JP2010219476A - Light emitting device - Google Patents

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海智 宋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a light emitting device having a forbidden band width of an active layer whose temperature variation is reduced. <P>SOLUTION: The light emitting deice includes an active layer provided with a quantum dot formed of a first material whose forbidden band width becomes wider with temperature rise, and a barrier layer formed of a second material whose forbidden band width becomes narrower with temperature rise and having the quantum dot embedded therein. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、発光装置に関する。   The present invention relates to a light emitting device.

光通信においては、その伝送路である光ファイバの損失が小さい波長1.3μmから1.6μmの領域で発光する半導体レーザが、光源として用いられる。このような半導体レーザはInGaAsPによって形成され、信頼性を含め良好な特性を有している。   In optical communication, a semiconductor laser that emits light in a wavelength region of 1.3 μm to 1.6 μm where the loss of an optical fiber that is a transmission path is small is used as a light source. Such a semiconductor laser is formed of InGaAsP and has good characteristics including reliability.

一方、伝送される情報量が膨大になるにつれて、従来の1個の波長を使う光通信から、多数の波長を使う波長多重通信(wavelength division multiplexing; WDM)が用いられるようになっている。   On the other hand, as the amount of information to be transmitted becomes enormous, wavelength division multiplexing (WDM) using a large number of wavelengths has been used instead of the conventional optical communication using a single wavelength.

波長多重通信(WDM)で用いられる半導体レーザには、ファブリペロー(Fabry-Perot; FP)レーザと、分布帰還型(distributed feedback; DFB)レーザがある。   Semiconductor lasers used in wavelength division multiplexing (WDM) include a Fabry-Perot (FP) laser and a distributed feedback (DFB) laser.

FPレーザは、波長間隔が広いCWDM(coarse wavelength division multiplexing)に用いられる。一方、DFBレーザは、波長間隔が狭いDWDM(dense wavelength division multiplexing)及びCWDMの双方で用いられる。   The FP laser is used for CWDM (coarse wavelength division multiplexing) with a wide wavelength interval. On the other hand, the DFB laser is used in both DWDM (dense wavelength division multiplexing) and CWDM where the wavelength interval is narrow.

特開平8−316578号公報JP-A-8-316578 特開平9−219561号公報JP-A-9-219561

WDMにとって、光源の波長が一定せず、時間と共に変化することは好ましくない。しかし、半導体レーザの発光波長(発光素子から出射する光の波長)は、素子温度の変動によって変化する。   For WDM, it is not preferable that the wavelength of the light source is not constant and changes with time. However, the emission wavelength of the semiconductor laser (the wavelength of light emitted from the light emitting element) varies depending on the variation of the element temperature.

例えば、FPレーザの発光波長は、その活性層の禁制帯幅が素子温度の変化によって変動すると、変化する。例えば、FPレーザの発光波長は、発光波長1.3μmの近傍では、約0.5nm/Kという大きな割合で変化する。   For example, the emission wavelength of the FP laser changes when the forbidden band width of the active layer fluctuates due to changes in element temperature. For example, the emission wavelength of the FP laser changes at a large rate of about 0.5 nm / K near the emission wavelength of 1.3 μm.

このような発光波長の温度変化は、FPレーザをペルチエ素子に搭載して温度制御することによって回避することができる。しかし、FPレーザを光源とする光送信装置にペルチエ素子やその制御ユニットを設けることには、装置の構成を複雑にするという問題がある。   Such temperature change of the emission wavelength can be avoided by mounting the FP laser on the Peltier element and controlling the temperature. However, providing a Peltier element and its control unit in an optical transmission device that uses an FP laser as a light source has a problem of complicating the configuration of the device.

一方、DFBレーザの発光波長は、その回折格子が設けられた光ガイド層の屈折率が素子温度の変化によって変動すると、変化する。しかし、光ガイド層の屈折率の温度変化は、活性層の禁制帯幅の温度変化に比べ格段に小さい。このため、DFBレーザの発光波長の温度変化は、FPレーザの発光波長の温度変化に比べ格段に小さくなる。しかし、DFBレーザには、その製造工程が複雑であるという問題がある。   On the other hand, the emission wavelength of the DFB laser changes when the refractive index of the light guide layer provided with the diffraction grating fluctuates due to a change in element temperature. However, the temperature change of the refractive index of the light guide layer is much smaller than the temperature change of the forbidden band width of the active layer. For this reason, the temperature change of the emission wavelength of the DFB laser is much smaller than the temperature change of the emission wavelength of the FP laser. However, the DFB laser has a problem that its manufacturing process is complicated.

また、素子温度が変化すると、DFBレーザの利得帯域は、回折格子の周期で決まる発光波長から解離しようとする。このため、DFBレーザの利得帯域は、広いことが好ましい。しかし、DFBレーザの利得帯域を広くすると、DFBレーザの発光効率が低くなるという問題がある。   When the element temperature changes, the gain band of the DFB laser tends to dissociate from the emission wavelength determined by the period of the diffraction grating. For this reason, it is preferable that the gain band of the DFB laser is wide. However, when the gain band of the DFB laser is widened, there is a problem that the light emission efficiency of the DFB laser is lowered.

このように、半導体レーザの発光波長の温度変化を小さくしようとすると、種々の問題が発生する。   As described above, various problems occur when an attempt is made to reduce the temperature change of the emission wavelength of the semiconductor laser.

しかし、禁制帯幅の温度変化が小さい材料によって活性層を形成することができれば、これらの問題に直面することなしに、半導体レーザの発光波長の温度変化を小さくすることができる。   However, if the active layer can be formed of a material having a small band gap temperature change, the temperature change of the emission wavelength of the semiconductor laser can be reduced without facing these problems.

そこで、本発明の目的は、活性層の形成に従来用いられていたInGaAsP等の材料より、禁制帯幅の温度変化が小さい材料層によって活性層(発光層)が形成された半導体発光デバイスを提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device in which an active layer (light emitting layer) is formed by a material layer having a temperature change of the forbidden band width smaller than that of a material such as InGaAsP conventionally used for forming an active layer. It is to be.

尚、禁制帯幅が温度によって変化しないHg0.4Cd0.6TeやGaInTlPを用いて、半導体レーザの活性層を形成することが提案されている(特許文献1及び2)。 It has been proposed to form an active layer of a semiconductor laser using Hg 0.4 Cd 0.6 Te or GaInTlP whose band gap does not change with temperature (Patent Documents 1 and 2).

しかし、これらの半導体レーザには、その形成に用いられる基板が特殊であるという問題や、その製造自体が困難であるという問題がある。このため、これら半導体レーザは、未だに実用化されていない。   However, these semiconductor lasers have a problem that the substrate used for the formation thereof is special and that the manufacture itself is difficult. For this reason, these semiconductor lasers have not yet been put into practical use.

上記の目的を達成するために、本発光装置の第1の側面は、温度が上昇すると禁制帯の幅が広くなる第1の材料で形成された量子ドットと、温度が上昇すると禁制帯の幅が狭くなる第2の材料で形成され、前記量子ドットを埋め込む障壁層とを有する活性層を具備する発光装置である。   In order to achieve the above object, the first aspect of the light emitting device includes a quantum dot formed of a first material whose width of the forbidden band is widened when the temperature is increased, and a width of the forbidden band when the temperature is increased. Is a light emitting device including an active layer formed of a second material that becomes narrow and having a barrier layer in which the quantum dots are embedded.

また、本発光装置の第2の側面は、Hg1−yCdTe(0.4<y<0.6)で形成された量子ドットを有する活性層を具備する発光装置である。 The second side surface of the present light emitting device is a light emitting device including an active layer having quantum dots formed of Hg 1-y Cd y Te (0.4 <y <0.6).

本発光装置によれば、発光層の禁制帯幅の温度変化を、従来の発光装置より小さくすることができる。   According to this light emitting device, the temperature change of the forbidden band width of the light emitting layer can be made smaller than that of the conventional light emitting device.

実施の形態1の半導体レーザを形成する活性層の一部を拡大した断面図である。FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a part of an active layer that forms the semiconductor laser according to the first embodiment. 実施の形態2の半導体レーザを形成する活性層の一部を拡大した断面図である。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of a part of an active layer forming a semiconductor laser according to a second embodiment. 実施の形態3の半導体レーザを形成する活性層の一部を拡大した断面図である。FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a part of an active layer forming a semiconductor laser according to a third embodiment. 実施例1の半導体レーザの構成を説明する平面図である。1 is a plan view illustrating a configuration of a semiconductor laser according to Example 1. FIG. 図4のv-v線に於ける断面を、矢印の方向から見た図である。It is the figure which looked at the cross section in the vv line | wire of FIG. 4 from the direction of the arrow. 実施例1に関する半導体レーザの活性層の断面を説明する図である。6 is a diagram illustrating a cross section of an active layer of a semiconductor laser according to Example 1. FIG. 実施例1に関する半導体レーザの発光波長の温度変化を説明する図である。It is a figure explaining the temperature change of the emission wavelength of the semiconductor laser regarding Example 1. FIG. 量子ドットの高さと発光波長の関係と、量子ドットの高さと発光波長の温度係数の関係を説明する図である(実施例1)。(Example 1) which is a figure explaining the relationship between the height of a quantum dot, and the light emission wavelength, and the relationship between the height of a quantum dot, and the temperature coefficient of a light emission wavelength. 量子ドットをHg1−yCdTe(0≦y≦0.4)で形成した場合の発光波長及びその温度係数を、量子ドットの高さの関数として説明する図である(実施例1)。The emission wavelength and its temperature coefficient when the quantum dots formed in Hg 1-y Cd y Te ( 0 ≦ y ≦ 0.4), is a diagram for explaining a function of the height of the quantum dot (Example 1) . 発光波長の温度変化のシミュレーションに用いた、量子ドットのモデルを説明する平面図である。It is a top view explaining the model of a quantum dot used for the simulation of the temperature change of light emission wavelength. 図10のxi-xi線に於ける断面を矢印の方向から見た図である。It is the figure which looked at the cross section in the xi-xi line of FIG. 10 from the direction of the arrow. シミュレーションに用いるポテンシャルの分布を説明する図である。It is a figure explaining distribution of potential used for simulation. 実施例1の活性層の製造方法を説明する工程断面図である。FIG. 6 is a process cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the active layer in Example 1. 実施例2の発光波長の温度変化を求めるために用いる、量子ドットモデルの断面を説明する平面図である。6 is a plan view illustrating a cross section of a quantum dot model used for obtaining a temperature change of an emission wavelength of Example 2. FIG. 実施例2に関するモデルのポテンシャルの分布を説明する図である。FIG. 6 is a diagram for explaining a potential distribution of a model related to Example 2. 実施例2に関する半導体レーザの発光波長の温度変化を説明する図である。It is a figure explaining the temperature change of the emission wavelength of the semiconductor laser regarding Example 2. FIG. HgTe層の厚さと発光波長の関係、及びHgTe層の厚さと発光波長の温度係数の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the thickness of a HgTe layer, and a light emission wavelength, and the relationship between the thickness of a HgTe layer, and the temperature coefficient of a light emission wavelength. InAs層の厚さと発光波長の関係、及びInAs層の厚さと発光波長の温度係数の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the thickness of an InAs layer, and a light emission wavelength, and the relationship between the thickness of an InAs layer, and the temperature coefficient of a light emission wavelength. 実施例2の半導体レーザの製造方法を説明する工程断面図である(その1)。FIG. 9 is a process cross-sectional view illustrating the manufacturing method of the semiconductor laser of Example 2 (No. 1). 実施例2の半導体レーザの製造方法を説明する工程断面図である(その2)。It is process sectional drawing explaining the manufacturing method of the semiconductor laser of Example 2 (the 2). 実施例3に関する半導体レーザの発光波長の温度変化を説明する図である。FIG. 6 is a diagram for explaining a temperature change in the emission wavelength of a semiconductor laser relating to Example 3. 量子ドットの高さと発光波長の関係と、量子ドットの高さと発光波長の温度係数の関係を説明する図である(実施例3)。(Example 3) which is a figure explaining the relationship between the quantum dot height and the light emission wavelength, and the relationship between the quantum dot height and the temperature coefficient of the light emission wavelength.

以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。尚、図面が異なっても対応する部分には同一符号を付し、その説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the matters described in the claims and equivalents thereof. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the corresponding part even if drawings differ, The description is abbreviate | omitted.

(実施の形態1)
(1)構 成
図1は、本実施の形態の半導体レーザを形成する活性層の一部を拡大した断面図である。
(Embodiment 1)
(1) Configuration FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view of a part of an active layer forming the semiconductor laser of the present embodiment.

本半導体レーザの活性層は、量子ドット2と、量子ドット2を埋め込む障壁層(バリア層)4を有する量子ドット層5(図1参照)が、積層されて形成されている。ここで、量子ドット2の下側(基板側)の障壁層4aと上側(基板とは反対側)の障壁層4bは、同じ材料によって形成されてもよい。或いは、両障壁層4a,4bは、異なる材料で形成されてもよい。また、障壁層4a,4bは、単一の材料で形成されてもよい。或いは、障壁層4a,4bは、異なる材料で形成された複数の部分が、組み合わされて形成されてもよい。尚、障壁層は、中間層又は埋め込み層とも呼ばれる。また、上側の障壁層は、キャップ層と呼ばれることもある。   The active layer of this semiconductor laser is formed by stacking quantum dots 2 and quantum dot layers 5 (see FIG. 1) having barrier layers (barrier layers) 4 in which the quantum dots 2 are embedded. Here, the lower (substrate side) barrier layer 4a and the upper (opposite side substrate) barrier layer 4b of the quantum dots 2 may be formed of the same material. Alternatively, both barrier layers 4a and 4b may be formed of different materials. The barrier layers 4a and 4b may be formed of a single material. Alternatively, the barrier layers 4a and 4b may be formed by combining a plurality of portions formed of different materials. The barrier layer is also called an intermediate layer or a buried layer. The upper barrier layer is sometimes called a cap layer.

