JP4070199B2 - 半導体光デバイス - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、環境に優しい材料を用いて通信波長帯である1300nm帯や1550nm帯に発光を有する特性の優れた半導体光デバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、光通信で用いられているレーザ発光用の半導体光デバイスは、InP基板上にGaInAsP層をエピタキシャル成長させたものを用いて作製されているが、Inが地球上で存在量の少ない希少元素であると共に、Asが毒性の高い元素であるため(下記非特許文献1等参照)、資源の節約や環境及び人体への影響等の観点からあまり好ましいものではない。このため、上記半導体光デバイスは、SiやGaP基板等に作製されることが望ましいものの、現在、通信波長帯である1300nm帯や1550nm帯に発光を有してInやAsを含まずに実用的なものが存在しない。
【0003】
ところで、C60は、HOMO(最高被占軌道)−LUMO(最低被占軌道)間の電気的双極子遷移が禁制であるため、このバンド幅に相当した発光がないものの、固相では局在した励起子からの発光が現れる(下記非特許文献2等参照)。しかしながら、C60は、発光が1.7eV付近の赤色光である。また、金属内包フラーレンは、未だ収量が少なく、固体の分光が進んでいない。また、C60をGaAs半導体中にドーピングした例があるものの、Asを含むGaAsが用いられているだけでなく、C60からの発光がGaAsに吸収される構造であった(下記非特許文献3等参照)。炭素数が60以上の材料では、半導体中での特性については未だ調べられていない。
【0004】
【非特許文献1】
牧田等, 材料科学,vol.37,(2000)p1
【非特許文献2】
V.Capozzi et al.,Journal of Luminescence,86(2000)P129
【非特許文献3】
第63回応用物理学会秋季講演会,26p-YD-5
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、環境に優しい材料を用いて通信波長帯である1300nm帯や1550nm帯に発光を有する特性の優れた半導体光デバイスを提供することを課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するための、本発明による半導体光デバイスは、コア層及びクラッド層を有する光導波路を備えた半導体レーザ、フォトダイオード、光変調器のいずれかの半導体光デバイスであって、前記コア層がフラーレンを含有すると共に、前記コア層及び前記クラッド層のバンドギャップが、フラーレンのエキシトン発光エネルギーよりも大きいことを特徴とする。
【0007】
上述した半導体光デバイスにおいて、フラーレンの炭素数が80以上であり、発光波長が1000nm以上であることを特徴とする。
【0008】
上述した半導体光デバイスにおいて、フラーレンが、金属をドープ又は内包したものであることを特徴とする。
【0009】
上述した半導体光デバイスにおいて、前記金属が、原子内の準位間隔が入出力光のエネルギーに相当する遷移金属であることを特徴とする。
【0010】
上述した半導体光デバイスにおいて、前記コア層が、フラーレン層又はフラーレンを含むAlGaPN層とAlGaPN層とを交互に積層した量子井戸構造を有していることを特徴とする。
【0011】
上述した半導体光デバイスにおいて、As及びInを含有しないことを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明による半導体光デバイスに係る各種の実施の形態を図面を用いて以下に説明するが、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。
【0014】
[第一の実施の形態]
本発明による半導体光デバイスに係る第一の実施の形態を図1,2を用いて説明する。図1は、フラーレンの格子定数とバンドギャップ及び発光ピークとの関係を表すグラフ、図2は、C106 のフラーレンの場合のフォトルミネッセンスを表すグラフである。
【0015】
本実施の形態に係る半導体光デバイスは、コア層及びクラッド層を有する光導波路を備えた半導体光デバイスであって、前記コア層がフラーレンを含有すると共に、前記コア層及び前記クラッド層のバンドギャップが、フラーレンのエキシトン発光エネルギーよりも大きいことを特徴とするものである。ここで、As及びInを含有せず、さらに、フラーレンの炭素数が80以上であり、発光波長が1000nm以上であると好ましい。
