(57)【要約】　　　（修正有）【課題】歪ヘテロエピタキシャル系におけるＳ−Ｋモード成長により形成された量子ドットを有する量子光半導体装置において、偏波依存性を除去する。【解決手段】量子ドット１３を囲むバリア層１４の組成を変化させることにより、量子ドットに蓄積される歪の面内成分および基板面に垂直に働く成分の値を最適化して、量子ドットに生ずる歪みを制御する。その結果、価電子帯中の軽い正孔の準位と重い正孔の準位との関係が伝導帯に対して変化し、ＴＭモードの光放射に対する量子ドットの相互作用の割合をＴＥモードの光放射に対する量子ドットの相互作用の割合よりも大きくできる。【選択図】　　　　図３
2004111710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、量子構造を含む活性層とよりなる量子光半導体装置において、
前記量子構造は：
第１の格子定数および第１のバンドギャップを有する第１の半導体結晶よりなる第１のバリア層と、
前記第１のバリア層上にエピタキシャルに形成され、第２の格子定数および第２のバンドギャップを有する第２の半導体結晶よりなる第２のバリア層と、
前記第２のバリア層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる格子定数および前記第１および第２のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有し、前記第１の半導体結晶および第２の半導体結晶に対して歪み系を形成する半導体結晶よりなり、各々前記第２のバリア層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットと、
前記第２のバリア層上に形成され、前記量子ドットを形成する半導体結晶の格子定数とは異なる格子定数を有し、また前記量子ドットを形成する半導体結晶のバンドギャップよりも大きな第３のバンドギャップを有する第３の半導体結晶よりなる第３のバリア層とよりなり、
前記第３のバリア層は、前記第２のバリア層中に形成された前記量子ドットの頂部に接することを特徴とする量子光半導体装置。
【請求項２】
前記第１のバリア層は、前記量子ドット近傍の領域において変化した組成を有し、前記第３のバリア層は、前記量子ドット近傍の領域において変化した組成を有することを特徴とする請求項１記載の量子光半導体装置。
【請求項３】
前記第１〜第３のバリア層はＩｎおよびＧａを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶であり、前記第１および第３のバリア層では、前記量子ドット近傍の領域においてＩｎ濃度が増大していることを特徴とする請求項２記載の量子光半導体装置。
【請求項４】
前記第２のバリア層は、前記量子ドット近傍の領域においてＧａ濃度が増大していることを特徴とする請求項３記載の量子半導体装置。
【請求項５】
前記第１の半導体結晶、前記第２の半導体結晶および前記第３の半導体結晶は、前記半導体基板に対して格子整合するものであることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の量子光半導体装置。
【請求項６】
半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、量子構造を含む活性層とよりなる量子光半導体装置において、
前記量子構造は：
第１の格子定数および第１のバンドギャップを有する第１の半導体結晶よりなる第１のバリア層と、
前記第１のバリア層上にエピタキシャルに形成され、第２の格子定数および第２のバンドギャップを有する第２の半導体結晶よりなる第２のバリア層と、
前記第２のバリア層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる格子定数および前記第１および第２のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有し、前記第１の半導体結晶および第２の半導体結晶に対して歪み系を形成する半導体結晶よりなり、各々前記第１のバリア層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットとよりなり、
前記第１のバリア層と前記第２のバリア層とは、前記第１のバリア層が前記第２のバリア層中の前記量子ドットの頂部に接するように繰り返し積層され、
前記第１のバリア層と前記第２のバリア層とは、異なった組成を有することを特徴とする量子光半導体装置。
【請求項７】
前記量子ドットはＩｎＡｓよりなり、前記第１および第２のバリア層は、いずれもＩｎＧａＡｓＰ混晶よりなることを特徴とする請求項６記載の量子光半導体装置。
【請求項８】
前記第２のバリア層は、組成パラメータｘおよびｙを使ってＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙで表される組成を有し、組成パラメータｘが０．６５以下に設定されることを特徴とする請求項７記載の量子光半導体装置。
【請求項９】
前記量子構造は、ＴＭモードの光放射に対する相互作用の割合が、ＴＥモードの光放射に対する相互作用の割合と等しいか、より大きいことを特徴とする請求項１〜８のうち、いずれか一項記載の量子光半導体装置。
【請求項１０】
半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、量子構造を含む活性層とよりなる量子光半導体装置において、
前記量子構造は：
第１の格子定数および第１のバンドギャップを有する第１の半導体結晶よりなるバリア層と、
