JP5494464B2 - Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体素子及び半導体素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor element and a method for manufacturing a semiconductor element.
光半導体素子を高温で安定動作させるために、熱励起による発振準位からのキャリア漏出を抑制することが望まれる。このためには、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活用することが有効である。 In order to stably operate the optical semiconductor element at a high temperature, it is desired to suppress carrier leakage from the oscillation level due to thermal excitation. For this purpose, it is effective to use quantum dots having discrete energy levels in the active layer.
Stranski‐Krastanov(S−K)モードで自己生成した量子ドットを、スペーサ層(バリア層とも呼ばれる)を介して高さ方向に積み上げたコラムナ量子ドットが提案されている。1つのコラムナ量子ドット内に重ねられた複数の量子ドットは、相互に量子力学的に結合している。具体的には、量子ドットの高さ方向間隔が、キャリアの波動関数の広がりよりも狭い。量子ドットの重ね数(高さ)や、スペーサ層の歪量等の構造パラメータを変えることによって、コラムナ量子ドットの偏光特性を制御することが可能である。 There has been proposed a columnar quantum dot in which quantum dots self-generated in a Stranski-Krastanov (SK) mode are stacked in a height direction via a spacer layer (also called a barrier layer). A plurality of quantum dots stacked in one columnar quantum dot are coupled to each other quantum mechanically. Specifically, the interval between the quantum dots in the height direction is narrower than the spread of the wave function of the carriers. The polarization characteristics of the columnar quantum dots can be controlled by changing the structural parameters such as the number (height) of the quantum dots and the amount of strain in the spacer layer.
半導体レーザに、高い電気光変換効率が求められ、半導体光増幅器に、高い光利得が求められる。コラムナ量子ドットの分布密度を高めることにより、電気光変換効率や光利得の向上を図ることができる。コラムナ量子ドットが面内に分布しているコラムナ量子ドット層を多段に積み重ねることにより、コラムナ量子ドットの体積分布密度を高めることができる。 A semiconductor laser is required to have high electro-optical conversion efficiency, and a semiconductor optical amplifier is required to have high optical gain. By increasing the distribution density of the columnar quantum dots, it is possible to improve electro-optical conversion efficiency and optical gain. By stacking columnar quantum dot layers in which columnar quantum dots are distributed in the plane in multiple stages, the volume distribution density of columnar quantum dots can be increased.
コラムナ量子ドット層を積み重ねる際には、コラムナ量子ドット層の間に中間層が配置される。多段化されたコラムナ量子ドット層により活性層が形成される。活性層が厚くなると、縦高次モードが発生しやすくなるため、活性層を過度に厚くすることは好ましくない。活性層が過度に厚くなることを避けるために、中間層を薄くすることが好ましい。中間層が薄くなると、下段のコラムナ量子ドット層の歪が、中間層を経由して上段のコラムナ量子ドット層に伝播しやすくなる。これに起因して、良好な結晶状態を保って結晶成長させることが難しくなる。 When the columnar quantum dot layers are stacked, an intermediate layer is disposed between the columnar quantum dot layers. An active layer is formed by the multistage columnar quantum dot layer. If the active layer is thick, a longitudinal higher-order mode is likely to occur, and therefore it is not preferable to make the active layer too thick. In order to prevent the active layer from becoming too thick, it is preferable to make the intermediate layer thin. When the intermediate layer becomes thinner, the strain of the lower columnar quantum dot layer is likely to propagate to the upper columnar quantum dot layer via the intermediate layer. This makes it difficult to grow crystals while maintaining a good crystal state.
また、コラムナ量子ドット層を多段に積み重ねる場合に限らず、単層のコラムナ量子ドット層上に半導体層を形成する場合にも、半導体層の結晶品質を高める技術が望まれる。 In addition, not only when columnar quantum dot layers are stacked in multiple stages, but also when a semiconductor layer is formed on a single columnar quantum dot layer, a technique for improving the crystal quality of the semiconductor layer is desired.
本発明の一目的は、コラムナ量子ドットの上方に、高品質な半導体層を成長させるのに適した半導体素子、及び、そのような半導体素子の製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device suitable for growing a high-quality semiconductor layer above a columnar quantum dot, and a method for manufacturing such a semiconductor device.
本発明の一観点によれば、半導体基板と、前記半導体基板上方に形成されたコラムナ量子ドットとを有し、前記コラムナ量子ドットは、第1量子ドットと、前記第1量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し引張歪量を持つ第1スペーサ層とで形成された第1部と、第2量子ドットと、前記第2量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し前記第1スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第2スペーサ層とで形成された第2部とが、厚さ方向に交互に配置された構造を有する半導体素子が提供される。 According to an aspect of the present invention, a semiconductor substrate and a columner quantum dot formed above the semiconductor substrate are provided, and the columner quantum dot is stacked on the first quantum dot and the first quantum dot. A first portion formed of a first spacer layer having a tensile strain amount with respect to the semiconductor substrate, a second quantum dot, and stacked on the second quantum dot from the first spacer layer to the semiconductor substrate. There is provided a semiconductor device having a structure in which second portions formed of second spacer layers having a large amount of tensile strain are alternately arranged in the thickness direction.
相対的に引張歪量の小さい第1スペーサ層と、相対的に引張歪量の大きい第2スペーサ層とが、厚さ方向に交互に配置されているコラムナ量子ドットにより、スペーサ層の引張歪量が均一なコラムナ量子ドットに比べて、所定発光波長に対応する平均歪量を低減することが可能である。 The columnar quantum dots in which the first spacer layer having a relatively small tensile strain amount and the second spacer layer having a relatively large tensile strain amount are alternately arranged in the thickness direction provide a tensile strain amount of the spacer layer. Compared with a uniform columnar quantum dot, it is possible to reduce the average strain amount corresponding to a predetermined emission wavelength.
本発明の実施例による半導体素子について説明する前に、まず、比較例について説明する。比較例として、1段のコラムナ量子ドットを作製しフォトルミネッセンス(PL)発光波長を測定した実験と、コラムナ量子ドットの多段積層を試みた実験を行った。 Before describing semiconductor devices according to embodiments of the present invention, comparative examples will be described first. As a comparative example, an experiment in which a single columnar quantum dot was produced and a photoluminescence (PL) emission wavelength was measured, and an experiment in which multi-layer stacking of columnar quantum dots was attempted were performed.
図13は、比較例のコラムナ量子ドットを示す概略断面図である。InP(001)基板上方に、InGaAsP層103が形成されている。InGaAsP層103上に、量子ドット104とスペーサ層105とが交互に積層されて、コラムナ量子ドット106が形成されている。コラムナ量子ドット106の最上部は、量子ドット104が配置されており、量子ドット104が12層形成され、スペーサ層105が11層形成されている。 FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing a columnar quantum dot of a comparative example. An InGaAsP layer 103 is formed above the InP (001) substrate. On the InGaAsP layer 103, quantum dots 104 and spacer layers 105 are alternately laminated to form columnar quantum dots 106. Quantum dots 104 are arranged on the top of the columnar quantum dots 106, 12 quantum dots 104 are formed, and 11 spacer layers 105 are formed.
量子ドット104は、InAsで形成され、スペーサ層105は、バンドギャップに対応する波長(これを以下、組成波長と呼ぶ)が1.0μmのInGaAsPで形成されている。量子ドット104及びスペーサ層105の形成方法として、有機金属気相成長(MOVPE)を用いることができる。 The quantum dots 104 are formed of InAs, and the spacer layer 105 is formed of InGaAsP having a wavelength corresponding to the band gap (hereinafter referred to as a composition wavelength) of 1.0 μm. As a method for forming the quantum dots 104 and the spacer layer 105, metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) can be used.
コラムナ量子ドットの平均歪量εaを、下記の式で定義する。 The average strain epsilon a of columnar quantum dots is defined by the following equation.
ここで、εQDiは、下からi番目の量子ドット104の歪量であり、εSBiは、下からi番目のスペーサ層105の歪量である。歪量εa、εQDi、及びεSBiは、例えば%単位で表される。 Here, epsilon QDi is distortion of i-th quantum dots 104 from below, epsilon SBi is the amount of strain i-th spacer layer 105 from the bottom. The strain amounts ε a , ε QDi , and ε SBi are expressed in units of%, for example.
dQDi及びdSBiは、それぞれ、下からi番目の量子ドット104及びスペーサ層105の厚さである。量子ドット104及びスペーサ層105の厚さは、成長中に供給した原料により均一な厚さの膜が形成されたと仮定した場合の膜の厚さを意味する。厚さdQDi及びdSBiは、例えばモノレイヤー(ML)単位で表される。 d QDi and d SBi are the thicknesses of the i-th quantum dot 104 and the spacer layer 105 from the bottom, respectively. The thickness of the quantum dot 104 and the spacer layer 105 means the thickness of the film when it is assumed that a film having a uniform thickness is formed by the raw material supplied during the growth. The thicknesses d QDi and d SBi are expressed in units of monolayer (ML), for example.
量子ドット104の歪量εQDiは、下記の式で算出される。 The strain amount ε QDi of the quantum dots 104 is calculated by the following equation.
スペーサ層105の歪量εSBiは、下記の式で算出される。 The strain amount ε SBi of the spacer layer 105 is calculated by the following equation.
ここで、aInAs、aInGaAsP、及びaInPは、それぞれ、InAs、InGaAsP、及びInPの格子定数である。InGaAsPの格子定数は、InGaAsPの各元素の組成比から格子定数を求め、求められた格子定数を用いて算出することができる。なお、「格子定数」とは、半導体材料に歪が発生していないと仮定したときの格子定数を意味する。 Here, a InAs , a InGaAsP , and a InP are the lattice constants of InAs, InGaAsP, and InP, respectively. The lattice constant of InGaAsP can be calculated by obtaining the lattice constant from the composition ratio of each element of InGaAsP and using the obtained lattice constant. The “lattice constant” means a lattice constant when it is assumed that no strain is generated in the semiconductor material.
圧縮歪が正、引張歪が負になる。量子ドット104を形成するInAsは、基板のInPに対して格子定数が大きく、圧縮歪を持つ。スペーサ層105を形成するInGaAsPは、基板のInPに対して格子定数が小さく、引張歪を持つ。スペーサ層105が、量子ドット104に起因する圧縮歪を補償する。 Compressive strain is positive and tensile strain is negative. InAs forming the quantum dots 104 has a lattice constant larger than that of InP of the substrate and has compressive strain. InGaAsP forming the spacer layer 105 has a smaller lattice constant than InP of the substrate and has tensile strain. The spacer layer 105 compensates for compressive strain caused by the quantum dots 104.
以下、スペーサ層105の引張歪量は、マイナス記号を省略して示し、引張歪量の絶対値が大きいほど引張歪量が大きい(または高い)と表現し、引張歪量の絶対値が小さいほど引張歪量が小さい(または低い)と表現する。後述の実施例についても、コラムナ量子ドットの平均歪量は同様に定義される。コラムナ量子ドットの平均歪量を、単に「平均歪量」と呼ぶこともある。 Hereinafter, the tensile strain amount of the spacer layer 105 is indicated by omitting a minus sign, and the larger the absolute value of the tensile strain amount, the larger (or higher) the tensile strain amount, and the smaller the absolute value of the tensile strain amount. Expressed as small (or low) tensile strain. The average strain amount of columnar quantum dots is similarly defined in the examples described later. The average strain amount of the columnar quantum dots may be simply referred to as “average strain amount”.
