JP2000012961A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体レーザに関し、量子ドット内における
高速のキャリア緩和を可能にし、動作特性を向上する。 【解決手段】 半導体レーザの活性層４を構成する量子
ドット１の伝導帯側または価電子帯側の離散化したエネ
ルギー準位の内の少なくとも一方を１つだけにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体レーザに関す
るものであり、特に、量子ドットにおけるキャリア緩和
時間を短縮するためのエネルギーポテンシャル構造に特
徴のある量子ドット半導体レーザに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザはここ２０年程度の間に着
実に進歩し高性能化されてきたが、この高性能化の原動
力は、半導体レーザの発光部分である活性層構造の進歩
である。

【０００３】即ち、１９８０年代の初期には厚さ１００
ｎｍ以上のバルク半導体層が用いられていたが、１９８
０年代半ばから厚さ１０ｎｍ程度の薄膜である所謂量子
井戸構造が用いられ、量子力学的効果、即ち、量子効果
が利用されるようになった。

【０００４】さらに、１９９０年代に入ると、量子井戸
構造に意図的に歪みを導入した歪量子井戸構造が採用さ
れはじめ、これらの技術的進歩に伴って、例えば、半導
体レーザの発振しきい値電流Ｉ_thは１００ｍＡから数ｍ
Ａ程度まで約２桁低減され、また、量子効率或いは変調
帯域幅等の特性も向上してきた。

【０００５】現在、半導体レーザのより一層の高性能化
を達成するために、活性層を半導体量子ドット或いは半
導体量子箱と呼ばれる新量子構造とする試みが始まって
いる。

【０００６】この半導体量子ドットは、キャリアを３次
元的に狭い領域に閉じ込め、そのエネルギーを完全に量
子化したものであり、この様な半導体量子ドットを活性
層に用いることによって、レーザ発振に寄与しない余分
なキャリアを減らし、効率良く光学利得を発生するもの
であり、その結果、低しきい値電流化が達成でき、ま
た、キャリアが低減することによって内部損失も低減し
て高効率化が図られ、微分利得の増大によってより高速
の変調が可能になる。

【０００７】即ち、半導体量子ドットは、キャリアに３
次元的な量子閉じ込めを与えるほど極微細なポテンシャ
ルの箱であり、この半導体量子ドットにおいてはキャリ
アの状態関数密度はデルタ関数的に離散化し、その基底
準位には２個のキャリア、例えば、伝導帯においては２
個の電子しか存在することができず、また、高次の量子
準位、即ち、励起準位にはその準位の次数に応じて複数
個の電子が存在することができる。

【０００８】この様な量子ドット構造を作製するため
に、各種の技術が提案されており、まず、微傾斜基板上
のステップにおける成長初期の横方向成長を利用する方
法、電子線を用いたリソグラフィー及びエッチングによ
る方法、マスクパターンを利用して選択成長させたピラ
ミッド型の結晶の頂部を量子ドット構造とする方法、マ
スクパターンを利用したエッチングによって形成された
正４面体状の凹部の底に量子ドット構造を作製する方法
（必要ならば、特願平７−６５４９２号参照）、或い
は、ＳＴＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌ Ｍｉｃ
ｒｏｓｃｏｐｅ）技術を応用した原子マニュピレーショ
ンの方法等がある。

【０００９】これらの方法を用いて量子ドットを作製す
る試みが１９８０年代から１９９０年代にかけて盛んに
行われてきたが、これらの量子ドットで作製した量子ド
ットには、結晶品質が悪い、サイズが大きく十分な
量子効果が得られない、或いは、密度が低い等の欠点
があり、所期の高性能な半導体レーザを実現することが
できなかった。

【００１０】ところが、最近になって、自己形成、即
ち、自己組織化という新しい結晶成長技術の発見によ
り、十分にレーザ用活性層として利用可能な量子ドット
の成長が可能になり、この様な自己組織化量子ドットを
活性層として用いた半導体レーザが報告されているの
で、この自己組織化による量子ドット半導体レーザを図
４を参照して説明する。

