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JP3304903B2 - Semiconductor quantum dot device and manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor quantum dot device and manufacturing method thereof

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JP3304903B2
JP3304903B2 JP36328198A JP36328198A JP3304903B2 JP 3304903 B2 JP3304903 B2 JP 3304903B2 JP 36328198 A JP36328198 A JP 36328198A JP 36328198 A JP36328198 A JP 36328198A JP 3304903 B2 JP3304903 B2 JP 3304903B2
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JP
Japan
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semiconductor
quantum dot
gaas
film
manufacturing
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英彰 斎藤
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Original Assignee
NEC Corp
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  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザや電
界効果トランジスタなどの半導体デバイスに使用され
る、半導体量子ドット素子とその製造方法に関する。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a semiconductor quantum dot device used for a semiconductor device such as a semiconductor laser or a field effect transistor, and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】電荷キャリヤーを3次元的に閉じこめる
量子ドット構造は、その状態密度のエネルギー広がりが
小さい。このエネルギー集中によって、量子ドットを用
いたデバイスは一般的な量子井戸構造のデバイスよりも
優れた特性を有し、例えば、極めて低い電流で発振する
量子ドットレーザなどが実現される。
2. Description of the Related Art A quantum dot structure in which charge carriers are confined three-dimensionally has a small energy spread of a state density. Due to this energy concentration, a device using quantum dots has better characteristics than a device having a general quantum well structure, and for example, a quantum dot laser or the like that oscillates at an extremely low current is realized.

【0003】この量子ドット構造を製造する方法とし
て、半導体からなる障壁層上にこれとは格子定数の異な
る半導体からなる量子ドットを自己形成的に形成する方
法が知られている(Applied Physics Letters、第
63巻、3203ページ(1993年))。この方法は基板の半導
体と格子定数の異なる半導体の成長が、応力の作用によ
って自然にドット構造になることを利用しており、Str
anski-Krastanow(SK)モード成長と呼ばれている。
この方法で形成される量子ドットは、1回の成長だけで
つくられ、成長前の基板加工や、成長後のドット形状加
工などの工程を必要としない。したがって、工程が簡易
であるばかりでなく、加工損傷などの欠陥が無い良質な
結晶を持つドットが製造できる。また、ドットは基板面
上で1平方センチあたり10の10乗個以上の高密度で形
成でき、また積層も可能であることから、例えばレーザ
の活性層として用いた場合に充分な光利得を得ることが
できる。
As a method of manufacturing this quantum dot structure, a method is known in which quantum dots made of a semiconductor having a different lattice constant from the semiconductor are formed on a barrier layer made of the semiconductor in a self-forming manner (Applied Physics Letters, Vol. 63, p. 3203 (1993)). This method utilizes the fact that the growth of a semiconductor having a different lattice constant from the semiconductor of the substrate naturally forms a dot structure by the action of stress.
This is called anski-Krastanow (SK) mode growth.
Quantum dots formed by this method are formed by only one growth, and do not require steps such as processing a substrate before growth or processing a dot shape after growth. Therefore, not only the process is simple, but also dots having good quality crystals free from defects such as processing damage can be manufactured. In addition, since dots can be formed on the substrate surface at a high density of 10 10 or more per square centimeter and can be stacked, sufficient optical gain is obtained, for example, when used as an active layer of a laser. be able to.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来量
子ドットを自己形成的にSKモードで形成した場合、基
板面上に多数個できるドットにサイズのばらつきが10
%以上生じていた。一個の量子ドットの状態密度は3次
元閉じ込めによってあるエネルギーに集中するが、サイ
ズばらつきが存在することにより、多数個ある量子ドッ
トのエネルギー分布はおよそ60meVほどの広がりを
持つ。ドットサイズは底面の直径がおよそ30nm、高
さが10nmであり、直径に対して高さの小さい構造を持
つ。このため、量子ドットのエネルギー準位はほぼ量子
ドットの高さによって支配され、高さのばらつきによっ
て量子ドットのエネルギー分布が60meV程度広がる
ことになる。この結果、従来予想されていた量子ドット
のデバイス特性、例えばレーザの低しきい値電流動作な
どを実現するのが困難であった。
However, when quantum dots are conventionally formed in the SK mode in a self-forming manner, a large number of dots formed on the substrate surface have a variation in size of 10 dots.
% Or more. Although the density of states of one quantum dot is concentrated on a certain energy by three-dimensional confinement, the energy distribution of a large number of quantum dots has a spread of about 60 meV due to the existence of size variation. The dot size is such that the bottom diameter is about 30 nm and the height is 10 nm, and the height is smaller than the diameter. For this reason, the energy level of the quantum dot is substantially controlled by the height of the quantum dot, and the energy distribution of the quantum dot spreads by about 60 meV due to the variation in the height. As a result, it has been difficult to realize the device characteristics of quantum dots that have been conventionally expected, for example, a low threshold current operation of a laser.

