JP2005268573A - 自己形成型量子ドットを用いた半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】自己形成型量子ドットを用いた半導体発光素子に関し、活性層を直接エッチングすることなく横モードを制御する。
【解決手段】光導波路における光軸に垂直な断面内の自己形成型量子ドット４の密度を周辺部より中央部で大きくする。
【選択図】 図１

Description

本発明は自己形成型量子ドットを用いた半導体発光素子に関するものであり、特に、光通信システムにおいて光源として用いる半導体レーザや半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）における横モード制御構成に特徴のある自己形成型量子ドットを用いた半導体発光素子に関するものである。

近年、高速伝送システムとして光通信システムが一般家庭まで普及しつつあるが、光通信用の光源として或いは中継器として使用される半導体レーザ或いは半導体光増幅には横モードの単一化が要求される。

この横モードの単一化は、安定して半導体レーザを動作させるとともに、ファイバへの光の結合効率を上昇させる上で重要になり、従来の半導体レーザ或いは半導体光増幅器においては、活性層をストライプ状に形成することによって、横モードの単一化を行っていた。

また、近年の光通信システムの高速化、高機能化に伴い、光源となる半導体レーザや半導体光増幅器等の半導体発光素子には優れた、波長安定性も要求されており、そのために、他の構成に比べて比較的大きな利得結合係数を確保するために電子の状態が３次元全方向に量子化された構造である自己形成型量子ドットを活性層に用いた利得結合型ＤＦＢレーザも提案されている（例えば、特許文献１参照）。

さらに、このような自己形成型量子ドットを用いた半導体レーザにおいて、活性層の下に格子定数の異なる複数の材料による周期的構造を設け、その上に成長する自己形成型量子ドットの密度或いは大きさの少なくとも一方を周期的に変化させることによって波長を単一化することも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

一方、量子ドットを用いた半導体レーザ或いは半導体光増幅器において、共振器軸に垂直な方向の量子ドットの密度分布を制御することによって、横基本モードのビーム形状を制御することも提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００１−３２６４２１号公報 特開２００３−３０９３２２号公報 特開平１１−３０７８６０号公報

しかし、上記のいずれの提案においても、横基本モードの実現は量子ドットを含む活性層をストライプ状にパターニングすることによって行っており、これらの提案では、活性層を直接エッチングにより切断するため、レーザの劣化が大きいという問題がある。

したがって、本発明は、活性層を直接エッチングすることなく横モードを制御することを目的とする。

図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図における符号１，６は、それぞれ下部クラッド層及び上部クラッド層である。 図１参照
上記課題を解決するために、本発明は、活性層媒質に自己形成型量子ドット４を用いた半導体発光素子において、光導波路における光軸に垂直な断面内の自己形成型量子ドット４の密度が周辺部より中央部で大きいことを特徴とする。

このように、自己形成型量子ドット４の密度の粗密を利用し、共振器と垂直方向に中央部分に比較して両端部分の自己形成型量子ドット４の密度が小さくなる活性層構造を作製することにより、活性層を直接加工することなく、したがって、素子の信頼性を下げることなく横高次モードの発生を抑えることができる。
なお、半導体発光素子とは、主として半導体レーザ或いは半導体光増幅器を意味するが、発光ダイオード（ＬＥＤ）も含むものである。

上述の自己形成型量子ドット４の密度に粗密を形成するためには、光導波路における光軸に垂直な断面内で、中央部における下地半導体層２の格子定数を周辺部の下地半導体層３の格子定数より大きくすれば良い。

また、上述の下地半導体層２，３、下地半導体層２，３上に形成された自己形成型量子ドット４、及び、自己形成型量子ドット４及び下地半導体層２，３を覆うバリア層５からなる積層構造を、少なくとも２層以上積層させるように構成しても良く、それによって、大きな光出力を得ることができる。

この場合の自己形成型量子ドット４の密度の粗密としては、中央部における自己形成型量子ドット４の密度が、周辺部における自己形成型量子ドット４の密度よりも１．５倍以上、より好適には２倍以上になるようにすれば良く、それによって横高次モードの発生を効果的に抑制することができる。

また、自己形成型量子ドット４の密度分布以外に横モードを制御するストライプ構造７を設けることが望ましく、それによって、発振モードを確実に横基本モードとすることができる。

この場合の格子定数の大きな下地半導体層２としてはＩｎＧａＡｓ、格子定数の小さな下地半導体層３としてはＧａＡｓ、自己形成型量子ドット４としてはＩｎＡｓの組合せが最も典型的なものであり、それによって、光通信用光源に適した波長で発振する半導体発光素子を実現することができる。

