JPH05346600A

JPH05346600A - 光半導体装置とその製造方法

Info

Publication number: JPH05346600A
Application number: JP4153897A
Authority: JP
Inventors: Hideki Kitada; 秀樹北田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1992-06-12
Filing date: 1992-06-12
Publication date: 1993-12-27

Abstract

(57)【要約】【目的】多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有し、光スイ
ッチング機能を有する光半導体装置に関し、励起子吸収
の緩和時間を短縮化することができ、かつ緩和時間の短
縮化に伴って問題を生じることが少ない光半導体装置を
提供することを目的とする。【構成】電子親和力が小さく、バンドギャップの大き
な第１の半導体で形成されたバリア層と、電子親和力が
大きく、バンドギャップの小さな第２の半導体で形成さ
れた量子井戸層が積層され、所定波長の光に対して可飽
和吸収を示す光吸収領域と、前記光吸収領域のバリア層
と量子井戸層に連続して形成され、バリア層と光吸収領
域の量子井戸層より厚い量子井戸層が積層され、前記光
吸収領域で形成され、輸送された励起子を消滅させる緩
和領域とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光半導体装置に関し、
特に多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有し、光スイッチン
グ機能を有する光半導体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】多重量子井戸（ＭＱＷ）は、キャリアの
運動を２次元方向に制限するため、室温でも観察できる
励起子を生成できる。

【０００３】多重量子井戸を光スイッチング機構として
用いる場合、光励起によるスイッチオン時間は励起子生
成にかかるヘムト（１０^-15）秒程度の時間である。こ
のスイッチオン時間は十分短いが、スイッチオフ時間は
再結合緩和時間によって支配され、数十ナノ（１０^-9）
秒オーダである。したがって、励起子吸収を用いた場
合、スイッチオフ時間が光論理素子や可飽和吸収体のス
イッチング時間を律速している。

【０００４】励起子を高速緩和させるために、いくつか
の方法が提案されている。図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）
を参照して励起子緩和時間を短縮させる３つの方法を説
明する。

【０００５】図２（Ａ）は、イオン注入を用いて励起子
緩和時間を短縮させる方法を説明するための断面図であ
る。たとえば、ＧａＡｓ基板５１の表面上にＧａＡｓ／
ＡｌＧａＡｓの超薄膜積層を形成して多重量子井戸５２
を形成する。

【０００６】この多重量子井戸５２に、さらにイオン５
３を注入して多重量子井戸５２内に点欠陥５４を形成す
る。点欠陥は、電子と正孔との再結合中心として作用
し、励起子緩和時間を短縮させる。このような技術は、
たとえば、Appl. Phys. Lett.46(1985)701 に報告され
ている。

【０００７】図２（Ｂ）は、多重量子井戸構造をエッチ
ングして細線または箱状の形状とし、エッチングされた
側面の表面準位を再結合中心として利用し、励起子の再
結合緩和時間を短縮する方法を示す。ＧａＡｓ基板５１
の表面上に、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの超薄膜積層を形
成して多重量子井戸を作成する。

【０００８】その後、この多重量子井戸の上にエッチン
グマスクを形成し、選択的エッチングを行なうことによ
って多重量子井戸細線または多重量子井戸箱を形成す
る。なお、細線または箱の寸法は、２次元励起子のボー
ア半径より大きくなるように選択する。

【０００９】エッチングによって形成された側面には、
表面準位が形成され、励起子の再結合中心として作用す
る。多重量子井戸細線５５に光５６を入射し、励起子５
７を生成する。この励起子は多重量子井戸構造の側面ま
で移動すると、そこで再結合して消滅する。

【００１０】細線または箱の寸法を選択することによ
り、励起子再結合緩和時間が制御できる。このような方
法は、たとえば、Appl. Phys. Lett. 59(1991)1114等に
報告されている。

