JP2001511604A - トンネル・コンタクト・ホール・ソースを有する半導体装置及び方法 - Google Patents
トンネル・コンタクト・ホール・ソースを有する半導体装置及び方法Info
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Abstract
(57)【要約】
ｐ型材料の量を最小限に抑えることができ、これに付随して電気的、熱的および光学的性能面での利点、ならびに製造上の利点が得られる半導体デバイスおよび方法を開示する。本発明の一形態は、ｐ型半導体材料の層（１２２，１１９，１２６）がｎ型半導体材料の層（１０５，１０７，１１０）の上に配置され、電位がｐ型層とｎ型層の間に結合され、デバイス中を流れるこれらの層の面に対して横方向の電流がｐ型層に結合される一般に平坦な半導体デバイスを対象とする。この横方向電流を正孔電流に変換するトンネル接合がｐ型層に隣接して配置される。この開示の形態の実施形態では、このトンネル接合が、ｐ＋部分（１３１）がｐ型層に隣接する向きのｎ＋／ｐ＋接合（１３２，１３１）である。横方向電流は、ｎ＋層（１３２）の電子流、および／またはトンネル接合の上に配置された別のｎ型材料層の電子流である。
Description
【０００１】 本発明は、米国政府の支援を得て、Ａｒｍｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｏｆｆｉｃ
ｅの契約ＤＡＡＨ０４−９６−１−０３３号、ＤＡＲＰＡ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ
Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙの契約ＭＤＡ９７２−９４−１−００４号、およびＮａｔｉｏｎａｌ Ｓ
ｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎの補助金ＳＢＣＵＴＣ−９７−００８０号
の下で実施された。米国政府は、本発明に対して一定の権利を有する。
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の下で実施された。米国政府は、本発明に対して一定の権利を有する。
【０００２】 （発明の分野） 本発明は、半導体デバイスおよび方法に関する。本発明は、半導体レーザおよ
び半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体発光デバイスに対
して特に有利に適用できる。
び半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体発光デバイスに対
して特に有利に適用できる。
【０００３】 （発明の背景） 多くの半導体デバイス中には、かなりの量のｎ型半導体材料（すなわちドナー
不純物がドープされ、電子が多数キャリヤである半導体）およびｐ型半導体材料
（すなわちアクセプタ不純物がドープされ、正孔［価電子の不足］が多数キャリ
ヤである半導体）が存在する。ＩＩＩ−Ｖ族半導体発光デバイス（例えばレーザ
、ＬＥＤなど）では、ｎ型半導体領域とｐ型半導体領域の間に活性領域が配置さ
れる。電位が印加されると、ｐ型半導体材料から活性領域に入った正孔がｎ型半
導体材料から活性領域に入った電子と再結合し、光子が放出される。
不純物がドープされ、電子が多数キャリヤである半導体）およびｐ型半導体材料
（すなわちアクセプタ不純物がドープされ、正孔［価電子の不足］が多数キャリ
ヤである半導体）が存在する。ＩＩＩ−Ｖ族半導体発光デバイス（例えばレーザ
、ＬＥＤなど）では、ｎ型半導体領域とｐ型半導体領域の間に活性領域が配置さ
れる。電位が印加されると、ｐ型半導体材料から活性領域に入った正孔がｎ型半
導体材料から活性領域に入った電子と再結合し、光子が放出される。
【０００４】 ｐ型材料はｎ型材料に比べていくつかの点で作業が困難であり、その動作も、
キャリヤの移動度および全体的な電気効率に関して、対応するｎ型材料よりも劣
る傾向がある。したがってＩＩＩ−Ｖ族発光デバイスなどの半導体デバイスの製
造では、ｎ型半導体材料の使用を選択したほうが望ましい場合が多い。しかし、
このようなデバイスの基板および半導体ボリュームの牽引的大半はｎ型半導体ま
たはドープしていない半導体であるかもしれないが、一般的には、さまざまな半
導体デバイスの正孔電流ソースとして相当量のｐ型材料が必要であると考えられ
ている。後に詳しく説明するように、あるデバイスでｐ型材料を使用することの
不利は、電流がプレーナ・デバイスのｐ型層を横方向に流れなければならないと
きにいっそう際立つ。
キャリヤの移動度および全体的な電気効率に関して、対応するｎ型材料よりも劣
る傾向がある。したがってＩＩＩ−Ｖ族発光デバイスなどの半導体デバイスの製
造では、ｎ型半導体材料の使用を選択したほうが望ましい場合が多い。しかし、
このようなデバイスの基板および半導体ボリュームの牽引的大半はｎ型半導体ま
たはドープしていない半導体であるかもしれないが、一般的には、さまざまな半
導体デバイスの正孔電流ソースとして相当量のｐ型材料が必要であると考えられ
ている。後に詳しく説明するように、あるデバイスでｐ型材料を使用することの
不利は、電流がプレーナ・デバイスのｐ型層を横方向に流れなければならないと
きにいっそう際立つ。
【０００５】 本発明の目的の１つは、ある適用業務に必要なｐ型材料の量を減らすことによ
って、半導体デバイスおよび方法を改良することにある。
って、半導体デバイスおよび方法を改良することにある。
【０００６】 （発明の概要） 本発明は、ｐ型材料の量を最小限に抑えることができ、これに付随して電気的
、熱的および光学的性能面での利点、ならびに製造上の利点が得られる半導体デ
バイスおよび方法を対象とする。
、熱的および光学的性能面での利点、ならびに製造上の利点が得られる半導体デ
バイスおよび方法を対象とする。
【０００７】 本発明の一形態は、ｐ型半導体材料の層がｎ型半導体材料の層の上に（直接に
、または１つまたは複数の層を介して）配置され、電位がｐ型層とｎ型層の間に
結合され、デバイス中を流れるこれらの層の面に対して横方向の電流がｐ型層に
結合される、一般に平坦な半導体デバイスを対象とする。本発明のこの形態の改
良は、ｐ型層に隣接し、横方向の電流を正孔電流に変換するトンネル接合を含む
。本発明のこの形態の一実施形態では、トンネル接合が、ｐ＋部分が前記ｐ型層
に隣接する向きのｎ＋／ｐ＋接合である。［表記「＋」は従来どおり「濃いドー
プ」を意味し、本明細書の目的上、ｎ＋ではドナー不純物濃度が一般に少なくと
も約１０１８／ｃｍ３、ｐ＋では、アクセプタ不純物濃度が少なくとも約１０１ ９ ／ｃｍ３である。］横方向電流は、前記ｎ＋層の電子流、および／またはトン
ネル接合の上に配置された別のｎ型材料層の電子流である。
、または１つまたは複数の層を介して）配置され、電位がｐ型層とｎ型層の間に
結合され、デバイス中を流れるこれらの層の面に対して横方向の電流がｐ型層に
結合される、一般に平坦な半導体デバイスを対象とする。本発明のこの形態の改
良は、ｐ型層に隣接し、横方向の電流を正孔電流に変換するトンネル接合を含む
。本発明のこの形態の一実施形態では、トンネル接合が、ｐ＋部分が前記ｐ型層
に隣接する向きのｎ＋／ｐ＋接合である。［表記「＋」は従来どおり「濃いドー
プ」を意味し、本明細書の目的上、ｎ＋ではドナー不純物濃度が一般に少なくと
も約１０１８／ｃｍ３、ｐ＋では、アクセプタ不純物濃度が少なくとも約１０１ ９ ／ｃｍ３である。］横方向電流は、前記ｎ＋層の電子流、および／またはトン
ネル接合の上に配置された別のｎ型材料層の電子流である。
【０００８】 ＧａＡｓのｎ＋／ｐ＋接合でのトンネリングはよく知られており（例えば、Ｎ
．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．ａｎｄ Ｉ．Ａ．Ｌｅｓｋ，Ｐｒｏｃ．ＩＲＥ４８
，１４０５，１９６０参照）、一般にその負性抵抗に関心が寄せられている。Ｇ
ａＡｓのトンネリングはＩｎＧａＡｓ遷移領域を用いると強化され（例えばＴ．
Ａ．Ｒｉｃｈａｒｄ，Ｅ．Ｉ．Ｃｈｅｎ，Ａ．Ｒ．Ｓｕｇｇ，Ｇ．Ｅ．Ｈｏｆｌ
ｅｒ，ａｎｄ Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ
．６３，３６１３，１９９３参照）、その負性抵抗的ふるまいの他に、逆方向バ
イアスで「オーム」コンタクトとして使用することができる。これによって例え
ば、ｎ型ＧａＡｓ基板上に成長させるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ−ＧａＡｓ量子井戸
ヘテロ構造レーザのドーピング順序の逆転（ｎ→ｐをｐ→ｎに）が可能となる（
例えば、Ａ．Ｒ．Ｓｕｇｇ，Ｅ．Ｉ．Ｃｈｅｎ，Ｔ．Ａ．Ｒｉｃｈａｒｄ，Ｓ．
Ａ．Ｍａｒａｎｏｗｓｋｉ，ａｎｄ Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．，Ａｐｐｌ
．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６２，２５１０，１９９３参照）本発明の一形態は、ｐ
型の第１の半導体層とｎ型の第２の半導体層の間に配置された半導体活性領域、
前記第１の半導体層の上に配置されたトンネル接合手段、前記トンネル接合手段
と前記第２の半導体層の間に電位を結合する手段、および前記トンネル接合手段
中に横方向の電子流を生じさせる手段を備える半導体発光デバイス（例えば半導
体レーザ、半導体発光ダイオードなど）を対象とする。
．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．ａｎｄ Ｉ．Ａ．Ｌｅｓｋ，Ｐｒｏｃ．ＩＲＥ４８
，１４０５，１９６０参照）、一般にその負性抵抗に関心が寄せられている。Ｇ
ａＡｓのトンネリングはＩｎＧａＡｓ遷移領域を用いると強化され（例えばＴ．
Ａ．Ｒｉｃｈａｒｄ，Ｅ．Ｉ．Ｃｈｅｎ，Ａ．Ｒ．Ｓｕｇｇ，Ｇ．Ｅ．Ｈｏｆｌ
ｅｒ，ａｎｄ Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ
．６３，３６１３，１９９３参照）、その負性抵抗的ふるまいの他に、逆方向バ
イアスで「オーム」コンタクトとして使用することができる。これによって例え
ば、ｎ型ＧａＡｓ基板上に成長させるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ−ＧａＡｓ量子井戸
ヘテロ構造レーザのドーピング順序の逆転（ｎ→ｐをｐ→ｎに）が可能となる（
例えば、Ａ．Ｒ．Ｓｕｇｇ，Ｅ．Ｉ．Ｃｈｅｎ，Ｔ．Ａ．Ｒｉｃｈａｒｄ，Ｓ．
Ａ．Ｍａｒａｎｏｗｓｋｉ，ａｎｄ Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．，Ａｐｐｌ
．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６２，２５１０，１９９３参照）本発明の一形態は、ｐ
型の第１の半導体層とｎ型の第２の半導体層の間に配置された半導体活性領域、
前記第１の半導体層の上に配置されたトンネル接合手段、前記トンネル接合手段
と前記第２の半導体層の間に電位を結合する手段、および前記トンネル接合手段
中に横方向の電子流を生じさせる手段を備える半導体発光デバイス（例えば半導
体レーザ、半導体発光ダイオードなど）を対象とする。
【０００９】 トンネル・コンタクト接合は、発光半導体デバイス中で正孔ソースとして使用
することができ、これによって横方向のバイアス電流（電子流）で量子井戸ヘテ
ロ構造（ＱＷＨ：ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
）レーザを駆動させることができ、薄いｐ型層中での横方向伝導の低い移動度お
よび大きな抵抗電圧降下に対する妥協をせまられることがない。このことは、横
方向バイアス電流を必要とする（例えばＰ．Ｗ．Ｅｖａｎｓ，Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙ
ａｋ，Ｊｒ．，Ｓ．Ａ．Ｍａｒａｎｏｗｓｋｉ，Ｍ．Ｊ．Ｒｉｅｓ，ａｎｄ Ｅ
．Ｉ．Ｃｈｅｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６７，３１６８，１９９５参
照）、上部および／または下部自然酸化物閉込め層を使用したＱＷＨレーザ構造
（例えば、Ｍ．Ｄａｌｌｅｓａｓｓｅ，Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．，Ａ．Ｒ
．Ｓｕｇｇ，Ｔ．Ａ．Ｒｉｃｈａｒｄ，ａｎｄ Ｎ．Ｅｌ Ｚｅｉｎ，Ａｐｐｌ
．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５７，２８４４，１９９０； Ａ．Ｒ．Ｓｕｇｇ，Ｅ．
Ｉ．Ｃｈｅｎ，Ｔ．Ａ．Ｒｉｃｈａｒｄ，Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．，ａｎ
ｄ Ｋ．Ｃ．Ｈｓｉｅｈ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６２，１２５９，１
９９３参照）、または、横方向正孔電流を使用した垂直共振器型面発光レーザ（
ＶＣＳＥＬ：ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉ
ｎｇ ｌａｓｅｒ）などのデバイス（例えばＤ．Ｌ．Ｈｕｆｆｋｅｒ，Ｄ．Ｇ．
Ｄｅｐｐｅ，ａｎｄ Ｋ．Ｋｕｍａｒ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６５，
９７，１９９４参照）に特に有用である。層に沿った正孔伝導は、ＧａＡｓ中で
の低い正孔移動度のために大きなデバイス直列抵抗をもたらし、しきい電圧およ
びデバイスの加熱を増大させる。酸化物によって閉じ込められたＱＷＨのｐ側の
トンネル・コンタクト接合を使用して、横方向の正孔励起電流を変位させること
ができる。正孔注入は横方向の電子流によって支えられ、これによって電圧降下
および直列抵抗が小さくなる。本発明の目的は、ｐ型材料の量を最小限に抑え、
可能な範囲で、ｎ型層（電子伝導）だけを使用してデバイス電流を流すことにあ
る。損失の大きいｐ型材料の量を減らすことによる電気的および熱的性能上の利
点に加えて、一般に同じ導電率であればｐ型材料はｎ型材料よりも、半導体発光
デバイスで発生した光をよく吸収するため、光学的利点も生じる。反対に、トン
ネル・コンタクト接合は高濃度にドープされるため、過度の光吸収を避けるため
に比較的に薄くしなければならない。
することができ、これによって横方向のバイアス電流（電子流）で量子井戸ヘテ
ロ構造（ＱＷＨ：ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
）レーザを駆動させることができ、薄いｐ型層中での横方向伝導の低い移動度お
よび大きな抵抗電圧降下に対する妥協をせまられることがない。このことは、横
方向バイアス電流を必要とする（例えばＰ．Ｗ．Ｅｖａｎｓ，Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙ
ａｋ，Ｊｒ．，Ｓ．Ａ．Ｍａｒａｎｏｗｓｋｉ，Ｍ．Ｊ．Ｒｉｅｓ，ａｎｄ Ｅ
．Ｉ．Ｃｈｅｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６７，３１６８，１９９５参
照）、上部および／または下部自然酸化物閉込め層を使用したＱＷＨレーザ構造
（例えば、Ｍ．Ｄａｌｌｅｓａｓｓｅ，Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．，Ａ．Ｒ
．Ｓｕｇｇ，Ｔ．Ａ．Ｒｉｃｈａｒｄ，ａｎｄ Ｎ．Ｅｌ Ｚｅｉｎ，Ａｐｐｌ
．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５７，２８４４，１９９０； Ａ．Ｒ．Ｓｕｇｇ，Ｅ．
Ｉ．Ｃｈｅｎ，Ｔ．Ａ．Ｒｉｃｈａｒｄ，Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．，ａｎ
ｄ Ｋ．Ｃ．Ｈｓｉｅｈ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６２，１２５９，１
９９３参照）、または、横方向正孔電流を使用した垂直共振器型面発光レーザ（
ＶＣＳＥＬ：ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉ
ｎｇ ｌａｓｅｒ）などのデバイス（例えばＤ．Ｌ．Ｈｕｆｆｋｅｒ，Ｄ．Ｇ．
Ｄｅｐｐｅ，ａｎｄ Ｋ．Ｋｕｍａｒ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６５，
９７，１９９４参照）に特に有用である。層に沿った正孔伝導は、ＧａＡｓ中で
の低い正孔移動度のために大きなデバイス直列抵抗をもたらし、しきい電圧およ
びデバイスの加熱を増大させる。酸化物によって閉じ込められたＱＷＨのｐ側の
トンネル・コンタクト接合を使用して、横方向の正孔励起電流を変位させること
ができる。正孔注入は横方向の電子流によって支えられ、これによって電圧降下
および直列抵抗が小さくなる。本発明の目的は、ｐ型材料の量を最小限に抑え、
可能な範囲で、ｎ型層（電子伝導）だけを使用してデバイス電流を流すことにあ
る。損失の大きいｐ型材料の量を減らすことによる電気的および熱的性能上の利
点に加えて、一般に同じ導電率であればｐ型材料はｎ型材料よりも、半導体発光
デバイスで発生した光をよく吸収するため、光学的利点も生じる。反対に、トン
ネル・コンタクト接合は高濃度にドープされるため、過度の光吸収を避けるため
に比較的に薄くしなければならない。
【００１０】 本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明を添付図面と関連させて読
むことによっていっそう容易に明らかとなろう。
むことによっていっそう容易に明らかとなろう。
【００１１】 （詳細な説明） 本発明の作業の初期の段階では、まず、標準的な量子井戸ヘテロ構造（ＱＷＨ
）レーザの導波路活性領域の近くに濃くドープした領域、トンネル・コンタクト
接合を導入する効果を調べるために、結晶を成長させた。結晶は、ｎ型ドーパン
トとしてＳｉ、ｐ型ドーパントとしてＣを用いたｎ型基板への金属有機化学蒸着
（ＭＯＣＶＤ：ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄ
ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって成長させた［ＭＯＣＶＤの背景については、例え
ばＣ．Ｍ．Ｗｏｌｆｅ編「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒ
ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＧａＡｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔ
ｅｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ」，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｌ
ｏｎｄｏｎ，１９７９のｐｐ．１−９、Ｒ．Ｄ．Ｄｕｐｕｉｓ，Ｌ．Ａ．Ｍｏｕ
ｄｙ，ａｎｄ Ｐ．Ｄ．Ｄａｐｋｕｓ、およびＭ．Ｊ．Ｌｕｄｏｗｉｓｅ，Ｊ．
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５８，Ｒ３１，１９８５を参照されたい］。最初にｎ＋Ｇ
ａＡｓバッファ層、次いで０．８μｍのｎ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層を
成長させた。次に、Ｉｎ１−ｙＧａｙＡｓ（−９８０ｎｍ、ｙ＝−０．２）量子
井戸（ＱＷ：ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）を中心に有するドープしていないＧａ
Ａｓ導波路領域（２４００Å）を成長させた。次いで、主にＡｌ０．８５Ｇａ０ ．１５ Ａｓから成る０．８μｍの上部クラッド結晶を、導波路からの距離を変化
