JP2001223439A - 量子素子の構造および製造方法 - Google Patents

量子素子の構造および製造方法

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JP2001223439A
JP2001223439A JP2000031387A JP2000031387A JP2001223439A JP 2001223439 A JP2001223439 A JP 2001223439A JP 2000031387 A JP2000031387 A JP 2000031387A JP 2000031387 A JP2000031387 A JP 2000031387A JP 2001223439 A JP2001223439 A JP 2001223439A
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Takeshi Kawabata
武 川畑
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 量子ドットのサイズ、形状および配列の形態
をコントロールするとともに、量子ドット間を透明絶縁
体で隔てることにより、しきい電流値が低く、かつ効率
のよいレ−ザ−、面発光レ−ザ−あるいは発光ダイオ−
ド素子を作製すること。 【解決手段】 C成分からなる厚さT2の11n型クラ
ッド層の上に、D成分からなる、2マトリックス中に埋
った形態で、A成分からなる1量子ドットを、リソグラ
フィ法およびエッチング法を用いて、直径Dqd、高さT
qdの円柱体の形状で、サイズ、位置および分布密度を制
御して形成する。この上面に、B成分からなる10p型
クラッド層を、厚さT1堆積させ、単位発光層を形成す
る。2層以上の構造の場合、各単位層の間には、6キャ
リア生成体と7導光体からなる、12境界層を設ける。
この単位層を、量子ドットの位置を一致させるように1
〜50層重ねた多重構造を作成することにより発光層
(図1、図2、図3、図4および図5)を形成し、この
発光層を図6、図7および図8に示した構造の発光素子
に組み込む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、量子ドットのサイ
ズ、配列および単位面積当たりの個数(密度)を最適な
形態に制御するとともに、量子ドットを透光性のある絶
縁材料で隔てた構造とすることにより、高特性の発光素
子あるいは発光レーザー素子を作製する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来は、A、C成分からなる基板上に、
スパッター等を用いて、A成分からなる量子ドットのク
ラスターを自然に形成するままの無秩序に配列させ、こ
の上にC成分からなるクラッド層を堆積させることによ
り、量子ドットがマトリックス中に埋め込んだ形態を作
製していた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来の量子ドットの作
製方法では、量子ドットのサイズ、配列および個数密度
を制御出来ないために、レーザー光の波長が広い分布を
もち、発振に必要なしきい電流値が高くなるとともに、
発振自体も不安定になるという欠点があった。
【0004】本発明は、量子ドットのサイズ、位置およ
び個数密度を制御して作成すること、ならびに、量子ド
ットを絶縁体に埋め込み、量子ドットの上下を、p型半
導体およびn型半導体により挟む、請求項1に記載した
構造を持ち、かつ、請求項2に記載したA、B、C、
D、および、E成分の材料で作製した発光層を、図6に
示した発光レーザー素子、図7に示した発光ダイオード
素子、および、図8に示した面発光レ−ザ−素子に組み
込むことにより、特定波長の光を低いしきい電流値で安
定に発生させることを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明では、図6および図7に示した、61負電
極、30基板、40第1クラッド層を作成し、その上
に、図1(または、図2、図3、図4、あるいは、図
5)に示した、C成分からなる11n型クラッド層を、
モレキュラー・ビーム・エピタキシ(MBE)法により
堆積(第1工程)させ、その上に、D成分からなる、透
明絶縁体の2マトリックスを堆積(第2工程)させ、こ
の透明絶縁体に量子ドット用の穴を、サイズをそろえて
等しい間隔で、リソグラフィ法およびエッチング法を用
いて作成(第3工程)し、この穴に、MBE法とスパッ
ター法により、A成分を埋め込み(第4工程)、1量子
ドットとし、その上に、B成分からなる10p型クラッ
ド層を堆積(第5工程)することより、量子ドット単位
層を形成し、単位層間には、6キャリア生成体と7導光
体からなる12境界層(第6工程)を設け、この量子ド
ット単位層を、1層、あるいは、量子ドット単位層+境
界層を2〜50層積層(第7工程)して、発光層を構成
する。
【0006】
【発明の実施の形態】上記のように、形状、サイズ、位
置および個数を制御した量子ドットを含む層状構造の発
光素子を作製するためには、第1に、形状、サイズ、位
置および個数を制御して、量子ドット充填用穴をマトリ
ックス上に作成すること、第2に、この穴にA成分を充
填して量子ドットを形成すること、第3に、量子ドット
の位置と、導光体およびキャリア生成体の、サイズおよ
び位置を制御して、多層構造を作成することが重要であ