本発明により、自己形成型量子ドットの密度の下地依存性を利用することにより、活性層を直接加工することなく横高次モードを抑制することができ、それによって、素子の信頼性を低下させることがない。

本発明は、自己形成型量子ドットの密度の下地依存性を利用し、共振器軸と垂直な断面において、中央部における下地半導体層の格子定数を周辺部における下地半導体層の格子定数より大きくすることによって、中央部分に比較して両端部分の自己形成型量子ドットの密度を小さくし、横高次モードを制御するものである。

ここで、図２乃至図７を参照して、本発明の実施例１の自己形成型量子ドットを用いた半導体発光素子を説明するが、各図は、光軸と垂直な断面図である。
図２参照
まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上にＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いて、厚さが、例えば、５００ｎｍでドーピング濃度が１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ＧａＡｓバッフア層１２、厚さが、例えば、１．４μｍでＡｌ組成が０．４、ドーピング濃度が６．０×１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１３、厚さが、例えば、１５０ｎｍのノンドープＧａＡｓ層１４、及び、厚さが、例えば、５ｎｍでＩｎ組成比が０．１５のノンドープＩｎＧａＡｓ層１５を順次成長させる。

図３参照
次いで、ノンドープＩｎＧａＡｓ層１５上にレジストを塗布したのち、電子ビーム露光法若しくは干渉露光法を用いて例えば、幅３．０μｍ、長さ３００μｍのストライプ状溝１７を有するレジストパターン１６を形成し、次いで、スパッタ法を用いたＳｉＯ₂ 膜１８を堆積させることによって、ストライプ状溝１７内部に段切れしたＳｉＯ₂ パターン１９を形成する。

図４参照
次いで、レジストパターン１６を剥離することによってレジストパターン１６上に堆積したＳｉＯ₂ 膜１８を除去することによりＳｉＯ₂ パターン１９のみを残存させ、このＳｉＯ₂ パターン１９をマスクとしてノンドープＩｎＧａＡｓ層１５を選択的に除去する。

図５参照
次いで、ＳｉＯ₂ パターン１９をそのまま選択成長マスクとして用いてＭＯＣＶＤ法によりノンドープＧａＡｓ埋込層２０を成長させることによって、ノンドープＩｎＧａＡｓ層１５の除去部を埋め込む。

図６参照
次いで、ＳｉＯ₂ パターン１９を除去したのち、例えば、特開平９−３２６５０６号公報に記載された方法を用い、例えば、４７０℃の成長温度において、３分子層相当分のＩｎＡｓ形成用原料ガスを供給してＩｎＡｓ量子ドット２１を自己形成する。

このＩｎＡｓ量子ドット２１の密度は、下地半導体層、ここではノンドープＩｎＧａＡｓ層１５とノンドープＧａＡｓ埋込層２０に大きく依存し、この場合のノンドープＩｎＧａＡｓ層１５上に成長するＩｎＡｓ量子ドット２１の密度は〜８×１０¹⁰／ｃｍ² となり、ノンドープＧａＡｓ埋込層２０上に成長するＩｎＡｓ量子ドット２１の密度は〜３×１０¹⁰／ｃｍ² となり密度分布が形成される。

図７参照
次いで、再びＭＯＣＶＤ法を用いて、厚さが、例えば、１００ｎｍのノンドープＧａＡｓバリア層２２でＩｎＡｓ量子ドット２１を埋め込んだのち、厚さが、例えば、１．４μｍで、Ａｌ組成が０．４でドーピング濃度が１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２３、厚さが、例えば、２０ｎｍで、Ａｌ組成が０．２、ドーピング濃度が２．０×１０¹⁹ｃｍ^-3のｐ型ＡｌＧａＡｓ層２４、及び、厚さが、例えば、４００ｎｍでドーピング濃度が２．０×１０¹⁹ｃｍ^-3のｐ型ＧａＡｓコンタクト層２５を形成する。

次いで、図示を省略するものの、ストライプ状のＳｉＯ₂ パターンをマスクとしてドライエッチング法を施すことによって、ノンドープＩｎＧａＡｓ層１５の形状と投影的に一致する高さ１．５μｍ、幅３μｍのリッジメサ２６を形成したのち、ＳｉＯ₂ パターンを除去し、次いで、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２５上にｐ側電極２７を形成するとともに、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面にｎ側電極２８を設けることによって自己形成型量子ドットを用いた半導体発光素子の基本構成が完成する。

