JPH07154029A

JPH07154029A - 量子ワイヤ素子

Info

Publication number: JPH07154029A
Application number: JP6204157A
Authority: JP
Inventors: Loren N Pfeiffer; ネイルプフェイフアーローレン; Horst L Stormer; ルドウィグストーマーホースト; Werner H Wegscheider; ヘルムートベックシャイダーワーナー; Kenneth W West; ウィリアムウエストケネス
Original assignee: American Telephone and Telegraph Co Inc; AT&T Inc
Current assignee: AT&T Inc
Priority date: 1993-08-06
Filing date: 1994-08-08
Publication date: 1995-06-16
Anticipated expiration: 2016-10-29
Also published as: JP3223047B2; EP0637836A1; US5363394A

Abstract

(57)【要約】【目的】従来のＱＷＬ構造体に比較して、励起放射の
しきい値を減少させるようなＱＷＲレーザ構造体を提供
することである。【構成】本発明によれば、ＱＷＲ構造体は、互いにＴ
形に直交して交差する量子井戸層の組を有する。この量
子井戸の組は同一の交差角を有する、より大きなＴ型光
導波装置中に埋設される。この導波構成は、この構造体
の中で形成される光を量子井戸の交差圏に沿って形成さ
れる線状領域に閉じこめる。ＱＷＲの構造体は、へき開
端面上の成長により形成される。これは、イン−シチュ
でへき開された表面上に高品質の再成長を促す分子線エ
ピタキシで形成される。さらに、Ｔ型構造体のワイヤ状
領域からの光放射は、光ポンプ、電子キャリア注入の何
れかによって励起される。前記の層の量子井戸層のそれ
ぞれの厚さを変化させることにより、ＱＷＲ素子から光
放射スペクトルは異なった波長となる。電流注入により
交差部には別個にアクセスするできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザに関し、特に、
量子制限内で動作する量子ワイヤレーザ（quantum wire
laser：ＱＷＲ）に関する。

【０００２】

【従来の技術】量子井戸（ＱＷＬ）半導体レーザは、従
来のヘテロ構造ダイオード構造に比較して、その特性が
改善されている。このＱＷＲレーザにおいては、チャー
ジキャリアは、極端に薄い活性層の一方向に閉じこめら
れた量子である。さらに、この半導体レーザの性能は、
量子を複数の方向で閉じ込めると、改善されると予測さ
れている。

【０００３】論文「Quantum Wire Lasera」,by E.Kapo
n,Proceedings of the IEEE,Vol.80,No.3,March 1992,p
ages 398-410 の記載によれば、疑似一方向性の構造体
が開示され、その構造体においては、光ゲインは、量子
井戸ワイヤ上の活性領域内の二方向に量子力学的に閉じ
こめられたチャージキャリアによって得られる。このよ
うなＱＷＲレーザは、低いしきい値電流と、高い変調バ
ンド幅と、狭いスペクトルライン幅と、低減した温度感
受性というような従来のＱＷＬに比較して優れた性能を
示す。

