JP3230576B2 - Semiconductor light emitting device - Google Patents
Semiconductor light emitting deviceInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板上に多層膜
積層構造と活性層とが複合構造として形成され、当該積
層面に垂直方向に出射する半導体発光素子に関し、特に
発振光の偏光が一意に決定される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 in which a multilayer structure and an active layer are formed as a composite structure on a semiconductor substrate and emits light in a direction perpendicular to the laminated surface. The present invention relates to a uniquely determined semiconductor light emitting device.
【０００２】[0002]
【従来の技術】この種の半導体発光素子として、例えば
ＧａＡｓ基板上に形成された、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発光素
子においては、発振光の偏光を一意に決定するために、
いくつかの手法がとられている。一つには、面内の光学
的遷移確率の異なる（３１１）等の面方位上に構造を作
製する手法がある。また、素子構造を異方的なものと
し、光学的なモードに対する利得や損失に異方性を与え
る手法もとられている。2. Description of the Related Art As a semiconductor light emitting device of this kind, for example, a semiconductor light emitting device having a distributed Bragg reflector formed of a semiconductor multilayer film and a semiconductor active layer formed on a GaAs substrate, the polarization of oscillating light is uniquely determined. To decide
Several approaches have been taken. One is a method of fabricating a structure on a plane orientation such as (311) having different optical transition probabilities in a plane. In addition, there is a method of making the element structure anisotropic and giving anisotropy to gain and loss for an optical mode.
【０００３】また、通常用いられる、面内に光学的異方
性の存在しない（１００）面方位上で、しかも面内に対
称な形状の半導体面発光レーザにおいて、発振光の偏光
を決定するため、面内に異方的な構造を有する量子ドッ
トを活性層に用いることも提案、実証されている。これ
は、Saito らにより、「アプライド フィジックスレタ
ーズ (Applied Physics Letters)」第71巻第５号（１９
９７年）の第５９０ページから５９２ページに説明され
ている。この報告では、ＩｎＧａＡｓよりなる量子ドッ
ト１０層を活性層とし、ＧａＡｓ基板上の面発光レーザ
において、〔０１* １〕方向（＊はバーを意味する）に
偏光のそろった発振を波長９８５ｎｍにおいて実現して
いる。[0003] Further, in a commonly used semiconductor surface emitting laser having a (100) plane orientation having no in-plane optical anisotropy and having a symmetric shape in the plane, the polarization of oscillation light is determined. The use of quantum dots having an anisotropic structure in the plane for the active layer has also been proposed and proven. This is described by Saito et al. In Applied Physics Letters, Vol. 71, No. 5 (19
1997), pp. 590-592. In this report, 10 layers of InGaAs quantum dots are used as the active layer, and a surface-emitting laser on a GaAs substrate realizes oscillation in the [01 * 1] direction (* means a bar) at a wavelength of 985 nm. are doing.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】このような、面発光レ
ーザの発振光の偏光を決定するための、前記した各従来
技術について検討すると、（１００）面以外の面方位上
の構造では、素子製造上のプロセスが煩雑になる場合が
あり、また素子構造を非対称にすると、光の出射パター
ンが非対称になり、対称形状の導波構造に結合する際
に、損失が出るなどの問題点がある。また、これらの問
題の存在しない、非対称構造の量子ドットを活性層にす
る場合は、現在の製造技術では、量子ドットのサイズば
らつきのため量子井戸を活性層とする従来の面発光レー
ザと比べて、発振閾値等の特性が劣化するという問題が
ある。Considering each of the above-mentioned prior arts for determining the polarization of the oscillation light of the surface emitting laser, it is found that the structure in the plane orientation other than the (100) plane is In some cases, the manufacturing process becomes complicated, and when the element structure is asymmetric, the light emission pattern becomes asymmetric, and there is a problem in that loss occurs when the device is coupled to a symmetric waveguide structure. . In the case where an active layer is formed of a quantum dot having an asymmetric structure, which does not have these problems, the current manufacturing technology is compared with a conventional surface emitting laser using a quantum well as an active layer due to variation in the size of the quantum dot. In addition, there is a problem that characteristics such as an oscillation threshold value are deteriorated.
【０００５】一方、（１００）基板上に面発光レーザ等
を形成している半導体発光素子では、前記したような問
題が生じることは少なく、良好な特性が得られている
が、量子井戸を活性層として、対称な発光パターンを実
現し、かつ簡便なプロセス手法によって素子を作製した
際には、発光の偏光を一意に制御することは困難で、強
度変調を行う際の雑音の原因となるなど、レーザ特性を
劣化させていた。On the other hand, in a semiconductor light emitting device in which a surface emitting laser or the like is formed on a (100) substrate, the above-described problem is rarely caused and good characteristics are obtained. As a layer, a symmetrical light emission pattern is realized, and when an element is manufactured by a simple process technique, it is difficult to uniquely control the polarization of light emission, which causes noise when performing intensity modulation. And the laser characteristics were degraded.
