JP5573310B2 - Optical semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、光半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an optical semiconductor device and a method for manufacturing the same.
光ファイバ通信では、低消費電力化の観点から、ペルチエ素子による温度コントロールが不要で、しかも高温下で動作が可能な光半導体素子、例えば半導体レーザ、半導体光増幅器が必要とされている。 In optical fiber communication, from the viewpoint of reducing power consumption, there is a need for an optical semiconductor element, such as a semiconductor laser or a semiconductor optical amplifier, that does not require temperature control using a Peltier element and that can operate at a high temperature.
光半導体素子の高温動作を可能にするためには、光半導体素子の活性層のエネルギーバンド構造において、熱励起による発振準位からのキャリアの漏出を防ぐ必要がある。その対策として、離散的なエネルギー準位を有する量子ドットを活性層に適用することが有効であるとされている。 In order to enable high-temperature operation of the optical semiconductor element, it is necessary to prevent leakage of carriers from the oscillation level due to thermal excitation in the energy band structure of the active layer of the optical semiconductor element. As a countermeasure, it is considered effective to apply quantum dots having discrete energy levels to the active layer.
一方、長距離光通信において使用される光の波長帯域として、光ファイバ内での光損失が小さな波長1.55μm帯が適用されるが、この波長帯域で光利得が得られる量子ドットとしてはInAs/InP系量子ドットが代表的である。 On the other hand, as a wavelength band of light used in long-distance optical communication, a 1.55 μm wavelength band with a small optical loss in an optical fiber is applied. As a quantum dot capable of obtaining an optical gain in this wavelength band, InAs / InP quantum dots are typical.
そこで、InP基板を使用して(001)面上に量子ドットを形成する例として、格子整合系の関係にある材料から選択されるInAlAs層上にInAs量子ドットを形成する構造が知られている。そのInAs量子ドットは、[110]方向の長さに比べて[−110]方向の長さが長い非対称な形状に形成される。 Thus, as an example of forming quantum dots on the (001) plane using an InP substrate, a structure in which InAs quantum dots are formed on an InAlAs layer selected from materials having a lattice matching system is known. . The InAs quantum dots are formed in an asymmetric shape in which the length in the [−110] direction is longer than the length in the [110] direction.
別の例として、InP基板上の(001)面上に、格子整合系の関係にある材料から選択されるInGaAsP層上にInAs量子ドットを成長することが知られている。この場合でも、非対称な形状の量子ドット、即ち[−110]方向に長い量子細線、もしくは量子ダッシュに近い量子ドットが形成されやすい。 As another example, it is known to grow InAs quantum dots on an InGaAsP layer selected from materials having a lattice matching system on a (001) plane on an InP substrate. Even in this case, an asymmetrical quantum dot, that is, a quantum wire long in the [−110] direction, or a quantum dot close to a quantum dash is easily formed.
以上の2つの構造において非対称な量子ドットが形成される原因は、InP基板の(001)面上では[110]方向に比べて[−110]方向へのインジウム(In)原子のマイグレーション長が長いためである。
一方、表面の原子ステップ数が多い(311)B面に傾斜したInP傾斜基板の主面上ではIn原子のマイグレーションが生じ難いので、(311)B面上には対称形状を有する量子ドットが形成されることが知られている。
The reason why asymmetric quantum dots are formed in the above two structures is that the migration length of indium (In) atoms in the [−110] direction is longer on the (001) plane of the InP substrate than in the [110] direction. Because.
On the other hand, since migration of In atoms hardly occurs on the main surface of the InP inclined substrate inclined to the (311) B plane with a large number of atomic steps on the surface, a quantum dot having a symmetrical shape is formed on the (311) B plane. It is known that
非対称な形状の量子ドットによれば、対称形状を有する量子ドットに比較して、量子閉じ込め効果が低下する。その結果、量子井戸において形成される離散準位間隔が狭くなり、熱励起による高次準位へのキャリアのエスケイプが発生しやすくなることから、例えば半導体レーザでは高温時の閾値電流値の増加や光出射効率の低下が懸念され、また、半導
体光増幅器では高温時の光利得の低下が懸念される。
According to the asymmetrical quantum dot, the quantum confinement effect is reduced as compared to a quantum dot having a symmetric shape. As a result, the discrete level interval formed in the quantum well is narrowed, and carrier escape to higher order levels due to thermal excitation is likely to occur. There is a concern about a decrease in light emission efficiency, and in a semiconductor optical amplifier, there is a concern about a decrease in optical gain at high temperatures.
即ち、光半導体素子の温度特性の向上のためには、量子井戸における離散準位間隔の大きな対称形状を有する量子ドットの形成が必要とされる。
一方、InP傾斜基板の(311)B面上に形成される光半導体装置では、低消費電力の観点から有利な活性層メサ形状の両脇をInP層で埋め込んで電流狭窄構造を作製することが困難である。
従って、低消費電力化および製造上の観点から埋め込み電流狭窄構造の作製が容易なInP基板の(001)面上に対称形状を有する量子ドットを作製する技術が求められる。
That is, in order to improve the temperature characteristics of the optical semiconductor element, it is necessary to form quantum dots having a symmetrical shape with a large discrete level interval in the quantum well.
On the other hand, in the optical semiconductor device formed on the (311) B surface of the InP inclined substrate, the current confinement structure can be manufactured by embedding both sides of the active layer mesa shape advantageous from the viewpoint of low power consumption with the InP layer. Have difficulty.
Therefore, there is a need for a technique for producing a quantum dot having a symmetrical shape on the (001) plane of an InP substrate from which a buried current confinement structure can be easily produced from the viewpoint of low power consumption and manufacturing.
本発明の目的は、(001)面上における対称形状を有する量子ドットを作製することができる光半導体装置とその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an optical semiconductor device capable of producing quantum dots having a symmetrical shape on the (001) plane and a method for producing the same.