させた（０．２、０．４、および０．８μｍ。図１の挿入部分参照）トンネル接
合（ＴＪ：ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を挿入して成長させた。ＴＪの直
下のＱＷＨ結晶はｐ型、ＴＪの直上はｎ型である。底部から上部に向かってＴＪ
は、−３００Åのｐ＋（−１０２０ｃｍ−３）ＧａＡｓ、−１００Åのｎ＋（＞
１０１９ｃｍ−３）Ｉｎ０．１０Ｇａ０．９０Ａｓ、および−３００Åのｎ＋（
−１０１９ｃｍ−３）ＧａＡｓを含む。最後に、この結晶を１５００Åのｎ＋Ｇ
ａＡｓで覆った。クラッド層は７４０℃、導波路（ＷＧ：ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）
は６４０℃、ＴＪのｎ＋領域は５７０℃、ＴＪのｐ＋領域は５４０℃で成長させ
た。Ｖ／ＩＩＩ比は全て−４０であった。
）レーザの導波路活性領域の近くに濃くドープした領域、トンネル・コンタクト
接合を導入する効果を調べるために、結晶を成長させた。結晶は、ｎ型ドーパン
トとしてＳｉ、ｐ型ドーパントとしてＣを用いたｎ型基板への金属有機化学蒸着
（ＭＯＣＶＤ：ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄ
ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって成長させた［ＭＯＣＶＤの背景については、例え
ばＣ．Ｍ．Ｗｏｌｆｅ編「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒ
ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＧａＡｓ ａｎｄ Ｒｅｌａｔ
ｅｄ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ」，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｌ
ｏｎｄｏｎ，１９７９のｐｐ．１−９、Ｒ．Ｄ．Ｄｕｐｕｉｓ，Ｌ．Ａ．Ｍｏｕ
ｄｙ，ａｎｄ Ｐ．Ｄ．Ｄａｐｋｕｓ、およびＭ．Ｊ．Ｌｕｄｏｗｉｓｅ，Ｊ．
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５８，Ｒ３１，１９８５を参照されたい］。最初にｎ＋Ｇ
ａＡｓバッファ層、次いで０．８μｍのｎ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層を
成長させた。次に、Ｉｎ１−ｙＧａｙＡｓ（−９８０ｎｍ、ｙ＝−０．２）量子
井戸（ＱＷ：ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）を中心に有するドープしていないＧａ
Ａｓ導波路領域（２４００Å）を成長させた。次いで、主にＡｌ０．８５Ｇａ０ ．１５ Ａｓから成る０．８μｍの上部クラッド結晶を、導波路からの距離を変化
させた（０．２、０．４、および０．８μｍ。図１の挿入部分参照）トンネル接
合（ＴＪ：ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を挿入して成長させた。ＴＪの直
下のＱＷＨ結晶はｐ型、ＴＪの直上はｎ型である。底部から上部に向かってＴＪ
は、−３００Åのｐ＋（−１０２０ｃｍ−３）ＧａＡｓ、−１００Åのｎ＋（＞
１０１９ｃｍ−３）Ｉｎ０．１０Ｇａ０．９０Ａｓ、および−３００Åのｎ＋（
−１０１９ｃｍ−３）ＧａＡｓを含む。最後に、この結晶を１５００Åのｎ＋Ｇ
ａＡｓで覆った。クラッド層は７４０℃、導波路（ＷＧ：ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）
は６４０℃、ＴＪのｎ＋領域は５７０℃、ＴＪのｐ＋領域は５４０℃で成長させ
た。Ｖ／ＩＩＩ比は全て−４０であった。
【００１２】 ＱＷＨ結晶の表面に付着させたＳｉ３Ｎ４中に１５０μｍのストライプを画定
し、次いで、エピタキシャル層側にＧｅ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ、基板側にＧｅ／Ａ
ｕを蒸着、合金化（３７５℃、１０秒）することによって、ブロード・エリア・
レーザを製作した。この結晶を、切断し、ダイシングし、パルス（２マイクロ秒
、１％デューティ・サイクル）動作条件下（３００Ｋ）でプローブした。共振器
長の逆数（１／Ｌ）に対するしきい値電流密度（Ｊｔｈ）を測定し、図１に示し
た。予想されたとおり、ＴＪをＷＧおよびＱＷに近づけた場合、吸収損の増大お
よび導波路構造の非対称性のために、しきい値電流密度は増大した。標準的なＱ
ＷＨレーザ導波路に０．２μｍまで近づけたＴＪでは、０．８μｍ離れたところ
に位置するＴＪに比べ、しきい値電流密度は２倍に増大しただけであった。ＴＪ
コンタクトに起因する電流しきい値に対する妥協は比較的に小さいものであった
。
し、次いで、エピタキシャル層側にＧｅ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ、基板側にＧｅ／Ａ
ｕを蒸着、合金化（３７５℃、１０秒）することによって、ブロード・エリア・
レーザを製作した。この結晶を、切断し、ダイシングし、パルス（２マイクロ秒
、１％デューティ・サイクル）動作条件下（３００Ｋ）でプローブした。共振器
長の逆数（１／Ｌ）に対するしきい値電流密度（Ｊｔｈ）を測定し、図１に示し
た。予想されたとおり、ＴＪをＷＧおよびＱＷに近づけた場合、吸収損の増大お
よび導波路構造の非対称性のために、しきい値電流密度は増大した。標準的なＱ
ＷＨレーザ導波路に０．２μｍまで近づけたＴＪでは、０．８μｍ離れたところ
に位置するＴＪに比べ、しきい値電流密度は２倍に増大しただけであった。ＴＪ
コンタクトに起因する電流しきい値に対する妥協は比較的に小さいものであった
。
【００１３】 加工して埋込み酸化物アパーチャおよび酸化物クラッドを形成することができ
る別の結晶を成長させた。図２および３を参照する。図３は詳細に、図２は動作
の説明を容易にするために単純化して示されている。基板層およびバッファ層（
それぞれ図３の１０２および１０３）は、先に説明したとおり、ｎ型ＧａＡｓ層
とすることができる。ｎ型の下部閉込め層は、３０００ÅのＡｌ０．６Ｇａ０． ４ Ａｓ（層１０５）、１５００ÅのＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ（層１０７。
下部酸化物クラッド層）、および２０００ÅのＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ（層１
１０）を含む。両側の１２００ÅのＧａＡｓの間にＩｎｙＧａ１−ｙＡｓのＱＷ
（−９８０ｎｍ、ｙ＝−０．２）を挟み込んだドープしていない導波路（ＷＧ）
領域（１１５）を成長させた。後に埋込み酸化物アパーチャに変換するｐ型層を
この活性領域の上に成長させた。この層は、−６００ÅのＡｌ０．９５Ｇａ０． ０５ Ａｓ（層１２２。後段の変換用）から成り、両側に−１００ÅのＡｌ０．６ Ｇａ０．４Ａｓ（層１１９および１２６）およびＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ（層
１１７および１２８）を有する。次に、−１００Åのｐ＋ＧａＡｓ（層１３１）
、−１００Åのｎ＋Ｉｎ０．１０Ｇａ０．９０Ａｓ（層１３２）および−１００
Åのｎ＋ＧａＡｓ（層１３３）を含む正孔注入用のＴＪを成長させた。続いて、
−３００ÅのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ（層１４１）、−３００ÅのＡｌ０．６ Ｇａ０．４Ａｓ（層１４３）および２０００ÅのＡｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ
（層１４６。上部酸化物クラッド）を含むｎ型上部閉込め層を成長させた。この
結晶を、１５００Åのｎ＋ＧａＡｓ（層１５０）で覆った。
る別の結晶を成長させた。図２および３を参照する。図３は詳細に、図２は動作
の説明を容易にするために単純化して示されている。基板層およびバッファ層（
それぞれ図３の１０２および１０３）は、先に説明したとおり、ｎ型ＧａＡｓ層
とすることができる。ｎ型の下部閉込め層は、３０００ÅのＡｌ０．６Ｇａ０． ４ Ａｓ（層１０５）、１５００ÅのＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ（層１０７。
下部酸化物クラッド層）、および２０００ÅのＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ（層１
１０）を含む。両側の１２００ÅのＧａＡｓの間にＩｎｙＧａ１−ｙＡｓのＱＷ
（−９８０ｎｍ、ｙ＝−０．２）を挟み込んだドープしていない導波路（ＷＧ）
領域（１１５）を成長させた。後に埋込み酸化物アパーチャに変換するｐ型層を
この活性領域の上に成長させた。この層は、−６００ÅのＡｌ０．９５Ｇａ０． ０５ Ａｓ（層１２２。後段の変換用）から成り、両側に−１００ÅのＡｌ０．６ Ｇａ０．４Ａｓ（層１１９および１２６）およびＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ（層
１１７および１２８）を有する。次に、−１００Åのｐ＋ＧａＡｓ（層１３１）
、−１００Åのｎ＋Ｉｎ０．１０Ｇａ０．９０Ａｓ（層１３２）および−１００
Åのｎ＋ＧａＡｓ（層１３３）を含む正孔注入用のＴＪを成長させた。続いて、
−３００ÅのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ（層１４１）、−３００ÅのＡｌ０．６ Ｇａ０．４Ａｓ（層１４３）および２０００ÅのＡｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ
（層１４６。上部酸化物クラッド）を含むｎ型上部閉込め層を成長させた。この
結晶を、１５００Åのｎ＋ＧａＡｓ（層１５０）で覆った。
【００１４】 図２および３の酸化物画定ＱＷＨレーザとするため、レーザ製造を、Ｓｉ３Ｎ ４ の付着から再度開始し、次いでこれを、−１１μｍ（中心−中心）離れた幅−
