(57)【要約】【課題】ＩｎＡｓ量子ドットを用いて長波長化することと、閉じ込め障壁が緩慢になることを防止することにより、伝送損の少ない領域でレーザ発振し、また、発光に寄与しない電流を抑制して発光効率を改善することができる量子ドット発光素子を提供する。【解決手段】ＧａＡｓ領域３に成長したＩｎＡｓ量子ドット６と、ＩｎＡｓ量子ドット６に接して設けたＧａＡｓＳｂ歪緩和層７と、このＧａＡｓＳｂ歪緩和層７に接して設けたＧａＡｓ領域８からなる活性領域をもつ構成とする。また、ＩｎＧａＡｓ量子ドット６と、ＩｎＧａＡｓ量子ドット６に接して設けたＧａＡｓＳｂ歪緩和層７としてもよく、組成をＧａＡｓ１−ｙＳｂｙとするとき、０．１＜ｙ＜０．７となるように構成する。【選択図】図１
2004335665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ領域に成長したＩｎＡｓ量子ドットと、前記ＩｎＡｓ量子ドットに接して設けたＧａＡｓＳｂ歪緩和層と、このＧａＡｓＳｂ歪緩和層に接して設けたＧａＡｓ領域からなる活性領域をもつことを特徴とする量子ドット発光素子。
【請求項２】
ＧａＡｓ領域に成長したＩｎＧａＡｓ量子ドットと、前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットに接して設けたＧａＡｓＳｂ歪緩和層と、このＧａＡｓＳｂ歪緩和層に接して設けたＧａＡｓ領域からなる活性領域をもつことを特徴とする量子ドット発光素子。
【請求項３】
上記のＩｎＧａＡｓ量子ドットの化学組成は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓとするとき、０．２＜ｘ＜１．０であることを特徴とする請求項２に記載の量子ドット発光素子。
【請求項４】
上記のＧａＡｓＳｂ歪緩和層の化学組成は、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙとするとき、０．１＜ｙ＜０．７であることを特徴とする請求項１、２あるいは３に記載の量子ドット発光素子。
【請求項５】
上記のＩｎＡｓ量子ドットあるいはＩｎＧａＡｓ量子ドットの形成と、ＧａＡｓＳｂ歪緩和層の形成とは分子線エピタキシーにより行い、その成長面の温度は、４５０〜５５０℃の同じ温度であることを特徴とする請求項１、２、３あるいは４に記載の量子ドット発光素子。
【請求項６】
上記のＩｎＡｓ量子ドットあるいはＩｎＧａＡｓ量子ドットの形成とＧａＡｓＳｂ歪緩和層の形成とは、量子ドットの成長後に、その成長温度よりも高温で保持して量子ドットを微細化した後、ＧａＡｓＳｂ歪緩和層を形成したものであることを特徴とする請求項４に記載の量子ドット発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、量子ドット構造の活性層をもった発光素子で、従来のものに比べて発光波長が長く、また、その発光効率を改善した量子ドット発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通常の半導体レーザでは、光を発生する活性層に量子井戸型の半導体薄膜多層構造が用いられている。一方、量子ドットレーザは、この活性層に、半導体の極微細結晶である量子ドットを用いたものである。先の量子井戸レーザの発振の電流閾値は少なくとも数ミリアンペアであるが、この量子ドットレーザでは、１００マイクロアンペア程度になり、超低消費電力のものが実現できると期待されている。この他、温度依存性が少なく、狭スペクトル線幅化が可能という特徴も期待されている。
【０００３】
量子ドットレーザ発振は、図６に示す構造で、波長１．３μｍで発振することが確認されている。これは、図７に示すようなＩｎＡｓ量子ドットを高歪ＩｎＧａＡｓでカバーしたものである。
【０００４】
よく知られているように、石英ファイバで光信号を伝送する場合は、１．３０μｍと１．５５μｍ帯が伝送損の少ない波長帯域であり、１．５５μｍ帯は、より損失の少ない波長帯である。これを図８に示す。このため、光通信においては、１．３μｍの領域よりもむしろ１．５μｍ帯のレーザ発振器が求められている。
【０００５】
このように長波長化を図った量子ドット発光装置としては、減圧ＭＯＣＶＤ成長装置を用いて結晶成長を行い、ＩｎＡｓ量子ドットとＩｎＧａＡｓ量子井戸を組み合わせた構造を用いたものが報告されている。この発光波長は、１．５μｍ帯で、ＩｎＧａＡｓ量子井戸層のＩｎ組成を変えることによりその発光波長を１．３μｍから１．５μｍまで制御している。
【０００６】
