(57)【要約】      （修正有）【課題】従来にはないナローな発光をする量子ドットを用いて、安定したレーザ発振を可能としたレーザ発振素子を提供する。【解決手段】レーザ発振素子において、その活性層は、２×１０１０／ｃｍ２〜１×１０１１／ｃｍ２の密度でＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上に量子ドットが形成されている。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に活性層を形成してなるレーザ発振素子であって、前記活性層は、２×１０１０／ｃｍ２〜１×１０１１／ｃｍ２の密度、５Ｋにおける発光の半値幅５０ｍｅＶ以下でＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上に量子ドットが形成してなることを特徴とするレーザ発振素子。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ発振素子の製造方法であって、前記量子ドットは、液滴エキタピシー法により所定の密度で形成したことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に活性層を形成してなるレーザ発振素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ発振素子の活性層を構成する量子ドットのサイズ揺らぎと発光の半値幅についての関係は、量子ドットはそのサイズが変化すると、量子閉じ込めエネルギーが変化するため発光する波長（エネルギー）が変化する。そのため、サイズの揺らぎが大きい量子ドット群の発光特性は、幅広い波長（エネルギー）にわたって広がり、その半値幅は広い物となる。量子ドットの半導体レーザ等の応用のためには、なるべくサイズ揺らぎの少ない量子ドットを高密度に作製することが望まれている。
非特許文献１で示されているように従来のＧａＡｓ（１００）基板を用いたものでは、液滴の密度は最大でも３×１０１０／ｃｍ２であった。この特許文献１及び非特許文献１に示されているように、ＧａＡｓ（１００）基板を用いたものでは、液滴を結晶化する際の砒素分子線強度を低下させると、結晶化後のナノ構造の形状が変化し量子ドットの形成は不可能となる。
これに対し非特許文献１では、量子ドットを作製するために高強度の砒素分子線を液滴に照射して結晶化しているため、量子ドットのサイズの均一性が悪く、半値幅の狭い発光を得ることは不可能であった。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−０６００８８
【非特許文献１】Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  ３９、Ｌ７９−Ｌ８１、２０００年、２月、Ｋ．  Ｗａｔａｎａｂｅ、Ｎ．Ｋｏｇｕｃｈｉ、  Ｙ．  Ｇｏｔｏｈ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、このような実情に鑑み、従来にはないナローな発光をする量子ドットを用いて、安定したレーザ発振を可能としたレーザ発振素子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】
【０００５】
発明１のレーザ発振素子は、その活性層は、２×１０１０／ｃｍ２〜１×１０１１／ｃｍ２の密度、及び５Ｋにおける発光の半値幅５０ｍｅＶ以下でＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上に量子ドットが形成してなることを特徴とする。
発明2は、発明1のレーザ発振素子の製造方法であって、前記量子ドットは、液滴エキタピシー法により所定の密度で形成することを特徴とする。  
【発明の効果】
【０００６】
発明2により、ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上に、３×１０９／ｃｍ２〜１×１０１１／ｃｍ２の範囲で量子ドットの密度を制御する事に成功した。
また、発明1により、同基板を用いる事により、量子ドットの均一性に関しても、成長条件により広い範囲で制御可能となった。このような量子ドットをもつ半導体の半値幅は２３ｍｅＶ〜１００ｍｅＶ超を実現した。
この結果、極めて安定してナローな波長でのレーザ発振が可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図10に示す形態は、光励起による発振を試みたものである。基板上部から、緑色の光を導入すると、活性層上下のクラッド層及び活性層で電子正孔対が形成される。それらは、エネルギーの一番低いGaAs量子ドットへと注入され、それらが再結合する事により量子ドットが発光する。発光した光は、クラッド層と活性層の屈折率の差により、活性層中に閉じ込められて、成長方向と垂直な方向に作製された共振器中に閉じ込められてレーザ発振する。本実施例では、共振器は劈開した端面により形成した。