前記バリア層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数および前記第１のバンドギャップよりも小さな第２のバンドギャップを有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する半導体結晶よりなる複数の量子ドットとよりなり、
前記複数の量子ドットを含む前記バリア層は所定の積層数だけ積層され、
前記積層数は、ＴＭモードの光放射に対する相互作用の割合が、ＴＥモードの光放射に対する相互作用の割合と等しいか、より大きくなるように設定されていることを特徴とする量子光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に半導体装置に係り、特に量子ドット構造を有する量子半導体装置に関する。
【０００２】
キャリアの閉じ込めのない、いわゆるバルク半導体結晶では、キャリアの状態密度はエネルギと共に放物線的に、すなわち連続的に増大するが、半導体結晶中にキャリアを１次元的に閉じ込めたいわゆる量子井戸構造では量子準位が出現するため、状態密度が階段状に変化する。かかる階段状の状態密度を有する系では、キャリアの分布はバルク結晶の場合よりも制限されるため、かかる量子井戸構造を例えばレーザダイオード等の光半導体装置に適用した場合、バルク半導体結晶を使った場合よりも幅のせまい鋭いスペクトルが得られ、またレーザダイオード等の発光素子では発光効率が向上する。また、量子井戸構造は、ＲＨＥＴのような共鳴バリアを有する電子素子において、キャリアのエネルギフィルタとして使われている。
【０００３】
かかるキャリアの閉じ込めをさらに進めた量子細線構造では、キャリアの２次元的な閉じ込めの結果、状態密度は各階段の下端で最大になるように変化するため、キャリアのエネルギスペクトルはさらに鋭くなる。
【０００４】
キャリアの閉じ込めをさらに進めた究極的な量子ドット構造では、キャリアの３次元的な閉じ込めの結果、状態密度は離散的になり、これに伴い、キャリアのエネルギスペクトルは、各量子準位に対応して完全に離散的になる。かかる離散的なエネルギスペクトルを有する系では、系が室温等の熱的励起が存在するような状態にあってもキャリアの遷移が量子準位間で不連続に生じるため、例えば量子ドット構造を有する光半導体装置では、室温においても非常に鋭い発光スペクトルを得ることができる。また、かかる量子ドット構造をＲＨＥＴのような共鳴バリアを有する電子素子において、キャリアのエネルギフィルタとして使った場合も、低温のみならず、室温においても非常に鋭いエネルギスペクトルが得られる。
【０００５】
また、かかる量子ドット構造は、エネルギ緩和のボトルネック問題等、基礎物理学的な興味も持たれている。
【０００６】
【従来の技術】
従来、量子井戸構造は、ＭＢＥ法あるいはＭＯＶＰＥ法を使って一対のバリア層の間に非常に薄い量子井戸層を介在させることにより、比較的容易に、また確実に形成することが可能であった。また、量子細線構造については、階段構造を有するいわゆる傾斜半導体基板を使い、各階段の側縁に沿って厚さおよび幅の狭い半導体層を量子井戸層として成長させる方法、あるいは１次元量子井戸構造を電子ビームリソグラフィ等により形成する方法が提案されている。
【０００７】
そこで、量子ドット構造についても、このような傾斜基板上の段差あるいはキンクを使って形成することが考えられるが、かかる基板表面の段差の制御は困難であり、またかかる量子ドット界面においては元素の混合が生じやすく、界面における組成の急峻な変化が困難である等の問題点が存在する。また、リソグラフィ等のパターニングを使った場合、加工に伴う量子ドットへの実質的な損傷が避けられない。
【０００８】
これに対し、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ等の歪み系ヘテロエピタキシャル構造において、ヘテロエピタキシャル成長の初期に出現するいわゆるＳ−Ｋ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｗ）　モード成長を利用することにより、基板上に相互に離間した島の形で量子ドット構造を形成することができることが知られている。例えば、ＧａＡｓ基板上に、Ｉｎ組成が０．５程度の格子定数が大きく異なるＩｎＧａＡｓ層を数分子層、ＭＢＥ法により堆積することにより、直径が３０〜４０ｎｍのＩｎＧａＡｓの島がＧａＡｓ基板上に形成されることが報告されている。例えば非特許文献１を参照。また、ＡＬＥ法を使って直径が１５〜２０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓの島を、ＧａＡｓ基板上に、１００ｎｍ程度の間隔で形成できることが報告されている。例えば非特許文献２を参照。さらに、ＭＯＶＰＥ法によっても、同様な量子ドットを形成できることが知られている。例えば非特許文献３を参照。
【０００９】
かかる歪み系ヘテロエピタキシャル構造における量子ドットの形成は、ヘテロ界面に生じる歪みエネルギに支配されるため、従来の量子ドット構造の形成に比べてはるかに簡単であり、また電子ビームリソグラフィ等によるパターニングを行なうわけでもないので、形成された量子ドットが製造プロセスにより損傷を受けることもない。
【００１０】
Ｓ−Ｋモードにより形成される量子ドットはこのように格子不整合材料系を使って形成されるため、一般に非等方な歪を有し、面内方向に圧縮歪が、また成長方向に引っ張り歪または面内方向よりも弱い圧縮歪が生じる。
【００１１】
図１は、特開平９−３２６５０６号公報に記載のＳ−Ｋモードで成長した量子ドットを有する量子半導体装置の構成を示す。特許文献１を参照。
【００１２】
図１を参照するに、（１００）面方位を有するＧａＡｓ基板１上にはＧａＡｓバッファ層２を介して多数のＩｎＡｓ量子ドット３ｂがＳ−Ｋモード成長により形成されている。これらの量子ドット３ｂは多層構造を形成しており、各々の層においてＩｎＡｓ量子ドット３ｂはＧａＡｓ中間層ないしバリア層３ａ中に埋め込まれている。また、次の層の量子ドット３ｂが、かかるＩｎＡｓ量子ドット３ｂを埋め込むバリア層３ａ上に成長している。
