JPH08172217A - 光半導体装置 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 光半導体装置に関し、狭い発光スペクトル幅
を有し、発光効率が高い発光ダイオード、半導体レー
ザ、面発光型半導体レーザ等の光半導体装置を提供す
る。 【構成】 活性層が複数の量子細線ＱＷからなり、各量
子細線ＱＷはキャリアがトンネルできる少なくとも１個
の隣接する量子細線ＱＷを有する構造を有し、電流注入
あるいは光励起によって発生したキャリアを相対的にエ
ネルギーが低い量子細線ＱＷに順次トンネルさせて、こ
の相対的にエネルギーが低い量子細線ＱＷで発光させる
ことによって狭い発光スペクトル幅を有する発光を得
る。この量子細線を量子箱によって代えることができ
る。低温ではキャリアのトンネル速度が小さいためエネ
ルギーが高い量子細線で発光するものもあって発光スペ
クトル幅が広いが、室温ではキャリアのトンネル速度が
大きいためエネルギーが低い量子細線で発光するものが
多く発光スペクトル幅が狭くなる。
を有し、発光効率が高い発光ダイオード、半導体レー
ザ、面発光型半導体レーザ等の光半導体装置を提供す
る。 【構成】 活性層が複数の量子細線ＱＷからなり、各量
子細線ＱＷはキャリアがトンネルできる少なくとも１個
の隣接する量子細線ＱＷを有する構造を有し、電流注入
あるいは光励起によって発生したキャリアを相対的にエ
ネルギーが低い量子細線ＱＷに順次トンネルさせて、こ
の相対的にエネルギーが低い量子細線ＱＷで発光させる
ことによって狭い発光スペクトル幅を有する発光を得
る。この量子細線を量子箱によって代えることができ
る。低温ではキャリアのトンネル速度が小さいためエネ
ルギーが高い量子細線で発光するものもあって発光スペ
クトル幅が広いが、室温ではキャリアのトンネル速度が
大きいためエネルギーが低い量子細線で発光するものが
多く発光スペクトル幅が狭くなる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、発光ダイオード、半導
体レーザ等の光半導体装置に関する。近年、光通信、Ａ
Ｖ装置、種々の検知装置、集積回路内の光インタコネク
ション等の光源としての発光ダイオード、半導体レー
ザ、面発光型半導体レーザ等の光半導体装置の諸特性を
改善することが要求されている。
体レーザ等の光半導体装置に関する。近年、光通信、Ａ
Ｖ装置、種々の検知装置、集積回路内の光インタコネク
ション等の光源としての発光ダイオード、半導体レー
ザ、面発光型半導体レーザ等の光半導体装置の諸特性を
改善することが要求されている。
【０００２】
【従来の技術】従来の発光ダイオード、半導体レーザ等
の光半導体装置は、主として化合物半導体のバルクを用
いて製造されていた。
の光半導体装置は、主として化合物半導体のバルクを用
いて製造されていた。
【０００３】図３は、従来の面発光型半導体レーザの一
例の構成説明図である。この図において、１はｎ−Ｇａ
Ａｓ基板、２はｎ側多層反射膜、３はｎ−ＡｌＧａＡｓ
スペーサー層、４はＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ活性層、５
はｐ−ＡｌＧａＡｓスペーサー層、６はｐ側多層反射
膜、７はｐ−ＧａＡｓキャップ層、８はＳｉＯ2 絶縁
膜、９はＡｕＺｎ／Ａｕｐ側電極、１０はＡｕＧｅ／Ａ
ｕｎ側電極、１１はＳｉＮ反射防止膜である。
例の構成説明図である。この図において、１はｎ−Ｇａ
Ａｓ基板、２はｎ側多層反射膜、３はｎ−ＡｌＧａＡｓ
スペーサー層、４はＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ活性層、５
はｐ−ＡｌＧａＡｓスペーサー層、６はｐ側多層反射
膜、７はｐ−ＧａＡｓキャップ層、８はＳｉＯ2 絶縁
膜、９はＡｕＺｎ／Ａｕｐ側電極、１０はＡｕＧｅ／Ａ
ｕｎ側電極、１１はＳｉＮ反射防止膜である。
【０００４】この従来の面発光型半導体レーザにおいて
は、ｎ−ＧａＡｓ基板１の上に、ＭＢＥによって、２
２．５周期のｎ−ＧａＡｓ層／ｎ−ＡｌＡｓ層からなる
ｎ側多層反射膜２を成長し、その上にｎ−ＡｌＧａＡｓ
スペーサー層３を成長し、その上に、２層の厚さ８ｎｍ
のＩｎＧａＡｓ量子井戸層を厚さ１０ｎｍのＧａＡｓバ
リア層によって隔てた歪み量子井戸からなるＩｎＧａＡ
ｓ／ＧａＡｓ活性層４を成長し、その上にｐ−ＡｌＧａ
Ａｓスペーサー層５を成長し、その上に、厚さ２０ｎｍ
のＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓスペーサー層を介挿した２５周
期のｐ−ＧａＡｓ層／ｐ−ＡｌＡｓ層からなるｐ側多層
反射膜６を成長し、その上にｐ−ＧａＡｓキャップ層７
を成長し、この積層体を低温Ｂｒ：ＨＢｒ：ＨＯ2 溶液
によってメサエッチングし、このメサの斜面にＳｉＯ2
絶縁膜８を形成し、その上にＡｕＺｎ／Ａｕｐ側電極９
を形成し、ｎ−ＧａＡｓ基板１の下に光を放射するため
の開口を有するＡｕＧｅ／Ａｕｎ側電極１０を形成し、
開口にＳｉＮ反射防止膜１１を形成している。
は、ｎ−ＧａＡｓ基板１の上に、ＭＢＥによって、２
２．５周期のｎ−ＧａＡｓ層／ｎ−ＡｌＡｓ層からなる
ｎ側多層反射膜２を成長し、その上にｎ−ＡｌＧａＡｓ
スペーサー層３を成長し、その上に、２層の厚さ８ｎｍ
のＩｎＧａＡｓ量子井戸層を厚さ１０ｎｍのＧａＡｓバ
リア層によって隔てた歪み量子井戸からなるＩｎＧａＡ
ｓ／ＧａＡｓ活性層４を成長し、その上にｐ−ＡｌＧａ
Ａｓスペーサー層５を成長し、その上に、厚さ２０ｎｍ
のＡｌ0.5 Ｇａ0.5 Ａｓスペーサー層を介挿した２５周
期のｐ−ＧａＡｓ層／ｐ−ＡｌＡｓ層からなるｐ側多層
反射膜６を成長し、その上にｐ−ＧａＡｓキャップ層７
を成長し、この積層体を低温Ｂｒ：ＨＢｒ：ＨＯ2 溶液
