JP2004253802A - 改善された温度特性を有するＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓ素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】温度特性の向上した、1.2〜1.6μmの範囲で発光可能なGaAsSb構造の提供。
【解決手段】半導体発光構造は、ガリウム砒素を含む基板を有する半導体発光構造であって、量子井戸層220及び第１と第２の障壁層230を含む活性領域200であって、量子井戸層220がガリウム砒素とアンチモンを含む材料から形成され、第１と第２の障壁層230のそれぞれが少なくとも1.2μmの光学遷移を生じさせることが可能な障壁材料からなる。第１の障壁層が量子井戸層の対向する表面の一方の表面に隣接して配置され、第２の障壁層が量子井戸層の対向する表面のもう一方の表面に隣接して配置されている活性領域と、量子井戸層の伝導帯エネルギー準位を少なくとも0.15eVを超える伝導帯エネルギー準位を有する閉じ込め材料からなるとともに活性領域を取り囲む閉じ込め構造210と、によって特徴付けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、概してGaAsSb素子に関する。より詳細には、本発明は、改善された温度特性を有するGaAsSb半導体レーザーに関する。
垂直共振器表面発光レーザー（VCSEL）、端面発光レーザー（EEL）及び、量子カスケードレーザーや発光ダイオード（LED）のような他の形式の半導体発光素子が、光相互接続システム、光計算システム及び遠隔通信システムを含む多種多様な用途において次第に重要性を増してきている。高速光ファイバ通信の場合、1.2〜1.6μmの範囲内の発光波長が望ましい。1.2〜1.6μmの範囲の半導体発光素子を製造するためのさまざまな取り組みには、InPに格子整合するInGaAsPの利用、InPをベースとした材料に対するAlAs/GaAsのウェーハボンディング、タリウム化合物の利用及びアンチモン化合物の利用が含まれる。
最近になって、1.2〜1.6μm用の光電子素子として、ガリウム砒素（GaAs）基板上に成長される砒素アンチモン化合物をベースにした材料が有望な候補になってきた。例えば、GaAsSb/GaAs（ガリウム砒素アンチモン/ガリウム砒素）材料を利用して製造されたヘテロ構造は、この材料と、十分に発達したGaAs/AlAs（ガリウム砒素/アルミニウム砒素）分布ブラッグ反射鏡及びAlAs（アルミニウム砒素）酸化技法との適合性により、1.2μm VCSELの製造にとって潜在的にかなりの利点を有している。
1.2μmの波長に達するようにするため、一般にアンチモン濃度が0.3＜x＜0.4の歪みの大きいGaAs1-xSbx量子井戸が、タイプIIバンドアライメントに利用される。GaAsSb/GaAsのタイプIIバンドアライメントによって、GaAsとGaAsSbとの間の界面を横切る電子及び正孔の再結合に対応する、実空間での間接的な光学遷移が生じることになる。完全にGaAsSb内におけるバンド間（直接）遷移（タイプIバンドアライメント）と比較すると、GaAs/GaAsSb界面を横切る間接遷移は、必要とされる量子井戸におけるアンチモン濃度が少なく、結果として、二軸圧縮が低減する。
しかし、タイプIIヘテロ構造における電子の閉じ込めは、タイプIヘテロ構造と比べると相対的に弱い。結果として、タイプII GaAsSb/GaAsヘテロ構造の場合、しきい値電流は、特に温度に影響されやすい。しきい値電流（Ith）は、レイジングに必要な反転分布を生じさせるのに必要な最小電流であり、次の温度依存公式によって表わすことが可能である：Ith(T)＝I0e(T/To)。特性温度(To)が高い場合、レーザーのしきい値電流の温度依存性は小さくなり、発振中のレーザーの安定性は、特に高出力において高くなる。GaAsSb量子井戸レーザーは、InGaAsN（インジウムガリウム砒素窒素）量子井戸レーザーの場合がTo＞100 Kであることと比較して、約45Kの特性温度を示す。従って、GaAsSb/GaAsレーザーが高温で動作している場合、レイジングを生じさせるのに必要なしきい値電流は、回路仕様の許容値を超える可能性がある。