【００１３】
図１の例では個々の量子ドット３ｂが、それを覆うバリア層３ａ中、特に量子ドット３ｂの頂部に接する部分に強い歪みを誘起し、その結果、バリア層３ａ上に形成される量子ドット３ｂは下側の量子ドット３ｂの直上に成長しやすい。その結果、前記バリア層３ａおよび量子ドット３ｂを繰り返し形成した場合、量子ドット３ｂが基板に垂直な方向に整列した構造が得られる。
【００１４】
【非特許文献１】
Ｌｅｏｎａｒｄ，　Ｄ．，　ｅｔ　ａｌ．，　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔｔ．　６３，　ｐｐ．３２０３　−　３２０５，　１９９３
【非特許文献２】
Ｍｕｋａｉ，　Ｋ．，　ｅｔ　ａｌ．，　Ｊｐｎ．　Ｊ．　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．，　３３，　ｐｐ．Ｌ１７１０　−　Ｌ１７１２，　１９９４
【非特許文献３】
Ｏｓｈｉｎｏｗｏ，　Ｊ．，　ｅｔ　ａｌ．，　Ａｐｐｌ，　Ｐｈｙｓ．　Ｌｅｔｔ．　６５，　（１１），　ｐｐ．１４２１　−　１４２３　（１９９４）
【特許文献１】
特開平９−３２６５０６号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなＳ−Ｋモード成長した量子ドットを有する量子半導体装置を使ってレーザダイオード、光増幅器、光スイッチ、波長変換素子など全光ネットワークあるいはフォトニックネットワークを構成する素子を形成しようとした場合、光ファイバ中を伝播する光信号が偏波無依存性を有しているため、これらの素子も偏波無依存性を有することが要求される。
【００１６】
ところが、先にも説明したように、Ｓ−Ｋモード成長を利用した量子ドットでは、形状が一般に扁平で、しかも歪が等方的でないため、ＴＥモードの光のみを増幅あるいは発信する素子しか作製することができず、実際のシステムで要求される無偏波動作を実現するのが困難である。
【００１７】
より具体的に説明すると、量子ドットに非等方的な歪が加わると、価電子帯を形成する正孔準位が図２に示すように重い正孔準位と軽い正孔準位とに分離し、間に
ΔＥｌ−ｈ≒−２ｂ（εｚｚ−εｘｘ）　　　　　　　（１）
であらわされるエネルギ差が出現する。ただしｂは負の定数で一軸性変形ポテンシャルと呼ばれる量、εｘｘおよびεｚｚは、それぞれ面内方向および面に垂直方向の歪成分を現し、引っ張り歪の場合に正の値を、圧縮歪の場合に負の値をとるように定義している。
【００１８】
そこで、従来の量子ドットのように、面内方向に圧縮歪がかかった系では前記ΔＥｌ−ｈの値が正になり、電子−重い正孔間のエネルギ準位差が、電子−軽い正孔間のエネルギ準位差よりも小さくなる。その結果、かかる量子ドットでは、光遷移は図２に示すように重い正孔のエネルギ準位と伝導帯を形成する電子エネルギ準位との間で生じるようになる。
【００１９】
ところで、このような量子ドットの光学的遷移は、入射光の電場成分が量子ドット中における電子波の波動ベクトルｋに垂直な方向である場合にしか生じない。Ｓ−Ｋモード成長した扁平な量子ドットでは、電子の量子化が特に基板面に対して垂直な方向の成分について顕著に生じるため、電子波の波動ベクトルｋは基板面に垂直になり、従ってこのようなＳ−Ｋモード成長した量子ドットでは、入射光が、電場成分が基板面と平行なＴＥモードのものである場合にしか生じない。従って、このような従来のＳ−Ｋモード成長した量子ドットを使った半導体装置では顕著な偏波依存性が現れる。このような従来の光半導体装置を使って偏波無依存性が要求されるフォトニックネットワークを構築するのは、偏波整合のための光学系を使わない限り、困難である。しかし、このような光学系は複雑であり、光ネットワークの費用を増大させてしまう。
【００２０】
そこで、本発明は上記の課題を解決した、新規で有用な量子半導体装置およびその製造方法を提供することを概括的課題とする。
【００２１】
本発明のより具体的な課題は、Ｓ−Ｋモード成長した量子ドットを有し、しかも偏波依存性の無い量子半導体装置を提供することにある。
【００２２】
本発明の他の課題は、Ｓ−Ｋモード成長した量子ドットを有し、しかもＴＭモードの光に対して動作可能な量子半導体装置を提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、量子構造を含む活性層とよりなる量子光半導体装置において、前記量子構造は：第１の格子定数および第１のバンドギャップを有する第１の半導体結晶よりなる第１のバリア層と、前記第１のバリア層上にエピタキシャルに形成され、第２の格子定数および第２のバンドギャップを有する第２の半導体結晶よりなる第２のバリア層と、前記第２のバリア層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる格子定数および前記第１および第２のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有し、前記第１の半導体結晶および第２の半導体結晶に対して歪み系を形成する半導体結晶よりなり、各々前記第２のバリア層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットと、前記第２のバリア層上に形成され、前記量子ドットを形成する半導体結晶の格子定数とは異なる格子定数を有し、また前記量子ドットを形成する半導体結晶のバンドギャップよりも大きな第３のバンドギャップを有する第３の半導体結晶よりなる第３のバリア層とよりなり、前記第３のバリア層は、前記第２のバリア層中に形成された前記量子ドットの頂部に接することを特徴とする量子光半導体装置により、解決する。
