JP4972995B2 - 量子ドット半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は量子ドット半導体装置に関するものであり、特に、量子ドット半導体レーザや量子ドット光増幅器等を構成する自己形成型量子ドットのサイズ・形状を均一にするための構成に特徴のある量子ドット半導体装置に関するものである。

近年、光通信等に用いる半導体レーザや半導体光増幅器として、ＩｎＰ基板を用いた量子ドット構造デバイスが用いられており、この場合、光導波路形成の観点から、例えば、４元混晶であるＩｎＧａＡｓＰ層やＡｌＧａＩｎＡｓ層を下地層としてその上にＩｎＡｓ量子ドットを形成し、ＩｎＡｓ量子ドットを埋め込む中間層としては、ＩｎＧａＡｓＰ層（非特許文献１参照）やＩｎＧａＡｌＡｓ層（特許文献１参照）を用いることが一般的である。

例えば、特許文献１においては、ＩｎＰ基板上にＩｎＡｓＰ量子ドットを含むＩｎＧａＡｌＡｓバッファ層を設け、その上に、ＩｎＡｓ量子ドット及びＩｎ_0.47Ｇａ_0.11Ａｌ_0.42Ａｓ中間層を繰り返し積層している。
ＩＥＥＥＬＥＯＳ２００３ ａｂｓｔ．，ｐ．９４９ 特開２００３−１９７９００号公報

しかしながら、上述の従来の手法では、４元混晶下地層上に形成された量子ドットのサイズ・形状の分布が大きくなるという問題があった。

これは、下地層となるＩｎＧａＡｓＰ混晶もしくはＩｎＧａＡｌＡｓ混晶の元素分布が面内で均一でないために、局所的な歪分布が発生し、上部に形成される量子ドットが下地層の歪量分布の影響を受けるためであると考えられる。

したがって、本発明は、自己形成型量子ドットのサイズ及び形状を均一にすることを目的とする。

図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図における符号２，３，６，７は、夫々、バッファ層、量子ドット構造層、中間層、及び、クラッド層である。
図１参照
上記課題を解決するために、本発明は、量子ドット半導体装置において、半導体基板１上に複数の２元化合物半導体の分子層の整数倍が交互に積層された短周期超格子構造層４を設けるとともに、短周期超格子構造層４上に自己形成型量子ドット５を設けたことを特徴とする。

このように、量子ドットを構成する下地層として２元化合物半導体の分子層の整数倍が交互に積層された短周期超格子構造層４を用いることによって、短周期超格子構造層４により形成された表面は完全な分子層の２元化合物半導体からなるため、下地層の元素分布が均一になり、それに伴って歪みも均一になるので、自己形成型量子ドット５のサイズ及び形状が均一になる。

この場合の半導体基板１としては、ＩｎＰ基板或いはＧａＡｓ基板が典型的なものであり、ＩｎＰ基板を用いる場合には、短周期超格子構造層４をＡｌＡｓ分子層、ＧａＡｓ分子層、及び、ＩｎＡｓ分子層によって構成すれば良く、また、ＧａＡｓ基板を用いる場合には、短周期超格子構造層４をＡｌＡｓ分子層及びＧａＡｓ分子層によって構成すれば良い。

さらには、ＩｎＰ基板を用いる場合には、短周期超格子構造層４をＧａＰ分子層、ＩｎＰ分子層、ＧａＡｓ分子層、及び、ＩｎＡｓ分子層によって構成しても良く、また、ＧａＡｓ基板を用いる場合には、短周期超格子構造層４をＡｌＡｓ分子層、ＧａＡｓ分子層、及び、ＩｎＡｓ分子層によって構成しても良い。

また、自己形成型量子ドット５としては、ＩｎＡｓ量子ドットが典型的であるが、ＩｎＳｂ量子ドット或いはＧａＳｂ量子ドットを用いても良いものである。

また、短周期超格子構造層４としては、短周期超格子構造層４の平均組成に相当する格子定数ａ_ave が、半導体基板１の格子定数ａ_sub に対して、
−０．５〔％〕≦〔（ａ_sub −ａ_ave ）／ａ_sub 〕×１００≦０．５〔％〕
の関係を満たすことが望ましく、それによって、短周期超格子構造層４の結晶性を保つことができる。