【００１１】図４（ａ）参照 図４（ａ）は従来の自己組織化による量子ドット半導体
レーザの概略的断面図であり、ｎ型ＧａＡｓからなる基
板３１上に、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）を用
いて、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなるクラッド層３２、Ｇａ
Ａｓからなる光閉じ込め層３３、ＩｎＧａＡｓ量子ドッ
トを含む活性層３４、ＧａＡｓからなる光閉じ込め層３
５、及び、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなるクラッド層３６を
順次エピタキシャル成長させて基本構造を構成したもの
である。

【００１２】図４（ｂ）参照 図４（ｂ）は図４（ａ）における破線の円内の領域を模
式的に拡大して示したもので、光閉じ込め層３３を構成
するＧａＡｓと格子不整合のＩｎＧａＡｓを薄く成長さ
せることによって二次元的に拡がる薄いウェッティング
層（Ｗｅｔｔｉｎｇ層：濡れ層）３７とクラスタ状の島
である量子ドット３８とからなる活性層３４が形成さ
れ、この量子ドット３８は図においては説明を簡単にす
るために１個のみ示しているが、実際にはランダムに高
密度で分布しているものである。

【００１３】即ち、ＩｎＧａＡｓ層を１乃至２原子層程
度成長させた場合には、二次元的にエピタキシャル成長
するものの、さらに結晶の弾性限界を越える臨界厚以上
に厚く堆積させた場合には、歪みエネルギーが増大する
結果、結晶学的に安定した成長になるようにＧａＡｓと
格子定数のかなり異なるＩｎ組成比の大きなＩｎＧａＡ
ｓからなる歪みの大きな量子ドット３８と、光閉じ込め
層３３を構成するＧａＡｓからのＧａの拡散によりＧａ
Ａｓに近い、即ち、Ｉｎ組成比の小さなＩｎＧａＡｓか
らなるウェッティング層３７が成長するものである。

【００１４】図４（ｃ）参照 図４（ｃ）は、量子ドット３８の近傍の伝導帯側のバン
ドダイヤグラムであり、この量子ドット３８内において
は、上述のように離散化されたエネルギー準位、即ち、
量子準位が形成される。なお、図においては、説明を簡
単にするために、基底準位３９、第２量子準位４０、及
び、第３量子準位４１を示しているが、量子ドット３８
のサイズ及び光閉じ込め層３３，３５との相対的なバン
ドギャップ差等によって形成される量子準位の数は異な
る。

【００１５】この場合、ｎ型のクラッド層３２から光閉
じ込め層３３に注入された電子４２は、拡散により量子
ドット３８を囲むウェッティング層３７に達し、量子ド
ット３８に捕獲され、レーザ発振を起こす量子準位へ
と、例えば、第３量子準位４１→第２量子準位４０→基
底準位３９へと緩和していく。

【００１６】この様な自己組織化量子ドットを活性層と
した半導体レーザにおいて、電流注入励起により室温で
のレーザ発振に成功しており、そのしきい値電流Ｉ_thと
しては、現在実用化されている歪量子井戸レーザに近い
値が報告されている。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この様な量子
ドット半導体レーザをさらに高性能化しようとする場
合、フォノンボトルネック現象という原理的な障害が存
在することが最近知られるようになってきたので、この
事情を図５を参照して説明する。

【００１８】図５（ａ）参照 まず、量子ドット３８におけるキャリアで緩和過程を伝
導帯側で考えると、量子ドット３８近傍の電子４２は、
オージェ過程によって量子ドット３８の離散化したエネ
ルギー準位、特に、第３量子準位４１等の高次の量子準
位に捕まる。なお、オージェ過程とは、二つの電子４２
が衝突して、一つの電子４２が量子ドット３８内に遷
移、即ち、緩和し、そのエネルギーをもらったもう一方
の電子４２が高いエネルギー状態に励起される過程であ
り、この場合の緩和時間τ₀ は１〜１０ｐｓ（ピコ秒）
程度と非常に高速な緩和過程である。

