JPH0219823A - Superlattice optical semiconductor device - Google Patents
Superlattice optical semiconductor deviceInfo
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- JPH0219823A JPH0219823A JP16952088A JP16952088A JPH0219823A JP H0219823 A JPH0219823 A JP H0219823A JP 16952088 A JP16952088 A JP 16952088A JP 16952088 A JP16952088 A JP 16952088A JP H0219823 A JPH0219823 A JP H0219823A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】
[概要〕
超格子を用いた超格子光半導体装置に間し、混晶物質を
超格子構造の井戸層として用い、かつ応答の高い光半導
体装置を提供することを目的とし、
複数の半導体物質を整数比で含む3元以上の混晶材料で
形成される井戸層を含む超格子構造を有し、
該井戸層の各層が単一種の原子からなる単原子層の積層
構造で形成されるように構成する6[産業上の利用分野
]
本発明は光半導体装置に関し、特に超格子を用いた超格
子光半導体装置に関する。[Detailed Description of the Invention] [Summary] An object of the present invention is to provide a superlattice optical semiconductor device using a superlattice structure, using a mixed crystal material as a well layer of the superlattice structure, and having high response. and has a superlattice structure including a well layer formed of a ternary or more mixed crystal material containing a plurality of semiconductor substances in an integral ratio, and each layer of the well layer is a stack of monoatomic layers consisting of atoms of a single species. 6 [Industrial Application Field] The present invention relates to an optical semiconductor device, and particularly to a superlattice optical semiconductor device using a superlattice.
[従来の技術]
マルチ量子井戸を形成する超格子構造を用いな光半導体
装置として、第7図に示すような光変調装置が提案され
ている。[Prior Art] An optical modulation device as shown in FIG. 7 has been proposed as an optical semiconductor device using a superlattice structure forming multi-quantum wells.
P型頭域51とn型領域52との間に超格子構造53が
挾まれている。p型頭域51、n型印域52の上には、
電極57.58が形成され、変調器59を介して逆バイ
アス電源60に接続されている。入射光は超格子構造5
3の一端に入射し、変調器59によって逆バイアスを変
調された超格子構造53によって光吸収変調を受ける。A superlattice structure 53 is sandwiched between the P-type head region 51 and the n-type region 52. Above the p-type head area 51 and the n-type mark area 52,
Electrodes 57 , 58 are formed and connected via a modulator 59 to a reverse bias power supply 60 . The incident light has a superlattice structure 5
3 and receives light absorption modulation by the superlattice structure 53 whose reverse bias is modulated by the modulator 59.
超格子構造53内は、禁止帯幅の異なる2種類の半導体
が交互に積層しており、第8図(A)に示すような井戸
形ポテンシャルを形成している。Inside the superlattice structure 53, two types of semiconductors having different forbidden band widths are alternately stacked, forming a well-shaped potential as shown in FIG. 8(A).
ここで、禁止帯幅の広い方の半導体の層を障壁層B、禁
止帯幅の狭い方の半導体の層を井戸層Wと呼び、井戸層
の幅をLwと呼ぶ、キャリアは、障壁層B内にも僅かに
浸透するが、はとんど井戸層Wに閉じこめられる。井戸
層Wが十分広い場合は、キャリアの振舞いはバルクの状
態でのものとほとんど同じであるが、井戸層Wの幅Lw
を小さくしていくと、超格子構造独特の特性を示すよう
になる。すなわち、井戸層Wの幅Lwを100人程入定
まで小さくしていくと、井戸層W中の電子ないしホール
の第8図(A>中横方向の運動が制限され、そのエネル
ギ準位Ei、EJが量子化される。Here, the semiconductor layer with the wider forbidden band width is called the barrier layer B, the semiconductor layer with the narrower forbidden band width is called the well layer W, and the width of the well layer is called Lw. Although it slightly penetrates into the interior, it is mostly confined in the well layer W. When the well layer W is sufficiently wide, the behavior of carriers is almost the same as that in the bulk state, but the width Lw of the well layer W
As the size of the superlattice structure becomes smaller, it begins to exhibit characteristics unique to the superlattice structure. That is, when the width Lw of the well layer W is reduced to about 100, the lateral movement of electrons or holes in the well layer W is restricted, and the energy level Ei, EJ is quantized.
量子化エネルギ単位は井戸層Wの幅Lwに依存して変化
する。The quantization energy unit changes depending on the width Lw of the well layer W.
