JP2002531959A - 光電式デバイスのための化合物半導体構造 - Google Patents

光電式デバイスのための化合物半導体構造

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ドード，フィリップ
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Abstract

(57)【要約】 基板及び基板上に配された活性領域を含む化合物半導体デバイスが提供される。活性領域は少なくとも２つの相異なるスードモルフィック層を含み、第１の層はＩｎｘＧａ１-ｘＰｙＡｓｚＳｂ１-ｙ-ｚの形態を有し、 第２の層はＩｎｑＧａ１-ｑＰｒＡｓｓＳｂ１-ｒ-ｓの形態を有する。第１の層は少なくともＩｎ，Ｇａ及びＡｓを含み、第２の層は少なくともＧａ，Ａｓ及びＳｂを含む。基板はＧａＡｓあるいはＡｌｐＧａ１-ｐＡｓ(０＜ｐ＜１)であるか、 またはＧａＡｓの格子定数に近いかあるいは等しい格子定数を有することことが好ましい。第１の層については、ｘが０.０５と０.７の間、ｙが０と０.３５の間、ｚが０.４５と１の間、１-ｙ-ｚが０と０.２５の間にあれば好ましい。第２の層については、ｑが０と０.２５の間、１-ｒ-ｓが０.２５と１の間にあれば好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】関連出願の説明 本出願は、１９９８年１２月３日に出願された、米国仮特許出願第６０/１１
０,７１８号の恩典を主張する。
【０００２】発明の分野 本発明は概ね光電式デバイスの分野に関する。さらに詳しくは、本発明は発光
ダイオード、光検出器、端面発光レーザ、及び縦キャビティ型表面発光レーザの
ような光デバイスのための化合物半導体構造に関する。
【０００３】技術的背景 １.３μｍ及び１.５５μｍで動作する半導体デバイスは、光ファイバ通信にお
いて極めて重要である。理想的には、上記用途のためのデバイスは単一波長で動
作し、温度のような環境の変動に対する耐性が大きく、作製費用は低くあるべき
である。 今日までのところ、ＩｎＰ/ＩｎＧａＡｓＰ材料系を用いる端面発光デ
バイスの作製に努力のほとんどが集中されてきた。このようなデバイスは、レー
ザ出力のスペクトル品質を制御するために，特殊な分布帰還構造を用いている。
しかし、これらのデバイスは歩留がかなり低いことがある。さらに、これらのデ
バイスはＩｎＰ上に成長させた挟バンドギャップ材料でつくられるため、極めて
温度に敏感であり、厳密な温度管理を必要とする。したがって、この種の長波長
端面発光レーザは通常、非常に高価である。
【０００４】 単一波長発光が可能な別のデバイスは、 縦キャビティ型表面発光レーザ(ＶＣ
ＳＥＬ)である。 一般に、ＶＣＳＥＬは２つの分布ブラッグ反射器(ＤＢＲ)を含
み、これらのＤＢＲの間に所望の波長の光を放射する材料からなる活性領域があ
る、半導体発光デバイスである。ＤＢＲはミラーとしてはたらいて、共振キャビ
ティを定め、活性領域は光増幅媒体としてはたらく。またキャビティ長を定める
ためのスペーサが活性領域とＤＢＲのそれぞれとの間に用いられることもある。
半導体ミラー構造は通常、活性領域を通して電流を流すことができるようにドー
プされる。
【０００５】 従来技術のＶＳＣＥＬには問題がともない、これらの問題の内のいくつかはジ
ュエル(Jewell)等への米国特許第５,７１９,８９４号及び第５,７１９,８９５号
で総括されている。上記特許の開示は本明細書に参照として含まれる。 ＩｎＰ/
ＩｎＧａＡｓＰ系は熱感受性が高く、また屈折率特性が劣ることから、 ＩｎＰ/
ＩｎＧａＡｓＰを用いて成長させたＶＳＣＥＬの作製及び１.３μｍから１．５
５μｍの領域における発光は一般に阻まれてきた。さらにＩｎＰ基板に対する高
効率ＤＢＲの作製は困難であり、実際上非常に効率が低いことがわかっている。
【０００６】 ＩｎＰベースでは品位の高いミラーを作製できないという問題を克服するため
の手法の１つとして、ウエハ融着が用いられてきた。この技法では、ＩｎＰ基板
上に活性領域を成長させ、ＤＢＲはヒ化ガリウム(ＧａＡｓ)上に成長させる。次
いでこれらのウエハを高圧下で結合処理して、ＶＣＳＥＬを形成する。この方法
の欠点は、複雑なプロセスが必要であるために信頼性問題がおこり得ること及び
複雑なプロセスにともなって製造費用が高くなることである。
【０００７】 ＩｎＰ/ＩｎＧａＡｓＰの限界を克服するため、 ＧａＡｓ基板をベースとする
構造が縦キャビティ型デバイス用に提案されている。１.３μｍ及び１．５５μ
ｍ発光のためのＧａＡｓ上への高品質活性材料の成長は、多くの様々な手法を用
いて研究されてきた課題である。
【０００８】 第１の手法ではＧａＡｓ上に成長したＩｎＧａＡｓ量子ドット(ＱＤ)が用いら
れる。この手法により、１.３μｍのフォトルミネセンス(ＰＬ)が得られ、１.２
７μｍで動作する共振キャビティ型フォトダイオード及び１.３μｍで動作する
端面発光型量子ドット(ＱＤ)レーザが作製された。 連続波(ＣＷ)/室温(ＲＴ)-
ＱＤベースＶＣＳＥＬも作製されたが、 レーザ発振波長は１.１５μｍでしかな
かった。
【０００９】 第２の手法ではひずみＧａＡｓＳｂ量子井戸(ＱＷ)が用いられる。この手法に
より、１.３μｍの室温ＰＬが得られ、１.２７μｍで動作する端面発光レーザが
作製された (このレーザの波長が短くなっているのは、限られた数の無欠陥ＱＷ
しか成長できなかったことによる、高電流注入レベルにおける利得飽和に帰因さ
せることができる)。 この手法では、タイプIIバンド端整合がなされたＧａＡｓ
Ｓｂ/ＩｎＧａＡｓ二層ＱＷを用いた１.３３２μｍまでのＰＬ波長も得られた。
【００１０】 第三の手法では単層ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸が用いられる。この手法により、
閾値電流密度が３.１ｋＡ/ｃｍ２の、 発光波長１.１８μｍでの室温パルス動作
が得られた。また、ＱＷの窒素含有率を１％まで高めたときに、レーザ発振波長
が１.３μｍに近いＣＷ端面発光レーザが得られた。 キャビティ長が８００μｍ
で活性領域幅が２μｍのデバイスで、１０８ｍＡの閾値電流が達成された。
【００１１】 上記の手法はいずれも欠点を有する。第１に、得られる波長が遠距離通信目的
には短すぎる。第２に、量子ドットデバイスは長キャビティに依存し、高反射率
ファセットコーティングを用いる。第３に、ＧａＩｎＮＡｓを形成するための、
ＩｎＧａＡｓへの窒素ドープが数多くの理由のため技術的に困難な課題であるこ
とから、ＧａＩｎＮＡｓ手法には限界がある。第１に、活性材料に１％をこえる
窒素を確実にドープすることに問題がある。第２に、用いられる代表的な先駆物
質はヒドラジン(例えばロケット燃料)ベースであり、そのような化合物の不安定
性及び自燃性のために、極めて慎重に扱わなければならない。第３に、窒素がど
のようにして活性領域にドープされるかが明確にはわかっていない。かって、幾
人かの研究者は４元合金が形成されると考えたが、今では一般に、窒素は不純物
または欠陥状態としてドープされると考えられている。そのような状態は、材料
にドープされる窒素の量が多くなるとともに数が増加する非発光再結合中心を導
入し得る。これらの状態は、より長波長の発光を得ることができる、伝導帯の局
所的摂動すなわち分割を生じさせ得る。しかし窒素ドープ量を多くすると欠陥が
入り、これにともなって一般にデバイス寿命が短くなる。
【００１２】 したがって、所望の１.３μｍ及び１.５５μｍの長距離通信用波長で動作する
改善された光電式デバイスの必要が生じている。
【００１３】発明の概要 本発明にしたがえば、基板及び基板上に配された活性領域を含む化合物半導体
デバイスが提供される。活性領域は少なくとも２つの相異なるスードモルフィッ
ク層を含み、 第１の層はＩｎｘＧａ１-ｘＰｙＡｓｚＳｂ１-ｙ-ｚの形態を有し
、第２の層はＩｎｑＧａ１-ｑＰｒＡｓｓＳｂ１-ｒ-ｓの形態を有する。 第１の
層は少なくともＩｎ，Ｇａ及びＡｓを含み、第２の層は少なくともＧａ，Ａｓ及
びＳｂを含む。“スードモルフィック”とは、ミスフィット転位レベルが十分に
小さいこととして定義される。それぞれのＩｎＧａＰＡｓＳｂ層は、基板に対し
てスードモルフィックである。基板はＧａＡｓまたはＡｌｐＧａ１-ｐＡｓ(０＜
ｐ＜１)、あるいは格子定数がＧａＡｓの格子定数に近いかまたは等しい材料で
