量子ドットを用いた半導体レーザーの低消費電力化

 レーザーの歴史を振り返ると，今年はメイマン博士によ る世界で初めてのルビーレーザー発振から数えてちょうど 50 年目に当たる．その博士による初めてのレーザー発振 から 2 年後に，半導体レーザーの発振に成功した．以降， この 50 年の間に，科学技術をはじめとする社会の発展に 半導体レーザーが果たしてきた貢献は限りなく大きい．そ の一方，現代社会に目を向けると，環境問題に対する関心 が大きく高まり，持続可能な社会の構築に向けた，電力消 費削減の取り組みが世界的規模で急速に進んでいる．この ような社会状況のパラダイムシフトの中で，社会の発展に 寄与してきた半導体レーザーも，低消費電力動作に向けた 改善が急務であるといえる．  本論文では，三次元ナノ量子構造である量子ドットを用 いた半導体レーザーの低消費電力化について述べる．量子 ドットレーザーは 1982 年に荒川，榊らによりその原理が 最初に提唱され1）_{，以後，大学や企業など多くの機関で研} 究，開発が盛んに進められている．以下に，量子ドットと 量子ドットレーザーについて簡単に説明する．  量子ドットは数百個から数千個の半導体原子が凝集した 半導体の粒であり，その大きさは数十ナノメートル程度で ある．このようなナノサイズの半導体に電子を閉じ込める と，電子は量子的振る舞いを示す．図 1 に示すように，量 子ドットに閉じ込められた電子は連続的なバンド構造をも つバルク半導体や電子を一次元方向で閉じ込めた量子井戸 構造とは異なり，完全に離散的なエネルギー準位を示す． このようなエネルギー準位は量子ドットのサイズが小さく なるとより高エネルギー側にシフトし，他の高次準位との エネルギー間隔も大きくなる．これは「量子サイズ効果」 とよばれている．  このような量子ドットを活性層に適用した量子ドット レーザーは，従来の量子井戸レーザーとは異なるユニーク な特長をもつ．量子ドット活性層に注入されたキャリヤー は量子ドットのエネルギー準位に入るが，量子ドットのエ ネルギー準位はデルタ関数的で離散化しているため，電子 は上位準位やクラッド層へ放出することなく，ホールとの 間で効率よく再結合し，光を発生する．また外部環境温度 によりバルク半導体や量子井戸は電子が熱的広がりを伴う 分布をもつが，量子ドットはエネルギーが離散化している ため，外部環境温度の影響を受けにくく，温度安定なレー ザー特性をもつ．以上より，量子ドットレーザーは低閾値 電流密度，優れた温度安定性，高速動作特性などを示すこ とが理論的に予想されている1）_{．また低チャープ特性も量} 子ドットレーザーの大きな特長のひとつである．  図 2 は InAs 量子ドットの成長模式図である．GaAs 上に In 原子と As 原子を照射すると InAs を形成するが，InAs は GaAs と格子定数が異なる格子不整合系材料であることか

低消費エネルギー社会へ向けた光技術

解 説

量子ドットを用いた半導体レーザーの低消費電力化

田  中   有

Low Power Consumption by Quantum Dot Laser Technology

Yu TANAKA

We report on low power consumption by quantum dot laser. By utilizing newly developed high-density quantum dot, characteristics of quantum dot laser have been greatly improved. The characteristics of the Fabry Perot （FP） and distributed-feedback （DFB） lasers in terms of power consumption will be introduced.

Key words: quantum dot, high density, FP laser, DFB laser

（株）富士通研究所（〒243―0197 厚木市森の里若宮 10―1） E-mail: [email protected] （株）QD レーザ（〒210―0855 川崎市川崎区南渡田町 1―1 京浜ビル 1 階）