電子の波動関数とホールの波動間数とが重なりを持ち、
クーロン力で引き合う場合、励起子を形成できる。超格
子の井戸層中に電子とホールとが存在すると、これらは
層の厚さ方向の運動が制限され、波動関数が厚さ方向で
圧縮される。このため強いクーロン引力が働いて束縛エ
ネルギが増加し、室温においても安定に励起子が存在で
きる。The wave function of the electron and the wave number of the hole overlap,
When attracted by Coulomb force, excitons can be formed. When electrons and holes exist in the well layer of the superlattice, their movement in the thickness direction of the layer is restricted, and the wave function is compressed in the thickness direction. For this reason, a strong Coulomb attraction acts, increasing the binding energy and allowing excitons to exist stably even at room temperature.
第10図中の実線は、超格子構造による光吸収スペクト
ルを示す、明瞭な励起子吸収ピークが観測される。The solid line in FIG. 10 shows a clear exciton absorption peak, which indicates the light absorption spectrum due to the superlattice structure.
第7図の構造に逆バイアスを加えると、超格子の井戸形
ポテンシャルは電界によって第8図(B)のようになる
、このとき井戸の底に形成される三角形のポテンシャル
によって量子化されたエネルギ単位は井戸の一端から他
端に向かって低下する。When a reverse bias is applied to the structure shown in Figure 7, the well-shaped potential of the superlattice becomes as shown in Figure 8 (B) due to the electric field.At this time, the energy is quantized by the triangular potential formed at the bottom of the well. The units decrease from one end of the well to the other.
図中、電子にとっては井戸の右側が低エネルギであり、
ホールにとっては井戸の左側が低エネルギとなる。従っ
て電界は電子ホール対を分離する方向に働くが、障壁層
Bのポテンシャル障壁によって電子、ホールともに井戸
層W内に閉じこめられているので、高電界下においても
励起子は存在する。電界印加時の光吸収スペクトルは第
10図の破線のようになる。励起子吸収ピークはその高
さが低くなり、そのエネルギ位置が低エネルギ側(長波
長側)に数+leVシフトしている。ピーク高の低減は
、電界による電子ホール対の井戸層W内での相対的分離
を表し、ピークエネルギ位置の低減は井戸層W内の電界
エネルギを表すと考えられる。In the figure, for electrons, the right side of the well has low energy;
For Hall, the left side of the well has low energy. Therefore, the electric field acts in a direction to separate the electron-hole pairs, but since both electrons and holes are confined within the well layer W by the potential barrier of the barrier layer B, excitons exist even under a high electric field. The optical absorption spectrum when an electric field is applied is as shown by the broken line in FIG. The height of the exciton absorption peak is lowered, and its energy position is shifted several + leV toward the lower energy side (longer wavelength side). It is considered that the reduction in peak height represents the relative separation of electron-hole pairs within the well layer W due to the electric field, and the reduction in the peak energy position represents the electric field energy within the well layer W.
第10図に示されるように、超格子構造を用いれば、あ
る波長での吸収係数を電界によって大きく変化させるこ
とが可能である。また、誘電率の実数部と虚数部とはク
ラマース・クローニッヒの関係を有することが知られて
いるが、吸収ピークの周囲の波長領域における屈折率も
電界に敏感に変化する。バルクの場合、屈折率の電界に
よる変化はなかだな0.01%程度である場合が多いが
超格子の場合1%程度の屈折率変化も可能である。As shown in FIG. 10, by using a superlattice structure, it is possible to greatly change the absorption coefficient at a certain wavelength depending on the electric field. Further, although it is known that the real part and imaginary part of the dielectric constant have a Kramers-Kronig relationship, the refractive index in the wavelength region around the absorption peak also changes sensitively to the electric field. In the case of a bulk, the change in refractive index due to an electric field is often about 0.01%, but in the case of a superlattice, a change in refractive index of about 1% is possible.
以上の効果を利用すれば高性能の光強度変調装置、光位
相変調装置、光スィッチ等の装置を作製可能であり、研
究が進められている。By utilizing the above effects, it is possible to produce devices such as high-performance optical intensity modulators, optical phase modulators, and optical switches, and research is currently underway.
1μm帯(1,3μm、1.5μm等1μm台の波長を
表す)の光通信用変調器として第7図の構成においてI
nPを障壁層、InO,53GaO,47Asの混晶層
を井戸層とする超格子構造が利用されている。In the configuration shown in Fig. 7, I
A superlattice structure is used in which nP is used as a barrier layer and mixed crystal layers of InO, 53GaO, and 47As are used as well layers.
I n o、 s3G a o、 47A Sの混晶層
の構成を模式的に第9図に示す0図中、三角の印がAs
原子を表し、丸の印がGa原子を表し、四角の印がIn
原子を表す、上から2列目、4列目はAs原子のみが並
んだAs原子層である。第1列目、第3列目、第5列目
はGa原子とIn原子とが0.47対0゜53になる比
率でランダムに分布した混合層である。In Figure 9, which schematically shows the structure of the mixed crystal layer of Ino, s3Gao, and 47A S, the triangular marks indicate As.