【００１１】図２（Ｃ）は、井戸幅の狭い量子井戸層と
井戸幅の広い量子井戸層とをバリア層を挟んで積層した
構造（Tunneling Bi Quantum Well TBQ)を示す。狭い井
戸幅を有する量子井戸層内で励起された電子を広い井戸
幅を有する量子井戸層へトンネリングによって輸送し、
励起子吸収緩和時間を短くする。

【００１２】図２（Ｃ）上段は、積層方向を横にして示
す断面図である。ＧａＡｓ基板５１表面に、一対のバリ
ア層６１で挟んだ量子井戸層６２を形成し、幅の広い量
子井戸層６４を形成した後、再び一対のバリア層６１で
挟んだ量子井戸層６２を形成する。このようにして、バ
リア層で挟んだ幅の狭い量子井戸層６２を幅の広い量子
井戸層６４を挿入しつつ、積層させる。

【００１３】図２（Ｃ）下段は、上段の構造が示すバン
ド構造を概略的に示す。幅の狭い量子井戸層６２内にお
いて、光吸収によって励起子が生成すると、その励起子
は図に示すような高いエネルギレベルを示す。幅の広い
量子井戸層６４においては、これらのエネルギレベルに
対応するレベルはより低エネルギに表れる。

【００１４】したがって、狭い量子井戸層内の電子は、
トンネリングによってバリア層６１を通過し、幅の広い
量子井戸層６４に移る。このような方法は、たとえばAp
pl.Phys. Lett. 58(1991)2393等に報告されている。

【００１５】なお、多重量子井戸構造を用いた励起子吸
収は、たとえば短波長の光を複数の長波長の光に変換す
る非線型半導体光学装置に利用されている。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】図２（Ａ）に示した方
法は、イオン注入によって結晶全体に欠陥が発生してし
まうため、イオン注入後の結晶性を回復するために熱処
理工程が必要になる。

【００１７】励起子の吸収緩和時間は、注入ドーズ量に
よって制御されるが、緩和時間を短くするためにはドー
ズ量を桁違いに増やす必要がある。このため、結晶性を
損ねる恐れがあり、励起子吸収による光非線形特性が小
さくなってしまう。

【００１８】図２（Ｂ）に示した多重量子井戸構造を細
線または箱状に加工し、加工側面での表面準位を利用し
て励起子を再結合緩和させる方法は、光によって励起さ
れた励起子が拡散によって加工側面まで到達し、再結合
緩和するため、加工寸法と拡散の関係で緩和時間が決定
されると考えられる。

【００１９】しかし、反応性イオンエッチング（ＲＩ
Ｅ）や、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢＥ）等
による加工の際、側面からの点欠陥等のダメージが多数
形成されてしまい、励起子の緩和は加工損傷による再結
合中心と表面準位による再結合中心の両方で律速される
ようになる。このため、加工寸法と拡散のみによっては
緩和時間の制御が困難になってしまう。なお、側面から
の加工損傷を定量的に制御することは困難である。

【００２０】図２（Ｃ）に示す狭い量子井戸層内で励起
された電子を広い量子井戸層へトンネリングによって移
動させ、励起子吸収緩和時間を短くする方法は、電子の
トンネル時間を決定するバリア層の厚さを薄くすること
によって吸収緩和時間を短縮することができる。

【００２１】しかし、正孔は電子に比べてはるかに大き
な有効質量を持ち、電子に比べて３〜４桁遅いナノ秒オ
ーダの吸収緩和時間を持つ。このため、狭い量子井戸層
内に正孔が残留してしまい、励起子吸収緩和の時間変化
に数ナノ秒の長いテールが生じる。励起光を連続して与
えると、狭い量子井戸層内に正孔が蓄積してしまい、連
続応答に問題が生じる。