【０００４】しかし、実際問題としては、複数の次元に
わたって、正確に制御しながら、量子サイズの構造体を
実際に製造することは極めて難しい。このような構造体
を形成する幾つかの技術が報告されている。このような
技術の幾つかは、量子効果が期待できなくなる、サイズ
の変動、面間の無秩序、非放射性再結合中心の導入とい
った小型化に伴う問題がある。このような技術の１つと
しては、E.Kapon et al.,Phys.Rev.Lett.63,430(1989)
によれば、二次元のキャリア閉じこめ特性を表すような
疑似量子ワイヤを形成する有力な方法が示されている。
しかし、この文献によって開示されたワイヤ状の構造体
のサイズは比較的大きいために、多数の一次元サブバン
ドが存在し、バンドフィリングエフェクト（band-filli
ng effect）に起因して、高次の遷移のみが励起放射ス
ペクトルに観測される。このエネルギー領域の高密度状
態スペクトル（density-of-states specturm）は、二次
元の場合のそれに近接しているために、従来のＱＷＬレ
ーザに対し、しきい値電流の改善は報告されていない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ＱＷ
Ｒ構造の改良である。特に、一次元の量子制限内で閉じ
こめ効果を発揮できる（すなわち、ＱＷＲ構造体におい
ては十分なキャリアの閉じこめが二方向で行われ、単一
の境界一次元状態のみで形成できる）ような実際に製造
できる、極小さな断面を有するＱＷＲ構造体を形成する
ことである。従って、本発明の目的は、従来のＱＷＬ構
造体に比較して、励起放射のしきい値を減少させるよう
なＱＷＲレーザ構造体を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のＱＷＲ構造体
は、極薄い量子井戸層と交差する極薄い量子井戸層の組
からなる。この交差する量子井戸層は互いに直交して配
置され、Ｔ形状をしている。しかし、この交差角は実際
では５゜から９０゜の範囲内の何れでもよい。この交差
する量子井戸は、同一の交差角を有するより大きなＴ型
光導波装置中に埋設される。この導波構成は、この構造
体の中で形成される光を量子井戸の交差圏に沿って形成
される線状領域に閉じこめる。

【０００７】また、本発明によれば、ＱＷＲの構造体
は、へき開端面の上の成長により形成される。これは、
イン−シチュ(in situ)でへき開された表面上に高品質
の再成長を流す分子線エピタキシで形成される。

【０００８】さらに、本発明によれば、Ｔ型構造体のワ
イヤ状領域からの光放射は、光ポンプ、あるいは電子キ
ャリア注入の何れかによって励起される。前記の層の量
子井戸層のそれぞれの厚さは変化させることができ、そ
れによりＱＷＲ素子から光放射スペクトルは異なった波
長となる。電流注入により個別の交差部には別個にアク
セスすることができる。

【０００９】

【実施例】図面に図示した製造シーケンスはＴ型構造体
を形成する交差量子井戸を有するＱＷＲ素子を製造する
ものである。一実施例として、交差部におけるワイヤ状
領域の断面寸法は、約７ｎｍ×７ｎｍである。このよう
な構造体において、量子境界状態（quantum-bound stat
e）が形成され、一次元方向の自由キャリア移動は、交
差井戸によって規定された領域に制限される。そして、
このワイヤ状領域はＴ型誘電体導波路内に埋設される。
このようにして、ワイヤ状領域の近傍への光モードの閉
じ込めが行われる。このような一次元の量子ワイヤ内の
基底エネルギー遷移から励起された放射が行われる。

【００１０】第１の成長シーケンスにおいて、図１に示
す多層構造体が標準の堆積室内で従来の分子線エピタキ
シ技術により形成される。例えば、ＭＢＥによりＧａＡ
ｓ基板１０の（００１）面の上に連続した層が成長さ
れ、このＧａＡｓ基板１０は、Ｙ方向に５００μｍの厚
さを有する。エピタキシャル層１２は、約５００ｎｍの
厚さで、ＧａＡｓ基板１０の上部表面に形成される。

【００１１】その後、光導波層１４がエピタキシャル層
１２の上に成長する。例えば、この光導波層１４は１μ
ｍの厚さのＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ製である。次に、量子井
戸領域１６が形成される。この量子井戸領域１６は量子
井戸層とバリア層とを有するの少なくとも１つの量子井
戸を有する。この実施例においては、量子井戸領域１６
は２２周期からなる多重量子井戸（multiple-quantum-w
ell：ＭＱＷ）であるとする。量子井戸領域１６の各量
子井戸は、例えば、ＧａＡｓ製で、その厚さは約７ｎｍ
である。量子井戸領域１６の各バリア層はＡｌ_0.35Ｇａ
_0.65Ａｓ製で、その厚さは約３８ｎｍである。量子井戸
領域１６の正確な特性は図３とともに後述する。

