(57)【要約】【課題】量子ドットを活性層に用いた半導体レーザ装置は、ゼロチャーピング特性を示す。しかし、電子と正孔を同じ材料に閉じこめる、従来のｔｙｐｅ−Ｉ構造ドットを用いた装置では、高々２．５Ｇｂｉｔ／秒の直接変調しか実現できなかった。それは、離散的エネルギー準位間のキャリヤ緩和速度が、いわゆるフォノンボトルネック現象により律速される為である。【解決手段】本願発明は、電子と正孔を閉じこめる各量子ドットを別材料で形成する、いわゆるｔｙｐｅ−ＩＩ構造の量子ドットを採用する。ｔｙｐｅ−ＩＩ構造では、電子と正孔の各離散的エネルギー準位の間隔を、材料組成とドットの大きさにより別々に最適化できる。この為、各量子ドット内の基底準位に、両キャリヤ共に高速での緩和させることが可能となる。【選択図】  図２
2004179206.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のクラッド領域と、
正孔を閉じ込める為の量子ドットと、これに接して形成され且つ前記正孔を閉じ込める為の量子ドットの半導体材料とは異なる半導体材料で形成された電子を閉じ込める為の量子ドットとの一組を複数組具備する活性層領域と、
第２のクラッド領域とを、少なくとも有し、且つ、
前記活性層領域に電流注入部を有することを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記第１のクラッド領域は、前記活性層領域より離れた位置にある第１領域と、前記第１領域の位置より前記活性層領域に近い位置にあり且つ前記第１領域の屈折率より大きな屈折率を有する第２領域とを少なくとも有し、
前記第２のクラッド領域は、前記活性層領域より離れた位置にある第３領域と、前記第３領域の位置より前記活性層領域に近い位置にあり且つ前記第３領域の屈折率より大きな屈折率を有する第４領域とを、少なくとも有することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記活性層領域は、正孔を閉じ込める為の複数の量子ドットと電子を閉じ込める為の複数の量子ドットとを有し、前記正孔を閉じ込める為の量子ドットの各量子ドットを覆って前記電子を閉じ込める為の量子ドットが形成され、且つ前記電子を閉じ込める為の量子ドット間に障壁領域を有することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記活性層領域は、正孔を閉じ込める為の複数の量子ドットと電子を閉じ込める為の複数の量子ドットとを有し、前記正孔を閉じ込める為の各量子ドット上に接して、前記電子を閉じ込める為の量子ドットが形成され、且つ前記両量子ドットの一対の相互の間に障壁領域を有することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記活性層領域は、正孔を閉じ込める為の複数の量子ドットと電子を閉じ込める為の複数の量子ドットとを有し、前記正孔を閉じ込める為の各量子ドット上に接して、前記電子を閉じ込める為の量子ドットが複数、積層されて前記正孔を閉じ込める為の量子ドットと電子を閉じ込める為の複数の量子ドットの一組が形成され、且つこの両量子ドットの一組の相互の間に障壁領域を有することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項６】
前記活性層領域は、正孔を閉じ込める為の複数の量子ドットと電子を閉じ込める為の複数の量子ドットとを有し、前記電子を閉じ込める為の各量子ドット上に、前記正孔を閉じ込める為の量子ドットが積層され、且つこの両量子ドットの一対の相互の間に障壁領域を有することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項７】
前記活性層領域は、複数の凹部を有する障壁領域を有し、前記凹部は底部より開口部にかけて広がりを有し、且つ前記凹部内に正孔を閉じ込める為の量子ドットと電子を閉じ込める為の量子ドットとを有することを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項８】
前記各量子ドットは、その離散エネルギー準位の間隔が、少なくとも、当該量子ドットを構成する半導体材料のＬＯフォノンのエネルギーに７ｍｅＶを加算した値よりも小さく、且つ、動作温度でのｋＴ（但し、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である）よりも大きい材料であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項９】
前記活性領域を含む光導波路或いは光導波路の光の進行方向に沿った外部に光帰還部を有し、且つ前記活性領域に電流注入部を有し、半導体レーザ発光が可能なことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項１０】
前記活性領域を含む光導波路の少なくとも光射出側に光のスポットサイズ変換部を有することを特徴とする請求項９に記載の光半導体装置。
【請求項１１】
前記活性領域の一方の端部側に光の入射端、他方の端部に光の射出端を有し、且つ前記活性領域に電流注入部を有し、光増幅が可能なことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項１２】
前記活性領域を含む光導波路の少なくとも光射出側に光のスポットサイズ変換部を有することを特徴とする請求項１１に記載の光半導体装置。
【請求項１３】
モジュール基体と、このモジュール基体に装着された半導体レーザ装置と、前記半導体レーザ装置射出部に対向する第２の光導波路とを少なくとも有し、且つ
前記半導体レーザ装置が、
第１のクラッド領域と、
正孔を閉じ込める為の量子ドットと、これに接して形成され且つ前記正孔を閉じ込める為の量子ドットの半導体材料とは異なる半導体材料で形成された電子を閉じ込める為の量子ドットの組を複数組具備する活性領域と、
第２のクラッド領域と、
前記活性領域へのキャリア注入部と、
前記活性領域を含む光導波路或いは光導波路の光の進行方向に沿った外部に光帰還部と、
前記活性領域を含む光導波路の一方の端部側に光の射出部と、を有することを特徴とする光伝送モジュール。
【請求項１４】
前記各量子ドットは、その離散エネルギー準位の間隔が、少なくとも、当該量子ドットを構成する半導体材料のＬＯフォノンのエネルギーに７ｍｅＶを加算した値よりも小さく、且つ、動作温度でのｋＴ（但し、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である）よりも大きい材料であることを特徴とする請求項１３に記載の光伝送モジュール。
【請求項１５】
前記活性領域を含む光導波路の少なくとも光射出側に、光のスポットサイズ変換部を有することを特徴とする請求項１３に記載の光伝送モジュール。
【請求項１６】
モジュール基体と、このモジュール基体に装着された光増幅器と、前記光増幅器の光入力部に対向する第１の光導波路と、前記光増幅器の射出部に対向する第２の光導波路とを少なくとも有し、且つ
前記光増幅器が、
第１のクラッド領域と、
正孔を閉じ込める為の量子ドットと、これに接して形成され且つ前記正孔を閉じ込める為の量子ドットの半導体材料とは異なる半導体材料で形成された電子を閉じ込める為の量子ドットの組を複数組具備する活性領域と、
第２のクラッド領域と、
前記活性領域へのキャリア注入部と、を有することを特徴とする光増幅モジュール。
【請求項１７】
前記各量子ドットは、その離散エネルギー準位の間隔が、少なくとも、当該量子ドットを構成する半導体材料のＬＯフォノンのエネルギーに７ｍｅＶを加算した値よりも小さく、且つ、動作温度でのｋＴ（但し、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である）よりも大きい材料であることを特徴とする請求項１６に記載の光増幅モジュール。
【請求項１８】
前記活性領域を含む光導波路の少なくとも光射出側に、光のスポットサイズ変換部を有することを特徴とする請求項１６に記載の光増幅モジュール。
【請求項１９】