【０００６】本発明の目的は、このような従来技術の欠
点を克服し、特性は良好であるが面内の偏光が決まらな
い量子井戸と、面内の発光に異方性がある量子細線、ま
たは量子ドットを組み合わせることにより、必要とされ
る特性を実現しつつ、対称な発光パターンで、しかも偏
光が一意に決定され、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。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to overcome such disadvantages of the prior art, to provide a quantum well having good characteristics but indeterminate polarization in a plane, a quantum wire having anisotropic in-plane emission, Or to provide a semiconductor light-emitting element that realizes the required characteristics by combining quantum dots, has a symmetrical light-emitting pattern, and the polarization is uniquely determined, and emits light in a direction perpendicular to the stacked surface. is there.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明の半導体発光素子
は、半導体基板上に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を有し、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
し、該活性層は、少なくとも１層以上の、膜厚が電子の
ド・ブロイ波長程度以下である量子井戸を有し、かつ、
積層面内、積層方向ともその寸法が１００ｎｍ程度以下
で、キャリヤが２次元的に閉じこめられる量子細線から
なる層、または３次元的に閉じ込められる半導体量子ド
ットからなる層の、少なくともどちらかの層を１層以上
有し、該量子井戸の利得帯域と、量子細線または量子ド
ットの利得帯域の共通する波長に、共振波長が設定され
てい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 structure and an active layer emitting light by current injection on a semiconductor substrate, and is defined by the multilayer film structure. The active layer emits light having a wavelength in a direction perpendicular to the stacking surface, and the active layer has at least one or more quantum wells having a film thickness of about the electron de Broglie wavelength or less, and
At least one of a layer composed of quantum wires in which the carrier is two-dimensionally confined and a layer composed of semiconductor quantum dots three-dimensionally confined, whose dimension is about 100 nm or less in the lamination direction and in the lamination direction. It has one or more layers, and the resonance wavelength is set to a wavelength common to the gain band of the quantum well and the gain band of the quantum wire or quantum dot.
【０００８】本発明の半導体発光装置においては、積層
面内、積層方向ともその寸法が１００ｎｍ程度以下で、
キャリヤが２次元的に閉じこめられる量子細線からなる
層においては、電流注入によって発光が生じる際、細線
方向に平行な偏光に対する利得が大きいことが、理論
的、実験的に知られている。同様に、積層面内、積層方
向ともその寸法が１００ｎｍ程度以下で、３次元的に閉
じ込められる半導体量子ドットからなる層においては、
その量子ドット構造のサイズの大きい方向に平行な偏光
に対する利得が大きいことが、実験的に知られている。
しかも、量子ドットは、半導体面内の結晶軸の非対称性
のため、作製法によらず、形状は通常非対称である。In the semiconductor light emitting device according to the present invention, the dimension in the lamination plane and in the lamination direction is about 100 nm or less,
It is known theoretically and experimentally that a layer made of quantum wires in which carriers are confined two-dimensionally has a large gain for polarized light parallel to the direction of the wires when light emission occurs by current injection. Similarly, in a layer made of semiconductor quantum dots that are confined three-dimensionally and have a dimension of about 100 nm or less in the lamination plane and lamination direction,
It is experimentally known that the gain for polarized light parallel to the direction in which the size of the quantum dot structure increases is large.
Moreover, the quantum dots are usually asymmetric in shape regardless of the manufacturing method due to the asymmetry of the crystal axis in the semiconductor plane.
【０００９】従って、量子井戸構造と、上記の量子細
線、量子ドット等を組み合わせ、量子井戸の利得帯域
と、量子細線または量子ドットの利得帯域の共通する波
長に共振波長を設定しておけば、電流注入によって発光
を生じさせた際、全体として、ある特定方向、つまり量
子細線方向か、量子ドットのサイズの大きい方向の偏光
に対する利得が大きいことになる。注入された電流は、
ほとんどが量子井戸で発光再結合で消費され、その残り
が量子細線や量子ドットで消費されれば、発振閾値等の
特性は、従来の量子井戸を活性層に用いた半導体発光素
子と遜色がなく、しかも、全体としての利得の異方性の
ため、ある特定方向の偏光が利得が大きくなり、その偏
光での発振が実現されることになる。Therefore, if the quantum well structure is combined with the above-described quantum wires, quantum dots, and the like, and the resonance wavelength is set to a wavelength common to the gain band of the quantum well and the gain band of the quantum wires or quantum dots, When light emission is generated by current injection, as a whole, the gain for polarized light in a specific direction, that is, the direction of the quantum wire or the direction in which the size of the quantum dot is large, is large. The injected current is
If most is consumed by radiative recombination in the quantum well and the rest is consumed by quantum wires or quantum dots, characteristics such as the oscillation threshold are comparable to those of semiconductor light-emitting devices using a conventional quantum well for the active layer. In addition, because of the anisotropy of the gain as a whole, the gain of polarized light in a specific direction increases, and oscillation with the polarized light is realized.