あることが好ましい。 第１の層については、ｘが０.０５と０.７の間、ｙが０
と０.３５の間、ｚが０.４５と１の間、１-ｙ-ｚが０と０.２５の間にあれば好
ましい。第２の層については、ｑが０と０.２５の間、１-ｒ-ｓが０.２５と１の
間にあれば好ましい。
【００１４】 第１の層と第２の層との間に形成されるバンド構造は、タイプIIバンド端整合
を有することが好ましい。ピーク遷移波長は１１００ｎｍより長いことが好まし
い。第１の層は電子に対する井戸領域であり、第２の層は電子に対する障壁領域
であることが好ましい。いずれの層も量子井戸を形成することが好ましく、超格
子を形成し得ることも好ましい。
【００１５】 別の実施形態において、活性領域はさらに第３のスードモルフィック層を含む
。第３の層は組成が第１の層と実質的に同じであり、第２の層の上に配すること
ができる。本実施形態の変形は、第２の層と第３の層との間に少なくとも１つの
層対も含む。それぞれの層対は、第１及び第２のスードモルフィック層と実質的
に同じ組成を有する。別の変形は第３の層の上に配された第４のスードモルフィ
ック層を含み、第４の層は第２の層の組成と実質的に同じ組成を有する。この変
形はまた第２の層と第３の層との間に少なくとも１つの層対も含み、それぞれの
層対は第１及び第２のスードモルフィック層と実質的に同じ組成を有する。
【００１６】 別の実施形態において、活性領域は第２の層の上に配された３つの追加スード
モルフィック層をさらに含むことができる。第１の追加層は第１及び第２のスー
ドモルフィック層のいずれとも異なる組成を有する。第２の追加層は第２のスー
ドモルフィック層の組成と実質的に同じ組成を有し、第３の追加層は第１のスー
ドモルフィック層の組成と実質的に同じ組成を有する。
【００１７】 別の実施形態においては，複数のクラッド層が活性領域を囲む。クラッド層は
ＧａＡｓ，ＡｌｔＧａ１-ｔＡｓ(０＜ｔ＜１)またはＧａＡｓｕＰ１-ｕ(０＜ｕ
＜１)からなることが好ましい。
【００１８】 別の実施形態において、第１のスードモルフィック層は第１のクラッド層の上
に配され、第２のスードモルフィック層は第１のスードモルフィック層の上に配
される。本実施形態は、第１のスードモルフィック層と実質的に同じ組成を有し
、第２のスードモルフィック層の上に配された第３のスードモルフィック層を含
むことが好ましい。本実施形態の変形は、第２の層と第３の層との間に少なくと
も１つの層対も含むことができる。それぞれの層対は第１及び第２のスードモル
フィック層と実質的に同じ組成を有する。別の変形は第３のスードモルフィック
層の上に配された第４のスードモルフィック層を含み、第４のスードモルフィッ
ク層は第２のスードモルフィック層の組成と実質的に同じ組成を有する。この変
形はまた第２のスードモルフィック層と第３のスードモルフィック層との間に少
なくとも１つの層対を有することもでき、それぞれの層対は第１及び第２のスー
ドモルフィック層と実質的に同じ組成を有する。
【００１９】 別の実施形態において、第１のクラッド層が基板と活性領域との間に配され、
第２のクラッド層が第２のスードモルフィック層の上に配される。さらに、第２
のクラッド層及び第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に配された複数の
層は多層構造を形成し、この多層構造は第１の多層構造の上に繰り返して配置す
ることができる。
【００２０】 さらに別の実施形態においては、活性領域に電気的に結合された２つの導電層
があり、１つの導電層は第１の導電型を有し、第２の導電層は第２の導電型を有
する。活性領域に電流を供給するか、または活性領域から電流を引き出すための
手段もある。導電層のバンドギャップは活性領域の各層のバンドギャップより大
きいことが好ましい。発光または光吸収が達成される半導体−空気界面を導電層
面のキャビティが形成する、端面発光デバイスが形成されることが好ましい。
【００２１】 本デバイスの別の実施形態においては、第２の導電層の上に配された格子層が
ある。格子層は活性領域の少なくとも一部にかけて伸びる複数の線構造を有し、
格子層は光共振キャビティを定める。キャビティは共振エネルギーと関係づけら
れた共振波長を有し、ここで共振波長(ｎｍ)は１.２４/[共振エネルギー(ｅＶ)]
に等しい。 格子層の線構造は、位相シフト格子層を形成するために、１/４波長
または１/４波長の整数倍の間隔をおいて配置されることが好ましい。
【００２２】 本デバイスの別の実施形態においては、活性領域の下に下部ミラーが配され、
活性領域の上に上部ミラーが配される。上部及び下部ミラーは、キャビティは共
振エネルギーと関係づけられた共振波長を有する光共振キャビティを定め、ここ
で共振波長(ｎｍ)は１.２４/[共振エネルギー(ｅＶ)]に等しい。上部及び下部ミ
ラーは交互する高屈折率層及び低屈折率層からつくられることが好ましい。低屈
折率層は、酸化物材料、低屈折率誘電体材料、低屈折率高分子材料、及び屈折率
が比較的低い半導体材料、あるいはこれらのいずれかの組合せでつくることがで
きる。高屈折率層は、酸化物材料、高屈折率誘電体材料、高屈折率高分子材料、
及び高屈折率半導体材料、あるいはこれらのいずれかの組合せでつくることがで
きる。
【００２３】 さらに別の実施形態において、活性領域の上に配されたアパーチャがある。ア
パーチャは２つの領域を有する。別の実施形態の１つでは、第１のアパーチャ領
域は電気抵抗が高く、第２のアパーチャ領域では電気抵抗がかなり低い。別の実
施形態では、第１のアパーチャ領域の屈折率が第２のアパーチャ領域の屈折率よ
り低い。別の実施形態では、第１のアパーチャ領域が強く酸化された材料からな
り、第２のアパーチャ領域は第１のアパーチャ領域より弱く酸化されている。別
の実施形態では、アパーチャはエッチングにより柱状構造をつくることで形成さ
れる。
【００２４】 また本発明にしたがえば、それぞれが基板及び基板の上に配された活性領域を
含む、端面発光レーザ、共振キャビティ型光検出器、共振キャビティ型発光ダイ
オード(ＬＥＤ)またはＶＣＳＥＬが提供される。それぞれのデバイスにおいて、
活性領域は少なくとも２つのスードモルフィック層を含む。第１のスードモルフ
ィック層はＩｎｘＧａ１-ｘＰｙＡｓｚＳｂ１-ｙ-ｚの形態を有し、 第２のスー
ドモルフィック層はＩｎｑＧａ１-ｑＰｒＡｓｓＳｂ１-ｒ-ｓの形態を有し、 第
１及び第２のスードモルフィック層は組成が相異なる。第１の層は少なくともＩ
ｎ，Ｇａ及びＡｓを含み、第２の層は少なくともＧａ，Ａｓ及びＳｂを含む。
【００２５】 また本発明にしたがえば、インジウム、ガリウム、リン、ヒ素及びアンチモン
を含み、ＩｎｘＧａ１-ｘＰｙＡｓｚＳｂ１-ｙ-ｚの形態を有し、ここで０＜ｘ
＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｚ＜１及び０＜１-ｙ-ｚ＜１である、化合物も提供され
る。
【００２６】 また本発明にしたがえば、基板の上に配される活性領域を形成する工程を含み
活性領域は少なくとも第１及び第２のスードモルフィック層を含む、基板上に化
合物半導体デバイスを作製するための方法も提供される。第１のスードモルフィ
ック層はＩｎｘＧａ１-ｘＰｙＡｓｚＳｂ１-ｙ-ｚの形態を有し、 第２のスード
モルフィック層はＩｎｑＧａ１-ｑＰｒＡｓｓＳｂ１-ｒ-ｓの形態を有し、 第１
及び第２のスードモルフィック層は組成が相異なる。第１の層は少なくともＩｎ
，Ｇａ及びＡｓを含み、第２の層は少なくともＧａ，Ａｓ及びＳｂを含む。基板
はＧａＡｓまたはＡｌｐＧａ１-ｐＡｓ(０＜ｐ＜１)、あるいは格子定数がＧａ
Ａｓの格子定数に近いかまたは等しい材料であることが好ましい。
【００２７】 活性領域に組成が相異なる２つのＩｎＧａＡｓＰＳｂスードモルフィック層を
用いることにより、本発明は単一材料のバンドギャップにより決定されているレ
ーザ発振波長の制限を回避する。１.１μｍから１.５μｍの波長が得られた。本
発明のその他の技術的利点は、当業者には、以下の図面、説明及び特許請求の範
囲から容易に明らかであろう。
【００２８】発明の詳細な説明 本発明及び本発明の利点のより完全な理解のため、以下で添付図面を参照して
説明する。図面において、同じ参照数字は同じ要素を表す。
【００２９】 本発明は少なくとも波長１.１μｍにおける発光を提供する。 さらに、本発明
はタイプIIバンド端整合を有するバンド構造を示す。本発明は、図１Ａと同様の
