JP2003124574A - 光半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
光半導体装置及びその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 利得帯域の広い光半導体装置及びその製造方
法を提供する。 【解決手段】 複数の量子ドット２２を有する光半導体
装置であって、複数の量子ドットの大きさが不均一であ
る。
法を提供する。 【解決手段】 複数の量子ドット２２を有する光半導体
装置であって、複数の量子ドットの大きさが不均一であ
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光半導体装置及び
その製造方法に係り、特に、量子ドットを有する光半導
体装置及びその製造方法に関する。
その製造方法に係り、特に、量子ドットを有する光半導
体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体光増幅器や半導体レーザは、小型
であり、消費電力が小さいため、光通信等の分野で大き
な注目を集めている。
であり、消費電力が小さいため、光通信等の分野で大き
な注目を集めている。
【０００３】従来の半導体光増幅器を図９を用いて説明
する。図９は、従来の半導体光増幅器を示す断面図であ
る。
する。図９は、従来の半導体光増幅器を示す断面図であ
る。
【０００４】図９に示すように、ｎ−ＩｎＰより成る半
導体基板１１０上には、ｎ−ＩｎＰより成るクラッド層
１１２が形成されている。クラッド層１１２上には、Ｉ
ｎＧａＡｓより成るバルク活性層１２４が形成されてい
る。バルク活性層１２４上には、クラッド層１３６が形
成されている。クラッド層１３６、バルク活性層１２
４、及びクラッド層１１２は、全体がメサ形状に形成さ
れている。これにより、メサ形状の光導波路層１３８が
構成されている。光導波路層１３８の両側には、ｐ−Ｉ
ｎＰ層１１８ａ及びｎ−ＩｎＰ層１１８ｂより成る電流
狭窄層１１８が形成されている。光導波路層１３８上及
び電流狭窄層１１８上には、ｐ−ＩｎＰより成るキャッ
プ層１４０が形成されている。メサ形状の光導波路層１
３８の両端面には、ＡＲ（Auti-Reflection）コート膜
（反射防止膜）（図示せず）が形成されている。こうし
て、従来の半導体光増幅器が構成されている。
導体基板１１０上には、ｎ−ＩｎＰより成るクラッド層
１１２が形成されている。クラッド層１１２上には、Ｉ
ｎＧａＡｓより成るバルク活性層１２４が形成されてい
る。バルク活性層１２４上には、クラッド層１３６が形
成されている。クラッド層１３６、バルク活性層１２
４、及びクラッド層１１２は、全体がメサ形状に形成さ
れている。これにより、メサ形状の光導波路層１３８が
構成されている。光導波路層１３８の両側には、ｐ−Ｉ
ｎＰ層１１８ａ及びｎ−ＩｎＰ層１１８ｂより成る電流
狭窄層１１８が形成されている。光導波路層１３８上及
び電流狭窄層１１８上には、ｐ−ＩｎＰより成るキャッ
プ層１４０が形成されている。メサ形状の光導波路層１
３８の両端面には、ＡＲ（Auti-Reflection）コート膜
（反射防止膜）（図示せず）が形成されている。こうし
て、従来の半導体光増幅器が構成されている。
【０００５】また、バルク活性層１２４の代わりに、量
子井戸活性層を用いることも提案されている。量子井戸
活性層を用いれば、バルク活性層を用いた場合に比べて
利得を向上し得る。
子井戸活性層を用いることも提案されている。量子井戸
活性層を用いれば、バルク活性層を用いた場合に比べて
利得を向上し得る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、バルク
活性層や量子井戸活性層を用いた従来の半導体光増幅器
は、利得帯域が狭かった。このため、広帯域のＷＤＭ
（Wavelength Division Multiplexing）信号を一括して
増幅することができなかった。
活性層や量子井戸活性層を用いた従来の半導体光増幅器
は、利得帯域が狭かった。このため、広帯域のＷＤＭ
（Wavelength Division Multiplexing）信号を一括して
増幅することができなかった。
【０００７】ここで、バルク活性層や量子井戸活性層へ
の注入電流を増加すれば、バルク活性層や量子井戸活性
層に蓄積される電子やホールの数が増加するため、利得
帯域を広くすることが可能になると考えられる。しか
し、バルク活性層や量子井戸活性層への注入電流を増加
すると、発熱量が増加するため、バルク活性層や量子井
戸活性層の温度が上昇してしまう。従って、バルク活性
層や量子井戸活性層への注入電流を増加することにより
利得帯域を広くすることには限界がある。
の注入電流を増加すれば、バルク活性層や量子井戸活性
層に蓄積される電子やホールの数が増加するため、利得
帯域を広くすることが可能になると考えられる。しか
し、バルク活性層や量子井戸活性層への注入電流を増加
すると、発熱量が増加するため、バルク活性層や量子井
戸活性層の温度が上昇してしまう。従って、バルク活性
層や量子井戸活性層への注入電流を増加することにより
利得帯域を広くすることには限界がある。
【０００８】また、バルク活性層の厚さを薄くしたり、
量子井戸活性層の層数を少なくすれば、電流注入領域の
単位面積当たりのキャリアの状態密度が小さくなるた
め、フェルミ準位を高エネルギー側に移すことができ、
利得帯域を広くすることが可能になると考えられる。し
かし、例えば量子井戸活性層の層数を１層にしたとして
も、利得帯域は７０ｎｍ程度まで広げるのが限界と考え
られる。
量子井戸活性層の層数を少なくすれば、電流注入領域の
単位面積当たりのキャリアの状態密度が小さくなるた
め、フェルミ準位を高エネルギー側に移すことができ、
利得帯域を広くすることが可能になると考えられる。し
かし、例えば量子井戸活性層の層数を１層にしたとして
も、利得帯域は７０ｎｍ程度まで広げるのが限界と考え
られる。
【０００９】ところで、メサ形状の光導波路層１３８の
