(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
基底準位におけるＴＭモード利得がＴＥモード利得よりも大きい量子ドットと、前記量子ドットに連なるように形成され、前記量子ドットと同一の材料・組成の半導体材料からなる半導体層とを有する活性層と、
回折格子とを備え、
前記活性層は、前記半導体基板の格子定数よりも大きな格子定数を有する半導体材料からなる量子ドットと、前記半導体層としてのウェッティング層と、前記半導体基板の格子定数よりも小さな格子定数を有する半導体材料からなるバリア層とを有する量子ドット層を、前記量子ドットが上下に接合されて基底準位におけるＴＭモード利得がＴＥモード利得よりも大きい複合量子ドットが形成されるように、複数積層させて構成され、
前記複合量子ドットのアスペクト比は、０．８以上３．８以下であり、
前記量子ドット層の平均歪み量は、１．０％以上であることを特徴とする量子ドット半導体レーザ。
【請求項２】
前記活性層及び前記回折格子を含むメサ構造と、
前記メサ構造を埋め込む埋込層とを備えることを特徴とする、請求項１に記載の量子ドット半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばコヒーレント光通信に用いて好適の量子ドット半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばコヒーレント光通信において光信号を多重化する場合、安定で波長純度の高い、すなわち単一モード性に優れ、スペクトル線幅の狭い半導体レーザが必要である。
特に、量子ドットを発光層（活性層）に用いる量子ドットＤＦＢレーザ（Distributed Feed Back Laser）は、ＤＦＢレーザの特徴である優れた単一モード性を有し、さらに、量子ドットの３次元キャリア閉じ込めによってキャリア密度の変化に対する屈折率の変化が小さくなるため、スペクトル線幅の狭い発振光が得られると期待されている。なお、量子ドットＤＦＢレーザに関しては例えば非特許文献１などがある。
【非特許文献１】Jin Soo Kim, et al., "InAs-InAlGaAs Quantum Dot DFB Lasers Based on InP(001)", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.18, NO.4, pp.595-597, FEBRUARY 15, 2006
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、このような量子ドットレーザは、半導体基板と格子定数の異なる半導体材料（歪み材料）を用い、半導体基板に格子整合するように歪んだまま成長することが可能な膜厚（２次元臨界膜厚）以上に成長させることによって３次元化するStranski-Krastanov（Ｓ−Ｋ）成長様式を利用した自己形成量子ドットを活性層に用いている。
なお、このようにして形成された自己形成量子ドット（Ｓ−Ｋ量子ドット）は、図８に示すように、下地に臨界膜厚以下（例えば１〜２原子層の膜厚）の２次元的に広がったウェッティングレイヤ（濡れ層；ＷＬ）１０１を伴っている。
【０００４】
また、図８に示すように、このようにして形成された自己形成量子ドット（Ｓ−Ｋ量子ドット）１００の形状は、横方向サイズが高さの５〜１０倍程度になっており、扁平な形状をしている。
さらに、一般に、量子ドット１００は、半導体基板１０２よりも長波側の組成波長を有する半導体材料が用いられるため、量子ドット１００を形成する半導体材料の格子定数は、半導体基板１０２の格子定数よりも大きくなり、量子ドット内部には圧縮歪みがかかっている。
【０００５】
このような量子ドット１００の形状及び歪みの状態から、従来の量子ドットレーザは、全て光の電界が水平方向で振動するＴＥモードで発振するレーザとなっている。
しかしながら、このような量子ドットレーザでは、スペクトル線幅の狭い理想的なレーザが実現できなかった。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、単一モード性に優れ、スペクトル線幅の狭い半導体レーザを実現できるようにした、量子ドット半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため、本発明の量子ドット半導体レーザは、半導体基板と、基底準位におけるＴＭモード利得がＴＥモード利得よりも大きい量子ドットと、量子ドットに連なるように形成され、量子ドットと同一の材料・組成の半導体材料からなる半導体層とを有する活性層と、回折格子とを備え、活性層は、半導体基板の格子定数よりも大きな格子定数を有する半導体材料からなる量子ドットと、半導体層としてのウェッティング層と、半導体基板の格子定数よりも小さな格子定数を有する半導体材料からなるバリア層とを有する量子ドット層を、量子ドットが上下に接合されて基底準位におけるＴＭモード利得がＴＥモード利得よりも大きい複合量子ドットが形成されるように、複数積層させて構成され、複合量子ドットのアスペクト比は、０．８以上３．８以下であり、量子ドット層の平均歪み量は、１．０％以上であることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
