JP4284633B2 - Manufacturing method of semiconductor light emitting device - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光装置構造及びその製造方法に関し、より詳細には、キャリアを３次元方向から閉じ込め（キャリアの運動の自由度がゼロ次元的な）量子ドット（量子箱ともいう）を有する半導体発光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
キャリアが３次元の運動の自由度を有する、いわゆるバルクの半導体結晶では、キャリアの状態密度は、エネルギーとともに放物線的に連続して増大する。
【０００３】
キャリアは温度で決まる分布関数に従って各状態に分布する。
【０００４】
バルク結晶を、例えばレーザー等の発光素子の発光層として用いれば、例えば室温において発光の波長分布が非常にブロードになり活性層からの特定波長での発光効率が低下する。さらに、発光のしきい値も高くなり、しきい値の温度変化も大きくなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
キャリアの運動の自由度を２次元的に閉じ込めた構造（量子井戸構造）を用いた量子井戸レーザが用いられている。量子井戸構造では、キャリアの状態密度は階段状となる。
【０００６】
キャリアを１次元的に閉じ込めた構造（量子細線構造）を用いた量子細線レーザも提案されている。量子細線構造では、キャリアの状態密度は狭い幅を有したピーク状の形状を有する。
【０００７】
しかしながら、これらの低次元構造を用いても、キャリアの閉じ込めの効果は十分ではない。さらなる高効率化のためには、キャリアの閉じ込めの効果を一層高めることが望まれる。
【０００９】
本発明の目的は、効率化、低しきい値化された半導体発光装置の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、
半導体基板上に、第１の半導体材料を含む第１の半導体層を成長する第１の工程と、
（ａ）前記第１の半導体層上に、前記第１の半導体材料よりもバンドギャップの小さい第２の半導体材料を、平均的に１秒間に０．０５分子層（ＭＬ）以上供給して量子ドット層を形成する工程と、
（ｂ）その後、前記第１の半導体層上に、前記第２の半導体材料を、平均的に１秒間に０．０５分子層（ＭＬ）以下であって前記（ａ）の工程における供給量よりも少ない供給量で供給し、前記量子ドットを追加成長させる工程とを含む第２の工程と、
該量子ドットの上に、前記第１の半導体材料よりもバンドギャップが小さく、前記第２の半導体材料よりもバンドギャップの大きい第３の半導体材料を含む第１のキャリア閉じ込め層を形成する第３の工程と、
該第１のキャリア閉じ込め層の上に前記第３の半導体材料よりもバンドギャップの大きい第４の半導体材料を含む第２のキャリア閉じ込め層を形成する第４の工程と
を含む半導体発光装置の製造方法が提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に半導体レーザー装置Ａの概略構造を示す。
【００１３】
半導体レーザー装置Ａは、発光に寄与する活性層１とその一方の面（基板側）に形成されるｎ型クラッド層（バリア層）３とｎ型クラッド層（バリア層）３にコンタクトしている第１の電極層５とを含む。発光層１の基板とは反対側（表面側）には、ｐ型のクラッド層１１とｐ型のクラッド層１１にコンタクトしている第２の電極層１５とを含む。
【００１４】
発光層１は両側をクラッド層３、１１で囲まれている。
【００１５】
第２の電極層１５に対して正の電圧を印加すると、ｐ型のクラッド層１１からは正孔が、ｎ型のクラッド層３からは電子が、発光層１に流れ込む。
【００１６】
発光層１に流れ込んだ多数の電子と正孔とが、活性層１中において再結合する。再結合の際に、活性層１のエネルギーバンドギャップＥｇに対応する波長を有するレーザ光が、活性層１の端面から出射される。
【００１７】
一般的に、レーザーの発光波長λは、次に示す式で表される。
【００１８】
λ ＝ １２４０/Ｅｇ
ここで、λは発光波長（ｎｍ）、Ｅｇは半導体の禁制帯幅（ｅＶ）である。Ｅｇの値が、レーザーの発光波長を決める。
【００１９】
レーザー用の半導体材料としては、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が多用されている。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のうち、ＧａＡｓでは、その禁制帯幅Ｅｇは、１.４３ｅＶである。ＧａＡｓを活性層として用いたレーザーの発光波長は０．８７μｍであり、赤外領域の発光を示す。
【００２０】
ＩＩＩ−Ｖ族半導体のうち、ＩｎＡｓのＥｇは、０．３６ｅＶと比較的小さい。バルクのＩｎＡｓを活性層として用いた場合（活性層の厚さが電子のドブロイ波長、すなわち１０ｎｍ程度よりも十分に厚い場合）には、キャリアはほとんど電子及び正孔の基底準位の間で遷移し、電子と正孔の再結合に起因する発光の波長は３．４μｍ程度である。
【００２１】
光ファイバーにより情報を伝搬する光通信用の発光素子としては、１．３μｍ帯の発光波長を有するレーザーを用いるのが好ましい。
【００２２】
１．３μｍ帯の発光波長を有するレーザーを得るためには、活性層の材料としては、例えばＧａＡｓとＩｎＡｓあるいはＩｎＰとの混晶（例えばＩｎＧａＡｓＰ）を用い組成比を適切に選択する。
【００２３】
活性層の厚さを薄くしていくと（活性層の厚さが電子の波長、すなわち１０ｎｍ程度以下の場合）、レーザー装置Ａは、活性層を井戸としクラッド層をバリアとする量子井戸構造となる。量子井戸構造を用いると、キャリア（電子及び正孔）は活性層内に閉じ込められ、運動の自由度は２次元的になる。量子井戸内には、伝導帯及び価電子帯の基底準位よりも高いエネルギーを有するサブバンド（いわゆる量子準位）が形成される。量子井戸構造では、活性層の厚さをコントロールすることによって所望の波長で発光するレーザーを得ることが可能である。
【００２４】
レーザー用の活性層としては一次元的にクラッド層（バリア層）内に閉じ込めた量子細線構造を用いることも可能である。
【００２５】
量子井戸構造や量子細線構造を用いたとしても、キャリアを活性層内に完全な状態で閉じ込めることはできない。閉じ込めが不十分な方向が存在するからである。したがって、特に室温での発光波長の分布幅は、ブロードとなる。
【００２６】
レーザーの発光効率をより一層高めるためには、さらに発光波長の分布幅を狭くできるレーザ装置の実現が望まれていた。
【００２７】
キャリアを３次元方向から閉じ込めた量子ドット構造を用いると、量子準位における電子及び正孔の状態密度はデルタ関数状になる。すなわち、キャリアは、原子のように完全に離散的となりエネルギー幅も非常に狭くなる。
【００２８】
一般的には電子や正孔が熱励起される確率が高くなる状態、例えば室温においても量子ドット構造においては、キャリアが３次元方向に閉じ込められ、キャリアは離散的な量子準位にのみ存在する。キャリアは離散的に形成される量子準位間でのみ遷移し、エネルギー的に不連続な遷移が起こることになる。量子ドット構造からの発光エネルギーのスペクトルは、各量子準位のエネルギー幅に対応して非常に急峻になる。
【００２９】
量子ドット内には、伝導帯及び価電子帯に基底準位よりも高いエネルギーを有するサブバンド（量子準位）が形成される。量子準位のエネルギーの値は、量子ドット構造のサイズに依存する。
【００３０】
量子ドットのサイズを小さくしていくと、伝導帯及び価電子帯に形成される量子準位のエネルギー値は高くなる。量子準位間において生じる電子と正孔の再結合エネルギーも大きくなる。量子ドットのサイズを変化させることにより再結合エネルギーを調整することができ、発光波長を調整することも可能である。
【００３１】
以下図面を参照して半導体レーザー装置の活性層について説明する。
【００３２】
図２から図８までに、本発明の第１の実施の形態による半導体レーザー装置に用いられる活性層の構造について示す。
【００３３】
図２は、ＧａＡｓ層２１上にＩｎＡｓを含む量子ドット２５を多数形成した状態におけるＧａＡｓ表面の様子を示す平面図である。この平面図は、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）法を用いた測定結果に基づくものである。 いわゆるＭＢＥやＭＯＣＶＤ等における通常の成長原料の供給速度、すなわち０．１ＭＬ／ｓ程度では、ドット底面の直径は２２ｎｍ、表面密度は８．７×１０¹⁰ｃｍ^-2程度である。上記ＭＬは、ｍｏｎｏｌａｙｅｒの略であり、単分子層のことである。
【００３４】
ＩｎＡｓの供給速度を０．０２ＭＬ／ｓ程度にすると、ドット底面の直径は３９ｎｍ、表面密度は２．６×１０¹⁰ｃｍ^-2程度である。
【００３５】
ＩｎＡｓの供給速度を０．００７ＭＬ／ｓとすると、ドット底面の直径は４４ｎｍ、表面密度は１．４×１０¹⁰ｃｍ^-2程度となる。
【００３６】
さらにＩｎＡｓの供給速度を低下させ、０．００２ＭＬ／ｓにすると、ドット底面の直径は５０ｎｍ、表面密度は０．５×１０¹⁰ｃｍ^-2程度となる。ＩｎＡｓ量子ドットはＧａＡｓ基板上に多数、散点状（それぞれの量子ドットが接触していない状態を言う）に形成される。
【００３７】
図３に、ＩｎＡｓの供給速度（ＭＬ／ｓ）と、室温（３００Ｋ）における発光ピーク波長、スペクトルの半値幅との関係を示す。基板温度は５１０℃、ＩｎＡｓの供給量は１．９ＭＬである。
【００３８】
通常のＩｎＡｓの供給速度すなわち０．１ＭＬ／ｓでは、発光波長は１．１μｍ程度である。供給速度を０．０４ＭＬ／ｓにすると、発光波長は、１．２μｍ以上の値を示す。供給速度０．００７ＭＬ／ｓでは、発光波長は１．２３μｍ程度である。さらに供給速度を低下させて０．００２ＭＬ／ｓにすると、発光波長は１．３μｍに達する。
【００３９】
発光スペクトルの半値幅は、供給速度を遅くするに従い小さい値を示すようになる。
【００４０】
図４に、活性層を含む半導体層のＴＥＭ観察に基づく断面図を示す。ＧａＡｓ層２１上に形成されるＩｎＡｓ量子ドットの底面直径は、約２０ｎｍ、高さ６から８ｎｍ程度である。量子ドットは、円錐形または半球状の形状を有している。
【００４１】
尚、ＡＦＭ法に基づく観測結果である図２（ｃ）において、ＩｎＡｓ量子ドット２５の底面の平均的な直径は、４４ｎｍ程度に見えた。実際には、図４に示すように２０ｎｍ程度であることが判明している。図２における量子ドットの底面の直径の測定誤差は、ＡＦＭ測定におけるカンチレバーの大きさと量子ドットの形状との関係に起因するものであると解される。
【００４２】
以下に示す量子ドットにおいても、上記のようなＡＦＭ法における測定誤差を含んでいる。
【００４３】
尚、ＩｎＡｓの成長条件、例えば基板温度Ｔｓ、ＩｎＡｓの供給速度、成長中のＡｓ圧等を所定の条件に限定することにより、底面直径２５ｎｍ以下、高さ１５ｎｍ以下の半球様の形状、円錐または四角錐様の形状の量子ドットが得られる。
【００４４】
図５（ａ）に、室温におけるＩｎＡｓ量子ドット２５を含む活性層からのＰＬの発光スペクトルを示す。
【００４５】
ＩｎＡｓ量子ドットの成長条件としては、ＩｎＡｓの供給速度０．００７ＭＬ／ｓ、ＩｎＡｓの供給量として、１．９ＭＬ、基板温度５１０℃である。
【００４６】
尚、本明細書において定義したＩｎＡｓの供給量１．９ＭＬとは、ＩｎＡｓと格子整合する基板、例えばＩｎＡｓ基板上に成長した場合に、ＩｎＡｓ層が１．９ＭＬ成長する供給量として定義される。
【００４７】
上記の条件下において、ＩｎＡｓ量子ドットを成長したところ、発光スペクトルのピークにおける波長として約１．２５μｍ、発光スペクトルの半値幅として約４０ｍｅＶの値が得られた。
【００４８】
上記の値は、通常の量子ドットの成長条件を用いて得られた値とは全く異なる。
【００４９】
本明細書における通常の成長条件とは、ＩｎＡｓ量子ドットの成長条件として、成長速度０．１ＭＬ／ｓ、ＩｎＡｓの供給量として１．９ＭＬ（分子層）分、基板温度５１０℃である。通常の成長条件におけるＩｎＡｓの供給速度は、本実施の形態によるＩｎＡｓの供給速度よりも各段に大きい。
【００５０】
図５（ｂ）に示すように、ＩｎＡｓの供給速度を０．１ＭＬ／ｓとした場合には、室温におけるＩｎＡｓ量子ドット２５を含む活性層からのＰＬの発光スペクトルのピーク波長は約１．１μｍ、発光スペクトルの半値幅として約６０ｍｅＶの値が得られている。通常のＩｎＡｓの供給速度においては、量子ドットの面密度として８．７×１０¹⁰ｃｍ^-2、平均粒径として２２ｎｍの値が得られている。
【００５１】