比較例のコラムナ量子ドット106では、積層された全スペーサ層105で、引張歪量が均一に設定されている。コラムナ量子ドット106が1段形成された試料を、スペーサ層105の引張歪量を変化させて、つまり、平均歪量を変化させて複数作製し、これらの試料のPL発光波長を測定した。 In the columnar quantum dots 106 of the comparative example, the tensile strain amount is set uniformly in all the stacked spacer layers 105. A plurality of samples in which the columnar quantum dots 106 were formed by changing the tensile strain amount of the spacer layer 105, that is, changing the average strain amount, were prepared, and the PL emission wavelength of these samples was measured.
各試料のスペーサ層105の引張歪量は、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、及び1.4%とした。なお、InAs量子ドット104の圧縮歪量は3.2%である。スペーサ層105の引張歪量が大きくなるほど、量子ドット104に起因する圧縮歪が補償されて、平均歪量(補償されずに残る圧縮歪量)が小さくなる。 The tensile strain amount of the spacer layer 105 of each sample was 0.4%, 0.6%, 0.8%, 1.0%, 1.2%, and 1.4%. Note that the amount of compressive strain of the InAs quantum dots 104 is 3.2%. As the tensile strain amount of the spacer layer 105 increases, the compressive strain due to the quantum dots 104 is compensated, and the average strain amount (the compressive strain amount remaining without compensation) decreases.
図14は、比較例のコラムナ量子ドットの平均歪量とPL発光波長との関係を示すグラフである。横軸が、%単位で表した平均歪量であり、縦軸が、μm単位で表したPL発光波長である。平均歪量が小さくなるほど、つまり、スペーサ層の引張歪量が大きくなるほど、PL発光波長が短くなっている。例えば、Cバンド(1.53μm〜1.565μm)に含まれる波長1.55μm程度でPL発光が得られる平均歪量は0.775%(スペーサ層引張歪量は0.6%)である。 FIG. 14 is a graph showing the relationship between the average strain amount of the columnar quantum dots of the comparative example and the PL emission wavelength. The horizontal axis is the average strain amount expressed in units of%, and the vertical axis is the PL emission wavelength expressed in units of μm. As the average strain amount decreases, that is, as the tensile strain amount of the spacer layer increases, the PL emission wavelength becomes shorter. For example, the average strain amount for obtaining PL emission at a wavelength of about 1.55 μm included in the C band (1.53 μm to 1.565 μm) is 0.775% (the spacer layer tensile strain amount is 0.6%).
次に、所望のPL発光波長を1.55μmと想定し、平均歪量0.775%を採用して、コラムナ量子ドットの多段積層を試みた。厚さ40nmのInGaAs中間層を介し、3段のコラムナ量子ドットの積層を試みたところ、コラムナ量子ドットに起因する圧縮歪が厚さ方向に伝播して、良好な結晶状態を保った成長が困難であった。 Next, assuming a desired PL emission wavelength of 1.55 μm, an average strain amount of 0.775% was adopted to attempt multi-layer stacking of columnar quantum dots. When we tried to stack three columnar quantum dots through an InGaAs intermediate layer with a thickness of 40 nm, the compressive strain caused by the columnar quantum dots propagated in the thickness direction, making it difficult to grow in a good crystalline state. Met.
一方、平均歪量を0.654%まで下げた(スペーサ層引張歪量を0.8%まで増やした)条件でも、厚さ40nmのInGaAs中間層を介し、3段のコラムナ量子ドットの積層を試みたところ、良好な結晶状態を保った成長が可能であった。 On the other hand, even when the average strain amount is reduced to 0.654% (spacer layer tensile strain amount is increased to 0.8%), the stack of three-stage columnar quantum dots is formed through the 40 nm thick InGaAs intermediate layer. Attempts were made to grow while maintaining a good crystalline state.
このように、コラムナ量子ドットを良好に多段積層するには、平均歪量を低下させることが望ましいとわかった。ただし、平均歪量を例えば0.654%まで下げたことに伴って、PL発光波長が1.529μmとなり、所望の波長より短波長になってしまう。平均歪量を低下させても発光波長が短波長側にずれにくい、あるいは、所望の発光波長に対応する平均歪量を低減することができるコラムナ量子ドット構造が望まれる。 Thus, it was found that it is desirable to reduce the average strain amount in order to satisfactorily stack columnar quantum dots. However, as the average strain amount is reduced to 0.654%, for example, the PL emission wavelength becomes 1.529 μm, which is shorter than the desired wavelength. A columnar quantum dot structure is desired in which the emission wavelength is less likely to shift to the short wavelength side even when the average distortion amount is reduced, or the average distortion amount corresponding to the desired emission wavelength can be reduced.
次に、第1実施例によるコラムナ量子ドット、及びそれを利用した半導体光増幅器について説明する。 Next, the columnar quantum dot according to the first embodiment and a semiconductor optical amplifier using the same will be described.
図1は、第1実施例の半導体光増幅器が含む、コラムナ量子ドットの多段積層部分を示す概略断面図である。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a multi-layered portion of columnar quantum dots included in the semiconductor optical amplifier of the first embodiment.
図2は、第1実施例のコラムナ量子ドット1つ分を拡大して示す概略断面図である。 FIG. 2 is an enlarged schematic cross-sectional view showing one columnar quantum dot of the first embodiment.
図1及び図2を参照しながら、製造工程に沿って説明を進める。結晶成長方法として、MOVPEを用いることができる。III族元素原料として、トリメチルインジウム(TMIn)、トリエチルガリウム(TEGa)、V族元素原料として、アルシン(AsH3)、フォスフィン(PH3)を用いることができる。n型ドーパント原料としてモノシラン(SiH4)、p型ドーパント原料としてジエチルジンク(DEZn)、キャリアガスとして水素(H2)を用いることができる。成長圧力は、例えば50Torrである。 The description will proceed along the manufacturing process with reference to FIGS. MOVPE can be used as the crystal growth method. Trimethylindium (TMIn) and triethylgallium (TEGa) can be used as group III element materials, and arsine (AsH 3 ) and phosphine (PH 3 ) can be used as group V element materials. Monosilane (SiH 4 ) can be used as an n-type dopant material, diethyl zinc (DEZn) can be used as a p-type dopant material, and hydrogen (H 2 ) can be used as a carrier gas. The growth pressure is, for example, 50 Torr.
n型InP(001)基板1を、MOVPE成長炉に装備して、PH3雰囲気下で成長温度(成長表面の温度)を630℃まで昇温する。 The n-type InP (001) substrate 1 is equipped in a MOVPE growth furnace, and the growth temperature (growth surface temperature) is raised to 630 ° C. in a PH 3 atmosphere.
次に、TMIn及びSiH4も供給して、ドーピング濃度が5.0×1017cm−3のn型InPバッファ層2を、厚さ500nm形成する。 Next, TMIn and SiH 4 are also supplied, and the n-type InP buffer layer 2 having a doping concentration of 5.0 × 10 17 cm −3 is formed to a thickness of 500 nm.
TMIn及びSiH4の供給を停止し、PH3雰囲気下で成長温度を430℃まで下げる。次に、III族ガスをTMIn及びTEGaとし、V族ガスをAsH3及びPH3として、バッファ層2上に、組成波長が1.1μmで歪量が0%のノンドープInGaAsP光閉じ込め層3を、厚さ30nm形成する。 The supply of TMIn and SiH 4 is stopped, and the growth temperature is lowered to 430 ° C. in a PH 3 atmosphere. Next, the group III gas is TMIn and TEGa, the group V gas is AsH 3 and PH 3 , and the non-doped InGaAsP optical confinement layer 3 having a composition wavelength of 1.1 μm and a strain amount of 0% is formed on the buffer layer 2. A thickness of 30 nm is formed.
次に、供給ガスをTMIn及びAsH3とし、光閉じ込め層3上に、InAs量子ドット4を形成する。InAs量子ドット4の成長条件は、例えば、供給量2.5ML相当、成長速度0.045μm/h、V/III比30である。 Next, TMIn and AsH 3 are used as the supply gas, and InAs quantum dots 4 are formed on the optical confinement layer 3. The growth conditions of the InAs quantum dots 4 are, for example, a supply amount of 2.5 ML, a growth rate of 0.045 μm / h, and a V / III ratio of 30.
この条件により、横方向寸法が[110]方向に20nm程度、[−110]方向に30nm程度で、面内密度が7.5×1010cm−2程度の量子ドット4が形成される。量子ドット4はS−Kモードにより成長し、量子ドット4の外側には、濡れ層4aが残る。 Under these conditions, quantum dots 4 having a lateral dimension of about 20 nm in the [110] direction and about 30 nm in the [−110] direction and an in-plane density of about 7.5 × 10 10 cm −2 are formed. The quantum dots 4 grow in the SK mode, and the wetting layer 4a remains outside the quantum dots 4.
次に、供給ガスをTMIn、TEGa、AsH3、及びPH3とし、量子ドット4を覆って光閉じ込め層3上に、組成波長が1.0μmで、引張歪量が相対的に低い0.4%となるような組成の、低引張歪InGaAsPスペーサ層5Lを形成する。低引張歪InGaAsPスペーサ層5Lの成長条件は、例えば、供給量2.5ML相当、成長速度0.1μm/h、V/III比1600である。 Next, TMIn, TEGa, AsH 3 , and PH 3 are used as the supply gas, and the composition wavelength is 1.0 μm and the tensile strain amount is relatively low on the optical confinement layer 3 so as to cover the quantum dots 4. A low tensile strain InGaAsP spacer layer 5L having a composition of% is formed. The growth conditions of the low tensile strain InGaAsP spacer layer 5L are, for example, a supply amount of 2.5 ML, a growth rate of 0.1 μm / h, and a V / III ratio of 1600.
なお、説明の便宜上、図1に示すように、スペーサ層を引張歪量の相対的な大小を区別せずに、「スペーサ層5」と表すこともある。図2には、スペーサ層を、引張歪量の相対的な大小を区別して示す。 For convenience of explanation, as shown in FIG. 1, the spacer layer may be expressed as “spacer layer 5” without distinguishing the relative magnitude of the tensile strain amount. In FIG. 2, the spacer layer is shown by distinguishing the relative magnitude of the tensile strain amount.
このようにして、量子ドット4上に低引張歪スペーサ層5Lが積層された低引張歪量子ドット部QDLが形成される。低引張歪スペーサ層5Lが積層された量子ドット4を、量子ドット4Lと呼ぶこともある。 In this way, the low tensile strain quantum dot portion QDL in which the low tensile strain spacer layer 5L is laminated on the quantum dot 4 is formed. The quantum dot 4 on which the low tensile strain spacer layer 5L is stacked may be referred to as a quantum dot 4L.