したがって、本発明の量子ドット半導体レーザによれば、単一モード性に優れ、スペクトル線幅の狭い半導体レーザを実現できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる量子ドット半導体レーザについて説明する。
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態にかかる量子ドット半導体レーザについて、図１〜図５を参照しながら説明する。
【０００９】
本実施形態にかかる量子ドット半導体レーザは、基底準位におけるＴＭモード利得がＴＥモード利得よりも大きい量子ドットを活性層（発光層）に用い、内部（共振器内）に回折格子を備える量子ドット半導体レーザ［例えば分布帰還型（ＤＦＢ；Distributed Feed-Back）レーザ］である。
つまり、本量子ドット半導体レーザは、例えば図１及び図４に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板［ここではｎ−ＩｎＰ（１００）基板；半導体基板］１上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層２と、回折格子３Ａを有するｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層３と、ｎ型ＩｎＰ下側クラッド層４と、ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure；分離閉じ込めヘテロ構造）層（下側バリア層；光閉じ込め層）５と、量子ドットを用いた活性層（量子ドット活性層）６と、ＳＣＨ層（上側バリア層：光閉じ込め層）７と、ｐ型ＩｎＰ上側クラッド層８と、ｐ型ＩｎＰ埋込層（ブロック層；電流狭窄層）９と、ｎ型ＩｎＰ埋込層（ブロック層；電流狭窄層）１０と、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１１と、ｐ側電極１２と、ｎ側電極１３と、ＳｉＯ2膜（絶縁膜）１４とを備え、活性層６及び回折格子３Ａを含むメサ構造１５が埋込層９，１０によって埋め込まれた埋込型量子ドット半導体レーザとして構成される。
【００１０】
ここで、活性層６は、図３に示すように、半導体基板１の格子定数よりも大きな格子定数を有する半導体材料からなる量子ドット（圧縮歪み量子ドット）２０と、ウェッティング層（量子ドット２０に連なるように形成され、量子ドット２０と同一の材料・組成の半導体材料からなる半導体層）２１と、半導体基板１の格子定数よりも小さな格子定数を有する半導体材料からなるバリア層（引張歪みバリア層）２２とを有する量子ドット層２３を、複数積層させたものとして構成される。なお、図３では、簡略化して、活性層６は、６つの量子ドット２０を積層したものを示しているが、実際には、後述するように、１３個以上５０個以下の量子ドット２０を積層したものとしている。
【００１１】
ここでは、活性層は、図３に示すように、複数のＩｎＡｓ量子ドット２０を近接積層させてなるＩｎＡｓ複合量子ドット（コラムナ量子ドット）２４と、ＩｎＡｓウェッティング層２１と、複合量子ドット２４の側面に接するように形成されたＩｎＧａＡｓＰバリア層（サイドバリア層）２２とを備えるものとして構成される。
本実施形態では、量子ドット２０が上下に接合されて基底準位におけるＴＭモード利得がＴＥモード利得よりも大きい複合量子ドット２４が形成されるように、量子ドット層２３を複数積層させて活性層６を形成している。
【００１２】
具体的には、複合量子ドット２４のアスペクト比が１以上３．８以下になるようにしている。ここで、アスペクト比は、最下層の量子ドット２０の底面から最上層の量子ドット２０の頂点までの高さを、量子ドット２０の横方向サイズで割ったものである。
また、量子ドット層２３の平均歪み量が０．５％以上になるようにしている。ここで、量子ドット層２３の平均歪み量は、下記式（１）で定義される。
（（εba×ｔba）＋（εQD×ｔQD））／（ｔba＋ｔQD）・・・（１）
ここで、εbaはバリア層の歪み量（％）、ｔbaはバリア層の膜厚（原料供給量）（ＭＬ）、εQDは量子ドットの歪み量（％）、ｔQDは量子ドットの原料供給量（ＭＬ）である。なお、歪み量の符号は、引張歪みを＋、圧縮歪みを−とする。
【００１３】
以下、複合量子ドット２４のアスペクト比や量子ドット層２３の平均歪み量をこのように設定することでスペクトル線幅の狭い半導体レーザが得られる原理を説明する。
まず、半導体レーザのスペクトル線幅Δνは、下記式（２）の関係を満たす。
【００１４】
【数１】
0005119789.tif 000002
【００１５】
ここで、αは線幅増大係数と呼ばれるもので、下記式（３）で与えられる。
【００１６】
【数２】
0005119789.tif 000003
【００１７】
ここで、λは発振波長、ｎeffは有効屈折率、ｇは利得、Ｎはキャリア密度である。
上記式（２）より、線幅増大係数αが小さいほどスペクトル線幅が狭くなることが分かる。上記式（３）より、プラズマ効果と呼ばれる、キャリア密度による有効屈折率の変化（∂ｎeff／∂Ｎ）が小さくなれば、線幅増大係数αが小さくなることが分かる。したがって、有効屈折率の変化（∂ｎeff／∂Ｎ）が小さいほど、スペクトル線幅が狭くなることが分かる。
【００１８】
