JP5119789B2 - 量子ドット半導体レーザ - Google Patents
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Description
特に、量子ドットを発光層(活性層)に用いる量子ドットDFBレーザ(Distributed Feed Back Laser)は、DFBレーザの特徴である優れた単一モード性を有し、さらに、量子ドットの3次元キャリア閉じ込めによってキャリア密度の変化に対する屈折率の変化が小さくなるため、スペクトル線幅の狭い発振光が得られると期待されている。なお、量子ドットDFBレーザに関しては例えば非特許文献1などがある。
Jin Soo Kim, et al., "InAs-InAlGaAs Quantum Dot DFB Lasers Based on InP(001)", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.18, NO.4, pp.595-597, FEBRUARY 15, 2006
なお、このようにして形成された自己形成量子ドット(S−K量子ドット)は、図8に示すように、下地に臨界膜厚以下(例えば1〜2原子層の膜厚)の2次元的に広がったウェッティングレイヤ(濡れ層;WL)101を伴っている。
さらに、一般に、量子ドット100は、半導体基板102よりも長波側の組成波長を有する半導体材料が用いられるため、量子ドット100を形成する半導体材料の格子定数は、半導体基板102の格子定数よりも大きくなり、量子ドット内部には圧縮歪みがかかっている。
しかしながら、このような量子ドットレーザでは、スペクトル線幅の狭い理想的なレーザが実現できなかった。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、単一モード性に優れ、スペクトル線幅の狭い半導体レーザを実現できるようにした、量子ドット半導体レーザを提供することを目的とする。
[第1実施形態]
まず、本発明の第1実施形態にかかる量子ドット半導体レーザについて、図1〜図5を参照しながら説明する。
つまり、本量子ドット半導体レーザは、例えば図1及び図4に示すように、n型InP基板[ここではn−InP(100)基板;半導体基板]1上に、n型InPバッファ層2と、回折格子3Aを有するn型InGaAsP回折格子層3と、n型InP下側クラッド層4と、SCH(Separate Confinement Heterostructure;分離閉じ込めヘテロ構造)層(下側バリア層;光閉じ込め層)5と、量子ドットを用いた活性層(量子ドット活性層)6と、SCH層(上側バリア層:光閉じ込め層)7と、p型InP上側クラッド層8と、p型InP埋込層(ブロック層;電流狭窄層)9と、n型InP埋込層(ブロック層;電流狭窄層)10と、p型InGaAsPコンタクト層11と、p側電極12と、n側電極13と、SiO2膜(絶縁膜)14とを備え、活性層6及び回折格子3Aを含むメサ構造15が埋込層9,10によって埋め込まれた埋込型量子ドット半導体レーザとして構成される。
本実施形態では、量子ドット20が上下に接合されて基底準位におけるTMモード利得がTEモード利得よりも大きい複合量子ドット24が形成されるように、量子ドット層23を複数積層させて活性層6を形成している。
また、量子ドット層23の平均歪み量が0.5%以上になるようにしている。ここで、量子ドット層23の平均歪み量は、下記式(1)で定義される。
((εba×tba)+(εQD×tQD))/(tba+tQD)・・・(1)
ここで、εbaはバリア層の歪み量(%)、tbaはバリア層の膜厚(原料供給量)(ML)、εQDは量子ドットの歪み量(%)、tQDは量子ドットの原料供給量(ML)である。なお、歪み量の符号は、引張歪みを+、圧縮歪みを−とする。
まず、半導体レーザのスペクトル線幅Δνは、下記式(2)の関係を満たす。
上記式(2)より、線幅増大係数αが小さいほどスペクトル線幅が狭くなることが分かる。上記式(3)より、プラズマ効果と呼ばれる、キャリア密度による有効屈折率の変化(∂neff/∂N)が小さくなれば、線幅増大係数αが小さくなることが分かる。したがって、有効屈折率の変化(∂neff/∂N)が小さいほど、スペクトル線幅が狭くなることが分かる。