【００２４】
本発明はまた上記の課題を、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、量子構造を含む活性層とよりなる量子光半導体装置において、前記量子構造は：第１の格子定数および第１のバンドギャップを有する第１の半導体結晶よりなる第１のバリア層と、前記第１のバリア層上にエピタキシャルに形成され、第２の格子定数および第２のバンドギャップを有する第２の半導体結晶よりなる第２のバリア層と、前記第２のバリア層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる格子定数および前記第１および第２のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有し、前記第１の半導体結晶および第２の半導体結晶に対して歪み系を形成する半導体結晶よりなり、各々前記第２のバリア層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットとよりなり、前記第１のバリア層と前記第２のバリア層とは、前記第１のバリア層が前記第２のバリア層中の前記量子ドットの頂部に接するように繰り返し積層され、前記第１のバリア層と前記第２のバリア層とは、異なった組成を有することを特徴とする量子光半導体装置により、解決する。
【００２５】
その際、本発明では前記量子構造が、ＴＭモードの光放射に対する相互作用の割合が、ＴＥモードの光放射に対する相互作用の割合と等しいか、より大きいことを特徴とする。
【００２６】
本発明はまた、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、量子構造を含む活性層とよりなる量子光半導体装置において、前記量子構造は：第１の格子定数および第１のバンドギャップを有する第１の半導体結晶よりなるバリア層と、前記バリア層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数および前記第１のバンドギャップよりも小さな第２のバンドギャップを有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する半導体結晶よりなる複数の量子ドットとよりなり、前記複数の量子ドットを含む前記バリア層は所定の積層数だけ積層され、前記積層数は、ＴＭモードの光放射に対する相互作用の割合が、ＴＥモードの光放射に対する相互作用の割合と等しいか、より大きくなるように設定されていることを特徴とする量子光半導体装置により、解決する。
【００２７】
本発明によれば、量子ドットに印加される面内方向の歪みと面に垂直方向の歪みの大きさを最適化することができ、先の式（１）において、εｚｚ＜εｘｘの関係を実現することが可能になる。その結果、前記項ΔＥｌ−ｈが負となり、従来のように重い正孔ではなく軽い正孔の準位が正孔の基底状態となり、かかる軽い正孔準位と電子準位との間で光励起が生じようになる。従って、このようにして歪みを最適化された量子ドットは、主としてＴＭモードの光放射に対して相互作用をするようになる。
【００２８】
そこで、従来のＴＥモードの光放射に対して相互作用する量子ドットに加えてＴＭモードの光放射に相互作用する量子ドットを有する量子光半導体装置を形成することにより、あるいは個々の量子ドットにおいてＴＥモードとＴＭモードの光相互作用が同等の割合で生じるように歪みを最適化することにより、光ネットワークなどでの使用に適した偏波依存性のない光半導体装置を実現することが可能になる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
図３は、本発明の第１実施例による量子光半導体装置１０の構成を示す。
【００３０】
図３を参照するに、（１００）面方位を有するＧａＡｓ基板１１上にＧａＡｓバッファ層１２を形成し、さらに前記ＧａＡｓバッファ層１２上にＩｎＡｓ層を基板温度５１０℃でのＭＯＶＰＥ法により、約１．８分子層分の厚さのＩｎＡｓ層が形成されるような原料供給量で形成する。このようにして形成されたＩｎＡｓ層ではＩｎＡｓ結晶の格子定数がＧａＡｓ基板の格子定数よりも大きいため圧縮歪みを受け、その結果、前記ＧａＡｓバッファ層１２上にはＳ−Ｋモード成長により、歪みエピタキシャル系を形成する島状のＩｎＡｓ量子ドット１３が成長する。なお、このようなＩｎＡｓ量子ドット１３はＭＢＥ法によっても同様に形成することができる。
【００３１】
さらにこのような構造上にＧａＡｓバリア層１４をＭＯＶＰＥ法により約３分子層の厚さにエピタキシャルに形成し、前記量子ドット１３をバリア層１４により埋め込む。
【００３２】
さらにこのようにして形成されたバリア層１４上に次のＩｎＡｓ層をＭＯＶＰＥ法により、０．７分子層分の厚さのＩｎＡｓ層が形成されるような原料供給量で形成し、次のＩｎＡｓ量子ドット１３を、同様なＳ−Ｋモード成長により形成する。
【００３３】
さらに前記量子ドット１３を埋め込むように次のバリア層１４と次の量子ドット１３とが繰り返し形成されて、量子構造が形成されている。
【００３４】
図４（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ図３の量子光半導体装置１０について求めた基底状態のＰＬピークエネルギ、およびＴＥモードとＴＭモードの間のＰＬ強度比ＴＥ／ＴＭを、積層数の関数として示す。なお、図４（Ｂ）中には、基板面に対するＰＬ光のＴＥ偏波面とＴＭ偏波面の関係が示してある。
【００３５】
図４（Ａ）を参照するに、積層数が増すにつれてＰＬピークエネルギは減少し、積層数が２０層ないし３０層を超えると約１．０５ｅＶの値に収斂するのがわかる。これは個々の量子ドットが量子力学的に結合し、全体として大きな量子ドットが形成されるためであると考えられる。