両端面に高反射膜（図示せず）を形成すれば、半導体レ
ーザを構成し得る。しかし、バルク活性層や量子井戸活
性層を用いた従来の半導体レーザは、利得帯域が狭いた
め、波長可変域が狭かった。
両端面に高反射膜（図示せず）を形成すれば、半導体レ
ーザを構成し得る。しかし、バルク活性層や量子井戸活
性層を用いた従来の半導体レーザは、利得帯域が狭いた
め、波長可変域が狭かった。
【００１０】本発明の目的は、利得帯域の広い光半導体
装置及びその製造方法を提供することにある。
装置及びその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的は、複数の量子
ドットを有する光半導体装置であって、前記複数の量子
ドットの大きさが不均一であることを特徴とする光半導
体装置により達成される。
ドットを有する光半導体装置であって、前記複数の量子
ドットの大きさが不均一であることを特徴とする光半導
体装置により達成される。
【００１２】また、上記目的は、半導体基板上に、不均
一な大きさの複数の量子ドットを形成する工程を有する
ことを特徴とする光半導体装置の製造方法により達成さ
れる。
一な大きさの複数の量子ドットを形成する工程を有する
ことを特徴とする光半導体装置の製造方法により達成さ
れる。
【００１３】
【発明の実施の形態】（本発明の原理）はじめに、本発
明の原理について図１乃至図３を用いて説明する。
明の原理について図１乃至図３を用いて説明する。
【００１４】図１は、活性層中におけるキャリアの状態
密度を示すグラフである。横軸はキャリアのエネルギー
を示しており、縦軸は活性層中におけるキャリアの状態
密度を示している。
密度を示すグラフである。横軸はキャリアのエネルギー
を示しており、縦軸は活性層中におけるキャリアの状態
密度を示している。
【００１５】図１に示すように、バルク活性層中におけ
るキャリアの状態密度は、キャリアのエネルギーの平方
根に比例するような、なだらかな分布となる。また、量
子井戸活性層中におけるキャリアの状態密度は、ステッ
プ状の分布となる。
るキャリアの状態密度は、キャリアのエネルギーの平方
根に比例するような、なだらかな分布となる。また、量
子井戸活性層中におけるキャリアの状態密度は、ステッ
プ状の分布となる。
【００１６】光半導体装置の利得帯域を広くするために
は、活性層中におけるキャリアの状態密度を小さくすれ
ばよいと考えられる。バルク活性層中におけるキャリア
の状態密度を小さくするためには、バルク活性層の厚さ
を薄くすることが考えられ、また、量子井戸活性層中に
おけるキャリアの状態密度を小さくするためには、量子
井戸活性層の層数を少なくすることが考えられる。しか
し、上述したように、例えば量子井戸活性層の層数を１
層にしたとしても、利得帯域は７０ｎｍ程度まで広げる
のが限界と考えられ、十分に広い利得帯域を得ることは
できない。
は、活性層中におけるキャリアの状態密度を小さくすれ
ばよいと考えられる。バルク活性層中におけるキャリア
の状態密度を小さくするためには、バルク活性層の厚さ
を薄くすることが考えられ、また、量子井戸活性層中に
おけるキャリアの状態密度を小さくするためには、量子
井戸活性層の層数を少なくすることが考えられる。しか
し、上述したように、例えば量子井戸活性層の層数を１
層にしたとしても、利得帯域は７０ｎｍ程度まで広げる
のが限界と考えられ、十分に広い利得帯域を得ることは
できない。
【００１７】ここで、活性層として量子ドットを用いる
ことが考えられる。活性層として量子ドットを用いれ
ば、電流注入領域における単位面積当たりのキャリアの
状態密度をより小さくすることが可能となり、活性層へ
の注入電流を増加することなく利得帯域を広くすること
が可能になると考えられる。
ことが考えられる。活性層として量子ドットを用いれ
ば、電流注入領域における単位面積当たりのキャリアの
状態密度をより小さくすることが可能となり、活性層へ
の注入電流を増加することなく利得帯域を広くすること
が可能になると考えられる。
【００１８】しかし、活性層として単に量子ドットを用
いた場合には、図１に示すように、幾つかの利得ピーク
が現れるような状態密度分布となってしまう。このこと
から、活性層として単に量子ドットを用いた場合には、
良好な利得特性を有する光半導体装置を得ることはでき
ないと考えられる。
いた場合には、図１に示すように、幾つかの利得ピーク
が現れるような状態密度分布となってしまう。このこと
から、活性層として単に量子ドットを用いた場合には、
良好な利得特性を有する光半導体装置を得ることはでき
ないと考えられる。
【００１９】本願発明者は鋭意検討した結果、量子ドッ
トを不均一な大きさに形成すれば、バルク活性層中にお
けるキャリアの状態密度分布と同様に、なだらかな状態
密度分布が得られることに想到した。量子ドットを不均
一な大きさに形成すれば、均一な大きさの量子ドットを
用いた場合に現れていた各エネルギー準位の利得ピーク
が互いに繋がり、図１に示すように、なだらかな状態密
度分布を得ることができる。
トを不均一な大きさに形成すれば、バルク活性層中にお
けるキャリアの状態密度分布と同様に、なだらかな状態
密度分布が得られることに想到した。量子ドットを不均
一な大きさに形成すれば、均一な大きさの量子ドットを
用いた場合に現れていた各エネルギー準位の利得ピーク
が互いに繋がり、図１に示すように、なだらかな状態密
度分布を得ることができる。
【００２０】なお、本明細書中で、電流注入領域とは、
電流を注入するための電極（図示せず）が形成されてい
る領域全体を意味するのではなく、電流狭窄層により狭
窄された電流が実際に活性層に注入される領域のことを
いう。
電流を注入するための電極（図示せず）が形成されてい
る領域全体を意味するのではなく、電流狭窄層により狭
窄された電流が実際に活性層に注入される領域のことを
いう。
【００２１】図２は、キャリアの状態密度及びキャリア
密度を示すグラフである。横軸はキャリアのエネルギー
を示しており、縦軸はキャリアの状態密度及びキャリア
密度を示している。
密度を示すグラフである。横軸はキャリアのエネルギー
