JPH0812928B2 - Semiconductor modulation doped structure - Google Patents
Semiconductor modulation doped structureInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体変調ドープ構造に関するものである。Description: FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to semiconductor modulation doped structures.
半導体を多層積層した多層積層構造の特定の層のみに
不純物をドープする変調ドーピングは、高電子移動度ト
ランジスタ(HEMT)などの超高速動作を目的とする電子
デバイスや、多重量子井戸(MQW)半導体レーザーにお
いて超低しきい値,超高速変調を実現するために考えら
れたものであるが、デバイス作製時における高温プロセ
ス中においてヘテロ接合界面を通しての不純物の拡散が
問題となっていた。Modulation doping, in which impurities are doped only in specific layers of a multi-layered structure in which semiconductors are multi-layered, is used for electronic devices such as high electron mobility transistors (HEMT) for ultra-high speed operation, and multiple quantum well (MQW) semiconductors. This was conceived in order to realize ultra-low threshold and ultra-high-speed modulation in the laser, but the diffusion of impurities through the heterojunction interface was a problem during the high temperature process during device fabrication.
従来例の変調ドーピングでは、HEMTにおいてはn型ド
ーパントとしてSiなどが用いられていた。一方、MQW半
導体レーザーの活性層における変調ドーピングにおいて
は、p型のドーパントとして一般的に用いられているZn
は拡散定数が非常に大きく、600℃以上の高温において
は容易に拡散してしまい、変調ドーピング構造を作製す
ることは困難であった。また、Cd,Beなどは比較的拡散
定数が小さいp型ドーパントであり、分子線エピタキシ
ー(MBE)成長によるAlGaAs系材料においては日立製作
所の魚見らにより試作が行われている(魚見,応用物
理,Vol.57,No.5,p.708(1988))が、その強い毒性のた
めにこれらは安全性において問題が残されている。In the modulation doping of the conventional example, Si or the like was used as the n-type dopant in HEMT. On the other hand, Zn which is generally used as a p-type dopant in the modulation doping in the active layer of the MQW semiconductor laser.
Has a very large diffusion constant and easily diffuses at a high temperature of 600 ° C. or higher, making it difficult to fabricate a modulation doping structure. Cd and Be are p-type dopants with relatively small diffusion constants, and AlGaAs-based materials grown by molecular beam epitaxy (MBE) have been prototyped by Uomi, Hitachi, Ltd. (Uomi, Applied Physics, Applied Physics, Vol.57, No.5, p.708 (1988)), but due to their strong toxicity, these remain a problem in safety.
以上に述べた従来技術においては、特にp型の良好な
(つまり不純物濃度がヘテロ接合界面で急峻に変化す
る)変調ドーピング構造を安全に作製する方法がなかっ
た。In the above-mentioned conventional techniques, there is no method for safely producing a particularly favorable p-type modulation doping structure (that is, the impurity concentration sharply changes at the heterojunction interface).
本発明の目的はこのような従来技術の欠点を除去せし
めて、MQW半導体レーザーなどの光デバイスを初めとす
る様々な半導体デバイスに応用することを目的とした半
導体変調ドープ構造を提供することにある。An object of the present invention is to eliminate such drawbacks of the prior art and provide a semiconductor modulation doped structure intended for application to various semiconductor devices including optical devices such as MQW semiconductor lasers. .
本発明による半導体変調ドープ構造は、不純物をドー
プした不純物ドープ層とこの不純物ドープ層に隣接する
半導体層との間に前記不純物ドープ層と組成の異なるノ
ンドープのスペーサ層が少なくとも一層形成されている
ことを特徴とする構成になっている。In the semiconductor modulation-doped structure according to the present invention, at least one non-doped spacer layer having a composition different from that of the impurity-doped layer is formed between the impurity-doped layer and a semiconductor layer adjacent to the impurity-doped layer. It is characterized by.
本発明においては、互いに拡散定数の異なる半導体材
料のヘテロ界面において不純物の拡散が妨げられる現象
を利用して、この様な拡散定数の異なる材料からなるス
ペーサ層を変調ドーピング構造を形成すべきヘテロ界面
に設けることによって、変調ドーピング層(不純物ドー
プ層)の不純物原子がヘテロ界面を通して隣のノンドー
プ層に拡散することを抑えようとするものである。ただ
しこの場合、前記スペーサ層の全体の厚さは、電子およ
びホールがこのスペーサ層をトンネル効果によって通過
できる程度に薄く(電子およびホールの半導体中でのド
・ブロイ波長の百A程度以下の厚さ)する必要がある。
こうすることによって、電子およびホールは容易にこの
スペーサ層を通過してノン・ドープ層にキャリアを供給
できるが、不純物ドープ層の不純物原子はこのスペーサ
層によってノン・ドープ層への拡散を妨げられ、良好な
変調ドーピング構造を作製することができる。In the present invention, by utilizing the phenomenon that the diffusion of impurities is hindered at the hetero interfaces of semiconductor materials having different diffusion constants, a spacer layer made of such materials having different diffusion constants is used to form a modulation doping structure. This is to prevent the impurity atoms of the modulation doping layer (impurity-doped layer) from diffusing to the adjacent non-doped layer through the hetero interface. However, in this case, the total thickness of the spacer layer is so thin that electrons and holes can pass through the spacer layer by the tunnel effect (thickness of about 100 A or less of de Broglie wavelength in the semiconductor of electrons and holes). It is necessary to do.