【００２２】このように、従来の技術によれば、励起子
吸収の緩和時間を短縮することは可能であるが、緩和時
間の短縮に伴って他の問題が発生してしまう。本発明の
目的は、励起子吸収の緩和時間を短縮化することがで
き、かつ緩和時間の短縮化に伴って問題を生じることが
少ない光半導体装置を提供することである。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明の光半導体装置
は、電子親和力が小さく、バンドギャップの大きな第１
の半導体で形成されたバリア層と、電子親和力が大き
く、バンドギャップの小さな第２の半導体で形成された
量子井戸層が積層され、所定波長の光に対して可飽和吸
収を示す光吸収領域と、前記光吸収領域のバリア層と量
子井戸層に連続して形成され、バリア層と光吸収領域の
量子井戸層より厚い量子井戸層が積層され、前記光吸収
領域で形成され、輸送された励起子を消滅させる緩和領
域とを有する。

【００２４】図１は、本発明の原理説明図である。図１
（Ａ）は、光半導体装置の構成を概略的に示す断面図で
あり、図１（Ｂ）は連続した量子井戸層内のエネルギ分
布を示すバント構造図である。

【００２５】図１（Ａ）において、電子親和力が小さ
く、バンドギャップの大きな第１の半導体で形成された
バリア層１と電子親和力が大きく、バンドギャップの小
さな第２の半導体で形成された量子井戸層２とが積層さ
れ、多重量子井戸構造を構成している。

【００２６】この多重量子井戸構造内には、量子井戸層
の幅（層の厚さ）の狭い多重量子井戸領域５と、量子井
戸層の幅の広い多重量子井戸領域６とが形成されてい
る。井戸幅の狭い多重量子井戸領域５は、井戸幅の広い
多重量子井戸領域６よりも高い励起子エネルギを有す
る。このバンド構造を図１（Ｂ）に概略的に示す。

【００２７】井戸幅の広い量子井戸領域６には、励起子
を積極的に再結合させるための再結合中心９を形成して
もよい。

【００２８】

【作用】多重量子井戸領域５は井戸幅が狭いため、励起
子８を形成する電子および正孔のエネルギが高く、これ
と比較して井戸幅の広い多重量子井戸領域６の電子およ
び正孔のエネルギは低い。

【００２９】多重量子井戸領域５に光を入射して量子井
戸層２内に励起子８を形成すると、この励起子８はバリ
ア層１によって行動を制限されるので、２次元的な運動
を行なう。

【００３０】形成された励起子８が、拡散して多重量子
井戸領域６との界面に到達すると、多重量子井戸領域６
に引き出され、エネルギ段差の存在によって多重量子井
戸領域５には戻らなくなる。このように、量子井戸層中
の励起子は、一般にエネルギの低い方へ移動する性質を
持っている。

【００３１】そのため、井戸幅の狭い多重量子井戸中に
光励起によって生成された励起子は、井戸幅の広い多重
量子井戸領域へ移動する。したがって、井戸幅の狭い多
重量子井戸領域から励起子は消滅し、狭い井戸幅の多重
量子井戸領域における励起子吸収は緩和される。

【００３２】図２（Ｃ）に示したＴＢＱの場合と比べ、
本構成によっては励起子は同一井戸層内を面内方向に移
動するため、電子と正孔が分離し、正孔が残留する問題
は生じない。このため、励起子吸収の緩和時間が高速化
され、かつ連続応答が可能になる。

【００３３】励起子吸収緩和時間は、励起子が井戸幅の
広い多重量子井戸領域へ移動（拡散）する時間でほぼ決
定する。すなわち、励起子の緩和時間は井戸幅の狭い多
重量子井戸領域の幅によって制御できる。

【００３４】

【実施例】図３（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第１実施例
による光半導体装置の製造工程を示す断面図である。

【００３５】図３（Ａ）に示すように、（１００）面１
２を有するＧａＡｓ基板１１の表面に、光露光によりラ
インアンドスペースのレジストパターンを形成する。た
とえば、レジストパターン１３のライン（開口部）の幅
は、約１．５μｍとし、スペース（遮蔽部）の幅は約
０．５μｍとする。このような開口部を複数本ストライ
プ状に形成する。

【００３６】次に、図３（Ｂ）に示すように、レジスト
パターン１３をエッチングマスクとして、ＧａＡｓ基板
１１を燐酸（Ｈ₃ＰＯ₄）：過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）＝
１：１０のエッチング液により（１１１）Ａ面を出すよ
うに順メサ形状にエッチングする。