を示しており、縦軸はキャリアの状態密度及びキャリア
密度を示している。
【００２２】図２の細い破線は、量子井戸活性層の層数
が１層の場合の、電流注入領域における単位面積当たり
のキャリアの状態密度を示している。図２に細い破線で
示すように、量子井戸活性層の場合には、電流注入領域
における単位面積当たりのキャリアの状態密度は比較的
大きい。
が１層の場合の、電流注入領域における単位面積当たり
のキャリアの状態密度を示している。図２に細い破線で
示すように、量子井戸活性層の場合には、電流注入領域
における単位面積当たりのキャリアの状態密度は比較的
大きい。
【００２３】図２の細い実線は、不均一な大きさの量子
ドットを面積比率Ｆが０．１となるように形成した場合
の、電流注入領域における単位面積当たりのキャリアの
状態密度を示している。図２に細い実線で示すように、
不均一な大きさの量子ドットを面積比率Ｆが０．１とな
るように形成した場合には、電流注入領域における単位
面積当たりのキャリアの状態密度は、層数が１層の量子
井戸活性層の場合の約１０分の１程度となる。
ドットを面積比率Ｆが０．１となるように形成した場合
の、電流注入領域における単位面積当たりのキャリアの
状態密度を示している。図２に細い実線で示すように、
不均一な大きさの量子ドットを面積比率Ｆが０．１とな
るように形成した場合には、電流注入領域における単位
面積当たりのキャリアの状態密度は、層数が１層の量子
井戸活性層の場合の約１０分の１程度となる。
【００２４】ここで、量子ドットの面積比率Ｆとは、電
流注入領域の面積をＡとし、電流注入領域内に形成され
た複数の量子ドットの面積の総和をＢとした場合に、Ｂ
／Ａを意味するものである。量子ドットの層は１層に限
定されるものではなく、複数層にわたって形成してもよ
い。量子ドットを２層形成した場合には、電流注入領域
内に形成された１層目の量子ドットの面積の総和をＡ1
とし、電流注入領域内に形成された２層目の量子ドット
の面積の総和をＡ2とすると、量子ドットの面積比率Ｆ
は、（Ａ1＋Ａ2）／Ｂで表される。量子ドットをｎ層形
成した場合には、電流注入領域内に形成されたｎ層目の
量子ドットの面積の総和をＡnとすると、量子ドットの
面積比率Ｆは、（Ａ1＋Ａ2＋・・・・＋Ａn）／Ｂで表
される。なお、量子ドットの面積比率Ｆが１の場合、電
流注入領域における単位面積当たりのキャリアの状態密
度は、量子井戸活性層の層数が１層である場合の電流注
入領域における単位面積当たりのキャリアの状態密度と
ほぼ一致する。
流注入領域の面積をＡとし、電流注入領域内に形成され
た複数の量子ドットの面積の総和をＢとした場合に、Ｂ
／Ａを意味するものである。量子ドットの層は１層に限
定されるものではなく、複数層にわたって形成してもよ
い。量子ドットを２層形成した場合には、電流注入領域
内に形成された１層目の量子ドットの面積の総和をＡ1
とし、電流注入領域内に形成された２層目の量子ドット
の面積の総和をＡ2とすると、量子ドットの面積比率Ｆ
は、（Ａ1＋Ａ2）／Ｂで表される。量子ドットをｎ層形
成した場合には、電流注入領域内に形成されたｎ層目の
量子ドットの面積の総和をＡnとすると、量子ドットの
面積比率Ｆは、（Ａ1＋Ａ2＋・・・・＋Ａn）／Ｂで表
される。なお、量子ドットの面積比率Ｆが１の場合、電
流注入領域における単位面積当たりのキャリアの状態密
度は、量子井戸活性層の層数が１層である場合の電流注
入領域における単位面積当たりのキャリアの状態密度と
ほぼ一致する。
【００２５】活性層に電流を注入すると、キャリア、即
ち、電子やホールが、フェルミ分布に従って伝導帯や価
電子帯に蓄積される。
ち、電子やホールが、フェルミ分布に従って伝導帯や価
電子帯に蓄積される。
【００２６】図２の太い破線は、量子井戸活性層の層数
が１層の場合の、電流注入領域におけるキャリア密度を
示している。図２に細い破線で示すように、量子井戸活
性層の場合には、電流注入領域における単位面積当たり
のキャリアの状態密度が比較的大きいため、図２に太い
破線で示すように、キャリアのエネルギー分布は比較的
狭くなる。
が１層の場合の、電流注入領域におけるキャリア密度を
示している。図２に細い破線で示すように、量子井戸活
性層の場合には、電流注入領域における単位面積当たり
のキャリアの状態密度が比較的大きいため、図２に太い
破線で示すように、キャリアのエネルギー分布は比較的
狭くなる。
【００２７】図２の太い実線は、不均一な大きさの量子
ドットを面積比率Ｆが０．１となるように形成した場合
の、電流注入領域におけるキャリア密度を示している。
図２に細い実線で示すように、不均一な大きさの量子ド
ットを面積比率Ｆが０．１となるように形成した場合に
は、電流注入領域における単位面積当たりのキャリアの
状態密度が小さいため、図２に太い実線で示すように、
キャリアのエネルギー分布は極めて広くなる。
ドットを面積比率Ｆが０．１となるように形成した場合
の、電流注入領域におけるキャリア密度を示している。
図２に細い実線で示すように、不均一な大きさの量子ド
ットを面積比率Ｆが０．１となるように形成した場合に
は、電流注入領域における単位面積当たりのキャリアの
状態密度が小さいため、図２に太い実線で示すように、
キャリアのエネルギー分布は極めて広くなる。
【００２８】図３は、利得係数及び反転分布係数を示す
グラフである。横軸は光子のエネルギーを示しており、
縦軸は利得係数及び反転分布係数を示している。
グラフである。横軸は光子のエネルギーを示しており、
縦軸は利得係数及び反転分布係数を示している。
【００２９】図３の太い破線は、量子井戸活性層の層数
が１層の場合の利得係数を示している。利得係数とは、
光のパワーをＰ、進行方向をＺとすると、ｄＰ／ｄＺ＝
ｇＰとなるときのｇである。図３に太い破線で示すよう
に、量子井戸活性層の場合には、層数が１層の場合であ
っても、利得スペクトルの幅は比較的狭い。
が１層の場合の利得係数を示している。利得係数とは、
光のパワーをＰ、進行方向をＺとすると、ｄＰ／ｄＺ＝
ｇＰとなるときのｇである。図３に太い破線で示すよう