The circles represent Ga atoms, and the squares represent In
The second and fourth columns from the top, which represent atoms, are As atomic layers in which only As atoms are arranged. The first, third, and fifth columns are mixed layers in which Ga atoms and In atoms are randomly distributed at a ratio of 0.47 to 0.53.
第11図に励起子吸収ピークの形状を示す、吸収ピーク
の形状はガウス分布で表せる。吸収に関係する振動子強
度が一定とすると、1つの吸収ピークについて、(ピー
ク高)×(半値幅)は一定となる。従って、半値幅が狭
いほど、吸収ピークは鋭くなる。電界の印加による吸収
係数の変化を光通信に利用する場合、半値幅が狭く、吸
収ピークが鋭いほど大きな変化量が得られ、高性能な装
置が得られる。The shape of the exciton absorption peak is shown in FIG. 11, and the shape of the absorption peak can be expressed by a Gaussian distribution. If the oscillator strength related to absorption is constant, (peak height)×(half width) is constant for one absorption peak. Therefore, the narrower the half width, the sharper the absorption peak. When a change in absorption coefficient due to the application of an electric field is used in optical communication, the narrower the half-value width and the sharper the absorption peak, the larger the amount of change can be obtained, and the higher the performance of the device.
第12図はI n o、 53G a o、 47A
S超格子構造の4.2°Kにおける励起子発光ピークの
半値幅を超格子の井戸層の幅Lwに対してプロットした
ものである。井戸層の幅Lwが約2000人ある場合、
井戸層内の条件はほぼバルクと同じと考えられる。井戸
層の幅Lwが約100人よりも小さくなると半値幅は増
加していく、この増加は製造1避は龍い超格子構造各層
の表面の凹凸、すなわち局所的な原子層の有無、が井戸
層の厚さの減少と共に相対的に票著な影響を及ぼすよう
になるためと考えられる。Figure 12 is I no, 53G ao, 47A
The half width of the exciton emission peak at 4.2°K of the S superlattice structure is plotted against the width Lw of the well layer of the superlattice. If the width Lw of the well layer is about 2000 people,
The conditions within the well layer are considered to be almost the same as those in the bulk. When the width Lw of the well layer becomes smaller than about 100 nm, the half-width increases.This increase is caused by the manufacturing process.The unevenness of the surface of each layer of the superlattice structure, that is, the presence or absence of local atomic layers, increases the well width. This is thought to be because the effect becomes relatively more significant as the layer thickness decreases.
[発明が解決しようとする課題]
I n o、 53G a o、 47A S混晶層を
井戸層とする超格子構造の発光ピークの第12図に示す
半値幅の最小値は約3meVである。GaAsを井戸層
とする超格子の場合、励起子発光ピークの半値幅が約1
meVであるのと比べると、非常に大きい。[Problems to be Solved by the Invention] The minimum value of the half-value width shown in FIG. 12 of the emission peak of a superlattice structure having an Ino, 53Gao, 47A S mixed crystal layer as a well layer is about 3 meV. In the case of a superlattice with GaAs as a well layer, the half-width of the exciton emission peak is approximately 1
This is very large compared to meV.
半値幅が大きいことは光半導体装置の応答が低いことに
つながる。A large half-value width leads to a low response of the optical semiconductor device.
本発明の目的は3元以上の混晶材料を井戸層として用い
、かつ応答の高い光半導体装置を提供することである。An object of the present invention is to provide an optical semiconductor device that uses a ternary or more mixed crystal material as a well layer and has a high response.
[従来技術に対する検討]
超格子構造の井戸層の厚さが数分子層である場合、井戸
層−障壁層界面の凹凸(完全な単分子層ではないことに
よる乱れ、または井戸層の厚さの乱れ)は量子単位を大
きく変化させる。変化の幅は井戸層の幅Lwが狭いほど
大きくなる。井戸層の幅Lwが約80人位に増加すると
変化は緩やかになり、約200人ではほとんど一定値に
なっている。[Consideration of the prior art] When the thickness of the well layer of a superlattice structure is several molecular layers, the unevenness of the well layer-barrier layer interface (disturbance due to not being a perfect monomolecular layer, or the thickness of the well layer) (disturbance) causes a large change in the quantum unit. The width of the change becomes larger as the width Lw of the well layer becomes narrower. When the width Lw of the well layer increases to about 80 people, the change becomes gradual, and at about 200 people it becomes almost constant.