これまで、量子ドット内に蓄積したキャリアは３次元的に閉じ込められているため、発振光の電界によってキャリアが振動せず、∂ｎeff／∂Ｎは０になると考えられるため、量子ドットレーザにおいては理論的に線幅増大係数αが０になり、スペクトル線幅が狭くなると考えられていた。
しかし、本発明者らが詳細に検討した結果、有効屈折率のキャリア密度による変化（∂ｎeff／∂Ｎ）には、ウェッティング層（ウェッティングレイヤ；ＷＬ）に蓄積されたキャリアによる成分と、量子ドットに蓄積されたキャリアによる成分とが含まれていることがわかった。
【００１９】
つまり、有効屈折率のキャリア密度による変化（∂ｎeff／∂Ｎ）は、下記式（４）で与えられる。
【００２０】
【数３】
0005119789.tif 000004
【００２１】
このため、量子ドットレーザにおいて０になるのは上記式（４）の右辺第２項だけであり、右辺第１項は必ずしも０にはならない。特に、ＴＥモードで発振する従来の量子ドットレーザにおいては、全て、上記式（４）の右辺第１項は０になり得ないことがわかった。なぜなら、ＴＥモードで発振する従来の量子ドットレーザにおいては、ウェッティング層（ＷＬ）に蓄積されたキャリアは、電界振動に追従するように水平方向に振動することが可能だからである。
【００２２】
これに対し、ＴＭモードで発振する量子ドットレーザであれば、発振光の電界振動が垂直方向であり、ウェッティング層（ＷＬ）に蓄積されたキャリアは、ウェッティング層（ＷＬ）の量子井戸的な性質によって垂直方向に動くことができないため、上記式（４）の右辺第１項のプラズマ効果［即ち、キャリア密度による有効屈折率の変化（∂ｎeff／∂Ｎ）］を抑制することができ、この結果、線幅増大係数αを小さくすることができ、スペクトル線幅の狭い理想的な量子ドットレーザを実現することが可能となることを見出した。
【００２３】
次に、本発明者らは、ＴＭモードで発振する量子ドットレーザを実現すべく、特性を支配する量子ドット部分について検討を行なった。
そして、本発明者らは、複数の量子ドットを近接積層した複合量子ドット（柱状の結合量子ドット；コラムナ量子ドット）を用いて、実際にＴＭモードで発振させるのに必要とされる、基底準位におけるＴＭモード利得がＴＥモード利得よりも大きい量子ドットの形成に成功し、ＴＭモード発振に必要な量子ドットに要求される条件を得た。その条件について、以下、具体的に説明する。
【００２４】
ＴＭモード利得がＴＥモード利得よりも大きい量子ドットを実現するには、コラムナ量子ドット２４のアスペクト比と量子ドット層２３の平均歪み量に下限が存在することが分かった。
ここで、図２は、量子ドット層２３の平均歪み量とコラムナ量子ドット２４のアスペクト比を変化させた場合［即ち、量子ドット層２３を構成するバリア層２２の膜厚（バリア層の原料供給量）と、量子ドット２０の積層数（量子ドット層２３の積層数）とを変化させた場合］のＴＥ偏波とＴＭ偏波の発光強度比（ＴＥ／ＴＭ）の変化をデシベル（ｄＢ）で示したものである。
【００２５】
ここでは、ｎ型ＩｎＰ（１００）基板１上に、２次元膜厚換算で２ＭＬに相当する原料を供給することによって形成されたＩｎＡｓ量子ドット２０（圧縮歪み３．２％；量子ドット２０を構成する半導体材料の格子定数が半導体基板１に対して３．２％大きい）及びＩｎＡｓウェッティング層２１と、引張歪み３．７％（バリア層２２を構成する半導体材料の格子定数が半導体基板１に対して３．７％小さい）のＩｎＧａＡｓＰバリア層（組成波長１μｍ）２２とからなる量子ドット層２３を複数積層することによってＩｎＡｓコラムナ量子ドット２４を形成している。この場合、１つの量子ドット２０は、高さが１．２ｎｍ程度、横方向サイズが１６ｎｍ程度になる。
【００２６】
図２に示すように、ＴＭモード利得がＴＥモード利得よりも大きくするためには、即ち、発光強度比（ＴＥ／ＴＭ）を０ｄＢ未満とするためには、コラムナ量子ドット２４のアスペクト比を０．６以上（好ましくは１．０以上）にすることが必要であることが分かった。
これは、コラムナ量子ドット２４の形状を高くして縦長にすることによって、面内の圧縮歪みよりも高さ方向の圧縮歪みを受けやすくなるため、面内方向で引張歪みを受けやすくなり、その結果、軽い正孔との遷移成分が増大することによると考えられる。
【００２７】
一方、コラムナ量子ドット２４のアスペクト比の上限は、量子ドット２０が高さ方向に有効な量子閉じ込めを有する条件で決まり、高さ５０ｎｍ以下であることが必要である。自己形成量子ドットの横方向サイズの平均値の範囲は１３ｎｍ〜４０ｎｍ程度であり、最小のものは１３ｎｍ程度であるため、複合量子ドット２４のアスペクト比の上限は３．８程度となる。なお、自己形成量子ドットの高さの平均値の範囲は１〜３ｎｍ程度である。
【００２８】
具体的には、量子ドット２０の横方向サイズが１３ｎｍで、高さが１ｎｍ（量子ドット層２３の膜厚が１ｎｍ）の場合、量子ドット層２３を８層以上（好ましくは１３層以上）、５０層以下の範囲内で積層させることによって、複合量子ドット２４のアスペクト比を０．６以上（好ましくは１．０以上）、３．８以下の条件を満たすようにすることができる。
【００２９】
また、図２に示すように、ＴＭモード利得がＴＥモード利得よりも大きくするためには、即ち、発光強度比（ＴＥ／ＴＭ）を０ｄＢ未満とするためには、量子ドット層２３の平均歪み量［上記式（１）参照］を０．５％以上（好ましくは０．６％以上）にすることが必要であることが分かった。
