特開 2022-166543 光半導体素子および半導体レーザ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022166543

(43)【公開日】2022-11-02

(54)【発明の名称】光半導体素子および半導体レーザ装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/50 20060101AFI20221026BHJP

   H01S 5/323 20060101ALI20221026BHJP

   B82Y 20/00 20110101ALI20221026BHJP

【ＦＩ】

H01S5/50 610

H01S5/323 ZNM

B82Y20/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021071809

(22)【出願日】2021-04-21

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】506423051

【氏名又は名称】株式会社ＱＤレーザ

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】樽見 浩幸

(72)【発明者】

【氏名】鎌田 裕樹

(72)【発明者】

【氏名】武政 敬三

(72)【発明者】

【氏名】西 研一

(72)【発明者】

【氏名】大西 裕

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AA08

5F173AB33

5F173AB44

5F173AF08

5F173AF18

5F173AF38

5F173AH02

5F173AJ04

5F173AJ05

5F173AR04

5F173AR06

5F173AR75

5F173MA10

(57)【要約】

【課題】温度変化による出力変動を低減することができる光半導体素子および半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】複数の量子ドット層２４２、２４３を有する活性層２４を備え、複数の量子ドット層２４２、２４３のうち少なくとも一部の量子ドット層には、ｐ型不純物が添加されており、複数の量子ドット層のうち少なくとも２つの量子ドット層は、互いに発光波長およびｐ型不純物の濃度が異なる。ｐ型不純物濃度が互いに異なる２つの量子ドット層を用いることで、活性層の利得に、ｐ型不純物濃度の高い量子ドット層の特性と、ｐ型不純物濃度の低い量子ドット層の特性が含まれるようになる。したがって、温度変化による出力の変動を低減することができる。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光半導体素子であって、
複数の量子ドット層を有する活性層を備え、
前記複数の量子ドット層のうち少なくとも一部の量子ドット層には、ｐ型不純物が添加されており、
前記複数の量子ドット層のうち少なくとも２つの量子ドット層は、互いに発光波長および前記ｐ型不純物の濃度が異なる光半導体素子。

【請求項2】

前記２つの量子ドット層のうちの一方は、他方よりも、前記ｐ型不純物の濃度が高く、かつ、発光波長が短い請求項１に記載の光半導体素子。

【請求項3】

前記複数の量子ドット層のうち前記ｐ型不純物の濃度が最も高い量子ドット層は、前記複数の量子ドット層に含まれる他の量子ドット層よりも発光波長が短い請求項１または２に記載の光半導体素子。

【請求項4】

前記複数の量子ドット層のうち前記ｐ型不純物の濃度が最も低い量子ドット層は、前記複数の量子ドット層に含まれる他の量子ドット層よりも発光波長が長い請求項１ないし３のいずれか１つに記載の光半導体素子。

【請求項5】

前記複数の量子ドット層は、前記ｐ型不純物の濃度が高い量子ドット層ほど発光波長が短い請求項１ないし４のいずれか１つに記載の光半導体素子。

【請求項6】

前記複数の量子ドット層の発光波長のうち隣り合う２つの発光波長の間隔は、環境温度の変化幅に、該２つの発光波長に対応する量子ドット層の温度係数を乗じて得られる距離以下である請求項１ないし５のいずれか１つに記載の光半導体素子。

【請求項7】

前記複数の量子ドット層の発光波長のうち隣り合う２つの発光波長の間隔は、該２つの発光波長に対応する量子ドット層の利得スペクトルの半値幅以下である請求項１ないし６のいずれか１つに記載の光半導体素子。

【請求項8】

前記複数の量子ドット層には、互いに同じ濃度で前記ｐ型不純物が添加された２つ以上の量子ドット層が含まれており、
前記複数の量子ドット層の並びにおいて、該２つ以上の量子ドット層は、ひとかたまりとなって配置されている請求項１ないし７のいずれか１つに記載の光半導体素子。

【請求項9】

前記複数の量子ドット層には、互いに同じ濃度で前記ｐ型不純物が添加された２つ以上の量子ドット層が含まれており、
前記複数の量子ドット層の並びにおいて、該２つ以上の量子ドット層は、２つ以上のかたまりに分割されて配置されている請求項１ないし７のいずれか１つに記載の光半導体素子。

【請求項10】

前記複数の量子ドット層のうち前記ｐ型不純物の濃度が最も高い量子ドット層は、前記ｐ型不純物の濃度が量子ドットの面密度の２倍以上とされている請求項１ないし９のいずれか１つに記載の光半導体素子。

【請求項11】

前記複数の量子ドット層のうち前記ｐ型不純物の濃度が最も低い量子ドット層は、前記ｐ型不純物の濃度が量子ドットの面密度の２倍未満とされている請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の光半導体素子。

