JP4151042B2 - Semiconductor laser - Google Patents

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JP4151042B2
JP4151042B2 JP17567498A JP17567498A JP4151042B2 JP 4151042 B2 JP4151042 B2 JP 4151042B2 JP 17567498 A JP17567498 A JP 17567498A JP 17567498 A JP17567498 A JP 17567498A JP 4151042 B2 JP4151042 B2 JP 4151042B2
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充 菅原
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富士通株式会社
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【0001】 [0001]
【発明の属する技術分野】 BACKGROUND OF THE INVENTION
本発明は半導体レーザ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に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor laser, more particularly, to a quantum dot semiconductor laser characterized by the energy potential structure for shortening the carrier relaxation time in quantum dots.
【0002】 [0002]
【従来の技術】 BACKGROUND OF THE INVENTION
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。 The semiconductor laser has been high performance steady progress between about the last 20 years, the driving force of the high performance is the advancement of the active layer structure is a light emitting portion of the semiconductor laser.
【0003】 [0003]
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。 That is, initially the bulk semiconductor layer thickness of at least 100nm are the 1980s has been used, is used a so-called quantum well structure is a thin film having a thickness of about 10nm from the mid 1980's, quantum mechanical effects, that is, quantum effect came to be used.
【0004】 [0004]
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。 Furthermore, in the 1990s, initially strained quantum well structure was introduced intentionally strained quantum well structure is adopted, in association with these technological advances, for example, oscillation threshold current I th of the semiconductor laser about 2 orders of magnitude is reduced from 100mA to several mA, also have been improved properties such as quantum efficiency or modulation bandwidth.
【0005】 [0005]
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。 Currently, in order to achieve further high performance of the semiconductor laser, an attempt to the new quantum structure called the active layer and the semiconductor quantum dots or semiconductor quantum box has begun.
【0006】 [0006]
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。 The semiconductor quantum dots confine carriers three-dimensionally narrow region, which completely quantizes the energy, by using such a semiconductor quantum dots in the active layer, extra which does not contribute to the laser oscillation reduce the carrier, which generates efficient optical gain, as a result, low threshold current reduction can be achieved and high efficiency is attained also reduces internal loss by the carrier is reduced, the differential allowing faster modulation by increasing the gain.
【0007】 [0007]
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。 That is, the semiconductor quantum dots is a box of very fine potential as giving 3-dimensional quantum confinement to the carrier, the state function density of the carrier is a delta function discretized in the semiconductor quantum dot, the ground level two carriers, for example, can not only two electrons present in the conduction band, also higher quantum level, i.e., the excitation level more in accordance with the order of the level it is possible to number of electrons exist.
【0008】 [0008]
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(必要ならば、特願平7−65492号参照)、或いは、STM(Scanning Tunnel Microscope)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。 To produce such a quantum dot structure, and various techniques have been proposed, firstly, a method utilizing lateral growth of the initial growth at the step on the vicinal substrate, by lithography and etching using an electron beam method, producing a quantum dot structure top of crystal pyramid is selectively grown by using the mask pattern method of a quantum dot structure, the bottom of the positive tetrahedron-shaped recess formed by etching using a mask pattern how to (if necessary, see Japanese Patent application No. Hei 7-65492), or there is a method of STM (Scanning Tunnel Microscope) atoms by applying the technology Manipulation.
【0009】 [0009]
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、▲1▼結晶品質が悪い、▲2▼サイズが大きく十分な量子効果が得られない、或いは、▲3▼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。 Attempts to produce the quantum dots using these methods have been actively carried out in the 1980s and 1990s, the quantum dots produced in these quantum dots, ▲ 1 ▼ crystal quality is poor, ▲ 2 ▼ size can not be obtained is large enough quantum effect, or, ▲ 3 ▼ density has drawbacks such as low, it was not possible to achieve a desired high-performance semiconductor laser.
【0010】 [0010]
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、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。 However, recently, self-forming, that is, the discovery of new crystal growth technology of self-organization, enables sufficiently available growth of quantum dots as a laser for the active layer, such a self-assembled quantum since a semiconductor laser using the dot as an active layer has been reported, describing the quantum dot semiconductor laser according to the self-organization with reference to FIG.