構造を有する光電式半導体デバイスに用いることができる。デバイス１００は、
下部電極１０５の上に配された基板１１０，基板１１０の上に配された下部領域
１２０，下部領域１２０の上に配された活性領域１３０，活性領域１３０の上に
配された上部領域１４０及び上部領域１４０の上に配された上部電極１９５を含
む。
【００３０】 基板１１０は、ｎ型にドープされていることが好ましいが、ｐ型にドープされ
ていてもよい、 ＧａＡｓまたはＡｌｘＧａ１-ｘＡｓ(０＜ｘ＜１)であることが
好ましい半導体である(以降別に注記しない限り、ＡｌｘＧａ１-ｘＡｓ(０＜ｘ
＜１)は“ＡｌＧａＡｓ”と書かれ、 III族元素のＡｌ及びＧａが足し合わせる
と１になる相補的下付添字をもつことは当然である)。 基板はＧａＡｓまたはＡ
ｌＧａＡｓからなることが好ましいが、格子定数がＧａＡｓに近いかまたは等し
いいずれかの材料とすることもできる。下部電極１０５は(導電型が基板１１０
と同じ)ｎ型電極であることが好ましい。 同様に、下部領域１２０の導電型は基
板１１０と同じであることが好ましい。下部領域１２０はコンタクト層及び、端
面発光レーザの場合は導波層すなわち分布屈折率層を含むことができ、またＬＥ
Ｄ，フォトダイオードまたはＶＣＳＥＬのような共振キャビティ型デバイスの場
合には下部ミラーを含むことができる。上部領域１４０は下部領域１２０の構造
と対称的であり、下部領域１２０及び基板１１０とは逆の導電型を有し、好まし
くはコンタクト層及び、端面発光レーザの場合は導波層すなわち分布屈折率層を
含み、また上述した共振キャビティ型デバイスの場合には上部ミラーを含む、構
造を有することが好ましい。上部電極は(導電型が上部領域１４０と同じ)ｐ型電
極であることが好ましい。活性領域１３０は、発光または光吸収がおこるところ
であり、一方上部領域１４０及び下部領域１２０は発光するかまたは光を吸収す
るようには考えられていない。
【００３１】 活性領域１３０は図１Ｂ〜１Ｄに、バッファ／クラッド層１５０ａ及び１５０
ｂにはさまれたＩｎＧａＡｓＰＳｂベースの１つまたは複数のひずみ量子井戸構
造として、拡大されて示されている。活性領域１３０は、少なくとも２つの組成
が相異なるＩｎＧａＡｓＰＳｂ層１３１，１３２を含み、好ましくは、組成が層
１３１と実質的に同じである第３の層１３８をすくなくとも含むが、層１３１及
び１３２のそれぞれの厚さ及び化学量論的組成は異なっていてよい。第１の層に
は少なくともＩｎ、Ｇａ及びＡｓが存在すべきであり、第２の層には少なくとも
Ｇａ，Ａｓ及びＳｂが存在すべきである。図１Ｂに示されるように、バッファ／
クラッド層１５０ａ，１５０ｂにはさまれるスードモルフィック層の数は奇数で
あることが好ましく、これは特にスードモルフィック層の枚数がわずかでしかな
い(例えば３または５)場合に当てはまる。そのような場合には、バッファクラッ
ド層のそれぞれに隣接する第１の層は“Ａ”と称される組成を有し、次の隣接層
は“Ｂ”と称される組成を有する。層Ａは電子に対する井戸領域としてはたらき
、層Ｂは電子に対する障壁領域としてはたらく。層１３２と層１３８の間には、
０，１，２あるいはそれ以上のＡ/Ｂ層対が存在し得る。
【００３２】 あるいは図１Ｃに示されるように、さらに層１３９を少なくとも含む、層数を
Ａ/Ｂ/Ａ/Ｂパターンを有する偶数とすることができる。 図１Ｂの活性領域と同
様に、図１Ｃの活性領域は層１３２と層１３８との間に０，１，２あるいはそれ
以上のＡ/Ｂ層対をもつことができる。図１Ｂ〜１Ｄには示されていないが、３
つのスードモルフィック層Ａ，Ｂ及びＣを有し、それぞれの層はＩｎＧａＡｓＰ
Ｓｂの形態を有するが組成は相異なり、バッファ／クラッド層１５０ａ，１５０
ｂの間でＡ/Ｂ/Ｃ/Ｂ/Ａの態様で配置されることも可能である。
【００３３】 バッファ／クラッド層１５０ｂ及びバッファ／クラッド層間の複数のスードモ
ルフィック層を含む多層構造１６０がバッファ／クラッド層１５０ｂ上に１回ま
たはそれ以上の回数繰り返される、別の変形が図１Ｄに示される。 ＧａＡｓｕ
Ｐ１-ｕ(０＜ｕ＜１，以降“ＧａＡｓＰ”と称される)バッファ／クラッド層に
対して 、活性領域１３０は１つまたは複数の、ＧａＡｓＰ/Ａ/Ｂ/…/ＧａＡｓ
Ｐ，ＧａＡＳＰ/Ａ/Ｂ/…/Ａ/ＧａＡｓＰ，またはＧａＡｓＰ/Ａ/Ｂ/Ｃ/Ｂ/Ａ/
ＧａＡｓＰの層構成を含むことができる。このような構造は、(以下で論じる)ひ
ずみ補償の最適化に有利である。
【００３４】 用いられる個々のＡ/Ｂ層厚が薄い場合には、電子及び正孔は障壁を(量子力学
的に)通り抜けることができ、 量子井戸の離散エネルギー準位は広がって小さな
バンドになることができる。そのような構造は超格子と称される。
【００３５】 端面発光レーザにおいては、活性領域はデバイス１００の側面から光を放射す
る。ＶＣＳＥＬまたはＬＥＤのような、共振キャビティ型発光デバイスにおいて
は、光は活性領域１３０から上部領域１４０を通して、あるいは下部領域１２０
及び基板１１０を通して放射される。光検出器は、光を側面から活性領域に直接
に、あるいは上部または下部から活性領域に向けて、受けることができる。
【００３６】 バッファ／クラッド層１５０ａ，１５０ｂは、薄い(〜４００Å)バッファ層及
び／または厚い(〜１５００Å)クラッド層または分布屈折率層を含むことができ
る。これらのバッファ／クラッド層はＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓＰ
でつくることができる。バッファ／クラッド層１５０ａ，１５０ｂは電子及び正
孔の閉込め層としてはたらき、また光の導波も与える。クラッド層にＡｌを入れ
れば電子の閉込めを改善できる。ＧａＡｓＰクラッド層は引張りひずみを有し、
よって活性領域のＩｎＧａＡｓＰＳｂ層の圧縮ひずみを補償することができる。
ＩｎＧａＡｓＰＳｂ層の圧縮ひずみは、ＩｎＧａＡｓＰＳｂ層がスードモルフィ
ックに成長できる最大厚を制限し、この最大厚は臨界厚として知られる。層厚が
大きくなるとともに、ミスフィットひずみエネルギーが大きくなる。したがって
臨界厚よりも厚く成長した層には、複数の層にわたって蓄積したミスフィットひ
ずみエネルギーがスードモルフィック成長に許される最大ひずみをこえるので、
転位が存在するであろう。ひずみ補償においては、薄い引張りひずみ材料層をク
ラッド層に導入することにより、薄い層の蓄積圧縮ひずみを軽減するかまたは相
殺することができる。これにより、正味のひずみが効果的に低減される。ひずみ
が小さくなるほど、ミスフィットひずみエネルギーは小さくなり、よってより厚
い層を転位が生じる前に成長させることができる。したがって、引張りひずみク
ラッド層を、スードモルフィックに成長させることができるＩｎＧａＡｓＰＳｂ
層の全厚を大きくするために利用することができる。
【００３７】 さらに、上記のバッファ／クラッド層はいくつかの要件を満たすべきである。
第１に、バッファ／クラッド層は活性領域の量子井戸層のバンドギャップより大
きなバンドギャップを有するべきである。第２に、バッファ／クラッド層のバン
ドギャップは量子井戸近くで最小であり、活性領域から離れるにしたがって大き
くなるべきである。第３に、バッファ／クラッド層の屈折率は量子井戸近くで最
大であり、活性領域から離れるにしたがって小さくなるべきである。
【００３８】 一般性を失うことなく、活性領域に(Ａ/Ｂ層対として)ＩｎｘＧａ１-ｘＡｓ/
ＧａＰｒＡｓｓＳｂ１-ｒ-ｓ層を用いる、本発明の一実施形態が説明される(本
構造は、以降“ＩｎＧａＡｓ/ＧａＰＡｓＳｂと称される)。１.３μｍ及び１.５
５μｍで動作するIII/Ｖ族半導体レーザのほとんどはタイプＩのＱＷ活性領域を
用いるが、本ＩｎＧａＡｓ/ＧａＰＡｓＳｂ構造は、 エネルギー図が図２Ａに簡
略に示される対称タイプII多層領域を用いる。図２Ａは、３層活性領域に対し、
相対エネルギー準位を活性領域にかけての位置の関数として示す。ＧａＡｓバッ
ファ／クラッド層は位置２０５，２２５で示される。ＩｎＧａＡｓ層は位置２１
０，２２０で、ＧａＰＡｓＳｂ層は位置２１５で示される。価電子帯は２３０で
示され、伝導帯は２６０で示される。第１の許容正孔エネルギー準位は２３５で
示され、正孔障壁は２４０で示される。また第１の許容電子エネルギー準位は２
５５で示され、電子障壁は２５０で示される。価電子帯２３０から伝導帯２６０
への遷移エネルギーは２４５で示される。
