JP2009016710A - Laser oscillation element - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser oscillation element enabled to perform stable laser oscillation using quantum dots providing novel narrow width light emission. <P>SOLUTION: The laser oscillation element has quantum dots formed on a GaAs(311)A substrate in its active layer to a density of 2×10<SP>10</SP>/cm<SP>2</SP>to 1×10<SP>11</SP>/cm<SP>2</SP>. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、基板上に活性層を形成してなるレーザ発振素子に関する。   The present invention relates to a laser oscillation element in which an active layer is formed on a substrate.

レーザ発振素子の活性層を構成する量子ドットのサイズ揺らぎと発光の半値幅についての関係は、量子ドットはそのサイズが変化すると、量子閉じ込めエネルギーが変化するため発光する波長（エネルギー）が変化する。そのため、サイズの揺らぎが大きい量子ドット群の発光特性は、幅広い波長（エネルギー）にわたって広がり、その半値幅は広い物となる。量子ドットの半導体レーザ等の応用のためには、なるべくサイズ揺らぎの少ない量子ドットを高密度に作製することが望まれている。
非特許文献１で示されているように従来のＧａＡｓ（１００）基板を用いたものでは、液滴の密度は最大でも３×１０^１０／ｃｍ^２であった。この特許文献１及び非特許文献１に示されているように、ＧａＡｓ（１００）基板を用いたものでは、液滴を結晶化する際の砒素分子線強度を低下させると、結晶化後のナノ構造の形状が変化し量子ドットの形成は不可能となる。
これに対し非特許文献１では、量子ドットを作製するために高強度の砒素分子線を液滴に照射して結晶化しているため、量子ドットのサイズの均一性が悪く、半値幅の狭い発光を得ることは不可能であった。 Regarding the relationship between the size fluctuation of the quantum dots constituting the active layer of the laser oscillation element and the half-value width of light emission, the quantum confinement energy changes when the size of the quantum dots changes, and thus the wavelength (energy) of light emission changes. Therefore, the light emission characteristics of the quantum dot group having a large size fluctuation spread over a wide range of wavelengths (energy), and the half width is wide. In order to apply quantum dot semiconductor lasers or the like, it is desired to produce quantum dots with as little size fluctuation as possible.
As shown in Non-Patent Document 1, in the case of using a conventional GaAs (100) substrate, the density of the droplets was 3 × 10 ¹⁰ / cm ² at the maximum. As shown in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, in the case of using a GaAs (100) substrate, if the arsenic molecular beam intensity when crystallization of a droplet is reduced, the nanocrystal after crystallization is reduced. The shape of the structure changes and quantum dots cannot be formed.
On the other hand, in Non-Patent Document 1, since a liquid crystal is irradiated and crystallized with a high-intensity arsenic molecular beam in order to produce quantum dots, the quantum dots have poor uniformity in size and have a narrow half-value width. It was impossible to get.

特開２００６−０６００８８JP 2006-060088 Ｊｐｎ． Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． ３９、Ｌ７９−Ｌ８１、２０００年、２月、Ｋ． Ｗａｔａｎａｂｅ、Ｎ．Ｋｏｇｕｃｈｉ、 Ｙ． ＧｏｔｏｈJpn. J. et al. Appl. Phys. 39, L79-L81, February 2000, K.K. Watanabe, N.A. Koguchi, Y. et al. Gotoh

本発明は、このような実情に鑑み、従来にはないナローな発光をする量子ドットを用いて、安定したレーザ発振を可能としたレーザ発振素子を提供することを目的とする。   In view of such circumstances, an object of the present invention is to provide a laser oscillation element capable of stable laser oscillation using a quantum dot that emits narrow light that has not been conventionally obtained.