【0016】
このような本実施の形態に係る半導体光デバイスは、例えば、有機金属気相成長法により、n−GaP基板上にGaP層を成長させた後(100nm)、真空中でフラーレン層を蒸着して形成したら(100nm)、有機金属気相成長法により、GaP層を再び成長させることにより(100nm)、作製することができる。
【0017】
ここで、上記フラーレンがC60,C70,C106 の場合のサンプルをそれぞれ作製し、室温でフォトルミネッセンスの測定を行った。その結果を図1に示す。図1は、フラーレンが固相の場合の格子定数と上記サンプルのフォトルミネッセンスのピークエネルギーとの関係を表すグラフである。また、文献から求められたバンドギャップエネルギーの値(例えばS.Hino et al.,Phys.Rev.,B53(1996)7496 等参照)も同時に示す。
【0018】
図1からわかるように、フラーレンの炭素数が増えるに従いバンドギャップが減少し、バンドギャップの減少と共に、発光ピークが長波長化することが判明した。また、図2に示すように、フラーレンがC106 の場合には1550nm帯の発光が得られることが本実験よりはじめて判明した。
【0019】
[第二の実施の形態]
本発明による半導体光デバイスに係る第二の実施の形態を図3,4を用いて説明する。図3は、半導体光デバイスの構造の説明図、図4は、半導体光デバイスの電流に対する光出力を表すグラフである。ただし、前述した第一の実施の形態と重複する説明は省略する。
【0020】
本実施の形態においては、AlGaPN系(ただしN組成=0)の半導体導波路の成長を行って、半導体レーザを作製した場合について説明する。有機金属気相成長法により、n−GaP基板上にSiをドーピングしたn型のAl0.5Ga0.5P層(ドーピング濃度1×1018cm-3)を成長させ(2μm)、引き続き、Al0.2Ga0.8P層を成長させた後(0.25μm)、GaP層(5nm)を成長させた。その後、真空中でC106 のフラーレン層を蒸着して形成したら(100nm)、再び有機金属気相成長法により、GaP層を成長させた後(5nm)、Al0.2Ga0.8P層を成長させ(0.25nm)、次いで、Cをドーピングをしたp−Al0.5Ga0.5P層(ドーピング濃度:1×1018cm-3)を成長させ(2μm)、引き続き、p−GaP層を成長させた(20μm)。
【0021】
ここで、フォトルミネッセンスの測定を行ったところ、1550nm付近にピークを有する発光が観測された。
【0022】
次いで、図3に示すように、上記基板21の裏面にAuGeNiのn型電極22を形成する一方、当該基板21の表面に矩形にパターン化したAuZnNiのp型電極23を形成すると共に、Brをメタノールに溶解したエッチング液でエッチングしてリッジ形状とした後、両端をへき開して反射鏡を形成することにより、本実施の形態に係る半導体レーザ20(長さ500μm)を作製した。
【0023】
このようにして作製された上記半導体レーザ20に対して、順方向に電流を流したところ、図4に示すように、20mA付近から光出力が著しく増大し始めてレーザ発振することが確認された。このときの発振波長は1540nmであった。また、発振波長は70℃まで安定であると共に、閾値の変動も10%以下であった。このことから、本実施の形態に係る半導体レーザ20は、温度特性に優れているといえる。
【0024】
[第三の実施の形態]
本発明による半導体光デバイスに係る第三の実施の形態を次に説明する。ただし、前述した第一,第二の実施の形態と重複する説明は省略する。
【0025】
本実施の形態に係る半導体光デバイスは、フラーレンが、金属をドープ又は内包したものであり、前記金属が、原子内の準位間隔が入出力光のエネルギーに相当する遷移金属であるものである。
【0026】
本実施の形態においては、AlGaPN系の半導体導波路の成長を行って、フォトダイオードを作製した場合について説明する。有機金属気相成長法により、n−Si基板上にSiをドーピングしたn型のAl0.5Ga0.5PN層(ドーピング濃度1×1018cm-3)を成長させた後(2μm)、Al0.2Ga0.8PN層を成長させる(0.25μm)。その後、Er2を内包させたC82(Er2@C82)フラーレン(1×1019cm-3)をドープしたGaPN層を成長させたら(500nm)、Al0.2Ga0.8P層を成長させた後(0.25μm)、Cをドーピングしたp−Al0.5Ga0.5PN層(ドーピング濃度1×1018cm-3)を成長させ(2μm)、引き続き、p−GaPN層を成長させた(20nm)。なお、N組成は、Si基板と格子整合するように調製した。
