JPH09148679A - Semiconductor light emitting device - Google Patents

Semiconductor light emitting device

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JPH09148679A
JPH09148679A JP31063395A JP31063395A JPH09148679A JP H09148679 A JPH09148679 A JP H09148679A JP 31063395 A JP31063395 A JP 31063395A JP 31063395 A JP31063395 A JP 31063395A JP H09148679 A JPH09148679 A JP H09148679A
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light emitting
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semiconductor light
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor light emitting device which is of composite structure composed of a multilayer film laminated structure and an active layer of quantum dot structure and capable of operating in a wide range of temperature and projecting light vertical to a laminated surface. SOLUTION: A plane emission laser is equipped with a quantum dot active layer 4 located between GaAs/AlAs distributed-type Bragg reflecting mirrors 2, wherein quantum dot structures are intentionally set irregular in in-plane size so as to enhance the plane emission laser in optical gain width when the laser is operated at temperatures of 20 to 80 deg.C. The quantum dot active layer 4 is so set as to be positive in optical gain in the resonant frequency of the distributed-type Bragg reflecting mirror 3 in the temperature range of 20 to 80 deg.C. Quantum dot structures are formed through such a manner that an In0.2 Ga0.8 As quantum well 6nm or so in thickness is patterned into structures of in-plane size 15 to 25nm in diameter. The quantum dot structures are enhanced in size and compositional irregularity corresponding to a resonant frequency change, whereby a plane emission laser of this constitution can be operated in a wider range of temperature.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は光を積層面に垂直方
向に出射する半導体発光素子に関し、特に広いい温度範
囲で使用可能な半導体発光素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor light emitting device that emits light in a direction perpendicular to a stacking surface, and more particularly to a semiconductor light emitting device that can be used in a wide temperature range.

【0002】[0002]

【従来の技術】例えばGaAs基板上に製作された、半
導体多層膜による分布型ブラッグ反射鏡と半導体活性層
を有する半導体面発光レーザにおいては、半導体多層膜
による分布型ブラッグ反射鏡の共振波長における半導体
活性層の光学的利得が存在する場合にレーザ発振させる
ことが可能である。このレーザ発振動作を広い温度範囲
で可能とするには、その温度範囲で変化する分布型ブラ
ッグ反射鏡の共振波長において、常に半導体活性層の光
学的利得が存在する必要がある。
2. Description of the Related Art In a semiconductor surface emitting laser having a distributed Bragg reflector formed of a semiconductor multilayer and a semiconductor active layer, for example, fabricated on a GaAs substrate, a semiconductor at a resonance wavelength of the distributed Bragg reflector formed of a semiconductor multilayer is provided. Laser oscillation can be performed when the optical gain of the active layer exists. To enable this laser oscillation operation in a wide temperature range, the optical gain of the semiconductor active layer must always exist at the resonance wavelength of the distributed Bragg reflector that changes in the temperature range.

【0003】ここで、通常半導体多層膜による分布型ブ
ラッグ反射鏡の共振波長は温度が1度変化すると0.1
nm程度長波長化し、通常の半導体層よりなる活性層の光
学的利得のピークは温度1度の変化で0.3nm程度長波
長化する。半導体面発光レーザを使用するときの温度差
の範囲を100度とすると、共振波長は10nm変化する
のに対し、利得波長は30nm変化することになる。した
がってある特定の温度でこの共振波長と利得波長の二つ
の波長を一致させてレーザ発振動作を可能にしようとし
ても、光学的利得幅が十分広くないとすべての温度にお
いて発振を可能とすることは困難となる。
In general, the resonance wavelength of a distributed Bragg reflector made of a semiconductor multilayer film is 0.1 when the temperature changes by one degree.
The wavelength becomes longer by about nm, and the peak of the optical gain of the active layer made of a normal semiconductor layer becomes longer by about 0.3 nm by a change of 1 degree. Assuming that the range of the temperature difference when using the semiconductor surface emitting laser is 100 degrees, the resonance wavelength changes by 10 nm while the gain wavelength changes by 30 nm. Therefore, even if the laser oscillation operation is enabled by matching the two wavelengths of the resonance wavelength and the gain wavelength at a specific temperature, if the optical gain width is not wide enough, it is not possible to oscillate at all temperatures. It will be difficult.