【００１９】図５（ｂ）参照 次いで、第３量子準位４１等の高次の量子準位に捕まっ
た電子４２は、離散化した量子準位間のエネルギー差に
相当するエネルギーを有する縦光学フォノン（ＬＯフォ
ノン）を放出しながら基底準位３９等の低次の量子準位
へ緩和していくが、この場合の緩和時間τ₀ はフォノン
ボトルネック現象のために数１００ｐｓと極めて長い値
となることが報告されており（必要ならば、Ｋ．Ｍｕｋ
ａｉ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ
Ｂ，Ｖｏｌ．５４，Ｎｏ．８，ｐｐ．５２４３−５２
４６，１９９６参照）、この様な数１００ｐｓの長い緩
和時間τ₀ では所期の優れた特性が得られないという問
題が発生する。

【００２０】即ち、半導体の伝導帯の電子の状態密度を
考えたとき、バルクや１次量子井戸では、電子の状態密
度は全てのエネルギーについて存在し連続と言えるもの
であり、より詳しく言うと、バルクにおける状態密度関
数はＥ^1/2 であり、１次量子井戸ではエネルギー値に対
するステップ関数となる。

【００２１】これに対して、量子ドット（３次元量子井
戸）のように、キャリアに対する閉じ込めの次元を上げ
ていくと状態関数密度は離散化するようになり、理想的
な量子ドットではデルタ関数的に完全に離散化すること
になり、この様な量子ドットにおける電子と正孔の再結
合を考えると、伝導帯のエネルギー最小点（直接遷移に
おいてはｋ＝０の点）にある電子が正孔（同じくｋ＝０
の点のもの）と再結合することになるが、再結合によっ
て失われた電子の状態は、より高いエネルギーの励起準
位にある電子が緩和することによって補給されるもので
あり、この緩和（遷移）に際しては主に縦型フォノン
（ＬＯ，ＬＡフォノン）の放出を伴うことになる。

【００２２】バルクや１次元量子井戸の場合には、縦型
フォノンを放出したのちの状態は、状態密度が連続的に
存在するために遷移後のエネルギー準位は必ず存在し、
遷移はいつでも起こり得るものであるのに対して、量子
ドットの場合にはエネルギー準位が３次元量子化によっ
て離散しており、しかもエネルギー幅が大きいので、丁
度縦型フォノンのエネルギー分だけ低い位置に準位がな
ければ、エネルギー保存則を満たさないので遷移ができ
ないことになる。

【００２３】この量子ドットの様にキャリアに対する閉
じ込めの次元が高い場合に、電子の遷移、或いは、エネ
ルギー緩和がフォノンの放出の確率低下のために抑制さ
れ現象をフォノンボトルネック現象といい、量子ドット
半導体レーザの特性向上のためにはできるだけフォノン
ボトルネック現象を抑制することが必要となるので、こ
の事情を図６乃至図８を参照して説明する。なお、図６
乃至図８は、本発明者が、レート方程式を解いて量子ド
ット半導体レーザの動作特性をシミュレートした結果を
グラフ化したものであり、詳細な計算方法は論文（Ｍ．
Ｓｕｇａｗａｒａ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７１，Ｎｏ．
１９，ｐｐ．２７９１〜２７９３，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，
１９９８参照）に詳しい。

【００２４】図６参照 図６は、量子ドット半導体レーザの電流−光出力特性を
示す図であり、量子準位間の緩和時間τ₀ が増大するに
連れて効率の低下としきい値電流Ｉ_thの上昇が起こるこ
とが明らかである。

【００２５】図７参照 図７は、量子ドット半導体レーザの最大光出力の緩和時
間τ₀ 依存性を示す図であり、緩和時間τ₀ の増大とと
もに、最大光出力が低下し、しまいには光出力が得られ
なくなることが明らかである。

【００２６】図８参照 図８は、変調帯域幅ｆ_3dB の緩和時間τ₀ 依存性を示す
図であり、緩和時間τ ₀ の増大とともに、変調帯域幅ｆ
_3dB が狭くなっていくことが明らかである。