【請求項12】

前記ｐ型不純物は、ベリリウム、炭素、マグネシウムのいずれかで構成されている請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の光半導体素子。

【請求項13】

請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の光半導体素子と、
前記活性層の動作波長λｏｐを選択する波長選択部（３）と、を備える半導体レーザ装置。

【請求項14】

前記複数の量子ドット層の発光波長のうち、最も短い発光波長をλｐとし、最も長い発光波長をλｕとして、
前記動作波長λｏｐは、室温における前記発光波長λｐと前記発光波長λｕとの間の波長とされる請求項１３に記載の半導体レーザ装置。

【請求項15】

前記複数の量子ドット層の発光波長のうち、最も短い発光波長をλｐとし、最も長い発光波長をλｕとして、
前記動作波長λｏｐは、環境温度の中央の温度における前記発光波長λｐと前記発光波長λｕとの間の波長とされる請求項１３に記載の半導体レーザ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、量子ドット層を備える光半導体素子および半導体レーザ装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

ＳＯＡ（半導体光増幅器）等の光半導体素子を用いた半導体レーザ装置において、量子ドット層による電子の３次元的な閉じ込めと、活性層近傍へのｐ型不純物のドープによって、高温時の出力低下を抑制し、広い温度範囲で高出力を得る方法が提案されている。

【0003】

量子ドット層を用いた光半導体素子は、量子井戸を用いたものに比べて高温時の出力が低下しにくいが、波長帯域が狭い。これについては、発光波長の異なる複数の量子ドット層を組み合わせることで、広帯域で大きな出力を得る技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００８－２４４２３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、ｐ型不純物が添加された量子ドット層は、低温時に利得が低下する。そのため、特許文献１のようにｐ型不純物が添加された量子ドット層のみを用いると、低温時に出力が不足するおそれがある。

【0006】

一方、ｐ型不純物が添加されていない量子ドット層を用いることもできる。このような量子ドット層は、低温時の利得低下はｐ型不純物が添加された量子ドット層よりも小さいが、高温時の利得低下はｐ型不純物が添加された量子ドット層よりも大きい。そのため、ｐ型不純物が添加されていない量子ドット層のみを用いると、高温時に出力が不足するおそれがある。

【0007】

本発明は上記点に鑑みて、温度変化による出力変動を低減することができる光半導体素子および半導体レーザ装置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】

【0008】

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、光半導体素子であって、複数の量子ドット層を有する活性層を備え、複数の量子ドット層のうち少なくとも一部の量子ドット層には、ｐ型不純物が添加されており、複数の量子ドット層のうち少なくとも２つの量子ドット層は、互いに発光波長およびｐ型不純物の濃度が異なる。

【0009】

ｐ型不純物濃度が互いに異なる２つの量子ドット層を用いることで、活性層の利得に、ｐ型不純物濃度の高い量子ドット層の特性と、ｐ型不純物濃度の低い量子ドット層の特性が含まれるようになる。したがって、温度変化による出力の変動を低減することができる。

【0010】

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態にかかる半導体レーザ装置の構成を示す図である。

【図2】図１に示すＳＯＡの断面図である。

【図3】図２に示す活性層の断面図である。

【図4】ｐ型不純物の拡散について説明するための図である。

【図5】活性層の利得スペクトルである。

【図6】ｐ型不純物濃度と出力との関係を示す図である。

【図7】ｐ型不純物濃度が低い量子ドット層の利得スペクトルである。

【図8】ｐ型不純物濃度が高い量子ドット層の利得スペクトルである。

【図9】２つの量子ドット層の利得スペクトルと動作波長との関係を示す図である。

【図10】比較例における高温時の利得スペクトルである。

【図11】比較例における低温時の利得スペクトルである。

【図12】第１実施形態における高温時の利得スペクトルである。

【図13】第１実施形態における低温時の利得スペクトルである。

【図14】第１実施形態における低電流域の利得スペクトルである。

【図15】第２実施形態における活性層の断面図である。

【図16】第３実施形態における活性層の断面図である。

【図17】第３実施形態における活性層の利得スペクトルである。

【図18】第３実施形態における高温時の利得スペクトルである。

【図19】第３実施形態における低温時の利得スペクトルである。

【図20】第４実施形態における活性層の断面図である。

【図21】第４実施形態における活性層の利得スペクトルである。

【図22】第４実施形態における高温時の利得スペクトルである。

【図23】第４実施形態における低温時の利得スペクトルである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

【0013】

（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の半導体レーザ装置１は、光半導体素子であるＳＯＡ２と、波長選択部３とを備えている。半導体レーザ装置１は、例えばレーザレーダやＬｉＤＡＲなどに適用される。ＬｉＤＡＲはLight Detection And Rangingの略である。ＳＯＡ２と波長選択部３は、例えば図示しない半導体基板に半導体プロセスを施すことで形成される。

