(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の上に積層され、第１の導電型を有する第１のクラッド層と、
第１のクラッド層の上に積層され、伝導帯の電子及び価電子帯のホールを３次元的に閉じ込めて量子サイズ効果を発現する半導体結晶粒からなる量子ドットと、前記量子ドットを囲んで前記電子及び前記ホールを前記量子ドットに閉じ込める障壁層からなる活性層と、
前記活性層の上に積層された、第２の導電型を有する第２のクラッド層を具備し、
前記障壁層のうち前記量子ドットの側面方向に位置し、同一面内に配置された前記量子ドットの間を埋める第１の領域には、ｐ型の不純物がドーピングされ、
前記障壁層のうち前記量子ドットの上及び下の何れか一方又は双方に位置する第２の領域には、不純物がドーピングされていない半導体光素子において、
前記第１の領域を構成する第１の半導体のバンドギャップが、前記第２の領域を含み前記第１の領域を覆う第３の領域を構成する第２の半導体のバンドギャップより広いことを
特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体光素子において、
前記量子ドットが、
前記半導体基板に格子整合しない半導体が下地層全面に亘って成長した濡れ層の上に形成され、前記半導体からなる突起部と、
前記突起部の直下の前記濡れ層からなることを
特徴とする半導体光素子。
【請求項３】
半導体基板と、
前記半導体基板の上に積層され、第１の導電型を有する第１のクラッド層と、
第１のクラッド層の上に積層され、伝導帯の電子及び価電子帯のホールを３次元的に閉じ込めて量子サイズ効果を発現する半導体結晶粒からなる量子ドットと、前記量子ドットを囲んで前記電子及び前記ホールを前記量子ドットに閉じ込める障壁層からなる活性層と、
前記活性層の上に積層された、第２の導電型を有する第２のクラッド層を具備し、
前記量子ドットが、
前記半導体基板に格子整合しない第１の半導体が下地層全面に亘って成長した濡れ層の上に形成され、前記第１の半導体からなる突起部と、
前記突起部の直下の前記濡れ層からなり、
更に、前記量子ドットが、
前記量子ドットの上に形成された前記障壁層の格子定数が緩和される前に、前記量子ドットが再度成長することを少なくても１回以上繰り返して形成されてなるコラムナ量子ドットを構成し、
前記コラムナ量子ドットを構成する前記量子ドット夫々を囲む前記障壁層のうち前記量子ドットの側面方向に位置し、同一面内に配置された前記量子ドットの間を埋める第１の領域には、ｐ型の不純物がドーピングされ、
前記コラムナ量子ドットを構成する前記量子ドット夫々を囲む前記障壁層のうち上及び下の何れか一方又は双方に位置する第２の領域に、不純物がドーピングされていない半導体光素子において、
前記第１の領域を構成する第１の半導体のバンドギャップが、前記第２の領域を含み前記第１の領域を覆う第３の領域を構成する第２の半導体のバンドギャップより広いことを
特徴とする半導体光素子。
【請求項４】
請求項１乃至３に記載の半導体光素子において、
前記第１の半導体が、ＩｎＧａＡｌＡｓからなり、
前記不純物が炭素であることを
特徴とする半導体光素子。
【請求項５】
請求項１乃至４に記載の半導体光素子において、
前記半導体基板が、ＩｎＰからなり、
前記第１の半導体が、ＩｎＧａＡｌＡｓ又はＩｎＡｌＡｓからなり、
前記第２の半導体が、ＩｎＧａＡｓＰからなり、
前記量子ドットが、ＩｎＡｓからなることを
特徴とする半導体光素子。
【請求項６】
請求項１乃至５に記載の半導体光素子において、
前記半導体光素子が、半導体レーザ又は半導体光増幅器であることを
特徴とする半導体光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、活性層が量子ドットからなる半導体光素子に関し、特に、活性層が量子ドットによって構成され、高温動作及び高速動作が可能で、且つ高い量子効率を備えた半導体光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
数ｎｍから数十ｎｍの微小半導体結晶粒からなる量子ドットによって構成された活性層を備えた半導体光素子（特に、半導体発光素子）は、量子井戸からなる活性層を備えた半導体光素子を超える、優れた特性を備えている。
【０００３】
例えば、量子ドットからなる活性層を備えた量子井戸ドットレーザは、特性温度が高く、高温でも動作可能との理論的予測がなされている。
【０００４】
また、量子ドットからなる活性層を備えた量子ドット光増幅器では、利得飽和の応答速度が、数ピコ秒と従来の半導体光増幅器に比べ約１０００分の１になる。従って、量子ドット光増幅器を用いると、パターン効果が殆ど生じないので、数十Ｇｂｉｔで点滅する信号光を利得飽和によって波形整形することが可能になる（非特許文献１）。更に、量子ドット光増幅器は、従来の光増幅器に比べ利得帯域が何倍も広いという利点も備えている。
【０００５】
このような事実に基づき、量子井戸ドットからなる活性層を備えた半導体光素子（特に、半導体発光素子）の研究開発が活発に行われている。  
【非特許文献１】T.Akiyama et al., IEEE PHOTONICS LETTERS, Vol.17, p.1615, 2005.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題を説明するため、まず、本発明者の属するグループ（以下、本発明者等と呼ぶ）が、今までに研究開発した結果について説明する。その後に、本発明が解決しようとする課題について説明する。
（１）本発明者等の研究開発
（ｉ）ｐ型サイドバリアを有する量子ドット半導体光素子
上記「背景技術」で説明したような状況に鑑み、本発明者の属するグループ（以下、本発明者等と呼ぶ）は、量子井戸ドットからなる活性層を備えた半導体光素子（以下、量子ドット半導体光素子と呼ぶ）の研究開発を進めて来た。
【０００７】
量子井戸ドットレーザの高温動作は理論的に予測されていたにも拘わらず、実際には、量子ドットは、温度上昇に伴い利得が減少し、充分な増幅特性が得られなくなる。
【０００８】
このような状況に対して、本発明者等は、量子ドットを取り囲むバリア層（障壁層）にｐ型の不純物をドーピングすることによって、量子ドットレーザの高温での利得減少を低減させることに成功した。続いて、本発明者等は、量子ドット光増幅器においても、障壁層（バリア層）にｐ型の不純物をドーピングすることによって、高温動作が可能であることを確認した。
【０００９】
しかし、このようなバリア層へのｐ型不純物のドーピングによって、量子ドット半導体光素子には、動作速度が低下するという新たな問題が発生した。
【００１０】
本発明者等は、この問題を、量子井戸ドットの側面を覆う障壁層（以下、サイドバリア層と呼ぶ）のみにｐ型不純物をドーピングし、サイドバリアを除く障壁層には不純物をドーピングしないことによって解決した（特願２００７-９４１３８号）。
【００１１】
しかし、下記「（２）残された課題」で説明するとおり、なお量子ドット半導体光素子には、発光効率が悪いという課題が残されている。
【００１２】
本発明は、この課題を解決するためのものである。
【００１３】
（ｉｉ）動作速度の低下
次に、障壁層へｐ型不純物をドーピングすることによって、何故量子ドット半導体光素子の動作速度が低下するのか、その理由を説明する。
【００１４】
以下の説明は、量子ドット光増幅器を例として行う。
【００１５】
まず、障壁層にｐ型不純物がドーピングされていない、従来の量子ドット光増幅器について説明する。
【００１６】
図１２は、量子ドット光増幅器１００の斜視図である。図１２に示された量子ドット光増幅器１００は進行波型の光増幅器であり、光入射面及び光出射面が夫々正面及び背面になるよう描かれている。
【００１７】