【００３７】なお、（１１１）面にはＡ面（ＩＩＩ族元
素であるＧａが表面に現れる面）と、Ｂ面（Ｖ族元素で
あるＡｓが表面に現れる面）があり、この異方性エッチ
ングでは（１１１）Ａ面を現す。（１１１）Ａ面は、
（１００）面に対し、約５５度の角度を持つ。

【００３８】メサエッチングは、たとえば開口の底部に
幅約０．５μｍの（１００）面１２ａを残すように行な
う。この時、（１００）面両側に形成される（１１１）
面１５は、幅約０．５μｍに相当するが、約５５度の傾
斜角を有するため、傾斜面の幅としては約０．８７μｍ
となる。なお、順メサエッチングを行なった後、レジス
トパターン１３は除去する。

【００３９】このような傾斜面と平坦面（水平面）を有
するＧａＡｓ基板上にＭＢＥあるいはＭＯＣＶＤにより
結晶を成長すると、平坦面（水平面）と傾斜面では膜厚
の異なった成長膜が形成されることが一般に知られてい
る。これは、傾斜面と水平面に対するフラックスの違い
と表面のマイグレーションの違いによる。

【００４０】たとえば、基板に垂直に原料フラックスが
飛来する場合、斜面は角度が傾いている分、単位面積当
たりのフラックス量が少なくなる。たとえば、ベル研究
所のＫａｐｏｎらによって、段差を有するＧａＡｓ半導
体上にＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子を作成し、その断
面を透過電子線顕微鏡によって観察した場合、（１１
１）Ａ面の斜面上のＧａＡｓ層の膜厚は、（１００）面
上のＧａＡｓ層の膜厚のほぼ半分になることが報告され
ている（E. Kapon, Appl. Phys. Lett. 50(1987)347
）。

【００４１】この傾斜面による成長速度の相違を利用
し、順メサエッチングを行なったＧａＡｓ基板上にＧａ
Ａｓ／ＡｌＧａＡｓの多重量子井戸構造を結晶成長する
と、水平面上には井戸幅およびバリア幅の広い多重量子
井戸構造が形成され、傾斜面上には井戸幅およびバリア
幅の狭い多重量子井戸構造が形成されることになる。こ
れら２つの領域は、順メサのライン方向に沿って長い形
状を有する。

【００４２】図３（Ｃ）に示すように、順メサ構造を形
成したＧａＡｓ基板１１の表面上に、分子線結晶成長
（ＭＢＥ）により、ＧａＡｓ／Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ多
重量子井戸構造を成長する。傾斜面である（１１１）Ａ
面上に成長する層の厚さは、（１００）面上に成長する
層の厚さの約６５％となる。

【００４３】多重量子井戸構造の各層の厚さは、（１１
１）Ａ面上で垂直方向にＧａＡｓ層１８ａが約４５ｎ
ｍ、ＡｌＧａＡｓ層１８ｂが約４０ｎｍとなるように
し、多重量子井戸構造全体の厚さを約３４０ｎｍとなる
ように成長する。なお、この時、（１００）面上には、
厚さ約６９ｎｍのＧａＡｓ層１８ａと厚さ約６２ｎｍの
ＡｌＧａＡｓ層１８ｂとが形成される。

【００４４】したがって、傾斜面１５上には井戸幅の狭
い多重量子井戸構造１７ａが形成され、水平面１２ａ上
には井戸幅の広い多重量子井戸構造１７ｂが形成され
る。ただし、各バリア層１８ｂと量子井戸層１８ｂとは
これらの領域間で連続して形成される。

【００４５】その後、図３（Ｄ）に示すように、ＧａＡ
ｓ基板１１の裏面に受光面を露出するマスクを形成し、
アンモニア系のウエットエッチングによりＧａＡｓ基板
１１を選択エッチングし、多重量子井戸構造のＡｌＧａ
Ａｓ層１８ｂでエッチングをストップさせる。

