(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】P2023155788
(43)【公開日】2023-10-23
(54)【発明の名称】半導体素子
(51)【国際特許分類】
H01S 5/343 20060101AFI20231016BHJP
【ＦＩ】
H01S5/343
【審査請求】未請求
【請求項の数】13
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022065332
(22)【出願日】2022-04-11
(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】520124752
【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ
(71)【出願人】
【識別番号】506423051
【氏名又は名称】株式会社ＱＤレーザ
(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】山田 仁
(72)【発明者】
【氏名】鎌田 裕樹
(72)【発明者】
【氏名】大山 浩市
(72)【発明者】
【氏名】大西 裕
(72)【発明者】
【氏名】西 研一
(72)【発明者】
【氏名】武政 敬三
【テーマコード（参考）】
5F173
【Ｆターム（参考）】
5F173AF08
5F173AF12
5F173AH03
5F173AR03
(57)【要約】
【課題】量子ドットを有するＳＯＡとして用いられる半導体素子において、所定以上の電流注入量で使用された場合の波長帯域における利得の平坦性を確保する。
【解決手段】半導体素子１は、利得が最大となる中心波長が異なる複数の量子ドット層５が積層されてなる量子ドット群４を備える。量子ドット群４は、複数の量子ドット層５の一部または全部が、その積層方向に沿って中心波長が順次シフトする構成である。複数の量子ドット層５のうち中心波長が最も長波長の量子ドット層を最長波長層５Ａとし、中心波長が最も短波長の量子ドット層を最短波長層５Ｂとし、最長波長層５Ａを含み、最長波長層５Ａから最短波長層５Ｂの側に向かって積層された一部の複数の量子ドット層５からなる群を最長波長層群として、量子ドット群４は、最長波長層５Ａまたは最長波長層群の中心波長における利得が、他の量子ドット層５それぞれの中心波長における利得よりも大きい。
【選択図】図１
【解決手段】半導体素子１は、利得が最大となる中心波長が異なる複数の量子ドット層５が積層されてなる量子ドット群４を備える。量子ドット群４は、複数の量子ドット層５の一部または全部が、その積層方向に沿って中心波長が順次シフトする構成である。複数の量子ドット層５のうち中心波長が最も長波長の量子ドット層を最長波長層５Ａとし、中心波長が最も短波長の量子ドット層を最短波長層５Ｂとし、最長波長層５Ａを含み、最長波長層５Ａから最短波長層５Ｂの側に向かって積層された一部の複数の量子ドット層５からなる群を最長波長層群として、量子ドット群４は、最長波長層５Ａまたは最長波長層群の中心波長における利得が、他の量子ドット層５それぞれの中心波長における利得よりも大きい。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体素子であって、
利得が最大となる波長が異なる複数の量子ドット層（５）が積層されてなり、複数の前記量子ドット層の一部または全部が、前記量子ドット層の積層方向に沿って前記波長が順次シフトする構成である量子ドット群（４）を備え、
複数の前記量子ドット層のうち前記波長が最も長波長である前記量子ドット層を最長波長層（５Ａ）とし、前記波長が最も短波長である前記量子ドット層を最短波長層（５Ｂ）とし、前記最長波長層を含み、前記最長波長層から前記最短波長層の側に向かって積層された一部の複数の前記量子ドット層からなる群を最長波長層群として、
前記量子ドット群は、前記最長波長層または前記最長波長層群の前記波長における利得が、他の前記量子ドット層それぞれの前記波長における利得よりも大きい、半導体素子。
利得が最大となる波長が異なる複数の量子ドット層（５）が積層されてなり、複数の前記量子ドット層の一部または全部が、前記量子ドット層の積層方向に沿って前記波長が順次シフトする構成である量子ドット群（４）を備え、
複数の前記量子ドット層のうち前記波長が最も長波長である前記量子ドット層を最長波長層（５Ａ）とし、前記波長が最も短波長である前記量子ドット層を最短波長層（５Ｂ）とし、前記最長波長層を含み、前記最長波長層から前記最短波長層の側に向かって積層された一部の複数の前記量子ドット層からなる群を最長波長層群として、
前記量子ドット群は、前記最長波長層または前記最長波長層群の前記波長における利得が、他の前記量子ドット層それぞれの前記波長における利得よりも大きい、半導体素子。
【請求項2】
複数の前記量子ドット層は、量子ドットを有し、
前記量子ドットは、歪を生じるように結晶成長したものであって、前記量子ドット層ごとに、発光波長が異なっている、請求項１に記載の半導体素子。
前記量子ドットは、歪を生じるように結晶成長したものであって、前記量子ドット層ごとに、発光波長が異なっている、請求項１に記載の半導体素子。
【請求項3】
前記量子ドットは、前記量子ドット層ごとに、構成材料または前記構成材料の組成比が異なることで、格子定数が異なっている、請求項２に記載の半導体素子。
【請求項4】
前記量子ドットは、ＩｎＡｓまたはＩｎｘＧａ（１－ｘ）Ａｓ（０＜ｘ＜１）で構成されている、請求項３に記載の半導体素子。