４μｍの２本のストライプにパターン形成する。フォトリソグラフィおよび湿式
エッチング（Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２０，１：８：８０）を用いて、横方向
に酸化する異なる層を、外縁およびＳｉ３Ｎ４ストライプの間に露出させる。一
方の外縁は、アパーチャの深さをちょうど超える深さまでエッチングし、もう一
方の縁は、下部酸化物クラッド層を超える深さまでエッチングする。ストライプ
の間は、１５００ÅのＧａＡｓキャップ層のみを除去（エッチング）し、上部の
Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓを酸化のために露出させる。この結晶を次いで、
Ｈ２０蒸気を含むＮキャリヤ・ガスが供給された開管炉中で酸化させる（４３０
℃、３５分）。［例えば、Ｍ．Ｄａｌｌｅｓａｓｓｅ，Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，
Ｊｒ．，Ａ．Ｒ．Ｓｕｇｇ，Ｔ．Ａ．Ｒｉｃｈａｒｄ，ａｎｄ Ｎ．Ｅｌ−Ｚｅ
ｉｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５７，２８４４（１９９０）を参照され
たい。］
４μｍの２本のストライプにパターン形成する。フォトリソグラフィおよび湿式
エッチング（Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２０，１：８：８０）を用いて、横方向
に酸化する異なる層を、外縁およびＳｉ３Ｎ４ストライプの間に露出させる。一
方の外縁は、アパーチャの深さをちょうど超える深さまでエッチングし、もう一
方の縁は、下部酸化物クラッド層を超える深さまでエッチングする。ストライプ
の間は、１５００ÅのＧａＡｓキャップ層のみを除去（エッチング）し、上部の
Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓを酸化のために露出させる。この結晶を次いで、
Ｈ２０蒸気を含むＮキャリヤ・ガスが供給された開管炉中で酸化させる（４３０
℃、３５分）。［例えば、Ｍ．Ｄａｌｌｅｓａｓｓｅ，Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，
Ｊｒ．，Ａ．Ｒ．Ｓｕｇｇ，Ｔ．Ａ．Ｒｉｃｈａｒｄ，ａｎｄ Ｎ．Ｅｌ−Ｚｅ
ｉｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５７，２８４４（１９９０）を参照され
たい。］
【００１５】 酸化後のデバイスの断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像を図４に示す。図４
の矢印は、層に沿った酸化方向を示すために傾斜している。アパーチャ層は、両
方の外縁から横方向に酸化され、活性領域（ＷＧ＋ＱＷ）の直上に−３．５μｍ
の電流アパーチャが形成される（例えば、Ｓ．Ａ．Ｍａｒａｎｏｗｓｋｉ，Ａ．
Ｒ．Ｓｕｇｇ，Ｅ．Ｉ．Ｃｈｅｎ，ａｎｄ Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．，Ａ
ｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６３，１６６０，１９９３参照）。下部クラッド
は一方の縁（図４の右側）からのみ横方向に酸化され、一方、上部Ｓｉ３Ｎ４画
定ストライプの縁間のＡｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層（１４６）は、表面から
下方に、Ｓｉ３Ｎ４ストライプおよびキャップ層の下側にわずかに回り込んで酸
化される。この酸化パターンによって、酸化物によって画定された電流アパーチ
ャならびに上部および下部酸化物クラッドが形成され、レーザ動作が横方向の電
流に依存するデバイスが得られる。励起に必要なのは、移動度の高いｎ型層中の
横方向電子流（Ｉｎ，図２および図３）だけである。これは、ＴＪを駆動する電
流を含み、駆動されたＴＪは、活性領域の直上の少量のｐ型結晶に対して正孔を
供給する。比較のために、下部酸化物クラッドがない他は同じ別のデバイスを同
様に製作した。これによって、横方向の電子バイアス電流でのＴＪのふるまいの
みを見ることができる。
の矢印は、層に沿った酸化方向を示すために傾斜している。アパーチャ層は、両
方の外縁から横方向に酸化され、活性領域（ＷＧ＋ＱＷ）の直上に−３．５μｍ
の電流アパーチャが形成される（例えば、Ｓ．Ａ．Ｍａｒａｎｏｗｓｋｉ，Ａ．
Ｒ．Ｓｕｇｇ，Ｅ．Ｉ．Ｃｈｅｎ，ａｎｄ Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．，Ａ
ｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６３，１６６０，１９９３参照）。下部クラッド
は一方の縁（図４の右側）からのみ横方向に酸化され、一方、上部Ｓｉ３Ｎ４画
定ストライプの縁間のＡｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓ層（１４６）は、表面から
下方に、Ｓｉ３Ｎ４ストライプおよびキャップ層の下側にわずかに回り込んで酸
化される。この酸化パターンによって、酸化物によって画定された電流アパーチ
ャならびに上部および下部酸化物クラッドが形成され、レーザ動作が横方向の電
流に依存するデバイスが得られる。励起に必要なのは、移動度の高いｎ型層中の
横方向電子流（Ｉｎ，図２および図３）だけである。これは、ＴＪを駆動する電
流を含み、駆動されたＴＪは、活性領域の直上の少量のｐ型結晶に対して正孔を
供給する。比較のために、下部酸化物クラッドがない他は同じ別のデバイスを同
様に製作した。これによって、横方向の電子バイアス電流でのＴＪのふるまいの
みを見ることができる。
【００１６】 酸化物画定レーザの製造を完了させるため、まず２本のＳｉ３Ｎ４ストライプ
を除去し、次いでキャップ層およびその間の空間をフォトレジストで覆った。次
に１５００ÅのＳｉＯ２をこの結晶の上に電子ビーム蒸着し、フォトレジストの
上のＳｉＯ２をリフトオフした。これによって浅い側のメサ（ＴＪの上）が埋め
られ、デバイスの短絡が防止される。Ｓｉ３Ｎ４を除去し、メサおよび浅くエッ
チングした側の縁の上の結晶のエピタキシャル側の上にＧｅ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ
を蒸着し、基板側の上にＧｅ／Ａｕを蒸着させた。両方のコンタクト（１６８、
１６２）を３７５℃で１０秒間、合金化した。ダイオードを、ウェーハから切り
離し、ダイシングして、パルス動作でプローブするか、または、インコート銅ヒ
ート・シンクの上に取り付けて（エピタキシャル層側）、連続（ＣＷ）動作させ
る。
を除去し、次いでキャップ層およびその間の空間をフォトレジストで覆った。次
に１５００ÅのＳｉＯ２をこの結晶の上に電子ビーム蒸着し、フォトレジストの
上のＳｉＯ２をリフトオフした。これによって浅い側のメサ（ＴＪの上）が埋め
られ、デバイスの短絡が防止される。Ｓｉ３Ｎ４を除去し、メサおよび浅くエッ
チングした側の縁の上の結晶のエピタキシャル側の上にＧｅ／Ａｕ／Ｎｉ／Ａｕ
を蒸着し、基板側の上にＧｅ／Ａｕを蒸着させた。両方のコンタクト（１６８、
１６２）を３７５℃で１０秒間、合金化した。ダイオードを、ウェーハから切り
離し、ダイシングして、パルス動作でプローブするか、または、インコート銅ヒ
ート・シンクの上に取り付けて（エピタキシャル層側）、連続（ＣＷ）動作させ
る。
【００１７】 図５に、室温でのパルス条件下での３セットのデバイスの１／Ｌに対するＱＷ
Ｈレーザしきい値電流密度Ｊｔｈを示す。全てのデバイスは同じ結晶を基にした
ものであり、（ａ）は幅１５０μｍのブロード・エリア・レーザ（酸化なし）を
表し、（ｂ）は、上部クラッドだけを酸化した酸化物アパーチャ・レーザ（幅＝
３．８μｍ）、（ｃ）は、両方のクラッドを酸化した酸化物アパーチャ・レーザ
である。ブロード・エリア・レーザの性能（低しきい値）は、結晶の品質が良好
であることを示す。酸化物画定電流アパーチャを作成し、上部クラッド層を酸化
させる（ｂ）ことによる、しきい値電流の増大は、（ａ）に比べ−１００Ａ／ｃ
ｍ２に過ぎなかった。このことは、大きな追加直列抵抗、電圧降下、加熱または
しきい値電流の増大というペナルティを生じさせずに正孔注入を実施するのに横
方向電子流およびＴＪが有効であることを指示している。また、下部酸化物クラ
ッドを追加することによってしきい値電流はさらに増大したが、その量は比較的
に小さかった。
Ｈレーザしきい値電流密度Ｊｔｈを示す。全てのデバイスは同じ結晶を基にした
ものであり、（ａ）は幅１５０μｍのブロード・エリア・レーザ（酸化なし）を
表し、（ｂ）は、上部クラッドだけを酸化した酸化物アパーチャ・レーザ（幅＝
３．８μｍ）、（ｃ）は、両方のクラッドを酸化した酸化物アパーチャ・レーザ
である。ブロード・エリア・レーザの性能（低しきい値）は、結晶の品質が良好
であることを示す。酸化物画定電流アパーチャを作成し、上部クラッド層を酸化
させる（ｂ）ことによる、しきい値電流の増大は、（ａ）に比べ−１００Ａ／ｃ
ｍ２に過ぎなかった。このことは、大きな追加直列抵抗、電圧降下、加熱または
しきい値電流の増大というペナルティを生じさせずに正孔注入を実施するのに横
方向電子流およびＴＪが有効であることを指示している。また、下部酸化物クラ
ッドを追加することによってしきい値電流はさらに増大したが、その量は比較的
に小さかった。
【００１８】 酸化物クラッドおよび酸化物画定電流を導入すること、したがって横方向のバ
イアス電流を強制することによってこれらのデバイスに追加される直列抵抗を調
べるため、（ａ）１５０μｍブロード・エリア・レーザ、（ｂ）酸化物画定アパ
ーチャおよび上部酸化物クラッドを有するＱＷＨレーザ、（ｃ）上部および下部
酸化物クラッドを有する他は（ｂ）と同じＱＷＨレーザの電流−電圧（Ｉ−Ｖ）
特性を比較し、その結果を図６に示した。ブロード・エリア・レーザ（横方向電
流なし）は１．０Ｖでターンオンし、直列抵抗はＲｓ＝１０Ωであった。（ｂ）