【0004】共振波長と利得波長の二つの波長の異なる
温度変化の問題を低減するため、活性層に複数の、膜厚
の異なる量子井戸構造を用いて、光学的利得の幅を広げ
る手法が、Kajitaらにより「アイ.イー.イー.
イー.ジャーナル.オブ.セレクテッド.トピックス
ス.イン.クアンタム.エレクトロニクス(IEEEJ
ournal of Selected Topics
in Quantum Electronics)」
第1巻第2号(1995年)の第654頁に説明されて
いる。この報告では、3種類の異なる膜厚の量子井戸層
を、2つの半導体多層膜による分布型ブラッグ反射鏡の
間に位置させ、光学的利得幅を増大させて広い温度範囲
でのレーザ発振を実現させている。
In order to reduce the problem of temperature change at two different wavelengths, the resonance wavelength and the gain wavelength, a method of using a plurality of quantum well structures having different thicknesses in the active layer to increase the optical gain width has been proposed. Kajita et al., "I.E.E.
E. journal. of. Selected. Topics. In. Quantum. Electronics (IEEEJ
own of Selected Topics
in Quantum Electronics) "
It is described on page 654 of Vol. 1 No. 2 (1995). In this report, three types of quantum well layers with different thicknesses are positioned between two distributed Bragg reflectors composed of multiple semiconductor layers to increase the optical gain width and realize laser oscillation over a wide temperature range. Let me.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】活性層に膜厚の異なる
複数の量子井戸構造を採用した素子の問題点の1つは膜
厚の異なる量子井戸層を積層しているため、ある量子井
戸層から発光した光が他の量子井戸層で吸収されるとい
うことである。量子井戸層における状態密度とキャリヤ
分布で決定される利得/吸収スペクトルを考えると、短
波長側(高エネルギー側)の量子井戸層にはキャリヤが
少ないために吸収領域が生じることになる。
One of the problems of an element employing a plurality of quantum well structures having different thicknesses in the active layer is that a plurality of quantum well layers having different thicknesses are stacked. That is, light emitted from is absorbed by another quantum well layer. Considering the gain / absorption spectrum determined by the density of states and carrier distribution in the quantum well layer, an absorption region is generated in the quantum well layer on the short wavelength side (high energy side) because the carrier is small.

【0006】また活性層に膜厚の異なる複数の量子井戸
構造を採用した素子のその他の問題点としては、複数の
量子井戸構造が積層方向に関し、ある距離だけ離して設
置させる必要があるため、分布型ブラッグ反射鏡光によ
って生じる光の強度分布の最大の部分(光強度分布の
“膜”)に量子井戸構造をすべて設置することが原理的
に不可能であることである。したがって、共振器で決定
される光のモードと、光学的利得の結合を常に最大に保
つことが不可能となる。
Another problem with an element employing a plurality of quantum well structures having different thicknesses in the active layer is that the plurality of quantum well structures must be arranged at a certain distance in the stacking direction. It is in principle impossible to install all the quantum well structures in the largest part of the light intensity distribution (“film” of the light intensity distribution) generated by the distributed Bragg reflector light. Therefore, it is impossible to always keep the coupling between the optical mode determined by the resonator and the optical gain at the maximum.

【0007】また、各々の量子井戸の光学的利得の幅は
原理的にキャリヤの熱分布幅で決定されるため、人為的
にこの利得幅を決定することは不可能である。
Further, since the width of the optical gain of each quantum well is determined in principle by the heat distribution width of the carrier, it is impossible to artificially determine this gain width.

【0008】以上の理由から、広い温度範囲で動作可能
な面発光レーザを実現する場合には、その最適設計と両
立させることが根本的に困難で、その他のレーザ特性を
劣化させる要因となっていた。
For the above reasons, when realizing a surface emitting laser that can operate in a wide temperature range, it is fundamentally difficult to achieve both the optimum design and the laser emission, and this is another factor that deteriorates the laser characteristics. Was.

【0009】本発明の目的は広い温度範囲で特性の劣化
なく使用可能な、光を積層面に垂直方向に出射する半導
体発光素子を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device which can be used in a wide temperature range without deteriorating characteristics and emits light in a direction perpendicular to a lamination surface.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、多層膜積層構造と電流注入により発光する活性層と
の複合構造よりなり、該多層膜積層構造によって規定さ
れる波長の光を積層面に垂直方向に出射する半導体発光
素子において、活性層内でキャリヤを3次元的に閉じ込
め、キャリヤを閉じ込めた箇所のエネルギーシフトの違
いにより発光波長を変化させることを特徴とする。
A semiconductor light emitting device according to the present invention has a composite structure of a multilayer film laminated structure and an active layer which emits light by current injection, and laminates light having a wavelength defined by the multilayer film laminated structure. In a semiconductor light emitting device that emits light in a direction perpendicular to the plane, the carrier is three-dimensionally confined in the active layer, and the emission wavelength is changed by a difference in energy shift in a portion where the carrier is confined.

【0011】また本発明の半導体発光素子は、多層膜積
層構造と電流注入により発光する活性層との複合構造よ
りなり、該多層膜積層構造によって規定される波長の光
を積層面に垂直方向に出射する半導体発光素子におい
て、該活性層はキャリヤを3次元的に閉じ込めるキャリ
ヤ閉じ込め手段を複数有し、該キャリヤ閉じ込め手段の
発光波長がそれぞれ異なることを特徴とする。
Further, the semiconductor light emitting device of the present invention has a composite structure of a multilayer film laminated structure and an active layer emitting light by current injection, and emits light having a wavelength defined by the multilayer film laminated film in a direction perpendicular to the laminated surface. In the semiconductor light emitting device that emits light, the active layer has a plurality of carrier confinement means for confining carriers three-dimensionally, and the emission wavelengths of the carrier confinement means are different from each other.

