JP7050279B2

JP7050279B2 - 半導体レーザおよびその製造方法

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Description

本発明は、半導体レーザおよびその製造方法に関し、例えば量子ドットを有する半導体レーザおよびその製造方法に関する。

量子ドット活性層を用いた半導体レーザが知られている。量子ドットは、３次元の狭い領域にキャリアを閉じ込めた構造を有している。量子ドット内のキャリアは、運動が量子化され、離散的なエネルギー準位を形成する。これにより、発振閾値の低下および温度特性の改善といった優れた特性が得られる。

複数の量子ドットの間の濡れ層上に歪緩和層を設けることが知られている。歪緩和層を設けることで発光波長を制御できることが知られている（例えば特許文献１）。濡れ層を介した電流により温度特性が劣化することが知られている（例えば非特許文献１）。

特開２０１４－０５６９８３号公報

Applied Physics Letters, Vol. 81, No. 26, pp. 4904-4906 (2002)

歪緩和層（カバー層）を設けることで、発光波長を制御することができる。しかしながら、カバー層が設けられた半導体レーザは、カバー層が設けられていない半導体レーザに比べて、高温でのレーザ特性が劣ることがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、高温でのレーザ特性を向上させることを目的とする。

本発明は、半導体基板上に設けられた下地層と、前記下地層上に設けられた複数の量子ドットと、前記複数の量子ドット間の前記下地層上に設けられた濡れ層と、前記複数の量子ドット間の前記濡れ層上に、上面から前記複数の量子ドットの上面が露出するように設けられた中間層と、前記複数の量子ドット間の前記中間層上に設けられたカバー層と、前記複数の量子ドットと前記複数の量子ドット間の前記カバー層との上に設けられた埋め込み層と、を備え、前記カバー層のバンドギャップエネルギーは前記複数の量子ドットおよび前記濡れ層のバンドギャップエネルギーより大きく、前記中間層のバンドギャップエネルギーは前記カバー層のバンドギャップエネルギーより大きい半導体レーザである。

上記構成において、前記複数の量子ドット、前記濡れ層および前記カバー層はＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）層であり、前記下地層および前記中間層は、ＧａＡｓ層であり、前記カバー層のｘは前記複数の量子ドットおよび前記濡れ層のｘより小さい構成とすることができる。

上記構成において、前記下地層および前記埋め込み層のバンドギャップエネルギーは前記カバー層のバンドギャップエネルギーより大きい構成とすることができる。

上記構成において、前記中間層は前記カバー層より薄い構成とすることができる。

本発明は、半導体基板上に設けられた下地層と、前記下地層上に接して設けられた複数の量子ドットと、前記複数の量子ドット間の前記下地層上に接して設けられた混晶層と、前記複数の量子ドット間の前記混晶層上に接して設けられたカバー層と、前記複数の量子ドットと前記複数の量子ドット間の前記カバー層との上に設けられた埋め込み層と、を備え、前記混晶層のバンドギャップエネルギーは前記複数の量子ドットのバンドギャップエネルギーより大きく、前記カバー層のバンドギャップエネルギーは前記混晶層のバンドギャップエネルギーより大きく、前記下地層のバンドギャップエネルギーは前記カバー層のバンドギャップエネルギーより大きい半導体レーザである。

上記構成において、前記複数の量子ドット、前記混晶層および前記カバー層はＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）層であり、前記下地層は、ＧａＡｓ層であり、前記混晶層のｘは前記複数の量子ドットのｘより小さく、前記カバー層のｘは前記混晶層のｘより小さい構成とすることができる。

上記構成において、前記埋め込み層のバンドギャップエネルギーは前記カバー層のバンドギャップエネルギーより大きい構成とすることができる。

本発明は、半導体基板上に下地層を形成する工程と、前記下地層上に接して複数の量子ドットと、前記複数の量子ドット間の前記下地層上に接して濡れ層と、を形成する工程と、前記複数の量子ドット間の前記濡れ層上に中間層を形成する工程と、熱処理することにより、前記濡れ層と前記中間層との混晶である混晶層を形成する工程と、前記複数の量子ドット間の前記混晶層上に接してカバー層を形成する工程と、前記複数の量子ドットおよび前記複数の量子ドット間の前記カバー層上に埋め込み層を形成する工程と、を含み、前記下地層はＧａＡｓ層であり、前記複数の量子ドット、前記濡れ層、前記中間層、前記混晶層および前記カバー層はＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）層であり、前記混晶層のｘは前記複数の量子ドットのｘより小さく、前記カバー層のｘは前記混晶層のｘより小さくかつ０より大きい半導体レーザの製造方法である。