前記光増幅器は波長多重光の増幅が可能となすことを特徴とする請求項１６に記載の光増幅モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、高速動作が可能な直接電流変調型半導体レーザ装置、及び光伝送モジュールとに関するものである。特に、本願発明は、電流変調時のレーザ波長の時間的変動（以下、チャーピングと呼ぶ）が極めて小さい半導体レーザ装置、及び光ファイバの波長分散の影響を受け難い光伝送モジュールとに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の長距離光幹線網では、チャーピングの問題を解決するために、光源並びに光の変調手段に次のような工夫を行なっている。即ち、光源として、半導体レーザ装置は直流動作で波長変動の小さいＤＦＢ型レーザとする。更に、信号入力には、電界吸収型変調器やマッハツェンダー型変調器などの、レーザ装置の外部から光変調を行なう、いわゆる外部光変調器を利用している。
【０００３】
しかし、今後、都市圏や、ビル間など比較的近距離での高速光通信網の充実が必要になる。その場合、低価格化による普及促進のため、高価な外部変調器を使わず、レーザの動作電流を直接信号で変調する、直接変調型半導体レーザ装置の使用が望ましい。
【０００４】
現在市場に出ている半導体レーザ装置は、ほぼ全て、量子井戸構造を活性層に持っている。この量子井戸構造を活性層に持つ量子井戸レーザ装置は、エネルギー準位が、放物線型の連続した構造を持つ。この為、電流変調時に、キャリヤが量子井戸内に貯まるにつれて、フェルミ面が連続的に上昇する。従って、量子井戸レーザ装置では、フェルミ面の連続的な上昇に伴って、発振波長のチャーピング（動的波長変動）が避けられない。
【０００５】
一方、活性層に量子ドット構造を用いる半導体レーザ装置は、エネルギー準位が完全に飛び飛びの離散準位である。この為、電流を増加してフェルミ面が上昇しても、基底準位同士間の発光が保たれる限り、発振波長の変化はほとんど無視できる。この、ゼロチャーピング特性は、すでに１９８２年の量子ドットレーザの提案時に、荒川らにより予測されていたが、実験で証明されたのはごく最近である。例えば、Ｈ．Ｓａｉｔｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、３７（２１）、ｐｐ．１２９３−１２９５、Ｏｃｔ．２００１（非特許文献１）に報告されている。
【０００６】
しかし、ゼロチャーピング特性は確認できたものの、従来の量子ドットレーザの直接変調速度は、アイパターン評価では〜２．５Ｇｂｉｔ／秒どまりで、３ｄＢ帯域（ｆ−３ｄＢ）も、〜５ＧＨｚ−〜７ＧＨｚが限界で１０ＧＨｚには届いていない。この他に、しきい電流の温度依存特性も量子井戸レーザよりむしろ悪く、又、利得飽和を起こしやすく高光出力が得られないなどの難点があきらかになってきた。
【０００７】
そのため、折角のゼロチャーピング特性にもかかわらず、実用水準の素子に至っていないのが現状である。
【０００８】
又、量子ドットを活性層に持つ光増幅器も検討されてきた。この場合も、通常の量子井戸活性層の増幅器では、光パルスの前縁と後縁で波長チャーピングを起こすのと異なり、量子ドットは原理的にゼロチャーピングが期待できる。この例は、例えば、Ｔ．Ｗａｔａｎａｂｅ、Ｊ．  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈ．、１８（８）、ｐｐ．１０６９−１０７７、Ａｕｇ．２０００（非特許文献２）に見られる。しかし、レーザの場合と同様、１０Ｇｂｉｔ／秒の入射光パルス列には、十分追随できないことも報告されている。この例は、例えば、Ｔ．  Ｗ．  Ｂｅｒｇ、ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ．  Ｔｅｃｈ．  Ｌｅｔｔ．、１３（６）、ｐｐ．５４１−５４３、Ｊｕｎｅ  ２００１（非特許文献３）である。
【０００９】
上記したこれらの諸問題の根本には、ＬＯフォノン放出による基底準位への電子の緩和がスムースに進まない、いわゆる「フォノンボトルネック」によるエネルギー緩和の律速がある。フォノンボトルネックとは、電子の量子ドット内エネルギー準位間隔がＬＯフォノンのエネルギーよりも大きいために、ＬＯフォノン放出による基底準位への電子の緩和がスムースに進まない現象のことである。この現象自体は、例えば、荒川泰彦著：光学、２９巻８号、２０００、４７４頁−４８１頁（非特許文献４）に解説されている。
【００１０】
一方で、正孔に関しては、有効質量が電子より大きく、量子ドット内のエネルギー準位間隔が密なために、準位間隔はＬＯフォノンエネルギーと同程度であり、数ｐｓｅｃの高速で基底準位に緩和できている。
【００１１】
又、フォノンボルトネックの解消を狙った量子ドット半導体レーザ装置などの例として、特開２００２−１３４８４１号公報（特許文献１）、特開平１０−２６１７８５号公報（特許文献２）、ｔｙｐｅ―ＩＩ型の量子ドットを用いた電界吸収光変調器の例として特開平９−２２２５８８号公報（特許文献３）などが見出される。
【００１２】
尚、本発明自体ではないが、本発明の実施にあたって、個別的技術の背景は下記の文献を参酌することが出来る。
【００１３】
伝導帯電子或いは価電子帯正孔の各エネルギー準位の間隔については、例えば、Ｇ．Ｐａｒｋ；ＩＥＥＥ  Ｊ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．、３６（９）、１０６５−１０７１、Ｓｅｐｔ．  ２０００（非特許文献５）に報告されている。
【００１４】
この量子ドットを構成する際、適する材料と量子ドットのサイズを決定する為にバンド計算を行なう必要があるが、このバンド計算は、例えば、Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ，５２（１６）、ｐｐ．１１９６９−１１９８１、Ｏｃｔ．１９９５、に掲載されたＭ．Ｇｒｕｎｄｍａｎｎ等著の論文（非特許文献６）を参酌して行なうことが出来る。
【００１５】
更に、結晶成長に関しては、次のような文献を参酌することが出来る。ＧａＡｓ基板にＩｎＧａＡｓ−ＧａＡｓＳｂを形成した例は、例えば、Ｗ．  Ｂｒａｕｎ、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、８８（５）、ｐｐ．３００４−３０１４（Ｓｅｐｔ．  ２００２）（非特許文献７）、Ｓ．Ｒ．Ｊｏｈｎｓｏｎ、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．、Ｂ１９（４）、ｐｐ．１５０１−１５０４（Ｊｕｌ／Ａｕｇ  ２００１）（非特許文献８）に見られる。又、ＩｎＰ基板にＩｎＡｓＰ−ＩｎＡｌＡｓを形成した例は、例えば、Ｔ．Ａｎａｎ、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、３８（１２Ａ），ｐｐ．６６４０−６６４４（非特許文献９）に見られる。
【００１６】
【非特許文献１】
Ｈ．Ｓａｉｔｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、３７（２１）、ｐｐ．１２９３−１２９５、Ｏｃｔ．２００１
【非特許文献２】
Ｔ．Ｗａｔａｎａｂｅ、Ｊ．  ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈ．、１８（８）、ｐｐ．１０６９−１０７７、Ａｕｇ．２０００
【非特許文献３】
Ｔ．  Ｗ．  Ｂｅｒｇ、ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ．  Ｔｅｃｈ．  Ｌｅｔｔ．、１３（６）、ｐｐ．５４１−５４３、Ｊｕｎｅ  ２００１
【非特許文献４】
荒川泰彦著：光学、２９巻８号、４７４−４８１頁（２０００）
【非特許文献５】
Ｇ．Ｐａｒｋ；ＩＥＥＥ  Ｊ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．、３６（９）、ｐｐ．１０６５−１０７１、Ｓｅｐｔ．  ２０００
【非特許文献６】
Ｍ．Ｇｒｕｎｄｍａｎｎ  ｅｔ  ａｌ．、Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ，５２（１６）、ｐｐ．１１９６９−１１９８１、Ｏｃｔ．１９９５
【非特許文献７】
Ｗ．  Ｂｒａｕｎ、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、８８（５）、ｐｐ．３００４−３０１４、Ｓｅｐｔ．  ２００２
【非特許文献８】
Ｓ．Ｒ．Ｊｏｈｎｓｏｎ、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．、Ｂ１９（４）、ｐｐ．１５０１−１５０４、Ｊｕｌ／Ａｕｇ  ２００１
【非特許文献８】
Ｔ．Ａｎａｎ、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、３８（１２Ａ），ｐｐ．６６４０−６６４４
【特許文献１】
特開２００２−１３４８４１号公報（段落０００７、段落０００８、図１）
