算し、ＧｅのＬ点のエネルギーを基準としてプロッ
トした結果を示しているのが図２である。
井戸層厚をパラメータとして、Ｌ点とΓ点との電子凖位
を計算し、ＧｅのＬ点のエネルギーを基準としてプロッ
トした結果を示しているのが図２である。
【００１７】この図２においては実線がＬ点の電子凖
位、点線がΓ点の電子凖位を表している。図２に示すよ
うに、図中の実線と点線の交点である３５オングストロ
ームよりも薄いＧｅ量子井戸層では、直接遷移型となる
ことがわかる。そのため、本発明のＧｅを量子井戸層と
する超格子構造を用いることで、Ｇｅ井戸層厚が３５オ
ングストローム以下であれば直接遷移への変換が可能と
なり、前述した（１）に挙げた課題の解決も可能であ
る。
位、点線がΓ点の電子凖位を表している。図２に示すよ
うに、図中の実線と点線の交点である３５オングストロ
ームよりも薄いＧｅ量子井戸層では、直接遷移型となる
ことがわかる。そのため、本発明のＧｅを量子井戸層と
する超格子構造を用いることで、Ｇｅ井戸層厚が３５オ
ングストローム以下であれば直接遷移への変換が可能と
なり、前述した（１）に挙げた課題の解決も可能であ
る。
【００１８】同時に、Ｇｅ量子井戸層の直接遷移エネル
ギーギャップを0.９５〜1.２eVの広い範囲で変更でき
る。
ギーギャップを0.９５〜1.２eVの広い範囲で変更でき
る。
【００１９】さらに、これまでに述べた機構と同様な機
構によりＧｅを直接遷移型に変えることが、Ｚｎ，Ｍ
ｇ，Ｂｅ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの内少なくとも２種類以上の
元素からなるII−ＶＩ族化合物半導体とＧｅとからなる
量子井戸構造でも可能である。
構によりＧｅを直接遷移型に変えることが、Ｚｎ，Ｍ
ｇ，Ｂｅ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの内少なくとも２種類以上の
元素からなるII−ＶＩ族化合物半導体とＧｅとからなる
量子井戸構造でも可能である。
【００２０】また、Ｇｅ量子井戸層の比誘電率は１6.５
であり、Ｚｎ，Ｍｇ，Ｂｅ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの内、少な
くとも２種類以上の元素からなるII−ＶＩ族化合物半導
体障壁層の比誘電率の２倍程度になっている。そのた
め、Ｇｅ量子井戸層中の励起子束縛エネルギーは、バル
クＧｅの４倍程度に増加している。
であり、Ｚｎ，Ｍｇ，Ｂｅ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの内、少な
くとも２種類以上の元素からなるII−ＶＩ族化合物半導
体障壁層の比誘電率の２倍程度になっている。そのた
め、Ｇｅ量子井戸層中の励起子束縛エネルギーは、バル
クＧｅの４倍程度に増加している。
【００２１】この励起子束縛エネルギーの増加は、本発
明の量子井戸構造が発光素子だけでなく、非線形導波路
や面型光変調素子へも応用可能なことを示している。
明の量子井戸構造が発光素子だけでなく、非線形導波路
や面型光変調素子へも応用可能なことを示している。
【００２２】
【作用】本発明の超格子構造を発光層、受光層あるいは
光導波路に用いることで、ＧｅＡｓ基板に格子整合した
波長1.４〜1.０μｍの半導体光素子を実現できる。
光導波路に用いることで、ＧｅＡｓ基板に格子整合した
波長1.４〜1.０μｍの半導体光素子を実現できる。
【００２３】
【実施例】次に本発明の実施例について説明する。な
お、実施例は一つの例示であって、本発明の精神を逸脱
しない範囲で、種々の変更あるいは改良を行いうること
は言うまでもない。
お、実施例は一つの例示であって、本発明の精神を逸脱
しない範囲で、種々の変更あるいは改良を行いうること
は言うまでもない。
【００２４】（実施例１）本実施例では、波長1.３μｍ
の面発光レーザーの作製を取り上げ、本発明の効果を具
体的に説明する。図１は、本実施例で活性層に用いたＡ
ｌ0.2 Ｇａ0.8 ＡｓとＧｅからなる多重量子井戸構造の
Ｌ点（点線）とΓ点（実線）とのバンドダイアグラムを