また、量子箱への電子の注入側に、高速のキャリア注入を行うために、トンネル効果を用いて電子を注入するための障壁を設けた量子ドット構造が特許文献１に開示されている。この障壁は、電子にとっては量子箱の手前にあり、この点において本発明とは相異している。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１３４８４１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、長波長化した従来の量子ドット発光素子では、上記のようにＩｎＡｓ量子ドットと歪緩和層としてＩｎＧａＡｓ系を用いており、この場合は、量子箱でバンドギャップが小さくなる領域で、電子にたいしてもホールに対しても、閉じ込め障壁が緩慢になり、量子箱を通過する電流が流れやすくなる。
【０００９】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、ＩｎＡｓ量子ドットを用いて長波長化することと、閉じ込め障壁が緩慢になることを防止することにより、伝送損の少ない領域でレーザ発振し、また、発光に寄与しない電流を抑制して発光効率を改善することができる量子ドット発光素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための、本発明の第１の特徴は、量子ドットをその活性層に用いた量子ドット発光素子について、ＧａＡｓ領域に成長したＩｎＡｓ量子ドットと、前記ＩｎＡｓ量子ドットに接して設けたＧａＡｓＳｂ歪緩和層と、このＧａＡｓＳｂ歪緩和層に接して設けたＧａＡｓ領域からなる活性領域をもつことである。
【００１１】
また、本発明の第２の特徴は、ＧａＡｓ領域に成長したＩｎＧａＡｓ量子ドットと、前記ＩｎＧａＡｓ量子ドットに接して設けたＧａＡｓＳｂ歪緩和層と、このＧａＡｓＳｂ歪緩和層に接して設けたＧａＡｓ領域からなる活性領域をもつことである。
【００１２】
また、本発明の第３の特徴は、上記のＩｎＧａＡｓ量子ドットの化学組成は、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓとするとき、０．２＜ｘ＜１．０であることである。
【００１３】
また、本発明の第４の特徴は、上記のＧａＡｓＳｂ歪緩和層の化学組成は、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙとするとき、０．１＜ｙ＜０．７であることである。
【００１４】
また、本発明の第５の特徴は、上記のＩｎＡｓ量子ドットあるいはＩｎＧａＡｓ量子ドットの形成と、ＧａＡｓＳｂ歪緩和層の形成とは分子線エピタキシーにより行い、その成長面の温度は、４５０〜５５０℃の同じ温度であることである。
【００１５】
また、本発明の第６の特徴は、上記のＩｎＡｓ量子ドットあるいはＩｎＧａＡｓ量子ドットの形成とＧａＡｓＳｂ歪緩和層の形成とは、量子ドットの成長後に、その成長温度よりも高温で保持して量子ドットを微細化した後、ＧａＡｓＳｂ歪緩和層を形成したものであることである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。先ず第１の実施形態を図１〜図５を用いて説明する。以下の説明においては、同様の素子あるいは同様の機能を持った素子については、同じ符号を用いるものとする。
【００１７】
図１に本発明の実施例を示す。図１は、量子ドット発光素子の模式的断面図を示している。この量子ドット発光素子は、まずｎ−ＡｌＧａＡｓ層１にシリコン（Ｓｉ）をドープしたｎ−ＧａＡｓ層２とアンドープのＧａＡｓ層３を分子線エピタキシーで形成する。その上に、ＧａＡｓ層と基板温度を５００℃としてＭＢＥでＩｎＡｓ量子ドット６を形成する。この量子ドットの形成は、自己組織化機構に沿って行われる。この成長の厚さは、平均化すると、１．５分子厚から２．５分子厚に相当する厚さである。ここで得られる量子ドットは、図２（ａ）に示す様に、量子ドット間は薄膜でつながれていることは、既によく知られている。量子ドットを形成した後、５００℃あるいはそれより僅かに高い温度で保持することにより、ＩｎＡｓが蒸発して、より微細な量子ドットが得られる。また、この場合は、図２（ｂ）に示すように量子ドット間の薄膜が蒸発して孤立した量子ドットが得られる場合もある。また、十分に微細なパターンを用いることが可能な場合は、量子ドットの形成に通常のリソグラフィーを用いることができる。以上の方法で作られる量子ドット間の間隔については、以下述べる歪緩和層との兼ね合いから、ドットの間隔を２０ｎｍ以上取ることが望ましい。ただし、この値は、統計的な分布として実現されていればよい。
【００１８】
量子ドット成長後に、０．１＜ｙ＜０．７の予め決められたｙについて、ＧａＡｓ１−ｙＳｂｙを組成とする歪緩和層であるＧａＡｓＳｂ層７を成長する。ｙの値を変えることによって量子箱のホール準位を変えることができ、発光波長を１．０μｍから１．５μｍ余りまで自由に制御することができる。また、上記のｙの値は、ＧａＡｓＳｂ層７全体にわたって同じ値である必要はなく、上記の範囲で連続して変化させても、もしくは段階的に変化させてもよい。ＧａＡｓＳｂ層７の膜厚については、０．５ｎｍ〜２０ｎｍの範囲で良好な結果が得られている。
【００１９】