【0005】そこで、本発明の目的は、半導体膜に深さ
の均一な孔を多数個形成し、この孔に高さのそろった量
子ドットを形成することによって、エネルギー幅が狭く
鋭いピーク状の状態密度を持つ量子ドットを高密度に備
えた、半導体量子ドット素子を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to form a large number of holes having a uniform depth in a semiconductor film and form quantum dots having a uniform height in the holes, thereby forming a sharp peak-like shape having a narrow energy width. An object of the present invention is to provide a semiconductor quantum dot device provided with quantum dots having a state density at a high density.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体量子ドッ
ト素子は、第1の半導体からなる半導体膜中に構成され
た第1の半導体と格子定数の異なる第2の半導体からな
るドット構造をエッチングすることによって形成した孔
と、この孔を埋めるように形成した第3の半導体からな
る量子ドット構造を備えることを特徴とする。
According to the present invention, a semiconductor quantum dot device is formed by etching a dot structure made of a second semiconductor having a lattice constant different from that of a first semiconductor formed in a semiconductor film made of a first semiconductor. And a quantum dot structure comprising a third semiconductor formed so as to fill the hole.

【0007】本発明の製造方法は、第1の半導体からな
る半導体結晶上に、第1の半導体と格子定数が異なり、
かつエッチングにより該第1の半導体の結晶の構造と機
能を損なうことなく除去可能な第2の半導体からなるド
ット構造を形成する工程と、半導体結晶上にドット構造
をその頂部が露出する範囲で覆いながら第1の半導体か
らなる半導体膜を形成する工程と、ドット構造をエッチ
ングで取り除いて半導体膜に孔を形成する工程と、孔を
埋め込むように第3の半導体からなる量子ドット構造を
形成する工程を含むことを特徴とする。
According to the manufacturing method of the present invention, the lattice constant of the semiconductor crystal made of the first semiconductor is different from that of the first semiconductor.
A step of forming a dot structure made of a second semiconductor which can be removed without impairing the structure and function of the crystal of the first semiconductor by etching, and covering the dot structure on the semiconductor crystal in a range where the top is exposed. Forming a semiconductor film made of the first semiconductor while removing the dot structure by etching to form a hole in the semiconductor film; and forming a quantum dot structure made of the third semiconductor so as to fill the hole. It is characterized by including.

【0008】または、前記製造方法において、第2の半
導体からなるドット構造のエッチングを、第2の半導体
が熱脱離する温度で保持することによって行われる熱エ
ッチングによるものすることを特徴とする。
Alternatively, in the manufacturing method, the etching of the dot structure made of the second semiconductor is performed by thermal etching performed by maintaining the second semiconductor at a temperature at which the second semiconductor thermally desorbs.

【0009】[作用]結晶成長装置でIII-V族化合物半導
体表面上にそれとは格子定数の異なるIII-V族化合物半
導体を成長するときに、歪み限界の膜厚を越えたところ
で歪みを緩和するために膜が凝集して島状(ドット状)の
結晶ができる。例えば、GaAs基板上にこれよりも格子
定数がおよそ7%大きいInAs半導体結晶を成長するとI
nAsは歪みを緩和させるためにドット形状となる。形成
したドットのサイズは、底面の直径が約30nm、高さ
が約10nmの半球状であり、1平方センチメートル当た
り10の10乗個以上の密度で形成される。このドット上
にGaAs半導体を成長すると、GaAsとInAsが格子不
整合であるために、ドット直上にはGaAsは成長せず
に、ドットの周りでGaAsが成長し、GaAs膜を形成す
る。このGaAs膜は通常の層状成長の場合と同様に原子
層程度の平坦性を有する。このGaAs膜をInAsドット
より高い厚さで成長すると、InAsドット直上にもGaA
sが結晶成長し始めるが、InAsドットよりも低い厚さ、
例えば7nmの厚さまで成長すると、GaAs膜からInAs
ドットが3nmだけ突き出した構造が形成される。
[Operation] When a III-V compound semiconductor having a different lattice constant from the III-V compound semiconductor is grown on the surface of the III-V compound semiconductor by the crystal growth apparatus, the strain is relaxed when the film thickness exceeds the strain limit. As a result, the film aggregates to form island-like (dot-like) crystals. For example, when an InAs semiconductor crystal having a lattice constant larger than this by about 7% on a GaAs substrate is grown, I
nAs has a dot shape to reduce distortion. The size of the formed dots is a hemispherical shape with a bottom diameter of about 30 nm and a height of about 10 nm, and is formed at a density of 10 10 or more per square centimeter. When a GaAs semiconductor is grown on the dot, the GaAs does not grow immediately above the dot, but grows around the dot to form a GaAs film because the GaAs and InAs do not have lattice mismatch. This GaAs film has a flatness on the order of an atomic layer as in the case of ordinary layer growth. If this GaAs film is grown with a thickness higher than that of the InAs dots, the GaAs film will
s begins to grow, but has a lower thickness than InAs dots,
For example, when the GaAs film is grown to a thickness of 7 nm,
A structure in which the dots protrude by 3 nm is formed.