【0011】 [0011]
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。 FIGS. 4 (a) see Figure 4 (a) is a schematic sectional view of a quantum dot semiconductor laser according to the conventional self-organization, on a substrate 31 made of n-type GaAs, MOVPE method (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) using the light confinement layer 33 made of the cladding layer 32, GaAs of n-type AlGaAs, a light confinement layer 35 made of the active layer 34, GaAs containing InGaAs quantum dots and, sequentially cladding layer 36 made of p-type AlGaAs it is obtained by forming the basic structure by epitaxial growth.
【0012】 [0012]
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。 See FIG. 4 (b) FIG. 4 (b) in which the area within a dashed circle showing an enlarged schematically in FIG. 4 (a), the the GaAs lattice mismatched constituting the optical confinement layer 33 InGaAs thin thin wetting layer extending two-dimensionally by growing (wetting layer: wetting layer) 37 and the active layer 34 made of the quantum dots 38. is a cluster-like islands are formed, the quantum dots 38 in FIG. Although only shown one in order to simplify the description, serve distributed at high density randomly in practice.
【0013】 [0013]
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。 That is, when an InGaAs layer is grown about 1 to 2 atomic layers, although the epitaxial growth in two dimensions, when was further thickly deposited above the critical thickness beyond the elastic limit of the crystal, strain energy is increased result, a large quantum dots 38 of the strain consisting substantially different in composition ratio of the large InGaAs crystallographically stable GaAs and the lattice constant so as to grow, by diffusion of Ga from GaAs constituting the optical confinement layer 33 Nearby GaAs, i.e., one in which wetting layer 37 made of a small in composition ratio InGaAs is grown.
【0014】 [0014]
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。 Figure 4 (c) see Figure 4 (c) is a band diagram of the conduction band in the vicinity of the quantum dots 38, in the quantum dots 38, discrete energy levels as described above, i.e., quantum level is formed.
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。 In the figure, for simplicity of explanation, the ground level 39, the second quantum level 40, and, while indicating the third quantum level 41, the size of the quantum dots 38 and the light confinement layer 33 the number of relative band quantum level formed by the gap difference or the like between 35 differs.
【0015】 [0015]
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。 In this case, electrons 42 injected from the n-type cladding layer 32 in the optical confinement layer 33 reaches the wetting layer 37 that surrounds the quantum dots 38 by diffusion, are trapped in the quantum dots 38, quantum level causing laser oscillation to a, for example, it will relax to the third quantum level 41 → second quantum level 40 → ground level 39.
【0016】 [0016]
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。 In such a self-assembled quantum dot semiconductor laser in which an active layer has been successfully laser oscillation at room temperature by current injection excitation. As the threshold current I th, strain have already been put to practical use Quantum a value close to the well laser has been reported.
【0017】 [0017]
【発明が解決しようとする課題】 [Problems that the Invention is to Solve
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。 However, in the case of further performance of such a quantum dot semiconductor laser, since it has come to be known recently that there is a fundamental failure of phonon bottleneck phenomenon, referring to FIG. 5 this situation and it will be described.
【0018】 [0018]
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。 See FIG. 5 (a) Considering first relaxation process in the conduction band side in a carrier in the quantum dots 38, electrons 42 of quantum dots 38 near the energy level obtained by discretizing the quantum dots 38 by Auger process, in particular, the 3 caught in the higher order of the quantum level of the quantum level 41 and the like.
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τ 0は1〜10ps(ピコ秒)程度と非常に高速な緩和過程である。 Note that the Auger process, and two electrons 42 collide, one electron 42 transition in the quantum dots 38, i.e., alleviating, other electronic 42 got its energy is excited to a higher energy state that is a process, the relaxation time tau 0 in this case is very fast relaxation process and degree 1~10Ps (picoseconds).