これは、量子ドット層２３の平均歪み量を０．５％以上（好ましくは０．６％以上）にすることによって、量子ドット内部を面内方向で引張歪みを受けた状態にできるためであると考えられる。
【００３０】
具体的には、上述のように、ＩｎＧａＡｓＰバリア層２２の引張歪み量を３．７％とし、ＩｎＡｓ量子ドット２０の原料供給量を２ＭＬとする場合（この場合、圧縮歪み３．２％のＩｎＡｓ量子ドットが形成される）、バリア層２２の原料供給量を２．４ＭＬ以上にして成長させることによって、上記式（１）より、量子ドット層２３の平均歪み量が０．５％以上の条件を満たすようにすることができる。
【００３１】
特に、高効率のレーザを製造する観点からは、発光強度比（ＴＥ／ＴＭ）が−３ｄＢ以下にするのが好ましく、したがって、量子ドット層２３の平均歪み量を１．０％以上にするのが好ましい。
具体的には、上述のように、ＩｎＧａＡｓＰバリア層２２の引張歪み量を３．７％とし、ＩｎＡｓ量子ドット２０の原料供給量を２ＭＬとする場合（この場合、圧縮歪み３．２％のＩｎＡｓ量子ドットが形成される）、バリア層２２の原料供給量を３．２ＭＬ以上にして成長させることによって、上記式（１）より、量子ドット層２３の平均歪み量が１．０％以上の条件を満たすようにすることができる。
【００３２】
なお、ここでは、ＩｎＧａＡｓＰバリア層２２を引張歪み３．７％、組成波長１μｍとしているが、これに限られるものではない。例えば、光通信波長帯で発光するコラムナ量子ドット２４を形成する場合、バリア層２２の組成波長は０．９〜１．２μｍ程度になるようにすれば良いため、ＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰyバリア層２２の組成は、例えば図５に示すように、組成波長（ここでは０．９μｍ，１．０μｍ，１．１μｍ，１．２μｍ）及び引張歪み量（ここでは３．２％，３．７％，４．２％）に応じて設定すれば良い。
【００３３】
以下、本実施形態にかかる量子ドット半導体レーザ（コラムナ量子ドットを有する埋込型量子ドット半導体レーザ）の製造方法について説明する。
なお、各層の結晶成長には、例えば有機金属気相成長（Metalorganic Vapor-Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）法を用いる。
まず、図４（Ａ）に示すように、ｎ−ＩｎＰ（１００）基板（半導体基板）１を、例えば、反応室内の圧力を５０Ｔｏｒｒとし、ホスフィン（ＰＨ3）雰囲気で６００〜６５０℃に加熱（昇温）する。
【００３４】
温度が安定した後、ＰＨ3を供給したままの状態で、さらにトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を供給することによって、図４（Ａ）に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板１上にｎ−ＩｎＰバッファ層２を例えば１００ｎｍ成長させ、次いで、ＴＭＩｎ、ＰＨ3、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、アルシン（ＡｓＨ3）、Ｓｉ2Ｈ6を供給することによってｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層（回折格子下地層）３Ｘを例えば３０ｎｍ成長させ、その後、ｎ−ＩｎＰキャップ層４Ａを例えば１０ｎｍ成長させる。
【００３５】
その後、例えばリソグラフィ及びエッチングなどの方法によって、図４（Ｂ）に示すように、ｎ−ＩｎＰキャップ層４Ａ及びｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層３Ｘの一部又は全部を周期的に除去し、図１に示すように、その上にｎ−ＩｎＰクラッド層４を例えば３００〜５００ｎｍエピタキシャル成長させる。これにより、図１及び図４（Ｂ）に示すように、ｎ−ＩｎＰバッファ層２、回折格子３Ａを有するｎ−ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層３、ｎ−ＩｎＰクラッド層４を順に積層した構造が形成される。なお、ｎ−ＩｎＰキャップ層４Ａはｎ−ＩｎＰクラッド層４の一部となる。
【００３６】
ここでは、ｎ−ＩｎＰバッファ層２、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層３、ｎ−ＩｎＰクラッド層４（ｎ−ＩｎＰキャップ層４Ａを含む）のｎ型不純物濃度は、例えば５×１０17ｃｍ-3である。
次に、図１に示すように、ｎ−ＩｎＰクラッド層４上に、ＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰyからなるＳＣＨ層（バリア層）５を例えば１００ｎｍ成長させる。ここでは、ＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰyバリア層（ＳＣＨ層）５の組成を例えばｘ＝０．７８、ｙ＝０．５２とすることで、組成波長１．２μｍで無歪みのバリア層を形成している。
【００３７】
その後、ＰＨ3雰囲気で、例えば量子ドット成長温度である４３０〜４５０℃まで降温する。