【0010】GaAs結晶とInAs結晶の表面から脱離す
る温度を比較すると、GaAsの約670℃に対してInA
sはそれより100℃ほど低くて約570℃である。した
がって、その中間の温度、例えば600℃で、上記した
GaAs膜にInAsドットが突き出た構造を保持すると、I
nAsのみが脱離(つまり熱エッチング)されて、取り除か
れる。その結果、GaAs膜に直径約30nmで深さが7n
mの孔(ホール)が形成される。その密度は、元々存在し
ていたInAsドットと同じである。
[0010] Comparing the temperature at which desorption occurs from the surface of the GaAs crystal and the surface of the InAs crystal, the GaAs temperature of about 670 ° C and the InA
s is about 570 ° C., about 100 ° C. lower. Therefore, if the structure in which the InAs dots protrude from the GaAs film at an intermediate temperature, for example, 600 ° C.,
Only nAs is desorbed (ie, thermally etched) and removed. As a result, the GaAs film has a diameter of about 30 nm and a depth of 7 n.
m holes are formed. Its density is the same as that of the originally existing InAs dots.

【0011】次に、この孔のあいたGaAs膜上に、In組
成の比較的小さいInGaAsを成長すると、GaAsとの格
子定数差があまり大きくないために、3次元の島状成長
は起きず、層状成長する。この時、孔同士の間隔がIn、
Ga原子の拡散長(数μm)よりも十分小さいので、それ
らの原子は孔内に落ち込み、InGaAs結晶が孔内に優先
的に成長する。このInGaAs結晶を孔の深さである7n
mよりも大きい8nmの厚さまで成長すると、InGaAs
結晶は、すべての孔を埋め込んでさらに1nmだけ、孔上
とGaAs膜上に、平坦にInGaAs膜が形成される。この
上にGaAs結晶を成長すると全面にわたってGaAsでキ
ャップされた構造となる。
Next, when InGaAs having a relatively small In composition is grown on the GaAs film having the holes, three-dimensional island growth does not occur because the lattice constant difference from GaAs is not so large. grow up. At this time, the distance between the holes is In,
Since they are sufficiently smaller than the diffusion length of Ga atoms (several μm), those atoms fall into the pores, and the InGaAs crystal grows preferentially in the pores. This InGaAs crystal is made to have a hole depth of 7n.
When grown to a thickness of 8 nm, which is larger than m, InGaAs
In the crystal, an InGaAs film is formed evenly over the holes and the GaAs film by 1 nm by filling all the holes. When a GaAs crystal is grown thereon, a structure is obtained in which the entire surface is capped with GaAs.

【0012】この結果、孔に優先的に成長したInGaAs
結晶はすべて、孔の底からGaAsキャップ層界面まで、
1nmのInGaAs膜も含めて9nm高さを持つ、円柱状の
形状となる。直径は熱エッチングされたInAsドットの
直径に等しく30nm程度である。したがって、この円
柱状のInGaAs結晶は、周りがエネルギーギャップの大
きいGaAsに囲まれて、3次元方向でキャリアーが閉じ
込まれる量子ドット構造になる。このInGaAs量子ドッ
トの高さの均一性はInGaAs結晶の層状成長の平坦性を
反映して、原子層厚の0.3nm以下のばらつき、すなわ
ち膜厚の3%以下のばらつきと、非常に優れている。一
方、直径は熱エッチングされたInAsドットの直径に等
しく、また、均一性もInAsドットのものと同じく10%
のばらつきが存在する。しかしながら、直径方向の大き
さが高さ方向よりも大きく、量子閉じこめ効果が弱いた
め、量子化されたエネルギー準位の大きさには、この直
径方向のばらつきはほとんど影響されない。したがっ
て、多数個形成されたInGaAs量子ドットは、高さ方向
の3%のばらつきを反映して、エネルギー準位の分布は
20meV以下となる。これは、室温以上で量子井戸の
エネルギー広がり幅である約25meV以上に比較し
て、狭い値である。
As a result, InGaAs grown preferentially in the pores
All the crystals from the bottom of the hole to the GaAs cap layer interface
It has a cylindrical shape having a height of 9 nm including the InGaAs film of 1 nm. The diameter is equal to the diameter of the thermally etched InAs dots and is about 30 nm. Therefore, the cylindrical InGaAs crystal has a quantum dot structure in which carriers are confined in three-dimensional directions, surrounded by GaAs having a large energy gap. The uniformity of the height of the InGaAs quantum dots reflects the flatness of the layer growth of the InGaAs crystal, and the variation of the atomic layer thickness is less than 0.3 nm, that is, the variation of the film thickness is 3% or less. I have. On the other hand, the diameter is equal to the diameter of the thermally etched InAs dots, and the uniformity is 10%, the same as that of the InAs dots.
There is a variation of However, since the size in the diameter direction is larger than that in the height direction and the quantum confinement effect is weak, the size of the quantized energy level is hardly affected by the variation in the diameter direction. Therefore, the energy level distribution of the InGaAs quantum dots formed in a large number is 20 meV or less, reflecting the variation of 3% in the height direction. This is a narrow value compared to about 25 meV or more, which is the energy spread width of the quantum well at room temperature or higher.

