JP2014209609A

JP2014209609A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP2014209609A
Application number: JP2014061982A
Authority: JP
Inventors: 井本　晃; Akira Imoto; 晃井本; 田中　政博; Masahiro Tanaka; 政博田中; 岩下　修三; Shuzo Iwashita; 修三岩下
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2014-11-06

Abstract

【課題】発光利得の大きい半導体レーザを提供する。【解決手段】ｎ型の半導体基板１とｐ型の半導体基板３との間に、多数の量子ドット７と、この量子ドット７を取り囲むように配置されたマトリックス９とから構成されてなる活性層５を備えており、量子ドット７は、最大径が１０〜３０ｎｍであるとともに、最大径のばらつきが２ｎｍ以内である。これによりエネルギー準位差を広げ、発光に寄与する中心波長に対して最近接波長の利得を向上させる。【選択図】図１

Description

本発明は、化合物半導体の量子ドットを利用した半導体レーザに関する。

量子ドット構造は電子を３次元的に閉じ込めることで、状態密度がδ関数的な離散準位を持つという特徴を有している。したがって、量子ドットにキャリアを注入すると、キャリアは離散準位のエネルギーに集中するようになり、その結果、量子ドットからの発光スペクトルはエネルギーの広がりが非常に狭く、強度が大きいものになるといわれている。この量子ドット構造を例えば半導体レーザの活性層に適用すると、半導体レーザの閾値の低減、温度特性の向上および変調帯域の拡大等が期待される。

例えば、下記の特許文献１には、ＧａＡｓ基板上にＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によりＧａＡｓからなる量子ドットを形成した例が示されている
。この場合の量子ドットは直径が１５〜２５ｎｍであり、この直径の範囲の量子ドットが全ドット中に数にして９０％ほど含むものであるが、このような性状の量子ドットによって構成される半導体レーザにおいても、未だ発光する波長に大きな広がりが存在し、発光利得が小さいという問題がある。

特開２００６−３５１９５６号公報

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、発光利得の大きい半導体レーザを提供することを目的とする。

本発明の半導体レーザは、ｎ型の半導体基板とｐ型の半導体基板との間に、複数の量子ドットと該量子ドットを取り囲むように配置されたマトリックスとから構成されてなる活性層を備えている半導体レーザであって、前記量子ドットは、最大径が１０〜３０ｎｍであるとともに、最大径のばらつきが２ｎｍ以内であることを特徴とする。

本発明によれば、発光利得の大きい半導体レーザを得ることできる。

本発明の半導体レーザの一実施形態を示す断面模式図である。図１の半導体レーザを詳細に示した断面模式図である。（ａ）は、ＩｎＡｓ量子ドットの最大径が１７ｎｍの場合のエネルギーレベルを示すものであり、（ｂ）は発光波長の第２、第３波長の相対利得と温度依存性を示すものである。（ａ）は、ＩｎＡｓ量子ドットの最大径が２０ｎｍの場合のエネルギーレベルを示すものであり、（ｂ）は発光波長の第２、第３波長の相対利得と温度依存性を示すものである。（ａ）は、ＩｎＡｓ量子ドットの最大径が２６ｎｍの場合のエネルギーレベルを示すものであり、（ｂ）は発光波長の第２、第３波長の相対利得と温度依存性を示すものである。（ａ）は、ＩｎＡｓ量子ドットの最大径が３５ｎｍの場合のエネルギーレベルを示すものであり、（ｂ）は発光波長の第２、第３波長の相対利得と温度依存性を示すものである。（ａ）は、ＩｎＡｓ量子ドットの最大径が４０ｎｍの場合のエネルギーレベルを示すものであり、（ｂ）は発光波長の第２、第３波長の相対利得と温度依存性を示すものである。（ａ）は、ＩｎＡｓ量子ドットの最大径が４３ｎｍの場合のエネルギーレベルを示すものであり、（ｂ）は発光波長の第２、第３波長の相対利得と温度依存性を示すものである。最大径が１０〜３０ｎｍのＩｎＡｓを主成分とする量子ドットの発光波長の中心波長に対する第２波長の相対利得とその温度依存性を示すものである。最大径が１０〜３０ｎｍのＧａ_０．５Ｉｎ_０．５Ａｓを主成分とする量子ドットの発光波長の中心波長に対する第２波長の相対利得とその温度依存性を示すものである。

図１は、本発明の半導体レーザの一実施形態を示す断面模式図である。

本実施形態の半導体レーザは、ｎ型の半導体基板１とｐ型の半導体基板３との間に発光性を示す活性層５を備えたものであり、活性層５は複数の量子ドット７と、複数の量子ドット７を取り囲むように配置されたマトリックス９とから構成されている。ここで、量子ドット７は、最大径が１０〜３０ｎｍであるとともに、最大径のばらつきが２ｎｍ以内である。