によってメサエッチングし、このメサの斜面にＳｉＯ2
絶縁膜８を形成し、その上にＡｕＺｎ／Ａｕｐ側電極９
を形成し、ｎ−ＧａＡｓ基板１の下に光を放射するため
の開口を有するＡｕＧｅ／Ａｕｎ側電極１０を形成し、
開口にＳｉＮ反射防止膜１１を形成している。
【０００５】図４は、活性層として半導体のバルクまた
は量子井戸を用いた従来の半導体レーザの一例の状態密
度とエネルギーの関係説明図であり、（Ａ）は活性層と
して半導体のバルクを用いた場合を示し、（Ｂ）は量子
井戸を用いた場合を示している。活性層として半導体の
バルクを用いた従来の半導体レーザにおいては、図４
（Ａ）に示されているように、発光に関わるキャリアの
エネルギー分布が状態密度とフェルミ分布の重なり（斜
線部分）で決まるため、発光スペクトル幅がかなり広く
なるという欠点を有している。
は量子井戸を用いた従来の半導体レーザの一例の状態密
度とエネルギーの関係説明図であり、（Ａ）は活性層と
して半導体のバルクを用いた場合を示し、（Ｂ）は量子
井戸を用いた場合を示している。活性層として半導体の
バルクを用いた従来の半導体レーザにおいては、図４
（Ａ）に示されているように、発光に関わるキャリアの
エネルギー分布が状態密度とフェルミ分布の重なり（斜
線部分）で決まるため、発光スペクトル幅がかなり広く
なるという欠点を有している。
【０００６】この欠点を解消し、発光効率を改善するた
めに活性層として量子井戸を用いることが試みられてい
る。活性層として量子井戸を用いた従来の半導体レーザ
においては、量子井戸の状態密度がバルクの状態密度と
は異なるために、発光に関わるキャリアのエネルギーの
分布は、図４（Ｂ）に示されているように、状態密度と
フェルミ分布の重なり（斜線部分）で決まるため、その
半値幅が図４（Ａ）の半導体のバルクを用いる場合より
狭くなり、発光スペクトル幅が狭くなる。
めに活性層として量子井戸を用いることが試みられてい
る。活性層として量子井戸を用いた従来の半導体レーザ
においては、量子井戸の状態密度がバルクの状態密度と
は異なるために、発光に関わるキャリアのエネルギーの
分布は、図４（Ｂ）に示されているように、状態密度と
フェルミ分布の重なり（斜線部分）で決まるため、その
半値幅が図４（Ａ）の半導体のバルクを用いる場合より
狭くなり、発光スペクトル幅が狭くなる。
【０００７】発光スペクトル幅をさらに狭くするため
に、量子井戸より量子閉じ込めが大きい量子細線や量子
箱を用いて発光エネルギーの半値幅が狭く高効率の光半
導体装置を実現することが考えられる。
に、量子井戸より量子閉じ込めが大きい量子細線や量子
箱を用いて発光エネルギーの半値幅が狭く高効率の光半
導体装置を実現することが考えられる。
【０００８】図５は、活性層として量子細線または量子
箱を用いた半導体レーザの状態密度とエネルギーの関係
説明図であり、（Ａ）は活性層として半導体の量子細線
を用いた場合を示し、（Ｂ）は量子箱を用いた場合を示
している。
箱を用いた半導体レーザの状態密度とエネルギーの関係
説明図であり、（Ａ）は活性層として半導体の量子細線
を用いた場合を示し、（Ｂ）は量子箱を用いた場合を示
している。
【０００９】活性層として量子細線を用いた半導体レー
ザにおいては、量子細線の状態密度が半導体のバルクあ
るいは量子井戸の状態密度とは異なるために、状態密度
とフェルミ分布の重なり（斜線部分）で決まる発光に関
わるキャリアのエネルギー分布は、図５（Ａ）に示され
ているようになり、発光スペクトル幅が、活性層を半導
体のバルクや量子井戸を用いた場合（図４参照）よりさ
らに狭くなることが期待される。
ザにおいては、量子細線の状態密度が半導体のバルクあ
るいは量子井戸の状態密度とは異なるために、状態密度
とフェルミ分布の重なり（斜線部分）で決まる発光に関
わるキャリアのエネルギー分布は、図５（Ａ）に示され
ているようになり、発光スペクトル幅が、活性層を半導
体のバルクや量子井戸を用いた場合（図４参照）よりさ
らに狭くなることが期待される。
【００１０】また、活性層として量子箱を用いた半導体
レーザにおいては、量子箱の状態密度がバルク、量子井
戸あるいは量子細線の状態密度とは異なるために、発光
に関わるキャリアのエネルギーの分布は直線状となるた
め、発光スペクトル幅がさらに狭くなることが期待され
る。
レーザにおいては、量子箱の状態密度がバルク、量子井
戸あるいは量子細線の状態密度とは異なるために、発光
に関わるキャリアのエネルギーの分布は直線状となるた
め、発光スペクトル幅がさらに狭くなることが期待され
る。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】このように、量子細線
や量子箱を用いることにより、従来の半導体のバルクあ
るいは量子井戸からなる活性層を用いた場合よりも、発
光スペクトルが狭く、効率が高い半導体レーザ等の光半
導体装置を実現することができると期待されるが、実際
にこれらの光半導体装置を製造する場合には、量子細線
や量子箱が微細であるため、複数の量子細線や量子箱の
寸法形状に不可避的にある有限のばらつきを生じてしま
う。
や量子箱を用いることにより、従来の半導体のバルクあ
るいは量子井戸からなる活性層を用いた場合よりも、発
光スペクトルが狭く、効率が高い半導体レーザ等の光半
導体装置を実現することができると期待されるが、実際
にこれらの光半導体装置を製造する場合には、量子細線
や量子箱が微細であるため、複数の量子細線や量子箱の
寸法形状に不可避的にある有限のばらつきを生じてしま
う。
【００１２】そのため、個々の量子細線や量子箱が急峻
な状態密度をもっていても、これが複数の量子細線や量
子箱の寸法形状のばらつきによって生じる大きさ揺らぎ
によって相殺されるため、現実には、発光スペクトル幅
が狭く、効率が高い光半導体装置を実現することができ