本発明によれば、高温でのレーザ特性を向上させることができる。

図１は、実施例１および２に係る半導体レーザの断面斜視図である。図２は、実施例１の半導体レーザにおける活性層の一部の断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）は、それぞれ比較例１および２の半導体レーザにおける活性層の一部の断面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれ比較例１および２の半導体レーザのＩ－Ｌ特性を示す模式図である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ比較例１および２の半導体レーザにおける活性層のエネルギーバンド図である。図６は、実施例１の半導体レーザにおける活性層のエネルギーバンド図である。図７は、実施例１の半導体レーザのＩ－Ｌ特性を示す模式図である。図８は、実施例２の半導体レーザにおける活性層の一部の断面図である。図９（ａ）から図９（ｃ）は、実施例２の半導体レーザの製造方法を示す断面図（その１）である。図１０（ａ）から図１０（ｃ）は、実施例２の半導体レーザの製造方法を示す断面図（その２）である。図１１は、実施例２の半導体レーザにおける活性層のエネルギーバンド図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１および２に係る半導体レーザの断面斜視図である。図１のように、実施例１の半導体レーザ１００は、半導体基板１０上にバッファ層１２が設けられている。バッファ層１２上に下部クラッド層１４が設けられている。半導体基板１０は、例えばｎ型ＧａＡｓ基板である。バッファ層１２は、例えばｎ型ＧａＡｓ層である。下部クラッド層１４は、例えばｎ型ＡｌＧａＡｓ層である。バッファ層１２および下部クラッド層１４にドープされるｎ型ドーパントとして、例えばＳｉが用いられる。

下部クラッド層１４上に活性層１６が設けられている。活性層１６は、下地層４０と、下地層４０上に積層された複数の量子ドット層４２と、を含む。

活性層１６上に上部クラッド層１８が設けられている。上部クラッド層１８は、例えばｐ型ＡｌＧａＡｓ層である。上部クラッド層１８は、両側に凹部２０が形成されたリッジ部２２を有する。上部クラッド層１８は、凹部２０の下にも残存する。リッジ部２２の側面は、垂直になっていてもよいし、テーパを有していてもよい。上部クラッド層１８上にコンタクト層２４が設けられている。コンタクト層２４は、例えばｐ型ＧａＡｓ層である。上部クラッド層１８およびコンタクト層２４にドープされるｐ型ドーパントとして、例えばＢｅが用いられる。

バッファ層１２、下部クラッド層１４、活性層１６、上部クラッド層１８、およびコンタクト層２４は、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法を用いて形成される。なお、実施例１では、下部クラッド層がｎ型半導体で、上部クラッド層がｐ型半導体の場合を例に説明するが、下部クラッド層がｐ型半導体で、上部クラッド層がｎ型半導体の場合でもよい。

コンタクト層２４の上面並びに凹部２０の側面および底面に保護膜２６が設けられている。保護膜２６は、例えば酸化シリコン膜などの絶縁膜である。リッジ部２２上の保護膜２６に開口が形成されていて、開口で露出したコンタクト層２４の上面に接してｐ電極２８が設けられている。リッジ部２２以外の保護膜２６上に、ｐ電極２８に配線３０を介して接続するパッド３２が設けられている。半導体基板１０の下面にｎ電極３４が設けられている。

図２は、実施例１の半導体レーザにおける活性層の一部の断面図である。図２のように、活性層１６は、下地層４０と量子ドット層４２とを含む。量子ドット層４２は、複数の量子ドット４４、濡れ層４６、中間層４７、カバー層４８、および埋め込み層５０を含む。