【0014】

ＳＯＡ２は、レーザ光を発生させる光源である。図２に示すように、ＳＯＡ２は、下部電極２１と、基板２２と、アンダークラッド層２３と、活性層２４と、オーバークラッド層２５と、コンタクト層２６と、上部電極２７の積層構造によって構成されている。なお、図１では、ＳＯＡ２のうちアンダークラッド層２３、活性層２４、オーバークラッド層２５のみを図示している。

【0015】

図２に示すように、下部電極２１は、基板２２の裏面側、つまりアンダークラッド層２３と反対側に接触させられている。基板２２は、例えばＧａＡｓ基板などで構成されている。アンダークラッド層２３は、ｎ型のＡｌＧａＡｓなどで構成されている。活性層２４は、アンダークラッド層２３の上面に形成されている。活性層２４の詳細については、後述する。

【0016】

オーバークラッド層２５は、活性層２４の上面に形成されており、ｐ型のＡｌＧａＡｓなどで構成されている。コンタクト層２６は、上部電極２７とのコンタクトを取るためのものであり、オーバークラッド層２５の上面に形成されている。コンタクト層２６は、例えばＧａＡｓで構成されている。

【0017】

上部電極２７は、コンタクト層２６の上面に形成されている。上部電極２７とコンタクト層２６およびオーバークラッド層２５の表層部に至るまで凹部２８が形成されており、ＳＯＡ２は、凹部２８以外の位置に上部電極２７とコンタクト層２６が突き出たメサ構造とされている。

【0018】

このように構成されたＳＯＡ２により、上部電極２７と下部電極２１との間に所定の電位差を発生させる電圧を印加することで、レーザ発振を生じさせ、活性層２４の端面からレーザ光を出射させることができる。

【0019】

活性層２４の詳細な構成について説明する。図３に示すように、活性層２４は、中間層２４１を備えている。中間層２４１は、ＧａＡｓで構成されている。また、活性層２４は、複数の量子ドット層を備えている。量子ドット層は、例えばＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓで構成されている。量子ドット層は、結晶成長や微細加工などによって形成された粒状の量子ドットを備えた構造であり、表面側および裏面側が中間層２４１によって覆われている。

【0020】

活性層２４の利得スペクトルは、複数の量子ドット層の基底準位による発光によって構成される極大値を有し、活性層２４の発光波長および利得強度は、複数の量子ドット層の構成によって決まる。利得スペクトルは、例えばHakki-Paoli法によって測定することができる。

【0021】

複数の量子ドット層のうち少なくとも一部の量子ドット層には、ｐ型不純物が添加されている。そして、複数の量子ドット層のうち少なくとも２つの量子ドット層は、互いに発光波長およびｐ型不純物の濃度が異なる。複数の量子ドット層の発光波長のうち、最も短い発光波長をλｐとし、最も長い発光波長をλｕとする。

【0022】

本実施形態の活性層２４は、２種類の量子ドット層を備えている。２種類の量子ドット層をそれぞれ量子ドット層２４２、２４３とする。これらのうち量子ドット層２４２にはｐ型不純物が添加されており、量子ドット層２４３はｐ型不純物をほとんど含まないアンドープ層とされている。

【0023】

ｐ型不純物濃度は、例えば１つの量子ドットに閉じ込められる正孔の数を基準にして設定される。具体的には、１つの量子ドットには、正孔が２つまで閉じ込められる。そして、複数の量子ドット層のうちｐ型不純物の濃度が最も高い量子ドット層は、ｐ型不純物の濃度が量子ドットの面密度の２倍以上とされる。また、複数の量子ドット層のうちｐ型不純物の濃度が最も低い量子ドット層は、ｐ型不純物の濃度が量子ドットの面密度の２倍未満とされる。本実施形態では、量子ドット層２４２のｐ型不純物濃度は量子ドット２４２ａの面密度の２倍以上とされており、量子ドット層２４３のｐ型不純物濃度は量子ドット２４３ａの面密度の２倍未満とされている。

【0024】

活性層２４は、量子ドット層２４２と、量子ドット層２４３とをそれぞれ４層備えている。４層の量子ドット層２４２は、ｐ型不純物濃度が互いに等しい。また、４層の量子ドット層２４３は、ｐ型不純物濃度が互いに等しい。４層の量子ドット層２４２は、４層の量子ドット層２４３の上部に積層されている。また、前述したように、各量子ドット層２４２、２４３の両側には中間層２４１が積層されている。２つの量子ドット層２４２の間に形成された中間層２４１と、最上部の量子ドット層２４２の上に形成された中間層２４１には、ｐ型不純物層２４１ａが含まれている。