By doing so, electrons and holes can easily pass through the spacer layer to supply carriers to the non-doped layer, but the impurity atoms of the impurity-doped layer are prevented from diffusing into the non-doped layer by the spacer layer. A good modulation doping structure can be manufactured.
第2図ではInGaAsP層21とInGaAs層22から成る半導体
のヘテロ界面において、シングルヘテロ接合における場
合(第2図(a))と接合界面に拡散定数の異なる2種
類の材料(こと場合はInPとInGaAs)の薄膜を1層ずつ
挿入してスペーサ層としたもの(第2図(b))につい
てZn不純物の拡散の様子を同一の拡散条件で比較したも
のである。この図から分るように接合界面より0.1μm
の深さにおいて、シングルヘテロ接合の場合は1018cm-3
のZn濃度であるのに対して、InP層23とInGaAs層22aとか
らなるスペーサ層を挟んだ場合では1桁小さい1017cm-3
の濃度になっている。InGaAsはInPに比べて拡散速度が
小さく、InGaAs層22aを拡散したZnは次のInP層23に入る
際にその濃度が大幅に小さくなる。この様に拡散定数の
異なる材料をヘテロ界面に挟むことによって、不純物原
子の拡散を大幅に制御できることが分る。ただしスペー
サ層としてInGaAsを挟む場合、このInGaAs層22a内での
量子準位がInGaAs層22のそれよりも大きくなければなら
ず、従ってInGaAs層22よりも十分薄い必要がある。In FIG. 2, at the hetero interface of the semiconductor composed of the InGaAsP layer 21 and the InGaAs layer 22, two kinds of materials having different diffusion constants (in that case, InP and InP This is a comparison of Zn impurity diffusion states under the same diffusion conditions for a spacer layer in which one thin film of InGaAs) is inserted one by one (FIG. 2 (b)). As can be seen from this figure, 0.1 μm from the bonding interface
At a depth of 10 18 cm -3 for a single heterojunction
The Zn concentration is 10 17 cm -3, which is one digit smaller when the spacer layer composed of the InP layer 23 and the InGaAs layer 22a is sandwiched.
The concentration is. InGaAs has a smaller diffusion rate than InP, and the concentration of Zn diffused in the InGaAs layer 22a becomes significantly smaller when it enters the next InP layer 23. It can be seen that the diffusion of impurity atoms can be significantly controlled by sandwiching materials having different diffusion constants between the hetero interfaces. However, when InGaAs is sandwiched as a spacer layer, the quantum level in this InGaAs layer 22a must be higher than that of the InGaAs layer 22, and therefore it must be sufficiently thinner than the InGaAs layer 22.
次に第1図を参考にして本発明の実施例について説明
する。Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
ここでは本発明をInGaAsP/InP系1.55μmMQW半導体レ
ーザーに応用して、変調ドーピング構造の活性層を有す
るMQW半導体レーザーを試作し、その特性の評価を行っ
た。第1図は実施例としての変調ドープMQW半導体レー
ザーの活性層バンド構造の一部分の概略を示したもので
ある。MQW活性層は減圧MOVPE法によって作製し、ウェル
層11はノン・ドープInGaAs(厚さ75Å),バリヤ層13は
1.15μm組成InGaAsP(厚さ150Å)で、バリア層にはZn
を約1019cm-3の濃度にドープした。通常の変調ドーピン
グの方法では、バリヤ層のZnは成長中において容易にウ
ェル層に拡散してしまい、均一ドープに近い状態となっ
てしまうが、ここではウェル層11とバリヤ層13の間にIn
P12(厚さ10Å)とInGaAs16(厚さ10Å)のそれぞれ2
層ずつからなる多層膜からなるスペーサ層を導入し、Zn
のウェル層への拡散を防止している。この多層膜の全体
の厚さは40Åであり、ホール15は容易にこの多層膜をト
ンネル効果により通過でき、ウェル層へキャリアを供給
することができる。Here, the present invention was applied to an InGaAsP / InP-based 1.55 μm MQW semiconductor laser, an MQW semiconductor laser having an active layer with a modulation doping structure was prototyped, and its characteristics were evaluated. FIG. 1 is a schematic view of a part of the band structure of the active layer of a modulation-doped MQW semiconductor laser as an example. The MQW active layer was formed by the low pressure MOVPE method, the well layer 11 was non-doped InGaAs (thickness 75Å), and the barrier layer 13 was
1.15μm composition InGaAsP (thickness 150Å), Zn in the barrier layer
Was doped to a concentration of about 10 19 cm -3 . In the normal modulation doping method, Zn in the barrier layer easily diffuses into the well layer during growth, resulting in a state close to uniform doping, but here the In layer between the well layer 11 and the barrier layer 13 is
P12 (thickness 10Å) and InGaAs16 (thickness 10Å) 2 each
Introducing a spacer layer consisting of a multilayer film consisting of layers
Is prevented from diffusing into the well layer. The total thickness of this multilayer film is 40Å, holes 15 can easily pass through this multilayer film by the tunnel effect, and carriers can be supplied to the well layers.