次に、再び供給ガスをTMIn及びAsH3とし、低引張歪スペーサ層5L上に、InAs量子ドット4を形成する。InAs量子ドット4の成長条件は、例えば、最初に形成した量子ドット4と同様である。ただし、下から2番目以降の量子ドット4については、供給量を例えば1.2ML相当に減らす。 Next, the supply gas is changed to TMIn and AsH 3 again, and InAs quantum dots 4 are formed on the low tensile strain spacer layer 5L. The growth conditions of the InAs quantum dots 4 are the same as those of the quantum dots 4 formed first, for example. However, for the second and subsequent quantum dots 4 from the bottom, the supply amount is reduced to, for example, 1.2 ML.
次に、再び供給ガスをTMIn、TEGa、AsH3、及びPH3とし、量子ドット4を覆って低引張歪スペーサ層5L上に、組成波長が1.0μmで、引張歪量が相対的に高い2.4%となるような組成の、高引張歪InGaAsPスペーサ層5Hを形成する。高引張歪InGaAsPスペーサ層5Hの成長条件は、例えば、低引張歪InGaAsPスペーサ層5と同様である。 Next, the supply gas is changed to TMIn, TEGa, AsH 3 , and PH 3 again, covering the quantum dots 4 and on the low tensile strain spacer layer 5L, the composition wavelength is 1.0 μm and the tensile strain amount is relatively high. A high tensile strain InGaAsP spacer layer 5H having a composition of 2.4% is formed. The growth conditions of the high tensile strain InGaAsP spacer layer 5H are the same as those of the low tensile strain InGaAsP spacer layer 5, for example.
このようにして、低引張歪量子ドット部QDL上に、量子ドット4上に高引張歪スペーサ層5Hが積層された高引張歪量子ドット部QDHが形成される。高引張歪スペーサ層5Hが積層された量子ドット4を、量子ドット4Hと呼ぶこともある。 In this way, the high tensile strain quantum dot portion QDH in which the high tensile strain spacer layer 5H is laminated on the quantum dot 4 is formed on the low tensile strain quantum dot portion QDL. The quantum dots 4 on which the high tensile strain spacer layer 5H is stacked may be referred to as quantum dots 4H.
低引張歪量子ドット部QDLの形成、及び、高引張歪量子ドット部QDHの形成を1組とした工程を、その後4回繰り返す。 Thereafter, the process of forming the low tensile strain quantum dot portion QDL and the high tensile strain quantum dot portion QDH as one set is repeated four times.
次に、最上の高引張歪量子ドット部QDH上に、低引張歪量子ドット部QDLを形成する。最後に、最上の低引張歪スペーサ層5L上に、InAs量子ドット4を形成する。このようにして、12層の量子ドット4と、11層のスペーサ層5とが交互に積層されたコラムナ量子ドット6が形成される。 Next, the low tensile strain quantum dot portion QDL is formed on the uppermost high tensile strain quantum dot portion QDH. Finally, InAs quantum dots 4 are formed on the uppermost low tensile strain spacer layer 5L. In this way, columnar quantum dots 6 in which 12 layers of quantum dots 4 and 11 layers of spacer layers 5 are alternately stacked are formed.
第1実施例のコラムナ量子ドット6は、低引張歪スペーサ層5Lと高引張歪スペーサ層5Hとが1層ずつ交互に積層された構造、つまり、低引張歪量子ドット部QDLと高引張歪量子ドット部QDHとが1層ずつ交互に積層された構造を有する。 The columnar quantum dot 6 of the first embodiment has a structure in which the low tensile strain spacer layer 5L and the high tensile strain spacer layer 5H are alternately stacked, that is, the low tensile strain quantum dot portion QDL and the high tensile strain quantum. It has a structure in which the dot portions QDH are alternately stacked one by one.
その後、供給ガスをTMIn、TEGa、AsH3、及びPH3とし、1段目のコラムナ量子ドット6を覆って、組成波長が1.1μmで歪量が0%のInGaAsP中間層7を、厚さ30nm形成する。 Thereafter, the supply gas is TMIn, TEGa, AsH 3 , and PH 3 , the first columnar quantum dots 6 are covered, the InGaAsP intermediate layer 7 having a composition wavelength of 1.1 μm and a strain amount of 0% is formed. Form 30 nm.
コラムナ量子ドット6形成、中間層7形成を1組とした工程を、その後2回繰り返す。このようにして、3段のコラムナ量子ドット層6A、6B、6Cが中間層7を介して積層された、コラムナ量子ドットの多段積層構造が形成される。なお、最上に形成されたInGaAsP層は、中間層7でなく、光閉じ込め層3と呼ぶこととする。 The process of forming columnar quantum dots 6 and intermediate layer 7 as a set is then repeated twice. In this way, a multi-layer stacked structure of columnar quantum dots is formed in which the three columnar quantum dot layers 6A, 6B, 6C are stacked via the intermediate layer 7. Note that the uppermost InGaAsP layer formed is called the optical confinement layer 3, not the intermediate layer 7.
下側の光閉じ込め層3、1段目のコラムナ量子ドット層6A、下側の中間層7、2段目のコラムナ量子ドット層6B、上側の中間層7、3段目のコラムナ量子ドット6C、及び上側の光閉じ込め層3を含んで、活性層8が形成される。 Lower optical confinement layer 3, first columnar quantum dot layer 6A, lower intermediate layer 7, second columnar quantum dot layer 6B, upper intermediate layer 7, third columnar quantum dot 6C, The active layer 8 is formed including the upper optical confinement layer 3.
その後、PH3雰囲気下で成長温度を630℃まで昇温し、TMIn、PH3、及びDEZnを供給して、上側の光閉じ込め層3上に、ドーピング濃度が5.0×1017cm−3のp型InPクラッド層9を、厚さ200nm形成する。 Thereafter, the growth temperature is raised to 630 ° C. in a PH 3 atmosphere, TMIn, PH 3 , and DEZn are supplied, and the doping concentration is 5.0 × 10 17 cm −3 on the upper optical confinement layer 3. The p-type InP cladding layer 9 is formed to a thickness of 200 nm.
さらに、図3及び図4も参照して説明を進める。 Further, the description will be made with reference to FIGS.
図3は、第1実施例の半導体光増幅器の、増幅される光の入射方向から見た概略断面図である。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor optical amplifier according to the first embodiment viewed from the incident direction of the amplified light.
図4は、第1実施例の半導体光増幅器の、増幅される光が入射する面を真横から見た(厚さ方向の)概略断面図である。 FIG. 4 is a schematic cross-sectional view (in the thickness direction) of the semiconductor optical amplifier according to the first embodiment as seen from the side where the light to be amplified enters.
図3に示すように、p型クラッド層9上に、[110]方向に延在し長さが100μm、幅が1.5μmの誘電体マスクMSKを形成し、誘電体マスクMSKを用いてドライエッチングにより、誘電体マスクMSKの外側部分を基板1の途中深さまで除去して、ストライプメサ構造を形成する。 As shown in FIG. 3, a dielectric mask MSK extending in the [110] direction and having a length of 100 μm and a width of 1.5 μm is formed on the p-type cladding layer 9, and dry using the dielectric mask MSK. By etching, the outer portion of the dielectric mask MSK is removed to a halfway depth of the substrate 1 to form a stripe mesa structure.
次に、誘電体マスクMSKを形成した状態で、メサの両脇にp型InP埋め込み層10、n型InPブロック層11、及びp型InP層12を成長させて、電流狭窄構造を形成する。p型InP埋め込み層10〜p型InP層12の形成には、公知の半導体埋め込み成長技術を用いることができる。その後、誘電体マスクMSKを除去する。 Next, with the dielectric mask MSK formed, the p-type InP buried layer 10, the n-type InP block layer 11, and the p-type InP layer 12 are grown on both sides of the mesa to form a current confinement structure. For forming the p-type InP buried layer 10 to the p-type InP layer 12, a known semiconductor buried growth technique can be used. Thereafter, the dielectric mask MSK is removed.
図4に示すように、さらに、p型InPクラッド層9上にp型InGaAsコンタクト層13を形成し、p型InGaAsコンタクト層13上にp側電極14pを形成し、n型InP基板1の裏面上にn側電極14nを形成し、光入射側及び光出射側の端面に反射防止膜15を形成する。このようにして、第1実施例の半導体光増幅器が形成される。 As shown in FIG. 4, a p-type InGaAs contact layer 13 is further formed on the p-type InP cladding layer 9, a p-side electrode 14 p is formed on the p-type InGaAs contact layer 13, and the back surface of the n-type InP substrate 1. An n-side electrode 14n is formed thereon, and an antireflection film 15 is formed on the end surfaces on the light incident side and the light emission side. In this way, the semiconductor optical amplifier of the first embodiment is formed.
図2に示されたような、低引張歪量子ドット部QDLと高引張歪量子ドット部QDHとが1層ずつ交互に積層されたコラムナ量子ドットが、1段形成された試料を作製して、PL発光波長を測定した。 As shown in FIG. 2, a sample in which columnar quantum dots in which low tensile strain quantum dot portions QDL and high tensile strain quantum dot portions QDH are alternately stacked one by one is formed, The PL emission wavelength was measured.
低引張歪スペーサ層5Lの引張歪量を0.4%と一定にし、高引張歪スペーサ層5Hの引張歪量を1.4%、2.4%と変化させて、2種の試料を作製した。低引張歪量0.4%で高引張歪量1.4%の試料は、平均歪量0.61%(圧縮歪)であり、低引張歪量0.4%で高引張歪量2.4%の試料は、平均歪量0.33%(圧縮歪)である。 The tensile strain amount of the low tensile strain spacer layer 5L is kept constant at 0.4%, and the tensile strain amount of the high tensile strain spacer layer 5H is changed to 1.4% and 2.4% to prepare two types of samples. did. A sample having a low tensile strain amount of 0.4% and a high tensile strain amount of 1.4% has an average strain amount of 0.61% (compression strain), and a low tensile strain amount of 0.4% and a high tensile strain amount. The sample of 4% has an average strain amount of 0.33% (compression strain).
図5は、第1実施例のコラムナ量子ドットの平均歪量とPL発光波長との関係を示すグラフである。横軸が、%単位で表した平均歪量であり、縦軸が、μm単位で表したPL発光波長である。第1実施例の結果を、三角のプロットで示す。丸のプロットで示されているのは、図14に示したのと同様な、比較例の結果である。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the average strain amount of the columnar quantum dots of the first embodiment and the PL emission wavelength. The horizontal axis is the average strain amount expressed in units of%, and the vertical axis is the PL emission wavelength expressed in units of μm. The results of the first example are shown as triangular plots. What is indicated by a circle plot is the result of the comparative example similar to that shown in FIG.