本実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドットからの発光スペクトルは、通常のＩｎＡｓ量子ドットからの発光スペクトルと比べて、発光のピーク波長として約０．１５μｍ程度、長波長側にシフトしている。発光スペクトルの半値幅に関しては、６０ｍｅＶ程度から４０ｍｅＶ程度と小さくなる。
【００５２】
発光スペクトルのピークエネルギー値と半値幅とは、量子ドットの高さが支配的になっているものと推測される。
【００５３】
通常の成長条件において形成されたＩｎＡｓ量子ドットの高さは、３から５ｎｍと扁平な形状を有している。本実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドットの高さは６から８ｎｍと高い。
【００５４】
従来の成長条件により形成されたＩｎＡｓ量子ドットからのＰＬの発光波長は、ピークとして１．０μｍ程度の値が得られている。量子準位間の遷移エネルギーが１．２５ｅＶ程度と推測される。
【００５５】
一方、本実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドットからのＰＬの発光波長は、ピークとして１．２５μｍの値が得られている。量子準位間の遷移エネルギーは、１．０ｅＶ程度と推測される。
【００５６】
発光スペクトルの半値幅の相違については、以下のように解釈される。
【００５７】
量子ドット、特に通常の成長条件によるＩｎＡｓ量子ドットでは、扁平な形状（高さが低い）である。そのため、前述にように、通常の成長条件で成長した量子ドットでは、量子準位のエネルギー値は、量子ドットの高さが支配的になっていると解される。１ＭＬ程度の高さ（０．３ｎｍ）のバラツキが生じただけでも、量子準位のエネルギー値が大きく変化する。
【００５８】
本実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドットでは、通常のＩｎＡｓの供給速度により成長されたＩｎＡｓ量子ドットよりも高さが高い。その分、成長量のバラツキに起因する量子準位のエネルギー値の変化量（バラツキ）が小さい。ＩｎＡｓの供給速度としては、２×１０^−３から４×１０^−２ＭＬ／ｓが好ましい。
【００５９】
以上説明した現象により、発光スペクトルの半値幅に大きな差が生じたものと考えられる。
【００６０】
ＩｎＡｓを低供給速度で成長した際には、通常の供給速度で成長した場合と比較して、径が大きくなりかつ高さも高いＩｎＡｓ量子ドットが形成できる。このような現象については以下のように解釈できる。
【００６１】
通常の供給速度でＩｎＡｓを供給した場合のＩｎＡｓ量子ドットにおいても、ＧａＡｓ層の上に供給されたＩｎＡｓ分子はＧａＡｓとの格子不整合が大きいため、下地のＧａＡｓからの強い束縛を受けることなく表面を移動することができる。高速成長の場合には、ＧａＡｓ表面上に供給されるＩｎＡｓの量が多いため、量子ドットの核が形成される速度が高い。
【００６２】
一旦、ＧａＡｓ表面上に高密度の核が形成されると、ＧａＡｓ表面上に供給される原子は、速やかに核に取り込まれ、核を成長させる。核の成長の間にも、新たなＩｎＡｓが供給され、さらに多くの核を形成、成長させていく。
【００６３】
従って、高供給速度の条件で成長した場合には、比較的小さなサイズの量子ドットが高密度で形成されることになる。
【００６４】
一方、低供給速度で成長した場合には、供給されるＩｎＡｓの量が少ないため、ＧａＡｓ基板上に形成される量子ドットの核の生成密度は小さい。
【００６５】
ＧａＡｓ上に供給されるＩｎＡｓの量が少ないため、供給原子はＧａＡｓ表面上を長い距離を移動できる。
【００６６】
ＩｎＡｓは、長い距離を移動し、表面密度が比較的小さい核に優先的に取り込まれ核を成長させる。新たな核生成の確率は小さい。その結果、供給当初に生成された低密度の核の中に、その後に供給されたＩｎＡｓが優先的に供給される。
【００６７】
従って、通常の成長速度の場合と比較して、大きな（高さも高い）ＩｎＡｓ量子ドットを成長することが可能となる。
【００６８】
次に、ＩｎＡｓ量子ドットを成長する際、各種成長条件（ＩｎＡｓの供給速度、基板温度、ＩｎＡｓ供給量、Ａｓ圧力）を変化させた場合の、発光スペクトルの波長、半値幅、ドット密度、ドットの底面の直径（前述のようにＡＦＭよる測定値）の値について説明する。
【００６９】
図６に、ＩｎＡｓ量子ドットの供給速度と、室温（３００Ｋ）における量子ドットの表面密度、ドット底面の直径との関係を示す。基板温度は５１０℃、ＩｎＡｓの供給量は１．９ＭＬである。
【００７０】
成長速度を低下させるに従って表面密度は小さくなりそのため、ドット底面の直径は大きくなる傾向になる。
【００７１】
図７に、ＩｎＡｓの供給量と、室温（３００Ｋ）における量子ドットからの発光スペクトルのピーク波長及び発光強度との関係を示す。基板温度は５１０℃、供給速度は０．００７ＭＬ／ｓである。
【００７２】
ＩｎＡｓの供給量を１．７ＭＬから２．７５ＭＬまで変化させると、発光波長は、１．２１から１．２５μｍまで長波長化する。一方発光強度は、ＩｎＡｓの供給量として１．８ＭＬにピークを有している。それ以上の供給量では、発光強度は徐々に低下する。
【００７３】
発光強度をある程度の値以上に維持するためには、ＩｎＡｓの供給量としては、１．６から２．２ＭＬの範囲から選択するのが好ましい。
【００７４】
図８に、Ａｓの圧力と、室温（３００Ｋ）における量子ドットからの発光スペクトルのピーク波長及び発光強度との関係を示す。基板温度は５１０℃、ＩｎＡｓの供給速度は０．００７ＭＬ／ｓである。
【００７５】
発光強度に関しては、Ａｓの圧力が５から７×１０^-7Ｔｏｒｒで高い値を示している。Ａｓ圧をこれよりも低くすると、Ａｓ（Ｖ族元素）の不足に起因するＡｓサイトの格子欠陥（Ｖａｃａｎｃｙ）の影響やIII族元素の微小なクラスタなどの欠陥に起因すると推測される発光強度の低下がみられる。
【００７６】
Ａｓ圧をこれよりも高くすると、Ａｓ（Ｖ族元素）の過剰な供給に起因する格子間欠陥（格子間にＡｓ原子が取り込まれることによる欠陥）の影響に起因すると推測される発光強度の低下がみられる。
【００７７】
以上の実験結果より、ＩｎＡｓの供給速度として２×１０^-3から２×１０^-2ＭＬ／ｓ、ＩｎＡｓの供給量１．６から２．２ＭＬ、Ａｓ圧として０．８×１０^-6以上、２×１０^-6以下にすれば好ましい。
【００７８】
低供給速度での成長法によりＩｎＡｓ量子ドットからの発光のピーク波長を長波長化し、かつ、発光スペクトルの半値幅を狭くすることが可能となった。発光スペクトルの半値幅を狭くすることにより、レーザーに適用した場合の発光効率を大幅に高めることができる。
【００７９】
尚、ＩｎＡｓの供給速度として、通常よりも非常に遅い供給速度を得るためには、Ｉｎのクヌードセンセル（Ｋセル）の温度を低くしてＩｎの蒸発速度を低く抑えればよい。
【００８０】
供給速度を低減する他の方法としては、ＩｎのＫセルに設けられているシャッターの開閉をパルス的に行う方法もある。請求項において用いた「平均的に供給量を制御する」との表現は、上記のようなシャッターコントロールによる供給方法をも含むものであることを意味している。
【００８１】
次に、本発明の第２の実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドットを含む半導体基板及びその成長方法について説明する。
【００８２】
図９に、第２の実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドットの製造工程を示す。
【００８３】
図９（ａ）に示すように、まず、第１の工程として、通常の高速成長法（０．１ＭＬ／ｓ）で、１．７ＭＬ相当のＩｎＡｓをＧａＡｓ基板上に供給する。
【００８４】
面密度が高く、かつ、サイズの小さいＩｎＡｓ量子ドットがＧａＡｓ基板上に多数形成される。サイズの均一性も良くない。その後、９０秒間、成長を中断する。
【００８５】
次いで、第２の工程として、ＩｎのＫセルの温度を下げ、０．００４ＭＬ／ｓの供給速度で０．４ＭＬ相当のＩｎＡｓをＧａＡｓ基板上に供給する（図９（ｂ））。
【００８６】
第１の工程で形成されたＩｎＡｓ量子ドットの大きさが第２の工程により拡大する。この第２の工程においては、新たな核を形成することがほとんどない。ただ、ＩｎＡｓの量子ドットの成長のみが起こる。
【００８７】
この第２の工程により、面密度が高く（５×１０¹⁰ｃｍ^-2）、かつ、サイズの大きな量子ドットを形成することができる（図９（ｃ））。
【００８８】
以上の２段階の工程で得られた量子ドットにおいては、室温でのＰＬの発光スペクトルのピーク波長として１．２５μｍの値が得られた。
【００８９】
この値は、通常の供給速度でＩｎＡｓ量子ドットを成長した場合には得られない長波長での発光である。第１の実施の形態による成長方法と比較して、短時間の工程により長波長の発光特性を示すＩｎＡｓ量子ドットを形成することができる。
【００９０】
次に本発明の第３の実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドット構造について説明する。
【００９１】
図１０は、本発明の第３の実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドット構造の製造工程を示す工程図である。
【００９２】
図１０（ａ）に示すように、第１の実施の形態に示した方法により、ＧａＡｓ基板上に、０．００７ＭＬ／ｓの供給速度で約１．９ＭＬ相当のＩｎＡｓ２７とＧａＡｓ２８とを供給する。第２の実施の形態による方法（２段階成長法）を用いてＩｎＡｓ量子ドット２５を形成しても良い。
【００９３】
これにより、ＧａＡｓ基板２１上にサイズ（特にドットの高さの高い）の大きなＩｎＡｓ量子ドット２５が形成される。
【００９４】
図１０（ｂ）に示すように、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０．１７）層３１を、４ｎｍ相当の膜厚成長する。
【００９５】
図１０（ｃ）に示すように、ＩｎＡｓ量子ドット２５が、ＩｎＧａＡｓ層３１によって埋め込まれた構造が形成される。
【００９６】
ＩｎＧａＡｓ層の上には、ＧａＡｓ層４１（図１１）を形成する。
【００９７】
図１１は、図１０（ｃ）の構造に対応する断面ＴＥＭ像を模写した図である。Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０．１７）層３１を、４ｎｍ相当の膜厚成長したものである。下地のＧａＡｓ２１とＩｎＧａＡｓ３１との間には、Ｓ−Ｋ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｗ）型の成長に特有の濡れ層が存在する。
【００９８】
Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０．１７）層３１を成長する前の工程において予め形成されていたＩｎＡｓ量子ドット２５の直上に、新たな微小構造３３が形成されている。
【００９９】
ＩｎＧａＡｓ層３１とその上に成長されたＧａＡｓ層４１との界面には、濡れ層が存在しない。
【０１００】
上記の微小構造３３は、ＩｎＧａＡｓ層３１とその上に成長されたＧａＡｓ層４１との界面のうち、ＩｎＡｓ量子ドット２５の上部にのみ形成されている。組成分析によれば、上記の微小構造３３中と微小構造３３が形成されていないＩｎＧａＡｓ層３１との組成に顕著な差異は認められない。
【０１０１】
微小構造３３は、ＩｎＡｓ量子ドット２５とＩｎＧａＡｓ層３１との格子定数の違いと、ＩｎＡｓ量子ドット２５の表面形状（半球型または円錐型）とに起因して形成されたＩｎＧａＡｓ（Ｉｎ_0.17Ｇａ_0.83Ａｓ）層３１よりも格子定数の大きい歪み領域（歪みドット）であると推察される。
【０１０２】
図１２は、０．００７ＭＬ／ｓの供給速度で、１．９ＭＬ相当のＩｎＡｓを供給することにより得られたＩｎＡｓ量子ドットの上に成長するＩｎ_0.17Ｇａ_0.83Ａｓ閉じ込め層の厚さを変化させた場合の、室温でのＰＬの発光波長と発光強度を示したものである。
【０１０３】
閉じ込め層の厚みは、０から１２ｎｍまで変化させた。
【０１０４】
閉じ込め層の厚さを厚くするに従って、発光波長は１．２７μｍから１．３２μｍまで長波長化する。ただし、閉じ込め層の厚さが６ｎｍを越えると、発光波長は緩やかに短波長化する。
【０１０５】
発光強度に関しては、閉じ込め層の厚さが厚くなるに従って発光強度が弱くなる。特に、閉じ込め層の厚さが６ｎｍを越えると、発光強度は急激に低下する。発光強度の低下の原因としては、ＧａＡｓと格子定数の異なるＩｎＧａＡｓの厚さが厚くなるに従って、格子不整合に起因する欠陥（ミスフィット転位）が発生するためと考えられる。ミスフィット転位は、非発光性の再結合中心となる。
【０１０６】
好ましいＩｎＧａＡｓ閉じ込め層の厚さは、１から８ｎｍ、さらに好ましくは２から６ｎｍである。
【０１０７】