電子の閉じ込めを改善するために提案されている解決法の１つは、AlGaAs（アルミニウムガリウム砒素）にGaAsSb量子井戸を埋め込むことである。例えば、参考までに本明細書において引用されて、その記載内容が本願に全て取り込まれる先行技術文献（例えば、非特許文献１参照）には、２つのドープされた分布AlGaAsクラッド層間に、GaPAsSb/InGaAs（ガリウムリン砒素アンチモン/インジウムガリウム砒素）量子井戸領域をはさんで、デバイス、素子の温度特性を向上させることが記載されている。しかし、この電子閉じ込め障壁は、約40 %の比較的高いアルミニウム濃度の場合でも、GaAsSb伝導帯エッジに比べると、やはりあまり大きくない。
Braun他著、「Strained InGaAs/GaPAsSb heterostructures grown on GaAs(001) for optoelectronic applications in the 1100-1130 nm range」、J.Appl.Phys.、2000年、第88巻、第５号、p.3004
従って、本願発明は、温度特性の向上した、1.2〜1.6μmの範囲で発光可能なGaAsSb構造を提供することを課題とする。
本発明の実施態様によれば、AlGaInP（アルミニウムガリウムインジウムリン）閉じ込め構造を利用して、GaAsSb材料の温度特性を改善するための方法及び装置が提供される。AlGaInP材料は、バンドギャップがGaAs及びGaAsSbよりもかなり大きく、GaAsSbに対してタイプIのバンドアライメントがとれるので、量子井戸における有効な電子の閉じ込めが容易になる。さらに、AlGaInP材料は、GaAsと格子整合をとることができるので、GaAs基板上にAlGaInP閉じ込め層を容易に成長させることが可能である。
実施態様の１つでは、２つのAlGaInP閉じ込め層の間に、単一のGaAsSb量子井戸層を含む活性領域がはさまれている。この活性領域には、さらにGaAsSb量子井戸層のそれぞれの側に隣接したGaAs又はInGaAs障壁層が含まれている。その他の実施態様では、２つのAlGaInP閉じ込め層の間に、複数のGaAsSb量子井戸層を含む活性領域がはさまれている。活性領域には、さらにGaAsSb量子井戸層を互いに及びAlGaInP閉じ込め層から分離するGaAs又はInGaAs障壁層が含まれている。
AlGaInP閉じ込め構造によれば、AlGaAs閉じ込め構造と比べて、優れた電子の閉じ込めが得られる。従って、AlGaInP閉じ込め構造を利用したGaAsSb/GaAsヘテロ構造の、温度上昇に対するしきい値電流の安定性が改善される。さらに、本発明によれば、上述のものに加えて、又はそれらに代わるものとして、他の特徴及び利点を備えた実施態様が得られる。これらの特徴及び利点の多くは、下記の図面に関連した以下の説明から明らかになる。
本願発明は、AlGaInP閉じ込め構造を利用して、GaAsSb材料の温度特性を改善するための方法及び装置を提供する。活性領域（200）はGaAsSb量子井戸層（220）を含み、(In)GaAs障壁層（230）は２つのAlGaInP閉じ込め層（210）の間に挟まれている。AlGaInP閉じ込め構造は、十分に電子を閉じ込め、それによってGaAsSb/GaAsヘテロ構造の、温度上昇に対するしきい値電流の安定性が改善される。
さらに本発明を、本発明の重要な例示的な実施態様を示し、参考までに本明細書に組み込まれている添付の図面を参照して解説する。
本出願の幾多の画期的な教示について、特に典型的な実施態様に関連して解説する。しかし、云うまでもないが、これらの実施態様は、本明細書における画期的な教示の多くの有効な用途のうちのごくわずかな例しか示していないことが理解されなければならない。一般に、本明細書においてなされる説明は、必ずしも、特許請求の範囲に記載のさまざまな発明の範囲を限定するものではない。さらに、説明の中には、ある発明の特徴には当てはまるが、他の特徴には当てはまらないものもあり得る。