【００３６】
一方図４（Ｂ）を参照するに、ＰＬ強度のＴＥ／ＴＭ比も積層数と共に減少し、特に積層数が約８の場合にＴＥ／ＴＭ比が１となり、量子ドットの偏波依存性が消滅することがわかる。さらに積層数を増加させるとＴＭモードのＰＬ強度がＴＥモードを上回り、特に積層数が１５ないし２０を超えるとＴＭモードが支配的になることがわかる。
【００３７】
このように、本実施例によれば、図３に示す量子ドット１３を含むバリア層１４を繰り返し積層し、その際の積層数を最適化することにより、面内歪の値が、面に垂直な方向の歪の値に等しいか、より大きくなり（εｚｚ−εｘｘ≦０）、偏波無依存性の量子ドット、あるいはＴＭモードが支配的な量子ドットを有する量子構造を形成することが可能になる。
［第２実施例］
図５は、本発明の第２実施例による光量子半導体装置２０の構成を示す。
【００３８】
図５を参照するに、光量子半導体装置２０は（１００）面方位のＧａＡｓ基板２１を有し、前記ＧａＡｓ基板２１上にはＧａＡｓあるいはＡｌＧａＡｓバッファ層２２を介してＭＯＶＰＥ法を使ったＳ−Ｋ成長により、ＩｎＡｓ量子ドット２３が形成されている。また前記ＩｎＡｓ量子ドット２３がＳ−Ｋ成長する面には、非常に薄いＩｎＡｓウェッティング層２３ａが形成されている。なお先の図３の実施例でもこのようなウェッティング層は形成されるが、簡単のため図示は省略している。
【００３９】
前記ＩｎＡｓ量子ドット２３は、例えば５１０℃の基板温度において気相原料をＩｎＡｓ層が１．９分子層成長するような供給量で供給することにより形成され、次に前記ＩｎＡｓ量子ドット２３を覆うように、組成がＩｎｘＧａ１−ｘＡｓで表されるＩｎＧａＡｓバリア層２４を、エピタキシャルに形成する。
【００４０】
さらに前記量子ドット２３の成長とＩｎＧａＡｓ層２４の成長を繰り返すことにより、図５の量子光半導体装置２０が形成される。
【００４１】
図６は、図５の量子光半導体装置２０について測定したＰＬスペクトルの例を示す。ただし図６中、試料Ａは前記ＩｎＧａＡｓバリア層２４の代わりにＧａＡｓ層を使った場合を、また試料Ｂは前記ＩｎＧａＡｓバリア層２４としてＩｎ組成ｘが０．１３（ｘ＝０．１３）のＩｎＧａＡｓを使った場合を示す。また図中、ｓ，ｐ，ｄはそれぞれｓ殻、ｐ殻およびｄ殻、すなわち量子ドットの基底準位、第１励起準位および第２励起準位からの放射に対応している。
【００４２】
図６を参照するに、試料Ａではｓ，ｐ，ｄのいずれにおいてもＴＥモードの放射がＴＭモードよりも優勢であるのに対し、試料ＢではＴＭモードがはるかに支配的になっているのがわかる。
【００４３】
図６の試料Ｂの結果は、バリア層２４としてＩｎＧａＡｓ混晶を使った場合についてのものであるが、これは図５の構造においてバリア層２４中、ＩｎＡｓ量子ドット２３直上の領域２４Ａにおいて歪みの蓄積の結果、Ｉｎ濃度が増大し、格子定数が増大している効果を反映しているものと考えられる。またこの領域２４ＡにおけるＩｎ濃度の増大に伴って、前記バリア層２４のうち、量子ドット２３に側方から接する部分ではＧａ濃度が増大し、格子定数が局所的に減少するものと考えられる。すなわち、図６の結果は、図７に示すような量子ドット２３の周辺におけるバリア層２４の局所的な組成変化に対応していると考えられる。ただし図７は、図５中のひとつの量子ドット２３の周辺を概略的に示したものである。図７中、先に説明した部分には対応する参照符号を付し、説明を省略する。
【００４４】
図５あるいは図７の領域２４Ａにおける組成変化は自己組織的に生じるものであり、パターニング等の外部プロセスを行う必要はない。
【００４５】
なお、上記の例では前記バリア層２４としてＩｎＧａＡｓを使ったが、バリア層２４としてＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＰ等の混晶を使うことも可能である。
［第３実施例］
図８は、本発明の第３実施例による量子光半導体装置３０の構成を示す。
【００４６】
図８を参照するに、（３１１）Ｂ面方位を有するＩｎＰ基板３１上には図示を省略したＩｎＰバッファ層を介してＩｎＧａＡｓＰバリア層３２が形成されており、前記ＩｎＧａＡｓＰバリア層３２上には非ドープＩｎＧａＡｓあるいはＩｎＡｓよりなる量子ドット３３が４５０−５５０℃の基板温度におけるＭＯＶＰＥ法を使ったＳ−Ｋ成長プロセスにより形成されている。かかるＳ−Ｋ成長の結果、前記ＩｎＧａＡｓＰバリア層３２上には非常に薄いＩｎＧａＡｓウェッティング層３３Ａが形成されている。
【００４７】
さらに前記量子ドット３３は前記ＩｎＧａＡｓＰバリア層３２とは異なる組成を有する別のＩｎＧａＡｓＰバリア層３４により埋め込まれ、前記量子ドット３３を含むバリア層３２およびバリア層３４は交互に１０周期ほど、繰り返し堆積される。その際、前記ＩｎＧａＡｓＰバリア層３２および３４はＭＯＶＰＥ法により、５５０−６５０℃の基板温度で形成される。
【００４８】
図８の構造では、バリア層３２がその下の量子ドット３３の頂部に接している。
【００４９】
図９は、図８の構造において量子ドット３３をＩｎＡｓにより形成し、バリア層３２の組成をＩｎＰ基板に格子整合するＩｎ０．７１７Ｇａ０．２８３Ａｓ０．６１１Ｐ０．３８９に設定し、さらに組成ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙで表したバリア層３４の組成を、０．１５≦ｘ≦０．９２および０．５≦ｙ≦１の範囲で変化させた場合の、量子ドット３３中における基底状態からの遷移エネルギＥｇ（図２を参照）を計算した結果を示す。ただしＡｓ組成ｙは、Ｉｎ組成ｘに対応して、ＩｎＧａＡｓＰバリア層３４のバンドギャップが量子ドットのバンドギャップよりも大きいという維持するように変化させた。また図９の計算では、ＩｎＡｓ量子ドット３３は３５ｎｍ×３５ｎｍ×１０ｎｍの直方体であると仮定している。この構造では、前記量子ドット３３に生じる歪成分εｘｘおよびεｙｙは−０．００６７となる（εｘｘ＝εｙｙ＝−０．００６７）。このように歪成分εｘｘ，εｙｙは負の値を有しており、従って量子ドット３３には圧縮歪が生じている。