【００１０】ここで、前記量子細線または量子ドット
が、基板と格子定数の異なる半導体よりなることを特徴
とする。量子細線または量子ドットが、基板と格子定数
の異なる半導体よりなれば、歪みの効果により、より発
光の異方性が増強され、利得の異方性も大きくなるた
め、より安定な偏光制御が可能となる。Here, the quantum wires or quantum dots are made of a semiconductor having a lattice constant different from that of a substrate. If the quantum wires or quantum dots are made of a semiconductor with a lattice constant different from that of the substrate, the effect of distortion enhances the anisotropy of light emission and increases the anisotropy of gain, enabling more stable polarization control. Becomes
【００１１】また、前記多層膜積層構造が半導体の多層
膜構造であること、例えばＡｌx Ｇａ1-X Ａｓ／Ａｌy
Ｇａ1-y Ａｓよりなり、ｘは０以上１未満、ｙは０より
大きく１以下であることを特徴する。このようにすれ
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。Further, said multi-layer laminated structure is a multilayer structure of a semiconductor, for example, Al x Ga 1-X As / Al y
It is made of Ga 1-y As, wherein x is 0 or more and less than 1, and y is more than 0 and 1 or less. This eliminates the problem of lattice mismatch, so that a multilayer film structure can be easily formed.
【００１２】また、前記半導体基板が、ＧａＡｓよりな
り、前記量子井戸は、ｚが０以上１以下であるＩｎz Ｇ
ａ1-z Ａｓよりなり、前記量子細線または量子ドットが
ａが０以上１以下であるＩｎa Ｇａ1-a Ａｓよりなるこ
とを特徴としている。このようにすれば、応用上重要
な、波長０．８５ｍｍや、０．９８ｍｍで発振する半導
体発光素子を実現することができる。Further, the semiconductor substrate is made of GaAs, and the quantum well has a thickness of In z G in which z is 0 or more and 1 or less.
a 1-z As, wherein the quantum wires or quantum dots are made of In a Ga 1-a As in which a is 0 or more and 1 or less. In this way, it is possible to realize a semiconductor light emitting device that oscillates at a wavelength of 0.85 mm or 0.98 mm, which is important for application.
【００１３】また前記半導体基板が、ＧａＡｓよりな
り、前記量子井戸は、ｚが０より大きく１以下であるＧ
ａＡｓ1-Z ＳｂZ よりなり、前記量子細線または量子ド
ットがａが０以上１以下であるＩｎa Ｇａ1-a Ａｓより
なることを特徴とする。このようにすれば、波長１．３
ｍｍ程度の、石英ファイバーの低損失・低分散波長域で
の半導体発光素子を実現することができる。Further, the semiconductor substrate is made of GaAs, and the quantum well has a G value of z being greater than 0 and equal to or less than 1.
aAs 1-Z Sb Z , wherein the quantum wires or quantum dots are made of In a Ga 1-a As in which a is 0 or more and 1 or less. By doing so, the wavelength 1.3
It is possible to realize a semiconductor light emitting device having a wavelength of about 0.5 mm in a low loss and low dispersion wavelength range of a quartz fiber.
【００１４】また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、量子ドット構造
が自己形成的に成長されることを特徴としており、これ
により、層構造を作製する際に、成長のみで簡便に、ま
た良好な素子特性をもって半導体発光素子を実現するこ
とができる。Further, the fact that the lattice constant of the semiconductor forming the quantum dot structure is different from the lattice constant of the layer forming the surface on which the quantum dot structure is laminated, makes it possible for the quantum dot structure to grow in a self-forming manner. This makes it possible to easily realize a semiconductor light emitting device with good device characteristics only by growth when producing a layer structure.