【0025】

ｐ型不純物層２４１ａは、中間層２４１の形成途中にｐ型不純物を添加することで形成された層であり、ＧａＡｓ中に微量のｐ型不純物が含まれた構成とされている。このｐ型不純物は、ベリリウム、炭素、マグネシウムのいずれかで構成されている。このようにｐ型不純物層２４１ａを量子ドット層２４２の近傍に配置することで、図４の矢印で示すように、ｐ型不純物層２４１ａから拡散したｐ型不純物が、量子ドット層２４２に添加される。

【0026】

前述したように、量子ドット層２４２と量子ドット層２４３は、互いに発光波長が異なる。具体的には、量子ドット層２４２の発光波長は、量子ドット層２４３の発光波長よりも短くされている。本実施形態では、波長λｐは量子ドット層２４２の発光波長、すなわち、量子ドット層２４２の利得がピークをとる波長であり、波長λｕは量子ドット層２４３の発光波長である。

【0027】

このような構成により、活性層２４の利得スペクトルは、図５に示すようになる。図５において、実線は活性層２４の利得スペクトルを示し、左側の一点鎖線は量子ドット層２４２の利得スペクトルを示し、右側の一点鎖線は量子ドット層２４３の利得スペクトルを示す。このように、２つの利得スペクトルを組み合わせることにより、波長λｐ、λｕの間の波長で利得が大きい広帯域のスペクトルが構成される。

【0028】

なお、波長λｐと波長λｕが離れていると活性層２４の利得スペクトルが広帯域化するが、波長λｐと波長λｕがあまりに大きく離れていると波長λｐ、λｕの間の波長で利得が落ち込むため、波長λｐ、λｕの間隔はある程度小さくされる。

【0029】

具体的には、波長λｐ、λｕの間隔は、環境温度の変化幅に、量子ドット層２４２、２４３の温度係数を乗じて得られる距離以下とされる。環境温度の変化幅は、半導体レーザ装置１が使用される環境において想定される温度変化の幅である。

【0030】

温度係数は、以下のように求められる。量子ドット層の利得スペクトルは、温度変化によって波長がシフトする。環境温度がＴ１のときに量子ドット層２４２の利得がピークをとる波長をλ１とし、環境温度がＴ２のときに量子ドット層２４２の利得がピークをとる波長をλ２として、温度係数は、（λ２－λ１）／（Ｔ２－Ｔ１）とされる。波長λ１、λ２は、測定によって得られる。

【0031】

なお、量子ドット層２４２、２４３において、温度変化による発光波長のシフト量はほぼ等しいため、量子ドット層２４２、２４３の温度係数はほぼ等しい。したがって、波長間隔の設定に用いる温度係数は、量子ドット層２４２の温度係数と量子ドット層２４３の温度係数のいずれでもよい。

【0032】

また、図５に示すように、波長λｐと波長λｕの間隔は、量子ドット層２４２、２４３の利得スペクトルの半値幅以下とされる。

【0033】

波長選択部３は、半導体レーザ装置１の動作波長、具体的には、活性層２４の動作波長を選択するものであり、図１に示すように、エタロンフィルタ３１と、ミラー３２とを備えている。活性層２４の動作波長をλｏｐとする。

【0034】

エタロンフィルタ３１は、所定の波長のみを透過させるものである。エタロンフィルタ３１は、活性層２４から射出された光が入射するように配置されており、図１の矢印Ａ１で示すように、エタロンフィルタ３１を透過した光は、ミラー３２に入射する。

【0035】

ミラー３２は、エタロンフィルタ３１から入射した光を、エタロンフィルタ３１に向かって反射するように配置されている。矢印Ａ２で示すように、ミラー３２で反射した光は、エタロンフィルタ３１を透過して活性層２４に入射し、活性層２４のうちエタロンフィルタ３１、ミラー３２とは反対側の端面から射出される。エタロンフィルタ３１の設計によって、透過させる光の波長を調整することにより、半導体レーザ装置１の動作波長を選択することができる。

【0036】

本実施形態では、波長選択部３は、活性層２４をシングルモード発振、すなわち、単一の波長で発振させるように動作波長λｏｐを選択する。具体的には、波長選択部３は、２つのエタロンフィルタ３１を備えている。２つのエタロンフィルタ３１をそれぞれエタロンフィルタ３１ａ、３１ｂとする。

【0037】

エタロンフィルタ３１ａ、３１ｂは、自由スペクトル間隔が異なっており、エタロンフィルタ３１ａが透過させる複数の波長と、エタロンフィルタ３１ｂが透過させる複数の波長とが、１つの波長のみで重複している。したがって、図１に示すように、活性層２４から射出された光の経路上にエタロンフィルタ３１ａ、３１ｂを置くことで、この１つの波長の光がミラー３２に入射し、活性層２４に戻る。これにより、活性層２４がシングルモード発振するようになる。