この後、ＧａＡｓ層８、ベリリウム（Ｂｅ）をドープしたｐ−ＧａＡｓ層９、ｐ−ＡｌＧａＡｓ１０、ｐ−ＧａＡｓ層１１を形成し、最後にｎ領域電極５、ｐ領域電極１２を形成する。
【００２０】
上記の説明においては、ＩｎＡｓの量子ドットを用いたが、ＩｎＧａＡｓ量子ドットを用いることもできる。この場合は、化学組成をＩｎｘＧａ１−ｘＡｓとするとき、０．２＜ｘ＜１．０の範囲が適しており、ｘの増大とともに波長が長くなる。
【００２１】
上記の構造では、発光効率が改善されるが、これを図３に沿って説明する。図３は、活性層付近の模式的断面図とその模式的エネルギーバンド図を示し、図３（ａ）は、本発明のものを、図３（ｂ）は、従来例のものを示す。
【００２２】
図３（ａ）の場合は、電子からみると、量子ドットの位置で窪みがあり、歪緩和層で障壁になっている。この障壁のために電子の移動が妨げられる。このような障壁は従来のものには無く、図３（ｂ）に示す従来のものでは、発光に関与しない電流が本発明よりも多くの割合で流れることになる。また、ホールにとってみれば、量子箱の準位は、この歪緩和層の準位により、量子ドットの量子箱の基底準位よりもさらに低い準位となる。一方、図３（ｂ）に示す従来のものでは、歪緩和層のエネルギー準位の基底は量子ドットの基底よりも高エネルギーにあるため、歪緩和層は、殆ど長波長化には寄与しない。このため、本発明では、これらの長波長での発光が可能であり、また、歪緩和層を調整することによって発光波長を変えることができる。
【００２３】
図４（ａ）に、ＧａＡｓ基板の＜００１＞面上にＩｎＡｓの量子ドットを１．７分子厚の平均厚で成長し、その上にＧａＡｓＳｂを８ｎｍ成長し、さらに、１２ｎｍ厚のＧａＡｓ層を成長したサンプルの、低温（１２Ｋ）での発光スペクトルを示す。また、図４（ｂ）に、ＧａＡｓ基板の＜００１＞面上にＩｎＡｓの量子ドットを１．７分子厚の平均厚で成長し、その上にＧａＡｓを２０ｎｍ成長したサンプルの低温（１２Ｋ）での発光スペクトルを示す。また、図４（ｃ）に、ＧａＡｓ基板の＜００１＞面上にＩｎＡｓの量子ドットを１．７分子厚の平均厚で成長し、その上にＩｎＧａＡｓを８ｎｍ成長し、さらに１２ｎｍのＧａＡｓ層を成長したサンプルの低温（１２Ｋ）での発光スペクトルを示す。図４（ｃ）は、励起用のレーザ光の倍波長であるが、図４（ｂ）の発光中心は、１．０μｍであるのに対して、図４（ａ）の発光中心は、１．２５μｍであり、この構成により長波長化されていることがわかる。
【００２４】
また、図５（ａ）に、図４（ａ）でのサンプルの室温での発光スペクトルを示す。スペクトル強度は、一般に低温で大きくなるが、本発明の量子ドット発光素子では、室温でも大きなスペクトル強度を示しており、これから発光効率の良いことがわかる。
【００２５】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００２６】
まず歪緩和層にＧａＡｓＳｂを用いたので、発光効率が高くなる。また、砒素とアンチモンの組成比を変えることにより、１．０から１．５μｍの波長を自由に設定できるようになる。
【００２７】
また、量子ドットにＩｎＧａＡｓを用いたので、その組成比を変えることにより、発光波長を制御できる。
【００２８】
また、ＩｎＡｓ量子ドットあるいはＩｎＧａＡｓ量子ドットの形成と、ＧａＡｓＳｂ歪緩和層の形成とを同じ温度で行うことにより、量子ドットを再現性よく作ることができる。
【００２９】
また、ＩｎＡｓ量子ドットあるいはＩｎＧａＡｓ量子ドットの形成において、温度を制御してそのドットサイズを変えることにより、微細な量子ドットを用いた発光素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の量子ドット発光素子の模式的断面図を示す図である。
【図２】量子ドットの状態を示す模式図である。
【図３】活性層付近の模式的断面図とその模式的エネルギーバンド図である。
【図４】低温（１２Ｋ）での発光スペクトルである。
【図５】室温での発光スペクトルを示す図である。
【図６】従来の量子ドットレーザを示す図である。
【図７】従来の量子ドットレーザの量子ドットを示す図である。
【図８】石英ファイバの伝送損を示す図である。
【符号の説明】
１  ｎ−ＡｌＧａＡｓ基板
２  ＧａＡｓ層
３  ｎ−ＧａＡｓ層
４  ＧａＡｓ層
５  ｎ領域電極
６  ＩｎＡｓ量子ドット
７  ＧａＡｓＳｂ層
８  ｐ−ＧａＡｓ層
９  ＧａＡｓ層
１０  ｐ−ＡｌＧａＡｓ
１１  ｐ−ＧａＡｓ層
１２  ｐ領域電極
【図１】
2004335665.tif 000003
【図２】
2004335665.tif 000004
【図３】
2004335665.tif 000005
【図４】
2004335665.tif 000006
【図５】
2004335665.tif 000007
【図６】
2004335665.tif 000008
【図７】
2004335665.tif 000009
【図８】
2004335665.tif 000010