なお、この場合の短周期超格子構造層４の平均組成とは、繰り返しの単位周期内の原子数比を表すものであり、例えば、繰り返しの単位周期が、（ＩｎＡｓ）_1ML （ＧａＡｓ）_1ML （ＩｎＡｓ）_1ML （ＡｌＡｓ）_1ML の場合は、平均組成はＡｌ_0.25Ｇａ_0.25Ｉｎ_0.50Ａｓとなる。
なお、１ＭＬ（Ｍｏｎｏ Ｌａｙｅｒ）は、単層の分子層を表す。

本発明によれば、自己形成型量子ドットのサイズ・形状の均一性が、４元混晶下地層上に形成した場合に比較して向上するので、この量子ドット構造を半導体レーザの活性層として適用した場合、発振波長での利得が増大し、閾値電流値の低下や、緩和振動数の増加を実現することができる。

本発明は、ＩｎＰ基板やＧａＡｓ基板等の半導体基板上にバッファ層を介して複数の２元化合物半導体の分子層の整数倍が交互に積層された短周期超格子構造層を設けたのち、この短周期超格子構造層上に自己形成型量子ドットを形成し、この自己形成型量子ドットを４元混晶半導体中間層（バリア層）で埋め込んだのち、再び、短周期超格子構造層及び自己形成型量子ドットの積層を必要とする層数だけ繰り返して、最後にクラッド層及び必要に応じてコンタクト層を設けるものである。

この場合、基板がＩｎＰ基板である場合には、例えば、（ＩｎＡｓ）_1ML （ＧａＡｓ）_1ML （ＩｎＡｓ）_1ML （ＡｌＡｓ）_1ML の繰り返し周期の短周期超格子構造層を用い、基板がＧａＡｓ基板である場合には、例えば、（ＧａＡｓ）_2ML （ＡｌＡｓ）_1ML の繰り返し周期の短周期超格子構造層を用いる。

また、ストライプ構造としては、基板がＩｎＰ基板である場合には一般には埋込ヘテロ接合構造を用い、基板がＧａＡｓ基板である場合には一般にはリッジストライプ構造を用いる。

ここで、図２乃至図５を参照して、本発明の実施例１の量子ドット半導体レーザを説明する。
図２参照
まず、（１００）面を主面とするｎ型ＩｎＰ基板１１上にガスソースＭＢＥ法を用いて、例えば、６００℃の成長温度においてＳｉ濃度が例えば、５．０×１０¹⁷ｃｍ^-3でドーピングされ、厚さが、例えば、３００ｎｍのｎ型ＩｎＰバッファ層１２を成長させる。

続いて、ＰＨ₃ 雰囲気下で成長温度を５００℃まで下げたのち、1 周期が（ＩｎＡｓ）_1ML １４／（ＧａＡｓ）_1ML １５／（ＩｎＡｓ）_1ML １６／（ＡｌＡｓ）_1ML １７で合計２０周期分（厚さ約２５ｎｍ）の短周期超格子構造層１３を形成する。
この短周期超格子構造層１３は平均組成がＡｌ_0.25Ｇａ_0.25Ｉｎ_0.50Ａｓとなり、組成波長１．１３μｍ、圧縮歪量０．１９％に相当する。

引き続いて、基板温度は５００℃のままで、ＩｎＡｓを２ＭＬ（分子層）分供給することによって、ＩｎＡｓ量子ドット１８を自己形成する。

図３参照
引き続いて、基板温度は５００℃のままで、組成波長が１．１３μｍのＡｌＧａＩｎＡｓバリア層１９を例えば、１０ｎｍの厚さに形成する。
この１０ｎｍのＡｌＧａＩｎＡｓバリア層１９の形成でＩｎＡｓ量子ドット１８は完全に埋め込まれ、表面は十分な平坦性が得られた状態になる。

引き続いて、上述の短周期超格子構造層１３、ＩｎＡｓ量子ドット１８、及び、ＡｌＧａＩｎＡｓバリア層１９の成長までを１周期とする量子ドット構造層２０を繰り返して例えば、１０周期形成する。

引き続いて、ＡｓＨ₃ 雰囲気下で基板温度を再び６００℃まで上げ、Ｚｎ濃度が例えば、５．０×１０¹⁷ｃｍ^-3でドーピングされ、厚さが、例えば、３００ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層２１を形成する。

図４参照
次いで、ｐ型ＩｎＰクラッド層２１上に幅が、例えば、１．５μｍのＳｉＯ₂ マスク２２を形成し、ドライエッチングによって、エッチングされる領域のｎ型ＩｎＰ基板１１と上部にＳｉＯ₂ マスク２２があってエッチングされない領域のｎ型ＩｎＰ基板との段差が例えば、１．５μｍとなるストライプ状メサ構造を形成する。