ここで、量子ドット2は、温度が上昇すると禁制帯の幅が広くなる第1の材料(例えば、HgTe)で形成されている。一方、障壁層4は、温度が上昇すると禁制帯の幅が狭くなる第2の材料(例えば、GaAs)によって形成されている。   Here, the quantum dots 2 are formed of a first material (for example, HgTe) whose width of the forbidden band becomes wider as the temperature rises. On the other hand, the barrier layer 4 is formed of a second material (for example, GaAs) whose width of the forbidden band is narrowed when the temperature rises.

ここで、第1の材料は、半導体であっても半金属であってもよい。一方、第2の材料としては、半導体が好ましい。   Here, the first material may be a semiconductor or a semimetal. On the other hand, a semiconductor is preferable as the second material.

尚、材料の禁制帯の幅とは、伝導帯の底と価電子帯の頂上のエネルギー差である。   Note that the forbidden band width of the material is the energy difference between the bottom of the conduction band and the top of the valence band.

ところで、図1に示した量子ドット2は、Stranski-Krastanovモードによって形成される自己組織量子ドットである。従って、量子ドット2は、濡れ層6の上に形成されている。   By the way, the quantum dots 2 shown in FIG. 1 are self-organized quantum dots formed by the Stranski-Krastanov mode. Therefore, the quantum dots 2 are formed on the wetting layer 6.

しかし、量子ドット2は、このような自己組織量子ドット以外の量子ドットであってもよい。例えば、量子ドット2は、電子線露光法とエッチングを組み合わせて形成される量子ドットであってもよい。   However, the quantum dots 2 may be quantum dots other than such self-organized quantum dots. For example, the quantum dot 2 may be a quantum dot formed by combining an electron beam exposure method and etching.

(2)動 作
本半導体レーザに電流が供給されると、キャリア(電子及び正孔)は、活性層に注入され、量子ドット2に移動する。
(2) Operation
When current is supplied to the semiconductor laser, carriers (electrons and holes) are injected into the active layer and move to the quantum dots 2.

量子ドット2に移動した電子は、量子ドット2の伝導帯に形成された量子準位に遷移する。同様に、量子ドット2に移動した正孔は、量子ドット2の価電子帯に形成された量子準位に遷移する。   The electrons that have moved to the quantum dot 2 transition to a quantum level formed in the conduction band of the quantum dot 2. Similarly, holes that have moved to the quantum dot 2 transition to a quantum level formed in the valence band of the quantum dot 2.

そして、伝導帯の量子準位に遷移した電子が、誘導放出によって、価電子帯の量子準位に遷移した正孔と再結合して、レーザ光を発生する。尚、このような過程で発生するレーザ光は、伝導帯の基底準位から価電子帯の基底準位への電子の遷移によって発生する。   Then, the electrons that have transitioned to the quantum level of the conduction band recombine with the holes that have transitioned to the quantum level of the valence band by stimulated emission to generate laser light. Note that laser light generated in such a process is generated by the transition of electrons from the ground level of the conduction band to the ground level of the valence band.

そこで、量子ドット2の伝導帯に形成された基底準位と、量子ドット2の価電子帯に形成された基底準位のエネルギー差(以下、量子準位間のエネルギー差と呼ぶ)を、活性層の禁制帯幅と呼ぶこととする。   Therefore, the energy difference between the ground level formed in the conduction band of the quantum dot 2 and the ground level formed in the valence band of the quantum dot 2 (hereinafter referred to as the energy difference between the quantum levels) is activated. This is called the forbidden bandwidth of the layer.

ところで、量子ドット2の量子準位に滞在する電子(及び正孔)の波動関数の一部は、障壁層4に漏れ出している。   By the way, a part of the wave function of electrons (and holes) staying at the quantum level of the quantum dot 2 leaks into the barrier layer 4.

このため、量子ドット2に形成される量子準位は、量子ドット2を形成する材料(例えば、HgTe)の物性だけでなく、障壁層4を形成する材料(例えば、GaAs)の物性の影響を受ける。   For this reason, the quantum level formed in the quantum dot 2 is influenced not only by the physical properties of the material forming the quantum dot 2 (for example, HgTe) but also by the physical properties of the material forming the barrier layer 4 (for example, GaAs). receive.

例えば、量子ドット2を形成する材料の禁制帯幅が広がれば、量子ドット2に形成される量子準位間のエネルギー差も広がる。また、障壁層4を形成する材料(例えば、GaAs)の禁制帯幅が広くなれば、障壁層4に形成される量子準位間のエネルギー差も広くなる。   For example, if the forbidden band width of the material forming the quantum dots 2 increases, the energy difference between the quantum levels formed in the quantum dots 2 also increases. Moreover, if the forbidden band width of the material forming the barrier layer 4 (for example, GaAs) is widened, the energy difference between the quantum levels formed in the barrier layer 4 is also widened.

逆に、量子ドット2を形成する材料の禁制帯幅が狭くなれば、量子準位間のエネルギー差も狭くなる。また、障壁層4を形成する材料の禁制帯幅が狭くなれば、量子準位間のエネルギー差も狭くなる。   Conversely, if the forbidden band width of the material forming the quantum dots 2 is narrowed, the energy difference between the quantum levels is also narrowed. Further, if the forbidden band width of the material forming the barrier layer 4 is narrowed, the energy difference between the quantum levels is also narrowed.

ところで、上述したように、量子ドット2を形成する材料の禁制帯幅は、温度が上昇すると広くなる。一方、障壁層4を形成する材料層の禁制帯幅は、温度が上昇すると、狭くなる。   By the way, as described above, the forbidden band width of the material forming the quantum dots 2 becomes wider as the temperature rises. On the other hand, the forbidden band width of the material layer forming the barrier layer 4 becomes narrower as the temperature rises.

このため、本実施の形態では、量子ドット2を形成する材料は、温度が上昇すると、量子準位間のエネルギー差を広くしようとする。一方、障壁層4を形成する材料は、温度が上昇すると、量子準位間のエネルギー差を狭くしようとする。従って、温度の変化に対して両材料が量子準位間のエネルギー差に及ぼす効果は、相殺される。故に、本活性層の禁制帯幅の温度変化は、活性層を形成する各材料の禁制帯幅の温度変化より小さくなる。   For this reason, in this Embodiment, the material which forms the quantum dot 2 tries to widen the energy difference between quantum levels, when temperature rises. On the other hand, the material forming the barrier layer 4 tends to narrow the energy difference between the quantum levels when the temperature rises. Therefore, the effect of both materials on the energy difference between the quantum levels with respect to changes in temperature is offset. Therefore, the temperature change of the forbidden band width of the active layer is smaller than the temperature change of the forbidden band width of each material forming the active layer.

一方、従来の半導体レーザの活性層は、通常、温度が上昇すると禁制帯幅が狭くなるGaInAsPやGaAs等の材料だけで形成されている。このため、従来の活性層の禁制帯幅は、これら活性層を形成する材料の禁制帯幅と同じに温度変化する。   On the other hand, the active layer of a conventional semiconductor laser is usually formed of only a material such as GaInAsP or GaAs, whose forbidden band width becomes narrower as the temperature rises. For this reason, the forbidden band width of the conventional active layer changes in temperature in the same manner as the forbidden band width of the material forming these active layers.

由って、本実施の形態によれば、発光装置の活性層を、禁制帯幅の温度変化(の絶対値)が従来の材料(InGaAsP等)より小さい材料層(量子ドット層)によって、形成することができる。   Therefore, according to the present embodiment, the active layer of the light emitting device is formed by a material layer (quantum dot layer) whose temperature change (absolute value) of the forbidden band is smaller than that of a conventional material (such as InGaAsP). can do.

尚、「禁制帯幅の温度変化」の大小とは、温度が変化した場合の禁制帯幅の増分の絶対値の大小を意味する。従って、温度変化による禁制帯幅の増分が−2meVである場合の「禁制帯幅の温度変化」は、温度変化による禁制帯幅の増分が+1meVである場合の「禁制帯幅の温度変化」より大きい。また、「発光波長の温度変化」の大小も、温度が変化した場合の発光波長の増分の絶対値の大小を意味する。   Note that “the temperature change of the forbidden bandwidth” means the magnitude of the absolute value of the increment of the forbidden bandwidth when the temperature changes. Accordingly, the “temperature change of the forbidden bandwidth” when the increment of the forbidden bandwidth due to the temperature change is −2 meV is more than the “temperature change of the forbidden bandwidth” when the increment of the forbidden bandwidth due to the temperature change is +1 meV. large. The magnitude of “temperature change in emission wavelength” also means the magnitude of the absolute value of the increase in emission wavelength when the temperature changes.

ところで、上述したように、量子ドット2は、温度に対する禁制帯幅の変化率(以下、禁制帯幅の温度係数と呼ぶ)が正になる材料によって形成される。しかし、半導体レーザを形成する殆どの材料(InGaAsPやGaAs)の温度係数は、負である。   By the way, as described above, the quantum dots 2 are formed of a material whose rate of change of the forbidden band with respect to temperature (hereinafter referred to as a temperature coefficient of the forbidden band) is positive. However, the temperature coefficient of most materials (InGaAsP and GaAs) forming a semiconductor laser is negative.

温度係数が正になる数少ない材料としては、HgTe, Hg1−yCdTe(0≦y≦0.4), HgSe, 及びHg1−yCdSe(0≦y<0.8)等がある。しかし、これら材料の格子定数は、半導体基板として広く用いられているGaAsやInPの格子定数と大きく異なっている。例えば、HgTeの格子定数は、0.6429nmである。一方、GaAsの格子定数は、0.5653nmである。 The few materials with positive temperature coefficient include HgTe, Hg 1-y Cd y Te (0 ≦ y ≦ 0.4), HgSe, and Hg 1-y Cd y Se (0 ≦ y <0.8). There is. However, the lattice constants of these materials are greatly different from the lattice constants of GaAs and InP widely used as semiconductor substrates. For example, the lattice constant of HgTe is 0.6429 nm. On the other hand, the lattice constant of GaAs is 0.5653 nm.

このような格子不整合は、活性層に結晶欠陥を発生させ、半導体レーザの特性を劣化させるので、一般的には好ましくない。   Such lattice mismatching is generally undesirable because it causes crystal defects in the active layer and degrades the characteristics of the semiconductor laser.

しかし、量子ドットは、このような格子不整合を利用して形成されるものである。しかも、量子ドットで形成された活性層には、結晶欠陥は発生しない。従って、GaAs基板やInP基板を用いて本半導体レーザを製造しても、発光効率等の特性は劣化しない。   However, quantum dots are formed using such lattice mismatch. In addition, crystal defects do not occur in the active layer formed of quantum dots. Therefore, even if this semiconductor laser is manufactured using a GaAs substrate or an InP substrate, characteristics such as light emission efficiency do not deteriorate.

(実施の形態2)
図2は、本実施の形態の半導体レーザを形成する活性層の一部を拡大した断面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a part of the active layer forming the semiconductor laser of the present embodiment.

本半導体レーザの活性層も、量子ドット8と、量子ドット8を埋め込む障壁層(バリア層)4を有する量子ドット層9が、積層されて形成されている。   The active layer of the semiconductor laser is also formed by stacking quantum dots 8 and quantum dot layers 9 each having a barrier layer (barrier layer) 4 in which the quantum dots 8 are embedded.

但し、本量子ドット8は、第1の部分10と第2の部分12を有している。   However, the quantum dot 8 has a first portion 10 and a second portion 12.

本量子ドット8を形成する第1の部分10は、温度が上昇すると禁制帯の幅が狭くなる材料(例えば、InAs)で形成されている。   The first portion 10 forming the present quantum dot 8 is formed of a material (for example, InAs) whose width of the forbidden band is narrowed when the temperature rises.

更に、本量子ドット8を形成する第2の部分12は、温度が上昇すると禁制帯の幅が広くなる材料(例えば、Hg1−yCdTe(0≦y≦0.4))で形成されている。 Further, the second portion 12 forming the present quantum dot 8 is formed of a material (for example, Hg 1-y Cd y Te (0 ≦ y ≦ 0.4)) whose width of the forbidden band becomes wider as the temperature rises. Has been.

そして、量子ドット8を埋め込む障壁層4は、実施の形態1と同じように、温度が上昇すると禁制帯の幅が狭くなる材料(例えば、GaAs)で形成されている。   The barrier layer 4 in which the quantum dots 8 are embedded is formed of a material (for example, GaAs) whose width of the forbidden band becomes narrower as the temperature rises, as in the first embodiment.

従って、本量子ドット8では、第1の部分10の負の温度係数及び障壁層4の負の温度係数と、第2の部分10の正の温度係数が相殺される。   Therefore, in the present quantum dot 8, the negative temperature coefficient of the first portion 10 and the negative temperature coefficient of the barrier layer 4 cancel each other out of the positive temperature coefficient of the second portion 10.