【００２７】以上の結果から分かるように、しきい値電
流Ｉ_th、効率、光出力等の静的な特性を十分に引き出す
ためには、量子準位間の緩和時間τ₀ が１０ｐｓ程度以
下であることが必要になり、また、動的に１０ＧＨｚ以
上の変調をかけるためには数ｐｓの速い緩和時間τ₀ が
必要となる。

【００２８】したがって、本発明は、量子ドットにおけ
る高速のキャリア緩和を可能にし、動作特性を向上する
ことを目的とする。

【００２９】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理的構
成の説明図であり、この図１を参照して本発明における
課題を解決するための手段を説明する。なお、図１
（ａ）は、量子ドット半導体レーザの概略的断面図であ
り、また、図１（ｂ）は、活性層近傍における伝導帯側
のバンドダイヤグラムである。 図１（ａ）及び（ｂ）参照 （１）本発明は、量子ドット１を活性層４とする半導体
レーザにおいて、量子ドット１の伝導帯側または価電子
帯側の離散化したエネルギー準位の内の少なくとも一方
が１つだけであることを特徴とする。

【００３０】この様に、量子ドット１の伝導帯側または
価電子帯側の離散化したエネルギー準位、即ち、量子準
位の内の少なくとも一方が１つだけ、即ち、基底準位７
だけである場合、活性層４近傍に注入されたキャリア
は、オージェ過程で１〜１０ｐｓ程度の短い緩和時間τ
₀ で基底準位７へ緩和するので、フォノンボトルネック
現象の影響を受けることなくレーザ発振するためのキャ
リアを短い時間で補給することができ、それによって動
作特性を向上することができる。なお、本願明細書にお
いて、レーザ動作温度の熱エネルギー、即ち、ｋＴ
（ｋ：ボルツマン係数、Ｔ：絶対温度）の範囲内に存在
するエネルギー準位はまとめて一つの準位と見なすもの
である。

【００３１】この様に、量子ドット１の伝導帯側または
価電子帯側の離散化したエネルギー準位の少なくとも一
方が１つだけになるように量子ドット１を形成するため
には、量子ドット１内に高次の量子準位８，９が形成さ
れないように、バリア層となる半導体層のバンドギャッ
プを図において破線で示した状態から実線で示した状態
になるように、相対的により小さくする必要があり、そ
のためには、量子ドット１の周囲を量子ドット１のバン
ドギャップＥ_g1より若干大きなバンドギャップＥ_g を有
する低バンドギャップ層２で取り囲めば良い。

【００３２】（２）また、本発明は、上記（１）におい
て、量子ドット１が、自己形成量子ドットであり、自己
形成量子ドットを構成する量子ドット１のバンドギャッ
プをＥ_g1、ウェッティング層３のバンドギャップをＥ_g2
とした時、Ｅ_g1＜Ｅ_g ＜Ｅ_g2の関係を満たすバンドギャ
ップを有する低バンドギャップ層２を量子ドット１に接
するように設けたことを特徴とする。

【００３３】量子ドット１を所定の高密度で再現性良く
形成するためには、自己形成量子ドットを用いることが
望ましく、その場合に、上記（１）の条件を満たすため
に、Ｅ_g1＜Ｅ_g ＜Ｅ_g2の関係を満たすバンドギャップを
有する低バンドギャップ層２を量子ドット１に接するよ
うに設ける必要がある。

【００３４】（３）また、本発明は、上記（２）におい
て、量子ドット１が、直接接するように複数個近接積層
されていることを特徴とする。

【００３５】この様な量子ドット１を積層させる場合、
結晶学的に低エネルギー状態になるように、量子ドット
１上に量子ドット１が直接接するように近接積層されて
全体として大きな１個の量子ドットが得られ、この様に
複数の量子ドット１を近接積層させることによって、成
長条件で規定される個々の量子ドット１のサイズに依存
しない任意に大きさの量子ドットを形成することができ
る。

