特許 7619195 光半導体素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-01-14

(45)【発行日】2025-01-22

(54)【発明の名称】光半導体素子

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/343 20060101AFI20250115BHJP

   H01S 5/50 20060101ALI20250115BHJP

【ＦＩ】

H01S5/343

H01S5/50 610

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021115689

(22)【出願日】2021-07-13

(65)【公開番号】P2023012188

(43)【公開日】2023-01-25

【審査請求日】2024-01-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【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

(73)【特許権者】

【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】鎌田 裕樹

(72)【発明者】

【氏名】樽見 浩幸

(72)【発明者】

【氏名】大山 浩市

(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

【審査官】佐竹 政彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１６３０３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２２４７３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０４９３９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００９／１１８７８４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平１１－３５４８３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０７９５８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０７６４５１２３（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０

Ｈ０１Ｌ ３３／００－３３／６４

(57)【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（２４）と、
前記活性層に積層されたｐ型クラッド層（２５）と、
前記活性層に積層されたｎ型クラッド層（２３）と、を備え、
前記複数の量子ドット層には、
ｐ型不純物が添加された第１量子ドット層（２４２）と、
前記第１量子ドット層とは発光波長が異なり、ｎ型不純物が添加された第２量子ドット層（２４３）とが含まれ、
前記第２量子ドット層よりも前記第１量子ドット層の方が、前記ｐ型クラッド層との距離が近く、
前記複数の量子ドット層は、前記ｐ型クラッド層に近いほどｐ型不純物濃度が高く、前記ｎ型クラッド層に近いほどｎ型不純物濃度が高い光半導体素子。

【請求項2】

前記第１量子ドット層の発光波長は、前記第２量子ドット層の発光波長よりも短い請求項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には、前記第１量子ドット層および前記第２量子ドット層に加えて、第３量子ドット層（２４４）が含まれており、
前記第３量子ドット層は、ｐ型不純物濃度およびｎ型不純物濃度が前記第１量子ドット層よりも低く、ｐ型不純物濃度およびｎ型不純物濃度が前記第２量子ドット層よりも低い請求項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には、前記第１量子ドット層および前記第２量子ドット層に加えて、第３量子ドット層（２４４）が含まれており、
前記第２量子ドット層の発光波長をλ２とし、
前記第３量子ドット層の発光波長をλ３として、
λ２＜λ３であるか、または、
前記発光波長λ２と前記発光波長λ３とで構成される前記活性層の利得スペクトルが単峰性となっている請求項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】

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（２４）と、
前記活性層に積層されたｐ型クラッド層（２５）と、を備え、
前記複数の量子ドット層には、
ｐ型不純物が添加された第１量子ドット層（２４２）と、
前記第１量子ドット層とは発光波長が異なり、ｎ型不純物が添加された第２量子ドット層（２４３）とが含まれ、
前記第２量子ドット層よりも前記第１量子ドット層の方が、前記ｐ型クラッド層との距離が近く、
前記第１量子ドット層の発光波長は、前記第２量子ドット層の発光波長よりも短く、
前記複数の量子ドット層には、前記第１量子ドット層および前記第２量子ドット層に加えて、第３量子ドット層（２４４）が含まれており、
前記第３量子ドット層は、ｐ型不純物濃度およびｎ型不純物濃度が前記第１量子ドット層よりも低く、ｐ型不純物濃度およびｎ型不純物濃度が前記第２量子ドット層よりも低く、
前記第２量子ドット層の発光波長をλ２とし、
前記第３量子ドット層の発光波長をλ３として、
λ２＜λ３であるか、または、
前記発光波長λ２と前記発光波長λ３とで構成される前記活性層の利得スペクトルが単峰性となっている光半導体素子。

【請求項6】

前記複数の量子ドット層は、前記ｐ型クラッド層に近いほどｐ型不純物濃度が高い請求項５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は、発光波長が短いほどｐ型不純物濃度が高い請求項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は、発光波長が長いほどｐ型不純物濃度およびｎ型不純物濃度が低い請求項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】

前記第１量子ドット層の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、
前記第２量子ドット層のｎ型不純物濃度は、量子ドット（２４３ａ）の面密度の２倍以上とされている請求項１ないし８のいずれか１つに記載の光半導体素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、量子ドット層を備える光半導体素子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】

