JP2003513476A - ＧａＡｓ材料系のための長波長仮像ＩｎＧａＮＰＡｓＳｂタイプＩおよびタイプＩＩアクティブ層 - Google Patents

ＧａＡｓ材料系のための長波長仮像ＩｎＧａＮＰＡｓＳｂタイプＩおよびタイプＩＩアクティブ層

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ドウド，フィリップ
ブラウン，ヴォルフガング
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グオ，チャン−チ
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、光処理（たとえば、発光および光吸収／検出）デバイス、特に通信の応用形態において使用される場合があるような面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の改善された構造を開示する。開示されるＶＣＣＡＬデバイスおよびその製造方法は、ＧａＡｓ含有基板上に成長する量子井戸構造を有するアクティブ領域を提供し、それにより光が１．０〜１．６μｍの範囲の波長を有するための処理互換性を提供する。そのアクティブ層構造は、量子井戸において、ひずみ補償障壁と種々のバンドアライメントとを組み合わせ、長い放射波長を達成すると同時に、その構造内のひずみを低減する。開示されるデバイスの改善された機能は、多数の構成要素を有する多成分合金層でそれらのデバイスを形成することからなる。本発明は、アクティブ領域のために提案される合金層内の重要な構成要素として、その層に関連付けられるバンドギャップエネルギーを低減する（すなわち、光の波長を長くする）と同時に、その構造に関連する格子定数を低減し、それゆえひずみを低減するのに適した、窒素（Ｎ）のような物質を開示する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 １．３μｍおよび１５μｍで動作する垂直空洞表面発光レーザ（vertical-cav
ity surface- emitting laser：ＶＣＳＥＬ）は、低コスト光電気通信システム
およびデータリンクのために望ましい。これらのデバイスの実現化によって、数
キロメートルの距離にわたってしか動作しないデジタル通信を、「家庭への光フ
ァイバの引き込み」のような応用形態に適用できるようになる場合がある。波長
１．３μｍで動作するレーザは、光ファイバの分散最小値で動作するため、高速
通信の場合に関心を持たれているのに対して、１．５５μｍで動作するレーザは
、吸収最小値において伝送するので、より長い距離にわたる通信の場合に関心を
持たれている。また、長波長レーザは低動作電圧を有しており、その動向がさら
に低い動作電圧で、より高い集積密度を実現することに向かっているＳｉ製集積
回路との集積化のために関心を集めている。１．３μｍおよび１．５μｍＶＣＳ
ＥＬのための市場が潜在的に大きいことに起因して、主に２つの基板ＩｎＰおよ
びＧａＡｓに基づく種々のアプローチを用いてデバイスを開発するために、数多
くの研究が行われている。ＩｎＰは、端面発光レーザのための従来からの基板材
料であるのに対して、ＧａＡｓは、基板コストの削減およびデバイスの性能の改
善の可能性に関する利点を提供する。
【０００２】 一般に、ＶＣＳＥＬは、２つの分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）を含み、その間
に、所望の波長の光を放射する材料を有するアクティブ領域を含む発光半導体デ
バイスである。典型的なＶＣＳＥＬ構造が、図１に概略的に示される。この場合
に、アクティブ領域は、ＧａＡｓ障壁によって離隔されるいくつかのＩｎＧａＡ
ｓ量子井戸からなり、アクティブ領域において必要とされる一般的な伝導帯のエ
ッジアライメントを示す。その半導体構造は、アクティブゾーン内の電子および
正孔間に最小限の分離を有するように設計されており、２つのキャリアタイプが
再結合し、光を放射する。放射される光の波長は、このアクティブゾーン内の電
子と正孔との間のエネルギー分離によって決定される。図示されるその特定のア
クティブ領域は、約９８０ｎｍで発光するために設計されるが、より長い波長に
おいても、同じ設計手順が必要とされる。ＡｌxＧａ1-xＡｓスペーサを用いて、
共鳴空胴長が規定され、それはレージング波長λの半波長の倍数に一致する。種
々の層の相対屈折率およびバンドギャップとともにその組成が示される。ＶＣＳ
ＥＬ内のアクティブ領域は短く、典型的にはレージング波長（λ）よりも著しく
短いので、アクティブ領域を通過する光子は、その１回の通過から、小さな光学
利得しか受けない。それゆえ、レージング動作を達成するために、アクティブ領
域の両側に、高い反射構造が必要とされる。これは、アクティブ領域を形成する
ために必要とされるのと同じエピタキシャル成長プロセスを用いることにより、
あるいは誘電体堆積のような技術により容易に達成することができる。そのミラ
ーは、種々の屈折率を有するλ／４材料層を交互に積層した層からなる。そのレ
ージング波長では、これらの層間の界面において反射される部分的な波が、強め
合うように干渉し、結果として、狭いスペクトル領域内で非常に大きな反射率が
生成される。アクティブ領域の両側の薄膜積層体は、いわゆる分布ブラッグ反射
器（ＤＢＲ）を形成し、典型的には９９％以上の反射率を有する。
【０００３】 たとえば、図２に示される構成において、その光学モードのための導波構造が
必要とされる。図２に示されるような屈折率導波型デバイスでは、その光学モー
ドは、柱状の体積の周囲の材料をエッチングによって除去し、空気の支柱を有す
るデバイス（air-post device）を形成するために制限される。その際、電流も
柱状エリアに制限される。別法では、利得導波型が用いられる場合もある。高エ
ネルギーの光子あるいはイオンをそのデバイス内に発射することにより、非常に
抵抗率の高い領域が形成される場合がある。これは、それを通して電流がアクテ
ィブ領域に流入するエリアを画定する。その利得領域は横方向に制限され、その
モードは自由エリアにおいて形成される。これらの方式の組み合わせが用いられ
る場合もある。より最近になって開発されたのは、酸化物閉込めデバイスである
。ミラー層を選択的に酸化し、ＡｌxＯyクラッディング層を形成することにより
、電流閉込めおよび屈折率導波の両方が提供され、結果として、閾値電流が非常
に低いデバイスを形成することができる。
【０００４】 発光構造の動作原理を明らかにすることができる。適当な波長の光がそのよう
なデバイスに向けられる場合には、２つの端子において電流が生成され、検出器
としての動作が可能になる。高性能の検出器の場合、種々の最適化が必要とされ
、発光デバイスとは異なる最適構造が形成される。典型的な構造が図３に示され
る。しかしながら、発光デバイスと検出器との両方のためのアクティブ領域は、
同じ一般的なタイプの層構造を用いる。
【０００５】 ＶＣＳＥＬは、レーザ品質のアクティブ材料と、高反射率ＤＢＲミラーとを必
要とする。従来のＶＣＳＥＬの製造時に共通に直面する問題は、米国特許第５，
７１９，８９４号および第５，７１９，８９５号によって詳細に調べられており
、それらの特許は全体として本明細書に援用される。一般に、１．３μｍおよび
１．５５μｍの領域において発光するＶＣＳＥＬの製造は、以下の問題によって
複雑にされる場合がある。