【0012】さらに本発明の半導体発光素子は、多層膜
積層構造と電流注入により発光する活性層との複合構造
よりなり、該多層膜積層構造によって規定される波長の
光を積層面に垂直方向に出射する半導体発光素子におい
て、該活性層はキャリヤが3次元的に閉じ込められる複
数の量子ドット構造を含み、該複数の量子ドット構造の
発光波長がそれぞれ異なることを特徴とする。
Further, the semiconductor light emitting device of the present invention has a composite structure of a multilayer film laminated structure and an active layer emitting light by current injection, and emits light having a wavelength defined by the multilayer film laminated structure in a direction perpendicular to the laminated surface. In the semiconductor light emitting device that emits light, the active layer includes a plurality of quantum dot structures in which carriers are confined three-dimensionally, and the plurality of quantum dot structures have different emission wavelengths.

【0013】活性層内でキャリヤを3次元的に閉じ込め
る場合、キャリヤ注入による発光の波長は半導体材料の
バンド端エネルギーにキャリヤの量子力学的閉じ込めに
よるエネルギーシフトを加えたエネルギーによって決定
される。したがって活性層内のキャリヤの閉じ込め箇所
ごとにキャリヤの量子力学的閉じ込めによるエネルギー
シフトを変えることにより、各箇所での発光波長は変わ
ってくる。
When carriers are confined three-dimensionally in the active layer, the wavelength of light emitted by carrier injection is determined by the energy obtained by adding the energy shift due to the quantum mechanical confinement of carriers to the band edge energy of the semiconductor material. Therefore, by changing the energy shift due to the quantum mechanical confinement of the carrier for each carrier confinement location in the active layer, the emission wavelength at each location changes.

【0014】例えば活性層内でキャリヤが3次元的に閉
じ込められる量子ドット構造においては、キャリヤ注入
による発光の波長は、半導体材料のバンド端エネルギー
にキャリヤの量子力学的閉じ込めによるエネルギーシフ
トを加えたエネルギーによって決定される。しかも、3
次元的にキャリヤが閉じ込められた場合のキャリヤの状
態密度はデルタ関数的になり、各エネルギーレベルに対
応した波長以外における吸収は存在しなくなる。
For example, in a quantum dot structure in which carriers are three-dimensionally confined in the active layer, the wavelength of light emitted by carrier injection is the energy obtained by adding the band edge energy of the semiconductor material to the energy shift due to quantum mechanical confinement of carriers. Determined by And three
When the carrier is dimensionally confined, the density of states of the carrier becomes a delta function, and there is no absorption at a wavelength other than the wavelength corresponding to each energy level.

【0015】半導体発光素子を広い温度範囲で動作可能
にするためには、発光波長を規定する多層膜積層構造の
共振波長の温度変化を考え、その波長の温度による変化
と同程度の利得幅を有する量子ドット構造を形成すれば
よい。これは量子ドット構造のサイズ、組成、またその
周囲の材料のバンドギャップ等を少なくとも一つ変える
ことにより発光波長を量子ドット構造ごとに変化させる
ことが可能となる。
In order to make a semiconductor light emitting device operable in a wide temperature range, a temperature change of the resonance wavelength of the multilayer film structure for defining the emission wavelength is considered, and a gain width similar to the change due to the temperature of the wavelength is considered. What is necessary is just to form the quantum dot structure which has. This makes it possible to change the emission wavelength for each quantum dot structure by changing at least one of the size and composition of the quantum dot structure and the band gap of the surrounding material.

【0016】温度が変化した場合には、量子ドット構造
を形成する半導体材料のバンド端エネルギーも変化する
が、この変化分を補うため量子ドット構造がこの変化分
を補うように不均一に形成されているため、1層の構造
においても十分に広い光学的利得を実現することが可能
となる。
When the temperature changes, the band edge energy of the semiconductor material forming the quantum dot structure also changes, but in order to compensate for this change, the quantum dot structure is formed nonuniformly to compensate for this change. Therefore, it is possible to realize a sufficiently wide optical gain even with a single-layer structure.

【0017】また広い光学利得を実現する層は1層のみ
でよいので光の強度分布の最大となる“腹”の部分に十
分に広い光学的利得を有する量子ドットによる活性層を
位置させることができる。したがって、共振器で決定さ
れる光のモードと光学的利得の結合を常に最大に保つこ
とができる。
Since only one layer is required to realize a wide optical gain, an active layer made of quantum dots having a sufficiently wide optical gain can be located at the "belly" where the light intensity distribution is maximized. it can. Therefore, the coupling between the optical mode and the optical gain determined by the resonator can always be kept to the maximum.

【0018】例えば、温度摂氏20度から80度までの
温度変化により、半導体多層膜の共振波長が6nm移動
し、量子ドット構造を形成する半導体のバンド端が18
nm移動するとする。この場合、量子ドット構造による光
学的利得幅が12nm程度以上有れば、上記の温度範囲で
常に共振波長における光学的利得を得ることができる。
その際、半導体量子ドット構造のサイズを不均一になる
ように、意図的に成長条件や形成方法を設計すれば、上
記の光学的利得幅を実現することができる。
For example, due to a temperature change from 20 to 80 degrees Celsius, the resonance wavelength of the semiconductor multilayer film shifts by 6 nm, and the band edge of the semiconductor forming the quantum dot structure becomes 18
Suppose you move nm. In this case, if the optical gain width due to the quantum dot structure is about 12 nm or more, the optical gain at the resonance wavelength can always be obtained in the above temperature range.
At this time, the above-mentioned optical gain width can be realized by intentionally designing the growth conditions and the formation method so that the size of the semiconductor quantum dot structure becomes non-uniform.

