JP5023419B2 - 半導体量子ドット・デバイス - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光通信や光インターコネクション等に使用される半導体レーザ、半導体増幅器、半導体光スイッチ、波長変換素子などの半導体光デバイスに関し、さらに言えば、量子ドットを含んでなる半導体量子ドット・デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
伝導電子（以下、単に電子ともいう）を３次元的に閉じ込めることができる「量子ドット（quantum dot）」では、伝導電子の状態密度関数はデルタ関数的となるため、そのエネルギー準位は離散的になる。したがって、量子ドットに伝導電子が注入されると、その伝導電子の持つエネルギーは、それらの離散的エネルギー準位に集中する。その結果、量子ドット内において伝導電子がホールと発光再結合することにより得られる発光スペクトルは、エネルギーの広がりが非常に狭く、かつ光強度は大きいものとなる。これは、ホールについても同様のことが言える。
【０００３】
このような特性を持つ量子ドットを半導体レーザの活性層に適用すると、半導体レーザの発振の閾電流値が低下してその温度特性が向上する。さらに、伝導電子やホール（つまりキャリア）の密度の変化に対する利得ピークの変化が非常に大きいことから、高速動作が可能となる。（以下、量子ドットを活性層に適用した半導体レーザを「量子ドット・レーザ」とも呼ぶ。）
【０００４】
このような優れた特性を持つ量子ドット・レーザを実現するためには、結晶性の劣化を生じさせずに、かつ高密度で高均一に量子ドットを形成する必要がある。これを可能にする量子ドットの形成方法としては、リソグラフィーとドライエッチング等を使用する方法が知られている。しかしこの方法では、リソグラフィーやドライエッチングに起因する加工損傷が半導体結晶中に導入されるため、発光効率が著しく低下するという難点がある。
【０００５】
そこで、近年では、このような難点が生じない方法として、結晶成長のみで量子ドットを形成する「自己形成法（あるいは自己組織法）」が開発され、また実際に使用されている。この自己形成法（あるいは自己組織法）は、半導体基板上にそれとは格子不整合な半導体層をその臨界膜厚を超えて結晶成長させる方法である。この方法では、臨界膜厚を超えるまでは半導体結晶は層状に成長し、臨界膜厚を超えると島状に成長する。その結果、量子ドットに適したサイズの島状の半導体結晶が半導体基板上に形成される。
【０００６】
「自己形成法」は、レナードらによって１９９３年に報告された次のような知見に基づくものである。すなわち、ＧａＡｓ基板上に格子不整合なＩｎＧａＡｓを成長させると、臨界膜厚を超えるまではＩｎＧａＡｓは層状に成長するが、臨界膜厚を超えるとＩｎＧａＡｓは島状に成長する。そして、こうして得られる島状のＩｎＧａＡｓ結晶は、量子ドットに適した数十ｎｍの大きさを持つ、というものである（アプライド・フィジックス・レターズ、１９９３年１２月、第６３巻、第２３号、第３２０３頁〜第３２０５頁、D. Leonard et al., Applied Physics Letters, Vol. 63, No. 23, pp. 3203-3205, December 1993）。
【０００７】
「自己形成法」は、その後、量子ドットの優れた形成法として評価が確立している。
【０００８】
「自己形成法」によって形成した量子ドットの半導体レーザへの応用については、従来より多くの研究がなされている。例えば、この方法を用いて製作した量子ドット・レーザが、従来のバルク半導体や量子井戸構造を利用した活性層を持つ半導体レーザよりも低い注入電流密度で動作することは、リュウらによって実証されている（エレクトロニクス・レターズ、１９９９年７月８日、第３５巻、第１４号、第１１６３頁〜第１１６５頁、G. T. Liu et al., Electronics Letters, Vol. 35, No. 14, pp. 1163-1165, 8th July, 1999）。
【０００９】
また、この方法を用いて製作した量子ドット・レーザの動作電流が温度に影響されないことは、チェンらによって実証されている（エレクトロニクス・レターズ、２０００年９月２８日、第３６巻、第２０号、第１７０３頁〜第１７０４頁、H. Chen et al., Electronics Letters, Vol. 36, No. 20, pp. 1703-1704, 28th September, 2000）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、量子ドット・レーザの動作速度については、いまだバルク半導体や量子井戸構造を使用した活性層を持つ従来の半導体レーザを超えるものは得られていない。これは、以下に述べるような、量子ドットに特有の本質的な問題に起因する。
【００１１】
すなわち、３次元的に量子化された量子ドットでは、パウリの排他律に従うと、伝導帯と価電子帯の最低エネルギー準位（基底準位）には、それぞれ、量子ドット１個に対して２個の伝導電子と２個のホールしか存在できない。このため、伝導帯と価電子帯の基底準位がこれら伝導電子やホール（すなわちキャリア）で満たされていると、これらの基底準位にさらに伝導電子やホールを注入することはできないのである。なお、このように、伝導帯と価電子帯の励起準位から伝導電子やホールがそれらの基底準位に遷移することは、「緩和」と呼ばれる。
【００１２】
したがって、活性層に形成した複数の量子ドットに、多数のキャリア（つまり伝導電子とホール）を注入して発振させる量子ドット・レーザの場合には、伝導帯の励起準位（伝導帯の基底準位より高いエネルギー準位）から基底準位への伝導電子の緩和速度は、注入によって伝導電子の数が増加するにしたがって徐々に低下する。また、価電子帯の励起準位（すなわち価電子帯の基底準位より低いエネルギー準位）から基底準位へのホールの緩和速度は、注入によってホールの数が増加するにしたがって徐々に低下する。
【００１３】
図１０は、ＧａＡｓ基板上に複数のＩｎＡｓ量子ドットを形成してなる半導体試料の発光（フォトルミネッセンス、ＰＬ）スペクトルを示す。この試料は、ＧａＡｓ基板上に形成した複数のＩｎＡｓ量子ドットを含む。図１０の発光スペクトルは、励起光を照射してその試料の内部にキャリアを生成させ、そのキャリアがＩｎＡｓ量子ドットにおいて発光再結合するときに生じる光を測定して得たものである。
【００１４】
図１１は、図１０の発光スペクトルを得る際に用いた試料について、量子ドットの基底準位からの発光強度Ｉ1と励起準位からの発光強度Ｉ2の比（Ｉ2／Ｉ1）の励起強度（Excitation power）依存性を示したグラフである。
【００１５】
図１０と図１１から分かるように、励起強度を増加していくと、初めは基底準位からの発光強度Ｉ1が増加して徐々に飽和していき、その後、励起準位からの発光強度Ｉ2が増加している。励起準位の発光強度Ｉ2の増加は、基底準位からの発光強度Ｉ1が完全に飽和する以前に徐々に発生し始めている。
【００１６】
ここで、励起準位でのキャリア数の時間変化は、励起準位へのキャリアの熱励起を考慮した場合、次の数式（１）で与えられる。
【００１７】
【数１】
【００１８】
数式（１）において、Ｎ1とＮ2はそれぞれ基底準位と励起準位のキャリア数、τr1とτr2はそれぞれ基底準位と励起準位の発光再結合時間、τ2-1は励起準位から基底準位へのキャリアの緩和時間、ΔＥ2-1は励起準位と基底準位のエネルギー差、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。
【００１９】
定常状態では、数式（１）の左辺が「０」となるから、励起準位の発光強度Ｉ2と基底準位の発光強度Ｉ1との比（Ｉ2／Ｉ1）は、次の数式（２）のようになる。
【００２０】
【数２】
【００２１】
数式（２）より明らかなように、発光強度比（Ｉ2／Ｉ1）は、絶対温度Ｔの関数となっている。
【００２２】
上述した半導体試料（つまり、ＧａＡｓ基板上にＩｎＡｓ量子ドットを形成したもの）では、ΔＥ2-1が７３ｍｅＶ、τr1とτr2が室温（２９３Ｋ）でそれぞれ０．７ｎｓと０．５ｎｓであるとすると、図１１に示した発光強度比（Ｉ2／Ｉ1）の変化から求められる励起準位から基底準位へのキャリアの緩和時間τ2-1の励起強度依存性は、図１２のようになる。
【００２３】
図１２から分かるように、励起強度を増加していくと、量子ドットの励起準位から基底準位に遷移するキャリアの緩和時間τ2-1は、基底準位にキャリアが満たされていくにしたがって徐々に長くなり、基底準位や励起準位での発光再結合時間τr1とτr2（１ｎｓ程度）に近づいている。
【００２４】
図１２から分かるように、レーザ発振時と同等のキャリア密度が得られる励起強度＝１００Ｗ／ｃｍ2のときには、キャリア緩和時間ｔ2-1は室温（２９３Ｋ）で０．２ｎｓとなる。この場合、次の数式（３）で与えられる３ｄＢ変調帯域ｆ3dBは、０．８ＧＨｚとなる。つまり、３ｄＢ変調帯域ｆ3dBは０．８ＧＨｚに制限されることになる。
【００２５】
【数３】
【００２６】
以上の説明から明らかなように、量子ドット・レーザのような量子ドット・デバイスの動作は、量子ドットに固有な基底準位へのキャリアの緩和速度の低下（キャリア緩和時間ｔ2-1の増加）という現象により、変調速度が低下し、その結果、現状の光通信システムに対して必要性の高い１０ＧＨｚ程度の変調帯域を実現することが困難である、という問題がある。
【００２７】
本発明は、かかる問題を解消すべくなされたものであって、その目的とするところは、量子ドットの基底準位へのキャリアの緩和を促進し、もって変調帯域が拡大された量子ドット・デバイスを提供することにある。
【００２８】
本発明の他の目的は、１０ＧＨｚ程度以上の広い変調帯域を実現できる量子ドット・デバイスを提供することにある。
【００２９】
本発明のさらに他の目的は、１０ＧＨｚ程度以上の高速動作を実現できる量子ドット・デバイスを提供することにある。
【００３０】
本発明のさらに他の目的は、以下の説明および添付図面から明らかになる。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
（１） 本発明の量子ドット・デバイスは、
複数の量子ドットを備えた半導体量子ドット・デバイスにおいて、
前記量子ドットがｐ型不純物を含んでおり、
前記ｐ型不純物は、前記量子ドットの内部にホールを生成していて、それらホールは前記量子ドットの価電子帯の基底準位にあり、
前記ｐ型不純物が前記量子ドットの内部に生成する前記ホールの数が、前記量子ドットの価電子帯の基底準位の状態数と同数以上となるように、前記ｐ型不純物の濃度が設定されており、
前記量子ドットに接して形成されたｐ型不純物領域及びｎ型不純物領域が存在しないことを特徴とするものである。
【００３２】
（２） 本発明の量子ドット・デバイスでは、前記量子ドットがｐ型不純物を含んでおり、また、前記ｐ型不純物は、前記量子ドットの内部にホールを生成していて、それらホールは前記量子ドットの価電子帯の基底準位にある。しかも、前記ｐ型不純物が前記量子ドットの内部に生成する前記ホールの数が、前記量子ドットの価電子帯の基底準位の状態数と同数以上となるように、前記ｐ型不純物の濃度が設定されている。さらに、前記量子ドットに接して形成されたｐ型不純物領域及びｎ型不純物領域が存在しない構成となっている。このため、前記量子ドットの基底準位へのキャリアの緩和（キャリア注入）が促進され、前記量子ドットの基底準位へのキャリアの緩和時間の増加が抑制される。その結果、量子ドット・デバイスの変調帯域を拡大することができる。よって、１０ＧＨｚ程度以上の広い変調帯域や１０ＧＨｚ程度以上の高速動作を実現することができる。