このため、量子ドット8に発生する量子準位間のエネルギー差の温度変化は、温度係数が正となる材料(例えば、GaInAsP)だけで形成された活性層の禁制帯幅の温度変化より小さくなる。   For this reason, the temperature change of the energy difference between the quantum levels generated in the quantum dots 8 is smaller than the temperature change of the forbidden band width of the active layer formed only of the material having a positive temperature coefficient (for example, GaInAsP). .

由って、本実施の形態によれば、発光装置の活性層を、禁制帯幅の温度変化(の絶対値)が従来の材料(InGaAsP等)より小さい材料層(量子ドット層)によって、形成することができる。   Therefore, according to the present embodiment, the active layer of the light emitting device is formed by a material layer (quantum dot layer) whose temperature change (absolute value) of the forbidden band is smaller than that of a conventional material (such as InGaAsP). can do.

尚、図2に示した量子ドット8は、第1の濡れ層14と第2の濡れ層16が積層された半導体層の上に形成されている。   2 is formed on the semiconductor layer in which the first wetting layer 14 and the second wetting layer 16 are laminated.

ここで、第1の濡れ層14は、第1の部分10を形成する材料によって形成されている。また、第2の濡れ層16は、第2の部分12を形成する材料によって形成されている。   Here, the first wetting layer 14 is formed of a material that forms the first portion 10. Further, the second wetting layer 16 is formed of a material that forms the second portion 12.

図2に示した例では、第1の部分の上に第2の部分が積層されている。しかし、第2の部分の上に第1の部分が積層されてもよい。   In the example shown in FIG. 2, the second portion is stacked on the first portion. However, the first part may be stacked on the second part.

(実施の形態3)
図3は、本実施の形態の半導体レーザを形成する活性層の一部を拡大した断面図である。
(Embodiment 3)
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a part of the active layer forming the semiconductor laser of the present embodiment.

図3に示すように、本半導体レーザの活性層も、量子ドット18と、量子ドット18を埋め込む障壁層(バリア層)20を有する量子ドット層21が、積層されて形成されている。   As shown in FIG. 3, the active layer of this semiconductor laser is also formed by stacking quantum dots 18 and quantum dot layers 21 each having a barrier layer (barrier layer) 20 in which the quantum dots 18 are embedded.

ここで、量子ドット18は、Hg1−yCdTe(0.4<y<0.6) で形成されている。 Here, the quantum dot 18 is formed of Hg 1-y Cd y Te (0.4 <y <0.6).

Hg1−yCdTeの温度係数は、Cdの組成yが0.4乃至0.6の間で略ゼロになる。 The temperature coefficient of Hg 1-y Cd y Te becomes substantially zero when the composition y of Cd is between 0.4 and 0.6.

このため、量子ドット20に発生する量子準位間のエネルギー差の温度変化は、温度係数が正となる材料(例えば、GaInAsP)だけで形成された活性層の禁制帯幅の温度変化より小さくなる。   For this reason, the temperature change of the energy difference between the quantum levels generated in the quantum dots 20 is smaller than the temperature change of the forbidden band width of the active layer formed only of the material having a positive temperature coefficient (for example, GaInAsP). .

由って、本実施の形態によれば、発光装置の活性層を、禁制帯幅の温度変化(の絶対値)が従来の材料(InGaAsP等)より小さい材料層(量子ドット層)によって、形成することができる。   Therefore, according to the present embodiment, the active layer of the light emitting device is formed by a material layer (quantum dot layer) whose temperature change (absolute value) of the forbidden band is smaller than that of a conventional material (such as InGaAsP). can do.

ところで、Hg1−yCdTe(0.4<y<0.6)によって量子井戸構造やバルク単一層を形成して、半導体レーザの活性層とすることも可能である。 Incidentally, Hg 1-y Cd y Te to form a quantum well structure or a bulk single layer by (0.4 <y <0.6), it can be an active layer of a semiconductor laser.

しかし、このような活性層は、基板との格子不整合による結晶欠陥を、大量に有している。したがって、このような活性層を用いて半導体レーザを形成しても、良好な特性は得られない。   However, such an active layer has a large amount of crystal defects due to lattice mismatch with the substrate. Therefore, even if a semiconductor laser is formed using such an active layer, good characteristics cannot be obtained.

(1)構 成
(i)全体構成
図4は、本実施例の半導体レーザの構成を説明する平面図である。図5は、図4のv-v線に於ける断面を、矢印の方向から見た図である。
(1) Configuration (i) Overall Configuration FIG. 4 is a plan view for explaining the configuration of the semiconductor laser of this example. FIG. 5 is a view of the cross section taken along the line vv of FIG. 4 as viewed from the direction of the arrow.

本半導体レーザ24は、n型GaAs基板26と、n型GaAs基板26の上に形成されたn型AlGaAs製の下部クラッド層28を有している(図5参照)。   The semiconductor laser 24 has an n-type GaAs substrate 26 and an n-type AlGaAs lower clad layer 28 formed on the n-type GaAs substrate 26 (see FIG. 5).

また、半導体レーザ24は、下部クラッド層28の上に形成された活性層30を有している。ここで、活性層30は、図1を参照して説明した量子ドット2によって形成さえている。   The semiconductor laser 24 also has an active layer 30 formed on the lower cladding layer 28. Here, the active layer 30 is even formed by the quantum dots 2 described with reference to FIG.

また、半導体レーザ24は、活性層30の上に形成された、p型AlGaAs製の上部クラッド層32を有している。   The semiconductor laser 24 also has an upper clad layer 32 made of p-type AlGaAs formed on the active layer 30.

また、半導体レーザ24は、上部クラッド層32の上に形成された、p型GaAs製の電極層36を有している。   The semiconductor laser 24 has a p-type GaAs electrode layer 36 formed on the upper cladding layer 32.

また、半導体レーザ24は、上部クラッド層32と電極層36を含む帯状のメサ34の上に形成され、電極層36の上で開口するSiN製の保護膜38を有している。   The semiconductor laser 24 has a protective film 38 made of SiN that is formed on a band-like mesa 34 including the upper cladding layer 32 and the electrode layer 36 and opens on the electrode layer 36.

また、半導体レーザ24は、電極層36の上に形成された上部電極40と、n型GaAs基板26の裏面に形成された下部電極42を有している。   The semiconductor laser 24 has an upper electrode 40 formed on the electrode layer 36 and a lower electrode 42 formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 26.

また、半導体レーザ24は、へき開によって形成された端面44,46を有している。これらの端面44,46は反射鏡として機能し、光共振器を形成する。   The semiconductor laser 24 has end faces 44 and 46 formed by cleavage. These end faces 44 and 46 function as a reflecting mirror and form an optical resonator.

本半導体レーザ24では、この光共振器の内部に活性層30が配置され、FPレーザが形成されている。   In the semiconductor laser 24, an active layer 30 is disposed inside the optical resonator, and an FP laser is formed.

(ii)活性層
図6は、本半導体レーザ24の活性層30の断面を説明する図である。
(Ii) Active Layer FIG. 6 is a diagram for explaining a cross section of the active layer 30 of the semiconductor laser 24.

活性層30は、量子ドット層48が複数積層されて形成されている。   The active layer 30 is formed by stacking a plurality of quantum dot layers 48.

この量子ドット層48の構成は、実施の形態1の量子ドット層5の構成と、略同じである(図1参照)。   The configuration of the quantum dot layer 48 is substantially the same as the configuration of the quantum dot layer 5 of the first embodiment (see FIG. 1).

すなわち、量子ドット層48は、HgTe(又は、HgCdTe)によって形成された量子ドット2と、GaAs製の障壁層(バリア層)4を有している。尚、量子ドット2は、濡れ層6の上に形成されている。   That is, the quantum dot layer 48 includes the quantum dots 2 formed of HgTe (or HgCdTe) and the GaAs barrier layer (barrier layer) 4. The quantum dots 2 are formed on the wetting layer 6.

ここで、HgTeの禁制帯幅の温度係数は、5.6×10−4eV/Kである。一方、GaAsの禁制帯幅の温度係数は、−5.0×10−4eV/Kである。 Here, the temperature coefficient of the forbidden band width of HgTe is 5.6 × 10 −4 eV / K. On the other hand, the temperature coefficient of the forbidden band width of GaAs is −5.0 × 10 −4 eV / K.

このように、量子ドット2は、温度が上昇すると禁制帯の幅が広くなる材料(HgTe又はHgCdTe)で形成されている。一方、障壁層4は、温度が上昇すると禁制帯の幅が狭くなる材料(例えば、GaAs)によって形成されている。   Thus, the quantum dots 2 are formed of a material (HgTe or HgCdTe) whose width of the forbidden band becomes wider as the temperature rises. On the other hand, the barrier layer 4 is made of a material (for example, GaAs) whose width of the forbidden band is narrowed when the temperature rises.

このため、夫々の材料が量子準位に及ぼす効果が相殺され、本半導体レーザ24の発光波長の温度変化(の絶対値)は、小さくなる。   For this reason, the effect of each material on the quantum level is offset, and the temperature change (absolute value) of the emission wavelength of the semiconductor laser 24 is reduced.

(2)動 作
本半導体レーザ24は、上部電極40と下部電極42の間に電源(図示せず)が接続されて、駆動される。この電源から半導体レーザ24に供給される電流は、活性層30に注入される。その結果、光利得が発生する。そして、この光利得によって増幅され自然放出光が、端面44,46によって形成された光共振器によって帰還され、レーザ光になる。
(2) Operation The semiconductor laser 24 is driven by connecting a power source (not shown) between the upper electrode 40 and the lower electrode 42. A current supplied from the power source to the semiconductor laser 24 is injected into the active layer 30. As a result, an optical gain is generated. Then, the spontaneous emission light amplified by this optical gain is fed back by the optical resonator formed by the end faces 44 and 46 to become laser light.

(i)発光波長の温度変化(HgTe量子ドット活性層)
図7は、本半導体レーザ24の発光波長の温度変化を説明する図である。横軸は、温度である。縦軸は、発光波長である。図7に示す発光波長の温度変化は、シミュレーションによって得られた結果である。シミュレーション方法は、下記「(iii)シミュレーション」で説明する。
(I) Temperature change of emission wavelength (HgTe quantum dot active layer)
FIG. 7 is a diagram for explaining the temperature change of the emission wavelength of the semiconductor laser 24. The horizontal axis is temperature. The vertical axis represents the emission wavelength. The temperature change of the emission wavelength shown in FIG. 7 is a result obtained by simulation. The simulation method will be described in “(iii) Simulation” below.

「×」で示した点は、量子ドット2の高さ及び直径が夫々、1.8nm及び18nmの場合のシミュレーション結果である。尚、量子ドット2の高さとは、濡れ層6の底から量子ドット2の頂上までの距離のことである。   Points indicated by “x” are simulation results when the height and diameter of the quantum dots 2 are 1.8 nm and 18 nm, respectively. In addition, the height of the quantum dot 2 is a distance from the bottom of the wetting layer 6 to the top of the quantum dot 2.

図7に示すように、半導体レーザ24の発光波長は、温度によらず、略1.3μmである。この発光波長は、光ファイバ通信に適している。   As shown in FIG. 7, the emission wavelength of the semiconductor laser 24 is approximately 1.3 μm regardless of the temperature. This emission wavelength is suitable for optical fiber communication.

ここで、発光波長の温度に対する変化率(以下、発光波長の温度係数と呼ぶ)は、−0.04nm/Kである。この値は、活性層をInGaAsPで形成した従来のFPレーザの発光波長の温度係数+0.5nm/Kより格段に(絶対値が)小さい。   Here, the rate of change of the emission wavelength with respect to the temperature (hereinafter referred to as the temperature coefficient of the emission wavelength) is −0.04 nm / K. This value is much smaller (absolute value) than the temperature coefficient of the emission wavelength of the conventional FP laser in which the active layer is made of InGaAsP + 0.5 nm / K.

このように発光波長の温度係数が減少なる理由は、量子ドット2を形成するHgTeの禁制帯幅の温度変化と、障壁層4を形成するGaAsの禁制帯幅の温度変化が相殺するためである。   The reason why the temperature coefficient of the emission wavelength decreases in this manner is that the temperature change of the forbidden band width of HgTe forming the quantum dots 2 and the temperature change of the forbidden band width of GaAs forming the barrier layer 4 are offset. .

図8は、量子ドット2の高さと発光波長の関係、及び量子ドット2の高さと発光波長の温度係数の関係を説明する図である。横軸は、量子ドット2の高さを表す。左縦軸は、本半導体レーザ24の発光波長を表す。右縦軸は、本半導体レーザ24の発光波長の温度係数を表す。   FIG. 8 is a diagram illustrating the relationship between the height of the quantum dot 2 and the emission wavelength, and the relationship between the height of the quantum dot 2 and the temperature coefficient of the emission wavelength. The horizontal axis represents the height of the quantum dot 2. The left vertical axis represents the emission wavelength of the semiconductor laser 24. The right vertical axis represents the temperature coefficient of the emission wavelength of the semiconductor laser 24.

「●」で示す点は、発光波長を示している。「○」で示す点は、発光波長の温度係数を示している。   The dots indicated by “●” indicate the emission wavelength. The point indicated by “◯” indicates the temperature coefficient of the emission wavelength.

「○」で示したデータから明らかなように、発光波長の温度係数は、量子ドット2が高くなるに従って小さくなり、やがて負の値になる。   As is clear from the data indicated by “◯”, the temperature coefficient of the emission wavelength decreases as the quantum dot 2 increases, and eventually becomes a negative value.