【００３６】（４）また、本発明は、上記（１）乃至
（３）のいずれかにおいて、量子ドット１が、ＩｎＧａ
Ａｓ、ＩｎＧａＮ、或いは、ＩｎＧａＰの内のいずれか
から構成されることを特徴とする。

【００３７】この様な量子ドット１をＩｎＧａＡｓ、Ｉ
ｎＧａＮ、或いは、ＩｎＧａＰの内のいずれかによって
構成することにより、優れた特性の量子ドット半導体レ
ーザを再現性良く作製することができる。

【００３８】

【発明の実施の形態】まず、本発明の第１の実施の形態
を図２を参照して説明する。 図２（ａ）参照 図２（ａ）は、本発明の第１の実施の形態の量子ドット
半導体レーザの概略的断面図であり、ｎ型ＧａＡｓ基板
１１上に、ＭＯＶＰＥ法を用いてｎ型ＡｌＧａＡｓクラ
ッド層１２、ｉ型ＧａＡｓ光閉じ込め層１３、活性層１
７、ｉ型ＧａＡｓ光閉じ込め層１８、ｐ型ＡｌＧａＡｓ
クラッド層１９、及び、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２０を
順次エピタキシャル成長させたものである。

【００３９】この場合も従来の自己組織化量子ドットを
用いた半導体レーザと同様に、活性層１７の成長過程に
おいて、ＧａＡｓの組成に近いＩｎＧａＡｓウェッティ
ング層１４が最初に形成され、次いで、層厚が厚くなる
のに連れてＩｎ組成比の大きなＩｎＧａＡｓ量子ドット
１５が島状に形成されるが、本発明の第１の実施の形態
においては、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１５の表面をＩｎ
ＧａＡｓウェッティング層１４よりバンドギャップの小
さなＩｎＧａＡｓ低バンドギャップ層１６で覆って活性
層１７を構成するものである。

【００４０】即ち、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１５のバン
ドギャップをＥ_g1、ＩｎＧａＡｓウェッティング層１４
のバンドギャップをＥ_g2、ＩｎＧａＡｓ低バンドギャッ
プ層１６のバンド・ギャップをＥ_g とした場合、Ｅ_g1＜
Ｅ_g ＜Ｅ_g2の関係を満たし、且つ、図２（ｂ）に示すよ
うに、伝導帯側の離散化されたエネルギー準位、即ち、
量子準位が基底準位２１の一つだけになるようにＩｎＧ
ａＡｓ低バンドギャップ層１６のバンド・ギャップＥ_g
を設定するものであり、その値Ｅ_g 、したがって、Ｉｎ
組成比は、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１５のＩｎ組成比、
及び、サイズ等に依存する。

【００４１】例えば、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１５は、
Ｉｎ組成比が０．５のＩｎ_0.5 Ｇａ _0.5 Ａｓからなり、
また、ＩｎＧａＡｓウェッティング層１４のＩｎ組成比
は約０．１となるので、ＩｎＧａＡｓ低バンドギャップ
層１６のＩｎ組成比は０．２程度とする。なお、この場
合には、活性層１７の構造を理解しやすいように、強調
して図示しているが、実際には、図４に示した従来の量
子ドット半導体レーザと同様の層厚関係を有するもので
あり、また、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１５は高密度で分
布しているものである。

【００４２】図２（ｂ）参照 図２（ｂ）は、活性層１７の近傍における伝導帯側のバ
ンドダイヤグラムであり、図に示すように、ＩｎＧａＡ
ｓ量子ドット１５内における量子準位が一つである時、
即ち、基底準位２１のみである場合、活性層１７の近傍
に注入された電子２２は、オージェ過程で１〜１０ｐｓ
程度の短い緩和時間τ₀ で基底準位２１へ緩和するの
で、フォノンボトルネック現象の影響を受けることなく
レーザ発振するための電子を短い時間で補給することが
できる。