この本発明の実施例１においては、ＩｎＡｓ量子ドット２１に密度分布を形成しているので、周辺部に広がる横高次モードにおいてはＩｎＡｓ量子ドット２１の密度が小さな周辺部において充分な利得が得られなくなるので横高次モードの発振が抑制され、リッジメサ２６による横モード制御効果と相乗して横基本モードの発振となる。

このように、本発明の実施例１においては、自己形成型量子ドットの密度分布によって横モードを制御しているので、活性層を直接加工する必要がなく、したがって、素子特性が劣化することがない。

次に、図８及び図９を参照して、本発明の実施例２の半導体発光素子を説明する。
図８参照
まず、上記の実施例１と全く同様に、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上にＭＯＣＶＤ法を用いて、厚さが、例えば、５００ｎｍでドーピング濃度が１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ＧａＡｓバッフア層１２、厚さが、例えば、１．４μｍでＡｌ組成が０．４、ドーピング濃度が６．０×１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１３、厚さが、例えば、１５０ｎｍのノンドープＧａＡｓ層１４、及び、厚さが、例えば、５ｎｍでＩｎ組成比が０．１５のノンドープＩｎＧａＡｓ層１５を順次成長させる。

次いで、ノンドープＩｎＧａＡｓ層１５上にレジストを塗布したのち、電子ビーム露光法若しくは干渉露光法を用いて例えば、幅３．０μｍ、長さ３００μｍのストライプ状溝１７を有するレジストパターン１６を形成し、次いで、スパッタ法を用いたＳｉＯ₂ 膜１８を堆積させることによって、ストライプ状溝１７内部に段切れしたＳｉＯ₂ パターン１９を形成する。

次いで、レジストパターン１６を剥離することによってレジストパターン１６上に堆積したＳｉＯ₂ 膜１８を除去することによりＳｉＯ₂ パターン１９のみを残存させ、このＳｉＯ₂ パターン１９をマスクとしてノンドープＩｎＧａＡｓ層１５を選択的に除去する。

次いで、ＳｉＯ₂ パターン１９をそのまま選択成長マスクとして用いてＭＯＣＶＤ法によりノンドープＧａＡｓ埋込層２０を成長させることによって、ノンドープＩｎＧａＡｓ層１５の除去部を埋め込む。

次いで、ＳｉＯ₂ パターン１９を除去したのち、例えば、特開平９−３２６５０６号公報に記載された方法を用い、例えば、４７０℃の成長温度において、３分子層相当分のＩｎＡｓ形成用原料ガスを供給してＩｎＡｓ量子ドット２１を自己形成する。
この場合も、ノンドープＩｎＧａＡｓ層１５上に成長するＩｎＡｓ量子ドット２１の密度は〜８×１０¹⁰／ｃｍ² となり、ノンドープＧａＡｓ埋込層２０上に成長するＩｎＡｓ量子ドット２１の密度は〜３×１０¹⁰／ｃｍ² となり密度分布が形成される。

図９参照
次いで、再びＭＯＣＶＤ法を用いて続いて、厚さが、例えば、１００ｎｍのノンドープＧａＡｓバリア層２２、及び、厚さが、例えば、７００ｎｍでＡｌ組成が０．４、ドーピング濃度が１．０×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２９を順次成長させる。

次いで、図示を省略するものの、ノンドープＩｎＧａＡｓ層１５の形状を覆うように幅が５．０μｍのストライプ状のＳｉＯ₂ パターンを形成し、このＳｉＯ₂ パターンをマスクとしてドライエッチング法を施すことによって、高さ１．５μｍ、幅５μｍのストライプ状メサ３０を形成する。

次いで、ＳｉＯ₂ パターンを選択成長マスクとしてＭＯＣＶＤ法を用いることによって、ストライプ状メサ３０の側部にＡｌ組成比が０．５のｐ型ＡｌＧａＡｓ埋込層３１及びＡｌ組成比が０．５のｎ型ＡｌＧａＡｓブロック層３２を成長させる。

次いで、ＳｉＯ₂ パターンを除去したのち、再びＭＯＣＶＤ法を用いることによって、全面に、厚さが、例えば、７００ｎｍでＡｌ組成が０．４のｐ型ＡｌＧａＡｓ層３３、及び、厚さが、例えば、４００ｎｍで、ドーピング濃度が２．０×１０¹⁹ｃｍ^-3のｐ型ＧａＡｓコンタクト層３４を形成する。

最後に、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層３４上にｐ側電極３５を形成するとともに、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面にｎ側電極２８を設けることによって自己形成型量子ドットを用いた半導体発光素子の基本構成が完成する。