量子ドット４４および濡れ層４６は下地層４０上に設けられている。量子ドット４４は、Ｓ－Ｋ（Stranski-Krastanov）成長モードを基礎とした自己形成成長法によって形成される。つまり、下地層４０と異なる格子定数の材料を下地層４０上にエピタキシャル成長させることで、初めは２次元的な層状成長が起こり、成長量を増やしていくと格子定数差を起因とする歪みエネルギーの増大を抑制するように３次元成長へと遷移して量子ドット４４が形成される。例えば、下地層４０はＧａＡｓ層であり、下地層４０上に格子定数がＧａＡｓに比べて約７％大きいＩｎＡｓを成長することで、ＩｎＡｓドットからなる量子ドット４４が形成される。濡れ層４６は、量子ドット４４と同じ材料で形成されるため、例えばＩｎＡｓ層である。

中間層４７は、複数の量子ドット４４の間で濡れ層４６上に設けられ、量子ドット４４の側面および濡れ層４６の上面に接している。カバー層４８は、複数の量子ドット４４の間で中間層４７上に設けられ、量子ドット４４の側面および中間層４７の上面に接している。中間層４７およびカバー層４８は、量子ドット４４の上面が露出するように設けられている。埋め込み層５０は、量子ドット４４の上面に接し量子ドット４４、中間層４７およびカバー層４８を埋め込んでいる。すなわち、量子ドット４４およびカバー層４８は、埋め込み層５０で覆われている。下地層４０および埋め込み層５０は、バリア層として機能する。

カバー層４８は、量子ドット４４の歪を緩和するために設けられている。このため、カバー層４８は、下地層４０および埋め込み層５０の格子定数と量子ドット４４の格子定数との間の大きさの格子定数を有する。また、カバー層４８は、下地層４０および埋め込み層５０のバンドギャップエネルギーと濡れ層４６のバンドギャップエネルギーとの間の大きさのバンドギャップエネルギーを有する。下地層４０および埋め込み層５０がＧａＡｓ層で、量子ドット４４および濡れ層４６がＩｎＡｓドットおよびＩｎＡｓ層である場合、カバー層４８は例えばＩｎＧａＡｓ層である。

中間層４７は、カバー層４８のバンドギャップエネルギーより大きいバンドギャップエネルギーを有する。例えば中間層４７はＧａＡｓ層である。図１のように、複数の量子ドット層４２が積層される場合では、埋め込み層５０は、その上に形成される量子ドット４４および濡れ層４６の下地層となる。したがって、下地層４０と埋め込み層５０とは同じ材料からなる。よって、埋め込み層５０は例えばＧａＡｓ層である。

ここで、実施例１の半導体レーザ１００の効果を説明するため、比較例１および２の半導体レーザについて説明する。比較例１および２の半導体レーザは、活性層１６を構成する量子ドット層４２が異なる点以外は実施例１の半導体レーザ１００と同じである。図３（ａ）および図３（ｂ）は、それぞれ比較例１および２の半導体レーザにおける活性層の一部の断面図である。

図３（ａ）に示すように、比較例１の半導体レーザでは、中間層４７およびカバー層４８が設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

図３（ｂ）に示すように、比較例２の半導体レーザでは、中間層４７が設けられていない。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

図４（ａ）および図４（ｂ）は、それぞれ比較例１および２の半導体レーザのＩ－Ｌ（Injection current - Light output）特性を示す模式図である。図４（ａ）および図４（ｂ）において、横軸は注入電流、縦軸は光出力である。また、室温（例えば２５℃）でのＩ－Ｌ特性を実線で示し、高温（例えば９５℃）でのＩ－Ｌ特性を一点鎖線で示している。

図４（ａ）および図４（ｂ）のように、比較例１と比較例２とで、室温でのＩ－Ｌ特性にほとんど差はない。比較例１では、光出力が立ち上がり始める閾値電流の室温と高温との差は小さい。また、注入電流に対する光出力の傾きは室温と高温とで同程度であり効率は同程度である。このように、比較例１では高温においてもレーザ特性の劣化はほとんどない。

一方、比較例２では、高温では室温に比べ閾値電流が大きくなる。また、高温になると注入電流に対する光出力の傾きが小さくなり効率が低下する。このように、比較例２では高温においてレーザ特性が劣化する。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ比較例１および２の半導体レーザにおける活性層のエネルギーバンド図である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ図３（ａ）および図３（ｂ）のＡ－Ａ断面（すなわち量子ドット間）における伝導帯の底のエネルギーＥｃおよび価電子帯の頂点のエネルギーＥｖのエネルギーバンド図である。