【００３９】 図２Ａにおいて、電子は主にＩｎＧａＡｓ(“Ａ”)層２１０，２２０に閉じ込
められ、一方正孔は主にＧａＰＡｓＳｂ(“Ｂ”)層２１５に閉じ込められる。タ
イプII構造における光学遷移は空間的に間接遷移であり、実効バンドギャップは
構成材料のバンドギャップより狭くなり得る。それぞれの層の厚さは十分に小さ
く保たれ、よって電子及び正孔の波動関数の大きな空間的重なりがおこり得る。
この重なりは、ＧａＡｓにはさまれた、２層構造よりも、対称構造を用いること
で強められる。ＧａＰＡｓＳｂ層は薄いから、２つの電子ＱＷの電子エネルギー
準位は結合するようになる。この結果、結合２重量子井戸(ＣＤＱＷ)構造が得ら
れる。
【００４０】 包絡波動関数近似を用いる２バンドモデルに基づく理論的モデル化により、タ
イプIIのＱＷ構造に対する、遷移エネルギー及び電子波動関数と正孔波動関数と
の間の重なりを計算することができる。伝導帯２６０及び価電子帯２３０のいず
れに対しても非放物線性を考慮に入れた。バンドオフセットを、(Ｃ.Ｇ.ファン
・デ・ワール(C.G. Van de Walle)，“フィジカル・レビュー・Ｂ(Phys. Rev. B
)”誌，第３９巻(１９８９年)，１８７１ページに述べられているような)モデル
−固体理論を用いて計算し、バンド構造へのひずみの効果も含めた。これらの計
算によりバンド端整合がタイプIIであることが確かめられた。
【００４１】 図２Ｂは、 Ｉｎ０.４Ｇａ０.６Ａｓ(“Ａ”)層及びＧａＰ０.１２Ａｓ０.４
Ｓｂ０.４８(“Ｂ”)層をもつＣＤＱＷ構造について計算されたバンド端図を示
す。上記の材料系でつくられたＣＤＱＷに対する臨界厚は、エネルギーバランス
法による単一キンク機構に基づいて約７ｎｍと計算される。臨界厚をこえる層厚
に対しては、材料に欠陥が導入され、デバイスの光出力及び寿命が劣化し得る。
本例においては、Ａ層及びＢ層のそれぞれに対して２ｎｍ及び３ｎｍの厚さが用
いられ、よって活性領域の全厚は７ｎｍの臨界厚限界内にある。バンド端不連続
性並びに注入がないときの伝導帯２６０の電子閉込め状態のエネルギー準位及び
価電子帯２３０の重い正孔の閉込め状態のエネルギー準位を、比例尺でプロット
している。これらの計算によりＣＤＱＷ構造のバンド端整合がタイプIIであるこ
とが確かめられた。電子障壁２５０は、Ｉｎ０.４Ｇａ０.６Ａｓ/ＧａＰ０.１２ Ａｓ０.４Ｓｂ０.４８ヘテロ界面で、１９６ｍＶである。ＣＤＱＷにおける電子
状態及び正孔状態の両者に対して計算された波動関数２６５，２７５もプロット
してある。重い正孔の波動関数２７５は、重い正孔の実効質量により、層Ｂ２１
５に強く局在している。層Ｂ２１５は非常に薄く、電子障壁が低く、実効電子質
量が小さいから、電子波動関数２６５は層Ｂを通り抜けることができて、２つの
Ａ(ＩｎＧａＡｓ)井戸２１０，２２０の間で強い結合が生じている。したがって
、電子波動関数２６５のかなりの部分がＢ(ＧａＰＡｓＳｂ)障壁層２１５に存在
している。この結果、電子及び正孔の波動関数２６５，２７５は適度な大きさの
重なりを有している。
【００４２】 注入キャリア濃度がＮ＝１×１０１９ｃｍ−３(１５７Ａ/ｃｍ２)のときの、
計算されたピーク利得ｇｐ,ｍａｘ及び対応する波長λｇｐ,ｍａｘが、井戸幅ｄ Ａ ，ｄＢ，ｄＡが相異なる６つの構造について、表１に示される。(Ih1 c1)２は
、電子と正孔の波動関数の重なり積分である。Ｎｅ及びＪｅはそれぞれ、無散乱
キャリア濃度及び無散乱電流密度である。ｇｗｎ及びｇｗは、計算された利得ス
ペクトルをフィッティングすることにより得られた定数である。これらの構造に
対し、上記の高注入レベルにおいて、自然放出再結合寿命はτｓｐ〜２.５ｎｓ
と計算され、自然放出再結合係数はＢｓｐ〜４×１０−１１ｃｍ３/ｓである。
構造５について、無散乱キャリア濃度が約５.３×１０１８ｃｍ−３(５９Ａ/ｃ
ｍ２)と計算された。１０１９ｃｍ−３のキャリア注入の下での利得ピークの最
大値は８００８ｃｍ−１であり、波長１.３３μｍにある。このキャリア濃度は
ＶＣＳＥＬの動作に対して無理なキャリア濃度ではない。
【００４３】
【表１】 試験用試料及びデバイスを、分子線エピタキシー(ＭＢＥ)によりＧａＡｓ基板
上に成長温度５０５℃で成長させた。ＰＬ測定用試料には、２０周期のＡｌＡｓ
−ＧａＡｓ超格子、さらに続けて２２０ｎｍのＧａＡｓバッファ層を成長させ、
これに１０ｎｍ厚ＧａＡｓ層をキャップした。それぞれの層の名目厚さは、臨界
厚をこえることのないように、層の組成、したがって層のひずみに依存して、約
２５〜３０Åとした。Ｉｎの目標組成比は約０.３から０.４の間に設定した。
【００４４】 非常に敏感な成長パラメータ依存性により、この時点ではＶ族元素(Ａｓ，Ｐ
，Ｓｂ)の絶対組成を実験から得ることは困難である。１.３μｍで発光する、あ
り得る構造の１つを得るために用いた手法は以下の通りである。初めに、ＧａＡ
ｓ基板上に、層をＩｎｘＧａ１-ｘＡｓ/ＧａＡｓ/ＩｎｘＧａ１-ｘＡｓの順に５
０５℃で成長させ、続けてＧａＡｓ層を成長させる。３つの層のそれぞれは約３
ｎｍ厚である。Ｉｎ含有率ｘは、いずれのＩｎｘＧａ１-ｘＡｓ層もストランス
キー−クラスタノフ粗雑化転移にちょうど到達するかあるいはその下にとどまる
ように、調節する。いずれの構造でもおおよそ同じ波長での発光が見られた。次
の工程では、中央層の成長時にＳｂ分子線を加え、Ａｓ分子線量を減らし、Ｖ族
元素の総分子線量を一定にして、ＩｎｘＧａ１-ｘＡｓ/ＧａＡｓｓＳｂ１-ｓ/Ｉ
ｎｘＧａ１-ｘＡｓ構造を得る。 この分子線量比は、有意な(得られた構造のＰ
Ｌ強度の低下により測定される)転位密度をもたらすことなしに可能なＳｂ分子
線量の最大値に関する別の実験に基づいて調節する。次の成長では、可能な最大
波長が得られるまで、Ｐを入れる。
【００４５】 中央ＧａＰｒＡｓｓＳｂ１-ｒ-ｓ層成長中のＶ族元素の分子線量は、 それぞ
れの元素供給源のバルブ設定に比例する。１つの成分の分子線量の増加はまた、
成長固体結晶中のその成分の増加をもたらす。Ｐ，Ａｓ及びＳｂ源のバルブ設定
に対するＰＬ発光波長の依存性を表２及び図３に示す。
【００４６】
【表２】 成長させた試料に関する、 Ｓｂ：Ｐバルブ設定比の関数としての(スペクトル
の半値幅から決定した)ＰＬ発光波長範囲を図３に示す。 高いＳｂ：Ｐ比はＳｂ
分子線量がＰ分子線量より大きいことを意味し、Ｓｂ分子線量がＰ分子線量より
大きくなるとともに発光波長が長くなる傾向があることがわかる。縦の線の長さ
は、用いた成長法がかなり一様ではなかったことによる、ウエハ面内での波長の
広がりを示す(破線は異なるＳｂのバルブ設定で成長させた試料を示す)。これら
のデータは、約１１００ｎｍから少なくとも１５５０ｎｍでの発光を実証してい
る。
【００４７】 様々な組成における相対変化から発光波長に関する有効な再現性が得られるこ
とになるはずであるが、現時点では本実施形態のそれぞれの層の組成は成長法に
より暗に定められるに過ぎない。 同じ実施形態の１.３μｍで発光する試料の、
２次イオン質量分光(ＳＩＭＳ)測定結果を図４に示す。現時点では、イオン電流
データを層の組成に変換するための較正標準はない。曲線を乗じて、III族元素
のデータを加えることにより、偏析後のＩｎ含有率を約０.１と推定できる。 中
央ＧａＰｒＡｓｓＳｂ１-ｒ-ｓ層にはかなりの量のＳｂ及びＰが存在する。
【００４８】 上記の実験及び計算から概括的に結論を導けば、以下の、それぞれの層におけ
る各元素の好ましい組成範囲が得られる。Ａ層については、ｘが０.０５と０.７
の間、ｙが０と０.３５の間、ｚが０.４５と１の間、 また１-ｙ-ｚが０と０.２
５の間である。Ｂ層については、ｑが０と０.２５の間、また１-ｒ-ｓが０.２５
と１の間である。組成範囲は理論計算を用いて選ばれる。入力データには、バン
ドギャップ及びバンドオフセットに関する公表データが含まれる。ひずみも考慮
される。様々な組成及び厚さに対する計算が上に述べられている。薄層の成長を
実際に実験で達成し得るように、約４％の最大圧縮ひずみを入れて組成を計算す
る。ひずみがどうであろうとも、材料はスードモルフィックであるように、厚さ
を選ぶ。さらに、ＳＩＭＳデータからの推定値を用いる。計算のためのデータ及
び計算自体は広く知られている。
【００４９】 電気的に励起される端面発光ダイオード試料も成長させた。そのようなデバイ
ス５００の構造を図５に簡略に示す。図１Ａと同様に、下部電極１０５，基板１