のダイオードはこれよりもわずかに高く１．２Ｖでターンオンし、その直列抵抗
は（幅が小さいにも関わらず）−１５Ωだけであり、（ｃ）のターンオン電圧も
ほぼ同じで、Ｒｓ＝２０Ωとわずかに大きい直列抵抗を示した。このことから、
横方向電流によって追加される直列抵抗および追加電圧降下は小さいこと、およ
び、ＴＪが、横方向電流動作（すなわち電流の広がりの達成）に有効であること
が分かった。
イアス電流を強制することによってこれらのデバイスに追加される直列抵抗を調
べるため、（ａ）１５０μｍブロード・エリア・レーザ、（ｂ）酸化物画定アパ
ーチャおよび上部酸化物クラッドを有するＱＷＨレーザ、（ｃ）上部および下部
酸化物クラッドを有する他は（ｂ）と同じＱＷＨレーザの電流−電圧（Ｉ−Ｖ）
特性を比較し、その結果を図６に示した。ブロード・エリア・レーザ（横方向電
流なし）は１．０Ｖでターンオンし、直列抵抗はＲｓ＝１０Ωであった。（ｂ）
のダイオードはこれよりもわずかに高く１．２Ｖでターンオンし、その直列抵抗
は（幅が小さいにも関わらず）−１５Ωだけであり、（ｃ）のターンオン電圧も
ほぼ同じで、Ｒｓ＝２０Ωとわずかに大きい直列抵抗を示した。このことから、
横方向電流によって追加される直列抵抗および追加電圧降下は小さいこと、およ
び、ＴＪが、横方向電流動作（すなわち電流の広がりの達成）に有効であること
が分かった。
【００１９】 Ｉ−Ｖ特性を図６（ｃ）に示したダイオードは、しきい値電流１０ｍＡ（デー
タは示さず）、出力１６ｍＷ（デバイスに損傷なし）で連続動作した。全体の外
部微分量子効率はηｔ＝−５９％であり、電界の極性は、トランスバース・エレ
クトリック（ＴＥ）であった。ハーフマキシマムで測定した近視野幅は、アパー
チャの幅と合致した３．４μｍ（１１ｍＡ）であった。このダイオードの横方向
の遠視野パターンはシングル・ローブであり、ハーフパワーでのフル・アングル
は結晶面で２１゜、垂直方向で４２゜であった。
タは示さず）、出力１６ｍＷ（デバイスに損傷なし）で連続動作した。全体の外
部微分量子効率はηｔ＝−５９％であり、電界の極性は、トランスバース・エレ
クトリック（ＴＥ）であった。ハーフマキシマムで測定した近視野幅は、アパー
チャの幅と合致した３．４μｍ（１１ｍＡ）であった。このダイオードの横方向
の遠視野パターンはシングル・ローブであり、ハーフパワーでのフル・アングル
は結晶面で２１゜、垂直方向で４２゜であった。
【００２０】 以上のことから、ｐ＋／ｎ＋トンネル接合（これらの例ではＧａＡｓ−ＩｎＧ
ａＡｓ）を使用して、ＡｌＧａＡｓ−ＧａＡｓ−ＩｎＧａＡｓ ＱＷＨレーザの
ｐ領域を（内部的に）接触させることによって、ＱＷＨレーザを埋込み酸化物層
で囲み、（低移動度の正孔伝導ではなく）高移動度のｎ層電子伝導を介して励起
電流を横方向に導入することができることが分かる。達成された目的は、ＱＷＨ
レーザのｐ型材料の低減、および横方向電流として電子流を内部的におよび端子
で使用して、従来のＱＷＨレーザ・ダイオードのｐ型材料で遭遇する抵抗の増大
という比較的に大きなペナルティなしにデバイスを励振させることである。お分
かりのようにＴＪをＱＷに近づけて成長させた場合、吸収損によってしきい値電
流は増大するが、それは許容される範囲にとどまる。
ａＡｓ）を使用して、ＡｌＧａＡｓ−ＧａＡｓ−ＩｎＧａＡｓ ＱＷＨレーザの
ｐ領域を（内部的に）接触させることによって、ＱＷＨレーザを埋込み酸化物層
で囲み、（低移動度の正孔伝導ではなく）高移動度のｎ層電子伝導を介して励起
電流を横方向に導入することができることが分かる。達成された目的は、ＱＷＨ
レーザのｐ型材料の低減、および横方向電流として電子流を内部的におよび端子
で使用して、従来のＱＷＨレーザ・ダイオードのｐ型材料で遭遇する抵抗の増大
という比較的に大きなペナルティなしにデバイスを励振させることである。お分
かりのようにＴＪをＱＷに近づけて成長させた場合、吸収損によってしきい値電
流は増大するが、それは許容される範囲にとどまる。
【００２１】 本発明の実施形態に基づく垂直共振器型面発光レーザを図７および８に示す。
図８では詳細に、図７では動作の理解を容易にするために単純化して示した。先
と同じように、例示的なデバイスに使用した結晶は、ｎ型ＧａＡｓ基板（層８０
２）およびバッファ（層８０４）の上に金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）によっ
て成長させた。結晶の成長は、酸化後の厚さが（Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ａｓ
のバッファ層８１３を含めて）それぞれ−λ／４となる６．５周期のｎ型Ａｌ０ ．９８ Ｇａ０．０２Ａｓ／ＧａＡｓのスタック（それぞれ層８１２および８１５
）の形成から開始し、次いでｎ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓのλ／４層（８
１６）を成長させた。厚さλ／４のｎ型ＧａＡｓ（最上位層８１５）およびＡｌ ０．８５ Ｇａ０．１５Ａｓ層（８１６）は下部側の横方向電子伝導用である。次
に、ドープしていない厚さλの共振器を成長させた。両側の５００ÅのＧａＡｓ
と８６０ÅのＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの間に挟まれた−５０ÅのＧａＡｓによ
って分離された−７０Åの２つのＩｎＧａＡｓ量子井戸を有する活性領域共振器
（８３０）を形成した。次いで、後に部分的に酸化して、電流アパーチャを形成
する厚さλ／４のｐ型Ａｌ０．９４Ｇａ０．０６Ａｓ上部閉込め層（８４０）を
（ｐ型のＡｌ０．７５Ｇａ０．２５Ａｓバッファ層８４３および８４５とともに
）成長させた。以上に説明した構造を、横方向電子流が、ｐ型アパーチャを介し
た活性領域への正孔注入を供給することを可能とする厚さλ／４のｐ＋／ｎ＋Ｇ
ａＡｓトンネル・コンタクト接合８６０で覆った。この例のトンネル接合は、−
１５０Åのｐ＋ＧａＡｓ（層８６２）および−５５０Åのｎ＋ＧａＡｓ（層８６
３）を含む。
図８では詳細に、図７では動作の理解を容易にするために単純化して示した。先
と同じように、例示的なデバイスに使用した結晶は、ｎ型ＧａＡｓ基板（層８０
２）およびバッファ（層８０４）の上に金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）によっ
て成長させた。結晶の成長は、酸化後の厚さが（Ａｌ０．７５Ｇａ０．２５Ａｓ
のバッファ層８１３を含めて）それぞれ−λ／４となる６．５周期のｎ型Ａｌ０ ．９８ Ｇａ０．０２Ａｓ／ＧａＡｓのスタック（それぞれ層８１２および８１５
）の形成から開始し、次いでｎ型Ａｌ０．８５Ｇａ０．１５Ａｓのλ／４層（８
１６）を成長させた。厚さλ／４のｎ型ＧａＡｓ（最上位層８１５）およびＡｌ ０．８５ Ｇａ０．１５Ａｓ層（８１６）は下部側の横方向電子伝導用である。次
に、ドープしていない厚さλの共振器を成長させた。両側の５００ÅのＧａＡｓ
と８６０ÅのＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの間に挟まれた−５０ÅのＧａＡｓによ
って分離された−７０Åの２つのＩｎＧａＡｓ量子井戸を有する活性領域共振器
（８３０）を形成した。次いで、後に部分的に酸化して、電流アパーチャを形成
する厚さλ／４のｐ型Ａｌ０．９４Ｇａ０．０６Ａｓ上部閉込め層（８４０）を
（ｐ型のＡｌ０．７５Ｇａ０．２５Ａｓバッファ層８４３および８４５とともに
）成長させた。以上に説明した構造を、横方向電子流が、ｐ型アパーチャを介し
た活性領域への正孔注入を供給することを可能とする厚さλ／４のｐ＋／ｎ＋Ｇ
ａＡｓトンネル・コンタクト接合８６０で覆った。この例のトンネル接合は、−
１５０Åのｐ＋ＧａＡｓ（層８６２）および−５５０Åのｎ＋ＧａＡｓ（層８６
３）を含む。
【００２２】 フォトリソグラフィおよび湿式エッチング（Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ，
１：８：４０）を用いて製造を続行し、酸化のために下部ＤＢＲを露出させる幅
−４６μｍのトレンチを形成した（図９の２重矢印「Ｏｘ」）。第２のフォトリ
ソグラフィ・プロセスおよびより浅い湿式エッチング段階によって、トレンチの
縁から−８μｍのところに径−２０μｍのディスクを画定し、Ａｌ０．９４Ｇａ ０．０６ Ａｓアパーチャ層（８４０）だけを露出させた。このサンプルを次いで
、Ｈ２Ｏ蒸気を含むＮ２キャリヤ・ガスが供給された開管炉中で、４３０℃、合
計４５分間、酸化させた（例えば、Ｊ．Ｍ．Ｄａｌｌｅｓａｓｓｅ，Ｎ．Ｈｏｌ
ｏｎｙａｋ，Ｊｒ．，Ａ．Ｒ．Ｓｕｇｇ，Ｔ．Ａ．Ｒｉｃｈａｒｄ，ａｎｄ Ｎ
．ｅｌ−Ｚｅｉｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５７，２８４４，１９９０
参照）。
１：８：４０）を用いて製造を続行し、酸化のために下部ＤＢＲを露出させる幅
−４６μｍのトレンチを形成した（図９の２重矢印「Ｏｘ」）。第２のフォトリ
ソグラフィ・プロセスおよびより浅い湿式エッチング段階によって、トレンチの
縁から−８μｍのところに径−２０μｍのディスクを画定し、Ａｌ０．９４Ｇａ ０．０６ Ａｓアパーチャ層（８４０）だけを露出させた。このサンプルを次いで
、Ｈ２Ｏ蒸気を含むＮ２キャリヤ・ガスが供給された開管炉中で、４３０℃、合
計４５分間、酸化させた（例えば、Ｊ．Ｍ．Ｄａｌｌｅｓａｓｓｅ，Ｎ．Ｈｏｌ
ｏｎｙａｋ，Ｊｒ．，Ａ．Ｒ．Ｓｕｇｇ，Ｔ．Ａ．Ｒｉｃｈａｒｄ，ａｎｄ Ｎ
．ｅｌ−Ｚｅｉｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５７，２８４４，１９９０
参照）。
【００２３】 図９は、説明したトンネル・コンタクト接合ＶＣＳＥＬの結晶酸化直後の光学
顕微鏡像（上面図）である。アパーチャ層は、径−２０μｍのディスクの縁から
横方向に−５μｍ酸化され、径−１０μｍの電流アパーチャが画定される（図９
のラベルのない水平矢印）。下部ＤＢＲは、トレンチの縁（二重の矢印）からア
パーチャの下に総距離−２２μｍ酸化する。上部の矢印は、下部ＤＢＲの酸化の
