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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Photohalbleitervorrichtung und
ein Verfahren zum Herstellen der Photohalbleitervorrichtung und,
im Besonderen, eine Photohalbleitervorrichtung mit Quantenpunkten
und ein Verfahren zum Herstellen der Photohalbleitervorrichtung.
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Halbleiterlichtverstärker und
Halbleiterlaser haben kleine Abmessungen und einen niedrigen Elektroenergieverbrauch,
wodurch sie auf dem Gebiet der optischen Kommunikation attraktiv
sind.
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Ein
herkömmlicher
Halbleiterlichtverstärker wird
unter Bezugnahme auf 9 erläutert. 9 ist eine
Querschnittsansicht des herkömmlichen
Halbleiterlichtverstärkers.
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Wie
in 9 gezeigt, ist eine Deckschicht 112 aus
n-Typ-InP auf einem
Halbleitersubstrat 110 aus n-Typ-InP gebildet. Eine aktive
Grundmaterialschicht 124 aus InGaAs ist auf der Deckschicht 112 gebildet.
Eine Deckschicht 136 ist auf der aktiven Grundmaterialschicht 124 gebildet.
Die Deckschicht 136, die aktive Grundmaterialschicht 124 und
die Deckschicht 112 sind insgesamt in einer Mesa gebildet
und stellen eine mesaförmige
Lichtwellenleiterschicht 138 dar. Eine Strombegrenzungsschicht 118 ist
aus einer p-Typ-InP-Schicht 118a und
einer n-Typ-InP-Schicht 118b auf beiden Seiten der Lichtwellenleiterschicht 138 gebildet.
Eine Kappenschicht 140 ist aus n-Typ-InP auf der Lichtwellenleiterschicht 138 und
der Strombegrenzungsschicht 118 gebildet. Ein AR-(Antireflexions-)-Mantelfilm
(nicht gezeigt) ist auf beiden Seiten der mesaförmigen Lichtwellenleiterschicht 138 gebildet.
Der herkömmliche
Halbleiterlichtverstärker
hat solch eine Struktur.
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Die
Verwendung einer aktiven Quantenmuldenschicht anstelle der aktiven
Grundmaterialschicht 124 wird auch vorgeschlagen. Durch
die Verwendung der aktiven Quantenmuldenschicht kann die Verstärkungsbandbreite
im Vergleich zu der Verwendung der aktiven Grundmaterialschicht
verbessert werden.
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Jedoch
ist die Verstärkungsbandbreite
des herkömmlichen
Halbleiterlichtverstärkers
unter Verwendung der aktiven Grundmaterialschicht und der aktiven
Quantenmuldenschicht klein. Daher kann der herkömmliche Halbleiterlichtverstärker ein WDM-(Wellenlängenmultiplex)-Signal
eines Breitbandes nicht auf einmal verstärken.
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Wenn
hier mehr Strom in die aktive Grundmaterialschicht und die aktive
Quantenmuldenschicht injiziert wird, nehmen die Anzahlen der Elektronen
und Löcher
zu, die in der aktiven Grundmaterialschicht und der aktiven Quantenschicht
gespeichert werden, wodurch die Verstärkungsbandbreite erweitert
wird. Durch die Zunahme des in die aktive Grundmaterialschicht und
die aktive Quantenmuldenschicht injizierten Stroms erhöht sich
jedoch die Wärmeenergie,
und die Temperaturen der aktiven Grundmaterialschicht und der aktiven
Quantenmuldenschicht steigen an. Daher ist dem Erweitern der Verstärkungsbandbreite,
indem in die aktive Grundmaterialschicht und die aktive Quantenmuldenschicht
mehr Strom injiziert wird, eine Grenze gesetzt.
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Durch
das Verringern der Dicke der aktiven Grundmaterialschicht oder das
Verringern der Schichtanzahl der aktiven Quantenmuldenschicht verringert
sich der Dichtezustand von Trägern
pro Einheitsfläche
des Strominjektionsbereichs, wodurch das Fermi-Niveau auf die Seite
der höheren
Energie übergehen
kann und die Verstärkungsbandbreite
erweitert werden kann. Jedoch wird auch durch das Verringern von
z. B. der Schichtanzahl der aktiven Quantenmuldenschicht auf eine
Schicht die Verstärkungsbandbreite
maximal auf ungefähr
70 nm erweitert.