【００１５】 〔発明の詳細な説明〕次に、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。[Detailed Description of the Invention] Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
【００１６】（第１の実施形態）図１（ａ）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
の模式的な断面図であり、同図（ｂ）は、量子細線を形
成した後の、再成長前の表面近傍の活性層部を模式的に
表す斜視図である。始めに、ＭＢＥ法により、面方位
（１００）のｎ型ＧａＡｓ基板１上に、Ｓｉドープｎ型
の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、その上にＧａＡｓクラッド層３を
成長後、３周期の、６ｎｍ厚のＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ量
子井戸４と６ｎｍ厚のＧａＡｓバリヤ層５を成長し、そ
の後、約８ｎｍ厚のＩｎ0.2 Ｇａ 0.8Ａｓ層６を形成
し、最表面を２ｎｍのＧａＡｓ層７で覆う。ここまでの
成長後、以下に述べるような手法で表面近傍の前記Ｉｎ
0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層６をパターニングすることによっ
て、量子細線層８を形成する。(First Embodiment) FIG. 1A shows GaAs.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an example in which the present invention is applied to a surface emitting laser on a substrate 1. FIG. 4B shows an active layer portion near the surface before the regrowth after forming the quantum wires. It is a perspective view which represents typically. First, a distributed Bragg reflector 2 having a multilayer structure of Si-doped n-type GaAs / AlAs is grown on an n-type GaAs substrate 1 having a (100) plane orientation by MBE, and a GaAs cladding layer is formed thereon. After growing 3, three cycles of a 6 nm thick In 0.2 Ga 0.8 As quantum well 4 and a 6 nm thick GaAs barrier layer 5 are grown, and then an about 8 nm thick In 0.2 Ga 0.8 As layer 6 is formed. The outermost surface is covered with a 2 nm GaAs layer 7. After the growth up to this point, the above-mentioned In near the surface is formed by the method described below.
The quantum wire layer 8 is formed by patterning the 0.2 Ga 0.8 As layer 6.
【００１７】まず、前記ＧａＡｓ層７の表面にレジスト
を塗布し、電子ビームで露光する事により、幅が２０ｎ
ｍの直線状のレジストパターンを、２０ｎｍ間隔で〔０
１１〕方向に形成する。この後、反応性イオンビームエ
ッチングにより、前記ＧａＡｓ層７とＩｎ0.2 Ｇａ0.8
Ａｓ層６のレジストパターンのない部分を、約１０ｎｍ
エッチングする。こうして形成された、量子細線層８か
らなる表面上に再度ＭＢＥ成長を行う。ここで、クラッ
ド層３、Ｂｅドープｐ型のＧａＡｓ／ＡｌＡｓの多層構
造よりなる分布型ブラッグ反射鏡９を成長し、表面にオ
ーミック接合のためのＧａＡｓ層１０を成長する。しか
る後、通常のフォトリソグラフィーおよびウェットエッ
チングにより、直径１０ｍｍ程度の円形のメサ構造を作
製し、上面およびメサに近接する部分に電流注入用の電
極１１を形成する。ここで、分布型ブラッグ反射鏡の共
振波長は、９８０ｎｍとなるよう設計する。First, a resist is applied to the surface of the GaAs layer 7 and is exposed to an electron beam to have a width of 20 nm.
m linear resist patterns at intervals of 20 nm [0
11]. Thereafter, the GaAs layer 7 and In 0.2 Ga 0.8 are formed by reactive ion beam etching.
A portion of the As layer 6 without a resist pattern is reduced to about 10 nm.
Etch. MBE growth is again performed on the surface formed of the quantum wire layer 8 thus formed. Here, a cladding layer 3 and a distributed Bragg reflector 9 having a multilayer structure of Be-doped p-type GaAs / AlAs are grown, and a GaAs layer 10 for ohmic junction is grown on the surface. Thereafter, a circular mesa structure having a diameter of about 10 mm is formed by ordinary photolithography and wet etching, and an electrode 11 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 980 nm.
【００１８】ここで、前記６ｎｍ厚のＩｎ0.2 Ｇａ0.8
Ａｓ量子井戸４は、電流注入によりピーク波長９８０ｎ
ｍに利得を有するようになる。また、量子細線層８は、
電流注入量によって利得波長は若干変化するが、９８０
ｎｍから９６０ｎｍ付近に、〔０１１〕方向に大きい利
得を有する。したがって、電流注入による利得は、９８
０ｎｍをピークとして、全体として〔０１１〕方向に大
きいものになる。図２に、上記面発光レーザの光出力特
性を示す。注入電流１０ｍＡ程度で発振が生じ、しか
も、発振光は〔０１１〕方向に偏光したものであった。
この特性は、素子特性をテストした、２０個以上の素子
において同様であった。Here, the 6 nm thick In 0.2 Ga 0.8
The As quantum well 4 has a peak wavelength of 980 n due to current injection.
m has a gain. The quantum wire layer 8 is
The gain wavelength slightly changes depending on the amount of current injection.
It has a large gain in the [011] direction from about nm to 960 nm. Therefore, the gain due to current injection is 98
With the peak at 0 nm, the total becomes larger in the [011] direction. FIG. 2 shows the light output characteristics of the surface emitting laser. Oscillation occurred at an injection current of about 10 mA, and the oscillation light was polarized in the [011] direction.
This characteristic was the same in 20 or more devices whose device characteristics were tested.