【００３３】
（３） 本発明の第１の量子ドット・デバイスでは、半導体レーザの機能や半導体光増幅器の機能を有するのが好ましい。
また、前記ｐ型不純物が前記量子ドットの内部に生成する前記ホールの数が、前記量子ドットの価電子帯の基底準位の状態数と同数となるように、前記ｐ型不純物の濃度が設定されるのが好ましい。
【００４１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の好適な実施の形態について説明する。しかし、本発明は、これら実施の形態に限定されないことは言うまでもない。
【００４２】
（第１実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態の半導体量子ドット・デバイスの基本構成を示す概念図、図１（ｂ）はそのエネルギー・バンド図である。
【００４３】
図１（ａ）に示すように、アンドープの半導体より形成された複数の量子ドット１は、ｐ型半導体障壁層３の表面に面密度５×１０10ｃｍ-2で配置されている。ｐ型半導体障壁層３にはｐ型不純物が導入されているため、ｐ型半導体障壁層３の内部には多数のホール４が存在している。これらホール４の一部は、隣接する量子ドット１の内部に注入されている。つまり、量子ドット１には、ｐ型不純物は注入されていない（つまりアンドープである）が、ホール４を含んでいるのである。そして、これらのホール４は、図１（ｂ）に示すように、量子ドット１の価電子帯の基底準位８にあり、その基底準位８はホール４によって満たされている。
【００４４】
複数の量子ドット１は、その上に形成されたアンドープ半導体障壁層２によって覆われている。
【００４５】
スピンを考慮すると、各量子ドット１の価電子帯の基底準位８には２個の状態数が存在する。そこで、ｐ型半導体障壁層３にドープされるｐ型不純物の量は、１×１０11ｃｍ-2（＝５×１０10ｃｍ-2×２）の面密度でホール４が生成されるように設定してある。
【００４６】
以上のように、量子ドット１中に予めホール４が注入されていて、それらホール４が量子ドット１の価電子帯の基底準位８にあるため、量子ドット１の伝導帯の励起準位６から基底準位７への伝導電子５の緩和過程１０が促進される。換言すれば、量子ドット１の伝導電子５の緩和時間が短縮される。
【００４７】
なお、図１（ｂ）の符号「１１」は、量子ドット１の伝導帯の基底準位７から、伝導電子５が価電子帯の基底準位８に遷移し、その基底準位８に存在していたホール４と再結合して発光する過程を示す。
【００４８】
量子ドット１の伝導帯の励起準位６から基底準位７への伝導電子５の緩和過程１０が促進される理由は、次の通りである。ここでは、本発明の量子ドット・デバイスを半導体レーザに適用した場合について説明するが、他の光デバイスに適用した場合も同様である。
【００４９】
一般に、半導体レーザの直接変調を行う場合、レーザ発振した状態で半導体レーザへの注入キャリア（つまり注入電流）を増減させることにより、出射光の強度を変化させる。このとき、レーザ発振時には活性層のキャリア密度の閾値（閾キャリア密度）は不変であるから、キャリアの増減分だけ出射光の強度が変わる。したがって、活性層が量子ドット構造を含む量子ドット・レーザの場合、その動作（変調）速度を向上させるには、量子ドット構造を形成する量子ドットの基底準位の閾キャリア密度をできるだけ少なくし、それによって基底準位へのキャリアの緩和過程ができるだけ早く行われるようにすることが重要である。
【００５０】
図１（ｂ）に示すように、量子ドット１では、伝導帯中の伝導電子５はその基底準位６に注入され、価電子帯のホール４は基底準位８に注入される。ホール４の有効質量は、伝導電子５の有効質量に比べて一桁大きいため、価電子帯の基底準位８と励起準位９のエネルギー差が非常に小さく、したがってホール４は伝導電子５に比べて緩和しやすい。つまり、有効質量の大きいホール４は、有効質量の小さい電子に比べて、基底準位や励起準位などの量子準位に束縛されやすい、という性質がある。
【００５１】
よって、有効質量の小さい伝導電子５の緩和し難さが、半導体レーザの高速変調を制限する支配要因となっていることが分かる。換言すれば、半導体レーザの高速変調特性を改善するには、伝導帯の励起準位６から基底準位７への伝導電子５の緩和過程１０に要する時間（つまり緩和時間）をできるだけ短くすることが必要である。
【００５２】
ところで、量子ドット１における伝導電子５あるいはホール４の状態密度（状態数）を、中心エネルギーＥ0と不均一広がりΔＥをもつガウス関数で近似すると、量子ドット構造を持つ活性層の利得ｇ（基底準位のみの利得）は、次の数式（４）で与えられる。
【００５３】
【数４】
【００５４】
数式（４）において、ｈはプランク定数、ｃは光速、Ｎは量子ドット１の面密度、ｎは屈折率、τspは自然放出光の寿命、ｆcは伝導帯中の電子５の占有確率で０≦ｆc≦１、またｆvは価電子帯の電子の占有確率で０≦ｆv≦１である。
【００５５】
数式（４）で与えられる利得ｇが量子ドット・レーザの共振器損失より大きいと、レーザ発振が生じる。レーザ構造が同じで共振器損失が一定の場合、レーザ動作中に伝導帯の基底準位７を電子５が占有する確率ｆcを下げるには、価電子帯の基底準位８を電子が占有する確率ｆvを「０」に近づけること、換言すれば、価電子帯の基底準位８に電子が存在しない確率（つまり、ホール４が占有する確率）を「１」に近づけることが有効である。こうすると、レーザ発振に必要となる伝導帯の電子の占有確率ｆcを小さくできるからである、換言すれば、量子ドット１の伝導帯の基底準位７に存在する電子の密度を低下できるからである。
【００５６】
これを実現するには、ホール４を量子ドット１に注入して基底準位８を予めホール４により占有させておけばよい。これによって、量子ドット１の価電子帯の基底準位８を電子が占有する確率ｆvが低下するからである。
【００５７】
価電子帯の基底準位８の電子の占有確率ｆvを「０」にするには、量子ドット１中に予め注入するホール４の量を、量子ドット１における基底準位８の状態数（状態密度）と等しくすればよい。
【００５８】
ところで、通常の量子井戸構造やバルク半導体を活性層とした半導体レーザの場合は、その活性層中にホールを注入する構造を好適に設定することにより、レーザ発振時の電子密度を下げることは可能である。閾電子密度を下げることによって、基底準位から連続的に高エネルギー側に広がる伝導帯において、伝導電子の持つエネルギー広がりは狭くなる。したがって、利得のエネルギー広がりが小さくなる。その結果、注入電流によって注入される電子が増加することによる利得ピークの増加が大きくなり、レーザ出力の変調が早められる。この点は、ウオミらによって既に報告されている（ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、第２９巻、第１号、第８１頁〜第８７頁、１９９０年１月、 K. Uomi et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 29, No. 1, pp. 81-87, January 1990）。
【００５９】
しかし、本発明の量子ドット・デバイス（ここでは量子ドット・レーザー）では、上記のバルク半導体を活性層とした半導体レーザの場合とは全く異なる機構で高速変調が達成される。
【００６０】
すなわち、量子ドット１は３次元すべての方向で量子化されているため、量子化されたエネルギー準位は離散的であり、またエネルギー広がりが非常に狭い。このため、キャリアの注入量に関わらず、利得のエネルギー広がりは一定であり、したがって量子ドット構造を持つ活性層の利得ｇのピーク値は電子密度に対して線形に変化する。その結果、量子井戸構造やバルク半導体を活性層とした半導体レーザについての上述した考えに従えば、変調速度は電子密度に依存せず一定となるはずである。
【００６１】
しかしながら、本発明のような量子ドット・レーザでは、伝導帯の基底準位７が伝導電子５で満たされることにより、励起準位６にある伝導電子５の基底準位７への緩和過程１０に要する時間（緩和時間）が長くなる、という量子ドット１に固有の現象がある。発明者の研究によれば、この伝導電子５の緩和時間が長くなることが、量子ドット・レーザの変調速度が低下する原因であることが判明した。これを回避するには、量子ドット１中の価電子帯の基底準位８にホール４を予め注入しておき、もって量子ドット１中の基底準位７の電子密度を低下させることが有効である。
【００６２】
図３は、量子ドット１の中に予めホール４を注入していない、通常の構造を持つ量子ドット・レーザの３ｄＢ変調帯域ｆ3dBの注入電流依存性を示すグラフである。このグラフは、量子ドット１の中に予めホール４を注入せずに、通常の構造を持つ量子ドット・レーザを製作し、その量子ドット・レーザを小信号で直接変調して周波数応答特性を測定し、その３ｄＢ変調帯域ｆ3dB（応答が３ｄＢだけ下がる周波数範囲）をプロットして得たものである。なお、Ｉthは、この量子ドット・レーザの発振閾電流である。
【００６３】
図３より明らかなように、量子ドット１の中に予めホール４を注入していない量子ドット・レーザでは、バイアス電流Ｉbiasを増加すると、それに伴って３ｄＢ変調帯域ｆ3dBが上昇しているが、その上限は約２．５ＧＨｚである。
【００６４】
図４は、量子ドット１の中に予めホール４を注入した、本発明の構造を持つ量子ドット・レーザの３ｄＢ変調帯域ｆ3dBの注入電流依存性を示すグラフである。このグラフは、量子ドット１の中に予めホール４を注入した以外は、図３の場合と同様にして得たものである。この量子ドット・レーザでは、ｐ型半導体障壁層（ｐ型不純物領域）３のｐ型不純物のドープ量を、量子ドット１の価電子帯の基底準位８の状態数の１０倍に設定した。したがって、その基底準位８は完全にホール４で満たされている。また、ｐ型半導体障壁層（ｐ型不純物領域）３以外は、図３に関連して説明した通常構造の量子ドット・レーザの構造と同じである。
【００６５】
図４から明らかなように、量子ドット１の中に予めホール４を注入した本発明の量子ドット・レーザでは、３ｄＢ変調帯域ｆ3dBの上限が５ＧＨｚであり、通常構造の量子ドット・レーザのそれ（２．５ＧＨｚ）に比べて２倍になっている。つまり、周波数帯域が２倍に伸びている。
【００６６】
しかし、図４に示すように、本発明の量子ドット・レーザにおいても、３ｄＢ変調帯域ｆ3dBの上限は１０ＧＨｚに達していない。これは、ｐ型半導体障壁層（ｐ型不純物領域）３のｐ型不純物のドープ量を、量子ドット１の価電子帯の基底準位８の状態数の１０倍に設定したこと、つまり、価電子帯の基底準位８をホール４で満たすために必要とされるｐ型不純物の量よりも過剰にドープしたことに起因する、と考えられる。なぜなら、量子ドット１の価電子帯の基底準位８に過剰にドープされたホール４が、吸収損失を引き起こすため、発振閾キャリア密度がわずかに増加するからである。
【００６７】
したがって、ｐ型半導体障壁層（ｐ型不純物領域）３のｐ型不純物のドープ量を調整して、量子ドット１の価電子帯の基底準位８の状態数と等しくなるように、換言すれば、価電子帯の基底準位８の取りうる状態数のすべてをホール４で満たすようにすることが望ましい。こうすれば、１０ＧＨｚ程度の広い変調帯域を実現することができる。換言すれば、１０ＧＨｚ程度以上の高速動作を実現できる。
【００６８】