図１３は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓの閉じ込め層の厚さを８ｎｍで一定とし、ＩｎＡｓの組成比ｘを０（ＧａＡｓ埋め込み層の場合）から０．１９まで変化させた場合の発光波長と発光強度の変化を示したものである。
【０１０８】
発光波長は、閉じ込め層のＩｎＡｓの組成ｘを大きくするに従い長波長化する。ＩｎＡｓの組成を０．１５以上にすると発光波長は１．３μｍになる。ＩｎＡｓの組成を０．１９にすると、発光波長は１．３２μｍまで達する。
【０１０９】
一方、発光強度は、ＩｎＡｓの組成として０．１７を越えると急激に低下する。臨界膜厚を越えることにより、ミスフィット転位が発生するためするためと考えられる。実験に用いた条件下でのＩｎＡｓの組成は０．１７以下、好ましくは０．１から０．１７の範囲にすることが望ましい。
【０１１０】
以上のように、本実施の形態による量子ドット構造においては、ＩｎＡｓ量子ドットの上にＩｎＧａＡｓの閉じ込め層を成長することにより、量子ドット上に新たな微小構造（量子構造）を形成することができ、この構造からの発光波長としては１．３μｍを越える値が得られることがわかった。
【０１１１】
尚、上記微小構造においては、ＩｎＧａＡｓ閉じ込め層の組成が大きく変化していないこと、ＩｎＡｓ量子ドット上にのみ形成されることから、微小構造は、半球状又は円錐状のＩｎＡｓ量子ドットとＩｎＧａＡｓ閉じ込め層との間の格子不整合に起因して形成されたＩｎＧａＡｓ層よりも格子定数の大きな微小歪み構造ではないかと推測される。
【０１１２】
このような微小歪み構造が存在することにより、その直下に存在するＩｎＡｓ量子ドットに歪み応力（格子定数を大きくする方向の応力）が働き、結果として、量子ドットに対して歪み応力が働かない状態よりも、発光に寄与する電子と正孔との再結合エネルギーが小さくなるものと考えられる。
【０１１３】
下地基板（ＧａＡｓ）と量子ドット（ＩｎＡｓ）と第１のキャリア閉じ込め層（ＩｎＧａＡｓ）と、第１のキャリア閉じ込め層上の第２のキャリア閉じ込め層（ＧａＡｓ）と、第１のキャリア閉じ込め層と第２のキャリア閉じ込め層との界面近傍の第１のキャリア閉じ込め層中に形成される微小構造層との、自由成長（無歪み状態）における格子定数の大小関係は、下地基板の格子定数〜第２のキャリア閉じ込め層の格子定数＜第１のキャリア閉じ込め層≦微小構造層＜量子ドットである。
【０１１４】
一方、エネルギーギャップに関しては、下地基板の格子定数〜第２のキャリア閉じ込め層の格子定数＞第１のキャリア閉じ込め層≧微小構造層＞量子ドットの関係を有する。
【０１１５】
図１４に、本発明の第４の実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドット構造を示す。この量子ドット構造においては、ＧａＡｓ基板２１上にＩｎＡｓ量子ドット２５ａが形成され、その上にＩｎＧａＡｓ閉じ込め層３１ａが形成されている。さらにＩｎＧａＡｓ閉じ込め層３１ａの上には、ＧａＡｓ層４１ａが形成されており、ＧａＡｓ層４１ａ上にＩｎＡｓ量子ドット２５ｂが形成され、その上にＩｎＧａＡｓ閉じ込め層３１ｂが形成されている。このような単位が繰り返されて積層構造を形成している。
【０１１６】
この実施の形態による積層構造においては、ＩｎＡｓ量子ドット構造が多層に積層されている。
【０１１７】
従って、同じ結晶成長条件を用いても、発光に寄与する量子ドットの個数が多くなる。トータルの発光強度が大きくなる。
【０１１８】
次に、本発明の第５の実施の形態によるレーザー装置について説明する。
【０１１９】
図１５は、第５の実施の形態によるレーザー装置Ｈの断面図である。
【０１２０】
ｎ型不純物がドーピングされたＧａＡｓ基板１０１上に、厚さ１．４μｍのｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓからなるクラッド層１０５が形成されている。クラッド層の上には、厚さ１１５ｎｍのＧａＡｓからなるＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅｄ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層１１１、１１５で挟まれた活性層１２１が形成されている。
【０１２１】
上側のＳＣＨ層１１５上には、ｐ型不純物がドーピングされた厚さ１．４μｍのｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓからなるクラッド層１３１が形成されている。ｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓからなるクラッド層上には、厚さ２０ｎｍのｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層１４１、厚さ０．４μｍの高濃度ｐ型ＧａＡｓ層１５１が形成されている。
【０１２２】
ｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓからなるクラッド層１３１、ｐ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ層１４１、高濃度ｐ型ＧａＡｓ層１５１は、約４．５μｍ幅程度の大きさのストライプ状に加工されている。クラッド層１３１は、高濃度ｐ型ＧａＡｓ層側に向けて縮径するテーパ形状を有している。高濃度ｐ型ＧａＡｓ層１５１は、逆テーパ形状を有している。
【０１２３】
ｎ型のＧａＡｓ基板１０１及び高濃度ｐ型ＧａＡｓ層１５１上には、それぞれｎ型半導体用の電極２０１とｐ型半導体用の電極２１１とが形成されている。
【０１２４】
活性層１２１の構造は、上記第４の実施の形態による積層構造が用いられる。
【０１２５】
活性層のＩｎＧａＡｓの厚さは４ｎｍ、ＧａＡｓの厚さは２６ｎｍである。ＩｎＧａＡｓとＧａＡｓとの積層構造が、３層から４層形成されている。
【０１２６】
上記のレーザー装置Ｈを用いることにより、波長１．３μｍでの室温連続発振が観測された。
【０１２７】
図１６に、本発明の第６の実施の形態による光通信システムの概略図を示す。
【０１２８】
本実施の形態による光通信システムは、発光装置として、第５の実施の形態で説明したレーザー装置Ｈを用いる。
【０１２９】
レーザー装置Ｈは、１．３μｍ帯の光をレーザー発光する。
【０１３０】
一方、受光側には、１．３μｍ帯の光を光電変換する光電変換素子としてフォトダイオードＰＤを用いる。フォトダイオードＰＤの受光層の材料として、１．３μｍ帯での受光感度の高いＩｎＧａＡｓ_0.5Ｐ_0.5又はＧａＡｓ_0.5Ｓｂ_0.5を用いる。基板材料としてはＩｎＰを、クラッド層用の材料としてはＩｎＡｌＡｓＰを用いることができる。
【０１３１】
尚、フォトダイオードの受光層用の材料として、本発明の第１から第４の実施の形態による量子ドット構造を有する活性層と同じ構造を用いることも可能である。
【０１３２】
発光用のレーザー装置Ｈと、受光用のフォトダイオードＰＤ３１１の間には、１．３μｍ帯の光を効率良く伝送することのできるよう、吸収係数の極小値が１．３μｍ帯に存在する１．３μｍ帯伝送用の光ファイバー３０１を用いることができる。その他、フォトダイオード３１１が受けた光を増幅する電気信号に変換した後に電気信号を増幅する増幅回路３２１や、光信号や電気信号を制御する制御回路３２５を含んでいても良い。さらに、レーザー装置Ｈからの発光を減衰させる光減衰器３３１を含んでいても良い。
【０１３３】
本実施の形態による光通信システムを用いれば、効率良く光通信を行うことができる。
【０１３４】
以上、実施の形態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。
【０１３５】
上記の実施の形態においては、ＧａＡｓ上に格子定数の大きなＩｎＡｓの量子ドットを形成し、これをＧａＡｓよりも格子定数が大きくかつＩｎＡｓよりも格子定数が小さいＩｎＧａＡｓで埋め込んだ構造を中心にして説明した。
【０１３６】
上記の構造は、主に下地の結晶と成長すべき結晶との格子定数の差異に起因する歪みの影響により形成されるものと推測される。
【０１３７】
したがって、上記実施の形態による半導体の組み合わせと同様の関係にある（Ａｌ）ＧａＡｓ上に成長したＩｎＧａＡｓ、（Ａｌ）ＧａＡｓ上に成長した（Ａｌ）ＧａＳｂ、Ｉｎ（Ａｌ）ＧａＳｂ（Ａｓ）及びＩｎＰ上に成長したＩｎ（Ｇａ）Ａｓ、（Ｉｎ）ＧａＳｂ等の材料においても、同様の構造、光学的特性が得られるのは言うまでもない。
【０１３８】
また、例えば、半導体層の厚さは所望の特性を満足する範囲で任意に変更することができる。成長条件その他のプロセスパラメータも種々選択することができる。その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明あろう。
【０１３９】
尚、以下に記載した（１）から（２３）までは、本願明細書に記載された発明から抽出されたものである。
【０１４０】
（１）第１の半導体材料を含む第１半導体層と、該第１半導体層上に複数形成されるとともに、該第１半導体層から離間するに従って縮径し、かつ、該第１の半導体材料よりも小さいエネルギーバンドギャップを有する第２の半導体材料からなる複数の量子ドットと、前記複数の量子ドットを覆って前記第１半導体層上に形成され、前記第２の半導体材料よりも大きいエネルギーバンドギャップを有する第３の半導体材料からなる第１の量子ドット閉じ込め層と、該第１の量子ドット閉じ込め層上に形成され、第１の量子ドット閉じ込め層よりも大きいエネルギーバンドギャップを有する第４の半導体材料からなる第２の量子ドット閉じ込め層と、前記第１の量子ドット閉じ込め層において前記第１の量子ドット閉じ込め層と前記第２の量子ドット閉じ込め層との界面側であって前記量子ドットの直上に形成され、その存在によって前記量子ドットのエネルギー準位を制御する微細構造とを含む半導体発光装置。
【０１４１】
（２）前記微細構造は、前記量子ドットに対して歪み応力を与える歪みドットである上記（１）に記載の半導体発光装置。
【０１４２】
（３）前記歪みドットは前記量子ドットに対して前記第１の量子ドット閉じ込め層の面内方向に歪み応力を与える歪みドットである上記（１）又は（２）に記載の半導体発光装置。
【０１４３】
（４）前記第１の半導体材料と前記第４の半導体材料とが同一材料である上記（１）または（２）に記載の半導体発光構造。
【０１４４】
（５）第１の半導体材料を含む第１半導体層と、該第１半導体層上に複数形成されるとともに、該第１半導体層から離間するに従って縮径し、かつ、該第１の半導体材料よりも小さいエネルギーバンドギャップを有する第２の半導体材料からなる複数の量子ドットと、前記複数の量子ドットを覆って前記第１半導体層上に形成され、前記第２の半導体材料よりも大きいエネルギーバンドギャップを有する第３の半導体材料からなる第１の量子ドット閉じ込め層と、該第１の量子ドット閉じ込め層上に形成され、第１の量子ドット閉じ込め層よりも大きいエネルギーバンドギャップを有する第４の半導体材料からなる第２の量子ドット閉じ込め層と、前記第１の量子ドット閉じ込め層内において前記第１の量子ドット閉じ込め層と前記第２の量子ドット閉じ込め層との界面側であって前記量子ドットの直上に形成され、その存在によって前記量子ドットのエネルギー準位を制御する微細構造とを含む積層構造が複数層積層されている半導体発光装置。
【０１４５】
（６）第１の半導体材料を含む第１半導体層と、該第１半導体層上に複数形成され該第１半導体層から離間するに従って縮径するとともに、該第１の半導体材料よりも小さいエネルギーバンドギャップを有し、かつ、低速成長法により形成され第２の半導体材料からなる複数の量子ドットと、前記複数の量子ドットを覆って前記第１半導体層上に形成され、前記第２の半導体材料よりも大きいエネルギーバンドギャップを有する第３の半導体材料からなる第１の量子ドット閉じ込め層と、該第１の量子ドット閉じ込め層上に形成され、第１の量子ドット閉じ込め層よりも大きいエネルギーバンドギャップを有する第４の半導体材料からなる第２の量子ドット閉じ込め層とを含む半導体発光装置。
【０１４６】
（７）前記第１の半導体材料はＧａＡｓであり、前記第２の半導体材料はＩｎＡｓであり、前記第３の半導体材料はＩｎ_xＧａ_1-xＡｓであり、前記第４の半導体材料はＧａＡｓである上記（１）から（６）までのいずれかに記載の半導体発光装置。
【０１４７】
（８）前記Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓのｘ値は、０．１３から０．２０までの範囲である上記（７）記載の半導体発光構造。
【０１４８】