【請求項5】
前記量子ドット群は、半導体基板（２）の上において複数の前記量子ドット層が積層されており、
前記最長波長層は、前記量子ドット群のうち最も前記半導体基板に近い端部に配置されている、請求項４に記載の半導体素子。
前記最長波長層は、前記量子ドット群のうち最も前記半導体基板に近い端部に配置されている、請求項４に記載の半導体素子。
【請求項6】
前記最長波長層における前記量子ドットの総体積、または前記最長波長層群における前記量子ドットの総体積は、他の前記量子ドット層それぞれにおける前記量子ドットの総体積よりも大きい、請求項５に記載の半導体素子。
【請求項7】
複数の前記量子ドット層のうち前記最長波長層を含み、前記最長波長層から前記最短波長層の側に向かう一部の複数の前記量子ドット層は、前記波長が同一である、請求項６に記載の半導体素子。
【請求項8】
前記最長波長層または前記最長波長層群は、それぞれ、前記量子ドット層において前記量子ドットの占める割合が、他の前記量子ドット層において前記量子ドットの占める割合よりも高い、請求項６に記載の半導体素子。
【請求項9】
前記量子ドット群は、前記積層方向においてｎクラッド層（３）とｐクラッド層（６）とに挟まれており、
前記最長波長層は、前記量子ドット群のうち前記ｐクラッド層の側の端部に配置され、
前記最短波長層は、前記量子ドット群のうち前記ｎクラッド層の側の端部に配置されている、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の半導体素子。
前記最長波長層は、前記量子ドット群のうち前記ｐクラッド層の側の端部に配置され、
前記最短波長層は、前記量子ドット群のうち前記ｎクラッド層の側の端部に配置されている、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項10】
前記量子ドット群は、前記最短波長層に近い前記量子ドット層ほど、前記量子ドットの前記波長における利得が、他の前記量子ドット層の前記量子ドットの前記波長における利得よりも小さい材料または組成比で構成されている、請求項２ないし４のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項11】
前記量子ドット群は、それぞれの前記量子ドット層の前記量子ドットの基底準位が、当該量子ドット層よりも前記最長波長層の側にある他の前記量子ドットの基底準位の次にエネルギー準位が高い高次準位とは異なっている、請求項２ないし４のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項12】
前記最長波長層群は、前記量子ドットの前記高次準位が前記基底準位から６０ｎｍないし１００ｎｍ短波長側である、請求項１１に記載の半導体素子。
【請求項13】
半導体素子であって、
利得が最大となる波長が異なる複数の量子ドット層（５）が積層されてなり、複数の前記量子ドット層の一部または全部が、前記量子ドット層の積層方向に沿って前記波長が順次シフトする構成である量子ドット群（４）を備え、
複数の前記量子ドット層のうち前記波長が最も長波長である前記量子ドット層を最長波長層（５Ａ）とし、前記波長が最も短波長である前記量子ドット層を最短波長層（５Ｂ）とし、前記最長波長層を含み、前記最長波長層から前記最短波長層の側に向かって積層された２層または３層以上の前記量子ドット層からなる群を最長波長層群として、
前記量子ドット群は、前記最長波長層群の前記波長における利得が、他の前記量子ドット層それぞれの前記波長における利得よりも大きい、半導体素子。
利得が最大となる波長が異なる複数の量子ドット層（５）が積層されてなり、複数の前記量子ドット層の一部または全部が、前記量子ドット層の積層方向に沿って前記波長が順次シフトする構成である量子ドット群（４）を備え、
複数の前記量子ドット層のうち前記波長が最も長波長である前記量子ドット層を最長波長層（５Ａ）とし、前記波長が最も短波長である前記量子ドット層を最短波長層（５Ｂ）とし、前記最長波長層を含み、前記最長波長層から前記最短波長層の側に向かって積層された２層または３層以上の前記量子ドット層からなる群を最長波長層群として、
前記量子ドット群は、前記最長波長層群の前記波長における利得が、他の前記量子ドット層それぞれの前記波長における利得よりも大きい、半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、量子ドットを有する半導体素子に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、量子ドットを有する半導体素子としては、例えば特許文献１に記載のものが提案されている。特許文献１に記載の半導体素子は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）に用いられるものであって、複数の量子ドットが積層された複合量子ドットと、複合量子ドットの側面に接するサイドバリア層とを有する活性層を備える。なお、ＳＯＡとは、Semiconductor Optical Amplifierの略称である。
【0003】
この半導体素子は、光通信システム等に用いられることが想定され、その動作温度範囲にて利得スペクトルのシフト量に対応した平坦利得帯域を持つように、各量子ドット層を構成する量子ドットの積層数およびサイドバリア層の歪みの大きさが設計されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第４９２２０３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