る。
【0007】図6に示した、レーザー素子の構造につい
て、図面を参照して説明する。(a)は正面図、および
(b)は側面図である。40第1クラッド層、41第2
クラッド層、42第3クラッド層、および、4第4クラ
ッド層は、導光路を兼ねており、発光層を取り囲むよう
に位置している。発光するのは、請求項1で、2マトリ
ックスと記述した、1量子ドットを含むn(1≦n≦5
0)層からなる発光層である。1量子ドットを含む2マ
トリックス、11n型および10p型クラッド層、およ
び、12境界層の構造およびその製造方法が、本発明の
主体である。その上には41第2クラッド層、60正電
極および70ヒートシンクが順次位置している。クラッ
ド層と正電極との間には、スリットの部分を幅Wだけ分
断した形の50絶縁層がある。発光領域の片側は91全
反射鏡膜に、その反対側は、90半透過鏡膜になってい
て、発振したレーザー光は矢印の方向に放射される。6
1負電極は最下面に設けてある。
【0008】図7に示した、発光ダイオード素子の構造
について、図面を参照して説明する。図は(a)正面図
である。30基板には、後加工により直径Wの光の取り
だし口が設けてある。基板の上には40第1クラッド層
があり、その上に42第3クラッド層、および、43第
4クラッド層に囲まれた形で、11n型クラッド層、1
量子ドット、2マトリックス、10p型クラッド層、お
よび、12境界層からなる円筒形をした発光層がある。
発光層は、本発明の主体であり、厚さTの単位層がn
(1≦n≦50)個積層された構造を持つ、レーザー素
子の構造におけるそれと等しい形態になっている。その
上に41第2クラッド層、50絶縁層、60正電極およ
び70ヒートシンクが位置している。50絶縁層の中央
には、直径Wの円形の穴が明いていて、60正電極が、
41第2クラッド層2に連結している。61負電極は一
番下部に位置している。
【0009】図8に示した、面発光レ−ザ−素子の構造
について、図面を参照して説明する。周囲を、50絶縁
層で囲んだ発光層を、10p型クラッド層および11n
型クラッド層で挟み、上部には、80p型多層膜反射
鏡、86p側Si/SiO2積層反射鏡、および、60
正電極、ならびに、下部には、81n型多層膜反射鏡、
87n側Si/SiO2積層反射鏡、および、61負電
極を組み込んだ形態を持ち、n側Si/SiO2積層反
射鏡は、n型基板に埋め込まれており、光は、径Wの窓
から下方に放射される。
【0010】
【実施例】表1に実施例を示す。素子構造の欄に記載し
た、図6および図8は、それぞれ、レ−ザ−素子および
面発光レ−ザ−素子を意味し、図7は、発光ダイオード
素子を意味する。発光層の構造の欄に記載された、図
1、図2、図3、図4、および、図5は、それぞれの図
に示された発光層の構造を示す。B成分およびC成分の
欄に記載された、p−およびn−の表記は、p型および
n型キャリアを高濃度生成する元素を添加した、各半導
体を意味する。結果の欄に、最良、優良および良好とあ
るのは、発光に必要なしきい値電流密度が、それぞれ、
0.001〜0.1mA/μm2、0.1〜1mA/μ
2、および、1〜10mA/μm2であったことを示
す。
【0011】
【表1】
【0012】
【発明の効果】本発明は、以上に説明したように、量子
ドットとマトリックス、これらを挟む上下の各クラッド
層を単位層として、単位層の間に、境界層を挟んだ、n
多重層からなる発光層が作成してあるので、レーザー光
を、しきい電流値を低く、また、効率よく発振させるこ
とができた。また、発光素子として使用した場合におい
ても、しきい電流値が低くなった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明で使用した発光層1の構造を示す。透明
絶縁体からなる2マトリックスに埋った1量子ドットを
含む層が、上の10p型クラッド層と、下の11n型ク
ラッド層に挟まれた形態で発光単位層を構成しており、
発光層は、この単位層がn層積層されていて、単位層間
には、6キャリア生成体と7導光体からなる、12境界
層を設けてある。(a)は正面図、(b)は側面図であ
る。
【図2】本発明で使用した発光層2の構造を示す。透明
絶縁体からなる2マトリックスに埋った1量子ドットを
含む層が、上の10p型クラッド層と、下の11n型ク
ラッド層に挟まれた形態で発光単位層を構成している。
発光層は、この単位層がn層積層されていて、単位層間
には、透明絶縁体からなる3導光体層に、円形の6キャ
リア生成体を配列した形態を持つ、12境界層を設けて
ある。(a)は正面図、(b)は側面図である。
【図3】本発明で使用した発光層3の構造を示す。透明
絶縁体からなる2マトリックスに埋った1量子ドットを
含む層が、上の10p型クラッド層と、下の11n型ク
ラッド層に挟まれた形態で発光単位層を構成している。
発光層は、この単位層がn層積層された構成であり、単
位層間には、8キャリア生成層に、透明絶縁体からなる
円形の7導光体が埋め込まれた形態を持つ、12境界層
を設けてある。(a)は正面図、(b)は側面図であ
る。
【図4】本発明で使用した発光層4の構造を示す。透明
絶縁体からなる2マトリックスに埋った1量子ドットを
含む層が、上の10p型クラッド層と、下の11n型ク
ラッド層に挟まれた形態で発光単位層を構成している。
発光層は、この単位層がn層積層された構造を持つ。単
位層間には、透明絶縁体の3導光体層中に、1辺Wtの