温度が安定した後、以下のようにして、図３に示すように、ＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰyバリア層（ＳＣＨ層）５上に、コラムナ量子ドット２４を備える活性層（量子ドット活性層）６を形成する。
【００３８】
まず、ＴＭＩｎ及びＡｓＨ3を供給することによって、ＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰyバリア層（ＳＣＨ層）５上にＩｎＡｓ量子ドット（自己形成量子ドット）２０を形成する。
この場合、成長初期には２次元成長によりウェッティング層（濡れ層）２１が形成されるが、臨界膜厚を越えた時点で、ウェッティング層２１上に３次元島状のＩｎＡｓ量子ドット２０が形成されることになる。
【００３９】
ここでは、Ｖ族原料（ＡｓＨ3）とＩＩＩ族原料（ＴＭＩｎ）との供給比（Ｖ／ＩＩＩ比）が５〜２０の範囲内になるように、ＩＩＩ族原料（ＴＭＩｎ）を２次元膜厚（層厚）換算で１〜３ＭＬに相当する流量（供給量；供給条件）で供給するようにしている。これより、高さ１〜３ｎｍ、横方向サイズ１３〜４０ｎｍの量子ドット２０が形成される。
このようにしてＩｎＡｓ量子ドット２０を形成した後、ＴＭＩｎ、ＴＥＧａ、ＡｓＨ3、ＰＨ3を供給することによって、図３に示すように、引張歪みＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰyバリア層２２を成長させる。これにより、ＩｎＡｓ量子ドット２０及び引張歪みＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰyバリア層２２からなる量子ドット層２３が形成される。
【００４０】
ここで、ＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰyバリア層２２の組成は、引張歪み量だけでは決まらず、組成波長との組み合わせで決まる。例えば、光通信波長帯で発光するコラムナ量子ドット２４を形成する場合、ＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰyバリア層２２の組成は、例えば図５に示すように、組成波長（ここでは０．９μｍ，１．０μｍ，１．１μｍ，１．２μｍ）及び引張歪み量（ここでは３．２％，３．７％，４．２％）に応じて設定すれば良い。
【００４１】
一方、引張歪みＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰyバリア層２２の原料供給量（膜厚）は、量子ドット２０の原料供給量とバリア層２２の歪み量から決定することができる。
例えば、引張歪みＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰyバリア層２２の引張歪み量を３．７％とし、ＩｎＡｓ量子ドット２０の原料供給量を２ＭＬとする場合（この場合、圧縮歪み３．２％のＩｎＡｓ量子ドットが形成される）、引張歪みＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰyバリア層２２を２．４ＭＬ以上にして成長させることによって、上記式（１）より、量子ドット層２３の平均歪み量が０．５％以上の条件を満たすようにすることができる。
【００４２】
特に、高効率のレーザを製造する観点からは、発光強度比（ＴＥ／ＴＭ）が−３ｄＢ以下にするのが好ましいが、この場合、引張歪みＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰyバリア層２２の引張歪み量を３．７％とし、ＩｎＡｓ量子ドット２０の原料供給量を２ＭＬとする場合（この場合、圧縮歪み３．２％のＩｎＡｓ量子ドットが形成される）、バリア層２２の原料供給量を３．２ＭＬ以上にして成長させることによって、上記式（１）より、量子ドット層２３の平均歪み量が１．０％以上の条件を満たすようにすることができる。
【００４３】
その後、図３に示すように、ＩｎＡｓ量子ドット２０と引張歪みＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰyバリア層２２とからなる量子ドット層２３を繰り返して成長させることによって、複数のＩｎＡｓ量子ドット２０を積層してなるコラムナ量子ドット２４が形成される。
ここで、コラムナ量子ドット２４の高さは、量子ドット層２３の積層数（繰り返し回数）によって制御することができる。例えば、１つの量子ドット２０の横方向サイズが１３ｎｍで、高さが１ｎｍ（量子ドット層の膜厚が１ｎｍ）の場合、量子ドット層２３を８層以上（好ましくは１３層以上）、５０層以下の範囲内で積層させることによって、複合量子ドット２４のアスペクト比を０．６以上（好ましくは１．０以上）、３．８以下の条件を満たすようにすることができる。
【００４４】
このようにして、コラムナ量子ドット２４を含む活性層（量子ドット活性層）６を形成した後、図１に示すように、ＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰyバリア層（ＳＣＨ層）７を例えば１００ｎｍ成長させ、さらに、ｐ−ＩｎＰクラッド層８の一部を例えば１００ｎｍ成長させる。ここでは、ＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰyバリア層（ＳＣＨ層）７の組成を例えばｘ＝０．７８、ｙ＝０．５２とすることで、組成波長１．２μｍで無歪みのバリア層を形成している。