【００４３】この様に、本発明の第１の実施の形態にお
いては、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１５に接するようにＥ
_g1＜Ｅ_g ＜Ｅ_g2の関係を有するＩｎＧａＡｓ低バンドギ
ャップ層１６を設けているので、ＩｎＧａＡｓ量子ドッ
ト１５内に形成される量子準位を１つだけにすることが
でき、それによってフォノンボトルネック現象の影響を
受けることがないのでキャリアの高速緩和が可能にな
り、量子ドット半導体レーザの高性能化が可能になる。

【００４４】次に、図３を参照して本発明の第２の実施
の形態を説明する。 図３参照 図３は、本発明の第２の実施の形態の量子ドット半導体
レーザの概略的断面図であり、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上
に、ＭＯＶＰＥ法を用いてｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
１２、ｉ型ＧａＡｓ光閉じ込め層１３、活性層２３、ｉ
型ＧａＡｓ光閉じ込め層１８、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッ
ド層１９、及び、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２０を順次エ
ピタキシャル成長させたものである。

【００４５】この場合も、第１の実施の形態の量子ドッ
ト半導体レーザと同様に、活性層２３の成長過程におい
て、ＧａＡｓの組成に近いＩｎＧａＡｓウェッティング
層１４が最初に形成され、次いで、層厚が厚くなるのに
連れてＩｎ組成比の大きなＩｎＧａＡｓ量子ドット１５
が島状に形成され、このＩｎＧａＡｓ量子ドット１５の
表面をＩｎＧａＡｓウェッティング層１４よりバンドギ
ャップの小さなＩｎＧａＡｓ低バンドギャップ層１６で
覆うものであるが、この本発明の第２の実施の形態にお
いては、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１５が互いに直接接す
るように近接積層させたものである。

【００４６】この場合、上部のＩｎＧａＡｓ量子ドット
１５を形成する際の下地層となるＩｎＧａＡｓ低バンド
ギャップ層１６とＩｎＧａＡｓ量子ドット１５の格子定
数は異なるので、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１５の上に重
なるように縦方向に整列した量子ドット列が形成され
る。なお、この場合にも、活性層２３の構造を理解しや
すいように、強調して図示しているが、実際には、図４
に示した従来の量子ドット半導体レーザと同様の層厚関
係を有するものであり、また、ＩｎＧａＡｓ量子ドット
１５或いは量子ドット列は高密度で分布しているもので
ある。

【００４７】また、図においては、５個のＩｎＧａＡｓ
量子ドット１５を重ねた状態を示しており、この様に複
数のＩｎＧａＡｓ量子ドット１５を互いに直接接するよ
うに近接積層させることにより全体として１個の大きな
量子ドットとして機能することになり、個々のＩｎＧａ
Ａｓ量子ドット１５の大きさは成長条件で規定されるも
のの、この様な構成を採用することによって任意のサイ
ズの量子ドットを人為的に形成することができる。

【００４８】この第２の実施の形態においても、ＩｎＧ
ａＡｓ量子ドット１５のバンドギャップをＥ_g1、ＩｎＧ
ａＡｓウェッティング層１４のバンドギャップをＥ_g2、
ＩｎＧａＡｓ低バンドギャップ層１６のバンド・ギャッ
プをＥ_g とした場合、 Ｅ_g1＜Ｅ_g ＜Ｅ_g2 の関係を満たすように設定しており、個々のＩｎＧａＡ
ｓ量子ドット１５は相対的にバンドギャップの小さなＩ
ｎＧａＡｓ低バンドギャップ層１６によって周囲が囲ま
れているので、全体として１個の大きな量子ドットのバ
リアの高さ、即ち、エネルギー障壁が低くなり、形成さ
れる量子準位は基底準位のみとなるので、フォノンボト
ルネック現象の影響を受けることがなく、キャリアの高
速緩和が可能になる。