四辺形形状を持つ、6キャリア生成体を配列した、12
境界層が設けてある。(a)は正面図、(b)は側面図
である。
【図5】本発明で使用した発光層5の構造を示す。透明
絶縁体からなる2マトリックスに埋った1量子ドットを
含む層が、上の16n型クラッド層と、下の同じく11
n型クラッド層に挟まれた形態で発光単位層を構成して
いる。発光層は、この単位層がn層積層された構造を持
つ。単位層間には、帯状形状の透明絶縁体の7導光体
と、6キャリア生成体を配列した、12境界層が設けて
ある。(a)は正面図、(b)は側面図である。
【図6】本発明の実施例で作製したレーザー素子の構造
である。(a)は正面図、(b)は側面図である。
【図7】本発明の実施例で作製した発光ダイオード素子
の構造である。(a)は正面図を示す。
【図8】本発明の実施例で作製した面発光レーザー素子
の構造である。
【符号の説明】
1 量子ドット、 2 マトリックス、 3 導光体層 6 キャリア生成体 7 導光体 10 p型クラッド層 11 n型クラッド層 12 境界層 16 上部n型クラッド層 30 基板 40 第1クラッド層 41 第2クラッド層 42 第3クラッド層 43 第4クラッド層 50 絶縁層 60 正電極 61 負電極 70 ヒートシンク 80 p型多層膜反射鏡 81 n型多層膜反射鏡 86 p側Si/SiO2積層反射鏡 87 n側Si/SiO2積層反射鏡 90 半透膜 91 全反射鏡膜

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 図1に示すように、発光層の構造は、下
    側から、T2の厚さの、電子の移動速度の大きい、n型
    半導体(C成分)からなる、11n型クラッド層を、モ
    レキュラー・ビーム・エピタキシ(Molecular Beam Epi
    taxy;MBE)法により、堆積させる第1の工程、この
    上に、光学的に透明な絶縁体からなる、2マトリックス
    (D成分)を厚さTqd(0.7〜10nm)堆積する第
    2の工程、これに、リソグラフィ法とエッチング法を用
    いて、直径Dqd(≒Tqd:0.7〜10nm)の量子ド
    ット用の穴を、幅方向のピッチP1で、m1個、幅Wの
    間に配置し、長手方向のピッチP2で、m2個、長さL
    の距離に配列して設ける第3の工程、この穴に、半導体
    (A成分)からなる材料を埋めて、1量子ドットを作成
    する第4の工程、その上に、正孔の移動速度の大きい、
    p型半導体(B成分)からなる、10p型クラッド層
    を、厚さT1堆積させる第5の工程(単層の場合、以上
    の工程が、発光層を形成する)、多層の場合、その上
    に、次の単位層との境界に、各キャリア(電子および正
    孔)を生成する良導体の、12境界層を作成する第6の
    工程、以上のようにして形成した単位層と境界層の積層
    を、量子ドットの位置を一致させるようにn層(2≦n
    ≦50)重ねた構造を持つ発光層を作成する第7の工程
    を含むことを特徴とし、この発光層を、図6および図7
    に示した構造に組み込み、それぞれ発光レーザー素子お
    よび発光ダイオード素子を作製する方法。境界層は、図
    2に示すように、光学的に透明な絶縁体からなる、厚さ
    cfの、3導光体層(D成分)に、直径Dcfの、6キャ
    リア生成体(E成分)を埋め込む形態、あるいは、図3
    に示すように、厚さTcfの、8キャリア生成層(E成
    分)に、直径Dtの光学的に透明な絶縁体からなる、7
    導光体(D成分)を埋め込む形態を持つ、12境界層、
    あるいは、図4に示すように、6キャリア生成体(E成
    分)と7導光体(D成分)を、直線的な境界で、モザイ
    ク状に配置した形態を持つ、12境界層、あるいは、図
    5に示すように、直線的な帯状形態をもつ、厚さT
    cfの、6キャリア生成体(E成分)と7導光体(D成
    分)からなる、12境界層であってもよい。発光層が多
    層からなる発光ダイオード素子の場合には、図2、図
    3、図4、および、図5に示す構造のものを使用する。
  2. 【請求項2】 A成分として、Si、ZnSe、GaA
    s、InGaAs、InP、GaN、InP、InS
    b、CdS、ZnS、InAs、および、CdSe、B
    成分として、正孔の移動速度の大きい、p型半導体であ
    る、p−ZnCdSe、p−ZnCdS、p−GaIn
    N、p−SiGe、p−GaInP、および、p−Ga
    AsP、C成分として、電子の移動速度の大きい、n型
    半導体である、n−ZnCdSe、n−ZnCdS、n
    −AlGaIn、n−GaAs、n−GaAsP、n−
    GaInN、および、n−AlGaAs、D成分とし
    て、透光性が優れているとともに、比較的に光学的屈折
    率の大きい材料である、Al 23、SiO2、および、
    CaF2、ならびに、E成分として、CuおよびAuを
    使用して、請求項1に記載した構造を持つ発光層を組み
    込んだ、発光レーザー素子(図6および図8)および発
    光ダイオード素子(図7)を作製する方法。
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