（９）第１の半導体材料を含む第１半導体層と、該第１半導体層上に複数形成されるとともに、該第１半導体層から離間するに従って縮径し、かつ、該第１の半導体材料よりも小さいエネルギーバンドギャップを有する第２の半導体材料からなる複数の量子ドットと、前記複数の量子ドットを覆って、前記第１半導体層上に形成され、前記第２の半導体材料よりも大きいエネルギーバンドギャップを有する第３の半導体材料からなる第１の量子ドット閉じ込め層と、該第１の量子ドット閉じ込め層上に形成され、第１の量子ドット閉じ込め層よりも大きいエネルギーバンドギャップを有する第４の半導体材料からなる第２の量子ドット閉じ込め層と、前記第１の量子ドット閉じ込め層内の前記第１の量子ドット閉じ込め層と前記第２の量子ドット閉じ込め層との界面側であって前記量子ドットの直上に形成され、その存在によって前記量子ドットのエネルギー準位を制御する微細構造とを含み、さらに、前記第１の半導体層のうち前記量子ドットとは反対側と前記第２の量子ドット閉じ込め層のうち前記第１の量子ドット閉じ込め層の反対側とに配置され、前記第１の半導体材料よりもエネルギーギャップの大きい第５及び第６の半導体材料で形成された第１及び第２のバリア層とを含む半導体発光装置。
【０１４９】
（１０）第１の半導体材料を含む第１半導体層と、該第１半導体層上に複数形成されるとともに、該第１半導体層から離間するに従って縮径し、かつ、該第１の半導体材料よりも小さいエネルギーバンドギャップを有する第２の半導体材料を平均的に１秒間に０．０５分子層（ＭＬ）以下の供給速度で供給することにより成長された複数の量子ドットと、前記複数の量子ドットを覆って前記第１半導体層上に形成され、前記第２の半導体材料よりも大きいエネルギーバンドギャップを有する第３の半導体材料からなる第１の量子ドット閉じ込め層と、該第１の量子ドット閉じ込め層上に形成され、第１の量子ドット閉じ込め層よりも大きいエネルギーバンドギャップを有する第４の半導体材料からなる第２の量子ドット閉じ込め層とを含む半導体発光装置。
【０１５０】
（１１）前記第１の光閉じ込め層は、ｎ型のＡｌＧａＡｓ層を含み、 前記第２の光閉じ込め層は、ｐ型のＡｌＧａＡｓを含む上記（９）記載の半導体発光装置。
【０１５１】
（１２）前記微細構造は、前記量子ドットからの発光波長のピークが１．３μｍ帯となるよう応力を前記量子ドットに与える歪みドットである上記（１）記載の半導体発光装置。
【０１５２】
（１３）第１の半導体材料を含む第１半導体層と、該第１半導体層上に複数形成されるとともに、該第１半導体層から離間するに従って縮径し、かつ、該第１の半導体材料よりも小さいエネルギーバンドギャップを有する第２の半導体材料からなる複数の量子ドットと、前記複数の量子ドットを覆うように前記第１半導体層上に形成され、前記第２の半導体材料よりも大きいエネルギーバンドギャップを有する第３の半導体材料からなる第１の量子ドット閉じ込め層と、該第１の量子ドット閉じ込め層上に形成され、第１の量子ドット閉じ込め層よりも大きいエネルギーバンドギャップを有する第４の半導体材料からなる第２の量子ドット閉じ込め層と、前記第１の量子ドット閉じ込め層内において前記第１の量子ドット閉じ込め層と前記第２の量子ドット閉じ込め層との界面側であって前記量子ドットの直上に形成され、前記量子ドットのエネルギー準位を制御する微細構造とを含む半導体発光装置と、該半導体発光装置からの光を伝達するとともに１．３μｍ帯近傍に吸収係数の極小値を有する光ファイバーとを含む光通信システム。
【０１５３】
（１４）さらに１．３μｍ帯の光を光電変換可能な光電変換素子を含む上記（１３）に記載の光通信用装置。
【０１５４】
（１５）半導体基板上に、第１の半導体材料を含む第１の半導体層を成長する第１の工程と、該第１の半導体層上に、前記第１の半導体材料よりもバンドギャップの小さい第２の半導体材料を、平均的に１秒間に０．０５分子層（ＭＬ）以下の供給量で量子ドット層を形成する第２の工程と、該量子ドット層を覆って前記第１の半導体層の上に、前記第１の半導体材料よりもバンドギャップが小さく、前記第２の半導体材料よりもバンドギャップの大きい第３の半導体材料を含む第１のキャリア閉じ込め層を形成する第３の工程と、該第１のキャリア閉じ込め層の上に前記第３の半導体材料よりもバンドギャップの大きい第４の半導体材料を含む第２のキャリア閉じ込め層を形成する第４の工程とを含む半導体発光装置の製造方法。
【０１５５】
（１６）半導体基板上に、第１の半導体材料を含む第１の半導体層を成長する第１の工程と、（ａ）前記第１の半導体層上に、前記第１の半導体材料よりもバンドギャップの小さい第２の半導体材料を、平均的に１秒間に０．０５分子層（ＭＬ）以上供給して量子ドット層を形成する工程と、（ｂ）その後、前記第１の半導体層上に、前記第２の半導体材料を、平均的に１秒間に０．０５分子層（ＭＬ）以下であって前記（ａ）の工程における供給量よりも少ない供給量で供給し、前記量子ドットを追加成長させる工程とを含む第２の工程と、該量子ドットの上に、前記第１の半導体材料よりもバンドギャップが小さく、前記第２の半導体材料よりもバンドギャップの大きい第３の半導体材料を含む第１のキャリア閉じ込め層を形成する第３の工程と、該第１のキャリア閉じ込め層の上に前記第３の半導体材料よりもバンドギャップの大きい第４の半導体材料を含む第２のキャリア閉じ込め層を形成する第４の工程とを含む半導体発光装置の製造方法。
【０１５６】
（１７）前記第２の工程における基板温度は、４９５℃から５２５℃の間である上記１５記載の半導体発光装置の製造方法。
【０１５７】
（１８）前記第２の工程における前記第２の半導体材料を供給する工程は、該第２の半導体材料を供給・供給中断するためのシャッターを順次開閉することにより制御する工程を含む上記（１５）に記載の半導体発光装置の製造方法。
【０１５８】
（１９）前記第２の工程における前記第２の半導体材料を供給する工程は、該第２の半導体材料の構成元素を分割供給する工程を含む上記（１５）に記載の半導体発光装置の製造方法。
【０１５９】
（２０）前記第２の工程における前記第２の半導体材料を供給する工程は、該第２の半導体材料を分割供給する工程と成長中断する工程とを含む上記（１９）に記載の半導体発光装置の製造方法。
【０１６０】
（２１）前記第２の工程は、前記第１の半導体層上に、該第１の半導体材料よりもバンドギャップの小さい前記第２の半導体材料を、平均的にまたは実質的に１秒間に０．０５分子層（ＭＬ）以上の成長量で２分子層相当量供給する工程と、前記第２の半導体材料を、平均的にまたは実質的に１秒間に０．０５分子層（ＭＬ）以下の供給速度で１分子層相当量供給する工程とを含む上記（１５）に記載の半導体発光構造の製造方法。
【０１６１】
（２２）前記第２の工程は、前記第１の半導体層上に、該第１の半導体材料よりもバンドギャップの小さい前記第２の半導体材料を、平均的に１秒間に０．０５分子層（ＭＬ）以上の成長量で２分子層相当量供給する工程と、少なくとも１０秒以上の成長中断を行う工程と、前記第２の半導体材料を、平均的にまたは実質的に１秒間に０．０５分子層（ＭＬ）以下の供給速度で１分子層相当量供給する工程とを含む上記（１５）に記載の半導体発光構造の製造方法。
【０１６２】
（２３）前記第１の工程は、ＧａＡｓを成長する工程であり、前記第２の工程は、ＩｎＡｓを供給する工程であり、前記第３の工程は、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓを成長する工程であり、前記第４の工程は、ＧａＡｓを成長する工程である上記（１４）に記載の半導体発光構造の製造方法。
【０１６３】
【発明の効果】
室温連続発振し、かつ、発光スペクトルの半値幅を狭めることにより高効率されたレーザーを得ることができる。
【０１６４】
光ファイバーによる伝送にきわめて有効な波長である１．３μｍ帯での発光装置として、このレーザー装置を好ましく用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体レーザー装置の概略構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第一の実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドット構造の平面図である。
【図３】本発明の第一の実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドットの成長速度（ＩｎＡｓの供給速度）と、室温における発光ピーク波長、発光スペクトルの半値幅との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の第一の実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドットを含む構造の断面図である。
【図５】（ａ）は、本発明の第一の実施の形態による、低供給速度で成長したＩｎＡｓ量子ドット構造の室温におけるＰＬ発光スペクトル、（ｂ）は通常の速度で成長したＩｎＡｓ量子ドットのＰＬ発光スペクトルを示す。
【図６】本発明の第一の実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドット構造の供給速度と表面密度及びＡＦＭ法により測定した量子ドット底面の直径との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第一の実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドット構造におけるＩｎＡｓの供給量と、室温における量子ドットからの発光スペクトルの発光強度との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の第一の実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドット構造の成長時のＡｓ圧と、室温における量子ドットからの発光スペクトルのピーク波長及び発光強度との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第２の実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドット構造の製造工程を示す工程図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドット構造の製造工程を示す工程図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドット構造の断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドット構造におけるＩｎＧａＡｓ閉じ込め層の厚さを変化させた場合の、室温におけるＰＬの発光波長と発光強度を示した図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドット構造におけるＩｎＧａＡｓ閉じ込め層のＩｎＡｓ組成Ｘを変化させた場合の、室温におけるＰＬの発光波長と発光強度を示した図である。
【図１４】本発明の第４の実施の形態によるＩｎＡｓ量子ドット構造を示す断面図である。
【図１５】本発明の第５の実施の形態によるレーザー装置の断面図である。
【図１６】本発明の第６の実施の形態による光通信システムの概略図である。
【符号の説明】
Ａ、Ｈ 半導体レーザー装置
ＰＤ フォトダイオード
１ 活性層
３ ｎ型クラッド層
５ 第１の電極
１１ ｐ型クラッド層
１５ 第２の電極
２１ ＧａＡｓ層（第１半導体層）
２５、２５ａ、２５ｂ 量子ドット
２７ ＩｎＡｓ分子
２８ ＧａＡｓ分子
３１ ＩｎＧａＡｓ層（第１の量子ドット閉じ込め層）
３３ 微小構造
４１ ＧａＡｓ層（第２の量子ドット閉じ込め層）
１０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１０５ ｎ型クラッド層
１１１、１１５ ＳＣＨ層
１３１ ｐ型クラッド層
１４１ ｐ型ＡｌＧａＡｓ層
１５１ ｐ型ＧａＡｓ高濃度層
２０１ ｎ型電極
２１１ ｐ型電極
３０１ 光ファイバー
３１１ 受光素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device structure and a method for manufacturing the same, and more particularly, a semiconductor having quantum dots (also referred to as quantum boxes) that confine carriers from a three-dimensional direction (the degree of freedom of movement of carriers is zero-dimensional). The present invention relates to a light emitting device.