【００１９】（第２の実施形態）この第２の実施形態で
は、前記第１の実施形態に示した構造の量子細線の代わ
りに量子ドットを用い、特に、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量子ドット構造を用い
ている。図３（ａ）は、第２の実施形態による面発光レ
ーザの模式的な断面図であり、同図（ｂ）は、量子ドッ
トを形成した直後の、活性層近傍の領域をの模式的な斜
視図である。基本的な構造は第１の実施形態と同様であ
るが、ここでは量子ドット構造の形成の手法として、エ
ッチング技術は用いず、全て成長手法のみで行ってい
る。(Second Embodiment) In the second embodiment, quantum dots are used instead of the quantum wires having the structure shown in the first embodiment. The quantum dot structure obtained by the technique is used. FIG. 3A is a schematic sectional view of the surface emitting laser according to the second embodiment, and FIG. 3B is a schematic sectional view of a region near an active layer immediately after forming a quantum dot. It is a perspective view. The basic structure is the same as that of the first embodiment, but here, the quantum dot structure is formed only by a growth method without using an etching technique.
【００２０】まず、ＭＢＥ法により、面方位（１００）
のｎ型ＧａＡｓ基板１上にＳｉドープｎ型の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クラッド層３の成長後、３周期の６ｎ
ｍ厚のＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ量子井戸４と、６ｎｍ厚の
ＧａＡｓバリヤ層５を成長し、その後、量子ドットを形
成するために、ＩｎＡｓおよびＧａＡｓを交互に０．０
６ｎｍずつ積層する。そして、この全膜厚が１．４ｎｍ
程度になった際にこの層の成長を終了する。この場合、
ＩｎＡｓとＧａＡｓの平均組成としてはＩｎ0.5 Ｇａ
0.5 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。引き続いてクラッ
ド層３を成長し、Ｂｅドープｐ型のＧａＡｓ／ＡｌＡｓ
の多層構造よりなる分布型ブラッグ反射鏡９を成長し、
表面にオーミック接合のためのＧａＡｓ層１０を成長す
る。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
トリソグラフィーおよびウェ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、上面および
メサに近接する部分に電流注入用の電極１１を形成す
る。ここで、分布型ブラッグ反射鏡の共振波長は、９８
０ｎｍとなるよう設計する。First, the plane orientation (100) is determined by the MBE method.
Si-doped n-type GaAs /
A distributed Bragg reflector 2 having a multilayer structure of AlAs is grown, and after growing a GaAs cladding layer 3, three periods of 6n are formed.
An In 0.2 Ga 0.8 As quantum well 4 having a thickness of m and a GaAs barrier layer 5 having a thickness of 6 nm are grown, and then InAs and GaAs are alternately formed to form quantum dots.
Laminate 6 nm each. And the total film thickness is 1.4 nm.
When this is reached, the growth of this layer is terminated. in this case,
The average composition of InAs and GaAs is In 0.5 Ga
The thickness becomes 0.5 As, and the quantum dot structure 21 is formed in a self-forming manner by the lamination of the above total film thickness. Subsequently, a clad layer 3 is grown, and Be-doped p-type GaAs / AlAs
Growing a distributed Bragg reflector 9 having a multilayer structure of
A GaAs layer 10 for ohmic junction is grown on the surface. 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 11 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 98
It is designed to be 0 nm.
【００２１】第１の実施形態で述べたように、６ｎｍ厚
のＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ量子井戸４は電流注入により、
ピーク波長９８０ｎｍに利得を有する。また、量子ドッ
ト構造２１は、基底準位間遷移による利得ピークは１０
００ｎｍにあり、高次準位間遷移による利得ピークは９
６０ｎｍ付近の短波側にある。ここで、基底準位間遷移
による利得は、量子ドットの長手方向である〔０１
* １〕方向に大きいことが報告されている。また、この
手法による量子ドットでは、サイズバラツキのため、利
得幅が大きく、９８０ｎｍにおける利得も、〔０１
* １〕方向に大きい。したがって、電流注入による利得
は、９８０ｎｍをピークとして、全体として〔０１
* １〕方向に大きいものになる。素子特性は、注入電流
８ｍＡ程度で発振が生じ、しかも、発振光は〔０１
* １〕方向に偏光したものであった。この特性は、素子
特性をテストした、２０個以上の素子において同様であ
った。As described in the first embodiment, the In 0.2 Ga 0.8 As quantum well 4 having a thickness of 6 nm is formed by current injection.
It has a gain at a peak wavelength of 980 nm. The quantum dot structure 21 has a gain peak due to transition between ground levels of 10%.
00 nm, and the gain peak due to the transition between higher levels is 9
It is on the short wave side near 60 nm. Here, the gain due to the transition between ground levels is in the longitudinal direction of the quantum dot [01
* 1] It is reported that the size is large in the direction. In addition, the quantum dot obtained by this method has a large gain width due to size variation, and the gain at 980 nm is also [0101].
* 1] Large in the direction. Therefore, the gain due to the current injection has a peak at 980 nm and is [011] as a whole.
* 1) It becomes larger in the direction. As for the device characteristics, oscillation occurs at an injection current of about 8 mA, and the oscillation light is [01
* 1] It was polarized in the direction. This characteristic was the same in 20 or more devices whose device characteristics were tested.