量子ドット光増幅器１００は、例えばＩｎＰからなる半導体基板２と、半導体基板２の上に積層され、第１の導電型（例えば、ｎ型）を有する第１のクラッド層３を具備している。第１のクラッド層３は、例えばｎ型のＩｎＰからなる半導体によって構成される。尚、第１のクラッド層３と活性層６の間には、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層（Separate Confinement Heterostructure）を設けることが一般的である。
【００１８】
更に、量子ドット光増幅器１００は、第１のクラッド層３の上に積層された活性層６を具備している。ここで活性層６は、図１３のように、伝導帯の電子及び価電子帯のホールを３次元的に閉じ込めて量子サイズ効果を発現する半導体結晶粒からなる量子ドット４と、量子ドット４を囲んで電子及びホールを量子ドット４に閉じ込める障壁層５によって構成されている。尚、障壁層５は、スペーサ層とも呼ばれている。尚、図１３は、図１２で破線によって囲われた領域Ａを拡大した図である。
【００１９】
ここで、量子サイズ効果とは、物質の寸法を微細化して例えば数ｎｍ〜数十ｎｍにした場合に起きる、物理的特性がバルク状態とは異なったものに変化する現象のことである。
【００２０】
量子ドット４は、例えばＩｎＡｓからなる微小半導体結晶粒である。また、障壁層５は、例えばＩｎＧａＡｓＰからなる半導体層である。このような量子ドットを有機金属気相成長法によって成長した場合、ＩｎＡｓからなる量子ドット４は濡れ層（図１３には図示されてはいない）と呼ばれる薄いＩｎＡｓ層の上に形成される（但し、このような濡れ層は、量子ドットに必須のものではない。）。
【００２１】
また、量子ドット光増幅器１００は、活性層６の上に積層された、第２の導電型（例えば、ｐ型）を有する第２のクラッド層７を具備している。第２のクラッド層７は、例えばｐ型のＩｎＰからなる半導体層である。尚、第２のクラッド層７と活性層６の間にも、ノンドープのＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層（Separate Confinement Heterostructure）を設けることが一般的である。
【００２２】
尚、図１２に示した量子ドット光増幅器１００は、第２のクラッド層７を覆うように、第２のクラッド層７と同一導電型の例えばｐ型ＩｎＰからなる半導体層８を有している。図１２に示した量子ドット光増幅器１００では、この半導体層８と第２のクラッド層７が一体となって、活性層６を上側から覆う上部クラッド層を構成している。
【００２３】
また、図１２に示した量子ドット光増幅器１００は、光入射面及び光出射面に、夫々図示されていない反射防止膜を有している。
【００２４】
ところで、量子ドット光増幅器では、活性層６には不純物をドーピングしないことが一般的である。このように構成した量子ドット光増幅器１００では、応答時間（利得飽和が回復するために要する時間）が、数ｐｓ秒と従来の半導体光増幅器の１０００分に１になる。従って、量子ドット光増幅器ではパターン効果が殆ど生じず、数十Ｇｂｉｔで点滅する信号光を、利得飽和を利用して波形整形することが可能になる（非特許文献１）。しかし、このような量子ドット光増幅器１００は、量子ドットレーザと同様、高温動作が困難である。
【００２５】
これに対して、本発明者等は、上述したように、量子ドット４を囲む障壁層５にｐ型の不純物をドーピングすると、レーザと同様に量子ドット光増幅器の温度変化率が小さくなり、量子ドット光増幅器の高温動作が可能になることを見出した。
【００２６】
上述したように、障壁層５にｐ型の不純物をドーピングすると高温動作が可能になる。しかし、量子ドット半導体増幅器の応答速度は遅くなり、パターン効果が発現しやすくなる。
【００２７】
次に、障壁層にｐ型不純物をドーピングすることによって、量子ドット光増幅器の動作速度が低下する理由について説明する。
【００２８】
量子ドットを囲む障壁層５へｐ型不純物をドーピングする方法としては、一般的には２通りの方法が考えられる。
【００２９】
第１の方法は、図１４ように、量子ドット４に隣接する障壁層５全体に、一様にｐ型不純物をドーピングする方法である（図中、「-」が付された領域は、ｐ型の不純物がドーピングされた領域を表す。以下も同様である。）。第２の方法は、図１５のように、量子ドット４が形成された層の上下に、シート状にｐ型不純物をドーピングする方法（変調ドープ）である。第１及ぶ第２の何れの方法でドーピングしても、利得飽和の応答速度が遅くなるメカニズムは同じである。従って、以下、第２の方法で障壁層５にｐ型不純物をドーピングした場合について、利得飽和応答速度が遅くなる理由を説明する。
【００３０】
図１６は、変調ドープされた量子ドット４の近傍を拡大した図である。量子ドット４から数原子層離れたシート状の領域（変調ドープ領域１２）に、ｐ型不純物が集中的にドーピングされている。
【００３１】
図１７は、図１６に示した一点鎖線に沿って、荷電子帯の頂上及び伝導帯の底のエネルギーの位置変化を示したものである。横軸は、半導体基板２に垂直な方向に沿った位置座標である。縦軸は、電子のエネルギーである。
【００３２】
ｐ型不純物が変調ドープ層１２にドーピングされた障壁層５では、フェルミ準位が荷電子帯の頂上（ＥＶ）に付近に移動している。一方、不純物がドーピングされていない量子ドット４では、フェルミ準位は禁制帯の中央付近に止まっている。両方のフェルミ準位が一致しようとする結果、量子ドット４のポテンシャルは上昇する。このため図１７のように、障壁層５と量子ドット４の界面で、荷電子帯（ＥＶ）の頂上にノッチが形成される。
【００３３】
このノッチ１４によって、ホールが塞き止められ量子ドット４に注入される速度が抑制される。このため、量子ドット光増幅器の利得飽和応答速度が遅くなる。
（ｉｉｉ）動作速度の低下防止
本発明者等は、このような動作速度の低下を、図１８及び図１９のように、障壁層５のうち量子ドット４の側面方向に位置する領域（サイドバリア）９にｐ型の不純物をドーピングすることによって解決した。
【００３４】
ここで、図１８は、サイドバリア９にｐ型不純物をドーピングした量子ドット光増幅器を構成する半導体層の積層構造を説明する断面図である。また、図１９は、サイドバリアにｐ型不純物をドーピングした量子ドット光増幅器の活性層の一部とその近傍を拡大した断面図である。
【００３５】
サイドバリア９にｐ型不純物をドーピングすると、サイドバリア９と量子ドット４の界面にはノッチ１４が形成される。
【００３６】
しかし、量子ドット４の上及び下の何れか一方又は双方（以下、単に「上又は下」と呼ぶ）に位置する領域１０には、不純物がドーピングされなので、そのフェルミ準位は禁制帯の中央付近に止まったままである。このため、図２０のように、量子ドットの頂上及び底では、荷電子帯（ＥＶ）の頂上にノッチが形成されない。尚、「下」とは、例えば量子ドット４に対して基板側を意味する。「上」とは、その反対側を意味する。
【００３７】
ここで、図２０は、図１９のｚ軸に沿った、荷電子帯の頂上Ｅｖと伝導帯の底Ｅｃの位置変化を示した図である。また、図２０の横軸及び縦軸の意味は、図１７と同じである。
【００３８】
従って、ｐ型クラッド層７から活性層６に注入されたホールは、量子ドット４の頂上側の障壁層/量子ドット界面を通って容易に量子ドット４に流入できる。故に、量子ドット光増幅器の利得飽和応答速度が遅くなることはない。
（２）残された課題
しかし、このような量子ドット光増幅器においても、なお発光効率が低いという課題が残されている。原因は、２つ存在する。
【００３９】
その一つは、量子ドットへのキャリアの注入効率が低いことである。
【００４０】
図２１は、量子ドットへのキャリアの注入効率が低い理由を説明する概念図である。図２１は、サイドバリア層９にｐ型不純物がドーピングされた量子ドット構造を例として上記理由を説明する図である。
【００４１】
量子ドット４は、ｐ型不純物がドーピングされたサイドバリア層９によって側面が覆われている。一方、量子ドット４の上又は下に位置する領域１０を含み、サイドバリア層９を覆う障壁層１３には、不純物がドーピングされていない。
【００４２】
このような量子ドット４からなる活性層を挟むｎ型及びｐ型クラッド層の間に順方向電圧を印加すると、ｎ型クラッドから活性層に注入された電子１０２a及びｐ型クラッドから活性層に注入されたホール１０４aが、量子ドット４に注入される（図２１参照）。