【特許文献２】
特開平１０−２６１７８５号公報（段落００２５、段落０００８、図１（ｂ））
【特許文献３】
特開平９−２２２５８８号公報（請求項５、図１２Ｂ）
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ＬＯフォノン放出による基底準位への電子の緩和をスムースに進める為の方策について、以下に考察する。
【００１８】
通常のｔｙｐｅ−Ｉ型の量子ドットに用いられる長波長系結晶材料では、正孔に比べて電子の有効質量が数分の一以上小さいために、電子のエネルギー準位間隔を縮めるのは困難である。
【００１９】
しかし、電子の準位間隔を縮めるために、量子ドットのサイズを大きくすることで対応すると、今度は正孔の基底準位と第一励起準位の間隔が、動作温度でのｋＴ以内に接近してしまい、量子準位が熱的にぼやけてしまう。すると、量子ドットのエネルギー準位の離散性が失われて、肝心のゼロチャーピング特性も失われる。ここで、前記Ｔは絶対温度、前記ｋはボルツマン定数である。以下、これらの符号は同じ意味で用いる。
【００２０】
尚、本願明細書では、電子と正孔とが共に量子ドット井戸層に閉じ込められるような量子ドット構造をｔｙｐｅ−Ｉ型と称し、他方、どちらか一方のキャリアしか閉じ込められないような量子ドット構造をｔｙｐｅ−ＩＩ型と称する。一般に、量子ドットの特性を分類する場合、量子ドット井戸層を障壁層に埋め込んだ状態で、電子と正孔とが共に量子ドット井戸層に閉じ込められるような量子ドット構造をｔｙｐｅ−Ｉ型と称し、他方、前記の状態でどちらか一方のキャリアしか閉じ込められないような量子ドット構造をｔｙｐｅ−ＩＩ型と称する。しかし、本発明の量子ドット構造では、電子のみを閉じ込める量子ドット井戸層と、正孔のみを閉じ込める量子ドット井戸層とが接触し、且つこれらの両量子ドット井戸層を取り囲む障壁層との間でヘテロ接合を形成する。このように、各量子ドット井戸層が障壁層で取り囲まれた構造ではなく、各量子ドット井戸層どうしが接しているが、本願明細書ではｔｙｐｅ−ＩＩ型と称する。それは、「ｔｙｐｅ−ＩＩ型」の用語が、前述した一般的な用語の用い方と同様に、各量子ドット井戸層にどちらか一方のキャリアのみを閉じ込める構造であるからである。
【００２１】
このように、一つの材料で量子ドットを形成するｔｙｐｅ−Ｉ型構造を用いる限り、電子と正孔の両方同時に、高速エネルギー緩和と準位の離散性の要請を満たすことはできない。
【００２２】
この要因をバンド構造図を用いて考察する。図１は、従来のｔｙｐｅ−Ｉ型量子ドットを活性層にもつ半導体レーザに、電流注入した場合のエネルギーバンドの模式図である。図は伝導帯の下端１０と価電子帯の上端２０の間の電子及び正孔の分布状態を説明する為の図である。本例は、量子ドットの井戸層３０の両側にＮ型クラッド層（３−２、３−１）及びＰ型クラッド層（４−２、４−１）を配置して、量子ドットを用いた活性層領域を構成した例である。
【００２３】
図中、黒丸は電子１、白丸は正孔２を模式的に示す。又、符号１１は電子に対する基底準位、１２は電子に対する第一励起準位、２１は正孔に対する基底準位、１２は正孔に対する第一励起準位を示している。この例では、正孔２の基底準位２１と第一励起準位２２が接近して形成されている。
【００２４】
尚、クラッド層は、通例、二つの領域を有している。即ち、活性層領域より遠い第１領域と、これに近い第２領域である。前記クラッド層の第１領域は通例、前記クラッド層の第２領域より屈折率が小さい。又、クラッド層の第２領域は多層膜で構成される場合も多い。
【００２５】
半導体レーザ装置など光導波路装置の技術分野では、クラッド層の第１領域に対して、クラッド層の第２領域を光閉じ込め層と称することが多い。しかし、一方、光ファイバなどの技術分野では、光ファイバの中央のコア領域に対して単にクラッドと称することも多い。いずれの呼称によるにしても、クラッド層領域が複数の層で構成されているもので、光学的にコアに対するクラッドの役割の本質に相違はない。本願明細書では、活性層領域より遠いクラッド層領域と光閉じ込め層領域を合わせて、「クラッド層」と称し、前記活性層領域より遠いクラッド層を「クラッドの第１領域」、いわゆる光閉じ込め層を「クラッドの第２領域」或いは単に通称の「光閉じ込め層」と称する。
【００２６】
図１では、電子１の一部が、基底準位１１に緩和しきれずに、第一励起準位１２にとどまっていること、及び正孔２の基底準位２１と第一励起準位２２が接近しすぎているために、熱的に両方の準位に正孔が分布してしまっている状況を模式的に表している。
【００２７】
電子に対する基底準位１１と正孔に対する基底準位２１との間の、レーザ発光に寄与する遷移の観点からは、電子に対する第一励起準位１２や正孔に対する第一励起準位２２中の各キャリヤは、レーザ発振に寄与しない、無駄な部分である。このことが、レーザのしきい電流値の温度特性の悪化や、利得飽和の原因になっている。
【００２８】
この状態は、光増幅器の場合にも、連続した高速光パルス列が入射したときに、利得の減少により、次第に出力光パルスの振幅が減少する原因となる。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
本願発明の骨子は、活性層領域を構成する量子ドットをｔｙｐｅ−ＩＩ型とし、従来サイズの量子ドットには、正孔を高速緩和させ、これに隣接した別材料のやや大きめの量子ドットに、電子を高速緩和させ、且つ両量子ドットが互いに接する界面で電子と正孔を基底準位間で発光再結合させるものである。
【００３０】
直接変調の問題に関しては次の手段を用いる。電子の有効質量が正孔の有効質量の約１／４であれば、電子用の量子ドットの最大長を約２倍にすることで、正孔用の量子ドットのエネルギー準位間隔と同程度にできる。このことによって、電子の基底準位へ緩和が数ｐｓｅｃで可能となり、最高数十Ｇｂｉｔ／秒での直接変調が可能となる。
【００３１】
次に、ゼロチャーピング特性に関しては、正孔に対する基底準位と第一励起準位との間隔の設定が重要である。即ち、正孔に対する基底準位と第一励起準位との間隔をｋＴより大きくすることで（即ち、熱的に基底準位から第１励起準位に励起される正孔密度を減少させることが出来）、利得飽和を起こしにくい状態とする。同時に、正孔の基底準位の量子力学的離散性も確保出来て、ゼロチャーピング特性を得ることが出来る。又、温度特性も改善されることとなる。即ち、ゼロチャーピング特性を有し、高温動作が可能で、且つ直接変調が可能な半導体レーザ装置が得られる。
【００３２】
光増幅器の場合にも、キャリヤが高速で基底準位に緩和できるために、１０Ｇｂｉｔ／秒以上の高速で連続した光パルス列が入射した場合にも、キャリヤの消耗による利得の減少が起こらず、常に一定の光出力振幅が得られる。又、ｔｙｐｅ−ＩＩ型の構造では、異なる波長の光パルスが同時に入射したときに互いに干渉し合う波長クロストークが減少する。その理由は、ｔｙｐｅ−ＩＩ型の構造では、電子と正孔の波動関数の重なり積分の減少により、増幅利得が減少するかわりに、キャリヤの発光再結合寿命が延びる為である。このために、光増幅器の場合、複数の波長の光に対する同時増幅も可能となる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
具体的な実施の形態を説明するに先立って、本願発明の原理を、バンド構造図を用いて説明する。
【００３４】
図２は、本願発明のｔｙｐｅ−ＩＩ構造の量子ドットを活性層に持つ半導体レーザのエネルギーバンドの模式図である。図は、図１の場合と同様、電子及び正孔の分布状態を説明する為の図である。ここで、符号１０は伝導帯の下端、符号２０は価電子帯の上端である。本例は、活性層領域は、正孔用の量子ドットで構成される領域３３と電子用の量子ドットで構成される領域３４とを有し、且つ両領域３３、３４は互いに接している。そして、この両領域３３、３４を挟んで両側に量子ドットに対する障壁層３１、３２、及びＮ型クラッド層の第１領域３−１、Ｎ型クラッド層の第２領域（光閉じ込め層領域）３−２及びＰ型クラッド層の第１領域４−１、Ｐ型クラッド層の第２領域（光閉じ込め層領域）４−２が配置される。図中、黒丸は電子１、白丸は正孔２を模式的に示す。又、符号１１は電子に対する基底準位、１２は電子に対する第一励起準位、２１は正孔に対する基底準位、１２は正孔に対する第一励起準位を示している。
【００３５】