図10に示す形態の製造手順は以下の通りである。
GaAs(311)A基板上に、400nmの厚さをもつGaAsバッファー層を成長させて表面を平坦化させたのち、1300nmのAlGaAsクラッド層（高Al組成）を成長させた。その後、活性層となる、AlGaAs層（低Al組成）を220nm成長させ、その中に液滴エピタキシー法（図１）により作製したGaAs量子ドットを２層埋め込んだ。続いて、1300nmの上部のAlGaAsクラッド層（高Al組成）を成長させ、最後に表面を保護するため20nmのGaAsを成長させた。
【０００８】
液滴エピタキシー法は、上記非特許文献１に記載されているように、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ等の格子不整合な系に於いても適用できる。そのため、本手法が、実施例２のＧａＡｓ量子ドットをＧａＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ量子ドットに置き換えたもの、また、実施例２のＧａＡｓ（３１１）Ａ基板をＩｎＰ（３１１）Ａ基板に置き換えされに、ＧａＡｓ量子ドットをＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ量子ドットに置き換えた場合に於いても、同様の構造の作製が可能である事容易に類推できる。
これらが実現されることにより、可視域から近赤外域まで幅広い範囲のレーザ発振の実現が期待される。
【実施例】
【０００９】
液滴エピタキシー法は、化合物半導体の量子ドットを作製する手法で、図１を参照して、ガリウム砒素量子ドットの作製を例として説明すると、基板上にガリウムのみを供給してガリウムの液体金属微粒子を作製し、続いて砒素を供給してその液滴をガリウム砒素に結晶化する事により、量子ドットを作製する。
図２に示すように、従来のＧａＡｓ（１００）基板上では、２００℃から３５０℃の範囲では、液滴の密度は基板温度と式１（ＧａＡｓ（１００）基板上の液滴密度のフィッティング曲線の式）の関係にあり、密度は最大でも２×１０１０／ｃｍ２程度であった。
【式１】
【００１０】
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【００１１】
これに対して、ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板を用いることにより、上記の温度範囲の全域で密度が増加し、最大で１×１０１１／ｃｍ２という、高密度の液滴が形成可能となった。なお、図１の説明で述べたように、この液滴は結晶化する事により、一つの液滴が一つの量子ドットとなることから、この密度はそのまま形成される量子ドットの密度と考えることができる。
【００１２】
図３は、液滴を量子ドットへ結晶化する際の砒素分子線強度を変化させた際の結晶化後の構造の形状の顕微鏡像であるが、ＧａＡｓ（１００）基板上では、分子線強度の減少に伴い、形状が変化してしまうため、量子ドットの形成には２×１０−４Ｔｏｒｒの砒素分子線照射が必要である。それに対して、ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上では、砒素分子線強度を減少させても形状は保たれており、弱い砒素分子線照射に於いても量子ドット形成が可能である。
ＧａＡｓ（１００）基板上での、ドット構造は（００１２段）に示すように発光の半値幅が広いためレーザ発振を実現することは困難である。一方で、量子ドットとは異なる構造（1e-5及び2e-6 Torr）からはレーザ発振を実現したが、これらの構造の電子状態はドットとは異なり固有状態間のエネルギー差が小さいため、量子ドットレーザに於いて期待される優れた温度特性を実現する事は困難である。
【００１３】
ＧａＡｓ量子ドットをＡｌＧａＡｓ層によりサンドイッチした構造を例にして、図４にその発光特性を示す。
図５には、同様な構造のＧａＡｓ（１００）基板上の量子ドットの例を示すが、前述と同様に非常に高強度の砒素分子線照射を用いることが必須であるため、サイズ揺らぎが大きな量子ドットが形成され、観察される発光の半値幅は１００ｍｅＶ以上と非常に大きな値である。
そのため、この量子ドット構造では、レーザ発振に寄与できる実質的な量子ドットの数が少なくなり、レーザ発振を実現することは困難である。また、発振を実現したとても予測されているような優れた特性（閾値電流特性、変調特性）を実現する事は期待できない。実際に我々がＧａＡｓ（１００）基板上の量子ドットを用いて試作した素子（図１０）では、レーザ発振は実現できなかった。