【0019】複数の量子ドット構造の材料をInz Ga
1-z As(0≦z≦1)とすることにより、各量子ドッ
ト構造のサイズを変化させたり、また組成を変化させる
ことが比較的容易で、しかもAlを含まないため酸化に
よる問題も少なく、光学的に良好なドット構造が形成さ
れる。
A material having a plurality of quantum dot structures is In z Ga
By setting 1-z As (0 ≦ z ≦ 1), it is relatively easy to change the size of each quantum dot structure and to change the composition, and further, because it does not contain Al, there is little problem due to oxidation. Thus, an optically favorable dot structure is formed.

【0020】本発明で用いる量子ドット構造の形成手法
としては、その構造の格子定数と、積層される表面を形
成する層の格子定数とが異なる場合に2次元成長が3次
元成長に変化することを利用する、自己形成的成長を用
いると、光学的に良好な構造が非常に容易に形成され
る。
The method of forming the quantum dot structure used in the present invention is that two-dimensional growth changes to three-dimensional growth when the lattice constant of the structure is different from the lattice constant of the layer forming the surface to be laminated. When using self-forming growth, an optically good structure is very easily formed.

【0021】発光波長を規定する多層膜積層構造が半導
体多層膜よりなる場合において、この上に活性層となる
量子ドット構造を形成することにより上述の構造を形成
することができる。多層膜積層構造体として半導体多層
膜を用いるときに、材料としてAlx Ga1-x As/A
y Ga1-y As(0≦x<1、0<y≦1)を用いれ
ば、格子不整合の問題がなくなるため多層膜構造が容易
に形成される。
When the multilayer structure for defining the emission wavelength is composed of a semiconductor multilayer film, the above structure can be formed by forming a quantum dot structure as an active layer thereon. When a semiconductor multilayer film is used as the multilayer film structure, Al x Ga 1 -x As / A is used as a material.
The use of l y Ga 1-y As ( 0 ≦ x <1,0 <y ≦ 1), the multilayer film structure for the lattice mismatch problem is eliminated are easily formed.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。本実施の形態では半導体発光素子と
して多層膜積層構造に半導体多層膜を用いた面発光レー
ザを示し、さらに積層面内、積層方向にキャリヤを3次
元的に閉じ込めるキャリヤ閉じ込め手段として量子ドッ
ト構造を用いた例を説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the present embodiment, a surface emitting laser using a semiconductor multilayer film as a semiconductor light emitting device is used as a semiconductor light emitting device, and a quantum dot structure is used as a carrier confinement means for confining carriers three-dimensionally in a lamination plane and in a lamination direction. An example will be described.

【0023】(第1の実施の形態)本発明の第1の実施
の形態を図1に示す。図1(a)本発明を用いた面発光
レーザの断面図である。基板上1に下部の分布ブラッグ
反射鏡2、クラッド層3、上部の分布ブラッグ反射鏡2
が積層され、クラッド層3には量子ドット活性層4が設
けられている。上部の分布ブラッグ反射鏡2の上にはオ
ーミック接合のためのコンタクト層5が形成され、電極
6が上部の分布ブラッグ反射鏡2及び下部の分布ブラッ
グ反射鏡2に設けられている。
(First Embodiment) FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view of a surface emitting laser using the present invention. Lower distributed Bragg reflector 2, clad layer 3, upper distributed Bragg reflector 2 on substrate 1
Are stacked, and the quantum dot active layer 4 is provided on the cladding layer 3. A contact layer 5 for ohmic junction is formed on the upper distributed Bragg reflector 2, and electrodes 6 are provided on the upper distributed Bragg reflector 2 and the lower distributed Bragg reflector 2.

【0024】第1の実施の形態の量子ドット活性層4の
構造を図1(b)に示す。第1の実施の形態の量子ドッ
ト活性層4では図に示すように各量子ドットごとにその
サイズが異なって形成されているため、各量子ドットに
おいて面内の閉じ込めによるエネルギーシフトが異なっ
ている。
The structure of the quantum dot active layer 4 of the first embodiment is shown in FIG. 1 (b). In the quantum dot active layer 4 according to the first embodiment, as shown in the figure, each quantum dot is formed with a different size, so that each quantum dot has a different energy shift due to in-plane confinement.

【0025】(第2の実施の形態)本発明の第2の実施
の形態を図3に示す。図3は本発明を用いた面発光レー
ザの断面図である。基板上1に下部の分布ブラッグ反射
鏡2、クラッド層3、上部の分布ブラッグ反射鏡2が積
層され、クラッド層3には量子ドット活性層4、が設け
られている。上部の分布ブラッグ反射鏡2の上にはオー
ミック接合のためのコンタクト層5が形成され、電極6
が上部の分布ブラッグ反射鏡2及び下部の分布ブラッグ
反射鏡2に設けられている。
(Second Embodiment) FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention. FIG. 3 is a sectional view of a surface emitting laser using the present invention. A lower distributed Bragg reflector 2, a cladding layer 3, and an upper distributed Bragg reflector 2 are stacked on a substrate 1, and a quantum dot active layer 4 is provided on the cladding layer 3. A contact layer 5 for ohmic junction is formed on the upper distributed Bragg reflector 2, and an electrode 6
Are provided on the upper distributed Bragg reflector 2 and the lower distributed Bragg reflector 2.