終わりを示す。この酸化によって、酸化物アパーチャおよびＡｌｘＯｙ／ＧａＡ
ｓ下部ＤＢＲが画定される。
顕微鏡像（上面図）である。アパーチャ層は、径−２０μｍのディスクの縁から
横方向に−５μｍ酸化され、径−１０μｍの電流アパーチャが画定される（図９
のラベルのない水平矢印）。下部ＤＢＲは、トレンチの縁（二重の矢印）からア
パーチャの下に総距離−２２μｍ酸化する。上部の矢印は、下部ＤＢＲの酸化の
終わりを示す。この酸化によって、酸化物アパーチャおよびＡｌｘＯｙ／ＧａＡ
ｓ下部ＤＢＲが画定される。
【００２４】 酸化手順の後、径２０μｍのディスクをフォトレジストで覆い、１５００Åの
ＳｉＯ２を結晶上に電子ビーム蒸着した。フォトレジストをリフトオフし、後段
の金属被覆による短絡を防ぐＳｉＯ２コーティング（８７０）を残した。−１０
μｍのレーザ・アパーチャの上に中心を持つ径−１２μｍの開口を残し、上部金
属コンタクト（８７２）用のＴｉ／Ａｕを蒸着した。次いでこの結晶をラッピン
グし、厚さ１２５μｍまで研磨した。基板の上にＧｅ／Ａｕを蒸着し、３７５℃
で１０秒間、合金化して、コンタクト８７５を得た。次いで、それぞれの層の厚
さがλ／４の５周期のＳｉＯ２／Ｓｉ（それぞれ層８８１および８８３）を上部
ＤＢＲ用に電子ビーム蒸着した。ダイオードを、インコート銅ヒート・シンク上
にエピタキシャル層側を上にして装着し、室温（３００Ｋ）で連続（ｃｗ）レー
ザ動作させた。
ＳｉＯ２を結晶上に電子ビーム蒸着した。フォトレジストをリフトオフし、後段
の金属被覆による短絡を防ぐＳｉＯ２コーティング（８７０）を残した。−１０
μｍのレーザ・アパーチャの上に中心を持つ径−１２μｍの開口を残し、上部金
属コンタクト（８７２）用のＴｉ／Ａｕを蒸着した。次いでこの結晶をラッピン
グし、厚さ１２５μｍまで研磨した。基板の上にＧｅ／Ａｕを蒸着し、３７５℃
で１０秒間、合金化して、コンタクト８７５を得た。次いで、それぞれの層の厚
さがλ／４の５周期のＳｉＯ２／Ｓｉ（それぞれ層８８１および８８３）を上部
ＤＢＲ用に電子ビーム蒸着した。ダイオードを、インコート銅ヒート・シンク上
にエピタキシャル層側を上にして装着し、室温（３００Ｋ）で連続（ｃｗ）レー
ザ動作させた。
【００２５】 ＳｉＯ２とＳｉの互層８８１および８８３を有する上部ＤＢＲの付着によって
、垂直（基板に垂直な）方向のコンパクトな高Ｑ共振器を構成する構造が完成し
た。電流は、下部ＡｌｘＯｙ／ＧａＡｓ ＤＢＲを迂回して基板に流れる。ＶＣ
ＳＥＬの上面から、横方向電子流がトンネル・コンタクト接合（ＴＪ、ｎ＋／ｐ
＋）を駆動し、駆動されたトンネル・コンタクト接合は正孔（ｈ）を供給して、
活性領域および活性領域の上の少量のｐ型結晶を順方向バイアスする。トンネル
・コンタクト接合によって、横方向正孔伝導の必要性が排除され、ｐ型材料の量
および正孔伝導が最小限に抑えられる。全ての横方向伝導には電子流が関与し、
したがってデバイスの抵抗、電圧降下および加熱は低下する。
、垂直（基板に垂直な）方向のコンパクトな高Ｑ共振器を構成する構造が完成し
た。電流は、下部ＡｌｘＯｙ／ＧａＡｓ ＤＢＲを迂回して基板に流れる。ＶＣ
ＳＥＬの上面から、横方向電子流がトンネル・コンタクト接合（ＴＪ、ｎ＋／ｐ
＋）を駆動し、駆動されたトンネル・コンタクト接合は正孔（ｈ）を供給して、
活性領域および活性領域の上の少量のｐ型結晶を順方向バイアスする。トンネル
・コンタクト接合によって、横方向正孔伝導の必要性が排除され、ｐ型材料の量
および正孔伝導が最小限に抑えられる。全ての横方向伝導には電子流が関与し、
したがってデバイスの抵抗、電圧降下および加熱は低下する。
【００２６】 図１０に、説明したトンネル・コンタクト接合ＶＣＳＥＬの（ａ）光対電流（
Ｌ−Ｉ）挙動および（ｂ）電流対電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示す。全ての測定は室温
でのｃｗ条件下で実施した。Ｌ−Ｉ曲線はしきい値の前に、増幅された自然放出
（ＡＳＥ）の特性である急な傾きを有する（Ｐ．Ｗ．Ｅｖａｎｓ，Ｎ．Ｈｏｌｏ
ｎｙａｋ，Ｊｒ．，Ｓ．Ａ．Ｍａｒａｎｏｗｓｋｉ，Ｍ．Ｊ．Ｒｉｅｓ，ａｎｄ
Ｅ．Ｉ．Ｃｈｅｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６７，３１６８，１９９
５参照）。しきい値電流は−０．５５ｍＡ（Ｊｔｈ＝−７００Ａ／ｃｍ２）、放
出波長は−９８６ｎｍであった。外部微分量子効率は−３５％、全体の電力効率
（埋込みコンセント）は１ｍＡで−１２％であった。このダイオードは−１Ｖで
シャープにターンオンした。このデバイスのトンネル接合コンタクトは最適化さ
れていない。これは、同じように設計された結晶から製作したその他の比較ダイ
オードが、−１００Ωの直列抵抗でよりシャープなＩ−Ｖ特性は示したが、共振
器の離調のためにレージングしなかったためである。このことは、横方向電子流
を介して正孔を供給するトンネル・コンタクト接合を有するＶＣＳＥＬが過大な
電圧降下なしに動作することを示している。
Ｌ−Ｉ）挙動および（ｂ）電流対電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示す。全ての測定は室温
でのｃｗ条件下で実施した。Ｌ−Ｉ曲線はしきい値の前に、増幅された自然放出
（ＡＳＥ）の特性である急な傾きを有する（Ｐ．Ｗ．Ｅｖａｎｓ，Ｎ．Ｈｏｌｏ
ｎｙａｋ，Ｊｒ．，Ｓ．Ａ．Ｍａｒａｎｏｗｓｋｉ，Ｍ．Ｊ．Ｒｉｅｓ，ａｎｄ
Ｅ．Ｉ．Ｃｈｅｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６７，３１６８，１９９
５参照）。しきい値電流は−０．５５ｍＡ（Ｊｔｈ＝−７００Ａ／ｃｍ２）、放
出波長は−９８６ｎｍであった。外部微分量子効率は−３５％、全体の電力効率
（埋込みコンセント）は１ｍＡで−１２％であった。このダイオードは−１Ｖで
シャープにターンオンした。このデバイスのトンネル接合コンタクトは最適化さ
れていない。これは、同じように設計された結晶から製作したその他の比較ダイ
オードが、−１００Ωの直列抵抗でよりシャープなＩ−Ｖ特性は示したが、共振
器の離調のためにレージングしなかったためである。このことは、横方向電子流
を介して正孔を供給するトンネル・コンタクト接合を有するＶＣＳＥＬが過大な
電圧降下なしに動作することを示している。
【００２７】 図１１に、同様の方法で製作した別のトンネル・コンタクト接合ＶＣＳＥＬの
スペクトルおよびＬ−Ｉ曲線（挿入部分）を示す。このデバイスも、増幅された
自然放出（ＡＳＥ）の領域およびしきい値１ｍＡの前の急なＬ−Ｉ勾配を有する
。スペクトルによれば、ＡＳＥは狭く（４５Å）、おそらくは横方向のディスク
・モードのためにいくらかのリンギングが発生している（Ｍ．Ｄｅｎｇ，Ｑ．Ｄ
ｅｎｇ，ａｎｄ Ｄ．Ｇ．Ｄｅｐｐｅ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６９，
３１２０，１９９６参照）。１．５ｍＡでスペクトルは−１Åと狭く、中心は９
９０ｎｍにあった。図１０のダイオードと比較したときの波長の差は、しきい値
がより高いこと（わずかな離調）、および外部微分量子効率がより低いこと（−
１７％）に関係する可能性がある。この別のデバイスの最大電力出力は０．５５
ｍＷであった。
スペクトルおよびＬ−Ｉ曲線（挿入部分）を示す。このデバイスも、増幅された
自然放出（ＡＳＥ）の領域およびしきい値１ｍＡの前の急なＬ−Ｉ勾配を有する
。スペクトルによれば、ＡＳＥは狭く（４５Å）、おそらくは横方向のディスク
・モードのためにいくらかのリンギングが発生している（Ｍ．Ｄｅｎｇ，Ｑ．Ｄ
ｅｎｇ，ａｎｄ Ｄ．Ｇ．Ｄｅｐｐｅ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６９，
３１２０，１９９６参照）。１．５ｍＡでスペクトルは−１Åと狭く、中心は９
９０ｎｍにあった。図１０のダイオードと比較したときの波長の差は、しきい値
がより高いこと（わずかな離調）、および外部微分量子効率がより低いこと（−
１７％）に関係する可能性がある。この別のデバイスの最大電力出力は０．５５
ｍＷであった。
【００２８】 トンネル・コンタクト接合は、ＶＣＳＥＬ構造中のｐ型材料の低減を可能とし
、横方向電子流を介した活性領域への正孔注入を提供する。トンネル接合は、先
に説明したハイブリッドＶＣＳＥＬおよび自然酸化物ベースの層を有する端面発
光体に使用できるだけでなく、例えば、励起に横方向電流を必要とする、または
ｐ型材料の低減を必要とする他の形態のＶＣＳＥＬ、端面放出レーザおよび発光
ダイオードにも使用できることを理解されたい。
、横方向電子流を介した活性領域への正孔注入を提供する。トンネル接合は、先
に説明したハイブリッドＶＣＳＥＬおよび自然酸化物ベースの層を有する端面発
光体に使用できるだけでなく、例えば、励起に横方向電流を必要とする、または
ｐ型材料の低減を必要とする他の形態のＶＣＳＥＬ、端面放出レーザおよび発光
ダイオードにも使用できることを理解されたい。
【００２９】 図１２に、本発明の実施形態に基づく発光ダイオード（ＬＥＤ）を示す。ｎ型
基板１２０５は、その上にｎ型閉込め層１２１５を有する。基板１２０５は、例
えばＧａＡｓまたはＧａＰとすることができ、下部閉込め層１２１５は例えばｎ
型ＡｌＧａＡｓとすることができる。追加の層、例えばバッファ層が存在しても
よいことを理解されたい。活性領域を１２３０に示す。活性領域はやはり、望ま
しい光波長が得られるものを選択する。一例として、活性領域をバルクＡｌＧａ
ＩｎＰとすること、またはＡｌＧａＩｎＰ層の間に１つまたは複数のＧａＡｓま
たはＩｎＧａＰの量子井戸を含めることができる。上部閉込め層１２４０はｐ型
層、例えばｐ型のＡｌＧａＡｓまたはＡｌＩｎＰである。ｐ型の上部閉込め層１
２４０の上にはｐ＋層１２５２およびｎ＋層１２５４が配置される。ここでもや
はり、これらの両方の層を濃くドープしたＧａＡｓとすること、または、例えば
、ｎ＋部分に、ｎ＋ＩｎＧａＡｓ層の上にｎ＋ＧａＡｓ層を重ねたものなどの２
層のｎ＋層を含めることができる。トンネル接合を１２５０に示す。例えばＴｉ