【0019】 [0019]
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τ 0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.Mukai et al.,Physical Review B,Vol.54,No.8,pp.5243−5246,1996参照)、この様な数100psの長い緩和時間τ 0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。 See FIG. 5 (b) Next, the electronic 42 caught in higher quantum level, such as the third quantum level 41, a vertical optical phonons having the energy corresponding to the energy difference between the discretized quantum level (LO We continue to mitigate the low-order quantum level, such as ground level 39 while emitting phonons), but the relaxation time tau 0 in this case be a very long value to the number 100ps for phonon bottleneck phenomenon has been reported (if necessary, K.Mukai et al., Physical Review B, Vol.54, No.8, see pp.5243-5246,1996), in the long relaxation time τ 0 of such a number 100ps problem desired excellent properties can not be obtained occurs.
【0020】 [0020]
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。 That is, when considering electron density of states of the conduction band of the semiconductor, in bulk or primary quantum well, the state density of electrons are those present for all the energy it can be said that the continuous, and more particularly, a state in the bulk density function is E 1/2, a step function for the energy value is the primary quantum well.
【0021】 [0021]
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。 In contrast, as in the quantum dots (three-dimensional quantum well), the state function density by increasing the dimensions of the confinement for the carriers come to discretization, delta function completely in an ideal quantum dots will be discretized, given the recombination of electrons and holes in such a quantum dot, the electrons at the energy the conduction band minimum (point k = 0 in the direct transition) hole (also k = one point zero) and it will be recombined electronic state lost by recombination, which electrons in the excited level of the higher energy is supplied by relaxing, this relaxation would involve the release of mainly vertical phonons when (transition) (LO, LA phonon).
【0022】 [0022]
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。 In the case of bulk or one-dimensional quantum well, vertical phonons After releasing state, energy level after the transition to the state density is continuously present is always present, a transition is intended can occur at any time relative located in, in the case of the quantum dots have discrete by energy levels 3D quantization, and since the energy width is large, if there is no level to the energy amount corresponding lower position just vertical phonons, It does not satisfy the law of conservation of energy will not be able to transition.
【0023】 [0023]
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。 If the dimension of confinement to the carrier as the quantum dots is high, electronic transition, or a phenomenon is suppressed for energy relaxation decrease the probability of emission of phonons called phonon bottleneck phenomenon of quantum dot semiconductor laser since it is necessary to suppress as much as possible phonon bottleneck phenomenon in order to improve the characteristics, explaining this situation with reference to FIGS.
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.Sugawara et al.,Applied Physics Letters,Vol.71,No.19,pp.2791〜2793,November,1998参照)に詳しい。 Incidentally, FIGS. 6 to 8, the present inventors is a graph of the result of simulating the operating characteristics of the quantum dot semiconductor laser by solving the rate equations, detailed calculation method is paper (M.Sugawara et al., Applied Physics Letters, Vol.71, No.19, pp.2791~2793, November, detailed in the 1998 reference).
【0024】 [0024]
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τ 0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。 See Figure 6. Figure 6, the current of the quantum dot laser - a diagram showing the optical output characteristics, the increase of the reduction and the threshold current I th of efficiency As the increased relaxation time tau 0 between quantum levels it is clear that happen.
【0025】 [0025]
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τ 0依存性を示す図であり、緩和時間τ 0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。 See Figure 7. Figure 7 is a diagram showing the relaxation time tau 0 dependence of the maximum light output of a quantum dot semiconductor laser, with increasing relaxation time tau 0, the maximum light output is reduced until one optical output obtained is it is apparent that not.
【0026】 [0026]
図8参照図8は、変調帯域幅f 3dBの緩和時間τ 0依存性を示す図であり、緩和時間τ 0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。 8 See FIG. 8 is a diagram showing the relaxation time tau 0 dependence of the modulation bandwidth f 3 dB, with increasing relaxation time tau 0, it is clear that modulation bandwidth f 3 dB is gradually narrowed.
【0027】 [0027]
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τ 0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τ 0が必要となる。 As can be seen from the above results, the threshold current I th, efficiency, in order to bring out the static characteristics of the light output or the like sufficiently, it relaxation time tau 0 between quantum levels is equal to or less than about 10ps required, also dynamically it requires a fast relaxation time tau 0 of several ps, in order to apply the above modulation 10 GHz.