【００４５】
その後、ＳｉＯ2マスクを施し、例えばリソグラフィ及びエッチングなどの方法によって、メサ構造１５を形成する。
そして、メサ構造１５を埋め込むようにｐ−ＩｎＰ埋込層（ブロック層）９を成長させた後、さらに、ｎ−ＩｎＰ埋込層（ブロック層）１０を成長させる。
次に、ＳｉＯ2マスクを除去し、全面にｐ−ＩｎＰクラッド層８の一部を例えば２〜３μｍ成長させる。なお、ｐ−ＩｎＰクラッド層８のｐ型不純物濃度は例えば１×１０18ｃｍ-3である。
【００４６】
次いで、ｐ−ＩｎＰクラッド層８上に、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１１を成長させる。なお、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１１のｐ型不純物濃度は例えば１×１０19ｃｍ-3である。
その後、へき開によって光の出射する軸方向の端面が形成され、共振器構造（キャビティ）が形成される。なお、素子の両端面には反射防止膜を形成しても良い。このようにして量子ドット半導体レーザが製造される。
【００４７】
したがって、本実施形態にかかる量子ドット半導体レーザによれば、単一モード性に優れ、スペクトル線幅の狭い半導体レーザを実現できるという利点がある。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態にかかる量子ドット半導体レーザについて、図６を参照しながら説明する。
【００４８】
本実施形態にかかる量子ドット半導体レーザは、上述の第１実施形態のものが埋込型量子ドット半導体レーザであるのに対し、リッジ型量子ドット半導体レーザである点で異なる。
つまり、本量子ドット半導体レーザは、基底準位におけるＴＭモード利得がＴＥモード利得よりも大きい量子ドットを活性層（発光層）に用い、回折格子を備える量子ドット半導体レーザ（例えばＤＦＢレーザ）であり、例えば図６に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板（半導体基板）１上に、必要に応じてｎ型ＩｎＰバッファ層（図示せず）と、ｎ型ＩｎＰ下側クラッド層４と、ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure；分離閉じ込めヘテロ構造）層（下側バリア層；光閉じ込め層）５と、コラムナ量子ドットを用いた活性層（量子ドット活性層）６と、ＳＣＨ層（上側バリア層：光閉じ込め層）７と、ｐ型ＩｎＰ上側クラッド層８と、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３２と、ｐ側電極１２と、ｎ側電極１３とを備え、ｐ型ＩｎＰ上側クラッド層８、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３２及びｐ側電極１２を含むリッジ構造３０を有し、このリッジ構造３０の側面に回折格子３１が形成されたリッジ型量子ドット半導体レーザとして構成される。なお、図６では、上述の第１実施形態（図１参照）と同一のものには同一の符号を付している。
【００４９】
次に、本実施形態にかかる量子ドット半導体レーザ（コラムナ量子ドットを有する埋込型量子ドット半導体レーザ）の製造方法について、図６を参照しながら説明する。
まず、図６に示すように、ｎ型ＩｎＰ基板１上に、例えばＭＯＶＰＥ法によって、必要に応じてｎ型ＩｎＰバッファ層（図示せず）、ｎ型ＩｎＰクラッド層４、ＳＣＨ層（下側バリア層）５、コラムナ量子ドットを用いた活性層６、ＳＣＨ層（上側バリア層）７、ｐ型ＩｎＰクラッド層８、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３２を成長させる。
【００５０】
次に、図６に示すように、例えばリソグラフィ及びエッチングなどの方法によって、側面に回折格子３１を有するリッジ構造３０を形成する。
次いで、リッジ構造３０の上面に、即ち、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３２上にｐ側電極１２を形成し、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面にｎ側電極１３を形成する。
その後、へき開によって光の出射する軸方向の端面が形成され、共振器構造（キャビティ）が形成される。なお、素子の両端面には反射防止膜を形成しても良い。このようにして量子ドット半導体レーザが製造される。
【００５１】
なお、その他の構成及び動作は、上述の第１実施形態のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる量子ドット半導体レーザによれば、単一モード性に優れ、スペクトル線幅の狭い半導体レーザを実現できるという利点がある。
［その他］
なお、上述の各実施形態では、コラムナ量子ドットによって、基底準位におけるＴＭモード利得がＴＥモード利得よりも大きい量子ドットを実現しているが、これに限られるものではなく、基底準位におけるＴＭモード利得がＴＥモード利得よりも大きい量子ドットは、以下のように、例えばリソグラフィを用いて作製することもできる。
【００５２】
