(57)【要約】      （修正有）【課題】環境に優しい材料を用いて通信波長帯である１３００ｎｍ帯や１５５０ｎｍ帯に発光を有する特性の優れた半導体光デバイスを提供する。【解決手段】コア層及びクラッド層を有する光導波路を備えた半導体光デバイスであって、前記コア層がフラーレンを含有すると共に、前記コア層及び前記クラッド層のバンドギャップが、フラーレンのエキシトン発光エネルギーよりも大きい。【選択図】        図３
2004207574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア層及びクラッド層を有する光導波路を備えた半導体光デバイスであって、
前記コア層がフラーレンを含有すると共に、
前記コア層及び前記クラッド層のバンドギャップが、フラーレンのエキシトン発光エネルギーよりも大きい
ことを特徴とする半導体光デバイス。
【請求項２】
請求項１において、
フラーレンの炭素数が８０以上であり、
発光波長が１０００ｎｍ以上である
ことを特徴とする半導体光デバイス。
【請求項３】
請求項１において、
フラーレンが、金属をドープ又は内包したものである
ことを特徴とする半導体光デバイス。
【請求項４】
請求項３において、
前記金属が、原子内の準位間隔が入出力光のエネルギーに相当する遷移金属である
ことを特徴とする半導体デバイス。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかにおいて、
前記コア層が、フラーレン層又はフラーレンを含むＡｌＧａＰＮ層とＡｌＧａＰＮ層とを交互に積層した量子井戸構造を有している
ことを特徴とする半導体光デバイス。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかにおいて、
Ａｓ及びＩｎを含有しない
ことを特徴とする半導体光デバイス。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかにおいて、
半導体レーザ、フォトダイオード、光変調器のいずれかである
ことを特徴とする半導体光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、環境に優しい材料を用いて通信波長帯である１３００ｎｍ帯や１５５０ｎｍ帯に発光を有する特性の優れた半導体光デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光通信で用いられているレーザ発光用の半導体光デバイスは、ＩｎＰ基板上にＧａＩｎＡｓＰ層をエピタキシャル成長させたものを用いて作製されているが、Ｉｎが地球上で存在量の少ない希少元素であると共に、Ａｓが毒性の高い元素であるため（下記非特許文献１等参照）、資源の節約や環境及び人体への影響等の観点からあまり好ましいものではない。このため、上記半導体光デバイスは、ＳｉやＧａＰ基板等に作製されることが望ましいものの、現在、通信波長帯である１３００ｎｍ帯や１５５０ｎｍ帯に発光を有してＩｎやＡｓを含まずに実用的なものが存在しない。
【０００３】
ところで、Ｃ60は、ＨＯＭＯ（最高被占軌道）−ＬＵＭＯ（最低被占軌道）間の電気的双極子遷移が禁制であるため、このバンド幅に相当した発光がないものの、固相では局在した励起子からの発光が現れる（下記非特許文献２等参照）。しかしながら、Ｃ60は、発光が１．７ｅＶ付近の赤色光である。また、金属内包フラーレンは、未だ収量が少なく、固体の分光が進んでいない。また、Ｃ60をＧａＡｓ半導体中にドーピングした例があるものの、Ａｓを含むＧａＡｓが用いられているだけでなく、Ｃ60からの発光がＧａＡｓに吸収される構造であった（下記非特許文献３等参照）。炭素数が６０以上の材料では、半導体中での特性については未だ調べられていない。
【０００４】
【非特許文献１】
牧田等, 材料科学,vol.37,(2000)p1
【非特許文献２】
V.Capozzi et al.,Journal of Luminescence,86(2000)P129
【非特許文献３】
第63回応用物理学会秋季講演会,26p-YD-5
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、環境に優しい材料を用いて通信波長帯である１３００ｎｍ帯や１５５０ｎｍ帯に発光を有する特性の優れた半導体光デバイスを提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するための、本発明による半導体光デバイスは、コア層及びクラッド層を有する光導波路を備えた半導体光デバイスであって、前記コア層がフラーレンを含有すると共に、前記コア層及び前記クラッド層のバンドギャップが、フラーレンのエキシトン発光エネルギーよりも大きいことを特徴とする。
【０００７】
上述した半導体光デバイスにおいて、フラーレンの炭素数が８０以上であり、発光波長が１０００ｎｍ以上であることを特徴とする。
【０００８】
上述した半導体光デバイスにおいて、フラーレンが、金属をドープ又は内包したものであることを特徴とする。
【０００９】
上述した半導体光デバイスにおいて、前記金属が、原子内の準位間隔が入出力光のエネルギーに相当する遷移金属であることを特徴とする。
【００１０】
