JP2008294119A - 光半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板11上に形成した、半導体基板11よりも格子定数が大きく、平均歪み量が0%以上、1%以下である量子ドット12aと、量子ドット12a上に形成した、半導体基板11よりも格子定数が小さく、半導体基板11に対する格子不整合量の大きさが量子ドット12aの格子不整合量以上であって、平均歪み量が0%以上、1%以下であるバリア層13と、により偏波特性を制御するようにした。これにより、偏波無依存の量子ドット12aを備えた光半導体装置10を提供することができる。
【選択図】図1
Description
ジャーナルオブアプライドフィジックス(Journal of Applied Physics)2005年、Vol.44、No.8、2005、pp.6312−6316
まず、本発明の概要について説明し、その後、実施の形態について説明する。
光半導体装置10は、図1(A)に示したように、半導体基板11と、量子ドット層12およびバリア層13からなる活性層14とから構成されており、さらに、量子ドット層12はウェッティング層12bとともに形成された量子ドット12aにより構成され、そして、活性層14が複数回積層されている。
図2には、量子ドットの形状と量子ドット内部の歪み状態との関係を表すものであって、光半導体装置10の発光強度比(=偏波特性の比=TEモード/TMモード)において、x軸を量子ドット12aのアスペクト比、y軸をバリア層13の引っ張り歪み量として、量子ドット12aの高さを変化させたときのバリア層13の引っ張り歪み量の変化を示している。なお、図2中の発光強度比の単位は「dB(デシベル)」である。
図3は、発光強度比における平均歪み量の量子ドットのアスペクト比依存性を示したグラフである。
平均歪み量=((εb×tb)+(εQD×tQD))/(tb+tQD)・・・式(1)
なお、εb、tb、εQD、tQDは以下の通りであって、歪み量の符号は、引っ張り歪みをプラス(+)、圧縮歪みをマイナス(−)とする。
tb:バリア層の膜厚(ML)
εQD:量子ドット材料の歪み量(%)
tQD:量子ドットの膜厚(ML)
例えば、バリア層の膜厚が2MLの場合に、式(1)を実際に利用すると、平均歪み量は次のように表すことができる。但し、εbは+3.7%、εQDは−3.2%(図2にて説明した量子ドット12aの格子不整合量から)、tbおよびtQDは2MLとする。
このような平均歪み量が示された図3より、平均歪み量が0%から1%の範囲で発光強度比が3dBから4dB以内に制御された量子ドット12aが得られることが分かる。つまり、偏波無依存の量子ドットであって、発光強度比が3dBから4dB以内となるバリア層13の膜厚の範囲は、この平均歪み量の範囲と式(1)とから次の式(2)が得られる。
なお、量子ドット12aのアスペクト比の上限については、発光強度比以外の条件で決まる。つまり、量子ドット12aが高さ方向に有効な量子閉じ込めを有するためには、高さ約50nm未満であることが必要であるが、量子ドット12aの横方向サイズが約20nm程度であるため、アスペクト比の上限は2.5程度となる。
LMQD≦LMB:バリア層13の格子不整合量LMBは、量子ドット層12の格子不整合量LMQD以上であること。
1≦Lh/Lt≦2.5:量子ドット12aの底面から最上層までの高さLhと横の平均長さLtとの比は1以上、2.5以下であること。
まず、第1の実施の形態について図を用いて説明する。
図4は、半導体光増幅装置の第1の構成例である。
図5は、引っ張り歪み量および波長におけるバリア層の組成の組合せを示した表である。
半導体光増幅装置50のInAs量子ドットの光通信波長帯は0.9μmから1.1μmであり、本発明の概要で説明したように、第2バリア層の引っ張り歪み量は3.2%以上であることから、図5から、所望の利用条件にしたがって、適宜、第2バリア層の組成を選択することができる。
さらに、繰り返しの周期によってInAs量子ドットの高さを制御することができる。横方向サイズが15nmで1周期の量子ドットの高さが1.5nmの場合は、11周期以上26周期以下の積層によりアスペクト比が1以上、2.5以下の条件を満たすことができる。
n型InPブロック層59上に、p型InPクラッド層60を、膜厚が1μmから3μm程度まで成長させる。なお、p型不純物の濃度は、1.0×1018cm-3とした。
図6は、半導体光増幅装置の第2の構成例である。
半導体光増幅装置80は、n型InP基板82上に、n型InPクラッド層83が形成されており、n型InPクラッド層83上に、第1バリア層84を介して、利得媒質として、InAs量子ドット層85aおよび第2バリア層85bの活性層86が複数回積層されて、最上層に第3バリア層87が形成されたリッジ型の構成をなしている。