に、量子井戸活性層の場合には、層数が１層の場合であ
っても、利得スペクトルの幅は比較的狭い。
【００３０】図３の太い実線は、不均一な大きさの量子
ドットを面積比率Ｆが０．１となるように形成した場合
の利得係数を示している。図３に太い実線で示すよう
に、不均一な大きさの量子ドットを面積比率Ｆが０．１
となるように形成した場合には、利得スペクトルの幅は
極めて広くなる。
ドットを面積比率Ｆが０．１となるように形成した場合
の利得係数を示している。図３に太い実線で示すよう
に、不均一な大きさの量子ドットを面積比率Ｆが０．１
となるように形成した場合には、利得スペクトルの幅は
極めて広くなる。
【００３１】このことから、不均一な量子ドットを面積
比率Ｆが小さくなるように形成すれば、利得帯域の広い
光半導体装置が得られることが分かる。
比率Ｆが小さくなるように形成すれば、利得帯域の広い
光半導体装置が得られることが分かる。
【００３２】図３の細い破線は、量子井戸活性層の層数
が１層の場合の反転分布係数を示している。図３に細い
破線で示すように、量子井戸活性層の場合には、反転分
布係数の小さいエネルギー範囲は比較的狭い。
が１層の場合の反転分布係数を示している。図３に細い
破線で示すように、量子井戸活性層の場合には、反転分
布係数の小さいエネルギー範囲は比較的狭い。
【００３３】反転分布係数は、伝導帯における電子の存
在確率をＦC、価電子帯における電子の存在確率をＦVと
した場合に、ＦC／（ＦC−ＦV）で表される。反転分布
係数の小さいエネルギー範囲が広いほど、雑音特性が良
好である。
在確率をＦC、価電子帯における電子の存在確率をＦVと
した場合に、ＦC／（ＦC−ＦV）で表される。反転分布
係数の小さいエネルギー範囲が広いほど、雑音特性が良
好である。
【００３４】図３の細い実線は、不均一な大きさの量子
ドットを面積比率Ｆが０．１となるように形成した場合
の反転分布係数を示している。図３に細い実線で示すよ
うに、不均一な大きさの量子ドットを面積比率Ｆが０．
１となるように形成した場合には、反転分布係数の小さ
いエネルギー範囲が極めて広くなる。
ドットを面積比率Ｆが０．１となるように形成した場合
の反転分布係数を示している。図３に細い実線で示すよ
うに、不均一な大きさの量子ドットを面積比率Ｆが０．
１となるように形成した場合には、反転分布係数の小さ
いエネルギー範囲が極めて広くなる。
【００３５】このことから、不均一な量子ドットを面積
比率Ｆが小さくなるように形成すれば、雑音特性の良好
な光半導体装置が得られることが分かる。
比率Ｆが小さくなるように形成すれば、雑音特性の良好
な光半導体装置が得られることが分かる。
【００３６】このように、本願発明者は、不均一な大き
さの量子ドットを面積比率Ｆが小さくなるように形成す
れば、活性層への電流注入を増加することなく、利得帯
域が広く、しかも雑音特性の良好な光半導体装置を提供
し得ることに想到した。
さの量子ドットを面積比率Ｆが小さくなるように形成す
れば、活性層への電流注入を増加することなく、利得帯
域が広く、しかも雑音特性の良好な光半導体装置を提供
し得ることに想到した。
【００３７】次に、本発明の一実施形態による光半導体
装置及びその製造方法を図４乃至図８を用いて説明す
る。図４は、本実施形態による光半導体装置を示す断面
図である。図５は、本実施形態による光半導体装置の量
子ドットを示す平面図である。図６は、本実施形態によ
る光半導体装置の利得スペクトルを示すグラフである。
図７及び図８は、本実施形態による光半導体装置の製造
方法を示す工程断面図である。
装置及びその製造方法を図４乃至図８を用いて説明す
る。図４は、本実施形態による光半導体装置を示す断面
図である。図５は、本実施形態による光半導体装置の量
子ドットを示す平面図である。図６は、本実施形態によ
る光半導体装置の利得スペクトルを示すグラフである。
図７及び図８は、本実施形態による光半導体装置の製造
方法を示す工程断面図である。
【００３８】なお、本実施形態では、本発明の原理を半
導体光増幅器に適用する場合を例に説明するが、本発明
の原理は、半導体光増幅器に適用する場合に限定される
ものではなく、半導体レーザ等、他のあらゆる光半導体
装置に適用することができる。
導体光増幅器に適用する場合を例に説明するが、本発明
の原理は、半導体光増幅器に適用する場合に限定される
ものではなく、半導体レーザ等、他のあらゆる光半導体
装置に適用することができる。
【００３９】（光半導体装置）まず、本実施形態による
光半導体装置について図４及び図５を用いて説明する。
光半導体装置について図４及び図５を用いて説明する。
【００４０】図４に示すように、ｎ−ＧａＡｓより成る
半導体基板１０上には、ｎ−Ａｌ0. 4Ｇａ0.6Ａｓより成
るクラッド層１２が形成されている。
半導体基板１０上には、ｎ−Ａｌ0. 4Ｇａ0.6Ａｓより成
るクラッド層１２が形成されている。
【００４１】クラッド層１２上には、Ａｌ2Ｏ3より成る
電流狭窄層１４とＡｌＡｓより成る電流通過層１６とが
形成されている。
電流狭窄層１４とＡｌＡｓより成る電流通過層１６とが
形成されている。
【００４２】電流狭窄層１４及び電流通過層１６上に
は、ｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層１８が形成されている。
は、ｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層１８が形成されている。
【００４３】ｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層１８上には、Ｇ
ａＡｓより成るＳＣＨ（Separate Confinement Heteros
tructure）層２０が形成されている。
ａＡｓより成るＳＣＨ（Separate Confinement Heteros
tructure）層２０が形成されている。
【００４４】ＳＣＨ層２０上には、不均一な大きさの複
数の量子ドット２２が自己形成されたＩｎＡｓ層２４が
形成されている。量子ドット２２は、例えばStranski-K
