JP4075003B2

JP4075003B2 - 半導体レーザ及びその製造方法

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Publication number: JP4075003B2
Application number: JP2006193900A
Authority: JP
Inventors: 充菅原
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2018-06-23
Also published as: JP2006295219A

Description

本発明は半導体レーザ及びその製造方法に関するものであり、特に、量子ドットにおけるキャリア緩和時間を短縮するためのエネルギーポテンシャル構造に特徴のある量子ドット半導体レーザ及びその製造方法に関するものである。

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

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

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

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

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

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

この様な量子ドット構造を作製するために、各種の技術が提案されており、まず、微傾斜基板上のステップにおける成長初期の横方向成長を利用する方法、電子線を用いたリソグラフィー及びエッチングによる方法、マスクパターンを利用して選択成長させたピラミッド型の結晶の頂部を量子ドット構造とする方法、マスクパターンを利用したエッチングによって形成された正４面体状の凹部の底に量子ドット構造を作製する方法（例えば、特許文献１参照）、或いは、ＳＴＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）技術を応用した原子マニュピレーションの方法等がある。

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

ところが、最近になって、自己形成、即ち、自己組織化という新しい結晶成長技術の発見により、十分にレーザ用活性層として利用可能な量子ドットの成長が可能になり、この様な自己組織化量子ドットを活性層として用いた半導体レーザが報告されているので（例えば、特許文献２参照）、この自己組織化による量子ドット半導体レーザを図４を参照して説明する。

図４（ａ）参照
図４（ａ）は従来の自己組織化による量子ドット半導体レーザの概略的断面図であり、ｎ型ＧａＡｓからなる基板３１上に、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）を用いて、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなるクラッド層３２、ＧａＡｓからなる光閉じ込め層３３、ＩｎＧａＡｓ量子ドットを含む活性層３４、ＧａＡｓからなる光閉じ込め層３５、及び、ｐ型ＡｌＧａＡｓからなるクラッド層３６を順次エピタキシャル成長させて基本構造を構成したものである。

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

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

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

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

この様な自己組織化量子ドットを活性層とした半導体レーザにおいて、電流注入励起により室温でのレーザ発振に成功しており、そのしきい値電流Ｉ_thとしては、現在実用化されている歪量子井戸レーザに近い値が報告されている。
特願平０７−０６５４９２号公報特願平０９−２７０５０８号公報

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

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

図５（ｂ）参照
次いで、第３量子準位４１等の高次の量子準位に捕まった電子４２は、離散化した量子準位間のエネルギー差に相当するエネルギーを有する縦光学フォノン（ＬＯフォノン）を放出しながら基底準位３９等の低次の量子準位へ緩和していくが、この場合の緩和時間τ₀はフォノンボトルネック現象のために数１００ｐｓと極めて長い値となることが報告されており（必要ならば、Ｋ．Ｍｕｋａｉｅｔａｌ．，ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＢ，Ｖｏｌ．５４，Ｎｏ．８，ｐｐ．５２４３−５２４６，１９９６参照）、この様な数１００ｐｓの長い緩和時間τ₀では所期の優れた特性が得られないという問題が発生する。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

図１は本発明の原理的構成の説明図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図１（ａ）は、量子ドット半導体レーザの概略的断面図であり、また、図１（ｂ）は、活性層近傍における伝導帯側のバンドダイヤグラムである。
図１（ａ）及び（ｂ）参照
（１）本発明は、基板上にＩｎを含むウェッティング層３とＩｎを含む量子ドット１からなる活性層４を有する半導体レーザにおいて、前記量子ドット１は、ウェッティング層３よりＩｎ組成比が大きく、量子ドット１内における量子準位が基底準位７のみであり、量子ドット１の周囲に接するように低バンドギャップ層２が設けられ、低バンドギャップ層２のバンドギャップＥ _g は、量子ドット１のバンドギャップをＥ _g1 、ウェッティング層３のバンドギャップをＥ _g2 とした時、Ｅ _g1 ＜Ｅ _g ＜Ｅ _g2 の関係を満たすことを特徴とする。