【００４３】
しかし、量子ドット４は離散的に分布しているため、一部の電子１０２ｂ及びホール１０４ｂは、量子ドット４に注入されることなく、それぞれｐ型クラッド及びｎ型クラッド内に輸送される。また、一部の電子１０２ｃ及びホール１０４ｃは、量子ドット以外の領域で再結合する。このため、電流に寄与するキャリアの一部しか量子ドット４へ注入されない。
【００４４】
従って、量子ドットを半導体光増幅器に応用した場合、この量子ドットへの低いキャリア注入効率が、量子ドット光増幅器の発光効率を低くする。
【００４５】
更に、上記量子ドットからなる活性層には、サイドバリアから量子ドット内へのｐ型不純物の拡散によって発光効率が低下するという問題がある。
【００４６】
半導体素子構造の成長中は、基板温度が高温に保たれるため、サイドバリア中のｐ型不純物が量子ドット内に拡散する。量子ドット内に拡散したｐ型不純物は、量子ドットの結晶性を低下させ、且つ量子ドット中に再発光中心を形成する。その結果、量子ドットの発光効率は低下する。
【００４７】
このため、ｐ型ドープされたサイドバリアを備えた量子ドット光増幅器（又は、量子ドットレーザ）では、量子ドットの発光効率が低下する。
【００４８】
すなわち、ｐ型不純物がドーピングされたサイドバリア層によって側面が覆われた量子ドットを活性層とする半導体光素子（特に、半導体発光光素）には、量子ドットへの電流注入効率が低く、しかも量子ドット自体の発光効率が低いため、量子ドット半導体光素子としての効率が低いという問題がある。
【００４９】
そこで、本発明の第１の目的は、量子ドットへの電流の注入効率を上げて、量子ドットを活性層とする半導体光素子（特に、半導体発光光素）の発光効率を高くすることである。
【００５０】
発明の第２の目的は、量子ドットへのｐ型不純物の拡散を抑制して、量子ドットの発光効率の低下を防止し、量子ドットを活性層とする半導体光素子（特に、半導体発光光素）の発光効率を高くすることである。
【課題を解決するための手段】
【００５１】
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。なお、図面が異なっても対応する部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
（第１の側面）
上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面は、半導体基板と、前記半導体基板の上に積層され、第１の導電型を有する第１のクラッド層と、第１のクラッド層の上に積層され、伝導帯の電子及び価電子帯のホールを３次元的に閉じ込めて量子サイズ効果を発現する半導体結晶粒からなる量子ドットと、前記量子ドットを囲んで前記電子及び前記ホールを前記量子ドットに閉じ込める障壁層からなる活性層と、前記活性層の上に積層された、第２の導電型を有する第２のクラッド層を具備し、前記障壁層のうち前記量子ドットの側面方向に位置し、同一面内に配置された前記量子ドットの間を埋める第１の領域には、ｐ型の不純物がドーピングされ、前記障壁層のうち前記量子ドットの上及び下の何れか一方又は双方に位置する第２の領域には、不純物がドーピングされていない半導体光素子において、前記第１の領域を構成する第１の半導体のバンドギャップが、前記第２の領域を含み前記第１の領域を覆う第３の領域を構成する第２の半導体のバンドギャップより広いことを特徴とする。
【００５２】
第１の側面では、量子ドットの間を埋めるサイドバリア層にｐ型の不純物がドーピングされ、サイドバリア層を覆う障壁層には不純物がドーピングされないので、量子ドットからなる半導体光素子の高温動作及び高速動作が可能になる。
【００５３】
そして、第１の側面によれば、量子ドットの間を埋める第１の領域のバンドギャップが残りの障壁層のバンドギャップより広いので、量子ドット間を通過しようとするキャリアの流れ(電流)が阻止されて、量子ドットへのキャリアの注入効率が向上する。このため、第１の側面によれば、量子ドットからなる活性層を具備した半導体光素子の発光効率を高くすることができる。
【００５４】
（第２の側面）
上記の目的を達成するために、本発明の第２の側面は、第１の側面において、前記量子ドットが、前記半導体基板に格子整合しない半導体が下地層全面に亘って成長した濡れ層の上に形成され、前記半導体からなる突起部と、前記突起部の直下の前記濡れ層からなることを特徴とする。
【００５５】
（第３の側面）
上記の目的を達成するために、本発明の第３の側面は、半導体基板と、前記半導体基板の上に積層され、第１の導電型を有する第１のクラッド層と、第１のクラッド層の上に積層され、伝導帯の電子及び価電子帯のホールを３次元的に閉じ込めて量子サイズ効果を発現する半導体結晶粒からなる量子ドットと、前記量子ドットを囲んで前記電子及び前記ホールを前記量子ドットに閉じ込める障壁層からなる活性層と、前記活性層の上に積層された、第２の導電型を有する第２のクラッド層を具備し、前記量子ドットが、前記半導体基板に格子整合しない第１の半導体が下地層全面に亘って成長した濡れ層の上に形成され、前記第１の半導体からなる突起部と、前記突起部の直下の前記濡れ層からなり、更に、前記量子ドットが、前記量子ドットの上に形成された前記障壁層の格子定数が緩和される前に、前記量子ドットが再度成長することを少なくても１回以上繰り返して形成されてなるコラムナ量子ドットを構成し、  前記コラムナ量子ドットを構成する前記量子ドット夫々を囲む前記障壁層のうち前記量子ドットの側面方向に位置し、同一面内に配置された前記量子ドットの間を埋める第１の領域には、ｐ型の不純物がドーピングされ、前記コラムナ量子ドットを構成する前記量子ドット夫々を囲む前記障壁層のうち上及び下の何れか一方又は双方に位置する第２の領域に、不純物がドーピングされていない半導体光素子において、前記第１の領域を構成する第１の半導体のバンドギャップが、前記第２の領域を含み前記第１の領域を覆う第３の領域を構成する第２の半導体のバンドギャップより広いことを特徴とする。
【００５６】
第３の側面では、量子ドットの間を埋めるサイドバリア層にｐ型の不純物がドーピングされ、サイドバリア層を覆う障壁層には不純物がドーピングされていないので、量子ドットからなる半導体光素子の高温動作及び高速動作が可能になる。
【００５７】
そして、第３の側面によれば、量子ドットの間を埋める第１の領域のバンドギャップが残りの障壁層のバンドギャップより広いので、量子ドット間を通過しようとするキャリアの流れ(電流)が阻止されて、コラムナ量子ドットへのキャリア注入効率が向上する。このため、第３の側面によれば、半導体光素子の発光効率を高くすることができる。
（第４の側面）
上記の目的を達成するために、本発明の第４の側面は、第１乃至３の側面において、前記第１の半導体が、ＩｎＧａＡｌＡｓ又はＩｎＡｌＡｓからなり、前記不純物が炭素であることを特徴とする。
【００５８】
第４の側面によれば、量子ドットへのｐ型不純物の拡散を抑制して、量子ドットの発光効率の低下を防止することができるので、半導体光素子の発光効率を高くすることができる。
【００５９】
（第５の側面）
上記の目的を達成するために、本発明の第５の側面は、第１乃至４の側面において、前記半導体基板が、ＩｎＰからなり、前記第１の半導体が、ＩｎＧａＡｌＡｓ又はＩｎＡｌＡｓからなり、前記第２の半導体が、ＩｎＧａＡｓＰからなり、前記量子ドットが、ＩｎＡｓからなることを特徴とする。
（第６の側面）
上記の目的を達成するために、本発明の第６の側面は、第１乃至５の側面において、前記半導体光素子が、半導体レーザ又は半導体光増幅器であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００６０】
本発明では、量子ドットの間を埋めるサイドバリア層にｐ型の不純物がドーピングされ、サイドバリア層を覆う障壁層には不純物がドーピングされていないので、量子ドットからなる半導体光素子の高温動作及び高速動作が可能になる。
【００６１】