ら，二次元的に広がるウェッティング（wetting）層を形成 した後，エネルギーを緩和するために島状に量子ドットが 形成される．これは Stranski-Krastnov モードとよばれる成 長モードである．  近年では量子ドット結晶の成長技術が大幅に向上したこ とから，量子ドットの優れた特性が実験的に実証されるよ うになった．例えば，世界最小の閾値電流密度は量子ドッ トレーザーで実現されており2）_{，低チャープ特性に関して} は非常に小さいa パラメーターが観測されている3）_．さら に，活性層近傍に p 型変調ドーピングを行うことで，室温 付近の温度依存性が改善されることが実証されている4）_． 動作速度についても 1.3 mm の光通信波長帯での 10 Gb/s 変調動作が報告されてきており5─9）_{，量子ドットレーザー} 開発が大きく進展している．  また，企業における量子ドットレーザーの開発は 1990 年代から盛んになり，その後 2000 年代に入り，産学連携 スキームに基づいて大学との共同研究が進められてきた． そして現在，高性能量子ドットレーザーの実用化が進めら れている．  本論文では富士通研究所，QD レーザ社，東京大学で進 める波長 1.3 mm 帯の光通信用途における最近の InAs/GaAs 量子ドットレーザー開発状況について報告する．まず， ファブリー・ペロー型（Fabry Perot，以下 FP）レーザー の開発状況について述べる．最近開発した高密度量子ドッ トの特性について報告した後，FP レーザーの 10.3 Gb/s 変 調特性について報告する．環境温度により駆動条件が変化 しない温度無依存動作であり，省エネルギー化の観点から みて非常にユニークな特長をもつ．次に，単一モード化を 図り，分布帰還型（distributed-feedback，以下 DFB）レー ザーの電流─光出力特性について報告する．従来の量子井 戸レーザーと比較して閾値電流がほとんど動かず，高温に おける特性劣化が小さい．最後に，まとめとして量子ドッ トレーザーの今後の展開について簡単に述べる． 1. ファブリー・ペロー型レーザーの開発  上記のように，量子ドットレーザーは低閾値発振と温度 安定性において非常に優れた特性を示すが，光通信用途と して利用するためには，さらに高速変調特性に注目する必 要がある．特に 10 Gb/s 以上の変調特性に関して，量子 ドットレーザーはまだ改善の余地がある．一般的に量子 ドットレーザーは量子ドット活性層の利得が不足してお り，基底準位におけるキャリヤー飽和が原因で，上位準位 から基底準位への緩和時間が大きくなり，変調帯域がダン ピングにより制限される傾向にある．このような理由か ら，量子ドットレーザーにおける 10 GHz 以上の変調帯域 に関する報告は少なく，例えば量子ドット層に隣接して成 長した量子井戸からの高速なトンネル過程によるキャリ ヤー注入動作を利用することで 11 GHz の変調帯域達成な どの報告があるにすぎない10）_．  このような理由から，10 Gb/s 変調光通信用途で温度安 定な量子ドットレーザーの特長を生かすためには，高速特 性の改善を図る必要がある．上記したように量子ドット レーザーの高速化には利得の増大とキャリヤー緩和時間低 減の 2 つの手法が有効であり，理論解析からも明らかに なっている11）_{．そこでわれわれは前者のアプローチである} 利得の増大を進めることとし，利得の増大には量子ドット の高密度化と量子ドットサイズ広がりの抑制が重要である ことから，まず，量子ドットの高密度化を検討した．  われわれは分子線エピタキシー（molecular beam epi-taxy，以下 MBE）法を用いた量子ドットの成長条件を最 適化して，新たに高密度量子ドットの作製に成功した．図 3（a）に，作製した量子ドットレーザーの原子間力顕微鏡 （atomic force micrscope，以下 AFM）像を示す．AFM 像

