JP2008047684A - 半導体発光素子、その製造方法および半導体発光装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板上に形成されたN型クラッド層2と、N型クラッド層2上に形成された障壁層3と、障壁層3上に形成され、バンドギャップが障壁層3よりも小さい量子ドット5aと、バンドギャップが量子ドット5aよりも大きく、量子ドット5aの側面を覆う埋め込み層6と、を有する量子ドット層5と、量子ドット層5上に形成され、バンドギャップが障壁層3よりも小さいP型半導体層7と、P型半導体層7上に形成され、バンドギャップが量子ドット5aとP型半導体層7よりも大きい障壁層8と、障壁層8上に形成されたP型クラッド層9が設けられるため、P型半導体層7で発生するホールの、障壁層8または埋め込み層6への流れが妨げられる。
【選択図】図1
Description
エレクトロニクスレターズ(Electronics Letters)2002, Vol.38, no.14, p.712−713
従来例として以下に2つ挙げて説明する。
第1の従来例として、図12は、従来の半導体発光素子の要部断面模式図であり、図13は、図12のX−X’の断面の構造のバンドダイアグラムを説明する模式図、そして、図14は、図12のY−Y’の断面の構造のバンドダイアグラムを説明する模式図である。
まず、本発明の動作原理の概要について説明する。
図1は、半導体発光素子の要部断面模式図である。
図2は、第1の実施の形態の半導体発光素子の要部断面模式図である。また、図3は、図2のX−X’の断面の構造のバンドダイアグラムを説明する模式図であり、図4は、図2のY−Y’の断面の構造のバンドダイアグラムを説明する模式図である。
続いて、GaAs障壁層13上に、自己形成法により、InAs量子ドット15aを面密度4×1010cm-2程度形成する。なお、この時、InAs量子ドット15aと同時にウェッティング層14も形成される。
続いて、P−In0.23Ga0.77As層17上に、MBE法により、GaAs障壁層18(膜厚23nm程度)を形成する。
以上により、半導体発光素子11が作製される。
第1の実施の形態では、P型不純物濃度が5×1017cm-3程度のP−In0.23Ga0.77As層17(膜厚10nm程度)中で発生されるホール17aの面密度は5×1011cm-2程度である。そして、InAs量子ドット15aの面密度が4×1010cm-2程度であるため、およそ1つのInAs量子ドット15aへ注入されるホール数はおよそ12個に相当する。一方、従来例である図12の半導体発光素子101において、GaAs障壁層108(膜厚33nm程度)中に、P型不純物濃度が5×1017cm-3程度のP−GaAs障壁層107(膜厚10nm)がある。この結果、ホール107aはGaAs障壁層108の全体へ広がり、実効的にホール107aの面密度は1.5×1011cm-2程度となり、およそ1つのInAs量子ドット105aへ注入されるホール数はおよそ3.7個に相当する。しかし、図12ではInAs量子ドット105aの側面をGaAs障壁層108よりもバンドギャップが小さいInGaAs歪緩和層106で覆うように形成しているため、図13,図14に示すように、GaAs障壁層108へ留まるホール107aが存在し、1つのInAs量子ドット105aへ注入されるホール数は3.7個よりも低下する。
また、第1の実施の形態では、In0.2Ga0.8As歪緩和層16の格子定数がN−GaAs(001)基板(不図示)の格子定数よりも大きい材料とする。これは、In0.2Ga0.8As歪緩和層16の格子定数がN−GaAs(001)基板(不図示)の格子定数よりも大きくすることにより、In0.2Ga0.8As歪緩和層16に歪みが生じ、この歪みによりInAs量子ドット15aのバンドギャップを変化させることが可能になる。
図5は、第2の実施の形態の半導体発光素子の要部断面模式図であり、図6は、第2の実施の形態における半導体発光レーザ装置の斜視模式図である。
続いて、N−Al0.4Ga0.6Asクラッド層12上に、MBE法により、GaAs障壁層13(膜厚33nm程度)を形成することができる。
続いて、P−In0.23Ga0.77As層17上に、MBE法により、GaAs障壁層18(膜厚23nm程度)を形成する。
続いて、P−Al0.4Ga0.6Asクラッド層19上に、MBE法により、P−GaAsコンタクト層19aを形成する。
次に、半導体発光素子11aを、図6に示すような半導体発光レーザ装置11bに加工する。
続いて、フォトリソグラフィ工程により、SiO2膜上に、リッジ導波路パターンを形成する。
続いて、リッジ導波路を紫外線硬化樹脂などの絶縁体400で埋め込む。
なお、第2の実施の形態では、量子ドット活性層15bをエッチングしないリッジ構造としているが、量子ドット活性層15bをエッチングしたハイメサ構造としても、同様の効果が得られる。
その他、層構造などについては、第1の実施の形態と同様に様々な形態が可能である。
図7は第3の実施の形態の半導体発光素子の要部断面模式図であり、図8は、図7のY−Y’の断面の構造のバンドダイアグラムを説明する模式図である。なお、図7のX−X’の断面の構造のバンドダイアグラムを説明する模式図は、図3を参照することができる。