そして、本発明によれば、量子ドットの間を埋めるサイドバリア層のバンドギャップが残りの障壁層のバンドギャップより広いので、量子ドット間を通過しようとするキャリアの流れ(電流)が阻止されて、量子ドットへのキャリア注入効率が向上する。
【００６２】
このため、サイドバリア層にｐ型不純物がドーピングされ、高温動作及び高速動作が可能になった、量子ドットからなる活性層を有する半導体光素子（特に、半導体発光光素）において、発光効率を高くすることができる。
【００６３】
更に、本発明によれば、量子ドットへのｐ型不純物の拡散を抑制して、量子ドットの発光効率の低下を防止することができるので、上記半導体光素子（特に、半導体発光光素）の発光効率を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６４】
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。なお、異なる図面であっても対応する部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
（実施の形態１）
本実施の形態は、サイドバリア層のバンドギャップを残りの障壁層より広くすることによって、量子ドットへの電流の注入効率を上げて発光効率を高くした、量子ドットからなる活性層を具備した半導体光素子（特に、半導体発光光素）に係るものである。
（１）構  成
図１は、本実施の形態に係る半導体光素子の活性層を構成する量子ドット及びその近傍の構造を説明する断面図である。
【００６５】
本実施の形態に係る半導体光素子を構成する活性層では、量子ドット４を囲んで電子及びホールを量子ドット４に閉じ込める障壁層５のうち量子ドット４の側面方向に位置し、同一面内に配置された量子ドット４の間を埋める第１の領域（サイドバリア層８０）には、ｐ型の不純物がドーピングされ、障壁層５のうち量子ドット４の上及び下の何れか一方又は双方に（以下、上又は下と呼ぶ）位置する第２の領域１０には、不純物がドーピングされていない。
【００６６】
そして、本実施の形態に係る量子ドット４は、第１の領域（サイドバリア層８０）を構成する第１の半導体のバンドギャップが、第２の領域１０を含み上記第１の領域（サイドバリア）を覆う第３の領域（サイドバリア層を覆う障壁層１３）を構成する第２の半導体のバンドギャップより広いことを特徴とする。
【００６７】
このような構成により、バンドギャップの広い第１の半導体からなるサイドバリア８０が、上記活性層に注入された電流が量子ドット４の間を通過することを阻止するので、活性層に注入された電流が効率的に量子ドットに注入さえる。このため、量子ドット４への電流の注入効率が高くなり、上記量子井戸ドット４を備えた半導体光素子の発光効率が向上する。
【００６８】
（２）原  理
次に、図面を参照して、本実施の形態に於ける半導体光素子の発光効率が向上する理由を詳しく説明する。
【００６９】
図２は、本実施の形態の原理を説明する断面図である。図２には、ｐ型のサイドバリアがバンドギャップの広い半導体で構成された量子ドット構造において、活性層に注入されたキャリアの振る舞いが模式的に示されている。また、図３は、図１に示すｚ１軸に沿った量子ドットのバンド構造である。図４は、図１に示すｚ２軸に沿った量子ドットのバンド構造である。
【００７０】
図１に示すように、量子ドット４は、バンドギャップが広くｐ型にドーピングされたサイドバリア層８０によって側面が覆われている。一方、量子ドット４の上及び下の領域１０には、不純物がドーピングされていない。
【００７１】
このような量子ドット４、サイドバリア８０、及び量子ドット４の上又は下に位置する領域１０を含みサイドバリアを覆う障壁１３からなる量子ドット層４が単層又は複数積層されてなる量子ドット構造によって、半導体光素子の活性層が構成される。
【００７２】
このようにして構成された活性層は、ｎ型及びｐ型クラッド層の間に挟まれる。このｎ型及びｐ型クラッド層の間に順方向電圧を印加すると、図２のように、ｎ型クラッド（図示せず）内の電子１０６a及びｐ型クラッド（図示せず）内のホール１０８aが量子ドット４に注入される。
【００７３】
ここで、サイドバリア８０が形成されている領域には、図３に示すように、電子及びホールに対する障壁８６が形成されている。
【００７４】
一方、量子ドット４が形成されている領域には、図４に示すように、電子及びホールに対する極薄い障壁が形成されている。この薄い障壁は、量子ドット４の頂上及びその近傍を覆う極薄いサイドバリア層８０によって形成される。しかし、この障壁は極薄いので、ホール１０８ａ,１０８ｂは、この障壁を容易にトンネリングして量子ドット４に注入される。
【００７５】
今、ｎ型及びｐ型のクラッドから、電子１０６ａ,１０６ｂ及びホール１０８ａ,１０８ｂが活性層に注入されたとする。
【００７６】
活性層に注入された一部の電子１０６ａ及びホール１０８ａは、量子ドット４に直接注入される。
【００７７】
一方、他の電子１０６ｂ及びホール１０８ｂは、サイドバリア層８０が量子ドット４の間に形成するポテンシャル障壁８６（図３参照）によって、量子ドット４の間の通過が阻止される。その結果、ポテンシャルの低い量子ドット４内に注入される（図２参照）。
【００７８】
このため、量子ドット４の間を通過するキャリアの流れ（電流）がなくなるので、量子ドット４内へのキャリアの注入効率が高くなる。
【００７９】
従って、本実施の形態によれば、量子ドットへの電流の注入効率が上がり、量子ドットを活性層とする半導体光素子（特に、半導体発光光素）の発光効率が高くなる。
（実施の形態２）
本実施の形態は、量子ドットへのｐ型不純物の拡散を抑制して、量子ドットを活性層とする半導体光素子（特に、半導体発光光素）の発光効率を高くした半導体光素子に係るものである。
【００８０】
本実施の形態に係る半導体光素子は、実施の形態１に於ける半導体光素子において、サイドバリア８０を構成する第１の半導体がＩｎＧａＡｌＡｓ又はＩｎＡｌＡｓからなり、且つサイドバリア層にドーピングされるｐ型の不純物が炭素であることを特徴とする。
【００８１】
Ｚｎ等の他のｐ型不純物とは異なり、ＩｎＧａＡｌＡｓ又はＩｎＡｌＡｓ中の炭素原子Ｃは、半導体光素子を構成する半導体層の成長温度では殆ど拡散しない。
【００８２】
このため、本実施の形態によれば、量子ドットへのｐ型不純物の拡散を抑制して、量子ドットを活性層とする半導体光素子（特に、半導体発光光素）の発光効率を高くすることができる。
【００８３】
尚、ＩｎＰやＩｎＧａＡｓＰ中では、炭素原子はｎ型の不純物になる傾向がある。従って、サイドバリア層を、例えばバンドギャップの広いＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．１μｍ）で構成して炭素原子をドーピングしても、ｐ型のサイドバリア層は形成されない。
【００８４】
尚、λｇ（バンドギャップ波長）は、半導体の禁制帯幅（バンドギャップ）を波長に換算した値である。本明細書中では、バンドギャップの大きさは、このλｇに換算して表す。
（実施の形態３）
本実施の形態は、Ｓ−Ｋ（Stranski-Krastanov）モードによって成長した微小結晶粒からなる量子ドットによって活性層を構成した半導体光素子に係るものである。
【００８５】
図１及び図２に示した量子ドット４は、基板と格子定数の異なる半導体が臨界膜厚（数〜数十原子層程度）を超えて成長した結果得られる自己形成量子ドットである。すなわち、図１及び２に示された量子ドット４は、Ｓ−Ｋ（Stranski-Krastanov）モードによって成長した微小結晶粒である。Ｓ−Ｋ成長モードでは、まず臨界膜厚以下の薄い濡れ層１１が成長し、その上に突起部が成長する。図１及び図２に於いて量子ドット４を底辺で連結する薄い半導体層が、この濡れ層１１に相当する。
【００８６】
すなわち、本実施の形態に係る量子ドット４は、図１のように、半導体基板に格子整合しない半導体が下地層全面に亘って成長した濡れ層１１の上に形成され、当該半導体からなる突起部と、この直下の濡れ層からなる。
【００８７】