比較例１および２において、下地層４０および埋め込み層５０をＧａＡｓ層、量子ドット４４をＩｎＡｓドット、濡れ層４６をＩｎＡｓ層、およびカバー層４８をＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層の場合について、各エネルギーを例示する。例示するエネルギーは、下地層４０と埋め込み層５０との間の層の格子が下地層４０および埋め込み層５０（すなわちＧａＡｓ層）と格子整合するように歪んでいることを仮定し算出した数値である。

図５（ａ）に示すように、下地層４０および埋め込み層５０のバンドギャップエネルギーＥｇ１は１．４２４ｅＶである。濡れ層４６は膜厚が約１モノレイヤ（すなわち約０．３ｎｍ）であり、濡れ層４６のバンドギャップエネルギーＥｇ２は０．４８４ｅＶである。下地層４０および埋め込み層５０と濡れ層４６との界面における、Ｅｃの不連続エネルギーΔＥｃ１は０．５３８ｅＶであり、Ｅｖの不連続エネルギーΔＥｖ１は０．４０２ｅＶである。濡れ層４６内の電子の量子準位Ｅｅとホールの量子準位Ｅｈとの差のエネルギーΔＥは１．３～１．３８ｅＶである。

図５（ｂ）に示すように、比較例２では、カバー層４８を膜厚が３ｎｍとすると、カバー層４８のバンドギャップエネルギーＥｇ３は１．２５０ｅＶである。濡れ層４６とカバー層４８との界面における、Ｅｃの不連続エネルギーΔＥｃ２は０．４３３ｅＶであり、Ｅｖの不連続エネルギーΔＥｖ２は０．３３４ｅＶである。カバー層４８と埋め込み層５０との界面における、Ｅｃの不連続エネルギーΔＥｃ３は０．１０５ｅＶであり、Ｅｖの不連続エネルギーΔＥｖ３は０．０６８ｅＶである。

比較例２では、ΔＥｃ２がΔＥｃ１より小さくなり、ΔＥｖ２がΔＥｖ１より小さくなる。このため、比較例１より電子の量子準位Ｅｅは低くなり、ホールの量子準位Ｅｈは高くなる。非特許文献１によれば、高温において、電流注入時に量子ドットからあふれたキャリアが濡れ層４６に分布することにより高温におけるレーザ特性が劣化する。比較例２のように、Ｅｅが低くなりＥｈが高くなると、高温においてキャリアが濡れ層４６に分布しやすくなる。これにより、図４（ｂ）のように、高温におけるレーザ特性が劣化すると考えらえられる。

図６は、実施例１の半導体レーザにおける活性層のエネルギーバンド図であり、図２のＡ－Ａ断面におけるエネルギーバンド図である。図６のように、実施例１の半導体レーザでは、濡れ層４６とカバー層４８との間の中間層４７が設けられている。中間層４７は、膜厚が約１モノレイヤ（すなわち約０．３ｎｍ）のＧａＡｓ層である。カバー層４８は膜厚が３ｎｍのＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層である。中間層４７により、濡れ層４６と中間層４７との間の界面における、ＥｃおよびＥｖの不連続エネルギーΔＥｃ１およびΔＥｖ１は、比較例２のΔＥｃ２およびΔＥｖ２より大きくなる。このため、比較例２より電子の量子準位Ｅｅが高くなり、ホールの量子準位Ｅｈが低くなる。よって、高温においてキャリアが濡れ層４６に分布しにくくなることで、レーザ特性の劣化が抑制できる。また、量子ドット４４に接するようにカバー層４８が設けられているため、発光波長は比較例２と同程度とすることができる。

図７は、実施例１の半導体レーザのＩ－Ｌ特性を示す模式図である。図７において、横軸は注入電流、縦軸は光出力である。また、室温（例えば２５℃）でのＩ－Ｌ特性を実線で示し、高温（例えば９５℃）でのＩ－Ｌ特性を一点鎖線で示している。図７のように、実施例１は、比較例１の図４（ａ）に比べて高温において閾値電流が大きくなり、注入電流に対する光出力の傾きが小さくなっている。しかし、比較例２の図４（ｂ）に比べて、高温における閾値電流が小さく、注入電流に対する光出力の傾きが大きい。このように、実施例１では比較例２に比べ高温におけるレーザ特性が向上している。