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Hier
ist ein Film mit hoher Reflexion (nicht gezeigt) auf beiden Seitenoberflächen der
mesaförmigen
Lichtwellenleiterschicht 138 gebildet, um dadurch einen
Halbleiterlaser zu bilden. Jedoch haben die herkömmlichen Halbleiterlaser unter
Verwendung der aktiven Grundmaterialschicht und der aktiven Quantenmuldenschicht
schmale Verstärkungsbandbreiten,
und dementsprechend engen sie variable Wellenlängenbereiche ein.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Vorsehen einer Photohalbleitervorrichtung
mit einer breiten Verstärkungsbandbreite
und eines Verfahrens zum Herstellen der Photohalbleitervorrichtung.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Photohalbleitervorrichtung
vorgesehen, die mehrere Quantenpunkte umfasst, wobei die mehreren
Quantenpunkte ungleichmäßige Größen aufweisen
und in dreidimensional gewachsenen Inseln durch einen S-K-Modus
selbstgebildet sind; dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Fläche eines Strominjektionsbereichs
A ist und die Gesamtfläche der
mehreren Quantenpunkte B ist, das Flächenverhältnis B/A der mehreren Quantenpunkte
0,4 oder weniger beträgt.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Herstellen einer Photohalbleitervorrichtung vorgesehen, mit dem Schritt:
Erzeugen mehrerer Quantenpunkte von ungleichmäßiger Größe über ein Halbleitersubstrat,
wobei die mehreren Quantenpunkte in dreidimensional gewachsenen
Inseln durch einen S-K-Modus selbstgebildet sind; dadurch gekennzeichnet,
dass die mehreren Quantenpunkte so ausgebildet sind, dass, wenn
die Fläche
eines Strominjektionsbereichs A ist und die Gesamtfläche der
mehreren Quantenpunkte B ist, das Flächenverhältnis B/A der mehreren Quantenpunkte
0,4 oder weniger beträgt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden Quantenpunkte von ungleichmäßigen Größen mit einem niedrigen Flächenverhältnis gebildet,
wie oben beschrieben, wodurch die Photohalbleitervorrichtung eine
breite Verstärkungsbandbreite
haben kann.
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Quantenpunktlaser
mit selbstgebildeten Quantenpunkten sind bekannt aus den Artikeln "Self-Organised Quantum
Dots and Quantum Dot Lasers" von
H. Ishikawa et al, S. 794–800,
J. Vac. Sci. Technology A16(2), März/April 1998, "In(Ga)As/GaAs Self-Organised
Quantum Dot Lasers: DC and Small-Signal Modulation Properties" von P. Bhattacharya
et al, IEEE Transactions an Electron Devices", Bd. 46, Nr. 5, Mai 1999, S. 871–883, und "Growth and Optical
Properties of Self-Assembled
Quantum Dots for Semiconducter Lasers with Confined Electrons and
Photons", IEICE
Transactions in Electronics, Bd. E. 79-C, Nr. 11, November 1996,
S. 1487–1493.
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Zum
besseren Verstehen der vorliegenden Erfindung wird nun beispielhaft
Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen, in denen: –
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1 ein
Graph ist, der die Dichte von Zuständen in der aktiven Schicht
zeigt;
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2 ein
Graph ist, der die Dichte von Zuständen und Trägerdichten zeigt;
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3 ein
Graph ist, der Verstärkungskoeffizienten
und Besetzungsinversionskoeffizienten zeigt;
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4 eine
Schnittansicht der Photohalbleitervorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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5 eine
Draufsicht auf die Quantenpunkte der Photohalbleitervorrichtung
gemäß der einen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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6 ein
Graph ist, der ein Verstärkungsspektrum
der Photohalbleitervorrichtung gemäß der einen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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7A–7C und 8A–8C Schnittansichten
der Photohalbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind, die die Schritte des Verfahrens
zum Herstellen der Photohalbleitervorrichtung zeigen; und
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9 eine
Schnittansicht eines herkömmlichen
Halbleiterlichtverstärkers
nach Stand der Technik ist.
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Zuerst
wird unter Bezugnahme auf 1 bis 3 das
Prinzip der vorliegenden Erfindung erläutert.
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In 1 sind
Energien des Trägers
an der horizontalen Achse dargestellt und sind Dichten des Zustandes
in der aktiven Schicht an der vertikalen Achse dargestellt.
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Wie
in 1 gezeigt, haben Dichten des Zustandes in der
aktiven Grundmaterialschicht eine sanfte Verteilung, wobei die Dichten
des Zustandes zu Quadratwurzeln der Trägerenergie proportional sind.