【０００６】 （１）ＩｎＰ基板の場合に、効率的なＤＢＲの製造は困難であり、実際に
は非常に効率が悪くなることがわかっている。 （２）ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰを用いて成長させたＶＣＳＥＬは、材料の
高い熱感度および屈折率特性に起因して性能が悪い。
【０００７】 （３）ＧａＡｓ上へのレーザ品質のアクティブ材料の成長は一般に、従来
技術のＶＣＳＥＬの場合に成功しないことがわかっている。 ＩｎＰ基板上の格子整合ミラーのために用いられる材料はＩｎＰおよびＩｎＧ
ａＡｓＰである。これらの材料は同様に以下の欠点を有する。
【０００８】 （ｉ）屈折率のステップが小さい （ｉｉ）熱特性が悪い 小さな屈折率ステップは、所望の反射率を有するＤＢＲミラーを製造するため
に必要とされる層の数に現れる。ＧａＡｓ上に成長したＡｌＧａＡｓ積層体と比
較すると、ＩｎＰ上に成長した積層体は、同じ反射率を生成するために、より多
くのＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ層を必要とする。さらに、ＩｎＧａＡｓＰは、Ｇａ
ＡｓあるいはＡｌＡｓより高い熱抵抗を示す。これは、デバイスの熱問題、たと
えばアクティブゾーンの加熱の問題を大きくし、室温において信頼性の高い持続
波（ＣＷ）動作を達成するのを一層困難にする。この問題は、ミラーにおいてよ
り多くの材料が必要とされるためにさらに悪くなり、それにより、熱伝導が行わ
れなければならない距離が増加すると同時に、動作電流がこれらの領域内を流さ
れる場合には、熱発生体積が増加する。
【０００９】 ＧａＡｓは、基板コストの削減、より簡単な結晶成長技術、および反射率の高
いミラーに関して著しい利点を提供することができるゆえに、ＧａＡｓ上に高い
光学品質のアクティブ材料を成長させる問題は、多くの研究者が、種々の態様で
取り組んでいる問題である。この問題を解決する１つの一般的な方法は、参照し
て本明細書に援用される、Ｊｅｗｅｌｌ等による米国特許第５，７１９，８９４
号および第５，７１９，８９５号に開示されるような利得オフセットを利用する
。Ｊｅｗｅｌｌ等により略述される方法は、いくつかの興味を引く特徴を有する
ように見えるが、クリティカルな厚みのようなプロセスパラメータが十分に開発
されていないので、そのような方法を用いて所望の波長の発光を達成することは
、依然として一般に非常に困難であることがわかっている。具体的には、米国特
許第５，７１９，８９４号に関しては、以下の問題に直面する傾向がある。
【００１０】 １． Ｊｅｗｅｌｌ等によって教示されるように、「ギネス」と呼ばれる
、ＩｎＧａＮＡｓあるいはＧａＩｎＮＡｓを形成するためにＩｎＧａＡｓのよう
な半導体材料に窒素（Ｎ）を取り込むことにより、波長が増加することがわかっ
ている。しかしながら、１．３μｍさらには１．５５μｍに到達するために必要
とされるＮの量は、典型的には、デバイスの性能および寿命に悪影響を及ぼす高
い欠陥レベルに導く。これらの問題は、取り込まれるＮの量とともに劇的に増加
する。
【００１１】 ２． 研究者の中には、四元合金が形成されるものと考える者もいるが、
別の視点では依然として、Ｎが不純物あるいは欠陥状態として取り込まれ、利得
飽和が生じるものと見ることができる。
【００１２】 ３． Ｎの取込みは技術的に難しい。アクティブ材料に１％より高いＮを
高い信頼性で取り込むことには問題がある。それゆえ、典型的には、材料は低温
で成長するため、結晶品質が劣化することになり、その後熱処理される。しかし
ながら、このプロセスは、低温成長によって導入される欠陥を完全には取り除く
ことができない。
【００１３】 さらに、米国特許第５，７１９，８９５号に関しては、その技術を半導体に適
用する際に、以下の問題／欠点に直面する場合がある。 １． ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ超格子の成長は現在の技術では非常に難しい。
なぜなら、ＩｎＡｓとＧａＡｓとの間に大きな格子不整合があるためである。
【００１４】 ２． 大きなひずみを有するエピタキシャル成長では、その層は、円滑に
は成長せず、クリティカルな厚み未満ではなおさらうまく成長しない。層は、表
面粗さあるいは皺を示す可能性があり、また島状化が生じる可能性もあり、結果
として量子ドットが形成され、それは、本発明の目的の場合には、「量子島状部
」と機能的に互換性のあるものと見なすことができ、アクティブ領域の体積が劇
的に減少する。
【００１５】 ３． ひずみを記述するために用いられる理論的モデルは一般に、成長プ
ロセスを過度に簡略化する。Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖのような他
の成長モデルでは、結果として、クリティカルな厚み未満の良好な層厚の場合に
量子ドットが形成されるであろう。島状部あるいはドットが形成される場合には
、アクティブ領域の体積は著しくさらに小さくなる。これは、層によって提供さ
れる最大限達成可能な利得を低減するであろう。さらに、ある集団のドットの大
きさになる可能性があり、結果としてスペクトルが広がり、ピーク材料利得が低
下する。
【００１６】 ４． クリティカルな厚みまでの完全に円滑な層は、知られている限りで
は、本発明に関連して提案される構造の場合に、実験的には決して実現されるこ
とはできていない。１つのＩｎＡｓ層およびＧａＡｓ層の繰り返される単位を含
む超格子構造の場合であっても、ひずみが蓄積する結果、クリティカルな厚みが
到達される前に表面が粗くなる場合がある。皺のような構造的な不均一性によっ
て、スペクトルが広がり、利得が低下するようになるであろう。
【００１７】 ５． またこれらの構造の成長は、材料欠陥（たとえば、転位）を生じさ
せる可能性もある。これは、材料利得特性を激しく低下させ、そのような材料か
ら製造されるあらゆるレーザの寿命が短くなるであろう。
【００１８】 従来技術のＶＣＳＥＬの場合の先に略述された問題を回避するための、複雑で
はあるが、最も見込みのあるアプローチのうちの１つは、ウェーハ形式を用いる
ことであり、その場合に、アクティブ領域およびＤＢＲは個別のＩｎＰ基板上に
成長し、その後、互いに結合されてＶＣＳＥＬを形成する。これにより、製造プ
ロセスが複雑になり、関連して歩留まりの問題が生じ、個々のデバイスのコスト
が上昇する場合がある。
【００１９】 信頼性および再現性を確保するために、またＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ材料系の
制約を克服するために、特にＧａＡｓ系技術が一般にＩｎＰの技術よりもさらに
進んでいるので、ＧａＡｓを用いる代替構造を開発することに引き続き感心が寄
せられている。しかしながら、１．３μｍの放射のために適したバンドギャップ
を有するＧａＡｓ上に成長させることができる材料を見つけることは簡単ではな
い。
【００２０】 １つのアプローチでは、量子ドット（ＱＤ）構造が開発されている。ＩｎＧａ
ＡｓＱＤは、１．３μｍにおいてフォトルミネッセンス（ＰＬ）を示しており、
１．２７μｍにおいて動作する共鳴空胴フォトダイオードが実現されている。最
近、１．３μｍ付近で動作する端面発光ＱＤレーザも示されている。ひずみを有
するＧａＡｓＳｂ量子井戸（ＱＷ）を用いる、１．３μｍの室温（ＲＴ）ＰＬが
観測されており、面発光デバイスにおいて１．２７μｍのレージングが報告され