【0028】 [0028]
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。 Accordingly, the present invention allows a fast carrier relaxation in the quantum dots, which aims to improve the operating characteristics.
【0029】 [0029]
【課題を解決するための手段】 In order to solve the problems]
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。 Figure 1 is a diagram for explaining the principle configuration of the present invention, illustrating the means for solving the problems in the present invention with reference to FIG 1.
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。 Incidentally, FIG. 1 (a) is a schematic sectional view of a quantum dot semiconductor laser, also, FIG. 1 (b) is a band diagram of the conduction band in the active layer near.
図1(a)及び(b)参照 (1)本発明は、 ウェッティング層3と量子ドット1からなる自己形成量子ドットを活性層4とする半導体レーザにおいて、 量子ドット1は、ウェッティング層3よりバンドギャップが小さく、量子ドット1の伝導帯側または価電子帯側の少なくとも一方における離散化したエネルギー準位が基底準位のみであり、該量子ドット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、前記低バンドギャップ層2のバンドギャップE g See FIG. 1 (a) and (b) (1) The present invention is a semiconductor laser that self-assembled quantum dots of wetting layer 3 and the quantum dots 1 and the active layer 4, quantum dots 1, wetting layer 3 more bandgap is small, the energy level obtained by discretizing in at least one of the conduction band or the valence band side of the quantum dot 1 is at ground level position only, the low band gap layer in contact with the periphery of the quantum dots 1 2 is provided, wherein the low band gap layer 2 bandgap E g は、前記量子ドット1のバンドギャップをE g1 、前記ウェッティング層3のバンドギャップをE g2 とした時、E g1 <E g , The E g1 the band gap of the quantum dots 1, when the band gap of the wetting layer 3 was set to E g2, E g1 <E g <E g2 の関係を満たすことを特徴とする。 <Characterized by satisfying the relation E g2.
【0030】 [0030]
この様に、 自己形成量子ドット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、自己形成量子ドット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、即ち、量子準位の内の少なくとも一方が1つだけ、即ち、基底準位7だけである場合、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τ 0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。 Thus, the quantum dot 1 can be formed with good reproducibility a predetermined density by using a self-assembled quantum dots, The energy obtained by discretizing the conduction band or the valence band side of the self-assembled quantum dots level, i.e., only one at least one of the quantum levels, i.e., the ground if level 7 only, the carriers injected into the active layer 4 near the short relaxation of about 1~10ps Auger process since relaxation time tau 0 to ground level 7, it is possible to replenish the carrier for laser oscillation without being affected by the phonon bottleneck phenomenon in a short time, thereby improving the operating characteristics.
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。 In the present specification, the thermal energy of the laser operating temperature, i.e., kT (k: Boltzmann coefficient, T: absolute temperature) energy level present in the range of those regarded as one of the levels together.
【0031】 [0031]
この様に、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が1つだけになるように量子ドット1を形成するためには、量子ドット1内に高次の量子準位8,9が形成されないように、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する必要があり、そのためには、量子ドット1の周囲を量子ドット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Eg を有する低バンドギャップ層2 、特に、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 Thus, in order to form the quantum dot 1 so that at least one of the energy levels discretized the conduction band or the valence band side of the quantum dot 1 is only one, high in the quantum dots 1 so that the next quantum level 8,9 is not formed, the band gap of the semiconductor layer as a barrier layer such that from the state shown by the broken line in the state shown by the solid line in FIG, must be less than the relatively , for this purpose, low bandgap layer 2 having a slightly larger band gap Eg than the band gap E g1 of the quantum dots 1 around the quantum dots 1, in particular, the band gap of the quantum dot 1 E g1, the wetting layer 3 when the band gap and E g2, E g1 <E g <E g2 の関係を満たすバンドギャップE g <Band gap E g satisfying the relationship of E g2 を有する低バンドギャップ層2で取り囲めば良い。 Torikakome at a low band gap layer 2 having.