【文献】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】

そこで、本発明者らは、特願２０２１－７１８０９号にて、ｐ型不純物が添加された量子ドット層と、ｐ型不純物をほとんど含まないアンドープ層とされた量子ドット層とを備えた光半導体素子を提案している。これによれば、発光帯域を拡大するとともに、動作波長を固定した際の温度変化に伴う利得変動を抑制することができる。

【0008】

しかしながら、このような光半導体素子では、アンドープ層によってキャリアの拡散が不十分となり、発光に寄与しない量子ドット層が存在する。したがって、発光に寄与する量子ドット層を増やし、光半導体素子の利得を向上させる余地がある。

【0009】

本発明は上記点に鑑みて、利得を向上させることができる光半導体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】

【0010】

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（２４）と、活性層に積層されたｐ型クラッド層（２５）と、活性層に積層されたｎ型クラッド層（２３）と、を備え、複数の量子ドット層には、ｐ型不純物が添加された第１量子ドット層（２４２）と、第１量子ドット層とは発光波長が異なり、ｎ型不純物が添加された第２量子ドット層（２４３）とが含まれ、第２量子ドット層よりも第１量子ドット層の方が、ｐ型クラッド層との距離が近く、複数の量子ドット層は、ｐ型クラッド層に近いほどｐ型不純物濃度が高く、ｎ型クラッド層に近いほどｎ型不純物濃度が高い。

【0011】

これによれば、ｎ型不純物が添加された第２量子ドット層によって正孔の拡散が促進されるため、発光に寄与する量子ドット層を増やし、利得を向上させることができる。

【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】活性層の利得スペクトルである。

【図5】利得の温度特性を示す図である。

【図6】比較例のバンド図である。

【図7】第１実施形態のバンド図である。

【図8】第２実施形態における活性層の断面図である。

【図9】第２実施形態における活性層の利得スペクトルである。

【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。

【0016】

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。

【0017】

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などで構成されたｎ型クラッド層である。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。

【0018】

オーバークラッド層２５は、活性層２４の上面に形成されている。オーバークラッド層２５は、ｐ型のＡｌＧａＡｓなどで構成されたｐ型クラッド層である。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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

複数の量子ドット層には、量子ドット層２４２および量子ドット層２４３が含まれている。量子ドット層２４２にはｐ型不純物が高濃度に添加されており、量子ドット層２４３にはｎ型不純物が高濃度に添加されている。量子ドット層２４２、量子ドット層２４３はそれぞれ第１量子ドット層、第２量子ドット層に相当する。

【0024】

活性層２４は、量子ドット層２４２と量子ドット層２４３とをそれぞれ複数備えており、複数の量子ドット層２４２は、複数の量子ドット層２４３の上部に積層されている。すなわち、量子ドット層２４３よりも量子ドット層２４２の方が活性層２４上部のオーバークラッド層２５との距離が近くなっている。例えば、量子ドット層２４２、２４３の層数は、それぞれ８層とされる。

【0025】

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。２つの量子ドット層２４３の間に形成された中間層２４１と、最下部の量子ドット層２４３の下に形成された中間層２４１には、ｎ型不純物層２４１ｂが含まれている。

【0026】

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。ｎ型不純物層２４１ｂは、中間層２４１の形成途中にｎ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ｎ型不純物が含まれた構成とされている。

【0027】

このようにｐ型不純物層２４１ａ、ｎ型不純物層２４１ｂを量子ドット層２４２、２４３の近傍に配置することで、ｐ型不純物層２４１ａから拡散したｐ型不純物、ｎ型不純物層２４１ｂから拡散したｎ型不純物が、それぞれ量子ドット層２４２、２４３に添加される。なお、量子ドット層２４２と量子ドット層２４３との間の中間層２４１には、ｐ型不純物層２４１ａとｎ型不純物層２４１ｂのうちいずれか一方が含まれていてもよいし、いずれも含まれていなくてもよい。

【0028】

なお、ｐ型不純物層２４１ａは、オーバークラッド層２５に近いほどｐ型不純物濃度が高くなっている。また、ｎ型不純物層２４１ｂは、アンダークラッド層２３に近いほどｎ型不純物濃度が高くなっている。このような構成により、複数の量子ドット層２４２と複数の量子ドット層２４３は、オーバークラッド層２５に近いほどｐ型不純物濃度が高くなっており、アンダークラッド層２３に近いほどｎ型不純物濃度が高くなっている。