なお、本発明の構造を持つ量子ドット・レーザでは、量子ドット１の基底準位７の伝導電子５の密度が小さくなるに従って、量子ドット１の伝導帯の励起準位６から基底準位７への電子５の緩和過程１０が早められる。例えば、伝導帯の基底準位７の電子５の占有確率ｆcを０．１程度まで下げることができれば、その緩和過程１０の緩和時間τ2-1は１０ｐｓ程度となる。このとき、上述した数式（２）によると、３ｄＢ変調帯域ｆ3dBは１０ＧＨｚを超えることが分かる。
【００６９】
（第２実施形態）
図２（ａ）は、本発明の第２実施形態の半導体量子ドット・デバイスの基本構成を示す概念図、図２（ｂ）はそのエネルギー・バンド図である。
【００７０】
第２実施形態の量子ドット・デバイスは、第１実施形態とは逆に、複数の量子ドット１の下にノンドープ半導体障壁層３ａを配置し、量子ドット１の上にｐ型半導体障壁層（ｐ型不純物領域）２ａを配置したものである。第１実施形態とは異なり、量子ドット１の内部には、ｐ型半導体障壁層２ａ中のｐ型不純物により生成されるホール４が導入されている。
【００７１】
以上の構成を持つ第２実施形態の量子ドット・デバイスにおいても、第１実施形態のそれと同じ作用効果が得られることは明らかである。
【００７２】
【実施例】
次に、本発明の好適な実施例について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００７３】
（第１実施例）
図５は、本発明の第１実施例の半導体レーザ（量子ドット・レーザ）の構造を示す概略断面図である。
【００７４】
この半導体レーザは、分子線エピタキシャル成長（Molecular Beam Epitaxy、ＭＢＥ）装置を用いて次のようにして製作した。
【００７５】
ｎ型ＧａＡｓ基板２１の上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２２（Ａｌ組成：０．３、厚さ：３μｍ、キャリア濃度：１×１０18ｃｍ-3）、アンドープＧａＡｓ光閉じ込め層２３（厚さ：０．１５μｍ）、アンドープＧａＡｓ障壁層２４（厚さ：２０ｎｍ）をこの順に成長させた。
【００７６】
その後、アンドープＧａＡｓ障壁層２４の上に、基板温度（ＧａＡｓ基板２１の温度）４９０℃で、ＩｎＡｓを３原子層に相当する厚さとなるように量を調整して供給した。その際に、１〜２原子層に相当する厚さのアンドープＩｎＡｓ量子井戸層（ぬれ層とも呼ぶ）２５を形成した後、ｐ型不純物であるＢｅを併せて供給しながらＩｎＡｓを歪みの臨界膜厚を超えて島状に成長させた。こうして、アンドープＩｎＡｓぬれ層２５の上に複数のｐ型ＩｎＡｓ量子ドット２６を形成した。得られたｐ型ＩｎＡｓ量子ドット１は、平面形状が円形であり、その面密度は５×１０10ｃｍ-2であった。各量子ドット１の大きさは、直径３０ｎｍ、厚さ（高さ）８ｎｍであった。
【００７７】
この第１実施例では、ＩｎＡｓ量子ドット１の成長時にＩｎＡｓと共にｐ型不純物であるＢｅを併せて供給し、Ｂｅの面密度が１×１０11ｃｍ-2となるようにＢｅの供給量を調整しながら、量子ドット１の内部にＢｅをドープさせた。Ｂｅの面密度１×１０11ｃｍ-2は、量子ドット１の面密度５×１０10ｃｍ-2の２倍に等しい。これによって、各量子ドット１の内部にＢｅがドープされ、その結果、各量子ドット１の内部にキャリアとしてのホールが導入される。このホールは、各量子ドット１の価電子帯の基底準位にある。
【００７８】
続いて、同じＭＢＥ装置を用いて、量子ドット構造５０の上に、アンドープＧａＡｓ障壁層２７（厚さ：２０ｎｍ）、アンドープＧａＡｓ光閉じ込め層２８（厚さ：０．１５μｍ）、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２９（Ａｌ組成：０．３、厚さ：２μｍ、キャリア濃度：５×１０17ｃｍ-3）、ｐ型ＡｌＧａＡｓキャップ層３０（Ａｌ組成：０．１５、厚さ：０．５μｍ、キャリア濃度：５×１０18ｃｍ-3）を順次、成長させた。こうして、図５に示す構成の半導体レーザを得た。
【００７９】
図５に示すように、ｐ型ＩｎＡｓ量子ドット２６はすべて、アンドープＧａＡｓ障壁層２７で覆われている。アンドープＩｎＡｓ量子井戸層（ぬれ層）２５と、その上に形成された複数のｐ型ＩｎＡｓ量子ドット２６は、量子ドット構造７０を形成する。量子ドット構造７０とその両側のアンドープＧａＡｓ障壁層２４と２７は、当該半導体レーザの活性層７１を形成する。
【００８０】
以上述べたように、第１実施例の半導体レーザでは、ＩｎＡｓ量子ドット２６に対してｐ型不純物Ｂｅがドープされているため、各量子ドット２６に２個のホールが生成される。したがって、各量子ドット２６の価電子帯の基底準位の二つの状態は、これら二つのホールによって満たされている。このため、発振時に、各量子ドット２６の価電子帯の基底準位を電子は占有できず、その結果、量子ドット２６中の伝導電子の密度が低下し、量子ドット２６における伝導帯の励起準位から基底準位への電子の緩和過程１０の速度が早くなる。
【００８１】
第１実施例では、電子の緩和過程１０の速度が１０ｐｓ程度まで早くなった。これは、第１実施例の半導体レーザは、１０ＧＨｚ以上の高速で変調可能であることを意味するものである。
【００８２】
なお、第１実施例では、ＧａＡｓ基板２１を使用したが、これをＩｎＰ基板に代えてもよい。この場合は、クラッド層２２、２９と光閉じ込め層２３、２８と障壁層２４、２７をＩｎＡｌＧａＡｓで形成してもよいし、ＩｎＧａＡｓＰで形成してもよい。こうすると、ｐ型ＩｎＡｓ量子ドット２６からの発光波長が１．３ミクロンを超えた。このため、長波長の光通信用の光源として好適である。
【００８３】
（第２実施例）
図６は、本発明の第２実施例の半導体レーザ（量子ドット・レーザ）の構造を示す概略断面図である。この半導体レーザは、第１実施例のｐ型ＩｎＡｓ量子ドット２６とアンドープＧａＡｓ障壁層２７とアンドープＧａＡｓ光閉じ込め層２８に代えて、アンドープＩｎＡｓ量子ドット３６とｐ型ＧａＡｓ障壁層３７とｐ型ＧａＡｓ光閉じ込め層３８をそれぞれ使用した以外は、第１実施例の半導体レーザと同じ構成である。よって、第１実施例と同じ構成には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００８４】
第２実施例の半導体レーザは、ＭＢＥ装置を用いて次のようにして製作した。
【００８５】
まず、第１実施例と同様にして、ｎ型ＧａＡｓ基板上２１の上にｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２２、アンドープＧａＡｓ光閉じ込め層２３、アンドープＧａＡｓ障壁層２４、アンドープＩｎＡｓぬれ層２５を順に成長させた。
【００８６】
次に、アンドープＩｎＡｓぬれ層２５の上に、複数のアンドープＩｎＡｓ量子ドット３６（直径：３０ｎｍ、厚さ：８ｎｍ、面密度：５×１０10ｃｍ-2）を形成した。つまり、第１実施例とは異なり、ＩｎＡｓ量子ドット３６の成長の際にＢｅの供給を行わなかった。そして、アンドープＩｎＡｓ量子ドット３６の上に、ｐ型ＧａＡｓ障壁層３７（厚さ：２０ｎｍ）とｐ型ＧａＡｓ光閉じ込め層３８（厚さ：０．１５μｍ）を成長させた。
【００８７】
続いて、第１実施例と同様にして、ｐ型ＧａＡｓ光閉じ込め層３８の上に、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２９とｐ型ＡｌＧａＡｓキャップ層３０を成長させた。こうして、図６に示す構成の半導体レーザを得た。
【００８８】
図６に示すように、アンドープＩｎＡｓ量子ドット３６はすべて、ｐ型ＧａＡｓ障壁層３７で覆われている。アンドープＩｎＡｓ量子井戸層（ぬれ層）２５と、その上に形成された複数のアンドープＩｎＡｓ量子ドット３６は、量子ドット構造７０ａを形成する。量子ドット構造７０ａとその両側のアンドープＧａＡｓ障壁層２４と３７は、当該半導体レーザの活性層７１ａを形成する。
【００８９】
アンドープ量子ドット３６の上にあるｐ型ＧａＡｓ障壁層３７とｐ型ＧａＡｓ光閉じ込め層３８の全体には、ｐ型不純物Ｂｅが６×１０15ｃｍ-3の濃度でドープしてある。したがって、これら二つの層３７と３８が「ｐ型不純物領域」を形成する。
【００９０】
ｐ型ＧａＡｓ障壁層３７とｐ型ＧａＡｓ光閉じ込め層３８からホールが面密度１×１０11ｃｍ-2で発生し、量子ドット３６中に流れ込む。この時、量子ドット３６の１個当たり２個のホールが注入される。このため、各量子ドット３６の価電子帯の基底準位はこれらホールによって満たされる。その結果、発振時の量子ドット３６の伝導帯の基底準位の電子密度が低下し、伝導帯の励起準位から基底準位への電子の緩和過程１０が早くなる。第２実施例では、１０ｐｓ程度まで早くなった。このため、当該半導体レーザを１０ＧＨｚ以上の高速で変調することができることが分かった。
【００９１】
第１実施例では、ＩｎＡｓ量子ドット２６中に直接ｐ型不純物のＢｅをドープしてｐ型としているが、発明者の試験によれば、そうすると量子ドット２６に欠陥が導入され、発光効率が低下する、という難点があることが分かった。第２実施例では、この点を考慮して、量子ドット３６には直接ｐ型不純物Ｂｅをドープせず、その代わりに量子ドット３６の周囲にある半導体層３７と３８にｐ型不純物をドープしている。そして、これら二つの半導体層３７と３８から面密度で１×１０11ｃｍ-2だけのホールが生成されて量子ドット３６に流れ込むようにしている。このため、第２実施例では、第１実施例と同じ効果に加えて、量子ドット３６の発光効率を下げずに変調速度を上げることが可能となる、という利点がある。
【００９２】
（第３実施例）
図７は、本発明の第３実施例の半導体レーザ（量子ドット・レーザ）の構造を示す概略断面図である。
【００９３】
第３実施例の半導体レーザは、第１実施例のアンドープＩｎＡｓぬれ層２５に代えてｐ型ＩｎＡｓぬれ層４５を使用し、第１実施例のｐ型ＩｎＡｓ量子ドット２６に代えて第２実施例のアンドープＩｎＡｓ量子ドット３６を使用した以外は、第１実施例の半導体レーザと同じ構成である。よって、第１実施例と同じ構成には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００９４】
この半導体レーザは、ＭＢＥ装置を用いて次のようにして製作した。
【００９５】
まず、第１実施例と同様にして、ｎ型ＧａＡｓ基板上２１の上にｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２２、アンドープＧａＡｓ光閉じ込め層２３、アンドープＧａＡｓ障壁層２４をこの順に成長させた。
【００９６】
次に、アンドープＧａＡｓ障壁層２４の上に、Ｂｅを供給しながらＩｎＡｓを成長させ、ｐ型ＩｎＡｓぬれ層４５（厚さ：０．３ｎｍ）を形成した。そして、その上に、第２実施例と同様にして複数のアンドープＩｎＡｓ量子ドット３６を形成した後、その上にアンドープＧａＡｓ障壁層２７とアンドープＧａＡｓ光閉じ込め層２８を成長させた。
【００９７】
続いて、第１実施例と同様にして、アンドープＧａＡｓ光閉じ込め層２８の上に、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２９とｐ型ＡｌＧａＡｓキャップ層３０を成長させた。こうして、図７に示す構成の半導体レーザを得た。
【００９８】
図７に示すように、アンドープＩｎＡｓ量子ドット３６はすべて、アンドープＧａＡｓ障壁層２７で覆われている。ｐ型ＩｎＡｓ量子井戸層（ぬれ層）４５と、その上に形成された複数のアンドープＩｎＡｓ量子ドット３６は、量子ドット構造７０ｂを形成する。量子ドット構造７０ｂとその両側のアンドープＧａＡｓ障壁層２４と２７は、当該半導体レーザの活性層７１ｂを形成する。
【００９９】