ている。１．１８μｍのより長い放射波長を可能にする代替形態が、１つのＧａ
ＩｎＮＡｓＱＷを用いるＧａＡｓ系ＶＣＳＥＬ構造、およびＲＴパルス動作にお
いて実施された。また、タイプＩＩバンドエッジアライメントを有する、ＧａＡ
ｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ二層ＱＷサンプルにおいて、１．３３μｍまでのＰＬ波長
も観測されている。長波長デバイスの場合にタイプＩＩバンドエッジアライメン
トを有する構造の実現可能性が、端面発光ＬＥＤの製造とともに示されている。 発明の概要 本発明は、従来技術のＶＣＳＥＬデバイスおよび製造方法において直面する問
題点を、ＧａＡｓ基板上で成長させたレーザにおいて用いられることができ、１
．０μｍ乃至１．６μｍの放射波長を与える量子井戸構造を有するアクティブ領
域を設けることにより解決する。そのようなアクティブ領域は、長い放射波長を
達成し、同時にその構造内のひずみを最小にするために、量子井戸において、ひ
ずみ補償障壁と種々のバンドアライメントとの組み合わせを利用する。本発明は
、多数の構成要素を有する多成分合金層の製造によって形成される構造を提供す
る。その合金は、これらの各構成要素が、蓄積されたひずみ、およびより長い放
射／吸収波長の両方に寄与するように調整される。本発明により形成されるデバ
イスは、光の放射および吸収の両方またはその一方の場合、あるいは光の変調の
場合に有用性を有することができ、さらに、その物理的および光学的な部分によ
って、特定の波長を有する光の良好な、あるいは最適な放射および／または吸収
のために特に適合することができる。これに関連して、デバイスが効率的に光を
処理、すなわち吸収および／または放射することができる波長を参照することに
より、そのデバイスを有効に指示し、特徴付けることができる。量子井戸層のた
めの合金の組成は、実現可能な最も長い波長が最小の全ひずみで達成されるよう
に最適化される。付加的なひずみ補償障壁層は、構造の全ひずみをさらに低減し
、それによりデバイスの性能およびデバイスの寿命に悪影響を及ぼす転位および
他の欠陥の形成を最小化できるようにする。ここで記載される層形成合金の中で
最も重要な構成要素は窒素（Ｎ）であり、窒素によってバンドギャップエネルギ
ー（より長い波長）が低減されるようになると同時に、格子定数も低減され、そ
れによりひずみも低減される。リン（Ｐ）もこの特性を有するが、アンチモン（
Ｓｂ）およびインジウム（Ｉｎ）は格子定数を増加させ、それゆえ、ＧａＡｓ上
に成長した層内に圧縮ひずみを引き起こす。数パーセントより高いレベルでのＮ
の取込みは困難であり、結晶品質を劣化させる可能性がある。しかしながら、他
の合金組成物と組み合わせて、技術的な観点から取り扱うのが容易であって、一
方、意味のある付加量を最大限達成可能な波長に振り向けるような量で窒素を用
いることができる。
【００２１】 本明細書で請求される本発明に記載されるアクティブ層構造は、以下に記載さ
れるような基本構成ブロックの組み合わせであり、全て量子閉込めに依存する。
量子閉込めの場合、層間で価電子帯および伝導帯のエネルギーが異なる層が組み
合わせられる必要がある。最も簡単なそのような構造は量子井戸であり、図４に
示される。より低い伝導帯エッジとより高い価電子帯エッジとを有する層（正孔
は反転されたエネルギーレベルを有する）は、伝導帯エッジがさらに高く、価電
子帯エッジがさらに低い層間に挟持される。電荷キャリア、すなわち伝導帯内の
電子および価電子帯内の正孔は、量子化されたレベルにおいてこの構造に取り込
まれ、非常に効率的に再結合し、最も低い伝導体レベルと最も高い価電子帯レベ
ルとの間の距離に対応する波長で発光する。そのデバイスを検出器として動作さ
せる際には、そのような量子井戸は非常に高い吸収を有し、それゆえ良好な検出
率を有する。上記のように、そのような構造を有するデバイスは、発光器、また
は受光器あるいは光検出器、あるいは光変調器、あるいは目的とされた用途に応
じて時間毎にこれらのうちの任意のものあるいは全てとして、光処理の有用性を
有することができる。
【００２２】 量子井戸収容構造の効率を高めるために、図５に示されるように、いくつかの
量子井戸を周期的に積重することができる。量子井戸が密接に結合される場合、
そのような構成は超格子と呼ばれ、その周期的な方向に沿って自らのバンド構造
を有し、固有の特性を有する人工積層材料を形成する。量子井戸が弱く結合され
る場合、量子井戸のエネルギーレベルは、多量子井戸バンド構造が単に各量子井
戸の倍数になるように保存される。
【００２３】 遷移エネルギーをさらに低減するために、異なる価電子帯エッジおよび伝導帯
エッジ位置を有する２つの量子井戸層を、図６に示されるように直接に結合する
ことができる。そのようなタイプＩＩ量子井戸は、電子および正孔を取り込むた
めに、空間的に離隔された領域を有し、最も深い電子井戸における最も低いレベ
ルから、最も高い正孔井戸における最も高いレベルに遷移するようにする。より
低い遷移エネルギーの利点は、電子および正孔のための波動関数が空間的に離隔
され、それらの重複が減少するため、通常、低下した遷移効率と結び付けられる
。この重複の正確な値はバンド構造の細部の大きく依存し、上記（タイプＩ）の
空間的に直結した量子井戸に類似の非常に高い効率を示す構成が示されている。
【００２４】 波動関数の重複を改善する１つの方法が、図７に示される対称なタイプＩＩ結
合井戸であり、その場合に、三層構造が、２つの電子（正孔）井戸間の障壁が相
対的に小さくなるように形成される。この場合、電子（正孔）波動関数は、その
構造の対称軸において高い値を有し、その場所で正孔（電子）波動関数は最大値
になる。これにより、遷移の効率は高くなり、それゆえ、デバイスの性能は良好
になる。
【００２５】 典型的には、ここに示される構造の量子井戸層は、その基板の格子定数より大
きい格子定数を有する。デバイスの性能に悪影響を及ぼす欠陥を生じるようにな
る、その構造内の全ての蓄積されたひずみを低減するために、量子井戸層の両側
の障壁層は、基板値よりも小さい格子定数を有する材料から形成される場合があ
る。その後、層が互いに対してひずみを受けるのに対して、構造全体の平均的な
ひずみは低減されるか、または消失する。この設計原理はひずみ平衡化（strain
balancing）と呼ばれ、図８に示される。
【００２６】 従来技術のＶＣＳＥＬデバイスおよび製造方法が直面する問題点を解決するた
めに、本発明は、タイプＩおよびタイプＩＩバンドエッジアライメントを有する
ひずみ補償構造の利用を開示する。ひずみ補償を利用することにより、材料品質
を劣化させることなく、多数の層を成長させることができ、それゆえ、デバイス
設計においてより高い自由度が提供される。
【００２７】 好ましい実施形態の詳細な説明 ひずみを有するＩｎwＧａ1-wＮxＰyＡｓzＳｂ1-x-y-z／ＡｌpＧａ1-pＡｓ／Ｇ
ａＡｓヘテロ構造を利用して、本発明の材料系は、１）圧縮性のひずみを有する
ＩｎwＧａ1-wＮxＰyＡｓzＳｂ1-x-y-z量子井戸およびタイプＩバンドアライメン
トを用いる、引張り性のひずみを有するＡｌqＧａ1-qＮrＰsＡｓ1-r-s障壁層、
２）タイプＩＩバンドアライメントを用いる、多数のＩｎwＧａ1-wＮxＰyＡｓz
Ｓｂ1-x-y-z／ＩｎaＧａ1-aＮbＡｓ1-b層を利用する圧縮性のひずみを有する量