1つの観点によれば、成長雰囲気内でInP基板の(001)面の上方にInxGa1−yAsyP1−y層(0≦x≦1、0≦y≦1)を形成する工程と、アルミニウム原料を前記成長雰囲気に供給する工程と、前記アルミニウム原料の前記成長雰囲気への供給を停止する工程と、砒素原料、アンチモン原料のうち少なくとも一方とインジウム原料、ガリウム原料の少なくとも一方とを含むガスを前記成長雰囲気に供給することにより、前記InxGa1−yAsyP1−y層の上にInaGa1−aAsbSb1−b(0≦a≦1、0≦b≦1)の量子ドットを形成する工程と、を有する光半導体装置の製造方法が提供される。
他の観点によれば、InP基板の(001)面の上方に形成されるInxGa1−yAsyP1−y層(0≦x≦1、0≦y≦1)と、前記InxGa1−yAsyP1−y層上に残存するアルミニウム元素と、前記InxGa1−yAsyP1−y層上に形成されるInaGa1−aAsbSb1−b(0≦a≦1、0≦b≦1)の量子ドットとを有する光半導体装置が提供される。
前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解すべきである。
According to one aspect, an In x Ga 1-y As y P 1-y layer (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) is formed above the (001) plane of the InP substrate in a growth atmosphere. A step of supplying an aluminum material to the growth atmosphere, a step of stopping the supply of the aluminum material to the growth atmosphere, at least one of an arsenic material and an antimony material, and at least one of an indium material and a gallium material. Is supplied to the growth atmosphere, so that In a Ga 1-a As b Sb 1-b (0 ≦ a ≦ 1, 0) is formed on the In x Ga 1-y As y P 1-y layer. And a step of forming quantum dots of ≦ b ≦ 1).
According to another aspect, an In x Ga 1-y As y P 1-y layer (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) formed above the (001) plane of the InP substrate, and the In x Ga 1-y as y and the aluminum element remaining in P 1-y layer, the in x Ga 1-y as y P 1-y in is formed on the layer a Ga 1-a as b Sb 1- There is provided an optical semiconductor device having b (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1) quantum dots.
It should be understood that the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory only and are not intended to limit the invention.
本発明によれば、InaGa1−aAsbSb1−bの量子ドットをInxGa1−yAsyP1−y層上に形成する直前に、InxGa1−yAsyP1−y層の周囲の雰囲気にアルミニウム原料を一時的に供給している。アルミニウム元素は、量子ドット形成用のIII族元素が[−110]方向にマイグレーションすることを抑止するので、InaGa1−aAsbSb1−b(0≦a≦1、0≦b≦1)の量子ドットの[−110]方向と[110]方向の長さがほぼ同じになる。この結果、(001)面の上に形成されるInaGa1−aAsbSb1−b量子ドットは対称形状になり、エネルギーバンド構造における基底準位と第1励起準位のエネルギー間隔は従来よりも大きくなるので、光半導体装置の温度特性が向上する。
According to the present invention, In a Ga 1-a As b Sb 1-b of the quantum dots just before forming the In x Ga 1-y As y P 1-y layer, In x Ga 1-y As y An aluminum raw material is temporarily supplied to the atmosphere around the P 1-y layer. Since the aluminum element suppresses migration of the group III element for forming the quantum dots in the [−110] direction, In a Ga 1-a As b Sb 1-b (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ The lengths of the quantum dots of 1) in the [−110] direction and the [110] direction are substantially the same. As a result, the In a Ga 1-a As b Sb 1-b quantum dots formed on the (001) plane have a symmetric shape, and the energy interval between the ground level and the first excited level in the energy band structure is Since it becomes larger than the conventional one, the temperature characteristic of the optical semiconductor device is improved.
以下に、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
本実施形態に係る光半導体装置の積層構造を形成する方法として有機金属気相成長(MOCVD)法を使用する。MOCVD装置のリアクタ(不図示)内の反応雰囲気に導入されるIII族元素成長原料、V族元素成長原料等は、例えば次のような原料が主に使用される。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, similar components are given the same reference numerals.
A metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method is used as a method for forming the laminated structure of the optical semiconductor device according to the present embodiment. For example, the following raw materials are mainly used as the group III element growth raw material and the group V element growth raw material introduced into the reaction atmosphere in the reactor (not shown) of the MOCVD apparatus.
III族元素成長原料として、ガリウム(Ga)原料であるトリエチルガリウム(TEGa)、インジウム(In)原料であるトリメチルインジウム(TMIn)、等を用いる。また、V族元素成長原料として、例えば、リン原料であるフォスフィン(PH3)、砒素(As)原料であるアルシン(AsH3)を用いる。また、n型不純物をドープするために例えばシラン(SiH4)を使用し、p型不純物をドープするために例えばジエチル亜鉛(DEZn)を使用する。 As a group III element growth raw material, triethylgallium (TEGa) which is a gallium (Ga) raw material, trimethylindium (TMIn) which is an indium (In) raw material, or the like is used. Further, as the group V element growth raw material, for example, phosphine (PH 3 ) as a phosphorus raw material and arsine (AsH 3 ) as an arsenic (As) raw material are used. Further, for example, silane (SiH 4 ) is used to dope n-type impurities, and for example, diethyl zinc (DEZn) is used to dope p-type impurities.
また、III 族元素成長原料、V族元素成長原料等をリアクタ内に導入する際にはキャリアガスとして水素(H2)を用いるが、以下の説明ではキャリアガスの供給については省略して記載することもある。H2ガスは単独でもリアクタ内に供給される。
なお、リアクタ内の成長圧力は例えば約50Torr(約6.7×103Pa)に設定される。また、以下に示す成長温度はリアクタ内のヒータによって調整される。
In addition, when introducing a group III element growth raw material, a group V element growth raw material, or the like into the reactor, hydrogen (H 2 ) is used as a carrier gas. However, in the following description, supply of the carrier gas is omitted. Sometimes. H 2 gas alone is supplied into the reactor.