近年、この種の半導体素子を測距センサ等の用途、例えば車載用ＬｉＤＡＲなどに適用することが検討されている。この場合、ＳＯＡの半導体素子は、例えば所定の近赤外領域の波長のレーザ光源の近傍に配置され、当該レーザ光源からのレーザ光を増幅させるのに用いられる。なお、ＬｉＤＡＲとは、LightDetection And Rangingの略称である。
【0006】
ここで、ＬｉＤＡＲにおける測距方式としては、例えば、ＴＯＦ方式やＦＭＣＷ方式が知られている。ＴＯＦとはTime Of Flightの略称であり、ＴＯＦ方式は、外部に光を射出し、射出光が外部の物体で反射した反射光を受光するまでの時間に基づいて距離を算出するものである。ＦＭＣＷとはFrequency Modulated Continuous Waveの略称であり、ＦＭＣＷ方式は、外部に射出するレーザ光の周波数を連続的に変調させると共に、外部の物体で反射した反射光の周波数のずれに基づいて距離を算出するものである。以下、説明の簡便化のため、ＦＭＣＷ方式のＬｉＤＡＲを単に「ＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲ」と称する。
【0007】
車載用ＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲの場合、ＳＯＡとしての半導体素子は、車載環境の広い温度範囲（例えば－４０℃～８５℃など）において広い波長帯域にわたって一定の利得が得られる特性が求められる。量子ドットは、このような広い温度範囲においても閾値変化が小さく温度ロバスト性があることが知られている。そこで、使用するレーザ光の波長帯域において利得を確保するため、動作波長が異なる複数の量子ドット群を用いてＳＯＡとしての半導体素子を構成することが検討されている。また、車載用途としてのＳＯＡは、通信用途の場合に比べて、使用する波長帯域において大きな利得が求められるためには、所定以上の電流注入量で使用する必要がある。
【0008】
しかし、本発明者らの検討の結果、所定以上の利得を確保するために電流注入量を高くした場合、使用する波長帯域における短波長側と長波長側とでは、その利得の増加量に差が生じてしまい、利得の平坦性が損なわることが判明した。例えば、特許文献１に記載の半導体素子は、車載用途で要求されるような所定以上の利得を得るように電流注入量を高めると、短波長側の利得増加が長波長側よりも相対的に大きくなり、利得の平坦性を確保することができない。
【0009】
本発明は、上記の点に鑑み、量子ドットを有するＳＯＡとして用いられる半導体素子において、所定以上の電流注入量で使用された場合において、波長帯域における利得の平坦性を確保可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の半導体素子は、半導体素子であって、利得が最大となる波長が異なる複数の量子ドット層（５）が積層されてなり、複数の量子ドット層の一部または全部が、量子ドット層の積層方向に沿って波長が順次シフトする構成である量子ドット群（４）を備え、複数の量子ドット層のうち波長が最も長波長である量子ドット層を最長波長層とし、波長が最も短波長である量子ドット層を最短波長層とし、最長波長層を含み、最長波長層から最短波長層の側に向かって積層された一部の複数の量子ドット層からなる群を最長波長層群として、量子ドット群は、最長波長層または最長波長層群の波長における利得が、他の量子ドット層それぞれの波長における利得よりも大きい。
【0011】
この半導体素子は、利得が最大となる波長が異なる複数の量子ドット層の一部または全部が、その波長が順次シフトするように積層されてなる量子ドット群を備える。そして、量子ドット群は、当該波長が最も長波長の量子ドット層である最長波長層またはこれを含む複数の層の利得が、他の量子ドット層それぞれにおける利得よりも大きい。つまり、この半導体素子は、量子ドット群のうち最大利得の波長が最も長波長側である量子ドット層の利得が、他の短波長側の量子ドット層における当該波長の利得よりも相対的に大きい構成となっている。そのため、所定以上の電流注入量で使用した場合であっても、量子ドット層群の全体において、長波長側の利得が短波長側の利得に対して相対的に小さくなることが抑制され、波長帯域における平坦利得を確保することができる。
【0012】
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】
【0013】
【図1】第１実施形態の半導体素子を示す断面図である。
【図2】比較例の半導体素子における温度および電流注入量の高低に対する利得スペクトル変化の一例を示す図である。
【図3】比較例の半導体素子を室温において電流注入量を変えたときの利得スペクトル変化を示すグラフである。
【図4】比較例の半導体素子を高温において電流注入量を変えたときの利得スペクトル変化を示すグラフである。
【図5】第１実施形態の半導体素子の高温・高電流注入量における利得スペクトルの一例を示す図である。
【図6】第２実施形態の半導体素子を示す断面図である。
【図7】第３実施形態の半導体素子を示す断面図である。
【図8】第４実施形態の半導体素子を示す断面図である。
【図9】第５実施形態の半導体素子を示す断面図である。
【図10】第６実施形態の半導体素子を示す断面図である。