量子ドット2が高くなると、量子ドット内に分布する波動関数の割合が増加する。その結果、禁制帯幅の温度係数が正であるHgTeの影響が大きくなる。このため、量子ドットが高くなるに従って、発光波長の温度係数が小さくなり、やがて負の値になる。   When the quantum dot 2 becomes high, the ratio of the wave function distributed in the quantum dot increases. As a result, the influence of HgTe having a positive temperature coefficient of the forbidden bandwidth is increased. For this reason, as the quantum dot increases, the temperature coefficient of the emission wavelength decreases and eventually becomes a negative value.

図8は、量子ドット2の高さが1.5nm以上2.0nm以下の場合、発光波長の温度係数が、−0.1nm/K〜0.1nm/Kという小さな値になることを示している。   FIG. 8 shows that when the height of the quantum dot 2 is 1.5 nm or more and 2.0 nm or less, the temperature coefficient of the emission wavelength becomes a small value of −0.1 nm / K to 0.1 nm / K. Yes.

また、「●」で示したデータから明らかなように、量子ドット2の高さが1.5nm以上2.0nm以下の場合、発光波長は、1.2μmから1.4μmという光ファイバ通信に適した値になる。   As is clear from the data indicated by “●”, when the height of the quantum dot 2 is 1.5 nm or more and 2.0 nm or less, the emission wavelength is suitable for optical fiber communication of 1.2 μm to 1.4 μm. Value.

これらの結果は、HgTeで形成された量子ドット2の高さとしては、1.5nm以上2.0nm以下が好ましいことを示している。   These results indicate that the height of the quantum dots 2 formed of HgTe is preferably 1.5 nm or more and 2.0 nm or less.

また、量子ドット2の高さが1.6nm以上1.9nm以下であれば、発光波長の温度変化(の絶対値)がより小さくなるので、このような波長範囲は更に好ましい。   Moreover, if the height of the quantum dot 2 is 1.6 nm or more and 1.9 nm or less, the temperature change (absolute value) of the emission wavelength becomes smaller, and such a wavelength range is more preferable.

尚、図8に示すデータは、量子ドット2のアスペクト比(直径に対する高さの比)を10%とした場合に得られるシミュレーションの結果である。以後説明するデータは、全て、アスペクト比を10%とした場合に得られる結果である。   The data shown in FIG. 8 is a simulation result obtained when the aspect ratio (the ratio of the height to the diameter) of the quantum dots 2 is 10%. All the data described below are results obtained when the aspect ratio is 10%.

(ii)発光波長の温度変化(HgCdTe量子ドット活性層)
図9は、量子ドット2をHg1−yCdTe(0≦y≦0.4)で形成した場合の発光波長及びその温度係数を、量子ドット2の高さの関数として説明する図である。尚、障壁層4は、GaAsによって形成されているものとする。
(Ii) Temperature change of emission wavelength (HgCdTe quantum dot active layer)
FIG. 9 is a diagram for explaining the emission wavelength and the temperature coefficient thereof as a function of the height of the quantum dot 2 when the quantum dot 2 is formed of Hg 1-y Cd y Te (0 ≦ y ≦ 0.4). is there. It is assumed that the barrier layer 4 is made of GaAs.

横軸は、量子ドット2の高さを表す。左縦軸は、本半導体レーザ24の発光波長を表す。右縦軸は、発光波長の温度係数を表す。   The horizontal axis represents the height of the quantum dot 2. The left vertical axis represents the emission wavelength of the semiconductor laser 24. The right vertical axis represents the temperature coefficient of the emission wavelength.

「●」で示す点は、量子ドット2をHgTeで形成した場合の発光波長を示している。「○」で示す点は、量子ドット2をHgTeで形成した場合の発光波長の温度係数を示している。これらのデータは、図8に示したデータと同じである。   The point indicated by “●” indicates the emission wavelength when the quantum dots 2 are formed of HgTe. The point indicated by “◯” indicates the temperature coefficient of the emission wavelength when the quantum dots 2 are formed of HgTe. These data are the same as the data shown in FIG.

一方、「▲」で示す点は、量子ドット2をHg0.6Cd0.4Teで形成した場合の発光波長を示している。「△」で示す点は、量子ドット2をHg0.6Cd0.4Teで形成した場合の発光波長の温度係数を示している。 On the other hand, the point indicated by “▲” indicates the emission wavelength when the quantum dot 2 is formed of Hg 0.6 Cd 0.4 Te. The point indicated by “Δ” indicates the temperature coefficient of the emission wavelength when the quantum dot 2 is formed of Hg 0.6 Cd 0.4 Te.

図9は、Cdの組成比yが0.0以上0.4以下の場合、量子ドット2の高さを調整することにより、発光波長の温度係数を−0.1nm/K以上0.1nm/K以下にできることを示している。この時、量子ドット2の高さは、Cdの組成比yに応じて、1.5nmから3.0nmの間で調整する。   FIG. 9 shows that when the Cd composition ratio y is 0.0 or more and 0.4 or less, the temperature coefficient of the emission wavelength is adjusted to −0.1 nm / K or more and 0.1 nm / by adjusting the height of the quantum dot 2. It shows that it can be made K or less. At this time, the height of the quantum dots 2 is adjusted between 1.5 nm and 3.0 nm according to the Cd composition ratio y.

この場合、半導体レーザの発光波長は、1.2μmから1.6μmという光ファイバ通信に適した値になる(図9参照)。   In this case, the emission wavelength of the semiconductor laser becomes a value suitable for optical fiber communication from 1.2 μm to 1.6 μm (see FIG. 9).

以上の結果は、Hg1−yCdTe(0≦y≦0.4)で形成される量子ドット2の高さとしては、1.5nm以上3.0nm以下が好ましいことを示している。更には、量子ドット2の高さとしては、2.0nm以上2.5nm以下が好ましい。 The above results indicate that the height of the quantum dots 2 formed of Hg 1-y Cd y Te (0 ≦ y ≦ 0.4) is preferably 1.5 nm or more and 3.0 nm or less. Furthermore, the height of the quantum dots 2 is preferably 2.0 nm or more and 2.5 nm or less.

(iii)シミュレーション
−モデル及び解法−
図10は、発光波長の温度変化のシミュレーションに用いた、量子ドットのモデルを説明する平面図である。図11は、図10のxi-xi線に於ける断面を、矢印の方向から見た図である。
(Iii) Simulation-Model and Solution-
FIG. 10 is a plan view for explaining a quantum dot model used for the simulation of the temperature change of the emission wavelength. FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line xi-xi in FIG. 10 as viewed from the direction of the arrow.

図10及び11に示すように、本シミュレーションに用いた量子ドットのモデルは、直径がDで高さがHの円盤50である。   As shown in FIGS. 10 and 11, the quantum dot model used in this simulation is a disk 50 having a diameter D and a height H.

ここで、円盤50の直径Dは、量子ドット2の直径である。また、円盤50の高さHは、量子ドット2の高さである。   Here, the diameter D of the disk 50 is the diameter of the quantum dot 2. Further, the height H of the disk 50 is the height of the quantum dots 2.

伝導帯の電子に対してシミュレーションを実行する場合には、円盤50の外部には、障壁層4を形成する材料(例えば、GaAs)の伝導帯の底に対応するポテンシャルが割り当てられる。一方、円盤50の内部には、量子ドット2を形成する材料(例えば、HgTe)の伝導帯の底に対応するポテンシャルが割り当てられる。   When simulation is performed on electrons in the conduction band, a potential corresponding to the bottom of the conduction band of the material (for example, GaAs) forming the barrier layer 4 is assigned to the outside of the disk 50. On the other hand, a potential corresponding to the bottom of the conduction band of the material forming the quantum dots 2 (for example, HgTe) is assigned to the inside of the disk 50.

同様に、価電子帯の正孔に対してシミュレーションを実行する場合には、円盤50の外部には、障壁層4を形成する材料(例えば、GaAs)の価電子帯の頂上に対応するポテンシャルが割り当てられる。一方、円盤50の内部には、量子ドット2を形成する材料(例えば、HgTe)の価電子帯の頂上に対応するポテンシャルが割り当てられる。   Similarly, when a simulation is performed on holes in the valence band, a potential corresponding to the top of the valence band of the material forming the barrier layer 4 (for example, GaAs) is present outside the disk 50. Assigned. On the other hand, a potential corresponding to the top of the valence band of the material forming the quantum dots 2 (for example, HgTe) is assigned to the inside of the disk 50.

尚、実際の量子ドット2は、多くの場合、濡れ層6の上に成長する(図1参照)。しかし、量子ドット2に発生する量子準位は、濡れ層6の影響を殆ど受けない。従って、本モデルでは、濡れ層6は考慮されていない。   Note that the actual quantum dots 2 often grow on the wetting layer 6 (see FIG. 1). However, the quantum level generated in the quantum dots 2 is hardly affected by the wetting layer 6. Therefore, in this model, the wetting layer 6 is not considered.

このようなモデルに対して、有効質量近似によってシュレーディンガー方程式を近似した波動方程式を、数値解析(例えば、Euler法)によって解く。すると、伝導帯の電子及び価電子帯の正孔夫々に対して、円盤50の内部に形成される量子準位(基底準位を含む)が得られる。   For such a model, a wave equation approximating the Schroedinger equation by effective mass approximation is solved by numerical analysis (for example, Euler method). Then, quantum levels (including ground levels) formed inside the disk 50 are obtained for each of electrons in the conduction band and holes in the valence band.

このようにして得られる基底準位のエネルギー差から、本半導体レーザの発光波長が求められる。   The emission wavelength of the present semiconductor laser is obtained from the energy difference between the ground levels obtained in this way.

ここで、本シミュレーションでは、量子ドット2を形成する材料及び障壁層4を形成する材料の禁制帯幅が温度に応じて変化するものとして、発光波長の温度変化を求める。   Here, in this simulation, the temperature change of the emission wavelength is obtained on the assumption that the forbidden band width of the material forming the quantum dots 2 and the material forming the barrier layer 4 changes according to the temperature.

尚、実際の量子ドットの断面は、図11に示すような矩形ではない。しかし、断面が矩形であると仮定して得られる量子準位と、実際の量子準位は略一致する。   In addition, the cross section of an actual quantum dot is not a rectangle as shown in FIG. However, the quantum level obtained on the assumption that the cross section is rectangular and the actual quantum level substantially coincide.

また、量子ドット2(円盤50)に形成される基底量子準位は、量子ドット2の高さHで略決まる。従って、アスペクト比(=H/D)を変えても、得られる結果は殆どかわらない。従って、本シミュレーションでは、アスペクト比は、10%に固定されている。   Further, the ground quantum level formed in the quantum dot 2 (disk 50) is substantially determined by the height H of the quantum dot 2. Therefore, even if the aspect ratio (= H / D) is changed, the obtained result is hardly changed. Therefore, in this simulation, the aspect ratio is fixed at 10%.

−ポテンシャル分布−
図12は、本シミュレーションに用いるポテンシャルの分布を説明する図である。
-Potential distribution-
FIG. 12 is a diagram for explaining the potential distribution used in this simulation.

横軸は、基板に垂直な方向(円盤50の底面に垂直な方向)における位置座標zである。縦軸は、電子のポテンシャルである。従って、縦軸は、符号を変えることによって、正孔のポテンシャルになる。   The horizontal axis is the position coordinate z in the direction perpendicular to the substrate (direction perpendicular to the bottom surface of the disk 50). The vertical axis represents the electron potential. Therefore, the vertical axis becomes the hole potential by changing the sign.

図12には、高さ1.8nmの量子ドット2がHgTeで形成され、障壁層4がGaAsで形成された場合のポテンシャが記載されている。   FIG. 12 shows a potential when the quantum dot 2 having a height of 1.8 nm is formed of HgTe and the barrier layer 4 is formed of GaAs.

図12には、伝導帯の底によって形成されるポテンシャル分布52と、価電子帯の頂上によって形成されるポテンシャル分布54が記載されている。ここで、HgTeは半金属なので、量子ドット2で、伝導帯の底52と価電子帯54の頂上が逆転している。   FIG. 12 shows a potential distribution 52 formed by the bottom of the conduction band and a potential distribution 54 formed by the top of the valence band. Here, since HgTe is a semimetal, the bottom 52 of the conduction band and the top of the valence band 54 are reversed in the quantum dot 2.

図12には、伝導帯の基底準位56及びその波動関数58も記載されている。また、図12には、価電子帯の基底準位60及びその波動関数62も記載されている。   FIG. 12 also shows the conduction band ground level 56 and its wave function 58. FIG. 12 also shows the valence band ground level 60 and its wave function 62.

図12に示すように、波動関数58,62は、障壁層4に漏れ出ている。この漏れ出しによって、発光波長の温度変化が小さくなる。   As shown in FIG. 12, the wave functions 58 and 62 leak into the barrier layer 4. This leakage reduces the temperature change of the emission wavelength.

−パラメータ−
本シミュレーションに用いられるパラメータの値は、以下の通りである。
-Parameter-
The parameter values used in this simulation are as follows.

1.HgTeのパラメータ
1.1 禁制帯幅
300KにおけるHgTe禁制帯幅Egは、夫々、−0.15eVである。
1. HgTe Parameters 1.1 Forbidden Bandwidth The HgTe forbidden band width Eg at 300K is −0.15 eV, respectively.