【００２２】（第３の実施形態）次に、第２の実施形態
に示した、量子井戸と量子ドットの組み合わせによる面
発光レーザで、発振波長が９８０ｎｍでなく、１．３ｍ
ｍである第３の実施形態について説明する。図４（ａ）
は、第３の実施形態による面発光レーザの模式的な断面
図であり、同図（ｂ）は、量子ドットを形成した直後
の、活性層近傍の領域の模式的な斜視図である。(Third Embodiment) Next, the surface emitting laser shown in the second embodiment, which is a combination of a quantum well and a quantum dot, has an oscillation wavelength of 1.3 m instead of 980 nm.
A third embodiment, m, will be described. FIG. 4 (a)
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a surface emitting laser according to a third embodiment, and FIG. 4B is a schematic perspective view of a region near an active layer immediately after quantum dots are formed.
【００２３】まず、ＭＢＥ法により、面方位（１００）
のｎ型ＧａＡｓ基板１上にＳｉドープｎ型の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クラッド層３の成長後、２周期の、８
ｎｍ厚のＧａＡｓ0.65Ｓｂ0.35量子井戸３１と２０ｎｍ
厚のＧａＡｓバリヤ層３２を成長する。その後、ＩｎＡ
ｓを、０．７２ｎｍ成長する分の量を供給して、自己形
成的にＩｎＡｓ量子ドット層３３を形成する。その自己
形成的な量子ドット層の上に、量子ドットの歪を減少さ
せる５ｎｍ厚の、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ歪緩和層３４を
連続的に成長する。引き続いてクラッド層３を成長し、
Ｂｅドープｐ型のＧａＡｓ／ＡｌＡｓの多層構造よりな
る分布型ブラッグ反射鏡９を成長し、表面にオーミック
接合のためのＧａＡｓ層１０を成長する。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
およびウェ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、上面およびメサに近接する部
分に電流注入用の電極１１を形成する。ここで、分布型
ブラッグ反射鏡の共振波長は、１．２８ｍｍとなるよう
設計する。First, the plane orientation (100) is determined by the MBE method.
Si-doped n-type GaAs /
A distributed Bragg reflector 2 having a multilayer structure of AlAs is grown, and after the GaAs cladding layer 3 is grown, two cycles of 8
GaAs 0.65 Sb 0.35 quantum well 31 nm thick and 20 nm
A thick GaAs barrier layer 32 is grown. Then, InA
An InAs quantum dot layer 33 is formed in a self-forming manner by supplying an amount for growing s by 0.72 nm. On the self-formed quantum dot layer, a 5 nm-thick In 0.2 Ga 0.8 As strain relaxation layer 34 for continuously reducing the strain of the quantum dots is continuously grown. Subsequently, the cladding layer 3 is grown,
A distributed Bragg reflector 9 having a multilayer structure of Be-doped p-type GaAs / AlAs is grown, and a GaAs layer 10 for ohmic junction is grown on the surface. 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 11 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 1.28 mm.
【００２４】この第３の実施形態では、８ｎｍ厚のＧａ
Ａｓ0.65Ｓｂ0z35量子井戸３１は、電流注入により、ピ
ーク波長１．２８ｍｍに利得を有する。また、InAs量子
ドット層３３は、Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ歪緩和層３４で
覆われた際には、やはりピーク波長１．２８ｍｍに利得
を有するようになる。これは、ＩｎＡｓ量子ドットの内
部歪がある程度緩和され、バンドギャップの短波長化が
減少するためである。また、量子ドットからの利得は、
第２の実施形態と同様に、量子ドットの長手方向である
〔０１* １〕方向に大きい。したがって、電流注入によ
る利得は、１．２８ｍｍをピークとして、全体として
〔０１* １〕方向に大きい。この第３の実施形態による
面発光レーザでは、注入電流１５ｍＡ程度で波長１．２
８ｍｍで発振が生じ、発振光は〔０１* １〕方向に偏光
したものであった。In the third embodiment, an 8 nm-thick Ga
The As 0.65 Sb 0z35 quantum well 31 has a gain at a peak wavelength of 1.28 mm due to current injection. Further, when the InAs quantum dot layer 33 is covered with the In 0.2 Ga 0.8 As strain relaxation layer 34, the gain also has a peak wavelength of 1.28 mm. This is because the internal strain of the InAs quantum dots is alleviated to some extent, and the shortening of the band gap wavelength is reduced. Also, the gain from quantum dots is
As in the second embodiment, it is large in the [01 * 1] direction, which is the longitudinal direction of the quantum dot. Therefore, the gain due to the current injection is large in the [01 * 1] direction as a whole, with a peak at 1.28 mm. In the surface emitting laser according to the third embodiment, an injection current of about 15 mA and a wavelength of 1.2
Oscillation occurred at 8 mm, and the oscillation light was polarized in the [01 * 1] direction.