Die Dichten des Zustandes in der aktiven Quantenmuldenschicht haben
eine stufenförmige
Verteilung.
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Für eine breite
Verstärkungsbandbreite
in der Photohalbleitervorrichtung wird die Dichte des Zustandes
in der aktiven Schicht niedrig eingestellt. Damit die Dichte des
Zustandes in der aktiven Grundmaterialschicht niedrig wird, wird
die aktive Grundmaterialschicht dünn ausgebildet. Damit die Dichte des
Zustandes der Träger
in der aktiven Quantenmuldenschicht niedrig ist, wird die Anzahl
der Schichten in der aktiven Quantenmuldenschicht klein gehalten.
Jedoch wird selbst durch eine Verringerung der Schichtanzahl der
aktiven Quantenmuldenschicht auf eine Schicht, wie oben beschrieben,
eine Verstärkungsbandbreite
maximal auf ungefähr
70 nm erweitert. Eine Verstärkungsbandbreite
mit ausreichender Breite kann nicht erhalten werden.
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Hier
werden Quantenpunkte als aktive Schicht verwendet. Die Verwendung
von Quantenpunkten als aktive Schicht ermöglicht es, die Dichte des Zustandes
in einem Strominjektionsbereich innerhalb einer Einheitsfläche zu verringern,
wodurch es möglich
wird, eine Verstärkungsbandbreite
zu erweitern, ohne dass der in die aktive Schicht injizierte Strom
zunimmt.
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Wenn
jedoch bloß Quantenpunkte
als aktive Schicht verwendet werden, weist die Dichte der Zustandsverteilung
einige Verstärkungsspitzen
auf, wie in 1 gezeigt. Aufgrund dessen wird
bloß durch die
Verwendung von Quantenpunkten keine Photohalbleitervorrichtung mit
guten Verstärkungscharakteristiken
vorgesehen.
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Die
Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben bedeutende Studien angefertigt
und haben erkannt, dass Quantenpunkte in ungleichmäßigen Größen gebildet
werden, um dadurch eine glatte Dichte der Zustandsverteilung wie
jene der Träger
in der aktiven Grundmaterialschicht zu erhalten. Quantenpunkte,
die in ungleichmäßigen Größen gebildet sind,
verbinden zwischen den Verstärkungsspitzen jeweiliger
Ener gieniveaus, die in der Dichte der Zustandsverteilung in dem
Fall erscheinen, wenn Quantenpunkte in gleichmäßiger Größe gebildet sind.
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In
der Beschreibung der vorliegenden Anmeldung ist mit Strominjektionsbereich
kein gesamter Bereich mit einer darin gebildeten Elektrode (nicht gezeigt)
zum Injizieren von Strom gemeint, sondern ein Bereich, wo Strom,
der durch die Strombegrenzungsschicht begrenzt wird, tatsächlich in
die aktive Schicht injiziert wird.
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In 2 sind
die Energien der Träger
an der horizontalen Achse dargestellt und sind die Dichten des Zustandes
und Trägerdichten
an der vertikalen Achse dargestellt.
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In 2 kennzeichnet
die dünne
gestrichelte Linie Dichten des Zustandes pro Einheitsfläche des Strominjektionsbereichs
in dem Fall, wenn die Schichtanzahl der aktiven Quantenmuldenschicht eins
beträgt.
Wie durch die dünne
gestrichelte Linie in 2 angegeben ist, sind im Fall
der aktiven Quantenmuldenschicht Dichten des Zustandes in Bezug auf
die Einheitsfläche
des Strominjektionsbereichs relativ hoch.
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Die
dünne durchgehende
Linie in 2 kennzeichnet Dichten des Zustandes
in Bezug auf die Einheitsfläche
des Strominjektionsbereichs in dem Fall, wenn Quantenpunkte mit
ungleichmäßigen Größen in einem
Flächenverhältnis F
von 0,1 gebildet sind. Wie durch die dünne durchgehende Linie in 2 angegeben
ist, betragen in dem Fall, wenn Quantenpunkte mit ungleichmäßigen Größen mit
einem Flächenverhältnis F
von 0,1 gebildet sind, Dichten des Zustandes der Träger pro
Einheitsfläche
des Strominjektionsbereichs ungefähr 1/10 derer, wenn sich die
Schichtanzahl der aktiven Quantenmuldenschicht auf eine Schicht
beläuft.