量子井戸効果がほとんど無視できるLw= 2000人
のサンプルについても井戸層がらの発光ピークの半値幅
は約31eVある。この拡がりは結晶格子の中で■族原
子が占める副格子点上での組成の不確定性によるものと
考えられる。全体としてはIn原子とGa原子とは0.
53対0.47の比で分布しているが、各■族副格子点
上にはInが来るかGaが来るか定まっておらず、局所
的にミクロに見た時組成は空間的にゆらいでいる。この
ような局所的組成の不確定性ないし、ゆらぎによる変化
を混晶効果と呼ぶ。Even for a sample of Lw = 2000 people, in which the quantum well effect is almost negligible, the half width of the emission peak from the well layer is about 31 eV. This spread is considered to be due to the uncertainty in the composition on the sublattice points occupied by group II atoms in the crystal lattice. Overall, In atoms and Ga atoms are 0.
Although it is distributed at a ratio of 53 to 0.47, it is not determined whether In or Ga is present on each group II sublattice point, and when viewed locally on a microscopic scale, the composition varies spatially. I'm here. Such local compositional uncertainties or changes due to fluctuations are called mixed crystal effects.
混晶効果を減するなめには局所的な組成のゆらぎを減じ
ればよい。One way to reduce the mixed crystal effect is to reduce local compositional fluctuations.
[課題を解決するための手段]
第1図(A)、(B)を参照して、超格子構造3の井戸
層Wを複数の半導体物質M、、M、を整数比で含む3元
以上の混晶材料で形成し、各井戸層Wを単一種の原子か
らなる単原子層a L + a 2 +a3の積層構造
で形成する。[Means for Solving the Problems] Referring to FIGS. 1A and 1B, the well layer W of the superlattice structure 3 is made of a ternary or more elemental material containing a plurality of semiconductor materials M, , M, in an integer ratio. Each well layer W is formed with a laminated structure of monoatomic layers a L + a 2 + a3 made of atoms of a single species.
[作用]
混晶組成の物質を用いつつ、混晶効果を低減するには、
原子ないし分子を規則的に配列すればよい。[Effect] In order to reduce the mixed crystal effect while using a substance with a mixed crystal composition,
Atoms or molecules may be arranged regularly.
超格子構造の各層が単一種の原子からなる単原子層の積
層で構成されるので、混晶効果が防止でき、光半導体装
置の応答を高くすることができる。Since each layer of the superlattice structure is composed of a stack of monoatomic layers made of atoms of a single type, mixed crystal effects can be prevented and the response of the optical semiconductor device can be increased.
[実施例]
第1図(A)、(B)に本発明の実施例による超格子光
半導体装置を示す、第1図(B)において、従来技術同
様、p型領域1とn型領域2との間に超格子構造3が挾
まれている。p型領域1、n型領域2の上には、電極7
.8が形成され、変調器9を介して逆バイアス電源1o
に接続されている。入射光は超格子構造3の一端に入射
し、変調器9によって逆バイアスを変調された超格子構
造3によって変調をうける。超格子構造3内には、禁止
帯幅の異なる2種類の半導体が交互に積層しており、第
8図(A>に示すような井戸形ポテンシャルを形成して
いる。禁止帯幅の広い方の半導体の層を障壁層B、禁止
帯幅の狭い方の半導体の層を井戸層Wと呼び、井戸層の
幅をLwと呼ぶ。[Example] FIGS. 1A and 1B show a superlattice optical semiconductor device according to an example of the present invention. In FIG. 1B, as in the prior art, a p-type region 1 and an n-type region 2 A superlattice structure 3 is sandwiched between. An electrode 7 is provided on the p-type region 1 and the n-type region 2.
.. 8 is formed, and a reverse bias power source 1o is connected via a modulator 9.
It is connected to the. The incident light enters one end of the superlattice structure 3 and is modulated by the superlattice structure 3 whose reverse bias is modulated by the modulator 9 . In the superlattice structure 3, two types of semiconductors with different forbidden band widths are stacked alternately, forming a well-shaped potential as shown in FIG. 8 (A>.The one with the wider forbidden band width The semiconductor layer having the narrower forbidden band width is called the barrier layer B, the semiconductor layer with the narrower forbidden band width is called the well layer W, and the width of the well layer is called Lw.
井戸層内の原子の配列は第1図(A)のように配列され
ている。すなわち上から第1の原子のみからなる単原子
層a1、第2の原子のみからなる単原子層a2が積層し
て、第1の単分子層M1が形成され、次に第3の原子の
みからなる単原子層a3と第2の原子のみからなる単原
子71fazが積層して第2の単分子層M2が形成され
ている。2つの単分子層M1、M2が繰り返し単位とな
って所望の厚さ積層している。The atoms in the well layer are arranged as shown in FIG. 1(A). That is, from above, a monoatomic layer a1 consisting only of first atoms, a monoatomic layer a2 consisting only of second atoms are stacked to form a first monolayer M1, and then a monoatomic layer a1 consisting only of third atoms is laminated. The second monolayer M2 is formed by stacking the monoatomic layer a3 consisting of the monoatomic layer a3 and the monoatomic layer 71faz consisting only of the second atoms. The two monomolecular layers M1 and M2 form a repeating unit and are laminated to a desired thickness.