発明１のレーザ発振素子は、その活性層は、２×１０^１０／ｃｍ^２〜１×１０^１１／ｃｍ^２の密度、及び５Ｋにおける発光の半値幅５０ｍｅＶ以下でＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上に量子ドットが形成してなることを特徴とする。
発明2は、発明1のレーザ発振素子の製造方法であって、前記量子ドットは、液滴エキタピシー法により所定の密度で形成することを特徴とする。 In the laser oscillation device of the invention 1, the active layer has a density of 2 × 10 ¹⁰ / cm ² to 1 × 10 ¹¹ / cm ² and a quantum half-width on a GaAs (311) A substrate with a half-value width of 50 meV or less at 5K. It is characterized in that dots are formed.
Invention 2 is a method for manufacturing a laser oscillation element according to Invention 1, wherein the quantum dots are formed at a predetermined density by a droplet epitaxy method.

発明2により、ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上に、３×１０^９／ｃｍ^２〜１×１０^１１／ｃｍ^２の範囲で量子ドットの密度を制御する事に成功した。
また、発明1により、同基板を用いる事により、量子ドットの均一性に関しても、成長条件により広い範囲で制御可能となった。このような量子ドットをもつ半導体の半値幅は２３ｍｅＶ〜１００ｍｅＶ超を実現した。
この結果、極めて安定してナローな波長でのレーザ発振が可能になった。 Invention 2 has succeeded in controlling the density of quantum dots on a GaAs (311) A substrate in the range of 3 × 10 ⁹ / cm ² to 1 × 10 ¹¹ / cm ² .
Further, according to the invention 1, by using the same substrate, the uniformity of the quantum dots can be controlled in a wide range depending on the growth conditions. The half width of a semiconductor having such a quantum dot was realized from 23 meV to over 100 meV.
As a result, laser oscillation at a very stable and narrow wavelength has become possible.

図10に示す形態は、光励起による発振を試みたものである。基板上部から、緑色の光を導入すると、活性層上下のクラッド層及び活性層で電子正孔対が形成される。それらは、エネルギーの一番低いGaAs量子ドットへと注入され、それらが再結合する事により量子ドットが発光する。発光した光は、クラッド層と活性層の屈折率の差により、活性層中に閉じ込められて、成長方向と垂直な方向に作製された共振器中に閉じ込められてレーザ発振する。本実施例では、共振器は劈開した端面により形成した。
図10に示す形態の製造手順は以下の通りである。
GaAs(311)A基板上に、400nmの厚さをもつGaAsバッファー層を成長させて表面を平坦化させたのち、1300nmのAlGaAsクラッド層（高Al組成）を成長させた。その後、活性層となる、AlGaAs層（低Al組成）を220nm成長させ、その中に液滴エピタキシー法（図１）により作製したGaAs量子ドットを２層埋め込んだ。続いて、1300nmの上部のAlGaAsクラッド層（高Al組成）を成長させ、最後に表面を保護するため20nmのGaAsを成長させた。 The form shown in FIG. 10 is an attempt to oscillate by light excitation. When green light is introduced from the top of the substrate, electron-hole pairs are formed in the cladding layer and the active layer above and below the active layer. They are injected into the lowest energy GaAs quantum dots, and the quantum dots emit light when they recombine. The emitted light is confined in the active layer due to the difference in refractive index between the clad layer and the active layer, and confined in a resonator fabricated in a direction perpendicular to the growth direction, and laser oscillation occurs. In this embodiment, the resonator is formed by a cleaved end face.
The manufacturing procedure of the form shown in FIG. 10 is as follows.
A GaAs buffer layer having a thickness of 400 nm was grown on a GaAs (311) A substrate to planarize the surface, and then an 1300 nm AlGaAs cladding layer (high Al composition) was grown. Thereafter, an AlGaAs layer (low Al composition) as an active layer was grown to 220 nm, and two layers of GaAs quantum dots produced by the droplet epitaxy method (FIG. 1) were embedded therein. Subsequently, an upper AlGaAs cladding layer (high Al composition) of 1300 nm was grown, and finally 20 nm of GaAs was grown to protect the surface.