第1実施例の平均歪量0.61%(低引張歪量0.4%/高引張歪量1.4%)の試料は、比較例とほぼ同様な、波長1.52μm程度の発光を示した。第1実施例の平均歪量0.33%(低引張歪量0.4%/高引張歪量2.4%)の試料は、平均歪量の等しい比較例の試料に比べて長波長の、波長1.50μm程度の発光を示した。 The sample with an average strain amount of 0.61% (low tensile strain amount 0.4% / high tensile strain amount 1.4%) in the first embodiment emits light having a wavelength of about 1.52 μm, which is almost the same as the comparative example. Indicated. The sample having an average strain amount of 0.33% (low tensile strain amount 0.4% / high tensile strain amount 2.4%) in the first example has a longer wavelength than the sample of the comparative example having the same average strain amount. The emission of about 1.50 μm wavelength was exhibited.
このように、第1実施例のコラムナ量子ドットは、比較例に比べ、平均歪量を低下させたときの、発光波長の短波長化が抑制されていることがわかった。あるいは、所望の発光波長(例えば1.50μm)を得るときの平均歪量を、比較例に比べて小さくできることがわかった。 As described above, it was found that the columnar quantum dots of the first example are suppressed from shortening the emission wavelength when the average strain amount is reduced as compared with the comparative example. Or it turned out that the average distortion amount when obtaining a desired light emission wavelength (for example, 1.50 micrometers) can be made small compared with a comparative example.
次に、第1実施例のコラムナ量子ドットが、比較例に比べ、等しい平均歪量で長波長のPL発光を示した理由について考察する。なお、この理由は明らかではなく、下記の考察は1つの考え方を示すものである。 Next, the reason why the columnar quantum dots of the first example showed long-wavelength PL emission with an equal average strain amount as compared with the comparative example will be considered. The reason for this is not clear, and the following discussion shows one way of thinking.
比較例のスペーサ層の引張歪量の大きさをε0とし、第1実施例の低引張歪スペーサ層及び高引張歪スペーサ層の歪量の大きさをそれぞれε1及びε2とする。平均歪量が等しいとき、これらの引張歪量の大きさは、ε1<ε0<ε2を満たす。 The magnitude of the tensile strain amount of the spacer layer of the comparative example is ε 0, and the magnitude of the strain amounts of the low tensile strain spacer layer and the high tensile strain spacer layer of the first embodiment are ε 1 and ε 2 , respectively. When the average strain amount is equal, the magnitudes of these tensile strain amounts satisfy ε 1 <ε 0 <ε 2 .
比較例の量子ドットの伝導帯エネルギー準位をE0とし、第1実施例の、低引張歪スペーサ層5Lが積層された量子ドット4L、及び、高引張歪スペーサ層5Hが積層された量子ドット4Hの伝導帯エネルギー準位を、それぞれE1及びE2とする。 The quantum dot in which the conduction band energy level of the quantum dot of the comparative example is E 0 and the quantum dot 4L in which the low tensile strain spacer layer 5L is laminated and the high tensile strain spacer layer 5H in the first embodiment are laminated. Let the conduction band energy levels of 4H be E 1 and E 2 , respectively.
比較例よりわかるように、スペーサ層の引張歪量が大きくなるほど、PL発光波長が短波長化する傾向がある。これより、スペーサ層の引張歪量が大きくなるほど、スペーサ層に覆われる量子ドットのエネルギーギャップが大きくなり、量子ドットの伝導帯エネルギー準位が上昇するのではないかと推測される。従って、量子ドットの伝導帯エネルギー準位について、E1<E0<E2となると考えられる。 As can be seen from the comparative example, the PL emission wavelength tends to be shorter as the tensile strain amount of the spacer layer increases. From this, it is presumed that as the tensile strain amount of the spacer layer increases, the energy gap of the quantum dots covered by the spacer layer increases and the conduction band energy level of the quantum dots increases. Therefore, it is considered that E 1 <E 0 <E 2 with respect to the conduction band energy level of the quantum dots.
図6は、比較例及び第1実施例のコラムナ量子ドットの、量子ドットに関する概略的な伝導帯バンドラインナップである。平均歪量が等しい場合の伝導帯バンドラインナップを、並べて示す。左方が比較例、右方が第1実施例である。「InGaAsP SCH」は、光閉じ込め層(または中間層)を示す。 FIG. 6 is a schematic conduction band lineup of quantum dots of the columnar quantum dots of the comparative example and the first example. The conduction band lineup when the average strain is equal is shown side by side. The left side is a comparative example, and the right side is a first embodiment. “InGaAsP SCH” indicates an optical confinement layer (or intermediate layer).
比較例のコラムナ量子ドットに形成される結合量子準位をEuとする。第1実施例のコラムナ量子ドットに形成される、量子ドット4Lの結合量子準位をEm、量子ドット4Hの結合量子準位をEnとする。量子ドット4Lによる結合量子準位Emは、量子ドット4Lの低いエネルギー準位E1の影響を強く受けて、量子ドット4Hの高いエネルギー準位E2の影響を受けにくい状態になると考えられる。 The coupled quantum level formed in columnar quantum dot of the comparative example and E u. It is formed on the columnar quantum dots of the first embodiment and E the coupled quantum level of the quantum dots 4L m, the binding quantum level of the quantum dot 4H and E n. Quantum dots 4L by binding quantum level E m is strongly affected by the quantum dots 4L low energy level of E 1, believed to be less susceptible state the influence of high energy level E 2 quantum dots 4H.
その結果、結合量子準位Emは、結合量子準位EuよりもΔEだけ低いエネルギー準位となり、第1実施例のコラムナ量子ドットの方が、等しい平均歪量を持つ比較例のコラムナ量子ドットよりも長波長で発光すると考えられる。 As a result, the coupled quantum level E m has an energy level that is lower by ΔE than the coupled quantum level E u , and the columnar quantum dot of the first example has a columnar quantum of the comparative example having an equal average strain amount. It is thought that light is emitted at a longer wavelength than the dots.
なお、図5に示したように、第1実施例の試料でも、平均歪量0.61%(低引張歪量0.4%/高引張歪量1.4%)のものは、比較例とほぼ同程度の波長で発光した。これは、高引張歪スペーサ層の歪量が小さいときは、量子ドット4Lと量子ドット4Hの伝導帯バンドオフセットが小さく、波動関数の結合によるエネルギー準位低下が少ないためであると思われる。 As shown in FIG. 5, even in the sample of the first example, the sample having an average strain amount of 0.61% (low tensile strain amount 0.4% / high tensile strain amount 1.4%) is a comparative example. And emitted light at a wavelength of about the same level as the above. This is considered to be because when the strain amount of the high tensile strain spacer layer is small, the conduction band offset between the quantum dots 4L and 4H is small and the energy level is not lowered due to the coupling of wave functions.
次に、第2実施例によるコラムナ量子ドット、及びそれを利用した半導体光増幅器について説明する。主に第1実施例との違いについて説明する。第2実施例は、第1実施例と、コラムナ量子ドット6における低引張歪スペーサ層5L、高引張歪スペーサ層5Hの積層順序が異なる。 Next, the columnar quantum dot according to the second embodiment and a semiconductor optical amplifier using the same will be described. Differences from the first embodiment will be mainly described. The second embodiment is different from the first embodiment in the stacking order of the low tensile strain spacer layer 5L and the high tensile strain spacer layer 5H in the columnar quantum dots 6.
コラムナ量子ドットの多段積層構造や、半導体光増幅器としての構造は、第1実施例と同様であり、コラムナ量子ドット6の構造を第2実施例のものと読み替えた上で、図1、図3及び図4を流用して、第2実施例でも参照する。また、参照符号付与の煩雑さを減らすため、第1実施例と対応が明確な部材等について、参照符号を流用する。量子ドット4、低引張歪スペーサ層5L、高引張歪スペーサ層5H等の形成方法は、第1実施例と同様である。 The multi-layered structure of columnar quantum dots and the structure as a semiconductor optical amplifier are the same as those of the first embodiment. The structure of the columnar quantum dots 6 is replaced with that of the second embodiment, and FIGS. And FIG. 4 is also used to refer to the second embodiment. Further, in order to reduce the complexity of assigning reference numerals, reference numerals are used for members that clearly correspond to the first embodiment. The formation methods of the quantum dots 4, the low tensile strain spacer layer 5L, the high tensile strain spacer layer 5H, and the like are the same as in the first embodiment.
図7は、第2実施例のコラムナ量子ドット6の1つ分を拡大して示す概略断面図である。第1実施例と同様にして、n型InP基板1上に、下方からn型InPバッファ層2、InGaAsP光閉じ込め層3を形成し、InGaAsP光閉じ込め層3上にInAs量子ドット4を形成し、InAs量子ドット4上に低引張歪InGaAsPスペーサ層5Lを形成する。このようにして、まず、低引張歪量子ドット部QDLが形成される。 FIG. 7 is an enlarged schematic sectional view showing one columnar quantum dot 6 of the second embodiment. In the same manner as in the first embodiment, an n-type InP buffer layer 2 and an InGaAsP light confinement layer 3 are formed from below on an n-type InP substrate 1, and InAs quantum dots 4 are formed on the InGaAsP light confinement layer 3, A low tensile strain InGaAsP spacer layer 5L is formed on the InAs quantum dots 4. In this way, first, a low tensile strain quantum dot portion QDL is formed.
次に、低引張歪スペーサ層5L上に、InAs量子ドット4を形成する。なお、第1実施例と同様に、下から2番目以降の量子ドット4については、供給量を例えば1.2ML相当に減らす。 Next, InAs quantum dots 4 are formed on the low tensile strain spacer layer 5L. As in the first embodiment, the supply amount of the second and subsequent quantum dots 4 from the bottom is reduced to, for example, 1.2 ML.
次に、量子ドット4を覆って低引張歪スペーサ層5L上に、再び低引張歪InGaAsPスペーサ層5Lを形成する。このようにして、低引張歪量子ドット部QDL上に低引張歪量子ドット部QDLが重ねられる。 Next, the low tensile strain InGaAsP spacer layer 5L is formed again on the low tensile strain spacer layer 5L so as to cover the quantum dots 4. In this way, the low tensile strain quantum dot portion QDL is overlaid on the low tensile strain quantum dot portion QDL.
次に、下から2番目の低引張歪スペーサ層5L上に、下から3番目のInAs量子ドット4を形成する。次に、下から3番目の量子ドット4を覆って低引張歪スペーサ層5L上に、高引張歪InGaAsPスペーサ層5Hを形成して、高引張歪量子ドット部QDHを形成する。第2実施例では、このようにして、低引張歪量子ドット部QDLが2層積層され、その上に高引張歪量子ドット部QDHが1層積層された構造が形成される。 Next, the third InAs quantum dots 4 from the bottom are formed on the second low tensile strain spacer layer 5L from the bottom. Next, the high tensile strain InGaAsP spacer layer 5H is formed on the low tensile strain spacer layer 5L so as to cover the third quantum dot 4 from the bottom, and the high tensile strain quantum dot portion QDH is formed. In the second embodiment, a structure in which two layers of low tensile strain quantum dot portions QDL are laminated and one layer of high tensile strain quantum dot portions QDH is laminated thereon is thus formed.
低引張歪量子ドット部QDLの形成、低引張歪量子ドット部QDLの形成、及び、高引張歪量子ドット部QDHの形成を1組とした工程を、その後2回繰り返す。 The process of forming the low tensile strain quantum dot portion QDL, the low tensile strain quantum dot portion QDL, and the high tensile strain quantum dot portion QDH as one set is then repeated twice.