rastanowモード（以下、「Ｓ−Ｋモード」という）によ
り形成することができる。Ｓ−Ｋモードとは、エピタキ
シャル成長される半導体結晶が、成長開始当初は２次元
成長（膜成長）するが、膜の弾性限界を超えた段階で３
次元成長するモードである。Ｓ−Ｋモードによって３次
元成長島より成る量子ドット２２を自己形成するために
は、下地の膜の材料より格子定数の大きい膜を形成する
ことを要する。なお、Ｓ−Ｋモードは、容易に自己形成
することができるモードであるため、一般的に用いられ
ている。
数の量子ドット２２が自己形成されたＩｎＡｓ層２４が
形成されている。量子ドット２２は、例えばStranski-K
rastanowモード（以下、「Ｓ−Ｋモード」という）によ
り形成することができる。Ｓ−Ｋモードとは、エピタキ
シャル成長される半導体結晶が、成長開始当初は２次元
成長（膜成長）するが、膜の弾性限界を超えた段階で３
次元成長するモードである。Ｓ−Ｋモードによって３次
元成長島より成る量子ドット２２を自己形成するために
は、下地の膜の材料より格子定数の大きい膜を形成する
ことを要する。なお、Ｓ−Ｋモードは、容易に自己形成
することができるモードであるため、一般的に用いられ
ている。
【００４５】図５に示すように、量子ドット２２の大き
さは不均一になっている。このように量子ドット２２の
大きさを不均一にするのは、上述したように、なだらか
な状態密度分布を得るためである。
さは不均一になっている。このように量子ドット２２の
大きさを不均一にするのは、上述したように、なだらか
な状態密度分布を得るためである。
【００４６】量子ドット２２の面積比率Ｆは、例えば
０．１になっている。量子ドット２２の面積比率Ｆを
０．１と小さくすれば、上述したように、利得帯域の広
い光半導体装置を得ることができるためである。
０．１になっている。量子ドット２２の面積比率Ｆを
０．１と小さくすれば、上述したように、利得帯域の広
い光半導体装置を得ることができるためである。
【００４７】なお、量子ドット２２の面積比率Ｆは、
０．１に限定されるものではない。例えば、量子ドット
２２の面積比率Ｆは、１未満の範囲で適宜設定すること
ができる。量子ドット２２の面積比率Ｆを１未満にすれ
ば、少なくとも、電流注入領域２６における単位面積当
たりのキャリアの状態密度を、層数が１層の量子井戸活
性層の場合より、小さくすることが可能である。従っ
て、量子ドット２２の面積比率Ｆを１未満にすれば、少
なくとも、層数が１層の量子井戸活性層の場合より利得
帯域を広くすることが可能である。
０．１に限定されるものではない。例えば、量子ドット
２２の面積比率Ｆは、１未満の範囲で適宜設定すること
ができる。量子ドット２２の面積比率Ｆを１未満にすれ
ば、少なくとも、電流注入領域２６における単位面積当
たりのキャリアの状態密度を、層数が１層の量子井戸活
性層の場合より、小さくすることが可能である。従っ
て、量子ドット２２の面積比率Ｆを１未満にすれば、少
なくとも、層数が１層の量子井戸活性層の場合より利得
帯域を広くすることが可能である。
【００４８】また、量子ドット２２の面積比率Ｆは、
０．４以下に設定することが、より望ましい。量子ドッ
ト２２の面積比率Ｆを０．４以下に設定すれば、利得帯
域をより広くすることができる。
０．４以下に設定することが、より望ましい。量子ドッ
ト２２の面積比率Ｆを０．４以下に設定すれば、利得帯
域をより広くすることができる。
【００４９】また、量子ドット２２の面積比率Ｆは、
０．１程度に設定することが、更に望ましい。量子ドッ
ト２２の面積比率Ｆを０．１程度と小さく設定すれば、
利得帯域を極めて広くすることができる。
０．１程度に設定することが、更に望ましい。量子ドッ
ト２２の面積比率Ｆを０．１程度と小さく設定すれば、
利得帯域を極めて広くすることができる。
【００５０】ＩｎＡｓ層２４上には、ＧａＡｓより成る
ＳＣＨ層２８が形成されている。
ＳＣＨ層２８が形成されている。
【００５１】ＳＣＨ層２８上には、ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6
Ａｓ層３０が形成されている。
Ａｓ層３０が形成されている。
【００５２】ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層３０上には、Ａ
ｌ2Ｏ3より成る電流狭窄層３２とＡｌＡｓより成る電流
通過層３４とが形成されている。
ｌ2Ｏ3より成る電流狭窄層３２とＡｌＡｓより成る電流
通過層３４とが形成されている。
【００５３】電流狭窄層３２上及び電流通過層３４上に
は、ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓより成るクラッド層３６が
形成されている。
は、ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓより成るクラッド層３６が
形成されている。
【００５４】クラッド層３６、電流狭窄層３２、ｐ−Ａ
ｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層３０、ＳＣＨ層２８、ＩｎＡｓ層２
４、ＳＣＨ層２０、ｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層１８、電
流狭窄層１４、及びクラッド層１２から成る積層膜は、
全体としてメサ状にエッチングされている。これによ
り、ストライプ状の光導波路層３８が構成されている。
ｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層３０、ＳＣＨ層２８、ＩｎＡｓ層２
４、ＳＣＨ層２０、ｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層１８、電
流狭窄層１４、及びクラッド層１２から成る積層膜は、
全体としてメサ状にエッチングされている。これによ
り、ストライプ状の光導波路層３８が構成されている。
【００５５】光導波路層３８の両端面には、ＡＲコート
膜（図示せず）が形成されている。