但し、量子ドットの形成方法は、Ｓ−Ｋモードによる微小結晶粒の成長に限られるものではない。例えば、電子線リソグラフィー技術とイオンビームエッチング技術によって量子井戸をドット状に加工してもよい。または、ＶＷ（Ｖｏｌｍｅｒ−Ｗｅｋｅｒ）モードによって微小結晶粒を成長してもよい。このような場合には濡れ層は存在せず、障壁層の上に直接量子ドットが形成される。
【実施例１】
【００８８】
本実施例は、量子ドットへの電流の注入効率を上げ、且つサイドバリアから量子ドットへのｐ型不純物の拡散を抑制して、発光効率を高くした量子ドット光増幅器に係るものである。
（１）構  成
（ｉ）全  体
図５は、本実施例に係る量子ドット光増幅器１を、光入射面（又は、光出射面）に平行な面で切断して見た断面図である。本実施例に於ける量子ドット光増幅器１は進行波型の光増幅器であり、光入射面及び光出射面には、夫々図示されていない反射防止膜が設けられている。
【００８９】
量子ドット光増幅器１は、ｎ型のＩｎＰからなる半導体基板２と、半導体基板２の上に積層され、ｎ型のＩｎＰからなる第１のクラッド層３を具備している。ここで、第１のクラッド層３と半導体基板２は一体となって、下部クラッド層を構成する。
【００９０】
また、量子ドット光増幅器１は、第１のクラッド層３の上に積層された活性層６を具備している。ここで、ｎ型のクラッド層３と活性層６の間には、図示されていない、半導体基板２に格子整合したｎ型のＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．１μｍ）からなるＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）層が介在する。
【００９１】
また、量子ドット光増幅器１は、上述した活性層６に積層されたｐ型のＩｎＰからなる第２のクラッド層７を備えている。ここで、ｐ型ＩｎＰからなる第２のクラッド層７と活性層６の間には、図示されていないｐ型のＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．１μｍ）からなるＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）層が介在する。
【００９２】
また、量子ドット光増幅器１は、このｐ型ＩｎＰからなる第２のクラッド層７を覆うように、ｐ型ＩｎＰからなる半導体層８を備えている。
【００９３】
この半導体層８と第２のクラッド層７は一体となって、活性層７を上側から覆う上部クラッド層として機能する。
【００９４】
また、量子ドット光増幅器１は、半導体層８の中に、ｐ型の半導体層８とは逆の導電型を有する例えばｎ型ＩｎＰからなる電流阻止層１６を備えている。この電流阻止層１６と半導体層８は、ｐｎ埋め込み層を構成する。
【００９５】
更に、半導体層８の上には、図示しない例えばｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなるコンタクト層が設けられている。このコンタクト層には、表面側電極１７が設けられている。そして、表面側電極の上には、メッキによって厚いＡｕメッキ電極２０が形成されている。また、半導体基板２の裏面には、裏面側電極１８が設けられている。
【００９６】
Ａｕメッキ電極２０は、パッシベーション膜２２によって、表面側電極で覆われた部分を除き半導体層８から絶縁されている。また、半導体層８には半導体層８から第１のクラッド層３に流れる電流（漏れ電流）を抑制するための溝２４が設けられている。
（ｉｉ）活性層
図６は、図５で破線によって囲われた領域Ｂすなわち活性層６の周辺を拡大した図である。
【００９７】
上記活性層６は、図６のように、伝導帯の電子及び価電子帯のホールを３次元的に閉じ込めて量子サイズ効果を発現する半導体結晶粒からなる量子ドット４と、量子ドット４を囲んで電子及びホールを量子ドット４に閉じ込める障壁層５によって構成されている。
【００９８】
図７は、活性層を構成する量子ドット４とその近傍を拡大した断面図である。
【００９９】
量子ドット４は、例えばＳ−Ｋモードによって自己形成したＩｎＡｓからなる微小半導体結晶粒である。すなわち、量子ドット４は、図７のように、ｎ型ＩｎＰ基板からなる半導体基板２（図示せず）に格子整合しないＩｎＡｓからなる半導体が、例えば障壁層５からなる下地層の全面に亘って成長した濡れ層１１の上に成長した上記半導体（ＩｎＡｓ）からなる突起部７０によって構成される。また、この突起部７０の直下の濡れ層７２も、量子ドット４の一部を構成する。  
【０１００】
更に、障壁層５のうち、量子ドット４の側面方向に位置し、同一面内に配置された量子ドット４の間を埋める第１の領域（サイドバリア８０）には、炭素原子からなるｐ型の不純物がドーピングされている。また、障壁層５のうち、量子ドット４の上又は下に位置する第２の領域１０には、不純物がドーピングされていない。
【０１０１】
このように構成すると、量子ドット４の頂上及び底には、価電子帯（ＥＶ）の頂上にノッチが形成されない。このため、量子ドットへのホールの流入が容易になるので、障壁層にｐ型不純物をドーピングしても量子ドット光増幅器の（利得飽和の）応答速度が遅くなることはない。
【０１０２】
そして、本実施例は、サイドバリア層を構成するＩｎ０．２４Ｇａ０．５６Ａｌ０．２０Ａｓ（λｇ＝１．１μｍ；引張歪２％）からなる第１の半導体のバンドギャップが、Ｉｎ０．５４Ｇａ０．４６Ａｓ０．６０Ｐ０．４０（λｇ＝１．１μｍ；引張歪２％）からなり上記第２の領域１０を含み上記第１の領域を覆う第３の領域（サイドバリア層を覆う障壁層１３）を構成する第２の半導体より広いことを特徴とする。尚、特に断らない限り、基板上に成長した半導体層は、基板に格子整合しているものとする。
【０１０３】
従って、図２のように、活性層６に注入された電子１０６ａ,１０６ｂ及びホール１０８a,１０８bは、サイドバリア層８０によって形成されたポテンシャル障壁８６(図３参照)により障壁層８０内には注入されず、ポテンシャルの低い量子ドット４内に注入される。このため、量子ドット４内へのキャリアの注入効率が高くなる。
【０１０４】
従って、本実施例の量子ドット光増幅器１では、量子ドットへの電流の注入効率が上がり発光効率が高くなる。
【０１０５】
更に、サイドバリア層８０が、ＩｎＧａＡｌＡｓによって構成され、且つｐ型の不純物としては炭素原子がドーピングされているので、量子ドット光増幅器を構成する半導体層の成長中にｐ型不純物（炭素原子）が量子ドット４に拡散することはない。このため、サイドバリア層からのｐ型不純物の拡散によって、量子ドット４の発光効率が低下することはなく、量子ドット４を活性層６とする光増幅器（量子ドット光増幅器）の発光効率が高い状態に保持される。
【０１０６】
次に、本実施の形態に於ける活性層６の構成をより詳細に説明する。
【０１０７】
まず、ＩｎＡｓからなる量子ドット４の底面の横幅は、約２０〜４５ｎｍである。また、量子ドット４の高さは、濡れ層１１の厚さも含めると約５ｎｍである。また、量子ドット４の面密度は、５×１０１０ｃｍ−２である。
【０１０８】
一方、サイドバリア８０（Ｉｎ０．２４Ｇａ０．５６Ａｌ０．２０Ａｓ）の厚さは、量子ドット４の中間で約１．５ｎｍである。サイドバリア層８０の上には、Ｉｎ０．５４Ｇａ０．４６Ａｓ０．６０Ｐ０．４０（λｇ＝１．１μｍ；引張歪２％）からなる障壁層１３が形成される。
【０１０９】
そして、障壁５の全体の厚さ（一の濡れ層１１と次の濡れ層１１までの距離）は、約４０ｎｍである（図７参照）。
【０１１０】
ところで、サイドバリア層８０（Ｉｎ０．２４Ｇａ０．５６Ａｌ０．２０Ａｓ）及びサイドバリア層８０を覆う障壁層１３（Ｉｎ０．５４Ｇａ０．４６Ａｓ０．６０Ｐ０．４０（λｇ＝１．１μｍ；引張歪２％））は、ＩｎＰ基板２から、夫々２％の引張歪を受けている。  一方、ＩｎＡｓからなる量子ドット４は圧縮歪みを受けている。このような障壁層及び量子ドットからなる量子ドット光増幅器では、光増幅に対する偏波依存性がなくなる。
【０１１１】
但し、必ずしも、障壁層５が格子歪を受けるようにする必要はなく、サイドバリア層８０及びサイドバリア層を覆う障壁層１３を夫々無歪みの半導体層によって構成してもよい。