【0013】このようにして量子ドットのサイズを均一
化すれば、理想的な量子ドットの先鋭化した状態密度を
反映した量子ドットデバイス特性が得られ、例えば超低
しきい値電流で動作する量子ドットレーザが製造でき
る。
If the size of the quantum dots is made uniform in this way, the quantum dot device characteristics reflecting the idealized state density of the quantum dots can be obtained. Dot laser can be manufactured.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について図
面を参照にして詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

【0015】図1は本発明の代表的な形態の半導体レー
ザの構造断面図である。下側から、n型のGaAs基板
1、n型のAlGaAsクラッド層2、GaAs障壁層3、G
aAs膜4、InGaAs量子ドット5、InGaAs膜6、Ga
As障壁層7、p型のAlGaAsクラッド層8、p型のGa
Asキャップ層9、さらにAlGaAs埋め込み層10、p
電極11、n電極12で構成されている。
FIG. 1 is a structural sectional view of a semiconductor laser according to a typical embodiment of the present invention. From below, an n-type GaAs substrate 1, an n-type AlGaAs cladding layer 2, a GaAs barrier layer 3,
aAs film 4, InGaAs quantum dots 5, InGaAs film 6, Ga
As barrier layer 7, p-type AlGaAs cladding layer 8, p-type Ga
As cap layer 9, further AlGaAs buried layer 10, p
It comprises an electrode 11 and an n-electrode 12.

【0016】n型のAlGaAsクラッド層2においては、
Alの組成比が好ましくは0.2〜0.4、例えば0.3
であり、厚さは好ましくは1〜4μm、例えば2μm、
またキャリア濃度は好ましくは5×1017〜2×1018c
-3、例えば1×1018cm-3である。
In the n-type AlGaAs cladding layer 2,
The composition ratio of Al is preferably 0.2 to 0.4, for example, 0.3.
And the thickness is preferably 1 to 4 μm, for example 2 μm,
The carrier concentration is preferably 5 × 10 17 to 2 × 10 18 c
m −3 , for example, 1 × 10 18 cm −3 .

【0017】GaAs障壁層3においては、厚さは好まし
くは15〜50nm、例えば20nmである。
The thickness of the GaAs barrier layer 3 is preferably 15 to 50 nm, for example, 20 nm.

【0018】GaAs膜4においては、厚さは好ましくは
5〜9nm、例えば7nmである。
The thickness of the GaAs film 4 is preferably 5 to 9 nm, for example, 7 nm.

【0019】InGaAs量子ドット5においては、Inの組
成比が好ましくは0.1〜0.3、例えば0.2であり、厚
さは好ましくは6〜10nm、例えば8nm、また面内直
径は好ましくは20〜50nm、例えば30nmである。
In the InGaAs quantum dots 5, the composition ratio of In is preferably 0.1 to 0.3, for example, 0.2, the thickness is preferably 6 to 10 nm, for example, 8 nm, and the in-plane diameter is preferably. Is 20 to 50 nm, for example, 30 nm.

【0020】InGaAs膜6においては、Inの組成比が好
ましくは0.1〜0.3、例えば0.2であり、厚さは好ま
しくは0.5〜2nm、例えば1nmである。
In the InGaAs film 6, the composition ratio of In is preferably 0.1 to 0.3, for example, 0.2, and the thickness is preferably 0.5 to 2 nm, for example, 1 nm.

【0021】GaAs障壁層7においては、厚さは好まし
くは15〜50nm、例えば20nmである。
The thickness of the GaAs barrier layer 7 is preferably 15 to 50 nm, for example, 20 nm.

【0022】p型のAlGaAsクラッド層8においては、
Alの組成比が好ましくは0.2〜0.4、例えば0.3
であり、厚さは好ましくは1〜3μm、例えば1.5μ
m、またキャリア濃度は好ましくは1×1017〜1×1018
cm-3、例えば5×1017cm-3である。
In the p-type AlGaAs cladding layer 8,
The composition ratio of Al is preferably 0.2 to 0.4, for example, 0.3.
And the thickness is preferably 1 to 3 μm, for example 1.5 μm.
m and the carrier concentration are preferably 1 × 10 17 to 1 × 10 18
cm −3 , for example, 5 × 10 17 cm −3 .

【0023】p型のGaAsキャップ層9においては、厚
さは好ましくは0.1〜0.5μm、例えば0.2μm、ま
たキャリア濃度は好ましくは1×1018〜5×1018c
-3、例えば2×1018cm-3である。
The thickness of the p-type GaAs cap layer 9 is preferably 0.1 to 0.5 μm, for example, 0.2 μm, and the carrier concentration is preferably 1 × 10 18 to 5 × 10 18 c.
m −3 , for example, 2 × 10 18 cm −3 .