ないという問題がある。
な状態密度をもっていても、これが複数の量子細線や量
子箱の寸法形状のばらつきによって生じる大きさ揺らぎ
によって相殺されるため、現実には、発光スペクトル幅
が狭く、効率が高い光半導体装置を実現することができ
ないという問題がある。
【００１３】図６は、量子細線と量子箱の状態密度の大
きさ揺らぎの説明図であり、（Ａ）は量子細線、（Ｂ）
は量子箱の大きさ揺らぎを示している。まず、量子細線
については、図６（Ａ）に示されているように、複数の
量子細線の寸法形状にばらつきが生じるため、急峻な状
態密度を有する量子細線が、あるエネルギーの範囲内に
分布し、その包絡線が広い幅を有することになる。
きさ揺らぎの説明図であり、（Ａ）は量子細線、（Ｂ）
は量子箱の大きさ揺らぎを示している。まず、量子細線
については、図６（Ａ）に示されているように、複数の
量子細線の寸法形状にばらつきが生じるため、急峻な状
態密度を有する量子細線が、あるエネルギーの範囲内に
分布し、その包絡線が広い幅を有することになる。
【００１４】また、量子箱については、図６（Ｂ）に示
されているように、複数の量子箱の寸法形状にばらつき
が生じるため、直線状の状態密度を有する量子箱が、あ
るエネルギーの範囲内にばらつき、その包絡線が広い幅
を有することになる。
されているように、複数の量子箱の寸法形状にばらつき
が生じるため、直線状の状態密度を有する量子箱が、あ
るエネルギーの範囲内にばらつき、その包絡線が広い幅
を有することになる。
【００１５】したがって、複数の量子細線あるいは量子
箱を用いる場合は、異なる状態密度に起因して発光スペ
クトル幅が拡がってしまうことになる。本発明は、狭い
発光スペクトル幅を有し、発光効率が高い発光ダイオー
ド、半導体レーザ等の光半導体装置を提供することを目
的とする。
箱を用いる場合は、異なる状態密度に起因して発光スペ
クトル幅が拡がってしまうことになる。本発明は、狭い
発光スペクトル幅を有し、発光効率が高い発光ダイオー
ド、半導体レーザ等の光半導体装置を提供することを目
的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明にかかる光半導体
装置においては、活性層が複数の量子細線からなり、該
量子細線はキャリアがトンネルできる少なくとも１個の
隣接する量子細線を有する構造を有し、電流注入あるい
は光励起によって発生したキャリアを相対的にエネルギ
ーが低い量子細線に順次トンネルさせて、該相対的にエ
ネルギーが低い量子細線で発光させる構成を採用した。
装置においては、活性層が複数の量子細線からなり、該
量子細線はキャリアがトンネルできる少なくとも１個の
隣接する量子細線を有する構造を有し、電流注入あるい
は光励起によって発生したキャリアを相対的にエネルギ
ーが低い量子細線に順次トンネルさせて、該相対的にエ
ネルギーが低い量子細線で発光させる構成を採用した。
【００１７】この構成の活性層を、発光ダイオード、半
導体レーザ、あるいは面発光型半導体レーザの活性層と
して用いることができる。また、この場合、量子細線と
してＩｎＧａＡｓを用い、バリア層としてＩｎＡｌＡ
ｓ、あるいは量子細線としてＧａＡｓを用い、バリア層
としてＡｌＧａＡｓを用いることができる。
導体レーザ、あるいは面発光型半導体レーザの活性層と
して用いることができる。また、この場合、量子細線と
してＩｎＧａＡｓを用い、バリア層としてＩｎＡｌＡ
ｓ、あるいは量子細線としてＧａＡｓを用い、バリア層
としてＡｌＧａＡｓを用いることができる。
【００１８】また、本発明の他の光半導体装置において
は、活性層が複数の量子箱からなり、該量子箱はキャリ
アがトンネルできる少なくとも１個の隣接する量子箱を
有する構造を有し、電流注入あるいは光励起によって発
生したキャリアを相対的にエネルギーが低い量子箱に順
次トンネルさせて、該相対的にエネルギーが低い量子箱
で発光させる構成を採用した。
は、活性層が複数の量子箱からなり、該量子箱はキャリ
アがトンネルできる少なくとも１個の隣接する量子箱を
有する構造を有し、電流注入あるいは光励起によって発
生したキャリアを相対的にエネルギーが低い量子箱に順
次トンネルさせて、該相対的にエネルギーが低い量子箱
で発光させる構成を採用した。
【００１９】この構成の活性層を、発光ダイオード、半
導体レーザ、あるいは面発光型半導体レーザの活性層と
して用いることができる。また、この場合、量子箱とし
てＩｎＧａＡｓを用い、バリア層としてＧａＡｌＡｓを
用いることができる。あるいは、また、量子箱としてＧ
ａＡｓ、バリア層としてＡｌＧａＡｓを用いることがで
きる。また、あるいは、量子箱としてＩｎＧａＡｓ、バ
リア層としてＩｎＡｌＡｓを用いることができる。
導体レーザ、あるいは面発光型半導体レーザの活性層と
して用いることができる。また、この場合、量子箱とし
てＩｎＧａＡｓを用い、バリア層としてＧａＡｌＡｓを
用いることができる。あるいは、また、量子箱としてＧ
ａＡｓ、バリア層としてＡｌＧａＡｓを用いることがで
きる。また、あるいは、量子箱としてＩｎＧａＡｓ、バ
リア層としてＩｎＡｌＡｓを用いることができる。
【００２０】
【作用】本発明の請求項１から請求項５までに記載され
た光半導体装置においては、それぞれの量子細線中に、
電流注入あるいは光励起によってキャリアが生じても、
そのキャリアが隣接するエネルギーがより低い量子細線
に順次トンネルし、最終的には最もエネルギーが低い量
子細線で電子と正孔が再結合して、そのエネルギーギャ
ップに相当する波長の光を生じる。そのため、量子細線
の大きさ揺らぎよりはるかに狭い発光スペクトル幅をも
ち効率が高い光半導体装置を実現することができる。
た光半導体装置においては、それぞれの量子細線中に、
電流注入あるいは光励起によってキャリアが生じても、