液滴エピタキシー法は、上記非特許文献１に記載されているように、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ等の格子不整合な系に於いても適用できる。そのため、本手法が、実施例２のＧａＡｓ量子ドットをＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ量子ドットに置き換えたもの、また、実施例２のＧａＡｓ（３１１）Ａ基板をＩｎＰ（３１１）Ａ基板に置き換えされに、ＧａＡｓ量子ドットをＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ量子ドットに置き換えた場合に於いても、同様の構造の作製が可能である事容易に類推できる。
これらが実現されることにより、可視域から近赤外域まで幅広い範囲のレーザ発振の実現が期待される。 As described in Non-Patent Document 1, the droplet epitaxy method can be applied to a lattice mismatch system such as InAs / GaAs. For this reason, the present technique replaces the GaAs quantum dots of Example 2 with GaSb, InAs, InP, and InSb quantum dots, and replaces the GaAs (311) A substrate of Example 2 with an InP (311) A substrate. In addition, even when the GaAs quantum dots are replaced with InAs and InSb quantum dots, it can be easily analogized that the same structure can be produced.
By realizing these, it is expected to realize laser oscillation in a wide range from the visible range to the near infrared range.

液滴エピタキシー法は、化合物半導体の量子ドットを作製する手法で、図１を参照して、ガリウム砒素量子ドットの作製を例として説明すると、基板上にガリウムのみを供給してガリウムの液体金属微粒子を作製し、続いて砒素を供給してその液滴をガリウム砒素に結晶化する事により、量子ドットを作製する。
図２に示すように、従来のＧａＡｓ（１００）基板上では、２００℃から３５０℃の範囲では、液滴の密度は基板温度と式１（ＧａＡｓ（１００）基板上の液滴密度のフィッティング曲線の式）の関係にあり、密度は最大でも２×１０^１０／ｃｍ^２程度であった。 The droplet epitaxy method is a method of manufacturing a compound semiconductor quantum dot. Referring to FIG. 1, an example of manufacturing a gallium arsenide quantum dot will be described. By supplying only gallium onto a substrate, liquid metal fine particles of gallium are used. Then, arsenic is supplied and the droplets are crystallized into gallium arsenide to produce quantum dots.
As shown in FIG. 2, on the conventional GaAs (100) substrate, in the range of 200 ° C. to 350 ° C., the droplet density is expressed by the substrate temperature and the equation 1 (fitting curve of the droplet density on the GaAs (100) substrate. The density was about 2 × 10 ¹⁰ / cm ² at maximum.

式１Formula 1

これに対して、ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板を用いることにより、上記の温度範囲の全域で密度が増加し、最大で１×１０^１１／ｃｍ^２という、高密度の液滴が形成可能となった。なお、図１の説明で述べたように、この液滴は結晶化する事により、一つの液滴が一つの量子ドットとなることから、この密度はそのまま形成される量子ドットの密度と考えることができる。 On the other hand, by using a GaAs (311) A substrate, the density increased over the entire temperature range, and a high-density droplet of 1 × 10 ¹¹ / cm ² at maximum could be formed. . As described in the explanation of FIG. 1, since this droplet is crystallized, one droplet becomes one quantum dot. Therefore, this density should be considered as the density of the quantum dots formed as it is. Can do.