【0024】さらにAlGaAs埋め込み層10において
は、Alの組成比はAlGaAsクラッド層2,8のAl組
成比よりも大きく、好ましくは0.3〜0.5、例えば
0.35である。
Further, in the AlGaAs buried layer 10, the Al composition ratio is larger than the Al composition ratio of the AlGaAs cladding layers 2 and 8, and is preferably 0.3 to 0.5, for example 0.35.

【0025】p電極11としては、AuもしくはAu合金
であればどんなものでも使用できるが、好ましくはCr-
Auである。
As the p-electrode 11, any material can be used as long as it is Au or an Au alloy.
Au.

【0026】n電極12としては、AuもしくはAu合金
であればどんなものでも使用できるが、好ましくはTi-
Auである。
As the n-electrode 12, any material can be used as long as it is Au or an Au alloy.
Au.

【0027】InGaAs量子ドット5の厚さはInGaAs膜
6の厚さを含めて、好ましくは6〜10nm、例えば8n
mとなる。
The thickness of the InGaAs quantum dots 5, including the thickness of the InGaAs film 6, is preferably 6 to 10 nm, for example, 8 n.
m.

【0028】InGaAs量子ドット5は1平方センチメー
トル当たりの数で好ましくは5×10 9〜1×1011個、例
えば1010個の密度で面内に存在し、厚さ方向のばらつ
きは好ましくは1〜4%、例えば3%程度である。
The InGaAs quantum dot 5 has a square centimeter
Preferably 5 × 10 in number per Torr 9~ 1 × 1011Pieces, example
For example, 10TenExists in the plane at the density of the individual, and varies in the thickness direction
Is preferably 1 to 4%, for example, about 3%.

【0029】このレーザ構造に電流を流すと、サイズの
均一な量子ドットからなる活性領域において、エネルギ
ーの揃った電子-正孔の結合によって起きる発光によ
り、低電流で発振して高効率な発光特性を有するレーザ
が得られる。
When a current is applied to this laser structure, light is emitted by a combination of electrons and holes having uniform energy in an active region composed of quantum dots having a uniform size, and oscillates at a low current to achieve highly efficient light emission characteristics. Is obtained.

【0030】また、GaAs障壁層3上にGaAs膜4、In
GaAs量子ドット5、InGaAs膜6、GaAs障壁層7を
多数回繰り返して、量子ドットの構造を多層化しても良
い。この場合、多層化した量子ドットの活性領域によっ
て、低電流発振動作に加えて高い光出力特性を持つレー
ザが得られる。
Further, the GaAs film 4 and the In
The structure of the quantum dots may be multilayered by repeating the GaAs quantum dots 5, the InGaAs film 6, and the GaAs barrier layer 7 many times. In this case, a laser having high optical output characteristics in addition to low current oscillation operation can be obtained by the active region of the multilayered quantum dot.

【0031】さらに、GaAs障壁層3とGaAs膜14の
半導体結晶をAlGaAsで置き換えても良い。この場
合、AlGaAsのエネルギーギャップがGaAsよりも大
きいために、高温での量子ドットからのキャリアーの漏
れが低減される。
Further, the semiconductor crystals of the GaAs barrier layer 3 and the GaAs film 14 may be replaced with AlGaAs. In this case, since the energy gap of AlGaAs is larger than that of GaAs, leakage of carriers from the quantum dots at high temperatures is reduced.

【0032】図2は、量子ドット構造を有するレーザの
製造工程図である。まず、IV族、たとえばSiをドープ
したn型基板1を分子線エピタキシャル成長装置に導入
する。この基板上に、IV族ドープのn型のAlGaAsクラ
ッド層2、GaAs障壁層を加熱下で成長させる(図2
(a))。この加熱温度は好ましくは550〜630℃、例
えば600℃である。
FIG. 2 is a manufacturing process diagram of a laser having a quantum dot structure. First, an n-type substrate 1 doped with a group IV, for example, Si is introduced into a molecular beam epitaxial growth apparatus. On this substrate, a group IV-doped n-type AlGaAs cladding layer 2 and a GaAs barrier layer are grown under heating (FIG. 2).
(a)). The heating temperature is preferably 550-630C, for example, 600C.

【0033】この上に図2(b)のようにInAs 13を加
熱下で成長させると、下地のGaAs層との格子不整合が
7%あるために、臨界膜厚(0.6nm)を越えたところで
歪み緩和を起こして図2(c)のようにドット14が形成
される。この加熱温度は好ましくは500〜530℃、
例えば510℃である。
When InAs 13 is grown under heating as shown in FIG. 2 (b), lattice mismatch with the underlying GaAs layer is 7%, so that the critical thickness (0.6 nm) is exceeded. At this point, the distortion is relaxed, and the dot 14 is formed as shown in FIG. The heating temperature is preferably 500 to 530 ° C,
For example, it is 5100C.