単一種の原子からなる単原子層ないしそれらの積層であ
る単分子層が規則的に積み重ねられているので、不確定
性ないしゆらぎを伴わずに混晶としての性質を実現でき
る。Since monoatomic layers consisting of a single type of atoms or monomolecular layers, which are stacked layers thereof, are stacked regularly, properties as a mixed crystal can be realized without uncertainty or fluctuation.
このような混晶を実現するのは、複数の純粋物質が簡単
な整数比(たとえばl:工ないし2:1ンで含まれる場
合が適している。To realize such a mixed crystal, it is appropriate to include a plurality of pure substances in a simple integer ratio (for example, 1:1 to 2:1).
超格子では井戸層の構成物質の組成のほか、井戸層の厚
さ、障壁層の物質、厚さ等によっても量子準位を制御で
きるので、限られた組成比でも種々の量子単位を得られ
、利用範囲は広い。In a superlattice, the quantum level can be controlled not only by the composition of the constituent materials of the well layer, but also by the thickness of the well layer, the material of the barrier layer, the thickness, etc., so various quantum units can be obtained even with a limited composition ratio. , has a wide range of uses.
また超格子構造の場合、多少格子定数の不整合があって
も、格子欠陥等を生じず、歪みを吸収できる。井戸層の
厚さは大きすぎると、電子と正孔とが必ずしも結合せず
、また電界印加時には分離してしまう、また井戸層の厚
さが小さすぎると吸収ピークの半値幅が大きくなり過ぎ
る。吸収を用いた変調装置の場合、井戸層の厚さは80
〜2゜O人泣が適当であろう。In addition, in the case of a superlattice structure, even if there is some mismatch in lattice constants, strain can be absorbed without producing lattice defects. If the thickness of the well layer is too large, electrons and holes will not necessarily combine and will separate when an electric field is applied, and if the thickness of the well layer is too small, the half width of the absorption peak will become too large. In the case of a modulator using absorption, the thickness of the well layer is 80
~2°C crying would be appropriate.
In Ga Asで井戸層W、InPで障0.
5 0.5
壁層Bを作る場合、井戸層WはInの単原子層、Asの
単原子層、Gaの単原子層、Asの単原子層を順次かつ
繰り返し成長することによって形成する。これは、In
As単分子層とGaAs単分子層とを順次かつ繰り返し
成長することと同等である。このように構成したI n
o、 s G a o、 s A sの井戸層Wは■
族原子も周期的、規則的に配列され、組成の局所的ゆら
ぎによる混晶効果がない。The well layer W is made of InGaAs, and the barrier layer is made of InP.
5 0.5 When forming the wall layer B, the well layer W is formed by sequentially and repeatedly growing a monoatomic layer of In, a monoatomic layer of As, a monoatomic layer of Ga, and a monoatomic layer of As. This is In
This is equivalent to sequentially and repeatedly growing an As monomolecular layer and a GaAs monomolecular layer. I n configured in this way
The well layer W of o, s G a o, s A s is ■
The group atoms are also arranged periodically and regularly, and there is no mixed crystal effect due to local fluctuations in the composition.
その規則性のため量子準位の空間的ゆらぎは生じず、励
起子ピークの半値幅は1 leV以下にでき、非常に鋭
いピークを得ることができる。Due to its regularity, spatial fluctuations of quantum levels do not occur, and the half-width of the exciton peak can be reduced to 1 leV or less, making it possible to obtain a very sharp peak.
上述のような単原子層又は単分子層の成長は原子層エピ
タキシによって好適に実施できる。Monoatomic or monolayer growth as described above can be suitably carried out by atomic layer epitaxy.
第2図は分子線エピタキシ装置を示す、真空槽重2内は
10 ” Torr又はそれ以上の超高真空に保たれる
。蒸発源13.14.15から分子線(原子線)が発生
し、シャッタ16.17.18を介して基板19上に向
けられている。たとえば蒸発源13.14、−15から
I n、Ga、Asの蒸気が発生する。蒸気源のうち1
つを選び対応するシャッタを開けて単分子(原子)Nを
成長する。Figure 2 shows a molecular beam epitaxy apparatus. The interior of the vacuum chamber 2 is kept at an ultra-high vacuum of 10" Torr or more. Molecular beams (atomic beams) are generated from the evaporation source 13.14.15. It is directed onto the substrate 19 through shutters 16, 17, and 18. For example, In, Ga, and As vapors are generated from evaporation sources 13.14, -15. One of the vapor sources
Select one and open the corresponding shutter to grow a single molecule (atom) N.