続いて、N−Al0.4Ga0.6Asクラッド層22上に、MBE法により、GaAs障壁層23(膜厚33nm程度)を形成する。
続いて、P−In0.23Ga0.77As層27上に、MBE法により、GaAs障壁層28(膜厚23nm程度)を形成する。
以上により、半導体発光素子21が作製される。
次に、第4の実施の形態について説明する。
第4の実施の形態では、第2の実施の形態の半導体発光素子11aにおけるN−GaAs基板12aに代わってP−GaAs基板12cにて構成される場合であり、この時、量子ドット活性層15b以外の層構造の伝導性は第2の実施の形態と逆方向になる。
次に、第5の実施の形態について説明する。
第5の実施の形態では、第2の実施の形態の半導体発光素子11aと同様の層構造であるが、第2の実施の形態の半導体発光レーザ装置11bにおいて、リッジ導波路の側壁に垂直に回折格子を施した半導体発光レーザ装置、すなわち、第5の実施の形態は垂直回折格子DFB(Distributed FeedBack)レーザ装置である。
続いて、フォトリソグラフィ工程により、SiO2膜上に、リッジ導波路パターンを形成する。
続いて、リッジ導波路を紫外線硬化樹脂などの絶縁体400で埋め込む。
第5の実施の形態によって、リッジ導波路の側壁に一定の周期に垂直に回折格子が形成されることにより、複数の波長を有する光のうち、この周期に対応する波長を有する光のみを発振させ、増幅作用を起こさせることにより、単一モードの光を出力させることができるDFBレーザとして利用することが可能となる。
次に、第6の実施の形態について説明する。
第6の実施の形態では、半導体発光レーザ装置30の量子ドット活性層33に第2の実施の形態の半導体発光素子11aの量子ドット活性層15bを用いた場合の構成である。
続いて、N型{GaAs/AlAs}多層膜反射鏡32上に、第2の実施の形態と同様の量子ドット活性層33を形成する。この時、量子ドット活性層33の中心に定在波の腹がくるようにするために、量子ドット活性層33の上下にGaAs層(不図示)を入れることで調節を行う。
続いて、P−AlAs電流狭窄層(不図示)上に、P型{GaAs/Al0.9Ga0.1As}多層膜反射鏡(不図示)を形成する。
続いて、P−GaAsコンタクト層(不図示)形成後、通常のフォトリソグラフィ工程により、P−AlAs電流狭窄層34、P型{GaAs/Al0.9Ga0.1As}多層膜反射鏡35およびP−GaAsコンタクト層36を露出させたメサ構造を形成する。
最後に、メサ構造を紫外線硬化樹脂などの絶縁体37で埋め込み、上部および下部に電流注入用のP型電極38およびN型電極39を形成する。
なお、第1,2の実施の形態と同様の量子ドット活性層33の層構造には、様々な形態が可能である。
半導体基板上に形成された第1の導電型クラッド層と、
前記第1の導電型クラッド層上に形成された第1の障壁層と、
前記第1の障壁層上に形成され、バンドギャップが前記第1の障壁層よりも小さい前記量子ドットと、バンドギャップが前記量子ドットよりも大きく、前記量子ドットの側面を覆う埋め込み層と、を有する量子ドット層と、
前記量子ドット層上に形成され、バンドギャップが前記第1の障壁層よりも小さいP型半導体層と、
前記P型半導体層上に形成され、バンドギャップが前記量子ドットと前記P型半導体層よりも大きい第2の障壁層と、
前記第2の障壁層上に形成された第2の導電型クラッド層と、
を有することを特徴とする半導体発光素子。
(付記4) P型インジウムガリウム砒素を用いた前記P型半導体層のインジウム組成を、前記量子ドット層に近づくに従って、0.23から0.26まで変化させることを特徴とする付記2記載の半導体発光素子。
(付記6) 前記半導体基板にインジウムリン、前記第1,第2の障壁層にアルミニウムガリウムインジウム砒素またはインジウムガリウム砒素リン、前記P型半導体層にP型アルミニウムガリウムインジウム砒素またはP型インジウムガリウム砒素リン、を用いることを特徴とする付記1記載の半導体発光素子。
半導体基板上に第1の導電型クラッド層を形成する工程と、
前記第1の導電型クラッド層上に第1の障壁層を形成する工程と、
前記第1の障壁層上に、バンドギャップが前記第1の障壁層よりも小さい前記量子ドットと、バンドギャップが前記量子ドットよりも大きく、前記量子ドットの側面を覆う埋め込み層と、を有する量子ドット層を形成する工程と、
前記量子ドット層上に、バンドギャップが前記第1の障壁層よりも小さいP型半導体層を形成する工程と、
前記P型半導体層上に、バンドギャップが前記量子ドットと前記P型半導体層よりも大きい第2の障壁層を形成する工程と、
前記第2の障壁層上に第2の導電型クラッド層を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
(付記12) P型インジウムガリウム砒素を用いた前記P型半導体層のインジウム組成を、前記量子ドット層に近づくに従って、0.23から0.26まで変化させることを特徴とする付記10記載の半導体発光素子の製造方法。