そのキャリアが隣接するエネルギーがより低い量子細線
に順次トンネルし、最終的には最もエネルギーが低い量
子細線で電子と正孔が再結合して、そのエネルギーギャ
ップに相当する波長の光を生じる。そのため、量子細線
の大きさ揺らぎよりはるかに狭い発光スペクトル幅をも
ち効率が高い光半導体装置を実現することができる。
【００２１】また、本発明の請求項６から請求項１０ま
でに記載された光半導体装置においては、それぞれの量
子箱中に、電流注入あるいは光励起によってキャリアが
生じても、そのキャリアが隣接するエネルギーがより低
い量子箱に順次トンネルし、最終的には最もエネルギー
が低い量子箱で電子と正孔が再結合して、そのエネルギ
ーギャップに相当する波長の光を生じる。そのため、量
子箱の大きさ揺らぎよりはるかに狭い発光スペクトル幅
をもち効率が高い光半導体装置を実現することができ
る。
でに記載された光半導体装置においては、それぞれの量
子箱中に、電流注入あるいは光励起によってキャリアが
生じても、そのキャリアが隣接するエネルギーがより低
い量子箱に順次トンネルし、最終的には最もエネルギー
が低い量子箱で電子と正孔が再結合して、そのエネルギ
ーギャップに相当する波長の光を生じる。そのため、量
子箱の大きさ揺らぎよりはるかに狭い発光スペクトル幅
をもち効率が高い光半導体装置を実現することができ
る。
【００２２】このように、本発明によれば、従来構造の
光半導体装置が有する欠点であった量子細線や量子箱の
寸法形状のばらつきによって生じる大きさ揺らぎが小さ
く発光スペクトル幅が狭く、効率が高い光半導体装置を
実現することができる。
光半導体装置が有する欠点であった量子細線や量子箱の
寸法形状のばらつきによって生じる大きさ揺らぎが小さ
く発光スペクトル幅が狭く、効率が高い光半導体装置を
実現することができる。
【００２３】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。 （第１実施例）図１は、第１実施例の光半導体装置の説
明図であり、（Ａ）は活性層となる量子細線を示し、
（Ｂ）は低温下での発光スペクトル、（Ｃ）は室温での
発光スペクトルを示している。図１（Ａ）は光半導体装
置の活性層となる複数の量子細線（ＱｕａｎｔｕｍＷｉ
ｒｅ：ＱＷ）がキャリアがトンネルできる程度の厚さの
バリア層（ＢＬ）を介して形成されている状態を示して
いる。この図は略正方形のパターンは紙面に垂直（活性
層の面内）に延びる量子細線（ＱＷ）の断面を示してい
るが、その寸法形状が異なっている。
明図であり、（Ａ）は活性層となる量子細線を示し、
（Ｂ）は低温下での発光スペクトル、（Ｃ）は室温での
発光スペクトルを示している。図１（Ａ）は光半導体装
置の活性層となる複数の量子細線（ＱｕａｎｔｕｍＷｉ
ｒｅ：ＱＷ）がキャリアがトンネルできる程度の厚さの
バリア層（ＢＬ）を介して形成されている状態を示して
いる。この図は略正方形のパターンは紙面に垂直（活性
層の面内）に延びる量子細線（ＱＷ）の断面を示してい
るが、その寸法形状が異なっている。
【００２４】この図には、複数の量子細線（ＱＷ）のう
ち寸法が小さくエネルギーが高い量子細線（ＱＷ）に発
生したキャリアが、トンネルできる程度に薄いバリア層
（ＢＬ）を通して、よりエネルギーが低い量子細線（Ｑ
Ｗ）に次々に移動していく様子が矢印で模式的に示され
ている。結局、最終的にはトンネルできる範囲内でもっ
ともエネルギーが低い量子細線（ＱＷ）でキャリアであ
る電子と正孔が再結合して、そのエネルギーギャップに
相当する波長の光を生じる。したがって、発光スペクト
ル幅を狭くすることができる。
ち寸法が小さくエネルギーが高い量子細線（ＱＷ）に発
生したキャリアが、トンネルできる程度に薄いバリア層
（ＢＬ）を通して、よりエネルギーが低い量子細線（Ｑ
Ｗ）に次々に移動していく様子が矢印で模式的に示され
ている。結局、最終的にはトンネルできる範囲内でもっ
ともエネルギーが低い量子細線（ＱＷ）でキャリアであ
る電子と正孔が再結合して、そのエネルギーギャップに
相当する波長の光を生じる。したがって、発光スペクト
ル幅を狭くすることができる。
【００２５】図１（Ｂ）は低温下（７７Ｋ）での発光ス
ペクトル（フォトルミネッセンス）を示しているが、低
温では量子細線（ＱＷ）間をキャリアがトンネルする速
度が遅いため、最低のエネルギーの量子細線（ＱＷ）以
外でも発光が起こっている。この図の高エネルギー側の
フォトルミネッセンスが量子細線（ＱＷ）の大きさ揺ら
ぎに対応している。
ペクトル（フォトルミネッセンス）を示しているが、低
温では量子細線（ＱＷ）間をキャリアがトンネルする速
度が遅いため、最低のエネルギーの量子細線（ＱＷ）以
外でも発光が起こっている。この図の高エネルギー側の
フォトルミネッセンスが量子細線（ＱＷ）の大きさ揺ら
ぎに対応している。
【００２６】図１（Ｃ）は室温での発光スペクトルを示
しているが、温度を低温（７７Ｋ）から室温（３００Ｋ
程度）まで上げると、キャリアが量子細線（ＱＷ）間を
トンネルする速度が速くなるため、キャリアが最低エネ
ルギーの量子細線（ＱＷ）に速やかにトンネルし、そこ
で電子と正孔の再結合が生じてそのエネルギーギャップ
に相当する波長の光を生じる。このときの発光スペクト
ルの半値幅は量子細線（ＱＷ）の大きさ揺らぎよりはる
かに小さく極めて効率のよい発光が実現される。
しているが、温度を低温（７７Ｋ）から室温（３００Ｋ
程度）まで上げると、キャリアが量子細線（ＱＷ）間を
トンネルする速度が速くなるため、キャリアが最低エネ
ルギーの量子細線（ＱＷ）に速やかにトンネルし、そこ
で電子と正孔の再結合が生じてそのエネルギーギャップ
に相当する波長の光を生じる。このときの発光スペクト
ルの半値幅は量子細線（ＱＷ）の大きさ揺らぎよりはる
かに小さく極めて効率のよい発光が実現される。