膜（図示せず）が形成されている。
【００５６】本実施形態による光半導体装置は、不均一
な大きさの量子ドット２２が小さい面積比率Ｆで形成さ
れていることに主な特徴がある。
な大きさの量子ドット２２が小さい面積比率Ｆで形成さ
れていることに主な特徴がある。
【００５７】本実施形態によれば、活性層として量子ド
ット２２が用いられており、量子ドット２２の面積比率
Ｆが小さく設定されているため、電流注入領域２６にお
ける単位面積当たりのキャリアの状態密度を小さくする
ことができる。しかも、本実施形態によれば、量子ドッ
ト２２が不均一な大きさに形成されているため、なだら
かな状態密度分布を得ることができる。従って、本実施
形態によれば、利得帯域が広く、しかも雑音特性の良好
な光半導体装置を提供することができる。
ット２２が用いられており、量子ドット２２の面積比率
Ｆが小さく設定されているため、電流注入領域２６にお
ける単位面積当たりのキャリアの状態密度を小さくする
ことができる。しかも、本実施形態によれば、量子ドッ
ト２２が不均一な大きさに形成されているため、なだら
かな状態密度分布を得ることができる。従って、本実施
形態によれば、利得帯域が広く、しかも雑音特性の良好
な光半導体装置を提供することができる。
【００５８】なお、量子ドット２２の面積比率Ｆを小さ
くすると、利得が小さくなる傾向にあるが、光導波路層
３８の長さを長く設定することにより、十分な利得を確
保することが可能であるため、特段の問題はない。
くすると、利得が小さくなる傾向にあるが、光導波路層
３８の長さを長く設定することにより、十分な利得を確
保することが可能であるため、特段の問題はない。
【００５９】（評価結果）次に、本実施形態による光半
導体装置の評価結果を図６を用いて説明する。図６は、
本実施形態による光半導体装置の利得スペクトルを示す
グラフである。横軸は光子のエネルギーを示しており、
縦軸はパワーを示している。実施例１は、本実施形態に
よる光半導体装置の利得スペクトル、具体的には、量子
ドットの面積比率Ｆを０．１とした場合の利得スペクト
ルを示している。比較例１は、層数が１層の量子井戸活
性層の場合の光半導体装置の利得スペクトルを示してい
る。
導体装置の評価結果を図６を用いて説明する。図６は、
本実施形態による光半導体装置の利得スペクトルを示す
グラフである。横軸は光子のエネルギーを示しており、
縦軸はパワーを示している。実施例１は、本実施形態に
よる光半導体装置の利得スペクトル、具体的には、量子
ドットの面積比率Ｆを０．１とした場合の利得スペクト
ルを示している。比較例１は、層数が１層の量子井戸活
性層の場合の光半導体装置の利得スペクトルを示してい
る。
【００６０】量子井戸活性層を用いた光半導体装置で
は、比較例１に示すように、利得スペクトルのピーク値
の半値幅は０．０３ｅＶ程度と比較的狭い。
は、比較例１に示すように、利得スペクトルのピーク値
の半値幅は０．０３ｅＶ程度と比較的狭い。
【００６１】これに対し、本実施形態による光半導体装
置では、実施例１に示すように、０．９ｅＶ〜１．２ｅ
Ｖの範囲で連続的な利得スペクトルが得られており、利
得スペクトルのピークの半値幅が０．１７ｅＶと極めて
広くなっている。
置では、実施例１に示すように、０．９ｅＶ〜１．２ｅ
Ｖの範囲で連続的な利得スペクトルが得られており、利
得スペクトルのピークの半値幅が０．１７ｅＶと極めて
広くなっている。
【００６２】従って、本実施形態によれば、利得帯域を
４００〜６００ｎｍ程度と極めて広くすることが可能と
なり、５０ＴＨｚ以上に及ぶ極めて利得帯域の広い光半
導体装置を提供することができる。このため、本実施形
態によれば、広帯域のＷＤＭ信号を一つの光半導体装置
で一括して増幅することが可能となり、システムの大幅
な簡素化、低コスト化に寄与することが可能となる。
４００〜６００ｎｍ程度と極めて広くすることが可能と
なり、５０ＴＨｚ以上に及ぶ極めて利得帯域の広い光半
導体装置を提供することができる。このため、本実施形
態によれば、広帯域のＷＤＭ信号を一つの光半導体装置
で一括して増幅することが可能となり、システムの大幅
な簡素化、低コスト化に寄与することが可能となる。
【００６３】（光半導体装置の製造方法）次に、本実施
形態による光半導体装置の製造方法を図７及び図８を用
いて説明する。
形態による光半導体装置の製造方法を図７及び図８を用
いて説明する。
【００６４】図７（ａ）に示すように、ｎ−ＧａＡｓよ
り成る半導体基板１０上の全面に、ＭＢＥ（Molecular
Beam Epitaxial growth、分子線エピタキシャル成長）
法により、厚さ１２００ｎｍのｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ
より成るクラッド層１２を形成する。
り成る半導体基板１０上の全面に、ＭＢＥ（Molecular
Beam Epitaxial growth、分子線エピタキシャル成長）
法により、厚さ１２００ｎｍのｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ
より成るクラッド層１２を形成する。
【００６５】次に、図７（ｂ）に示すように、全面に、
ＭＢＥ法により、厚さ８０ｎｍのＡｌＡｓ層１３を形成
する。
ＭＢＥ法により、厚さ８０ｎｍのＡｌＡｓ層１３を形成
する。
【００６６】次に、全面に、ＭＢＥ法により、厚さ１５
０ｎｍのｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層１８を形成する。
０ｎｍのｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層１８を形成する。
【００６７】次に、図７（ｃ）に示すように、全面に、
ＭＢＥ法により、厚さ１００ｎｍのＧａＡｓより成るＳ
ＣＨ層２０を形成する。
ＭＢＥ法により、厚さ１００ｎｍのＧａＡｓより成るＳ
ＣＨ層２０を形成する。
【００６８】次に、全面に、ＭＢＥ法により、ＩｎＡｓ
層２４を成長する。ＩｎＡｓは、ＳＣＨ層２０の材料で
あるＧａＡｓより格子定数が大きいため、Ｓ−Ｋモード