子井戸および引張り性のひずみを有するＡｌqＧａ1-qＮrＰsＡｓ1-r-s障壁層を
含む。いずれの材料系とも、ＧａＡｓ基板上に仮像として成長する。本明細書で
用いられる「仮像（ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ）」は、十分に低い密度の不整
合転位を有し、十分に長い寿命を有するレーザを製造できるようにすることを意
味することになる。本発明では、タイプＩおよびタイプＩＩ両方のバンドエッジ
アライメントが用いられる。
【００２８】 波長１．０μｍ乃至１．６μｍにおける光放射あるいは吸収は、材料Ａ上に成
長したアクティブ材料と、ひずみ補償材料Ｂ、タイプＩアクティブ材料Ｃ、ある
いはタイプＩＩアクティブ材料ＣおよびＤとの１つあるいは多数の組み合わせを
用いることにより、本発明によって達成される。
【００２９】 タイプＩアクティブ層の場合、 材料系１＝Ａ−Ｂ−（Ｃ−Ｂ）［ｎ倍］−Ａ、ｎ＝１、２、３、．．． であり、タイプＩＩアクティブ層の場合、 材料系２＝Ａ−Ｂ−（Ｃ−Ｄ−Ｂ）［ｎ倍］−Ａ、ｎ＝１、２、３、．．． 材料系３＝Ａ−Ｂ−（Ｄ−Ｃ−Ｂ）［ｎ倍］−Ａ、ｎ＝１、２、３、．．． 材料系４＝Ａ−Ｂ−（Ｄ−Ｃ−Ｄ−Ｂ）［ｎ倍］−Ａ、ｎ＝１、２、３、．．． 材料系５＝Ａ−Ｂ−（Ｃ−Ｄ−Ｃ−Ｂ）［ｎ倍］−Ａ、ｎ＝１、２、３、．．． である。ただし個々の層は、 Ａ＝ＡｌpＧａ1-pＡｓ、０≦ｐ≦１ Ｂ＝ＡｌqＧａ1-qＮrＰsＡｓ1-r-s、０≦ｑ≦１；０≦ｒ≦０．１；０≦ｓ≦１ Ｃ＝ＩｎwＧａ1-wＮxＰyＡｓzＳｂ1-x-y-z、０≦ｗ≦１；０<ｘ<０．１；０≦ｙ
≦０．６；０<ｚ<１ Ｄ＝ＩｎaＧａ1-aＮbＡｓ1-b、０１≦a≦１；０<ｂ<０．１ である。
【００３０】 量子井戸、層ＣおよびＤは、圧縮性のひずみを有するが、スペーサ障壁におけ
る引張り性のひずみ、層Ｂは、アクティブ層内の全体的なひずみを完全に、ある
いは部分的に補償するために使用される。ひずみ補償の度合いは、全体厚さ、お
よび転位することなく成長することができる量子井戸の数に影響を与える。これ
らの多層材料系の大部分の実施形態では、各層は、その層が他の層の上に形成さ
れる結果として、他の層に対して概ね平行になるであろう。
【００３１】 モデル固体理論を用いると、本発明によって開示される構造のバンドエッジダ
イヤグラムは、材料組成の関数として構成される場合がある。１つの例示的な実
施形態では、図９は、本発明にしたがって形成される特定の材料系のための伝導
帯および価電子帯のエッジアライメントを示す。障壁の組成はＧａＰ0.42Ａｓ0. 58 であり、井戸の組成はＧａＰ0.37Ａｓ0.08Ｓｂ0.55である。これらの材料の室
温バンドギャップが、その界面におけるバンドの不連続性とともに示される。障
壁層のひずみは＋１．５％（引張り）であり、一方、井戸層の場合、−３％（圧
縮）である。先に与えられる障壁および井戸組成の場合、ＱＷ内に閉じ込められ
た電子と正孔との間の遷移エネルギーは、８ｎｍの障壁幅および井戸幅の場合に
、０．９６ｅＶであると計算されている。この結果は、１．３μｍ付近の波長に
対応し、それにより本発明が所望の波長範囲内で動作することができることを示
す。
【００３２】 これらの構造の実現可能性を実験的に例示するために、バルブ付きクラッキン
グセルを備えられたチャンバを用いて、デジタル合金化を介して正確に層組成を
制御できるようにする分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によって、テストサンプル
を成長させている。デジタル合金化と、混合されたＶ族元素の利用とを組み合わ
せることにより、層化学量論を実践的に達成し、所望の波長特性（たとえば、≧
１．３μｍ）を実現することができる。
【００３３】 驚くべきことに、本発明に関連して、ＰおよびＳｂを含有する結果として、従
来から知られているデバイスよりも十分に長い寿命を有する、波長≧１．３μｍ
を有するＶＣＳＥＬを生成することができることがわかった。この結果は、当業
者によって一般的にとられているアプローチには反する。一般に、ＰおよびＳｂ
を含有する結果として、特にＱＷ中にＩｎがほとんど、あるいは全く存在しない
場合に、間接バンドギャップを有する材料が形成されることになるものと考えら
れてきた。結果として、そのような材料は、電気通信波長デバイスのための構成
要素として概ねあるいは完全に見落とされてきたものと考えられる。さらに、直
接あるいは間接バンドギャップへのひずみおよび組成の影響はあまり確立されて
いない。本発明に関連して、ＰおよびＮを含有することにより、材料のひずみが
低減され、それによりクリティカルな厚みがより厚くなることがわかった。これ
は、表面粗さ／皺が生じる前に、高品質のその材料の仮像（欠陥のない）層を成
長させることをより容易にする。この材料の使用は、新たなパラメータ空間を提
供し、高品質のエピタキシャル材料を製造するように、ひずみ補償層を改善でき
るようにする。本発明によって開示される方法および材料を利用して、ＱＷの組
成は、アクティブ材料が１．３μｍ付近の波長に対応する直接バンド間エネルギ
ー遷移を有するように選択することもできる。
【００３４】 ＧａＰＳｂの大きなバンドギャップ湾曲パラメータは、（Ｉｎ）ＧａＮＰＡｓ
Ｓｂ材料系において、１．３μｍまで、およびそれ以上の放射波長を容易にする
。しかしながら、ＧａＡｓ上の仮像ＧａＰＳｂは、−５％未満の圧縮ひずみレベ
ルのための間接バンドギャップ材料であり、それゆえレーザ用のアクティブ材料
として適していない。−５％未満のひずみレベルにおいて、０．９６ｅＶ（１．
３μｍ）の直接バンドギャップ材料を得るために、少量のＡｓあるいはＩｎＡｓ
が、ＧａＰＳｂに添加されなければならない。一例として、ＧａＰＡｓＳｂのた
めのバンドギャップエネルギー対ひずみが図１０に示される。図１０では、３元
素からなるＧａＰＡｓ、ＧａＰＳｂおよびＧａＡｓＳｂの三組が、ＧａＰＡｓＳ
ｂ四元領域に隣接する。
【００３５】 （図１０において）「直接バンドギャップ」を付された領域の場合、最低エネ
ルギーバンド間遷移は、伝導帯のΓ点と価電子帯のΓ点との間にある。これらの
組成は、レーザ用のアクティブ材料として適している。間接バンドギャップを付
された領域の場合、最低エネルギーバンド間遷移は、伝導帯のＸあるいはＬ谷部
と、価電子帯のΓ点との間において生じる間接遷移である。これらの組成は、レ
ーザ用のアクティブ材料として適していない。図１０に示されるバンドギャップ
エネルギー値はΓ点において計算される。
【００３６】 Ｘ、ＬおよびΓバンド構造表記は、個別の電子あるいは結晶運動量値を指す。
用語「直接遷移」は、同じ運動量を有するエネルギー状態間の（すなわち、Γ点
からΓ点への）電子の動きを指し、一方、用語「間接遷移」は、遷移中の運動量
およびエネルギーの両方における変化をさす。間接バンドギャップ材料はレーザ
用のアクティブ材料として適していない。なぜなら、運動量を保存するために、
光バンド間遷移が付加的な粒子の媒介を必要とするためである。これは、光遷移
が生じる確率を大幅に低下させる。
【００３７】 ＧａＰは大きなバンドギャップ（>２ｅＶ）と、間接バンドギャップとを有す
るので、（Ｉｎ）Ｇａ（Ｎ）ＰＡｓＳｂ材料系が、長波長ＧａＡｓ系レーザのた
めに適していることは明らかではない。（Ｉｎ）Ｇａ（Ｎ）ＰＡｓＳｂ材料系を
ＧａＡｓ系レーザのために適したものにする、（Ｉｎ）Ｇａ（Ｎ）ＰＡｓＳｂ材