【0027】
ここで、フォトルミネッセンスの測定を行ったところ、Erの4I13/2と4I15/2との準位間からの発光が1552nm付近に観測された。
【0028】
次いで、上記基板の裏面にAuGeNiのn型電極を形成する一方、当該基板の表面に矩形にパターン化したAuZnNiのp型電極を形成すると共に、Brをメタノールに溶解したエッチング液でリッジ形状とすることにより、本実施の形態に係るフォトダイオード(長さ500μm)を作製した。
【0029】
このようにして作製された上記フォトダイオードに対して、逆方向に電圧を印加し(5V)、1552nmの光を導波させたところ、3mAの光電流が観測された。
【0030】
なお、フラーレンの炭素数nは、80以上であり(例えば、80,82,84,90等)、フラーレンに内包またはドープされる金属Mは、Er,La,Y,Sc,Pr等のような、原子内の準位間隔が入出力光のエネルギーに相当する遷移金属(当該金属の複核や当該金属を含んだ分子も含む)であれば、当該金属や炭素数によって、作用する光の波長が異なるものの、発光や吸収の特性を得ることができる。また、フラーレン分子間に遷移金属が挿入(ドープ)された固体フラーレンのクラスターであっても、固相として導入することが可能である。
【0031】
[第四の実施の形態]
本発明による半導体光デバイスに係る第四の実施の形態を図5を用いて説明する。図5は、各種層のバンドエネルギーを表すグラフである。ただし、前述した第一〜第三の実施の形態と重複する説明は省略する。
【0032】
本実施の形態に係る半導体光デバイスは、フラーレンが、金属をドープ又は内包したものであり、前記金属が、原子内の準位間隔が入出力光のエネルギーに相当する遷移金属であるものであり、前記コア層が、フラーレン層又はフラーレンを含むAlGaPN層とAlGaPN層とを交互に積層した量子井戸構造を有するものである。
【0033】
本実施の形態においては、AlGaPN系(ただしN組成=0)の半導体導波路の成長を行って、半導体レーザを作製した場合について説明する。分子線エピタキシャル成長法により、n−GaP基板上にSiをドーピングしたn型のAl0.5Ga0.5P層(ドーピング濃度1×1018cm-3)を成長させた後(2μm)、Al0.2Ga0.8P層を成長させ(0.25μm)、引き続いて、GaP層を成長させた(5nm)。その後、C84のフラーレン層(2nm)とAl0.7Ga0.3P層(2nm)との成長を複数回繰り返したら(本実施の形態では2回)、GaP層を成長させた後(5nm)、Al0.2Ga0.8P層を成長させ(0.25mm)、次いで、Cをドーピングをしたp−Al0.5Ga0.5P層(ドーピング濃度1×1018cm-3)を成長させ(2μm)、引き続き、p−GaP層を成長させた(20nm)。
【0034】
ここで、コアに存在する上記フラーレン層と上記Al0.7Ga0.3P層とは、図5に示すように、その電子親和力が異なることから、タイプII型の量子井戸構造となり、AlGaP層の伝導帯とフラーレン層の価電子帯との間で遷移が起こるようになる。このため、フォトルミネッセンスの測定を行ったところ、1560nm付近にピークを有する発光が観測された。
【0035】
次いで、上記基板の裏面にAuGeNiのn型電極を形成する一方、当該基板の表面に矩形にパターン化したAuZnNiのp型電極を形成すると共に、ハロゲンによる反応性イオンエッチングによりリッジ形状とすることにより、本実施の形態に係る半導体レーザを作製した。
【0036】
このようにして作製された上記半導体レーザに対して、順方向に電流を流したところ、前述した第二の実施の形態の場合と同様に、50mA付近から光出力が増大し、1555nmの波長でレーザ発振することが確認された。
【0037】
なお、本実施の形態では、N組成=0としたときのAlGaPN系の場合について説明したが、N組成を存在させたときのAlGaPN系の場合であっても、本実施の形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。
【0038】