図３は、液滴を量子ドットへ結晶化する際の砒素分子線強度を変化させた際の結晶化後の構造の形状の顕微鏡像であるが、ＧａＡｓ（１００）基板上では、分子線強度の減少に伴い、形状が変化してしまうため、量子ドットの形成には２×１０^−４Ｔｏｒｒの砒素分子線照射が必要である。それに対して、ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上では、砒素分子線強度を減少させても形状は保たれており、弱い砒素分子線照射に於いても量子ドット形成が可能である。
ＧａＡｓ（１００）基板上での、ドット構造は（００１２段）に示すように発光の半値幅が広いためレーザ発振を実現することは困難である。一方で、量子ドットとは異なる構造（1e-5及び2e-6 Torr）からはレーザ発振を実現したが、これらの構造の電子状態はドットとは異なり固有状態間のエネルギー差が小さいため、量子ドットレーザに於いて期待される優れた温度特性を実現する事は困難である。 FIG. 3 is a microscopic image of the shape of the structure after crystallization when the arsenic molecular beam intensity when the droplet is crystallized into quantum dots is changed. On the GaAs (100) substrate, the molecular beam intensity is shown. Since the shape changes with the decrease of, the formation of quantum dots requires arsenic molecular beam irradiation of 2 × 10 ⁻⁴ Torr. On the other hand, on the GaAs (311) A substrate, the shape is maintained even if the arsenic molecular beam intensity is reduced, and quantum dots can be formed even with weak arsenic molecular beam irradiation.
Since the dot structure on the GaAs (100) substrate has a wide half-value emission width as shown in (0012), it is difficult to realize laser oscillation. On the other hand, laser oscillation was realized from structures different from quantum dots (1e-5 and 2e-6 Torr), but the electronic states of these structures differed from dots, and the energy difference between eigenstates was small. It is difficult to realize the excellent temperature characteristics expected in a dot laser.

ＧａＡｓ量子ドットをＡｌＧａＡｓ層によりサンドイッチした構造を例にして、図４にその発光特性を示す。
図５には、同様な構造のＧａＡｓ（１００）基板上の量子ドットの例を示すが、前述と同様に非常に高強度の砒素分子線照射を用いることが必須であるため、サイズ揺らぎが大きな量子ドットが形成され、観察される発光の半値幅は１００ｍｅＶ以上と非常に大きな値である。
そのため、この量子ドット構造では、レーザ発振に寄与できる実質的な量子ドットの数が少なくなり、レーザ発振を実現することは困難である。また、発振を実現したとても予測されているような優れた特性（閾値電流特性、変調特性）を実現する事は期待できない。実際に我々がＧａＡｓ（１００）基板上の量子ドットを用いて試作した素子（図１０）では、レーザ発振は実現できなかった。
図６−８は本実施例において、ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上でも、砒素分子線強度を変えても量子ドットの形成が可能で、弱い強度の砒素を照射した際に均一性の高い量子ドットが形成されることを示している。それにより、半値幅５０ｍｅＶ以下の発光が観察される。
ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上に高均一な量子ドットを図６、図７の様に高密度に形成することにより、レーザ発振に寄与できる量子ドットの数が増加し、レーザ発振を実現することができる。それにより、量子ドットレーザに於いて期待される優れた特性を発現することも期待される。実際に図６の量子ドットを用いてレーザ素子の試作を行い、図１０に示す構造を作製したところ、図１１に示すように室温に於いてレーザ発振を実現した。尚、図８に示す量子ドットは均一性に於いては優れているが、ドット密度が低いため（意図的に低くしている）、レーザ発振の実現は困難である。 FIG. 4 shows the emission characteristics of a structure in which GaAs quantum dots are sandwiched between AlGaAs layers.
FIG. 5 shows an example of quantum dots on a GaAs (100) substrate having a similar structure, but it is essential to use very high intensity arsenic molecular beam irradiation as described above, so that the size fluctuation is large. Quantum dots are formed, and the observed half-value width of emitted light is a very large value of 100 meV or more.
Therefore, in this quantum dot structure, the number of substantial quantum dots that can contribute to laser oscillation decreases, and it is difficult to realize laser oscillation. In addition, it is not expected to realize excellent characteristics (threshold current characteristics, modulation characteristics) that are expected to realize oscillation. In fact, laser oscillation could not be realized with the device (Fig. 10) we prototyped using quantum dots on a GaAs (100) substrate.
FIG. 6-8 shows that in this embodiment, quantum dots can be formed on a GaAs (311) A substrate even if the arsenic molecular beam intensity is changed, and quantum dots having high uniformity when irradiated with weak arsenic. Is formed. Thereby, light emission with a half-value width of 50 meV or less is observed.
By forming highly uniform quantum dots on a GaAs (311) A substrate at a high density as shown in FIGS. 6 and 7, the number of quantum dots that can contribute to laser oscillation increases, and laser oscillation can be realized. it can. Thereby, it is expected that the excellent characteristics expected in the quantum dot laser are expressed. A laser device was actually fabricated using the quantum dots shown in FIG. 6 and the structure shown in FIG. 10 was produced. As a result, laser oscillation was realized at room temperature as shown in FIG. Although the quantum dots shown in FIG. 8 are excellent in uniformity, it is difficult to realize laser oscillation because the dot density is low (intentionally lowered).