【0034】 [0034]
)また、本発明は、上記( )において、量子ドット1が、直接接するように複数個近接して積層され、全体として1個の量子ドットとして機能するものであることを特徴とする。 (2) Regarding the above (1), the quantum dots 1, are stacked in multiple proximity so as to be in direct contact, characterized in that functions as a single quantum dots as a whole .
【0035】 [0035]
この様な量子ドット1を積層させる場合、結晶学的に低エネルギー状態になるように、量子ドット1上に量子ドット1が直接接するように近接積層されて全体として大きな1個の量子ドットが得られ、この様に複数の量子ドット1を近接積層させることによって、成長条件で規定される個々の量子ドット1のサイズに依存しない任意に大きさの量子ドットを形成することができる。 Case of laminating such a quantum dot 1, so crystallographically to a lower energy state, quantum dots 1 on the quantum dot 1 is one large quantum dots as a whole is close laminated in direct contact to obtain is, by close stacking a plurality of quantum dots 1 Thus, it is possible to form a size quantum dots to any that does not depend on individual size of the quantum dots 1 defined by growth conditions.
【0036】 [0036]
)また、本発明は、上記(1) または(2)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。 (3) Regarding the above (1) or (2), the quantum dots 1, InGaAs, InGaN, or, characterized in that it is composed of any of the InGaP.
【0037】 [0037]
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。 Such InGaAs quantum dots 1, InGaN, or, by forming by any of InGaP, it can be manufactured with high reproducibility quantum dot semiconductor laser having excellent characteristics.
【0038】 [0038]
【発明の実施の形態】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
まず、本発明の第1の実施の形態を図2を参照して説明する。 First, a first embodiment of the present invention with reference to FIG.
図2(a)参照図2(a)は、本発明の第1の実施の形態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。 FIGS. 2 (a) see Figure 2 (a) is a schematic sectional view of a quantum dot semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention, on the n-type GaAs substrate 11, n-type by MOVPE AlGaAs cladding layer 12, i-type GaAs light confinement layer 13, active layer 17, i-type GaAs light confinement layer 18, p-type AlGaAs cladding layer 19, and, in which a p-type GaAs cap layer 20 are successively epitaxially grown.
【0039】 [0039]
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、本発明の第1の実施の形態においては、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。 As with this case semiconductor laser even using a conventional self-assembled quantum dots, in the growth process of the active layer 17, InGaAs wetting layer 14 close to the GaAs composition is first formed, then the layer thickness is increased to take in the although large InGaAs quantum dots 15 of the in composition ratio is formed in an island shape, in the first embodiment of the present invention, the surface of the InGaAs quantum dots 15 of InGaAs wetting layer 14 of bandgap and it constitutes an active layer 17 is covered with small InGaAs low bandgap layer 16.
【0040】 [0040]
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、 That is, when the band gap of the band gaps E g1, InGaAs wet bandgap E g2 of coating layer 14, InGaAs low bandgap layer 16 of InGaAs quantum dots 15 and the E g,
g1 <E g <E g2 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。 It satisfies the relationship, and, as shown in FIG. 2 (b), discrete energy level of the conduction band side, i.e., InGaAs low band as quantum level is only one of the ground level 21 It is for setting the band gap E g of the gap layer 16, the value E g, therefore, in composition ratio, in composition ratio of the InGaAs quantum dots 15, and, depending on the size and the like.
【0041】 [0041]
例えば、InGaAs量子ドット15は、In組成比が0.5のIn 0.5 Ga 0.5 As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。 For example, InGaAs quantum dots 15, the In composition ratio is 0.5 to In 0.5 Ga 0.5 As, also, since the In composition ratio of the InGaAs wetting layer 14 is about 0.1, InGaAs low bandgap layer 16 the in composition ratio is about 0.2.
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。 In this case, to make it easier to understand the structure of the active layer 17, are illustrated to emphasize, in fact, a similar layer thickness relationships and conventional quantum dot semiconductor laser shown in FIG. 4 are those having, also, InGaAs quantum dots 15 are those distributed at a high density.