The growth pressure in the reactor is set to, for example, about 50 Torr (about 6.7 × 10 3 Pa). Further, the growth temperature shown below is adjusted by a heater in the reactor.
次に、図1Aに示す層構造を形成するまでの工程を説明する。
まず、上面が(001)面であるn型InP基板1を有機金属気相成長装置のリアクタ内に装備する。続いて、リアクタ内にPH3を導入して成長温度を630℃まで昇温する。
Next, steps required until a layer structure shown in FIG. 1A is formed will be described.
First, the n-
その後に、成長原料ガスとしてPH3、TMIn及びSiH4をリアクタ内に導入することにより、n型InP基板1の(001)面上にn型InPバッファ層2を例えば約100nm〜500nmの厚さに形成する。この場合、n型不純物であるシリコンのドーピング濃度が5.0×1017cm−3となるようにガス流量を調整する。
次に、TMIn及びSiH4のリアクタ内への供給を停止し、リアクタ内をPH3の雰囲気に切り換えた後に成長温度を470℃まで下げる。
Thereafter, PH 3 , TMIn, and SiH 4 are introduced into the reactor as growth source gases, so that the n-type
Next, the supply of TMIn and SiH 4 into the reactor is stopped, the inside of the reactor is switched to the PH 3 atmosphere, and then the growth temperature is lowered to 470 ° C.
さらに、リアクタ内にAsH3ガスを追加供給し、リアクタ内をPH3、AsH3のV族元素ソースガス雰囲気とする。続いて、III 族元素ソースガスであるTEGa及びTMInをリアクタ内に供給する。これにより、n型InPバッファ層2の上に、組成波長が1.1μmのノンドープのInxGa1−yAsyP1−y層を第1のSCH層3として例えば約100nmの厚さに形成する。この場合、x=0.85、y=0.33とする。
Further, AsH 3 gas is additionally supplied into the reactor, and the inside of the reactor is set to a group V element source gas atmosphere of PH 3 and AsH 3 . Subsequently, TEGa and TMIn which are group III element source gases are supplied into the reactor. As a result, a non-doped In x Ga 1-y As y P 1-y layer having a composition wavelength of 1.1 μm is formed as a
その後に、図1B、図1Cに示すように、第1のSCH層3上にInAs量子ドット4を形成する。その後に、図1Dに示すように、InAs量子ドット4上にInxGa1−yAsyP1−yガイド層6とInAs量子ドット4を交互に複数形成し、さらに、最上
のInAs量子ドット4の上に第2のSCH層7を形成する。
InAs量子ドット4、InxGa1−yAsyP1−yガイド層6の形成方法を図2に例示するフローチャートを参照して説明する。
Thereafter, as shown in FIGS. 1B and 1C,
A method of forming the
まず、図2のaに示すように、第1のSCH層3を形成した後に、図2のb、cに示すように、TMIn、TEGa及びAsH3のガスのリアクタ内への供給を停止し、PH3の雰囲気下で成長温度を調整して約450℃まで下げる。
First, as shown in FIG. 2a, after the
続いて、成長温度が450℃で安定した後に、図2のd、e、fに示すように、PH3の供給を停止し、リアクタ内でH2を導入する状態を約10秒間保持する。このようなH2雰囲気状態の保持によってリアクタ内からPH3が除去される。なお、成長温度が450℃と低い温度であるため、第1のSCH層3であるInxGa1−yAsyP1−y層の表面ではリン(P)抜けによる荒れは発生しない。
Subsequently, after the growth temperature is stabilized at 450 ° C., as shown in d, e, and f of FIG. 2, the supply of PH 3 is stopped, and the state in which H 2 is introduced in the reactor is maintained for about 10 seconds. By maintaining such an H 2 atmosphere state, PH 3 is removed from the reactor. Since the growth temperature is as low as 450 ° C., the surface of the In x Ga 1-y As y P 1-y layer that is the
次に、図2のgに示すように、トリエチルアルミニウム(TEAl)をリアクタ内に導入することにより、第1のInxGa1−yAsyP1−ySCH層3の表面にアルミニウム(Al)元素を1.0ML(原子層:monolayer)相当で供給する。
Next, as shown in g of 2, by introducing triethylaluminum (TEAl) into the reactor, the first In x Ga 1-y As y P 1-
その後に、図2のg、h、iに示すように、TEAlのリアクタへの供給を停止し、リアクタ内をH2雰囲気で例えば5秒間保持する。これはリアクタ内に残留するTEAlを除去するためである。
以上のような処理の後には、図1Bに示すように、第1のInxGa1−yAsyP1−ySCH層3の表面にはAl元素が残存している。
Thereafter, as indicated by g, h, i in FIG. 2, the supply of TEAl to the reactor is stopped, and the inside of the reactor is held in an H 2 atmosphere for 5 seconds, for example. This is to remove TEAl remaining in the reactor.
After the above processing, as shown in FIG. 1B, Al element remains on the surface of the first In x Ga 1-y As y P 1-y SCH layer 3.
次に、図2のj、kに示すように、リアクタ内にAsH3を例えば1秒間供給し、その後にリアクタ内にAsH3、TMInを供給する。 Next, as shown by j and k in FIG. 2, AsH 3 is supplied into the reactor for 1 second, for example, and then AsH 3 and TMIn are supplied into the reactor.