【００４６】ＧａＡｓは、多重量子井戸構造内に形成さ
れる励起子の吸収光に対して不透明（吸収性）であるた
め、このようにしてＧａＡｓ基板１１を除去し、励起光
である信号光１９、制御光２０を通過できるようにす
る。その後、選択エッチングに用いたマスクは除去す
る。

【００４７】このようにして形成した多重量子井戸構造
の励起子吸収を、ポンプ・プローブ時間分解測定により
測定したところ、励起子の緩和時間として１００ｐｓｅ
ｃ程度を得た。なお、信号光１９、制御光２０の波長
は、井戸幅の狭い多重量子井戸構造１７ａの励起子エネ
ルギに合わせてある。

【００４８】このように、励起子吸収の緩和時間が短く
なった理由は、井戸幅の狭い多重量子井戸構造１７ａで
生成された励起子が、井戸幅の広い多重量子井戸構造１
７ｂに速やかに拡散したためと考えられる。

【００４９】図４は、本発明の第２の実施例による光半
導体装置を製造する製造工程を示す断面図である。図４
（Ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板１１の上にストライ
プ状のレジストパターン１３を形成し、図４（Ｂ）に示
すように、順メサエッチングを行なう。これらの工程
は、図３（Ａ）、（Ｂ）に示す工程と同様である。

【００５０】その後、図４（Ｃ）に示すように、ＧａＡ
ｓ基板１１の上に、まずＡｌＧａＡｓ／ＡｌＡｓ積層に
よる半導体ミラー層２１を形成する。この半導体ミラー
層２１は高屈折率層と低屈折率層の積層により誘電体多
層膜を形成し、所定波長の光に対して反射率を高めたも
のである。

【００５１】半導体ミラー層２１内の低屈折率層である
ＡｌＡｓ層２１ａは、たとえば厚さ約６６．５ｎｍと
し、高屈折率層であるＡｌＧａＡｓ２１ｂの厚さは、た
とえば厚さ約６７．８ｎｍとする。

【００５２】半導体ミラー層２１の形成後、ＡｌＧａＡ
ｓ／ＧａＡｓ積層を形成し、多重量子井戸構造１７を形
成する。多重量子井戸構造１７の構成は、たとえば第１
の実施例と同様とする。

【００５３】本構成においては、井戸幅の狭い多重量子
井戸構造１７ａに入射した信号光１９が吸収されなかっ
た時は、半導体ミラー層２１によって反射され、反射光
１９ｒとなって上側に出射する。

【００５４】信号光１９は、多重量子井戸構造１７によ
って吸収されるか反射されるため、ＧａＡｓ基板１１が
信号光１９に対して吸収性であってもそのまま残して構
わない。ＧａＡｓ基板１１が全面に存在するため、第１
の実施例と比べ、本実施例の構造は物理的に強度が増加
する。

【００５５】図５は、本発明の第３の実施例による光半
導体装置を製造する製造工程を示す。本実施例において
は、多重量子井戸構造をストライプ状にする代わりに、
ドット状に成形する。

【００５６】まず、図５（Ａ）に示すように、ＧａＡｓ
基板１１の表面上に正方形のレジストパターン１３を形
成する。なお、レジストパターン１３は、その辺が＜０
０１＞方向に平行になるように形成する。

【００５７】その後、アンモニア系のウエットエッチン
グを行なうことにより、上述の実施例同様、（１１１）
斜面１５を露出させる。なお、エッチングの進行と共
に、アンダカットが生じ、正方形のレジストパターン１
３の下に四角錐状のメサが形成される。なお、ＧａＡｓ
基板１１表面上には任意数の多数個のレジストパターン
１３を形成しておく。このようにして、図５（Ｂ）に示
すような断面形状を得る。

【００５８】その後、図５（Ｃ）に示すように、第２の
実施例同様、ＧａＡｓ基板１１の表面上に半導体ミラー
層２１および多重量子井戸構造１７を形成する。本実施
例においても、前述の実施例同様、斜面上では結晶成長
速度が遅いため、井戸幅の狭い多重量子井戸構造１７ａ
が形成され、（１００）水平面上には井戸幅の広い多重
量子井戸構造７ｂが形成される。