【図11】第６実施形態における第四群の量子ドットの電流注入量別の基底準位および高次準位の利得変化を説明するための説明図である。
【図12】第６実施形態における第四群の量子ドットの基底準位および高次準位と第五群の量子ドットの基底準位との関係を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
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。
【0015】
（第１実施形態）
第１実施形態の半導体素子１について、図面を参照して説明する。
第１実施形態の半導体素子１について、図面を参照して説明する。
【0016】
〔基本構成〕
本実施形態の半導体素子１は、例えば図１に示すように、半導体基板２と、ｎクラッド層３と、複数の量子ドット層５が積層されてなる量子ドット群４と、ｐクラッド層６とを備え、これらがこの順に積層された構成となっている。半導体素子１は、例えば、車載用ＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲに用いられるＳＯＡに適用されると好適であるが、勿論、他の用途にも採用されうる。
本実施形態の半導体素子１は、例えば図１に示すように、半導体基板２と、ｎクラッド層３と、複数の量子ドット層５が積層されてなる量子ドット群４と、ｐクラッド層６とを備え、これらがこの順に積層された構成となっている。半導体素子１は、例えば、車載用ＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲに用いられるＳＯＡに適用されると好適であるが、勿論、他の用途にも採用されうる。
【0017】
半導体基板２は、例えば、ｎ型ＧａＡｓなどの半導体材料により構成され、（１００）面に下部クラッド層としてｎクラッド層３が積層されている。半導体基板２は、例えば、ｎクラッド層３とは反対側の面に図示しない電極が形成されており、量子ドット群４に電圧印加が可能となっている。
【0018】
ｎクラッド層３は、例えば、ｎ型ＡｌＧａＡｓなどの半導体材料により構成され、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxyの略）法などの任意の成膜法により積層される。
【0019】
量子ドット群４は、複数の量子ドット層５が積層されてなる活性層である。
【0020】
以下、説明の便宜上、図１に示すように、複数の量子ドット層５の総数をｎ（ｎ：０より大きい整数）として、複数の量子ドット層５のうち半導体基板２側に最も近い層を「第１層５－１」と称する。また、複数の量子ドット層５の積層方向に沿って「第２層５－２」、「第３層５－３」、「第４層５－４」、・・・「第ｎ層５－ｎ」と称する。さらに、複数の量子ドット層５の積層方向に沿った方向のうち半導体基板２側を「下」、その反対側を「上」として、ある量子ドット層５から見て下方向にある他の量子ドット層５を「下層」と、上方向にある他の量子ドット層５を「上層」と称することがある。
【0021】
量子ドット群４は、第１層５－１から第ｎ層５－ｎに向かうにつれて、量子ドットの最大利得が得られる中心波長が短波長側に順次シフトする構成となっている。以下、複数の量子ドット層５のうち中心波長が最も長波長である層を「最長波長層５Ａ」と称し、中心波長が最も短波長である層を「最短波長層５Ｂ」と称する。量子ドット群４は、本実施形態では、複数の量子ドット層５のうちｎクラッド層３側の端部が最長波長層５Ａ、ｐクラッド層６側の端部が最短波長層５Ｂとなっている。つまり、量子ドット群４は、本実施形態では、上層に向かうにつれて量子ドットの中心波長が短波長にシフトする構成である。
【0022】
なお、量子ドット層５の中心波長における「長波長」および「短波長」とは、相対的なものである。例えば、車載用ＦＭＣＷ－ＬｉＤＡＲのＳＯＡに適用する場合には、室温において、最長波長層５Ａの中心波長が１２５０～１６００ｎｍ、最短波長層５Ｂの中心波長が１１００ｎｍ～１４５０ｎｍなどとされるが、これに限定されない。
【0023】
量子ドット群４は、量子ドットを有する量子ドット層５の形成を繰り返すことにより成膜される。なお、量子ドット群４は、例えば、限定するものではないが、十数ｎｍ～数十ｎｍの厚みの量子ドット層５が繰り返し積層されてなる。
【0024】
量子ドット群４は、本実施形態では、最長波長層５Ａを含み、最長波長層５Ａから最短波長層５Ｂに向かう複数の層を「最長波長層群」として、最長波長層群を除き、量子ドット層５ごとにその中心波長が異なる構成とされている。
【0025】
例えば、量子ドット群４は、最長波長層群の量子ドットがＩｎＡｓ、これ以外の量子ドット層５の量子ドットがＩｎｘＧａ（１－ｘ）Ａｓ（０＜ｘ＜１）で構成されることで、最長波長層群を除き、量子ドット層５ごとの発光波長が異なっている。量子ドット群４は、例えば、最長波長層群以外の量子ドットが量子ドット層５ごとに組成あるいは格子定数が異なる状態となるように構成されることで、その発光波長が順次シフトする構成とされる。なお、量子ドットは、例えば、歪が生じるように結晶成長させられることで、量子ドット層５ごとにその発光波長が異なるものとして構成される。
【0026】
量子ドット群４は、本実施形態では、最長波長層群を構成する複数の量子ドット層５がすべて同一の中心波長となっている。言い換えると、量子ドット群４は、最も中心波長が長波長である量子ドットの総体積が、他の異なる量子ドット層５それぞれにおける量子ドットの総体積よりも大きくなっている。これにより、高電流注入時に、量子ドット群４の波長帯域において所定以上の利得、すなわち高出力を得つつ、その利得の平滑性を確保することができる。この詳細については後述する。なお、最長波長層群を構成する量子ドット層５の数については、２つまたは３つ以上とされるが、適宜変更されてもよい。