【実施例２】
【０１１２】
本実施例は、量子ドットが成長方向に積層されたコラムナ量子ドットによって活性層が構成された量子ドット光増幅器に係るものである。
（１）コラムナ量子ドット
図８は、通常の量子ドットの積層関係を説明する断面図である。一方、図９は、コラムナ量子ドットにおける量子ドットの積層関係を説明する断面図である。
【０１１３】
量子ドットからなる活性層を形成する場合、通常、量子ドットの上に成長した障壁層の格子不整合が緩和してから、次の量子ドット層が積層される。これは、偏波間利得差を小さくすることが目的である。量子ドットによって格子が引っ張られ又は圧縮された障壁層の格子定数が、緩和される。さらに、量子ドットが存在しない場合と同じ状態になってから、次の量子ドットを成長する。この場合、後に成長した量子ドット５０は、図８のように、先に成長した量子ドット５２とは関係のない位置に成長する。
【０１１４】
しかし、障壁層５の格子定数が本来の格子状態に戻る前（すなわち、量子ドットが存在しない場合と同じ状態）に、後の量子ドット層５０を成長すると、図９のように先に成長した量子ドット５２の上に選択的に後の量子ドット５０が成長する。その結果、量子ドットが柱状に積層されたコラムナ量子ドット５４が形成される。
【０１１５】
尚、図８及び図９以外の図面は、量子ドットの積層関係に特に注意を払わずに描かれている。
【０１１６】
コラムナ量子ドット５４内では、先に成長した量子ドット５２とその上に成長した量子ドット５０が接近しているので、トンネル効果により、各量子ドットに閉じ込められた電子及びホールは、コラムナ量子ドット５４全体に広がって分布している。
【０１１７】
従って、電子及びホールは、コラムナ量子ドット５４内に３次元的に閉じ込められている。このため、コラムナ量子ドットによって活性層を構成した量子ドット光増幅器１でも、通常の量子ドット光増幅器と同様に、（利得飽和の）応答速度は速くなる（即ち、数十ＧＨｚで動作しても、パターン効果が発現しない。）。
【０１１８】
また、コラムナ量子ドット５４を構成する各量子ドットの障壁層にｐ型不純物をドーピングすれば、量子ドット光増幅器の高温動作が可能になる。但し、単に障壁層にｐ型不純物をドーピングしただけでは、（利得飽和の）応答速度が遅くなってしまう。
（２）構  成
（ｉ）全  体
図５は、本実施例に係る量子ドット光増幅器１を、光入射面（又は、光出射面）に平行な面で切断して見た断面図である。
【０１１９】
本実施例に係る量子ドット光増幅器１全体の構成は、基本的には実施例１の量子ドット光増幅器と同じである。但し、活性層１の構成が、実施例１の光増幅器とは異なる。
【０１２０】
（ｉｉ）活性層
図１０は、本実施例に於ける量子ドット光増幅器の活性層の一部とその近傍を拡大した断面図である。図１１は、更に、図１０に示された量子ドット４とその近傍を拡大した断面図である。
【０１２１】
活性層６は、図１０及び図１１のように、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．１μｍ）からなるＳＣＨ層８２を介してｎ型ＩｎＰからなるクラッド層３の上に積層され、伝導帯の電子及び価電子帯のホールを３次元的に閉じ込めて量子サイズ効果を発現するＩｎＡｓからなる半導体結晶粒によって構成される量子ドット４と、この量子ドット４を囲んで電子及びホールを量子ドット４に閉じ込める障壁層５によって構成される。
【０１２２】
更に、本実施例の量子ドット光増幅器は、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．１μｍ）からなるＳＣＨ層８４を介して活性層６の上に積層された、ｐ型のＩｎＰからなるクラッド層７を具備している（図１０参照）。
【０１２３】
ここで、クラッド層３を構成するｎ型のＩｎＰ、クラッド層７を構成するｐ型のＩｎＰ、並びにノンドープのＳＣＨ層８２,８４を構成するＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．１μｍ）は、半導体基板２に格子整合している。
【０１２４】
そして、量子ドット４は、図１１のように、ｎ型のＩｎＰからなる半導体基板２に格子整合しない半導体（ＩｎＡｓ）が下地層（例えば、コラムナ量子ドットを隔てる障壁層５８、コラムナ量子ドット内の障壁層５）全面に亘って成長した濡れ層１１の上に成長した上記半導体（ＩｎＡｓ）からなる突起部７０と、この突起部の直下の濡れ層７２によって構成されている。
【０１２５】
ここで、量子ドット４は、量子ドット４の上に形成された障壁層５の格子定数が緩和される前に、量子ドット４が再度成長することを少なくても１回以上繰り返して形成されてなるコラムナ量子ドット５４を構成する。
【０１２６】
そして、コラムナ量子ドット５４を構成する量子ドット４夫々を囲む障壁層５のうち量子ドットの側面方向に位置し、同一面内に配置された量子ドット４の間を埋める第１の領域５６には、炭素からなるｐ型の不純物がドーピングされている。
【０１２７】
コラムナ量子ドット５４を囲む障壁層５のうち量子ドット４の上又は下に位置する第２の領域６４には、不純物がドーピングされていない（図１１参照）。
【０１２８】
このように構成すると、コラムナ量子ドット５４を構成する各量子ドット４の頂上及び底には、価電子帯（ＥＶ）の頂上にノッチが形成されない。このため、コラムナ量子ドットへのホールの流入が容易になるので、障壁層５にｐ型不純物をドーピングしても量子ドット光増幅器の（利得飽和の）応答速度が遅くなることはない。
【０１２９】
そして、本実施の形態に係る量子ドット４は、第１の領域（サイドバリア）５６を構成する第１の半導体（Ｉｎ０．２４Ｇａ０．５６Ａｌ０．２０Ａｓ）のバンドギャップ（λｇ＝１．０μｍ）が、第２の領域６４を含み上記第１の領域（サイドバリア層５６）を覆う第３の領域（サイドバリア層を覆う障壁層１３）を構成する第２の半導体（Ｉｎ０．５４Ｇａ０．４６Ａｓ０．６０Ｐ０．４０；引張歪２％）のバンドギャップ（λｇ＝１．１μｍ））のバンドギャップより広いことを特徴とする。
【０１３０】
従って、活性層６に注入された電子及びホールは、サイドバリア５６によって形成されたポテンシャル障壁により障壁層５６内には注入されず、ポテンシャルの低い量子ドット４内に注入される。このため、量子ドット４からなるコラムナ量子ドット５４へのキャリアの注入効率を高くなる。
【０１３１】
このため、本実施例の量子ドット光増幅器１では、コラムナ量子ドット５４への電流の注入効率が上がり発光効率が高くなる。
【０１３２】
更に、本実施例では、サイドバリア層５６が、ＩｎＧａＡｌＡｓによって構成され、且つｐ型の不純物として炭素原子がドーピングされている。このため、量子ドット光増幅器を構成する半導体層の成長中にｐ型不純物（炭素原子）が、コラムナ量子ドット５４を構成する量子ドット４に拡散することはない。このため、サイドバリアからのｐ型不純物の拡散によって、コラムナ量子ドット５４を構成する量子ドット４の発光効率が低下することはない。従って、コラムナ量子ドット５４を活性層６とする光増幅器（量子ドット光増幅器）の発光効率は高い状態に保持される。
【０１３３】
次に、本実施例に於ける活性層６の構成を、より詳細に説明する。
【０１３４】
本実施例と実施例１では、量子ドット４を上下に隔てる障壁層の膜厚（一の濡れ層１１と次の濡れ層１１までの距離）が、実施例１では約４０ｎｍであるのに対して本実施例では約５.１〜７.０ｎｍである点で相違する。すなわち、実施例１（図７参照）では量子ドット４の上下間隔６２が例えば数十原子層であるのに対して、本実施例では、コラムナ量子ドット５４を構成する夫々の量子ドット４の上下間隔６０が例えば１〜２原子層と極めて接近している（図１１参照）点で相違している。
【０１３５】
そして、本実施例では、図１０のように、このような構成のコラムナ量子ドット５４が、３層積層されて活性層６を構成している。また、各コラムナ量子ドット５４の間には、厚さ４０ｎｍのノンドープＩｎ０．５４Ｇａ０．４６Ａｓ０．６０Ｐ０．４０（λｇ＝１．１μｍ；引張歪２％）からなる障壁層５８が配置されている。