ｔｙｐｅ−ＩＩ構造の量子ドットでは、電子１、正孔２の両者に対して、量子ドットのエネルギー準位間隔を独立に最適設計することが出来るので、電子１、正孔２の両者は、ＬＯフォノン放出で、すばやく、各々基底準位１１、２１にエネルギー緩和することが可能である。又、基底準位１１と第一励起準位１２、及び基底準位２１と第一励起準位２２との両エネルギー間隔も、電子と正孔のどちらについても、動作温度のｋＴより大きく設定することが出来る。従って、電子と正孔の両者に対して、量子準位としての基底準位のエネルギー離散性が確保されている。
【００３６】
そのため、（１）周波数１０ＧＨｚ以上の高速の電流変調にも追随が可能であり、（２）雰囲気温度８０℃までの動作温度範囲で、基底準位間同士での発光が維持され、動的な波長がほとんど変動のない、いわゆるゼロチャーピング特性が得られる。
【００３７】
又、ほぼ全てのキャリヤが基底準位に存在するために、しきい電流の温度依存性も小さく、利得飽和も起こらないと云う、本来の量子ドットレーザの特徴を十分に発揮することができる。
【００３８】
量子ドットの形状が、周辺で厚みが薄くなる円盤ないし円柱で近似される時には、障壁層による閉じ込めポテンシャルは、近似的に放物線と見なせる。このポテンシャルの場合、エネルギー準位の間隔は、全て等しいので、上記の議論をさらに単純化できる。
【００３９】
こうした放物線で近似できる障壁層による閉じ込めポテンシャルについて、以下に、ｔｙｐｅ−Ｉ型とｔｙｐｅ−ＩＩ型の量子ドットにおける特性を比較検討する。
【００４０】
＜本発明と従来例との比較＞
［従来例］
図３は、従来のｔｙｐｅ−Ｉ型量子ドットでの、伝導帯と価電子帯の模式図である。電子及び正孔に対して、いずれも放物線型閉じこめポテンシャル１７及び２７であり、且つエネルギー準位は等間隔になっている。電子と正孔の有効質量の差のために、伝導帯電子のエネルギー準位の間隔は、ΔＥｅ〜５０ｍｅＶ−５５ｍｅＶ、価電子帯正孔のエネルギー準位の間隔は、ΔＥｈ〜１５ｍｅＶ−１０ｍｅＶが、典型的な値である。このことについては、例えば、Ｇ．Ｐａｒｋ；ＩＥＥＥ  Ｊ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．、３６（９）、１０６５−１０７１、Ｓｅｐｔ．  ２０００（非特許文献５）に報告されている。
【００４１】
エネルギー間隔が、ＬＯフォノンエネルギーと完全に一致しなくとも、約±７ｍｅＶの範囲で一致すれば、１０ｐｓｅｃ以内で緩和できる。しかし、このこれまでに報告されている例の場合には、電子に対する伝導帯電子のエネルギー準位の間隔ΔＥｅが〜５０ｍｅＶと大きいので、ＬＯフォノンのエネルギー＋５ｍｅＶ〜４０ｍｅＶの範囲を越えている。従って、ＬＯフォノン放出による、電子の１０ｐｓｅｃ以内の高速緩和は不可能である。
【００４２】
逆に、正孔のΔＥｈ〜１５ｍｅＶは、レーザの最大動作温度８０℃でのｋＴ〜２９ｍｅＶよりも小さくなってしまい、熱的な量子準位のぼけのために、離散的エネルギー準位とはならない。そのために、量子ドット本来のゼロチャープ特性が得られない。
【００４３】
［本発明の例］
これに対して、図４は、本願発明の、ｔｙｐｅ−ＩＩ型量子ドットでの、伝導帯と、価電子帯の模式図である。電子用と正孔用の各量子ドットが、別材料で構成され、且つこれらが隣接していることを示すため、図２では、電子に対する放物線型閉じこめポテンシャル１８と正孔に対する放物線型閉じこめポテンシャル２８の中心をずらせて描いてある。
【００４４】
電子、正孔のエネルギー準位間隔ΔＥｅ、ΔＥｈともに、ｋＴ〜２９ｍｅＶ＜（ΔＥｅ、ΔＥｈ）＜（ＬＯフォノンエネルギー＋７ｍｅＶ）〜４０ｍｅＶの条件を満たすように、材料の有効質量、閉じ込めポテンシャル深さ、量子ドットの大きさの３つのパラメータを設定できる。
【００４５】
そのため、電子、正孔ともにＬＯフォノン放出により、基底準位まで１０ｐｓｅｃ以内の高速で緩和する。又、基底準位と第一励起準位が十分離れているので、基底準位同士間での発光再結合が維持され、動的チャーピングも起こらず、利得飽和も起きにくい。こうして、量子ドット本来のすぐれた性能を引き出すことが可能になる。
【００４６】
＜発明の実施の形態＞
図５は量子ドット構造における状態密度ρ（Ｅ）とエネルギー準位の関係を例示したものである。縦軸がエネルギー、横軸が状態密度である。この場合、状態密度ρ（Ｅ）は離散的で、特定のエネルギーＥに対する状態数を表わす。この図を用いて、量子ドット構造のエネルギー準位間隔を設定する為の、基本的な考え方を説明する。尚、図５において、エネルギーレベルに対応した線分は、縮重度をその長さで模式的に示した。例えば、長い線分は、短い線分の長さの３倍の長さを有する。このことは、長い線分に対応するエネルギーレベルでは、短い線分に対応するエネルギーレベルの３倍の縮重度（即ち、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の３つの縮重）を有することを示している。
【００４７】
図６は、比較のために、よく知られた量子井戸構造での状態密度ρ（Ｅ）とエネルギー準位の関係を例示したものである。縦軸がエネルギー、横軸が状態密度である。この場合、状態密度ρ（Ｅ）は、エネルギーＥを持つ電子が、単位エネルギー、単位面積当たり、何個存在し得るかを示している。
【００４８】
比較検討の為、図６における量子井戸の厚さをＬ、図５における量子ドットは一辺の長さがＬの立方体とする。どちらも、無限に深いキャリヤ閉じ込めポテンシャル井戸の場合のエネルギー準位を示している。
【００４９】
キャリヤの有効質量をｍとすると、ｈをプランク定数として、量子井戸、量子ドットのどちらのエネルギー準位も、Ｅ０＝１／（８ｍ）（ｈ／Ｌ）２を単位とする整数倍で表される。
【００５０】
基底準位と第一励起準位との間隔は、量子井戸構造、量子ドット構造のいずれも、３Ｅ０で、等しい。
【００５１】
上式から、有効質量ｍが正孔の１／４の電子は、大きさＬを２倍にすることで、正孔と同じＥ０を与えるように設計できることがわかる。
【００５２】
量子井戸構造では、図６にみられるように、準位間隔が３Ｅ０、５Ｅ０、７Ｅ０と、エネルギーレベルが上であるほど広がる。尚、図６で、状態密度のステップの高さは、４πｍ／ｈ２である。これに対して、量子ドット構造では、図５にみられるように、間隔は高々３Ｅ０で、上に行くほど、縮重度のために間隔が２Ｅ０、Ｅ０などと狭くなるのが特徴である。このことは、フォノン散乱緩和機構を補う、クーロン散乱によるキャリヤのエネルギー緩和機構を考慮すると、量子ドットの上部の準位間では、準位間隔が狭いために比較的緩和が高速に起こりやすいことを意味している。結局、第一励起準位までは順調に緩和してきて、第一励起準位から、基底準位への緩和が、最も律速過程となりやすい。
【００５３】
図５に示される準位構造から、ＬＯフォノン放出のボトルネックを避け、且つ、基底準位の熱的ぼけを防止するためには、３Ｅ０なるエネルギー間隔が、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯよりも小さく、且つ、最高動作温度でのｋＴの値よりも大きいことが、要請される。
【００５４】
長波長用半導体材料での典型的なＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯは、３５−４０ｍｅＶであり、最高動作温度８０℃でのｋＴ〜２９ｍｅＶである。
【００５５】
エネルギー準位間隔が、ＬＯフォノンのエネルギーと丁度一致せず、５ｍｅＶ〜７ｍｅＶ上下していても、１０ｐｓｅｃ以内での高速緩和が可能である。即ち、各量子ドットは、その離散エネルギー準位の間隔が、少なくとも、当該量子ドットを構成する半導体材料のＬＯフォノンのエネルギーに７ｍｅＶを加算した値よりも小さく、且つ、動作温度でのｋＴ（但し、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である）よりも大きい材料であるのが好ましい。この５ｍｅＶ〜７ｍｅＶの値は、いわゆるエネルギーのブロードニング、或いはエネルギーのぼけと称される量である。本発明においては、「エネルギー間隔がＬＯフォノンのエネルギーより小さい」といった場合、ＬＯフォノンのエネルギーに、このブロードニングをも含んだ上で、量子ドットを含む活性層領域の諸条件を設定することが出来る。
【００５６】
１０Ｇｂｉｔ／秒でのＮＲＺ（Ｎｏ−Ｒｅｔｕｒｎ−ｔｏ―Ｚｅｒｏ）符号の周期１００ｐｓｅｃに対して、１０ｐｓｅｃ程度の波形のだれを許容できるならば、準位間隔３Ｅ０が、ｋＴ＝２９ｍｅＶ＜３Ｅ０＜ＥＬＯ＋５ｍｅＶ〜７ｍｅＶ＝４０ｍｅＶ〜４５ｍｅＶの関係を満たすように、Ｅ０＝１／（８ｍ）（ｈ／Ｌ）２を、即ち、ｍとＬを決定すればよい。
【００５７】
但し、実際の量子ドット材料の閉じこめポテンシャル深さは有限なので、波動関数の一部が、周囲の障壁層にしみだす。その分は、実効的に、ドット幅Ｌが、長くなったとして上記式のＬのかわりに、補正された実効長Ｌｅｆｆを用いれば良い。