図６−８は本実施例において、ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上でも、砒素分子線強度を変えても量子ドットの形成が可能で、弱い強度の砒素を照射した際に均一性の高い量子ドットが形成されることを示している。それにより、半値幅５０ｍｅＶ以下の発光が観察される。
ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上に高均一な量子ドットを図６、図７の様に高密度に形成することにより、レーザ発振に寄与できる量子ドットの数が増加し、レーザ発振を実現することができる。それにより、量子ドットレーザに於いて期待される優れた特性を発現することも期待される。実際に図６の量子ドットを用いてレーザ素子の試作を行い、図１０に示す構造を作製したところ、図１１に示すように室温に於いてレーザ発振を実現した。尚、図８に示す量子ドットは均一性に於いては優れているが、ドット密度が低いため（意図的に低くしている）、レーザ発振の実現は困難である。
【００１４】
なお、ＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上でも、高強度の砒素分子線による結晶化を行うと、（１００）基板上と同様にサイズ揺らぎの大きな量子ドットが形成され、１００ｍｅＶを超える半値幅の発光が観察される。（図９参照）
図９のようにＧａＡｓ（３１１）Ａ基板上に於いても、低密度でサイズ不均一性の大きな量子ドットを作製すると、レーザ発振に寄与する量子ドットの数が著しく少なくなるため発振を実現することは困難となる。
レーザ発振を実現するために必要な量子ドットの密度とサイズ不均一性の関係は、レーザ素子中の導波路光損失、ミラー反射率などに強く依存するため数値化する事は困難であったが、過去の報告例及び我々の実験結果から経験的に、レーザ発振を実現するためには、半値幅５０ｍｅＶ程度以下、密度２×１０１０／ｃｍ２程度以上が必要であることが明らかとなっている。この値は、文献１（応用物理第７４巻、第３号、２９５ｐ、２００５年）に記載されているレーザ応用のための理想的な量子ドットの条件（半値幅１０〜１５ｍｅＶ、密度〜１０１１／ｃｍ２）に比較的近い値となっている。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
液滴エピタキシー法は、基板と量子ドット材料の格子定数が等しい材料系に適用できる量子ドットの自己形成手法であるが、これまでＧａＡｓ（１００）基板を用いた液滴エピタキシー法により作成した量子ドットは、最大でも密度が２〜３×１０１０／ｃｍ２で、さらに、大きなサイズ揺らぎに起因する発光の半値幅の広いため、しきい値電流、変調特性等に於いて優れた特性が予測されている量子ドットレーザを実現する事は困難であった。しかしこの技術により、高密度かつ高均一な量子ドットが実現されることにより、従来の技術では実現不可能であったＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓなどの格子整合な系において自己形成量子ドットを用いた量子ドットレーザ素子を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】液滴エピタキシー法の模式図
【図２】ＧａＡｓ（１００）及び（３１１）Ａ基板上のガリウム液滴密度の比較を示すグラフ。
【図３】（１００）及び（３１１）Ａ基板上の液滴を異なる強度の砒素照射により結晶化した後のＧａＡｓナノ構造の形状を示す顕微鏡写真。
【図４】発光特性を測定するために作製した構造の模式図
【図５】（１００）基板上に形成した量子ドットの発光特性と顕微鏡像（砒素強度２×１０−４ｔｏｒｒ）
【図６】（３１１）Ａ基板上に形成した量子ドットの発光特性と顕微鏡像（砒素強度２×１０−６ｔｏｒｒ）
【図７】（３１１）Ａ基板上に形成した量子ドットの発光特性と顕微鏡像（砒素強度１×１０−５ｔｏｒｒ）
【図８】（３１１）Ａ基板上に形成した量子ドットの発光特性と顕微鏡像（砒素強度２×１０−６ｔｏｒｒ）
【図９】（３１１）Ａ基板上に形成した量子ドットの発光特性と顕微鏡像（砒素強度２×１０−４ｔｏｒｒ）
【図１０】結晶成長により作製した量子ドットレーザ素子の構造を示す模式図
【図１１】室温に於けるレーザ発振特性を示すグラフ。この際図６の量子ドットを用いている。
【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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