【００２５】以上、第１ないし第３の実施形態では（１
００）ＧａＡｓ基板上に形成された、半導体多層膜と量
子井戸に、加工による量子細線、また歪構造の成長によ
る、自己形成的な手法での量子ドット構造を組み合わせ
た面発光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同様の効果が
得られる。As described above, in the first to third embodiments, (1
00) A surface emitting semiconductor laser in which a semiconductor multilayer film and a quantum well formed on a GaAs substrate are combined with a quantum wire by processing and a quantum dot structure by a self-forming method by growing a strained structure has been described. However, a similar effect can be obtained even when a dielectric multilayer film is used instead of the semiconductor multilayer film.
【００２６】また、半導体基板としても面方位（１０
０）のＧａＡｓだけでなく、例えば、ＩｎＰ基板を用い
てもかまわない。もちろん、素子作製上のプロセス等は
煩雑にはなるが、（３１１）Ｂ等の面方位を用いても、
本発明による効果は出現する。The semiconductor substrate may have a plane orientation (10
For example, an InP substrate may be used instead of GaAs of 0). Of course, the process for fabricating the element becomes complicated, but even if a plane orientation such as (311) B is used,
The effect according to the present invention appears.
【００２７】さらに、量子細線や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。成長方法も、Ｍ
ＢＥ法だけでなく、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）
や、それらの組み合わせ等でもかまわない。Further, as for the method of forming the quantum wire or the quantum dot structure, in addition to the combination of the growth and the etching of the quantum well structure and the self-forming method, semiconductor fine particles or local strain is effectively used. It may be one that realizes confinement of dimensions. The growth method is M
Metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) as well as BE
Or a combination thereof.
【００２８】また、前記各実施形態では、半導体多層膜
としてＧａＡｓ／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 Ｇ
ａ1-x Ａｓ／ＩｎＰやＧａＡｓ1-x-y Ｐx Ｓｂy ／Ａｌ
Ａｓ1-a-b Ｐa Ｓｂb 等の材料系を用いてもかまわな
い。Further, in the respective embodiments have been described distributed Bragg reflector comprising a multilayer structure of GaAs / AlAs as the semiconductor multilayer film as an example, In addition to this an In x G
a 1-x As / InP and GaAs 1-xy P x Sb y / Al
As 1-ab P a Sb may be used material system such as b.
【００２９】[0029]
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、多層膜
積層構造と活性層とで構成される半導体発光素子におい
て、活性層の構成として、量子井戸と、量子井戸による
利得波長と同一の波長域に利得が存在する量子細線また
は量子ドットを組み合わせた構成とすることにより、面
内に異方的な光学特性が存在しないような素子構造、面
方位を用いても面発光レーザの偏光を制御することが可
能となり、発振光の偏光を一意に制御できる半導体発光
素子を実現することが可能となる。As described above, according to the present invention, in a semiconductor light emitting device having a multi-layer structure and an active layer, the structure of the active layer is the same as the quantum well and the gain wavelength of the quantum well. By combining quantum wires or quantum dots that have gain in the wavelength range of 素 子, the polarization of the surface emitting laser can be obtained even if the device structure and the plane orientation do not have anisotropic optical characteristics in the plane. Can be controlled, and a semiconductor light emitting device that can uniquely control the polarization of the oscillation light can be realized.
【図１】本発明の第１の実施形態の模式的な断面図と、
再成長前の表面近傍の活性層部を模式的に表す斜視図で
ある。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a first embodiment of the present invention,
FIG. 9 is a perspective view schematically showing an active layer portion near the surface before regrowth.
【図２】第１の実施形態による面発光レーザの光出力特
性を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing light output characteristics of the surface emitting laser according to the first embodiment.
【図３】本発明の第２の実施形態の模式的な断面図と、
量子ドットを形成した直後の活性層近傍の領域の模式的
な斜視図である。FIG. 3 is a schematic sectional view of a second embodiment of the present invention,
FIG. 3 is a schematic perspective view of a region near an active layer immediately after forming quantum dots.
【図４】本発明の第３の実施形態の模式的な断面図と、
量子ドットを形成した直後の、活性層近傍の領域の模式
的な斜視図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a third embodiment of the present invention,
FIG. 3 is a schematic perspective view of a region near an active layer immediately after forming quantum dots.