【００１２】その後、他の光導波層１８が（例えば、Ａ
ｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ製）が量子井戸領域１６の上に成長す
る。この光導波層１８の厚さは約３μｍである。重要な
ことは光導波層１４と１８の屈折率は、量子井戸領域１
６のそれ以下であることである。

【００１３】第１の成長シーケンスのステップの後、こ
のＧａＡｓ基板１０は薄くされ（薄厚化、例えば、その
背面を約１５０μｍの厚さまで研磨して）、へき開しや
すくして、へき開の準備のため、次に、前述のＭＢＥ堆
積質内に再挿入される。次に、その堆積質内でインーシ
チュでへき開が行われる。このようなへき開に関して
は、論文 L.P.Pfeiffer,H.L.Stormer,K.W.Baldwin,K.W.
West,A.R.Goni,A.Pinczuk,R.C.Ashoori,M.M.Dignam and
W.H.Wegscheider entitled「Cleaved Edge Overgrowth
for Quantum Wire Fabrication,」Journal of Crystal
Growth 127(1993),pages 849-857 に開示されている。

【００１４】図１に示したように、前述のへき開は矢印
２０でＺ軸に平行なラインに沿って行われる。このよう
にして、新しい結晶学的に完全な（１１０）表面が露出
する。その後、約１−２秒以内で前記の新しい（１１
０）表面上に第２の成長シーケンスが前記の堆積質内で
行われ、開始され、前記の第１の成長シーケンスの間に
形成された層に直交する方向の層を形成する。

【００１５】この実施例においては、四層が（１１０）
表面に形成される。図２においては、三層領域２２とＡ
ｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層２４で示される。このＡｌ_0.5Ｇａ
_0.5Ａｓ層２４はＸ方向で約１μｍの厚さで、Ａｌ_0.5Ｇ
ａ_0.5Ａｓ製である。三層領域２２については、図２の
拡大部分２６である図３に関して説明する。

【００１６】図２の点線２８はここに開示した構造体の
中で生成される光モードのアウトラインを表している。
光励起放射は主にＺ軸方向に沿った構造体から発生され
る。

【００１７】図３は量子井戸領域１６の形状と図２に示
した三層領域２２の特性を表す。特に、図３は量子井戸
領域１６内に含まれる３個の量子井戸層と４個のバリア
層とを表す。さらに、また図３は図２の三層領域２２を
形成する三層の部分を表す。

【００１８】図３において、量子井戸層３０、３２、３
４とバリア層３６、３８、４０、４２が量子井戸領域１
６内に形成されている。第２の成長シーケンスの間に形
成された三層領域２２の三層とは層４４、４６、４８の
ことである。

【００１９】図３に示す量子井戸層４４はＧａＡｓ製
で、Ｘ方向に約７ｎｍの厚さを有する。バリア層４６は
例えばＡｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ製で、約７ｎｍ厚を有す
る。高屈折率層４８は約１６７ｎｍ厚のＡｌ_0.1Ｇａ_0.9
Ａｓ製である。

【００２０】量子井戸領域１６の量子井戸層３０、３
２、３４が量子井戸層４４と交差して、極めて小さな領
域のＴ形状接合部分を形成する。各接合部は約７ｎｍ×
７ｎｍの断面を有するワイヤ状領域を形成する。このよ
うな接合部の近傍に電子波機能がこの接合部を形成する
量子井戸アーム内に短路を波状に形成することにより拡
張する。これは隣接する量子井戸以下の多くのミリエレ
クトロンボルトであるワイヤ状領域に対し、境界状態を
形成する。