【００２７】この実施例においては、ＩｎＰ斜め基板上
のテラスの上にＩｎＡｌＡｓバッファー層を成長し、昇
温した状態に維持してテラス上面を平滑化し、平滑化さ
れたテラスの上に０．５原子層のＡｌ、０．５原子層の
Ｇａ、１原子層のＩｎをＡｓ照射下で順に１０周期繰り
返して成長した。次に、供給原料ガスを切り換えて、Ｉ
ｎＡｌＡｓを成長させることによって２０原子層×１０
原子層程度の量子細線を形成する。
のテラスの上にＩｎＡｌＡｓバッファー層を成長し、昇
温した状態に維持してテラス上面を平滑化し、平滑化さ
れたテラスの上に０．５原子層のＡｌ、０．５原子層の
Ｇａ、１原子層のＩｎをＡｓ照射下で順に１０周期繰り
返して成長した。次に、供給原料ガスを切り換えて、Ｉ
ｎＡｌＡｓを成長させることによって２０原子層×１０
原子層程度の量子細線を形成する。
【００２８】この方法によると、ＩｎＰ斜め基板上の傾
斜角度と、原料ガスを切り換える時間を調節することに
よって所望の寸法形状の量子細線とキャリアがトンネル
することができるバリア層（ＢＬ）を形成することがで
きる。
斜角度と、原料ガスを切り換える時間を調節することに
よって所望の寸法形状の量子細線とキャリアがトンネル
することができるバリア層（ＢＬ）を形成することがで
きる。
【００２９】（第２実施例）図２は、第２実施例の光半
導体装置の説明図であり、（Ａ）は活性層となる量子箱
を示し、（Ｂ）は低温下での発光スペクトル、（Ｃ）は
室温での発光スペクトルを示している。図２（Ａ）は光
半導体装置の活性層となる複数の量子箱（Ｑｕａｎｔｕ
ｍ Ｂｏｘ：ＱＢ）がキャリアがトンネルできる程度の
厚さのバリア層（ＢＬ）を介して形成されている状態を
示している。この図は略円形のパターンは活性層の面内
に散在する量子箱（ＱＢ）を示しているが、その寸法形
状が異なっている。
導体装置の説明図であり、（Ａ）は活性層となる量子箱
を示し、（Ｂ）は低温下での発光スペクトル、（Ｃ）は
室温での発光スペクトルを示している。図２（Ａ）は光
半導体装置の活性層となる複数の量子箱（Ｑｕａｎｔｕ
ｍ Ｂｏｘ：ＱＢ）がキャリアがトンネルできる程度の
厚さのバリア層（ＢＬ）を介して形成されている状態を
示している。この図は略円形のパターンは活性層の面内
に散在する量子箱（ＱＢ）を示しているが、その寸法形
状が異なっている。
【００３０】この図には、複数の量子箱（ＱＢ）のうち
寸法が小さくエネルギーが高い量子箱（ＱＢ）に発生し
たキャリアが、トンネルできる程度に薄いバリア層（Ｂ
Ｌ）を通して、よりエネルギーが低い量子箱（ＱＢ）に
次々に移動していく様子が矢印で模式的に示されてい
る。結局、最終的にはトンネルできる範囲内でもっとも
エネルギーが低い量子箱（ＱＢ）でキャリアである電子
と正孔が再結合して、そのエネルギーギャップに相当す
る波長の光を生じる。したがって、発光スペクトル幅を
狭くすることができる。
寸法が小さくエネルギーが高い量子箱（ＱＢ）に発生し
たキャリアが、トンネルできる程度に薄いバリア層（Ｂ
Ｌ）を通して、よりエネルギーが低い量子箱（ＱＢ）に
次々に移動していく様子が矢印で模式的に示されてい
る。結局、最終的にはトンネルできる範囲内でもっとも
エネルギーが低い量子箱（ＱＢ）でキャリアである電子
と正孔が再結合して、そのエネルギーギャップに相当す
る波長の光を生じる。したがって、発光スペクトル幅を
狭くすることができる。
【００３１】図２（Ｂ）は低温下（７７Ｋ）での発光ス
ペクトル（フォトルミネッセンス）を示しているが、低
温では量子箱（ＱＢ）間をキャリアがトンネルする速度
が遅いため、最低のエネルギーの量子箱（ＱＢ）以外で
も発光が起こっている。この図の高エネルギー側のフォ
トルミネッセンスが量子箱（ＱＢ）の大きさ揺らぎに対
応している。
ペクトル（フォトルミネッセンス）を示しているが、低
温では量子箱（ＱＢ）間をキャリアがトンネルする速度
が遅いため、最低のエネルギーの量子箱（ＱＢ）以外で
も発光が起こっている。この図の高エネルギー側のフォ
トルミネッセンスが量子箱（ＱＢ）の大きさ揺らぎに対
応している。
【００３２】図２（Ｃ）は室温での発光スペクトルを示
しているが、温度を低温（７７Ｋ）から室温（３００Ｋ
程度）まで上げると、キャリアが量子箱（ＱＢ）間をト
ンネルする速度が速くなるため、キャリアが最低エネル
ギーの量子箱（ＱＢ）に速やかにトンネルし、そこで電
子と正孔の再結合が生じてそのエネルギーギャップに相
当する波長の光を生じる。このときの発光スペクトルの
半値幅は量子箱（ＱＢ）の大きさ揺らぎよりはるかに小
さく極めて効率のよい発光が実現される。
しているが、温度を低温（７７Ｋ）から室温（３００Ｋ
程度）まで上げると、キャリアが量子箱（ＱＢ）間をト
ンネルする速度が速くなるため、キャリアが最低エネル
ギーの量子箱（ＱＢ）に速やかにトンネルし、そこで電
子と正孔の再結合が生じてそのエネルギーギャップに相
当する波長の光を生じる。このときの発光スペクトルの
半値幅は量子箱（ＱＢ）の大きさ揺らぎよりはるかに小
さく極めて効率のよい発光が実現される。
【００３３】この実施例においては、平坦なＧａＡｓ基
板の上にＧａＡｓバッファー層を成長し、昇温した状態
に維持してその上面を平滑化し、平滑化された上面の上
に２．５原子層のＩｎＡｓを成長する。このようにＩｎ
Ａｓを成長すると、ＩｎＡｓとＧａＡｓバッファー層と
の格子定数の差に起因して、厚さが数原子層程度で直径
が数十ないし数百原子層程度に凝集した島状のＩｎＧａ
Ａｓからなる量子箱（ＱＢ：量子ドット）が形成される
ことになる。その後、供給原料ガスを切り換えて、Ｉｎ
ＧａＡｓからなる量子箱の上にＧａＡｓを成長して、量
子箱中のキャリアが隣接する量子箱にトンネルできる厚
さのバリア層（ＢＬ）を形成する。
板の上にＧａＡｓバッファー層を成長し、昇温した状態
に維持してその上面を平滑化し、平滑化された上面の上