上述した半導体光デバイスにおいて、前記コア層が、フラーレン層又はフラーレンを含むＡｌＧａＰＮ層とＡｌＧａＰＮ層とを交互に積層した量子井戸構造を有していることを特徴とする。
【００１１】
上述した半導体光デバイスにおいて、Ａｓ及びＩｎを含有しないことを特徴とする。
【００１２】
上述した半導体光デバイスにおいて、半導体レーザ、フォトダイオード、光変調器のいずれかであることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明による半導体光デバイスに係る各種の実施の形態を図面を用いて以下に説明するが、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００１４】
［第一の実施の形態］
本発明による半導体光デバイスに係る第一の実施の形態を図１，２を用いて説明する。図１は、フラーレンの格子定数とバンドギャップ及び発光ピークとの関係を表すグラフ、図２は、Ｃ106 のフラーレンの場合のフォトルミネッセンスを表すグラフである。
【００１５】
本実施の形態に係る半導体光デバイスは、コア層及びクラッド層を有する光導波路を備えた半導体光デバイスであって、前記コア層がフラーレンを含有すると共に、前記コア層及び前記クラッド層のバンドギャップが、フラーレンのエキシトン発光エネルギーよりも大きいことを特徴とするものである。ここで、Ａｓ及びＩｎを含有せず、さらに、フラーレンの炭素数が８０以上であり、発光波長が１０００ｎｍ以上であると好ましい。
【００１６】
このような本実施の形態に係る半導体光デバイスは、例えば、有機金属気相成長法により、ｎ−ＧａＰ基板上にＧａＰ層を成長させた後（１００ｎｍ）、真空中でフラーレン層を蒸着して形成したら（１００ｎｍ）、有機金属気相成長法により、ＧａＰ層を再び成長させることにより（１００ｎｍ）、作製することができる。
【００１７】
ここで、上記フラーレンがＣ60，Ｃ70，Ｃ106 の場合のサンプルをそれぞれ作製し、室温でフォトルミネッセンスの測定を行った。その結果を図１に示す。図１は、フラーレンが固相の場合の格子定数と上記サンプルのフォトルミネッセンスのピークエネルギーとの関係を表すグラフである。また、文献から求められたバンドギャップエネルギーの値（例えばS.Hino et al.,Phys.Rev.,B53(1996)7496 等参照）も同時に示す。
【００１８】
図１からわかるように、フラーレンの炭素数が増えるに従いバンドギャップが減少し、バンドギャップの減少と共に、発光ピークが長波長化することが判明した。また、図２に示すように、フラーレンがＣ106 の場合には１５５０ｎｍ帯の発光が得られることが本実験よりはじめて判明した。
【００１９】
［第二の実施の形態］
本発明による半導体光デバイスに係る第二の実施の形態を図３，４を用いて説明する。図３は、半導体光デバイスの構造の説明図、図４は、半導体光デバイスの電流に対する光出力を表すグラフである。ただし、前述した第一の実施の形態と重複する説明は省略する。
【００２０】
本実施の形態においては、ＡｌＧａＰＮ系（ただしＮ組成＝０）の半導体導波路の成長を行って、半導体レーザを作製した場合について説明する。有機金属気相成長法により、ｎ−ＧａＰ基板上にＳｉをドーピングしたｎ型のＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｐ層（ドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3）を成長させ（２μｍ）、引き続き、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｐ層を成長させた後（０．２５μｍ）、ＧａＰ層（５ｎｍ）を成長させた。その後、真空中でＣ106 のフラーレン層を蒸着して形成したら（１００ｎｍ）、再び有機金属気相成長法により、ＧａＰ層を成長させた後（５ｎｍ）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｐ層を成長させ（０．２５ｎｍ）、次いで、Ｃをドーピングをしたｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｐ層（ドーピング濃度：１×１０18ｃｍ-3）を成長させ（２μｍ）、引き続き、ｐ−ＧａＰ層を成長させた（２０μｍ）。
【００２１】
ここで、フォトルミネッセンスの測定を行ったところ、１５５０ｎｍ付近にピークを有する発光が観測された。
【００２２】
次いで、図３に示すように、上記基板２１の裏面にＡｕＧｅＮｉのｎ型電極２２を形成する一方、当該基板２１の表面に矩形にパターン化したＡｕＺｎＮｉのｐ型電極２３を形成すると共に、Ｂｒをメタノールに溶解したエッチング液でエッチングしてリッジ形状とした後、両端をへき開して反射鏡を形成することにより、本実施の形態に係る半導体レーザ２０（長さ５００μｍ）を作製した。
【００２３】
このようにして作製された上記半導体レーザ２０に対して、順方向に電流を流したところ、図４に示すように、２０ｍＡ付近から光出力が著しく増大し始めてレーザ発振することが確認された。このときの発振波長は１５４０ｎｍであった。また、発振波長は７０℃まで安定であると共に、閾値の変動も１０％以下であった。このことから、本実施の形態に係る半導体レーザ２０は、温度特性に優れているといえる。