これにより、図1Cに示すように、第1のSCH層3上にInAs量子ドット4が形成される。この場合、InAsの供給量を2.5MLとし、成長速度を0.045μm/時にするとともに、III族元素ガスソースに対するV族元素ガスソースのガス流量比、即ちV/III 比を30にする、という成長条件に設定する。なお、InAs量子ドット4の周囲には、InAs量子ドット4よりも薄いInAsウェッティング層5が形成される。なお、第1のSCH層3表面にはAlが残存している。
As a result, as shown in FIG. 1C,
そのような条件で形成されたInAs量子ドット4は、図3の平面図に示すように、[110]方向、[−110]方向で対称形状となる。その詳細については後述する。
The
InAs量子ドット4を形成した後に図2のlに示すようにリアクタ内へのTMInの供給を停止する。続いて、図2のmに示すように、AsH3を10秒間供給し、その後に停止する。
ここで、図2のnに示すように、InAs量子ドット4の上下の層数が設定値に達していない場合には、図2のoに示すように、リアクタ内にAsH3とPH3を1秒間供給する。
After the
Here, when the number of upper and lower layers of the
続いて、図2のpに示すように、リアクタ内にAsH3、PH3、TMIn及びTEGaを供給することにより、図1Dに示すように、ノンドープのInxGa1−yAsyP1−yバリア層6を例えば約40nmの厚さに形成する。この場合、x=0.85、y=0.33とする。
その後に、図2のqに示すように、リアクタ内へのAsH3、PH3、TMInとTEGaの供給を停止する。
Subsequently, as shown in FIG. 2p, by supplying AsH 3 , PH 3 , TMIn and TEGa into the reactor, as shown in FIG. 1D, non-doped In x Ga 1-y As y P 1− The y barrier layer 6 is formed to a thickness of about 40 nm, for example. In this case, x = 0.85 and y = 0.33.
Thereafter, as shown by q in FIG. 2, the supply of AsH 3 , PH 3 , TMIn and TEGa into the reactor is stopped.
その後に、図2のe〜qに示すように、InAs量子ドット4とInxGa1−yAsyP1−yバリア層6を交互に繰り返して形成することにより、InAs量子ドット4とInxGa1−yAsyP1−yバリア層6を3層ずつ形成し、さらに最上のInAs量子ドット4を形成する。これにより、InAs量子ドット4の層数を5とする。
Thereafter, as shown in e to q of FIG. 2, the
複数層のInxGa1−yAsyP1−yバリア層6はそれぞれ同じ条件で形成され、複数層のInAs量子ドット4はそれぞれ同じ条件で形成される。
即ち、InAs量子ドット4を形成する前に、リアクタ内において、TMIn、TEGa、AsH3、PH3の供給を停止した後に、H2を供給する状態を約10秒間保持し、さらにTEAlをリアクタ内に10秒間供給する。さらに、TEAlの供給停止から5秒後に、AsH3をリアクタ内に1秒間供給し、さらにAsH3、TMInをリアクタ内に供給してInAs量子ドット4を形成する。
The multiple In x Ga 1-y As y P 1-y barrier layers 6 are formed under the same conditions, and the multiple
That is, before the
ここではInAs量子ドット4の層数は5として説明しているが、数は5に限られるものではない。
Here, the number of layers of the
そして、図2のnに示すようにInAs量子ドット4の層数が目標に達した場合には、図2のmに示すようにInAs量子ドット4の形成後にAsH3をリアクタに10秒間供給した後に、図2のn、rに示すように最上のInAs量子ドット4の上に第2のSCH層7を形成する。第2のSCH層7としてInxGa1−yAsyP1−y層を例えば100nmの厚さに形成する。そのInxGa1−yAsyP1−y層は、例えばInxGa1−yAsyP1−yバリア層6と同じ条件で形成される。
以上により、図1Dに示すように、n型InPバッファ層2の上に量子ドット4の多層構造を有する活性層8が形成される。
When the number of layers of
As a result, the
次に、図1Eに示す構造を形成する工程を説明する。
活性層8の形成を終えた後に、成長原料ガスとしてPH3、TMIn及びDEZnをリアクタ内に導入することにより、第2のSCH層7の上に第1のp型InPクラッド層9を例えば約200nmの厚さに形成する。この場合、p型不純物である亜鉛のドーピング濃度が5.0×1017cm−3となるようにガス流量を調整する。
Next, a process for forming the structure shown in FIG. 1E will be described.
After the formation of the
続いて、n型InP基板1をMOCVD装置のリアクタから取り出した後に、第1のp型InPクラッド層9上に誘電体、例えばシリコン酸化膜10を形成する。さらに、シリコン酸化膜10上にフォトレジスト(不図示)を塗布し、これを露光、現像することにより、レジストパターンを形成する。レジストパターンは、光導波領域を覆うストライプ平面形状に形成される。
Subsequently, after taking out the n-
さらに、レジストパターンに覆われない領域のシリコン酸化膜10を反応性イオンエッチング(RIE)法によりエッチングすることにより、導波路領域にストライプ形状のマスクを形成する。この場合、シリコン酸化膜10のエッチングガスとしてフッ素系ガスを使用する。
Further, the
次に、図Fに示すように、マスクであるシリコン酸化膜10に覆われない領域のp型InPクラッド層9からn型InP基板1の上部までをRIE法によりエッチングすることにより、シリコン酸化膜10の下方の層をストライプのメサ形状にするとともに、その両側に凹部1aを形成する。この場合、エッチングガスとして塩素系ガスを使用する。
Next, as shown in FIG. F, the silicon oxide film is etched by RIE from the p-type
レジストパターンを除去した状態で、n型InP基板1をMOCVD装置のリアクタに入れ、TMIn、PH3、DEZnをリアクタ内に供給する。これにより、図1Gに示す
ように、n型InP基板1上の凹部1a内にp型InP埋込層11を第1のp型InPクラッド層9の上面に達する厚さに選択的に形成する。
With the resist pattern removed, the n-
続いて、TMIn、PH3、DEZnの供給を停止し、所定時間が経過した後に、TMIn、SiH3をリアクタ内に供給することにより、p型InP埋込層11の上にn型InPブロック層12を形成する。
Subsequently, the supply of TMIn, PH 3 and DEZn is stopped, and after a predetermined time has elapsed, TMIn and SiH 3 are supplied into the reactor, whereby the n-type InP block layer is formed on the p-type InP buried
これにより、量子ドット4を有する活性層8を含むメサ形状の両側には、p型InP埋込層11、n型InPブロック層12から形成されるpn接合埋込構造が形成される。
その後に、n型InP基板1をリアクタから取り出し、シリコン酸化膜10をウェットエッチング又はドライエッチングにより除去する。
Thus, pn junction buried structures formed of the p-type InP buried
Thereafter, the n-
次に、図1Hに示す構造を形成するまでの工程を説明する。
まず、n型InP基板1をMOCVD装置のリアクタ内に入れ、TMIn、PH3、DEZnをリアクタ内に供給して、n型InPブロック層11及び第1のp型InPクラッド層9の上に第2のp型InPクラッド層13を形成する。
Next, steps required until a structure shown in FIG. 1H is formed will be described.