に２．５原子層のＩｎＡｓを成長する。このようにＩｎ
Ａｓを成長すると、ＩｎＡｓとＧａＡｓバッファー層と
の格子定数の差に起因して、厚さが数原子層程度で直径
が数十ないし数百原子層程度に凝集した島状のＩｎＧａ
Ａｓからなる量子箱（ＱＢ：量子ドット）が形成される
ことになる。その後、供給原料ガスを切り換えて、Ｉｎ
ＧａＡｓからなる量子箱の上にＧａＡｓを成長して、量
子箱中のキャリアが隣接する量子箱にトンネルできる厚
さのバリア層（ＢＬ）を形成する。
【００３４】この方法によると、ＧａＡｓ基板の温度や
ＩｎＡｓ原料ガスの供給条件等を調節することによって
所望の寸法の量子箱をキャリアがトンネルすることがで
きる程度の間隔を置いて形成することができる。
ＩｎＡｓ原料ガスの供給条件等を調節することによって
所望の寸法の量子箱をキャリアがトンネルすることがで
きる程度の間隔を置いて形成することができる。
【００３５】前記の第１実施例、第２実施例の構造の量
子細線あるいは量子箱は、従来から知られている発光ダ
イオード、半導体レーザ、面発光型半導体レーザ等の発
光領域あるいは活性層として組み込まれることができ
る。
子細線あるいは量子箱は、従来から知られている発光ダ
イオード、半導体レーザ、面発光型半導体レーザ等の発
光領域あるいは活性層として組み込まれることができ
る。
【００３６】（第３実施例）この実施例は、第２実施例
で説明した量子箱を活性層として用いた面発光型半導体
レーザである。その製造行程を説明すると、ｎ−ＧａＡ
ｓ基板の上に、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓを２２．５周期モレ
キュラービームエピタキシー（ＭＢＥ）によって成長し
て、ｎ側の半導体多層反射鏡を形成し、その上にｎ−Ｇ
ａＡｓスペーサー層を成長し、その上にＩｎＡｓ層を
２．５原子層分成長する。この成長によってＩｎＡｓ層
は自己組織的にドット化して量子箱になる。続いて、バ
リア層となるＧａＡｓをドットの上に被せるように成長
する。続いて、ｐ−ＧａＡｓスペーサー層を成長し、さ
らにその上にＧａＡｓ／ＡｌＡｓを２５周期成長して、
ｐ側の半導体多層反射鏡を形成する。
で説明した量子箱を活性層として用いた面発光型半導体
レーザである。その製造行程を説明すると、ｎ−ＧａＡ
ｓ基板の上に、ＧａＡｓ／ＡｌＡｓを２２．５周期モレ
キュラービームエピタキシー（ＭＢＥ）によって成長し
て、ｎ側の半導体多層反射鏡を形成し、その上にｎ−Ｇ
ａＡｓスペーサー層を成長し、その上にＩｎＡｓ層を
２．５原子層分成長する。この成長によってＩｎＡｓ層
は自己組織的にドット化して量子箱になる。続いて、バ
リア層となるＧａＡｓをドットの上に被せるように成長
する。続いて、ｐ−ＧａＡｓスペーサー層を成長し、さ
らにその上にＧａＡｓ／ＡｌＡｓを２５周期成長して、
ｐ側の半導体多層反射鏡を形成する。
【００３７】この構造に電流の狭窄化を行うために、ウ
ェットエッチングによって活性領域の周囲に溝を形成
し、その上面にはｐ側電極を蒸着によって形成し、下面
にはｎ側電極を蒸着によって形成する。この実施例の面
発光型半導体レーザに電流を流すと、しきい値１３ｍＡ
で波長１．２８μｍでレーザ発振が起こった。高価なＩ
ｎＰ基板を用いた半導体レーザにおいては波長１．３μ
ｍ程度のレーザ発振は可能であるが、この実施例による
と安価なＧａＡｓ基板を用いても波長１．２８μｍでの
発振が可能であった。
ェットエッチングによって活性領域の周囲に溝を形成
し、その上面にはｐ側電極を蒸着によって形成し、下面
にはｎ側電極を蒸着によって形成する。この実施例の面
発光型半導体レーザに電流を流すと、しきい値１３ｍＡ
で波長１．２８μｍでレーザ発振が起こった。高価なＩ
ｎＰ基板を用いた半導体レーザにおいては波長１．３μ
ｍ程度のレーザ発振は可能であるが、この実施例による
と安価なＧａＡｓ基板を用いても波長１．２８μｍでの
発振が可能であった。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
量子細線間や量子箱間のトンネルを可能にすることによ
り、従来の半導体発光装置において問題となっていた量
子細線あるいは量子箱の寸法形状のばらつきによって生
じる発光スペクトル幅の拡大を抑え、効率が高い光半導
体装置を提供することができる。
量子細線間や量子箱間のトンネルを可能にすることによ
り、従来の半導体発光装置において問題となっていた量
子細線あるいは量子箱の寸法形状のばらつきによって生
じる発光スペクトル幅の拡大を抑え、効率が高い光半導
体装置を提供することができる。
【図１】第１実施例の光半導体装置の説明図であり、
（Ａ）は活性層となる量子細線を示し、（Ｂ）は低温下
での発光スペクトル、（Ｃ）は室温での発光スペクトル
を示している。
（Ａ）は活性層となる量子細線を示し、（Ｂ）は低温下
での発光スペクトル、（Ｃ）は室温での発光スペクトル
を示している。
【図２】第２実施例の光半導体装置の説明図であり、
（Ａ）は活性層となる量子箱を示し、（Ｂ）は低温下で
の発光スペクトル、（Ｃ）は室温での発光スペクトルを
示している。
（Ａ）は活性層となる量子箱を示し、（Ｂ）は低温下で
の発光スペクトル、（Ｃ）は室温での発光スペクトルを
示している。
【図３】従来の面発光型半導体レーザの一例の構成説明
図である。
図である。
【図４】活性層として半導体のバルクまたは量子井戸を
用いた従来の半導体レーザの一例の状態密度とエネルギ
ーの関係説明図であり、（Ａ）は活性層として半導体の
バルクを用いた場合を示し、（Ｂ）は量子井戸を用いた
場合を示している。
用いた従来の半導体レーザの一例の状態密度とエネルギ
ーの関係説明図であり、（Ａ）は活性層として半導体の
バルクを用いた場合を示し、（Ｂ）は量子井戸を用いた
場合を示している。