により量子ドット２２が自己形成される。ＩｎＡｓ層２
４を成長する際の条件は、基板温度を例えば５１０℃と
し、ＩｎＡｓ供給量を例えば１．５ｍｌとし、成長時間
を例えば２５０秒とする。このような条件でＩｎＡｓ層
２４を成長すると、量子ドット２２の面積比率Ｆは、例
えば０．１程度となり、また、量子ドット２２の大きさ
は不均一になる。
層２４を成長する。ＩｎＡｓは、ＳＣＨ層２０の材料で
あるＧａＡｓより格子定数が大きいため、Ｓ−Ｋモード
により量子ドット２２が自己形成される。ＩｎＡｓ層２
４を成長する際の条件は、基板温度を例えば５１０℃と
し、ＩｎＡｓ供給量を例えば１．５ｍｌとし、成長時間
を例えば２５０秒とする。このような条件でＩｎＡｓ層
２４を成長すると、量子ドット２２の面積比率Ｆは、例
えば０．１程度となり、また、量子ドット２２の大きさ
は不均一になる。
【００６９】なお、大きさの不均一な量子ドット２２を
形成するための条件は、これに限定されるものではな
い。ＩｎＡｓ層２４を形成する際の成長速度を速くし、
また、基板温度を低くすると、量子ドット２２の大きさ
が不均一になる傾向にある。また、ＩｎＡｓ層２４を形
成する際の成長速度を遅くし、原料供給量を減少させ、
また、基板温度を高くすると、量子ドット２２の面積比
率Ｆが小さくなる傾向にある。従って、ＩｎＡｓ層２４
の成長速度、原料供給量、基板温度等を適宜設定するこ
とにより、大きさの不均一な量子ドット２２を所望の面
積比率Ｆで形成することが可能である。
形成するための条件は、これに限定されるものではな
い。ＩｎＡｓ層２４を形成する際の成長速度を速くし、
また、基板温度を低くすると、量子ドット２２の大きさ
が不均一になる傾向にある。また、ＩｎＡｓ層２４を形
成する際の成長速度を遅くし、原料供給量を減少させ、
また、基板温度を高くすると、量子ドット２２の面積比
率Ｆが小さくなる傾向にある。従って、ＩｎＡｓ層２４
の成長速度、原料供給量、基板温度等を適宜設定するこ
とにより、大きさの不均一な量子ドット２２を所望の面
積比率Ｆで形成することが可能である。
【００７０】次に、図８（ａ）に示すように、全面に、
ＭＢＥ法により、厚さ１００ｎｍのＧａＡｓより成るＳ
ＣＨ層２８を形成する。
ＭＢＥ法により、厚さ１００ｎｍのＧａＡｓより成るＳ
ＣＨ層２８を形成する。
【００７１】次に、全面に、ＭＢＥ法により、厚さ１５
０ｎｍのｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層３０を形成する。
０ｎｍのｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層３０を形成する。
【００７２】次に、図８（ｂ）に示すように、全面に、
ＭＢＥ法により、厚さ８０ｎｍのＡｌＡｓ層３１を形成
する。
ＭＢＥ法により、厚さ８０ｎｍのＡｌＡｓ層３１を形成
する。
【００７３】次に、全面に、ＭＢＥ法により、厚さ１２
００ｎｍのｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓより成るクラッド層
３６を形成する。
００ｎｍのｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓより成るクラッド層
３６を形成する。
【００７４】次に、図８（ｃ）に示すように、クラッド
層３６、ＡｌＡｓ層３１、ｐ−Ａｌ 0.4Ｇａ0.6Ａｓ層３
０、ＳＣＨ層２８、ＩｎＡｓ層２４、ＳＣＨ層２０、ｎ
−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層１８、ＡｌＡｓ層１３、及びク
ラッド層１２から成る積層膜を、メサ状にエッチングす
る。これにより、ストライプ状の光導波路層３８が構成
される。
層３６、ＡｌＡｓ層３１、ｐ−Ａｌ 0.4Ｇａ0.6Ａｓ層３
０、ＳＣＨ層２８、ＩｎＡｓ層２４、ＳＣＨ層２０、ｎ
−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層１８、ＡｌＡｓ層１３、及びク
ラッド層１２から成る積層膜を、メサ状にエッチングす
る。これにより、ストライプ状の光導波路層３８が構成
される。
【００７５】次に、酸化雰囲気中で、光導波路層３８の
中央部を除く部分のＡｌＡｓ層１３、３１を酸化する。
これにより、これにより、Ａｌ2Ｏ3より成る電流狭窄層
１４、３２が形成される。酸化されなかった部分のＡｌ
Ａｓ層１３、３１は、電流通過層１６、３４となる。
中央部を除く部分のＡｌＡｓ層１３、３１を酸化する。
これにより、これにより、Ａｌ2Ｏ3より成る電流狭窄層
１４、３２が形成される。酸化されなかった部分のＡｌ
Ａｓ層１３、３１は、電流通過層１６、３４となる。
【００７６】次に、光導波路層３８の両端面に、ＡＲコ
ート膜（図示せず）を形成する。
ート膜（図示せず）を形成する。
【００７７】こうして本実施形態による光半導体装置が
製造される。
製造される。
【００７８】［変形実施形態］本発明は上記実施形態に
限らず種々の変形が可能である。
限らず種々の変形が可能である。
【００７９】例えば、上記実施形態では、本発明の原理
を半導体光増幅器に適用する場合を例に説明したが、本
発明の原理は、上述したように半導体光増幅器のみなら
ず、半導体レーザ等他のあらゆる光半導体装置に適用す
ることが可能である。本発明の原理を半導体レーザに適
用した場合には、波長可変域の広い半導体レーザを提供
することができる。
を半導体光増幅器に適用する場合を例に説明したが、本
発明の原理は、上述したように半導体光増幅器のみなら
ず、半導体レーザ等他のあらゆる光半導体装置に適用す
ることが可能である。本発明の原理を半導体レーザに適
用した場合には、波長可変域の広い半導体レーザを提供
することができる。
【００８０】また、上記実施形態では、量子ドットの層
を１層だけ形成する場合を例に説明するが、量子ドット
の層は１層に限定されるものではなく、複数層にわたっ
て形成してもよい。
を１層だけ形成する場合を例に説明するが、量子ドット
の層は１層に限定されるものではなく、複数層にわたっ