【００５９】なお、四角錐状のメサ構造を形成する場合
について説明したが、結晶構造等に応じて三角錐、六角
錐、円錐等、他の形状を採用してもよい。図６は、本発
明の第４の実施例による光半導体装置を製造するための
製造工程を示す断面図である。本実施例においては、結
晶成長時に下地表面に選択的にエネルギを与え、成長膜
厚を変化させる。選択的なエネルギの付与は、熱、電
子、光等によって行なうことができる。

【００６０】図６（Ａ）は、本実施例の第１の形態を示
す。たとえば、ガスソースＭＢＥにおいて、ＧａＡｓ基
板１１の裏面の温度を選択的に変化さ、温度の高い領域
２３と温度の低い領域２５が形成されている場合を示
す。

【００６１】Ａｌのガスソースとしてトリメチルアルミ
ニウム（ＴＭＡｌ）、Ｇａのガスソースとしてトリエチ
ルガリウム（ＴＥＧａ）、Ａｓのガスソースとしてアル
シン（ＡｓＨ₃）を用いる。

【００６２】ＴＥＡｌの分解温度は約６０℃、ＴＥＧａ
の分解温度は約３５０℃、ＡｓＨ₃の分解温度は約１１
００℃である。基板温度を全体的には３５０℃以下に
し、部分的に基板温度を３６０℃以上に加熱する。ＴＥ
Ｇａの分解温度は３５０℃以上であるため、部分的に温
度を上げたところではＴＥＧａが分解し、ＧａＡｓ、Ａ
ｌＧａＡｓが成長しやすい。

【００６３】このような温度差による成長速度の差を利
用してＧａＡｓ基板１１上に多重量子井戸構造を成長す
ると、温度が高いところには井戸幅の広い多重量子井戸
構造１７ｂが、温度の低いところには井戸幅の狭い多重
量子井戸構造１７ａが成長される。たとえば、基板温度
の変化がストライプ状に形成されると、基板表面上に交
互に井戸幅の異なったストライプ状の多重量子井戸構造
が形成される。

【００６４】なお、基板の熱伝導により温度分布は広が
りを持ちやすいため、３６０℃近傍で温度制御すること
が望ましい。基板裏面からの選択的加熱に代えて、基板
表面を高電流密度の電子ビームまたはレーザ等の光ビー
ムで照射し、選択的に温度を上昇させてもよい。

【００６５】図６（Ｂ）は、光照射により基板表面に温
度分布を形成させる方法を概略的に示す。ＧａＡｓ基板
１１は、裏面から３５０℃以下に加熱する。基板表面側
から、赤外線等の光ビーム２７を選択的に照射し、光照
射領域を３６０℃以上に加熱する。

【００６６】このようにして、基板表面に温度分布を形
成することにより、図６（Ａ）の場合同様、結晶成長速
度に差を設けて井戸幅の異なる多重量子井戸構造１７
ａ、１７ｂを成長する。

【００６７】また、光ビームによって直接反応を促進す
ることもできる。たとえば、ガスソースの分子ビームは
特定の波長の光によって分解する。半導体基板表面に選
択的に紫外線等の特定波長の光を照射すると、照射領域
において、分子の分解が促進され、結晶成長速度が増大
する。この現象を利用して、選択的に井戸幅の異なった
多重量子井戸構造を形成することもできる。

【００６８】このように、下地基板表面は平坦にしたま
ま、結晶成長速度を選択的に変化させることにより、図
６（Ｃ）に示すようにＧａＡｓ基板１１上に井戸幅の広
い多重量子井戸領域１７ｂと井戸幅の狭い多重量子井戸
領域１７ａを含む多重量子井戸構造を形成する。

【００６９】以上の実施例においては、井戸幅の狭い多
重量子井戸領域で形成された励起子は、速やかに井戸幅
の広い多重量子井戸領域に移動するため、井戸幅の狭い
多重量子井戸量内においては、励起子が速やかに消滅す
る。しかし、一旦井戸幅の広い多重量子井戸領域に移動
した励起子の消滅は従来と同様である。