【００５０】
図９中、２点鎖線は（００１）面上にＳ−Ｋモードで形成した量子ドットにおいて重い正孔が伝導帯に励起されるのに要するエネルギＥｇｈｈ（００１）を、実線は（１１１）面上にＳ−Ｋモードで形成した量子ドットにおいて重い正孔が伝導帯に励起されるのに要するエネルギＥｇｈｈ（１１１）を、１点鎖線は（００１）面上にＳ−Ｋモードで形成した量子ドットにおいて軽い正孔が伝導帯に励起されるのに要するエネルギＥｇｌｈ（００１）を、点線は（１１１）面上にＳ−Ｋモードで形成した量子ドットにおいて軽い正孔が伝導帯に励起されるのに要するエネルギＥｇｌｈを（１１１）を、それぞれ表している。
【００５１】
図９を参照するに、重い正孔および軽い正孔のいずれにおいても結晶面方位は励起エネルギＥｇにほとんど影響せず、むしろＩｎＧａＡｓバリア層３４中のＩｎ組成ｘが励起エネルギに支配的な影響を与えることがわかる。しかも特にＩｎ組成ｘが約０．６３の値を有する場合に重い正孔と軽い正孔との間のエネルギ差ΔＥｌ−ｈがゼロとなり、量子ドット３３の偏波依存性が消失することがわかる。すなわち、この組成において、基板面に垂直方向に作用する歪成分εｚｚの大きさが前記歪成分εｘｘあるいはεｙｙに等しくなる。
【００５２】
さらに前記Ｉｎ組成ｘを０．６３未満に設定することにより前記エネルギ差ΔＥｌ−ｈの符号が逆転し、量子ドット３３において軽い正孔準位が基底状態となる。従って、このような量子ドット３３を使うことにより、ＴＭモードの放射光と相互作用する量子半導体装置を構成することが可能になる。
【００５３】
なお、図８の実施例においても、前記バリア層３２および３４のうち、量子ドット３３に接する部分において先の図７と同様な組成の局所的な変化が生じているものと考えられる。
［第４実施例］
図１０は、本発明の第４実施例によるリッジ導波型光半導体装置４０の構成を示す。
【００５４】
図１０を参照するに、光半導体装置４０は（３１１）Ｂ面方位を有するｎ型ＩｎＰ基板４１上に構成されており、前記ｎ型ＩｎＰ基板４１上にはｎ型ＩｎＰバッファ層４２を介してｎ型ＩｎＰクラッド層４３がエピタキシャルに形成されている。前記ＩｎＰ基板４１、ＩｎＰバッファ層４２およびＩｎＰクラッド層４３は、例えば１×１０１８ｃｍ−３のキャリア密度を有するようにドープされている。
【００５５】
前記クラッド層４３上には、先に図８の実施例で説明したＩｎＧａＡｓＰバリア層３２および３４よりなりバリア層３４中に量子ドット３３を含む活性層４４が繰り返し積層されており、その際バリア層３２の組成をＩｎ０．７１７Ｇａ０．２８３Ａｓ０．６１１Ｐ０．３８９に、またバリア層３４の組成をＩｎ０．６３Ｇａ０．３７Ａｓ０．５Ｐ０．５に設定する。
【００５６】
さらにこのようにして形成された活性層４４上にｐ型ＩｎＰよりなる上側クラッド層４５が形成され、さらに前記クラッド層４５上にはｐ型ＩｎＰよりなるコンタクト層を４６を介して上部電極４７が形成され、また前記ＩｎＰ基板４１の下面には下部電極４８が形成される。
【００５７】
図１０のリッジ導波型光半導体装置では、前記上部クラッド層４５およびコンタクト層４６はパターニングされて素子４０の軸方向に延在するリッジ構造を形成し、さらに前記リッジ構造を両側から支持するように低屈折率を有するＳｉＯ２やポリイミドなどの絶縁膜４９Ａ，４９Ｂを形成する。その結果、前記活性層４４中に形成された光放射はかかるリッジ構造に沿って導波され、活性層４４中において誘導放出が生じる。そこで前記活性層４４の両端面にミラーを形成することにより、前記素子４０はレーザダイオードとして作用する。またこのようなミラーを形成しないことにより、前記素子４０により光増幅器を構成することができる。
【００５８】
このような光半導体装置４０は、前記バリア層３２および３４の組成を先に説明したように設定することにより、偏波無依存性の動作を実現することができる。また前記バリア層３２中のＩｎ組成を０．６３未満に設定することにより、ＴＭモードのレーザ発振あるいは光増幅を行うことが可能になる。また、かかる光半導体素子を使って光スイッチなど、光ネットワークで使われる様々な光能動素子を形成することが可能である。
【００５９】
さらに本実施例において基板４１として前記ｎ型ＩｎＰ基板の代わりにｎ型ＧａＡｓ基板を使った場合、前記活性層４４として先に図３で説明したＩｎＡｓ量子ドット１３とＧａＡｓバリア層１４とを積層した構造、あるいは図５で説明したＩｎＡｓ量子ドット２３とＩｎＧａＡｓバリア層２４とを積層した構造を使うことも可能である。
［第５実施例］
図１１は、本発明の第５実施例による光半導体装置５０の構成を示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６０】
図１１を参照するに、本実施例では光半導体装置５０は先の実施例による光半導体装置４０と同様な積層構造を有するが、前記上部クラッド層４５の一部および活性層４４中に下部クラッド層４３にまで達するメサ構造が形成されており、前記メサ構造に両側にはｐ型ＩｎＰ層５１およびｎ型ＩｎＰ層５２を積層した電流阻止領域５３Ａおよび５３Ｂが形成されている。
【００６１】
かかる構成によっても、高効率で動作し、しかも偏波依存性のないレーザダイオードあるいは光増幅器を構成することができる。また、かかる光半導体素子を使って光スイッチなど、光ネットワークで使われる様々な光能動素子を形成することが可能である。
［第６実施例］
図１２は、図１０あるいは図１１の光能動素子を使って構築したフォトニックネットワーク６０の例を示す。