【0027】
ｐクラッド層６は、例えば、ｐ型ＡｌＧａＡｓなどの半導体材料により構成され、ＭＢＥ法などの任意の成膜法により量子ドット群４の上に形成される。ｐクラッド層６のうち量子ドット群４とは反対側の面には、半導体基板２に形成される図示しない電極と対をなす、図示しない電極が形成され、これらの一対の電極により量子ドット群４に電圧印加が可能となっている。
【0028】
以上が、本実施形態の半導体素子１の基本的な構成である。半導体素子１は、量子ドット群４の量子ドットの高さを積層方向に沿って順次変えることで、広帯域の波長範囲において所定以上の利得を得つつも、最長波長層群により高電流注入時に利得の平滑化がなされる。
【0029】
〔最長波長層群による効果〕
次に、最長波長層群による利得の平滑化について、図面を参照して説明する。
次に、最長波長層群による利得の平滑化について、図面を参照して説明する。
【0030】
まず、最長波長層群を有しない比較例の半導体素子における課題について説明する。比較例の半導体素子は、量子ドット群４を構成する複数の量子ドット層５のすべてが、利得の中心波長が異なっており、同一の中心波長の量子ドット層５を有しない点で本実施形態の半導体素子１と相違する。比較例の半導体素子は、複数の量子ドット層５の利得スペクトルがオーバーラップするように構成されることで、例えば図２に示すように、光通信システム用途での電子注入量において波長帯域の利得が平滑化される構成となっている。
【0031】
なお、図２における「低注入」とは、光通信システム用途を想定した場合の電子注入量（例えば１０ｍＡ未満の電流量）を意味し、「高注入」とは、車載用ＬｉＤＡＲ用途を想定した場合の電子注入量（例えば１０ｍＡ以上の電流量）を意味する。本明細書における「高注入」あるいは「高電子注入」とは、車載用ＬｉＤＡＲ等の高出力が求められる用途における電子注入量（例えば限定するものではないが、１０ｍＡ以上）を意味する。
【0032】
ここで、量子ドットＳＯＡは、温度が変わると、同じ電子注入量であっても利得が変化し、室温（例えば２５℃）と高温（例えば８５℃）とでは、電子注入量に対する利得と所定以上の利得が得られる波長帯域が変化する。例えば、比較例の半導体素子は、例えば図２に示すように、室温・低注入の場合における波長帯域をＷＲ１とし、高温・低注入の場合における波長帯域をＷＲ２とすると、その範囲がＷＲ１＞ＷＲ２となると共に、その利得が室温＞高温となる。
【0033】
そこで、全波長帯域において所定以上の所望の利得、すなわち目標利得を確保するためには、電子注入量を上げ、各量子ドット層５の利得を増加させることが考えられる。しかし、本発明者らの検討の結果、比較例の半導体素子では、図２に示すように、室温・高温のいずれも高注入の場合、短波長側の利得増加が長波長側の利得増加よりも相対的に大きく、波長帯域ＷＲ１、ＷＲ２において利得の平滑性が損なわれることが判明した。
【0034】
具体的には、比較例の半導体素子は、２５℃において、３ｍＡ～１５ｍＡの範囲内で電子注入量を変化させた場合、例えば図３に示すように、１２２０ｎｍの利得と１２８５ｎｍの利得が共に増加するものの、その増加度合いが大きく異なっていた。例えば、１２２０ｎｍの利得は、３ｍＡの場合には１２８５ｎｍの利得よりも小さいが、６ｍＡの場合には１２８５ｎｍの利得と同程度となり、９ｍＡ以上になると１２８５ｎｍの利得よりも大きくなり、１２８５ｎｍの利得との差が開く一方であった。
【0035】
また、比較例の半導体素子は、８５℃において、１１６０ｎｍ～１３６０ｎｍの波長帯域にてその利得が２５℃に比べて全体的に小さいものの、４ｍＡ～２０ｍＡの範囲内で電子注入量を上げた場合の利得増加については、２５℃の場合と同様の傾向が見られた。例えば、比較例の半導体素子では、図４に示すように、８５℃では、１２５０ｎｍの利得は、４ｍＡの場合には１３２０ｎｍの利得と同程度であるが、８ｍＡの場合には１３２０ｎｍの利得よりもやや大きくなった。そして、１２５０ｎｍの利得は、１２ｍＡ以上になると１３２０ｎｍの利得よりもさらに大きくなり、１３２０ｎｍの利得との差が開く一方であった。
【0036】
このように、比較例の半導体素子は、室温・高温のいずれにおいても、電子注入量を所定以上に上げることで、全波長帯域における利得を増やすことができるものの、短波長側のほうが長波長側よりも利得が相対的に大きくなり、利得の平滑性が損なわれてしまう。
【0037】
そこで、本実施形態の半導体素子１は、量子ドット群４に最波長層群、すなわち最も長波長である同一の中心波長を有する２以上の最長波長層５Ａを設け、予め最長波長層５Ａに対応する波長の利得が相対的に多く得られる構成となっている。つまり、半導体素子１は、短波長側のほうが長波長側よりもその利得増加が大きいことを見越して、低電子注入時において、最長波長層５Ａに対応する利得が短波長側よりも大きい構成とされており、高電子注入時に、利得の平滑性を確保できる。これにより、半導体素子１は、例えば図５に示すように、波長帯域ＷＲ３を広く確保しつつ、所定の目標利得以上の利得と、その際の平坦利得とを両立することができる。
【0038】
本実施形態によれば、最長波長層群により予め長波長側の利得を相対的に増加させた量子ドット群４となり、高電流注入時に、広い波長帯域において所定以上の利得、すなわち高出力を得つつ、その利得の平滑性を確保できる半導体素子１となる。