但し、量子ドットを形成するHgTeには、基板面に平行な方向の二次元歪ε(biaxial stress)が発生する。この歪は、半導体の禁制帯幅を変化させる。この時生じる禁制帯幅の変化ΔEgは、次式によって表される。   However, two-dimensional strain ε (biaxial stress) in a direction parallel to the substrate surface is generated in HgTe forming the quantum dots. This distortion changes the forbidden bandwidth of the semiconductor. The change ΔEg in the forbidden bandwidth that occurs at this time is expressed by the following equation.

ΔEg/ε=2a(1−C12/C11)−b(1+2C12/C11
・・・ (1)
ここで、C11及びC12は、弾性定数である。a及びbは、ディフォーメーションポテンシャルである。
ΔEg / ε = 2a (1−C 12 / C 11 ) −b (1 + 2C 12 / C 11 )
(1)
Here, C 11 and C 12 are elastic constants. a and b are deformation potentials.

HgTeのC11及びC12は、夫々、5.4×1010Pa及び3.8×1010Paである。また、HgTeのa及びbは、夫々、−3.69eV及び−0.8eVである。 C 11 and C 12 of HgTe are 5.4 × 10 10 Pa and 3.8 × 10 10 Pa, respectively. Moreover, a and b of HgTe are −3.69 eV and −0.8 eV, respectively.

ここで、二次元歪ε(biaxial stress)は、HgTeの格子定数と基板の格子定数の差から求められる。   Here, the two-dimensional strain ε (biaxial stress) is obtained from the difference between the lattice constant of HgTe and the lattice constant of the substrate.

歪のない場合のHgTeの禁制帯幅−0.15eVに、式(1)から得られる二次元歪εによる禁制帯幅の変化分を加えると、300Kに於ける歪HgTe(歪が発生したHgTe)の禁制帯幅が得られる。   When the change in the forbidden band width due to the two-dimensional strain ε obtained from the equation (1) is added to the forbidden band width of HgTe in the absence of strain−0.15 eV, the strain HgTe at 300 K ) Forbidden bandwidth.

300K以外の温度における歪HgTeの禁制帯幅は、300Kに於ける歪HgTeの禁制帯幅と、HgTeの禁制帯幅の温度係数+5×10−4eV/Kに基づいて求めることができる。 The forbidden band width of the strain HgTe at a temperature other than 300K can be obtained based on the forbidden band width of the strain HgTe at 300K and the temperature coefficient of the forbidden band width of HgTe + 5 × 10 −4 eV / K.

1.2 有効質量
HgTe電子の有効質量は、0.029mである。一方、HgTeの正孔の有効質量は、夫々、0.3mである。
1.2 Effective mass The effective mass of HgTe electrons is 0.029 m 0 . On the other hand, the effective mass of holes in HgTe, respectively, is 0.3 m 0.

2.HgCdTeのパラメータ
Hg1−yCdTeに関するパラメータは、組成比yに比例して変化するものとして、上記HgTeに関するパラメータとCdTeに関するパラメータから求められる。
2. HgCdTe Parameter The parameter relating to Hg 1-y Cd y Te is obtained from the parameter relating to HgTe and the parameter relating to CdTe, assuming that the parameter changes in proportion to the composition ratio y.

CdTeに関する各パラメータは以下の通りである。   Each parameter regarding CdTe is as follows.

まず、300Kに於けるCdTeの禁制帯幅は、+1.50eVである。CdTeの禁制帯幅の温度係数は、−4.1×10−4eV/Kである。 First, the forbidden bandwidth of CdTe at 300K is +1.50 eV. The temperature coefficient of the forbidden bandwidth of CdTe is −4.1 × 10 −4 eV / K.

次に、CdTeのC11及びC12は、夫々、5.35×1010Pa及び3.68×1010Paである。また、CdTeのa及びbは、夫々、−3.42eV及び−0.8eVである。 Next, C 11 and C 12 of CdTe are 5.35 × 10 10 Pa and 3.68 × 10 10 Pa, respectively. Further, a and b of CdTe are −3.42 eV and −0.8 eV, respectively.

次に、CdTeの電子及び正孔の有効質量は、夫々、0.11m及び0.35mである。 Next, the effective mass of the CdTe electrons and holes, respectively, is 0.11 m 0 and 0.35 m 0.

1.3 バンドオフセット
Hg1−yCdTe量子ドットとGaAs障壁層の界面に於けるバンドオフセットは、以下のパラメータに基づいて求めることができる。
1.3 Band Offset The band offset at the interface between the Hg 1-y Cd y Te quantum dot and the GaAs barrier layer can be determined based on the following parameters.

バンドオフセットの算出に使用する第1のパラメータは、CdTeの電子親和力とGaAsの電子親和力である。ここで、CdTe及びGaAsの電子親和力は、夫々、4.28eV及び4.07eVである。   The first parameter used to calculate the band offset is the electron affinity of CdTe and the electron affinity of GaAs. Here, the electron affinity of CdTe and GaAs is 4.28 eV and 4.07 eV, respectively.

バンドオフセットの算出に使用する第2のパラメータは、CdTeの価電子帯の頂上とHgTeの価電子帯の頂上のエネルギー差である。このエネルギー差は、+0.46eVである。   The second parameter used for calculating the band offset is the energy difference between the top of the CdTe valence band and the top of the HgTe valence band. This energy difference is +0.46 eV.

バンドオフセットは組成比yに比例すると考えられるので、これらのパラメータを用いて、上記バンドオフセットを求めることができる。   Since the band offset is considered to be proportional to the composition ratio y, the band offset can be obtained using these parameters.

以上説明した各パラメータの値は、下記文献の何れかに記載されている。   The values of the parameters described above are described in any of the following documents.

文献1;V. Latussek, C. R. Becker, G. Landwehr,R. Bini and L. Ulivi, Phys. Rev. B 71, 125305 (2005)."
文献2;A. M. de Paula, C. R. M. de Oliveira,G. E. Marque,A. M. Cohen,R. D. Feldman and R. F. Austin,M. N. Islam, and C. L. Cesar, Phys. Rev. B 59, 10158 (1999).
文献3;J. -H. Song, J.-S. Kim, K.-U. Jung, and S. -H. Suh, Proc. SPIE. 3436, 34 (1998).
文献4;立岡浩一等、静岡大学大学院電子科学研究院研究報告14, 166-169 (平成4年)。
Reference 1: V. Latussek, CR Becker, G. Landwehr, R. Bini and L. Ulivi, Phys. Rev. B 71, 125305 (2005). "
Reference 2: AM de Paula, CRM de Oliveira, GE Marque, AM Cohen, RD Feldman and RF Austin, MN Islam, and CL Cesar, Phys. Rev. B 59, 10158 (1999).
Reference 3; J. -H. Song, J.-S. Kim, K.-U. Jung, and S. -H. Suh, Proc. SPIE. 3436, 34 (1998).
Reference 4: Koichi Tachioka et al., Shizuoka University Graduate School of Electronic Science Research Report 14, 166-169 (1992).

尚、GaAsに関するパラメータは、良く知られているので、特に説明はしない。例えば、GaAsの禁制帯の温度係数等は、下記文献4等に記載されている。   The parameters relating to GaAs are well known and will not be described in particular. For example, the temperature coefficient of the forbidden band of GaAs is described in Reference 4 below.

文献5;Appendix II,in Optical Processes in Semiconductors, by J. I. Pankove, New York 1975.
(3)製造方法
本半導体レーザ24の製造方法は、通常のFPレーザの製造方法と同じである。
Reference 5; Appendix II, in Optical Processes in Semiconductors, by JI Pankove, New York 1975.
(3) Manufacturing Method The manufacturing method of the semiconductor laser 24 is the same as the manufacturing method of a normal FP laser.

但し、活性層30の製造方法が、通常のFPレーザの活性層の製造方法と異なっている。そこで、主に、活性層30の製造法をついて説明する。   However, the manufacturing method of the active layer 30 is different from the manufacturing method of the active layer of a normal FP laser. Therefore, a method for manufacturing the active layer 30 will be mainly described.

量子ドット層48を含む各層の成長は、分子線エピタキシー(molecular beam epitaxy; MBE)法又は有機金属堆積(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD)法によって行う。ここでは、HgCdTe製の量子ドット層48を、MBE法によって成長する場合について説明する。   Growth of each layer including the quantum dot layer 48 is performed by a molecular beam epitaxy (MBE) method or a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. Here, a case where the quantum dot layer 48 made of HgCdTe is grown by the MBE method will be described.

図13は、活性層30の製造方法を説明する工程断面図である。   FIG. 13 is a process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing the active layer 30.

(i)下部クラッド層形成工程及び下側の障壁層の形成工程(図13(a)参照)
まず、n型GaAs基板26の上に、下部クラッド層28となるn型AlGaAsを成長する。
(I) Lower clad layer forming step and lower barrier layer forming step (see FIG. 13A)
First, n-type AlGaAs to be the lower cladding layer 28 is grown on the n-type GaAs substrate 26.

次に、下側の障壁層4aとなるGaAsを成長する。   Next, GaAs to be the lower barrier layer 4a is grown.

(ii)量子ドット形成工程(図13(b)参照)
次に、基板温度を、Hg1−yCdTeの成長に適した200〜300℃に下げる。
(Ii) Quantum dot formation step (see FIG. 13B)
Next, the substrate temperature is lowered to 200 to 300 ° C. suitable for the growth of Hg 1-y Cd y Te.

次に、下側の障壁層4aの成長に用いたGa分子線及びAs分子線を遮断して、Te分子線を基板に照射する。尚、この際、下部クラッド層28などのドーピングに用いた、分子線(例えば、Si分子線)も遮断する。   Next, the Ga molecular beam and As molecular beam used for the growth of the lower barrier layer 4a are blocked, and the Te molecular beam is irradiated to the substrate. At this time, molecular beams (for example, Si molecular beams) used for doping the lower cladding layer 28 and the like are also blocked.

次に、Hg分子線とCd分子線を、Hg1−yCdTe数原子層分供給する。 Next, Hg molecular beam and Cd molecular beam are supplied for Hg 1-y Cd y Te several atomic layers.

すると、Hg1−yCdTe製の量子ドット2が、Stranski-Krastanovモードによって成長する。この時、濡れ層6も成長する。 Then, the quantum dots 2 made of Hg 1-y Cd y Te grow in the Stranski-Krastanov mode. At this time, the wetting layer 6 also grows.

尚、Hg1−yCdTeは、GaAsと同じセン亜鉛鉱構造を有している。従って、量子ドット2の成長は容易である。 In addition, Hg 1-y Cd y Te has the same senzincite structure as GaAs. Therefore, the growth of the quantum dots 2 is easy.

(iii)上側の障壁層(キャップ層)形成工程(図13(c)参照)
次に、Hg分子線、Cd分子線、及びTe分子線を遮断する。
(Iii) Upper barrier layer (cap layer) formation step (see FIG. 13C)
Next, the Hg molecular beam, Cd molecular beam, and Te molecular beam are blocked.

次に、Ga分子線とAs分子線を、上記基板26に照射して、上側の障壁層4bとなるGaAsを成長する。   Next, Ga molecular beam and As molecular beam are irradiated to the substrate 26 to grow GaAs to be the upper barrier layer 4b.

以上の工程によって、量子ドット層48が一層成長する。   Through the above steps, the quantum dot layer 48 is further grown.

(iv)量子ドット層の繰り返し成長
その後、量子ドット層48を形成する上記工程(ii)-(iii)を必要回数繰り返して、活性層30を形成する。ここで、各量子ドット2の上側の障壁層4b(キャップ層)は、次の量子ドット層の下側の障壁層4aとなる。すなわち、一つの障壁層4が、上側の障壁層(キャップ層)及び、一つ上に形成される量子ドットの下側の障壁層を兼ねる。
(Iv) Repeated Growth of Quantum Dot Layer Thereafter, the above steps (ii) to (iii) for forming the quantum dot layer 48 are repeated as many times as necessary to form the active layer 30. Here, the upper barrier layer 4b (cap layer) of each quantum dot 2 becomes the lower barrier layer 4a of the next quantum dot layer. That is, one barrier layer 4 also serves as the upper barrier layer (cap layer) and the lower barrier layer of the quantum dots formed one above.

(v)上部クラッド層及び電極層形成工程
その後、基板温度をGaAsの成長に適した温度(例えば、600℃)に上げて、上部クラッド層32及び電極層36を形成する。
(V) Upper Cladding Layer and Electrode Layer Formation Step Thereafter, the substrate temperature is raised to a temperature suitable for GaAs growth (for example, 600 ° C.) to form the upper cladding layer 32 and the electrode layer 36.

(1)構 成
本半導体レーザの構成は、実施例1の半導体レーザと略同じである。但し、活性層を形成する量子ドット層の構成が、実施例1の半導体レーザとは異なる。
(1) Configuration The configuration of this semiconductor laser is substantially the same as that of the semiconductor laser of Example 1. However, the configuration of the quantum dot layer forming the active layer is different from that of the semiconductor laser of Example 1.

本量子ドット層の構成は、図2参照して説明した実施の形態2の量子ドット層9と略同じである。すなわち、本量子ドット層9は、量子ドット8と、量子ドット8を埋め込む障壁層(バリア層)4を有している。   The configuration of this quantum dot layer is substantially the same as that of the quantum dot layer 9 of Embodiment 2 described with reference to FIG. That is, the present quantum dot layer 9 has quantum dots 8 and a barrier layer (barrier layer) 4 in which the quantum dots 8 are embedded.