【0026】第2の実施の形態の量子ドット活性層4の
量子ドット構造の基本的な構造は第1の実施の形態と同
じであるが第2の実施の形態の量子ドットは製造の際、
エッチングは用いずに成長のみで行う。格子不整合系材
料による自己形成的手法によって製造されている。
The basic structure of the quantum dot structure of the quantum dot active layer 4 of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, but the quantum dots of the second embodiment are
It is performed only by growth without using etching. Manufactured by a self-forming method using lattice mismatched materials.

【0027】[0027]

【実施例】以下、本発明の実施の形態の具体的な実施例
及びその製造方法について図面を参照して詳細に説明す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, specific embodiments of the present invention and a method for manufacturing the same will be described in detail with reference to the drawings.

【0028】(実施例1)第1の実施の形態の具体的な
実施例及びその製造方法を以下に示す。図1(a)、
(b)にはGaAs基板1上の面発光レーザに本発明を
適用した場合の一例の模式的な断面図、斜視図を示し
た。図1(a)には、面発光レーザの模式的な断面図を
示す。
(Example 1) A specific example of the first embodiment and a method of manufacturing the same will be described below. FIG. 1 (a),
FIG. 2B shows a schematic cross-sectional view and a perspective view of an example in which the present invention is applied to a surface emitting laser on a GaAs substrate 1. FIG. 1A is a schematic sectional view of a surface emitting laser.

【0029】本発明の実施例1の製造方法を示す。始め
に、MBE法により、面方位(100)のGaAs基板
1上にGaAs/AlAsの多層構造よりなる分布型ブ
ラッグ反射鏡2を成長し、後にAlGaAsまたGaA
sをクラッド層3として約6nm厚のIn0.2 Ga0.8
s量子井戸を形成し、GaAs層で表面を覆う。
A manufacturing method according to the first embodiment of the present invention will be described. First, a distributed Bragg reflector 2 having a multilayer structure of GaAs / AlAs is grown on a GaAs substrate 1 having a plane orientation of (100) by MBE, and then AlGaAs or GaAs.
s is used as the cladding layer 3 and is about 0.2 nm thick In 0.2 Ga 0.8 A.
An s quantum well is formed and the surface is covered with a GaAs layer.

【0030】ここまでの成長後、以下に述べるような手
法で基板をパターニングすることによって、量子ドット
活性層4を形成する。まず、表面にレジストを塗布し、
電子ビームで露光する事により、直径が15nmから25
nmまでのパターンで、1nmおきの直径のものを50nm間
隔程度に基板表面に形成する。この後、反応性イオンビ
ームエッチングにより、このパターン下部のみが残存す
るようにエッチングする。こうして形成された、直径の
異なる量子ドット構造7に対し、この表面上に再度MB
E成長を行う。
After the growth up to this point, the quantum dot active layer 4 is formed by patterning the substrate by the method described below. First, apply resist on the surface,
Exposure with an electron beam allows the diameter from 15 nm to 25
Patterns having a diameter of up to nm and having a diameter of 1 nm are formed on the substrate surface at intervals of about 50 nm. Thereafter, etching is performed by reactive ion beam etching so that only the lower portion of the pattern remains. For the quantum dot structures 7 thus formed having different diameters, MB
Perform E growth.

【0031】ここで、量子ドット活性層上部にクラッド
層3、GaAs/AlAsの多層構造よりなる分布型ブ
ラッグ反射鏡2を成長し、表面にオーミック接合のため
のGaAs層5を成長する。しかる後、通常のフォトリ
ソグラフィー及びウエットエッチングにより、直径10
mm程度の円形のメサ構造を作製し、上面及びメサに近接
する部分には電流注入用の電極6を形成する。ここで、
分布型ブラッグ反射鏡の共振波長は、摂氏20度におい
て、961nmとなるよう設計する。
Here, a cladding layer 3 and a distributed Bragg reflector 2 having a multilayer structure of GaAs / AlAs are grown on the quantum dot active layer, and a GaAs layer 5 for ohmic junction is grown on the surface. Thereafter, the diameter is reduced to 10 by ordinary photolithography and wet etching.
A mesa structure having a circular shape of about mm is formed, and an electrode 6 for current injection is formed on the upper surface and a portion close to the mesa. here,
The resonance wavelength of the distributed Bragg reflector is designed to be 961 nm at 20 degrees Celsius.

【0032】図1(b)には、直径の異なる量子ドット
構造7の様子を示すため、量子ドット構造が形成された
直後の状況を模式的に斜視図で示す。量子ドット構造
は、積層方向にはGaAsバリヤ層に直接挟まれてお
り、当方向の閉じ込めサイズは、すべての量子ドットに
おいて約6nmである。また、面内方向では、直径が15
nmから25nmまでのものが分布しているため、各量子ド
ットにおいて面内の閉じ込めによるエネルギーシフト量
は異なっている。
FIG. 1B shows a state of the quantum dot structures 7 having different diameters, so that a state immediately after the quantum dot structures are formed is schematically shown in a perspective view. The quantum dot structure is directly sandwiched between GaAs barrier layers in the stacking direction, and the confinement size in this direction is about 6 nm for all quantum dots. In the in-plane direction, the diameter is 15
Since quantum dots are distributed from nm to 25 nm, the amount of energy shift due to in-plane confinement is different in each quantum dot.