[0002]
[Prior art]
In so-called bulk semiconductor crystals in which the carriers have a three-dimensional freedom of motion, the density of states of the carriers increases continuously in a parabolic manner with energy.
[0003]
Carriers are distributed in each state according to a distribution function determined by temperature.
[0004]
When the bulk crystal is used as a light emitting layer of a light emitting element such as a laser, for example, the wavelength distribution of light emission becomes very broad at room temperature, and the light emission efficiency at a specific wavelength from the active layer is lowered. Furthermore, the light emission threshold value also increases, and the temperature change of the threshold value also increases.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Quantum well lasers using a structure (quantum well structure) in which the degree of freedom of movement of carriers is two-dimensionally confined are used. In the quantum well structure, the density of states of carriers is stepped.
[0006]
A quantum wire laser using a structure (quantum wire structure) in which carriers are one-dimensionally confined has also been proposed. In the quantum wire structure, the state density of carriers has a peak shape with a narrow width.
[0007]
However, even if these low-dimensional structures are used, the effect of carrier confinement is not sufficient. In order to further increase the efficiency, it is desired to further enhance the effect of carrier confinement.
[0009]
  The present inventionEyesIs efficient, low thresholdSemiconductor light emitting deviceIt is in providing the manufacturing method of.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  According to one aspect of the present invention,
  A first step of growing a first semiconductor layer comprising a first semiconductor material on a semiconductor substrate;
  (A) On the first semiconductor layer, a second semiconductor material having a band gap smaller than that of the first semiconductor material is supplied on an average by 0.05 molecular layer (ML) or more per second, and quantum Forming a dot layer;
  (B) Thereafter, on the first semiconductor layer, the second semiconductor material is averagely not more than 0.05 molecular layer (ML) per second, and is supplied from the supply amount in the step (a). A second step including a step of further growing the quantum dots by supplying with a small supply amount;
  A third carrier confining layer including a third semiconductor material having a band gap smaller than that of the first semiconductor material and larger than that of the second semiconductor material is formed on the quantum dot. And the process of
  A fourth step of forming a second carrier confinement layer including a fourth semiconductor material having a band gap larger than that of the third semiconductor material on the first carrier confinement layer;
For manufacturing a semiconductor light emitting device includingIs provided.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a schematic structure of the semiconductor laser device A.
[0013]
The semiconductor laser device A is in contact with an active layer 1 that contributes to light emission, an n-type cladding layer (barrier layer) 3 formed on one surface (substrate side), and an n-type cladding layer (barrier layer) 3. A first electrode layer 5. The light emitting layer 1 includes a p-type clad layer 11 and a second electrode layer 15 in contact with the p-type clad layer 11 on the side opposite to the substrate (surface side).
[0014]
The light emitting layer 1 is surrounded by clad layers 3 and 11 on both sides.
[0015]
When a positive voltage is applied to the second electrode layer 15, holes flow from the p-type cladding layer 11 and electrons flow from the n-type cladding layer 3 to the light emitting layer 1.
[0016]
A large number of electrons and holes flowing into the light emitting layer 1 are recombined in the active layer 1. During recombination, laser light having a wavelength corresponding to the energy band gap Eg of the active layer 1 is emitted from the end face of the active layer 1.
[0017]
In general, the laser emission wavelength λ is expressed by the following equation.
[0018]
λ = 1240 / Eg
Here, λ is the emission wavelength (nm), and Eg is the forbidden band width (eV) of the semiconductor. The value of Eg determines the emission wavelength of the laser.
[0019]
Group III-V compound semiconductors are frequently used as semiconductor materials for lasers. Among the group III-V compound semiconductors, GaAs has a forbidden band width Eg of 1.43 eV. The emission wavelength of a laser using GaAs as an active layer is 0.87 μm, and emits light in the infrared region.
[0020]
Among III-V semiconductors, InAs has a relatively small Eg of 0.36 eV. When bulk InAs is used as the active layer (when the thickness of the active layer is sufficiently thicker than the electron de Broglie wavelength, that is, about 10 nm), most of the carriers transition between the ground level of electrons and holes. The wavelength of light emission resulting from recombination of electrons and holes is about 3.4 μm.
[0021]
As a light emitting element for optical communication that propagates information through an optical fiber, it is preferable to use a laser having an emission wavelength of 1.3 μm band.
[0022]
In order to obtain a laser having an emission wavelength in the 1.3 μm band, for example, a mixed crystal of GaAs and InAs or InP (for example, InGaAsP) is appropriately selected as the material of the active layer.
[0023]
When the thickness of the active layer is reduced (when the thickness of the active layer is an electron wavelength, that is, about 10 nm or less), the laser device A has a quantum well structure in which the active layer is a well and the cladding layer is a barrier. Become. When the quantum well structure is used, carriers (electrons and holes) are confined in the active layer, and the degree of freedom of movement becomes two-dimensional. In the quantum well, a subband (so-called quantum level) having energy higher than the ground level of the conduction band and the valence band is formed. In the quantum well structure, it is possible to obtain a laser emitting at a desired wavelength by controlling the thickness of the active layer.
[0024]
As the active layer for laser, a quantum wire structure confined in the cladding layer (barrier layer) in one dimension can be used.
[0025]
Even if a quantum well structure or a quantum wire structure is used, carriers cannot be confined in the active layer in a complete state. This is because there is a direction in which confinement is insufficient. Accordingly, the emission wavelength distribution width at room temperature is broad.
[0026]
In order to further increase the light emission efficiency of the laser, it has been desired to realize a laser device capable of further narrowing the emission wavelength distribution width.
[0027]
When a quantum dot structure in which carriers are confined from a three-dimensional direction is used, the density of states of electrons and holes in the quantum level becomes a delta function. That is, the carriers are completely discrete like atoms and the energy width becomes very narrow.
[0028]
In general, in a state where the probability that electrons and holes are thermally excited becomes high, for example, at room temperature, in a quantum dot structure, carriers are confined in a three-dimensional direction, and carriers exist only in discrete quantum levels. . Carriers transition only between discretely formed quantum levels, and energy-discontinuous transitions occur. The spectrum of the emission energy from the quantum dot structure becomes very steep corresponding to the energy width of each quantum level.
[0029]
Within the quantum dots, subbands (quantum levels) having energy higher than the ground level are formed in the conduction band and the valence band. The value of quantum level energy depends on the size of the quantum dot structure.
[0030]
As the size of the quantum dot is reduced, the energy value of the quantum level formed in the conduction band and valence band increases. The recombination energy of electrons and holes generated between quantum levels also increases. The recombination energy can be adjusted by changing the size of the quantum dots, and the emission wavelength can also be adjusted.
[0031]
The active layer of the semiconductor laser device will be described below with reference to the drawings.
[0032]
2 to 8 show the structure of the active layer used in the semiconductor laser device according to the first embodiment of the present invention.
[0033]
FIG. 2 is a plan view showing a state of the GaAs surface in a state where a number of quantum dots 25 containing InAs are formed on the GaAs layer 21. This plan view shows the AFM (AtomicForceMIt is based on the measurement result using the (iccopy) method. At a normal growth raw material supply rate in so-called MBE, MOCVD or the like, that is, about 0.1 ML / s, the dot bottom diameter is 22 nm and the surface density is 8.7 × 10^Tencm^-2Degree. The ML is an abbreviation for monolayer and is a monomolecular layer.
[0034]
When the InAs supply rate is about 0.02 ML / s, the dot bottom diameter is 39 nm and the surface density is 2.6 × 10 6.^Tencm^-2Degree.
[0035]
When the supply rate of InAs is 0.007 ML / s, the diameter of the dot bottom is 44 nm and the surface density is 1.4 × 10.^Tencm^-2It will be about.
[0036]
When the supply rate of InAs is further decreased to 0.002 ML / s, the diameter of the bottom surface of the dots is 50 nm and the surface density is 0.5 × 10.^Tencm^-2It will be about. A large number of InAs quantum dots are formed on the GaAs substrate in the form of scattered dots (which means that the respective quantum dots are not in contact with each other).
[0037]
FIG. 3 shows the relationship between the InAs supply rate (ML / s), the emission peak wavelength at room temperature (300 K), and the half width of the spectrum. The substrate temperature is 510 ° C., and the supply amount of InAs is 1.9 ML.
[0038]
At a normal InAs supply rate, that is, 0.1 ML / s, the emission wavelength is about 1.1 μm. When the supply rate is 0.04 ML / s, the emission wavelength shows a value of 1.2 μm or more. At a supply rate of 0.007 ML / s, the emission wavelength is about 1.23 μm. When the supply rate is further reduced to 0.002 ML / s, the emission wavelength reaches 1.3 μm.
[0039]
The half-value width of the emission spectrum shows a smaller value as the supply speed is lowered.
[0040]
FIG. 4 is a cross-sectional view based on TEM observation of a semiconductor layer including an active layer. The bottom diameter of the InAs quantum dots formed on the GaAs layer 21 is about 20 nm and the height is about 6 to 8 nm. The quantum dot has a conical or hemispherical shape.
[0041]
In FIG. 2C, which is an observation result based on the AFM method, the average diameter of the bottom surface of the InAs quantum dots 25 appeared to be about 44 nm. Actually, it has been found to be about 20 nm as shown in FIG. It is understood that the measurement error of the diameter of the bottom surface of the quantum dot in FIG. 2 is caused by the relationship between the size of the cantilever and the shape of the quantum dot in the AFM measurement.
[0042]
The quantum dots shown below also include measurement errors in the AFM method as described above.