【0042】 [0042]
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τ 0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。 When see FIG. 2 (b) Figure 2 (b) is a band diagram of the conduction band in the vicinity of the active layer 17, as shown in FIG, quantum levels is one of InGaAs quantum dots 15, that is, when the ground level 21 only, electron 22 injected into the vicinity of the active layer 17, since the relaxation in a short relaxation time tau 0 of about 1~10ps Auger process to ground level 21, phonon bottleneck electrons for laser oscillation without being affected by the phenomenon can be replenished in a short time.
【0043】 [0043]
この様に、本発明の第1の実施の形態においては、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。 Thus, in the first embodiment of the present invention, since there is provided a InGaAs low band gap layer 16 having a relation E g1 <E g <E g2 in contact with the InGaAs quantum dots 15, InGaAs quantum It can be a quantum level formed in the dot 15 to only one, thereby enabling so fast relaxation of the carrier is not affected by the phonon bottleneck phenomenon, high-performance quantum dot semiconductor laser reduction is possible.
【0044】 [0044]
次に、図3を参照して本発明の第2の実施の形態を説明する。 Next, with reference to FIG. 3 illustrating a second embodiment of the present invention.
図3参照図3は、本発明の第2の実施の形態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。 See Figure 3. Figure 3 is a schematic cross-sectional view of a quantum dot semiconductor laser of the second embodiment of the present invention, on the n-type GaAs substrate 11, n-type AlGaAs cladding layer 12 by MOVPE, i -type GaAs light confinement layer 13, active layer 23, i-type GaAs light confinement layer 18, p-type AlGaAs cladding layer 19, and, in which a p-type GaAs cap layer 20 are successively epitaxially grown.
【0045】 [0045]
この場合も、第1の実施の形態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、この本発明の第2の実施の形態においては、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。 In this case, as in the quantum dot semiconductor laser in the first embodiment, in the growth process of the active layer 23, InGaAs wetting layer 14 close to the GaAs composition is first formed, then the layer thickness is increased is formed on the in composition ratio of the large InGaAs quantum dots 15 islands brought to, but is intended to cover the surface of the InGaAs quantum dots 15 at Do InGaAs low bandgap layer 16 small band gap of InGaAs wetting layer 14 in the second embodiment of the present invention is InGaAs quantum dots 15 is brought close laminated so as to be in direct contact with each other.
【0046】 [0046]
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。 In this case, since the lattice constant of InGaAs low bandgap layer 16 and InGaAs quantum dots 15 serving as a base layer for forming the top of InGaAs quantum dots 15 different, longitudinally aligned to overlie the InGaAs quantum dots 15 quantum dot array is formed.
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。 Also in this case, to facilitate understanding the structure of the active layer 23, are illustrated to emphasize, in fact, a similar layer thickness relationships and conventional quantum dot semiconductor laser shown in FIG. 4 are those having, also, InGaAs quantum dots 15 or quantum dot array is one in which are distributed at high density.
【0047】 [0047]
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。 In the figure, five shows a state of repeated InGaAs quantum dots 15, large quantum dots as a whole one By this way the close stacking a plurality of InGaAs quantum dot 15 in direct contact with each other will function as, the size of the individual InGaAs quantum dots 15 but defined by growth conditions, it is possible to artificially form a quantum dot of any size by adopting such a configuration.
【0048】 [0048]
この第2の実施の形態においても、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、 In the second embodiment, when the band gap of the band gaps E g1, InGaAs wetting layer 14 a bandgap E g2 of, InGaAs low bandgap layer 16 of InGaAs quantum dots 15 and the E g,
g1 <E g <E g2 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。 Is set so as to satisfy the relationship, the individual InGaAs quantum dots 15 because it is surrounded the surroundings by InGaAs low bandgap layer 16 having a small relatively bandgap barrier one large quantum dots as a whole height, i.e., the energy barrier is low, the quantum level formed because the ground level position only, without being affected by phonon bottleneck phenomenon, it is possible to fast relaxation of the carrier.