／ＡｕまたはＧｅ／Ａｕとすることができる金属コンタクト１２６１および１２
６５をそれぞれ、発光ダイオードの上面および下面に適用する。これらのコンタ
クトを介して図示のように正電位を印加することができる。図１２の実施形態で
は上部電極が環状電極であり、環状電極の内側のデバイスの上面のかなりの部分
が、発生した光を放出することができるアパーチャとなっている。例えば図１３
に示すように、中心に位置する（例えば円形の）コンタクト１３６１を使用し、
ＬＥＤからの光が電極領域の外側から放出される代替電極構成を使用することも
できる。いずれにせよ、電流がコンタクトから最終的に、コンタクトが覆ってい
る面積よりも大きい活性領域に流れるときに横方向電流が流れる。この電流の横
断がｐ型材料を通る従来技術のデバイスでは、ｐ型材料の厚さを十分に大きくし
て、過度の損失を生じさせずに横方向電流を流すことが一般に必要である。これ
は、ｐ型材料の正孔伝導の移動度が比較的に低いためである。先に述べたように
本発明の有利な特徴は、ｐ型層を大幅に薄くすることができ（これに付随して電
気的および光学的な損失が低減する）、電子流を正孔電流に変換するように動作
するトンネル接合を用いて、電子流をより効率的な方法で、必要ならば横方向に
流すのにｎ型半導体材料を使用することができることにある。
基板１２０５は、その上にｎ型閉込め層１２１５を有する。基板１２０５は、例
えばＧａＡｓまたはＧａＰとすることができ、下部閉込め層１２１５は例えばｎ
型ＡｌＧａＡｓとすることができる。追加の層、例えばバッファ層が存在しても
よいことを理解されたい。活性領域を１２３０に示す。活性領域はやはり、望ま
しい光波長が得られるものを選択する。一例として、活性領域をバルクＡｌＧａ
ＩｎＰとすること、またはＡｌＧａＩｎＰ層の間に１つまたは複数のＧａＡｓま
たはＩｎＧａＰの量子井戸を含めることができる。上部閉込め層１２４０はｐ型
層、例えばｐ型のＡｌＧａＡｓまたはＡｌＩｎＰである。ｐ型の上部閉込め層１
２４０の上にはｐ＋層１２５２およびｎ＋層１２５４が配置される。ここでもや
はり、これらの両方の層を濃くドープしたＧａＡｓとすること、または、例えば
、ｎ＋部分に、ｎ＋ＩｎＧａＡｓ層の上にｎ＋ＧａＡｓ層を重ねたものなどの２
層のｎ＋層を含めることができる。トンネル接合を１２５０に示す。例えばＴｉ
／ＡｕまたはＧｅ／Ａｕとすることができる金属コンタクト１２６１および１２
６５をそれぞれ、発光ダイオードの上面および下面に適用する。これらのコンタ
クトを介して図示のように正電位を印加することができる。図１２の実施形態で
は上部電極が環状電極であり、環状電極の内側のデバイスの上面のかなりの部分
が、発生した光を放出することができるアパーチャとなっている。例えば図１３
に示すように、中心に位置する（例えば円形の）コンタクト１３６１を使用し、
ＬＥＤからの光が電極領域の外側から放出される代替電極構成を使用することも
できる。いずれにせよ、電流がコンタクトから最終的に、コンタクトが覆ってい
る面積よりも大きい活性領域に流れるときに横方向電流が流れる。この電流の横
断がｐ型材料を通る従来技術のデバイスでは、ｐ型材料の厚さを十分に大きくし
て、過度の損失を生じさせずに横方向電流を流すことが一般に必要である。これ
は、ｐ型材料の正孔伝導の移動度が比較的に低いためである。先に述べたように
本発明の有利な特徴は、ｐ型層を大幅に薄くすることができ（これに付随して電
気的および光学的な損失が低減する）、電子流を正孔電流に変換するように動作
するトンネル接合を用いて、電子流をより効率的な方法で、必要ならば横方向に
流すのにｎ型半導体材料を使用することができることにある。
【図１】 本発明の実施形態に基づくブロード・エリア量子井戸ヘテロ構造（ＱＷＨ）レ
ーザの共振器長の逆数（１／Ｌ）に対するしきい値電流密度（Ｊｔｈ）を示す図
であり、このレーザは、図の挿入部分に示すように量子井戸（ＱＷ）および導波
路活性領域からの距離ｚがさまざまに異なる逆方向バイアスされたトンネル接合
コンタクトをｐ型クラッド中に含む。
ーザの共振器長の逆数（１／Ｌ）に対するしきい値電流密度（Ｊｔｈ）を示す図
であり、このレーザは、図の挿入部分に示すように量子井戸（ＱＷ）および導波
路活性領域からの距離ｚがさまざまに異なる逆方向バイアスされたトンネル接合
コンタクトをｐ型クラッド中に含む。
【図２】 本発明の手法に基づいて製作された本発明の実施形態に基づく端面放出半導体
レーザ・デバイスの断面図（縮尺は一定ではない）である。動作の理解を容易に
するために単純化して示されている。
レーザ・デバイスの断面図（縮尺は一定ではない）である。動作の理解を容易に
するために単純化して示されている。
【図３】 本発明の手法に基づいて製作された本発明の実施形態に基づく端面放出半導体
レーザ・デバイスの詳細な断面図（縮尺は一定ではない）である。
レーザ・デバイスの詳細な断面図（縮尺は一定ではない）である。
【図４】 図２および図３のトンネル・コンタクトＱＷＨレーザの走査型電子顕微鏡像（
断面）である。横方向の酸化（中央の「Ｏｘ」層）が−３．５μｍの電流アパー
チャを画定し、上部および下部酸化物層とともに横方向電子流Ｉｎを図２および
図３に示すように強制する。「Ｏｘ」を示す矢印は、層に沿った酸化方向を示す
ために傾斜している。トンネル・コンタクト接合（ｎ＋／ｐ＋）は上部酸化物ク
ラッドの直下、電流アパーチャの直上にある。
断面）である。横方向の酸化（中央の「Ｏｘ」層）が−３．５μｍの電流アパー
チャを画定し、上部および下部酸化物層とともに横方向電子流Ｉｎを図２および
図３に示すように強制する。「Ｏｘ」を示す矢印は、層に沿った酸化方向を示す
ために傾斜している。トンネル・コンタクト接合（ｎ＋／ｐ＋）は上部酸化物ク
ラッドの直下、電流アパーチャの直上にある。
【図５】 本発明のトンネル・コンタクト接合ＱＷＨレーザ、すなわち（ａ）ブロード・
エリア（幅＝１５０μｍ）レーザ、（ｂ）上部酸化物クラッドおよび酸化物によ
って画定された３．５μｍの電流アパーチャを有するトンネル・コンタクト・レ
ーザ、および（ｃ）上部および下部酸化物クラッドならびに酸化物によって画定
された３．８μｍの電流アパーチャを有するトンネル・コンタクト・レーザの共
振器長の逆数（１／Ｌ）に対するしきい値電流密度（Ｊｔｈ）を示す図である。
エリア（幅＝１５０μｍ）レーザ、（ｂ）上部酸化物クラッドおよび酸化物によ
って画定された３．５μｍの電流アパーチャを有するトンネル・コンタクト・レ
ーザ、および（ｃ）上部および下部酸化物クラッドならびに酸化物によって画定
された３．８μｍの電流アパーチャを有するトンネル・コンタクト・レーザの共
振器長の逆数（１／Ｌ）に対するしきい値電流密度（Ｊｔｈ）を示す図である。
【図６】 本発明のトンネル・コンタクト接合ＱＷＨレーザ、すなわち（ａ）ブロード・
エリア（１５０μｍ）レーザ、（ｂ）上部酸化物クラッドおよび３．８μｍの電
流アパーチャを有するレーザ、および（ｃ）上部および下部酸化物クラッドなら
びに３．５μｍの電流アパーチャを有するレーザの電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を
示す図である。これらの３つのレーザの直列抵抗は、（ａ）Ｒ＝−１０オームか
ら、（ｂ）−１５オーム、（ｃ）−２０オームとわずかに増大する。
エリア（１５０μｍ）レーザ、（ｂ）上部酸化物クラッドおよび３．８μｍの電
流アパーチャを有するレーザ、および（ｃ）上部および下部酸化物クラッドなら
びに３．５μｍの電流アパーチャを有するレーザの電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を
示す図である。これらの３つのレーザの直列抵抗は、（ａ）Ｒ＝−１０オームか
ら、（ｂ）−１５オーム、（ｃ）−２０オームとわずかに増大する。
【図７】 本発明の手法に基づいて製作された本発明の実施形態に基づく垂直共振器型面
発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）デバイスの断面図（縮尺は一定ではない）である。動
作の理解を容易にするために単純化して示されている。
発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）デバイスの断面図（縮尺は一定ではない）である。動
作の理解を容易にするために単純化して示されている。
【図８】 本発明の手法に基づいて製作された本発明の実施形態に基づく垂直共振器型面
発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）デバイスの詳細な断面図（縮尺は一定ではない）であ
る。
発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）デバイスの詳細な断面図（縮尺は一定ではない）であ
る。
【図９】 酸化後の製作途中の本発明のトンネル・コンタクト接合ＶＣＳＥＬの光学的顕
微鏡画像（上面図）である。径−２０μｍのディスクの縁から横方向に−５μｍ
「湿式」酸化し、−１０μｍの開口を作成することによってアパーチャが形成さ
れている（ラベルのない水平矢印）。ＤＢＲは、トレンチの縁（２重矢印）から
横方向に−２２μｍ酸化され（単一矢印のところで終了）、これによってアパー
チャの下のＤＢＲが完全に酸化される。
微鏡画像（上面図）である。径−２０μｍのディスクの縁から横方向に−５μｍ
「湿式」酸化し、−１０μｍの開口を作成することによってアパーチャが形成さ
れている（ラベルのない水平矢印）。ＤＢＲは、トレンチの縁（２重矢印）から
横方向に−２２μｍ酸化され（単一矢印のところで終了）、これによってアパー
チャの下のＤＢＲが完全に酸化される。
【図１０】 図７ないし９のトンネル・コンタクト接合ＶＣＳＥＬの（ａ）光対電流（Ｌ−
Ｉ）および（ｂ）電流対電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示す図である。レージングしきい
値は−０．５５ｍＡ、外部微分量子効率は−３５％である。このダイオードは−
１Ｖでターンオンする。
Ｉ）および（ｂ）電流対電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示す図である。レージングしきい