First, the n-
続いて、PH3、TMIn及びDEZnのリアクタへの供給を停止した後に、時間をおいてTMIn、TEGa、AsH3及びDEZnをリアクタに導入する。これにより、第2のp型InPクラッド層13の上にp型InGaAsコンタクト層14を形成する。
Subsequently, after the supply of PH 3 , TMIn, and DEZn to the reactor is stopped, TMIn, TEGa, AsH 3, and DEZn are introduced into the reactor after a while. Thereby, the p-type
さらに、n型InP基板1をリアクタから取り出した後に、p型コンタクト層14の上にp側電極15として例えばAu/Zn/Auを蒸着により順に形成する。さらに、n型InP基板1の下面に蒸着によりn側電極16としてAuGe/Auを形成する。
これにより半導体レーザが形成される。
Further, after taking out the n-
Thereby, a semiconductor laser is formed.
以上のように本実施形態によれば、InAs量子ドット4を形成するための原料、即ちTMIn、AsH3をリアクタに供給する前に、その下地となる第1のSCH層3又はバリア層6であるInxGa1−yAsyP1−y層の表面にTEAlを例えば1ML相当で一定時間だけ供給している。
As described above, according to the present embodiment, before supplying the raw material for forming
そのような条件により形成されたInAs量子ドット4は、図3に示すような平面形状となり、[−110]方向のサイズが従来よりも小さく、[−110]方向のサイズと[110]方向のサイズがほぼ同じになって対称形状が得られている。具体的には、図3の量子ドットは、[−110]方向、[110]方向の双方で約20nmの長さになっている。
The
これに対し、InAs量子ドットを形成する前に、TEAlをリアクタ内に供給しない条件では、図4に示すように、量子ドット21は楕円形状の非対称形状になっている。図4に示す量子ドット21は、具体的には、[−110]方向で約30nmの長さ、[110]方向で約20nmの長さになっている。
なお、図3、図4の平面図は、原子間顕微鏡(AFM)像の量子ドット4、21のうち一部を抽出して描かれている。
On the other hand, under the condition that TEAl is not supplied into the reactor before the InAs quantum dots are formed, the
3 and 4 are drawn by extracting some of the
対称形状のInAs量子ドット4が形成されるのは次のような理由による。
上記した実施形態では、InAs量子ドット4を形成する前にリアクタからV族原料であるPH3を除去している。このため、その後に供給されるTEAlは、InxGa1−yAsyP1−y層の表面で有機側鎖が分解されて図1Bに示したようにAl元素雰囲気となる。Al元素は蒸気圧が低くしかもV族元素と結合せずにInxGa1−yAsyP1−y層の表面上を浮遊する。
The symmetrical
In the above-described embodiment, PH 3 that is a group V material is removed from the reactor before the
その後に、TEAlのリアクタへの供給を停止し、H2によりリアクタからTEAlを除去した後に、InAs量子ドット4の原料であるAsH3、TMInをリアクタに供給している。その際、InxGa1−yAsyP1−y層の表面ではAl元素が浮遊したままとなる。
Thereafter, the supply of TEAl to the reactor is stopped, and after the TEAl is removed from the reactor by H 2 , AsH 3 and TMIn which are the raw materials of the
一方、TMInは、InxGa1−yAsyP1−y層表面で有機側鎖が分解されてIn原子となりその表面を[−110]方向にマイグレーションしようとする。しかし、InxGa1−yAsyP1−y層表面に浮遊するAl元素はIn元素のマイグレーションを抑制し、アンチサーファクタントとして作用する。 On the other hand, TMIn tries to migrate the surface in the [−110] direction by decomposing organic side chains on the surface of the In x Ga 1-y As y P 1-y layer to become In atoms. However, the Al element floating on the surface of the In x Ga 1-y As y P 1-y layer suppresses migration of the In element and acts as an anti-surfactant.
これにより、Inは[−110]方向への移動が抑制されるので、反応により生成されるInAsは[−110]方向と[110]方向でほぼ同じ大きさの量子ドットになる。その結果、図3に示すような対称形状のInAs量子ドット4が形成されることになる。
As a result, the movement of In in the [−110] direction is suppressed, so that the InAs generated by the reaction are quantum dots having substantially the same size in the [−110] direction and the [110] direction. As a result, symmetrical
これに対し、InAs量子ドットを形成する前にTEAlを供給しない場合には、In元素は、[−110]方向に移動し易くなり、図4に示すように[−110]方向に長い略楕円形状の量子ドット21が形成されることになる。
On the other hand, when TEAl is not supplied before the InAs quantum dots are formed, the In element is likely to move in the [−110] direction, and as shown in FIG. A shaped
即ち、InxGa1−yAsyP1−y層の表面のTMInの有機側鎖は分解されてIn原子となり、その表面をマイグレーションする。そのような状態で、最終的にエネルギー的に安定な箇所に留まり量子ドットを形成するわけであるが、Al元素の直前供給がない場合は、上述したようにIn原子のマイグレーション長の異方性に起因する[−110]方向に伸びた非対称な形状の量子ドットが形成される。 That is, the organic side chain of TMIn on the surface of the In x Ga 1-y As y P 1-y layer is decomposed into In atoms and migrates on the surface. In such a state, the quantum dots are finally formed by staying in a stable position in terms of energy, but when there is no supply immediately before the Al element, as described above, the anisotropy of the migration length of In atoms As a result, an asymmetrical quantum dot extending in the [−110] direction is formed.