【００２４】
［第三の実施の形態］
本発明による半導体光デバイスに係る第三の実施の形態を次に説明する。ただし、前述した第一，第二の実施の形態と重複する説明は省略する。
【００２５】
本実施の形態に係る半導体光デバイスは、フラーレンが、金属をドープ又は内包したものであり、前記金属が、原子内の準位間隔が入出力光のエネルギーに相当する遷移金属であるものである。
【００２６】
本実施の形態においては、ＡｌＧａＰＮ系の半導体導波路の成長を行って、フォトダイオードを作製した場合について説明する。有機金属気相成長法により、ｎ−Ｓｉ基板上にＳｉをドーピングしたｎ型のＡｌ0.5Ｇａ0.5ＰＮ層（ドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3）を成長させた後（２μｍ）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8ＰＮ層を成長させる（０．２５μｍ）。その後、Ｅｒ2を内包させたＣ82（Ｅｒ2＠Ｃ82）フラーレン（１×１０19ｃｍ-3）をドープしたＧａＰＮ層を成長させたら（５００ｎｍ）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｐ層を成長させた後（０．２５μｍ）、Ｃをドーピングしたｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5ＰＮ層（ドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3）を成長させ（２μｍ）、引き続き、ｐ−ＧａＰＮ層を成長させた（２０ｎｍ）。なお、Ｎ組成は、Ｓｉ基板と格子整合するように調製した。
【００２７】
ここで、フォトルミネッセンスの測定を行ったところ、Ｅｒの4Ｉ13/2と4Ｉ15/2との準位間からの発光が１５５２ｎｍ付近に観測された。
【００２８】
次いで、上記基板の裏面にＡｕＧｅＮｉのｎ型電極を形成する一方、当該基板の表面に矩形にパターン化したＡｕＺｎＮｉのｐ型電極を形成すると共に、Ｂｒをメタノールに溶解したエッチング液でリッジ形状とすることにより、本実施の形態に係るフォトダイオード（長さ５００μｍ）を作製した。
【００２９】
このようにして作製された上記フォトダイオードに対して、逆方向に電圧を印加し（５Ｖ）、１５５２ｎｍの光を導波させたところ、３ｍＡの光電流が観測された。
【００３０】
なお、フラーレンの炭素数ｎは、８０以上であり（例えば、８０，８２，８４，９０等）、フラーレンに内包またはドープされる金属Ｍは、Ｅｒ，Ｌａ，Ｙ，Ｓｃ，Ｐｒ等のような、原子内の準位間隔が入出力光のエネルギーに相当する遷移金属（当該金属の複核や当該金属を含んだ分子も含む）であれば、当該金属や炭素数によって、作用する光の波長が異なるものの、発光や吸収の特性を得ることができる。また、フラーレン分子間に遷移金属が挿入（ドープ）された固体フラーレンのクラスターであっても、固相として導入することが可能である。
【００３１】
［第四の実施の形態］
本発明による半導体光デバイスに係る第四の実施の形態を図５を用いて説明する。図５は、各種層のバンドエネルギーを表すグラフである。ただし、前述した第一〜第三の実施の形態と重複する説明は省略する。
【００３２】
本実施の形態に係る半導体光デバイスは、フラーレンが、金属をドープ又は内包したものであり、前記金属が、原子内の準位間隔が入出力光のエネルギーに相当する遷移金属であるものであり、前記コア層が、フラーレン層又はフラーレンを含むＡｌＧａＰＮ層とＡｌＧａＰＮ層とを交互に積層した量子井戸構造を有するものである。
【００３３】
本実施の形態においては、ＡｌＧａＰＮ系（ただしＮ組成＝０）の半導体導波路の成長を行って、半導体レーザを作製した場合について説明する。分子線エピタキシャル成長法により、ｎ−ＧａＰ基板上にＳｉをドーピングしたｎ型のＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｐ層（ドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3）を成長させた後（２μｍ）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｐ層を成長させ（０．２５μｍ）、引き続いて、ＧａＰ層を成長させた（５ｎｍ）。その後、Ｃ84のフラーレン層（２ｎｍ）とＡｌ0.7Ｇａ0.3Ｐ層（２ｎｍ）との成長を複数回繰り返したら（本実施の形態では２回）、ＧａＰ層を成長させた後（５ｎｍ）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｐ層を成長させ（０．２５ｍｍ）、次いで、Ｃをドーピングをしたｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｐ層（ドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3）を成長させ（２μｍ）、引き続き、ｐ−ＧａＰ層を成長させた（２０ｎｍ）。
【００３４】
ここで、コアに存在する上記フラーレン層と上記Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ｐ層とは、図５に示すように、その電子親和力が異なることから、タイプII型の量子井戸構