料系の不明な属性は、限定はしないが、以下のものを含む。
【００３８】 １）ＧａＰＳｂの大きな湾曲バンドギャップパラメータ。図１０を参照す
ると、中間の３元素からなるＧａＰＳｂのバンドギャップは、２元素からなる各
端点（ＧａＰあるいはＧａＳｂ）のバンドギャップより小さい。
【００３９】 ２）大きな範囲の混合されたＶ族（Ｐ、ＡｓおよびＳｂ）組成。ＧａＰＡ
ｓＳｂは直接バンドギャップ材料である。 これらの合金にＮおよびＩｎを付加することにより、バンドギャップエネルギ
ーがさらに減少し、それゆえ、より長い動作波長になる。Ｎは、局在状態として
取り込まれ、この狭い共鳴帯と伝導帯との間に強い相互作用を引き起こし、それ
により直接遷移の基本バンドギャップを低減するものと考えられる。Ｎを取り込
んだアクティブ層は、ごくわずかなパーセンテージのＮしか含まない合金に比べ
て、より長い波長に劇的にシフトして、ＶＣＳＥＬデバイスにおいてレーザ放射
することができると示されている。たとえば、ＩｎＧａＡｓに、より多くの量の
Ｎを取り込むことは困難であるため、これらの１Ｖ族元素（Ａｓ）系のデバイス
応用形態のために、一様に１．３μｍに到達することは非常に難しい作業である
。一般に層は、低成長温度で成長させ、その後アニールされる必要があり、結果
的に、放射あるいは吸収波長のシフトから明らかなように、合金内に高欠陥密度
および構造的変化が生じる。請求される本発明は、Ｎの取込みと先に説明された
構造とを組み合わせ、ひずみおよび欠陥密度を低レベルに保持しながら、波長を
著しく付加的にシフトさせることにより、これらの問題点を回避する。これらの
合金においてＮとともに、Ｉｎの代わりに少量のＳｂを増加させることにより、
Ｓｂが、特に金属を安定させる成長状態に向けて、成長温度および固着係数に関
してより良好な相手となるため、より良好にＮを取り込むことができ、それゆえ
、層品質がより良好になる。
【００４０】 本明細書で系１として示される本発明の一実施形態は、ＧａＡｓに組成的に近
い、すなわちＧａＡｓおよび／または概ね釣り合いがとれたその構造的あるいは
機能的等価物を含む基板上にＡ−Ｂ−Ｃ−Ｂ−Ａを用いることができる層配列の
アクティブ層からなる。ただし、 Ａ＝ＡｌpＧａ1-pＡｓ、０≦ｐ≦１ Ｂ＝ＡｌqＧａ1-qＮrＰsＡｓ1-r-s、０≦ｑ≦１；０≦ｒ≦０．１；０≦ｓ≦１ Ｃ＝ＩｎwＧａ1-wＮxＰyＡｓzＳｂ1-x-y-z、０≦ｗ≦１；０<ｘ<０．１；０≦ｙ
≦０．６；０<ｚ<１ である。
【００４１】 表記法を明瞭にするために、概念的な層配列指示Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｂ−Ａ（たとえ
ば、直前に記載されたような）は、順次積層された層を特徴付けており、各層は
次に示される層に隣接する（再び、上記の例にしたがって、組成Ａの層は組成Ｂ
の層に隣接し、組成Ｂの層はその反対側において組成Ｃの層に隣接し、さらに組
成Ｃの層はその反対側において組成Ｂの層に隣接し、最後に、その組成Ｂの層は
その反対側において組成Ａの層に隣接する）。この層配列の図式的なバンド構造
が図１１に示される。層Ｂにおいてｒ＝ｓ＝０の場合、ひずみ補償も０になる場
合がある。
【００４２】 本発明の別の実施形態では、アクティブ層のＣ−Ｂ単位が繰り返される場合が
あり、図１２に図式的に示される構造になる。層Ｂにおいてｒ＝ｓ＝０の場合、
ひずみ補償も概ね０になる場合がある。
【００４３】 本明細書で系２として示される、本発明の一実施形態は、ＧａＡｓに組成的に
近い基板上にある層配列Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｂ−Ａのアクティブ層からなる。ただ
し、 Ａ＝ＡｌpＧａ1-pＡｓ、０≦ｐ≦1 Ｂ＝ＡｌqＧａ1-qＮrＰsＡｓ1-r-s、０≦ｑ≦１；０≦ｒ≦０．１；０≦ｓ≦１ Ｃ＝ＩｎwＧａ1-wＮxＰyＡｓzＳｂ1-x-y-z、０≦ｗ≦１；０<ｘ<０．１；０≦ｙ
≦０．６；０<ｚ<１ Ｄ＝ＩｎaＧａ1-aＮbＡｓ1-b、０≦ａ≦1；０<ｂ<０．１ である。
【００４４】 この層配列の図式的なバンド構造が図１３に示される。層Ｂにおいてｒ＝ｓ＝
０の場合、ひずみ補償も概ね０になる場合がある。 本発明の別の実施形態では、アクティブ層のＣ−Ｄ−Ｂ単位が繰り返される場
合があり、図１４に図式的に示される構造になる。層Ｂにおいてｒ＝ｓ＝０の場
合、ひずみ補償も０になる場合がある。
【００４５】 本明細書で系３として示される、本発明の一実施形態は、ＧａＡｓと組成的に
近い基板上にある層配列Ａ−Ｂ−Ｄ−Ｃ−Ｂ−Ａのアクティブ層からなる。ただ
し、 Ａ＝ＡｌpＧａ1-pＡｓ、０≦ｐ≦1 Ｂ＝ＡｌqＧａ1-qＮrＰsＡｓ1-r-s、０≦ｑ≦１；０≦ｒ≦０．１；０≦ｓ≦１ Ｃ＝ＩｎwＧａ1-wＮxＰyＡｓzＳｂ1-x-y-z、０≦ｗ≦１；０<ｘ<０．１；０≦ｙ
≦０．６；０<ｚ<１ Ｄ＝ＩｎaＧａ1-aＮbＡｓ1-b、０≦ａ≦1；０<ｂ<０．１ である。
【００４６】 この層配列の図式的なバンド構造が図１５に示される。層Ｂにおいてｒ＝ｓ＝
０の場合、ひずみ補償も０になる場合がある。 本発明の別の実施形態では、アクティブ層Ｄ−Ｃ−Ｂ単位が繰り返される場合
があり、図１６に図式的に示される構造になる。層Ｂにおいてｒ＝ｓ＝０の場合
、ひずみ補償も概ね０になる場合がある。
【００４７】 本明細書で系４として示される本発明の一実施形態は、ＧａＡｓと組成的に近
い基板上にある層配列Ａ−Ｂ−Ｄ−Ｃ−Ｄ−Ｂ−Ａのアクティブ層からなる。た
だし、 Ａ＝ＡｌpＧａ1-pＡｓ、０≦ｐ≦1 Ｂ＝ＡｌqＧａ1-qＮrＰsＡｓ1-r-s、０≦ｑ≦１；０≦ｒ≦０．１；０≦ｓ≦１ Ｃ＝ＩｎwＧａ1-wＮxＰyＡｓzＳｂ1-x-y-z、０≦ｗ≦１；０<ｘ<０．１；０≦ｙ
≦０．６；０<ｚ<１ Ｄ＝ＩｎaＧａ1-aＮbＡｓ1-b、０≦ａ≦1；０<ｂ<０．１ である。
【００４８】 この層配列の図式的なバンド構造が図１７に示される。層Ｂにおいてｒ＝ｓ＝
０の場合、ひずみ補償も概ね０になる場合がある。 本発明の別の実施形態では、アクティブ層のＤ−Ｃ−Ｄ−Ｂ単位が繰り返され
る場合があり、図１８に示される図式的な構造になる。層Ｂにおいてｒ＝ｓ＝０
の場合、ひずみ補償も概ね０になる場合がある。
【００４９】 系５として示される本発明の一実施形態は、ＧａＡｓと組成的に近い基板上に
ある層配列Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｃ−Ｂ−Ａのアクティブ層からなる。ただし、 Ａ＝ＡｌpＧａ1-pＡｓ、０≦p≦1 Ｂ＝ＡｌqＧａ1-qＮrＰsＡｓ1-r-s、０≦ｑ≦１；０≦ｒ≦０．１；０≦ｓ≦１ Ｃ＝ＩｎwＧａ1-wＮxＰyＡｓzＳｂ1-x-y-z、０≦ｗ≦１；０<ｘ<０．１；０≦ｙ
≦０．６；０<ｚ<１ Ｄ＝ＩｎaＧａ1-aＮbＡｓ1-b、０≦ａ≦1;０<ｂ<０．１ である。
【００５０】 この層配列の図式的なバンド構造が図１９に示される。層Ｂにおいてｒ＝ｓ＝
０の場合、ひずみ補償も概ね０になる場合がある。 本発明の別の実施形態では、アクティブ層のＣ−Ｄ−Ｃ−Ｂ単位が繰り返され
る場合があり、図２０に図式的に示される構造になる。層Ｂにおいてｒ＝ｓ＝０
の場合、ひずみ補償も概ね０になる場合がある。
【００５１】 本発明の有用な態様およびその利点が開示されるが、本発明の上記の態様およ
び実施形態は例示であり、代表的なものにすぎず、本発明の精神および範囲を記