示している。また、図３は、本実施例で作製した、面発
光レーザーの構造を示す図であり、これらの図に基づい
て以下に説明を行う。
の面発光レーザーの作製を取り上げ、本発明の効果を具
体的に説明する。図１は、本実施例で活性層に用いたＡ
ｌ0.2 Ｇａ0.8 ＡｓとＧｅからなる多重量子井戸構造の
Ｌ点（点線）とΓ点（実線）とのバンドダイアグラムを
示している。また、図３は、本実施例で作製した、面発
光レーザーの構造を示す図であり、これらの図に基づい
て以下に説明を行う。
【００２５】面発光ＬＤ用ウエハの成長 ｎ型ＧａＡｓ基板１上に有機金属気相成長法（以下「Ｍ
ＯＶＰＥ法」という）を用いて、1.３μｍの光学波長の
１／４にあたる厚さ３８６nmのＳｉドープｎ型ＧａＡｓ
膜（電子濃度２×１０18cm-3）２と厚さ４０８nmのＳｉ
ドープｎ型Ａｌ 0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ膜（電子濃度２×１０
18cm-3）３を１周期（ペア）として、３0.５周期繰り返
した反射分布器（ＤＢＲ）を成長する。このＤＢＲの波
長1.３μｍでの反射率は９９％である。
ＯＶＰＥ法」という）を用いて、1.３μｍの光学波長の
１／４にあたる厚さ３８６nmのＳｉドープｎ型ＧａＡｓ
膜（電子濃度２×１０18cm-3）２と厚さ４０８nmのＳｉ
ドープｎ型Ａｌ 0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ膜（電子濃度２×１０
18cm-3）３を１周期（ペア）として、３0.５周期繰り返
した反射分布器（ＤＢＲ）を成長する。このＤＢＲの波
長1.３μｍでの反射率は９９％である。
【００２６】このＤＢＲミラーに引き続き、厚さ７２０
nmのノンドープＧａＡｓ中間層４と活性層の成長を行
う。活性層としては、図１に示したようなノンドープＧ
ｅ（５nm）５とノンドープＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ（５n
m）障壁層６からなる多量子井戸（ＭＱＷ）構造をＭＯ
ＶＰＥ法により成長する。なお、ＭＱＷ層の繰り返しは
１０周期（ペア）である。さらに、厚さ７２０nmのノン
ドープＧａＡｓ中間層７の成長を行う。続いて、厚さ４
０８nmのＣドープｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ膜（正孔濃
度２×１０18cm-3）９と厚さ３８６nmのＣドープｐ型Ｇ
ａＡｓ膜（正孔濃度２×１０18cm-3）８を１周期とし
て、１8.５周期（ペア）繰り返したＤＢＲを成長し、面
発光ＬＤ用ウエハとした。成長時の基板温度は５００℃
で、反応炉圧は６０Torrである。
nmのノンドープＧａＡｓ中間層４と活性層の成長を行
う。活性層としては、図１に示したようなノンドープＧ
ｅ（５nm）５とノンドープＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ（５n
m）障壁層６からなる多量子井戸（ＭＱＷ）構造をＭＯ
ＶＰＥ法により成長する。なお、ＭＱＷ層の繰り返しは
１０周期（ペア）である。さらに、厚さ７２０nmのノン
ドープＧａＡｓ中間層７の成長を行う。続いて、厚さ４
０８nmのＣドープｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ膜（正孔濃
度２×１０18cm-3）９と厚さ３８６nmのＣドープｐ型Ｇ
ａＡｓ膜（正孔濃度２×１０18cm-3）８を１周期とし
て、１8.５周期（ペア）繰り返したＤＢＲを成長し、面
発光ＬＤ用ウエハとした。成長時の基板温度は５００℃
で、反応炉圧は６０Torrである。
【００２７】本実施例では、結晶成長法にＭＯＶＰＥ法
を用いたが、ＭＢＥ法でもガスソースＭＢＥ法であって
も本発明の効果が得られることに変わりはない。また、
ＤＢＲを構成する各層（２，３，８，９）の厚さは、発
振波長の光学波長の１／４であり、ＧａＡｓ層４〜Ｇａ
Ａｓ層７層の厚さの合計は発振波長の光学波長と等しく
なっている。そのため、発振波長が変わるとこれらの層
厚は変化する。
を用いたが、ＭＢＥ法でもガスソースＭＢＥ法であって
も本発明の効果が得られることに変わりはない。また、
ＤＢＲを構成する各層（２，３，８，９）の厚さは、発
振波長の光学波長の１／４であり、ＧａＡｓ層４〜Ｇａ
Ａｓ層７層の厚さの合計は発振波長の光学波長と等しく
なっている。そのため、発振波長が変わるとこれらの層
厚は変化する。
【００２８】素子作製プロセス 次に、このウエハを用いて実際に面発光ＬＤ素子を作製
する。ＬＤウエハ上に、rfマグネトロンスパッタにより
厚さ２０００オングストロームのＳｉＯ2 膜１０を形成
し、フォトリソグラフィ技術を用いて、内径２０μｍ、
外径１００μｍのドーナツ状にＳｉＯ2 膜をエッチング
により取り除く。ＳｉＯ2 膜のエッチングにはフッ酸を
エッチャントとして用いている。このＳｉＯ2 膜を保護
マスクとして、塩素ガスを用いた反応性イオンビームエ
ッチング（ＲＩＢＥ）により、円筒上のメサを形成し、
ポリイミド１１で埋め込む。
する。ＬＤウエハ上に、rfマグネトロンスパッタにより
厚さ２０００オングストロームのＳｉＯ2 膜１０を形成
し、フォトリソグラフィ技術を用いて、内径２０μｍ、
外径１００μｍのドーナツ状にＳｉＯ2 膜をエッチング
により取り除く。ＳｉＯ2 膜のエッチングにはフッ酸を
エッチャントとして用いている。このＳｉＯ2 膜を保護
マスクとして、塩素ガスを用いた反応性イオンビームエ
ッチング（ＲＩＢＥ）により、円筒上のメサを形成し、
ポリイミド１１で埋め込む。
【００２９】ポリイミド１１の埋め込み後、電子ビーム
蒸着法により、厚さ４０nmのクロム膜１２と厚さ２００
nmの金膜１３を連続して形成し電極とする。一方、ｎ型
ＧａＡｓ基板１側には、厚さ４０nmのチタン膜１４、厚
さ５０nm白金膜１５と厚さ５００nmの金膜１３を連続し
て真空蒸着し、電極とする。その後、窒素雰囲気中で４
００℃、３０秒の条件でフラッシュアニールし、電極金
属と半導体との密着性の向上を図る。
蒸着法により、厚さ４０nmのクロム膜１２と厚さ２００
nmの金膜１３を連続して形成し電極とする。一方、ｎ型
ＧａＡｓ基板１側には、厚さ４０nmのチタン膜１４、厚
さ５０nm白金膜１５と厚さ５００nmの金膜１３を連続し
て真空蒸着し、電極とする。その後、窒素雰囲気中で４
００℃、３０秒の条件でフラッシュアニールし、電極金
属と半導体との密着性の向上を図る。
【００３０】さらに、フォトリソグラフィ技術を用い
て、直径２０μｍのメサの部分の電極（クロム膜１２及
び金膜１３）及びＳｉＯ2 膜をエッチングにより取り除
き、図３に示すような素子構造を得る。尚、クロム膜１
２及び金膜１３のエッチングは、それぞれ硝酸第２セリ
ウムアンモニウム、ヨウ化カリウムを用いている。最後
に、劈開により、素子を５００μｍ四方に切り出し、面
発光ＬＤチップとした。
て、直径２０μｍのメサの部分の電極（クロム膜１２及
び金膜１３）及びＳｉＯ2 膜をエッチングにより取り除
き、図３に示すような素子構造を得る。尚、クロム膜１
２及び金膜１３のエッチングは、それぞれ硝酸第２セリ
ウムアンモニウム、ヨウ化カリウムを用いている。最後
に、劈開により、素子を５００μｍ四方に切り出し、面
発光ＬＤチップとした。
【００３１】素子特性 切り出した素子をジャンクションアップでダイアモンド
ヒートシンク上に金錫共晶合金を用いてマウントし、室
温での素子特性を測定した。図４は、室温で直流電源に
より駆動した時の電流−光出力特性を示している。この
図よりレーザー動作の閾値電流は、５mAであることがわ
かる。また、この時の閾値電圧は2.５Ｖであり、良好な
特性の面発光レーザーが得られている。
ヒートシンク上に金錫共晶合金を用いてマウントし、室
温での素子特性を測定した。図４は、室温で直流電源に
より駆動した時の電流−光出力特性を示している。この
図よりレーザー動作の閾値電流は、５mAであることがわ
かる。また、この時の閾値電圧は2.５Ｖであり、良好な
特性の面発光レーザーが得られている。
【００３２】（実施例２）本実施例では、本発明の量子
井戸構造を光吸収層に用いた面型の光変調素子を例にし
て本発明の効果を示す。図５は、本実施例において作製
した光変調素子の構造を示している。図６は、本実施例
の光変調素子の波長1.３μｍレーザー光に対する電界に
よる透過光量の変化を示している。これらの図を基にし
て、本発明の効果を具体的に説明する。
井戸構造を光吸収層に用いた面型の光変調素子を例にし
て本発明の効果を示す。図５は、本実施例において作製
した光変調素子の構造を示している。図６は、本実施例
の光変調素子の波長1.３μｍレーザー光に対する電界に
よる透過光量の変化を示している。これらの図を基にし
て、本発明の効果を具体的に説明する。
【００３３】光変調素子用ウエハの成長 図５に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板１上にＭＢＥ法に
より、厚さ1.０μｍの塩素ドープｎ型ＺｎＳ0.1 Ｓｅ
0.9 層（電子濃度１×１０18cm-3）１６を成長し、その
上に厚さ１０nmのノンドープＺｎ0.9 Ｍｇ0.1 Ｓ0.15Ｓ
ｅ0.85層１７と厚さ１０nmのノンドープＧｅ層５を１周
期とする多重量子井戸構造（繰り返し１００周期）を成
長する。さらに、厚さ1.０μｍの窒素ドープｐ型ＺｎＳ
0.1 Ｓｅ 0.9 層（正孔濃度５×１０17cm-3）１８を成長
する。
より、厚さ1.０μｍの塩素ドープｎ型ＺｎＳ0.1 Ｓｅ
0.9 層（電子濃度１×１０18cm-3）１６を成長し、その
上に厚さ１０nmのノンドープＺｎ0.9 Ｍｇ0.1 Ｓ0.15Ｓ
ｅ0.85層１７と厚さ１０nmのノンドープＧｅ層５を１周
期とする多重量子井戸構造（繰り返し１００周期）を成
長する。さらに、厚さ1.０μｍの窒素ドープｐ型ＺｎＳ
0.1 Ｓｅ 0.9 層（正孔濃度５×１０17cm-3）１８を成長
する。
【００３４】素子作製プロセス 次に、このウエハを用いて実際に光変調素子を作製す
る。図５に示すように、ウエハ上に、rfマグネトロンス
パッタにより厚さ２０００オングストロームのＳｉＯ2
膜１０を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて、直
径１００μｍの円盤状にＳｉＯ2 膜を残し、他の部分は
エッチングにより取り除く。ＳｉＯ2 膜のエッチングに
はフッ酸をエッチャントとして用いている。このＳｉＯ
2 膜を保護マスクとして、塩素ガスを用いた反応性イオ
ンビームエッチング（ＲＩＢＥ）により、円筒上のメサ
を形成する。さらに、メサ上のＳｉＯ2 膜をフォトリソ
グラフィ技術により直径３０μｍの円盤状に加工する。
続いて、電子ビーム蒸着法により、厚さ４０nmのクロム
膜１２と厚さ２００nmの金膜１３をメサ上に連続して形
成し電極とする。一方、ｎ型ＧａＡｓ基板１側には、厚
さ４０nmのチタン膜１４、厚さ５０nm白金膜１５と厚さ
５００nmの金膜１３を連続して真空蒸着した後、フォト
リソクラフィ技術により円筒状のメサの下側にあたる部
分のチタン膜１４、白金膜１５、金膜１３を取り除く。
その後、窒素雰囲気中で２５０℃、３０秒の条件でフラ
ッシュアニールし、電極金属と半導体との密着性の向上
を図る。以上の作製プロセスにより図５に示した光変調
素子を得る。
る。図５に示すように、ウエハ上に、rfマグネトロンス
パッタにより厚さ２０００オングストロームのＳｉＯ2
膜１０を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて、直
径１００μｍの円盤状にＳｉＯ2 膜を残し、他の部分は
エッチングにより取り除く。ＳｉＯ2 膜のエッチングに
はフッ酸をエッチャントとして用いている。このＳｉＯ
2 膜を保護マスクとして、塩素ガスを用いた反応性イオ
ンビームエッチング（ＲＩＢＥ）により、円筒上のメサ
を形成する。さらに、メサ上のＳｉＯ2 膜をフォトリソ
グラフィ技術により直径３０μｍの円盤状に加工する。
続いて、電子ビーム蒸着法により、厚さ４０nmのクロム
膜１２と厚さ２００nmの金膜１３をメサ上に連続して形
成し電極とする。一方、ｎ型ＧａＡｓ基板１側には、厚
さ４０nmのチタン膜１４、厚さ５０nm白金膜１５と厚さ
５００nmの金膜１３を連続して真空蒸着した後、フォト
リソクラフィ技術により円筒状のメサの下側にあたる部