値は−０．５５ｍＡ、外部微分量子効率は−３５％である。このダイオードは−
１Ｖでターンオンする。
【図１１】 （図７ないし９の）トンネル・コンタクト接合ＶＣＳＥＬの光対電流特性（挿
入部分）を示す図である。増幅された自然放出光のためにスペクトルは狭く（４
５Å、０．５ｍＡ）、電流しきい値は１ｍＡである。レーザ動作の中心波長は９
９０ｎｍである。
入部分）を示す図である。増幅された自然放出光のためにスペクトルは狭く（４
５Å、０．５ｍＡ）、電流しきい値は１ｍＡである。レーザ動作の中心波長は９
９０ｎｍである。
【図１２】 本発明の手法に基づいて製作することができる本発明の実施形態に基づく発光
ダイオードの断面図（縮尺は一定ではない）である。
ダイオードの断面図（縮尺は一定ではない）である。
【図１３】 図１２のデバイスのバリエーションの一例を示す図である。
【手続補正書】
【提出日】平成１２年２月１８日（２０００．２．１８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の名称】 トンネル・コンタクト・ホール・ソースを有する半導体
装置及び方法
装置及び方法
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＪＰ (72)発明者 エバンス ピーター ダブリュ. アメリカ合衆国， イリノイ 61802， ウルバナ， ナンバー 108， イースト カー 820番地 Ｆターム(参考） 5F041 CA04 CA05 CA12 CA34 CA35 CA37 CA99 5F073 AA65 AA73 AA89 AB17 CA07 DA27
Claims (27)
- 【請求項１】 ｐ型の第１の半導体層とｎ型の第２の半導体層の間に配置さ
れた半導体活性領域、 前記第１の半導体層の上に配置されたトンネル接合手段、 前記トンネル接合手段と前記第２の半導体層の間に電位を結合する手段、およ
び 前記トンネル接合手段に横方向電子流を生じさせる手段 を備えることを特徴とする半導体発光デバイス。 - 【請求項２】 前記トンネル接合手段が、前記第１の半導体層にｐ＋部分が
隣接する向きのｎ＋／ｐ＋接合を含むことを特徴とする、請求項１に記載のデバ
イス。 - 【請求項３】 前記横方向の電子流の少なくとも一部分が前記トンネル接合
手段のｎ＋部分にあることを特徴とする、請求項２に記載のデバイス。 - 【請求項４】 電位を結合する前記手段が、前記トンネル接合手段に前記第
２の半導体層に対して正の電位を結合し、これによってトンネル接合に逆方向バ
イアスをかける手段を含むことを特徴とする、請求項２に記載のデバイス。 - 【請求項５】 電位を結合する前記手段が、前記トンネル接合手段に前記第
２の半導体層に対して正の電位を結合し、これによって前記トンネル接合に逆方
向バイアスをかける手段を含むことを特徴とする、請求項３に記載のデバイス。 - 【請求項６】 前記半導体層、前記半導体活性領域および前記トンネル接合
手段が、ＩＩＩ−Ｖ族半導体材料であることを特徴とする、請求項１に記載のデ
バイス。 - 【請求項７】 前記デバイスが半導体レーザ・デバイスであることを特徴と
する、請求項１に記載のデバイス。 - 【請求項８】 前記デバイスが垂直共振器型面発光レーザであることを特徴
とする、請求項１に記載のデバイス。 - 【請求項９】 前記デバイスが発光ダイオードであることを特徴とする、請
求項１に記載のデバイス。 - 【請求項１０】 ｐ型半導体材料の層がｎ型半導体材料の層の上に配置され
、前記ｐ型層と前記ｎ型層の間に電位が結合され、前記デバイス中の前記層の面
に対して横方向の電流が前記ｐ型層に結合される、一般に平坦な半導体デバイス
で使用する改良において、前記ｐ型層に隣接し、前記横方向の電流を正孔電流に
変換するトンネル接合を含むことを特徴とする改良。 - 【請求項１１】 前記トンネル接合が、前記ｐ＋層にｐ＋部分が隣接する向
きのｎ＋／ｐ＋接合を含むことを特徴とする、請求項１０に記載のデバイス。 - 【請求項１２】 前記横方向の電子流の少なくとも一部分が前記トンネル接
合のｎ＋部分にあることを特徴とする、請求項１１に記載のデバイス。 - 【請求項１３】 前記半導体層および前記トンネル接合が、ＩＩＩ−Ｖ族半
導体材料であることを特徴とする、請求項１０に記載のデバイス。 - 【請求項１４】 半導体デバイスの平坦なｐ型半導体層中に正孔キャリヤを
生成させる平坦な半導体キャリヤ変換構造において、 前記ｐ型半導体層の上に配置されたｎ型半導体層、 前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層の間に配置されたトンネル・コンタクト
接合手段、および 電子流の横方向の成分が前記ｎ型層中を流れ、これによって前記ｎ型半導体層
中の電子キャリヤが前記ｐ型半導体層中の正孔キャリヤに変換されるような方法
で、前記ｎ型半導体層に前記ｐ型半導体層に対して正の電位を印加する手段 を備えることを特徴とする構造。 - 【請求項１５】 前記トンネル接合手段がｐ＋層を含み、前記ｎ型半導体層
の前記ｐ＋層に隣接した少なくとも一部分がｎ＋半導体材料であることを特徴と
する、請求項１４に記載の構造。 - 【請求項１６】 前記トンネル接合手段が、前記ｐ型半導体層に隣接したｐ
＋半導体層および前記ｎ型半導体層に隣接したｎ＋半導体層を含むことを特徴と
する、請求項１４に記載の構造。 - 【請求項１７】 前記半導体層および前記トンネル・コンタクト接合手段が
ＩＩＩ−Ｖ族半導体物質であることを特徴とする、請求項１４に記載の構造。 - 【請求項１８】 ｎ型半導体基板、 前記基板の上に配置されたｎ型の第１の半導体材料層、 前記第１の層の上に配置された半導体活性領域、 前記活性領域の上に配置されたｐ型の第２の半導体材料層、 前記第２の層の上に配置されたトンネル接合手段、および 前記トンネル接合手段と前記基板の間に電位を結合する手段 を含むことを特徴とする半導体発光デバイス。
- 【請求項１９】 ｐ型の第１の半導体層とｎ型の第２の半導体層の間に配置
された半導体活性領域、および前記ｐ型層と前記ｎ型層の間に電位を結合する手
段を含み、前記デバイス中の前記層の面に対して横方向の電流が前記ｐ型層に結
合される一般に平坦な発光半導体デバイスの製造に使用する方法であって、前記
ｐ型層に隣接し、前記横方向の電流を正孔電流に変換し、前記正孔電流を前記ｐ
型層に結合するトンネル接合を提供する段階を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項２０】 ｐ型の第１の半導体層とｎ型の第２の半導体層の間に配置
された半導体活性領域、 前記第１の半導体層の上に配置され、電流が通過することができるアパーチャ
を有するアパーチャ層、 前記第１の半導体層の上に配置されたトンネル接合手段、 前記トンネル接合手段と前記第２の半導体層の間に電位を結合する手段であっ
て、前記トンネル接合手段の上に配置され、前記アパーチャから横断方向に変位
した導電性コンタクトを含み、そのために前記デバイス中を前記コンタクトから
前記アパーチャへ電流が横方向に流れる結合する手段、および 前記活性領域から放出された光に対して光学的に共振性の部分反射共振器を形
成する反射手段 を含むことを特徴とする半導体レーザ・デバイス。 - 【請求項２１】 前記トンネル接合手段が、前記第１の半導体層にｐ＋部分
が隣接する向きのｎ＋／ｐ＋接合を含むことを特徴とする、請求項２０に記載の
デバイス。 - 【請求項２２】 前記横方向の電子流の少なくとも一部分が前記トンネル接
合手段のｎ＋部分にあることを特徴とする、請求項２１に記載のデバイス。 - 【請求項２３】 電位を結合する前記手段が、前記トンネル接合手段に前記
第２の半導体層に対して正の電位を結合し、これによって前記トンネル接合に逆
方向バイアスをかける手段をさらに含むことを特徴とする、請求項２０に記載の
デバイス。 - 【請求項２４】 前記半導体層、前記半導体活性領域および前記トンネル接
合手段がＩＩＩ−Ｖ族半導体材料であることを特徴とする、請求項２０に記載の
デバイス。 - 【請求項２５】 前記アパーチャがｐ型材料を含むことを特徴とする、請求
項２２に記載のデバイス。 - 【請求項２６】 前記アパーチャ層が、前記トンネル接合と前記活性領域の
間に配置されることを特徴とする、請求項２５に記載のデバイス。 - 【請求項２７】 前記デバイスが垂直共振器型面発光レーザであることを特
徴とする、請求項２０に記載のデバイス。
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US5333897P | 1997-07-22 | 1997-07-22 | |
| US08/950,653 US5936266A (en) | 1997-07-22 | 1997-10-15 | Semiconductor devices and methods with tunnel contact hole sources |
| US60/053,338 | 1997-10-15 | ||
| US08/950,653 | 1997-10-15 | ||
| PCT/US1998/015362 WO1999005726A1 (en) | 1997-07-22 | 1998-07-21 | Semiconductor with tunnel hole contact sources |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
ID=26731739
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000504609A Expired - Fee Related JP4636575B2 (ja) | 1997-07-22 | 1998-07-21 | トンネル・コンタクト・ホール・ソースを有する半導体装置及び方法 |
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|---|---|
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