この実施例２においても、横高次モード発振を自己形成量子ドットの密度分布によって抑制しているので、素子特性を劣化させることがない。

次に、図１０を参照して、本発明の実施例３の半導体発光素子を説明するが、基本的な製造工程は上記の実施例１と同様であるので、説明は簡略化する。
図１０参照
図１０は、本発明の実施例３の半導体発光素子の光軸に垂直な断面図であり、この場合には、ＩｎＡｓ量子ドットを三段重に設けたものである。

この場合の量子ドット活性層を形成する場合には、上記の実施例１と全く同様に一段目のＩｎＡｓ量子ドット２１を形成したのち、厚さが、例えば、２０ｎｍのノンドープＧａＡｓバリア層３６及び厚さが、例えば、１０ｎｍのノンドープＩｎＧａＡｓ層３７を形成し、このノンドープＩｎＧａＡｓ層３７をノンドープＩｎＧａＡｓ層１５と同様にパターニングするとともにその除去部をノンドープＧａＡｓ埋込層３８で埋め込み、その上にＩｎＡｓ量子ドット３９を形成する。

次いで、この工程を必要回数繰り返すことによって、この場合には、あと１回繰り返すことによって、三段重の量子ドット活性層を形成したものである。

この実施例３においては三段重の量子ドット活性層としているので、一段構造の量子ドット活性層に比べて光出力を大きくすることができる。

なお、上記の各実施例の説明においては、説明を簡単にするために単に半導体発光素子として説明してきたが、半導体レーザを形成する場合には、共振器面を劈開で形成したのち、必要に応じて劈開面に反射膜を設ければ良く、また、半導体光増幅器を形成する場合には、劈開面に反射防止膜を形成すれば良い。

以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載した条件・構成に限られるものではなく、各種の変更が可能であり、例えば、各実施例に記載した幅、長さ、高さ、厚さ、組成比、ドーピング濃度等の数値は記載した数値に限られるものではない。

また、上記の実施例１及び実施例２においては、ストライプ構造としてリッジメサ構造及びＰＢＨ構造を採用しているが、これらの構造に限られるものではなく、従来より横モードの制御のために採用されている各種のストライプ構造を採用しても良いものである。

また、上記の各実施例の説明においては、最初からチップ状態での製造方法のように説明しているが、通常はウェハ状態で製造するものであり、したがって、下地半導体層を選択エッチングする際のマスクとして用いるＳｉＯ₂ パターンの長さは３００μｍではなく、ウェハの大きさに応じた長さにして、多数の半導体発光素子を一括して製造することになる。

また、上記の各実施例においては、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系で説明しているが、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系にも適用されるものであり、この場合には、製造条件に応じて密度の大きな量子ドットの形成される半導体層を中央部に残存させるようにすれば良い。

また、上記の各実施例においては、自己形成型量子ドットの密度比を８／３（≒２．６７）としているが、密度比は３／２（＝１．５）以上であれば良く、より好適には２／１（＝２）以上であれば良い。

また、上記の各実施例においては、結晶成長方法として，ＭＯＣＶＤ法を用いているが、ＭＯＣＶＤ法に限られるものではなく、実施例３におけるｐ型ＡｌＧａＡｓ埋込層の成長工程以降以外はＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長方法）を用いても良いものである。

ここで再び図１を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図１参照
（付記１） 活性層媒質に自己形成型量子ドット４を用いた半導体発光素子において、光導波路における光軸に垂直な断面内の自己形成型量子ドット４の密度が周辺部より中央部で大きいことを特徴とする自己形成型量子ドットを用いた半導体発光素子。
（付記２） 上記光導波路における光軸に垂直な断面内で、中央部における下地半導体層２の格子定数が周辺部の下地半導体層３の格子定数より大きく、且つ、前記格子定数の大きな下地半導体層２上部に形成された自己形成型量子ドット４の密度が、前記格子定数の小さな下地半導体層３上部に形成された自己形成型量子ドット４の密度よりも大きいことを特徴とする付記１記載の自己形成型量子ドットを用いた半導体発光素子。
（付記３） 上記下地半導体層２，３、前記下地半導体層２，３上に形成された自己形成型量子ドット４、及び、前記自己形成型量子ドット４及び下地半導体層２，３を覆うバリア層５からなる積層構造を、少なくとも２層以上積層させたことを特徴とする付記２記載の自己形成型量子ドットを用いた半導体発光素子。
（付記４） 上記中央部における自己形成型量子ドット４の密度が、上記周辺部における自己形成型量子ドット４の密度よりも１．５倍以上大きいことを特徴とする付記１乃至３のいずれか１に記載の自己形成型量子ドットを用いた半導体発光素子。
（付記５） 上記自己形成型量子ドット４の密度分布以外に横モードを制御するストライプ構造７を設けたことを特徴とする付記１乃至４のいずれか１に記載の自己形成型量子ドットを用いた半導体発光素子。
（付記６） 上記格子定数の大きな下地半導体層２がＩｎＧａＡｓからなり、上記格子定数の小さな下地半導体層３がＧａＡｓからなり、且つ、上記自己形成型量子ドット４がＩｎＡｓからなることを特徴とする付記２乃至５のいずれか１に記載の自己形成型量子ドットを用いた半導体発光素子。