本実施形態の半導体レーザでは、活性層５を構成する量子ドット７のサイズ（最大径）を特定の範囲とし、特に、最大径のばらつきを２ｎｍ以内とすることにより、ドナー準位とアクセプタ準位との間のエネルギー準位差を０．０７ｅＶ以上にすることができ、これにより発光に寄与する中心波長に対して最近接波長の利得を１０％以下にすることができる。つまり、ドナー準位とアクセプタ準位との間のエネルギー準位差を０．０７ｅＶ以上にすることにより、中心波長とその近くにある波長領域における利得差が大きくなり、これにより高利得の半導体レーザを得ることができる。ここで、最大径とは、個々の量子ドット７の最長径のことをいう。最大径のばらつきが２ｎｍ以内とは、複数の量子ドット７の粒子径を評価したときに、２σが２ｎｍ以内という意味である。

これに対し、量子ドット７の最大径が３０ｎｍよりも大きくなると、エネルギー準位差が０．０７ｅＶよりも小さくなり、発光に寄与する中心波長に対する最近接波長の利得が１０％を大きく超えてしまう。一方、量子ドット７の最大径が１０ｎｍ未満である場合には発光に寄与する中心波長に対して最近接波長の利得を１０％以下にする程度までの量子効果（電子の閉じ込め効果）を得ることが困難になる。

また、量子ドット７の最大径のばらつきが２ｎｍよりも大きくなると、およそ１００ｎｍの幅を持つ発光波長帯（１３１０ｎｍ、１５５０ｎｍ）から外れてしまい光通信ができなくなるおそれがある。

このため、本実施形態における量子ドット７としては、その外表面および内部に結晶性の差を有しないものがより好ましいものとなる。ここで、外表面と内部とで結晶性の差を有しないとは、量子ドット７の外表面とその内部の格子構造（結晶の空間群）が同じであり、結晶単位胞の３辺とそれらが成す角の変化がほとんど無いものをいうが、例えば、透過電子顕微鏡に付設の電子線回折において、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の格子の交わる角度が
２°以内であるようなものである。

このようにきれいな結晶組織を有する量子ドット７は、例えば、後述する中性粒子ビームを用い、室温以下の温度に冷却しながらエッチング加工を行うことにより実現することができる。

上記のような特性を示す量子ドット７の材料としては、少なくともＩｎおよびＡｓを含み、場合によってはＧａを含むものが好ましいものとなるが、下記のような組成系では、中心波長に対する第２波長の温度依存性を小さいものにすることができる。

このような特性を有する量子ドット７としては、後述した具体例からも明らかなように、例えば、Ｇａ_ａＩｎ_ｂＡｓ_ｃ（ａ＝０〜０．５、ｂ＝１−ａ、ｃ＝０．８〜１．２）を挙げることができる。この場合、量子ドット７の最大径を１０〜３０ｎｍの範囲で変化させたときの中心波長に対する第２波長の温度依存性がより小さいという点で、組成としては、Ｇａ_ａＩｎ_ｂＡｓ_ｃ（ａ＝０〜０．４、ｂ＝１−ａ、ｃ＝０．８〜１．２）が好ましい。また、これらの組成を有する量子ドット７の最大径としては１０〜２６ｎｍであることが望ましい。量子ドット７の最大径が１０〜２６ｎｍであると、２０〜１００℃の温度範囲において、中心波長に対する第２波長の相対利得を１０％以下にすることができる。

マトリックス９の材料としては、それぞれ結晶の格子定数が近似しているという理由から、上記したＧａ_ａＩｎ_ｂＡｓ_ｃ（ａ＝０〜０．５、ｂ＝１−ａ、ｃ＝０．８〜１．２）に対しては、ＩｎＰまたはＡｌＳｂを用いることが好ましい。

量子ドット７としてこれらの半導体材料を用いると、バンドギャップを１ｅＶ以下にできることから、赤外光の領域から長波長側（波長：１０００ｎｍ以上）までの光を選択的に発光させることが可能になる。

また、量子ドット７の形状としては、アスペクト比が１に近い形状であれば、球状体、柱状体および多面体のいずれでも良いが、形状およびサイズのばらつきを小さくできるという点で柱状体が好ましい。ここで、柱状体の場合には、上面と下面の面積の差がほとんど無く、断面視したときの直径で０．２ｎｍ以下、特に、０．１ｎｍ以下であることが望ましい。

図２は、上記の量子ドットを適用した半導体レーザをより詳細に示した断面模式図である。

本実施形態の半導体レーザは、基本的には、上記したように、ｎ型の半導体基板１とｐ型の半導体基板３との間に発光特性を示す活性層５を備えているものであるが、ｎ型の半導体基板１およびｐ型の半導体基板３からのキャリアの移動度を高め、電子とホールの結合を向上させてより効率の良い発光を行わせるという点で以下の構造にするのが良い。