n型InP基板82上に、第1の実施の形態と同様にして、n型InPクラッド層83、第1バリア層84、InAs量子ドット層85aおよび第2バリア層85bの活性層86を複数回、第3バリア層87、そして、p型InPクラッド層およびp型InGaAsコンタクト層を形成した後にリソグラフィー、エッチングを行いメサ型のp型InPクラッド層88およびp型InGaAsコンタクト層89を形成する。なお、p型不純物の濃度は、1.0×1019cm-3とした。
前記半導体基板上に形成された、前記半導体基板よりも格子定数が大きい量子ドットと、
前記量子ドット上に形成された、前記半導体基板よりも格子定数が小さく、前記半導体基板に対する格子不整合量の大きさが前記量子ドットの格子不整合量以上であるバリア層と、を有し、
前記量子ドットと前記バリア層との平均歪み量が0%以上、1%以下であることを特徴とする光半導体装置。
(付記4) 前記バリア層のバルク波長が0.9μm以上、1.1μm以下であることを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載の光半導体装置。
前記半導体基板上に、前記半導体基板よりも格子定数が大きい量子ドットを形成する工程と、
前記量子ドット上に、前記半導体基板よりも格子定数が小さく、前記半導体基板に対する格子不整合量の大きさが前記量子ドットの格子不整合量以上であるバリア層を形成する工程と、を有し、
前記量子ドットと前記バリア層の平均歪み量が0%以上、1%以下であることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
(付記9) 前記バリア層のバルク波長が0.9μm以上、1.1μm以下であることを特徴とする付記6乃至8のいずれか1項に記載の光半導体装置の製造方法。
11 半導体基板
12 量子ドット層
12a 量子ドット
12b ウェッティング層
13 バリア層
14 活性層
Claims (6)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された、前記半導体基板よりも格子定数が大きい量子ドットと、
前記量子ドット上に形成された、前記半導体基板よりも格子定数が小さく、前記半導体基板に対する格子不整合量の大きさが前記量子ドットの格子不整合量以上であるバリア層と、を有し、
前記量子ドットと前記バリア層との平均歪み量が0%以上、1%以下であることを特徴とする光半導体装置。 - 前記量子ドットの底面の横の平均長さに対して、最下層の前記量子ドットの底面から最上層の前記量子ドットまでの高さが1以上、2.5以下となるまで、前記量子ドットおよび前記バリア層を複数回積層したことを特徴とする請求項1記載の光半導体装置。
- 前記バリア層の引っ張り歪み量が3.2%以上、4.2%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光半導体装置。
- 前記バリア層のバルク波長が0.9μm以上、1.1μm以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光半導体装置。
- 前記半導体基板がインジウムリン、前記量子ドットがインジウム砒素、前記バリア層がインジウムガリウム砒素リンであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の光半導体装置。
- 半導体基板を形成する工程と、
前記半導体基板上に、前記半導体基板よりも格子定数が大きい量子ドットを形成する工程と、
前記量子ドット上に、前記半導体基板よりも格子定数が小さく、前記半導体基板に対する格子不整合量の大きさが前記量子ドットの格子不整合量以上であるバリア層を形成する工程と、を有し、
前記量子ドットと前記バリア層の平均歪み量が0%以上、1%以下であることを特徴とする光半導体装置の製造方法。
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JP2004111710A (ja) * | 2002-09-19 | 2004-04-08 | Fujitsu Ltd | 量子光半導体装置 |
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JPN6012052925; '高引っ張り歪みバリア層を用いたInP(001)上InAsコラムナ量子ドットの偏波特性制御' 第54回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集 第1分冊, 20070327, p.351 * |
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