まず、図７（Ａ）に示すように、半導体基板４０上に、バッファ層４１、量子ドット材料層４２［所望の量子ドット高さに相当する膜厚（例えば２０ｎｍ）］、無歪みバリアキャップ層４３（例えば１０ｎｍ）、ＳｉＯ2膜４４（例えば１００ｎｍ）を順に成長させる。
次に、図７（Ｂ）に示すように、例えばリソグラフィ、ドライエッチングによって、ＳｉＯ2膜４４、無歪みバリアキャップ層４３、量子ドット材料層４２を除去して、箱型の量子ドット４２Ａを形成する。ここでは、量子ドット４２Ａに連なるように量子ドット材料層４２の一部が残るようにしている。つまり、量子ドット４２Ａに連なるように、量子ドット４２Ａと同一の材料・組成の半導体材料からなる半導体層４２Ｂが形成される。
【００５３】
その後、図７（Ｃ）に示すように、半導体層４２Ｂ上に、引張歪みバリア層４５を、各量子ドット４２Ａ間の隙間が埋まる程度まで成長させる。
そして、図７（Ｄ）に示すように、ＳｉＯ2膜４４を除去した後、無歪みのバリア層４６を全面に成長させ（これにより無歪みのバリアキャップ層４３は無歪みバリア層４６の一部となる）、最後に、量子ドット４２Ａの結晶性を回復させるために、例えば７５０℃程度の所定温度で例えば１分程度の所定時間だけアニールを行なう。
【００５４】
このようにして、例えばリソグラフィを用いて、半導体基板上に、基底準位におけるＴＭモード利得がＴＥモード利得よりも大きい量子ドット４２Ａ、及び、量子ドット４２Ａに連なるように形成され、量子ドット４２Ａと同一の材料・組成の半導体材料からなる半導体層４２Ｂを有する活性層４７を備える量子ドット半導体レーザを作製することもできる。
【００５５】
なお、半導体基板、量子ドット、バリアの具体的な構成については、上述の各実施形態と同様に設定すれば良い。また、ここでは、図示していないが、量子ドット半導体レーザは、上述の各実施形態と同様に、回折格子を備えるものとして構成される。
また、上述の各実施形態では、埋込型とリッジ型の代表的な量子ドット半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）を例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、本発明は、活性層が、基底準位におけるＴＭモード利得がＴＥモード利得よりも大きい量子ドットと、量子ドットに連なるように形成され、量子ドットと同一の材料・組成の半導体材料からなる半導体層とを有する量子ドット半導体レーザに広く適用することができ、例えば、活性層以外の構成及び製造方法は、他の構成及び製造方法であっても良い。
【００５６】
また、上述の各実施形態では、本発明をＤＦＢレーザに適用した場合を例に説明しているが、これに限られるものではなく、例えば、分布反射型（Distributed BraggReflector）レーザに本発明を適用することもできる。
また、上述の各実施形態では、ｎ型ＩｎＰ基板（第１の導電型の半導体基板）上に形成した半導体レーザを例に説明しているが、これに限られるものはない。例えばｐ型ＩｎＰ基板（第２の導電型の半導体基板）上に形成しても良いし、高抵抗ＩｎＰ基板（ＳＩ−ＩｎＰ基板）上に形成しても良い。
【００５７】
また、上述の各実施形態では、バリア層をＩｎＧａＡｓＰからなる半導体結晶により構成した場合に本発明を適用した例を説明しているが、これに限られるものではなく、例えば、ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＰ，ＧａＩｎＮＡｓ等の他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料（ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶）により構成した場合にも本発明を適用することができる。
【００５８】
また、上述の各実施形態では、量子ドットをＩｎＡｓ半導体結晶により構成した場合に本発明を適用した例を説明しているが、これに限られるものではなく、例えばＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｓＳｂ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＡｓＰ等の他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料（ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶）により構成した場合にも本発明を適用することができる。
【００５９】
また、上述の第１実施形態では、埋込層をｐ型ＩｎＰ層及びｎ型ＩｎＰ層としているが、これに限られるものではなく、例えば、Ｆｅ−ＩｎＰ層などの半絶縁性ＩｎＰ埋込層（高抵抗半導体層）としても良い［ＳＩ−ＰＢＨ（semi-insulating blocked planar buried heterostructure）構造又はＳＩ−ＢＨ（Semi-Insulating Buried Heterostructure）構造］。
【００６０】
また、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。
以下、上述の各実施形態に関し、更に、付記を開示する。
（付記１）
半導体基板と、