長距離光通信波長帯である1.55μm帯で発光が得られる量子ドットにおいて、本実施形態により形成された対称形状のInAs量子ドット4を適用すると、その基底準位は、図5のエネルギーバンド構造の伝導帯に示すように、1次高次準位のエネルギー間隔E1が70meV程度となる。従って、本実施形態によれば、従来技術での非対称形状の量子ドットの60meV程度と比較して10meV程度にエネルギー間隔の大きな量子ドットの形成が可能となる。
When a symmetrical InAs
その結果、高温時における基底準位から第1励起準位以上への電子のエスケイプを低減することが可能であるため、利得の低下を抑制でき、半導体レーザ、光増幅器等の高温下における動作特性を向上させることが可能となる。例えば、半導体レーザにおいて例えば85℃程度の温度に対する閾値の上昇率を15%程度低減でき、また、半導体光増幅器において、例えば85℃程度の温度に対する光利得の低減率を15%程度改善することが可能になる。 As a result, it is possible to reduce the escape of electrons from the ground level to the first excitation level or higher at a high temperature, so that a decrease in gain can be suppressed, and operating characteristics of semiconductor lasers, optical amplifiers, etc. at high temperatures. Can be improved. For example, the increase rate of the threshold for a temperature of about 85 ° C. in a semiconductor laser can be reduced by about 15%, and the reduction rate of the optical gain for a temperature of about 85 ° C. in a semiconductor optical amplifier can be improved by about 15%. It becomes possible.
ところで、上記の説明では、直前供給するAl原料としてTEAlを用いたが、トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリイソブチルアルミニウム(TIBAl)等種々のAl原料を用いてもかまわない。 In the above description, TEAl is used as the Al material to be supplied immediately before, but various Al materials such as trimethylaluminum (TMAl) and triisobutylaluminum (TIBAl) may be used.
また、InAs量子ドット4を形成するための原料を供給する直前にリアクタに供給するAl原料は、上記に挙げたガスのいずれかを単独で供給することに限定されることはなく、上記のAl原料から2種類以上、例えばTEAlとTMAlを同時にリアクタ内に供給してもよい。
Further, the Al raw material supplied to the reactor immediately before supplying the raw material for forming
また、InAs量子ドットの下地層として本実施例ではInxGa1−yAsyP1−y
のxを0.85、yを0.33としているが、xは0≦x≦1、yは0≦y≦1の関係にあってもよい。
In the present embodiment, In x Ga 1-y As y P 1-y is used as a base layer for InAs quantum dots.
X is 0.85 and y is 0.33. However, x may be in a relationship of 0 ≦ x ≦ 1, and y may be in a relationship of 0 ≦ y ≦ 1.
また、上記の実施例で示した種々の成長パラメータは各成長装置に応じて適用範囲が異なるため、任意に変更が可能である。成長パラメータとして、例えば、量子ドット4を形成する前のAl原料の供給量や、或いはAl含有ガス供給の直前にV族、III 族原料ガスのリアクタへの供給を停止した後にH2雰囲気下で成長を中断する時間が挙げられる。さらに、Al含有ガス供給後のH2雰囲気下での成長中断時間であり、或いは、量子ドットを形成するために供給されるAsH3の供給時間であり、或いは、量子ドットを形成するために供給されるTMInの供給量であり、或いは、量子ドット成長後のAsH3の供給時間が挙げられる。
In addition, the various growth parameters shown in the above embodiments have different application ranges depending on each growth apparatus, and can be arbitrarily changed. As growth parameters, for example, the supply amount of the Al raw material before the
また、本実施形態では量子ドットの成長温度は、450℃に限られるものではなく、量子ドットが形成可能な成長温度であればよい。
さらに、上記の実施形態では量子ドット形成直前のTEAlの供給後に、リアクタ内からTEAlを除去する目的で5秒間H2雰囲気により成長の中断を導入した。これに対し、例えば、圧力10Torr以下の減圧MOVPE法や、超高真空CVD(UHV−CVD)法のような成長方法では、原料の流速が早いため、図2のh、iの処理を省くことによりH2雰囲気下で成長を中断しなくてもよい。
In the present embodiment, the growth temperature of the quantum dots is not limited to 450 ° C., and may be any growth temperature at which quantum dots can be formed.
Furthermore, in the above embodiment, after supplying TEAl immediately before the formation of the quantum dots, the interruption of growth was introduced in the H 2 atmosphere for 5 seconds for the purpose of removing TEAl from the reactor. On the other hand, for example, in the growth method such as the reduced pressure MOVPE method with a pressure of 10 Torr or less and the ultra high vacuum CVD (UHV-CVD) method, the flow rate of the raw material is high, so the processes of h and i in FIG. 2 are omitted. Therefore, the growth need not be interrupted in an H 2 atmosphere.
また、量子ドットの下地となるInxGa1−yAsyP1−y層の成長温度は、470℃に限られるものではなく、4元InxGa1−yAsyP1−yが成長可能な温度範囲であれよい。 Further, the growth temperature of the In x Ga 1-y As y P 1-y layer serving as the base of the quantum dots is not limited to 470 ° C., but the quaternary In x Ga 1-y As y P 1-y is used. It may be a temperature range in which growth is possible.