分のチタン膜１４、白金膜１５、金膜１３を取り除く。
その後、窒素雰囲気中で２５０℃、３０秒の条件でフラ
ッシュアニールし、電極金属と半導体との密着性の向上
を図る。以上の作製プロセスにより図５に示した光変調
素子を得る。
【００３５】素子特性 切り出した素子のＳｉＯ2 窓より波長1.３μｍのレーザ
ー光を照射し、上部電極にマイナス下部電極にプラス電
界を印加して基板側へ透過してくるレーザー光強度の印
加電界による変化を室温で測定した。この測定結果を示
しているのが図６である。この図で横軸は印加電圧、縦
軸は透過光強度を示している。この図より印加電圧の増
加に伴い透過光強度は減少し、無電圧時の透過光強度を
１とすると、４Ｖの電圧印加時には0.１程度にまで減少
することがわかる。また、パルス電圧発生器により高さ
４Ｖのステップ状のパルス電圧を、この素子に印加した
場合、電圧変化に対する透過光強度の応答時間は５０ps
ec程度と高速であった。
ー光を照射し、上部電極にマイナス下部電極にプラス電
界を印加して基板側へ透過してくるレーザー光強度の印
加電界による変化を室温で測定した。この測定結果を示
しているのが図６である。この図で横軸は印加電圧、縦
軸は透過光強度を示している。この図より印加電圧の増
加に伴い透過光強度は減少し、無電圧時の透過光強度を
１とすると、４Ｖの電圧印加時には0.１程度にまで減少
することがわかる。また、パルス電圧発生器により高さ
４Ｖのステップ状のパルス電圧を、この素子に印加した
場合、電圧変化に対する透過光強度の応答時間は５０ps
ec程度と高速であった。
【００３６】
【発明の効果】以上詳細に説明したごとく、本発明の量
子井戸層であるＧｅ半導体を直接遷移型に変換できるII
I −Ｖ族あるいはII−ＶＩ族化合物半導体薄膜とＧｅか
らなる超格子構造を利用することで、ＧａＡｓ基板上に
格子整合した半導体膜を用いて波長1.０〜1.３μｍ帯の
半導体光素子の作製が可能になる。
子井戸層であるＧｅ半導体を直接遷移型に変換できるII
I −Ｖ族あるいはII−ＶＩ族化合物半導体薄膜とＧｅか
らなる超格子構造を利用することで、ＧａＡｓ基板上に
格子整合した半導体膜を用いて波長1.０〜1.３μｍ帯の
半導体光素子の作製が可能になる。
【００３７】その結果、抵抗の低いＡｌＧａＡｓ／Ｇａ
Ａｓ系ＤＢＲ反射膜を波長1.０〜1.３μｍ以上の長波長
系面型光素子にも適応できるようになり、素子の駆動電
圧の低減や長寿命化が期待される。
Ａｓ系ＤＢＲ反射膜を波長1.０〜1.３μｍ以上の長波長
系面型光素子にも適応できるようになり、素子の駆動電
圧の低減や長寿命化が期待される。
【００３８】また、Ｇｅの誘電率はII−ＶＩ族半導体
（ＺｎＭｇＳＳｅ系）の誘電率の約２倍程度あり、これ
らの半導体からなる超格子構造では、励起子による非線
形効果の増大も起きており、既存の超格子構造を利用し
た光変調素子に比較して高い光強度変調が可能になる。
（ＺｎＭｇＳＳｅ系）の誘電率の約２倍程度あり、これ
らの半導体からなる超格子構造では、励起子による非線
形効果の増大も起きており、既存の超格子構造を利用し
た光変調素子に比較して高い光強度変調が可能になる。
【図１】実施例１で面発光レーザーの活性層として用い
たＡｌ0.2 Ｇａ0.8 ＡｓとＧｅからなる多重量子井戸構
造のＬ点（点線）とΓ点（実線）のバンドダイアグラム
を示す図である。
たＡｌ0.2 Ｇａ0.8 ＡｓとＧｅからなる多重量子井戸構
造のＬ点（点線）とΓ点（実線）のバンドダイアグラム
を示す図である。
【図２】Ｌ点とΓ点の電子凖位のＧｅ量子井戸層厚依存
性を示す図である。
性を示す図である。
【図３】実施例１で作製した面発光レーザーの構造を示
す図である。
す図である。
【図４】実施例１の面発光レーザーの電流−光出力特性
を示す図である。
を示す図である。
【図５】実施例２で作製した面型光変調素子の構造を示
す図である。
す図である。
【図６】実施例２で作製した面型光変調素子での透過光
強度の印加電界依存性を示す図である。
強度の印加電界依存性を示す図である。