【0049】 [0049]
以上、本発明の各実施の形態を説明してきたが、各実施の形態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 0.5 Ga 0.5 As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 0.5 Ga 0.5 As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I Having thus described the respective embodiments of the present invention is not limited to the structures and materials described in the embodiments are possible various changes, for example, in a quantum dot semiconductor laser described above , the active layer in order to form a 1μm band semiconductor laser, i.e., in composition ratio as a semiconductor layer lattice-mismatched to configure the quantum dot is InGaAs quantum dots an in 0.5 Ga 0.5 as the composition of 0.5 formed While controlling the flow rate ratio of the gas as being, not limited to the InGaAs quantum dots in 0.5 Ga 0.5 as composition, in composition ratio may be in the range of 0.2 to 0.7, I of the in composition ratio of the InGaAs wetting layer in this case is smaller than 0.2 than the in composition ratio of the InGaAs quantum dots, InGaAs low bandgap layer according to the value n組成比を設定すれば良い。 The n composition ratio may be set.
【0050】 [0050]
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。 Although self-assembled quantum dots formed unevenness distribution in the semiconductor layer lattice-mismatched system is that occurring typically in InGaAs system, formed in a dotted shape on the semiconductor layer lattice-mismatched is the quantum dots are a structure found many in other semiconductor systems, therefore, the quantum dot is not limited to the InGaAs quantum dots, may be a InGaAsN quantum dots or InGaP quantum dot containing N, for example, in the case of InGaN quantum dots, the visible semiconductor laser of the blue semiconductor laser oscillation has been difficult can be expected to facilitate the oscillation by the quantum effect of the quantum dots.
【0051】 [0051]
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 0.1 Ga 0.9 N層を介してn型Al 0.15 Ga 0.85 N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、NH 3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。 For example, on a sapphire substrate, a GaN buffer layer, n-type GaN buffer layer, and, n type In 0.1 Ga 0.9 N layer is grown an n-type Al 0.15 Ga 0.85 N cladding layer and the n-type GaN optical guide layer through, then, TMI, TEG, and, by growing an InGaN layer by supplying NH 3, and to form an InGaN quantum dots on a thin InGaN layer.
【0052】 [0052]
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。 Point That is, in this case, to a thickness that the thickness of the InGaN layer does not exceed the elastic limit of the crystal, a thin InGaN layer is two-dimensionally growing as wetting layer thickness reaches the elastic limit of the crystal in starts three-dimensional growth, so that the InGaN quantum dots are formed on the unevenness distribution on the wetting layer.
【0053】 [0053]
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 0.15 Ga 0.85 N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。 Then, as the low band gap layer, then growing the slightly larger InGaN layer than the band gap of the InGaN quantum dots, p-type GaN optical guide layer, p-type Al 0.15 Ga 0.85 N cladding layer, and a p-type GaN contact layer provided, finally, it may be configured to visible semiconductor laser is provided an n-side electrode and the p-side electrode.
【0054】 [0054]
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。 Quantum dots in this case is not limited to InGaN, may be a InGaAsN, may be changed the composition ratio according to the desired wavelength, low bandgap layer in accordance with a change in the composition ratio, the light guide layer , and it may be changed the composition ratio of the cladding layer.
【0055】 [0055]
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。 In the case of forming the quantum dots in InGaP quantum dots may be used GaAs layer as the base layer configuration mismatch, other configurations may be formed in the same manner as in the present invention, a short wavelength compared to InGaAs-based reduction is possible.
【0056】 [0056]
また、本発明の各実施の形態においては、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。 Further, in the embodiments of the present invention, but are self-formed quantum dots with the underlying semiconductor layer lattice mismatch, the method of forming the quantum dot is not limited to such self-forming method It is intended may be using quantum dots formed by using the microfabrication techniques described in the above, so that the quantum level formed a layer comprising a barrier layer of quantum dots within the quantum dot is only one in may be configured with a low band gap layer.
【0057】 [0057]
また、本発明の各実施の形態の説明においては、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。 Further, in the description of the embodiments of the present invention, although the band structure of the conduction band side only is described, which is formed with substantially the same quantum levels in the valence band side, at least, the conduction at least one of the quantum level of the band side or the valence band side is intended may be at only one, more effective if quantum level in each one of both of the conduction band side and the valence band side It increases.