[0043]
In addition, by limiting the growth conditions of InAs, for example, the substrate temperature Ts, the supply rate of InAs, the As pressure during growth, and the like to predetermined conditions, a hemispherical shape having a bottom diameter of 25 nm or less and a height of 15 nm or less, a cone or A quadrangular pyramid-shaped quantum dot is obtained.
[0044]
FIG. 5A shows an emission spectrum of PL from the active layer including the InAs quantum dots 25 at room temperature.
[0045]
The growth conditions for the InAs quantum dots are an InAs supply rate of 0.007 ML / s, an InAs supply amount of 1.9 ML, and a substrate temperature of 510 ° C.
[0046]
The InAs supply amount 1.9 ML defined in this specification is defined as a supply amount by which an InAs layer grows 1.9 ML when grown on a substrate lattice-matched with InAs, for example, an InAs substrate.
[0047]
When InAs quantum dots were grown under the above conditions, a wavelength of about 1.25 μm was obtained as the wavelength at the peak of the emission spectrum, and a value of about 40 meV was obtained as the half width of the emission spectrum.
[0048]
The above values are quite different from the values obtained using normal quantum dot growth conditions.
[0049]
The normal growth conditions in this specification are a growth rate of 0.1 ML / s as a growth condition of InAs quantum dots, a supply amount of InAs of 1.9 ML (molecular layer), and a substrate temperature of 510 ° C. The supply rate of InAs under normal growth conditions is higher in each stage than the supply rate of InAs according to the present embodiment.
[0050]
As shown in FIG. 5B, when the InAs supply rate is 0.1 ML / s, the peak wavelength of the PL emission spectrum from the active layer including the InAs quantum dots 25 at room temperature is about 1.1 μm. A value of about 60 meV is obtained as the half-value width of the emission spectrum. At a normal InAs supply rate, the surface density of the quantum dots is 8.7 × 10^Tencm^-2A value of 22 nm was obtained as the average particle diameter.
[0051]
The emission spectrum from the InAs quantum dots according to the present embodiment is shifted to the longer wavelength side by about 0.15 μm as the peak wavelength of emission compared to the emission spectrum from the normal InAs quantum dots. The full width at half maximum of the emission spectrum decreases from about 60 meV to about 40 meV.
[0052]
It is presumed that the peak energy value and half width of the emission spectrum are dominated by the height of the quantum dots.
[0053]
The InAs quantum dots formed under normal growth conditions have a flat shape of 3 to 5 nm. The height of InAs quantum dots according to the present embodiment is as high as 6 to 8 nm.
[0054]
The PL emission wavelength from InAs quantum dots formed under conventional growth conditions has a peak value of about 1.0 μm. The transition energy between quantum levels is estimated to be about 1.25 eV.
[0055]
On the other hand, the PL emission wavelength from the InAs quantum dots according to the present embodiment has a peak value of 1.25 μm. The transition energy between quantum levels is estimated to be about 1.0 eV.
[0056]
The difference in the half width of the emission spectrum is interpreted as follows.
[0057]
Quantum dots, particularly InAs quantum dots under normal growth conditions, have a flat shape (low height). Therefore, as described above, in quantum dots grown under normal growth conditions, it is understood that the energy level of the quantum level is dominated by the height of the quantum dots. Even if a variation of a height of about 1 ML (0.3 nm) is generated, the energy value of the quantum level changes greatly.
[0058]
  The InAs quantum dots according to the present embodiment are higher in height than InAs quantum dots grown at a normal InAs supply rate. That muchgrowthThe change amount (variation) in the energy value of the quantum level due to the variation in quantity is small. As the supply rate of InAs, 2 × 10^-3To 4 × 10^-2ML / s is preferred.
[0059]
It is considered that a large difference has occurred in the half-value width of the emission spectrum due to the phenomenon described above.
[0060]
When InAs is grown at a low supply rate, InAs quantum dots can be formed with a larger diameter and a higher height than when grown at a normal supply rate. Such a phenomenon can be interpreted as follows.
[0061]
Even in InAs quantum dots when InAs is supplied at a normal supply rate, the InAs molecules supplied on the GaAs layer have a large lattice mismatch with GaAs, so that the surface does not receive strong constraints from the underlying GaAs. Can be moved. In the case of high-speed growth, since the amount of InAs supplied on the GaAs surface is large, the speed at which the nuclei of quantum dots are formed is high.
[0062]
Once a high-density nucleus is formed on the GaAs surface, atoms supplied on the GaAs surface are quickly taken into the nucleus to grow the nucleus. During the growth of the nuclei, new InAs are supplied and more nuclei are formed and grown.
[0063]
Therefore, when grown under the condition of a high supply rate, quantum dots having a relatively small size are formed with high density.
[0064]
On the other hand, when grown at a low supply rate, the amount of InAs supplied is small, so that the generation density of nuclei of quantum dots formed on the GaAs substrate is small.
[0065]
Since the amount of InAs supplied on the GaAs is small, the supplied atoms can move a long distance on the GaAs surface.
[0066]
InAs travels a long distance and is preferentially taken into nuclei having a relatively small surface density to grow nuclei. The probability of new nucleation is small. As a result, the InAs supplied thereafter is preferentially supplied into the low-density nuclei generated at the beginning of supply.
[0067]
Therefore, it is possible to grow InAs quantum dots that are larger (higher in height) than in the case of a normal growth rate.
[0068]
Next, when growing InAs quantum dots, the wavelength of the emission spectrum, the half width, the dot density, and the dot density when various growth conditions (InAs supply rate, substrate temperature, InAs supply amount, As pressure) are changed are described. The value of the diameter of the bottom surface (measured value by AFM as described above) will be described.
[0069]
FIG. 6 shows the relationship between the supply rate of InAs quantum dots, the surface density of the quantum dots at room temperature (300 K), and the diameter of the bottom surface of the dots. The substrate temperature is 510 ° C., and the supply amount of InAs is 1.9 ML.
[0070]
As the growth rate is reduced, the surface density decreases, and therefore the diameter of the bottom surface of the dot tends to increase.
[0071]
FIG. 7 shows the relationship between the supply amount of InAs, the peak wavelength of the emission spectrum from the quantum dots at room temperature (300 K), and the emission intensity. The substrate temperature is 510 ° C., and the supply rate is 0.007 ML / s.
[0072]
  When the supply amount of InAs is changed from 1.7 ML to 2.75 ML, the emission wavelength becomes longer from 1.21 to 1.25 μm. On the other hand, the emission intensity has a peak at 1.8 ML as the supply amount of InAs. When the supply amount is higher than that, light emissionStrengthGradually decreases.
[0073]
In order to maintain the emission intensity at a certain level or more, the supply amount of InAs is preferably selected from the range of 1.6 to 2.2 ML.
[0074]
FIG. 8 shows the relationship between the pressure of As, the peak wavelength of the emission spectrum from the quantum dots at room temperature (300 K), and the emission intensity. The substrate temperature is 510 ° C., and the InAs supply rate is 0.007 ML / s.
[0075]
Regarding the emission intensity, the pressure of As is 5 to 7 × 10.^-7A high value is shown in Torr. When the As pressure is lower than this, the emission intensity estimated to be caused by the influence of lattice defects (vacancy) at the As site due to the lack of As (group V element) and defects such as minute clusters of group III elements. There is a decline.
[0076]
When the As pressure is higher than this, the emission intensity is assumed to be reduced due to the effect of interstitial defects (defects due to incorporation of As atoms between the lattices) due to excessive supply of As (group V element). Is seen.
[0077]
From the above experimental results, the InAs supply rate is 2 × 10^-3To 2 × 10^-2ML / s, InAs supply amount 1.6 to 2.2 ML, As pressure 0.8 × 10^-62 × 10^-6The following is preferable.
[0078]
With the growth method at a low supply rate, the peak wavelength of light emission from the InAs quantum dots can be lengthened, and the half-value width of the emission spectrum can be narrowed. By narrowing the half width of the emission spectrum, the light emission efficiency when applied to a laser can be significantly increased.
[0079]
In order to obtain an InAs supply rate that is much slower than usual, the temperature of the In Knudsen cell (K cell) may be lowered to keep the In evaporation rate low.
[0080]
As another method of reducing the supply speed, there is also a method of opening and closing a shutter provided in the In K cell in a pulse manner. The expression “controls the supply amount on average” used in the claims means that the supply method by the shutter control as described above is included.
[0081]
Next, a semiconductor substrate including InAs quantum dots and a growth method thereof according to the second embodiment of the present invention will be described.
[0082]
FIG. 9 shows a manufacturing process of InAs quantum dots according to the second embodiment.
[0083]
As shown in FIG. 9A, first, as a first step, InAs corresponding to 1.7 ML is supplied onto a GaAs substrate by a normal high-speed growth method (0.1 ML / s).
[0084]
A large number of InAs quantum dots having a high surface density and a small size are formed on a GaAs substrate. The uniformity of size is not good. Thereafter, the growth is interrupted for 90 seconds.
[0085]
Next, as a second step, the temperature of the In K cell is lowered, and 0.4 ML of InAs is supplied onto the GaAs substrate at a supply rate of 0.004 ML / s (FIG. 9B).
[0086]
The size of the InAs quantum dots formed in the first process is expanded by the second process. In the second step, new nuclei are hardly formed. However, only InAs quantum dots grow.
[0087]
This second step increases the surface density (5 × 10 5^Tencm^-2) And large quantum dots can be formed (FIG. 9C).
[0088]
In the quantum dot obtained by the above two steps, a value of 1.25 μm was obtained as the peak wavelength of the PL emission spectrum at room temperature.
[0089]
This value is emission at a long wavelength that cannot be obtained when InAs quantum dots are grown at a normal supply rate. Compared with the growth method according to the first embodiment, InAs quantum dots exhibiting long-wavelength emission characteristics can be formed in a short time.
[0090]
Next, an InAs quantum dot structure according to a third embodiment of the present invention will be described.
[0091]
FIG. 10 is a process diagram showing manufacturing steps of the InAs quantum dot structure according to the third embodiment of the present invention.
[0092]
As shown in FIG. 10A, InAs27 and GaAs28 corresponding to about 1.9 ML are supplied onto a GaAs substrate at a supply rate of 0.007 ML / s by the method shown in the first embodiment. The InAs quantum dots 25 may be formed using the method according to the second embodiment (two-stage growth method).
[0093]
As a result, a large InAs quantum dot 25 (particularly a high dot height) is formed on the GaAs substrate 21.
[0094]
As shown in FIG._xGa_1-xAn As (x = 0.17) layer 31 is grown to a thickness equivalent to 4 nm.
[0095]
  As shown in FIG. 10 (c), InAs quantum dots25However, a structure embedded with the InGaAs layer 31 is formed.
[0096]
A GaAs layer 41 (FIG. 11) is formed on the InGaAs layer.
[0097]
FIG. 11 is a copy of a cross-sectional TEM image corresponding to the structure of FIG. In_xGa_1-xThe As (x = 0.17) layer 31 is grown to a thickness equivalent to 4 nm. Between the underlying GaAs 21 and InGaAs 31, there exists a wetting layer peculiar to SK (Strunki-Krastanow) type growth.
[0098]
In_xGa_1-xA new microstructure 33 is formed immediately above the InAs quantum dots 25 previously formed in the step before growing the As (x = 0.17) layer 31.
[0099]
There is no wetting layer at the interface between the InGaAs layer 31 and the GaAs layer 41 grown thereon.
[0100]
The microstructure 33 is formed only on the InAs quantum dots 25 in the interface between the InGaAs layer 31 and the GaAs layer 41 grown thereon. According to the composition analysis, there is no significant difference in the composition between the microstructure 33 and the InGaAs layer 31 where the microstructure 33 is not formed.
[0101]
The microstructure 33 is formed of InGaAs (In) formed by the difference in lattice constant between the InAs quantum dots 25 and the InGaAs layer 31 and the surface shape (hemispherical or conical) of the InAs quantum dots 25._0.17Ga_0.83As) is presumed to be a strain region (distortion dot) having a larger lattice constant than the layer 31.