載あるいは画定するものではなく、本発明の精神および範囲は添付される請求の
範囲によってのみ限定されることは、当業者には明らかであろう。本明細書で参
照される全ての参考文献は、その全てが本明細書に援用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 伝導帯エネルギー／屈折率／材料組成の変化が右側に示される一般的なＶＣＳ
ＥＬ構造の概略的な設計を示す図である。
【図２】 （ａ）屈折率導波型デバイス、（ｂ）利得導波型デバイス、（ｃ）酸化物閉込
め型デバイスを示す典型的なＶＣＳＥＬ構造を示す図である。
【図３】 ＶＣＳＥＬと同じアクティブ領域材料を用いる一般的な検出器の構造を示す図
である。
【図４】 タイプＩ量子井戸を示す図である。
【図５】 タイプＩ多量子井戸を示す図である。
【図６】 タイプＩＩ量子井戸を示す図である。
【図７】 タイプＩＩ対称量子井戸を示す図である。
【図８】 ひずみ補償の原理を示す図である。
【図９】 １．３μｍ付近で放射するために設計されるタイプＩひずみ補償型ＱＷ系のバ
ンドエッジアライメントダイヤグラムを示す図である。
【図１０】 ＧａＡｓ上のコヒーレントなひずみを有するＧａＰＡｓＳｂのための点バンド
ギャップエネルギー対ひずみを比較し、負のひずみ値は圧縮ひずみを示し、右側
の影付き領域は直接バンドギャップ材料であり、左側の影付き領域は間接バンド
ギャップ材料であるグラフである。
【図１１】 本発明による材料系１を用いるＡ／Ｂ／Ｃ／Ｂ／ＡタイプＩ一量子井戸を示す
図である。
【図１２】 本発明による材料系１を用いるＡ／Ｂ／Ｃ／Ｂ／ＡタイプＩ多量子井戸を示す
図である。
【図１３】 本発明による材料系２を用いるＡ／Ｂ／Ｃ／Ｄ／Ｂ／ＡタイプＩＩ一量子井戸
を示す図である。
【図１４】 本発明による材料系２を用いるＡ／Ｂ／Ｃ／Ｄ／Ｂ／ＡタイプＩＩ多量子井戸
を示す図である。
【図１５】 本発明による材料系３を用いるＡ／Ｂ／Ｄ／Ｃ／Ｂ／ＡタイプＩＩ一量子井戸
を示す図である。
【図１６】 本発明による材料系３を用いるＡ／Ｂ／Ｄ／Ｃ／Ｂ／ＡタイプＩＩ多量子井戸
を示す図である。
【図１７】 本発明による材料系４を用いるＡ／Ｂ／Ｄ／Ｃ／Ｄ／Ｂ／ＡタイプＩＩ一量子
井戸を示す図である。
【図１８】 本発明による材料系４を用いるＡ／Ｂ／Ｄ／Ｃ／Ｄ／Ｂ／ＡタイプＩＩ多量子
井戸を示す図である。
【図１９】 本発明による材料系５を用いるＡ／Ｂ／Ｃ／Ｄ／Ｃ／Ｂ／ＡタイプＩＩ多量子
井戸を示す図である。
【図２０】 本発明による材料系５を用いるＡ／Ｂ／Ｃ／Ｄ／Ｃ／Ｂ／ＡタイプＩＩ一量子
井戸を示す図である。
【手続補正書】
【提出日】平成１４年５月１３日（２００２．５．１３）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── 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 ドイツ連邦共和国デー−10117 ベルリン， ハウスフォグテイプラッツ ５−７，ポー ル−ドルデ・インスティチュート・フォ ー・ソリッド・ステイト・エレクトロニク ス (72)発明者 チャン，ヨン−ハン アメリカ合衆国アリゾナ州85260，スコッ ツデイル，イースト・コーテズ・ロード 7259 (72)発明者 グオ，チャン−チ 中華人民共和国ペキン100084，ツィン・ホ ア・ユニバーシティ，セブンス・サウスウ ェスト・ビルディング・ナンバー30302 Ｆターム(参考） 5F073 AA42 AA55 AA74 AB17 BA02 CA01 CB02 DA06 EA29

Claims (44)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ）基板および（ｂ）アクティブ領域を含む光処理デバイ
    スであって、前記基板はある格子定数を有する半導体材料を含み、前記アクティ
    ブ領域は、（ｉ）ＩｎwＧａ1-wＮxＰyＡｓzＳｂ1-x-y-z（０≦ｗ≦１、０<ｘ<０
    ．１、０≦ｙ≦０．６、０<ｚ<１）を含む少なくとも１つの仮像光処理層と、（
    ｉｉ）ＡｌqＧａ1-qＮrＰsＡｓtＳｂ1-r-s-t（０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦０．１、０
    ≦ｓ≦１、０<ｔ<１）を含む少なくとも１つの仮像障壁層とを含む複数の層を含
    み、前記アクティブ領域内の前記複数の層はそれぞれ、任意の隣接する層の組成
    とは異なる組成を有することを特徴とする、光処理デバイス。
  2. 【請求項２】 光処理は、（ａ）発光、（ｂ）受光、（ｃ）光検出および（
    ｄ）光変調から選択される処理であることを特徴とする、請求項１に記載のデバ
    イス。
  3. 【請求項３】 前記アクティブ領域は、（ｉｉｉ）ＩｎaＧａ1-aＮbＡｓ1-b （０≦ａ≦１、０<ｂ<０．１）を含む少なくとも１つの仮像光処理層をさらに備
    えることを特徴とする、請求項２に記載のデバイス。
  4. 【請求項４】 前記アクティブ領域内の前記複数の層はそれぞれ、共通の平
    面に概ね平行であることを特徴とする、請求項３に記載のデバイス。
  5. 【請求項５】 前記アクティブ領域は、一連の層Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｂ−Ａを含み
    、層ＡはＡｌpＧａ1-pＡｓ（０≦ｐ≦１）を含み、層ＢはＡｌqＧａ1-qＮrＰsＡ
    ｓtＳｂ1-r-s―t（０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦０．１、０≦ｓ≦１、０<ｔ<１）を含
    み、層ＣはＩｎwＧａ1-wＮxＰyＡｓzＳｂ1-x-y-z（０≦ｗ≦１、０<ｘ<０．１、
    ０≦ｙ≦０．６、０<ｚ<１）を含み、層Ｂと層Ｃとの間に形成されるバンド構造
    はタイプＩバンドエッジアライメントを有する請求項２に記載のデバイス。
  6. 【請求項６】 前記アクティブ領域は、一連の層Ａ−Ｂ−（Ｃ−Ｂ）×ｎ−
    Ａを含み、層ＡはＡｌpＧａ1-pＡｓ（０≦ｐ≦１）を含み、層ＢはＡｌqＧａ1-q ＮrＰsＡｓtＳｂ1-r-s―t（０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦０．１、０≦ｓ≦１、０<ｔ<
    １）を含み、層ＣはＩｎwＧａ1-wＮxＰyＡｓzＳｂ1-x-y-z（０≦ｗ≦１、０<ｘ<
    ０．１、０≦ｙ≦０．６、０<ｚ<１）を含み、前記一連の層（Ｃ−Ｂ）は隣接し
    てｎ回連続して繰り返され、ｎは１より大きい整数であり、層Ｂと層Ｃとの間に
    形成されるバンド構造はタイプＩバンドエッジアライメントを有することを特徴
    とする、請求項２に記載のデバイス。
  7. 【請求項７】 前記アクティブ領域は、一連の層Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｂ−Ａを
    含み、層ＡはＡｌpＧａ1-pＡｓ（０≦ｐ≦１）を含み、層ＢはＡｌqＧａ1-qＮr
    ＰsＡｓtＳｂ1-r-s―t（０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦０．１、０≦ｓ≦１、０<ｔ<１）
    を含み、層ＣはＩｎwＧａ1-wＮxＰyＡｓzＳｂ1-x-y-z（０≦ｗ≦１、０<ｘ<０．
    １、０≦ｙ≦０．６、０<ｚ<１）を含み、層ＤはＩｎaＧａ1-aＮbＡｓ1-b（０≦
    ａ≦１、０<ｂ<０．１）を含み、層Ｂと層Ｃとの間に形成されるバンド構造はタ
    イプＩバンドエッジアライメントを有し、層Ｂと層Ｄとの間に形成されるバンド
    構造はタイプＩバンドエッジアライメントを有し、層Ｃと層Ｄとの間に形成され
    るバンド構造はタイプＩＩバンドエッジアライメントを有することを特徴とする
    、請求項２に記載のデバイス。
  8. 【請求項８】 前記アクティブ領域は、一連の層Ａ−Ｂ−（Ｃ−Ｄ−Ｂ）×
    ｎ−Ａを含み、層ＡはＡｌpＧａ1-pＡｓ（０≦ｐ≦１）を含み、層ＢはＡｌqＧ
    ａ1-qＮrＰsＡｓtＳｂ1-r-s―t（０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦０．１、０≦ｓ≦１、０
    <ｔ<１）を含み、層ＣはＩｎwＧａ1-wＮxＰyＡｓzＳｂ1-x-y-z（０≦ｗ≦１、０
    <ｘ<０．１、０≦ｙ≦０．６、０<ｚ<１）を含み、層ＤはＩｎaＧａ1-aＮbＡｓ1 -b （０≦ａ≦１、０<ｂ<０．１）を含み、前記一連の層（Ｃ−Ｄ−Ｂ）は隣接し
    てｎ回連続して繰り返され、ｎは１より大きい整数であり、層Ｂと層Ｃとの間に
    形成されるバンド構造はタイプＩバンドエッジアライメントを有し、層Ｂと層Ｄ
    との間に形成されるバンド構造はタイプＩバンドエッジアライメントを有し、層
    Ｃと層Ｄとの間に形成されるバンド構造はタイプＩＩバンドエッジアライメント
    を有することを特徴とする、請求項２に記載のデバイス。
  9. 【請求項９】 前記アクティブ領域は、一連の層Ａ−Ｂ−Ｄ−Ｃ−Ｂ−Ａを
    含み、層ＡはＡｌpＧａ1-pＡｓ（０≦ｐ≦１）を含み、層ＢはＡｌqＧａ1-qＮr
    ＰsＡｓtＳｂ1-r-s―t（０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦０．１、０≦ｓ≦１、０<ｔ<１）
    を含み、層ＣはＩｎwＧａ1-wＮxＰyＡｓzＳｂ1-x-y-z（０≦ｗ≦１、０<ｘ<０．
    １、０≦ｙ≦０．６、０<ｚ<１）を含み、層ＤはＩｎaＧａ1-aＮbＡｓ1-b（０≦
    ａ≦１、０<ｂ<０．１）を含み、層Ｂと層Ｃとの間に形成されるバンド構造はタ
    イプＩバンドエッジアライメントを有し、層Ｂと層Ｄとの間に形成されるバンド
    構造はタイプＩバンドエッジアライメントを有し、層Ｃと層Ｄとの間に形成され
    るバンド構造はタイプＩＩバンドエッジアライメントを有することを特徴とする
    、請求項２に記載のデバイス。
  10. 【請求項１０】 前記アクティブ領域は、一連の層Ａ−Ｂ−（Ｄ−Ｃ−Ｂ）
    ×ｎ−Ａを含み、層ＡはＡｌpＧａ1-pＡｓ（０≦ｐ≦１）を含み、層ＢはＡｌq
    Ｇａ1-qＮrＰsＡｓtＳｂ1-r-s―t（０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦０．１、０≦ｓ≦１、
    ０<ｔ<１）を含み、層ＣはＩｎwＧａ1-wＮxＰyＡｓzＳｂ1-x-y-z（０≦ｗ≦１、
    ０<ｘ<０．１、０≦ｙ≦０．６、０<ｚ<１）を含み、層ＤはＩｎaＧａ1-aＮbＡ
    ｓ1-b（０≦ａ≦１、０<ｂ<０．１）を含み、前記一連の層（Ｄ−Ｃ−Ｂ）は隣
    接してｎ回連続して繰り返され、ｎは１より大きい整数であり、層Ｂと層Ｃとの
    間に形成されるバンド構造はタイプＩバンドエッジアライメントを有し、層Ｂと
    層Ｄとの間に形成されるバンド構造はタイプＩバンドエッジアライメントを有し
    、層Ｃと層Ｄとの間に形成されるバンド構造はタイプＩＩバンドエッジアライメ
    ントを有することを特徴とする、請求項２に記載のデバイス。
  11. 【請求項１１】 前記アクティブ領域は、一連の層Ａ−Ｂ−Ｄ−Ｃ−Ｄ−Ｂ
    −Ａを含み、層ＡはＡｌpＧａ1-pＡｓ（０≦ｐ≦１）を含み、層ＢはＡｌqＧａ1 -q ＮrＰsＡｓtＳｂ1-r-s―t（０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦０．１、０≦ｓ≦１、０<ｔ
    <１）を含み、層ＣはＩｎwＧａ1-wＮxＰyＡｓzＳｂ1-x-y-z（０≦ｗ≦１、０<ｘ
    <０．１、０≦ｙ≦０．６、０<ｚ<１）を含み、層ＤはＩｎaＧａ1-aＮbＡｓ1-b
    （０≦ａ≦１、０<ｂ<０．１）を含み、層Ｂと層Ｃとの間に形成されるバンド構
    造はタイプＩバンドエッジアライメントを有し、層Ｂと層Ｄとの間に形成される
    バンド構造はタイプＩバンドエッジアライメントを有し、層Ｃと層Ｄとの間に形
    成されるバンド構造はタイプＩＩバンドエッジアライメントを有することを特徴
    とする、請求項２に記載のデバイス。
  12. 【請求項１２】 前記アクティブ領域は、一連の層Ａ−Ｂ−（Ｄ−Ｃ−Ｄ−
    Ｂ）×ｎ−Ａを含み、層ＡはＡｌpＧａ1-pＡｓ（０≦ｐ≦１）を含み、層ＢはＡ
    ｌqＧａ1-qＮrＰsＡｓtＳｂ1-r-s―t（０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦０．１、０≦ｓ≦
    １、０<ｔ<１）を含み、層ＣはＩｎwＧａ1-wＮxＰyＡｓzＳｂ1-x-y-z（０≦ｗ≦
    １、０<ｘ<０．１、０≦ｙ≦０．６、０<ｚ<１）を含み、層ＤはＩｎaＧａ1-aＮ b Ａｓ1-b（０≦ａ≦１、０<ｂ<０．１）を含み、前記一連の層（Ｄ−Ｃ−Ｄ−Ｂ
    ）は隣接してｎ回連続して繰り返され、ｎは１より大きい整数であり、層Ｂと層
    Ｃとの間に形成されるバンド構造はタイプＩバンドエッジアライメントを有し、
    層Ｂと層Ｄとの間に形成されるバンド構造はタイプＩバンドエッジアライメント
    を有し、層Ｃと層Ｄとの間に形成されるバンド構造はタイプＩＩバンドエッジア
    ライメントを有することを特徴とする、請求項２に記載のデバイス。
  13. 【請求項１３】 前記アクティブ領域は、一連の層Ａ−Ｂ−（Ｃ−Ｄ−Ｃ−
    Ｂ）×ｎ−Ａを含み、層ＡはＡｌpＧａ1-pＡｓ（０≦ｐ≦１）を含み、層ＢはＡ
    ｌqＧａ1-qＮrＰsＡｓtＳｂ1-r-s―t（０≦ｑ≦１、０≦ｒ≦０．１、０≦ｓ≦
    １、０<ｔ<１）を含み、層ＣはＩｎwＧａ1-wＮxＰyＡｓzＳｂ1-x-y-z（０≦ｗ≦
    １、０<ｘ<０．１、０≦ｙ≦０．６、０<ｚ<１）を含み、層ＤはＩｎaＧａ1-aＮ b Ａｓ1-b（０≦ａ≦１、０<ｂ<０．１）を含み、前記一連の層（Ｃ−Ｄ−Ｃ−Ｂ
    ）は隣接してｎ回連続して繰り返され、ｎは１より大きい整数であり、層Ｂと層
    Ｃとの間に形成されるバンド構造はタイプＩバンドエッジアライメントを有し、
    層Ｂと層Ｄとの間に形成されるバンド構造はタイプＩバンドエッジアライメント
    を有し、層Ｃと層Ｄとの間に形成されるバンド構造はタイプＩＩバンドエッジア
    ライメントを有することを特徴とする、請求項２に記載のデバイス。
  14. 【請求項１４】 前記アクティブ領域を含む前記複数の層のうちの少なくと
    も１つは、前記少なくとも１つの層が形成される成長プロセス中に量子ドットを
    獲得することを特徴とする、請求項２もしくは３に記載のデバイス。
  15. 【請求項１５】 約３００Ｋの温度で前記デバイスによって処理され得る光