【0039】
（第２実施形態）
第２実施形態の半導体素子１について、図面を参照して説明する。
第２実施形態の半導体素子１について、図面を参照して説明する。
【0040】
本実施形態の半導体素子１は、例えば図６に示すように、量子ドット群４の配列が逆、すなわち最長波長層５Ａがｐクラッド層６側の端部に配置され、最短波長層５Ｂがｎクラッド層３側の端部に配置された配列となっている点で上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。
【0041】
量子ドット群４は、本実施形態では、複数の量子ドット層５の配列方向が上記第１実施形態の逆となっている。量子ドット群４は、ｎクラッド層３側の端部の第１層５－１が最短波長層５Ｂであり、かつｐクラッド層６に向かうにつれて各量子ドット層５の中心波長が長波長側に順次シフトするように積層された構成となっている。言い換えると、量子ドット群４は、ｐクラッド層６に隣接する第ｎ層５－ｎが最長波長層５Ａとなっている。
【0042】
量子ドット群４が上記の配列とされることで、最長波長層５Ａは、本実施形態では、電子に比べて、有効質量が大きく、かつ移動度が小さい正孔を供給するｐクラッド層６に最も近い領域に位置することとなる。つまり、量子ドット群４は、最長波長層５Ａ側の量子ドット層５ほどｐクラッド層６からの正孔の供給量が多い状態となる。その結果、量子ドット群４は、最長波長層５Ａ側の利得が最短波長層５Ｂ側の利得よりも相対的に大きい状態となり、電流注入量を高くした際における波長帯域の利得が所定以上となりつつも、その利得が平滑化される。
【0043】
なお、量子ドット群４は、本実施形態では、各量子ドット層５における最大利得が得られる中心波長がすべて異なっており、中心波長が同一の複数の量子ドット層５を有しない構成となっている。
【0044】
本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様に、高電流注入時において波長帯域の所定以上の利得確保およびその平滑化の効果が得られる半導体素子１となる。
【0045】
（第３実施形態）
第３実施形態の半導体素子１について、図面を参照して説明する。
第３実施形態の半導体素子１について、図面を参照して説明する。
【0046】
本実施形態の半導体素子１は、例えば図７に示すように、量子ドット群４がｐクラッド層６に近い量子ドット層５に転位Ｄが生じた構成である点で上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。
【0047】
量子ドット群４は、上記第１実施形態と同様に、ｎクラッド層３側の端部の第１層５－１が最長波長層５Ａ、その反対側の端部である第ｎ層５－ｎが最短波長層５Ｂであるが、本実施形態では、最短波長層５Ｂ側の量子ドット層５の群に転位Ｄが生じている。つまり、量子ドット群４は、例えば、最短波長層５Ｂ、または最短波長層５Ｂを含み、最短波長層５Ｂから最長波長層５Ａ側に向かう複数の量子ドット層５が、その結晶性が他の最長波長層５Ａ側の量子ドット層５よりも低い構成となっている。
【0048】
以下、説明の簡便化のため、最短波長層５Ｂを含み、最短波長層５Ｂから最長波長層５Ａ側に向かう複数の量子ドット層５によりなる群を、便宜上、「最短波長層群」と称する。
【0049】
最短波長層群は、本実施形態では、最長波長層群よりも後に積層されることで、半導体基板２から遠い位置に配置されている。つまり、最短波長層群は、量子ドット群４の成膜工程において半導体基板２よりも遠い位置、すなわち量子ドット層５における結晶成長の歪が蓄積される位置となり、最長波長層群に比べて結晶性が低くなる。その結果、量子ドット群４は、最短波長層５Ｂ側の量子ドット層５ほど結晶の欠陥が多く、転位Ｄが生じる状態となり、最短波長層５Ｂ側の利得が最長波長層５Ａ側の利得に比べて小さくなっている。そのため、量子ドット群４は、高電流注入時に、波長帯域における所定以上の利得確保をした際に、その利得の平滑化がなされることとなる。
【0050】
なお、量子ドット群４は、本実施形態では、各量子ドット層５における中心波長がすべて異なっており、中心波長が同一の複数の量子ドット層５を有しない構成となっている。また、量子ドット群４は、ｐクラッド層６側の上層に向かうにつれて量子ドット層５における量子ドットの中心波長が短波長側に順次シフトする積層構成である。量子ドット群４は、量子ドット層５の積層数ｎを所定以上（例えば、限定するものではないが、２０以上）とすることで、最短波長層群の転位Ｄを生じさせる構成とされる。
【0051】
本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様に、高電流注入時において波長帯域の所定以上の利得確保およびその平滑化の効果が得られる半導体素子１となる。
【0052】
（第４実施形態）
第４実施形態の半導体素子１について、図面を参照して説明する。
第４実施形態の半導体素子１について、図面を参照して説明する。
【0053】
本実施形態の半導体素子１は、例えば図８に示すように、最短波長層５Ｂ側の量子ドット層５が、最長波長層５Ａ側の量子ドット層５よりも層内の量子ドットの数が少ない構成である点で上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。
【0054】