【００５８】
レーザ装置のしきい電流の温度依存性を小さくするには、量子ドットを構成するヘテロ接合のキャリヤ閉じこめポテンシャル深さΔＥｃ（伝導帯）、ΔＥｖ（価電子帯）を次のように設定するのが望ましい。即ち、ΔＥｃ（伝導帯）は、１０ｋＴ程度、ΔＥｖ（価電子帯）は、５ｋＴ程度である。
【００５９】
これらの条件も勘案して、電子、正孔のそれぞれについて、（１）有効質量、（２）閉じ込めポテンシャル深さ、及び（３）ドットサイズの３つのパラメータの組み合わせを用いて、上記の不等式を満たすように量子ドット材料を選択し、サイズを決定すればよい。
【００６０】
上記の条件を満たせば、ｔｙｐｅ−ＩＩ型の量子ドット構造を構成するに、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体など多くの半導体材料を用いることが出来る。勿論、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体としての窒化物半導体をも用いることが出来る。従来、ｔｙｐｅ−ＩＩ型量子井戸構造を形成する材料の組み合わせがいくつか知られている。量子ドットについても、このｔｙｐｅ−ＩＩ材料の組み合わせが利用できる。
【００６１】
代表的なＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料の組み合わせの例について簡単に説明する。
【００６２】
化合物半導体材料を用いる場合、代表的な形態は大きく分けて、ＧａＡｓ基板上の結晶成長する場合と、ＩｎＰ基板上に成長する場合の２種類である。
【００６３】
特に、石英系ゼロ分散光ファイバーに対応した波長１．３μｍ前後の発振波長が可能な代表的材料の組み合わせの具体例は次の通りである。
（１）ＧａＡｓ基板上の、電子に対する量子ドットには（ＩｎｙＧａ１−ｙ）Ａｓ及び正孔に対する量子ドットには（Ｇａ１−ｘＡｓｘ）Ｓｂが好適である。
（２）ＩｎＰ基板上の、電子に対する量子ドットにはＩｎ（ＡｓｘＰ１−ｘ）及び正孔に対する量子ドットには（Ｉｎ１−ｘ−ｙＡｌｘＧａｙ）Ａｓが好適である。上記（１）及び（２）の例と共に、Ｖ族元素（例えば、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ）の数を増やした多元混晶とすることで、より精密に波長を、例えば、１．３μｍに一致させることが出来る。Ｖ族元素が異なる組み合わせを選ぶことで、ｔｙｐｅ−ＩＩ型のバンド構造を実現しやすくなる。
【００６４】
こうした材料系の形成に関しては、次の具体的に報告された例を本発明を実施する材料として用いることが出来る。ＧａＡｓ基板にＩｎＧａＡｓ−ＧａＡｓＳｂを形成した例は、例えば、Ｗ．  Ｂｒａｕｎ、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、８８（５）、ｐｐ．３００４−３０１４（Ｓｅｐｔ．  ２００２）（非特許文献７）、Ｓ．Ｒ．Ｊｏｈｎｓｏｎ、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．、Ｂ１９（４）、ｐｐ．１５０１−１５０４（Ｊｕｌ／Ａｕｇ  ２００１）（非特許文献８）に見られる。又、ＩｎＰ基板にＩｎＡｓＰ−ＩｎＡｌＡｓを形成した例は、例えば、Ｔ．Ａｎａｎ、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、３８（１２Ａ），ｐｐ．６６４０−６６４４（非特許文献９）に見られる。
【００６５】
以下の実施例では、これらの材料系の組み合わせを用いて、ｔｙｐｅ−ＩＩ構造の量子ドットを検討した。
【００６６】
半導体レーザ装置の基本的な素子構造は、量子ドット（活性層領域）の構成を除いて、従来の量子井戸活性層のものと同様である。従って、先ず、量子ドット構造の各種形態について説明する。次いで、具体的材料構成等を例示する。
【００６７】
尚、勿論、量子ドットの構成を除く他の半導体レーザ装置の各部構成や特性改善の為の手段は、通例の技術を合わせて用いることが出来る。又、基本的な製造手順は、基板結晶の上に、Ｎ型クラッド層の第１領域、Ｎ型クラッド層の第２領域、即ち光閉じ込め層（一般には、ガイド層とも称する）、量子ドットとそれを埋めこむ障壁層からなる活性層領域、Ｐ型クラッド層の第２領域、即ち光閉じ込め（ガイド）層、Ｐ型クラッド層の第１領域を順次、積層成長する。前述したように、活性層領域の構成を除いて通例の構成を採用することが出来るので、その製造方法もそれらの手順を用いて十分である。
【００６８】
図７は、本願発明の第一の実施例である。この例は正孔用量子ドットと電子用量子ドットとをｔｙｐｅ−ＩＩ構造として実現する第１の方法を示す。図７は、製造工程順に示した量子ドット構造の主要部断面図で、二つの光閉じ込め層の間を示している。
【００６９】
第１のクラッド層の第１領域の上部に形成された第１のクラッド層の第２領域（第１の光閉じ込め層）２０上に、正孔に対する量子ドット２５（図７（ａ））、次いで、電子に対する量子ドット１５をＳＫモードにて結晶成長させる（図７（ｃ））。尚、図示した濡れ層９はＳＫモードで結晶成長し、量子ドット（２５あるいは１５）の形成後、残存する薄層のことである。通例、この層は１〜１．５原子層ないしは１原子層以下のレベルといった薄層である。以下、他の工程においても、この濡れ層９は同様の層である。正孔に対する量子ドット２５と電子に対する量子ドット１５との一対を一旦障壁層５で平坦に埋め込む（図７（ｃ））。そして、前述の両量子ドットを形成する工程を、必要回数繰り返し、基板２０上に両量子ドット複数対が積層される。最後の障壁層５が形成されると、この上部に第２のクラッド層の第２領域（第２の光閉じ込め層）２１が形成される（図７（ｄ））。第２の光閉じ込め層の上部に第２のクラッド層の第１領域が設けられる。その後の半導体レーザ装置の製造は通例のものに従って十分である。
【００７０】
この例では正孔ドット２５と電子ドット１５の３対を積層した例であるが、その要求特性に応じて所望の積層数を積層すれば良い。尚、光閉じ込め層２０、２１の下部及び上部は通例のものと同様であるので、この図では省略されている。
【００７１】
前述したように、結晶成長は、格子不整合による歪みを利用して、微小な量子ドットが自発的に成長する、いわゆるＳＫモード成長を利用する。具体的な結晶成長方法には、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法、或いはＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｕｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法のどちらも用いることができる。
【００７２】
尚、ここで、ＳＫモードとは、所望の基板上に、基板と格子定数の異なる層を成長する場合、数原子層までは、平坦に成長するが、その後、自発的に３次元的に隆起したドットの構造が形成される結晶成長モードである。
【００７３】
最初、小さ目の正孔閉じ込め用ドット２５を成長し、それに覆い被さる形で、大き目の電子閉じこめ量子ドット１５を成長したのち、障壁層５で一旦平坦に埋めこむのが、本例の特徴である。この成長プロセスは、５周期ほどにわたって、ドットの位置を上下方向にほぼ一致整列した形で繰り返すことができる。
【００７４】
このＳＫモード法で可能な量子ドットの面内間隔は比較的大きいために、量子ドットの面密度は、高々〜１×１０１１／ｃｍ２である。従って、量子ドットの実効密度をレーザ発振に必要なレベルに増加させるため、複数層の積層構造が不可欠となる。
【００７５】
本実施例のドット材料は、基板に対して、一般に１．５％以上の格子不整合を持つことが自発的なＳＫモード成長のドット形成に必要である。勿論、この格子不整合は結晶転位が発生しない程度に設定する必要がある。各種条件によるが、この観点から、格子不整合の上限は概ね２％程度まである。
【００７６】
そのため、転位などの欠陥発生を防ぐには、成長条件の厳密な制御が必要となる反面、成長を中断することなくレーザ構造を一度に成長できるため、生産性にすぐれる。
【００７７】
一方、歪みの影響で、ｔｙｐｅ−ＩＩ型ヘテロ接合内の正孔の波動関数は、空間異方性をもつようになり、電子の波動関数との重なり積分が低下する場合が起きる。又、歪みによるバンド端シフトが波長を４ｋＴ程度シフトさせる問題も起きるので、予め、バンド計算によって、最適な材料とサイズを決定する必要がある。このバンド計算は、例えば、Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ，５２（１６）、ｐｐ．１１９６９−１１９８１、Ｏｃｔ．１９９５、に掲載されたＭ．Ｇｒｕｎｄｍａｎｎ等著の論文（非特許文献６）を参酌して行なうことが出来る。