    の波長は少なくとも約１１５０ｎｍであることを特徴とする、請求項２に記載の
    デバイス。
  16. 【請求項１６】 前記デバイスによって処理され得る光の波長は、約３００
    Ｋより高い温度で少なくとも約１１５０ｎｍであることを特徴とする、請求項２
    に記載のデバイス。
  17. 【請求項１７】 前記デバイスによって処理され得る光の波長は、約３００
    Ｋより低い温度で少なくとも約１１５０ｎｍであることを特徴とする、請求項２
    に記載のデバイス。
  18. 【請求項１８】 前記基板は、ある格子定数を有するＧａＡｓを含むことを
    特徴とする、請求項２に記載のデバイス。
  19. 【請求項１９】 前記基板は、Ａｌ、Ｉｎおよびドーパントからなるグルー
    プから選択される付加的な基板要素とともにＧａＡｓを含むことを特徴とする、
    請求項２に記載のデバイス。
  20. 【請求項２０】 （ｃ）第１の導電型を有し、前記アクティブ領域に電気的
    に接触して配置される第１の導電層と、（ｄ）第２の導電型を有し、前記アクテ
    ィブ領域に電気的に接触して配置される第２の導電層と、（ｅ）前記アクティブ
    領域への電気的接続とをさらに備え、前記電気的接続は電流を処理する能力を有
    し、前記処理は、（ｉ）前記アクティブ領域に電流を供給することと、（ｉｉ）
    前記アクティブ領域から電流を受け取ることとからなるグループから選択される
    処理を含む、請求項２に記載のデバイス。
  21. 【請求項２１】 前記第１の導電層および前記第２の導電層に関連付けられ
    るバンドギャップは、前記アクティブ領域内の前記一連の層に関連付けられるあ
    らゆるバンドギャップのうちのバンドギャップより大きいことを特徴とする、請
    求項２０に記載のデバイス。
  22. 【請求項２２】 半導体−空気界面をさらに含み、前記半導体界面は光処理
    のために適合する、請求項２０に記載のデバイス。
  23. 【請求項２３】 前記半導体界面は、エッチングおよび劈開からなるグルー
    プから選択される処理ステップによって形成され、前記複数の層のそれぞれに概
    ね平行な平面に垂直な空胴を形成することを特徴とする、請求項２２に記載のデ
    バイス。
  24. 【請求項２４】 （ｆ）前記第２の導電層上に配置されるグレーティング層
    をさらに含み、前記グレーティング層は、前記アクティブ領域の少なくとも一部
    にわたって延在する線を含み、前記グレーティング層は、光共鳴を有する光空洞
    を画定し、前記共鳴は共鳴エネルギーに対応する共鳴波長に関連付けられ、真空
    中においてμｍ単位で測定される場合に前記共鳴波長は、１．２４をｅＶ単位で
    測定される前記共鳴エネルギーで割った値に概ね等しい、請求項２０に記載のデ
    バイス。
  25. 【請求項２５】 前記グレーティング線は、ｎと前記共鳴波長の４分の１と
    を掛け合わせた値だけシフトされ、ｎは１以上の整数であり、それにより位相シ
    フトされたグレーティングが形成されることを特徴とする、請求項２４に記載の
    デバイス。
  26. 【請求項２６】 （ｆ）前記アクティブ領域の下側に配置される底部ミラー
    と、（ｇ）前記アクティブ領域の上側に配置される上部ミラーとをさらに備え、
    前記ミラーは、共鳴エネルギーと対応する共鳴波長とに関連付けられる光空胴共
    鳴を画定し、真空中においてμｍ単位で測定されるような前記共鳴波長は、１．
    ２４をｅＶ単位で測定される前記共鳴エネルギーで割った値に概ね等しい、請求
    項２０に記載のデバイス。
  27. 【請求項２７】 前記底部ミラーは、隣接して交互に配置される、複数のよ
    り高い屈折率の層とより低い屈折率の層とを含むことを特徴とする、請求項２６
    に記載のデバイス。
  28. 【請求項２８】 前記より低い屈折率の前記複数の底部ミラー層のうちの少
    なくとも１つは酸化された材料を含むことを特徴とする、請求項２７に記載のデ
    バイス。
  29. 【請求項２９】 前記上部ミラーは、隣接して交互に配置される、複数のよ
    り高い屈折率の層とより低い屈折率の層とを含むことを特徴とする、請求項２６
    に記載のデバイス。
  30. 【請求項３０】 前記より低い屈折率の各層は、酸化された材料、低屈折率
    の誘電体材料、および低屈折率の半導体材料からなるグループから選択されるこ
    とを特徴とする、請求項２９に記載のデバイス。
  31. 【請求項３１】 前記より高い屈折率の各層は、高屈折率の誘電体材料、お
    よび高屈折率の半導体材料からなるグループから選択されることを特徴とする、
    請求項２９に記載のデバイス。
  32. 【請求項３２】 （ｆ）前記上部ミラーと前記アクティブ領域との間に配置
    される２領域アパーチャをさらに含む、請求項２０に記載のデバイス。
  33. 【請求項３３】 前記２領域アパーチャの第１の領域は相対的に低い電気抵
    抗を有し、前記２領域アパーチャの第２の領域は、前記アパーチャの前記第１の
    領域の前記抵抗より高い電気抵抗を有することを特徴とする、請求項３２に記載
    のデバイス。
  34. 【請求項３４】 前記２領域アパーチャの第１の領域は、前記２領域アパー
    チャの第２の領域の屈折率より高い屈折率を有することを特徴とする、請求項３
    ２に記載のデバイス。
  35. 【請求項３５】 前記２領域アパーチャは、酸化された材料を含み、前記ア
    パーチャの第２の領域は、前記アパーチャの第１の領域より高く酸化されること
    を特徴とする、請求項３２に記載のデバイス。
  36. 【請求項３６】 前記２領域アパーチャは柱状構造をエッチングすることに
    より形成されることを特徴とする、請求項３２に記載のデバイス。
  37. 【請求項３７】 前記デバイスは、共鳴空胴光検出器（ＲＣＰＤ）を含むこ
    とを特徴とする、請求項３２に記載のデバイス。
  38. 【請求項３８】 前記デバイスは、共鳴空胴発光ダイオード（ＲＣＬＥＤ）
    を含むことを特徴とする、請求項３２に記載のデバイス。
  39. 【請求項３９】 前記デバイスは、垂直空洞表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）
    を含むことを特徴とする、請求項３２に記載のデバイス。
  40. 【請求項４０】 前記デバイスは、光ファイバデータ通信のための垂直空洞
    表面発光レーザを含むことを特徴とする、請求項３２に記載のデバイス。
  41. 【請求項４１】 前記デバイスは、約１２６０ｎｍと約１３６０ｎｍの間の
    放射波長を有することを特徴とする、請求項４０に記載のデバイス。
  42. 【請求項４２】 前記デバイスは、約１３６０ｎｍと約１４６０ｎｍの間の
    放射波長を有することを特徴とする、請求項４０に記載のデバイス。
  43. 【請求項４３】 前記デバイスは、約１４６０ｎｍと約１６１０ｎｍの間の
    放射波長を有することを特徴とする、請求項４０に記載のデバイス。
  44. 【請求項４４】 前記デバイスは光変調器を含むことを特徴とする、請求項
    ２０に記載のデバイス。
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