しかし、本発明者らが詳細に検討した結果、有効屈折率のキャリア密度による変化(∂neff/∂N)には、ウェッティング層(ウェッティングレイヤ;WL)に蓄積されたキャリアによる成分と、量子ドットに蓄積されたキャリアによる成分とが含まれていることがわかった。
そして、本発明者らは、複数の量子ドットを近接積層した複合量子ドット(柱状の結合量子ドット;コラムナ量子ドット)を用いて、実際にTMモードで発振させるのに必要とされる、基底準位におけるTMモード利得がTEモード利得よりも大きい量子ドットの形成に成功し、TMモード発振に必要な量子ドットに要求される条件を得た。その条件について、以下、具体的に説明する。
ここで、図2は、量子ドット層23の平均歪み量とコラムナ量子ドット24のアスペクト比を変化させた場合[即ち、量子ドット層23を構成するバリア層22の膜厚(バリア層の原料供給量)と、量子ドット20の積層数(量子ドット層23の積層数)とを変化させた場合]のTE偏波とTM偏波の発光強度比(TE/TM)の変化をデシベル(dB)で示したものである。
これは、コラムナ量子ドット24の形状を高くして縦長にすることによって、面内の圧縮歪みよりも高さ方向の圧縮歪みを受けやすくなるため、面内方向で引張歪みを受けやすくなり、その結果、軽い正孔との遷移成分が増大することによると考えられる。
これは、量子ドット層23の平均歪み量を0.5%以上(好ましくは0.6%以上)にすることによって、量子ドット内部を面内方向で引張歪みを受けた状態にできるためであると考えられる。
具体的には、上述のように、InGaAsPバリア層22の引張歪み量を3.7%とし、InAs量子ドット20の原料供給量を2MLとする場合(この場合、圧縮歪み3.2%のInAs量子ドットが形成される)、バリア層22の原料供給量を3.2ML以上にして成長させることによって、上記式(1)より、量子ドット層23の平均歪み量が1.0%以上の条件を満たすようにすることができる。
なお、各層の結晶成長には、例えば有機金属気相成長(Metalorganic Vapor-Phase Epitaxy:MOVPE)法を用いる。
まず、図4(A)に示すように、n−InP(100)基板(半導体基板)1を、例えば、反応室内の圧力を50Torrとし、ホスフィン(PH3)雰囲気で600〜650℃に加熱(昇温)する。
次に、図1に示すように、n−InPクラッド層4上に、InxGa1-xAs1-yPyからなるSCH層(バリア層)5を例えば100nm成長させる。ここでは、InxGa1-xAs1-yPyバリア層(SCH層)5の組成を例えばx=0.78、y=0.52とすることで、組成波長1.2μmで無歪みのバリア層を形成している。
温度が安定した後、以下のようにして、図3に示すように、InxGa1-xAs1-yPyバリア層(SCH層)5上に、コラムナ量子ドット24を備える活性層(量子ドット活性層)6を形成する。
この場合、成長初期には2次元成長によりウェッティング層(濡れ層)21が形成されるが、臨界膜厚を越えた時点で、ウェッティング層21上に3次元島状のInAs量子ドット20が形成されることになる。
このようにしてInAs量子ドット20を形成した後、TMIn、TEGa、AsH3、PH3を供給することによって、図3に示すように、引張歪みInxGa1-xAs1-yPyバリア層22を成長させる。これにより、InAs量子ドット20及び引張歪みInxGa1-xAs1-yPyバリア層22からなる量子ドット層23が形成される。
例えば、引張歪みInxGa1-xAs1-yPyバリア層22の引張歪み量を3.7%とし、InAs量子ドット20の原料供給量を2MLとする場合(この場合、圧縮歪み3.2%のInAs量子ドットが形成される)、引張歪みInxGa1-xAs1-yPyバリア層22を2.4ML以上にして成長させることによって、上記式(1)より、量子ドット層23の平均歪み量が0.5%以上の条件を満たすようにすることができる。
ここで、コラムナ量子ドット24の高さは、量子ドット層23の積層数(繰り返し回数)によって制御することができる。例えば、1つの量子ドット20の横方向サイズが13nmで、高さが1nm(量子ドット層の膜厚が1nm)の場合、量子ドット層23を8層以上(好ましくは13層以上)、50層以下の範囲内で積層させることによって、複合量子ドット24のアスペクト比を0.6以上(好ましくは1.0以上)、3.8以下の条件を満たすようにすることができる。