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Hier
ist das Flächenverhältnis F
der Quantenpunkte das Verhältnis
B/A, wobei A eine Fläche des
Strominjektionsbereichs ist und B die Gesamtfläche von einer Vielzahl von
Quantenpunkten ist, die in dem Strominjektionsbereich gebildet sind.
Die Schichtanzahl der Quantenpunkte muss nicht unbedingt 1 betragen,
und die Quantenpunkte können über eine
Vielzahl von Schichten hinweg gebildet sein. Wenn die Quantenpunkte über zwei
Schichten hinweg gebildet sind, die Gesamtfläche der Quantenpunkte, die
in einer Schicht in dem Strominjektionsbereich gebildet sind, B1 ist und eine Gesamtfläche von Quantenpunkten, die
in der zweiten Schicht in dem Strominjektionsbereich gebildet sind,
B2 ist, wird ein Flächenverhältnis F der Quantenpunkte ausgedrückt durch
(B1 + B2)/A. Falls
die Quantenpunkte über
n Schichten hinweg gebildet sind, wird, wenn die Gesamtfläche der
Quantenpunkte, die in der n-ten Schicht in dem Strominjektionsbereich
gebildet sind, Bn ist, das Flächenverhältnis F
der Quantenpunkte ausgedrückt
durch (B1 + B2 +
.... + Bn)/A. Wenn das Flächenverhältnis F
der Quantenpunkte 1 ist, stimmt die Dichte des Zustandes pro Einheitsfläche in dem Strominjektionsbereich
im Wesentlichen mit den Dichten des Zustandes pro Einheitsfläche in dem Strominjektionsbereich
in dem Fall überein,
wenn die Schichtanzahl der aktiven Quantenmuldenschicht 1 beträgt.
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Wenn
Strom in die aktive Schicht injiziert wird, werden Träger, d.
h. Elektronen und Löcher,
in dem Leitungsband und dem Valenzband gemäß der Fermi-Verteilung gespeichert.
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In 2 kennzeichnet
die dicke gestrichelte Linie Trägerdichten
in dem Strominjektionsbereich in dem Fall, wenn die Schichtanzahl
der aktiven Quantenmuldenschicht 1 beträgt. Wie durch die dünne gestrichelte
Linie in 2 angegeben ist, sind im Falle der
aktiven Quantenmuldenschicht die Dichten des Zustandes pro Einheitsfläche in dem
Strominjektionsbereich relativ hoch. Daher ist, wie durch die dicke
gestrichelte Linie in 2 angegeben ist, die Energieverteilung
der Träger
relativ schmal.
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In 2 kennzeichnet
die dicke durchgehende Linie Trägerdichten
in dem Strominjektionsbereich in dem Fall, wenn die Quantenpunkte
mit ungleichmäßigen Größen in einem
Flächenverhältnis F von
0,1 gebildet sind. Wie durch die dünne durchgehende Linie in 2 angegeben
ist, sind in dem Fall, wenn die Quantenpunkte mit ungleichmäßigen Größen in einem
Flächenverhältnis F
von 0,1 gebildet sind, die Dichten des Zustandes der Träger in jeder Einheitsfläche in dem
Strominjektionsbereich niedrig. Daher ist, wie durch die dicke durchgehende
Linie in 2 angegeben ist, die Energieverteilung
der Träger
sehr breit.
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In 3 sind
Energien von Photonen an der horizontalen Achse dargestellt und
sind Verstärkungskoeffizienten
und Besetzungsinversionskoeffizienten an der vertikalen Achse dargestellt.
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Die
dicke gestrichelte Linie in 3 kennzeichnet
den Verstärkungskoeffizienten
in dem Fall, wenn die Schichtanzahl der aktiven Quantenmuldenschicht
1 beträgt.
Der Verstärkungskoeffizient
ist gegeben durch dP/dZ = gP, wobei P die Lichtenergie ist und Z
die Ausbreitungsrichtung ist. Wie durch die dicke gestrichelte Linie
in 3 angegeben ist, ist im Falle der aktiven Quantenmuldenschicht
die Breite des Verstärkungsspektrums
relativ schmal, auch wenn die Schichtanzahl 1 beträgt.