単分子層の制御は、たとえばRHEED (高エネルギ
電子線回折)によるその場観察を用いて行う。The monomolecular layer is controlled using, for example, in-situ observation using RHEED (high energy electron diffraction).
電子銃21から高エネルギ(高速)電子線が発射され、
基板19に当って、反射し、螢光スクリーン23に当た
る、螢光スクリーンの裏側でレンズ24によって螢光ス
クリーン23からの発光を集め、光ファイバ25を通し
て受光器26で検出する4単原子層が丁度出来上がった
とき反射は最も強く、その上に核ないし島の成長が進む
につれ、表面が凹凸になるので反射電子線の強度は落ち
る。A high-energy (high-speed) electron beam is emitted from the electron gun 21,
Just four monoatomic layers strike the substrate 19, are reflected and hit the fluorescent screen 23, on the back side of the fluorescent screen the emission from the fluorescent screen 23 is collected by a lens 24 and detected by a receiver 26 through an optical fiber 25. When completed, the reflection is strongest, and as the nucleus or islands grow on top of it, the surface becomes uneven, and the intensity of the reflected electron beam decreases.
次の1層の成長がさらに進むと反射電子線強度は最低値
から増加し、最高値に向かう、単原子層の完成時に反射
電子線強度は再び最大値となる。この変化をその場モニ
タして、プロセス制御用のコンピュータ28を介してシ
ャッタ16.17.18を制御し、希望の順序で希望層
数の単原子層を成長する。As the growth of the next layer further progresses, the intensity of the reflected electron beam increases from the minimum value and reaches the maximum value, and when the monoatomic layer is completed, the intensity of the reflected electron beam reaches the maximum value again. This change is monitored on the spot, and the shutters 16, 17, 18 are controlled via the process control computer 28 to grow a desired number of monoatomic layers in a desired order.
第3図(A)はMOCVD (有機金属CVD)による
単分子(原子)層成長装置を示す。FIG. 3(A) shows a monomolecular (atomic) layer growth apparatus by MOCVD (metal organic CVD).
2つの原料ガス供給ダクト31.32から原料ガスを供
給する。たとえば水素で希釈したアルシンA s H3
および水素で希釈したトリメチルガリウム(TMG)を
供給する。2種類のガスが混じらないように中間部にも
う1つのガス供給口33を設け、水素ガスを流し、くさ
び35に当てて両原料ガスを分離するようにしている。Raw material gas is supplied from two raw material gas supply ducts 31 and 32. For example, arsine A s H3 diluted with hydrogen
and trimethyl gallium (TMG) diluted with hydrogen. In order to prevent the two types of gases from mixing, another gas supply port 33 is provided in the middle, and hydrogen gas is passed therethrough and applied to the wedge 35 to separate both raw material gases.
基板36を載せた支持具は回転可能であり、原料ガス供
給ダクト31.32の下で開口部を有するケース3フ内
に納められている。この回転ti構部を第3図(B)に
拡大して示す、基板が回転してアルシンガスをうける位
置に来ると、As層が1層成長する°6次にTMGガス
をうける位置に来ると、Ga層が1層成長する。このよ
うにして、As層とGa層とをIMづつ成長できる。■
族原子層のうえに■族原子層、V族原子層の上にV族原
子層は成長しにくいので条件を適当に設定することによ
って単原子層の成長が行える。The support carrying the substrate 36 is rotatable and housed in a case 3 having an opening below the source gas supply ducts 31, 32. This rotating Ti structure is shown in an enlarged view in Fig. 3 (B). When the substrate rotates and comes to the position where it receives arsine gas, one As layer grows. 6 Next, when it comes to the position where it receives TMG gas, , one Ga layer grows. In this way, the As layer and the Ga layer can be grown IM by IM. ■
Since it is difficult to grow a group (1) atomic layer on a group atomic layer and a group V atomic layer on a group V atomic layer, a monoatomic layer can be grown by appropriately setting conditions.
以下、他の実施例を説明する。Other embodiments will be described below.
第4図は、InGaAs/InPの超格子でマルチ量子
井戸(MQW>を形成した光変調器の断面図を示す、ガ
スソースMBE法により作製する。FIG. 4 shows a cross-sectional view of an optical modulator in which a multi-quantum well (MQW) is formed using an InGaAs/InP superlattice, which is manufactured by the gas source MBE method.
n型InP基板38上に約0.1.czm厚のn型In
Pバッファ層39を成長した後、50周期の■nGaA
s/InP超格子40を形成する。各層の厚さはともに
100人程入定する。その後、約3000人のn型In
P層41、約1μmのp型InP層42を一面に成長す
る。所望のパターンに整形し、誘電体膜で覆う、pn接
合に逆バイアスを加えることにより、超格子構造に電界
が加わり、吸収係数の大きな変化が生じる。Approximately 0.1. czm thick n-type In
After growing the P buffer layer 39, 50 cycles of nGaA
An s/InP superlattice 40 is formed. Each layer will be about 100 people thick. After that, about 3000 n-type In
A P layer 41 and a p-type InP layer 42 of approximately 1 μm are grown over one surface. By applying a reverse bias to the pn junction, which is shaped into a desired pattern and covered with a dielectric film, an electric field is applied to the superlattice structure, causing a large change in the absorption coefficient.
第5図は、DFB (分布帰還型)レーザと超格子光変
調装置をInP基板43上にモノリシックに形成した実
施例を示す、右側のDFBレーザ部44は液相成長法(
LPE)により成長した活性層71、ガイド層72、ク
ラッド層73、キャップ層74を使って作製する0次に
左側部分を選択的にエツチングした後、分子線エピタキ
シ(MBE)法により、I nGaAs/ I nA
I As 40層の超格子構造45を形成し、クラッド
7176、キャップ層77をその上に形成している。右
側のDFBレーザ44からの出射光は左側の超格子構造
45によって変調される。n側電極はたとえばAuGe
Ni、pHJ!It極はたとえばAuZnNtで作る。FIG. 5 shows an example in which a DFB (distributed feedback) laser and a superlattice optical modulator are monolithically formed on an InP substrate 43.
After selectively etching the left side of the 0th order fabricated using the active layer 71, guide layer 72, cladding layer 73, and cap layer 74 grown by LPE, InGaAs/ I nA
A superlattice structure 45 of 40 layers of IAs is formed, and a cladding 7176 and a cap layer 77 are formed thereon. The light emitted from the DFB laser 44 on the right side is modulated by the superlattice structure 45 on the left side. The n-side electrode is made of, for example, AuGe.
Ni, pHJ! The It pole is made of AuZnNt, for example.
第6図は、光スィッチを示す、X字形の部分は、G a
A s / A I A sの超格子構造47を選択
的にエツチングすることによって形成する。電界を印加
しない場合には導波路a4こ沿って光が伝播する。FIG. 6 shows an optical switch, where the X-shaped part is G a
A superlattice structure 47 of As/AIAs is formed by selectively etching. When no electric field is applied, light propagates along the waveguide a4.
電極48に電圧を印加することによって、その下の超格
子構造47に電界が印加され、大きな屈折率変化が起こ
る。すなわち、交差部分の電極48の下で屈折率が低下
し、全反射が起きて光はbに沿って伝播するようになる
。このように光スィッチとしての動作が可能である。By applying a voltage to the electrode 48, an electric field is applied to the underlying superlattice structure 47, causing a large refractive index change. That is, the refractive index decreases under the electrode 48 at the intersection, total reflection occurs, and the light propagates along the direction b. In this way, it can operate as an optical switch.
[発明の効果]
混晶の組成を有し、かつ混晶効果による応答の低化を防
止した高応答の光半導体装置が提供される。[Effects of the Invention] A high-response optical semiconductor device is provided that has a mixed crystal composition and prevents a decrease in response due to the mixed crystal effect.
第1図(A)、(B)は本発明の実施例による超格子光
半導体装置を示し、(A)は井戸層内の原子配列を示す
模式図、(B)は超格子光半導体装置の概略図、
第2図は分子線エピタキシ装置の概略図、第3図(Ah
(B)はMOCVD装置の概略図であり、(A>は
全体図、(B)は部分拡大図、第4図は本発明の他の実
施例による光変調装置の断面図、
第5図は本発明の他の実施例による光変調装置の断面図
、
第6図(A)、(B)は本発明の池の実施例による光ス
ィッチの斜視図と断面図、
第7図は従来技術による超格子光半導体装置の該略図、
第8図(A)、(B)は超格子内のバンドダイアダラム
であり、(A)は無電界時、(B)は電界印加時、
第9図は従来技術による混晶を示す模式図、第10図は
超格子の吸収スペクトルの例を示すグラフ、
第11図は吸収ピークの形状を示すグラフ、第12図は
超格子の発光ピーク半値幅の井戸層幅依存性を示すグラ
フである。
図において、
al 、
a 2、
単一種顕の原子からなる
単原子層
M1、M。
単分子層
超格子構造
゛二”Xシ′
(A)#休日
MOCVD裟置
癖 装 図
木、ろ66月つ−6とめ実施仔111−よ1九変調裟!
第4図
(A)
井戸層内の/!+配列
第
図
分子線型ご2176M日E)裟1
第2図
オーそ3月乃イ亡t)実方ヒ例1;よさ九変づ肌裟置第
5図
(A)
(B)
代で大廃夕1国よ偽光スィッチ
第 6rXJ
従棗4支#ハ;よる起格千九半導体裟!第7図
イ廷束技術のシ毘品
第9図
液長
超格子の吸収スペクトル
第10図
エネルえ゛
吸収ご−クの形状
第11図
升戸層/1輻龜;よ】発光ビーク半4直輻の麦化第12
図1(A) and (B) show a superlattice optical semiconductor device according to an embodiment of the present invention, (A) is a schematic diagram showing the atomic arrangement in the well layer, and (B) is a schematic diagram of the superlattice optical semiconductor device. Schematic diagram, Figure 2 is a schematic diagram of the molecular beam epitaxy apparatus, Figure 3 (Ah
(B) is a schematic diagram of the MOCVD device, (A> is an overall view, (B) is a partially enlarged view, FIG. 4 is a cross-sectional view of an optical modulation device according to another embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a schematic diagram of an MOCVD device. 6(A) and 6(B) are perspective views and sectional views of an optical switch according to an embodiment of the present invention; FIG. 7 is a prior art The schematic diagram of the superlattice optical semiconductor device, FIGS. 8(A) and (B) are the band diagrams in the superlattice, (A) is when no electric field is applied, (B) is when an electric field is applied, and FIG. 9 is A schematic diagram showing a mixed crystal according to the prior art, Fig. 10 is a graph showing an example of the absorption spectrum of a superlattice, Fig. 11 is a graph showing the shape of the absorption peak, and Fig. 12 is a well of the half width of the emission peak of the superlattice. It is a graph showing layer width dependence. In the figure, al, a2, monoatomic layers M1 and M consisting of atoms of a single species. Monolayer superlattice structure ゛2" Illustrated by Tsuki, 6th June, 6th month, 111th child, 19th change!
Figure 4 (A) /! in the well layer. +Sequence Diagram Molecular Linear Figure 2176M day Abandoned 1st country, fake light switch No. 6r Fig. 7 A photo of the binding technology Fig. 9 Absorption spectrum of liquid long superlattice Fig. 10 Shape of energy absorption peak Fig. 11 Masuto layer/1 angle; Direct radiation malification No. 12
figure
Claims (2)
晶材料で形成される井戸層(W)を含む超格子構造を有
し、 該井戸層(W)の各層が、単一種の原子からなる単原子
層(a_1、a_2、a_3)の積層構造で形成される
ことを特徴とする超格子光半導体装置。(1) It has a superlattice structure including a well layer (W) formed of a ternary or more mixed crystal material containing a plurality of semiconductor substances in an integral ratio, and each layer of the well layer (W) is formed of a single species. A superlattice optical semiconductor device characterized in that it is formed in a stacked structure of monoatomic layers (a_1, a_2, a_3) consisting of atoms.
帯幅の狭い3元以上の混晶半導体の井戸層(W)とから
なる超格子構造(3)を含む超格子光半導体装置であつ
て、 該井戸層(W)の各層が2種類の半導体物質の単分子層
(M_1、M_2)の交互積層で形成され、 超格子構造に選択的に電界を印加する手段(9、10)
を備えることを特徴とする超格子光半導体装置。(2) Superlattice light including a superlattice structure (3) consisting of a semiconductor barrier layer (B) with a wide forbidden band width and a well layer (W) of a ternary or higher mixed crystal semiconductor with a narrow bandgap width A semiconductor device, wherein each layer of the well layer (W) is formed by alternately stacking monomolecular layers (M_1, M_2) of two types of semiconductor materials, and means (9) for selectively applying an electric field to the superlattice structure. , 10)
A superlattice optical semiconductor device comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16952088A JPH0219823A (en) | 1988-07-07 | 1988-07-07 | Superlattice optical semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16952088A JPH0219823A (en) | 1988-07-07 | 1988-07-07 | Superlattice optical semiconductor device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0219823A true JPH0219823A (en) | 1990-01-23 |
Family
ID=15888028
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP16952088A Pending JPH0219823A (en) | 1988-07-07 | 1988-07-07 | Superlattice optical semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0219823A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0250124A (en) * | 1988-08-12 | 1990-02-20 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Optical modulator |
-
1988
- 1988-07-07 JP JP16952088A patent/JPH0219823A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0250124A (en) * | 1988-08-12 | 1990-02-20 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Optical modulator |
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