【図５】活性層として量子細線または量子箱を用いた半
導体レーザの状態密度とエネルギーの関係説明図であ
り、（Ａ）は活性層として半導体の量子細線を用いた場
合を示し、（Ｂ）は量子箱を用いた場合を示している。
導体レーザの状態密度とエネルギーの関係説明図であ
り、（Ａ）は活性層として半導体の量子細線を用いた場
合を示し、（Ｂ）は量子箱を用いた場合を示している。
【図６】量子細線と量子箱の状態密度の大きさ揺らぎの
説明図であり、（Ａ）は量子細線、（Ｂ）は量子箱の大
きさ揺らぎを示している。
説明図であり、（Ａ）は量子細線、（Ｂ）は量子箱の大
きさ揺らぎを示している。
１ ｎ−ＧａＡｓ基板 ２ ｎ側多層反射膜 ３ ｎ−ＡｌＧａＡｓスペーサー層 ４ ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ活性層 ５ ｐ−ＡｌＧａＡｓスペーサー層 ６ ｐ側多層反射膜 ７ ｐ−ＧａＡｓキャップ層 ８ ＳｉＯ2 絶縁膜 ９ ＡｕＺｎ／Ａｕｐ側電極 １０ ＡｕＧｅ／Ａｕｎ側電極 １１ ＳｉＮ反射防止膜
Claims (11)
- 【請求項１】 活性層が複数の量子細線からなり、該量
子細線はキャリアがトンネルできる少なくとも１個の隣
接する量子細線を有する構造を有し、電流注入あるいは
光励起によって発生したキャリアを相対的にエネルギー
が低い量子細線に順次トンネルさせて、該相対的にエネ
ルギーが低い量子細線で発光させることを特徴とする光
半導体装置。 - 【請求項２】 複数の量子細線からなり、該量子細線は
キャリアがトンネルできる少なくとも１個の隣接する量
子細線を有する構造を発光ダイオードの活性層として用
いたことを特徴とする請求項１に記載された光半導体装
置。 - 【請求項３】 複数の量子細線からなり、該量子細線は
キャリアがトンネルできる少なくとも１個の隣接する量
子細線を有する構造を半導体レーザの活性層として用い
たことを特徴とする請求項１に記載された光半導体装
置。 - 【請求項４】 複数の量子細線からなり、該量子細線は
キャリアがトンネルできる少なくとも１個の隣接する量
子細線を有する構造を面発光型半導体レーザの活性層と
して用いたことを特徴とする請求項１に記載された光半
導体装置。 - 【請求項５】 量子細線としてＩｎＧａＡｓを用い、バ
リア層としてＩｎＡｌｓを用いたことを特徴とする請求
項１から請求項４までのいずれか１項に記載された光半
導体装置。 - 【請求項６】 活性層が複数の量子箱からなり、該量子
箱はキャリアがトンネルできる少なくとも１個の隣接す
る量子箱を有する構造を有し、電流注入あるいは光励起
によって発生したキャリアを相対的にエネルギーが低い
量子箱に順次トンネルさせて、該相対的にエネルギーが
低い量子箱で発光させることを特徴とする光半導体装
置。 - 【請求項７】 複数の量子箱からなり、該量子箱はキャ
リアがトンネルできる少なくとも１個の隣接する量子箱
を有する構造を発光ダイオードの活性層として用いたこ
とを特徴とする請求項６に記載された光半導体装置。 - 【請求項８】 複数の量子箱からなり、該量子箱はキャ
リアがトンネルできる少なくとも１個の隣接する量子箱
を有する構造を半導体レーザの活性層として用いたこと
を特徴とする請求項６に記載された光半導体装置。 - 【請求項９】 複数の量子箱からなり、該量子箱はキャ
リアがトンネルできる少なくとも１個の隣接する量子箱
を有する構造を面発光型半導体レーザの活性層として用
いたことを特徴とする請求項６に記載された光半導体装
置。 - 【請求項１０】 量子箱としてＩｎＧａＡｓを用い、バ
リア層としてＧａＡｓを用いたことを特徴とする請求項
６から請求項９までのいずれか１項に記載された光半導
体装置。 - 【請求項１１】 基板としてＧａＡｓを用いることを特
徴とする請求項１０に記載された光半導体装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31437894A JPH08172217A (ja) | 1994-12-19 | 1994-12-19 | 光半導体装置 |
| US08/896,653 US5812574A (en) | 1994-12-19 | 1997-07-18 | Quantum optical semiconductor device producing output optical emission with sharply defined spectrum |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP31437894A JPH08172217A (ja) | 1994-12-19 | 1994-12-19 | 光半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08172217A true JPH08172217A (ja) | 1996-07-02 |
Family
ID=18052630
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP31437894A Pending JPH08172217A (ja) | 1994-12-19 | 1994-12-19 | 光半導体装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5812574A (ja) |
| JP (1) | JPH08172217A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6052400A (en) * | 1997-04-17 | 2000-04-18 | Nec Corporation | Variable wavelength semiconductor laser |