[0102]
FIG. 12 shows that In grown on InAs quantum dots obtained by supplying 1.9 ML equivalent of InAs at a supply rate of 0.007 ML / s._0.17Ga_0.832 shows PL emission wavelength and emission intensity at room temperature when the thickness of the As confinement layer is changed.
[0103]
The thickness of the confinement layer was changed from 0 to 12 nm.
[0104]
As the thickness of the confinement layer is increased, the emission wavelength is increased from 1.27 μm to 1.32 μm. However, when the thickness of the confinement layer exceeds 6 nm, the emission wavelength gradually decreases.
[0105]
Regarding the emission intensity, the emission intensity decreases as the thickness of the confinement layer increases. In particular, when the thickness of the confinement layer exceeds 6 nm, the emission intensity rapidly decreases. The cause of the decrease in emission intensity is considered to be that defects (misfit dislocations) due to lattice mismatch occur as the thickness of InGaAs having a lattice constant different from that of GaAs increases. Misfit dislocations become non-luminescent recombination centers.
[0106]
A preferred InGaAs confinement layer thickness is 1 to 8 nm, more preferably 2 to 6 nm.
[0107]
FIG. 13 shows In_xGa_1-xThis figure shows changes in emission wavelength and emission intensity when the As confinement layer thickness is constant at 8 nm and the InAs composition ratio x is changed from 0 (in the case of a GaAs buried layer) to 0.19. .
[0108]
The emission wavelength increases as the InAs composition x of the confinement layer increases. When the composition of InAs is 0.15 or more, the emission wavelength is 1.3 μm. When the composition of InAs is 0.19, the emission wavelength reaches 1.32 μm.
[0109]
On the other hand, the emission intensity rapidly decreases when the InAs composition exceeds 0.17. This is probably because misfit dislocations are generated by exceeding the critical film thickness. It is desirable that the composition of InAs under the conditions used in the experiment is 0.17 or less, preferably 0.1 to 0.17.
[0110]
As described above, in the quantum dot structure according to the present embodiment, a new microstructure (quantum structure) can be formed on a quantum dot by growing an InGaAs confinement layer on the InAs quantum dot. As a result, it was found that a light emission wavelength from this structure exceeded 1.3 μm.
[0111]
In the above microstructure, the composition of the InGaAs confinement layer does not change greatly and it is formed only on the InAs quantum dots. Therefore, the microstructure is composed of hemispherical or conical InAs quantum dots and InGaAs confinement layers. It is presumed that the microstrain structure has a larger lattice constant than the InGaAs layer formed due to the lattice mismatch between
[0112]
Due to the existence of such a micro-strain structure, strain stress (stress in the direction of increasing the lattice constant) acts on the InAs quantum dots existing immediately below, and as a result, strain stress does not act on the quantum dots. Rather than the recombination energy between electrons and holes that contribute to light emission.
[0113]
A base substrate (GaAs), a quantum dot (InAs), a first carrier confinement layer (InGaAs), a second carrier confinement layer (GaAs) on the first carrier confinement layer, a first carrier confinement layer, and a first carrier confinement layer; The lattice constant in free growth (unstrained state) with the microstructure layer formed in the first carrier confinement layer in the vicinity of the interface with the two carrier confinement layers is expressed by the lattice constant of the underlying substrate to the second constant. The lattice constant of the carrier confinement layer <the first carrier confinement layer ≦ the microstructure layer <the quantum dot.
[0114]
On the other hand, with respect to the energy gap, there is a relationship of the lattice constant of the base substrate to the lattice constant of the second carrier confinement layer> first carrier confinement layer ≧ microstructure layer> quantum dot.
[0115]
FIG. 14 shows an InAs quantum dot structure according to the fourth embodiment of the present invention. In this quantum dot structure, an InAs quantum dot 25a is formed on a GaAs substrate 21, and an InGaAs confinement layer 31a is formed thereon. Further, a GaAs layer 41a is formed on the InGaAs confinement layer 31a, InAs quantum dots 25b are formed on the GaAs layer 41a, and an InGaAs confinement layer 31b is formed thereon. Such a unit is repeated to form a laminated structure.
[0116]
In the stacked structure according to this embodiment, InAs quantum dot structures are stacked in multiple layers.
[0117]
Therefore, even if the same crystal growth conditions are used, the number of quantum dots contributing to light emission increases. The total emission intensity increases.
[0118]
Next explained is a laser device according to the fifth embodiment of the invention.
[0119]
FIG. 15 is a sectional view of a laser apparatus H according to the fifth embodiment.
[0120]
An n-type Al film with a thickness of 1.4 μm is formed on a GaAs substrate 101 doped with an n-type impurity._0.4Ga_0.6A cladding layer 105 made of As is formed. On the cladding layer, SCH (thickness 115 nm) made of GaAs (SeparatedConfinementHAn active layer 121 sandwiched between the layers (e.e., structure) 111 and 115 is formed.
[0121]
On the upper SCH layer 115, p-type Al doped with p-type impurities and having a thickness of 1.4 μm._0.4Ga_0.6A cladding layer 131 made of As is formed. p-type Al_0.4Ga_0.6On the cladding layer made of As, p-type Al with a thickness of 20 nm_0.2Ga_0.8An As layer 141 and a high-concentration p-type GaAs layer 151 having a thickness of 0.4 μm are formed.
[0122]
p-type Al_0.4Ga_0.6As cladding layer 131 made of As, p-type Al_0.2Ga_0.8The As layer 141 and the high-concentration p-type GaAs layer 151 are processed into stripes having a width of about 4.5 μm. The clad layer 131 has a tapered shape that is reduced in diameter toward the high concentration p-type GaAs layer side. The high concentration p-type GaAs layer 151 has an inversely tapered shape.
[0123]
An n-type semiconductor electrode 201 and a p-type semiconductor electrode 211 are formed on the n-type GaAs substrate 101 and the high-concentration p-type GaAs layer 151, respectively.
[0124]
As the structure of the active layer 121, the stacked structure according to the fourth embodiment is used.
[0125]
The thickness of InGaAs in the active layer is 4 nm, and the thickness of GaAs is 26 nm. A laminated structure of InGaAs and GaAs is formed in three to four layers.
[0126]
By using the above laser apparatus H, room temperature continuous oscillation at a wavelength of 1.3 μm was observed.
[0127]
FIG. 16 is a schematic diagram of an optical communication system according to the sixth embodiment of the present invention.
[0128]
The optical communication system according to the present embodiment uses the laser device H described in the fifth embodiment as a light emitting device.
[0129]
The laser device H emits laser light of 1.3 μm band.
[0130]
On the other hand, on the light receiving side, a photodiode PD is used as a photoelectric conversion element that photoelectrically converts light in the 1.3 μm band. As a material of the light receiving layer of the photodiode PD, InGaAs with high light receiving sensitivity in the 1.3 μm band_0.5P_0.5Or GaAs_0.5Sb_0.5Is used. InP can be used as the substrate material, and InAlAsP can be used as the material for the cladding layer.
[0131]
As the material for the light receiving layer of the photodiode, the same structure as that of the active layer having the quantum dot structure according to the first to fourth embodiments of the present invention can be used.
[0132]
Between the laser device H for light emission and the photodiode PD311 for light reception, there is a minimum value of the absorption coefficient in the 1.3 μm band so that light in the 1.3 μm band can be efficiently transmitted. An optical fiber 301 for 3 μm band transmission can be used. In addition, an amplifier circuit 321 that amplifies an electrical signal after the light received by the photodiode 311 is converted into an electrical signal that is amplified, and a control circuit 325 that controls the optical signal and the electrical signal may be included. Further, an optical attenuator 331 that attenuates light emitted from the laser device H may be included.
[0133]
If the optical communication system according to the present embodiment is used, optical communication can be performed efficiently.
[0134]
As mentioned above, although this invention was demonstrated along embodiment, this invention is not restrict | limited to these.
[0135]
In the above embodiment, an InAs quantum dot having a large lattice constant is formed on GaAs, and the structure is embedded with InGaAs having a lattice constant larger than that of GaAs and smaller than InAs. did.
[0136]
The above structure is presumed to be formed mainly by the influence of strain due to the difference in lattice constant between the underlying crystal and the crystal to be grown.
[0137]
Accordingly, on InGaAs grown on (Al) GaAs, (Al) GaSb grown on (Al) GaAs, In (Al) GaSb (As), and InP having the same relationship as the combination of semiconductors according to the above-described embodiment. It goes without saying that the same structure and optical characteristics can be obtained even in materials such as In (Ga) As and (In) GaSb grown in the same manner.
[0138]
Further, for example, the thickness of the semiconductor layer can be arbitrarily changed within a range that satisfies desired characteristics. Various growth conditions and other process parameters can also be selected. It will be apparent to those skilled in the art that other various modifications, improvements, combinations, and the like are possible.
[0139]
Note that (1) to (23) described below are extracted from the invention described in the present specification.
[0140]
(1) A first semiconductor layer including a first semiconductor material, a plurality of first semiconductor layers formed on the first semiconductor layer, and having a diameter reduced as the distance from the first semiconductor layer increases, and the first semiconductor material A plurality of quantum dots made of a second semiconductor material having a smaller energy band gap and an energy band formed on the first semiconductor layer so as to cover the plurality of quantum dots and larger than the second semiconductor material A first quantum dot confinement layer made of a third semiconductor material having a gap, and a fourth quantum band confinement layer formed on the first quantum dot confinement layer and having an energy band gap larger than that of the first quantum dot confinement layer A second quantum dot confinement layer made of a semiconductor material; and the first quantum dot confinement layer and the second quantum in the first quantum dot confinement layer Tsu A interface side of the bets confinement layer is formed directly on the quantum dot, the semiconductor light emitting device including a microstructure which controls the energy level of the quantum dot by its presence.
[0141]
(2) The semiconductor light-emitting device according to (1), wherein the microstructure is a strained dot that applies strain stress to the quantum dot.
[0142]
(3) The semiconductor light-emitting device according to (1) or (2), wherein the strained dot is a strained dot that applies strain stress to the quantum dot in an in-plane direction of the first quantum dot confinement layer.
[0143]
(4) The semiconductor light emitting structure according to (1) or (2) above, wherein the first semiconductor material and the fourth semiconductor material are the same material.
[0144]
(5) A first semiconductor layer containing a first semiconductor material, a plurality of first semiconductor layers formed on the first semiconductor layer, and having a diameter reduced as the distance from the first semiconductor layer increases, and the first semiconductor material A plurality of quantum dots made of a second semiconductor material having a smaller energy band gap and an energy band formed on the first semiconductor layer so as to cover the plurality of quantum dots and larger than the second semiconductor material A first quantum dot confinement layer made of a third semiconductor material having a gap, and a fourth quantum band confinement layer formed on the first quantum dot confinement layer and having an energy band gap larger than that of the first quantum dot confinement layer A second quantum dot confinement layer made of a semiconductor material; and the first quantum dot confinement layer and the second quantity in the first quantum dot confinement layer The formed directly above the quantum dots or at the interface side of the dot confinement layer, a semiconductor light emitting device stacked structure including a fine structure for controlling the energy level of the quantum dot its presence is a plurality of layers stacked.
[0145]
(6) A first semiconductor layer containing a first semiconductor material, a plurality of semiconductor layers formed on the first semiconductor layer, having a diameter reduced as the distance from the first semiconductor layer increases, and energy smaller than that of the first semiconductor material A plurality of quantum dots having a band gap and formed of a second semiconductor material formed by a low-speed growth method; and the second semiconductor formed on the first semiconductor layer so as to cover the plurality of quantum dots. A first quantum dot confinement layer made of a third semiconductor material having an energy band gap larger than that of the material, and an energy band formed on the first quantum dot confinement layer and larger than the first quantum dot confinement layer A semiconductor light emitting device including a second quantum dot confinement layer made of a fourth semiconductor material having a gap.
[0146]
(7) The first semiconductor material is GaAs, the second semiconductor material is InAs, and the third semiconductor material is In._xGa_1-xThe semiconductor light emitting device according to any one of (1) to (6), wherein the semiconductor material is As and the fourth semiconductor material is GaAs.