【００７０】図７は、井戸幅の広い多重量子井戸領域内
での励起子消滅を促進する構成を示す。ＧａＡｓ基板１
１表面を、図３〜図５の実施例と同様に順メサ形状に加
工した後、半導体ミラー層２１、多重量子井戸構造１７
を形成する。

【００７１】（１００）面上に形成された井戸幅の広い
多重量子井戸領域１７ｂの上に、集束イオンビーム２９
を注入する。集束イオンビーム２９は、選択された領域
に位置精度高く、深く注入することができるため、井戸
幅の狭い多重量子井戸領域１７ａに接した井戸幅の広い
多重量子井戸領域１７ｂに高精度にイオン注入領域３０
を形成することができる。

【００７２】集束イオンビーム２９は、たとえばＧａ⁺
イオンを約１００ｋｅＶに加速したもので形成し、たと
えば１．５×１０¹³ｉｏｎｓ／ｃｍ²程度のドーズ量で
注入する。

【００７３】イオン注入直後には、イオン注入によって
発生した点欠陥は井戸幅の広い多重量子井戸領域１７ｂ
の全深さには達していないが、点欠陥の深さ方向への拡
散のため、再結合中心はその後深さ方向全体に形成され
る。

【００７４】このようにして、イオン注入により形成さ
れた再結合中心は、狭い井戸幅の多重量子井戸領域から
移動してきた励起子を再結合させる。集束イオンビーム
を用いる場合を説明したが、表面上にイオン注入用マス
クを形成し、マスクを介して選択的にイオン注入を行な
ってもよい。

【００７５】図８は、本発明の第６の実施例により形成
する光半導体装置の構成を示す断面図である。本実施例
においては、前述の実施例同様に、ＧａＡｓ基板１１の
表面に斜面を含むメサ形状を形成し、半導体ミラー層２
１、多重量子井戸構造１７を形成した後に、表面にマス
クを形成し、井戸幅の広い多重量子井戸領域１７ｂの中
央部に開口を形成する。

【００７６】その後、塩素系の反応性イオンビームエッ
チング（ＲＩＢＥ）を行い、井戸幅の広い多重量子井戸
領域の中央部を垂直にエッチングする。たとえば、幅約
０．５μｍの井戸幅の広い多重量子井戸領域１７ｂ中央
部に幅０．２５μｍのストライプ状のエッチング溝３２
を形成する。

【００７７】なお、このような選択エッチングは、ＲＩ
ＢＥの他、電子ビーム、集束イオンビーム等を用いて行
なってもよい。エッチングマスクの形成に干渉露光等を
用いてもよい。

【００７８】エッチングされた溝の側面には、多数の表
面準位が形成され、井戸幅の狭い多重量子井戸領域１７
ａから移動する励起子を速やかに緩和する。なお、以上
説明した実施例において、メサエッチング用のレジスト
マスクは、光露光に限らず、電子ビーム露光、集束イオ
ンビーム露光、干渉露光等を用いてもよい。このような
露光法を用いれば、パターンピッチの狭いメサパターン
を形成することが容易になる。

【００７９】また、ウエットエッチングを用いる場合、
露出すべき面は（１１１）Ａ面に限らない。形成すべき
多重量子井戸構造に応じて、（３１１）面、（２１１）
面等の他の結晶面を用いるようにしてもよい。

【００８０】また、傾斜面が形成できればウエットエッ
チングに限らず、他の方法を用いてもよい。たとえば、
エッチングの代わりに選択成長を用いることもできる。
マスクやファセットを利用した選択成長によって傾斜面
を形成できる。

【００８１】層厚の異なる多重量子井戸構造を形成する
際のパターンは、ストライプ状、ドット状に限らない。
井戸幅の狭い多重量子井戸領域で形成された励起子が、
速やかに井戸幅の広い多重量子井戸領域に移動できる形
状であればよい。たとえば井戸幅の狭い多重量子井戸領
域を井戸幅の広い多重量子井戸領域が完全に、または実
質的に囲むような形状とすることができる。