実施例１によれば、図２のように、中間層４７は複数の量子ドット４４間の濡れ層４６上に設けられ、カバー層４８は複数の量子ドット４４間の中間層４７上に設けられている。比較例２の図５（ｂ）のように、カバー層４８のバンドギャップエネルギーを量子ドット４４および濡れ層４６のバンドギャップエネルギーより大きくする。これにより、半導体レーザ１００の発光波長を比較例１より長くできる。しかし、図４（ｂ）のように、高温におけるレーザ特性が劣化する。そこで、実施例１では、中間層４７のバンドギャップエネルギーをカバー層４８のバンドギャップエネルギーより大きくする。これにより、図６のように、電子の量子準位Ｅｅが比較例２より高くなり、ホールの量子準位Ｅｈが比較例２より低くなる。よって、高温においてキャリアが濡れ層４６に分布しにくくなる。よって、発光波長は比較例２と同程度で、かつ図７のように高温におけるレーザ特性を比較例２より向上できる。

カバー層４８のバンドギャップエネルギーは濡れ層４６のバンドギャップエネルギーより０．３ｅＶ以上大きいことが好ましく、０．５ｅＶ以上大きいことが好ましい。中間層４７のバンドギャップエネルギーはカバー層４８のバンドギャップエネルギーより０．０５ｅＶ以上大きいことが好ましく０．１ｅＶ以上大きいことが好ましい。濡れ層４６、中間層４７およびカバー層４８はタイプ１（すなわちstraddling gap type）のヘテロ接合を形成することが好ましい。

複数の量子ドット４４をＩｎＡｓドットまたはＩｎＧａＡｓドットとし、濡れ層４６をＩｎＡｓ層またはＩｎＧａＡｓ層とし、中間層４７をＧａＡｓ層またはＩｎＧａＡｓ層とし、カバー層４８をＩｎＧａＡｓ層とする。これにより、例えば、発光波長を１．２６μｍ以上かつ１．３２μｍ以下とすることができる。

ＧａＡｓとＩｎＡｓとの混晶系では、Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０≦ｘ≦１、ｘ＝０のときはＧａＡｓ、ｘ＝１のときはＩｎＡｓ）のｘ（Ｉｎの組成比）が大きくなるとバンドギャップエネルギーが小さくなる。よって、濡れ層４６、中間層４７およびカバー層４８をＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）層とする場合、カバー層４８のｘは量子ドット４４および濡れ層４６のｘより小さく、中間層４７のｘはカバー層４８のｘより小さくする。これにより、カバー層４８のバンドギャップエネルギーを量子ドット４４および濡れ層４６のｘのバンドギャップエネルギーより大きくし、中間層４７のバンドギャップエネルギーをカバー層４８のバンドギャップエネルギーより大きくできる。

量子ドット４４として機能するため、量子ドット４４および濡れ層４６のｘは０．５≦ｘ≦１が好ましく、０．７≦ｘ≦１がより好ましい。発光波長を長くするため、カバー層４８のｘは０＜ｘ≦０．５が好ましく、０＜ｘ≦０．３がより好ましい。高温におけるレーザ特性を向上させるため、中間層４７のｘは０≦ｘ≦０．５が好ましく、０≦ｘ≦０．３がより好ましい。中間層４７とカバー層４８との間のｘの差は０．２以上が好ましく、０．５以上がより好ましい。

量子ドット４４を形成するため、下地層４０および埋め込み層５０のバンドギャップエネルギーをカバー層４８のバンドギャップエネルギーより大きくする。このため、下地層４０および埋め込み層５０をＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）とした場合、下地層４０および埋め込み層５０のｘをカバー層４８のｘより小さくする。また、下地層４０、埋め込み層５０および中間層４７をＡｌＧａＡｓ層またはＡｌＩｎＧａＡｓ層としてもよい。