【００２１】図２の三層領域２２の屈折率は、Ａｌ_0.5
Ｇａ_0.5Ａｓ層２４のそれよりも大きく、且つ、また光
導波層１４と１８のそれよりも大きい。これは量子井戸
領域１６の屈折率は光導波層１４、１８の屈折率よりも
大きいという事実によって、完全に屈折率ガイド（inde
x-guide）のＴ型構造体を形成する。この構造体におい
て、Ｔ型接合部により生成される励起放射は、図２の点
線２８により表されるＴ型接合部の近傍に閉じ込められ
る。

【００２２】上述した実施例において、Ｔ型交差部に沿
って、導波路が形成される。図２の点線２８により示さ
れる領域の有効屈折率は他の領域の屈折率よりも約０．
０３高い。

【００２３】前述の光導波路構造体はＱＷＲ素子に限定
されるものではない。このような導波構造体は完全に屈
折率差でガイドされた量子井戸構造体の形成にも用いら
れる。このようにして、光モードは約１μｍ以下の大き
さのところに閉じ込められる。かくして、例えば、図２
に示すように、量子井戸領域１６がＡｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａ
ｓ（量子井戸材料ではない）のみを含有する場合には三
層領域２２の量子井戸層４４からの光放射は点線２８に
より示される囲まれる領域に限定される。

【００２４】本発明による完全なＱＷＲ素子は図４に示
される。この実施例においては、前述のワイヤ状領域の
Ｚ方向の距離ｄは６００ｎｍである。ＱＷＲ軸に直交す
る平面ミラー５０、５２は、この素子の前表面と後表面
をへき開することにより形成される。この素子の光学活
性化（ポンピング）はＴ接合領域の上の領域に素子の上
面から光を入射することにより行われる。具体的に説明
すると、この素子の表面へのポンピング光ビームの入射
はＺ方向に約７００μｍの長さで、Ｘ方向に約５μｍの
幅のストライプに集光させる。かくして、このストライ
プは図４の点線５３により示されるが、前記のワイヤ状
領域に平行となる。

【００２５】この場合、図４に示される素子の光学ポン
ピングは標準の連続動作ダイレーザで行われ、その出力
は７７５ｎｍの波長に同調している。これに応答して、
素子からの励起光出力が約１０ｍＷ以上の入力パワーポ
ンピングように発生した。より高い励起パワー（約３３
ｍＷ以上）では、この素子からの光出力は７９２．５ｎ
ｍの波長で起こるシングルモードであった。この素子は
液体ヘリウム（１．７Ｋの温度）の中に浸漬された。

【００２６】本発明の他の実施例においては、ＱＷＲレ
ーザにおける励起放射はキャリアを電気的に前述のワイ
ヤ状領域に注入することにより行われた。この実施例を
図５に表す。この構造体の特定な領域はドーピングされ
た。具体的には、三層領域２２の１μｍ厚のＡｌ_0.5Ｇ
ａ_0.5Ａｓ層２４と１６７ｎｍ厚の高屈折率層４８が第
１の導電型のドーパントでドープされた。さらに量子井
戸領域１６の量子井戸層、あるいはバリア層、あるいは
その両方が第１の導電型とは逆の第２の導電型のドーパ
ントでドープされた。さらにバリア層のみがドープされ
た場合には、その中心部のみをドープするのが好まし
く、それにより、変調ドーピングの利点が得られる。こ
の変調ドーピングに関しては、H. L. Stomer, R. Dingl
e, A.C. Gossard and W. Wiegmann, Inst. Conf. Serie
s, London 43, 557(1978)に開示されている。何れにし
てもドーパントレベルはこの構造体の中に十分な導電性
が確保できるように選択される。従来のレーザ技術の公
知のように、この構造体の過大な電圧ドロップを引き起
こさずにキャリア注入用の電流値を実現できるようにす
る。

【００２７】ここで開示している実施例おいては、量子
井戸領域１６はベリリュムのようなｐ型ドーパントでド
ープされ、Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層２４、点線２８は、シ
リコンのようなｎ型ドーパントでドープされた。次に図
５に示すように、ｐ型接点５４が量子井戸領域１６に接
続され、ｎ型接点５６がＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層２４に接
続された。この実施例においては、直流電源５８は図示
するような極性でｐ型接点５４とｎ型接点５６に接続さ
れて、この素子のＴ型接合部であるワイヤ状領域内に電
子キャリアを注入するのに用いられる。

【００２８】図５に示される素子の変形例を図６に示
す。図６においては図５の量子井戸領域１６内に含まれ
る３個量子井戸層と４個のバリア層の一部のみを示す。

【００２９】図６の構成において、ＭＱＷ領域の量子井
戸の一部、またはすべては異なる厚さを有してもよい。
例えば、Ｙ方向においては量子井戸層６０は６．８ｎｍ
の厚さで、量子井戸層６２は７．０ｎｍの厚さで、量子
井戸層６４は７．２ｎｍの厚さである。これらの量子井
戸層の間のバリア層はすべて同一の厚さである。

【００３０】図６において、個別の電気接点がそれぞれ
量子井戸層６０、６２、６４に形成される。これらの個
別の接点は図６ではリード６６、６８、７０として示さ
れている。このようにして、量子井戸領域１６の異なる
大きさの量子井戸の一つは、これらの量子井戸を規定す
るワイヤ状Ｔ型接合部内にキャリアを注入するよう電気
的に活性化される。その結果、Ｔ型接合部から励起放射
される波長は異なる。かくして、この素子により生成さ
れる光モードは電気的に制御されて、量子井戸領域１６
の異なる大きさの量子井戸層に関連する波長を含むよう
に制御できる。

【００３１】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
一方向ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子ワイヤと極端に狭い
横方向の寸法内（例、７ｎｍ×７ｎｍ）で基定エネルギ
ー遷移から励起される光放射が達成される。特に、この
量子ワイヤの励起放射のしきい値は隣接する量子井戸か
らのレーザのしきい値に比較して大きく減少している。
従って、本発明の量子ワイヤレーザはレーザ発振のしき
い値を低くでき、さらに複数の量子ワイヤにより異なっ
た波長を生成できる。本発明の変形例としては、ＧａＡ
ｓの代わりにＩｎＧａＡｓを用いることもできる。さら
に、７ｎｍ×７ｎｍ以下の断面を有するＴ接合ワイヤ状
領域も可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＱＷＲ素子の構成部分の積層部分を表
す断面図。

【図２】図１の素子においてへき開した後、このへき開
面に他の積層構造が成長した後の断面図。

【図３】図２の部分拡大図。

【図４】光学ポンプＱＷＲレーザとして動作するよう構
成された図２、３に示される構造体を表す図。

【図５】キャリアがワイヤ状の領域に電気的に注入され
て、ＱＷＲレーザとして動作するよう構成された図２、
３に示される構造体の断面図。

【図６】様々な波長で励起放射することのできる図５の
レーザの変形例を表す図。

【符号の説明】

１０ＧａＡｓ基板１２エピタキシャル層１４光導波層１６量子井戸領域１８光導波層２２三層領域２４Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ層２６拡大部分２８点線３０、３２、３４量子井戸層３６、３８、４０、４２バリア層４４量子井戸層４６バリア層４８高屈折率層５０、５２平面ミラー５３点線５４ｐ型接点５６ｎ型接点５８直流電源６０、６２、６４量子井戸層６６、６８、７０リード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ホーストルドウィグストーマーアメリカ合衆国、07901 ニュージャージー、サミット、ノブヒルドライブ 11 (72)発明者ワーナーヘルムートベックシャイダーアメリカ合衆国、07933 ニュージャージー、ギレッター、バリーロード 353 (72)発明者ケネスウィリアムウエストアメリカ合衆国、07945 ニュージャージー、メンダム、コアリーレイン 45

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の平面状量子井戸（３０，３２，３
４）を形成する手段（１６）と、前記第１の平面状量子井戸（３０，３２，３４）との交
差点で量子ワイヤ領域を形成するよう、第１の平面状量
子井戸と傾斜して配置される第２の平面状量子井戸を形
成する手段（２２）と、前記量子井戸の近接に配置され、光放射を前記量子ワイ
ヤ領域の近傍に閉じこめるために、光放射を屈折率差で
ガイドする手段（１４、１８）と、からなることを特徴とする量子ワイヤ素子。
【請求項２】前記第１の平面状量子井戸（３０，３
２，３４）と第２の平面状量子井戸（４４）は互いに直
交して配置されることを特徴とする請求項１の素子。
【請求項３】前記第１の平面状量子井戸は、平面状バ
リア層（３６，３８，４０，４２）の間に挟まれた平面
状量子井戸層（３０，３２，３４）を有することを特徴
とする請求項２の素子。
【請求項４】前記第２の平面状量子井戸は、平面状量
子井戸層（４４）と上層平面状バリア層（４６）とを有
することを特徴とする請求項３の素子。
【請求項５】前記屈折率差でガイドする手段は、前記
第１の量子井戸のそれぞれの表面に光導波層（１４、１
８）を有することを特徴とする請求項４の素子。
【請求項６】前記屈折率差でガイドする手段は、前記
上層平面状バリア層（４６）の表面上に高屈折率領域と
低屈折率領域とを有することを特徴とする請求項５の素
子。
【請求項７】前記量子ワイヤ領域にキャリアを注入す
る手段（５４，５６，５８）をさらに有することを特徴
とする請求項６の素子。
【請求項８】前記注入手段は、光ポンプパワー源を有
することを特徴とする請求項７の素子。
【請求項９】前記第１の量子井戸は、第１の導電型の
ドーパントを有し、前記高屈折率層と低屈折率層は、そ
れぞれ第２の導電型のドーパントを有することを特徴と
する請求項７の素子。
【請求項１０】前記第１の量子井戸は、前記第１の導
電型の電気接点（５４）を有し、前記低屈折率層は、前
記第２の導電型の電気接点（５６）を有することを特徴
とする請求項９の素子。
【請求項１１】直流電源（５８）がキャリアを注入す
る前記手段（５４，５６）の間に接続されることを特徴
とする請求項１０の素子。
【請求項１２】前記第１の平面状量子井戸を形成する
手段は、それぞれが平面状量子井戸層を有する複数の量
子井戸を形成し、それにより複数の交差する量子ワイヤ
領域が形成されることを特徴とする請求項９の素子。
【請求項１３】前記第１の平面状量子井戸を形成する
手段内の平面状量子井戸層の各々は、異なる厚さを有す
ることを特徴とする請求項１２の素子。
【請求項１４】前記第１の導電型の電気接点は、前記
異なる厚さの層の各異なる層（６０，６２，６４）に接
続され、前記第２の導電型の電気接点は、前記低屈折率層に形成
されることを特徴とする請求項１３の素子。
【請求項１５】直流電流源が、前記第１の導電型の電
気接点と前記第２の導電型の電気接点の１つあるいはそ
れ以上との間に接続されて、前記量子ワイヤ領域からの
励起放射が異なる周波数で行われることを特徴とする請
求項１４の素子。
【請求項１６】前記第１の量子井戸（１６）と前記光
導波層（１４，１８）は、基板の（００１）表面上に連
続的に成長され、前記直交に配置された量子井戸（４４）と高屈折率層と
低屈折率層を有する層（４８）は、前記基板の（１１
０）表面上に連続的に成長されることを特徴とする請求
項６の素子。
【請求項１７】前記基板は、ＧａＡｓ製で、前記光導
波層は、Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ製で、前記高屈折率層
は、Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ製で、前記低屈折率層は、Ａｌ
_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ製で、各量子ワイヤ領域の断面積は、約
７ｎｍ×７ｎｍであることを特徴とする請求項１６の素
子。