【0034】その後引き続いて図2(d)のようにGaAs
4を同一温度で成長すると、InAsとは格子不整合であ
るため、InAsドット直上には成長せずに、その周りを
満たすように成長する。例えば、GaAs膜4の成長膜厚
を7nmとすると、GaAs膜からInAsドット14が3n
mだけ突き出た構造となる。ここで、GaAs膜は層状成
長するため、その厚さは、原子層レベルで平坦である。
Thereafter, as shown in FIG.
When 4 is grown at the same temperature, it does not grow directly on the InAs dot but grows so as to fill around it, because of lattice mismatch with InAs. For example, if the grown film thickness of the GaAs film 4 is 7 nm, the InAs dots 14 are 3 nm thick from the GaAs film.
The structure protrudes by m. Here, since the GaAs film grows in a layered manner, its thickness is flat at the atomic layer level.

【0035】次に、基板を好ましくは570〜630
℃、例えば600℃まで昇温して3分間保持する。Ga
Asの熱脱離温度は670℃、InAsの熱脱離温度は57
0℃であるため、この加熱温度では、InAsだけが熱脱
離する。このため、GaAs膜4中のInAsドットがあっ
たところに孔があく。孔の直径は好ましくは20〜50
nm、例えば30nm、深さは好ましくは5〜9nm、例
えば7nmである。
Next, the substrate is preferably 570-630.
C., for example, to 600.degree. C. and maintained for 3 minutes. Ga
The thermal desorption temperature of As is 670 ° C, and the thermal desorption temperature of InAs is 57
At 0 ° C., only InAs thermally desorbs at this heating temperature. Therefore, a hole is formed in the GaAs film 4 where the InAs dot exists. The diameter of the holes is preferably between 20 and 50
nm, for example 30 nm, and the depth is preferably 5 to 9 nm, for example 7 nm.

【0036】孔16があいたGaAs膜4上にInGaAsを
好ましくは500〜530℃、例えば510℃で成長す
る(図2(f))。
InGaAs is grown on the GaAs film 4 having the holes 16 preferably at a temperature of 500 to 530 ° C., for example, 510 ° C. (FIG. 2F).

【0037】InGaAsはGaAsとの格子不整合があり、
例えばIn組成0.2の場合1%程度であり、この場合10n
m程度までは、歪み緩和を起こさずに層状に成長する。
また、孔の間隔が100nm以下で、InやGaの拡散距離
(数μm)よりも十分小さいので、In、Gaは孔に落ち込
み、孔の底から優先的にInGaAsが成長する。
InGaAs has lattice mismatch with GaAs,
For example, when the In composition is 0.2, it is about 1%.
Up to about m, it grows in a layer without strain relaxation.
When the distance between the holes is 100 nm or less, the diffusion distance of In or Ga
(Several μm), In and Ga fall into the hole, and InGaAs grows preferentially from the bottom of the hole.

【0038】InGaAsの成長を続けると、高密度に存在
するドットでの成長速度にばらつきが生じるが、一つの
孔がInGaAsで埋め込まれると、GaAs膜上を拡散する
原子が、埋め込みの終わっていない孔の方へ流れ込む。
そして、すべての孔がInGaAsで埋まったのちに、孔上
とGaAs膜上で平坦になるようにInGaAs膜6が成長す
る。
As the growth of InGaAs continues, the growth rate of the dots present at high density varies, but when one hole is filled with InGaAs, the atoms that diffuse on the GaAs film are not completely filled. It flows into the hole.
Then, after all the holes are filled with InGaAs, the InGaAs film 6 is grown so as to be flat on the holes and on the GaAs film.

【0039】そこで、孔が埋め込まれた後にInGaAsを
1nmだけ成長して、InGaAsの成長を止める。この結
果、孔部には、孔の深さ(例えば7nm)とさらにInGaA
s膜の厚さの1nmを加えた厚さ(例えば8nm)をもつ、円
柱状のInGaAs量子ドット構造が形成される。このドッ
トの厚さ(例えば8nm)は、孔の底、及びInGaAs膜の
表面が原子レベルで平坦であるため、そのばらつきは3
%程度に押さえられる。
Therefore, after the holes are filled, InGaAs is formed.
Stop growing InGaAs by growing 1nm. As a result, the depth of the hole (for example, 7 nm) and the InGaA
A cylindrical InGaAs quantum dot structure having a thickness (for example, 8 nm) obtained by adding 1 nm of the thickness of the s film is formed. The thickness of the dot (for example, 8 nm) varies by 3 because the bottom of the hole and the surface of the InGaAs film are flat at the atomic level.
%.

【0040】一方、量子ドットの直径は孔の直径(例え
ば30nm)であり、そのばらつきは10%程度存在する
が、量子ドットのエネルギー準位はサイズの小さい厚さ
方向の閉じ込めでほぼ決まる。したがって、量子化され
たエネルギー準位のばらつきは20meV以下であり、
室温での量子井戸のエネルギー広がりである25meV
に比べて、小さい。
On the other hand, the diameter of the quantum dot is the diameter of the hole (for example, 30 nm), and the variation thereof is about 10%. However, the energy level of the quantum dot is almost determined by the confinement of the small size in the thickness direction. Therefore, the variation of the quantized energy level is 20 meV or less,
25 meV which is the energy spread of the quantum well at room temperature
Smaller than.