【００８２】パターンのピッチも所望の条件に応じて変
化させることができる。一般には、励起子の緩和時間お
よび多重量子井戸構造の占有面積によってパターンピッ
チを変えることができる。

【００８３】結晶成長方法、用いるエッチャント、井戸
幅等は所望の条件によって種々変更することが可能であ
る。集束イオンビーム注入を用いる場合も、イオン種は
Ｇａに限らず、種々選択することができる。

【００８４】また、イオン注入の方法やエッチングの方
法も所望の効果が得られるものであれば種々変更するこ
とができる。以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【００８５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
連続した多重量子井戸構造の量子井戸層の厚さを領域に
よって変化させることにより、励起子緩和時間の短い光
半導体装置を得ることができる。

【００８６】信号光、制御光を入射する領域は、積層の
形成後、特に加工を必要としないため、結晶性を良好に
保つことができる。励起子緩和時間は、信号光、制御光
を入射する多重量子井戸領域の寸法によって高精度に制
御することができる。

【００８７】さらに、狭い井戸幅の多重量子井戸領域か
ら移動した励起子を受け取る広い井戸幅の多重量子井戸
領域において、励起子を再結合させる構成を形成するこ
とにより、井戸幅の狭い多重量子井戸領域から井戸幅の
広い多重量子井戸領域に移動した励起子を速やかに再結
合緩和させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理説明図である。

【図２】従来例を説明するための図である。

【図３】本発明の第１の実施例による光半導体装置の製
造工程を説明するための断面図である。

【図４】本発明の第２の実施例による光半導体装置の製
造工程を説明するための断面図である。

【図５】本発明の第３の実施例による光半導体装置の製
造工程を説明するための図である。

【図６】本発明の第４の実施例による光半導体装置を製
造する製造工程を説明するための断面図である。

【図７】本発明の第５の実施例による光半導体装置の製
造工程を説明するための断面図である。

【図８】本発明の第６の実施例による光半導体装置を製
造する製造方法を説明するための断面図である。

【符号の説明】

１バリア層２量子井戸層５光吸収領域（井戸幅の狭いＭＱＷ）６緩和領域（井戸幅の広いＭＱＷ）９再結合中心（励起子再結合緩和手段）１１ＧａＡｓ基板１２（１００）面１３レジストパターン１５（１１１）面１７多重量子井戸構造１９信号光２０制御光２１半導体ミラー層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 // Ｈ０１Ｌ 21/203 Ｍ 8422−4Ｍ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子親和力が小さく、バンドギャップの
大きな第１の半導体で形成されたバリア層（１）と、電
子親和力が大きく、バンドギャップの小さな第２の半導
体で形成された量子井戸層（２）が積層され、所定波長
の光に対して可飽和吸収を示す光吸収領域（５）と、前記光吸収領域（５）のバリア層（１）と量子井戸層
（２）に連続して形成され、バリア層（１）と光吸収領
域（５）の量子井戸層より厚い量子井戸層（２）が積層
され、前記光吸収領域（５）で形成され、輸送された励
起子を消滅させる緩和領域（６）とを有する光半導体装
置。
【請求項２】前記光吸収領域（５）が下地結晶の傾斜
面の上に形成され、前記緩和領域が下地結晶の水平面の
上に形成されている請求項１記載の光半導体装置。
【請求項３】前記緩和領域（６）が、励起子を再結合
緩和させる手段（９）を有する請求項１ないし２記載の
光半導体装置。
【請求項４】下地基板の表面に傾斜角を有する面を選
択的に形成する工程と、前記表面上に多重量子井戸構造を形成する工程とを含む
光半導体装置の製造方法。
【請求項５】下地基板の表面上に選択的にエネルギを
付与しつつ、多重量子井戸構造を形成し、井戸幅の狭い
領域と井戸幅の広い領域を選択的に形成する光半導体装
置の製造方法。