| WO2008152041A3 (de) * | 2007-06-15 | 2009-06-25 | Landesstiftung Baden Wuerttemb | Laserverstärkersystem |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2822994B2 (ja) * | 1996-09-11 | 1998-11-11 | 日本電気株式会社 | モード同期半導体レーザ |
| JP2001308374A (ja) * | 2000-03-04 | 2001-11-02 | Joryoku Kooria Kk | クアンタムホールの形成方法とそのクアンタムホールを用いる半導体発光素子及びその製造方法 |
| US7103079B2 (en) * | 2003-06-27 | 2006-09-05 | Applied Materials, Inc. | Pulsed quantum dot laser system with low jitter |
| US20060222024A1 (en) * | 2005-03-15 | 2006-10-05 | Gray Allen L | Mode-locked semiconductor lasers with quantum-confined active region |
| US20060227825A1 (en) * | 2005-04-07 | 2006-10-12 | Nl-Nanosemiconductor Gmbh | Mode-locked quantum dot laser with controllable gain properties by multiple stacking |
| US8411711B2 (en) * | 2005-12-07 | 2013-04-02 | Innolume Gmbh | Semiconductor laser with low relative intensity noise of individual longitudinal modes and optical transmission system incorporating the laser |
| US7835408B2 (en) | 2005-12-07 | 2010-11-16 | Innolume Gmbh | Optical transmission system |
| US7561607B2 (en) * | 2005-12-07 | 2009-07-14 | Innolume Gmbh | Laser source with broadband spectrum emission |
| WO2007065614A2 (en) * | 2005-12-07 | 2007-06-14 | Innolume Gmbh | Laser source with broadband spectrum emission |
| JP5434131B2 (ja) * | 2009-02-24 | 2014-03-05 | 富士通株式会社 | 多波長レーザ素子及びその製造方法 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4802181A (en) * | 1986-11-27 | 1989-01-31 | Nec Corporation | Semiconductor superlattice light emitting sevice |
| JP2854607B2 (ja) * | 1989-06-29 | 1999-02-03 | 株式会社日立製作所 | 半導体装置及び半導体レーザ装置 |
| JP3020529B2 (ja) * | 1989-12-29 | 2000-03-15 | 富士通株式会社 | 光駆動量子化装置 |
| JPH03283479A (ja) * | 1990-03-30 | 1991-12-13 | Hitachi Ltd | 半導体レーザ装置 |
| US5138625A (en) * | 1991-01-08 | 1992-08-11 | Xerox Corporation | Quantum wire semiconductor laser |
| JP3208157B2 (ja) * | 1991-08-29 | 2001-09-10 | 科学技術振興事業団 | コヒーレント光発生器 |
| JPH05343800A (ja) * | 1992-06-10 | 1993-12-24 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 偏光制御レーザダイオード |
-
1994
- 1994-12-19 JP JP31437894A patent/JPH08172217A/ja active Pending
-
1997
- 1997-07-18 US US08/896,653 patent/US5812574A/en not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
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| WO2008152041A3 (de) * | 2007-06-15 | 2009-06-25 | Landesstiftung Baden Wuerttemb | Laserverstärkersystem |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5812574A (en) | 1998-09-22 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040615 |