この様に、ウェッティング層３と量子ドット１からなる活性層４を用いることにより、量子ドット１を所定の高密度で再現性良く形成することができ、また、量子ドット１の周囲に接するように量子ドット１のバンドギャップＥ_g1より若干大きなバンドギャップＥ_gを有する低バンドギャップ層２を設けることにより、バリア層となる半導体層のバンドギャップを図において破線で示した状態から実線で示した状態になるように、相対的により小さくしているので、量子ドット１内における量子準位が基底準位７のみになるようにすることができ、量子ドット１内に高次の量子準位８，９が形成されることはない。

そして、量子準位を基底準位７だけである状態にすることにより、活性層４近傍に注入されたキャリアは、オージェ過程で１〜１０ｐｓ程度の短い緩和時間τ₀で基底準位７へ緩和するので、フォノンボトルネック現象の影響を受けることなくレーザ発振するためのキャリアを短い時間で補給することができ、それによって動作特性を向上することができる。
なお、本願明細書において、レーザ動作温度の熱エネルギー、即ち、ｋＴ（ｋ：ボルツマン係数、Ｔ：絶対温度）の範囲内に存在するエネルギー準位はまとめて一つの準位と見なすものである。

（２）また、本発明は、上記（１）において、ウェッティング層３、量子ドット１、及び、低バンドギャップ層２がＩｎを含んでなり、ウェッティング層３のＩｎ組成比は、量子ドット１のＩｎ組成比より０．２以上小さいことを特徴とする。

このように、ウェッティング層３、量子ドット１、及び、低バンドギャップ層２がＩｎを含む場合には、量子ドット１の伝導帯側または価電子帯側の離散化したエネルギー準位の少なくとも一方を１つだけにするためには、ウェッティング層３のＩｎ組成比を、量子ドット１のＩｎ組成比より０．２以上小さくすれば良い。

（３）また、本発明は、上記（２）において、低バンドギャップ層２のＩｎ組成比が、ウェッティング層３のＩｎ組成比と量子ドット１のＩｎ組成比の間であることを特徴とする。

このように、量子ドット１の伝導帯側または価電子帯側の離散化したエネルギー準位の少なくとも一方を１つだけにするためには、低バンドギャップ層２のＩｎ組成比を、ウェッティング層３のＩｎ組成比と量子ドット１のＩｎ組成比の間にすれば良い。

（４）また、本発明は、上記（１）乃至（３）のいずれかにおいて、量子ドット１が、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、或いは、ＩｎＧａＰの内のいずれかから構成されることを特徴とする。
この様な量子ドット１をＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、或いは、ＩｎＧａＰの内のいずれかによって構成することにより、優れた特性の量子ドット半導体レーザを再現性良く作製することができる。

（５）また、本発明は、半導体レーザの製造方法において、Ｉｎを含むウェッティング層３を形成する工程と、ウェッティング層３の膜厚を厚くしていき、ウェッティング層３よりＩｎ組成比の大きな島状の量子ドット１を形成する工程と、ウェッティング層３よりバンドギャップが小さく且つ量子ドット１よりバンドギャップが大きく、量子ドット１を覆う低バンドギャップ層２を形成する工程とによって活性層４を形成し、量子ドット１内における量子準位は、基底準位７のみであることを特徴とする。
（６）また、本発明は、上記（５）において、量子ドット１が、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、或いは、ＩｎＧａＰの内のいずれかから構成されることを特徴とする。
（７）また、本発明は、上記（５）または（６）において、ウェッティング層３を形成する工程乃至低バンドギャップ層２を形成する工程を複数回実行することを特徴とする。

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

本発明は、基板上にウェッティング層と自己形成量子ドットからなる活性層を設けるとともに、量子ドットの周囲に接するように低バンドギャップ層を設けたものであり、ウェッティング層、量子ドット、及び、低バンドギャップ層がＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、或いは、ＩｎＧａＰ等のＩｎを含む半導体からなる場合、ウェッティング層のＩｎ組成比を量子ドットのＩｎ組成比より０．２以上小さくするとともに、低バンドギャップ層のＩｎ組成比をウェッティング層のＩｎ組成比と量子ドットのＩｎ組成比の間にしたものである。