最上の高引張歪量子ドット部QDHの上に、さらに2層の低引張歪量子ドット部QDLを積層する。最後に、最上の低引張歪スペーサ層5L上に、量子ドット4を形成する。このようにして、12層の量子ドット4と、11層のスペーサ層5とが交互に積層されたコラムナ量子ドット6が形成される。 Two lower tensile strain quantum dot portions QDL are stacked on the uppermost high tensile strain quantum dot portion QDH. Finally, the quantum dots 4 are formed on the uppermost low tensile strain spacer layer 5L. In this way, columnar quantum dots 6 in which 12 layers of quantum dots 4 and 11 layers of spacer layers 5 are alternately stacked are formed.
第2実施例のコラムナ量子ドット6は、2層の低引張歪スペーサ層5Lと、1層の高引張歪スペーサ層5Hとが交互に積層された構造、つまり、2層の低引張歪量子ドット部QDLと、1層の高引張歪量子ドット部QDHとが交互に積層された構造を有する。 The columnar quantum dot 6 of the second embodiment has a structure in which two low tensile strain spacer layers 5L and one high tensile strain spacer layer 5H are alternately laminated, that is, two low tensile strain quantum dots. Part QDL and one high tensile strain quantum dot part QDH are alternately stacked.
その後、第1実施例と同様に、InGaAsP中間層7を介し3段のコラムナ量子ドット層6A〜6Cを積層して活性層8を形成し、p型InPクラッド層9を形成して、図1に示したような構造を得る。 Thereafter, as in the first embodiment, three columnar quantum dot layers 6A to 6C are stacked through the InGaAsP intermediate layer 7 to form the active layer 8, and the p-type InP cladding layer 9 is formed. The structure shown in is obtained.
さらに、第1実施例で図3、図4を参照しながら説明した工程と同様にして、ストライプメサ構造を形成し、p型InGaAsコンタクト層13、p側電極14p、n側電極14n、及び反射防止膜15を形成する。このようにして、第2実施例の半導体光増幅器が形成される。 Further, a stripe mesa structure is formed in the same manner as described in the first embodiment with reference to FIGS. 3 and 4, and the p-type InGaAs contact layer 13, the p-side electrode 14p, the n-side electrode 14n, and the reflection are formed. The prevention film 15 is formed. In this way, the semiconductor optical amplifier of the second embodiment is formed.
図7に示されたような、2層の低引張歪量子ドット部QDLと、1層の高引張歪量子ドット部QDHとが交互に積層されたコラムナ量子ドットが、1段形成された試料を作製して、PL発光波長を測定した。 As shown in FIG. 7, a sample in which one columnar quantum dot in which two layers of low tensile strain quantum dot portions QDL and one layer of high tensile strain quantum dot portions QDH are alternately stacked is formed. The PL emission wavelength was prepared and measured.
低引張歪スペーサ層5Lの引張歪量を0.4%と一定にし、高引張歪スペーサ層5Hの引張歪量を1.4%、2.4%、3.4%と変化させて、3種の試料を作製した。低引張歪量0.4%で高引張歪量1.4%の試料は、平均歪量0.74%(圧縮歪)であり、低引張歪量0.4%で高引張歪量2.4%の試料は、平均歪量0.56%(圧縮歪)であり、低引張歪量0.4%で高引張歪量3.4%の試料は、平均歪量0.39%(圧縮歪)である。 The tensile strain amount of the low tensile strain spacer layer 5L is kept constant at 0.4%, and the tensile strain amount of the high tensile strain spacer layer 5H is changed to 1.4%, 2.4%, and 3.4%. A seed sample was made. A sample having a low tensile strain of 0.4% and a high tensile strain of 1.4% has an average strain of 0.74% (compression strain), and a low tensile strain of 0.4% and a high tensile strain of 2. The 4% sample has an average strain of 0.56% (compression strain), and the low tensile strain of 0.4% and the high tensile strain of 3.4% sample has an average strain of 0.39% (compression). Distortion).
再び図5を参照する。図5に、第2実施例のコラムナ量子ドットの平均歪量とPL発光波長との関係も示す。第2実施例の結果を、四角のプロットで示す。 Refer to FIG. 5 again. FIG. 5 also shows the relationship between the average strain amount of the columnar quantum dots of the second embodiment and the PL emission wavelength. The results of the second example are shown as square plots.
第2実施例の平均歪量0.74%(低引張歪量0.4%/高引張歪量1.4%)の試料は、比較例とほぼ同様な、波長1.542μm程度の発光を示した。第2実施例の平均歪量0.56%(低引張歪量0.4%/高引張歪量2.4%)の試料、及び、平均歪量0.39%(低引張歪量0.4%/高引張歪量3.4%)の試料は、それぞれ、平均歪量の等しい比較例の試料に比べて長波長の、波長1.538μm程度及び波長1.526μm程度の発光を示した。 The sample having an average strain amount of 0.74% (low tensile strain amount 0.4% / high tensile strain amount 1.4%) of the second embodiment emits light having a wavelength of about 1.542 μm, which is almost the same as the comparative example. Indicated. A sample having an average strain amount of 0.56% (low tensile strain amount 0.4% / high tensile strain amount 2.4%) and an average strain amount of 0.39% (low tensile strain amount 0. 4% / high tensile strain amount 3.4%) each emitted light having a longer wavelength and a wavelength of about 1.538 μm and a wavelength of about 1.526 μm than the sample of the comparative example having the same average strain amount. .
第2実施例のコラムナ量子ドットでも、第1実施例と同様に、比較例に比べ、平均歪量を低下させたときの発光波長の短波長化が抑制されている。平均歪量低下に伴う発光波長短波長化の傾きは、第2実施例の方が第1実施例よりも緩やかである傾向が見られる。 Also in the columnar quantum dots of the second example, as in the first example, the shortening of the emission wavelength when the average strain amount is reduced is suppressed as compared with the comparative example. The inclination of shortening the emission wavelength due to the decrease in the average strain amount tends to be gentler in the second embodiment than in the first embodiment.
第2実施例では、第1実施例に比べ、等しい平均歪量でより長波長の発光が得られる。所望の長波長の発光波長を得るとき、平均歪量をより小さくできるといえる。 In the second embodiment, light emission with a longer wavelength can be obtained with the same average strain amount than in the first embodiment. It can be said that when obtaining a desired long-wavelength emission wavelength, the average strain amount can be further reduced.
次に、第2実施例のコラムナ量子ドットが、第1実施例に比べ、等しい平均歪量でより長波長のPL発光を示した理由について考察する。なお、この理由は明らかではなく、下記の考察は1つの考え方を示すものである。 Next, the reason why the columnar quantum dots of the second example exhibited longer wavelength PL emission with the same average strain amount than that of the first example will be considered. The reason for this is not clear, and the following discussion shows one way of thinking.
第1実施例では、低引張歪量子ドット部QDLと高引張歪量子ドット部QDHとが1層ずつ交互に積層されている。低引張歪量子ドット部QDLの含む量子ドット4Lは、それを覆う低引張歪スペーサ層5Lから作用を受けるとともに、直下の高引張歪量子ドット部QDHの高引張歪スペーサ層5Hからも、やや作用を受ける。そのため、低引張歪スペーサ層5Lから受ける作用と、高引張歪スペーサ層5Hから受ける作用とが、やや平均化されると考えられる。なお、これは、量子ドット4Hについても同様である。これに起因して、量子ドット4Lと量子ドット4Hのエネルギー準位差が減少すると考えられる。 In the first embodiment, low tensile strain quantum dot portions QDL and high tensile strain quantum dot portions QDH are alternately stacked one by one. The quantum dots 4L included in the low tensile strain quantum dot portion QDL are affected by the low tensile strain spacer layer 5L covering the quantum dots 4L, and are also somewhat effective from the high tensile strain spacer layer 5H of the high tensile strain quantum dot portion QDH immediately below. Receive. Therefore, it is considered that the action received from the low tensile strain spacer layer 5L and the action received from the high tensile strain spacer layer 5H are somewhat averaged. This also applies to the quantum dots 4H. Due to this, it is considered that the energy level difference between the quantum dots 4L and 4H decreases.
一方、第2実施例では、2層の低引張歪量子ドット部QDLと、1層の高引張歪量子ドット部QDHとが交互に積層されている。2層重なった低引張歪量子ドット部QDLの、上側の低引張歪量子ドット部QDLの含む量子ドット4L(これを、量子ドット4LUと呼ぶこととする)は、それを覆うスペーサ層、及び、その直下のスペーサ層の両方とも、低引張歪スペーサ層5Lである。このため、量子ドット4LUは、高引張歪スペーサ層5Hによる影響を受けにくく、エネルギー準位が低く保たれやすいと考えられる。従って、第2実施例では、第1実施例に比べて、量子ドット4Lと量子ドット4Hのエネルギー準位差が減少しにくく、低い結合量子準位が得られやすいのではないかと考えられる。 On the other hand, in the second embodiment, two layers of low tensile strain quantum dot portions QDL and one layer of high tensile strain quantum dot portions QDH are alternately stacked. The quantum dots 4L (which will be referred to as quantum dots 4LU) included in the upper low tensile strain quantum dot portion QDL of the two layers of the low tensile strain quantum dot portion QDL overlapped with each other, and Both of the spacer layers immediately below the low tensile strain spacer layer 5L. For this reason, it is considered that the quantum dots 4LU are not easily affected by the high tensile strain spacer layer 5H, and the energy level is easily kept low. Therefore, in the second embodiment, it is considered that the energy level difference between the quantum dots 4L and 4H is less likely to decrease than in the first embodiment, and a low coupled quantum level is likely to be obtained.
なお、第2実施例では、2層の低引張歪量子ドット部QDLと、1層の高引張歪量子ドット部QDHとの交互積層構造としたが、低引張歪量子ドット部QDLは3層以上積層することもでき、高引張歪量子ドット部QDHは2層以上積層することもできると考えられる。ただし、低引張歪量子ドット部QDLのある積層部分L1と、この直上に配置された低引張歪量子ドット部QDLの積層部分L2との間に配置される、高引張歪量子ドット部QDHの積層部分は、積層部分L1に含まれる量子ドット4Lと、積層部分L2に含まれる量子ドット4Lとが、互いに量子力学的に結合できる範囲の厚さとする。 In addition, in 2nd Example, although it was set as the alternately laminated structure of the low tensile strain quantum dot part QDL of 2 layers, and the high tensile strain quantum dot part QDH of 1 layer, the low tensile strain quantum dot part QDL is three or more layers. It is also considered that two or more high tensile strain quantum dot portions QDH can be stacked. However, the stack of the high tensile strain quantum dot portion QDH disposed between the stack portion L1 having the low tensile strain quantum dot portion QDL and the stack portion L2 of the low tensile strain quantum dot portion QDL disposed immediately above this portion. The portion has a thickness within a range in which the quantum dots 4L included in the stacked portion L1 and the quantum dots 4L included in the stacked portion L2 can be coupled to each other quantum mechanically.