この第３実施例の半導体レーザでは、エネルギー・バンド構造を考えると、アンドープＧａＡｓ障壁層２７とアンドープＧａＡｓ光閉じ込め層２８のエネルギー準位よりも、ｐ型ＩｎＡｓぬれ層（量子井戸層）４５のエネルギー準位の方が低い。また、ｐ型ＩｎＡｓぬれ層４５のエネルギー準位よりも、アンドープＩｎＡｓ量子ドット３６のエネルギー準位の方が低い。伝導電子は、エネルギー準位の高い方から低い方に流れ込む性質があるので、伝導電子はＧａＡｓ層２７と２８からぬれ層４５に流れ、また、ぬれ層４５から量子ドット３６に流れ込む。
【０１００】
ホールについて見ると、ＧａＡｓ障壁層２７とＩｎＡｓぬれ層４５のヘテロ接合界面では、エネルギー・バンドが不連続であるから、「スパイク」や「ノッチ」と呼ばれるポテンシャル障壁が生じる。このポテンシャル障壁により、ＧａＡｓ障壁層２７からＩｎＡｓぬれ層４５へのホールの移動が妨げられる。したがって、ＩｎＡｓ量子ドット３６へホールを注入するための「ｐ型不純物領域」としては、ＧａＡｓ障壁層２７よりもＩｎＡｓぬれ層４５の方が好ましい。より効率的にホールがＩｎＡｓ量子ドット３６へ注入されるからである。
【０１０１】
この点を考慮して、第２実施例では、ＩｎＡｓぬれ層４５をｐ型とし、ＧａＡｓ障壁層２７をアンドープとしている。このため、第１実施例と同じ効果に加えて、伝導電子の遷移を妨げることなく、ｐ型ＩｎＡｓぬれ層４５からホールをＩｎＡｓ量子ドット３６に効率的に導入できる、という利点がある。
【０１０２】
（第４実施例）
図８は、本発明の第４実施例の半導体レーザ（量子ドット・レーザ）の構造を示す概略断面図である。第４実施例の半導体レーザは、第１実施例のｐ型ＩｎＡｓ量子ドット２６に代えて第２実施例のアンドープＩｎＡｓ量子ドット３６を使用し、第１実施例のアンドープＧａＡｓ障壁層２７に代えてｐ型ＧａＡｓ障壁層５１とアンドープＡｌＧａＡｓ埋め込み層５２を使用した以外は、第１実施例の半導体レーザと同じ構成である。よって、第１実施例と同じ構成には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【０１０３】
この半導体レーザは、ＭＢＥ装置を用いて次のようにして製作した。
【０１０４】
まず、第１実施例と同様にして、ｎ型ＧａＡｓ基板上２１の上にｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２２、アンドープＧａＡｓ光閉じ込め層２３、アンドープＧａＡｓ障壁層２４、アンドープＩｎＡｓぬれ層２５を順に成長させた。
【０１０５】
次に、第２実施例と同様にして、アンドープＩｎＡｓぬれ層２５の上に、複数のアンドープＩｎＡｓ量子ドット３６を形成した。さらに、アンドープＩｎＡｓぬれ層２５の上に、量子ドット３６間の隙間を埋め込むように、アンドープＡｌＧａＡｓ埋め込み層５１（厚さ：８ｎｍ）を選択的に成長させた。アンドープＡｌＧａＡｓ埋め込み層５１の厚さは、量子ドット３６の高さ（８ｎｍ）と同一にした。
【０１０６】
そして、量子ドット３６とアンドープＡｌＧａＡｓ埋め込み層５１の上に、ｐ型ＧａＡｓ障壁層５１（厚さ：２０ｎｍ、キャリア濃度：５×１０16ｃｍ-3）を成長させてから、その上に、第１実施例と同様にして、アンドープＧａＡｓ光閉じ込め層２８とｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２９とｐ型ＡｌＧａＡｓキャップ層３０を順に成長させた。こうして、図８に示す構成の半導体レーザを得た。
【０１０７】
図８に示すように、アンドープＩｎＡｓ量子ドット３６の上面以外はすべて、アンドープＡｌＧａＡｓ埋め込み層５２で覆われている。アンドープＩｎＡｓ量子ドット３６の上面は、ｐ型ＧａＡｓ障壁層５１で覆われている。アンドープＩｎＡｓ量子井戸層（ぬれ層）２５と、その上に形成された複数のアンドープＩｎＡｓ量子ドット３６は、量子ドット構造７０ａを形成する。量子ドット構造７０ａと、その両側のアンドープＧａＡｓ障壁層２４およびｐ型ＧａＡｓ障壁層５１と、アンドープＡｌＧａＡｓ埋め込み層５２は、当該半導体レーザの活性層７１ｃを形成する。
【０１０８】
第４実施例の半導体レーザでは、上述したように、アンドープＩｎＡｓ量子ドット３６の側面を、ＧａＡｓよりエネルギー準位が高いＡｌＧａＡｓ埋め込み層５２で埋め込むと共に、量子ドット３６の上面に接触してｐ型ＧａＡｓ障壁層５１を形成している。したがって、ＩｎＡｓ量子ドット３６の上面のみがｐ型ＧａＡｓ障壁層５１に接している。
【０１０９】
ここで、アンドープ量子ドット３６へのキャリアの流れ込みの経路を考える。キャリアは、アンドープＩｎＡｓぬれ層２５を通って、アンドープ量子ドット３６内にその下方から流れ込む。量子ドット３６の側面には、アンドープＡｌＧａＡｓ埋め込み層５２が形成されているため、キャリアは量子ドット３６内にその側面から流れ込むことはできない。量子ドット３６の上方からは、量子ドット３６の上面と接触しているｐ型ＧａＡｓ障壁層５１（ＡｌＧａＡｓ埋め込み層５２よりバンド・ギャップが小さい）からキャリアが流れ込むことができる。したがって、ホールは、ｐ型ＧａＡｓ障壁層５１から直接、量子ドット３６内に注入されて価電子帯の基底準位に入る。
【０１１０】
第４実施例の半導体レーザでは、動作時（発振時）にその外部から注入される伝導電子は、アンドープＩｎＡｓぬれ層２５を通ってアンドープ量子ドット３６内に入るので、半導体レーザの外部から注入されるホールと量子ドット３６の内部で発光再結合する。外部から注入された伝導電子は、ぬれ層２５の内部で、予め導入されたホールと再結合することはない。したがって、第１実施例と同じ効果に加えて、量子ドット３６での発光再結合効率をいっそう高めることが可能である、という利点がある。
【０１１１】
（第５実施例）
図９は、本発明の第５実施例の半導体光増幅器（量子ドット光増幅器）の構造を示す概略断面図である。この半導体光増幅器における半導体層の積層構造は、図６に示した第２実施例の半導体レーザのそれと同じであり、異なる点は積層構造の両端面に低反射膜６１ａと６１ｂがそれぞれ塗布・形成されていることだけである。よって、その構成に関する説明は省略する。
【０１１２】
図９に示すように、積層構造（光導波路）の両端面に形成された低反射膜６１ａと６１ｂにより、当該半導体光増幅器に導入された信号光は、量子ドット構造７０ａを持つ活性層７１ａにおける誘導放出によって増幅される。誘導放出によって失われる量子ドット３６の基底準位での利得は、量子ドット３６の伝導帯と価電子帯の基底準位への伝導電子とホールの緩和によって回復する。したがって、第２実施例の半導体レーザの場合と同様に、量子ドット３６の価電子帯の基底準位に予めホールを注入しておくことにより、伝導電子の緩和過程１０を促進することができる。その結果、１０ＧＨｚを超えて高速変調された信号光に追従して光増幅を行うことが可能となる。
【０１１３】
（変形例）
上記第１〜第４実施例では、半導体レーザについて述べたが、本発明はこれに限定されない。量子ドットを使用した他の任意の光デバイスに適用できる。
【０１１４】
また、上記第５実施例では、半導体光増幅器について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、信号光のスイッチングを行う半導体光スイッチ、信号光の波長を変換する半導体波長変換素子などの他の光デバイスについても適用できる。したがって、半導体光増幅器と同様の構造と原理で、高速に信号光をスイッチングしたり波長変換したりすることができる。
【０１１５】
上記第１〜第５実施例では、ＩｎＡｓぬれ層とＩｎＡｓ量子ドットを使用しているが、本発明はこれに限定されず、ぬれ層と量子ドットに対してＩｎＡｓ以外の半導体を使用してもよい。
【０１１６】
【発明の効果】
本発明の量子ドット・デバイスによれば、量子ドットの基底準位へのキャリアの緩和を促進し、もって変調帯域を拡大することができる。また、１０ＧＨｚ程度以上の広い変調帯域や１０ＧＨｚ程度以上の高速動作を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の第１実施形態の半導体量子ドット・デバイスの基本構成を示す概念図、（ｂ）はそのエネルギー・バンド図である。
【図２】（ａ）は、本発明の第２実施形態の半導体量子ドット・デバイスの基本構成を示す概念図、（ｂ）はそのエネルギー・バンド図である。
【図３】量子ドットの中に予めホールを注入していない、通常の構造を持つ量子ドット・レーザの３ｄＢ変調帯域ｆ3dBの注入電流依存性を示すグラフである。
【図４】量子ドットの中に予めホールを注入した、本発明の構造を持つ量子ドット・レーザの３ｄＢ変調帯域ｆ3dBの注入電流依存性を示すグラフである。
【図５】本発明の第１実施例の半導体レーザ（量子ドット・レーザ）の構造を示す概略断面図である。
【図６】本発明の第２実施例の半導体レーザ（量子ドット・レーザ）の構造を示す概略断面図である。
【図７】本発明の第３実施例の半導体レーザ（量子ドット・レーザ）の構造を示す概略断面図である。
【図８】本発明の第４実施例の半導体レーザ（量子ドット・レーザ）の構造を示す概略断面図である。
【図９】本発明の第５実施例の半導体光増幅器（量子ドット光増幅器）の構造を示す概略断面図である。
【図１０】ＧａＡｓ基板上に複数のＩｎＡｓ量子ドットを形成してなる半導体試料の発光フォトルミネッセンス・スペクトルを示すグラフである。
【図１１】図１０の発光スペクトルを得る際に用いた試料について、量子ドットの基底準位からの発光強度Ｉ1と励起準位からの発光強度Ｉ2の比（Ｉ2／Ｉ1）の励起強度（Excitation power）依存性を示したグラフである。
【図１２】図１０の発光スペクトルを得る際に用いた試料について、励起準位から基底準位へのキャリアの緩和時間τ2-1の励起強度依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１ アンドープ量子ドット
２ アンドープ半導体障壁層
２ａ ｐ型半導体障壁層（ｐ型不純物領域）
３ ｐ型半導体障壁層
３ａ アンドープ半導体障壁層
４ ホール
５ 伝導電子
６ 量子ドットの伝導帯の励起準位
７ 量子ドットの伝導帯の基底準位
８ 量子ドットの価電子帯の基底準位
９ 量子ドットの価電子帯の励起準位
１０ 量子ドット内の励起準位から基底準位への緩和過程
１１ 量子ドット内の伝導電子とホールの発光再結合過程
２１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２２ ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
２３ アンドープＧａＡｓ光閉じ込め層
２４ アンドープＧａＡｓ障壁層
２５ アンドープＩｎＡｓぬれ層
２６ ｐ型ＩｎＡｓ量子ドット
２７ アンドープＧａＡｓ障壁層
２８ アンドープＧａＡｓ光閉じ込め層
２９ ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
３０ ｐ型ＡｌＧａＡｓキャップ層
３６ アンドープＩｎＡｓ量子ドット
３７ ｐ型ＧａＡｓ障壁層
３８ ｐ型ＧａＡｓ光閉じ込め層
４５ ｐ型ＩｎＡｓぬれ層
５１ ｐ型ＧａＡｓ障壁層
５２ アンドープＡｌＧａＡｓ埋め込み層
６１ａ、６１ｂ 低反射膜
７０、７０ａ、７０ｂ 量子ドット構造
７１、７１ａ、７１ｂ、７１ｃ 活性層
【産業上の利用分野】
本発明は、光通信や光インターコネクション等に使用される半導体レーザ、半導体増幅器、半導体光スイッチ、波長変換素子などの半導体光デバイスに関し、さらに言えば、量子ドットを含んでなる半導体量子ドット・デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