基底準位におけるＴＭモード利得がＴＥモード利得よりも大きい量子ドットと、前記量子ドットに連なるように形成され、前記量子ドットと同一の材料・組成の半導体材料からなる半導体層とを有する活性層と、
回折格子とを備えることを特徴とする量子ドット半導体レーザ。
【００６１】
（付記２）
前記活性層は、前記半導体基板の格子定数よりも大きな格子定数を有する半導体材料からなる量子ドットと、前記半導体層としてのウェッティング層と、前記半導体基板の格子定数よりも小さな格子定数を有する半導体材料からなるバリア層とを有する量子ドット層を、前記量子ドットが上下に接合されて基底準位におけるＴＭモード利得がＴＥモード利得よりも大きい複合量子ドットが形成されるように、複数積層させて構成されることを特徴とする、付記１記載の量子ドット半導体レーザ。
【００６２】
（付記３）
前記複合量子ドットのアスペクト比は、１以上３．８以下であることを特徴とする、付記２記載の量子ドット半導体レーザ。
（付記４）
前記量子ドット層の平均歪み量は、０．５％以上であることを特徴とする、付記２又は３記載の量子ドット半導体レーザ。
【００６３】
（付記５）
前記活性層及び前記回折格子を含むメサ構造と、
前記メサ構造を埋め込む埋込層とを備えることを特徴とする、付記１〜４のいずれか１項に記載の量子ドット半導体レーザ。
（付記６）
リッジ構造を備え、
前記リッジ構造の側面に前記回折格子が形成されていることを特徴とする、付記１〜４のいずれか１項に記載の量子ドット半導体レーザ。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる量子ドット半導体レーザ（埋込型量子ドット半導体レーザ）の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる量子ドット半導体レーザにおける量子ドット層の平均歪み量とコラムナ量子ドットのアスペクト比とを変化させた場合のＴＥ偏波とＴＭ偏波の発光強度比（ＴＥ／ＴＭ）の変化を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態にかかる量子ドット半導体レーザを構成するコラムナ量子ドット及びバリア層からなる活性層の構成を示す模式的断面図である。
【図４】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施形態にかかる量子ドット半導体レーザを構成する回折格子部分の構成及びその作製方法を示す模式的断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態にかかる量子ドット半導体レーザを構成する引っ張り歪みＩｎxＧａ1-xＡｓ1-yＰyバリア層の歪み量及び組成波長との関係における組成例を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態にかかる量子ドット半導体レーザ（リッジ型量子ドット半導体レーザ）の構成を示す模式図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の各実施形態の変形例にかかる量子ドット半導体レーザの構成及び製造方法を示す模式的断面図である。
【図８】従来の量子ドット半導体レーザに用いられているＳ−Ｋ量子ドット構造及び光の偏波方向の関係を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  ｎ型ＩｎＰ基板（半導体基板）
２  ｎ型ＩｎＰバッファ層
３  ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層
３Ａ  回折格子
３Ｘ  ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層
４  ｎ型ＩｎＰ下側クラッド層
４Ａ  ｎ型ＩｎＰキャップ層
５  ＳＣＨ層（下側バリア層）
６  活性層（量子ドット活性層）
７  ＳＣＨ層（上側バリア層）
８  ｐ型ＩｎＰ上側クラッド層
９  ｐ型ＩｎＰ埋込層（ブロック層）
１０  ｎ型ＩｎＰ埋込層（ブロック層）
１１  ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
１２  ｐ側電極
１３  ｎ側電極
１４  ＳｉＯ2膜（絶縁膜）
１５  メサ構造
２０  ＩｎＡｓ量子ドット
２１  ＩｎＡｓウェッティング層
２２  ＩｎＧａＡｓＰバリア層
２３  量子ドット層
２４  ＩｎＡｓ複合量子ドット（コラムナ量子ドット）
３０  リッジ構造
３１  回折格子
３２  ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
４０  半導体基板
４１  バッファ層
４２  量子ドット材料層
４２Ａ  量子ドット
４２Ｂ  半導体層
４３  無歪みバリアキャップ層
４４  ＳｉＯ2膜
４５  引張歪みバリア層
４６  無歪みバリア層
４７  活性層
【図１】
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【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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