そして、本量子ドット8は、図2に示すように、第1の部分10と第2の部分12を有している。そして、第1の部分10は、InAsで形成されている。一方、第2の部分12は、HgTeで形成されている。   And this quantum dot 8 has the 1st part 10 and the 2nd part 12, as shown in FIG. The first portion 10 is made of InAs. On the other hand, the second portion 12 is made of HgTe.

ここで、InAsは、温度が上昇すると禁制帯の幅が狭くなる材料である。一方、HgTeは、温度が上昇すると禁制帯の幅が広くなる材料である。   Here, InAs is a material in which the width of the forbidden band becomes narrow as the temperature rises. On the other hand, HgTe is a material whose width of the forbidden band becomes wider as the temperature rises.

一方、障壁層4は、GaAsで形成されている。ここで、GaAsは、温度が上昇すると禁制帯の幅が狭くなる材料である。   On the other hand, the barrier layer 4 is made of GaAs. Here, GaAs is a material in which the width of the forbidden band becomes narrow as the temperature rises.

従って、本量子ドット8では、第1の部分10及び障壁層4が有する負の温度係数と、第2の部分10が有する正の温度係数が相殺する。   Therefore, in the present quantum dot 8, the negative temperature coefficient of the first portion 10 and the barrier layer 4 cancels out the positive temperature coefficient of the second portion 10.

従って、本半導体レーザは、禁制帯幅の温度係数が負になる材料(InGaAsP等)だけで活性層が形成された従来のFPレーザより、発光波長の温度変化が小さくなる。   Therefore, the temperature change of the emission wavelength of this semiconductor laser is smaller than that of a conventional FP laser in which an active layer is formed only from a material (InGaAsP or the like) having a negative forbidden band temperature coefficient.

尚、第1の部分10を形成する材料は、InAsに限られない。例えば、InGaAsであってもよい。   The material forming the first portion 10 is not limited to InAs. For example, InGaAs may be used.

(2)特 性
(i)量子ドットのモデル及びポテンシャル分布
本半導体レーザの発光波長の温度変化も、シミュレーションによって求めることができる。このシミュレーションに用いる量子ドットのモデルも、図10及び11を参照して説明した量子ドットのモデルと同様、円盤状である。
(2) Characteristics (i) Quantum dot model and potential distribution The temperature change of the emission wavelength of the semiconductor laser can also be obtained by simulation. The quantum dot model used for this simulation is also disk-like, similar to the quantum dot model described with reference to FIGS.

発光波長の温度変化を求めるために用いるモデルの形状は、図10及び11を参照して説明した実施例1のモデルの形状と同じである。すなわち、本モデルの外形は、円盤状である。   The shape of the model used for obtaining the temperature change of the emission wavelength is the same as the shape of the model of Example 1 described with reference to FIGS. That is, the external shape of this model is a disk shape.

図14は、本実施例の量子ドットのモデルの断面を説明する平面図である。   FIG. 14 is a plan view for explaining a cross section of the quantum dot model of the present embodiment.

図14に示すように、本モデルは、厚さh1の下側部分と厚さh2の上側部分に分かれている。   As shown in FIG. 14, the model is divided into a lower part having a thickness h1 and an upper part having a thickness h2.

下側部分は、InAsに対応する領域である。そして、この部分の厚さh1は、現実の量子ドット8の中央部に於けるInAs層の厚さである。   The lower part is a region corresponding to InAs. The thickness h1 of this portion is the thickness of the InAs layer at the center of the actual quantum dot 8.

一方、上側部分は、HgTeに対応する。そして、この部分の厚さh2は、現実の量子ドット8の中央部に於けるHgTe層の厚さである。   On the other hand, the upper part corresponds to HgTe. The thickness h2 of this portion is the thickness of the HgTe layer at the center of the actual quantum dot 8.

図15は、上記モデルのポテンシャル分布を説明する図である。横軸は、基板に垂直な方向(円盤50の底面に垂直な方向)に於ける位置座標zである。縦軸は、電子のポテンシャルである。   FIG. 15 is a diagram for explaining the potential distribution of the model. The horizontal axis is the position coordinate z in the direction perpendicular to the substrate (direction perpendicular to the bottom surface of the disk 50). The vertical axis represents the electron potential.

図15には、量子ドット層が、厚さ1.1nmのInAs層10と厚さ1.3nmのHgTe層12を有する量子ドット8と、GaAs製の障壁層4とで形成された場合のポテンシャが記載されている。   FIG. 15 shows a potential when a quantum dot layer is formed of a quantum dot 8 having an InAs layer 10 having a thickness of 1.1 nm, a HgTe layer 12 having a thickness of 1.3 nm, and a barrier layer 4 made of GaAs. Is described.

また、図15には、伝導帯の底によって形成されたポテンシャル分布52と、価電子帯の頂上によって形成されたポテンシャル分布54が記載さえている。尚、HgTeは半金属なので、伝導帯の底52と価電子帯の頂上54は、HgTe層12で、逆転している。   FIG. 15 even shows a potential distribution 52 formed by the bottom of the conduction band and a potential distribution 54 formed by the top of the valence band. Since HgTe is a semimetal, the bottom 52 of the conduction band and the top 54 of the valence band are reversed in the HgTe layer 12.

(ii)発光波長の温度変化
図15には、ポテンシャル分布だけでなく、伝導帯の基底準位56及びその波動関数58も記載されている。また、図15には、価電子帯の基底準位60及びその波動関数62も記載されている。
(Ii) Temperature change of emission wavelength FIG. 15 shows not only the potential distribution but also the ground level 56 of the conduction band and its wave function 58. FIG. 15 also shows the valence band ground level 60 and its wave function 62.

図15に示すように、波動関数58,62は、禁制帯幅の温度係数が正であるHgTe層(第2の部分12)と、禁制帯幅の温度係数が負であるInAs層(第1の部分10)及びGaAs層(障壁層4)に分布している。   As shown in FIG. 15, the wave functions 58 and 62 include an HgTe layer (second portion 12) in which the temperature coefficient of the forbidden band is positive and an InAs layer (first first) in which the temperature coefficient of the forbidden band is negative. 10) and the GaAs layer (barrier layer 4).

このように、波動関数が温度係数が正になる領域と負になる領域に広がっているので、夫々の温度係数が相殺されて、発光波長の温度変化は小さくなる。   As described above, since the wave function spreads in a region where the temperature coefficient is positive and a region where the temperature coefficient is negative, each temperature coefficient is canceled out and the temperature change of the emission wavelength becomes small.

尚、本量子ドット8では、電子の波動関数58の中心と正孔の波動関数62の中心が一致していない。しかし、両中心のズレは大きくないので、本半導体レーザの発光効率の低下は僅かである。   In the present quantum dot 8, the center of the electron wave function 58 does not coincide with the center of the hole wave function 62. However, since the misalignment between the centers is not large, the decrease in the light emission efficiency of the semiconductor laser is slight.

図16は、本半導体レーザの発光波長の温度変化を説明する図である。横軸は、温度である。縦軸は、発光波長である。   FIG. 16 is a diagram for explaining the temperature change of the emission wavelength of the semiconductor laser. The horizontal axis is temperature. The vertical axis represents the emission wavelength.

図16に示す発光波長の温度変化は、上記モデルに対するシミュレーションによって得られた結果である。尚、シミュレーションの手法は、実施例1で説明した手法と同じである。   The temperature change of the emission wavelength shown in FIG. 16 is a result obtained by simulation for the above model. The simulation method is the same as the method described in the first embodiment.

「○」で示した点は、InAs層10の厚さが3nmで、HgTe層12の厚さが1.3nmの場合のシミュレーション結果である。尚、量子ドット8の直径は、43nmである。   The point indicated by “◯” is a simulation result when the thickness of the InAs layer 10 is 3 nm and the thickness of the HgTe layer 12 is 1.3 nm. The diameter of the quantum dot 8 is 43 nm.

「×」で示した点は、InAs層10の厚さが1.1nmで、HgTe層12の厚さが1.3nmの場合のシミュレーション結果である。尚、量子ドット8の直径は43nmである。   The point indicated by “x” is a simulation result when the thickness of the InAs layer 10 is 1.1 nm and the thickness of the HgTe layer 12 is 1.3 nm. The diameter of the quantum dot 8 is 43 nm.

すなわち、「○」及び「×」が表すデータは、共に、HgTe層12の厚さが1.3nmの場合のシミュレーション結果である。但し、InAs層10の厚さが異なっている。   That is, the data represented by “◯” and “×” are both simulation results when the thickness of the HgTe layer 12 is 1.3 nm. However, the thickness of the InAs layer 10 is different.

図16に示すように、「○」で示したInAs層10の厚さが3nmの場合の発光波長は、温度によらず、略1.55μmになる。一方、「×」で示したInAs層10の厚さが1.1nmの場合の発光波長は、温度によらず、略1.3μmになる。これら発光波長は、光ファイバ通信に適している。   As shown in FIG. 16, the emission wavelength when the thickness of the InAs layer 10 indicated by “◯” is 3 nm is approximately 1.55 μm regardless of the temperature. On the other hand, the emission wavelength when the thickness of the InAs layer 10 indicated by “x” is 1.1 nm is approximately 1.3 μm regardless of the temperature. These emission wavelengths are suitable for optical fiber communication.

ここで、発光波長の温度に対する変化率は、InAs層10の厚さが3nmの場合、+0.01nm/Kである。一方、InAs層10の厚さが1.1nmの場合は、+0.05nm/Kである。   Here, the rate of change of the emission wavelength with respect to temperature is +0.01 nm / K when the thickness of the InAs layer 10 is 3 nm. On the other hand, when the thickness of the InAs layer 10 is 1.1 nm, it is +0.05 nm / K.

これらの値は、活性層をInGaAsPで形成した従来のFPレーザの発光波長の温度係数+0.5nm/Kより格段に小さい。   These values are much smaller than the temperature coefficient of the emission wavelength of the conventional FP laser in which the active layer is formed of InGaAsP + 0.5 nm / K.

図17は、HgTe層12の厚さと発光波長の関係、及びHgTe層12の厚さと発光波長の温度係数の関係を説明する図である。横軸は、HgTe層12の厚さを表す。左縦軸は、本半導体レーザの発光波長を表す。右縦軸は、本半導体レーザの発光波長の温度係数を表す。   FIG. 17 is a diagram for explaining the relationship between the thickness of the HgTe layer 12 and the emission wavelength, and the relationship between the thickness of the HgTe layer 12 and the temperature coefficient of the emission wavelength. The horizontal axis represents the thickness of the HgTe layer 12. The left vertical axis represents the emission wavelength of the semiconductor laser. The right vertical axis represents the temperature coefficient of the emission wavelength of the semiconductor laser.

尚、図17に示したデータは、全て、InAs層10の厚さが2nmの場合のデータである。   Note that all the data shown in FIG. 17 is data when the thickness of the InAs layer 10 is 2 nm.

「●」で示す点は、発光波長を示している。「○」で示す点は、発光波長の温度係数を示している。   The dots indicated by “●” indicate the emission wavelength. The point indicated by “◯” indicates the temperature coefficient of the emission wavelength.

「○」で示したデータから明らかなように、発光波長の温度係数は、HgTe層12が厚くなるに従って小さくなり、やがて負の値になる。   As is clear from the data indicated by “◯”, the temperature coefficient of the emission wavelength decreases as the HgTe layer 12 becomes thicker and eventually becomes a negative value.

HgTe層12が厚くなると、HgTe層12に分布する波動関数の割合が増加する。その結果、禁制帯幅の温度係数が正であるHgTeの影響が大きくなり、発光波長の温度係数が減少なる。   As the HgTe layer 12 becomes thicker, the proportion of the wave function distributed in the HgTe layer 12 increases. As a result, the influence of HgTe having a positive temperature coefficient of the forbidden band width increases, and the temperature coefficient of the emission wavelength decreases.

ここで、「○」で示したデータから明らかなように、HgTe層12の厚さが1.1nm以上1.5nm以下の場合、発光波長の温度係数は、−0.1nm/K〜0.1nm/Kという(絶対値の)小さな値になる。   Here, as is clear from the data indicated by “◯”, when the thickness of the HgTe layer 12 is 1.1 nm or more and 1.5 nm or less, the temperature coefficient of the emission wavelength is −0.1 nm / K to 0.00. It becomes a small value (absolute value) of 1 nm / K.

また、「●」で示したデータから明らかなように、HgTe層12の厚さが1.1nm以上1.5nm以下の場合、発光波長は、1.33μmから1.55μmという光ファイバ通信に適した値になる。   As is clear from the data indicated by “●”, when the thickness of the HgTe layer 12 is 1.1 nm or more and 1.5 nm or less, the emission wavelength is suitable for optical fiber communication of 1.33 μm to 1.55 μm. Value.

すなわち、HgTe層12の厚さ(量子ドット8の頂上の下側に於ける厚さ)は、1.1nm以上1.5nm以下であることが好ましい。また、図17から明らかなように、HgTe層12の厚さとしては、1.2nm以上1.4nm以下が更に好ましい。   That is, the thickness of the HgTe layer 12 (thickness on the lower side of the top of the quantum dots 8) is preferably 1.1 nm or more and 1.5 nm or less. Further, as is clear from FIG. 17, the thickness of the HgTe layer 12 is more preferably 1.2 nm or more and 1.4 nm or less.