【００６２】
図１２を参照するに、フォトニックネットワーク６０は光ファイバ６１で結合された多数のノード６２より構成されている。
【００６３】
図１２の例ではノード６２Ａは波長がλ１，λ２，・・・の光信号を一括して増幅できる多波長一括光増幅器７１を有しているが、図１０あるいは１１の光能動素子４０あるいは５０を使うことにより、偏波依存性のない光増幅動作を実現することができる。
【００６４】
また図１２の例ではノード６２Ｂが波長がλ１，λ２，・・・λｎの入力を波長がλｉ，λｊ，・・・の出力光に変換する波長スイッチ素子を有しているが、先の光能動素子４０あるいは５０を使うことにより、偏波依存性のない波長スイッチ素子を実現することが可能になる。
【００６５】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において、様々な変形・変更が可能である。
【００６６】
（付記１）　半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、量子構造を含む活性層とよりなる量子光半導体装置において、
前記量子構造は：
第１の格子定数および第１のバンドギャップを有する第１の半導体結晶よりなる第１のバリア層と、
前記第１のバリア層上にエピタキシャルに形成され、第２の格子定数および第２のバンドギャップを有する第２の半導体結晶よりなる第２のバリア層と、
前記第２のバリア層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる格子定数および前記第１および第２のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有し、前記第１の半導体結晶および第２の半導体結晶に対して歪み系を形成する半導体結晶よりなり、各々前記第２のバリア層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットと、
前記第２のバリア層上に形成され、前記量子ドットを形成する半導体結晶の格子定数とは異なる格子定数を有し、また前記量子ドットを形成する半導体結晶のバンドギャップよりも大きな第３のバンドギャップを有する第３の半導体結晶よりなる第３のバリア層とよりなり、
前記第３のバリア層は、前記第２のバリア層中に形成された前記量子ドットの頂部に接することを特徴とする量子光半導体装置。
【００６７】
（付記２）　前記第２および第３のバリア層は、連続した単一の半導体層を形成することを特徴とする請求項１記載の量子光半導体装置。
【００６８】
（付記３）　前記第１のバリア層は、前記量子ドット近傍の領域において変化した組成を有し、前記第３のバリア層は、前記量子ドット近傍の領域において変化した組成を有することを特徴とする付記１または２記載の量子光半導体装置。
【００６９】
（付記４）　前記第１〜第３のバリア層はＩｎおよびＧａを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶であり、前記第１および第３のバリア層では、前記量子ドット近傍の領域においてＩｎ濃度が増大していることを特徴とする付記３記載の量子光半導体装置。
【００７０】
（付記５）　前記第２のバリア層は、前記量子ドット近傍の領域においてＧａ濃度が増大していることを特徴とする付記４記載の量子半導体装置。
【００７１】
（付記６）　前記第１の半導体結晶、前記第２の半導体結晶および前記第３の半導体結晶は、前記半導体基板に対して格子整合するものであることを特徴とする付記１〜５のうち、いずれか一項記載の量子光半導体装置。
【００７２】
（付記７）　前記第１および第３の半導体結晶は、同一組成を有することを特徴とする付記１〜６のうち、いずれか一項記載の量子光半導体装置。
【００７３】
（付記８）　前記第２の格子定数は、前記第１および第３の格子定数よりも大きいことを特徴とする付記１〜７のうち、いずれか一項記載の量子光半導体装置。
【００７４】
（付記９）　前記第１〜第３の半導体結晶の各々は、ＩｎＧａＡｓＰ混晶，ＩｎＡｌＧａＡｓ混晶，ＩｎＡｌＧａＰ混晶のいずれかより選ばれることを特徴とする付記１〜８のうち、いずれか一項記載の量子光半導体装置。
【００７５】
（付記１０）　半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、量子構造を含む活性層とよりなる量子光半導体装置において、
前記量子構造は：
第１の格子定数および第１のバンドギャップを有する第１の半導体結晶よりなる第１のバリア層と、
前記第１のバリア層上にエピタキシャルに形成され、第２の格子定数および第２のバンドギャップを有する第２の半導体結晶よりなる第２のバリア層と、
前記第２のバリア層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる格子定数および前記第１および第２のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを有し、前記第１の半導体結晶および第２の半導体結晶に対して歪み系を形成する半導体結晶よりなり、各々前記第２のバリア層の厚さに実質的に等しい高さを有する複数の量子ドットとよりなり、
前記第１のバリア層と前記第２のバリア層とは、前記第１のバリア層が前記第２のバリア層中の前記量子ドットの頂部に接するように繰り返し積層され、
前記第１のバリア層と前記第２のバリア層とは、異なった組成を有することを特徴とする量子光半導体装置。
【００７６】
（付記１１）　前記量子ドットはＩｎＡｓよりなり、前記第１および第２のバリア層は、いずれもＩｎＧａＡｓＰ混晶よりなることを特徴とする付記１０記載の量子光半導体装置。
【００７７】