造となり、ＡｌＧａＰ層の伝導帯とフラーレン層の価電子帯との間で遷移が起こるようになる。このため、フォトルミネッセンスの測定を行ったところ、１５６０ｎｍ付近にピークを有する発光が観測された。
【００３５】
次いで、上記基板の裏面にＡｕＧｅＮｉのｎ型電極を形成する一方、当該基板の表面に矩形にパターン化したＡｕＺｎＮｉのｐ型電極を形成すると共に、ハロゲンによる反応性イオンエッチングによりリッジ形状とすることにより、本実施の形態に係る半導体レーザを作製した。
【００３６】
このようにして作製された上記半導体レーザに対して、順方向に電流を流したところ、前述した第二の実施の形態の場合と同様に、５０ｍＡ付近から光出力が増大し、１５５５ｎｍの波長でレーザ発振することが確認された。
【００３７】
なお、本実施の形態では、Ｎ組成＝０としたときのＡｌＧａＰＮ系の場合について説明したが、Ｎ組成を存在させたときのＡｌＧａＰＮ系の場合であっても、本実施の形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。
【００３８】
また、本実施の形態では、フラーレン層とＡｌＧａＰＮ層とを交互に積層したが、フラーレンを含むＡｌＧａＰＮ層とＡｌＧａＰＮ層とを交互に積層した場合であっても、本実施の形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。
【００３９】
［第五の実施の形態］
本発明による半導体光デバイスに係る第五の実施の形態を次に説明する。ただし、前述した第一〜第四の実施の形態と重複する説明は省略する。
【００４０】
本実施の形態においては、ＡｌＧａＰＮ系（ただしＮ組成＝０）の半導体導波路の成長を行って、光変調器を作製した場合について説明する。有機金属気相成長法により、ｎ−ＧａＰ基板上にＳをドーピングしたｎ型のＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｐ層（ドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3）を成長させた後（２μｍ）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｐ層を成長させ（０．２５μｍ）、引き続いて、ＧａＰ層を成長させた（５ｎｍ）。その後、真空中でＣ106 のフラーレンを蒸着したら（１００ｎｍ）、再び有機金属気相成長法により、ＧａＰ層を成長させた後（５ｎｍ）、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｐ層を成長させ（０．２５ｍｍ）、次いで、Ｚｎをドーピングをしたｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｐ層（ドーピング濃度１×１０18ｃｍ-3）を成長させ（２μｍ）、引き続き、ｐ−ＧａＰ層を成長させた（２０ｎｍ）。
【００４１】
ここで、フォトルミネッセンスの測定を行ったところ１５５０ｎｍ付近にピークを有する発光が観測された。
【００４２】
次いで、上記基板の裏面にＡｕＧｅＮｉのｎ型電極を形成する一方、当該基板の表面に矩形にパターン化したＡｕＺｎＮｉのｐ型電極を形成すると共に、硝酸・塩酸溶液によるエッチングでリッジ形状とした後、両端をへき開して反射鏡を形成すると共に端面に反射防止膜を形成することにより、本実施の形態に係る光変調器（長さ５００μｍ）を作製した。
【００４３】
このようにして作製された上記光変調器に対して、１５５０ｎｍの光を導波させ、５０ＧＨｚのパルス電圧を逆方向に印加したところ、同じく５０ＧＨｚでパルス光が発生することが確認された。また、信号光として４０ＧＨｚのパルス光を導波させ、パルスに同期して２０ＧＨｚの電圧を印加したところ、２０ＧＨｚ間隔でパルスが消失することが確認された。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の半導体光デバイスによれば、環境に優しい材料を用いて通信波長帯である１３００ｎｍ帯や１５５０ｎｍ帯に発光を有することができるので、特性の優れた半導体光デバイスを豊富な資源を生かして低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施の形態におけるフラーレンの格子定数とバンドギャップ及び発光ピークとの関係を表すグラフである。
【図２】Ｃ106 のフラーレンの場合のフォトルミネッセンスを表すグラフである。
【図３】第二の実施の形態の半導体光デバイスの構造の説明図である。
【図４】第二の実施の形態の半導体光デバイスの電流に対する光出力を表すグラフである。
【図５】第四の実施の形態の半導体光デバイスの各種層のバンドエネルギーを表すグラフである。
【符号の説明】
２０  半導体レーザ
２１  基板
２２  ｎ型電極
２３  ｐ型電極
【図１】
2004207574.tif 000003
【図２】
2004207574.tif 000004
【図３】
2004207574.tif 000005
【図４】
2004207574.tif 000006
【図５】
2004207574.tif 000007