伝導電子（以下、単に電子ともいう）を３次元的に閉じ込めることができる「量子ドット（quantum dot）」では、伝導電子の状態密度関数はデルタ関数的となるため、そのエネルギー準位は離散的になる。したがって、量子ドットに伝導電子が注入されると、その伝導電子の持つエネルギーは、それらの離散的エネルギー準位に集中する。その結果、量子ドット内において伝導電子がホールと発光再結合することにより得られる発光スペクトルは、エネルギーの広がりが非常に狭く、かつ光強度は大きいものとなる。これは、ホールについても同様のことが言える。
【０００３】
このような特性を持つ量子ドットを半導体レーザの活性層に適用すると、半導体レーザの発振の閾電流値が低下してその温度特性が向上する。さらに、伝導電子やホール（つまりキャリア）の密度の変化に対する利得ピークの変化が非常に大きいことから、高速動作が可能となる。（以下、量子ドットを活性層に適用した半導体レーザを「量子ドット・レーザ」とも呼ぶ。）
【０００４】
このような優れた特性を持つ量子ドット・レーザを実現するためには、結晶性の劣化を生じさせずに、かつ高密度で高均一に量子ドットを形成する必要がある。これを可能にする量子ドットの形成方法としては、リソグラフィーとドライエッチング等を使用する方法が知られている。しかしこの方法では、リソグラフィーやドライエッチングに起因する加工損傷が半導体結晶中に導入されるため、発光効率が著しく低下するという難点がある。
【０００５】
そこで、近年では、このような難点が生じない方法として、結晶成長のみで量子ドットを形成する「自己形成法（あるいは自己組織法）」が開発され、また実際に使用されている。この自己形成法（あるいは自己組織法）は、半導体基板上にそれとは格子不整合な半導体層をその臨界膜厚を超えて結晶成長させる方法である。この方法では、臨界膜厚を超えるまでは半導体結晶は層状に成長し、臨界膜厚を超えると島状に成長する。その結果、量子ドットに適したサイズの島状の半導体結晶が半導体基板上に形成される。
【０００６】
「自己形成法」は、レナードらによって１９９３年に報告された次のような知見に基づくものである。すなわち、ＧａＡｓ基板上に格子不整合なＩｎＧａＡｓを成長させると、臨界膜厚を超えるまではＩｎＧａＡｓは層状に成長するが、臨界膜厚を超えるとＩｎＧａＡｓは島状に成長する。そして、こうして得られる島状のＩｎＧａＡｓ結晶は、量子ドットに適した数十ｎｍの大きさを持つ、というものである（アプライド・フィジックス・レターズ、１９９３年１２月、第６３巻、第２３号、第３２０３頁〜第３２０５頁、D. Leonard et al., Applied Physics Letters, Vol. 63, No. 23, pp. 3203-3205, December 1993）。
【０００７】
「自己形成法」は、その後、量子ドットの優れた形成法として評価が確立している。
【０００８】
「自己形成法」によって形成した量子ドットの半導体レーザへの応用については、従来より多くの研究がなされている。例えば、この方法を用いて製作した量子ドット・レーザが、従来のバルク半導体や量子井戸構造を利用した活性層を持つ半導体レーザよりも低い注入電流密度で動作することは、リュウらによって実証されている（エレクトロニクス・レターズ、１９９９年７月８日、第３５巻、第１４号、第１１６３頁〜第１１６５頁、G. T. Liu et al., Electronics Letters, Vol. 35, No. 14, pp. 1163-1165, 8th July, 1999）。
【０００９】
また、この方法を用いて製作した量子ドット・レーザの動作電流が温度に影響されないことは、チェンらによって実証されている（エレクトロニクス・レターズ、２０００年９月２８日、第３６巻、第２０号、第１７０３頁〜第１７０４頁、H. Chen et al., Electronics Letters, Vol. 36, No. 20, pp. 1703-1704, 28th September, 2000）。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、量子ドット・レーザの動作速度については、いまだバルク半導体や量子井戸構造を使用した活性層を持つ従来の半導体レーザを超えるものは得られていない。これは、以下に述べるような、量子ドットに特有の本質的な問題に起因する。
【００１１】
すなわち、３次元的に量子化された量子ドットでは、パウリの排他律に従うと、伝導帯と価電子帯の最低エネルギー準位（基底準位）には、それぞれ、量子ドット１個に対して２個の伝導電子と２個のホールしか存在できない。このため、伝導帯と価電子帯の基底準位がこれら伝導電子やホール（すなわちキャリア）で満たされていると、これらの基底準位にさらに伝導電子やホールを注入することはできないのである。なお、このように、伝導帯と価電子帯の励起準位から伝導電子やホールがそれらの基底準位に遷移することは、「緩和」と呼ばれる。
【００１２】
したがって、活性層に形成した複数の量子ドットに、多数のキャリア（つまり伝導電子とホール）を注入して発振させる量子ドット・レーザの場合には、伝導帯の励起準位（伝導帯の基底準位より高いエネルギー準位）から基底準位への伝導電子の緩和速度は、注入によって伝導電子の数が増加するにしたがって徐々に低下する。また、価電子帯の励起準位（すなわち価電子帯の基底準位より低いエネルギー準位）から基底準位へのホールの緩和速度は、注入によってホールの数が増加するにしたがって徐々に低下する。
【００１３】
図１０は、ＧａＡｓ基板上に複数のＩｎＡｓ量子ドットを形成してなる半導体試料の発光（フォトルミネッセンス、ＰＬ）スペクトルを示す。この試料は、ＧａＡｓ基板上に形成した複数のＩｎＡｓ量子ドットを含む。図１０の発光スペクトルは、励起光を照射してその試料の内部にキャリアを生成させ、そのキャリアがＩｎＡｓ量子ドットにおいて発光再結合するときに生じる光を測定して得たものである。
【００１４】
図１１は、図１０の発光スペクトルを得る際に用いた試料について、量子ドットの基底準位からの発光強度Ｉ1と励起準位からの発光強度Ｉ2の比（Ｉ2／Ｉ1）の励起強度（Excitation power）依存性を示したグラフである。
【００１５】
図１０と図１１から分かるように、励起強度を増加していくと、初めは基底準位からの発光強度Ｉ1が増加して徐々に飽和していき、その後、励起準位からの発光強度Ｉ2が増加している。励起準位の発光強度Ｉ2の増加は、基底準位からの発光強度Ｉ1が完全に飽和する以前に徐々に発生し始めている。
【００１６】
ここで、励起準位でのキャリア数の時間変化は、励起準位へのキャリアの熱励起を考慮した場合、次の数式（１）で与えられる。
【００１７】
【数１】
数式（１）において、Ｎ1とＮ2はそれぞれ基底準位と励起準位のキャリア数、τr1とτr2はそれぞれ基底準位と励起準位の発光再結合時間、τ2-1は励起準位から基底準位へのキャリアの緩和時間、ΔＥ2-1は励起準位と基底準位のエネルギー差、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。
【００１９】
定常状態では、数式（１）の左辺が「０」となるから、励起準位の発光強度Ｉ2と基底準位の発光強度Ｉ1との比（Ｉ2／Ｉ1）は、次の数式（２）のようになる。
【００２０】
【数２】
数式（２）より明らかなように、発光強度比（Ｉ2／Ｉ1）は、絶対温度Ｔの関数となっている。
【００２２】
上述した半導体試料（つまり、ＧａＡｓ基板上にＩｎＡｓ量子ドットを形成したもの）では、ΔＥ2-1が７３ｍｅＶ、τr1とτr2が室温（２９３Ｋ）でそれぞれ０．７ｎｓと０．５ｎｓであるとすると、図１１に示した発光強度比（Ｉ2／Ｉ1）の変化から求められる励起準位から基底準位へのキャリアの緩和時間τ2-1の励起強度依存性は、図１２のようになる。
【００２３】
図１２から分かるように、励起強度を増加していくと、量子ドットの励起準位から基底準位に遷移するキャリアの緩和時間τ2-1は、基底準位にキャリアが満たされていくにしたがって徐々に長くなり、基底準位や励起準位での発光再結合時間τr1とτr2（１ｎｓ程度）に近づいている。
【００２４】
図１２から分かるように、レーザ発振時と同等のキャリア密度が得られる励起強度＝１００Ｗ／ｃｍ2のときには、キャリア緩和時間ｔ2-1は室温（２９３Ｋ）で０．２ｎｓとなる。この場合、次の数式（３）で与えられる３ｄＢ変調帯域ｆ3dBは、０．８ＧＨｚとなる。つまり、３ｄＢ変調帯域ｆ3dBは０．８ＧＨｚに制限されることになる。
【００２５】
【数３】
以上の説明から明らかなように、量子ドット・レーザのような量子ドット・デバイスの動作は、量子ドットに固有な基底準位へのキャリアの緩和速度の低下（キャリア緩和時間ｔ2-1の増加）という現象により、変調速度が低下し、その結果、現状の光通信システムに対して必要性の高い１０ＧＨｚ程度の変調帯域を実現することが困難である、という問題がある。
【００２７】
本発明は、かかる問題を解消すべくなされたものであって、その目的とするところは、量子ドットの基底準位へのキャリアの緩和を促進し、もって変調帯域が拡大された量子ドット・デバイスを提供することにある。
【００２８】
本発明の他の目的は、１０ＧＨｚ程度以上の広い変調帯域を実現できる量子ドット・デバイスを提供することにある。
【００２９】
本発明のさらに他の目的は、１０ＧＨｚ程度以上の高速動作を実現できる量子ドット・デバイスを提供することにある。
【００３０】
本発明のさらに他の目的は、以下の説明および添付図面から明らかになる。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
（１） 本発明の量子ドット・デバイスは、
複数の量子ドットを備えた半導体量子ドット・デバイスにおいて、
前記量子ドットがｐ型不純物を含んでおり、
前記ｐ型不純物は、前記量子ドットの内部にホールを生成していて、それらホールは前記量子ドットの価電子帯の基底準位にあり、
前記ｐ型不純物が前記量子ドットの内部に生成する前記ホールの数が、前記量子ドットの価電子帯の基底準位の状態数と同数以上となるように、前記ｐ型不純物の濃度が設定されており、
前記量子ドットに接して形成されたｐ型不純物領域及びｎ型不純物領域が存在しないことを特徴とするものである。
【００３２】
（２） 本発明の量子ドット・デバイスでは、前記量子ドットがｐ型不純物を含んでおり、また、前記ｐ型不純物は、前記量子ドットの内部にホールを生成していて、それらホールは前記量子ドットの価電子帯の基底準位にある。しかも、前記ｐ型不純物が前記量子ドットの内部に生成する前記ホールの数が、前記量子ドットの価電子帯の基底準位の状態数と同数以上となるように、前記ｐ型不純物の濃度が設定されている。さらに、前記量子ドットに接して形成されたｐ型不純物領域及びｎ型不純物領域が存在しない構成となっている。このため、前記量子ドットの基底準位へのキャリアの緩和（キャリア注入）が促進され、前記量子ドットの基底準位へのキャリアの緩和時間の増加が抑制される。その結果、量子ドット・デバイスの変調帯域を拡大することができる。よって、１０ＧＨｚ程度以上の広い変調帯域や１０ＧＨｚ程度以上の高速動作を実現することができる。
【００３３】
（３） 本発明の第１の量子ドット・デバイスでは、半導体レーザの機能や半導体光増幅器の機能を有するのが好ましい。
また、前記ｐ型不純物が前記量子ドットの内部に生成する前記ホールの数が、前記量子ドットの価電子帯の基底準位の状態数と同数となるように、前記ｐ型不純物の濃度が設定されるのが好ましい。
【００４１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の好適な実施の形態について説明する。しかし、本発明は、これら実施の形態に限定されないことは言うまでもない。
