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不均一な量子ドットを有する半導体積層構造、それを用いた発光ダイオード、半導体レーザダイオード及び半導体光増幅器並びにそれらの製造方法 コモンズ

国内特許コード P110003441
整理番号 Y03-P081
掲載日 2011年6月21日
出願番号 特願2004-560592
登録番号 特許第4822150号
出願日 平成15年6月13日(2003.6.13)
登録日 平成23年9月16日(2011.9.16)
国際出願番号 JP2003007577
国際公開番号 WO2004055900
国際出願日 平成15年6月13日(2003.6.13)
国際公開日 平成16年7月1日(2004.7.1)
優先権データ
  • 特願2002-364479 (2002.12.16) JP
発明者
  • 竹田 美和
  • 藤原 康文
  • 大賀 涼
  • 李 祐植
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 不均一な量子ドットを有する半導体積層構造、それを用いた発光ダイオード、半導体レーザダイオード及び半導体光増幅器並びにそれらの製造方法 コモンズ
発明の概要 形成する際に格子歪を必要としない不均一な量子ドットを有する半導体積層構造(1)は、活性層(3)の両側に、活性層(3)よりも禁制帯幅の大きいクラッド層(5,6,16)が積層されたダブルヘテロ接合構造であって、活性層(3)が、形成する際に格子歪を必要としない不均一な量子ドット(2)からなる層を少なくとも1層以上含む。不均一な量子ドット層(2)は、その大きさ及び組成の何れか一つまたは両者が異なる化合物半導体からなる不均一な量子ドットから形成されている。発光ダイオード(15,15’)、半導体レーザダイオード(20)及び半導体光増幅器(30)のそれぞれは、不均一な量子ドットを有する半導体積層構造(1、1’)を有して構成されている。波長範囲の広い発光や増幅ができる。
従来技術、競合技術の概要


光通信の伝送路である石英光ファイバの波長分散と伝送損失とは、それぞれ、1.3μm帯と1.5μm帯で最も少ないことから、1.3μm~1.5μm帯が長距離光通信のために利用されている。
図32は、光通信の送受信に使用されている1.5μm帯のEr(エルビウム)添加光ファイバ増幅器(Er-doped Fiber Amplifier:以下、EDFAと呼ぶ)の構成を示す図である。図示するように、EDFA90は、Er添加光ファイバ91と、EDFA励起用半導体レーザダイオード(以下、半導体レーザダイオードをLDと呼ぶ)92と、ファイバカップラ93と、ファイバカップラ93の入力ポート94に接続される信号用のLD95と、光アイソレータ96と、出力ポート97とから構成されている。
EDFALD92の出力として、約100mW以上が必要とされ、Erドープ光ファイバ91の長さは、数mから数十mである。また信号用LD95の出力は、20mW程度である(例えば、須藤昭一編「エルビウム添加光ファイバ増幅器」,オプトエレクトロニクス社,1999年(平成11年)11月21日p.6-8参照)。
上記のEDFA励起用LD92の入力信号として、波長の異なる信号用LD95を多重化して光ファイバの信号伝送量を増大させる、所謂高密度波長多重(D-WDM)伝送技術が発展している。この場合、信号光の多重度の増加に伴い全光入力電力が増加すると、同じ増幅度を得るためには、EDFA90の高出力化が必要となる。
EDFA90においては、Er添加の光ファイバ91中のEr3+イオンの内殻遷移による増幅機構を用いている。Er添加光ファイバ91を長くすることで増幅度を上げるのは、Erの励起効率が悪いので行わないで、それを補うために、0.98μm帯の光励起用LD92の大出力化と発振波長安定のために、回折格子を用いた共振器構造のLDが開示されている(例えば、特開2000-68587号公報第4頁、図1参照)。
さらに近年、半導体量子ドットはデルタ関数的な離散状の電子状態密度を有することから、活性層に半導体量子ドットを設けた、波長純度の高い、低しきい値で、温度依存性の少ない高効率な半導体レーザの提案と検討が行われている(下記の各文献参照)。
Y.Arakawa他1名“Multidimensional quantum well laser and temperature dependence of its threshold current”Appl.Phys.Lett.,1982,Vol.40,pp.939-941;
M.Asada他2名“Gain and threshold of three-dimensional quantum-box lasers”,IEEE,J.Quantum Electron.,1986,QE-22,pp.1915-1921;
K.J.Vahala,“Quantum-box fabrication tolerance and size limitsin semiconductor and their effect on optical gain”,IEEE,J.Quantum Electron.,1988,QE-24,pp.523-530;
H.Sasaki,“Quantum wire superlattices and coupled quantum box arrays:a novel methods to suppress optical phonon scattering in semiconductors”,Jpn.J.Appl.Phys.,1989,Vol.28,pp.L134-L136。
上記の半導体量子ドットの作製方法として、
(1)微細な開口を有する絶縁物で被覆した加工基板を用いた選択成長と、
(2)基板と成長層との格子歪みに起因するStranski-Krastanov(S-K)成長機構(例えば、N.Stranski他1名,Akad.Wiss.Lit.Mainz,Math-Natur,1939,K1.IIb 146,p.797;村田好正他、「自己組織化プロセス技術」、培風館、1997年7月6日発行、pp.264-266を参照)を用いた自己形成と、
(3)原子層エピタキシャル成長法を用いた自己組織化(例えば、特開2000-340883号公報第2-5頁、図1参照)という、3通りの方法が主に採用されている。
また、GaAs基板上に、InAsまたはInGal-xAsの量子ドットをS-K成長により製作した半導体レーザが、研究室レベルであるが既に室温において連続発振に成功している(例えは、N.Kirstaedter他12名“Low threshold,large T injection las-er emission from(InGa)As quantum dots”,Electron Lett.,1994,Vol.30,pp.1416-1417、及びK.Kamath他4名“Room temperature operation of In0.Ga0.As/GaAs self-organised quantum dot lasers”,Electron Lett.,1996,Vol.32,pp.1374-1375参照)。
量子ドットをヘテロエピタキシャル成長法で作製するときに、S-K成長を使用した場合には、本質的に格子不整合を利用している。すなわち、成長層の厚みが増すときに歪が緩和されることを利用して、3次元の島状構造を作製し量子ドットを得ている。このために、S-K成長を用いた発光素子は殆どがGaAs基板上に素子を作製していて、その発光波長は、長くても1.3μmである。
また、3種類の大きさの異なる量子ドット、即ち、3種類の直径からなる量子ドットを活性層領域内に持つ半導体利得導波路を備えた多波長発振光半導体装置が提案されており、GaAs基板上に径の異なる量子ドットとして、InAsまたはInGal-xAsの量子ドットをS-K成長、または、原子層エピタキシャル成長法を用いた自己組織化により製作している。そして、GaAs基板上に径の異なる量子ドットとして、InGal-xAsの量子ドットをS-K成長及び原子層エピタキシャル成長法を用いた自己組織化により形成している。例えば、これらの量子ドット21~23の平均直径は20nmであることが記載されている。しかしながら、量子ドットによる発振波長分布は示されていない(上記特開2000-340883号公報参照)。
一方、Er添加の光ファイバ増幅器はErの励起効率が悪いので、半導体ダイオードの増幅器を用いることが検討されている。例えば、歪ヘテロ系の組成を有し、大きさの異なった量子ドットを用いた層を有する量子ドットレーザ増幅器がが開示されている(例えば、特開2001-255500号公報の図6、図17参照)。
量子ドットを使用した発光素子の発光波長を光通信に使用されている波長帯である1.3μm~1.5μm帯とするために、本発明者らにより、液滴エピタキシャル成長法によりInP基板上に量子ドットを形成する研究が行われていて、室温におけるフォトルミネッセンス(Photo Luminescence)の観測が報告されている(Y.Nonogaki他4名,“InAs dots grown on InP(001)by droplet hetero-epitaxy using OMVPE”,Mat.Sci.& Eng.1998,Vol.B51,pp.118-121参照)。
従来の信号用とEDFA励起用のLDの発振波長は、伝導帯と価電子帯間の幅である禁制帯幅が温度により変化することで、動作温度に対して大きく変動する。一方、大容量光通信のための波長多重化技術においては、LDの発光波長を安定させるために、LDの構造として回折格子を共振器とするLDが使用されているが、製造工程が増し、歩留まりが低下するという課題がある。
また、従来のLDにおいては、その動作温度を一定にして波長安定化が行われている。波長安定化のために、LDをペルチェ素子を使用した恒温槽に入れて温度制御を行っているが、そのために信号用LD及びEDFAの装置が複雑で大型となり、さらに恒温槽の占める経費比率が大きくなっているという課題がある。また、恒温槽の消費電力が少なくとも数W以上と大きく、LD自体の消費電力よりも、数十倍から100倍以上の消費電力であるという課題がある。さらに、また、EDFAは、Er添加光ファイバを用いているので、小型化には限界があるという課題がある。また、現状のリソグラフィー技術を用いた選択成長法においては、使用する光源の波長が長く、結晶面方向の大きさとしてnmから数十nm単位の微細な量子ドットを形成することができないという課題がある。
一方、S-K成長を利用した歪ヘテロ系の組成を用いた量子ドットは、本質的に格子定数の異なる半導体材料の組み合わせで形成するために、適用できる半導体材料や実現できる量子ドットの組成などに限界があり、GaAsの場合には、InAsの量子ドットにより1.3μmよりも短い波長の発光が実現されているが、1.3μm帯~1.5μm帯における発光や光増幅が実現できていないという課題がある。
さらに、上記文献(K.Kamath他4名”Room temperature operation of In0.4Ga0.5As/GaAs self-organised quantum dot lasers”,Electron Lett.,1996,Vol.32,pp.1374-1375参照)において、InP基板上に形成したInAsの量子ドットからの室温におけるフォトルミネッセンスは観測されたものの、室温におけるpnダイオードの順方向電流注入からの強度の強い1.3μm帯~1.5μm帯の発光は実現されていないという課題がある。
以上のように、量子ドットを用いた実用に耐え得る波長帯域の広いLED,LD,半導体光増幅器などの半導体装置の実現が望まれているが、従来は実用的な発光強度を有するLEDすら得られていないという課題がある。

産業上の利用分野


本発明は、不均一な量子ドットを有する半導体積層構造、それを用いた発光ダイオード、半導体レーザダイオード及び半導体光増幅器並びにそれらの製造方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
活性層の両側に、該活性層よりも禁制帯幅の大きいクラッド層が積層されたダブルヘテロ接合構造であって、
上記活性層が、不均一な量子ドットからなる層を少なくとも1層以上含み、
上記不均一な量子ドットのそれぞれは、その大きさ及び組成の両者が異なる化合物半導体混晶から形成されていて、
上記化合物半導体混晶は、化合物半導体に上記クラッド層または上記活性層の元素が混入されてなり、
上記不均一な量子ドットのそれぞれが、電流注入により発光中心となる量子準位を有し、これらの複数の量子準位が、紫外光から可視光、1.3μm帯及び1.5μm帯を含む赤外光、の何れかの波長を少なくとも含む多波長に対応することを特徴とする、不均一な量子ドットを有する半導体積層構造。

【請求項2】
前記不均一な量子ドット層が、前記活性層に多層埋め込まれた構造からなることを特徴とする、請求項1に記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造。

【請求項3】
前記不均一な量子ドットのそれぞれが、III-V族の化合物半導体混晶からなることを特徴とする、請求項1又は2に記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造。

【請求項4】
前記量子ドットは、GaIn1-xAs(ここで、0<x≦0.6)であり、
前記活性層は、GaIn1-xAs1-y(ここで、0<x<1であり、0<y<1である。)、またはAlGaInAs(ここで、u+v+w=1であり、かつ、室温における禁制帯幅が0.95eV~1.9eV)であり、
前記電流注入により発光中心となる複数の量子準位が、1.3μm帯及び1.5μm帯を含む赤外光の何れかの波長を少なくとも含む多波長に対応することを特徴とする、請求項1~3の何れかに記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造。

【請求項5】
前記不均一な量子ドット構造を有する半導体積層構造の基板はInPであり、
前記量子ドットはGaIn1-xAs(ここで、0<x≦0.6)であり、
前記活性層はAlGaInAs(ここで、u+v+w=1であり、かつ、室温における禁制帯幅が0.95eV~1.24eV)であり、
前記クラッド層はAlIn1-xAs(ここで、x=0.42~0.48であり、かつ、室温における禁制帯幅が1.3eV~1.46eV)またはAlGaInAs(ここで、x+y+z=1であり、かつ、室温における禁制帯幅が1.3eV~1.46eV )であり、
前記電流注入により発光中心となる複数の量子準位が、1.3μm帯及び1.5μm帯を含む赤外光の何れかの波長を少なくとも含む多波長に対応することを特徴とする、請求項1~4の何れかに記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造。

【請求項6】
前記活性層と前記クラッド層が格子整合されていることを特徴とする請求項1~5の何れかに記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造。

【請求項7】
不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を含む活性層と、
該活性層の両側に形成される上記活性層よりも禁制帯幅の大きいクラッド層が積層されたダブルヘテロ接合構造と、を備え、
上記不均一な量子ドットのそれぞれは、その大きさ及び組成の両者が異なる化合物半導体混晶からなり、
上記化合物半導体混晶は、化合物半導体に上記クラッド層または上記活性層の元素が混入されてなり、
上記不均一な量子ドットのそれぞれが、電流注入により発光中心となる量子準位を有し、これらの複数の量子準位が、紫外光から可視光、1.3μm帯及び1.5μm帯を含む赤外光の何れかの波長を少なくとも含む多波長に対応し、
上記ダブルヘテロ接合構造への電流注入を用いて上記不均一な量子ドット層を励起し、所定の多波長において発光させることを特徴とする、不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を用いた発光ダイオード。

【請求項8】
前記不均一な量子ドットのそれぞれが、III-V族の化合物半導体混晶からなることを特徴とする、請求項7に記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を用いた発光ダイオード

【請求項9】
前記発光ダイオードの基板はInPであり、前記量子ドットはGaIn1-xAs(ここで、0<x≦0.6)であることを特徴とする、請求項7又は8に記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を用いた発光ダイオード。

【請求項10】
前記量子ドットは、GaIn1-xAs(ここで、0<x≦0.6)であり、
前記活性層は、GaIn1-xAs1-y(ここで、0<x<1であり、0<y<1である。)、またはAlGaInAs(ここで、u+v+w=1であり、かつ、室温における禁制帯幅が0.95eV~1.9eV)であることを特徴とする、請求項7~9の何れかに記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を用いた発光ダイオード。

【請求項11】
少なくとも1層以上の不均一な量子ドット層を有する活性層と、
該活性層の両側に形成される上記活性層よりも禁制帯幅の大きいクラッド層が積層されたダブルヘテロ接合構造と、を備え、
上記不均一な量子ドットのそれぞれは、その大きさ及び組成の両者が異なる化合物半導体混晶からなり、
上記化合物半導体混晶は、化合物半導体に上記クラッド層または上記活性層の元素が混入されてなり、
上記不均一な量子ドットのそれぞれが、電流注入により発光中心となる量子準位を有し、これらの複数の量子準位が、紫外光から可視光、1.3μm帯及び1.5μm帯を含む赤外光の何れかの波長を少なくとも含む多波長に対応し、
上記ダブルヘテロ接合構造への電流注入を用いて上記不均一な量子ドット層を励起し、所定の多波長でレーザ発振させることを特徴とする、不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を用いた半導体レーザダイオード。

【請求項12】
前記不均一な量子ドットのそれぞれが、III-V族の化合物半導体混晶からなることを特徴とする、請求項11に記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を用いた半導体レーザダイオード。

【請求項13】
前記半導体レーザダイオードの基板はInPであり、
前記量子ドットはGaIn1-xAs(ここで、0<x≦0.6)であり、
前記活性層はAlGaInAs(ここで、u+v+w=1であり、かつ、室温における禁制帯幅が0.95eV~1.24eV)であり、
前記クラッド層はAlIn1-xAs(ここで、x=0.42~0.48であり、かつ、室温における禁制帯幅が1.3eV~1.46eV)、または、AlGaInAs(ここで、x+y+z=1であり、かつ、室温における禁制帯幅が1.3eV~1.46eV)であることを特徴とする、請求項11または12に記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を用いた半導体レーザダイオード。

【請求項14】
前記活性層と、前記クラッド層が格子整合することを特徴とする、請求項11~13の何れかに記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を用いた半導体レーザダイオード。

【請求項15】
少なくとも1層以上の不均一な量子ドット層を有する活性層と、該活性層の両側に形成される上記活性層よりも禁制帯幅の大きいクラッド層が積層されたダブルヘテロ接合構造と、を備え、
上記不均一な量子ドットのそれぞれは、その大きさ及び組成の両者が異なる化合物半導体混晶からなり、
上記化合物半導体混晶は、化合物半導体に上記クラッド層または上記活性層の元素が混入されてなり、
上記不均一な量子ドットのそれぞれが、電流注入により発光中心となる量子準位を有し、これらの複数の量子準位が、紫外光から可視光、1.3μm帯及び1.5μm帯を含む赤外光の何れかの波長を少なくとも含む多波長に対応し、
上記ダブルヘテロ接合構造への電流注入を用いて上記不均一な量子ドット層を励起し、上記ダブルヘテロ接合構造の外部からの多波長入力光を増幅させることを特徴とする、不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を用いた半導体光増幅器。

【請求項16】
前記不均一な量子ドットのそれぞれが、III-V族の化合物半導体混晶からなることを特徴とする、請求項15に記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を用いた半導体光増幅器。

【請求項17】
前記半導体光増幅器の基板はInPであり、
前記量子ドットはGaIn1-xAs(ここで、0<x≦0.6)であり、
前記活性層はAlGaInAs(ここで、u+v+w=1であり、かつ、室温における禁制帯幅が0.95eV~1.24eV)であり、
前記クラッド層はAlIn1-xAs(ここで、x=0.42~0.48であり、かつ、室温における禁制帯幅が1.3eV~1.46eV)、または、AlGaInAs(ここで、x+y+z=1であり、かつ、室温における禁制帯幅が1.3eV~1.46eV)であることを特徴とする、請求項15または16に記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を用いた半導体光増幅器。

【請求項18】
前記活性層と、前記クラッド層が格子整合することを特徴とする、請求項15~17の何れかに記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を用いた半導体光増幅器。

【請求項19】
活性層の両側に、該活性層よりも禁制帯幅の大きい第1及び第2のクラッド層が積層されたダブルヘテロ接合構造を有し、上記活性層が、不均一な量子ドットからなる層を少なくとも1層以上含む半導体積層構造を用い、該不均一な量子ドットのそれぞれを電流注入により発光中心となる量子準位とし、これらの複数の量子準位を、紫外光から可視光、1.3μm帯及び1.5μm帯を含む赤外光の何れかの波長を少なくとも含む多波長に対応させた半導体装置を製造する方法であって、
基板上に上記第1のクラッド層を成長し、
上記第1のクラッド層上に上記活性層となる不均一な量子ドットよりも禁制帯の大きい半導体層と不均一な量子ドット層とを所定の厚さで成長する際に、
上記不均一な量子ドットよりも禁制帯の大きい半導体層上に化合物半導体の元素からなる液滴を形成し、該液滴に化合物半導体の元素を含むガスを流すことによって、少なくとも1層以上で大きさが異なる化合物半導体からなる量子ドット層を格子歪を必要としない液滴エピタキシャル成長法によって成長し、
上記活性層上に上記第2のクラッド層を成長し、
上記量子ドット層に上記第1のクラッド層、上記第2のクラッド層及び上記活性層の何れかの成分元素の溶け込み又は相互拡散を成長温度で行うことで上記化合物半導体の成分元素以外の元素を混入させ、これにより化合物半導体混晶からなる量子ドットのそれぞれを大きさ及び組成が異なる不均一な量子ドットとすることを特徴とする、不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を用いた半導体装置の製造方法。

【請求項20】
前記液滴エピタキシャル成長法を、MOCVD法,MBE法,ガスソースMBE,MOMBEの何れかの装置を用いて行うことを特徴とする、請求項19に記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を用いた半導体装置の製造方法。

【請求項21】
前記化合物半導体の元素からなる液滴を、III族元素からなる液滴とし、化合物半導体の元素を含むガスを、V族元素からなるガスとすることを特徴とする、請求項19または20に記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を用いた半導体装置の製造方法。

【請求項22】
前記液滴エピタキシャル成長法において、前記III族元素を含むガスの供給時間を、形成される不均一な量子ドットの面内密度が前記III族元素を含むガスの供給時間に対して直線的に増加する範囲内で制御することを特徴とする、請求項19~21の何れかに記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を用いた半導体装置の製造方法。

【請求項23】
前記量子ドット構造が、GaIn1-xAs(ここで、0<x≦0.6)からなることを特徴とする、請求項19~22の何れかに記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を用いた半導体装置の製造方法。

【請求項24】
前記エピタキシャル成長法がMOCVD法であって、前記不均一な量子ドット層が、他の成長層の成長温度よりも低い成長温度において液滴エピタキシャル成長を用いて形成される工程を含むことを特徴とする、請求項19~23の何れかに記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を用いた半導体装置の製造方法。

【請求項25】
前記半導体装置は、発光ダイオード,半導体レーザダイオード及び半導体光増幅器の何れかの1つの半導体装置であることを特徴とする、請求項19~24の何れかに記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を用いた半導体装置の製造方法。

【請求項26】
請求項19~25の何れかに記載の不均一な量子ドットを有する半導体積層構造を用いた半導体装置の製造方法によって製造したことを特徴とする、半導体装置。
国際特許分類(IPC)
Fターム
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