さらに、本実施形態では、厚さ40nmのInxGa1−yAsyP1−yバリア層6を40nmの厚さに形成し、InAs量子ドット4の周期数を5としているが、その数はデバイス設計に応じて任意に変更されてもよい。
Furthermore, in this embodiment, the In x Ga 1-y As y P 1-y barrier layer 6 having a thickness of 40 nm is formed to a thickness of 40 nm, and the number of periods of the
上記の実施形態で用いた成長原料以外にも種々の成長原料を使用してもかまわない。例えば、III 族原料として、TMInの代わりにトリエチルインジウム(TEIn)を用い、TEGaの代わりにトリメチルガリウム(TMGa)を用いてもよい。 Various growth raw materials may be used in addition to the growth raw material used in the above embodiment. For example, as a group III material, triethylindium (TEIn) may be used instead of TMIn, and trimethylgallium (TMGa) may be used instead of TEGa.
上記のV族の砒素、リンの原料として、AsH3の代わりに有機金属原料であるターシャリブチルアルシン(TBAsH3)を用い、PH3の代わりに有機金属原料であるターシャリブチルフォスフィン(TBPH3)を用いてもよい。 Tertiary butylarsine (TBAsH 3 ), which is an organic metal raw material, is used instead of AsH 3 as a raw material for the group V arsenic and phosphorus, and tertiary butyl phosphine (TBPH), which is an organic metal raw material, is used instead of PH 3. 3 ) may be used.
また、上記の実施形態では、活性層8内の量子ドットとしてInAs量子ドット4を形成しているが、3元混晶のInGaAsやInAsSbの量子ドットであってもよく、また4元混晶のInGaAsSbであってもかまわない。即ち、量子ドットは、InaGa1−aAsbSb1−b(0≦a≦1、0≦b≦1)から形成されることになる。なお、アンチモンの原料として、例えばトリエチルアンチモン(TESb)、トリメチルアンチモン(TMSb)を使用する。
In the above embodiment, the
この場合、As元素かアンチモン(Sb)元素の少なくともどちらか一方を含む水素化合物ガスもしくは有機金属原料と、In元素かGa元素の少なくともどちらか一方を含む有機金属原料とを同時に供給してもよい。或いは、As元素かSb元素の少なくともどちらか一方を含む水素化合物ガスもしくは有機金属原料を供給し、しかる後に、In元素かGa元素の少なくともどちらか一方を含む有機金属原料とAs元素かSb元素の少なくともどちらか一方を含む水素化合物ガスもしくは有機金属原料を同時に供給してもよい。 In this case, a hydrogen compound gas or organometallic raw material containing at least one of As element or antimony (Sb) element and an organometallic raw material containing at least one of In element or Ga element may be supplied simultaneously. . Alternatively, a hydride gas containing at least one of the As element and the Sb element or an organometallic raw material is supplied, and thereafter, an organometallic raw material containing at least one of the In element and the Ga element and the As element or the Sb element. You may supply simultaneously the hydrogen compound gas or organometallic raw material containing at least one.
また、上記の実施形態ではn型InP基板を用いたが、主面が(001)面であるp型InP基板や、主面が(001)面である高抵抗(SI)InP基板を適用してもよい。その場合は、上記した埋め込み構造等は任意に変更される。
上記したキャリアガスはH2に限られるものではなく、H2の代わりに又は併用してヘリウム(He)、アルゴン(Ar)等の不活性ガスを使用してもよい。
In the above embodiment, an n-type InP substrate is used. However, a p-type InP substrate whose main surface is a (001) surface or a high resistance (SI) InP substrate whose main surface is a (001) surface is applied. May be. In that case, the above-described embedding structure and the like are arbitrarily changed.
Carrier gas mentioned above is not limited to H 2, instead of or in combination with helium H 2 (He), may be used an inert gas such as argon (Ar).
ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈すべきであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができると理解すべきである。 All examples and conditional expressions given here are intended to help the reader understand the inventions and concepts that have contributed to the promotion of technology, such examples and It should be construed without being limited to the conditions, and the organization of such examples in the specification is not related to showing the superiority or inferiority of the present invention. Although embodiments of the present invention have been described in detail, it should be understood that various changes, substitutions and variations can be made thereto without departing from the spirit and scope of the present invention.
次に、本発明の実施形態について特徴を付記する。
(付記1) 成長雰囲気内でInP基板の上方にInxGa1−yAsyP1−y層(0≦x≦1、0≦y≦1)を形成する工程と、アルミニウム原料を前記成長雰囲気に供給する工程と、前記アルミニウム原料の前記成長雰囲気への供給を停止する工程と、砒素原料、アンチモン原料のうち少なくとも一方とインジウム原料、ガリウム原料の少なくとも一方とを含む量子ドット形成用ガスを前記成長雰囲気に供給することにより、前記InxGa1−yAsyP1−y層の上にInaGa1−aAsbSb1−b(0≦a≦1、0≦b≦1)の量子ドットを形成する工程と、を有する光半導体装置の製造方法。
(付記2) 前記アルミニウム原料の供給を停止した後に、前記成長雰囲気内にキャリアガスのみを供給する工程を有する付記1に記載の光半導体装置の製造方法。
(付記3) 前記InxGa1−yAsyP1−y層を形成した後に、前記成長雰囲気内にキャリアガスのみを流す工程を有する付記1又は付記2に記載の光半導体装置の製造方法。
(付記4) 前記キャリアガスは、水素、不活性ガスのいずれかであることを特徴とする付記2又は付記3に記載の光半導体装置の製造方法。
(付記5) 前記アルミニウム原料を供給する前に、前記成長雰囲気においてIII属原料の供給を停止し、フォスフィン及びキャリアガスを供給し、ヒータを前記量子ドットの成長温度に設定する工程を有する付記1乃至付記4のいずれか1つに記載の光半導体装置の製造方法。
(付記6) 前記量子ドット形成用ガスを前記成長雰囲気に供給する前に、砒素元素かアンチモン元素の少なくとも一方を含む原料ガスを前記成長雰囲気に供給する工程を有することを特徴とする付記1乃至付記5のいずれか1つに記載の光半導体装置。
(付記7) 前記InxGa1−yAsyP1−y層は(001)面上に形成される付記1乃至付記5のいずれか1つに記載の光半導体装置の製造方法。
(付記8) 前記量子ドットを形成した後に、前記量子ドットの上に第2のInxGa1−yAsyP1−y層(0≦x≦1、0≦y≦1)を形成する工程を有する付記1乃至付記6のいずれか1つに記載の光半導体装置の製造方法。
(付記9) InP基板の上方に形成されるInxGa1−yAsyP1−y層(0≦x≦1、0≦y≦1)と、前記InxGa1−yAsyP1−y層上に残存するアルミニウム元素と、前記InxGa1−yAsyP1−y層上に形成されるInaGa1−aAsbSb1−b(0≦a≦1、0≦b≦1)の量子ドットと、を有する光半導体装置。
Next, features of the embodiment of the present invention will be described.