下記では、化学元素に関する全ての濃度を、0.0〜1.0の範囲にわたる比率で示すが、ここで1.0は、その元素が含まれている元素の群のなかで、その元素が100 %含まれていることに相当する。例えばIII族又はV族半導体材料について議論する場合、その比率は、III族材料又はV族材料における元素の濃度には当てはまるが、半導体材料全体に当てはまるわけではない。さらに、本明細書に開示の全ての濃度は、その濃度に関して「約」又は「実質上」といった語が用いられているか否かに関わりなく、おおよその値である。これらの濃度は、１モルパーセント、２モルパーセント、５モルパーセント又は10〜20モルパーセントまで異なる可能性があるが、ここでモルパーセントは、重量ではなく、モルで表わした百分率である。
本発明の実施態様によれば、改善された又は向上した温度特性を示すGaAsSb（ガリウム砒素アンチモン）半導体発光構造が提供される。本発明のGaAsSb半導体発光構造を含む素子は、1.2〜1.6μmの範囲の長波長動作を可能にし、同時に低減された温度感応性を示す。
図１は、キャリアが注入された、GaAsSb/GaAs（ガリウム砒素アンチモン/ガリウム砒素）ヘテロ構造量子井戸レーザーのバンド構造を例示している。図１のバンド構造は、正孔がGaAsSb量子井戸層の価電子帯のポテンシャル井戸によって閉じ込められ、かつ電子がGaAs障壁層の伝導帯の障壁によって閉じ込められるタイプIIバンドアライメントを示す。1.2μmレーザー（GaAs0.65Sb0.35量子井戸を備えている）の場合、障壁の高さは、100 meV〜177meVの範囲内と推定される。
GaAsSb/GaAsヘテロ構造にキャリアを注入すると、GaAs障壁層の電子がGaAsSb量子井戸層に閉じ込められた正孔に引き寄せられ、電荷が量子井戸界面を横切って分配される。正孔と電子が再結合すると、GaAsSb量子井戸層の価電子帯エネルギー（Ev）とGaAs障壁層の伝導帯エネルギー（Ec）との間のエネルギーの差に等しい光子エネルギー（EΠ）を有する光が放出される。GaAs障壁層に局在化する電子及びGaAsSb量子井戸層内の正孔による電荷の分配によって、多少の閉じ込めをもたらす強いバンドベンディングが生じる。
しかし、この閉じ込めは、光学遷移が実空間において直接的であるタイプIヘテロ構造によって得られる閉じ込めと比較すると相対的に弱い。従って、図１に示すタイプIIヘテロ構造において熱変動が生じると、GaAsSb量子井戸層との界面で局在化されていないGaAs障壁層の伝導帯領域に電子を容易に送り込むことが可能になる。
図２は、GaAsに対するGaAs0.7Sb0.3のバンドアライメントを示す。図２において明らかなように、GaAsの伝導帯エネルギー準位は、GaAsSbの伝導帯エネルギー準位よりも約0.1eV低い。従って、GaAsの伝導帯エネルギー準位（Ec）とGaAsSbの価電子帯エネルギー準位（Ev）との間におけるタイプIIバンドギャップに関連した間接遷移によって、所望の1.2μmの波長の光が生じることになる。対照的に、量子井戸が、光学遷移が完全にGaAsSb量子井戸層内で生じるタイプI量子井戸であるとすると、GaAsSbとGaAsの間における伝導帯エネルギー準位の差によって、1.1μmの波長の光が放出されることになる。