【００７８】
図８は、本願発明の第二の実施例である。この例は、正孔閉じ込めドット２５と電子閉じ込めドット１５とを、個別に一層づつ障壁層５で平坦に埋め込みながら、正孔ドット２５と電子ドット１５の対を積層する例である。図８は製造工程順に示した量子ドット構造の主要部断面図で、二つの光閉じ込め層の間を示している。
【００７９】
図７の例と同様にＳＫモードの量子ドットを自発形成する材料を選択する。
最初に正孔に対する量子ドットを形成したのち、一旦障壁層で平坦に埋めこむ。続いて、電子に対する量子ドットを、有効質量が小さい分、大きめに成長させて、障壁層で平坦に埋めこむ。正孔に対する量子ドットと電子に対する量子ドットの界面に、障壁層が入りこまないようにするため、成長ガスの成分の違いによる、マスフロー促進や、エッチングガスによる表面平坦化が必要である。成長中断による、障壁層成分の再蒸発も有効である。
【００８０】
図８を参酌して工程を具体的に説明する。第１のクラッド層の第２領域の上部に形成された第１の障壁層２０上に、正孔に対する量子ドット２５をＳＫモードにて結晶成長させる（図８（ａ））。尚、図に示される濡れ層９は前述した通りである。
正孔に対する量子ドットを形成したのち、一旦障壁層５で平坦に埋めこむ（図８（ｂ））。次いで、電子に対する量子ドット１５をＳＫモードにて結晶成長させる（図８（ｃ））。この場合、電子と正孔に対する各一対の量子ドットを接触させて形成する必要がある。原理から明らかなように、電子と正孔とを、接触界面を通じて発光再結合させる必要がある為である。電子に対する量子ドット１５を障壁層５で平坦に埋め込む（図８（ｄ））。そして、前述の両量子ドットを形成する工程を、必要回数繰り返し、基板２０上に両量子ドット複数対が積層される。最後の障壁層５が形成されると、この上部に第２のクラッド層の第２領域２１が形成される（図８（ｅ））。その後の半導体レーザ装置の製造は通例のものに従って十分である。
【００８１】
第１の実施の形態と同様に、正孔閉じ込め用、電子閉じ込め用の量子ドット対を一周期として、複数周期分を縦に積層することで、光学利得を増加させる。
【００８２】
この方法は、電子ドットのサイズが結晶成長条件によって自動的に決まり、目的のサイズにまでうまく大きく成長できない場合があることに注意しなければならない。
【００８３】
図９は、本願発明の第三の実施例である。第二の実施例の方法で、電子閉じ込め量子ドットのサイズが、正孔閉じ込め量子ドットのサイズと同程度にしか自発的に形成出来ない場合には、本実施例の方法が有効となる。本例は、正孔閉じ込め量子ドットの一つに対して、複数の電子閉じ込め量子ドットを積層し、これらを一組として、この組を複数組積層する例である。
【００８４】
即ち、正孔閉じ込め量子ドットを平坦に障壁層で埋めた後、電子閉じ込め量子ドットを形成しては障壁層で平坦に埋めこむことを、複数回繰り返す。このことで、複数層積み上げられた電子ドット中の波動関数を一体化させると、電子閉じ込め量子ドットの体積を実質的に増大させたのと同じ効果が得られる。こうした正孔閉じ込め量子ドット及び電子閉じ込め量子ドット群を一周期とし、複数周期繰り返して、利得増大を図る。
【００８５】
図１０は、本願発明の第四の実施例である。本例は、正孔閉じ込め量子ドット及び電子閉じ込め量子ドットの一対を、テーパー付の積層体で構成する例である。図１０は製造工程順に示した量子ドット構造の主要部断面図で、二つの光閉じ込め層の間を示している。
【００８６】
基板結晶上に、Ｎ型クラッド層、光閉じ込め（ガイド）層２０、障壁層５、電子閉じこめ用量子井戸層１５、正孔閉じこめ用量子井戸層２５までを順に平坦に積層成長した後（図１０（ａ））、一旦成長装置から取り出す。電子線もしくは極紫外線によるリソグラフィを利用して、レジスト材料上に、量子ドットに対応する微細ドットパターン２６をパターニングする。このレジスト２６をマスクとして、上記電子閉じこめ用量子井戸層、正孔閉じこめ用量子井戸層の２層を、図示するように、テーパー状にドライエッチングとウエットエッチングで加工する（図１０（ｂ））。図１０（ｂ）は所望の一断面を示すものであるが、量子ドットの積層体は、三次元的には、例えば、上面が平坦とされた四角錘状（切頭ピラミッド状）ないしはマウンド状（土饅頭状）となる。即ち、結晶成長面が（００１）面の場合、四角錘状である。他方、量子ドットの面内密度を増やすため、（３１１）面を用いることもある。この（３１１）面の場合、長い楕円状で非対称のマウンド状となる。
【００８７】
その後、レジスト２６を除去し、洗浄の後、再び成長装置に装着する。そして、引き続き、障壁層５での平坦化埋めこみ、第２の光閉じ込め層２１を形成する。以降、通例のレーザ構造を順次結晶成長等行い完成する。
【００８８】
実施例四の特徴は、量子ドットに用いる材料の格子定数が、基板の格子定数と整合している組み合わせのものも作成できる点にある。又、テーパエッチングされた２層の量子ドットの側面は、一般に埋めこみ再成長の影響で非発光中心などの欠陥を発生させやすい。しかし、本例のｔｙｐｅ−ＩＩ構造では、最初に成長した、電子用と正孔用材料のヘテロ接合界面で発光がおこる。従って、量子ドットの側壁からの悪影響なしに、高効率のレーザ発振が得られる。
【００８９】
電子線ないしは極紫外線を用いたリソグラフィにより、微小なサイズのドットを高精度・高密度に配置できるので、サイズばらつきも数％程度に押さえられる。そのため量子ドット本来の極めて大きな利得が得られるので、単一層の活性層であっても、レーザ発振に十分な利得が得られる。
【００９０】
図１１は、第五の実施例である。図１１は製造工程順に示した量子ドット構造の主要部断面図で、二つの光閉じ込め層の間を示している。本例は、例えば、障壁層の材料層で凹部を形成し、この内部に正孔閉じ込め量子ドット及び電子閉じ込め量子ドットの対を形成する。
【００９１】
基板結晶上に、Ｎ型クラッド層、光ガイド層２０、障壁層５まで成長して、一旦成長装置から取り出す（図１１（ａ））。
【００９２】
図１０の例の場合と同様に、下地の障壁層５上に、電子線ないしは極紫外線を用いたリソグラフィを用いて、四角い窓のあいたレジストパターン２７を形成する。そして、ドライエッチングとウエットエッチングを用いて、四角錘状の穴溝５２を下地の障壁層５に形成する（図１１（ｂ））。レジストを除去し、洗浄したのち、正孔閉じ込め用ドット材料２５、電子閉じ込め用ドット材料１５の順に、前記四角錘状の穴溝５２に埋めこみ成長をおこなう（図１１（ｃ））。更に、障壁層５１で、半導体積層体の表面を平坦化した後、第２の光閉じ込め層２１を形成する（図１１（ｄ））。以降、通例のレーザ構造を順次結晶成長等行い完成する。
【００９３】
実施例五の特徴は、実施の形態４と同じく、（１）量子ドット材料が基板と格子整合していてもよいこと、（２）溝埋め成長を用いるので、量子ドットの形成後、量子ドット側壁の加工を受けないことである。従って、量子ドットの側壁には、非発光欠陥密度が少ない。量子ドットのサイズばらつきが数％程度と小さく、面密度が多いので、量子ドット本来の極めて大きな利得が得られる。従って、量子ドットを有する層が単一でも、十分レーザ発振を行なわせることが可能である。
【００９４】
次に、半導体レーザ装置の材料の具体的構成などを例示する。レーザの光閉じ込め構造、例えば、埋め込み構造、電流狭窄構造などは通例の各種のものを目的に応じて用いることが出来る。又、発光端面の保護膜、基板よりの結晶成長の為のバッファ層などの形成など通例の技術を用いることが出来ることは云うまでもない。
【００９５】
光の帰還手段として、ファブリペロー型（以下、ＦＰと略記する）、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）型、ＤＢＲ（Ｄｉｆｒａｃｔｉｏｎ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｒｅｃｔｉｏｎ）型、あるいは各種面発光型を用いてレーザ発振させることが可能である。後述するように、本発明は、最も簡単な構成のＦＰ型を用いて、縦単一モードでの発振を可能とする利点を有する。
【００９６】
次に、ＦＰ型半導体レーザ装置の例を説明する。図１２は活性層領域のメサ領域をＰＩＱ（ポリイミド系の有機高分子樹脂）樹脂で埋め込んだ例の断面図、図１３は活性層領域のメサ領域を高抵抗の半導体材料で埋め込んだ例の断面図である。
【００９７】