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In 3 gibt
die dicke durchgehende Linie Verstärkungskoeffizienten in dem
Fall an, wenn die Quantenpunkte mit ungleichmäßigen Größen in einem Flächenverhältnis F
von 0,1 gebildet sind. Wie durch die dicke durchgehende Linie in 3 angegeben
ist, ist die Breite des Verstärkungsspektrums sehr
breit, wenn die Quantenpunkte mit gleichmäßiger Größe in einem Flächenverhältnis F
von 0,1 gebildet sind.
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Somit
wird festgestellt, dass die Quantenpunkte mit ungleichmäßigen Größen in einem
niedrigen Flächenverhältnis F
gebildet sind, wodurch eine Photohalbleitervorrichtung mit breitem
Verstärkungsband
vorgesehen wird.
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Die
dünne gestrichelte
Linie in 3 kennzeichnet Besetzungsinversionskoeffizienten
in dem Fall, wenn die Schichtanzahl der aktiven Quantenmuldenschicht
1 beträgt.
Wie durch die dünne
gestrichelte Linie in 3 angegeben ist, ist im Falle
der aktiven Quantenmuldenschicht der Energiebereich der kleinen
Besetzungsinversionskoeffizienten relativ schmal.
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Der
Besetzungsinversionskoeffizient wird ausgedrückt durch Fc/(Fc – Fv), wobei eine Häufigkeitswahrscheinlichkeit
von Elektronen in dem Leitungsband FC ist
und eine Häufigkeitswahrscheinlichkeit
von Elektronen in dem Valenzband FV ist.
Wenn der Energiebereich von kleinen Besetzungsinversionskoeffizienten
breiter wird, verbessern sich die Rauschcharakteristiken.
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Die
dünne durchgehende
Linie in 3 kennzeichnet Besetzungsinversionskoeffizienten
in der Fläche,
wo die Quantenpunkte mit ungleichmäßigen Größen in einem Flächenverhältnis F
von 0,1 gebildet sind. Wie durch die dünne durchgehende Linie in 3 angegeben
ist, wird in dem Fall, wenn Quantenpunkte mit ungleichmäßigen Größen in einem
Flächenverhältnis F
von 0,1 gebildet sind, der Energiebe reich von kleinen Besetzungsinversionskoeffizienten
sehr breit.
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Somit
wird festgestellt, dass Quantenpunkte mit ungleichmäßigen Größen mit
einem niedrigen Flächenverhältnis F
gebildet sind, wodurch eine Photohalbleitervorrichtung mit guten
Rauschcharakteristiken vorgesehen wird.
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Wie
oben beschrieben, sind die Quantenpunkte mit ungleichmäßigen Größen in einem
niedrigen Flächenverhältnis F
gebildet, wodurch eine Photohalbleitervorrichtung mit breitem Verstärkungsband und
guten Rauschcharakteristiken vorgesehen wird, ohne die Strominjektion
in die aktive Schicht zu erhöhen.
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Unter
Bezugnahme auf 4 bis 8C werden
nun die Photohalbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und das Verfahren zum Herstellen der
Halbleitervorrichtung beschrieben.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
wird das Prinzip der vorliegenden Erfindung auf einen Halbleiterlichtverstärker angewendet.
Das Prinzip der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung
auf Halbleiterlichtverstärker
begrenzt und ist auf beliebige andere Photohalbleitervorrichtungen
anwendbar, wie beispielsweise auf Halbleiterlaser.
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(Photohalbleitervorrichtung)
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Wie
in 4 gezeigt, ist eine Deckschicht 12 aus
n-Typ-Al0,4Ga0,6As auf einem
Halbleitersubstrat 10 aus n-Typ-GaAs gebildet.
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Eine
Strombegrenzungsschicht 14 aus Al2O3 und eine Stromdurchgangsschicht 16 aus
AlAs sind auf der Deckschicht 12 gebildet.
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Eine
n-Typ-Al0,4Ga0,6As-Schicht 18 ist
auf der Strombegrenzungsschicht 14 und der Stromdurchgangsschicht 16 gebildet.
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Eine
SCH-(Separate Confinement Heterostructure)-Schicht 20 aus
GaAs ist auf der n-Typ-Al0,4Ga0,6As-Schicht 18 gebildet.
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Eine
InAs-Schicht 24 mit einer Vielzahl von selbstgebildeten
Quantenpunkten mit ungleichmäßigen Größen ist
auf der SCH-Schicht 20 gebildet. Die Quantenpunkte 22 können z.