次いで、ＳｉＯ₂ マスク２２を選択成長マスクとして用いてＭＯＣＶＤ法によって、ｐ型ＩｎＰ埋込層２３及びｎ型ＩｎＰ電流ブロック層２４を設ける。

図５参照
次いで、ＳｉＯ₂ マスク２２を除去したのち、再び、ＭＯＣＶＤ法によって、Ｚｎ濃度が１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3で、厚さが、例えば、２０００ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層２５及びＺｎ濃度が１．０×１０¹⁹ｃｍ^-3でドーピングされ、厚さが、例えば、５００ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６を設け、次いで、ｎ側電極２７及びｐ側電極２８を順次設ける。
最後に、図示は、省略するものの、レーザ前端面に低反射膜および後端面に高反射膜を施すことによって、本発明の実施例１の量子ドット半導体レーザの基本構造が完成する。

この本発明の実施例１の量子ドット半導体レーザにおけるフォトルミネッセンスの半値幅は２０〜３０ｍｅＶとなり、バルクＡｌＧａＩｎＡｓ上にＩｎＡｓ量子ドットを形成した場合の半値幅の５０〜１００ｍｅＶに比べて大幅な改善が見られ、これは、下地層として短周期超格子構造層を採用することによってＩｎＡｓ量子ドットの均一性が向上したためと考えられる。

次に、図６乃至図８を参照して、本発明の実施例２の量子ドット半導体レーザを説明する。
図６参照
まず、（１００）面を主面とするｎ型ＧａＡｓ基板３１上に固体ソースＭＢＥ法によって、例えば、６００℃の成長温度において、Ｓｉ濃度が例えば、５．０×１０¹⁷ｃｍ^-3でドーピングされ、厚さが、例えば、３００ｎｍのｎ型ＧａＡｓバッファ層３２を成長させる。

続いて、Ａｓ₄ 雰囲気下で成長温度を５００℃まで下げたのち、1 周期が（ＧａＡｓ）_2ML ３４／（ＡｌＡｓ）_1ML ３５で合計３６周期分（厚さ約３０ｎｍ）の短周期超格子構造層３３を形成する。
この短周期超格子構造層３３は平均組成がＡｌ_0.33Ｇａ_0.67Ａｓとなり、組成波長０．６６７μｍ、歪量０％に相当する。

引き続いて、基板温度は５００℃のままで、ＩｎＡｓを２ＭＬ（分子層）分供給することによって、ＩｎＡｓ量子ドット３６を自己形成する。

図７参照
引き続いて、基板温度は５００℃のままで、Ａｌ_0.33Ｇａ_0.67Ａｓバリア層３７を例えば、１０ｎｍの厚さに形成する。
この１０ｎｍのＡｌ_0.33Ｇａ_0.67Ａｓバリア層３７の形成でＩｎＡｓ量子ドット３６は完全に埋め込まれ、表面は十分な平坦性が得られた状態になる。

引き続いて、上述の短周期超格子構造層３３、ＩｎＡｓ量子ドット３６、及び、Ａｌ_0.33Ｇａ_0.67Ａｓバリア層３７の成長までを１周期とする量子ドット構造層３８を繰り返して例えば、１０周期形成する。

引き続いて、Ａｓ₄ 雰囲気下で基板温度を再び６００℃まで上げ、Ｂｅ濃度が例えば、５．０×１０¹⁷ｃｍ^-3でドピングされ、厚さが、例えば、１５００ｎｍのｐ型ＧａＡｓクラッド層３９及びＢｅ濃度が例えば、２．０×１０¹⁹ｃｍ^-3でドピングされ、厚さが、例えば、３００ｎｍのｐ⁺ 型ＧａＡｓコンタクト層４０を形成する。

図８参照
次いで、ｐ⁺ 型ＧａＡｓコンタクト層４０上に幅が、例えば、１．５μｍのＳｉＯ₂ マスク４１を形成し、ドライエッチングによって、エッチングされる領域のｐ型ＧａＡｓクラッド層３９と、上部にＳｉＯ₂ マスク４１があってエッチングされない領域のｐ型ＧａＡｓクラッド層３９との段差が例えば、１．０μｍとなるリッジ構造を形成する。

次いで、ＳｉＯ₂ マスク４１を除去したのち、ｎ側電極４２及びｐ側電極４３を順次設け、最後に、図示は、省略するものの、レーザ前端面に低反射膜および後端面に高反射膜を施すことによって、本発明の実施例２の量子ドット半導体レーザの基本構造が完成する。