以上、第1及び第2実施例で説明したように、低引張歪量子ドット部QDLと高引張歪量子ドット部QDHとが厚さ方向に交互に複数配置された構造を有するコラムナ量子ドットを形成することにより、スペーサ層の引張歪量が均一なコラムナ量子ドットに比べて、平均歪量の低下に伴う発光波長の短波長化を抑制でき、あるいは、等しい平均歪量で長波長の発光を得ることが容易になる。 As described above, as described in the first and second embodiments, columnar quantum dots having a structure in which a plurality of low tensile strain quantum dot portions QDL and high tensile strain quantum dot portions QDH are alternately arranged in the thickness direction are formed. By doing so, compared to the columnar quantum dots having a uniform tensile strain amount of the spacer layer, it is possible to suppress the emission wavelength from being shortened due to the decrease in the average strain amount, or to obtain long wavelength light emission with the same average strain amount. It becomes easy.
所望の発光波長を得るとき、平均歪量を小さくできることにより、良好な結晶性を保ってコラムナ量子ドットを多段積層することが容易になる。なお、平均歪量を小さくできることにより、コラムナ量子ドットを多段積層する場合に限らず、コラムナ量子ドット上方に形成する半導体層の結晶品質を高めることができる。 When obtaining a desired emission wavelength, the average strain can be reduced, so that it becomes easy to stack columnar quantum dots in a multi-stage while maintaining good crystallinity. Note that, since the average strain amount can be reduced, the crystal quality of the semiconductor layer formed above the columnar quantum dots can be improved not only when the columnar quantum dots are stacked in multiple stages.
また、第2実施例で説明したように、低引張歪量子ドット部QDLを複数層重ねることにより(ある高引張歪量子ドット部QDHと、その直上の高引張歪量子ドット部QDHとの間に、複数層重ねた低引張歪量子ドット部QDLを配置することにより)、所定の平均歪量での発光波長を、より長波長にしやすい。 Further, as described in the second embodiment, by stacking a plurality of low tensile strain quantum dot portions QDL (between a certain high tensile strain quantum dot portion QDH and a high tensile strain quantum dot portion QDH immediately above it) By arranging a plurality of stacked low tensile strain quantum dot portions QDL), it is easy to make the emission wavelength at a predetermined average strain amount longer.
なお、第1、第2実施例では、n型InP(001)基板を用いたが、その他、p型InP(001)基板、高抵抗(SI)InP(001)基板等を適用することもできる。その場合は、導電型、電極配置、埋め込み構造等を、適宜変更することができる。 In the first and second embodiments, an n-type InP (001) substrate is used. However, a p-type InP (001) substrate, a high resistance (SI) InP (001) substrate, and the like can also be applied. . In that case, the conductivity type, electrode arrangement, embedded structure, and the like can be changed as appropriate.
さらに、コラムナ量子ドットを形成する基板として、InP基板以外の他の半導体基板を用いることもできると考えられる。 Furthermore, it is considered that a semiconductor substrate other than the InP substrate can be used as the substrate on which the columnar quantum dots are formed.
次に、第3及び第4実施例として、GaAs基板上へのコラムナ量子ドット形成について説明する。なお、参照符号付与の煩雑さを減らすため、第1、第2実施例と対応が明確な部材等について、参照符号を流用する。 Next, formation of columnar quantum dots on a GaAs substrate will be described as third and fourth embodiments. In order to reduce the complexity of assigning reference signs, reference signs are used for members and the like that clearly correspond to the first and second embodiments.
第3実施例によるコラムナ量子ドット、及びそれを利用した半導体光増幅器について説明する。 A columnar quantum dot according to a third embodiment and a semiconductor optical amplifier using the same will be described.
図8は、第3実施例の半導体光増幅器が含む、コラムナ量子ドットの多段積層部分を示す概略断面図である。 FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a multi-layered portion of columnar quantum dots included in the semiconductor optical amplifier of the third embodiment.
図9は、第3実施例のコラムナ量子ドット1つ分を拡大して示す概略断面図である。 FIG. 9 is an enlarged schematic cross-sectional view showing one columnar quantum dot of the third embodiment.
図8及び図9を参照しながら、製造工程に沿って説明を進める。結晶成長方法として、第1、第2実施例と同様にMOVPEを用いることができ、原料も、第1、第2実施例と同様ものを使用することができる。 The description will be given along the manufacturing process with reference to FIGS. As the crystal growth method, MOVPE can be used as in the first and second embodiments, and the same raw material as in the first and second embodiments can be used.
n型GaAs(001)基板1を、MOVPE成長炉に装備して、AsH3雰囲気下で成長温度を630℃まで昇温する。 The n-type GaAs (001) substrate 1 is equipped in a MOVPE growth furnace and the growth temperature is raised to 630 ° C. in an AsH 3 atmosphere.
次に、TEGa及びSiH4も供給して、n型GaAsバッファ層2を、厚さ500nm形成する。 Next, TEGa and SiH 4 are also supplied to form the n-type GaAs buffer layer 2 with a thickness of 500 nm.
TEGa及びSiH4の供給を停止し、AsH3雰囲気下で成長温度を430℃まで下げる。次に、供給ガスをTEGa及びAsH3として、バッファ層2上に、ノンドープGaAs光閉じ込め層3を、厚さ40nm形成する。 The supply of TEGa and SiH 4 is stopped, and the growth temperature is lowered to 430 ° C. in an AsH 3 atmosphere. Next, the supply gas is TEGa and AsH 3 , and the non-doped GaAs optical confinement layer 3 is formed to a thickness of 40 nm on the buffer layer 2.
次に、第1実施例と同様にして、光閉じ込め層3上にInAs量子ドット4(4L)を形成し、量子ドット4(4L)上に低引張歪InGaAsPスペーサ層5Lを形成し、低引張歪InGaAsPスペーサ層5L上にInAs量子ドット4(4H)を形成し、量子ドット4(4H)上に高引張歪InGaAsPスペーサ層5Hを形成する。 Next, in the same manner as in the first example, InAs quantum dots 4 (4L) are formed on the optical confinement layer 3, and a low tensile strain InGaAsP spacer layer 5L is formed on the quantum dots 4 (4L), thereby reducing the low tension. An InAs quantum dot 4 (4H) is formed on the strained InGaAsP spacer layer 5L, and a high tensile strain InGaAsP spacer layer 5H is formed on the quantum dot 4 (4H).
InAs量子ドット4の形成条件は、例えば第1実施例と同様である。低引張歪InGaAsPスペーサ層5Lは、例えば、組成波長が0.75μmで、引張歪量が0.4%となるような組成とし、高引張歪InGaAsPスペーサ層5Hは、例えば、組成波長が0.75μmで、引張歪量が1.0%となるような組成とする。 The conditions for forming the InAs quantum dots 4 are the same as in the first embodiment, for example. The low tensile strain InGaAsP spacer layer 5L has, for example, a composition wavelength of 0.75 μm and a tensile strain of 0.4%, and the high tensile strain InGaAsP spacer layer 5H has, for example, a composition wavelength of 0. The composition is such that the tensile strain amount is 1.0% at 75 μm.
このようにして、低引張歪量子ドット部QDL上に高引張歪量子ドット部QDHが積層された構造が形成される。 In this way, a structure in which the high tensile strain quantum dot portion QDH is stacked on the low tensile strain quantum dot portion QDL is formed.
低引張歪量子ドット部QDLの形成、及び、高引張歪量子ドット部QDHの形成を1組とした工程を、その後3回繰り返す。次に、最上の高引張歪量子ドット部QDH上に、低引張歪量子ドット部QDLを形成する。最後に、最上の低引張歪スペーサ層5L上に、InAs量子ドット4を形成する。このようにして、10層の量子ドット4と、9層のスペーサ層5とが交互に積層されたコラムナ量子ドット6が形成される。第3実施例のコラムナ量子ドット6は、波長1.06μm程度での発光が期待される。 Thereafter, the process of forming the low tensile strain quantum dot portion QDL and the high tensile strain quantum dot portion QDH as one set is repeated three times. Next, the low tensile strain quantum dot portion QDL is formed on the uppermost high tensile strain quantum dot portion QDH. Finally, InAs quantum dots 4 are formed on the uppermost low tensile strain spacer layer 5L. In this way, columnar quantum dots 6 in which ten quantum dots 4 and nine spacer layers 5 are alternately stacked are formed. The columnar quantum dots 6 of the third embodiment are expected to emit light at a wavelength of about 1.06 μm.
第3実施例のコラムナ量子ドット6は、第1実施例と同様に、低引張歪量子ドット部QDLと高引張歪量子ドット部QDHとが1層ずつ交互に積層された構造を有する。 The columnar quantum dots 6 of the third embodiment have a structure in which low tensile strain quantum dot portions QDL and high tensile strain quantum dot portions QDH are alternately stacked one by one, as in the first embodiment.
その後、供給ガスをTEGa及びAsH3とし、1段目のコラムナ量子ドット6を覆って、GaAs中間層7を、例えば厚さ40nm形成する。 Thereafter, the supply gas is set to TEGa and AsH 3, and the GaAs intermediate layer 7 is formed to a thickness of 40 nm, for example, covering the first columnar quantum dots 6.
コラムナ量子ドット6形成、中間層7形成を1組とした工程を、その後3回繰り返す。このようにして、4段のコラムナ量子ドット層6A〜6Dが中間層7を介して積層された、コラムナ量子ドットの多段積層構造が形成される。なお、最上に形成されたGaAs層は、中間層7でなく、光閉じ込め層3と呼ぶこととする。 The process of forming columnar quantum dots 6 and intermediate layer 7 as a set is then repeated three times. In this way, a multi-layer stacked structure of columnar quantum dots is formed in which the four columnar quantum dot layers 6 </ b> A to 6 </ b> D are stacked via the intermediate layer 7. Note that the uppermost GaAs layer is called the light confinement layer 3, not the intermediate layer 7.
下側の光閉じ込め層3、1段目のコラムナ量子ドット層6A、下から1番目の中間層7、2段目のコラムナ量子ドット層6B、下から2番目の中間層7、3段目のコラムナ量子ドット層6C、下から3番目の中間層7、4段目のコラムナ量子ドット層6D、及び上側の光閉じ込め層3を含んで、活性層8が形成される。 Lower optical confinement layer 3, first columnar quantum dot layer 6A, first intermediate layer 7 from the bottom, second columnar quantum dot layer 6B, second intermediate layer 7 from the bottom, third step An active layer 8 is formed including the columnar quantum dot layer 6C, the third intermediate layer 7 from the bottom, the fourth columnar quantum dot layer 6D, and the upper optical confinement layer 3.
その後、AsH3雰囲気下で成長温度を630℃まで昇温し、TEGa、AsH3、及びDEZnを供給して、上側の光閉じ込め層3上に、p型GaAsクラッド層9を、例えば厚さ1.5μm形成する。 Thereafter, the growth temperature is raised to 630 ° C. in an AsH 3 atmosphere, TEGa, AsH 3 , and DEZn are supplied, and a p-type GaAs cladding layer 9 is formed on the upper optical confinement layer 3 with a thickness of, for example, 1 Form 5 μm.