GaAsSbとGaAsに関するバンドアライメントを示すだけではなく、さらに図２は、Al0.4Ga0.6Asと(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pに対するGaAs0.7Sb0.3ヘテロ構造のバンドアライメントを例示している。図２において分るように、GaAS、Al0.4Ga0.6As、及び、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pは全て、価電子帯における十分な正孔閉じ込めをもたらす（例えば、価電子帯エネルギー準位の差は、GaAs0.7Sb0.3とGaAsの間で0.45eV、GaAs0.7Sb0.3とAl0.4Ga0.6Asの間で0.65eV、GaAs0.7Sb0.3と(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pの間で0.9eVである）。しかしGaAsでは、伝導帯における電子の閉じ込めは生じない（例えば、GaAs0.7Sb0.3とGaAsと伝導帯エネルギー準位の差は、-0.1eVである）。
Al0.4Ga0.6Asは、伝導帯においていくらかの電子の閉じ込めをもたらすが、GaAs0.7Sb0.3とAl0.4Ga0.6Asの間における伝導体エネルギー準位の差は、わずか0.15eVしかなく、これは、高温において十分に電子を閉じ込めるには、十分に有効というわけではない。これに対し、GaAs0.7Sb0.3と(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pの間における伝導帯エネルギー準位の差は、Al0.4Ga0.6Asの場合の２倍に相当する0.3eVであり、高温においても電子を閉じ込めるのに十分である。従って、本発明の実施態様によれば、AlGaInP（アルミニウムガリウムインジウムリン）閉じ込め構造を利用することにより、GaAsSb発光素子の温度特性を向上、改善させることが可能である。
図３は、本発明の実施態様の１つによる、改善された温度特性を有する1.2μm〜1.5μmの範囲で発光可能な、典型的な半導体発光構造10を例示する略断面図を示す。半導体発光構造10は、任意の発光素子の一部をなすことが可能である。制限するわけではないが、発光素子の例として、垂直共振器表面発光レーザー（VCSEL）、端面発光レーザー（EEL）又は発光ダイオード（LED）を挙げることができる。
構造10には、Ga及びAsを含む半導体材料から形成された基板100、(In)GaAsからなる２つの障壁層230の間にはさまれたGaAsSb発光量子井戸220を含む活性領域200、及び２つのAlGaInP閉じ込め層210から形成されている閉じ込め構造が含まれている。当然明らかなように、基板100は、活性領域200の下に任意の材料を含むことが可能である。例えば、ミラー層（反射鏡層）、導波層及びクラッド層により基板100の一部を形成することが可能である。
量子井戸220の材料は、化学式GaAsxSb1-xによるガリウム砒素アンチモン材料であり、ここで、xは約0.5〜約0.9の範囲であり、好ましくは約0.6〜約0.7の範囲である。例えば、好適なGaAsSbの組成はGaAs0.7Sb0.3である。GaAsSb量子井戸220は、約５nm〜約20 nmの範囲の厚みを有する。
活性領域200には、さらにGaAsSb量子井戸220の両側に(In)GaAs障壁層230が含まれている。例えば、２つのIn0.1Ga0.9As障壁層230の間にはさまれたGaAsxSb1-x（0.6＜x＜0.7）は、1.2μm〜1.6μmの範囲の波長の光を発光可能である。各障壁層230は、約５nm〜約20 nmの範囲の厚みを有する。GaAsSb/GaAsへテロ構造200によって、タイプIIバンドアライメントがもたらされ、所望の波長範囲内で発光する。例えば、GaAsSb量子井戸220と(In)GaAs障壁層230の材料組成は、少なくとも1.2μmの波長の間接的光学遷移を可能にするため、GaAsSb量子井戸220の伝導帯エネルギー準位が、(In)GaAs障壁層230の伝導帯エネルギー準位よりも少なくとも0.1eV高くなるように選択される。GaAsSb量子井戸220及び障壁層230は、任意の既知エピタキシャル成長技法を利用して、GaAs基板100上に仮像的に成長させることが可能である。例えば、制限するわけでないが、こうした技法には、分子線エピタキシ法（MBE）、有機金属化学気相エピタキシ法（MOVPE）、有機金属化学気相蒸着法（MOCVD）又は有機金属分子線エピタキシ法（MOMBE）が含まれている。