中間層４７の膜厚は発光波長にあまり影響しないことが好ましい。この観点から中間層４７はカバー層４８より薄いことが好ましい。中間層４７の膜厚はカバー層４８の膜厚の１／２以下が好ましく、１／５以下がより好ましい。中間層４７の膜厚はカバー層４８の膜厚の１／２０以上が好ましい。量子ドット４４を形成したときの濡れ層４６は１モノレイヤ程度である。よって、濡れ層４６はカバー層４８より薄いことが好ましく、濡れ層４６の膜厚はカバー層４８の膜厚の１／２以下が好ましく、１／５以下がより好ましい。濡れ層４６の膜厚はカバー層４８の膜厚の１／２０以上が好ましい。

図８は、実施例２の半導体レーザにおける活性層の一部の断面図である。図８のように、濡れ層４６と中間層４７の代わりに混晶層４５が設けられている。その他の構成は実施例１の図１および図２と同じであり説明を省略する。

図９（ａ）から図１０（ｃ）は、実施例２の半導体レーザの製造方法を示す断面図である。図９（ａ）から図１０（ｃ）において半導体基板１０と下地層４０との間の層（例えば図１のバッファ層１２および下部クラッド層１４）の図示を省略している。各層は例えばＭＢＥ法により成膜される。

図９（ａ）に示すように、半導体基板１０上にバッファ層、下部クラッド層および下地層４０を形成する。下地層４０は例えばＧａＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層である。図９（ｂ）に示すように、下地層４０上に量子ドット４４および濡れ層４６を形成する。量子ドット４４および濡れ層４６は、同じ材料からなり、例えばＩｎＡｓ層またはＩｎＧａＡｓ層である。図９（ｃ）に示すように、量子ドット４４間の濡れ層４６上に中間層４７を形成する。中間層４７は例えばＧａＡｓ層である。中間層４７は、量子ドット４４の側面に接し、量子ドット４４の頂点は中間層４７から露出する。

図１０（ａ）に示すように、熱処理することにより、濡れ層４６と中間層４７との混晶である混晶層４５を形成する。例えば濡れ層４６および中間層４７がそれぞれＩｎＡｓ層およびＧａＡｓ層のとき、混晶層４５はＩｎＧａＡｓ層となる。熱処理は、例えば６２０℃において１４０秒行う。熱処理温度は例えば６００℃から６５０℃とすることができる。

図１０（ｂ）に示すように、量子ドット４４間の混晶層４５上にカバー層４８を形成する。カバー層４８は量子ドット４４の側面に接し、量子ドット４４の頂点はカバー層４８から露出する。カバー層４８は例えばＩｎＧａＡｓ層である。図１０（ｃ）に示すように、量子ドット４４およびカバー層４８を覆うように埋め込み層５０を形成する。埋め込み層５０は例えばＧａＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層である。複数の量子ドット４４、混晶層４５、カバー層４８および埋め込み層５０から量子ドット層４２が形成される。埋め込み層５０を下地層として、量子ドット層４２上に別の量子ドット層４２を形成する。量子ドット層４２を複数層積層することにより、図１のように複数の量子ドット層４２を有する活性層１６が形成される。

その後、上部クラッド層１８およびコンタクト層２４を形成する。コンタクト層２４および上部クラッド層１８に凹部２０を形成する。コンタクト層２４の上面、凹部２０の側面および底面に保護膜２６を形成する。リッジ部２２上の保護膜２６に開口を形成し、開口で露出したコンタクト層２４の上面に接してｐ電極２８を形成する。リッジ部２２以外の保護膜２６上に、ｐ電極２８に配線３０を介して接続するパッド３２を形成する。半導体基板１０の下面にｎ電極３４を形成する。以上により、図１の半導体レーザが完成する。

図９（ｃ）において、濡れ層４６をＩｎＡｓ層とし、中間層４７をＧａＡｓ層とし、濡れ層４６と中間層４７の膜厚を同程度（例えば各々０．３ｎｍの１モノレイヤ）とする。図１０（ａ）における混晶層４５は２モノレイヤ（０．６ｎｍ）のＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓ層となる。また、カバー層４８は膜厚が３ｎｍのＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ層とする。なお、下地層４０と濡れ層４６とは混晶を形成しうるが、上記仮定では考慮していない。