【0038】

活性層２４がマルチモード発振するように動作波長λｏｐを選択してもよいが、活性層２４がシングルモード発振することで、利得変動を低減することができる。

【0039】

なお、ここでは波長選択部３がエタロンフィルタ３１とミラー３２とで構成される場合について説明したが、波長選択部３が所定の波長の光のみを反射する回折格子等で構成されていてもよい。波長選択部３を回折格子で構成する場合には、活性層２４はシングルモード発振する。また、エタロンフィルタや回折格子等で構成される波長選択部３に対して、外部から電圧等を印加することによって、半導体レーザ装置１の動作波長を選択してもよい。また、ミラー３２の反射率を調整して、光をミラー３２側に出射させてもよい。

【0040】

動作波長λｏｐは、所定の温度における波長λｐと、所定の温度における波長λｕとの間の波長とされる。この所定の温度は、室温、あるいは、想定される環境温度の中央の温度である。室温とは、２０℃以上２８℃以下の温度、例えば２５℃である。想定される環境温度は、例えば－４０℃以上８５℃以下の温度である。

【0041】

量子ドット層の利得の温度特性について説明する。前述したように、量子ドット層の利得スペクトルは、温度変化によって波長がシフトする。具体的には、温度が上昇すると利得スペクトルは長波長側にシフトし、温度が低下すると利得スペクトルは短波長側にシフトする。そのため、動作波長を固定すると、温度変化によって量子ドット層の出力が低下する。

【0042】

これに対して、発光波長の異なる複数の量子ドット層を組み合わせて用いることにより、利得スペクトルを広帯域化し、波長シフトによる利得の低下を低減することができる。

【0043】

しかしながら、量子ドット層は、温度変化によって利得も増減する。そして、利得の増減量は、ｐ型不純物濃度によって変化する。具体的には、図６に示すように、８５℃等の高温時にはｐ型不純物濃度が上がるにつれて出力が増加するのに対し、－４０℃等の低温時にはｐ型不純物濃度が上がるにつれて出力が低下する。

【0044】

そのため、ｐ型不純物濃度が低い量子ドット層では、図７に示すように、高温時には、室温時および低温時に比べて利得が低下する。また、ｐ型不純物濃度が高い量子ドット層では、図８に示すように、低温時には、室温時および高温時に比べて利得が低下する。なお、図７、図８において、実線は室温時の利得スペクトルを示し、一点鎖線は低温時の利得スペクトルを示し、二点鎖線は高温時の利得スペクトルを示す。

【0045】

発光波長の異なる複数の量子ドット層を組み合わせて用いる場合にも、各量子ドット層のｐ型不純物濃度を同じにすると、上記の温度特性により出力が低下するおそれがある。

【0046】

例えば、共にｐ型不純物濃度が高く、互いに発光波長が異なる２つの量子ドット層を用い、図９に示すように室温時における２つのピーク波長の中央に動作波長λｏｐを固定する場合を想定する。図９～図１３において、実線は活性層の利得スペクトルを示し、左側の一点鎖線は発光波長が短い一方の量子ドット層の利得スペクトルを示し、右側の一点鎖線は発光波長が長い他方の量子ドット層の利得スペクトルを示す。

【0047】

この場合、８５℃等の高温時には、図１０に示すように、２つの利得スペクトルが長波長側にシフトする。２つの量子ドット層の組み合わせにより利得スペクトルが広帯域化しているため、ある程度の範囲の温度変化であれば、活性層全体の利得スペクトルのピーク波長と短波長側の利得スペクトルのピーク波長との間に動作波長λｏｐが位置するようになる。また、ｐ型不純物濃度が高いことにより、高温時には利得が大きいまま保持される。そのため、短波長側の利得によって出力が保たれる。

【0048】

一方、－４０℃等の低温時には、図１１に示すように、２つの利得スペクトルが短波長側にシフトするとともに利得が低下する。そのため、出力が低下する。

【0049】

また、共にｐ型不純物濃度が低い２つの量子ドット層を用いる場合を想定する。この場合、低温時には、ある程度の範囲の温度変化であれば、活性層全体の利得スペクトルのピーク波長と長波長側の利得スペクトルのピーク波長の間に動作波長λｏｐが位置するようになる。また、ｐ型不純物濃度が低いことにより、低温時には利得が大きいまま保持される。そのため、長波長側の利得によって出力が保たれる。一方、高温時には、２つの利得スペクトルが長波長側にシフトするとともに利得が低下するため、出力が低下する。

【0050】

このように、発光波長が異なる２つの量子ドット層を用いても、各量子ドット層のｐ型不純物濃度を同じにすると、動作波長λｏｐを固定する場合に出力の変動が大きくなる。

【0051】

これに対して、本実施形態では、量子ドット層２４２は量子ドット層２４３よりも発光波長が短く、ｐ型不純物濃度が高くされている。

【0052】

そのため、８５℃等の高温時には、図１２に示すように、２つの利得スペクトルが長波長側にシフトし、ｐ型不純物濃度の低い量子ドット層２４３の利得が低下する。しかしながら、短波長側の量子ドット層２４２の利得は大きいまま維持されるため、動作波長λｏｐにおける利得が維持され、出力が保たれる。