【００４２】
（第１実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態の半導体量子ドット・デバイスの基本構成を示す概念図、図１（ｂ）はそのエネルギー・バンド図である。
【００４３】
図１（ａ）に示すように、アンドープの半導体より形成された複数の量子ドット１は、ｐ型半導体障壁層３の表面に面密度５×１０10ｃｍ-2で配置されている。ｐ型半導体障壁層３にはｐ型不純物が導入されているため、ｐ型半導体障壁層３の内部には多数のホール４が存在している。これらホール４の一部は、隣接する量子ドット１の内部に注入されている。つまり、量子ドット１には、ｐ型不純物は注入されていない（つまりアンドープである）が、ホール４を含んでいるのである。そして、これらのホール４は、図１（ｂ）に示すように、量子ドット１の価電子帯の基底準位８にあり、その基底準位８はホール４によって満たされている。
【００４４】
複数の量子ドット１は、その上に形成されたアンドープ半導体障壁層２によって覆われている。
【００４５】
スピンを考慮すると、各量子ドット１の価電子帯の基底準位８には２個の状態数が存在する。そこで、ｐ型半導体障壁層３にドープされるｐ型不純物の量は、１×１０11ｃｍ-2（＝５×１０10ｃｍ-2×２）の面密度でホール４が生成されるように設定してある。
【００４６】
以上のように、量子ドット１中に予めホール４が注入されていて、それらホール４が量子ドット１の価電子帯の基底準位８にあるため、量子ドット１の伝導帯の励起準位６から基底準位７への伝導電子５の緩和過程１０が促進される。換言すれば、量子ドット１の伝導電子５の緩和時間が短縮される。
【００４７】
なお、図１（ｂ）の符号「１１」は、量子ドット１の伝導帯の基底準位７から、伝導電子５が価電子帯の基底準位８に遷移し、その基底準位８に存在していたホール４と再結合して発光する過程を示す。
【００４８】
量子ドット１の伝導帯の励起準位６から基底準位７への伝導電子５の緩和過程１０が促進される理由は、次の通りである。ここでは、本発明の量子ドット・デバイスを半導体レーザに適用した場合について説明するが、他の光デバイスに適用した場合も同様である。
【００４９】
一般に、半導体レーザの直接変調を行う場合、レーザ発振した状態で半導体レーザへの注入キャリア（つまり注入電流）を増減させることにより、出射光の強度を変化させる。このとき、レーザ発振時には活性層のキャリア密度の閾値（閾キャリア密度）は不変であるから、キャリアの増減分だけ出射光の強度が変わる。したがって、活性層が量子ドット構造を含む量子ドット・レーザの場合、その動作（変調）速度を向上させるには、量子ドット構造を形成する量子ドットの基底準位の閾キャリア密度をできるだけ少なくし、それによって基底準位へのキャリアの緩和過程ができるだけ早く行われるようにすることが重要である。
【００５０】
図１（ｂ）に示すように、量子ドット１では、伝導帯中の伝導電子５はその基底準位６に注入され、価電子帯のホール４は基底準位８に注入される。ホール４の有効質量は、伝導電子５の有効質量に比べて一桁大きいため、価電子帯の基底準位８と励起準位９のエネルギー差が非常に小さく、したがってホール４は伝導電子５に比べて緩和しやすい。つまり、有効質量の大きいホール４は、有効質量の小さい電子に比べて、基底準位や励起準位などの量子準位に束縛されやすい、という性質がある。
【００５１】
よって、有効質量の小さい伝導電子５の緩和し難さが、半導体レーザの高速変調を制限する支配要因となっていることが分かる。換言すれば、半導体レーザの高速変調特性を改善するには、伝導帯の励起準位６から基底準位７への伝導電子５の緩和過程１０に要する時間（つまり緩和時間）をできるだけ短くすることが必要である。
【００５２】
ところで、量子ドット１における伝導電子５あるいはホール４の状態密度（状態数）を、中心エネルギーＥ0と不均一広がりΔＥをもつガウス関数で近似すると、量子ドット構造を持つ活性層の利得ｇ（基底準位のみの利得）は、次の数式（４）で与えられる。
【００５３】
【数４】
数式（４）において、ｈはプランク定数、ｃは光速、Ｎは量子ドット１の面密度、ｎは屈折率、τspは自然放出光の寿命、ｆcは伝導帯中の電子５の占有確率で０≦ｆc≦１、またｆvは価電子帯の電子の占有確率で０≦ｆv≦１である。
【００５５】
数式（４）で与えられる利得ｇが量子ドット・レーザの共振器損失より大きいと、レーザ発振が生じる。レーザ構造が同じで共振器損失が一定の場合、レーザ動作中に伝導帯の基底準位７を電子５が占有する確率ｆcを下げるには、価電子帯の基底準位８を電子が占有する確率ｆvを「０」に近づけること、換言すれば、価電子帯の基底準位８に電子が存在しない確率（つまり、ホール４が占有する確率）を「１」に近づけることが有効である。こうすると、レーザ発振に必要となる伝導帯の電子の占有確率ｆcを小さくできるからである、換言すれば、量子ドット１の伝導帯の基底準位７に存在する電子の密度を低下できるからである。
【００５６】
これを実現するには、ホール４を量子ドット１に注入して基底準位８を予めホール４により占有させておけばよい。これによって、量子ドット１の価電子帯の基底準位８を電子が占有する確率ｆvが低下するからである。
【００５７】
価電子帯の基底準位８の電子の占有確率ｆvを「０」にするには、量子ドット１中に予め注入するホール４の量を、量子ドット１における基底準位８の状態数（状態密度）と等しくすればよい。
【００５８】
ところで、通常の量子井戸構造やバルク半導体を活性層とした半導体レーザの場合は、その活性層中にホールを注入する構造を好適に設定することにより、レーザ発振時の電子密度を下げることは可能である。閾電子密度を下げることによって、基底準位から連続的に高エネルギー側に広がる伝導帯において、伝導電子の持つエネルギー広がりは狭くなる。したがって、利得のエネルギー広がりが小さくなる。その結果、注入電流によって注入される電子が増加することによる利得ピークの増加が大きくなり、レーザ出力の変調が早められる。この点は、ウオミらによって既に報告されている（ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、第２９巻、第１号、第８１頁〜第８７頁、１９９０年１月、 K. Uomi et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 29, No. 1, pp. 81-87, January 1990）。
【００５９】
しかし、本発明の量子ドット・デバイス（ここでは量子ドット・レーザー）では、上記のバルク半導体を活性層とした半導体レーザの場合とは全く異なる機構で高速変調が達成される。
【００６０】
すなわち、量子ドット１は３次元すべての方向で量子化されているため、量子化されたエネルギー準位は離散的であり、またエネルギー広がりが非常に狭い。このため、キャリアの注入量に関わらず、利得のエネルギー広がりは一定であり、したがって量子ドット構造を持つ活性層の利得ｇのピーク値は電子密度に対して線形に変化する。その結果、量子井戸構造やバルク半導体を活性層とした半導体レーザについての上述した考えに従えば、変調速度は電子密度に依存せず一定となるはずである。
【００６１】
しかしながら、本発明のような量子ドット・レーザでは、伝導帯の基底準位７が伝導電子５で満たされることにより、励起準位６にある伝導電子５の基底準位７への緩和過程１０に要する時間（緩和時間）が長くなる、という量子ドット１に固有の現象がある。発明者の研究によれば、この伝導電子５の緩和時間が長くなることが、量子ドット・レーザの変調速度が低下する原因であることが判明した。これを回避するには、量子ドット１中の価電子帯の基底準位８にホール４を予め注入しておき、もって量子ドット１中の基底準位７の電子密度を低下させることが有効である。
【００６２】
図３は、量子ドット１の中に予めホール４を注入していない、通常の構造を持つ量子ドット・レーザの３ｄＢ変調帯域ｆ3dBの注入電流依存性を示すグラフである。このグラフは、量子ドット１の中に予めホール４を注入せずに、通常の構造を持つ量子ドット・レーザを製作し、その量子ドット・レーザを小信号で直接変調して周波数応答特性を測定し、その３ｄＢ変調帯域ｆ3dB（応答が３ｄＢだけ下がる周波数範囲）をプロットして得たものである。なお、Ｉthは、この量子ドット・レーザの発振閾電流である。
【００６３】
図３より明らかなように、量子ドット１の中に予めホール４を注入していない量子ドット・レーザでは、バイアス電流Ｉbiasを増加すると、それに伴って３ｄＢ変調帯域ｆ3dBが上昇しているが、その上限は約２．５ＧＨｚである。
【００６４】
図４は、量子ドット１の中に予めホール４を注入した、本発明の構造を持つ量子ドット・レーザの３ｄＢ変調帯域ｆ3dBの注入電流依存性を示すグラフである。このグラフは、量子ドット１の中に予めホール４を注入した以外は、図３の場合と同様にして得たものである。この量子ドット・レーザでは、ｐ型半導体障壁層（ｐ型不純物領域）３のｐ型不純物のドープ量を、量子ドット１の価電子帯の基底準位８の状態数の１０倍に設定した。したがって、その基底準位８は完全にホール４で満たされている。また、ｐ型半導体障壁層（ｐ型不純物領域）３以外は、図３に関連して説明した通常構造の量子ドット・レーザの構造と同じである。
【００６５】
図４から明らかなように、量子ドット１の中に予めホール４を注入した本発明の量子ドット・レーザでは、３ｄＢ変調帯域ｆ3dBの上限が５ＧＨｚであり、通常構造の量子ドット・レーザのそれ（２．５ＧＨｚ）に比べて２倍になっている。つまり、周波数帯域が２倍に伸びている。
【００６６】
しかし、図４に示すように、本発明の量子ドット・レーザにおいても、３ｄＢ変調帯域ｆ3dBの上限は１０ＧＨｚに達していない。これは、ｐ型半導体障壁層（ｐ型不純物領域）３のｐ型不純物のドープ量を、量子ドット１の価電子帯の基底準位８の状態数の１０倍に設定したこと、つまり、価電子帯の基底準位８をホール４で満たすために必要とされるｐ型不純物の量よりも過剰にドープしたことに起因する、と考えられる。なぜなら、量子ドット１の価電子帯の基底準位８に過剰にドープされたホール４が、吸収損失を引き起こすため、発振閾キャリア密度がわずかに増加するからである。
【００６７】
したがって、ｐ型半導体障壁層（ｐ型不純物領域）３のｐ型不純物のドープ量を調整して、量子ドット１の価電子帯の基底準位８の状態数と等しくなるように、換言すれば、価電子帯の基底準位８の取りうる状態数のすべてをホール４で満たすようにすることが望ましい。こうすれば、１０ＧＨｚ程度の広い変調帯域を実現することができる。換言すれば、１０ＧＨｚ程度以上の高速動作を実現できる。
【００６８】
なお、本発明の構造を持つ量子ドット・レーザでは、量子ドット１の基底準位７の伝導電子５の密度が小さくなるに従って、量子ドット１の伝導帯の励起準位６から基底準位７への電子５の緩和過程１０が早められる。例えば、伝導帯の基底準位７の電子５の占有確率ｆcを０．１程度まで下げることができれば、その緩和過程１０の緩和時間τ2-1は１０ｐｓ程度となる。このとき、上述した数式（２）によると、３ｄＢ変調帯域ｆ3dBは１０ＧＨｚを超えることが分かる。
【００６９】
（第２実施形態）
図２（ａ）は、本発明の第２実施形態の半導体量子ドット・デバイスの基本構成を示す概念図、図２（ｂ）はそのエネルギー・バンド図である。
【００７０】