【００４９】以上、本発明の各実施の形態を説明してき
たが、各実施の形態で説明した構造及び材料に限られる
ものではなく、各種の変更が可能であり、例えば、上記
の量子ドット半導体レーザにおいては、１μｍ帯半導体
レーザを形成するために活性層、即ち、量子ドットを構
成するための格子不整合系の半導体層としてＩｎ組成比
が０．５のＩｎ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓ組成のＩｎＧａＡｓ量
子ドットが形成される様にガスの流量比を制御している
が、Ｉｎ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓ組成のＩｎＧａＡｓ量子ドッ
トに限られるものではなく、Ｉｎ組成比が０．２〜０．
７の範囲であれば良く、その場合のＩｎＧａＡｓウェッ
ティング層のＩｎ組成比はＩｎＧａＡｓ量子ドットのＩ
ｎ組成比より０．２以上小さくなり、その値に応じてＩ
ｎＧａＡｓ低バンドギャップ層のＩｎ組成比を設定すれ
ば良い。

【００５０】また、格子不整合系の半導体層中に散点状
に形成される自己組織化量子ドットはＩｎＧａＡｓ系で
典型的に生ずるものであるが、格子不整合系の半導体層
上に散点状に形成される量子ドットはその他の半導体系
において多く見られる構造であり、したがって、量子ド
ットはＩｎＧａＡｓ量子ドットに限られるものでなく、
Ｎを含むＩｎＧａＡｓＮ量子ドット或いはＩｎＧａＰ量
子ドットであっても良く、例えば、ＩｎＧａＮ量子ドッ
トの場合には、発振が困難であった青色半導体レーザ等
の可視半導体レーザを量子ドットの量子効果によって発
振を容易にすることが期待できる。

【００５１】例えば、サファイア基板上に、ＧａＮバッ
ファ層、ｎ型ＧａＮバッファ層、及び、ｎ型Ｉｎ_0.1 Ｇ
ａ_0.9 Ｎ層を介してｎ型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層
及びｎ型ＧａＮ光ガイド層を成長させ、次いで、ＴＭ
Ｉ、ＴＥＧ、及び、ＮＨ₃ を供給してＩｎＧａＮ層を成
長させることによって、薄いＩｎＧａＮ層上にＩｎＧａ
Ｎ量子ドットを形成する。

【００５２】即ち、この場合には、ＩｎＧａＮ層の厚さ
が結晶の弾性限界を越えない厚さまでは、薄いＩｎＧａ
Ｎ層がウェッティング層として二次元的に成長し、厚さ
が結晶の弾性限界に達した時点で三次元的成長が始ま
り、ＩｎＧａＮ量子ドットがウェッティング層の上に散
点状に形成されることになる。

【００５３】次いで、低バンドギャップ層として、Ｉｎ
ＧａＮ量子ドットのバンドギャップより若干大きなＩｎ
ＧａＮ層を成長させたのち、ｐ型ＧａＮ光ガイド層、ｐ
型Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎクラッド層、及び、ｐ型ＧａＮコ
ンタクト層を設け、最後に、ｎ側電極及びｐ側電極を設
けて可視半導体レーザを構成すれば良い。

【００５４】この場合の量子ドットはＩｎＧａＮに限ら
れるものではなく、ＩｎＧａＡｓＮであっても良く、所
望する波長に応じて組成比を変えれば良く、その組成比
の変化に応じて低バンドギャップ層、光ガイド層、及
び、クラッド層の組成比を変えれば良い。

【００５５】また、量子ドットをＩｎＧａＰ量子ドット
で形成する場合には、構成不整合の下地層としてＧａＡ
ｓ層を用いれば良く、他の構成は本発明と同様に形成す
れば良く、ＩｎＧａＡｓ系に比べて短波長化が可能にな
る。

【００５６】また、本発明の各実施の形態においては、
量子ドットを格子不整合の下地半導体層を用いて自己形
成しているが、量子ドットの形成方法はこの様な自己形
成法に限られるものではなく、上記において説明した微
細加工技術を用いて形成した量子ドットを用いても良い
ものであり、量子ドットのバリア層となる層を量子ドッ
ト内に形成される量子準位が１つのみとなるように低バ
ンドギャップ層で構成すれば良い。