また、本実施の形態では、フラーレン層とAlGaPN層とを交互に積層したが、フラーレンを含むAlGaPN層とAlGaPN層とを交互に積層した場合であっても、本実施の形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。
【0039】
[第五の実施の形態]
本発明による半導体光デバイスに係る第五の実施の形態を次に説明する。ただし、前述した第一〜第四の実施の形態と重複する説明は省略する。
【0040】
本実施の形態においては、AlGaPN系(ただしN組成=0)の半導体導波路の成長を行って、光変調器を作製した場合について説明する。有機金属気相成長法により、n−GaP基板上にSをドーピングしたn型のAl0.5Ga0.5P層(ドーピング濃度1×1018cm-3)を成長させた後(2μm)、Al0.2Ga0.8P層を成長させ(0.25μm)、引き続いて、GaP層を成長させた(5nm)。その後、真空中でC106 のフラーレンを蒸着したら(100nm)、再び有機金属気相成長法により、GaP層を成長させた後(5nm)、Al0.2Ga0.8P層を成長させ(0.25mm)、次いで、Znをドーピングをしたp−Al0.5Ga0.5P層(ドーピング濃度1×1018cm-3)を成長させ(2μm)、引き続き、p−GaP層を成長させた(20nm)。
【0041】
ここで、フォトルミネッセンスの測定を行ったところ1550nm付近にピークを有する発光が観測された。
【0042】
次いで、上記基板の裏面にAuGeNiのn型電極を形成する一方、当該基板の表面に矩形にパターン化したAuZnNiのp型電極を形成すると共に、硝酸・塩酸溶液によるエッチングでリッジ形状とした後、両端をへき開して反射鏡を形成すると共に端面に反射防止膜を形成することにより、本実施の形態に係る光変調器(長さ500μm)を作製した。
【0043】
このようにして作製された上記光変調器に対して、1550nmの光を導波させ、50GHzのパルス電圧を逆方向に印加したところ、同じく50GHzでパルス光が発生することが確認された。また、信号光として40GHzのパルス光を導波させ、パルスに同期して20GHzの電圧を印加したところ、20GHz間隔でパルスが消失することが確認された。
【0044】
【発明の効果】
本発明の半導体光デバイスによれば、環境に優しい材料を用いて通信波長帯である1300nm帯や1550nm帯に発光を有することができるので、特性の優れた半導体光デバイスを豊富な資源を生かして低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第一の実施の形態におけるフラーレンの格子定数とバンドギャップ及び発光ピークとの関係を表すグラフである。
【図2】C106 のフラーレンの場合のフォトルミネッセンスを表すグラフである。
【図3】第二の実施の形態の半導体光デバイスの構造の説明図である。
【図4】第二の実施の形態の半導体光デバイスの電流に対する光出力を表すグラフである。
【図5】第四の実施の形態の半導体光デバイスの各種層のバンドエネルギーを表すグラフである。
【符号の説明】
20 半導体レーザ
21 基板
22 n型電極
23 p型電極
Claims (6)
- コア層及びクラッド層を有する光導波路を備えた半導体レーザ、フォトダイオード、光変調器のいずれかの半導体光デバイスであって、
前記コア層がフラーレンを含有すると共に、
前記コア層及び前記クラッド層のバンドギャップが、フラーレンのエキシトン発光エネルギーよりも大きい
ことを特徴とする半導体光デバイス。 - 請求項1において、
フラーレンの炭素数が80以上であり、
発光波長が1000nm以上である
ことを特徴とする半導体光デバイス。 - 請求項1において、
フラーレンが、金属をドープ又は内包したものである
ことを特徴とする半導体光デバイス。 - 請求項3において、
前記金属が、原子内の準位間隔が入出力光のエネルギーに相当する遷移金属である
ことを特徴とする半導体デバイス。 - 請求項1から請求項4のいずれかにおいて、
前記コア層が、フラーレン層又はフラーレンを含むAlGaPN層とAlGaPN層とを交互に積層した量子井戸構造を有している
ことを特徴とする半導体光デバイス。 - 請求項1から請求項5のいずれかにおいて、
As及びInを含有しない
ことを特徴とする半導体光デバイス。
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