以上のようにして試作した変調ドープMQW半導体レー
ザーは室温動作において良好な発振特性を示し、しきい
値電流密度Jthは50A/cm2の値が得られた。作製プロセス
の改良によりさらに特性向上が期待できる。The modulation-doped MQW semiconductor laser fabricated as described above showed good oscillation characteristics at room temperature, and the threshold current density J th was 50 A / cm 2 . Further improvement in characteristics can be expected by improving the manufacturing process.
なおここではスペーサ層をInP,InGaAsの2層にしてい
るが、バリヤ層とウェル層の中間的な組成のInGaAsPを
1層用いてもよい。Although the spacer layer has two layers of InP and InGaAs here, one layer of InGaAsP having an intermediate composition between the barrier layer and the well layer may be used.
本発明は実施例に示したInGaAsP/InP系のみならず、G
aAs/AlGaAs系などのIII−V族化合物半導体や、II−VI
族化合物半導体の変調ドープ構造にも適用でき、光デバ
イスを始めとして幅広い応用が期待できる。本発明の変
調ドープ構造をHEMTのゲート部分に適用すれば、急峻な
不純物プロファイルによりそのスイッチング速度は改善
され、これらデバイスをスーパーコンピュータの論理演
算回路に応用することによって計算速度の向上が図られ
る。また、本発明の応用による変調ドープ構造の活性層
を有するMQW半導体レーザーは極低しきい値のレーザー
となり、将来にはμAレーザーの実現も可能である。更
に変調ドープMQWレーザーにおいては、20GHzを越える超
高速変調の可能性もあるため、本発明の構造は長距離大
容量光通信の分野でも有用となる。The present invention is not limited to the InGaAsP / InP system shown in the embodiment
III-V group compound semiconductors such as aAs / AlGaAs and II-VI
It can also be applied to the modulation-doped structure of group compound semiconductors, and is expected to have a wide range of applications including optical devices. When the modulation-doped structure of the present invention is applied to the gate portion of HEMT, the switching speed is improved due to the steep impurity profile, and the calculation speed is improved by applying these devices to the logic operation circuit of the supercomputer. Further, the MQW semiconductor laser having an active layer having a modulation-doped structure according to the application of the present invention becomes a laser having an extremely low threshold value, and a μA laser can be realized in the future. Further, in the modulation-doped MQW laser, there is a possibility of ultrahigh-speed modulation exceeding 20 GHz, so that the structure of the present invention is also useful in the field of long-distance, large-capacity optical communication.
第1図は本発明の実施例としての変調ドープMQW半導体
レーザーの活性層バンド構造の一部分の概略を示す図で
あり、第2図はヘテロ接合界面における不純物の拡散の
ようすを、通常のヘテロ接合とスペーサー層を挟んだ構
造とで比較した図である。 11……InGaAsウェル層、12……InP、13……1.15μm組
成p+−InGaAsバリヤ層、15……ホール、16……InGaAs、
21……InGaAsP層、22……InGaAs層、23……InP層。FIG. 1 is a diagram showing an outline of a part of an active layer band structure of a modulation-doped MQW semiconductor laser as an embodiment of the present invention, and FIG. It is the figure which compared with the structure which sandwiched the spacer layer. 11 …… InGaAs well layer, 12 …… InP, 13 …… 1.15 μm composition p + −InGaAs barrier layer, 15 …… hole, 16 …… InGaAs,
21 …… InGaAsP layer, 22 …… InGaAs layer, 23 …… InP layer.
Claims (1)
ープした半導体変調ドープ構造において、不純物をドー
プした不純物ドープ層とこの不純物ドープ層に隣接する
半導体層との間に前記不純物ドープ層と組成が異なり、
かつトンネル効果でキャリアが通過できる厚さのノンド
ープのスペーサ層を少くとも一層形成したことを特徴と
する半導体変調ドープ構造。1. A semiconductor modulation-doped structure in which only a specific layer of a multi-layer laminated structure is doped with impurities, wherein the impurity-doped layer is provided between an impurity-doped layer doped with impurities and a semiconductor layer adjacent to the impurity-doped layer. The composition is different,
A semiconductor modulation-doped structure characterized in that at least one non-doped spacer layer having a thickness that allows carriers to pass by the tunnel effect is formed.
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JP30930588A JPH0812928B2 (en) | 1988-12-06 | 1988-12-06 | Semiconductor modulation doped structure |
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JP30930588A JPH0812928B2 (en) | 1988-12-06 | 1988-12-06 | Semiconductor modulation doped structure |
Publications (2)
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JPH02154472A JPH02154472A (en) | 1990-06-13 |
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JP30930588A Expired - Lifetime JPH0812928B2 (en) | 1988-12-06 | 1988-12-06 | Semiconductor modulation doped structure |
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- 1988-12-06 JP JP30930588A patent/JPH0812928B2/en not_active Expired - Lifetime
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