なお、ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上でも、高強度の砒素分子線による結晶化を行うと、（１００）基板上と同様にサイズ揺らぎの大きな量子ドットが形成され、１００ｍｅＶを超える半値幅の発光が観察される。（図９参照）
図９のようにＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上に於いても、低密度でサイズ不均一性の大きな量子ドットを作製すると、レーザ発振に寄与する量子ドットの数が著しく少なくなるため発振を実現することは困難となる。
レーザ発振を実現するために必要な量子ドットの密度とサイズ不均一性の関係は、レーザ素子中の導波路光損失、ミラー反射率などに強く依存するため数値化する事は困難であったが、過去の報告例及び我々の実験結果から経験的に、レーザ発振を実現するためには、半値幅５０ｍｅＶ程度以下、密度２×１０^１０／ｃｍ^２程度以上が必要であることが明らかとなっている。この値は、文献１（応用物理第７４巻、第３号、２９５ｐ、２００５年）に記載されているレーザ応用のための理想的な量子ドットの条件（半値幅１０〜１５ｍｅＶ、密度〜１０^１１／ｃｍ^２）に比較的近い値となっている。 Note that when crystallization is performed using a high-intensity arsenic molecular beam on a GaAs (311) A substrate, quantum dots with large size fluctuations are formed as on the (100) substrate, and light emission with a half-value width exceeding 100 meV is emitted. Observed. (See Figure 9)
As shown in FIG. 9, even on a GaAs (311) A substrate, when quantum dots having a low density and large size non-uniformity are produced, the number of quantum dots contributing to laser oscillation is significantly reduced, thereby realizing oscillation. It becomes difficult.
Although the relationship between the quantum dot density and size non-uniformity required to realize laser oscillation depends strongly on the waveguide light loss and mirror reflectivity in the laser element, it was difficult to quantify it. From past reports and our experimental results, it is empirically found that a half-width of about 50 meV or less and a density of about 2 × 10 ¹⁰ / cm ² or more are necessary to realize laser oscillation. Yes. This value is the ideal quantum dot condition (half-width 10-15 meV, density 10 ¹¹ ) for laser application described in Reference 1 (Applied Physics Vol. 74, No. 3, 295p, 2005). / Cm ² ).

液滴エピタキシー法は、基板と量子ドット材料の格子定数が等しい材料系に適用できる量子ドットの自己形成手法であるが、これまでＧａＡｓ（１００）基板を用いた液滴エピタキシー法により作成した量子ドットは、最大でも密度が２〜３×１０^１０／ｃｍ^２で、さらに、大きなサイズ揺らぎに起因する発光の半値幅の広いため、しきい値電流、変調特性等に於いて優れた特性が予測されている量子ドットレーザを実現する事は困難であった。しかしこの技術により、高密度かつ高均一な量子ドットが実現されることにより、従来の技術では実現不可能であったＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓなどの格子整合な系において自己形成量子ドットを用いた量子ドットレーザ素子を実現することが可能となる。 The droplet epitaxy method is a self-forming method of quantum dots that can be applied to a material system in which the lattice constants of the substrate and the quantum dot material are the same, but so far, quantum dots created by the droplet epitaxy method using a GaAs (100) substrate Has a maximum density of 2 to 3 × 10 ¹⁰ / cm ² and a wide half-value width of light emission due to large size fluctuations, and therefore excellent characteristics in threshold current, modulation characteristics, etc. are predicted. It was difficult to realize a quantum dot laser. However, with this technology, high-density and highly uniform quantum dots are realized, and quantum dot lasers using self-formed quantum dots in lattice-matched systems such as GaAs / AlGaAs, which were impossible with conventional technology An element can be realized.