(Supplementary Note 1) Forming an In x Ga 1-y As y P 1-y layer (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) above the InP substrate in a growth atmosphere, and growing the aluminum source A quantum dot forming gas comprising a step of supplying to the atmosphere, a step of stopping the supply of the aluminum material to the growth atmosphere, and at least one of an arsenic material and an antimony material and at least one of an indium material and a gallium material. By supplying to the growth atmosphere, In a Ga 1-a As b Sb 1-b (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1) is formed on the In x Ga 1-y As y P 1-y layer. And a step of forming quantum dots.
(Additional remark 2) The manufacturing method of the optical semiconductor device of
(Supplementary Note 3) The an In x Ga to 1-y As y after P 1-y layer is formed, the method for manufacturing the optical semiconductor device according to
(Additional remark 4) The said carrier gas is either hydrogen or an inert gas, The manufacturing method of the optical semiconductor device of
(Additional remark 5) Before supplying the said aluminum raw material, the supply of a group III raw material is stopped in the said growth atmosphere, a phosphine and carrier gas are supplied, and it has the process of setting a heater to the growth temperature of the said quantum dot. The manufacturing method of the optical semiconductor device as described in any one of thru | or
(Additional remark 6) Before supplying the said gas for forming a quantum dot to the said growth atmosphere, it has the process of supplying the raw material gas containing at least one of an arsenic element or an antimony element to the said growth atmosphere. The optical semiconductor device according to any one of
(Supplementary Note 7) The In x Ga 1-y As y P 1-y layer manufacturing method of the optical semiconductor device according to any one of
After forming the (Supplementary Note 8) The quantum dot to form a second In x Ga 1-y As y P 1-y layer (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1) on the quantum dot The method for manufacturing an optical semiconductor device according to any one of
(Supplementary Note 9) In x Ga 1-y As y P 1-y layer (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) formed above the InP substrate, and the In x Ga 1-y As y P The aluminum element remaining on the 1-y layer and In a Ga 1-a As b Sb 1-b (0 ≦ a ≦ 1, formed on the In x Ga 1-y As y P 1-y layer) An optical semiconductor device having quantum dots of 0 ≦ b ≦ 1).
1 n型InP基板
2 n型InPバッファ層
3 第1のSCH層
4 InAs量子ドット
6 InxGa1−yAsyP1−yバリア層
7 第2のSCH層
8 活性層
9 第1のp型InPクラッド層
10 シリコン酸化膜
11 p型InP埋込層
12 n型InPブロック層
13 第2のp型InPクラッド層
14 p型InGaAsコンタクト層
15 p側電極
16 n側電極
1 n-type InP substrate 2 n-type
Claims (5)
アルミニウム原料を前記成長雰囲気に供給する工程と、
前記アルミニウム原料の前記成長雰囲気への供給を停止する工程と、
砒素原料、アンチモン原料のうち少なくとも一方とインジウム原料、ガリウム原料の少なくとも一方とを含むガスを前記成長雰囲気に供給することにより、前記InxGa1−yAsyP1−y層の上にInaGa1−aAsbSb1−b(0≦a≦1、0≦b≦1)の量子ドットを形成する工程と、
を有する光半導体装置の製造方法。 Forming an In x Ga 1-y As y P 1-y layer (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) above the (001) plane of the InP substrate in a growth atmosphere;
Supplying an aluminum raw material to the growth atmosphere;
Stopping the supply of the aluminum raw material to the growth atmosphere;
By supplying a gas containing at least one of an arsenic raw material and an antimony raw material and at least one of an indium raw material and a gallium raw material to the growth atmosphere, an In x Ga 1-y As y P 1-y layer is formed on the In x Ga 1-y As y P 1-y layer. forming a quantum dot of a Ga 1-a as b Sb 1-b (0 ≦ a ≦ 1,0 ≦ b ≦ 1),
The manufacturing method of the optical semiconductor device which has this.
前記InxGa1−yAsyP1−y層上に残存するアルミニウム元素と、
前記InxGa1−yAsyP1−y層上に形成されるInaGa1−aAsbSb1−b(0≦a≦1、0≦b≦1)の量子ドットと、
を有する光半導体装置。
An In x Ga 1-y As y P 1-y layer (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) formed above the (001) plane of the InP substrate;
An aluminum element remaining on the In x Ga 1-y As y P 1-y layer;
In a Ga 1-a As b Sb 1-b (0 ≦ a ≦ 1, 0 ≦ b ≦ 1) quantum dots formed on the In x Ga 1-y As y P 1-y layer;
An optical semiconductor device.
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