第２実施形態の量子ドット・デバイスは、第１実施形態とは逆に、複数の量子ドット１の下にノンドープ半導体障壁層３ａを配置し、量子ドット１の上にｐ型半導体障壁層（ｐ型不純物領域）２ａを配置したものである。第１実施形態とは異なり、量子ドット１の内部には、ｐ型半導体障壁層２ａ中のｐ型不純物により生成されるホール４が導入されている。
【００７１】
以上の構成を持つ第２実施形態の量子ドット・デバイスにおいても、第１実施形態のそれと同じ作用効果が得られることは明らかである。
【００７２】
【実施例】
次に、本発明の好適な実施例について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００７３】
（第１実施例）
図５は、本発明の第１実施例の半導体レーザ（量子ドット・レーザ）の構造を示す概略断面図である。
【００７４】
この半導体レーザは、分子線エピタキシャル成長（Molecular Beam Epitaxy、ＭＢＥ）装置を用いて次のようにして製作した。
【００７５】
ｎ型ＧａＡｓ基板２１の上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２２（Ａｌ組成：０．３、厚さ：３μｍ、キャリア濃度：１×１０18ｃｍ-3）、アンドープＧａＡｓ光閉じ込め層２３（厚さ：０．１５μｍ）、アンドープＧａＡｓ障壁層２４（厚さ：２０ｎｍ）をこの順に成長させた。
【００７６】
その後、アンドープＧａＡｓ障壁層２４の上に、基板温度（ＧａＡｓ基板２１の温度）４９０℃で、ＩｎＡｓを３原子層に相当する厚さとなるように量を調整して供給した。その際に、１〜２原子層に相当する厚さのアンドープＩｎＡｓ量子井戸層（ぬれ層とも呼ぶ）２５を形成した後、ｐ型不純物であるＢｅを併せて供給しながらＩｎＡｓを歪みの臨界膜厚を超えて島状に成長させた。こうして、アンドープＩｎＡｓぬれ層２５の上に複数のｐ型ＩｎＡｓ量子ドット２６を形成した。得られたｐ型ＩｎＡｓ量子ドット１は、平面形状が円形であり、その面密度は５×１０10ｃｍ-2であった。各量子ドット１の大きさは、直径３０ｎｍ、厚さ（高さ）８ｎｍであった。
【００７７】
この第１実施例では、ＩｎＡｓ量子ドット１の成長時にＩｎＡｓと共にｐ型不純物であるＢｅを併せて供給し、Ｂｅの面密度が１×１０11ｃｍ-2となるようにＢｅの供給量を調整しながら、量子ドット１の内部にＢｅをドープさせた。Ｂｅの面密度１×１０11ｃｍ-2は、量子ドット１の面密度５×１０10ｃｍ-2の２倍に等しい。これによって、各量子ドット１の内部にＢｅがドープされ、その結果、各量子ドット１の内部にキャリアとしてのホールが導入される。このホールは、各量子ドット１の価電子帯の基底準位にある。
【００７８】
続いて、同じＭＢＥ装置を用いて、量子ドット構造５０の上に、アンドープＧａＡｓ障壁層２７（厚さ：２０ｎｍ）、アンドープＧａＡｓ光閉じ込め層２８（厚さ：０．１５μｍ）、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２９（Ａｌ組成：０．３、厚さ：２μｍ、キャリア濃度：５×１０17ｃｍ-3）、ｐ型ＡｌＧａＡｓキャップ層３０（Ａｌ組成：０．１５、厚さ：０．５μｍ、キャリア濃度：５×１０18ｃｍ-3）を順次、成長させた。こうして、図５に示す構成の半導体レーザを得た。
【００７９】
図５に示すように、ｐ型ＩｎＡｓ量子ドット２６はすべて、アンドープＧａＡｓ障壁層２７で覆われている。アンドープＩｎＡｓ量子井戸層（ぬれ層）２５と、その上に形成された複数のｐ型ＩｎＡｓ量子ドット２６は、量子ドット構造７０を形成する。量子ドット構造７０とその両側のアンドープＧａＡｓ障壁層２４と２７は、当該半導体レーザの活性層７１を形成する。
【００８０】
以上述べたように、第１実施例の半導体レーザでは、ＩｎＡｓ量子ドット２６に対してｐ型不純物Ｂｅがドープされているため、各量子ドット２６に２個のホールが生成される。したがって、各量子ドット２６の価電子帯の基底準位の二つの状態は、これら二つのホールによって満たされている。このため、発振時に、各量子ドット２６の価電子帯の基底準位を電子は占有できず、その結果、量子ドット２６中の伝導電子の密度が低下し、量子ドット２６における伝導帯の励起準位から基底準位への電子の緩和過程１０の速度が早くなる。
【００８１】
第１実施例では、電子の緩和過程１０の速度が１０ｐｓ程度まで早くなった。これは、第１実施例の半導体レーザは、１０ＧＨｚ以上の高速で変調可能であることを意味するものである。
【００８２】
なお、第１実施例では、ＧａＡｓ基板２１を使用したが、これをＩｎＰ基板に代えてもよい。この場合は、クラッド層２２、２９と光閉じ込め層２３、２８と障壁層２４、２７をＩｎＡｌＧａＡｓで形成してもよいし、ＩｎＧａＡｓＰで形成してもよい。こうすると、ｐ型ＩｎＡｓ量子ドット２６からの発光波長が１．３ミクロンを超えた。このため、長波長の光通信用の光源として好適である。
【００８３】
（第２実施例）
図６は、本発明の第２実施例の半導体レーザ（量子ドット・レーザ）の構造を示す概略断面図である。この半導体レーザは、第１実施例のｐ型ＩｎＡｓ量子ドット２６とアンドープＧａＡｓ障壁層２７とアンドープＧａＡｓ光閉じ込め層２８に代えて、アンドープＩｎＡｓ量子ドット３６とｐ型ＧａＡｓ障壁層３７とｐ型ＧａＡｓ光閉じ込め層３８をそれぞれ使用した以外は、第１実施例の半導体レーザと同じ構成である。よって、第１実施例と同じ構成には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００８４】
第２実施例の半導体レーザは、ＭＢＥ装置を用いて次のようにして製作した。
【００８５】
まず、第１実施例と同様にして、ｎ型ＧａＡｓ基板上２１の上にｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２２、アンドープＧａＡｓ光閉じ込め層２３、アンドープＧａＡｓ障壁層２４、アンドープＩｎＡｓぬれ層２５を順に成長させた。
【００８６】
次に、アンドープＩｎＡｓぬれ層２５の上に、複数のアンドープＩｎＡｓ量子ドット３６（直径：３０ｎｍ、厚さ：８ｎｍ、面密度：５×１０10ｃｍ-2）を形成した。つまり、第１実施例とは異なり、ＩｎＡｓ量子ドット３６の成長の際にＢｅの供給を行わなかった。そして、アンドープＩｎＡｓ量子ドット３６の上に、ｐ型ＧａＡｓ障壁層３７（厚さ：２０ｎｍ）とｐ型ＧａＡｓ光閉じ込め層３８（厚さ：０．１５μｍ）を成長させた。
【００８７】
続いて、第１実施例と同様にして、ｐ型ＧａＡｓ光閉じ込め層３８の上に、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２９とｐ型ＡｌＧａＡｓキャップ層３０を成長させた。こうして、図６に示す構成の半導体レーザを得た。
【００８８】
図６に示すように、アンドープＩｎＡｓ量子ドット３６はすべて、ｐ型ＧａＡｓ障壁層３７で覆われている。アンドープＩｎＡｓ量子井戸層（ぬれ層）２５と、その上に形成された複数のアンドープＩｎＡｓ量子ドット３６は、量子ドット構造７０ａを形成する。量子ドット構造７０ａとその両側のアンドープＧａＡｓ障壁層２４と３７は、当該半導体レーザの活性層７１ａを形成する。
【００８９】
アンドープ量子ドット３６の上にあるｐ型ＧａＡｓ障壁層３７とｐ型ＧａＡｓ光閉じ込め層３８の全体には、ｐ型不純物Ｂｅが６×１０15ｃｍ-3の濃度でドープしてある。したがって、これら二つの層３７と３８が「ｐ型不純物領域」を形成する。
【００９０】
ｐ型ＧａＡｓ障壁層３７とｐ型ＧａＡｓ光閉じ込め層３８からホールが面密度１×１０11ｃｍ-2で発生し、量子ドット３６中に流れ込む。この時、量子ドット３６の１個当たり２個のホールが注入される。このため、各量子ドット３６の価電子帯の基底準位はこれらホールによって満たされる。その結果、発振時の量子ドット３６の伝導帯の基底準位の電子密度が低下し、伝導帯の励起準位から基底準位への電子の緩和過程１０が早くなる。第２実施例では、１０ｐｓ程度まで早くなった。このため、当該半導体レーザを１０ＧＨｚ以上の高速で変調することができることが分かった。
【００９１】
第１実施例では、ＩｎＡｓ量子ドット２６中に直接ｐ型不純物のＢｅをドープしてｐ型としているが、発明者の試験によれば、そうすると量子ドット２６に欠陥が導入され、発光効率が低下する、という難点があることが分かった。第２実施例では、この点を考慮して、量子ドット３６には直接ｐ型不純物Ｂｅをドープせず、その代わりに量子ドット３６の周囲にある半導体層３７と３８にｐ型不純物をドープしている。そして、これら二つの半導体層３７と３８から面密度で１×１０11ｃｍ-2だけのホールが生成されて量子ドット３６に流れ込むようにしている。このため、第２実施例では、第１実施例と同じ効果に加えて、量子ドット３６の発光効率を下げずに変調速度を上げることが可能となる、という利点がある。
【００９２】
（第３実施例）
図７は、本発明の第３実施例の半導体レーザ（量子ドット・レーザ）の構造を示す概略断面図である。
【００９３】
第３実施例の半導体レーザは、第１実施例のアンドープＩｎＡｓぬれ層２５に代えてｐ型ＩｎＡｓぬれ層４５を使用し、第１実施例のｐ型ＩｎＡｓ量子ドット２６に代えて第２実施例のアンドープＩｎＡｓ量子ドット３６を使用した以外は、第１実施例の半導体レーザと同じ構成である。よって、第１実施例と同じ構成には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００９４】
この半導体レーザは、ＭＢＥ装置を用いて次のようにして製作した。
【００９５】
まず、第１実施例と同様にして、ｎ型ＧａＡｓ基板上２１の上にｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２２、アンドープＧａＡｓ光閉じ込め層２３、アンドープＧａＡｓ障壁層２４をこの順に成長させた。
【００９６】
次に、アンドープＧａＡｓ障壁層２４の上に、Ｂｅを供給しながらＩｎＡｓを成長させ、ｐ型ＩｎＡｓぬれ層４５（厚さ：０．３ｎｍ）を形成した。そして、その上に、第２実施例と同様にして複数のアンドープＩｎＡｓ量子ドット３６を形成した後、その上にアンドープＧａＡｓ障壁層２７とアンドープＧａＡｓ光閉じ込め層２８を成長させた。
【００９７】
続いて、第１実施例と同様にして、アンドープＧａＡｓ光閉じ込め層２８の上に、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２９とｐ型ＡｌＧａＡｓキャップ層３０を成長させた。こうして、図７に示す構成の半導体レーザを得た。
【００９８】
図７に示すように、アンドープＩｎＡｓ量子ドット３６はすべて、アンドープＧａＡｓ障壁層２７で覆われている。ｐ型ＩｎＡｓ量子井戸層（ぬれ層）４５と、その上に形成された複数のアンドープＩｎＡｓ量子ドット３６は、量子ドット構造７０ｂを形成する。量子ドット構造７０ｂとその両側のアンドープＧａＡｓ障壁層２４と２７は、当該半導体レーザの活性層７１ｂを形成する。
【００９９】
この第３実施例の半導体レーザでは、エネルギー・バンド構造を考えると、アンドープＧａＡｓ障壁層２７とアンドープＧａＡｓ光閉じ込め層２８のエネルギー準位よりも、ｐ型ＩｎＡｓぬれ層（量子井戸層）４５のエネルギー準位の方が低い。また、ｐ型ＩｎＡｓぬれ層４５のエネルギー準位よりも、アンドープＩｎＡｓ量子ドット３６のエネルギー準位の方が低い。伝導電子は、エネルギー準位の高い方から低い方に流れ込む性質があるので、伝導電子はＧａＡｓ層２７と２８からぬれ層４５に流れ、また、ぬれ層４５から量子ドット３６に流れ込む。
【０１００】