【0041】続いて、InGaAs膜6上にGaAs障壁層7
を成長する。さらにBeドープのp型のAlGaAsクラッ
ド層8、p型のGaAsキャップ層9を成長する。この成
長基板を成長装置より取り出し、ストライプメサ加工
と、埋め込み層10の形成、電極11、12の形成を行
う(図2(h))。
Subsequently, the GaAs barrier layer 7 is formed on the InGaAs film 6.
Grow. Further, a Be-doped p-type AlGaAs cladding layer 8 and a p-type GaAs cap layer 9 are grown. The growth substrate is taken out of the growth apparatus, and stripe mesa processing, formation of the buried layer 10, and formation of the electrodes 11, 12 are performed (FIG. 2 (h)).

【0042】以上の工程によって量子ドットレーザが製
造される。このレーザに電流を流すと、サイズの揃った
ドットからの光利得は、エネルギー線幅が狭く、強度の
非常に大きいものとなる。したがって、低電流で発振
し、効率も高いレーザが得られる。
Through the above steps, a quantum dot laser is manufactured. When a current is applied to the laser, the light gain from the dots of uniform size has a narrow energy line width and a very high intensity. Therefore, a laser which oscillates at a low current and has high efficiency can be obtained.

【0043】また、前記方法では孔16を形成するため
にInAsドット14を用いたが、この代わりにInPドッ
トを使っても良い。InPはGaAsと格子定数差が約4%
あるために、GaAs上でInAsと同じようにドット形成
する。また、InPの熱脱離温度はGaAsのそれよりも低
いため、InPだけを熱エッチングによって取り除くこと
が可能である。したがって、InAsドットを用いた場合
と同様に、GaAs膜に孔を形成することが可能である。
In the above method, the InAs dots 14 are used to form the holes 16, but InP dots may be used instead. InP has a lattice constant difference of about 4% from GaAs.
For this reason, dots are formed on GaAs in the same manner as InAs. Since the thermal desorption temperature of InP is lower than that of GaAs, only InP can be removed by thermal etching. Therefore, it is possible to form holes in the GaAs film as in the case of using InAs dots.

【0044】[0044]

【発明の効果】本発明によれば、均一な深さの孔をもつ
結晶膜を使って高均一な厚さ分布を持つ量子ドットをつ
くる。これによって、量子化準位のエネルギーの揃った
量子ドットが高密度で得られ、例えばこれらを活性層に
した高性能な半導体レーザが実現する。
According to the present invention, a quantum dot having a highly uniform thickness distribution is formed using a crystal film having holes of a uniform depth. As a result, quantum dots having the same energy of the quantization level can be obtained at a high density, and, for example, a high-performance semiconductor laser using these as an active layer is realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の半導体レーザの構造断面図である。FIG. 1 is a structural sectional view of a semiconductor laser of the present invention.

【図2】本発明の製造工程を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a manufacturing process of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 n型GaAs基板 2 n型Al0.3Ga0.7Asクラッド層 3 GaAs障壁層 4 GaAs膜 5 InGaAs量子ドット 6 InGaAs膜 7 GaAs障壁層 8 p型Al0.3Ga0.7Asクラッド層 9 p型GaAsキャップ層 10 Al0.35Ga0.65As埋め込み層 11 p型電極 12 n型電極 13 InAs 14 InAsドット 15 SiO2絶縁膜 16 孔Reference Signs List 1 n-type GaAs substrate 2 n-type Al 0.3 Ga 0.7 As cladding layer 3 GaAs barrier layer 4 GaAs film 5 InGaAs quantum dot 6 InGaAs film 7 GaAs barrier layer 8 p-type Al 0.3 GaAs 0.7 cladding layer 9 p-type GaAs cap layer 10 Al 0.35 Ga 0.65 As buried layer 11 p-type electrode 12 n-type electrode 13 InAs 14 InAs dots 15 SiO 2 insulating film 16 holes

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−42481(JP,A) 特開 平4−180283(JP,A) 特開 平7−202164(JP,A) 特開 平10−12975(JP,A) 特開 平8−236501(JP,A) 特開 平10−289996(JP,A) 特開 平11−87687(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 29/06 H01L 29/201 H01L 29/80 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-62-42481 (JP, A) JP-A-4-180283 (JP, A) JP-A-7-202164 (JP, A) JP-A-10-108 12975 (JP, A) JP-A-8-236501 (JP, A) JP-A-10-289996 (JP, A) JP-A-11-87687 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01S 5/00-5/50 H01L 29/06 H01L 29/201 H01L 29/80