図18は、InAs層10の厚さと発光波長の関係、及びInAs層10の厚さと発光波長の温度係数の関係を説明する図である。横軸は、InAs層10の厚さを表す。左縦軸は、本半導体レーザの発光波長を表す。右縦軸は、本半導体レーザの発光波長の温度係数を表す。   FIG. 18 is a diagram illustrating the relationship between the thickness of the InAs layer 10 and the emission wavelength, and the relationship between the thickness of the InAs layer 10 and the temperature coefficient of the emission wavelength. The horizontal axis represents the thickness of the InAs layer 10. The left vertical axis represents the emission wavelength of the semiconductor laser. The right vertical axis represents the temperature coefficient of the emission wavelength of the semiconductor laser.

尚、図18に示したデータは、全て、HgTe層12の厚さが1.3nmの場合のデータである。   Note that all the data shown in FIG. 18 is data when the thickness of the HgTe layer 12 is 1.3 nm.

「▲」で示す点は、発光波長を示している。「△」で示す点は、発光波長の温度係数を示している。   The point indicated by “▲” indicates the emission wavelength. The point indicated by “Δ” indicates the temperature coefficient of the emission wavelength.

「△」で示したデータから明らかなように、発光波長の温度係数は、InAs層10が厚くなるに従って一度減少し、やがて増加する。   As is clear from the data indicated by “Δ”, the temperature coefficient of the emission wavelength decreases once as the InAs layer 10 becomes thicker, and then increases.

InAs層10が厚くなると、GaAs障壁層4に漏れ出す波動関数の割合が低下して、HgTe層12に分布する波動関数の割合が増加する。このため、禁制帯幅の温度係数が正であるHgTeの影響が大きくなり、発光波長の温度係数が減少する。   As the InAs layer 10 becomes thicker, the ratio of the wave function leaking to the GaAs barrier layer 4 decreases and the ratio of the wave function distributed in the HgTe layer 12 increases. For this reason, the influence of HgTe having a positive temperature coefficient of the forbidden bandwidth is increased, and the temperature coefficient of the emission wavelength is decreased.

尚、InAsの禁制帯幅の温度係数(−3.3×10−4eV/K)の絶対値は、GaAsの禁制帯幅の温度係数(−5.0×10−4eV/K)の絶対値より小さい。 The absolute value of the temperature coefficient of the forbidden band width of InAs (−3.3 × 10 −4 eV / K) is the same as the temperature coefficient of the forbidden band width of GaAs (−5.0 × 10 −4 eV / K). Less than absolute value.

しかし、InAs層10が更に厚くなると、禁制帯幅の温度係数が負であるInAs層10に分布する波動関数の割合が大きくなるので、発光波長の温度係数が増加し始める。   However, when the InAs layer 10 is further thickened, the proportion of the wave function distributed in the InAs layer 10 having a negative forbidden band temperature coefficient increases, so that the temperature coefficient of the emission wavelength starts to increase.

ここで、「△」で示したデータから明らかなように、InAs層10の厚さが1nm以上4nm以下の場合、発光波長の温度係数は、−0.1nm/K〜0.1nm/Kという(絶対値が)小さな値になる。   Here, as is apparent from the data indicated by “Δ”, when the thickness of the InAs layer 10 is 1 nm or more and 4 nm or less, the temperature coefficient of the emission wavelength is −0.1 nm / K to 0.1 nm / K. (Absolute value) becomes a small value.

また、「▲」で示したデータから明らかなように、InAs層10の厚さが1nm以上4nm以下の場合、発光波長も、1.3μmから1.6μmという光ファイバ通信に適した値になる。   As is clear from the data indicated by “▲”, when the thickness of the InAs layer 10 is 1 nm or more and 4 nm or less, the emission wavelength is also a value suitable for optical fiber communication from 1.3 μm to 1.6 μm. .

すなわち、InAs層10の厚さ(量子ドット8の頂上の下側に於ける厚さ)は、1nm以上4nm以下であることが好ましい。また、図18から明らかなように、InAs層10の厚さとしては、2nm以上3nm以下が更に好ましい。   That is, the thickness of the InAs layer 10 (thickness on the lower side of the top of the quantum dots 8) is preferably 1 nm or more and 4 nm or less. As is clear from FIG. 18, the thickness of the InAs layer 10 is more preferably 2 nm or more and 3 nm or less.

本シミュレーションに用いられるInAsの禁制帯幅は、下記式(2)及び(3)に基づいて得られる。   The forbidden bandwidth of InAs used in this simulation is obtained based on the following equations (2) and (3).

下記式(2)は、以下に示すように、歪の無いInGa1−xAsの禁制帯幅Eg(x,T)を与える。 The following formula (2) gives a forbidden band width Eg (x, T) of In x Ga 1-x As without distortion as shown below.

Eg(x,T)=(1.519−5.408×10−4/(T+204))(1−x)+(0.417−2.76×10−4/(93+T))x−0.475x(1−x) ・・・・・ (2) ここで、xはInの組成比である。また、Tは絶対温度である。 Eg (x, T) = (1.519-5.408 × 10 −4 T 2 /(T+204))(1-x)+(0.417-2.76×10 −4 T 2 / (93 + T) ) X-0.475x (1-x) (2) where x is the composition ratio of In. T is an absolute temperature.

一方、式(3)は、以下に示すように、GaAs上に形成されたに歪入れ(strained)InGa1−xAsの300Kに於ける禁制帯幅を与える。 Equation (3), on the other hand, gives the forbidden bandwidth at 300 K of strained In x Ga 1-x As formed on GaAs as shown below.

Eg(x)=1.43−1.11x+0.45x ・・・・・ (3)
ここで、xはInの組成比である。
Eg (x) = 1.43-1.11x + 0.45x 2 (3)
Here, x is a composition ratio of In.

この式(2)及び(3)から、歪によってInAsに発生する禁制帯幅の変化ΔEgと歪εの比(=ΔEg/ε)が、300Kに於いて得られる。   From these expressions (2) and (3), the ratio of the change in the forbidden band width ΔEg generated in InAs due to strain to the strain ε (= ΔEg / ε) is obtained at 300K.

次に、シミュレーションを実施する各温度に於けるεを、InAsとGaAsの熱膨張係数の差から求める。   Next, ε at each temperature at which the simulation is performed is obtained from the difference between the thermal expansion coefficients of InAs and GaAs.

次に、300Kに於けるΔEg/εに各温度に於ける歪εを乗じて、各温度に於けるΔEgを求める。   Next, ΔEg at each temperature is obtained by multiplying ΔEg / ε at 300 K by the strain ε at each temperature.

最後に、このΔEgと式(2)に基づいて、各温度に於ける歪InAsの禁制帯幅を求める。   Finally, the forbidden band width of the strain InAs at each temperature is obtained based on this ΔEg and the equation (2).

InAsとGaAsのバンドオフセットは、以下のようにして求められる。   The band offset between InAs and GaAs is obtained as follows.

まず、InAsとGaAsの禁制帯幅の差を求める。   First, the difference in the forbidden bandwidth between InAs and GaAs is obtained.

そして、この禁制帯幅の差を、伝導帯側に65%が割り当て、価電子帯側に35%割り当てて、バンドオフセットを求める(ΔEc:ΔEv=65:35)。   Then, 65% is allocated to the conduction band side and 35% is allocated to the valence band side, and the band offset is obtained (ΔEc: ΔEv = 65: 35).

尚、InGaAsとGaAsのバンドオフセットも、禁制帯幅の差を同じ比率で割り当てることによって得られる。   Note that the band offset between InGaAs and GaAs can also be obtained by assigning the difference in the forbidden bandwidth in the same ratio.

(3)製造方法
図19及び20は、本半導体レーザの製造方法を説明する工程断面図である。
(3) Manufacturing Method FIGS. 19 and 20 are process cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the semiconductor laser.

本半導体レーザの製造方法は、実施例1の製造方法と略同じである。   The manufacturing method of this semiconductor laser is substantially the same as the manufacturing method of the first embodiment.

但し、本製造方法で成長する量子ドット8は、InAs層とHgTe層が積層されて形成されている。   However, the quantum dots 8 grown by this manufacturing method are formed by laminating an InAs layer and an HgTe layer.

(i)下部クラッド層形成工程及び下側の障壁層の形成工程(図19(a)参照)
まず、n型GaAs基板26の上に、下部クラッド層28となるn型AlGaAsを成長する。
(I) Lower clad layer forming step and lower barrier layer forming step (see FIG. 19A)
First, n-type AlGaAs to be the lower cladding layer 28 is grown on the n-type GaAs substrate 26.

次に、下側の障壁層4aとなるGaAsを成長する。   Next, GaAs to be the lower barrier layer 4a is grown.

(ii)量子ドット形成工程(図19(b)及び図20(a)参照)
次に、下部クラッド層28などの成長に用いたGa分子線を遮断して、基板温度を400〜520Cに下げて、In分子線を数原子層分基板26に照射する。
(Ii) Quantum dot formation step (see FIGS. 19B and 20A)
Next, the Ga molecular beam used for the growth of the lower cladding layer 28 and the like is cut off, the substrate temperature is lowered to 400 to 520 ° C., and the In molecular beam is irradiated onto the substrate 26 for several atomic layers.

この時、下部クラッド層28の成長に用いた、As分子線の照射は継続される。一方、下部クラッド層28などのドーピングに用いた、分子線(例えば、Si分子線)は遮断される。   At this time, the irradiation of the As molecular beam used for the growth of the lower cladding layer 28 is continued. On the other hand, molecular beams (for example, Si molecular beams) used for doping the lower cladding layer 28 and the like are blocked.

すると、ドット状のInAs層(第1の部分10)が、Stranski-Krastanovモードによって成長する。この時、第1の濡れ層14も成長する(図19(b)参照)。   Then, a dot-like InAs layer (first portion 10) grows in the Stranski-Krastanov mode. At this time, the first wetting layer 14 also grows (see FIG. 19B).

次に、In分子線とAs分子線を遮断して、基板温度を200〜300Cに下げて、Te分子線を基板26に照射する。 Next, the In molecular beam and the As molecular beam are blocked, the substrate temperature is lowered to 200 to 300 ° C., and the Te molecular beam is irradiated to the substrate 26.

次に、Hg分子線を、数原子層分供給する。   Next, Hg molecular beams are supplied for several atomic layers.

すると、ドット状のHgTe層(第2の部分12)が、Stranski-Krastanovモードによって成長する。同時に、第2の濡れ層16も成長する(図20(a)参照)。   Then, a dot-like HgTe layer (second portion 12) grows in the Stranski-Krastanov mode. At the same time, the second wetting layer 16 also grows (see FIG. 20A).

ところで、歪の緩和は、InAs濡れ層(第1の濡れ層14)より、InAs層(第1の部分10)でより進行する。このため、HgTeは、ドット状のInAs層(第1の部分10)の上により厚く成長して、HgTe層(第2の部分12)になる。   By the way, the relaxation of strain proceeds more in the InAs layer (first portion 10) than in the InAs wetting layer (first wetting layer 14). For this reason, HgTe grows thicker on the dot-like InAs layer (first portion 10) to become the HgTe layer (second portion 12).

(iii)上側の障壁層形成工程(図20(b)参照)
次に、Hg分子線及びTe分子線を遮断する。
(Iii) Upper barrier layer forming step (see FIG. 20B)
Next, the Hg molecular beam and the Te molecular beam are blocked.

次に、Ga分子線とAs分子線を、上記基板26に照射して、上側の障壁層4bとなるGaAsを成長する。   Next, Ga molecular beam and As molecular beam are irradiated to the substrate 26 to grow GaAs to be the upper barrier layer 4b.

以上の工程によって、量子ドット層64が一層成長する。   Through the above steps, the quantum dot layer 64 is further grown.

その後、量子ドット層64を形成する上記工程(ii)〜(iii)を繰り返して、活性層を形成する。   Thereafter, the steps (ii) to (iii) for forming the quantum dot layer 64 are repeated to form an active layer.

(iv)上部クラッド層及び電極層形成工程
その後、基板温度をGaAsの成長に適した温度(例えば、600℃)に上げて、上部クラッド層及び電極層を形成する。
(Iv) Upper Cladding Layer and Electrode Layer Formation Step Thereafter, the substrate temperature is raised to a temperature suitable for GaAs growth (for example, 600 ° C.) to form the upper cladding layer and the electrode layer.

ところで、InAs層10の成長後に熱処理を実施すると、InAs層10はリング状に変形する。このようなリング状InAsが形成された基板の上にHgTeを成長すると、リング内にHgTeが充填された量子ドットが形成される。   By the way, when heat treatment is performed after the growth of the InAs layer 10, the InAs layer 10 is deformed into a ring shape. When HgTe is grown on the substrate on which such ring-shaped InAs are formed, quantum dots filled with HgTe in the ring are formed.

このような量子ドットを用いて、本半導体レーザを製造してもよい。   You may manufacture this semiconductor laser using such a quantum dot.

(1)構 成
本半導体レーザの構成は、実施例1の半導体レーザと略同じである。但し、活性層を形成する量子ドット層の構成が、実施例1の半導体レーザとは異なる。
(1) Configuration The configuration of this semiconductor laser is substantially the same as that of the semiconductor laser of Example 1. However, the configuration of the quantum dot layer forming the active layer is different from that of the semiconductor laser of Example 1.