【０１３６】
以上の点を除き、本実施例の量子ドット光増幅器の構成は、実施例１の量子ドット光増幅器と略同じである。
【実施例３】
【０１３７】
本実施例は、実施例２に示した量子ドット光増幅器の製造方法の一例である。
【０１３８】
図１０は、本実施例において製造する量子ドット光増幅器を構成する半導体層の断面図を表している。
【０１３９】
まず、図１０のように、ｎ型ＩｎＰ（１００）面からなる基板２の上に、ｎ型ＩｎＰ層からなるクラッド層３（バッファ層）と、ＩｎＰ基板２に格子整合した厚さ１００ｎｍのノンドープＩｎ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ０．３３Ｐ０．６７（λｇ＝１．１μｍ）からなるＳＣＨ層８２と、活性層６と、ＩｎＰ基板２に格子整合した厚さ１００ｎｍのノンドープＩｎ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ０．３３Ｐ０．６７層（λｇ＝１．１μｍ）からなるＳＣＨ層８４と、厚さ０．２μｍのｐ型ＩｎＰからなるクラッド層７を成長する。
【０１４０】
これらの半導体層の成長は、有機金属気相成長法によって行う。原料ガスは、特に断らない限り、（ＣＨ３）３Ｉｎ、（ＣＨ３）３Ｇａ、ＰＨ３、及びＡｓＨ３である。
【０１４１】
また、ｎ型不純物のドーピングガスとしては、Ｈ２Ｓｅを用いる。一方、ｐ型不純物のドーピングガスとしては、特に断らない限り、ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いる。
【０１４２】
基板温度は６００℃である。クラッド層３（バッファ層）の成長速度は、例えば１μｍ/時間である。一方、ＳＣＨ層８２,８４の成長速度は、０．３μｍ/時間である。
【０１４３】
活性層６の成長は、ノンドープＩｎ０．５４Ｇａ０．４６Ａｓ０．６０Ｐ０．４０（λｇ＝１．１μｍ；引張歪２％）からなる（コラムナ量子ドット５４を隔てる）障壁層５８を、成長速度０．１μｍ/時間で約４０ｎｍ成長することから始まる。尚、ノンドープとは、不純物が意図的にはドーピングされていないことを意味する。
【０１４４】
次に、（ＣＨ３）３Ｉｎ及びＡｓＨ３を原料ガスとして、成長速度０．１μｍ/時間でノンドープＩｎＡｓを、平均膜厚（平坦な基板上に成長した場合の膜厚）に換算して約２原子層成長する。
【０１４５】
ＩｎＡｓは、ＩｎＰ基板２より格子定数が大きいので圧縮応力を受ける。このため、ＩｎＡｓはＳ−Ｋモードで成長し、最初に、下地層全面に亘って濡れ層１１が約０．５〜１.０原子層成長する（図１１参照）。次に、濡れ層１１の膜厚が臨界膜厚を超えると高さ約５ｎｍで幅約２０〜４５ｎｍのＩｎＡｓからなる突起部７０が多数形成される（面密度５×１０１０ｃｍ-２）。
【０１４６】
次に、（ＣＨ３）３Ａｌ、（ＣＨ３）３Ｇａ、（ＣＨ３）３Ｉｎ、及びＡｓＨ３を原料ガスとし、またＣＢｒ４をドーピングガスとして、成長速度０．１μｍ/時間で、炭素（Ｃ）がドーピングされたＡｌ０．２７Ｇａ０．４９Ｉｎ０．２４Ａｓ（λｇ＝１．０μｍ；引張歪２％）からなるサイドバリア層５６を成長する。Ｃ濃度は、面密度換算で約２×１０１２ｃｍ−２である。
【０１４７】
ここで、Ａｌ０．２７Ｇａ０．４９Ｉｎ０．２４Ａｓの平均膜厚は、０．５ｎｍとなる。一方、量子ドット４の間のＡｌ０．２７Ｇａ０．４９Ｉｎ０．２４Ａｓ膜の平均膜厚は、約１．５ｎｍとなる。
【０１４８】
サイドバリア層５６は、図１１のように、格子不整合の大きな量子ドット４の頂上部分には殆ど成長しない。従って、サイドバリア層５６にＣをドーピングしても、量子ドット４の頂上を覆う部分には不純物は殆どドーピングされない。
【０１４９】
次に、ノンドープＩｎ０．５４Ｇａ０．４６Ａｓ０．６０Ｐ０．４０（λｇ＝１．１μｍ；引張歪２％）からなる障壁層１３（サイドバリア層を覆う障壁層）を、成長速度０．１μｍ/時間で成長する。
【０１５０】
ここで、同一条件でＩｎ０．５４Ｇａ０．４６Ａｓ０．６０Ｐ０．４０膜を平坦な基板上へ成長した場合の膜厚すなわち平均膜厚は、１．０ｎｍである。この場合、量子ドット４の間におけるＩｎ０．５４Ｇａ０．４６Ａｓ０．６０Ｐ０．４０膜の厚さは、約３．０ｎｍになる。
【０１５１】
次に、上述した、ノンドープＩｎＡｓ、Ａｌ０．２７Ｇａ０．４９Ｉｎ０．２４Ａｓサイドバリア、及びノンドープＩｎ０．５４Ｇａ０．４６Ａｓ０．６０Ｐ０．４０障壁層の成長を２回繰り返して、合計３層の量子ドット層からなるコラムナ量子ドット５４を一層形成する（図１０参照）。
【０１５２】
次に、このようにして形成したコラムナ量子ドット５４の上に、膜厚４０ｎｍのノンドープＩｎ０．５４Ｇａ０．４６Ａｓ０．６０Ｐ０．４０（λｇ＝１．１μｍ；引張歪２％）からなる障壁層５８を形成する。
【０１５３】
更に、コラムナ量子ドット５４及び膜厚４０ｎｍのノンドープＩｎ０．５４Ｇａ０．４６Ａｓ０．６０Ｐ０．４０（λｇ＝１．１μｍ；引張歪２％）からなる障壁層５８の成長を２回繰り返して、活性層６を形成する（図１０参照）。
【０１５４】
次に、ＩｎＰ基板２に格子整合した厚さ１００ｎｍのＩｎ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ０．３３Ｐ０．６７（λｇ＝１．１μｍ）からなるＳＣＨ層８４と、厚さ０．２μｍのｐ型ＩｎＰからなるクラッド層７を形成する。
【０１５５】
以上のようにして形成した半導体層に対して、良く知られた工程によって、ＰＮ埋め込み構造を形成して量子ドット光増幅器とする。
【０１５６】
まず、上記半導体層に、フォトリソグラフィー法と反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）を用いて、ｎ型ＩｎＰからなるバッファ層３に達するリッジを形成する（図５参照）。
【０１５７】
ここで、リッジの延びる方向は、量子ドット光増幅器１の光入射面及び光出射面に斜めに交わるように形成される。これは、光入射面及び光出射面に於ける光の反射率を下げるためである。
【０１５８】
次に、ｐ型ＩｎＰクラッド層８、ｎ型ＩｎＰ電流阻止層１６からなるＰＮ埋め込み層を成長して、上記リッジを埋め込む（図５参照）。更に、図示しないｐ型ＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．１ｍ）からなるコンタクト層を成長する。
【０１５９】
次に、パッシベーション膜２２、表面電極１７、Ａｕメッキ２０、及び裏面電極１８を形成する。
【０１６０】
以上のようにして形成した構造を個々のチップに分割し、光入射面及び光出射面に反射防止膜を形成して、量子ドット光増幅器を完成する。
【０１６１】
尚、以上の例では、まずコラムナ量子ドットの障壁層５８を成長してから、最初の量子ドット４を成長している（図１０参照）。しかし、障壁層５８を成長することなく、直接ＳＣＨ層８２の上に第１層目のコラムナ量子ドット層を成長してもよい。  
【実施例４】
【０１６２】
分子線エピタキシー成長法（ＭＢＥ成長法）を用いても、実施例１及び２に係る量子ドット光増幅器を形成することができる。以下、その方法を簡単に説明する。
【０１６３】
本実施例では、分子線源として固体ソース及びガスソースを用いる。
【０１６４】
固体ソースは４種類あり、夫々がＩｎ，Ｇａ，Ａｌ，Ａｓ，及びＳｉの何れかからなる分子線を供給する。Ｉｎ分子線、Ｇａ分子線、及びＡｌ分子線は、成長すべき半導体結晶の構成元素の供給源として使用される。また、Ｓｉ分子線は、ｎ型不純物の供給源として使用される。
【０１６５】
一方、ガスソースは、２種類用いる。第１のガスソースは、ＰＨ３を原料とするＰ分子線を供給する。第２のガスソースは、ＣＢｒ４を原料とするＣ分子線を供給する。
【０１６６】
このような分子線源を用いて、量子ドット光増幅器を構成する半導体積層構造を形成する。
【０１６７】
まず、ｎ型ＩｎＰ基板上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層と、ｎ型ＩｎＰ基板に格子整合したノンドープＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．１μｍ）ＳＣＨ層を成長する。