ホールについて見ると、ＧａＡｓ障壁層２７とＩｎＡｓぬれ層４５のヘテロ接合界面では、エネルギー・バンドが不連続であるから、「スパイク」や「ノッチ」と呼ばれるポテンシャル障壁が生じる。このポテンシャル障壁により、ＧａＡｓ障壁層２７からＩｎＡｓぬれ層４５へのホールの移動が妨げられる。したがって、ＩｎＡｓ量子ドット３６へホールを注入するための「ｐ型不純物領域」としては、ＧａＡｓ障壁層２７よりもＩｎＡｓぬれ層４５の方が好ましい。より効率的にホールがＩｎＡｓ量子ドット３６へ注入されるからである。
【０１０１】
この点を考慮して、第２実施例では、ＩｎＡｓぬれ層４５をｐ型とし、ＧａＡｓ障壁層２７をアンドープとしている。このため、第１実施例と同じ効果に加えて、伝導電子の遷移を妨げることなく、ｐ型ＩｎＡｓぬれ層４５からホールをＩｎＡｓ量子ドット３６に効率的に導入できる、という利点がある。
【０１０２】
（第４実施例）
図８は、本発明の第４実施例の半導体レーザ（量子ドット・レーザ）の構造を示す概略断面図である。第４実施例の半導体レーザは、第１実施例のｐ型ＩｎＡｓ量子ドット２６に代えて第２実施例のアンドープＩｎＡｓ量子ドット３６を使用し、第１実施例のアンドープＧａＡｓ障壁層２７に代えてｐ型ＧａＡｓ障壁層５１とアンドープＡｌＧａＡｓ埋め込み層５２を使用した以外は、第１実施例の半導体レーザと同じ構成である。よって、第１実施例と同じ構成には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【０１０３】
この半導体レーザは、ＭＢＥ装置を用いて次のようにして製作した。
【０１０４】
まず、第１実施例と同様にして、ｎ型ＧａＡｓ基板上２１の上にｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２２、アンドープＧａＡｓ光閉じ込め層２３、アンドープＧａＡｓ障壁層２４、アンドープＩｎＡｓぬれ層２５を順に成長させた。
【０１０５】
次に、第２実施例と同様にして、アンドープＩｎＡｓぬれ層２５の上に、複数のアンドープＩｎＡｓ量子ドット３６を形成した。さらに、アンドープＩｎＡｓぬれ層２５の上に、量子ドット３６間の隙間を埋め込むように、アンドープＡｌＧａＡｓ埋め込み層５１（厚さ：８ｎｍ）を選択的に成長させた。アンドープＡｌＧａＡｓ埋め込み層５１の厚さは、量子ドット３６の高さ（８ｎｍ）と同一にした。
【０１０６】
そして、量子ドット３６とアンドープＡｌＧａＡｓ埋め込み層５１の上に、ｐ型ＧａＡｓ障壁層５１（厚さ：２０ｎｍ、キャリア濃度：５×１０16ｃｍ-3）を成長させてから、その上に、第１実施例と同様にして、アンドープＧａＡｓ光閉じ込め層２８とｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２９とｐ型ＡｌＧａＡｓキャップ層３０を順に成長させた。こうして、図８に示す構成の半導体レーザを得た。
【０１０７】
図８に示すように、アンドープＩｎＡｓ量子ドット３６の上面以外はすべて、アンドープＡｌＧａＡｓ埋め込み層５２で覆われている。アンドープＩｎＡｓ量子ドット３６の上面は、ｐ型ＧａＡｓ障壁層５１で覆われている。アンドープＩｎＡｓ量子井戸層（ぬれ層）２５と、その上に形成された複数のアンドープＩｎＡｓ量子ドット３６は、量子ドット構造７０ａを形成する。量子ドット構造７０ａと、その両側のアンドープＧａＡｓ障壁層２４およびｐ型ＧａＡｓ障壁層５１と、アンドープＡｌＧａＡｓ埋め込み層５２は、当該半導体レーザの活性層７１ｃを形成する。
【０１０８】
第４実施例の半導体レーザでは、上述したように、アンドープＩｎＡｓ量子ドット３６の側面を、ＧａＡｓよりエネルギー準位が高いＡｌＧａＡｓ埋め込み層５２で埋め込むと共に、量子ドット３６の上面に接触してｐ型ＧａＡｓ障壁層５１を形成している。したがって、ＩｎＡｓ量子ドット３６の上面のみがｐ型ＧａＡｓ障壁層５１に接している。
【０１０９】
ここで、アンドープ量子ドット３６へのキャリアの流れ込みの経路を考える。キャリアは、アンドープＩｎＡｓぬれ層２５を通って、アンドープ量子ドット３６内にその下方から流れ込む。量子ドット３６の側面には、アンドープＡｌＧａＡｓ埋め込み層５２が形成されているため、キャリアは量子ドット３６内にその側面から流れ込むことはできない。量子ドット３６の上方からは、量子ドット３６の上面と接触しているｐ型ＧａＡｓ障壁層５１（ＡｌＧａＡｓ埋め込み層５２よりバンド・ギャップが小さい）からキャリアが流れ込むことができる。したがって、ホールは、ｐ型ＧａＡｓ障壁層５１から直接、量子ドット３６内に注入されて価電子帯の基底準位に入る。
【０１１０】
第４実施例の半導体レーザでは、動作時（発振時）にその外部から注入される伝導電子は、アンドープＩｎＡｓぬれ層２５を通ってアンドープ量子ドット３６内に入るので、半導体レーザの外部から注入されるホールと量子ドット３６の内部で発光再結合する。外部から注入された伝導電子は、ぬれ層２５の内部で、予め導入されたホールと再結合することはない。したがって、第１実施例と同じ効果に加えて、量子ドット３６での発光再結合効率をいっそう高めることが可能である、という利点がある。
【０１１１】
（第５実施例）
図９は、本発明の第５実施例の半導体光増幅器（量子ドット光増幅器）の構造を示す概略断面図である。この半導体光増幅器における半導体層の積層構造は、図６に示した第２実施例の半導体レーザのそれと同じであり、異なる点は積層構造の両端面に低反射膜６１ａと６１ｂがそれぞれ塗布・形成されていることだけである。よって、その構成に関する説明は省略する。
【０１１２】
図９に示すように、積層構造（光導波路）の両端面に形成された低反射膜６１ａと６１ｂにより、当該半導体光増幅器に導入された信号光は、量子ドット構造７０ａを持つ活性層７１ａにおける誘導放出によって増幅される。誘導放出によって失われる量子ドット３６の基底準位での利得は、量子ドット３６の伝導帯と価電子帯の基底準位への伝導電子とホールの緩和によって回復する。したがって、第２実施例の半導体レーザの場合と同様に、量子ドット３６の価電子帯の基底準位に予めホールを注入しておくことにより、伝導電子の緩和過程１０を促進することができる。その結果、１０ＧＨｚを超えて高速変調された信号光に追従して光増幅を行うことが可能となる。
【０１１３】
（変形例）
上記第１〜第４実施例では、半導体レーザについて述べたが、本発明はこれに限定されない。量子ドットを使用した他の任意の光デバイスに適用できる。
【０１１４】
また、上記第５実施例では、半導体光増幅器について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、信号光のスイッチングを行う半導体光スイッチ、信号光の波長を変換する半導体波長変換素子などの他の光デバイスについても適用できる。したがって、半導体光増幅器と同様の構造と原理で、高速に信号光をスイッチングしたり波長変換したりすることができる。
【０１１５】
上記第１〜第５実施例では、ＩｎＡｓぬれ層とＩｎＡｓ量子ドットを使用しているが、本発明はこれに限定されず、ぬれ層と量子ドットに対してＩｎＡｓ以外の半導体を使用してもよい。
【０１１６】
【発明の効果】
本発明の量子ドット・デバイスによれば、量子ドットの基底準位へのキャリアの緩和を促進し、もって変調帯域を拡大することができる。また、１０ＧＨｚ程度以上の広い変調帯域や１０ＧＨｚ程度以上の高速動作を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の第１実施形態の半導体量子ドット・デバイスの基本構成を示す概念図、（ｂ）はそのエネルギー・バンド図である。
【図２】（ａ）は、本発明の第２実施形態の半導体量子ドット・デバイスの基本構成を示す概念図、（ｂ）はそのエネルギー・バンド図である。
【図３】量子ドットの中に予めホールを注入していない、通常の構造を持つ量子ドット・レーザの３ｄＢ変調帯域ｆ3dBの注入電流依存性を示すグラフである。
【図４】量子ドットの中に予めホールを注入した、本発明の構造を持つ量子ドット・レーザの３ｄＢ変調帯域ｆ3dBの注入電流依存性を示すグラフである。
【図５】本発明の第１実施例の半導体レーザ（量子ドット・レーザ）の構造を示す概略断面図である。
【図６】本発明の第２実施例の半導体レーザ（量子ドット・レーザ）の構造を示す概略断面図である。
【図７】本発明の第３実施例の半導体レーザ（量子ドット・レーザ）の構造を示す概略断面図である。
【図８】本発明の第４実施例の半導体レーザ（量子ドット・レーザ）の構造を示す概略断面図である。
【図９】本発明の第５実施例の半導体光増幅器（量子ドット光増幅器）の構造を示す概略断面図である。
【図１０】ＧａＡｓ基板上に複数のＩｎＡｓ量子ドットを形成してなる半導体試料の発光フォトルミネッセンス・スペクトルを示すグラフである。
【図１１】図１０の発光スペクトルを得る際に用いた試料について、量子ドットの基底準位からの発光強度Ｉ1と励起準位からの発光強度Ｉ2の比（Ｉ2／Ｉ1）の励起強度（Excitation power）依存性を示したグラフである。
【図１２】図１０の発光スペクトルを得る際に用いた試料について、励起準位から基底準位へのキャリアの緩和時間τ2-1の励起強度依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１ アンドープ量子ドット
２ アンドープ半導体障壁層
２ａ ｐ型半導体障壁層（ｐ型不純物領域）
３ ｐ型半導体障壁層
３ａ アンドープ半導体障壁層
４ ホール
５ 伝導電子
６ 量子ドットの伝導帯の励起準位
７ 量子ドットの伝導帯の基底準位
８ 量子ドットの価電子帯の基底準位
９ 量子ドットの価電子帯の励起準位
１０ 量子ドット内の励起準位から基底準位への緩和過程
１１ 量子ドット内の伝導電子とホールの発光再結合過程
２１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２２ ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
２３ アンドープＧａＡｓ光閉じ込め層
２４ アンドープＧａＡｓ障壁層
２５ アンドープＩｎＡｓぬれ層
２６ ｐ型ＩｎＡｓ量子ドット
２７ アンドープＧａＡｓ障壁層
２８ アンドープＧａＡｓ光閉じ込め層
２９ ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
３０ ｐ型ＡｌＧａＡｓキャップ層
３６ アンドープＩｎＡｓ量子ドット
３７ ｐ型ＧａＡｓ障壁層
３８ ｐ型ＧａＡｓ光閉じ込め層
４５ ｐ型ＩｎＡｓぬれ層
５１ ｐ型ＧａＡｓ障壁層
５２ アンドープＡｌＧａＡｓ埋め込み層
６１ａ、６１ｂ 低反射膜
７０、７０ａ、７０ｂ 量子ドット構造
７１、７１ａ、７１ｂ、７１ｃ 活性層
Claims (4)
- 複数の量子ドットを備えた半導体量子ドット・デバイスにおいて、
前記量子ドットがｐ型不純物を含んでおり、
前記ｐ型不純物は、前記量子ドットの内部にホールを生成していて、それらホールは前記量子ドットの価電子帯の基底準位にあり、
前記ｐ型不純物が前記量子ドットの内部に生成する前記ホールの数が、前記量子ドットの価電子帯の基底準位の状態数と同数以上となるように、前記ｐ型不純物の濃度が設定されており、
前記量子ドットに接して形成されたｐ型不純物領域及びｎ型不純物領域が存在しないことを特徴とする量子ドット・デバイス。 - 半導体レーザの機能を有する請求項１に記載の量子ドット・デバイス。
- 半導体光増幅器の機能を有する請求項１に記載の量子ドット・デバイス。
- 前記ｐ型不純物が前記量子ドットの内部に生成する前記ホールの数が、前記量子ドットの価電子帯の基底準位の状態数と同数となるように、前記ｐ型不純物の濃度が設定されている請求項１〜３のいずれかに記載の量子ドット・デバイス。
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