図 1 量子ドットのエネルギー状態．

からは非常に密に量子ドットが形成していることが確認で き，サイズも均一であることがわかる．量子ドット密度は 5.9×1010 _cm−2_{であり，従来作製してきたもの（3.0×10}10 cm−2_{）と比べて 2 倍の密度を得ることができた．次にこの} 高密度量子ドットを 5 層積層し，その間の GaAs バリヤー 層に p 型変調ドーピングを施した量子ドット活性層を成 長した．活性層の上下構造は n 型 Al0.4Ga0.6As クラッド層と p 型 Al0.4Ga0.6As クラッド層で構成されている．この量子 ドットの利得を調べるために，試作簡便なブロードエリア レーザーを作製し，共振器長と端面反射率をパラメーター としてミラー損失を変化させながら閾値電流密度を調べ， 実験的に正味モード利得を抽出した．図 3（b）に正味モー ド利得と電流密度の関係図を示す．正味モード利得はG g-ai（Gg：モード利得，ai：内部損失）で表され，ミラー損 失と等価なものである．図より，注入電流密度を増加する と正味モード利得が増大し，最大で 35 cm−1_{まで到達して} いることがわかる．この値は従来品（5 層で 17 cm−1_）と 比べて 2 倍程度であり，密度の改善効果がそのまま利得向 上に寄与していることがわかる．また，量子ドット 1 層 あたりにおける正味モード利得は 7 cm−1_{もの高い数字で} あり，世界最高レベルの利得が得られている12─14）_．  図 4 に，この 5 層高密度量子ドット活性層を適用して作 製した FP レーザーの電流─光出力特性を示す．FP レー ザーの共振器長は 200 mm であり，前後端面に 80％以上の 反射膜を形成している．閾値電流は 6 mA で 15℃ から 85℃ までほとんど動かず，この温度範囲での特性温度は 500 K 以上であり，非常に温度安定な特性が得られている．ま た，全温度範囲にわたり駆動電流 50 mA において 7mW 以 上の光出力を得ている．25℃ でのスロープ効率は 0.22 W/A であり，85℃ では 0.17 W/A で高温時のスロープ効率 劣化は−1.1 dB であった．  次に，この素子を用いた大信号 10.3 Gb/s 変調実験結果

（non-return-to-zero，pseudo-random bit sequence＝231_−1） を図 5 に示す．15℃ から 100℃ までの全温度範囲にわたっ て，バイアス電流と変調電流をそれぞれ 35 mA と 40 mAp-p に固定しており，各温度で良好なアイ開口が得られてい る．また，動的消光比は 5.5 dB 以上でイーサネットマスク に対して 48％のマージンが得られた．このように，量子 ドットレーザーは周囲の環境温度により駆動条件を変更せ ずに良好なアイ波形が得られており，アンクールド動作を させても駆動電流が上昇しない．これは温度を制御する熱 電冷却素子が不要であることを示しており，一般に熱電冷 却素子の利用により消費電力が大きく上昇するので，これ を省略できることは消費電力を下げる観点からは非常に大 きい．このように高密度量子ドットレーザーを活性層に適 用することで利得が増加し，量子ドットレーザーの変調特 性が大幅に向上した．温度無依存な 10 Gb/s 変調動作が可 能となり，低消費電力化に大きく貢献することが期待でき る．  また，図 6 には環境温度 85℃ における消費電力に関して 量子井戸レーザーと比較した結果を示す．量子井戸レー ザーと比べて量子ドットレーザーの駆動電流は 6 割程度と 図 3 （a）高密度量子ドットの AFM 像，（b）閾値電流密度と 正味モード利得の関係． 図 4 作製した高密度量子ドット FP レーザーの電流─光出力 特性． 図 5 10.3 Gb/s 変調波形．