B. im Stranski-Krastanow-Modus (nachfolgend als "S-K-Modus" bezeichnet) gebildet sein. Im S-K-Modus
wachsen Halbleiterkristalle, die epitaktisch wachsen sollen, zu
Beginn des Wachsens zweidimensional (im Film) und, wenn das Wachsen
die elastische Grenze des Films überschritten
hat, dreidimensional. Zur Selbstbildung der Quantenpunkte 22 in
dreidimensional gewachsenen Inseln durch den S-K-Modus muss ein
Film mit einer größeren Gitterkonstante
als jener des Materials des Basisfilms gebildet werden. Im Allgemeinen
wird der S-K-Modus
verwendet, der die Selbstbildung einfach erleichtern kann.
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Wie
in 5 gezeigt, haben die Quantenpunkte 22 ungleichmäßige Größen. Die
Größen der Quantenpunkte 22 werden
ungleichmäßig gemacht, um
eine glatte Dichte der Zustandsverteilung zu erhalten, wie oben
beschrieben.
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Das
Flächenverhältnis F
der Quantenpunkte 22 beträgt z. B. 0,1. Denn wenn das
Flächenverhältnis F
der Quantenpunkte 22 solch einen niedrigen Wert wie 0,1
hat, wie oben beschrieben, kann die Photohalbleitervorrichtung eine
breite Verstärkungsbandbreite
haben.
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Das
Flächenverhältnis F
der Quantenpunkte 22 ist nicht unbedingt auf 0,1 begrenzt.
Zum Beispiel kann ein Flächen verhältnis F
der Quantenpunkte 22 innerhalb eines Bereiches von kleiner
als 1, wobei 1 ausgenommen ist, zweckmäßig festgelegt werden. Indem
ein Flächenverhältnis F
der Quantenpunkte 22 kleiner als 1 wird, wobei 1 ausgenommen
ist, kann die Dichte des Zustandes pro Einheitsfläche in dem Strominjektionsbereich 26 niedriger
werden als wenn die Schichtanzahl der aktiven Quantenmuldenschicht 1
beträgt.
Daher wird es durch ein Flächenverhältnis der
Quantenpunkte 22 von kleiner als 1 möglich, das Verstärkungsband
breiter als wenigstens jenes in dem Fall zu bilden, wenn die Schichtanzahl
der aktiven Quantenmuldenschicht 1 beträgt.
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Es
ist vorzuziehen, das Flächenverhältnis F der
Quantenpunkte 22 auf 0,4 oder weniger festzulegen. Indem
ein Flächenverhältnis F
der Quantenpunkte 22 auf 0,4 oder weniger festgelegt wird,
kann die Verstärkungsbandbreite
mehr erweitert werden.
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Ferner
wird das Flächenverhältnis F
der Quantenpunkte 22 vorzugsweise auf etwa 0,1 festgelegt.
Das Flächenverhältnis F
der Quantenpunkte 22 wird auf lediglich etwa 0,1 festgelegt,
wodurch das Verstärkungsband
viel breiter werden kann.
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Eine
SCH-Schicht 28 aus GaAs ist auf der InAs-Schicht 24 gebildet.
Eine p-Typ-Al0,4Ga0,6As-Schicht 30 ist
auf der SCH-Schicht 28 gebildet.
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Eine
Strombegrenzungsschicht 32 aus Al2O3 und eine Stromdurchgangsschicht 34 aus
AlAs sind auf der p-Typ-Al0,4Ga0,6As-Schicht 30 gebildet.
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Eine
Deckschicht 36 aus p-Typ-Al0,4Ga0,6As ist auf der Strombegrenzungsschicht 32 und
der Stromdurchgangsschicht 34 gebildet.
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Die
Schichtfilme der Deckschicht 36, der Strombegrenzungsschicht 32,
der p-Typ-Al0,4Ga0,6As-Schicht 30,
der SCH-Schicht 28, der
InAs-Schicht 24, der SCH-Schicht 20, der n-Typ-Al0,4Ga0,6As-Schicht 18, der Strombegrenzungsschicht 14 und
der Deckschicht 12 werden im Allgemeinen zu einer Mesaform
geätzt.
So wird eine Lichtwellenleiterschicht 38 gebildet.
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Ein
AR-Mantelfilm (nicht gezeigt) ist auf beiden Endoberflächen der
Lichtwellenleiterschicht 38 gebildet.
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Die
Photohalbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
ist hauptsächlich
dadurch gekennzeichnet, dass die Quantenpunkte 22 mit ungleichmäßigen Größen in einem
niedrigen Flächenverhältnis F
gebildet sind.