半導体基板上に形成された第1の導電型クラッド層と、前記第1の導電型クラッド層上に形成された第1の障壁層と、前記第1の障壁層上に形成され、バンドギャップが前記第1の障壁層よりも小さい前記量子ドットと、バンドギャップが前記量子ドットよりも大きく、前記量子ドットの側面を覆う埋め込み層と、を有する量子ドット層と、前記量子ドット層上に形成され、バンドギャップが前記第1の障壁層よりも小さいP型半導体層と、前記P型半導体層上に形成され、バンドギャップが前記量子ドットと前記P型半導体層よりも大きい第2の障壁層と、前記第2の障壁層上に形成された第2の導電型クラッド層と、を有する半導体発光素子を備えたことを特徴とする半導体発光装置。
2 N型クラッド層
3、8 障壁層
5 量子ドット層
5a 量子ドット
6 埋め込み層
7 P型半導体層
9 P型クラッド層
Claims (10)
- 量子ドットを有する半導体発光素子において、
半導体基板上に形成された第1の導電型クラッド層と、
前記第1の導電型クラッド層上に形成された第1の障壁層と、
前記第1の障壁層上に形成され、バンドギャップが前記第1の障壁層よりも小さい前記量子ドットと、バンドギャップが前記量子ドットよりも大きく、前記量子ドットの側面を覆う埋め込み層と、を有する量子ドット層と、
前記量子ドット層上に形成され、バンドギャップが前記第1の障壁層よりも小さいP型半導体層と、
前記P型半導体層上に形成され、バンドギャップが前記量子ドットと前記P型半導体層よりも大きい第2の障壁層と、
前記第2の障壁層上に形成された第2の導電型クラッド層と、
を有することを特徴とする半導体発光素子。 - 前記半導体基板にガリウム砒素、前記第1,第2の障壁層にガリウム砒素、前記P型半導体層にP型インジウムガリウム砒素、を用いることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記埋め込み層に、インジウムガリウム砒素、アルミニウムガリウム砒素またはガリウム砒素を用いることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記半導体基板にインジウムリン、前記第1,第2の障壁層にアルミニウムガリウムインジウム砒素またはインジウムガリウム砒素リン、前記P型半導体層にP型アルミニウムガリウムインジウム砒素またはP型インジウムガリウム砒素リン、を用いることを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 前記第1の障壁層上に、交互に積層された前記量子ドット層と、前記P型半導体層と、前記第2の障壁層と、を有することを特徴とする請求項1記載の半導体発光素子。
- 量子ドットを有する半導体発光素子の製造方法において、
半導体基板上に第1の導電型クラッド層を形成する工程と、
前記第1の導電型クラッド層上に第1の障壁層を形成する工程と、
前記第1の障壁層上に、バンドギャップが前記第1の障壁層よりも小さい前記量子ドットと、バンドギャップが前記量子ドットよりも大きく、前記量子ドットの側面を覆う埋め込み層と、を有する量子ドット層を形成する工程と、
前記量子ドット層上に、バンドギャップが前記第1の障壁層よりも小さいP型半導体層を形成する工程と、
前記P型半導体層上に、バンドギャップが前記量子ドットと前記P型半導体層よりも大きい第2の障壁層を形成する工程と、
前記第2の障壁層上に第2の導電型クラッド層を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記半導体基板にガリウム砒素、前記第1,第2の障壁層にガリウム砒素、前記P型半導体層にP型インジウムガリウム砒素、を用いることを特徴とする請求項6記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記半導体基板にインジウムリン、前記第1,第2の障壁層にアルミニウムガリウムインジウム砒素またはインジウムガリウム砒素リン、前記P型半導体層にP型アルミニウムガリウムインジウム砒素またはP型インジウムガリウム砒素リン、を用いることを特徴とする請求項6記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第1の障壁層上に、交互に積層された前記量子ドット層と、前記P型半導体層と、前記第2の障壁層と、を有することを特徴とする請求項6記載の半導体発光素子の製造方法。
- 量子ドットを有する半導体発光素子を備える半導体発光装置において、
半導体基板上に形成された第1の導電型クラッド層と、前記第1の導電型クラッド層上に形成された第1の障壁層と、前記第1の障壁層上に形成され、バンドギャップが前記第1の障壁層よりも小さい前記量子ドットと、バンドギャップが前記量子ドットよりも大きく、前記量子ドットの側面を覆う埋め込み層と、を有する量子ドット層と、前記量子ドット層上に形成され、バンドギャップが前記第1の障壁層よりも小さいP型半導体層と、前記P型半導体層上に形成され、バンドギャップが前記量子ドットと前記P型半導体層よりも大きい第2の障壁層と、前記第2の障壁層上に形成された第2の導電型クラッド層と、を有する半導体発光素子を備えたことを特徴とする半導体発光装置。
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