このような半導体レーザの構造としては、例えば、最下層にｎ（負）電極１１を配置し、その上方側に、ｎ型の半導体基板１、バッファ層１３、ｎ−クラッド層１５、ｎ−光ガイド層１７、活性層５、ｐ−光ガイド層１８、ｐ−クラッド層１９、バッファ層２１、ｐ型の半導体基板３およびｐ（正）電極（ｐ−コンタクト層を含む）２３が、この順に積層されるようにしたものが好ましい。

これらの各層を構成する材料は、ｎ（負）電極１１およびｐ（正）電極２３を除いて、いずれも周期表の第１３族（ＩＩＩ族）および第１５族（ＶＩ族）から選ばれる元素の化合物であるのが良い。

本実施形態の半導体レーザは、例えば、以下のような手順によって作製することができる。

まず、ｎ型の半導体基板３として、Ｓをドーパントとしたｎ−ＩｎＰ基板を準備する。次に、ＭＯＣＶＤ法を用いて、マトリックス９となるＩｎＰ層を形成した後、この上面側に量子ドット７となるＩｎＡｓ層を形成する。

次に、ＩｎＡｓ層上に鉄粒子を内在させた約２２ｎｍのタンパク質フェリチンを１層形成する。この後、加熱処理によりタンパク質フェリチンの除去を行い、ＩｎＡｓ層上に約２０ｎｍの鉄粒子を露出させる。

次に、この鉄粒子を加工マスクとして中性粒子ビームによるエッチングを２００〜２９０Ｋの温度にて行い、鉄粒子の下側に位置するＩｎＡｓ層を部分的に除去する。この場合、タンパク質フェリチンが細胞に由来するものであるためサイズがほぼ均一であることから、この中で形成される鉄粒子もサイズはほぼ均一なものとなる。中性粒子ビームによるエッチングは加工マスク以外の領域を精度良く除去することができるために、このような製法により得られる量子ドット７は、最大径が１０〜３０ｎｍでありながら、最大径のばらつきを２ｎｍ以内に抑えることができる。

次に、鉄粒子を化学的に除去した後、再び、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＩｎＡｓ層の除去された部分を含む全体に、ＩｎＰ組成のバリア層を形成する。これにより活性層５が形成される。

次に、活性層５の上面側にｐ型の半導体基板３として、ｐ−ＩｎＰ系組成のガイド層およびクラッド層を形成する。次いで、この上面に、保護膜を形成した後、ｐ型電極を形成し、基板のラッピング加工を行う。一方、ｎ−ＩｎＰ基板側にはn（負）電極を形成する
。この後、端面コートを行うことによって半導体レーザを得ることができる。

以下、上記した製法により作製した最大径の異なる量子ドット７を有する各量子ドットレーザについての結果を示す。作製した量子ドット７は最大径のばらつきがいずれも２ｎｍ以下であった。

図３（ａ）は、ＩｎＡｓを主成分とする量子ドット７の最大径が１７ｎｍの場合のエネルギーレベルを示すものであり、（ｂ）は発光波長の第２、第３波長の相対利得と温度依存性を示すものである。図４〜図８（ａ）（ｂ）には、同組成の量子ドットについて、最大径を２０ｎｍ、２６ｎｍ、２６ｎｍ、３５ｎｍ、４０ｎｍおよび４３ｎｍと変化させたときのエネルギーレベルおよび発光波長の第２、第３波長の相対利得と温度依存性の関係をそれぞれ示している。

図３（ａ）からわかるように、量子ドット７の最大径が１７ｎｍの場合には、エネルギーレベルが−１．０５、−０．６１、＋０．６１および＋１．０５ｅＶの位置に明確に離散した状態となっている。また、図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）の量子ドット７の場合には、中心波長（１３１０ｎｍ）での利得（基準値１）に対する第２、第３の波長の相対利得がほぼ０である。また、温度を２０℃、６０℃および１００℃のいずれの温度においても変化は見られない。なお、同組成の量子ドット７については、最大径が１０ｎｍについても同様の特性を示すものであった。

図４（ａ）（ｂ）に示す量子ドットの最大径が２０ｎｍの場合には、エネルギーレベルが−１．１、−０．７、＋０．７および＋１．１ｅＶの位置に明確に離散した状態となっ
ている。また、図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）の量子ドット７の場合にも、中心波長（１３１０ｎｍ）での利得（基準値１）に対する第２、第３の波長の相対利得がほぼ０である。また、温度を２０℃、６０℃および１００℃のいずれの温度においても変化は見られない。