【0029】

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つ以上閉じ込められる。そして、量子ドット層２４２のｐ型不純物濃度は、量子ドット層２４２に形成された量子ドット２４２ａの面密度の２倍以上とされる。また、量子ドット層２４３のｎ型不純物濃度は、量子ドット層２４３に形成された量子ドット２４３ａの面密度の２倍以上とされる。

【0030】

オーバークラッド層２５に近いほど量子ドット層２４２のｐ型不純物濃度が高い本実施形態では、例えば、オーバークラッド層２５に最も近い量子ドット層２４２のｐ型不純物濃度が量子ドット２４２ａの面密度の２倍以上とされる。また、アンダークラッド層２３に近いほど量子ドット層２４３のｎ型不純物濃度が高い本実施形態では、例えば、アンダークラッド層２３に最も近い量子ドット層２４３のｎ型不純物濃度が量子ドット２４３ａの面密度の２倍以上とされる。

【0031】

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。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をλ１とし、量子ドット層２４３の発光波長をλ２とすると、例えば、波長λ１、λ２は、それぞれ、１２１０ｎｍ、１２８０ｎｍとされる。

【0032】

このような構成により、活性層２４の利得スペクトルは、図４に示すようになる。図４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λ１、λ２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。

【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λ１と、所定の温度における波長λ２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。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。すなわち、図５に示すように、低温時には量子ドット層２４３の利得によって活性層２４全体の利得が維持され、高温時には量子ドット層２４２の利得によって活性層２４全体の利得が維持される。図５において、実線、一点鎖線、二点鎖線は、それぞれ、室温、低温、高温における活性層２４の利得を示す。

【0043】

なお、ｎ型不純物を添加すると高温時の利得が低下するが、ｎ型不純物が添加された量子ドット層２４３を長波長側とすれば、量子ドット層２４３の利得が影響するのは低温時のみとなるため、動作波長λｏｐにおける高温時の利得低下を抑制することができる。また、ｐ型不純物が添加された量子ドット層は、ｎ型不純物が添加された量子ドット層に比べて、高温時の利得低下が小さいため、量子ドット層２４２を短波長側とすることにより、動作波長λｏｐにおける高温時の利得低下を抑制することができる。

【0044】

本実施形態の効果について説明する。量子ドット層２４３がｐ型不純物およびｎ型不純物をほとんど含まないアンドープ層とされた場合を想定する。この場合には、図６に示すように、移動度の高い電子がアンダークラッド層２３から活性層２４全体に拡散する。一方、移動度の低い正孔は活性層２４のうちオーバークラッド層２５に近い部分には拡散するものの、ほとんどが量子ドット層２４２まで一様に拡散した電子と再結合する。そして、新たに供給された正孔は量子ドット層２４２で消滅した正孔を補うように移動し、アンダークラッド層２３に近い部分には到達しない。そのため、アンダークラッド層２３付近の量子ドット層２４３では電子と正孔との結合が起こらず、この量子ドット層２４３は発光に寄与しない。

【0045】

これに対して、本実施形態では、量子ドット層２４３にｎ型不純物が高濃度に添加されている。これにより、量子ドット層２４３の電子濃度が高くなり、正孔との再結合確率が増加することで正孔が引き寄せられ、図７に示すように、量子ドット層２４３においても正孔の拡散が促進される。そのため、アンダークラッド層２３付近の量子ドット層２４３も発光に寄与するようになり、活性層２４全体での利得が向上する。

【0046】

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には、ｐ型不純物が添加された量子ドット層２４２と、量子ドット層２４２とは発光波長が異なり、ｎ型不純物が添加された量子ドット層２４３とが含まれる。これにより、量子ドット層２４２の利得が向上する。

【0047】

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。

【0048】

（１）量子ドット層２４３よりも量子ドット層２４２の方が、オーバークラッド層２５との距離が近い。これにより、量子ドット層２４２におけるキャリアの拡散が促進される。

【0049】

（２）複数の量子ドット層２４２、２４３は、オーバークラッド層２５に近いほどｐ型不純物濃度が高い。このように活性層２４の端部においてｐ型不純物の濃度を高くすることで、キャリアの拡散がさらに促進され、活性層２４の利得がさらに向上する。