【0053】

また、－４０℃等の低温時には、図１３に示すように、２つの利得スペクトルが短波長側にシフトし、ｐ型不純物濃度の高い量子ドット層２４２の利得が低下する。しかしながら、長波長側の量子ドット層２４３の利得は大きいまま維持されるため、動作波長λｏｐにおける利得が維持され、出力が保たれる。

【0054】

このように、発光波長およびｐ型不純物濃度が異なる２つの量子ドット層を用いることで、動作波長λｏｐを固定する場合にも出力の変動が低減される。

【0055】

また、本発明者らが行った実験では、本実施形態により、低電流域における利得が図１４に示すように改善された。図１４において、実線は、本実施形態の利得スペクトルを示し、一点鎖線は、共にｐ型不純物濃度が高く、互いに発光波長が異なる２つの量子ドット層を用いた場合の利得スペクトルを示す。図１４に示すように、本実施形態では、発光波長の長い量子ドット層２４３のｐ型不純物濃度を低くすることで、発光バランスが改善され、短波長側の利得が向上した。

【0056】

以上説明したように、本実施形態では、活性層２４が複数の量子ドット層を有し、複数の量子ドット層のうち少なくとも一部の量子ドット層には、ｐ型不純物が添加されている。そして、複数の量子ドット層のうち少なくとも２つの量子ドット層は、互いに発光波長およびｐ型不純物の濃度が異なる。これにより、温度変化による出力の変動を低減することができる。

【0057】

また、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

【0058】

（１）２つの量子ドット層のうちの一方は、他方よりも、ｐ型不純物の濃度が高く、かつ、発光波長が短い。したがって、低電流域における利得が改善され、温度変化による出力変動をさらに低減することができる。

【0059】

（２）複数の量子ドット層のうちｐ型不純物の濃度が最も高い量子ドット層は、複数の量子ドット層に含まれる他の量子ドット層よりも発光波長が短い。したがって、低電流域における利得が改善され、温度変化による出力変動をさらに低減することができる。

【0060】

（３）複数の量子ドット層のうちｐ型不純物の濃度が最も低い量子ドット層は、複数の量子ドット層に含まれる他の量子ドット層よりも発光波長が長い。したがって、低電流域における利得が改善され、温度変化による出力変動をさらに低減することができる。

【0061】

（４）複数の量子ドット層の発光波長のうち隣り合う２つの発光波長の間隔は、環境温度の変化幅に、該２つの発光波長に対応する量子ドット層の温度係数を乗じて得られる距離以下である。したがって、該２つの発光波長の間の波長における利得の落ち込みを抑制することができる。

【0062】

（５）複数の量子ドット層の発光波長のうち隣り合う２つの発光波長の間隔は、該２つの発光波長に対応する量子ドット層の利得スペクトルの半値幅以下である。したがって、該２つの発光波長の間の波長における利得の落ち込みを抑制することができる。

【0063】

（６）複数の量子ドット層には、互いに同じ濃度でｐ型不純物が添加された２つ以上の量子ドット層が含まれており、複数の量子ドット層の並びにおいて、該２つ以上の量子ドット層は、ひとかたまりとなって配置されている。したがって、活性層２４の製造が容易になる。

【0064】

（７）ｐ型不純物は、ベリリウム、炭素、マグネシウムのいずれかで構成されている。このように拡散係数が小さいｐ型不純物を用いることで、所望の量子ドット層にｐ型不純物を拡散させつつ、他の量子ドット層へのｐ型不純物の拡散を抑制することができる。

【0065】

（８）動作波長λｏｐは、所定の温度における波長λｐと波長λｕとの間の波長とされている。したがって、動作波長λｏｐが波長λｐ、λｕの間に位置する場合が多くなり、温度変化による利得変動をさらに低減することができる。

【0066】

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して量子ドット層２４２、２４３の配置を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

【0067】

図１５に示すように、本実施形態では、４層の量子ドット層２４２と、４層の量子ドット層２４３とが、それぞれ２つ以上のかたまりに分割されて配置されている。具体的には、量子ドット層２４２、２４３は、それぞれ２層ずつのかたまりに分割されており、２層の量子ドット層２４２と２層の量子ドット層２４３とが交互に配置されている。ｐ型不純物層２４１ａは、２層の量子ドット層２４２の間に配置されている。これにより、ｐ型不純物層２４１ａの両側に位置する量子ドット層２４２にｐ型不純物が拡散する。活性層２４がこのような構成とされた本実施形態においても、第１実施形態と同様の利得スペクトルが得られる。

【0068】

本実施形態は、第１実施形態と同様の構成および作動からは第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0069】