【0033】図2(a)、(b)に温度摂氏20度及び
80度における実施例1での共振波長及び量子ドット活
性層の光学的利得スペクトルを模式的にグラフで示す。
ここで、量子ドット活性層の利得が最大になる波長は、
20度では約955nm、80度では約973nmとなる。
また共振波長は、20度では961nm、80度では96
7nmとなる。この場合、20度から80度の間で、どの
温度においても、この共振波長において量子ドット活性
層による利得が存在する。したがって、この温度範囲に
おいて面発光レーザとしての動作を行わせることが可能
となる。
FIGS. 2A and 2B are graphs schematically showing the resonance wavelength and the optical gain spectrum of the quantum dot active layer in Example 1 at temperatures of 20 ° C. and 80 ° C.
Here, the wavelength at which the gain of the quantum dot active layer is maximized is
At 20 degrees it is about 955 nm and at 80 degrees it is about 973 nm.
The resonance wavelength is 961 nm at 20 degrees and 96 at 80 degrees.
7 nm. In this case, there is a gain due to the quantum dot active layer at this resonance wavelength at any temperature between 20 degrees and 80 degrees. Therefore, it is possible to perform an operation as a surface emitting laser in this temperature range.

【0034】(実施例2)ここでは実施例2で用いた量
子ドット構造である格子不整合系材料による自己形成的
手法によって得られる構造の場合について説明する。図
3に、本実施例による面発光レーザの模式的な断面図を
示す。基本的な構造は実施例1のものと同様であるが、
量子ドット構造製作の際、エッチング技術は用いず、す
べて成長のみで行っている。
(Embodiment 2) Here, a case of a structure obtained by a self-forming method using a lattice mismatched material, which is a quantum dot structure used in Embodiment 2, will be described. FIG. 3 is a schematic sectional view of the surface emitting laser according to the present embodiment. The basic structure is the same as that of the first embodiment,
When manufacturing the quantum dot structure, etching technology is not used, and only growth is performed.

【0035】本発明の実施例2の製造方法を示す。ま
ず、MBE法により面方位(100)のGaAs基板1
上にGaAs/AlAsの多層構造よりなる分布型ブラ
ッグ反射鏡2を成長し、GaAs/AlGaAsによる
クラッド層3を形成した後にInAs及びGaAsを交
互に0.06nmずつ積層する。そして、全膜厚が1.4
nm程度になった際にこの層の成長を終了する。
A manufacturing method according to the second embodiment of the present invention will be described. First, a GaAs substrate 1 having a plane orientation (100) is formed by MBE.
A distributed Bragg reflector 2 having a multilayer structure of GaAs / AlAs is grown thereon, a cladding layer 3 of GaAs / AlGaAs is formed, and then InAs and GaAs are alternately stacked by 0.06 nm. And the total film thickness is 1.4.
When the thickness reaches about nm, the growth of this layer is completed.

【0036】この場合、InAsとGaAsの平均組成
としてはIn0.5 Ga0.5 Asとなり、上記全膜厚の積
層により、自己形成的に量子ドット構造21が形成され
る。この量子ドット構造において、フォトルミネッセン
ス測定により予測される光学的利得は60nm程度であ
る。本量子ドット構造形成後は、引き続いてGaAs/
AlGaAsクラッド層3を成長し、GaAs/AlA
sの多層構造よりなる分布型ブラッグ反射鏡2を成長
し、表面にオーミック接合のためのGaAs層5を成長
する。
In this case, the average composition of InAs and GaAs is In 0.5 Ga 0.5 As, and the quantum dot structure 21 is formed in a self-forming manner by laminating the above-described entire film thickness. In this quantum dot structure, the optical gain predicted by photoluminescence measurement is about 60 nm. After the formation of the present quantum dot structure, GaAs /
An AlGaAs cladding layer 3 is grown, and GaAs / AlA
A distributed Bragg reflector 2 having a multilayer structure of s is grown, and a GaAs layer 5 for ohmic junction is grown on the surface.

【0037】このようにして、結晶成長のみで連続的に
半導体多層膜と量子ドット構造を形成する。その後、通
常のフォトリソグラフィー及びウエットエッチングによ
り、直径10mm程度の円形のメサ構造を作製し、上面及
びメサに近接する部分に電流注入用の電極6を形成す
る。ここで、分布型ブラッグ反射鏡の共振波長は、摂氏
20度において、1000nmとなるよう設計する。
Thus, a semiconductor multilayer film and a quantum dot structure are continuously formed only by crystal growth. Thereafter, a circular mesa structure having a diameter of about 10 mm is formed by ordinary photolithography and wet etching, and an electrode 6 for current injection is formed on the upper surface and a portion close to the mesa. Here, the resonance wavelength of the distributed Bragg reflector is designed to be 1000 nm at 20 degrees Celsius.