図１１は、実施例２の半導体レーザにおける活性層のエネルギーバンド図であり、図８のＡ－Ａ断面におけるエネルギーバンド図である。図１１のように、混晶層４５のバンドギャップエネルギーＥｇ４は０．８９０ｅＶとなる。下地層４０と混晶層４５との界面における、Ｅｃの不連続エネルギーΔＥｃ１´は０．３１９ｅＶであり、Ｅｖの不連続エネルギーΔＥｖ１´は０．２１６ｅＶである。混晶層４５とカバー層４８との界面における、Ｅｃの不連続エネルギーΔＥｃ２´は０．２１４ｅＶであり、Ｅｖの不連続エネルギーΔＥｖ２´は０．１４８ｅＶである。

比較例２に比べると、電子の量子準位Ｅｅが高くなり、ホールの量子準位Ｅｈが低くなる。よって、比較例２に比べΔＥが大きくなる。高温においてキャリアが混晶層４５に分布しにくくなることで、レーザ特性の劣化が抑制できる。また、量子ドット４４のうち中間層４７に接する領域は混晶となる。しかし、量子ドット４４は中間層４７に比べ十分に大きいため、量子ドット４４はほとんどＩｎＡｓドットである。よって、発光波長は比較例２と同程度とすることができる。

実施例２によれば、下地層４０とカバー層４８との間の混晶層４５が設けられている。混晶層４５のバンドギャップエネルギーは量子ドット４４のバンドギャップエネルギーより大きい。カバー層４８のバンドギャップエネルギーは混晶層４５のバンドギャップエネルギーより大きい。これにより、発光波長は比較例２と同程度であり、かつ高温におけるレーザ特性を比較例２より向上できる。

混晶層４５のバンドギャップエネルギーは量子ドット４４のバンドギャップエネルギーより０．１５ｅＶ以上大きいことが好ましく、０．３ｅＶ以上大きいことがより好ましい。カバー層４８のバンドギャップエネルギーは混晶層４５のバンドギャップエネルギーより０．１５ｅＶ以上大きいことが好ましく、０．３ｅＶ以上大きいことが好ましい。混晶層４５およびカバー層４８はタイプ１のヘテロ接合を形成することが好ましい。

複数の量子ドット４４をＩｎＡｓドットまたはＩｎＧａＡｓドットとし、混晶層４５をＩｎＧａＡｓ層とし、カバー層４８をＩｎＧａＡｓ層とする。これにより、例えば、発光波長を１．２６μｍ以上かつ１．３２μｍ以下とすることができる。

混晶層４５およびカバー層４８をＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）層とする場合、混晶層４５のｘは量子ドット４４のｘより小さく、カバー層４８のｘは混晶層４５のｘより小さくする。これにより、混晶層４５のバンドギャップエネルギーは量子ドット４４のバンドギャップエネルギーより大きくなり、カバー層４８のバンドギャップエネルギーは混晶層４５のバンドギャップエネルギーより大きくなる。

図９（ｃ）のように、複数の量子ドット４４間の濡れ層４６上に中間層４７を形成する。図１０（ａ）のように、熱処理することにより、濡れ層４６と中間層４７との混晶である混晶層４５を形成する。図１０（ｂ）のように、複数の量子ドット４４間の混晶層４５上にカバー層４８を形成する。量子ドット４４、濡れ層４６、中間層４７、混晶層４５およびカバー層４８はＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）層であり、混晶層４５のｘは量子ドット４４のｘより小さく、カバー層４８のｘは混晶層４５のｘより小さい。これにより、混晶層４５のｘを量子ドット４４のｘより小さくできる。

実施例１と同様に、量子ドット４４および濡れ層４６のｘは０．５≦ｘ≦１が好ましく、０．７≦ｘ≦１がより好ましい。カバー層４８のｘは０＜ｘ≦０．５が好ましく、０＜ｘ≦０．３がより好ましい。高温における特性劣化を抑制するため、混晶層４５のｘは０＜ｘ≦０．８が好ましく、０＜ｘ≦０．５がより好ましい。