また、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

【0070】

（１）複数の量子ドット層には、互いに同じ濃度でｐ型不純物が添加された２つ以上の量子ドット層が含まれており、複数の量子ドット層の並びにおいて、該２つ以上の量子ドット層は、２つ以上のかたまりに分割されて配置されている。そして、ｐ型不純物層２４１ａは、２つの量子ドット層２４２の間に配置されている。したがって、量子ドット層２４３へのｐ型不純物の拡散を抑制することができる。

【0071】

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して量子ドット層の数を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

【0072】

図１６に示すように、本実施形態の活性層２４は、３種類の量子ドット層を備えている。具体的には、活性層２４は、量子ドット層２４２、２４３に加えて、量子ドット層２４４を備えている。なお、図１６では、ｐ型不純物層２４１ａの図示を省略している。

【0073】

量子ドット層２４２～２４４は、発光波長およびｐ型不純物濃度が互いに異なる。発光波長は量子ドット層２４２が最も短く、量子ドット層２４４が最も長くなっている。すなわち、本実施形態では、量子ドット層２４２、２４４の発光波長がそれぞれ波長λｐ、λｕとなり、動作波長λｏｐは、所定の温度における量子ドット層２４２の発光波長と量子ドット層２４４の発光波長との間の波長とされる。

【0074】

量子ドット層２４２～２４４の波長間隔は、第１実施形態と同様に設定される。すなわち、量子ドット層２４２、２４３のピーク波長の間隔は、環境温度の変化幅に量子ドット層２４２または量子ドット層２４３の温度係数を乗じて得られる距離以下とされる。また、この間隔は、量子ドット層２４２、２４３の利得スペクトルの半値幅以下とされる。また、量子ドット層２４３、２４４のピーク波長の間隔は、環境温度の変化幅に量子ドット層２４３または量子ドット層２４４の温度係数を乗じて得られる距離以下とされる。また、この間隔は、量子ドット層２４３、２４４の利得スペクトルの半値幅以下とされる。

【0075】

ｐ型不純物濃度は、量子ドット層２４２が最も高く、量子ドット層２４４が最も低くなっている。具体的には、量子ドット層２４２、２４３にはｐ型不純物が添加されており、量子ドット層２４２のｐ型不純物濃度は量子ドット層２４３のｐ型不純物濃度よりも高くされている。また、量子ドット層２４４はｐ型不純物をほとんど含まないアンドープ層とされている。そして、量子ドット層２４２のｐ型不純物濃度は量子ドット２４２ａの面密度の２倍以上とされており、量子ドット層２４４のｐ型不純物濃度は量子ドット２４４ａの面密度の２倍未満とされている。

【0076】

本実施形態の効果について図１７～図１９を用いて説明する。図１７～図１９において、実線は活性層２４の利得スペクトルを示し、３本の一点鎖線は左から順に量子ドット層２４２～２４４の利得スペクトルを示す。

【0077】

図１７に示すように、室温時における量子ドット層２４３のピーク波長に動作波長λｏｐを固定する場合を想定する。この場合、８５℃等の高温時には、図１８に示すように、３つの利得スペクトルが長波長側にシフトし、量子ドット層２４３、２４４の利得が低下する。しかしながら、短波長側の量子ドット層２４２の利得は大きいまま維持されるため、動作波長λｏｐにおける利得が維持され、出力が保たれる。なお、量子ドット層２４３は量子ドット層２４４よりもｐ型不純物濃度が高いため、量子ドット層２４３の利得低下は、量子ドット層２４４の利得低下よりも小さい。これにより、高温時には、量子ドット層２４２のピーク波長と量子ドット層２４３のピーク波長との間の波長で、利得が維持される。

【0078】

また、－４０℃等の低温時には、図１９に示すように、３つの利得スペクトルが短波長側にシフトし、量子ドット層２４２、２４３の利得が低下する。しかしながら、長波長側の量子ドット層２４４の利得は大きいまま維持されるため、動作波長λｏｐにおける利得が維持され、出力が保たれる。なお、量子ドット層２４３は量子ドット層２４２よりもｐ型不純物濃度が低いため、量子ドット層２４３の利得低下は、量子ドット層２４２の利得低下よりも小さい。これにより、低温時には、量子ドット層２４３のピーク波長と量子ドット層２４４のピーク波長との間の波長で、利得が維持される。

【0079】

本実施形態は、第１実施形態と同様の構成および作動からは第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0080】

また、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

【0081】

（１）複数の量子ドット層は、ｐ型不純物の濃度が高い量子ドット層ほど発光波長が短い。したがって、低温時および高温時における活性層２４の利得スペクトルの帯域が広くなり、温度変化による出力変動をさらに低減することができる。

【0082】

（２）活性層２４は、発光波長が互いに異なる３種類の量子ドット層を備えている。これにより、第１実施形態よりも活性層２４の利得スペクトルが広帯域化し、利得変動をさらに低減することができる。