そして、メサ構造15を埋め込むようにp−InP埋込層(ブロック層)9を成長させた後、さらに、n−InP埋込層(ブロック層)10を成長させる。
次に、SiO2マスクを除去し、全面にp−InPクラッド層8の一部を例えば2〜3μm成長させる。なお、p−InPクラッド層8のp型不純物濃度は例えば1×1018cm-3である。
その後、へき開によって光の出射する軸方向の端面が形成され、共振器構造(キャビティ)が形成される。なお、素子の両端面には反射防止膜を形成しても良い。このようにして量子ドット半導体レーザが製造される。
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態にかかる量子ドット半導体レーザについて、図6を参照しながら説明する。
つまり、本量子ドット半導体レーザは、基底準位におけるTMモード利得がTEモード利得よりも大きい量子ドットを活性層(発光層)に用い、回折格子を備える量子ドット半導体レーザ(例えばDFBレーザ)であり、例えば図6に示すように、n型InP基板(半導体基板)1上に、必要に応じてn型InPバッファ層(図示せず)と、n型InP下側クラッド層4と、SCH(Separate Confinement Heterostructure;分離閉じ込めヘテロ構造)層(下側バリア層;光閉じ込め層)5と、コラムナ量子ドットを用いた活性層(量子ドット活性層)6と、SCH層(上側バリア層:光閉じ込め層)7と、p型InP上側クラッド層8と、p型InGaAsコンタクト層32と、p側電極12と、n側電極13とを備え、p型InP上側クラッド層8、p型InGaAsコンタクト層32及びp側電極12を含むリッジ構造30を有し、このリッジ構造30の側面に回折格子31が形成されたリッジ型量子ドット半導体レーザとして構成される。なお、図6では、上述の第1実施形態(図1参照)と同一のものには同一の符号を付している。
まず、図6に示すように、n型InP基板1上に、例えばMOVPE法によって、必要に応じてn型InPバッファ層(図示せず)、n型InPクラッド層4、SCH層(下側バリア層)5、コラムナ量子ドットを用いた活性層6、SCH層(上側バリア層)7、p型InPクラッド層8、p型InGaAsコンタクト層32を成長させる。
次いで、リッジ構造30の上面に、即ち、p型InGaAsコンタクト層32上にp側電極12を形成し、n型InP基板1の裏面にn側電極13を形成する。
その後、へき開によって光の出射する軸方向の端面が形成され、共振器構造(キャビティ)が形成される。なお、素子の両端面には反射防止膜を形成しても良い。このようにして量子ドット半導体レーザが製造される。
したがって、本実施形態にかかる量子ドット半導体レーザによれば、単一モード性に優れ、スペクトル線幅の狭い半導体レーザを実現できるという利点がある。
[その他]
なお、上述の各実施形態では、コラムナ量子ドットによって、基底準位におけるTMモード利得がTEモード利得よりも大きい量子ドットを実現しているが、これに限られるものではなく、基底準位におけるTMモード利得がTEモード利得よりも大きい量子ドットは、以下のように、例えばリソグラフィを用いて作製することもできる。
次に、図7(B)に示すように、例えばリソグラフィ、ドライエッチングによって、SiO2膜44、無歪みバリアキャップ層43、量子ドット材料層42を除去して、箱型の量子ドット42Aを形成する。ここでは、量子ドット42Aに連なるように量子ドット材料層42の一部が残るようにしている。つまり、量子ドット42Aに連なるように、量子ドット42Aと同一の材料・組成の半導体材料からなる半導体層42Bが形成される。
そして、図7(D)に示すように、SiO2膜44を除去した後、無歪みのバリア層46を全面に成長させ(これにより無歪みのバリアキャップ層43は無歪みバリア層46の一部となる)、最後に、量子ドット42Aの結晶性を回復させるために、例えば750℃程度の所定温度で例えば1分程度の所定時間だけアニールを行なう。
また、上述の各実施形態では、埋込型とリッジ型の代表的な量子ドット半導体レーザ(DFBレーザ)を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、本発明は、活性層が、基底準位におけるTMモード利得がTEモード利得よりも大きい量子ドットと、量子ドットに連なるように形成され、量子ドットと同一の材料・組成の半導体材料からなる半導体層とを有する量子ドット半導体レーザに広く適用することができ、例えば、活性層以外の構成及び製造方法は、他の構成及び製造方法であっても良い。