まず、本発明の実施例１を図２を参照して説明する。
図２（ａ）参照
図２（ａ）は、本発明の実施例１の量子ドット半導体レーザの概略的断面図であり、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、ＭＯＶＰＥ法を用いてｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１２、ｉ型ＧａＡｓ光閉じ込め層１３、活性層１７、ｉ型ＧａＡｓ光閉じ込め層１８、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１９、及び、ｐ型ＧａＡｓキャップ層２０を順次エピタキシャル成長させたものである。

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

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

例えば、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１５は、Ｉｎ組成比が０．５のＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓからなり、また、ＩｎＧａＡｓウェッティング層１４のＩｎ組成比は約０．１となるので、ＩｎＧａＡｓ低バンドギャップ層１６のＩｎ組成比は０．２程度とする。
なお、この場合には、活性層１７の構造を理解しやすいように、強調して図示しているが、実際には、図４に示した従来の量子ドット半導体レーザと同様の層厚関係を有するものであり、また、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１５は高密度で分布しているものである。

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

この様に、本発明の実施例１においては、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１５に接するようにＥ_g1＜Ｅ_g＜Ｅ_g2の関係を有するＩｎＧａＡｓ低バンドギャップ層１６を設けているので、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１５内に形成される量子準位を１つだけにすることができ、それによってフォノンボトルネック現象の影響を受けることがないのでキャリアの高速緩和が可能になり、量子ドット半導体レーザの高性能化が可能になる。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

本発明の原理的構成の説明図である。本発明の実施例１の説明図である。本発明の実施例２の説明図である。従来の量子ドット半導体レーザの説明図である。従来の量子ドットにおける緩和時間の説明図である。量子ドット半導体レーザにおける電流−光出力特性の説明図である。量子ドット半導体レーザにおける最大光出力の緩和時間依存性の説明図である。量子ドット半導体レーザにおける変調帯域幅の緩和時間依存性の説明図である。

符号の説明

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

Claims

基板上にＩｎを含むウェッティング層とＩｎを含む量子ドットからなる活性層を有する半導体レーザにおいて、前記量子ドットは、前記ウェッティング層よりＩｎ組成比が大きく、該量子ドット内における量子準位が基底準位のみであり、該量子ドットの周囲に接するように低バンドギャップ層が設けられ、前記低バンドギャップ層のバンドギャップＥ _g は、前記量子ドットのバンドギャップをＥ _g1 、前記ウェッティング層のバンドギャップをＥ _g2 とした時、Ｅ _g1 ＜Ｅ _g ＜Ｅ _g2 の関係を満たすことを特徴とする半導体レーザ。
上記ウェッティング層、量子ドット、及び、低バンドギャップ層がＩｎを含んでなり、前記ウェッティング層のＩｎ組成比は、前記量子ドットのＩｎ組成比より０．２以上小さいことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
上記低バンドギャップ層のＩｎ組成比が、上記ウェッティング層のＩｎ組成比と上記量子ドットのＩｎ組成比の間であることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
上記量子ドットが、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、或いは、ＩｎＧａＰの内のいずれかから構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
Ｉｎを含むウェッティング層を形成する工程と、前記ウェッティング層の膜厚を厚くしていき、前記ウェッティング層よりＩｎ組成比の大きな島状の量子ドットを形成する工程と、前記ウェッティング層よりバンドギャップが小さく且つ前記量子ドットよりバンドギャップが大きく、前記量子ドットを覆う低バンドギャップ層を形成する工程とによって活性層を形成し、前記量子ドット内における量子準位は、基底準位のみであることを特徴とする半導体レーザの製造方法。
上記量子ドットが、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ、或いは、ＩｎＧａＰの内のいずれかから構成されることを特徴とする請求項５記載の半導体レーザの製造方法。
上記ウェッティング層を形成する工程乃至低バンドギャップ層を形成する工程を複数回実行することを特徴とする請求項５または６に記載の半導体レーザの製造方法。