【0083】

（第４実施形態）
第４実施形態について説明する。本実施形態は、第３実施形態に対して量子ドット層の数を変更したものであり、その他については第３実施形態と同様であるため、第３実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

【0084】

図２０に示すように、本実施形態の活性層２４は、５種類の量子ドット層を備えている。具体的には、活性層２４は、量子ドット層２４２～２４４に加えて、量子ドット層２４５、２４６を備えている。なお、図２０では、ｐ型不純物層２４１ａの図示を省略している。

【0085】

量子ドット層２４２～２４６は、発光波長およびｐ型不純物濃度が互いに異なる。発光波長は、量子ドット層２４２～２４６の順に短くなっている。すなわち、本実施形態では、量子ドット層２４２、２４６の発光波長がそれぞれλｐ、λｕとなり、動作波長λｏｐは、所定の温度における量子ドット層２４２の発光波長と量子ドット層２４６の発光波長との間の波長とされる。量子ドット層２４２～２４６の波長間隔は、第１、第３実施形態と同様に設定される。

【0086】

ｐ型不純物濃度は、量子ドット層２４２～２４６の順に高くなっている。具体的には、量子ドット層２４２～２４５にはｐ型不純物が添加されており、量子ドット層２４６はｐ型不純物をほとんど含まないアンドープ層とされている。そして、量子ドット層２４２のｐ型不純物濃度は量子ドット２４２ａの面密度の２倍以上とされており、量子ドット層２４６のｐ型不純物濃度は量子ドット２４６ａの面密度の２倍未満とされている。

【0087】

本実施形態の効果について図２１～図２３を用いて説明する。図２１～図２３において、実線は活性層２４の利得スペクトルを示し、５本の一点鎖線は左から順に量子ドット層２４２～２４６の利得スペクトルを示す。

【0088】

図２１に示すように、室温時における量子ドット層２４４のピーク波長に動作波長λｏｐを固定する場合を想定する。この場合、８５℃等の高温時には、図２２に示すように、５つの利得スペクトルが長波長側にシフトし、量子ドット層２４６～２４３の順に利得が大きく低下する。しかしながら、短波長側の量子ドット層２４２の利得は大きいまま維持されるため、動作波長λｏｐにおける利得が維持され、出力が保たれる。なお、量子ドット層２４３、２４４は量子ドット層２４５、２４６よりもｐ型不純物濃度が高いため、量子ドット層２４３、２４４の利得低下は、量子ドット層２４５、２４６の利得低下よりも小さい。これにより、高温時には、量子ドット層２４２のピーク波長と量子ドット層２４４のピーク波長との間の波長で、利得が維持される。

【0089】

また、－４０℃等の低温時には、図２３に示すように、５つの利得スペクトルが短波長側にシフトし、量子ドット層２４２～２４５の順に利得が大きく低下する。しかしながら、長波長側の量子ドット層２４６の利得は大きいまま維持されるため、動作波長λｏｐにおける利得が維持され、出力が保たれる。なお、量子ドット層２４４、２４５は量子ドット層２４２、層２４３よりもｐ型不純物濃度が低いため、量子ドット層２４４、２４５の利得低下は、量子ドット層２４２、２４３の利得低下よりも小さい。これにより、低温時には、量子ドット層２４４のピーク波長と量子ドット層２４６のピーク波長との間の波長で、利得が維持される。

【0090】

本実施形態は、第１、第３実施形態と同様の構成および作動からは第１、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0091】

また、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

【0092】

（１）活性層２４は、発光波長が互いに異なる５種類の量子ドット層を備えている。これにより、第３実施形態よりも活性層２４の利得スペクトルが広帯域化し、利得変動をさらに低減することができる。

【0093】

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。

【0094】

例えば、第３実施形態において、量子ドット層２４２～２４４を、第２実施形態の量子ドット層２４２、２４３のように、それぞれ２つ以上のかたまりに分割して配置してもよい。また、第４実施形態において、量子ドット層２４２～２４６を、第２実施形態の量子ドット層２４２、２４３のように、それぞれ２つ以上のかたまりに分割して配置してもよい。

【0095】

また、第１、第２実施形態において、ｐ型不純物層２４１ａを量子ドット層２４２と量子ドット層２４３との間に配置してもよい。この場合、ｐ型不純物層２４１ａを量子ドット層２４３よりも量子ドット層２４２に近い位置に配置することが望ましい。

【0096】

また、量子ドット層２４２～２４６の数がそれぞれ３層以下とされていてもよいし、５層以上とされていてもよい。

【符号の説明】

【0097】

２４ 活性層
２４２ 量子ドット層
２４３ 量子ドット層
２４４ 量子ドット層
２４５ 量子ドット層
２４６ 量子ドット層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】