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 第1の半導体からなる半導体膜中に構成
された第1の半導体と格子定数の異なる第2の半導体か
らなるドット構造をエッチングすることによって形成し
た孔と、この孔を埋めるように形成した第3の半導体か
らなる量子ドット構造を備える半導体量子ドット素子の
製造方法であって、 前記第1の半導体からなる半導体結晶上に、前記第1の
半導体と格子定数が異なり、かつエッチングにより前記
第1の半導体の結晶の構造と機能を損なうことなく除去
可能な第2の半導体からなるドット構造を形成する工程
と、前記半導体結晶上にドット構造をその頂部が露出す
る範囲で覆いながら前記第1の半導体からなる半導体膜
を形成する工程と、ドット構造をエッチングで取り除い
て半導体膜に孔を形成する工程と、孔を埋め込むように
第3の半導体からなる量子ドット構造を形成する工程を
含むことを特徴とする、半導体量子ドット素子の製造方
法。
1. A hole formed by etching a dot structure made of a second semiconductor having a lattice constant different from that of a first semiconductor formed in a semiconductor film made of a first semiconductor, and a hole formed by filling the hole. A method of manufacturing a semiconductor quantum dot device having a quantum dot structure made of a third semiconductor formed in the above, wherein a lattice constant of the semiconductor crystal made of the first semiconductor is different from that of the first semiconductor, and etching is performed. Forming a dot structure made of a second semiconductor that can be removed without impairing the structure and function of the crystal of the first semiconductor, and covering the dot structure on the semiconductor crystal in a range where the top is exposed. A step of forming a semiconductor film made of the first semiconductor, a step of removing a dot structure by etching to form a hole in the semiconductor film, and filling the hole. Characterized in that it comprises a step of forming a quantum dot structure consisting of 3 of the semiconductor manufacturing method of a semiconductor quantum dot device.
【請求項2】 前記第2の半導体からなるドット構造の
エッチングを、前記第2の半導体が熱脱離する温度で保
持することによって行われる熱エッチングによるものと
することを特徴とする半導体量子ドット素子の製造方
法。
2. The semiconductor quantum dot according to claim 1, wherein the etching of the dot structure made of the second semiconductor is performed by thermal etching performed by holding the second semiconductor at a temperature at which the second semiconductor thermally desorbs. Device manufacturing method.
【請求項3】 前記第1の半導体、前記第2の半導体、
前記第3の半導体がIII-V族化合物半導体であることを
特徴とする半導体量子ドット素子の製造方法。
3. The first semiconductor, the second semiconductor,
A method for manufacturing a semiconductor quantum dot device, wherein the third semiconductor is a III-V compound semiconductor.
【請求項4】 前記第1の半導体がAlxGa1-xAs(0≦
x≦1)であり、前記第2の半導体がInAs、第3の半
導体がInyGa1-yAs(0<y<1)であることを特徴と
する半導体量子ドット素子の製造方法。
4. The method according to claim 1, wherein the first semiconductor is Al x Ga 1 -x As (0 ≦
x ≦ 1), wherein the second semiconductor is InAs, and the third semiconductor is In y Ga 1−y As (0 <y <1).
【請求項5】 前記第2の半導体がInPであることを
特徴とする半導体量子ドット素子の製造方法。
5. A method for manufacturing a semiconductor quantum dot device, wherein said second semiconductor is InP.
【請求項6】 前記各工程の組み合わせを複数回繰り返
すことで前記量子ドット構造を多層化することを特徴と
する請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の半導体量
子ドット素子の製造方法。
6. The method for manufacturing a semiconductor quantum dot device according to claim 1, wherein the quantum dot structure is multi-layered by repeating a combination of the respective steps a plurality of times.
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JPS5991535A (en) * 1982-11-16 1984-05-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd Setting switch of digital code
JP5023419B2 (en) * 2001-07-10 2012-09-12 日本電気株式会社 Semiconductor quantum dot device
KR100540548B1 (en) * 2002-12-10 2006-01-11 엘지이노텍 주식회사 Quantum dot light emitting device and its manufacturing method
JP4829508B2 (en) * 2005-02-18 2011-12-07 富士通株式会社 Manufacturing method of optical semiconductor device
JP2006278860A (en) * 2005-03-30 2006-10-12 Advanced Telecommunication Research Institute International Semiconductor light emitting device, manufacturing method thereof, and semiconductor laser gyro using the semiconductor light emitting device
JP2006278850A (en) * 2005-03-30 2006-10-12 Advanced Telecommunication Research Institute International Semiconductor light emitting device, manufacturing method thereof, and semiconductor laser gyro using the semiconductor light emitting device
JP4750728B2 (en) * 2007-02-09 2011-08-17 富士通株式会社 Manufacturing method of semiconductor device
GB2480265B (en) 2010-05-10 2013-10-02 Toshiba Res Europ Ltd A semiconductor device and a method of fabricating a semiconductor device
CN102801108B (en) * 2012-08-03 2015-06-24 西安立芯光电科技有限公司 Multi-quantum-well semiconductor laser and preparation method thereof
JP2014209609A (en) * 2013-03-26 2014-11-06 京セラ株式会社 Semiconductor laser

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