この本発明の実施例２の量子ドット半導体レーザの場合も、ＩｎＡｓ量子ドットを形成する下地層として短周期超格子構造層を採用しているので、ＩｎＡｓ量子ドットの均一性が向上し、フォトルミネッセンスの半値幅の幅狭化が可能になる。

以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能であり、例えば、上記の各実施例における電流狭窄構造は、単なる一例にすぎず、公知の各種の電流狭窄構造・ストライプ構造を用いても良いことは言うまでもない。

また、上記の実施例１においては、短周期超格子構造層を（ＩｎＡｓ）_1ML （ＧａＡｓ）_1ML （ＩｎＡｓ）_1ML （ＡｌＡｓ）_1ML の繰り返しで構成しているが、ＧａＡｓとＡｌＡｓとの間にＩｎＡｓが存在すれば、その積層順序は任意である。

また、上記の実施例１においては、上述のように短周期超格子構造層をＩｎＡｓ分子層，ＧａＡｓ分子層，ＡｌＡｓ分子層によって構成しているが、ＧａＰ分子層、ＩｎＰ分子層、ＧａＡｓ分子層、及び、ＩｎＡｓ分子層によって構成しても良いものである。

また、上記の実施例２においては、短周期超格子構造層を（ＧａＡｓ）_2ML （ＡｌＡｓ）_1ML で構成しているが、（ＧａＡｓ）_1ML （ＡｌＡｓ）_1ML 等の他の層数比率で構成しても良いものである。

また、上記の実施例１においては、短周期超格子構造層の周期数を２０周期とし、実施例２においては、短周期超格子構造層の周期数を３６周期としているが、これらの周期数は任意であり、２０周期或いは３６周期に限られるものではない。

また、上記の実施例２においては、上述のように短周期超格子構造層をＧａＡｓ分子層及びＡｌＡｓ分子層によって構成しているが、ＡｌＡｓ分子層、ＧａＡｓ分子層、及び、ＩｎＡｓ分子層によって構成しても良いものである。

また、上記の各実施例においては、短周期超格子構造層と半導体基板との格子整合については特に言及していないが、短周期超格子構造層の平均組成に相当する格子定数ａ_ave が、半導体基板の格子定数ａ_sub に対して、
−０．５〔％〕≦〔（ａ_sub −ａ_ave ）／ａ_sub 〕×１００≦０．５〔％〕
の関係を満たすようにすれば良く、それによって、短周期超格子構造層の結晶性を良好に保つことができる。

また、上記の各実施例においては量子ドットをＩｎＡｓ量子ドットで構成しているが、ＩｎＡｓ量子ドットに限られるものではなく、ＩｎＳｂ量子ドット或いはＧａＳｂ量子ドットとしても良いものである。

また、上記の各実施例においては基板としてＧａＡｓ或いはＩｎＰを用いているが、ＩｎＧａＡｓ基板等の混晶基板等の他の基板を用いても良いものである。

さらに、上記の各実施例においては非ナイトライド系のIII-Ｖ族化合物半導体デバイスとして説明しているが、ＧａＮ系のIII-Ｖ族化合物半導体にも適用されるものであり、その場合には、基板としてＧａＮ、ＳｉＣ、或いは、サファイア等を用いれば良い。

ここで、再び図１を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図１参照
（付記１） 半導体基板１上に複数の２元化合物半導体の分子層の整数倍が交互に積層された短周期超格子構造層４を設けるとともに、前記短周期超格子構造層４上に自己形成型量子ドット５を設けたことを特徴とする量子ドット半導体装置。
（付記２） 上記半導体基板１がＩｎＰ基板であり、上記短周期超格子構造層４がＡｌＡｓ分子層、ＧａＡｓ分子層、及び、ＩｎＡｓ分子層によって構成されることを特徴とする付記１記載の量子ドット半導体装置。
（付記３） 上記半導体基板１がＩｎＰ基板であり、上記短周期超格子構造層４がＧａＰ分子層、ＩｎＰ分子層、ＧａＡｓ分子層、及び、ＩｎＡｓ分子層によって構成されることを特徴とする付記１記載の量子ドット半導体装置。
（付記４） 上記半導体基板１がＧａＡｓ基板であり、上記短周期超格子構造層４がＡｌＡｓ分子層及びＧａＡｓ分子層によって構成されることを特徴とする付記１記載の量子ドット半導体装置。
（付記５） 上記半導体基板１がＧａＡｓ基板であり、上記短周期超格子構造層４がＡｌＡｓ分子層、ＧａＡｓ分子層、及び、ＩｎＡｓ分子層によって構成されることを特徴とする付記１記載の量子ドット半導体装置。
（付記６） 上記自己形成型量子ドット５が、ＩｎＡｓ量子ドット、ＩｎＳｂ量子ドット、或いは、ＧａＳｂ量子ドットのいずれかからなることを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の量子ドット半導体装置。
（付記７） 上記短周期超格子構造層４の平均組成に相当する格子定数ａ_ave が、上記半導体基板１の格子定数ａ_sub に対して、
−０．５〔％〕≦〔（ａ_sub −ａ_ave ）／ａ_sub 〕×１００≦０．５〔％〕
の関係を満たすことを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載の量子ドット半導体装置。