液滴エピタキシー法の模式図Schematic diagram of droplet epitaxy method ＧａＡｓ（１００）及び（３１１）Ａ基板上のガリウム液滴密度の比較を示すグラフ。3 is a graph showing a comparison of gallium droplet densities on GaAs (100) and (311) A substrates. （１００）及び（３１１）Ａ基板上の液滴を異なる強度の砒素照射により結晶化した後のＧａＡｓナノ構造の形状を示す顕微鏡写真。(100) and (311) A micrograph showing the shape of a GaAs nanostructure after crystallization of droplets on a substrate by arsenic irradiation of different intensity. 発光特性を測定するために作製した構造の模式図Schematic diagram of the structure created to measure the emission characteristics （１００）基板上に形成した量子ドットの発光特性と顕微鏡像（砒素強度２×１０^−４ｔｏｒｒ）(100) Luminescent characteristics and microscopic image of quantum dots formed on a substrate (arsenic intensity 2 × 10 ⁻⁴ torr) （３１１）Ａ基板上に形成した量子ドットの発光特性と顕微鏡像（砒素強度２×１０^−６ｔｏｒｒ）(311) Luminescence characteristics and microscopic image of quantum dots formed on A substrate (arsenic intensity 2 × 10 ⁻⁶ torr) （３１１）Ａ基板上に形成した量子ドットの発光特性と顕微鏡像（砒素強度１×１０^−５ｔｏｒｒ）(311) Luminescence characteristics and microscopic image of quantum dots formed on the A substrate (arsenic intensity 1 × 10 ⁻⁵ torr) （３１１）Ａ基板上に形成した量子ドットの発光特性と顕微鏡像（砒素強度２×１０^−６ｔｏｒｒ）(311) Luminescence characteristics and microscopic image of quantum dots formed on A substrate (arsenic intensity 2 × 10 ⁻⁶ torr) （３１１）Ａ基板上に形成した量子ドットの発光特性と顕微鏡像（砒素強度２×１０^−４ｔｏｒｒ）(311) Luminescence characteristics and microscopic image of quantum dots formed on A substrate (arsenic intensity 2 × 10 ⁻⁴ torr) 結晶成長により作製した量子ドットレーザ素子の構造を示す模式図Schematic diagram showing the structure of a quantum dot laser device fabricated by crystal growth 室温に於けるレーザ発振特性を示すグラフ。この際図６の量子ドットを用いている。The graph which shows the laser oscillation characteristic in room temperature. At this time, the quantum dots shown in FIG. 6 are used.

Claims (2)

基板上に活性層を形成してなるレーザ発振素子であって、前記活性層は、２×１０^１０／ｃｍ^２〜１×１０^１１／ｃｍ^２の密度、５Ｋにおける発光の半値幅５０ｍｅＶ以下でＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上に量子ドットが形成してなることを特徴とするレーザ発振素子。 A laser oscillation element having an active layer formed on a substrate, wherein the active layer has a density of 2 × 10 ¹⁰ / cm ² to 1 × 10 ¹¹ / cm ² and a half-width of light emission at 5K of 50 meV or less. (311) A laser oscillation element comprising quantum dots formed on a substrate A. 請求項１に記載のレーザ発振素子の製造方法であって、前記量子ドットは、液滴エキタピシー法により所定の密度で形成したことを特徴とする。   2. The method of manufacturing a laser oscillation element according to claim 1, wherein the quantum dots are formed with a predetermined density by a droplet epitaxy method.