【０１６８】
次に、極薄いＩｎＡｓ濡れ層と、高さ約３ｎｍのＩｎＡｓ突起（ドット）、炭素がドーピングされたＡｌ０．２７Ｇａ０．４９Ｉｎ０．２４Ａｓサイドバリア層、及びノンドープＩｎ０．５４Ｇａ０．４６Ａｓ０．６０Ｐ０．４０からなる障壁層を繰り返し成長して、活性層を形成する。
【０１６９】
ここで、サイドバリア層を構成するＡｌ０．２７Ｇａ０．４９Ｉｎ０．２４Ａｓは、平坦な基板上に成長し場合に膜厚が０．５ｎｍになるように成長する。一方、サイドバリアを覆う障壁層を構成するＩｎ０．５４Ｇａ０．４６Ａｓ０．６０Ｐ０．４０は、平坦な基板上に成長し場合に膜厚が１．５ｎｍになるように成長する。
【０１７０】
また、活性層を成長する成長温度は、４５０℃（パイロメータで測定）である。
【０１７１】
次に、ｎ型ＩｎＰ基板に格子整合したノンドープＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．１μｍ）ＳＣＨ層と、ｐ型ＩｎＰクラッド層を成長する。
【０１７２】
その後、以上のようにして形成した半導体層に対して、実施例３と同様の工程によって、ＰＮ埋め込み構造を形成して量子ドット光増幅器とする。
【０１７３】
以上説明した実施例以外にも、本発明は種々の変形が可能である。例えば、実施例１乃至３で説明した量子ドットは、半導体基板（ＩｎＰ）より格子定数の大きい半導体材料（ＩｎＡｓ）によって構成されている。従って、実施例１乃至３の量子ドットには圧縮歪が発生している。しかし、本発明を構成する量子ドットは、圧縮歪を伴う量子ドットに限られるものではなく、例えばＩｎＰ基板上のＩｎ０.１Ｇａ０．９Ａｓからなる量子ドットのように、基板より格子定数の小さい半導体からなり引っ張り歪を伴う量子ドットであってもよい。この場合の障壁層は、例えば組成の異なる２層のＩｎＡｌＧａＡｓによって構成することができる（バンドギャップが広くなる組成のＩｎＡｌＧａＡｓが、サイドバリアとなる。）。
【０１７４】
また、基板はＩｎＰに限られるものではなく、ＧａＡｓであってもよい。即ち、ＧａＡｓ基板上に、ＩｎＡｓ量子ドットからなる活性層を形成してもよい。
【０１７５】
実施例１及び３では、量子ドット（又は、コラムナ量子ドット）は３層に亘って形成されている。しかし、量子ドット（又は、コラムナ量子ドット）が形成される層は一層であってもよいし、或いは２層または４層以上であってもよい。
【０１７６】
以上、本発明を量子ドット光増幅器に適用した場合について説明した。しかし、活性層を量子ドット（コラムナ量子ドットを含む）で構成する他の半導体光素子にも、本発明は適用することができる。例えば、上述した実施例１又は２の量子ドット光増幅器において、反射防止膜を無くし、更にリッジが光入射面（又は、光出射面）に垂直に交わるようにして、半導体レーザを構成してもよい。更に、活性層の上に回折格子を形成した光導波路を形成して、分布帰還型半導体光素子としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１７７】
本発明は、半導体光素子の製造業、特に、半導体レーザ又は光増幅器の製造業において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１７８】
【図１】実施の形態１に係る半導体光素子を構成する量子ドット及びその近傍の構造を説明する断面図である。
【図２】実施の形態１の原理を説明する図である。
【図３】実施の形態１に係る量子ドットのｚ１軸に沿ったバンド構造を説明する図である。
【図４】実施の形態１に係る量子ドットのｚ２軸に沿ったバンド構造を説明する図である。
【図５】実施例１及び実施例２に係る量子ドット光増幅器を、光入射面（又は、光出射面）に平行な面で切断して見た断面図である。
【図６】実施例１に於ける量子ドット光増幅器の活性層の一部とその近傍を拡大した断面図である。
【図７】実施例１に於ける量子ドット光増幅器の活性層を構成する量子ドットとその近傍を拡大した断面図である。
【図８】通常の量子ドットの積層関係を説明する断面図である。
【図９】コラムナ量子ドットにおける量子ドットの積層構造を説明する断面図である。
【図１０】実施例２に於ける量子ドット光増幅器の活性層の一部とその近傍を拡大した断面図である。
【図１１】実施例２に於ける量子ドット光増幅器の活性層を構成する量子ドットとその近傍を拡大した断面図である。
【図１２】従来の量子ドット光増幅器の斜視図である。
【図１３】図１２に示された領域Ａを拡大した図である。
【図１４】障壁層に一様にｐ型不純物をドーピングした、量子ドット光増幅器を構成する半導体層の積層構造を説明する断面図である。
【図１５】障壁層にｐ型不純物を変調ドープした、量子ドット光増幅器の断面図である。
【図１６】障壁層にｐ型不純物を変調ドーピングした量子ドットの構成を説明する断面図である。
【図１７】障壁層にｐ型不純物を変調ドーピングした量子ドット及びその近傍における、荷電子帯の頂上と伝導帯の底のエネルギーの位置変化を示した図である。
【図１８】サイドバリアにｐ型不純物をドーピングした量子ドット光増幅器を構成する半導体層の構成を説明する断面図である。
【図１９】サイドバリアにｐ型不純物をドーピングした量子ドット光増幅器の量子ドットの一部とその近傍を拡大した断面図である。
【図２０】サイドバリアにｐ型不純物をドーピングした量子ドット及びその近傍に於ける、荷電子帯の頂上と伝導帯の底のエネルギーの位置変化を示した図である。
【図２１】量子ドットへのキャリアの注入効率が低い理由を説明する概念図である。
【符号の説明】
【０１７９】
１・・・量子ドット光増幅器      ２・・・半導体基板
３,７・・・ クラッド層      ４ ・・・量子ドット
５・・・障壁層      ６・・・活性層
８・・・ＩｎＰからなる半導体層      ９・・・サイドバリア層（関連技術）
１０・・・量子ドットの上及び下に位置する第２の領域
１１・・・濡れ層      １２・・・変調ドープ領域
１３・・・サイドバリア層を覆う障壁層      
１４・・・荷電子帯（ＥＶ）のノッチ
１６・・・電流阻止層      １７・・・表面電極
１８・・・ 裏面側電極      ２０・・・Ａｕメッキ電極
２２・・・パッシベーション膜      ２４・・・溝
２６・・・ｎ型ＩｎＰ基板      ３２・・・リッジ
３３・・・光入射面      ３４・・・ｐ型ＩｎＰクラッド層
３５・・・光出射面      ３６・・・ｎ型ＩｎＰ電流阻止層
３８・・・ ＰＮ埋め込み層      ５２・・・先に成長した量子ドット
５４ ・・・コラムナ量子ドット
５６ ・・・サイドバリア層（第１の領域）
５８ ・・・コラムナ量子ドットを隔てる障壁層
６０ ・・・コラムナ量子ドットを構成する量子ドットの上下間隔
６２ ・・・量子ドットの上下間隔      ６４・・・第２の領域
７０ ・・・突起部      ７２ ・・・突起部の直下の濡れ層
８０・・・サイドバリア（本発明）      ８２・・・ｎ型のＳＣＨ層
８４・・・ｐ型のＳＣＨ層      ８６・・・ポテンシャル障壁
１００ 量子ドット光増幅器（関連技術）
１０２ａ・・・量子ドットに注入される電子      
１０２ｂ・・・ｐ型クラッドに輸送される電子
１０２ｃ・・・量子ドット以外の領域で再結合する電子
１０４ａ・・・量子ドットに注入されるホール      
１０４ｂ・・・ｎ型クラッドに輸送されるホール
１０４ｃ・・・量子ドット以外の領域で再結合するホール
１０６ａ・・・量子ドットに直接注入される電子（実施の形態１）
１０８ａ・・・量子ドットに直接注入されるホール（実施の形態１）
１０６ｂ・・・サイドバリアに進路を阻まれ量子ドットに導かれる電子（実施の形態１）
１０８ｂ・・・サイドバリアに進路を阻まれ量子ドットに導かれるホール（実施の形態１）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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