なっており，素子自体においても低消費電力効果が顕著で あることがわかる． 2. DFBレーザーの開発  量子ドットレーザーの伝送距離を延長するためにはレー ザー発振スペクトルの単一モード化が必要であり，回折格 子をもつ DFB レーザーの開発が必須である．これまで報 告されてきた量子ドット DFB レーザーはリッジ構造の脇 に Cr など金属の回折格子をリフトオフ形成し，損失結合 を用いた光のフィードバックを利用して単一モードを得る ものであった15，16）_{．しかしながら，この構造では十分な結} 合係数の確保が難しいため，閾値利得を低減するためには 前端面を高反射膜にする必要があり，広い温度範囲にわ たっての単一モード発振の維持に問題があった．われわれ はこの課題を解決するために，新たに回折格子を活性層直 上に形成する DFB レーザー構造を検討し，開発を進めて きた17）_．  図 7 にわれわれが試作した量子ドット DFB レーザーの 構造概略図を示す．量子ドット活性層は 8 層積層した高密 度 InAs 量子ドット層で構成され，FP レーザー同様に各層 間 GaAs バリヤー層に p 型変調ドーピングを施してある． その活性層直上の GaAs/InGaP 界面に回折格子を形成し た．回折格子を量子ドット活性層直上に形成することで回 折格子での光閉じ込め率が大きくなり，大きい結合係数の 確保が容易となる．結合係数の設計は回折格子と活性層間 の距離と回折格子の深さを変化させて，光閉じ込め率を 調整して行った．設計した回折格子の深さは 25 nm 程度 となり，作製の再現性や再成長の容易さを考慮すると十 分な深さである．以上のように形成した GaAs 回折格子に 有機金属気相成長法（metal organic vapor phase epitaxy， 以下 MOVPE）を用いて InGaP 層による再成長を行った． MOVPE 成長条件の最適化を進めた結果，活性層の量子 ドットに影響を与えずに，非常に平坦な InGaP 再成長表面 を作製することに成功した．その後，エッチングにより リッジ構造を形成し，通常の電極形成工程と劈開工程を行 い，レーザー構造を作製した．試作したレーザーの共振器 長は 400 mm，リッジ幅は 2 mm とし，前端面と後端面には それぞれ無反射膜と高反射膜を施した．  図 8 に試作した量子ドット DFB レーザーの電流─光出力 特性を示す．温度 25 ℃ から 80 ℃ まで閾値電流は 10 mA 近 傍で推移しており，高温でも温度変動の非常に小さいレー ザー発振特性が得られている（図 8 挿入図）．駆動電流 40 mA で 10 mW 程度の光出力が得られており，0.32 W/A 程 度の高効率特性を確認した．  このようにわれわれは回折格子を量子ドット活性層直上 に形成する量子ドット DFB レーザーを試作，評価した． 従来報告されてきた量子ドット DFB レーザーとは異な り，大きい結合係数の確保が容易になったことから，前端 面に無反射膜を適用することが可能になり，動作温度範囲 図 6 環境温度 85℃ における量子ドットレーザーと量子井戸 レーザーの駆動消費電力の比較． 図 7 量子ドット DFB レーザーの構造． 図 8 作製した高密度量子ドット DFB レーザーの電流─光出 力特性の温度依存性．

において安定な単一モード発振を得ることが可能になっ た．試作した DFB レーザーは 25℃ から 80℃ で閾値電流が 環境温度にほとんど依存しない結果が得られた．高温にお ける駆動電流を低減することが可能になり，低消費電力化 への貢献が期待できる結果といえる．  本論文では光通信デバイス用途としての量子ドットレー ザーの低消費電力化の可能性を紹介した．上記した光通信 用途に限らず，サーバー，コンピューティング分野からコ ンシューマーエレクトロニクスまで，持続可能な社会に向 けて消費電力の低減が必須課題となっている．量子ドット レーザーは低電流動作や温度安定性などの従来の半導体 レーザーにはないユニークな特長をもつので，さまざまな 分野での応用が期待される．図 9 にその一例を示す．例え ば量子ドットレーザーをボード間光インターコネクション の光源や Si フォトニクスなどボード内配線用光源へ適用 することにより，光源部自身の低消費電力への貢献に加え て，発熱による環境温度上昇の影響を受けにくいなど，高 信頼性への寄与も期待できる．また，非常に小型な携帯用 ディスプレイ用光源への適用など，バッテリー長時間駆動 に対するソリューションとしての検討も始まっている．さ らにはセンシング用途や医療分野などへの応用展開も期待 できる．このように，発光素子自体が低消費電力に寄与す ることで，多様な分野への応用が考えられる．  本論文で使用された実験データの一部は技術研究組合光 電子融合基盤技術研究所が NEDO から受託したプロジェ クトにおいて実施し，また一部は文部科学省振興調整費に おいて実施したものです．また本論文で使用された実験 データは多くの諸氏により得られたものであり，この場を お借りして感謝します． 文   献

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Metro Metro Metro Metro FTTH FTTH

Interconnection

SiPhotonics

Communication

infrastructure

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MobileDisplay

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2009）.

15） F. Gerschütz, M. Fischer, J. Koeth, I. Krestnikov, A. Kovsh and A. Forchel: “Temperature insensitive 1305 nm InGaAs/ GaAs quantum dot distributed feedback lasers,” CLEO/QELS

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16） B. Dagens, O. Bertran-Pardo, M. Fischer, F. Gerschütz, J. Koeth, I. Krestnikov, A. Kovsh, O. Le Gouezigou and D. Make:

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