ＰＩＱ埋め込みの例である図１２にしたがえば、上部にｎ型バッファ層を形成したｎ型ＩｎＰ基板（図示が省略されている）上に、ｎ型の下部のクラッド層領域１１１、量子ドットを有する活性層領域１１２、ｐ型の上部のクラッド層領域１１３を形成される。ここで、量子ドットはこれまで説明してきた諸形態を取ることが出来る。そして、通例、ＢＨ（Ｂｅｒｉｅｄ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）型に埋め込む。埋め込み層１１５はＰＩＱ（ポリイミド系の有機高分子樹脂）樹脂。尚、符号１１４はＳｉＯ２等の絶縁物層、符号１１６はｐ側電極である。
【００９８】
このように、ストライプ型に活性層領域をメサエッチングしたのち、ポリイミド樹脂で埋めこみ構造とすることで、電極容量を低減する方策は有用である。１０Ｇビット／秒以上の高速変調の目的には、ＣＲ時定数の律速を防ぐため、電極容量を減らす必要がある。この目的のため、例えば、ＢＨ構造の逆メサを結晶成長で半導体材料を埋め込む替わりに、有機高分子樹脂、例えば、ポリイミド樹脂で埋め込むことが有用である。更に、本構造は半導体材料で埋め込む構造と比較して安価に製造することが出来る。
【００９９】
図１３はＢＨ構造の逆メサを結晶成長で高抵抗の半導体材料で埋め込んだ例である。ＩｎＰ系の半導体装置の場合、高抵抗の半導体材料は、例えば、鉄（Ｆｅ）ドープのＩｎＰ層１３５である。尚、図１３において、符号１３０はｎ型ＩｎＰ基板でクラッド層領域を兼ねている。符号１３１はｎ型光閉じ込め層、１３２は量子ドット、１３３はｐ型光閉じ込め層、１３６はｐ型ＩｎＰ層、１４０はＩｎＧａＡｓＰ層、１４１はＩｎＧａＡｓ層、１３７はパッシベーション層、１３８はｐ側電極、１３９はｎ側電極である。こうした、埋め込み構造自体の製法は通例ものに従って十分であるので、その詳細は省略する。
【０１００】
尚、図１２の例では、基板に対して活性層領域１１２の上部に埋め込み層１１５が配置され、一方、図１３の例では、活性層領域１３１がメサ部内に配置される。これら活性層領域と埋め込み層領域の相互の関係は、埋め込み材料によらず、当該半導体装置に要請される特性に応じて選択することが出来る。
【０１０１】
基板として、ＧａＡｓ基板とＩｎＰ基板結晶の双方を用いた半導体レーザ装置を作成し、その特性を測定した。活性領域の具体的構成は、前述の実施例１から実施例５に説明したものである。発振波長は波長１．３μｍ付近である。
【０１０２】
前述した各製作例では、しきい電流密度は１００Ａ／ｃｍ２前後、その温度依存性を示す特性温度は、室温付近で〜１００Ｋであった。これらの特性は、従来の量子井戸レーザ装置と同程度である。従って、本願発明は、しきい電流密度及びその温度特性をこれまでのベストの特性を維持しつつ、高速動作を可能とした。
【０１０３】
共振器長２００μｍのＦＰ型レーザ素子では、基底準位発振に対応した縦単一モードを保ったまま、１０Ｇｂｉｔ／秒まで、直接変調可能であった。
【０１０４】
従来の量子井戸構造を活性層に有するレーザ装置（以下、量子井戸レーザと略記する）では、単なるＦＰレーザ構造で構成すると、縦マルチモード発振を起こすために、波長広がりが大き過ぎた。従って、実際に実用には供することは出来なかった。量子井戸レーザ装置を、実用に供するに、ＤＦＢ構造などの波長制御構造を内蔵する必要があった。即ち、これまでは、複雑な構造を導入する必要があった。これに対して、本発明の量子ドット構造を活性層領域に有するレーザは、単なるＦＰレーザで十分実用に供し得る。
【０１０５】
又、このときのチャーピングは、ほとんど無視できるものであった。伝送特性を、１０Ｇｂｉｔ／秒での直接変調を行なう、発振波長が１．３μｍのＤＦＢレーザ装置と比較すると、本願発明の直接変調を行なうＦＰ型量子ドットレーザ装置は、標準石英ファイバーで約２倍の距離まで伝送可能であった。
【０１０６】
又、量子ドットのサイズばらつきがやや大きい場合、半導体レーザ装置の光帰還手段として回折格子を導入して、量子ドット活性層領域を有するＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）型レーザ装置を作成した。この場合、本願発明では、量子ドットを用いない通常の量子井戸型ＤＦＢレーザ装置に比較して、１０Ｇｂｉｔ／秒での直接変調時のチャーピングが半分程度に減少できた。
【０１０７】
更に、面発光レーザ装置の活性層にも適用したところ、やはり１０Ｇｂｉｔ／秒直接変調時のチャーピングが半分程度に減少できた。
【０１０８】
次に、これまで説明してきた本願発明の半導体レーザ装置を用いた光モジュールの例を説明する。
【０１０９】
図１５は、本願発明のｔｙｐｅ−ＩＩ型量子ドットレーザ装置７を含む、光伝送モジュールの模式的な平面図である。モジュールの基本構成は、いわゆるバタフライ型モジュールである。
【０１１０】
本発明の量子ドットを有する半導体レーザ装置７がＡｌＮ製のサブマウント１０１上に搭載され、更にこのサブマウント１０１がキャリア１０２に半田で固定されている。半導体レーザ装置７の光出力に対向して光ファイバー７１が装着されている。前記キャリア１０２は金属製の収納ケース１００内に収納されている。この例では、レーザ光をモニターする為の光モニター検出器６及び、半導体レーザ装置を直接変調する為の高速駆動回路８が合わせて搭載されている。入力電気信号は端子８２に与えられる。収納ケース１００の側壁には絶縁体でシールされたリードが貫通している。リードは、モジュール内のマイクロストリップラインに結合され、直接変調用高速駆動回路８にワイヤボンディングされている。符号８１は電源端子である。尚、電気的な結線は通例のものであるので、図では省略されている。前記直接変調用高速駆動回路８は１０Ｇｂｉｔ／秒の変調特性とした。電源端子８１、信号入力端子８２は、図に示す配置のほか、光ファイバと逆の側に配置してもよい。尚、半導体レーザ装置７は、前述した本発明の端面発光型の各種半導体レーザ装置が用いられる。
【０１１１】
本例では、光アイソレータと、温度調節機能を不要とすることで、低価格化に対応している。本例では、光アイソレータを無くすると、戻り光による雑音が増加するため、ファイバーへの光出力端側には、活性層厚みをテーパー型に薄くした、スポットサイズ変換部を設け、戻り光の影響を低減させている。
【０１１２】
図１４はスポットサイズ変換領域２５３を有する半導体レーザ装置の例の斜視図である。スポットサイズ変換領域の基本構造を示すもので、構造の詳細は省略されている。利得を有する活性領域２５１の光の射出側にビームを拡大するスポットサイズ変換領域２５３が形成されている。基板２６０に対して垂直方向に膜厚が変化する垂直テーパ導波路が用いられた。スポットサイズ変換領域２５３は、各々、活性領域２５１に対してバットジョイント結合を用いた。バットジョイント結合は導波路の光軸が付き合わせられている。活性領域２５１は、これまで説明してきたｔｙｐｅ−ＩＩ型の量子ドットを有する構造となっている。光軸に対して横方向は埋め込み型で、層２５７は埋め込み層領域である。図において、符号２６１はメサ部、符号２５５、２６０は各々電極、符号２６２は端面保護膜、符号２５９は出力光である。こうしたスポットサイズ変換領域２５３は、前述したＰＩＱ樹脂を埋め込み層とした形態にも適用出来ることはいうまでもない。
【０１１３】
本例の量子ドットレーザ装置の発振波長は、ＧａＡｓ基板上に成長したものでは１．３μｍ前後、ＩｎＰ基板上のものでは１．５５μｍ前後である。
【０１１４】
又、出力光ファイバ７１からの光出力は、数ｍＷ以上であった。１０Ｇｂｉｔ／秒の直接変調時の波長チャーピングはほとんど無く、きれいなアイパターンが得られた。
【０１１５】
図１６は光増幅器の斜視図である。利得を有する活性領域２０１の両側にビームを拡大するスポットサイズ変換領域２０３、２０４が形成されている。基板２１０に対して垂直方向に膜厚が変化する垂直テーパ導波路が用いられた。スポットサイズ変換領域２０３、２０４は、各々、活性領域２０１に対してバットジョイント結合を用いた。バットジョイント結合は導波路の光軸が付き合わせられている。入力光、出力光と光ファイバーとの結合効率を向上させるためのスポットサイズ変換部の設置により、全体のファイバー結合損失を、２ｄＢ以下にできた。
【０１１６】
活性領域２０１は、これまで説明してきたｔｙｐｅ−ＩＩ型の量子ドットを有する構造となっている。光軸に対して横方向は埋め込み型で、層２０７は電流狭窄の為の層である。図において、符号２１１はメサ部、２１２は埋め込み層領域、２０５、２０６は各々電極である。尚、光の入射及び射出両端面の保護膜の図示は省略されている。本例の埋め込み層は、前述したＰＩＱ樹脂を埋め込み層とした形態を適用出来ることはいうまでもない。尚、図において、符号２０８は光増幅器への入射光、符号２０９はその射出光である。また、符号２１０は基板、２１１はメサ部を示している。