同様に、図５（ａ）に示す最大径が２６ｎｍの量子ドットの場合には、−１．２〜−０．３ｅＶおよび＋０．３〜＋１．２ｅＶの範囲に０．０６〜０．１９ｅＶの幅で多数のエネルギーレベルが形成されている。また、図５（ｂ）に示すように、図５（ａ）の量子ドット７の場合には、中心波長（１３１０ｎｍ）での利得（基準値１）に対する第２の波長の相対利得が０．００〜０．０１であり、また、温度が２０℃から１００℃まで変化したときの相対利得にわずかな差が生じている。

これに対して、図６（ａ）に示す量子ドット７の最大径が３５ｎｍの量子ドットの場合には、−１．２〜−０．３ｅＶおよび＋０．３〜＋１．２ｅＶの範囲に０．０４〜０．１１ｅＶの幅で多数のエネルギーレベルが形成されている。また、図６（ｂ）に示すように、図５６（ａ）の量子ドット７の場合には、中心波長（１３１０ｎｍ）での利得（基準値１）に対する第２の波長の相対利得が０．０８〜０．１４であり、また、温度が２０℃から１００℃まで変化したときの相対利得も最大径が２６ｎｍの量子ドットの場合に比較して変化が緩やかにものになっている。

同様に、図７（ａ）に示す最大径が４０ｎｍの量子ドットの場合にも、−０．８〜−０．３ｅＶおよび＋０．３〜＋０．８ｅＶの範囲に０．０２〜０．０７ｅＶの幅で多数のエネルギーレベルが形成されている。また、図７（ｂ）に示すように、図７（ａ）の量子ドット７の場合には、中心波長（１３１０ｎｍ）での利得（基準値１）に対する第２の波長の相対利得が０．２９〜０．３７とさらに大きくなり、また、温度が２０℃から１００℃まで変化したときの相対利得もさらに緩やかなものとなっている。

さらに、図８（ａ）に示す最大径が４３ｎｍの量子ドットの場合にはも、上記した最大径が４０ｎｍの量子ドットの場合と同様の結果となっている。

図９は、最大径が１０〜３０ｎｍのＩｎＡｓを主成分とする量子ドット７の発光波長の中心波長に対する第２波長の相対利得とその温度依存性を示すものである。図１０は、最大径が１０〜３０ｎｍのＧａ_０．５Ｉｎ_０．５Ａｓを主成分とする量子ドット７の発光波長の中心波長に対する第２波長の相対利得とその温度依存性を示すものである。

図９に示すＩｎＡｓを主成分とする量子ドット７の場合、２０〜８０℃の温度の範囲において相対利得が１０％以下である。また、図１０に示すＧａ_０．５Ｉｎ_０．５Ａｓを主成分とする量子ドット７の場合、２０〜７０℃の温度の範囲において相対利得が１０％以下である。これらの量子ドット７はいずれも最大径が３０ｎｍになると、７０℃以上もしくは８０℃以上の温度において相対利得が１０％を超えるようになるが、最大径が１０〜２６ｎｍである場合には、２０〜１００℃の温度範囲における相対利得はいずれも１０％以下となっている。

以上から、最大径が１０〜３０ｎｍであるとともに、最大径のばらつきが２ｎｍ以内である量子ドット７を備えた本実施形態における半導体レーザによれば、特定波長でのＧａｉｎ（利得）の向上および閾値の低下が図れ、また省電力化にも寄与するものとなる。

１・・・・・・・・・・ｎ型の半導体基板
３・・・・・・・・・・ｐ型の半導体基板
５・・・・・・・・・・活性層
７・・・・・・・・・・量子ドット
９・・・・・・・・・・マトリックス
１１・・・・・・・・・ｎ（負）電極
１３、２１・・・・・・バッファ層
１５・・・・・・・・・ｎ−クラッド層
１７・・・・・・・・・ｎ−光ガイド層
１８・・・・・・・・・ｐ−光ガイド層
１９・・・・・・・・・ｐ−クラッド層
２３・・・・・・・・・ｐ（正）電極

Claims

ｎ型の半導体基板とｐ型の半導体基板との間に、複数の量子ドットと該量子ドットを取り囲むように配置されたマトリックスとから構成されてなる活性層を備えている半導体レーザであって、前記量子ドットは、最大径が１０〜３０ｎｍであるとともに、最大径のばらつきが２ｎｍ以内であることを特徴とする半導体レーザ。
前記量子ドットは、外表面と内部とで格子構造が同じであることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
前記量子ドットは、主成分がＧａ_ａＩｎ_ｂＡｓ_ｃ（ａ＝０〜０．５、ｂ＝１−ａ、ｃ＝０．８〜１．２）であるとともに、最大径が１０〜２６ｎｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ。