(57)【要約】【課題】量子ドットを有する光半導体装置の効率を向上させること。【解決手段】本発明は、第１導電型を有する下部クラッド層１２と、下部クラッド層１２上に設けられ、複数の量子ドット４１を有する量子ドット層５１〜５５が複数積層された活性層１４と、活性層１４上に設けられ、第１導電型とは反対の導電型である第２導電型を有する上部クラッド層１８と、を具備し、複数の量子ドット層５１〜５５は、量子ドット密度が異なる光半導体装置である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型を有する下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に設けられ、複数の量子ドットを有する量子ドット層が複数積層された活性層と、
該活性層上に設けられ、前記第１導電型とは反対の導電型である第２導電型を有する上部クラッド層と、を具備し、
前記複数の量子ドット層は、量子ドット密度が異なることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記複数の量子ドット層は、前記活性層を伝搬する光の導波モードが大きい量子ドット層の量子ドット密度が高く、前記光の導波モードが小さい量子ドット層の量子ドット密度が低くなるように、量子ドット密度が異なることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
【請求項３】
複数の量子ドット層は、最も量子ドット密度の高い量子ドット層から前記活性層の端の量子ドット層に向かい量子ドット密度が単調に減少することを特徴とする請求項１または２記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記複数の量子ドット層のうち前記活性層の中央の量子ドット層の量子ドット密度は、前記活性層の上下の量子ドット層より高いことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記複数の量子ドット層のうち最上層の量子ドットの密度が最も高いことを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
【請求項６】
前記活性層上に前記下部クラッド層および前記上部クラッド層より屈折率の大きな光ガイド層を具備することを特徴とする請求項５記載の光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体装置に関し、特に活性層が複数の量子ドットを有する光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、複数の量子ドットを有する活性層を備えた半導体レーザや半導体光増幅器等の光半導体装置が開発されている。特許文献１には、量子ドットの形成方法が開示されている。
【０００３】
図１（ａ）は、従来の半導体レーザの断面模式図であり、図１（ｂ）は、半導体レーザ内の光の導波モードを示している。図１（ａ）を参照に、第１導電型を有する下部クラッド層１２上に活性層１４が設けられている。活性層１４は、量子ドット層５１〜５５を複数積層し備えている。量子ドット層５１〜５５は、複数の量子ドット４１と、量子ドット４１を覆うベース層４０から構成される。各量子ドット層５１〜５５内の量子ドット密度（量子ドットの面密度）は同じである。活性層１４上に第２導電型（第１導電型の反対の導電型）を有する上部クラッド層１８が設けられている。
【０００４】
下部クラッド層１２と上部クラッド層１８との間に電流を流すことにより、活性層１４内の量子ドット４１において発光し、発光した光が活性層１４内を伝搬する。下部クラッド層１２および上部クラッド層１８の屈折率は、活性層１４を主に構成するベース層４０の屈折率より低い。このため、活性層１４付近を伝搬する光の導波モードは図１（ｂ）のように、活性層１４の中心付近が最も大きくなる。
【特許文献１】特許３４６８８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１（ａ）に図示した光半導体レーザにおいて、素子電流を増し光出力強度を大きくするためには、量子ドット密度を高くすることが好ましい。また、半導体光増幅器において、光と電流の相互作用を増大させ光の変調効率を向上させるためには、量子ドット密度を高くすることが好ましい。しかしながら、量子ドット密度を高くすると、結晶歪が増加し非発光中心となる転位が増加してしまう。よって、発光効率や変調効率が減少してしまう。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、量子ドットを有する光半導体装置の効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、第１導電型を有する下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に設けられ、複数の量子ドットを有する量子ドット層が複数積層された活性層と、該活性層上に設けられ、前記第１導電型とは反対の導電型である第２導電型を有する上部クラッド層と、を具備し、前記複数の量子ドット層は、量子ドット密度が異なることを特徴とする光半導体装置である。本発明によれば、光半導体装置の効率を向上させることができる。
【０００８】
上記構成において、前記複数の量子ドット層は、前記活性層を伝搬する光の導波モードが大きい量子ドット層の量子ドット密度が高く、前記光の導波モードが小さい量子ドット層の量子ドット密度が低くなるように、量子ドット密度が異なる構成とすることができる。この構成によれば、光の導波モードが大きさに応じ量子ドット密度を異ならせることにより、光半導体装置の効率を向上させることができる。
【０００９】
上記構成において、複数の量子ドット層は、最も量子ドット密度の高い量子ドット層から前記活性層の端の量子ドット層に向かい量子ドット密度が単調に減少する構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記複数の量子ドット層のうち前記活性層の中央の量子ドット層の量子ドット密度は、前記活性層の上下の量子ドット層より高い構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記複数の量子ドット層のうち最上層の量子ドットの密度が最も高い構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記活性層上に前記下部クラッド層および前記上部クラッド層より屈折率の大きな光ガイド層を具備する構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、光半導体装置の効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照に本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１５】
図２（ａ）は、実施例１に係る半導体レーザの断面模式図、図２（ｂ）は、半導体レーザ内の光の導波モードを示している。図２（ａ）を参照に、光の導波モードが最も大きい中央部の量子ドット層５３の量子ドット密度（量子ドットの面密度）が最も高い。一方、光の導波モードが最も小さい最上および最下の量子ドット層５１、５５の量子ドット密度が最も低くい。量子ドット層５３から量子ドット層５１、５５にかけて単調に量子ドット密度が減少している。
【００１６】
このように、複数の量子ドット層５１〜５５のうち活性層１４の中央の量子ドット層５３の量子ドット密度を活性層１４の上下の量子ドット層５１、５５より高くする。これにより、光の導波モードが大きい活性層１４の中央領域で活性層１４が効率的に発光する。よって、半導体レーザの発光効率を向上させることができる。さらに、図１（ａ）の従来の半導体レーザと比較し、活性層１４内の量子ドット４１の総数をほぼ同じとすることにより、活性層１４全体の結晶歪は従来と同程度とすることができる。よって、非発光中心の原因となる転位密度は従来と同程度にすることができる。
【００１７】
下部クラッド層１２と上部クラッド層１８の組成がほぼ同じであれば、光の導波モードは上下でほぼ対称になる。よって、量子ドット密度は上下でほぼ対称であることが好ましい。
【実施例２】
【００１８】
実施例２は、最上の量子ドット層の量子ドット密度が最も高い例である。図３（ａ）は、実施例２に係る半導体レーザの断面模式図、図３（ｂ）は、半導体レーザ内の光の導波モードを示している。図３（ａ）を参照に、実施例２においては、実施例１の図２（ａ）と比較し、活性層１４上に光ガイド層５８が設けられている。光ガイド層５８は上部クラッド層１８および下部クラッド層１２より屈折率の大きな層である。
【００１９】
光ガイド層５８は光を伝搬させる機能を有している。よって、図３（ｂ）のように、光の導波モードは、活性層１４と光ガイド層５８の中央付近で大きくなる。活性層１４に着目すれば、活性層１４の上部で光の導波モードが大きくなる。そこで、複数の量子ドット層のうち最上の量子ドット層５５の量子ドット密度を最も高くする。最下の量子ドット層５１の量子ドット密度を最も低くする。量子ドット層５５から量子ドット層５１にかけて単調に量子ドット密度を減少させる。これにより、光の導波モードが大きい活性層１４の上部領域で活性層１４は効率的に発光する。よって、半導体レーザの発光効率を向上させることができる。
【００２０】
実施例１および実施例２のように、前記活性層を伝搬する光の導波モードが大きい量子ドット層の量子ドット密度が高く、前記光の導波モードが小さい量子ドット層の量子ドット密度が低くなるように、複数の量子ドット層５１〜５５の量子ドット密度を異ならせる。これにより、半導体レーザの発光効率を向上させることができる。
【００２１】
例えば、活性層１４と下部クラッド層１２との間に光ガイド層が設けられ、活性層１４の下部付近で光の導波モードが大きくなる場合、最下の量子ドット層５１の量子ドット密度を最も高くし、最上の量子ドット層５５の量子ドット密度を最も低くすることができる。
【００２２】
光の導波モードは一般に１つのピークを有し、上下に単調に減少する。よって、複数の量子ドット層５１〜５５は、最も量子ドット密度の高い量子ドット層から活性層１４の端の量子ドット層５１または５５に向かい量子ドット密度が単調に減少することが好ましい。
【００２３】
実施例１および実施例２では、５層の量子ドット層５１〜５５を例に説明したが、量子ドット層は６層以上でもよく、例えば１０層以上としてもよい。量子ドットの大きさは、例えば直径が２０ｎｍ程度である。量子ドット密度の大きい量子ドット層の量子ドット密度は、例えば６×１０１０個／ｃｍ２、量子ドット密度の小さい量子ドット層の量子ドット密度は、例えば１×１０１０個／ｃｍ２である。実施例１および実施例２の効果を奏するためには、量子ドット層５１〜５５内の最小の量子ドット密度に対し最大の量子ドット密度は、１．２倍以上であることが好ましく、１．５倍以上がより好ましい。さらに、３．０倍以上が一層好ましい。
【００２４】
実施例１および実施例２は、半導体レーザの例であったが、半導体光増幅器に実施例１および実施例２を用いてもよい。これにより、半導体光増幅器内の光と電流の相互作用を増大させ光の変調効率を向上させることができる。
【実施例３】
【００２５】
実施例３は、実施例１および実施例２を用いた半導体レーザの例である。図４は実施例３の断面斜視図である。ｐ型ＧａＡｓ基板１０上に、ｐ型ＧａＡｓからなるバッファ層１１、ｐ型ＡｌＧａＡｓからな下部クラッド層１２、アンドープＧａＡｓからなるスペーサ層１５、量子ドット層が複数積層した量子ドット活性層１４、アンドープＧａＡｓからなるスペーサ層１６、ｎ型ＡｌＧａＡｓからなる上部クラッド層１８及びｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１９が順次積層されている。活性層１４は、量子ドット４１とベース層４０とからなる。上部クラッド層１８は第１層８１、第２層８２からなる。なお、図４では、量子ドット４１の密度が量子ドット層間で同じように図示されているが、実施例１および実施例２のように、量子ドット層間で量子ドット密度が異なっている。各層の材料、膜厚及びドーピング濃度を表１に示す。
【表１】
2010087325.tif 000003
【００２６】
上部クラッド層１８及びコンタクト層１９はリッジ部３０を形成している。リッジ部３０の両側にはスペーサ層１６に達する凹部３５が形成されている。コンタクト層１９上に及び凹部３５表面に保護膜２８として酸化シリコン膜が形成されている。リッジ部３０のコンタクト層１９上にｎ用電極２２が形成されている。ｎ用電極２２と配線２５を介し接続するパッド２６が形成されている。基板１０の下面にはｐ用電極２４が形成されている。
【００２７】
図５は、量子ドット活性層の１層分の量子ドット層を示した図である。量子ドット４１はＩｎＡｓより形成される。量子ドット４１間に膜厚が約５ｎｍのＩｎＧａＡｓ層４２が形成される。量子ドット４１およびＩｎＧａＡｓ層４２を覆うように、膜厚が約１４ｎｍのアンドープＧａＡｓ層４３が形成される。アンドープＧａＡｓ層４３上に膜厚が約１０ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層４４、膜厚が９ｎｍのアンドープＧａＡｓ層４５が形成される。アンドープＧａＡｓ層４３、ｐ型ＧａＡｓ層４４、アンドープＧａＡｓ層４５はベース層４０を構成する。量子ドット活性層１４内の各層の材料、膜厚及びドーピング濃度を表２に示す。
【表２】
2010087325.tif 000004
【００２８】
実施例３のように、量子ドット４１としてＩｎＡｓ、ベース層４０としてＧａＡｓ、下部クラッド層１２および上部クラッド層１８としてＡｌＧａＡｓを用いることができる。実施例２のように光ガイド層を用いる場合、光ガイド層として例えばＧａＡｓを用いることができる。
【００２９】
以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１（ａ）は、従来の半導体レーザの断面模式図であり、図１（ｂ）は、半導体レーザ内の光の導波モードを示す図である。
【図２】図２（ａ）は、実施例１に係る半導体レーザの断面模式図であり、図２（ｂ）は、半導体レーザ内の光の導波モードを示す図である。
【図３】図３（ａ）は、実施例１に係る半導体レーザの断面模式図であり、図３（ｂ）は、半導体レーザ内の光の導波モードを示す図である。
【図４】図４は、実施例３に係る半導体レーザの断面斜視図である。
【図５】図5は、量子ドット活性層の１層分のドット層を示した図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０          基板
１２          下部クラッド層
１４          量子ドット活性層
１８          上部クラッド層
４０          ベース層
４１          量子ドット
５１〜５５    量子ドット層
【図１】
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【図２】
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【図３】
2010087325.tif 000007
【図４】
2010087325.tif 000008
【図５】
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