【０１１７】
図１７は、本願発明の光増幅器７４を含む、光増幅モジュールの模式的な平面図である。光増幅器７４は、例えば図１６に示したものである。本発明の量子ドットを有する光増幅器７４がサブマウント８５上に搭載され、更にこのサブマウント８５がキャリア８６に半田で固定されている。光増幅器７４の光入力端及び光出力端に対向して光ファイバー７１及び７２が装着されている。前記キャリア８６は収納ケース８７内に収納されている。入力電気信号は端子８８に与えられる。収納ケース８７の側壁には絶縁体でシールされたリードが貫通している。リードは、モジュール内のマイクロストリップラインに結合され、駆動用電子回路８３にワイヤボンディングされている。符号８１は電源端子である。
【０１１８】
ｔｙｐｅ−ＩＩ型量子ドットの利得は低いので、光増幅チップの長さを長くする必要があるが、モジュール全体の大きさには変化ない。ｔｙｐｅ−ＩＩ型の特徴である、波長クロストークの小さいことを利用して、従来の半導体光増幅器の難点であった、波長多重光伝送系での多波長同時増幅が可能になった。
【０１１９】
量子ドットは形状の異方性により、利得の偏光依存性を有するため、ファイバー伝送路中での光増幅器に応用する場合、偏光依存性を無くするような素子構造の設計が必要となる。ここでは、量子ドットを規則正しい配列で５層以上積層した構造とすることにより、単一の量子ドットの光学異方性を、配列全体として打ち消すことで、偏光依存性をなくすことができる。
【０１２０】
以上、諸実施例をもって、本発明の詳細を説明してきたように、本願発明によれば、電子と正孔を閉じ込める量子ドット材料を別々に選択し、且つ、量子ドットの大きさを相対的に自由に変えることができる。その為、電子と正孔の有効質量の違いがあっても、材料組成と大きさの選択によって、両量子ドット内の離散的エネルギー準位を、光学フォノンのエネルギーに近づけて、キャリヤの高速緩和が可能なエネルギー間隔の設定できる。この事により、レーザの高速変調が可能となる。又、光増幅器の高速光パルスへの応答が可能となる。
【０１２１】
同時に、両ドットの基底準位と第一励起準位とのエネルギー間隔を、最大動作温度に対応したｋＴより大きく設定することで、熱的な基底準位のぼけを防ぐことが出来る。この為、高温動作・高速変調時にも、波長がほとんど変化しない、いわゆるゼロチャーピング特性を実現することが出来る。
【０１２２】
以上の効果は、一般に光伝送に用いられている、波長１．３μｍや１．５５μｍの長波長域のレーザのみならず、０．８６μｍ、０．７５μｍ、０．４μｍなどの短波長半導体レーザで量子ドット構造の活性層を用いる場合にも、本願発明のｔｙｐｅ−ＩＩ構造とすることで、全く同様に実現可能である。
【０１２３】
可視域では、伝送ケーブルに、プラスチックファイバーが用いられる場合が多い。しかし、本量子ドットレーザは、波長チャーピングがほとんど無いために、１０Ｇｂｉｔ／秒もの高速光パルスを、ファイバーの光減衰率によって決まる限界距離まで伝送でき、装置間など比較的近距離の安価な高速通信に適用できる。
【０１２４】
又、一般にｔｙｐｅ−ＩＩ型活性層では、キャリヤ寿命が長くなることを利用して、高出力短パルス光を発生するためのモード同期レーザの活性層としても、本願発明の量子ドット構造は有効である。ｔｙｐｅ−ＩＩ型量子井戸を用いたモード同期レーザに比べて、量子ドットはレーザ端面近傍での光吸収による端面破壊がおきにくいために、より高出力であり、チャーピングが小さい利点がある。
【０１２５】
【発明の効果】
本願発明によれば、チャーピングの極めて小さい光半導体装置を提供することが出来る。当該光半導体装置の代表例を示せば、半導体レーザ装置、光増幅器等である。従って、極めて低いチャーピングを維持しつつ、電流による直接変調を可能とした半導体レーザ装置を提供することが出来る。更に、極めて低いチャーピングを維持しつつ、波長のクロストークの小さな光増幅器を提供することが出来る。
【０１２６】
本願発明の別な観点によれば、チャーピングが極めて小さい光伝送モジュ−ルを提供すること出来る。
【０１２７】
本願発明の更に別な観点によれば、極めて低いチャーピングを維持しつつ、波長のクロストークの小さな光増幅モジュールを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ｔｙｐｅ−Ｉ型量子ドットの場合のキャリア分布を説明するバンド構造図である。
【図２】図２は、ｔｙｐｅ−ＩＩ型量子ドットの場合のキャリア分布を説明するバンド構造図である。
【図３】図３は、ｔｙｐｅ−Ｉ型量子ドットを放物線型閉じ込めポテンシャルで近似出来る場合のエネルギー準位の模式図である。
【図４】図４は、ｔｙｐｅ−ＩＩ型量子ドットを放物線型閉じ込めポテンシャルで近似出来る場合のエネルギー準位の模式図である。
【図５】図５は、量子ドット構造に対する状態密度を表わす図である。
【図６】図６は、量子井戸構造に対する状態密度を表わす図である。
【図７】図７は、実施例１における製造工程順に示した量子ドット領域の断面図である。
【図８】図８は、実施例２における製造工程順に示した量子ドット領域の断面図である。
【図９】図９は、実施例３における量子ドット領域の断面図である。
【図１０】図１０は、実施例４における製造工程順に示した量子ドット領域の断面図である。
【図１１】図１１は、実施例５における製造工程順に示した量子ドット領域の断面図である。
【図１２】図１２は、有機高分子樹脂で埋め込み層を形成した半導体レーザ装置の例の断面図である。
【図１３】図１３は、高抵抗半導体材料で埋め込み層を形成した半導体レーザ装置の例の断面図である。
【図１４】図１４は、スポットサイズ変換領域を有する半導体レーザ装置の例の斜視図である。
【図１５】図１５は、光伝送モジュールの模式的な平面図である。
【図１６】図１６は、光増幅器の例の斜視図である。
【図１７】図１７は光増幅器モジュールの模式的な平面図である。
【符号の説明】
１０：伝導帯エネルギー準位、２０：価電子帯エネルギー準位、１：電子、１１：電子の基底準位、１２：電子の第一基底準位、２：正孔、２１：正孔の基底準位、２２：正孔の第一励起準位、３−１：Ｎ型クラッド層の第１領域、３−２：Ｎ型クラッド層の第２領域（光閉じ込め層）、４−１：Ｐ型クラッド層の第１領域、４−２：Ｐ型クラッド層の第２領域（光閉じ込め層）、１５：電子閉じ込めドット、２５：正孔閉じ込めドット、３０：量子ドットの井戸層、３１、３２：障壁層、５：障壁層、６：光モニター検出器、７：ｔｙｐｅ−ＩＩ量子ドットレーザ、７１：光ファイバ、８：高速電子回路、８１：電源端子、８２：信号入力端子、７２：ｔｙｐｅ−ＩＩ量子ドット増幅器、７３：光導波路、８３：駆動電子回路、１１１：下部クラッド層、１１２：量子ドットを有する活性層領域、１１３：上部クラッド層、１１４：絶縁物層、１１５：有機高分子樹脂層、１１６：ｐ側電極、１３０：ＩｎＰ基板、１３１：光閉じ込め層、１３２、量子ドット層、１３３：光閉じ込め層、１３５：高抵抗半導体層、１３６：ＩｎＰ層、１３７：パッシベーション層、１３８：ｐ側電極、１３９：ｎ側電極１４０：ＩｎＧａＡｓ層、１４１：ＩｎＧａＡｓ層、２５１：活性層領域、２５３：スポットサイズ変換領域、２５５、２５６：電極、２５７：埋め込み層領域、２５９：出力光、２６０：基板、２６１：メサ部、２６２：端面保護膜、２０１：活性領域、２０３、２０４：スポットサイズ変換領域、２０５，２０６：電極、２０８：入射光、２０９：出射光、２１０：基板、２１１メサ部、２１２：埋め込み層領域。
【図１】
2004179206.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2004179206.tif 000014
【図１３】
2004179206.tif 000015
【図１４】
2004179206.tif 000016
【図１５】
2004179206.tif 000017
【図１６】
2004179206.tif 000018
【図１７】
2004179206.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成15年2月20日(2003.2.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2004179206.tif 000020
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
2004179206.tif 000021