本実施例の量子ドット層は、実施の形態3の量子ドット層21と略同じである(図3参照)。すなわち、量子ドット18は、Hg1−yCdTe(0.4<y<0.6)で形成されている。一方、障壁層20は、Al0.1Ga0.9Asで形成されている。尚、Al0.1Ga0.9Asの代わりに、禁制帯幅がGaAsより広く、価電子帯の頂上がGaAsの価電子帯の頂上より低い他の半導体(AlGaAsを含む)で、障壁層20は形成されてもよい。 The quantum dot layer of this example is substantially the same as the quantum dot layer 21 of the third embodiment (see FIG. 3). That is, the quantum dot 18 is formed of Hg 1-y Cd y Te (0.4 <y <0.6). On the other hand, the barrier layer 20 is made of Al 0.1 Ga 0.9 As. In place of Al 0.1 Ga 0.9 As, the barrier layer is made of another semiconductor (including AlGaAs) whose forbidden band is wider than GaAs and whose top of the valence band is lower than the top of the valence band of GaAs. 20 may be formed.

尚、上部クラッド層28及び下部クラッド32は、Alの組成が0.1より大きいAlGaAsで形成されている。   The upper clad layer 28 and the lower clad 32 are made of AlGaAs having an Al composition greater than 0.1.

Hg1−yCdTeの禁制帯の温度係数は、Cdの組成yが0.4〜0.6の間で略ゼロになる。このため、本半導体レーザは、禁制帯幅の温度係数が負となる半導体で活性層全体が形成された従来のFPレーザより、発光波長の温度変化が小さくなる。 The temperature coefficient of the forbidden band of Hg 1-y Cd y Te becomes substantially zero when the composition y of Cd is between 0.4 and 0.6. For this reason, the temperature change of the emission wavelength of this semiconductor laser is smaller than that of a conventional FP laser in which the entire active layer is formed of a semiconductor having a negative forbidden band temperature coefficient.

ところで、Hg1−yCdTe(0.4<y<0.6)とGaAsのバンドオフセットは、僅かである。このため、量子ドットへのキャリア(特に、正孔)の閉じ込めが不十分にならないように、本実施例では、障壁層20がAl0.1Ga0.9Asで形成されている。尚、Alの組成は0.15以下が好ましい。 By the way, the band offset between Hg 1-y Cd y Te (0.4 <y <0.6) and GaAs is slight. For this reason, in this embodiment, the barrier layer 20 is formed of Al 0.1 Ga 0.9 As so that carriers (particularly, holes) are not sufficiently confined in the quantum dots. The Al composition is preferably 0.15 or less.

(2)発光波長の温度変化
図21は、本半導体レーザの発光波長の温度変化を説明する図である。横軸は、温度である。縦軸は、発光波長である。図21に示す発光波長の温度変化は、シミュレーションによって得られた結果である。シミュレーションの手法は、実施例1で説明した手法と同じである。
(2) Temperature change of emission wavelength FIG. 21 is a diagram for explaining a temperature change of the emission wavelength of the semiconductor laser. The horizontal axis is temperature. The vertical axis represents the emission wavelength. The temperature change of the emission wavelength shown in FIG. 21 is a result obtained by simulation. The simulation method is the same as the method described in the first embodiment.

「○」で示した点は、量子ドット18の高さ及び直径が夫々、4.5nm及び45nmの場合のシミュレーション結果である。   Points indicated by “◯” are the simulation results when the height and diameter of the quantum dots 18 are 4.5 nm and 45 nm, respectively.

図21に示すように、本半導体レーザの発光波長は、温度によらず、略1.55μmである。この発光波長は、光ファイバ通信に適している。   As shown in FIG. 21, the emission wavelength of this semiconductor laser is about 1.55 μm regardless of the temperature. This emission wavelength is suitable for optical fiber communication.

図22は、量子ドット18の高さと発光波長の関係、及び量子ドット18の高さと発光波長の温度係数の関係を説明する図である。横軸は、量子ドット18の高さを表す。左縦軸は、本半導体レーザの発光波長を表す。右縦軸は、本半導体レーザの発光波長の温度係数を表す。   FIG. 22 is a diagram for explaining the relationship between the height of the quantum dot 18 and the emission wavelength, and the relationship between the height of the quantum dot 18 and the temperature coefficient of the emission wavelength. The horizontal axis represents the height of the quantum dot 18. The left vertical axis represents the emission wavelength of the semiconductor laser. The right vertical axis represents the temperature coefficient of the emission wavelength of the semiconductor laser.

「●」で示す点は、Cdの組成yが0.5である場合の発光波長を示している。「○」で示す点は、Cdの組成yが同じく0.5である場合の発光波長の温度係数を示している。   The point indicated by “●” indicates the emission wavelength when the composition y of Cd is 0.5. The point indicated by “◯” indicates the temperature coefficient of the emission wavelength when the composition y of Cd is also 0.5.

「▲」で示す点は、Cdの組成yが0.6である場合の発光波長を示している。「△」で示す点は、Cdの組成yが0.6である場合の発光波長の温度係数を示している。   The point indicated by “▲” indicates the emission wavelength when the composition y of Cd is 0.6. The point indicated by “Δ” indicates the temperature coefficient of the emission wavelength when the composition y of Cd is 0.6.

「○」及び「△」が示すデータから明らかなように、量子ドット18の高さが2nm以上8nm以下の場合、発光波長の温度係数は−0.05nm/K〜0.1nm/Kという(絶対値の)小さな値になる。但し、Cdの組成yは、0.5以上0.6以下の間の何れかの値であるものとする。   As is clear from the data indicated by “◯” and “Δ”, when the height of the quantum dot 18 is 2 nm or more and 8 nm or less, the temperature coefficient of the emission wavelength is −0.05 nm / K to 0.1 nm / K ( Small value (absolute value). However, the composition y of Cd is any value between 0.5 and 0.6.

また、「●」及び「▲」が示すデータから明らかなように、量子ドット18の高さが2.0nm以上8nm以下の場合、発光波長は、1.2μmから1.6μmという光ファイバ通信に適した値になる。   As is clear from the data indicated by “●” and “▲”, when the height of the quantum dots 18 is 2.0 nm or more and 8 nm or less, the emission wavelength is 1.2 μm to 1.6 μm in optical fiber communication. It becomes a suitable value.

これらの結果及び図9を参照して説明したy=0.4の場合の結果を参酌すれば、HgCdTe(0.4<y<0.6)で形成された量子ドット18の高さとしては、2.0nm以上8.0nm以下が好ましいことが分かる。尚、量子ドット18の高さとしては、2.0nm以上6.0nm以下が好ましい。   Considering these results and the result of y = 0.4 described with reference to FIG. 9, the height of the quantum dots 18 formed of HgCdTe (0.4 <y <0.6) It can be seen that 2.0 nm or more and 8.0 nm or less is preferable. The height of the quantum dot 18 is preferably 2.0 nm or more and 6.0 nm or less.

(変形例)
上記実施例1乃至3は、FPレーザに関するものである。しかし、上記実施の形態1乃至3が適用可能な発光装置は、FPレーザに限られない。例えば、上記実施の形態1乃至3は、例えば、DFBレーザ、光増幅器、及び発光ダイオードにも適用可能である。
(Modification)
Examples 1 to 3 described above relate to the FP laser. However, the light emitting device to which the first to third embodiments can be applied is not limited to the FP laser. For example, the first to third embodiments can be applied to, for example, a DFB laser, an optical amplifier, and a light emitting diode.

上記実施例1乃至3では、量子ドットは、HgTe又はHgCdTeで形成されている。しかし、本発光装置の量子ドットの形成に用いることのできる材料は、HgTe又はHgCdTeに限られない。例えば、HgSeやHgCdSeによって、量子ドットを形成してもよい。これら材料の禁制帯幅の温度係数も、HgTeやHgCdTeの温度係数と同様、正である。尚、禁制帯幅の温度係数が正となる材料としては、Pb塩(例えば、PbSやPbSeやPbTe)もある。   In Examples 1 to 3, the quantum dots are formed of HgTe or HgCdTe. However, the material that can be used for forming the quantum dots of the light emitting device is not limited to HgTe or HgCdTe. For example, the quantum dots may be formed of HgSe or HgCdSe. The temperature coefficient of the forbidden band width of these materials is also positive, like the temperature coefficient of HgTe or HgCdTe. In addition, Pb salt (for example, PbS, PbSe, or PbTe) is also available as a material that has a positive temperature coefficient of the forbidden band width.

また、上記実施例1乃至3では、障壁層は、GaAs又はAlGaAsで形成されている。しかし、障壁層の形成に用いることのできる材料は、GaAsやAlGaAsに限られない。例えば、InP、InGaAsP、及びInAlGaAs等によって、量子ドットを形成してもよい。   In the first to third embodiments, the barrier layer is made of GaAs or AlGaAs. However, the material that can be used for forming the barrier layer is not limited to GaAs or AlGaAs. For example, the quantum dots may be formed of InP, InGaAsP, InAlGaAs, or the like.

また、上記実施例1乃至3では、GaAs製の半導体基板が用いられている。しかし、他の半導体基板(例えば、InP基板)を用いてもよい。   In Examples 1 to 3, a GaAs semiconductor substrate is used. However, other semiconductor substrates (for example, InP substrates) may be used.

また、上記実施例1乃至3では、上部クラッド層及び下部クラッド層は、AlGaAsで形成されている。しかし、上部クラッド層及び下部クラッド層は、他の半導体材料(例えば、InPやAlGaAsP)で形成してもよい。   In Examples 1 to 3, the upper cladding layer and the lower cladding layer are made of AlGaAs. However, the upper cladding layer and the lower cladding layer may be formed of other semiconductor materials (for example, InP or AlGaAsP).

2・・・(実施の形態1の)量子ドット 4・・・(実施の形態1の)障壁層
5・・・(実施の形態1の)量子ドット層
6・・・(実施の形態1の)濡れ層 8・・・(実施の形態2の)量子ドット
9・・・(実施の形態2の)量子ドット層
10・・・第1の部分 12・・・第2の部分
14・・・第1の濡れ層 16・・・第2の濡れ層
18・・・(実施の形態3の)量子ドット
20・・・(実施の形態3の)障壁層
21・・・(実施の形態3の)量子ドット層
22・・・(実施の形態2の)濡れ層
24・・・(実施例1の)半導体レーザ
26・・・n型GaAs基板 28・・・下部クラッド層
30・・・活性層 32・・・上部クラッド層
34・・・帯状のメサ 36・・・電極層
38・・・保護膜 40・・・上部電極
42・・・下部電極 44,46・・・端面
48・・・量子ドット層 50・・・円盤
52・・・伝導帯の底によって形成されるポテンシャル分布
54・・・価電子帯の頂上によって形成されるポテンシャル分布
56・・・伝導帯の基底準位 58・・・波動関数
60・・・価電子帯の基底準位 62・・・波動関数
64・・・(実施例2の)量子ドット層
2 ... Quantum dot 4 of the first embodiment 4 ... Barrier layer 5 of the first embodiment ... Quantum dot layer 6 of the first embodiment ... of the first embodiment ) Wetting layer 8... (Dot 2) quantum dot 9... (Dot 2) quantum dot layer 10... First portion 12... Second portion 14. First wetting layer 16 ... second wetting layer 18 ... quantum dots (in the third embodiment)
20 ... (Embodiment 3) Barrier layer 21 ... (Embodiment 3) Quantum dot layer 22 ... (Embodiment 2) Wetting layer 24 ... (Example 1) Semiconductor laser 26 ... n-type GaAs substrate 28 ... lower clad layer 30 ... active layer 32 ... upper clad layer 34 ... band-like mesa 36 ... electrode layer 38 ... protective film 40 ... Upper electrode 42 ... Lower electrode 44, 46 ... End face 48 ... Quantum dot layer 50 ... Disc 52 ... Potential distribution 54 formed by the bottom of the conduction band ... Valence electrons Potential distribution formed by the top of the band 56... Ground level of conduction band 58... Wave function 60... Ground level of valence band 62. Of) quantum dot layer

Claims (5)

温度が上昇すると禁制帯の幅が広くなる第1の材料で形成された量子ドットと、
温度が上昇すると禁制帯の幅が狭くなる第2の材料で形成され、前記量子ドットを埋め込む障壁層とを有する活性層を、
具備する発光装置。
A quantum dot formed of a first material that increases the width of the forbidden band as the temperature rises;
An active layer formed of a second material whose width of the forbidden band is narrowed when the temperature rises, and having a barrier layer in which the quantum dots are embedded;
A light emitting device provided.
請求項1の発光装置において、
前記第1の材料が、Hg1−yCdTe(0≦y≦0.4)であることを、
特徴とする発光装置。
The light-emitting device according to claim 1.
The first material is Hg 1-y Cd y Te (0 ≦ y ≦ 0.4),
A light emitting device characterized.
請求項1の発光装置において、
前記量子ドットの一部が、温度が上昇すると禁制帯の幅が狭くなる第3の材料で形成されていることを、
特徴とする発光装置。
The light-emitting device according to claim 1.
A part of the quantum dots is formed of a third material that narrows the width of the forbidden band as the temperature rises.
A light emitting device characterized.
請求項3の発光装置において、
前記第1の材料が、Hg1−yCdTe(0≦y≦0.4)であることを、
特徴とする発光装置。
The light-emitting device according to claim 3.
The first material is Hg 1-y Cd y Te (0 ≦ y ≦ 0.4),
A light emitting device characterized.
Hg1−yCdTe(0.4<y<0.6)で形成された量子ドットを有する活性層を、
具備する発光装置。
An active layer having quantum dots formed of Hg 1-y Cd y Te (0.4 <y <0.6),
A light emitting device provided.
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