混晶層４５が厚くなると、混晶層４５内にキャリアが分布しやすくなり、高温における特性が劣化する。よって、混晶層４５の膜厚は５モノレイヤ以下が好ましく、３モノレイヤ以下がより好ましい。濡れ層４６は１モノレイヤであるため、混晶層４５の膜厚は１モノレイヤより大きくなる。混晶層４５の膜厚はカバー層４８の膜厚の１／２以下が好ましく、１／５以下がより好ましい。中間層４７の膜厚はカバー層４８の膜厚の１／１０以上が好ましい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０半導体基板
１２バッファ層
１４下部クラッド層
１６活性層
１８上部クラッド層
４０下地層
４２量子ドット層
４４量子ドット
４５混晶層
４６濡れ層
４７中間層
４８カバー層
５０埋め込み層
１００半導体レーザ

Claims

半導体基板上に設けられた下地層と、
前記下地層上に設けられた複数の量子ドットと、
前記複数の量子ドット間の前記下地層上に設けられた濡れ層と、
前記複数の量子ドット間の前記濡れ層上に、上面から前記複数の量子ドットの上面が露出するように設けられた中間層と、
前記複数の量子ドット間の前記中間層上に設けられたカバー層と、
前記複数の量子ドットと前記複数の量子ドット間の前記カバー層との上に設けられた埋め込み層と、を備え、
前記カバー層のバンドギャップエネルギーは前記複数の量子ドットおよび前記濡れ層のバンドギャップエネルギーより大きく、前記中間層のバンドギャップエネルギーは前記カバー層のバンドギャップエネルギーより大きい半導体レーザ。
前記複数の量子ドット、前記濡れ層および前記カバー層はＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）層であり、
前記下地層および前記中間層は、ＧａＡｓ層であり、
前記カバー層のｘは前記複数の量子ドットおよび前記濡れ層のｘより小さい請求項１に記載の半導体レーザ。
前記下地層および前記埋め込み層のバンドギャップエネルギーは前記カバー層のバンドギャップエネルギーより大きい請求項１または２に記載の半導体レーザ。
前記中間層は前記カバー層より薄い請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
半導体基板上に設けられた下地層と、
前記下地層上に接して設けられた複数の量子ドットと、
前記複数の量子ドット間の前記下地層上に接して設けられた混晶層と、
前記複数の量子ドット間の前記混晶層上に接して設けられたカバー層と、
前記複数の量子ドットと前記複数の量子ドット間の前記カバー層との上に設けられた埋め込み層と、を備え、
前記混晶層のバンドギャップエネルギーは前記複数の量子ドットのバンドギャップエネルギーより大きく、前記カバー層のバンドギャップエネルギーは前記混晶層のバンドギャップエネルギーより大きく、前記下地層のバンドギャップエネルギーは前記カバー層のバンドギャップエネルギーより大きい半導体レーザ。
前記複数の量子ドット、前記混晶層および前記カバー層はＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）層であり、
前記下地層は、ＧａＡｓ層であり、
前記混晶層のｘは前記複数の量子ドットのｘより小さく、前記カバー層のｘは前記混晶層のｘより小さい請求項５に記載の半導体レーザ。
前記埋め込み層のバンドギャップエネルギーは前記カバー層のバンドギャップエネルギーより大きい請求項５または６に記載の半導体レーザ。
半導体基板上に下地層を形成する工程と、
前記下地層上に接して複数の量子ドットと、前記複数の量子ドット間の前記下地層上に接して濡れ層と、を形成する工程と、
前記複数の量子ドット間の前記濡れ層上に中間層を形成する工程と、
熱処理することにより、前記濡れ層と前記中間層との混晶である混晶層を形成する工程と、
前記複数の量子ドット間の前記混晶層上に接してカバー層を形成する工程と、
前記複数の量子ドットおよび前記複数の量子ドット間の前記カバー層上に埋め込み層を形成する工程と、
を含み、
前記下地層はＧａＡｓ層であり、
前記複数の量子ドット、前記濡れ層、前記中間層、前記混晶層および前記カバー層はＩｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）層であり、
前記混晶層のｘは前記複数の量子ドットのｘより小さく、前記カバー層のｘは前記混晶層のｘより小さくかつ０より大きい半導体レーザの製造方法。