１ ｎ型ＧａＡｓ基板 ２ Ｓｉドープｎ型ＧａＡｓ層 ３ Ｓｉドープｎ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層 ４ ノンドープｎ型ＧａＡｓ層 ５ ノンドープＧｅ井戸層 ６ ノンドープＡｌ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ障壁層 ７ ノンドープＧａＡｓ層 ８ Ｃドープｐ型ＧａＡｓ膜 ９ Ｃドープｐ型Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ膜 １０ ＳｉＯ2 膜 １１ ポリイミド １２ クロム膜 １３ 金膜 １４ チタン膜 １５ 白金膜 １６ 塩素ドープｎ型ＺｎＳ0.1 Ｓｅ0.9 層 １７ ノンドープＺｎ0.9 Ｍｇ0.1 Ｓ0.15Ｓｅ0.85層 １８ 窒素ドープｐ型ＺｎＳ0.1 Ｓｅ0.9 層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩村 英俊 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内
Claims (3)
- 【請求項１】 III −Ｖ族あるいはII−ＶＩ族化合物半
導体薄膜とＧｅ半導体薄膜からなる超格子構造を受光及
び発光層に用いることを特徴とする半導体光素子。 - 【請求項２】 請求項１記載の半導体光素子において、
Ｇｅ半導体と超格子構造を形成するIII −Ｖ族化合物半
導体が、ＡｌX Ｇａ1-X Ａｓ（Ｘ＝０〜0.４５）である
ことを特徴とする半導体光素子。 - 【請求項３】 請求項１記載の半導体光素子において、
Ｇｅ半導体と超格子構造を形成するII−ＶＩ族化合物半
導体が、Ｚｎ，Ｍｇ，Ｂｅ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅの内、少な
くとも２種類以上の元素からなる化合物であることを特
徴とする半導体光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20328494A JPH0870154A (ja) | 1994-08-29 | 1994-08-29 | 半導体光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20328494A JPH0870154A (ja) | 1994-08-29 | 1994-08-29 | 半導体光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0870154A true JPH0870154A (ja) | 1996-03-12 |
Family
ID=16471505
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20328494A Withdrawn JPH0870154A (ja) | 1994-08-29 | 1994-08-29 | 半導体光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0870154A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4825269B2 (ja) * | 2005-10-28 | 2011-11-30 | マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー | シリコン上のゲルマニウムレーザーの方法と構造 |
-
1994
- 1994-08-29 JP JP20328494A patent/JPH0870154A/ja not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4825269B2 (ja) * | 2005-10-28 | 2011-11-30 | マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー | シリコン上のゲルマニウムレーザーの方法と構造 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20011106 |