１０，活性領域５３０及び上部電極１９５がある。上部ｐ型電極１９５は幅が約
８０μｍの金属ストライプ電極である。下部領域１２０は、コンタクト層５２０
及び分布屈折率(ＧＲＩＮ)層５２５を含む。上部領域１４０は、ＧＲＩＮ層５３
５，コンタクト層５４０及びキャップ層５４５を含む。図１Ａに関して好ましい
としたように、デバイス５００の下部領域はｎ型にドープされ、上部領域はｐ型
にドープされる。 本例においては、基板１１０はｎ-ＧａＡｓである。コンタク
ト層５２０及び５４０の厚さは約１６,０００Åであり、 それぞれｎ-Ａｌ０.６ ５ Ｇａ０.３５Ａｓ及びｐ-Ａｌ０.６５Ｇａ０.３５Ａｓからなることが好ましい
が、その他の組成比も適している。キャップ層５４５はｐ型にドープされ、通常
はＡｌを含有する下部構造が大面積で空気にさらされることを防止するために被
着される。キャップ層５４５の厚さは約２０００Åであり、ＧａＡｓからなるこ
とが好ましい。ＧＲＩＮ層５２５，５３５の厚さは約１５００Åであり、ｘがコ
ンタクト層５２０，５４０との界面における０.６５から出発して活性領域５３
０との界面における０.２５に至る、アンドープＡｌｘＧａ１-ｘＡｓからなるこ
とが好ましい。ＧＲＩＮ層５２５，５３５は活性領域で発生する光の光閉込めを
与えることから導光層としても知られる。これらの層は通常アンドープである。
【００５０】 活性領域５３０は、ＩｎＧａＡｓ(５３１)/ＧａＰＡｓＳｂ(５３２)/ＩｎＧａ
Ａｓ(５３３)の３層構造からなり、ＧａＡｓバッファ層５３８，５３９をもつ。
ＧＲＩＮ層と同様に、活性領域は通常アンドープである。活性領域５３０は３つ
の層を含み、それぞれの名目厚さは３０Åである。ＧａＡｓバッファ層５３８，
５３９の厚さは約４００Åである。ＧＲＩＮ層５２５，５３５及びコンタクト層
５２０，５４０により、活性領域を通して電流が流れることができる。デバイス
５００のキャビティ長は約７５０μｍである。
【００５１】 図６は、１００ｍＡから４００ｍＡの注入電流に相当する、約１７５Ａ/ｃｍ
２から約７００Ａ/ｃｍ２の間の電流密度範囲で動作している、電気励起デバイ
スの室温発光スペクトルを示す。パルス持続時間は１０μｓであり、デューティ
サイクルは１０％である。４００ｍＡの最大注入電流に対しては、曲線６１０に
示されるように、１.３μｍにおける強いＰＬが本デバイスで得られた。 面積の
広い本デバイスでは、それぞれ曲線６２０及び６３０で示されるように、注入電
流が２００ｍＡ(３５０Ａ/ｃｍ２)及び１００ｍＡ(１７５Ａ/ｃｍ２)に減少する
と、室温発光スペクトルは長波長側(約１３２５ｎｍ及び１３５０ｎｍ)にシフト
する。バイアス電流が高くなるとピーク波長が短くなることは主として、ＩｎＧ
ａＡｓ層５３１，５３３及びＧａＰＡｓＳｂ層５３２の厚さ及び組成の変動から
生じる低エネルギー状態のバンドフィリングに帰因する。小体積活性領域の利得
飽和もおこり得る。
【００５２】 アルゴンイオンレーザの５１４ｎｍ線を光励起に用いて試料の室温ＰＬ測定を
行った。試料のエピタキシャル成長面に入射するこの光は、半導体材料に吸収さ
れ、次いで光励起された電子が再び価電子帯に落ちて正孔と再結合し、活性材料
のバンドギャップ特性により決定される特性波長をもつ光を放射するから、発光
がおこる。 図７Ａは、１.３μｍ近くで強い発光を表す試料についてのＰＬ測定
結果を示し、測定はそれぞれのウエハについて中央(下位の曲線)、端までの中間
(中位の曲線)及び端(上位の曲線)で行った。表２にしたがってＧａＰＡｓＳｂの
組成を変えることにより、 １.５μｍまでの波長でＰＬ発光が実際に得られた。
これは図７Ｂに見ることができ、Ｓｂセルからの分子線量をＰセルからの分子線
量より大きくすることにより達成された。ウエハ面内でのピーク波長の変動は、
セルからの分子線量分布が一様ではないことによる。
【００５３】 上記構造の成長中の反射高速電子線回折(ＲＨＥＥＤ)測定は、中央(Ｉｎ)Ｇａ
ＰＡｓＳｂ(“Ｂ”)層の成長中に異なる表面配置を示す。これは２つの試料につ
いての図８−Ｂ１２６のフレームｆ及びｇとＢ１２４のフレームｆ−に見ること
ができる。先行層及び後続層とは著しく対照的に、回折パターンの回折点は試料
表面に垂直な方向よりも平行な方向に引き伸ばされている。 これは、III族元素
の副格子またはＶ族元素の副格子のいずれか、あるいは両者が自発的秩序化ドメ
インを示す、秩序表面構造を表しているものであろう。このことは、Ｉｎ及びＧ
ａあるいはＶ族元素のいずれかが結晶格子に沿う反復交互配列を示していること
を意味する。この種の秩序化は、ＭＢＥにおいて、ＧａＩｎＡｓ，ＧａＡｓＳｂ
及びＩｎＡｓＳｂのような同様の材料系の多くで以前に観察されており、通常は
無秩序材料に比較してバンドギャップエネルギーの減少をもたらす。この付加的
なパラメータは、上記のデバイス構造をもって実現される光電式デバイスの発光
波長に影響を与え、調整するために用いることができる。
【００５４】 試料の層構造の特徴を明らかにするために、試料断面の透過電子顕微鏡観察を
行った。図９は、ある試料について得られた暗視野透過電子顕微鏡写真を示す。
この画像は、間隔が約９.０ｎｍの２つの良く定められた界面を明瞭に示し、 こ
の値はＩｎＧａＡｓ/ＧａＰＡｓＳｂ ＱＷ構造に対する成長速度から決定された
全厚と極めて良く一致する。この観察結果は、成長したままの状態の試料が実際
にＱＷ構造を有することを実証している。 上部ＩｎＧａＡｓ/ＧａＡｓ界面はあ
る程度の粗さを示し、これはＲＨＥＥＤ観察結果と整合する。しかしこの粗さで
は、電子が３次元のドットに閉じ込められる通常の量子ドットの場合のような、
付加的な横方向量子閉じ込めは実質的に得られない。電子顕微鏡写真では、Ｉｎ
ＧａＡｓ層とＧａＰＡｓＳｂ層との間の界面はそれほどよく定められていない。
これは、少なくともある程度は、異なるＶ族元素の原子の間ではコントラストが
とれないことによる。ＱＷの両側のＧａＡｓクラッド層に伸びる不均一なひずみ
によるコントラストも見ることができる。ひずみ場の変動はＱＷ自体の厚さ及び
組成の変動により生じていると考えられる。第２の試料の電子顕微鏡写真はＱＷ
構造内にうねりのあるコントラストを示し、上記の変動が確かめられた。高解像
度格子像には構造欠陥の目に見える徴候が全くなかった。
【００５５】 本発明は、多くの様々な光電式デバイスに組み入れることができる。分布帰還
型(ＤＦＢ)レーザ及び分布ブラッグ反射器(ＤＢＲ)レーザを含む、端面発光デバ
イス５００のいくつかの変型に本発明を組み入れることができる。図１０Ａ及び
１０Ｂはそれぞれ、いずれもデバイスの上部領域に周期格子を有する、ＤＦＢレ
ーザ１０２０及びＤＢＲレーザ１０６０を示す。格子は活性領域の少なくとも一
部の上を伸びる複数の線構造を有する。いずれのデバイスも、基板１１０，ｎ型
コンタクト層５２０，導波層１０２５及びｐ型コンタクト層５４０を含む。ＤＦ
Ｂ１０２０は、周期格子を含む回折格子層１０３５を含む。ＤＢＲ１０６０は別
の周期格子を含む導波層１０８５を含む。ＤＢＲ１０６０にはレーザ励起が行わ
れる励起領域１０９０も示される。 格子周期は、１.２４/[共振エネルギー(ｅ
Ｖ)]で定められる波長λ(μｍ)におけるキャビティ共振を定める。 共振エネル
ギーは活性領域材料の利得スペクトル内に入るべきであり、活性領域の遷移エネ
ルギーに近くなるように選ばれるべきである。
【００５６】 デバイス１０２０及び１０６０は方形格子をもって示され、図１１Ａ及び１１
Ｂでさらに説明される。この格子形状は例として示されるだけであり、その他の
格子形状とすることもできる。図１１Ａに示されるように、方形格子１１１０は
周期Ａを有し、個別の界面反射１，２，３が示される。層の物理長はλ/４ｎで
あり、ここでｎはその層の屈折率である。１層の光路長はλ/４(Λ/２)である。
層を１回横断するときの位相変化はπ/２で与えられ、 単層に対する往復位相は
πである。界面反射の符号は、ある層から次の層に進むときの屈折率変化により
交互する。 全ての反射波の位相は加算されるが、それぞれの波の往復位相は(２
ｍ＋１)πであり、ここでｍは整数である。 図１１Ｂでは、位相シフト要素が加
算され、光路長はλ/４である。 これにより、１往復毎にπの追加位相シフトが
組み入れられ、２πの整数倍の全往復位相が生じる。
【００５７】 本発明は、共振キャビティ型フォトダイオード(ＲＣＰＤ)、共振キャビティ型
ＬＥＤ(ＲＣＬＥＤ)あるいはＶＣＳＥＬのような共振キャビティ構造に組み入れ