図10も参照して説明を進める。図10は、第3実施例の半導体光増幅器の、増幅される光の入射方向から見た概略断面図である。p型GaAsクラッド層9上に、p型GaAsコンタクト層13を形成する。次に、p側電極形成領域以外をp型クラッド層9の途中深さまでエッチングする。残ったp型コンタクト層13上にp側電極14pを形成し、n型GaAs基板1の裏面上にn側電極14nを形成し、リッジ構造とする。 The description will be continued with reference to FIG. FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the semiconductor optical amplifier according to the third embodiment viewed from the incident direction of the amplified light. A p-type GaAs contact layer 13 is formed on the p-type GaAs cladding layer 9. Next, the portion other than the p-side electrode formation region is etched to a depth halfway of the p-type cladding layer 9. A p-side electrode 14p is formed on the remaining p-type contact layer 13, and an n-side electrode 14n is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 1 to form a ridge structure.
さらに、図4も流用して参照し、説明を進める。第3実施例の半導体光増幅器の、増幅される光が入射する面を真横から見た(厚さ方向の)概略断面図は、第1、第2実施例の半導体光増幅器と同様に、図4のようなものである。光入射側及び光出射側の端面に、反射防止膜15を形成する。このようにして、第3実施例の半導体光増幅器が形成される。 Furthermore, FIG. 4 is also referred to and the description is advanced. A schematic cross-sectional view (in the thickness direction) of the semiconductor optical amplifier according to the third embodiment, viewed from the side where the light to be amplified enters, is the same as the semiconductor optical amplifier according to the first and second embodiments. 4 and so on. Antireflection films 15 are formed on the end surfaces on the light incident side and the light emission side. In this way, the semiconductor optical amplifier of the third embodiment is formed.
第4実施例によるコラムナ量子ドット、及びそれを利用した半導体光増幅器について説明する。第4実施例は、第3実施例と、コラムナ量子ドット6における低引張歪スペーサ層5L、高引張歪スペーサ層5Hの積層順序が異なる。半導体光増幅器としての構造は、第3実施例と同様であり、図11及び図4を流用して、第4実施例でも参照する。量子ドット4、低引張歪スペーサ層5L、高引張歪スペーサ層5H等の形成方法は、第3実施例と同様である。 A columnar quantum dot according to a fourth embodiment and a semiconductor optical amplifier using the same will be described. The fourth embodiment is different from the third embodiment in the stacking order of the low tensile strain spacer layer 5L and the high tensile strain spacer layer 5H in the columnar quantum dots 6. The structure as a semiconductor optical amplifier is the same as that of the third embodiment, and FIG. 11 and FIG. 4 are used to refer to the fourth embodiment. The formation methods of the quantum dots 4, the low tensile strain spacer layer 5L, the high tensile strain spacer layer 5H, and the like are the same as in the third embodiment.
図11は、第4実施例の半導体光増幅器が含む、コラムナ量子ドットの多段積層部分を示す概略断面図である。 FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a multi-layered portion of columnar quantum dots included in the semiconductor optical amplifier of the fourth embodiment.
図12は、第4実施例のコラムナ量子ドット1つ分を拡大して示す概略断面図である。 FIG. 12 is an enlarged schematic sectional view showing one columnar quantum dot of the fourth embodiment.
第3実施例と同様にして、n型GaAs基板1上に、下方からn型GaAsバッファ層2、GaAs光閉じ込め層3を形成し、GaAs光閉じ込め層3上にInAs量子ドット4を形成し、InAs量子ドット4上に低引張歪InGaAsPスペーサ層5Lを形成する。 Similarly to the third embodiment, an n-type GaAs buffer layer 2 and a GaAs light confinement layer 3 are formed on the n-type GaAs substrate 1 from below, and an InAs quantum dot 4 is formed on the GaAs light confinement layer 3. A low tensile strain InGaAsP spacer layer 5L is formed on the InAs quantum dots 4.
低引張歪スペーサ層5L上に、InAs量子ドット4(4L)を形成し、量子ドット4(4L)上に、再び低引張歪InGaAsPスペーサ層5Lを形成する。 An InAs quantum dot 4 (4L) is formed on the low tensile strain spacer layer 5L, and a low tensile strain InGaAsP spacer layer 5L is formed again on the quantum dot 4 (4L).
下から2番目の低引張歪スペーサ層5L上に、InAs量子ドット4(4H)を形成し、量子ドット4(4H)上に、高引張歪InGaAsPスペーサ層5Hを形成する。 InAs quantum dots 4 (4H) are formed on the second low tensile strain spacer layer 5L from the bottom, and high tensile strain InGaAsP spacer layers 5H are formed on the quantum dots 4 (4H).
このようにして、低引張歪量子ドット部QDLが2層積層され、その上に高引張歪量子ドット部QDHが1層積層された構造が形成される。 In this manner, a structure in which two layers of low tensile strain quantum dot portions QDL are stacked and one layer of high tensile strain quantum dot portions QDH is stacked thereon is formed.
低引張歪量子ドット部QDLの形成、低引張歪量子ドット部QDLの形成、及び、高引張歪量子ドット部QDHの形成を1組とした工程を、その後1回行う。 The process of forming the low tensile strain quantum dot portion QDL, forming the low tensile strain quantum dot portion QDL, and forming the high tensile strain quantum dot portion QDH as one set is performed once thereafter.
最上の高引張歪量子ドット部QDHの上に、さらに2層の低引張歪量子ドット部QDLを積層する。最後に、最上の低引張歪スペーサ層5L上に、量子ドット4を形成する。このようにして、9層の量子ドット4と、8層のスペーサ層5とが交互に積層されたコラムナ量子ドット6が形成される。第4実施例のコラムナ量子ドット6は、波長1.2μm〜1.3μm程度での発光が期待される。 Two lower tensile strain quantum dot portions QDL are stacked on the uppermost high tensile strain quantum dot portion QDH. Finally, the quantum dots 4 are formed on the uppermost low tensile strain spacer layer 5L. In this way, columnar quantum dots 6 in which nine quantum dots 4 and eight spacer layers 5 are alternately stacked are formed. The columnar quantum dots 6 of the fourth embodiment are expected to emit light at a wavelength of about 1.2 μm to 1.3 μm.
第4実施例のコラムナ量子ドット6は、第2実施例と同様に、2層の低引張歪量子ドット部QDLと、1層の高引張歪量子ドット部QDHとが交互に積層された構造を有する。 As in the second embodiment, the columnar quantum dots 6 of the fourth embodiment have a structure in which two layers of low tensile strain quantum dot portions QDL and one layer of high tensile strain quantum dot portions QDH are alternately stacked. Have.
その後、第3実施例と同様に、GaAs中間層7を介し4段のコラムナ量子ドット層6A〜6Dを積層して活性層8を形成し、p型GaAsクラッド層9を形成して、図11に示したような構造を得る。 Thereafter, as in the third embodiment, four columnar quantum dot layers 6A to 6D are stacked through the GaAs intermediate layer 7 to form the active layer 8, and the p-type GaAs cladding layer 9 is formed. The structure shown in is obtained.
さらに、第3実施例で図10、図4を参照しながら説明した工程と同様な工程を経て、第4実施例の半導体光増幅器が形成される。 Furthermore, the semiconductor optical amplifier of the fourth embodiment is formed through the same steps as those described with reference to FIGS. 10 and 4 in the third embodiment.
なお、第3、第4実施例では、n型GaAs基板を用いたが、その他、p型GaAs基板、高抵抗(SI)GaAs基板等を適用することもできる。その場合は、導電型、電極配置等を適宜変更することができる。 In the third and fourth embodiments, an n-type GaAs substrate is used. However, a p-type GaAs substrate, a high resistance (SI) GaAs substrate, and the like can also be applied. In that case, the conductivity type, electrode arrangement, and the like can be changed as appropriate.
なお、構造パラメータ、材料、デバイス構造等は、第1〜第4実施例に記載されたものに限定されるものではない。 The structural parameters, materials, device structures, etc. are not limited to those described in the first to fourth embodiments.
例えば、InAs量子ドットの供給量、InGaAsPスペーサ層の組成波長、厚さ、歪量は、第1〜第4実施例の値に限定されるものではない。低引張歪スペーサ層と高引張歪スペーサ層の組成波長を等しくすることは必須ではない。 For example, the supply amount of InAs quantum dots, the composition wavelength, thickness, and strain of the InGaAsP spacer layer are not limited to the values in the first to fourth embodiments. It is not essential that the composition wavelengths of the low tensile strain spacer layer and the high tensile strain spacer layer be equal.
また例えば、量子ドットの材料として、InAsの他に、InSb、InGaAs、InGaAsSb等の適用も可能であると考えられる。組成を明示して表すと、量子ドットの材料として、InxGa1−xAsySb1−y(0<x≦1,0≦y≦1)を用いることができると考えられる。ただし、量子ドットの面内の対称性が良いという観点で、InAsが好ましい。 Further, for example, it is considered that InSb, InGaAs, InGaAsSb, etc. can be applied as the quantum dot material in addition to InAs. If the composition is expressed explicitly, it is considered that In x Ga 1-x As y Sb 1-y (0 <x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1) can be used as the material of the quantum dots. However, InAs is preferable from the viewpoint that the in-plane symmetry of the quantum dots is good.
また例えば、スペーサ層の材料として、InGaAsPの他に、AlGaInAsの適用も可能であると考えられる。ただし、量子ドットの成長温度が低温の場合、スペーサ層の結晶性向上の観点からは、InGaAsPがより好ましい。 Further, for example, it is considered that AlGaInAs can be applied as a material for the spacer layer in addition to InGaAsP. However, when the growth temperature of the quantum dots is low, InGaAsP is more preferable from the viewpoint of improving the crystallinity of the spacer layer.
また例えば、第1〜第4実施例の半導体素子として半導体光増幅器を示したが、同様な製造工程で、両端面を劈開もしくは高反射膜コートすることにより、半導体レーザの作製も可能である。 Further, for example, the semiconductor optical amplifier is shown as the semiconductor element of the first to fourth embodiments. However, it is possible to manufacture a semiconductor laser by cleaving or coating a highly reflective film on both end faces in the same manufacturing process.
なお、第1〜第4実施例では、コラムナ量子ドットの最上部を、量子ドットがスペーサ層に覆われない構造としたが、コラムナ量子ドットの最上部を、量子ドットがスペーサ層に覆われた構造とすることもできる。 In the first to fourth embodiments, the uppermost part of the columnar quantum dots is structured such that the quantum dots are not covered with the spacer layer. However, the uppermost part of the columnar quantum dots is covered with the spacer layer. It can also be a structure.