１ ｎ型ＧａＡｓ基板 ２ Ｓｉドープｎ型のＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布型ブラッ
グ反射鏡 ３ ＧａＡｓクラッド層 ４ ６ｎｍ厚Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ量子井戸 ５ ６ｎｍ厚のGaAsバリヤ層 ６ 約８ｎｍ厚のＩｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ層 ７ ２ｎｍのＧａＡｓ層 ８ 量子細線層 ９ Ｂｅドープｐ型のＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布型ブラッ
グ反射鏡 １０ ＧａＡｓコンタクト層 １１ 電極 ２１ 自己形成的ＩｎＧａＡｓ量子ドット構造 ３１ ８ｎｍ厚のＧａＡｓ0.65Ｓｂ0.35量子井戸 ３２ ２０ｎｍ厚のＧａＡｓバリヤ層 ３３ 自己形成的ＩｎＡｓ量子ドット層 ３４ Ｉｎ0.2 Ｇａ0.8 Ａｓ歪緩和層Reference Signs List 1 n-type GaAs substrate 2 Si-doped n-type GaAs / AlAs distributed Bragg reflector 3 GaAs cladding layer 4 6 nm thick In 0.2 Ga 0.8 As quantum well 5 6 nm thick GaAs barrier layer 6 About 8 nm thick In 0.2 Ga 0.8 As Layer 7 2 nm GaAs layer 8 Quantum wire layer 9 Be-doped p-type GaAs / AlAs distributed Bragg reflector 10 GaAs contact layer 11 Electrode 21 Self-formed InGaAs quantum dot structure 31 8 nm thick GaAs 0.65 Sb 0.35 quantum well 32 20 nm Thick GaAs barrier layer 33 Self-forming InAs quantum dot layer 34 In 0.2 Ga 0.8 As strain relaxation layer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01S 5/00-5/50 JICST file (JOIS)
Claims (7)
流注入により発光する活性層とが複合構造として形成さ
れ、前記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、
前記活性層は、膜厚が電子のド・ブロイ波長程度以下で
ある少なくとも１層以上の量子井戸を有し、かつ、積層
面内、積層方向ともその寸法が１００ｎｍ程度以下で、
キャリヤが２次元的に閉じこめられる量子細線からなる
層、または３次元的に閉じ込められる半導体量子ドット
からなる層の、少なくともどちらかの層を１層以上有
し、前記記量子井戸の利得帯域と、前記量子細線または
量子ドットの利得帯域の共通する波長に、共振波長が設
定されていることを特徴とする半導体発光素子。1. A multilayer structure having a multilayer structure and an active layer that emits light by current injection formed as a composite structure on a semiconductor substrate, and emits light having a wavelength defined by the multilayer structure in a direction perpendicular to the stacking surface. In the emitting semiconductor light emitting element,
The active layer has at least one or more quantum wells having a film thickness of about the electron de Broglie wavelength or less, and has a dimension of about 100 nm or less in the lamination plane and in the lamination direction.
A carrier comprising two or more layers of quantum wires confined two-dimensionally or a layer of semiconductor quantum dots three-dimensionally confined; A semiconductor light emitting device, wherein a resonance wavelength is set to a wavelength common to gain bands of the quantum wires or quantum dots.
半導体基板と格子定数の異なる半導体よりなることを特
徴とする請求項１記載の半導体発光素子。2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein said quantum wires or quantum dots are made of a semiconductor having a lattice constant different from that of said semiconductor substrate.
成されることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素
子。3. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein said multilayer structure is composed of a semiconductor multilayer film.
ｓ／Ａｌy Ｇａ1-yＡｓよりなり、ｘは０以上１未満、
ｙは０より大きく１以下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。4. The method according to claim 1, wherein the semiconductor multilayer film is made of Al x Ga 1 -x A.
s / Al y Ga consists 1-y As, x is 0 to less than 1,
4. The semiconductor light emitting device according to claim 3, wherein y is greater than 0 and equal to or less than 1.
記量子井戸は、ｚが０以上１以下であるＩｎz Ｇａ1-z
Ａｓよりなり、前記量子細線または量子ドットがａが０
以上１以下であるＩｎa Ｇａ1-a Ａｓよりなることを特
徴とする請求項１記載の半導体発光素子。5. The semiconductor substrate is made of GaAs, and the quantum well has an In z Ga 1 -z in which z is 0 or more and 1 or less.
As, the quantum wire or the quantum dot is such that a is 0
2. The semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the semiconductor light-emitting device is made of In a Ga 1-a As that is at least 1.
記量子井戸は、ｚが０より大きく１以下であるＧａＡｓ
1-Z ＳｂZ よりなり、前記量子細線または量子ドットが
ａが０以上１以下であるＩｎa Ｇａ1-a Ａｓよりなるこ
とを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。6. The GaAs in which the semiconductor substrate is made of GaAs, and the quantum well has a z of more than 0 and 1 or less.
2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the semiconductor is made of 1-Z Sb Z , and the quantum wires or quantum dots are made of In a Ga 1-a As in which a is 0 or more and 1 or less.
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、量子ドット構造が
自己形成的に成長されることを特徴とする請求項２記載
の半導体発光素子。7. 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 stacked. The semiconductor light emitting device according to claim 2, wherein:
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