また、上述の各実施形態では、n型InP基板(第1の導電型の半導体基板)上に形成した半導体レーザを例に説明しているが、これに限られるものはない。例えばp型InP基板(第2の導電型の半導体基板)上に形成しても良いし、高抵抗InP基板(SI−InP基板)上に形成しても良い。
以下、上述の各実施形態に関し、更に、付記を開示する。
(付記1)
半導体基板と、
基底準位におけるTMモード利得がTEモード利得よりも大きい量子ドットと、前記量子ドットに連なるように形成され、前記量子ドットと同一の材料・組成の半導体材料からなる半導体層とを有する活性層と、
回折格子とを備えることを特徴とする量子ドット半導体レーザ。
前記活性層は、前記半導体基板の格子定数よりも大きな格子定数を有する半導体材料からなる量子ドットと、前記半導体層としてのウェッティング層と、前記半導体基板の格子定数よりも小さな格子定数を有する半導体材料からなるバリア層とを有する量子ドット層を、前記量子ドットが上下に接合されて基底準位におけるTMモード利得がTEモード利得よりも大きい複合量子ドットが形成されるように、複数積層させて構成されることを特徴とする、付記1記載の量子ドット半導体レーザ。
前記複合量子ドットのアスペクト比は、1以上3.8以下であることを特徴とする、付記2記載の量子ドット半導体レーザ。
(付記4)
前記量子ドット層の平均歪み量は、0.5%以上であることを特徴とする、付記2又は3記載の量子ドット半導体レーザ。
前記活性層及び前記回折格子を含むメサ構造と、
前記メサ構造を埋め込む埋込層とを備えることを特徴とする、付記1〜4のいずれか1項に記載の量子ドット半導体レーザ。
(付記6)
リッジ構造を備え、
前記リッジ構造の側面に前記回折格子が形成されていることを特徴とする、付記1〜4のいずれか1項に記載の量子ドット半導体レーザ。
2 n型InPバッファ層
3 n型InGaAsP回折格子層
3A 回折格子
3X n型InGaAsP層
4 n型InP下側クラッド層
4A n型InPキャップ層
5 SCH層(下側バリア層)
6 活性層(量子ドット活性層)
7 SCH層(上側バリア層)
8 p型InP上側クラッド層
9 p型InP埋込層(ブロック層)
10 n型InP埋込層(ブロック層)
11 p型InGaAsPコンタクト層
12 p側電極
13 n側電極
14 SiO2膜(絶縁膜)
15 メサ構造
20 InAs量子ドット
21 InAsウェッティング層
22 InGaAsPバリア層
23 量子ドット層
24 InAs複合量子ドット(コラムナ量子ドット)
30 リッジ構造
31 回折格子
32 p型InGaAsコンタクト層
40 半導体基板
41 バッファ層
42 量子ドット材料層
42A 量子ドット
42B 半導体層
43 無歪みバリアキャップ層
44 SiO2膜
45 引張歪みバリア層
46 無歪みバリア層
47 活性層
Claims (2)
- 半導体基板と、
基底準位におけるTMモード利得がTEモード利得よりも大きい量子ドットと、前記量子ドットに連なるように形成され、前記量子ドットと同一の材料・組成の半導体材料からなる半導体層とを有する活性層と、
回折格子とを備え、
前記活性層は、前記半導体基板の格子定数よりも大きな格子定数を有する半導体材料からなる量子ドットと、前記半導体層としてのウェッティング層と、前記半導体基板の格子定数よりも小さな格子定数を有する半導体材料からなるバリア層とを有する量子ドット層を、前記量子ドットが上下に接合されて基底準位におけるTMモード利得がTEモード利得よりも大きい複合量子ドットが形成されるように、複数積層させて構成され、
前記複合量子ドットのアスペクト比は、0.8以上3.8以下であり、
前記量子ドット層の平均歪み量は、1.0%以上であることを特徴とする量子ドット半導体レーザ。 - 前記活性層及び前記回折格子を含むメサ構造と、
前記メサ構造を埋め込む埋込層とを備えることを特徴とする、請求項1に記載の量子ドット半導体レーザ。
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