本発明の活用例としては、半導体レーザが典型的なものであるが、半導体光増幅器（ＳＯＡ）にも適用されるものであり、さらには、サブバンド間の遷移を利用する量子ドット型赤外線検出素子（ＱＤＩＰ）等にも適用されるものである。

本発明の原理的構成の説明図である。 本発明の実施例１の量子ドット半導体レーザの途中までの製造工程の説明図である。 本発明の実施例１の量子ドット半導体レーザの図２以降の途中までの製造工程の説明図である。 本発明の実施例１の量子ドット半導体レーザの図３以降の途中までの製造工程の説明図である。 本発明の実施例１の量子ドット半導体レーザの図４以降の製造工程の説明図である。 本発明の実施例２の量子ドット半導体レーザの途中までの製造工程の説明図である。 本発明の実施例２の量子ドット半導体レーザの図６以降の途中までの製造工程の説明図である。 本発明の実施例２の量子ドット半導体レーザの図７以降の製造工程の説明図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ バッファ層
３ 量子ドット構造層
４ 短周期超格子構造層
５ 自己形成型量子ドット
６ 中間層
７ クラッド層
１１ ｎ型ＩｎＰ基板
１２ ｎ型ＩｎＰバッファ層
１３ 短周期超格子構造層
１４ （ＩｎＡｓ）_1ML
１５ （ＧａＡｓ）_1ML
１６ （ＩｎＡｓ）_1ML
１７ （ＡｌＡｓ）_1ML
１８ ＩｎＡｓ量子ドット
１９ ＡｌＧａＩｎＡｓバリア層
２０ 量子ドット構造層
２１ ｐ型ＩｎＰクラッド層
２２ ＳｉＯ₂ マスク
２３ ｐ型ＩｎＰ埋込層
２４ ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層
２５ ｐ型ＩｎＰクラッド層
２６ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
２７ ｎ側電極
２８ ｐ側電極
３１ ｎ型ＧａＡｓ基板
３２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
３３ 短周期超格子構造層
３４ （ＧａＡｓ）_2ML
３５ （ＡｌＡｓ）_1ML
３６ ＩｎＡｓ量子ドット
３７ Ａｌ_0.33Ｇａ_0.67Ａｓバリア層
３８ 量子ドット構造層
３９ ｐ型ＧａＡｓクラッド層
４０ ｐ⁺ 型ＧａＡｓコンタクト層
４１ ＳｉＯ₂ マスク
４２ ｎ側電極
４３ ｐ側電極

Claims (5)

1. 半導体基板上に複数の２元化合物半導体の分子層の整数倍が交互に積層された短周期超格子構造層を設けるとともに、前記短周期超格子構造層上に自己形成型量子ドットを設けたことを特徴とする量子ドット半導体装置。
2. 上記半導体基板がＩｎＰ基板であり、上記短周期超格子構造層がＡｌＡｓ分子層、ＧａＡｓ分子層、及び、ＩｎＡｓ分子層によって構成されることを特徴とする請求項１記載の量子ドット半導体装置。
3. 上記半導体基板がＧａＡｓ基板であり、上記短周期超格子構造層がＡｌＡｓ分子層及びＧａＡｓ分子層によって構成されることを特徴とする請求項１記載の量子ドット半導体装置。
4. 上記自己形成型量子ドットが、ＩｎＡｓ量子ドット、ＩｎＳｂ量子ドット、或いは、ＧａＳｂ量子ドットのいずれかからなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の量子ドット半導体装置。
5. 上記短周期超格子構造層の平均組成に相当する格子定数ａ_ave が、上記半導体基板の格子定数ａ_sub に対して、
   −０．５〔％〕≦〔（ａ_sub −ａ_ave ）／ａ_sub 〕×１００≦０．５〔％〕
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の量子ドット半導体装置。

Images