【0038】上記の、自己形成的手法によって得られた
量子ドット構造の利得幅は60nm程度で、摂氏20度で
の利得最大波長は約990nmである。ここで、動作温度
が摂氏120度に上昇した場合、共振波長は1010nm
となり、利得最大波長は約1020nmになる。ここで、
利得幅が60nm程度と十分大きいため、このどちらの温
度においても共振波長における光学的利得が期待され、
レーザ動作を実現させることができる。したがって、2
0度から120度と、非常に広い温度範囲において使用
することが可能となる。
The gain width of the quantum dot structure obtained by the above-described self-forming method is about 60 nm, and the maximum gain wavelength at 20 degrees Celsius is about 990 nm. Here, when the operating temperature rises to 120 degrees Celsius, the resonance wavelength becomes 1010 nm.
And the maximum gain wavelength is about 1020 nm. here,
Since the gain width is as large as about 60 nm, optical gain at the resonance wavelength is expected at both temperatures,
Laser operation can be realized. Therefore, 2
It can be used in a very wide temperature range from 0 degrees to 120 degrees.

【0039】以上、本発明の実施の形態の具体的な実施
例を示した実施例1及び2ではGaAs基板上に形成さ
れた半導体多層膜と量子ドット構造による半導体レーザ
について述べたが、半導体多層膜の代わりに誘電体多層
膜を用いた場合でもよい。
As described above, in Examples 1 and 2 showing specific examples of the embodiment of the present invention, a semiconductor multilayer film formed on a GaAs substrate and a semiconductor laser having a quantum dot structure have been described. A case where a dielectric multilayer film is used instead of the film may be used.

【0040】この場合、共振波長の温度変化は非常に小
さくなるため、量子ドット構造の光学的利得幅をより大
きくすればよい。その際は、サイズや組成を意図的に不
均一にしたり、また自己形成的手法において、成長膜厚
を量子ドット構造形成の最適値より10%程度厚くし、
サイズ不均一を大きくすればよい。
In this case, since the temperature change of the resonance wavelength becomes very small, the optical gain width of the quantum dot structure may be increased. In that case, the size and composition are intentionally made non-uniform, and the growth film thickness is increased by about 10% from the optimum value for forming the quantum dot structure by a self-forming method.
What is necessary is just to increase the size nonuniformity.

【0041】また半導体レーザだけではなく発光ダイオ
ードなどの発光素子についても同様の効果が得られる。
また、半導体基板としても面方位が(100)のGaA
sだけでなく、例えば、自己形成的手法でより均一な構
造が実現される面方位(311)Bを用いてもかまわな
いし、また材料としてInP基板などを用いてもよい。
A similar effect can be obtained not only for a semiconductor laser but also for a light emitting element such as a light emitting diode.
GaAs having a plane orientation of (100) is also used as a semiconductor substrate.
In addition to s, for example, a plane orientation (311) B at which a more uniform structure is realized by a self-forming method may be used, and an InP substrate or the like may be used as a material.

【0042】量子ドット構造の形成手法についても、量
子井戸構造の成長とエッチングの組み合わせや、自己形
成的手法以外に、半導体微粒子を用いたり、局所的な歪
によって実効的に3次元の閉じ込めを実現するものであ
ってもかまわない。
Regarding the method of forming the quantum dot structure, in addition to the combination of the growth and etching of the quantum well structure and the self-forming method, semiconductor particles are used, and three-dimensional confinement is effectively realized by local distortion. It does not matter.

【0043】また実施例では、半導体多層膜としてGa
As/AlAsの多層構造よりなる分布型ブラッグ反射
鏡を例に説明したが、これ以外にもInx Ga1-x As
/InPやGaAs1-x-y x Sby /AlAs1-a-b
PaSbb 等の材料系を用いてもかまわない。
In the embodiment, Ga is used as the semiconductor multilayer film.
A distributed Bragg reflector having a multilayer structure of As / AlAs has been described as an example, but In x Ga 1-x As may be used in addition to this.
/ InP and GaAs 1-xy P x Sb y / AlAs 1-ab
It may be using the material system of PaSb b, and the like.

【0044】[0044]

【発明の効果】以上のように本発明を用いることによ
り、広い温度範囲で動作が可能である半導体発光素子を
実現できる。
As described above, by using the present invention, a semiconductor light emitting device which can operate in a wide temperature range can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態及び実施例1を模式
的に示す断面図(a)と量子ドット構造を模式的に示す
斜視図(b)である。
FIG. 1A is a cross-sectional view schematically showing a first embodiment and Example 1 of the present invention, and FIG. 1B is a perspective view schematically showing a quantum dot structure.

【図2】実施例1を用いたときの温度摂氏20度におけ
る共振波長と量子ドット活性層の光学的利得スペクトル
を示すグラフ図(a)及び温度摂氏80度における共振
波長と量子ドット活性層の光学的利得スペクトルを示す
グラフ図(b)である。
FIG. 2 is a graph (a) showing the resonance wavelength at 20 ° C. and the optical gain spectrum of the quantum dot active layer when Example 1 is used, and the resonance wavelength at 80 ° C. and the quantum dot active layer; FIG. 4B is a graph (b) showing an optical gain spectrum.