[0147]
(8) In_xGa_1-xThe x value of As is the semiconductor light emitting structure according to the above (7), which is in the range of 0.13 to 0.20.
[0148]
(9) A first semiconductor layer containing a first semiconductor material, a plurality of first semiconductor layers formed on the first semiconductor layer, and having a diameter reduced as the distance from the first semiconductor layer increases, and the first semiconductor material A plurality of quantum dots made of a second semiconductor material having a smaller energy bandgap, and covering the plurality of quantum dots and formed on the first semiconductor layer, and having a higher energy than the second semiconductor material A first quantum dot confinement layer made of a third semiconductor material having a band gap, and a fourth quantum band confinement layer formed on the first quantum dot confinement layer and having an energy band gap larger than that of the first quantum dot confinement layer A second quantum dot confinement layer made of a semiconductor material, and the first quantum dot confinement layer and the second quantum dot in the first quantum dot confinement layer A fine structure that is formed immediately above the quantum dot and controls the energy level of the quantum dot by its presence, and further, the quantum of the first semiconductor layer Fifth and sixth elements disposed on the side opposite to the dots and on the opposite side of the second quantum dot confinement layer to the first quantum dot confinement layer and having an energy gap larger than that of the first semiconductor material. A semiconductor light emitting device including first and second barrier layers formed of a semiconductor material.
[0149]
(10) A first semiconductor layer containing a first semiconductor material, a plurality of semiconductor layers formed on the first semiconductor layer, and having a diameter reduced as the distance from the first semiconductor layer increases, and the first semiconductor material A plurality of quantum dots grown by supplying a second semiconductor material having a smaller energy band gap on average at a supply rate of 0.05 molecular layer (ML) or less per second; A first quantum dot confinement layer that is formed on the first semiconductor layer so as to cover a dot and is made of a third semiconductor material having an energy band gap larger than that of the second semiconductor material; A second quantum dot confinement layer formed on the confinement layer and made of a fourth semiconductor material having a larger energy band gap than the first quantum dot confinement layer Body light-emitting device.
[0150]
(11) The semiconductor light emitting device according to (9), wherein the first optical confinement layer includes an n-type AlGaAs layer, and the second optical confinement layer includes p-type AlGaAs.
[0151]
(12) The semiconductor light-emitting device according to (1), wherein the microstructure is a strained dot that applies stress to the quantum dot so that a peak of an emission wavelength from the quantum dot is in a 1.3 μm band.
[0152]
(13) A first semiconductor layer including a first semiconductor material, a plurality of first semiconductor layers formed on the first semiconductor layer, and having a diameter reduced as the distance from the first semiconductor layer increases, and the first semiconductor material A plurality of quantum dots made of a second semiconductor material having a smaller energy bandgap, and a larger energy than the second semiconductor material, formed on the first semiconductor layer so as to cover the plurality of quantum dots. A first quantum dot confinement layer made of a third semiconductor material having a band gap, and a fourth quantum band confinement layer formed on the first quantum dot confinement layer and having an energy band gap larger than that of the first quantum dot confinement layer. A second quantum dot confinement layer made of the semiconductor material, and the first quantum dot confinement layer and the first quantum dot confinement layer in the first quantum dot confinement layer. A semiconductor light emitting device including a fine structure that is formed on the interface side of the quantum dot confinement layer and immediately above the quantum dot and that controls an energy level of the quantum dot, and transmits light from the semiconductor light emitting device And an optical communication system including an optical fiber having a minimum absorption coefficient in the vicinity of the 1.3 μm band.
[0153]
(14) The apparatus for optical communication according to (13), further including a photoelectric conversion element capable of photoelectrically converting light in the 1.3 μm band.
[0154]
(15) A first step of growing a first semiconductor layer containing a first semiconductor material on a semiconductor substrate, and a band gap smaller than that of the first semiconductor material on the first semiconductor layer A second step of forming a quantum dot layer of a second semiconductor material on the average with a supply amount of 0.05 molecular layer (ML) or less per second; and the first semiconductor covering the quantum dot layer A third step of forming a first carrier confinement layer including a third semiconductor material having a band gap smaller than that of the first semiconductor material and larger than that of the second semiconductor material on the layer; And a fourth step of forming a second carrier confinement layer including a fourth semiconductor material having a band gap larger than that of the third semiconductor material on the first carrier confinement layer. Manufacturing method.
[0155]
(16) a first step of growing a first semiconductor layer containing a first semiconductor material on a semiconductor substrate; and (a) a band more than the first semiconductor material on the first semiconductor layer. A step of supplying a second semiconductor material having a small gap on average at least 0.05 molecular layer (ML) per second to form a quantum dot layer; and (b) after that, on the first semiconductor layer. The second semiconductor material is supplied at an average of less than 0.05 molecular layer (ML) per second and less than the supply amount in the step (a), and the quantum dots are added. And a third semiconductor material having a band gap smaller than that of the first semiconductor material and larger than that of the second semiconductor material on the quantum dot. Forming a first carrier confinement layer comprising Semiconductor light emission comprising: a step; and a fourth step of forming a second carrier confinement layer including a fourth semiconductor material having a band gap larger than that of the third semiconductor material on the first carrier confinement layer. Device manufacturing method.
[0156]
(17) The method for manufacturing a semiconductor light emitting device as described in 15 above, wherein the substrate temperature in the second step is between 495 ° C. and 525 ° C.
[0157]
(18) The step of supplying the second semiconductor material in the second step includes a step of controlling by sequentially opening and closing a shutter for supplying and interrupting the supply of the second semiconductor material (15 The manufacturing method of the semiconductor light-emitting device of description.
[0158]
(19) The method for manufacturing a semiconductor light-emitting device according to (15), wherein the step of supplying the second semiconductor material in the second step includes a step of dividingly supplying constituent elements of the second semiconductor material. .
[0159]
(20) The semiconductor light emitting device according to (19), wherein the step of supplying the second semiconductor material in the second step includes a step of dividing and supplying the second semiconductor material and a step of interrupting growth. Manufacturing method.
[0160]
(21) In the second step, the second semiconductor material having a band gap smaller than that of the first semiconductor material is averaged or substantially reduced to 0 per second on the first semiconductor layer. Supplying a bimolecular layer equivalent amount with a growth amount of .05 molecular layer (ML) or more, and the second semiconductor material on average or substantially less than 0.05 molecular layer (ML) per second. The method for producing a semiconductor light-emitting structure according to the above (15), comprising a step of supplying an equivalent amount of one molecular layer at a supply rate.
[0161]
(22) In the second step, on the first semiconductor layer, the second semiconductor material having a band gap smaller than that of the first semiconductor material is averagely 0.05 molecular layer per second. (ML) a step of supplying an equivalent amount of a bimolecular layer at a growth amount of at least, a step of interrupting the growth for at least 10 seconds, and the second semiconductor material at an average or substantially 0. The method for producing a semiconductor light emitting structure according to the above (15), comprising a step of supplying an equivalent amount of one molecular layer at a supply rate of 05 molecular layers (ML) or less.
[0162]
(23) The first step is a step of growing GaAs, the second step is a step of supplying InAs, and the third step is In_xGa_1-xThe method for manufacturing a semiconductor light emitting structure according to the above (14), which is a step of growing As, and the fourth step is a step of growing GaAs.
[0163]
【The invention's effect】
A highly efficient laser can be obtained by continuously oscillating at room temperature and narrowing the half-value width of the emission spectrum.
[0164]
This laser device can be preferably used as a light-emitting device in the 1.3 μm band, which is an extremely effective wavelength for transmission using an optical fiber.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a semiconductor laser device.
FIG. 2 is a plan view of an InAs quantum dot structure according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the growth rate of InAs quantum dots (InAs supply rate) according to the first embodiment of the present invention, the emission peak wavelength at room temperature, and the half-value width of the emission spectrum.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a structure including InAs quantum dots according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5A is a PL emission spectrum at room temperature of an InAs quantum dot structure grown at a low supply rate according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 5B is an InAs quantum dot grown at a normal rate. The PL emission spectrum of is shown.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the supply rate of the InAs quantum dot structure according to the first embodiment of the present invention, the surface density, and the diameter of the bottom surface of the quantum dot measured by the AFM method.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the supply amount of InAs in the InAs quantum dot structure according to the first embodiment of the present invention and the emission intensity of the emission spectrum from the quantum dots at room temperature.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the As pressure during growth of the InAs quantum dot structure according to the first embodiment of the present invention, and the peak wavelength and emission intensity of the emission spectrum from the quantum dots at room temperature.
FIG. 9 is a process diagram showing a manufacturing process of an InAs quantum dot structure according to a second embodiment of the invention.
FIG. 10 is a process diagram showing manufacturing steps of an InAs quantum dot structure according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view of an InAs quantum dot structure according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing PL emission wavelength and emission intensity at room temperature when the thickness of the InGaAs confinement layer in the InAs quantum dot structure according to the third embodiment of the present invention is changed.
FIG. 13 is a diagram showing PL emission wavelength and emission intensity at room temperature when the InAs composition X of the InGaAs confinement layer in the InAs quantum dot structure according to the third embodiment of the present invention is changed.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing an InAs quantum dot structure according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a sectional view of a laser device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a schematic diagram of an optical communication system according to a sixth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
A, H Semiconductor laser equipment
PD photodiode
1 Active layer
3 n-type cladding layer
5 First electrode
11 p-type cladding layer
15 Second electrode
21 GaAs layer (first semiconductor layer)
25, 25a, 25b Quantum dots
27 InAs molecule
28 GaAs molecule
31 InGaAs layer (first quantum dot confinement layer)
33 Microstructure
41 GaAs layer (second quantum dot confinement layer)
101 n-type GaAs substrate
105 n-type cladding layer
111, 115 SCH layer
131 p-type cladding layer
141 p-type AlGaAs layer
151 High concentration layer of p-type GaAs
201 n-type electrode
211 p-type electrode
301 optical fiber
311 Light receiving element

Claims (1)

半導体基板上に、第１の半導体材料を含む第１の半導体層を成長する第１の工程と、
（ａ）前記第１の半導体層上に、前記第１の半導体材料よりもバンドギャップの小さい第２の半導体材料を、平均的に１秒間に０．０５分子層（ＭＬ）以上供給して量子ドット層を形成する工程と、
（ｂ）その後、前記第１の半導体層上に、前記第２の半導体材料を、平均的に１秒間に０．０５分子層（ＭＬ）以下であって前記（ａ）の工程における供給量よりも少ない供給量で供給し、前記量子ドットを追加成長させる工程とを含む第２の工程と、
該量子ドットの上に、前記第１の半導体材料よりもバンドギャップが小さく、前記第２の半導体材料よりもバンドギャップの大きい第３の半導体材料を含む第１のキャリア閉じ込め層を形成する第３の工程と、
該第１のキャリア閉じ込め層の上に前記第３の半導体材料よりもバンドギャップの大きい第４の半導体材料を含む第２のキャリア閉じ込め層を形成する第４の工程と
を含む半導体発光装置の製造方法。Growing a first semiconductor layer containing a first semiconductor material on a semiconductor substrate;
(A) On the first semiconductor layer, a second semiconductor material having a band gap smaller than that of the first semiconductor material is supplied on an average by 0.05 molecular layer (ML) or more per second, and quantum Forming a dot layer;
(B) Thereafter, on the first semiconductor layer, the second semiconductor material is averagely not more than 0.05 molecular layer (ML) per second, and is supplied from the supply amount in the step (a). A second step including a step of further growing the quantum dots by supplying with a small supply amount;
A third carrier confining layer including a third semiconductor material having a band gap smaller than that of the first semiconductor material and larger than that of the second semiconductor material is formed on the quantum dot. And the process of
Forming a second carrier confinement layer including a fourth semiconductor material having a band gap larger than that of the third semiconductor material on the first carrier confinement layer. Method.

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