ることができる。包括的な共振キャビティ構造が図１２に簡略に示される。この
構造には、 基板１１０，下部ミラー１２２０，上部ミラー１２４０並びに(破線
で境界が示される)活性領域及びＧＲＩＮ層を含む領域１２３０が含まれる。 ミ
ラー１２２０，１２４０は交互する高屈折率材料層と低屈折率材料層のミラー対
でつくられる。デバイスのタイプが変わればミラー対の数も変わるであろうが、
大要は、層構造であることは同じである。上部ミラー１２４０では、低屈折率材
料層１２４２が領域１２３０に隣接し、高屈折率材料層１２４４が層１２４２の
上に被着される。同様に、下部ミラーでは低屈折率材料層１２２２が領域１２３
０に隣接し、層１２２２は高屈折率材料層１２２４の上に被着される。
【００５８】 ＧａＡｓ基板上に成長させた場合、ミラーは、それぞれＴｉＯ２及びＳｉＯ２ のような、高屈折率材料及び低屈折率材料で形成することができる。なおＴｉＯ ２ 及びＳｉＯ２は例に過ぎず、他にもよく知られた誘電体材料がある。高屈折率
材料及び低屈折率材料はそれぞれ、スードモルフィック半導体，ＡｌｘＧａ１-
ｘＡｓ及びＡｌｙＧａ１-ｙＡｓとすることができ、ここでｙ＞ｘである。 半導
体の場合には、低屈折率材料は酸化ＡｌｙＧａ１-ｙＡｓとすることもでき、 こ
こでｙは通常０.９より大きく、ｘは材料が酸化しないように選ばれる。 高屈折
率高分子材料及び低屈折率高分子材料も用いることができる。上記の高屈折率材
料及び低屈折率材料のいずれかの組合せも用いることができる。
【００５９】 ミラー層の厚さは通常、λ/４に選ばれる。 これは、１.２４/[共振エネルギ
ー(ｅＶ)]で定められる波長λ(μｍ)におけるキャビティ共振を定める。 共振エ
ネルギーは活性領域材料の利得スペクトル内に入るべきである。共振エネルギー
は活性領域の遷移エネルギーに近くなるように選ばれるべきである。
【００６０】 上記の共振キャビティ構造では、活性領域の上に配されたアパーチャを、光学
モードを導波するために用いることができる。アパーチャは２つの領域を有する
ことが好ましい。図１３Ａは、利得導波アパーチャを含む、利得導波型ＶＣＳＥ
Ｌの略図である。このＶＣＳＥＬは、基板１１０，下部ミラー１３２０，上部ミ
ラー１３４０並びに、活性領域及びＧＲＩＮ層を含む、領域１３３０を含む。ア
パーチャは２つの領域、高抵抗領域１３５０及び低抵抗領域１３５５を有する。
電流は低抵抗領域１３５５を通して活性領域に流れる。高抵抗領域１３５０は陽
子またはイオン注入により形成され、電流はこの領域を流れることができない。
本デバイスにより、光学モードが形成される、利得領域の横方向閉込めが得られ
る。
【００６１】 アパーチャ型デバイスの第２のタイプの、屈折率導波型アパーチャが図１３Ｂ
に示される。図１３Ａのデバイスと同様に、本デバイスは、基板１１０，下部ミ
ラー１３２０，上部ミラー１３４０並びに、活性領域及びＧＲＩＮ層を含む、領
域１３３０を含む。本デバイスのアパーチャは２つの領域、低屈折率領域１３６
０及び高屈折率領域１３６５を有する。低屈折率領域１３６０は、柱状構造がつ
くられるように材料をエッチングで取り去ることで形成することができる。低屈
折率領域１３６０は、図１３Ｂに示されるように、柱状構造部より屈折率の低い
空気とすることができるが、例えば高分子材のような何か、あるいは柱状構造部
より屈折率が低いその他の材料とすることもできる。デバイスの一部とは見なさ
れない、未加工材料部１３６８が、柱状構造とは反対の側で低屈折率領域１３６
０に隣接する。光は高屈折率領域に閉じ込められ、電流は柱状構造部に閉じ込め
られる。
【００６２】 アパーチャ型デバイスの第３のタイプの、酸化物ベースすなわち酸化物閉込め
型アパーチャが図１３Ｃに示される。図１３Ａ及び１３Ｂのデバイスと同様に、
本デバイスは、基板１１０、下部ミラー１３２０、上部ミラー１３４０並びに、
活性領域及びＧＲＩＮ層を含む、領域１３３０を含む。本デバイスのアパーチャ
は２つの領域、酸化物領域１３７０及び弱酸化物領域１３７５を有する。酸化物
領域１３７０は強く酸化されておりｙが０.９より大きいＡｌｙＧａ１-ｙＡｓか
らなることができる。弱酸化物領域１３７５は、酸化されていないかあるいは酸
化物領域１３７０より酸化の度合が弱い、ｘが０.８より小さいＡｌｘＧａ１-ｘ Ａｓのような、半導体材料である。酸化物領域１３７０は(ａ)低屈折率及び(ｂ)
高抵抗を有し、したがって光学的及び電気的閉込めの両者が得られる。酸化物閉
込め型アパーチャは閾値電流が非常に小さい。
【００６３】 本明細書に説明した本発明は、半導体基板の上に配された活性領域を含む。活
性領域は、ＩｎｘＧａ１-ｘＰｙＡｓｚＳｂ１-ｙ-ｚ/ＩｎｑＧａ１-ｑＰｒＡｓ
ｓＳｂ１-ｒ-ｓの形態を有する少なくとも２つのスードモルフィック層を含む。
この活性領域を取り入れた構造は、多くの遠距離通信用途に適する１.１μｍか
ら１.５μｍをこえる波長で発光することが示された。それぞれの層の化学量論
的組成が相異なる、ＩｎｘＧａ１-ｘＰｙＡｓｚＳｂ１-ｙ-ｚ/ＩｎｑＧａ１-ｑ
ＰｒＡｓｓＳｂ１-ｒ-ｓ量子井戸(ＱＷ)をＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓ基板上に
成長することにより、 レーザ発振波長が単一材料のバンドギャップで決定され
るという制限が回避される。 本発明はＩｎｘＧａ１-ｘＰｙＡｓｚＳｂ１-ｙ-ｚ 層及びＩｎｑＧａ１-ｑＰｒＡｓｓＳｂ１-ｒ-ｓ層の組成に依存して、 フォトル
ミネセンス(ＰＬ)発光スペクトルのピークを１.１μｍから１.５μｍまでシフト
させる。理論的モデルは、提案されたＱＷ構造が、電子と正孔の波動関数が大き
な空間的重なりをもつタイプIIバンド端整合を有することを示す。
【００６４】 本発明を詳細に説明したが、特許請求の範囲で定められる本発明の精神及び範
囲を逸脱することなく本発明に様々な変更、置き換え及び改変をなしうることは
当然である。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 本発明の一実施形態にしたがう包括的な光電式半導体デバイスの略図
【図１Ｂ】 図１Ａの活性領域の一実施形態を拡大して示す略図
【図１Ｃ】 図１Ａの活性領域の一実施形態を拡大して示す略図
【図１Ｄ】 図１Ａの活性領域の一実施形態を拡大して示す略図
【図２Ａ】 本発明の一実施形態にしたがう活性領域のバンド端整合の簡略なエネルギー図
【図２Ｂ】 本発明の別の実施形態にしたがう活性領域のバンド端整合並びに電子及び重い
正孔の波動関数の略図
【図３】 本発明のいくつかの実施形態にしたがう活性領域層の材料の分子線量比に関す
るフォトルミネセンス波長の依存性を示すグラフ
【図４】 本発明の一実施形態の２次イオン質量分光測定結果を示すグラフ
【図５】 本発明の一実施形態にしたがう端面発光デバイスの構造の略図
【図６】 図５の端面発光デバイスと同様の端面発光デバイスのエレクトロルミネセンス
スペクトルを示すグラフ
【図７Ａ】 本発明にしたがって作製されたデバイスのフォトルミネセンススペクトルを示
すグラフ
【図７Ｂ】 本発明にしたがって作製されたデバイスのフォトルミネセンススペクトルを示
すグラフ
【図８】 本発明の２つの実施形態の反射高速電子線回折(ＲＨＥＥＤ)測定結果を示す写
真
【図９】 本発明にしたがって作製された一実施形態の活性領域の断面を示す電子顕微鏡
写真
【図１０Ａ】 本発明の別の実施形態にしたがう端面発光デバイスの構造の略図
【図１０Ｂ】 本発明の別の実施形態にしたがう端面発光デバイスの構造の略図
【図１１Ａ】 方形格子の周期構造の略図
【図１１Ｂ】 方形格子の周期構造の略図
【図１２】 本発明のいくつかの実施形態にしたがう共振キャビティ構造の略図
【図１３Ａ】 本発明の一実施形態にしたがう導波アパーチャ型ＶＣＳＥＬの略図
【図１３Ｂ】 本発明の一実施形態にしたがう導波アパーチャ型ＶＣＳＥＬの略図
【図１３Ｃ】 本発明の一実施形態にしたがう導波アパーチャ型ＶＣＳＥＬの略図
【符号の説明】
１００ 光電式半導体デバイス １１０ 基板 １３０ 活性領 １３１，１３２，１３８ ＩｎＧａＡｓＰＳｂ層 １５０ バッファ／クラッド層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブラウン，ヴォルフガング ドイツ連邦共和国 Ｄ−10117 ベルリン ハウスフォークタイプラツ ５−７ Ｆターム(参考） 5F073 AA74 AB17 BA01 CA20 CB02 DA06 EA02 EA28