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Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform wird
die aktive Schicht durch die Quantenpunkte 22 vorgesehen
und wird ein Flächenverhältnis F
der Quantenpunkte 22 niedrig festgelegt, wobei die Dichte
des Zustandes in jeder Einheitsfläche in dem Strominjektionsbereich 26 niedrig
sein kann. Gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
sind die Quantenpunkte 22 mit ungleichmäßigen Größen gebildet, wodurch eine
abgestumpfte Dichte der Zustandsverteilung erhalten werden kann.
Somit kann die Photohalbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform
eine breite Verstärkungsbandbreite und
gute Rauschcharakteristiken haben.
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Durch
das Verringern des Flächenverhältnisses
F der Quantenpunkte 22 wird die Verstärkung im Allgemeinen reduziert.
Eine Verlängerung
der Lichtwellenleiterschicht 38 kann jedoch ausreichende
Verstärkungen
gewährleisten.
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(Auswertungsergebnis)
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In 6 sind
die Energien von Photonen an der horizontalen Achse dargestellt
und sind Leistungen an der verti kalen Achse dargestellt. Beispiel
1 gibt das Verstärkungsspektrum
einer Photohalbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform
an, und zwar speziell ein Verstärkungsspektrum in
dem Fall, wenn ein Flächenverhältnis F
der Quantenpunkte 0,1 ist. Steuerung 1 gibt das Verstärkungsspektrum
der Photohalbleitervorrichtung in dem Fall an, wenn die Schichtanzahl
der aktiven Quantenmuldenschicht 1 beträgt.
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Wie
durch Steuerung 1 angegeben ist, beläuft sich in der Photohalbleitervorrichtung
unter Verwendung der aktiven Quantenmuldenschicht eine Halbwertsbreite
des Spitzenwertes des Verstärkungsspektrums
etwa 0,03 eV und ist somit relativ schmal.
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Im
Gegensatz dazu werden in der Photohalbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
kontinuierliche Spektren in dem Bereich von 0,9 eV bis 1,2 eV erhalten.
Die Halbwertsbreite der Spitze des Verstärkungsspektrums beträgt 0,17
eV und ist somit sehr breit.
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Daher
kann gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
das Verstärkungsband
immerhin eine Breite von etwa 400 nm bis 600 nm haben. Die Photohalbleitervorrichtung
gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
kann ein sehr breites Verstärkungsband
haben, das sich bis auf über
50 THz erstreckt. So können
gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
WDM-Signale von Breitbändern
durch eine Photohalbleitervorrichtung auf einmal verstärkt werden,
wodurch zu einer rigorosen Vereinfachung der Systeme und zu niedrigeren
Kosten beigetragen wird.
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(Verfahren zum Herstellen der Photohalbleitervorrichtung)
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Wie
in 7A gezeigt, wird die Deckschicht 12 aus
n-Typ-Al0,4Ga0,6As in einer
Dicke von 1200 nm durch MBE (Wachsen durch Molekularstrahlepitaxie) auf
der gesamten Oberfläche
eines Halbleitersubstrats 10 aus n-Typ-GaAs gebildet.
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Dann
wird, wie in 7B gezeigt, eine AlAs-Schicht 13 in
einer Dicke von 80 nm auf der gesamten Oberfläche durch MBE gebildet.
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Danach
wird die n-Typ-Al0,4Ga0,6As-Schicht 18 in
einer Dicke von 150 nm auf der gesamten Oberfläche durch MBE gebildet.
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Als
Nächstes
wird, wie in 7C gezeigt, die SCH-Schicht 20 aus
GaAs in einer Dicke von 100 nm auf der gesamten Oberfläche durch
MBE gebildet.
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Dann
wird die InAs-Schicht 24 auf der gesamten Oberfläche durch
MBE gebildet. Da InAs eine größere Gitterkonstante
als GaAs hat, das die SCH-Schicht 20 bildet, können die
Quantenpunkte 22 durch den S-K-Modus selbstgebildet werden.
Bedingungen zum Bilden der InAs-Schicht 24 sind eine Substrattemperatur
von z. B. 510°C,
eine InAs-Zufuhrmenge von z. B. 1,5 ml und eine Wachszeit von 250
Sekunden. Die unter diesen Bedingungen gewachsene InAs-Schicht 24 hat
ein Flächenverhältnis F
von z. B. etwa 0,1, und die Quantenpunkte 22 haben ungleichmäßige Größen.