本発明の活用例としては、光通信用の光源としての半導体レーザ或いは半導体光増幅器が挙げられるが、このような例に限られるものではなく、ＤＶＤ用光源等の光情報処理光源用の半導体レーザ或いは発光ダイオードの横モード制御或いはビーム径制御に用いても良いものである。

本発明の原理的構成の説明図である。 本発明の実施例１の半導体発光素子の途中までの製造工程の説明図である。 本発明の実施例１の半導体発光素子の図２以降の途中までの製造工程の説明図である。 本発明の実施例１の半導体発光素子の図３以降の途中までの製造工程の説明図である。 本発明の実施例１の半導体発光素子の図４以降の途中までの製造工程の説明図である。 本発明の実施例１の半導体発光素子の図５以降の途中までの製造工程の説明図である。 本発明の実施例１の半導体発光素子の図６以降の製造工程の説明図である。 本発明の実施例２の半導体発光素子の途中までの製造工程の説明図である。 本発明の実施例２の半導体発光素子の図８以降の製造工程の説明図である。 本発明の実施例３の半導体発光素子の構成説明図である。

符号の説明

１ 下部クラッド層
２ 下地半導体層
３ 下地半導体層
４ 自己形成型量子ドット
５ バリア層
６ 上部クラッド層
７ ストライプ構造
１１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１３ ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
１４ ノンドープＧａＡｓ層
１５ ノンドープＩｎＧａＡｓ層
１６ レジストパターン
１７ ストライプ状溝
１８ ＳｉＯ₂ 膜
１９ ＳｉＯ₂ パターン
２０ ノンドープＧａＡｓ埋込層
２１ ＩｎＡｓ量子ドット
２２ ノンドープＧａＡｓバリア層
２３ ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
２４ ｐ型ＡｌＧａＡｓ層
２５ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
２６ リッジメサ
２７ ｐ側電極
２８ ｎ側電極
２９ ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
３０ ストライプ状メサ
３１ ｐ型ＡｌＧａＡｓ埋込層
３２ ｎ型ＡｌＧａＡｓブロック層
３３ ｐ型ＡｌＧａＡｓ層
３４ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
３５ ｐ側電極
３６ ノンドープＧａＡｓバリア層
３７ ノンドープＩｎＧａＡｓ層
３８ ノンドープＧａＡｓ埋込層
３９ ＩｎＡｓ量子ドット
４０ ノンドープＧａＡｓバリア層
４１ ノンドープＩｎＧａＡｓ層
４２ ノンドープＧａＡｓ埋込層
４３ ＩｎＡｓ量子ドット

Claims (5)

1. 活性層媒質に自己形成型量子ドットを用いた半導体発光素子において、光導波路における光軸に垂直な断面内の自己形成型量子ドットの密度が周辺部より中央部で大きいことを特徴とする自己形成型量子ドットを用いた半導体発光素子。
2. 上記光導波路における光軸に垂直な断面内で、中央部における下地半導体層の格子定数が周辺部の下地半導体層の格子定数より大きく、且つ、前記格子定数の大きな下地半導体層上部に形成された自己形成型量子ドットの密度が、前記格子定数の小さな下地半導体層上部に形成された自己形成型量子ドットの密度よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の自己形成型量子ドットを用いた半導体発光素子。
3. 上記下地半導体層、前記下地半導体層上に形成された自己形成型量子ドット、及び、前記自己形成型量子ドット及び下地半導体層を覆うバリア層からなる積層構造を、少なくとも２層以上積層させたことを特徴とする請求項２記載の自己形成型量子ドットを用いた半導体発光素子。
4. 上記中央部における自己形成型量子ドットの密度が、上記周辺部における自己形成型量子ドットの密度よりも１．５倍以上大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の自己形成型量子ドットを用いた半導体発光素子。
5. 上記自己形成型量子ドットの密度分布以外に横モードを制御するストライプ構造を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の自己形成型量子ドットを用いた半導体発光素子。

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