【００５７】また、本発明の各実施の形態の説明におい
ては、伝導帯側のバンド構造しか説明していないもの
の、価電子帯側でもほぼ同様の量子準位が形成されてい
るものであり、少なくとも、伝導帯側或いは価電子帯側
の量子準位の少なくとも一方が１個のみであれば良いも
のであるが、伝導帯側及び価電子帯側の両方における量
子準位が各１個であればより効果が大きくなる。

【００５８】なお、この場合、量子準位が１個のみと
は、レーザ動作温度における熱エネルギーｋＴの範囲内
に複数の量子準位が存在しても、これらの複数の量子準
位間のキャリアの遷移の際に、エネルギー保存則を満た
すフォノンの放出が容易であり、したがって、フォノン
ボトルネック現象が抑制されるので、これらをまとめて
１つの準位とするものである。

【００５９】

【発明の効果】本発明によれば、量子ドット内に形成さ
れる量子準位を１個のみとしているので、フォノンボト
ルネック現象の影響を受けることがなくキャリアの緩和
速度が速くなり、したがって、量子化効果による所期の
温度特性の改善が可能になるので、高性能な半導体レー
ザの実現に寄与するところが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理的構成の説明図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態の説明図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態の説明図である。

【図４】従来の量子ドット半導体レーザの説明図であ
る。

【図５】従来の量子ドットにおける緩和時間の説明図で
ある。

【図６】量子ドット半導体レーザにおける電流−光出力
特性の説明図である。

【図７】量子ドット半導体レーザにおける最大光出力の
緩和時間依存性の説明図である。

【図８】量子ドット半導体レーザにおける変調帯域幅の
緩和時間依存性の説明図である。

【符号の説明】

１ 量子ドット ２ 低バンドギャップ層 ３ ウェッティング層 ４ 活性層 ５ 高バンドギャップ層 ６ 高バンドギャップ層 ７ 基底準位 ８ 高次の量子準位 ９ 高次の量子準位 １１ ｎ型ＧａＡｓ基板 １２ ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層 １３ ｉ型ＧａＡｓ光閉じ込め層 １４ ＩｎＧａＡｓウェッティング層 １５ ＩｎＧａＡｓ量子ドット １６ ＩｎＧａＡｓ低バンドギャップ層 １７ 活性層 １８ ｉ型ＧａＡｓ光閉じ込め層 １９ ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層 ２０ ｐ型ＧａＡｓキャップ層 ２１ 基底準位 ２２ 電子 ２３ 活性層 ３１ 基板 ３２ クラッド層 ３３ 光閉じ込め層 ３４ 活性層 ３５ 光閉じ込め層 ３６ クラッド層 ３７ ウェッティング層 ３８ 量子ドット ３９ 基底準位 ４０ 第２量子準位 ４１ 第３量子準位 ４２ 電子

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 量子ドットを活性層とする半導体レーザ
   において、前記量子ドットの伝導帯側または価電子帯側
   の離散化したエネルギー準位の少なくとも一方が１つだ
   けであることを特徴とする半導体レーザ。
2. 【請求項２】 上記量子ドットが、自己形成量子ドット
   であり、前記自己形成量子ドットを構成する量子ドット
   のバンドギャップをＥ_g1、ウェッティング層のバンドギ
   ャップをＥ_g2とした時、Ｅ_g1＜Ｅ_g ＜Ｅ_g2の関係を満た
   すバンドギャップを有する低バンドギャップ層を前記量
   子ドットに接するように設けたことを特徴とする請求項
   １記載の半導体レーザ。
3. 【請求項３】 上記量子ドットが、直接接するように複
   数個近接積層されていることを特徴とする請求項２記載
   の半導体レーザ。
4. 【請求項４】 上記量子ドットが、ＩｎＧａＡｓ、Ｉｎ
   ＧａＮ、或いは、ＩｎＧａＰの内のいずれかから構成さ
   れることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に
   記載の半導体レーザ。