Claims (52)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 化合物半導体デバイスにおいて： 基板；及び 前記基板の上に配された活性領域；前記活性領域は少なくとも第１及び第２の
    スードモルフィック層を含む； を含み： 前記第１のスードモルフィック層はＩｎｘＧａ１-ｘＰｙＡｓｚＳｂ１-ｙ-ｚ
    の形態を有し、少なくともＩｎ，Ｇａ及びＡｓを含み； 前記第２のスードモルフィック層はＩｎｑＧａ１-ｑＰｒＡｓｓＳｂ１-ｒ-ｓ
    の形態を有し、少なくともＧａ，Ａｓ及びＳｂを含み； 前記第１及び第２のスードモルフィック層の組成が相異なる； ことを特徴とするデバイス。
  2. 【請求項２】 前記基板がＧａＡｓまたはＡｌｐＧａ１-ｐＡｓ(０＜ｐ＜１
    )を含むことを特徴とする請求項１記載のデバイス。
  3. 【請求項３】 前記基板がＧａＡｓの格子定数に近いかまたは等しい格子定
    数を有することを特徴とする請求項１記載のデバイス。
  4. 【請求項４】 請求項１記載のデバイスにおいて： ０.０５≦ｘ≦０．７； ０≦ｙ≦０.３５； ０.４５≦ｚ≦１； ０≦１-ｙ-ｚ≦０.２５； ０≦ｑ≦０.２５； ０≦ｒ＜１ ０＜ｓ＜１；及び ０.２５≦１-ｒ-ｓ＜１； であることを特徴とするデバイス。
  5. 【請求項５】 請求項１記載のデバイスにおいて： ０.０５≦ｘ≦０．７； ０＜ｙ≦０.３５； ０.４５≦ｚ＜１； ０＜１-ｙ-ｚ≦０.２５； ０＜ｑ≦０.２５； ０＜ｒ＜１ ０＜ｓ＜１；及び ０.２５≦１-ｒ-ｓ＜１； であることを特徴とするデバイス。
  6. 【請求項６】 前記第１のスードモルフィック層と前記第２のスードモルフ
    ィック層との間にバンド構造が形成され、前記バンド構造がタイプIIバンド端整
    合を有することを特徴とする請求項１記載のデバイス。
  7. 【請求項７】 ピーク遷移波長が１１００ｎｍより大きいことを特徴とする
    請求項１記載のデバイス。
  8. 【請求項８】 前記第１のスードモルフィック層が電子に対する井戸領域で
    あり、前記第２のスードモルフィック層が電子に対する障壁領域であることを特
    徴とする請求項１記載のデバイス。
  9. 【請求項９】 前記第１及び第２のスードモルフィック層が量子井戸を形成
    することを特徴とする請求項１記載のデバイス。
  10. 【請求項１０】 前記第１及び第２のスードモルフィック層が超格子を形成
    することを特徴とする請求項１記載のデバイス。
  11. 【請求項１１】 前記活性領域が前記第２のスードモルフィック層の上に配
    された第３のスードモルフィック層をさらに含み、前記第３のスードモルフィッ
    ク層の組成が前記第１のスードモルフィック層の組成と実質的に同じであること
    を特徴とする請求項１記載のデバイス。
  12. 【請求項１２】 前記第３のスードモルフィック層の上に配された第４のス
    ードモルフィック層をさらに含み、前記第４のスードモルフィック層の組成が前
    記第２のスードモルフィック層の組成と実質的に同じであることを特徴とする請
    求項１１記載のデバイス。
  13. 【請求項１３】 前記第２のスードモルフィック層と前記第３のスードモル
    フィック層との間に配された少なくとも１つの層対をさらに含み、前記層対のそ
    れぞれが前記第１のスードモルフィック層の組成と実質的に同じ組成を有する第
    １の追加スードモルフィック層及び前記第２のスードモルフィック層の組成と実
    質的に同じ組成を有する第２の追加スードモルフィック層を含むことを特徴とす
    る請求項１２記載のデバイス。
  14. 【請求項１４】 前記第２のスードモルフィック層と前記第３のスードモル
    フィック層との間に配された少なくとも１つの層対をさらに含み、前記層対のそ
    れぞれが前記第１のスードモルフィック層の組成と実質的に同じ組成を有する第
    １の追加スードモルフィック層及び前記第２のスードモルフィック層の組成と実
    質的に同じ組成を有する第２の追加スードモルフィック層を含むことを特徴とす
    る請求項１１記載のデバイス。
  15. 【請求項１５】 請求項１記載のデバイスにおいて、前記活性領域が： 前記第２のスードモルフィック層の上に配された第３のスードモルフィック層
    ；前記第３のスードモルフィック層の組成は前記第１及び第２のスードモルフィ
    ック層の組成と異なる； 前記第３のスードモルフィック層の上に配された第４のスードモルフィック層
    ；前記第４のスードモルフィック層の組成は前記第２のスードモルフィック層の
    組成と実質的に同じである； 前記第４のスードモルフィック層の上に配された第５のスードモルフィック層
    ；前記第５のスードモルフィック層の組成は前記第１のスードモルフィック層の
    組成と実質的に同じである； をさらに含むことを特徴とするデバイス。
  16. 【請求項１６】 前記活性領域を囲む第１及び第２のクラッド層をさらに含
    むことを特徴とする請求項１記載のデバイス。
  17. 【請求項１７】 前記クラッド層がＧａＡｓ，ＡｌｔＧａ１-ｔＡｓ(０＜ｔ
    ＜１)，またはＧａＡｓｕＰ１-ｕ(０＜ｕ＜１)を含むことを特徴とする請求項１
    ６記載のデバイス。
  18. 【請求項１８】 前記第１のスードモルフィック層が前記第１のクラッド層
    の上に配され、前記第２のスードモルフィック層が前記第１のスードモルフィッ
    ク層の上に配されることを特徴とする請求項１６記載のデバイス。
  19. 【請求項１９】 前記活性領域が前記第２のスードモルフィック層の上に配
    された第３のスードモルフィック層をさらに含み、前記第３のスードモルフィッ
    ク層の組成が前記第１のスードモルフィック層の組成と実質的に同じであること
    を特徴とする請求項１８記載のデバイス。
  20. 【請求項２０】 前記第３のスードモルフィック層の上に配された第４のス
    ードモルフィック層をさらに含み、前記第４のスードモルフィック層の組成が前
    記第２のスードモルフィック層の組成と実質的に同じであることを特徴とする請
    求項１９記載のデバイス。
  21. 【請求項２１】 前記第２のスードモルフィック層と前記第３のスードモル
    フィック層との間に配された少なくとも１つの層対をさらに含み、前記層対のそ
    れぞれが前記第１のスードモルフィック層の組成と実質的に同じ組成を有する第
    １の追加スードモルフィック層及び前記第２のスードモルフィック層の組成と実
    質的に同じ組成を有する第２の追加スードモルフィック層を含むことを特徴とす
    る請求項２０記載のデバイス。
  22. 【請求項２２】 前記第２のスードモルフィック層と前記第３のスードモル
    フィック層との間に配された少なくとも１つの層対をさらに含み、前記層対のそ
    れぞれが前記第１のスードモルフィック層の組成と実質的に同じ組成を有する第
    １の追加スードモルフィック層及び前記第２のスードモルフィック層の組成と実
    質的に同じ組成を有する第２の追加スードモルフィック層を含むことを特徴とす
    る請求項１９記載のデバイス。
  23. 【請求項２３】 請求項１記載のデバイスにおいて： 前記基板と前記活性領域との間に配された第１のクラッド層；及び 前記第２のスードモルフィック層の上に配された第２のクラッド層； をさらに含むことを特徴とするデバイス。
  24. 【請求項２４】 前記第２のクラッド層並びに前記第１のクラッド層と前記
    第２のクラッド層との間に配された前記層が第１の多層構造を構成し、少なくと
    も１つの前記第１の多層構造と実質的に同じ追加多層構造が前記第１の多層構造
    の上に配されることを特徴とする請求項２３記載のデバイス。
  25. 【請求項２５】 請求項１記載のデバイスにおいて： 前記活性領域に電気的に結合された第１の導電型をもつ導電層； 前記活性領域に電気的に結合された第２の導電型をもつ第２の導電層；及び 前記活性領域に電流を供給するかあるいは前記活性領域から電流を引き出すた
    めの手段； をさらに含むことを特徴とするデバイス。
  26. 【請求項２６】 前記導電層のバンドギャップが前記活性領域の前記層のそ
    れぞれのバンドギャップより大きいことを特徴とする請求項２５記載のデバイス
    。
  27. 【請求項２７】 エッチングまたは劈開により前記導電層の面にキャビティ
    が形成され、よって半導体−空気界面が形成され、光放射または光吸収が前記半
    導体−空気界面を介して達成されることを特徴とする請求項２５記載のデバイス
    。
  28. 【請求項２８】 前記第２の導電層の上に配された格子層をさらに含み、前
    記格子層は前記活性領域の少なくとも一部の上に伸びる複数の線構造を有し、前
    記格子層が共振エネルギーに対応する共振波長を有する光共振キャビティを定め
    ； 前記共振波長(単位：μｍ)は、真空中で測定したときに、１.２４/[前記共振
    エネルギー(単位：ｅＶ)]に等しい； ことを特徴とする請求項２５記載のデバイス。
  29. 【請求項２９】 前記格子層の前記複数の線構造が、位相シフト格子層を形
    成するために、１/４波長または１/４波長の整数倍の間隔をもって配されること
    を特徴とする請求項２８記載のデバイス。
  30. 【請求項３０】 前記活性領域の下に配された下部ミラー及び前記活性領域
    の上に配された上部ミラーをさらに含み、前記上部及び下部ミラーが共振エネル
    ギーに対応する共振波長を有する光共振キャビティを定め； 前記共振波長(単位：μｍ)は、真空中で測定したときに、１.２４/[前記共振
    エネルギー(単位：ｅＶ)]に等しい； ことを特徴とする請求項２５記載のデバイス。
  31. 【請求項３１】 前記下部ミラーが交互する高屈折率層及び低屈折率層を含
    むことを特徴とする請求項３０記載のデバイス。
  32. 【請求項３２】 前記低屈折率層が酸化物材料、低屈折率誘電体材料、低屈
    折率高分子材料及び比較的屈折率が低い半導体材料からなる群から選ばれること
    を特徴とする請求項３１記載のデバイス。
  33. 【請求項３３】 前記高屈折率層が酸化物材料、高屈折率誘電体材料、高屈
    折率高分子材料及び高屈折率半導体材料からなる群から選ばれることを特徴とす
    る請求項３１記載のデバイス。
  34. 【請求項３４】 前記上部ミラーが交互する高屈折率層及び低屈折率層を含
    むことを特徴とする請求項３０記載のデバイス。
  35. 【請求項３５】 前記低屈折率層が酸化物材料、低屈折率誘電体材料、低屈
    折率高分子材料及び比較的屈折率が低い半導体材料からなる群から選ばれること
    を特徴とする請求項３４記載のデバイス。
  36. 【請求項３６】 前記高屈折率層が酸化物材料、高屈折率誘電体材料、高屈
    折率高分子材料及び高屈折率半導体材料からなる群から選ばれることを特徴とす
    る請求項３４記載のデバイス。
  37. 【請求項３７】 前記活性領域の上に配されたアパーチャをさらに含み、前
    記アパーチャが第１及び第２の領域を有することを特徴とする請求項３０記載の
    デバイス。
  38. 【請求項３８】 前記第１のアパーチャ領域が高い電気抵抗を有し、前記第
    ２のアパーチャ領域がかなり低い電気抵抗を有することを特徴とする請求項３７
    記載のデバイス。
  39. 【請求項３９】 前記第１のアパーチャ領域の屈折率が前記第２のアパーチ
    ャ領域の屈折率より低いことを特徴とする請求項３７記載のデバイス。
  40. 【請求項４０】 前記第１のアパーチャ領域が強く酸化された材料を含み、
    前記第２のアパ−チャ領域が前記第１のアパーチャ領域より弱く酸化されている
    ことを特徴とする請求項３７記載のデバイス。
  41. 【請求項４１】 前記アパーチャがエッチングで柱状構造を形成することに
    より形成されることを特徴とする請求項３７記載のデバイス。
  42. 【請求項４２】 前記デバイスが共振キャビティ型光検出器であることを特
    徴とする請求項３７記載のデバイス。
  43. 【請求項４３】 前記デバイスが共振キャビティ型発光ダイオードであるこ
    とを特徴とする請求項３７記載のデバイス。
  44. 【請求項４４】 前記デバイスが縦キャビティ型表面発光レーザであること
    を特徴とする請求項３７記載のデバイス。
  45. 【請求項４５】 端面発光デバイスにおいて： 基板;及び 前記基板の上に配された活性領域；前記活性領域は少なくとも第１及び第２の
    スードモルフィック層を含む； を含み： 前記第１のスードモルフィック層はＩｎｘＧａ１-ｘＰｙＡｓｚＳｂ１-ｙ-ｚ
    の形態を有し、少なくともＩｎ，Ｇａ及びＡｓを含み； 前記第２のスードモルフィック層はＩｎｑＧａ１-ｑＰｒＡｓｓＳｂ１-ｒ-ｓ
    の形態を有し、少なくともＧａ，Ａｓ及びＳｂを含み； 前記第１及び第２のスードモルフィック層の組成が相異なる； ことを特徴とする端面発光デバイス。
  46. 【請求項４６】 共振キャビティ型光検出器において： 基板;及び 前記基板の上に配された活性領域；前記活性領域は少なくとも第１及び第２の
    スードモルフィック層を含む； を含み： 前記第１のスードモルフィック層はＩｎｘＧａ１-ｘＰｙＡｓｚＳｂ１-ｙ-ｚ
    の形態を有し、少なくともＩｎ，Ｇａ及びＡｓを含み； 前記第２のスードモルフィック層はＩｎｑＧａ１-ｑＰｒＡｓｓＳｂ１-ｒ-ｓ
    の形態を有し、少なくともＧａ，Ａｓ及びＳｂを含み； 前記第１及び第２のスードモルフィック層の組成が相異なる； ことを特徴とする共振キャビティ型光検出器。
  47. 【請求項４７】 共振キャビティ型発光ダイオードにおいて： 基板;及び 前記基板の上に配された活性領域；前記活性領域は少なくとも第１及び第２の
    スードモルフィック層を含む； を含み： 前記第１のスードモルフィック層はＩｎｘＧａ１-ｘＰｙＡｓｚＳｂ１-ｙ-ｚ
    の形態を有し、少なくともＩｎ，Ｇａ及びＡｓを含み； 前記第２のスードモルフィック層はＩｎｑＧａ１-ｑＰｒＡｓｓＳｂ１-ｒ-ｓ
    の形態を有し、少なくともＧａ，Ａｓ及びＳｂを含み； 前記第１及び第２のスードモルフィック層の組成が相異なる； ことを特徴とする共振キャビティ型発光ダイオード。
  48. 【請求項４８】 縦キャビティ型表面発光レーザにおいて： 基板;及び 前記基板の上に配された活性領域；前記活性領域は少なくとも第１及び第２の
    スードモルフィック層を含む； を含み： 前記第１のスードモルフィック層はＩｎｘＧａ１-ｘＰｙＡｓｚＳｂ１-ｙ-ｚ
    の形態を有し、少なくともＩｎ，Ｇａ及びＡｓを含み； 前記第２のスードモルフィック層はＩｎｑＧａ１-ｑＰｒＡｓｓＳｂ１-ｒ-ｓ
    の形態を有し、少なくともＧａ，Ａｓ及びＳｂを含み； 前記第１及び第２のスードモルフィック層の組成が相異なる； ことを特徴とする縦キャビティ型表面発光レーザ。
  49. 【請求項４９】 材料の組成において： インジウム、ガリウム、リン、ヒ素及びアンチモンを含み、ＩｎｘＧａ１-ｘ
    ＰｙＡｓｚＳｂ１-ｙ-ｚの形態を有し、 ０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１，０＜ｚ＜１，及び ０＜１-ｙ-ｚ＜１であることを
    特徴とする材料組成。
  50. 【請求項５０】 基板上に化合物半導体デバイスを作製するための方法にお
    いて、前記方法が： 前記基板の上に配される活性領域を形成する工程；前記活性領域は少なくとも
    第１及び第２のスードモルフィック層を含む； を含み： 前記第１のスードモルフィック層はＩｎｘＧａ１-ｘＰｙＡｓｚＳｂ１-ｙ-ｚ
    の形態を有し、少なくともＩｎ，Ｇａ及びＡｓを含み； 前記第２のスードモルフィック層はＩｎｑＧａ１-ｑＰｒＡｓｓＳｂ１-ｒ-ｓ
    の形態を有し、少なくともＧａ，Ａｓ及びＳｂを含み； 前記第１及び第２のスードモルフィック層の組成が相異なる； ことを特徴とする方法。
  51. 【請求項５１】 前記基板がＧａＡｓまたはＡｌｐＧａ１-ｐＡｓ(０＜ｐ＜
    １)を含むことを特徴とする請求項５０記載の方法。
  52. 【請求項５２】 前記基板がＧａＡｓの格子定数に近いかまたは等しい格子
    定数を有することを特徴とする請求項５０記載の方法。
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