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Die
Bedingungen zum Bilden der Quantenpunkte 22 in ungleichmäßigen Größen sind
nicht auf die obigen begrenzt.
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Größen der
Quantenpunkte 22 tendieren zur Ungleichmäßigkeit,
wenn eine Wachsrate hoch ist und die Substrattemperatur niedrig
ist. Die Wachsrate zum Bilden der InAs-Schicht 24 wird
reduziert, Zufuhrmengen der Rohmaterialien der InAs- Schicht 24 werden
verringert, und die Substrattemperatur wird auf einen hohen Wert
gesetzt, wobei das Flächenverhältnis F
der Quantenpunkte 22 dazu tendiert, niedrig zu sein.
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Dementsprechend
werden die Wachsrate und die Rohmaterialzufuhrmengen der InAs-Schicht 24,
die Substrattemperatur, etc. zweckmäßig festgelegt, wodurch die
Quantenpunkte 22 mit ungleichmäßigen Größen in einem erforderlichen
Flächenverhältnis F
gebildet werden können.
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Dann
wird, wie in 8A gezeigt, die SCH-Schicht 28 aus
GaAs in einer Dicke von 100 nm auf der gesamten Oberfläche durch
MBE gebildet.
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Als
Nächstes
wird die p-Typ-Al0,4Ga0,6As-Schicht 30 in
einer Dicke von 150 nm auf der gesamten Oberfläche durch MBE gebildet.
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Als
Nächstes
wird, wie in 8B gezeigt, die AlAs-Schicht 31 in
einer Dicke von 80 nm auf der gesamten Oberfläche durch MBE gebildet.
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Dann
wird die Deckschicht 36 aus p-Typ-Al0,4Ga0,6As in einer Dicke von 1200 nm auf der gesamten
Oberfläche
durch MBE gebildet.
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Als
Nächstes
wird, wie in 8C gezeigt, der Schichtfilm
der Deckschicht 36, der AlAs-Schicht 31, der p-Typ-Al0,4Ga0,6As-Schicht 30, der SCH-Schicht 28,
der InAs-Schicht 24, der SCH-Schicht 20, der n-Typ-Al0,4Ga0,6As-Schicht 18, der
AlAs-Schicht 13 und der Deckschicht 12 zu einer Mesaform
geätzt.
Dadurch wird eine Lichtwellenleiterschicht 38 gebildet.
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Dann
werden die AlAs-Schichten 13, 31 in dem Teil der
Lichtwellenleiterschicht 38, ihren zentralen Teil ausgenommen,
oxidiert, um die Strombegrenzungsschichten 14, 32 aus
Al2O3 zu bilden.
Die AlAs-Schichten 13, 31 in dem Teil, der nicht
oxidiert worden ist, bilden die Stromdurchgangsschichten 16, 34.
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Dann
wird ein AR-Mantelfilm (nicht gezeigt) auf beiden Endoberflächen der
Lichtwellenleiterschicht 38 gebildet.
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So
wird eine Photohalbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
hergestellt.
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[Abwandlungen]
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform
begrenzt und kann verschiedenartige andere Abwandlungen einschließen.
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Zum
Beispiel wird in der oben beschriebenen Ausführungsform das Prinzip der
vorliegenden Erfindung auf den Halbleiterlichtverstärker angewendet. Das
Prinzip der vorliegenden Erfindung ist, wie oben beschrieben, nicht
nur auf Halbleiterlichtverstärker anwendbar,
sondern auch auf beliebige andere Photohalbleitervorrichtungen,
wie etwa Halbleiterlaser. Wenn das Prinzip der vorliegenden Erfindung
auf Halbleiterlaser angewendet wird, können die Halbleiterlaser einen
breiten variablen Wellenlängenbereich haben.
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In
der oben beschriebenen Ausführungsform sind
die Quantenpunkte in einer Schicht gebildet. Die Quantenpunkte müssen jedoch
nicht unbedingt in einer Schicht gebildet sein und können über eine
Vielzahl von Schichten hinweg gebildet sein.
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In
der oben beschriebenen Ausführungsform ist
das Material des Halbleitersubstrats ein Material auf GaAs-Basis.
Das Material des Halbleitersubstrats, etc. ist jedoch nicht auf
Materialien auf GaAs-Basis begrenzt und kann ein Material auf InP-Basis
sein.