量子ドット群４は、上記第１実施形態と同様に、ｎクラッド層３側の端部の第１層５－１が最長波長層５Ａ、その反対側の端部である第ｎ層５－ｎが最短波長層５Ｂであるが、本実施形態では、量子ドット層５の量子ドット密度に意図的に差が設けられている。ここでいう「量子ドット密度」とは、１つの量子ドット層５において当該量子ドット層５内の量子ドットが占める割合を意味する。
【0055】
量子ドット群４は、本実施形態では、例えば、最長波長層５Ａあるいは最長波長群の量子ドットの数が他の量子ドット層５における量子ドットの数よりも多くされることで、その量子ドット密度が相対的に大きい構成となっている。言い換えると、量子ドット群４は、上記第１実施形態と同様に、中心波長が最も長波長の量子ドットの総体積が、他の量子ドット層５それぞれにおける量子ドットの総体積よりも大きくなっている。その結果、量子ドット群４は、最長波長層５Ａ側の利得が最短波長層５Ｂ側の利得に比べて大きくなっている。これにより、量子ドット群４は、高電流注入時に、波長帯域における所定以上の利得確保をした際に、その利得の平滑化がなされることとなる。
【0056】
なお、量子ドット群４は、本実施形態では、各量子ドット層５において最大利得が得られる中心波長がすべて異なっており、中心波長が同一の複数の量子ドット層５を有しない構成となっている。また、量子ドット群４は、ｐクラッド層６側の上層に向かうにつれて量子ドット層５における量子ドットの中心波長が短波長側に順次シフトする積層構成である。
【0057】
本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様に、高電流注入時において波長帯域の所定以上の利得確保およびその平滑化の効果が得られる半導体素子１となる。
【0058】
（第５実施形態）
第５実施形態の半導体素子１について、図面を参照して説明する。
第５実施形態の半導体素子１について、図面を参照して説明する。
【0059】
本実施形態の半導体素子１は、例えば図９に示すように、相対的に、利得が最も大きい第一群４１、第一群４１の次に利得が大きい第二群４２、および利得が最も小さい第三群４３により量子ドット群４が構成されている点で上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。
【0060】
量子ドット群４は、上記第１実施形態と同様に、第１層５－１が最長波長層５Ａ、第ｎ層５－ｎが最短波長層５Ｂであるが、本実施形態では、ｎクラッド層３側から第一群４１、第二群４２、第三群４３の順に積層された構成となっている。第一群４１、第二群４２および第三群４３は、いずれも複数の量子ドット層５によりなるが、量子ドットの材料や組成比が異なっている。
【0061】
例えば、第一群４１は、量子ドットがＩｎＡｓで構成されており、中心波長における利得が第二群４２および第三群４３よりも相対的に大きい。
【0062】
例えば、第二群４２は、量子ドットがＩｎ０．５Ｇａ０．５Ａｓで構成されており、中心波長における利得が相対的に第一群４１より小さく、かつ第三群４３よりも大きい。
【0063】
例えば、第三群４３は、量子ドットがＩｎ０．７５Ｇａ０．２５Ａｓで構成されており、中心波長における利得が相対的に最も小さい。
【0064】
つまり、量子ドット群４は、本実施形態では、最短波長層５Ｂ側ほど利得が相対的に小さい材料あるいは組成比の量子ドットを有し、最長波長層５Ａのほうが大きい利得が得られる。
【0065】
なお、第一群４１、第二群４２および第三群４３は、ｐクラッド層６に近い量子ドット層５ほど、すなわち上層ほど中心波長が短波長側にシフトする構成となっている。また、量子ドット群４は、本実施形態では、各量子ドット層５における中心波長がすべて異なっており、中心波長が同一の複数の量子ドット層５を有しない構成となっている。また、第一群４１、第二群４２および第三群４３を構成する量子ドット層５の数については、適宜変更されうる。
【0066】
本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様に、高電流注入時において波長帯域の所定以上の利得確保およびその平滑化の効果が得られる半導体素子１となる。
【0067】
（第６実施形態）
第６実施形態の半導体素子１について、図面を参照して説明する。図１１、図１２では、後述する第四群４４の量子ドットの電流注入量を上げた時の利得の変化方向を白抜き矢印で示している。また、図１２では、後述する第五群４５の量子ドットの基底状態に対応する利得スペクトルを太線で示している。
第６実施形態の半導体素子１について、図面を参照して説明する。図１１、図１２では、後述する第四群４４の量子ドットの電流注入量を上げた時の利得の変化方向を白抜き矢印で示している。また、図１２では、後述する第五群４５の量子ドットの基底状態に対応する利得スペクトルを太線で示している。
【0068】
本実施形態の半導体素子１は、例えば図１０に示すように、量子ドットの基底準位および高次準位も用いられる第四群４４と、第四群４４における量子ドットのエネルギー準位に対応して調整された第五群４５とを有する点で上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。
【0069】
量子ドット群４は、上記第１実施形態と同様に、ｎクラッド層３側の第１層５－１が最長波長層５Ａ、ｐクラッド層６側の第ｎ層５－ｎが最短波長層５Ｂであるが、本実施形態では、最長波長層５Ａ側が第四群４４、最短波長層５Ｂ側が第五群４５となっている。
【0070】