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
以上説明した第1〜第4実施例を含む実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
(付記1)
半導体基板と、
前記半導体基板上方に形成されたコラムナ量子ドットと
を有し、
前記コラムナ量子ドットは、
第1量子ドットと、前記第1量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し引張歪量を持つ第1スペーサ層とで形成された第1部と、
第2量子ドットと、前記第2量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し前記第1スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第2スペーサ層とで形成された第2部とが、
厚さ方向に交互に配置された構造を有する半導体素子。
(付記2)
前記コラムナ量子ドットは、ある前記第2部と、その直上の前記第2部との間に、複数の前記第1部が積層されている構造を有する付記1に記載の半導体素子。
(付記3)
前記コラムナ量子ドットは、複数積層された前記第1部と、1層の前記第2部とが、交互に積層された構造を有する付記1または2に記載の半導体素子。
(付記4)
前記半導体基板は、InPで形成されている付記1〜3のいずれか1つに記載の半導体素子。
(付記5)
前記半導体基板は、GaAsで形成されている付記1〜3のいずれか1つに記載の半導体素子。
(付記6)
前記第1量子ドット及び前記第2量子ドットは、InxGa1−xAsySb1−y(0<x≦1,0≦y≦1)で形成されている付記1〜5のいずれか1つに記載の半導体素子。
(付記7)
前記第1スペーサ層及び前記第2スペーサ層は、InGaAsPまたはAlGaInAsで形成されている付記1〜6のいずれか1つに記載の半導体素子。
(付記8)
半導体基板と、
前記半導体基板上方に、中間層を介して複数段重ねられたコラムナ量子ドットと
を有し、
前記複数段重ねられたコラムナ量子ドットの各々は、
第1量子ドットと、前記第1量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し引張歪量を持つ第1スペーサ層とで形成された第1部と、
第2量子ドットと、前記第2量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し前記第1スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第2スペーサ層とで形成された第2部とが、
厚さ方向に交互に配置された構造を有する半導体素子。
(付記9)
さらに、
前記半導体基板と前記複数段重ねられたコラムナ量子ドットとの間に配置された第1導電型の第1半導体層と、
前記複数段重ねられたコラムナ量子ドットの上方に配置され前記第1導電型と反対の第2導電型の第2半導体層と
を有し、
半導体光増幅器または半導体レーザである付記8に記載の半導体素子。
(付記10)
半導体基板の上方に、第1量子ドットを形成し、前記第1量子ドット上に、前記半導体基板に対し引張歪量を持つ第1スペーサ層を積層して、前記第1量子ドット上に前記第1スペーサ層が積層された第1部を形成する工程と、
前記第1スペーサ層の上方に、第2量子ドットを形成し、前記第2量子ドット上に、前記半導体基板に対し前記第1スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第2スペーサ層を積層して、前記第2量子ドット上に前記第2スペーサ層が積層された第2部を形成する工程と
を有し、
前記第1部と前記第2部とが、厚さ方向に交互に配置された構造が形成されるように、前記第1部を形成する工程と、前記第2部を形成する工程とを繰り返す半導体素子の製造方法。
The following additional notes are further disclosed regarding the embodiment including the first to fourth examples described above.
(Appendix 1)
A semiconductor substrate;
Columnar quantum dots formed above the semiconductor substrate,
The columnar quantum dot is
A first portion formed of a first quantum dot and a first spacer layer stacked on the first quantum dot and having a tensile strain with respect to the semiconductor substrate;
A second portion formed of a second quantum dot and a second spacer layer stacked on the second quantum dot and having a tensile strain larger than that of the first spacer layer with respect to the semiconductor substrate;
A semiconductor element having a structure arranged alternately in the thickness direction.
(Appendix 2)
The semiconductor element according to appendix 1, wherein the columnar quantum dot has a structure in which a plurality of the first parts are stacked between the second part and the second part immediately above the second part.
(Appendix 3)
3. The semiconductor element according to appendix 1 or 2, wherein the columnar quantum dot has a structure in which a plurality of the first portions and a single layer of the second portion are alternately stacked.
(Appendix 4)
The semiconductor element according to any one of appendices 1 to 3, wherein the semiconductor substrate is made of InP.
(Appendix 5)
The semiconductor element according to any one of appendices 1 to 3, wherein the semiconductor substrate is made of GaAs.
(Appendix 6)
Wherein the first quantum dot and the second quantum dot, either In x Ga 1-x As y Sb 1-y (0 <x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1) is formed by Appendix 1-5 The semiconductor element as described in one.
(Appendix 7)
The semiconductor element according to any one of appendices 1 to 6, wherein the first spacer layer and the second spacer layer are made of InGaAsP or AlGaInAs.
(Appendix 8)
A semiconductor substrate;
Columnar quantum dots stacked on a plurality of stages via an intermediate layer above the semiconductor substrate,
Each of the plurality of columnar quantum dots stacked is
A first portion formed of a first quantum dot and a first spacer layer stacked on the first quantum dot and having a tensile strain with respect to the semiconductor substrate;
A second portion formed of a second quantum dot and a second spacer layer stacked on the second quantum dot and having a tensile strain larger than that of the first spacer layer with respect to the semiconductor substrate;
A semiconductor element having a structure arranged alternately in the thickness direction.
(Appendix 9)
further,
A first conductivity type first semiconductor layer disposed between the semiconductor substrate and the plurality of stacked columnar quantum dots;
A second semiconductor layer of a second conductivity type disposed above the columnar quantum dots stacked in a plurality of stages and opposite to the first conductivity type;
Item 9. The semiconductor element according to appendix 8, which is a semiconductor optical amplifier or a semiconductor laser.
(Appendix 10)
A first quantum dot is formed above the semiconductor substrate, a first spacer layer having a tensile strain with respect to the semiconductor substrate is stacked on the first quantum dot, and the first quantum dot is formed on the first quantum dot. Forming a first portion in which one spacer layer is laminated;
A second quantum dot is formed above the first spacer layer, and a second spacer layer having a tensile strain larger than that of the first spacer layer is stacked on the semiconductor substrate on the second quantum dot. And forming a second portion in which the second spacer layer is laminated on the second quantum dots,
The process of forming the first part and the process of forming the second part are repeated so that a structure in which the first part and the second part are alternately arranged in the thickness direction is formed. A method for manufacturing a semiconductor device.
1 基板
2 バッファ層
3 光閉じ込め層
4 量子ドット
4L 低引張歪スペーサ層が積層された量子ドット
4H 高引張歪スペーサ層が積層された量子ドット
5 スペーサ層
5L 低引張歪スペーサ層
5H 高引張歪スペーサ層
QDL 低引張歪量子ドット部
QDH 高引張歪量子ドット部
6 コラムナ量子ドット
6A、6B、6C、6D コラムナ量子ドット層
7 中間層
8 活性層
9 クラッド層
10 p型InP埋め込み層
11 n型InPブロック層
12 p型InP層
13 コンタクト層
14p、14n 電極
15 反射防止膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Buffer layer 3 Optical confinement layer 4 Quantum dot 4L Quantum dot 4H laminated with low tensile strain spacer layer Quantum dot 5 laminated with high tensile strain spacer layer 5 Spacer layer 5L Low tensile strain spacer layer 5H High tensile strain spacer Layer QDL Low tensile strain quantum dot portion QDH High tensile strain quantum dot portion 6 Columnar quantum dots 6A, 6B, 6C, 6D Columnar quantum dot layer 7 Intermediate layer 8 Active layer 9 Cladding layer 10 p-type InP buried layer 11 n-type InP block Layer 12 p-type InP layer 13 contact layer 14p, 14n electrode 15 antireflection film
Claims (5)
前記半導体基板上方に形成されたコラムナ量子ドットと
を有し、
前記コラムナ量子ドットは、
第1量子ドットと、前記第1量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し引張歪量を持つ第1スペーサ層とで形成された第1部と、
第2量子ドットと、前記第2量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し前記第1スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第2スペーサ層とで形成された第2部とが、
厚さ方向に交互に配置された構造を有する半導体素子。 A semiconductor substrate;
Columnar quantum dots formed above the semiconductor substrate,
The columnar quantum dot is
A first portion formed of a first quantum dot and a first spacer layer stacked on the first quantum dot and having a tensile strain with respect to the semiconductor substrate;
A second portion formed of a second quantum dot and a second spacer layer stacked on the second quantum dot and having a tensile strain larger than that of the first spacer layer with respect to the semiconductor substrate;
A semiconductor element having a structure arranged alternately in the thickness direction.
前記半導体基板上方に、中間層を介して複数段重ねられたコラムナ量子ドットと
を有し、
前記複数段重ねられたコラムナ量子ドットの各々は、
第1量子ドットと、前記第1量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し引張歪量を持つ第1スペーサ層とで形成された第1部と、
第2量子ドットと、前記第2量子ドット上に積層され前記半導体基板に対し前記第1スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第2スペーサ層とで形成された第2部とが、
厚さ方向に交互に配置された構造を有する半導体素子。 A semiconductor substrate;
Columnar quantum dots stacked on a plurality of stages via an intermediate layer above the semiconductor substrate,
Each of the plurality of columnar quantum dots stacked is
A first portion formed of a first quantum dot and a first spacer layer stacked on the first quantum dot and having a tensile strain with respect to the semiconductor substrate;
A second portion formed of a second quantum dot and a second spacer layer stacked on the second quantum dot and having a tensile strain larger than that of the first spacer layer with respect to the semiconductor substrate;
A semiconductor element having a structure arranged alternately in the thickness direction.
前記半導体基板と前記複数段重ねられたコラムナ量子ドットとの間に配置された第1導電型の第1半導体層と、
前記複数段重ねられたコラムナ量子ドットの上方に配置され前記第1導電型と反対の第2導電型の第2半導体層と
を有し、
半導体光増幅器または半導体レーザである請求項3に記載の半導体素子。 further,
A first conductivity type first semiconductor layer disposed between the semiconductor substrate and the plurality of stacked columnar quantum dots;
A second semiconductor layer of a second conductivity type disposed above the columnar quantum dots stacked in a plurality of stages and opposite to the first conductivity type;
The semiconductor device according to claim 3, which is a semiconductor optical amplifier or a semiconductor laser.
前記第1スペーサ層の上方に、第2量子ドットを形成し、前記第2量子ドット上に、前記半導体基板に対し前記第1スペーサ層より大きい引張歪量を持つ第2スペーサ層を積層して、前記第2量子ドット上に前記第2スペーサ層が積層された第2部を形成する工程と
を有し、
前記第1部と前記第2部とが、厚さ方向に交互に配置された構造が形成されるように、前記第1部を形成する工程と、前記第2部を形成する工程とを繰り返す半導体素子の製造方法。 A first quantum dot is formed above the semiconductor substrate, a first spacer layer having a tensile strain with respect to the semiconductor substrate is stacked on the first quantum dot, and the first quantum dot is formed on the first quantum dot. Forming a first portion in which one spacer layer is laminated;
A second quantum dot is formed above the first spacer layer, and a second spacer layer having a tensile strain larger than that of the first spacer layer is stacked on the semiconductor substrate on the second quantum dot. And forming a second portion in which the second spacer layer is laminated on the second quantum dots,
The process of forming the first part and the process of forming the second part are repeated so that a structure in which the first part and the second part are alternately arranged in the thickness direction is formed. A method for manufacturing a semiconductor device.
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