【0050】

（３）複数の量子ドット層２４２、２４３は、アンダークラッド層２３に近いほどｎ型不純物濃度が高い。このように活性層２４の端部においてｎ型不純物の濃度を高くすることで、キャリアの拡散がさらに促進され、活性層２４の利得がさらに向上する。

【0051】

（４）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い。これにより、動作波長λｏｐにおける高温時の利得低下を抑制することができる。

【0052】

（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実施形態に対して活性層２４の構成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。

【0053】

図８に示すように、本実施形態では、活性層２４が備える複数の量子ドット層に、量子ドット層２４２および量子ドット層２４３に加えて、量子ドット層２４４が含まれている。量子ドット層２４４は、第３量子ドット層に相当する。

【0054】

活性層２４は、量子ドット層２４４を複数備えており、複数の量子ドット層２４４は、複数の量子ドット層２４２と、複数の量子ドット層２４３との間に積層されている。例えば、量子ドット層２４２、２４３、２４４の層数は、それぞれ８層、５層、３層とされる。

【0055】

量子ドット層２４４は、ｐ型不純物濃度およびｎ型不純物濃度が量子ドット層２４２よりも低く、ｐ型不純物濃度およびｎ型不純物濃度が量子ドット層２４３よりも低くされている。

【0056】

具体的には、２つの量子ドット層２４４の間に形成された中間層２４１には、ｐ型不純物層２４１ａとｎ型不純物層２４１ｂのいずれも含まれていない。また、最上部の量子ドット層２４４の上に形成された中間層２４１と、最下部の量子ドット層２４４の下に形成された中間層２４１にも、ｐ型不純物層２４１ａとｎ型不純物層２４１ｂのいずれも含まれていない。このような構成により、量子ドット層２４４は、ｐ型不純物およびｎ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。

【0057】

量子ドット層２４４の発光波長をλ３とすると、λ２＜λ３とされている。これにより、活性層２４の利得スペクトルは、図９に示すようになる。図９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、２４３、２４４の利得スペクトルを示す。アンドープ層はｐ型不純物またはｎ型不純物が添加された量子ドット層に比べて低温時の利得低下が小さい。そのため、量子ドット層２４４の発光波長を量子ドット層２４２、量子ドット層２４３よりも長くすることで、動作波長λｏｐにおける低温時の利得低下を抑制することができる。

【0058】

このように、活性層２４が備える複数の量子ドット層を、発光波長が短いほどｐ型不純物濃度が高く、発光波長が長いほどｐ型不純物濃度およびｎ型不純物濃度が低い構成とすることにより、広い波長範囲で高い利得を得ることができる。

【0059】

あるいは、λ２≒λ３またはλ３＜λ２とされるとともに、波長λ２と波長λ３で構成される利得スペクトルが単峰性とされている。すなわち、活性層２４の利得スペクトルは図４と同様の形状となり、右側の一点鎖線で示す利得スペクトルが、量子ドット層２４３と量子ドット層２４４の利得によって構成される。この場合にも、動作波長λｏｐにおける低温時の利得低下を抑制することができる。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

（１）活性層２４が備える複数の量子ドット層には、量子ドット層２４２および量子ドット層２４３に加えて、量子ドット層２４４が含まれている。そして、量子ドット層２４４は、ｐ型不純物濃度およびｎ型不純物濃度が量子ドット層２４２よりも低く、ｐ型不純物濃度およびｎ型不純物濃度が量子ドット層２４３よりも低い。これにより、低温時の利得低下を低減することができる。

【0063】

（２）λ２＜λ３とされている。または、波長λ２と波長λ３で構成される活性層２４の利得スペクトルが単峰性とされている。これにより、低温時の利得低下をさらに低減することができる。

【0064】

（３）活性層２４が備える複数の量子ドット層は、発光波長が短いほどｐ型不純物濃度が高い。このような構成により、広い波長範囲で高い利得を得ることができる。

【0065】

（４）活性層２４が備える複数の量子ドット層は、発光波長が長いほどｐ型不純物濃度およびｎ型不純物濃度が低い。このような構成により、広い波長範囲で高い利得を得ることができる。

【0066】

（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。

【符号の説明】

【0067】

２４ 活性層
２４２ 量子ドット層
２４３ 量子ドット層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】