第四群４４は、例えば、量子ドットがＩｎＡｓで構成された複数の量子ドット層５からなる群である。第四群４４は、それぞれ、高電流注入時に、量子ドットの基底準位に対応する波長の利得に加えて、基底準位の次に高いエネルギー準位に対応する波長の利得が得られるように調整されている。以下、説明の簡便化のため、基底準位の次に高いエネルギー準位を単に「高次準位」と称する。
【0071】
具体的には、量子ドットをＩｎＡｓで構成した場合、第四群４４は、例えば図１１に示すように、各量子ドット層５の量子ドットの基底準位の利得が得られる波長に対して、高次準位の利得が得られる波長が約８０ｎｍ程度短波長側にシフトする。また、第四群４４は、電流注入量を上げると、基底状態に対応する波長の利得に比べて、高次準位に対応する波長の利得のほうが増加する。また、第四群４４および第五群４５は、上層に向かうにつれて、量子ドットの基底準位に対応する波長が短波長側に順次シフトすると共に、基底準位が自身よりも下層に位置する量子ドットの高次準位とは異なる構成となっている。なお、各量子ドット層５の量子ドットの基底準位に対応する波長と高次準位に対応する波長との差は、量子ドットの材料や組成比により変動するが、例えば、６０ｎｍないし１００ｎｍの範囲内とされる。
【0072】
各量子ドット層５において、量子ドットは、電流注入量を増加させ、基底準位にある電子がすべて励起状態になると、次にエネルギー準位が高い高次準位にある電子が続けて励起状態となる。このとき、例えば、最長波長層５Ａよりも上層に位置する量子ドット層５の量子ドットの基底準位が、最長波長層５Ａの量子ドットの高次準位と略同一であるとすると、上層の基底準位にある電子と下層の高次準位にある電子が共に励起状態となる。つまり、下層の量子ドットの高次準位に対応する波長と、上層の量子ドットの基底準位に対応する波長とが略同一であり、当該波長の利得が他の波長における利得よりも相対的に大きくなりすぎて、利得の平滑が損なわれるおそれがある。これを避けるため、量子ドット群４は、上記したように、量子ドット層５それぞれの量子ドットの基底準位が、他の量子ドットの高次準位とは異なる構成となっている。
【0073】
なお、各量子ドット層５における量子ドットの基底準位については、例えば、第四群４４および第五群４５において量子ドットを所定の組成比にしつつ、キャップの組成比を変更し、量子ドットの寸法や密度を制御することで調整可能である。
【0074】
第五群４５は、例えば、量子ドットがＩｎ０．５Ｇａ０．５Ａｓで構成された複数の量子ドット層５からなる群である。第五群４５は、例えば図１２に示すように、量子ドットの基底準位が、第四群４４の量子ドットの基底準位と高次準位との間となるように調整されている。これにより、第五群４５は、第四群４４の量子ドットにおける基底準位と高次準位との中間に位置する波長の利得が得られると共に、高電流注入時において、波長帯域における最大利得の平滑化の効果が得られる。
【0075】
量子ドット群４の総層数には効率が良い最適値が存在するため、量子ドット群４は、単に層数を増やしたとしても効率が上がらず、高い利得、すなわち高出力が得られる構成とはならない。そのため、量子ドット群４は、限られた総層数において、高電流注入時に高出力、かつ利得の平滑性を得るように調整する必要がある。そこで、量子ドット群４は、本実施形態では、上記したように、量子ドット層５の量子ドットの基底準位が、自身よりも下層に位置する量子ドット層５の量子ドットの高次準位とは異なるエネルギー準位となっている。そして、量子ドット群４は、第五群４５における量子ドットの基底準位が、第四群４４の量子ドットの基底準位とその次の高次準位との間となるように構成されることで、これらの準位の間に対応する波長の利得が得られ、利得が平滑化される。
【0076】
本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様に、高電流注入時において波長帯域の所定以上の利得確保およびその平滑化の効果が得られる半導体素子１となる。また、本実施形態では、限られた量子ドット層５の総層数においても、高電流注入時において高出力かつ利得の平滑化の両立を実現することができる。
【0077】
（他の実施形態）
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらの一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。例えば、半導体素子１は、上記各実施形態の構成要素について、明らかに両立しないものを除き、自由に組み合わせた構成とされうる。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらの一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。例えば、半導体素子１は、上記各実施形態の構成要素について、明らかに両立しないものを除き、自由に組み合わせた構成とされうる。
【0078】
なお、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。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
【符号の説明】
【0079】
２ 半導体基板
３ ｎクラッド層
４ 量子ドット群
５ 量子ドット層
５Ａ 最長波長層
５Ｂ 最短波長層
６ ｐクラッド層
３ ｎクラッド層
４ 量子ドット群
５ 量子ドット層
５Ａ 最長波長層
５Ｂ 最短波長層
６ ｐクラッド層
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】