て形成してもよい。
【００８１】また、上記実施形態では、半導体基板等の
材料としてＧａＡｓ系の材料を用いたが、半導体基板等
の材料はＧａＡｓ系の材料に限定されるものではなく、
例えばＩｎＰ系の材料を用いてもよい。
材料としてＧａＡｓ系の材料を用いたが、半導体基板等
の材料はＧａＡｓ系の材料に限定されるものではなく、
例えばＩｎＰ系の材料を用いてもよい。
【００８２】
【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、不均一な
大きさの量子ドットが小さい面積比率で形成されている
ため、利得帯域の広い光半導体装置を提供することがで
きる。
大きさの量子ドットが小さい面積比率で形成されている
ため、利得帯域の広い光半導体装置を提供することがで
きる。
【図１】活性層中におけるキャリアの状態密度を示すグ
ラフである。
ラフである。
【図２】キャリアの状態密度及びキャリア密度を示すグ
ラフである。
ラフである。
【図３】利得係数及び反転分布係数を示すグラフであ
る。
る。
【図４】本発明の一実施形態による光半導体装置を示す
断面図である。
断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による光半導体装置の量子
ドットを示す平面図である。
ドットを示す平面図である。
【図６】本発明の一実施形態による光半導体装置の利得
スペクトルを示すグラフである。
スペクトルを示すグラフである。
【図７】本発明の一実施形態による光半導体装置の製造
方法を示す工程断面図（その１）である。
方法を示す工程断面図（その１）である。
【図８】本発明の一実施形態による光半導体装置の製造
方法を示す工程断面図（その２）である。
方法を示す工程断面図（その２）である。
【図９】従来の半導体光増幅器を示す断面図である。
１０…半導体基板
１２…クラッド層
１３…ＡｌＡｓ層
１４…電流狭窄層
１６…電流通過層
１８…ｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層
２０…ＳＣＨ層
２２…量子ドット
２４…ＩｎＡｓ層
２６…電流注入領域
２８…ＳＣＨ層
３０…ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層
３１…ＡｌＡｓ層
３２…電流狭窄層
３４…電流通過層
３６…クラッド層
３８…光導波路層
１１０…半導体基板
１１２…クラッド層
１１４…バルク活性層
１１８…電流狭窄層
１１８ａ…ｐ−ＩｎＰ層
１１８ｂ…ｎ−ＩｎＰ層
１３８…光導波路層
１４０…キャップ層
Claims (10)
- 【請求項１】 複数の量子ドットを有する光半導体装置
であって、 前記複数の量子ドットの大きさが不均一であることを特
徴とする光半導体装置。 - 【請求項２】 請求項１記載の光半導体装置において、 電流注入領域の面積をＡとし、前記電流注入領域内に形
成された前記複数の量子ドットの面積の総和をＢとする
と、前記複数の量子ドットの面積比率Ｂ／Ａが０．４以
下であることを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項３】 請求項１又は２記載の光半導体装置にお
いて、 前記量子ドットは、ＳＣＨ層上に形成されており、前記
量子ドットの材料の格子定数が、前記ＳＣＨ層の材料の
格子定数より大きいことを特徴とする光半導体装置。 - 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の
光半導体装置において、 前記複数の量子ドットは、Ｓ−Ｋモードにより自己形成
された３次元成長島より成ることを特徴とする光半導体
装置。 - 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の
光半導体装置において、 前記量子ドットは、ＩｎＡｓより成り、 前記ＳＣＨ層は、ＧａＡｓより成ることを特徴とする光
半導体装置。 - 【請求項６】 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の
光半導体装置において、 前記量子ドットは、半導体増幅器の活性層であることを
特徴とする光半導体装置。 - 【請求項７】 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の
光半導体装置において、 前記量子ドットは、半導体レーザの活性層であることを
特徴とする光半導体装置。 - 【請求項８】 半導体基板上に、不均一な大きさの複数
の量子ドットを形成する工程を有することを特徴とする
光半導体装置の製造方法。 - 【請求項９】 請求項８記載の光半導体装置の製造方法
において、 前記量子ドットを形成する工程では、電流注入領域の面
積をＡとし、前記電流注入領域内に形成された前記複数
の量子ドットの面積の総和をＢとすると、前記複数の量
子ドットの面積比率Ｂ／Ａが０．４以下になるように、
前記複数の量子ドットを形成することを特徴とする光半
導体装置の製造方法。 - 【請求項１０】 請求項８又は９記載の光半導体装置の
製造方法において、 前記量子ドットを形成する工程の前に、前記半導体基板
上に、前記量子ドットより格子定数の小さい材料より成
るＳＣＨ層を形成する工程を更に有し、 前記量子ドットを形成する工程では、Ｓ−Ｋモードによ
り３次元成長島より成る前記複数の量子ドットを自己形
成することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
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-
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- 2002-03-27 DE DE60223772T patent/DE60223772T2/de not_active Expired - Lifetime
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