【図3】本発明の実施例2による面発光レーザの模式的
な断面図である。
FIG. 3 is a schematic sectional view of a surface emitting laser according to a second embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 GaAs基板 2 GaAs/AlAs分布型ブラッグ反射鏡 3 GaAs/AlGaAsクラッド層 4 量子ドット活性層 5 GaAsコンタクト層 6 電極 7 InGaAs量子ドット構造 21 自己形成的InGaAs量子ドット構造 REFERENCE SIGNS LIST 1 GaAs substrate 2 GaAs / AlAs distributed Bragg reflector 3 GaAs / AlGaAs cladding layer 4 quantum dot active layer 5 GaAs contact layer 6 electrode 7 InGaAs quantum dot structure 21 self-forming InGaAs quantum dot structure

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】多層膜積層構造と電流注入により発光する
活性層との複合構造よりなり、該多層膜積層構造によっ
て規定される波長の光を積層面に垂直方向に出射する半
導体発光素子において、活性層内でキャリヤを3次元的
に閉じ込め、キャリヤを閉じ込めた箇所のエネルギーシ
フトの違いにより発光波長を変化させることを特徴とす
る半導体発光素子。
1. A semiconductor light emitting device having a composite structure of a multilayer film laminated structure and an active layer which emits light by current injection, and which emits light having a wavelength defined by the multilayer film laminated structure in a direction perpendicular to a laminated surface. A semiconductor light-emitting device characterized in that carriers are three-dimensionally confined in an active layer, and an emission wavelength is changed by a difference in energy shift at a place where the carriers are confined.
【請求項2】多層膜積層構造と電流注入により発光する
活性層との複合構造よりなり、該多層膜積層構造によっ
て規定される波長の光を積層面に垂直方向に出射する半
導体発光素子において、該活性層はキャリヤを3次元的
に閉じ込めるキャリヤ閉じ込め手段を複数有し、該キャ
リヤ閉じ込め手段の発光波長がそれぞれ異なることを特
徴とする半導体発光素子。
2. A semiconductor light emitting device comprising a composite structure of a multilayer film laminated structure and an active layer emitting light by current injection, and emitting light of a wavelength defined by the multilayer film laminated structure in a direction perpendicular to the laminated surface. A semiconductor light emitting device, wherein the active layer has a plurality of carrier confinement means for confining carriers three-dimensionally, and the emission wavelengths of the carrier confinement means are different from each other.
【請求項3】多層膜積層構造と電流注入により発光する
活性層との複合構造よりなり、該多層膜積層構造によっ
て規定される波長の光を積層面に垂直方向に出射する半
導体発光素子において、該活性層はキャリヤが3次元的
に閉じ込められる複数の量子ドット構造を含み、該複数
の量子ドット構造の発光波長がそれぞれ異なることを特
徴とする半導体発光素子。
3. A semiconductor light emitting device comprising a composite structure of a multilayer film laminated structure and an active layer which emits light by current injection, and emits light of a wavelength defined by the multilayer film laminated structure in a direction perpendicular to the laminated surface. A semiconductor light emitting device, wherein the active layer includes a plurality of quantum dot structures in which carriers are three-dimensionally confined, and the plurality of quantum dot structures have different emission wavelengths.
【請求項4】前記半導体発光素子において、複数の量子
ドット構造のサイズ、組成、またはその周囲の材料のバ
ンドギャップのうち少なくとも1つを不均一にすること
を特徴とする請求項3記載の半導体発光素子。
4. The semiconductor according to claim 3, wherein in the semiconductor light emitting device, at least one of a size, a composition, and a band gap of a material around the plurality of quantum dot structures is made non-uniform. Light emitting element.
【請求項5】前記複数の量子ドット構造がInz Ga
1-z As(0≦z≦1)であることを特徴とする請求項
3記載の半導体発光素子。
5. The method according to claim 1, wherein the plurality of quantum dot structures are In z Ga
The semiconductor light emitting device according to claim 3, wherein 1-z As (0 ≦ z ≦ 1).
【請求項6】前記量子ドット構造が、前記量子ドット構
造を形成する半導体の格子定数が量子ドット構造が積層
される表面を形成する層の格子定数と異なることにより
自己形成的に成長されたものであることを特徴とする請
求項3記載の半導体発光素子。
6. The quantum dot structure wherein the quantum dot structure is grown in a self-forming manner because a lattice constant of a semiconductor forming the quantum dot structure is different from a lattice constant of a layer forming a surface on which the quantum dot structure is laminated. 4. The semiconductor light emitting device according to claim 3, wherein:
【請求項7】前記多層膜積層構造が半導体の多層膜構造
であることを特徴とする請求項3または4または5また
は6記載の半導体発光素子。
7. The semiconductor light emitting device according to claim 3, wherein the multilayer film structure is a semiconductor multilayer film structure.
【請求項8】前記半導体多層膜が、Alx Ga1-x As
/Aly Ga1-y As(0≦x<1、0<y≦1)であ
ることを特徴とする請求項7記載の半導体発光素子。
8. The semiconductor multi-layered film is made of Al x Ga 1 -x As.
The semiconductor light emitting device according to claim 7, wherein / Al y Ga 1-y As (0 ≦ x <1, 0 <y ≦ 1).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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