（付記１２）　前記第１のバリア層は、組成パラメータｘおよびｙを使ってＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙで表される組成を有し、組成パラメータｘが０．６５以下に設定されることを特徴とする付記１１記載の量子光半導体装置。
【００７８】
（付記１３）　前記量子構造は、ＴＭモードの光放射に対する相互作用の割合が、ＴＥモードの光放射に対する相互作用の割合と等しいか、より大きいことを特徴とする付記１〜１２のうち、いずれか一項記載の量子光半導体装置。
【００７９】
（付記１４）　半導体基板と、前記半導体基板上に形成された、量子構造を含む活性層とよりなる量子光半導体装置において、
前記量子構造は：
第１の格子定数および第１のバンドギャップを有する第１の半導体結晶よりなるバリア層と、
前記バリア層中に形成され、前記第１の格子定数とは異なる第２の格子定数および前記第１のバンドギャップよりも小さな第２のバンドギャップを有し、前記第１の半導体結晶に対して歪み系を形成する半導体結晶よりなる複数の量子ドットとよりなり、
前記複数の量子ドットを含む前記バリア層は所定の積層数だけ積層され、
前記積層数は、ＴＭモードの光放射に対する相互作用の割合が、ＴＥモードの光放射に対する相互作用の割合と等しいか、より大きくなるように設定されていることを特徴とする量子光半導体装置。
【００８０】
（付記１５）　前記バリア層は、前記量子ドットの高さを超える厚さを有することを特徴とする付記１４記載の量子光半導体装置。
【００８１】
（付記１６）　前記半導体基板およびバリア層はＧａＡｓよりなり、前記量子ドットはＩｎＡｓよりなり、前記所定の積層数は約８層であることを特徴とする付記１４または１５記載の量子光半導体装置。
【００８２】
（付記１７）　前記量子ドットでは、面内歪の値が、引張り歪みを正、圧縮歪みを負に定義した場合、面に垂直な方向の歪の値に等しいか、より大きいことを特徴とする付記１〜１６のうち、いずれか一項記載の量子光半導体装置。
【００８３】
（付記１８）　前記半導体基板はＩｎＰまたはＧａＡｓよりなることを特徴とする付記１〜１７のうち、いずれか一項記載の量子光半導体装置。
【００８４】
（付記２０）　前記半導体基板には第１の電極が設けられ、前記半導体基板と前記活性層との間には第１のクラッド層が設けられ、前記活性層上には、第２のクラッド層を介して第２の電極が設けられていることを特徴とする付記１〜１８のうち、いずれか一項記載の量子光半導体装置。
【００８５】
【発明の効果】
本発明によれば、量子ドットを囲むバリア層の組成を選択することにより、量子ドットに生じる歪を制御することが可能になる。その結果、価電子帯を形成する重い正孔の準位と軽い正孔の準位との関係が伝導帯に対して変化し、ＴＭモードの光放射に対する量子ドットの相互作用の割合をＴＥモードの光放射に対する量子ドットの相互作用の割合に対して同等、あるいはそれ以上に設定することが可能である。その結果、歪ヘテロエピタキシャル構造を使った、一般に不均一な歪を特徴とする量子ドットを有する量子光半導体装置において、偏波無依存動作を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＳ−Ｋ成長プロセスにより形成された量子ドットを有する量子半導体装置の構成を示す図である。
【図２】従来のＳ−Ｋ成長プロセスにより形成された量子ドットの概略的なエネルギバンド構造を示す図である。
【図３】本発明の第１実施例による量子半導体装置の構成を示す図である。
【図４】（Ａ），（Ｂ）は、図３の量子半導体装置におけるＰＬエネルギおよびＴＥ／ＴＭモード比を示す図である。
【図５】本発明の第２実施例による量子半導体装置の構成を示す図である。
【図６】図５の量子半導体装置のＰＬスペクトルを示す図である。
【図７】図５の量子半導体装置中において出現する構造を概略的に示す図である。
【図８】本発明の第３実施例による量子半導体装置の構成を示す図である。
【図９】図８の構造における量子ドットの波長とバリア層組成との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第４実施例による光半導体装置の構成を示す図である。
【図１１】本発明の第５実施例による光半導体装置の構成を示す図である。
【図１２】本発明の第６実施例によるフォトニックネットワークの例を示す図である。
【符号の説明】
１，１１，２１，３１　基板
２，１２，２２，３２　バッファ層
３　量子構造
３ａ，１４，２４，３４　バリア層
３ｂ，１３，２３，３３　量子ドット
１０，２０，３０　量子光半導体装置
２４Ａ　組成変化領域
３３Ａ　ウェッティング層
４０，５０　光半導体装置
４１　基板
４２　バッファ層
４３　下部クラッド層
４４　活性層
４５上部クラッド層
４６　コンタクト層
４７　上部電極
４８　下部電極
４９Ａ，４９Ｂ　絶縁層
５１　ｎ型ＩｎＰ領域
５２　ｐ型ＩｎＰ領域
５３Ａ，５３Ｂ　電流狭窄領域
６０　フォトニックネットワーク
６１　光ファイバ
６２，６２Ａ，６２Ｂ　ノード
７１　多波長光増幅器
７２　波長スイッチ
【図１】
2004111710.tif 000003
【図２】
2004111710.tif 000004
【図３】
2004111710.tif 000005
【図４】
2004111710.tif 000006
【図５】
2004111710.tif 000007
【図６】
2004111710.tif 000008
【図７】
2004111710.tif 000009
【図８】
2004111710.tif 000010
【図９】
2004111710.tif 000011
【図１０】
2004111710.tif 000012
【図１１】
2004111710.tif 000013
【図１２】
2004111710.tif 000014