【0058】 [0058]
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。 In this case, quantum level only one and, even if there is a plurality of quantum levels in the range of thermal energy kT in the laser operating temperature, the transition of the carrier between the plurality of quantum levels when, it is easy to phonon emission satisfying energy conservation law, therefore, the phonon bottleneck phenomenon is suppressed, it is an one level are collectively.
【0059】 [0059]
【発明の効果】 【Effect of the invention】
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。 According to the present invention, since the only one quantum level formed in the quantum dots, the relaxation rate of the carrier without being affected by phonon bottleneck phenomenon faster, therefore, place by quantization effects since the improvement of the temperature characteristic of the period becomes possible, which greatly contributes to the realization of high-performance semiconductor laser.
【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
【図1】本発明の原理的構成の説明図である。 FIG. 1 is an explanatory view of a basic configuration of the present invention.
【図2】本発明の第1の実施の形態の説明図である。 Figure 2 is an illustration of a first embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第2の実施の形態の説明図である。 3 is an explanatory view of a second embodiment of the present invention.
【図4】従来の量子ドット半導体レーザの説明図である。 4 is an explanatory view of a conventional quantum dot laser.
【図5】従来の量子ドットにおける緩和時間の説明図である。 5 is an explanatory diagram of a relaxation time in the conventional quantum dots.
【図6】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。 It is an explanatory view of an optical output characteristic - 6 current in a quantum dot semiconductor laser.
【図7】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。 7 is an explanatory view of the relaxation time dependence of the maximum light output in the quantum dot laser.
【図8】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。 8 is an explanatory view of the relaxation time dependence of the modulation bandwidth in the quantum dot laser.
【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS
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11 n型GaAs基板12 n型AlGaAsクラッド層13 i型GaAs光閉じ込め層14 InGaAsウェッティング層15 InGaAs量子ドット16 InGaAs低バンドギャップ層17 活性層18 i型GaAs光閉じ込め層19 p型AlGaAsクラッド層20 p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 1 quantum dot 2 low bandgap layer 3 wetting layer 4 active layer 5 high bandgap layer 6 of high bandgap layer 7 ground level 8 high-order quantum level 9 higher quantum levels 11 n-type GaAs substrate 12 n type AlGaAs cladding layer 13 i-type GaAs light confinement layer 14 InGaAs wetting layer 15 InGaAs quantum dots 16 InGaAs low bandgap layer 17 active layer 18 i-type GaAs light confinement layer 19 p-type AlGaAs cladding layer 20 p-type GaAs cap layer 21 underlying level 22 electron 23 active layer 31 substrate 32 clad layer 33 the light confinement layer 34 active layer 35 the light confinement layer 36 clad layer 37 wetting layer 38 quantum dots 39 ground level 40 second quantum level 41 third quantum level 42 electron

Claims (3)

  1. ウェッティング層と量子ドットからなる自己形成量子ドットを活性層と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バンドギャップが小さく、該量子ドットの伝導帯側または価電子帯側の少なくとも一方における離散化したエネルギー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 In the semiconductor laser of the self-assembled quantum dots of wetting layer and the quantum dot active layer, the quantum dots, the smaller band gap than the wetting layer, at least the side of the conduction band or the valence band side of the quantum dot and the energy level discretized in one of ground energy level only, the low band gap layer is formed in contact with the periphery of the quantum dots, the band gap E g of the low-band gap layer 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 , The E g1 the band gap of the quantum dots, when the band gap of the wetting layer and the E g2, 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。 <Semiconductor laser and satisfying the relation E g2.
  2. 上記量子ドットが、直接接するように複数個近接して積層され、全体として1個の量子ドットとして機能するものであることを特徴とする請求項記載の半導体レーザ。 The quantum dots, are laminated in plurality proximity so as to be in direct contact, the semiconductor laser according to claim 1, wherein the functions as a single quantum dots as a whole.
  3. 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 または2に記載の半導体レーザ。 The quantum dots, InGaAs, InGaN, or a semiconductor laser according to claim 1 or 2, characterized in that they are composed of any of the InGaP.
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