GaAsSb量子井戸220は、図４Ａに示すような単一量子井戸（SQW）構造又は図４Ｂに示すような複数量子井戸（MQW）構造を有することが可能である。図４ＡのSQW構造の場合、GaAs障壁層230は、GaAsSb量子井戸220の両側表面に隣接して設けられ、AlGaInP閉じ込め層210からGaAsSb量子井戸220を分離して、所望の波長におけるレイジングに必要なタイプIIバンドアライメントをとることができる。図４ＢのMQW構造の場合、単一のGaAs障壁層230が、GaAsSb量子井戸層220のそれぞれの間、及び外側のGaAsSb量子井戸層220とAlGaInP閉じ込め層210の間に設けられる。
再度図３を参照すると、閉じ込め構造は、活性領域200を取り囲む２つの閉じ込め層210を含む。各閉じ込め層210の厚みは約20 nm〜約200 nmである。２つの閉じ込め層210は、アルミニウム、ガリウム、インジウム及びリンの元素を含む材料から形成されていることが望ましい。２つのAlGaInP閉じ込め層210は、GaAs基板100との格子整合を実質上とることができる。
閉じ込め層210に適するAlGaInP材料は、化学式(AlaGa1-a)xIn1-xPにしたがう組成を有し、ここでaの範囲は約0.01〜約0.99、xの範囲は約0.1〜0.8にある。典型的な実施態様の場合、化学式(AlaGa1-a)xIn1-xPに関して、aの範囲は約0.2〜約0.9であるが、約0.6〜約0.8であることが好ましく、xの範囲は約0.3〜0.7であるが、約0.4〜約0.6であることが好ましい。例えば適切なAlGaInP材料は、(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pである。閉じ込め層210は、任意の利用可能な技法によって形成することができる。例えば、制限するわけではないが、こうした技法には、MBE、MOVPE、MOCVD又はMOMBEが含まれている。
図５は、図３に示す半導体発光構造を製造するための典型的なプロセスを単純化して示すフローチャートである。発光構造を形成するために、基板上にAlGaInPを含む第１の閉じ込め層を形成する（ブロック500及び510）。例として、基板は、シリコンのようなn型伝導の不純物材料又はドーパントをドープしたガリウム砒素（GaAs）を含む半導体基板である。第１の閉じ込め層は、例えばMBE、MOVPE、MOCVD又はMOMBEを利用して、基板上にエピタキシャル成長させることができ、厚みは約20 nm〜約200 nmの範囲にある。さらに第１の閉じ込め層は、GaAs基板と実質上格子整合している。
第１の閉じ込め層上に、(In)GaAsを含む第１の障壁層を形成する（ブロック520）。第１の障壁層は、例えばMBE、MOVPE、MOCVD又はMOMBEを利用して、第１の閉じ込め層上にエピタキシャル成長させることができ、厚みは約５nm〜約20 nmの範囲にある。何らかのエピタキシャル成長技法を利用して、第１の閉じ込め層上に、GaAsSbを含む発光量子井戸層を形成する（ブロック530）。GaAsSb量子井戸は、厚みが約５nm〜約20 nmの範囲にあり、アンチモン濃度が30 %〜40 %の範囲にある。GaAsSb量子井戸は、少なくとも1.2μmの波長の間接的光学遷移を可能とするため、伝導帯エネルギー準位が第１の障壁層の伝導帯エネルギー準位よりも少なくとも0.1eV高い。
任意のエピタキシャル成長技法を利用して、GaAsSb量子井戸層上に、第１の障壁層と実質上同じ組成及び厚みを有する第２の障壁層を形成する（ブロック540）。任意のエピタキシャル成長技法を利用して、第２の障壁層上に、第１の閉じ込め層と実質上同じ組成及び厚みの第２の閉じ込め層を形成する（ブロック550）。これらの閉じ込め層は、高温においても(In)GaAs層の伝導帯に電子を閉じ込めるように作用し、基板の温度特性が改善、向上する。
図６Ａ及び６Ｂは、本発明の実施態様による、図３の構造を有する典型的な半導体発光素子を例示する。さらに図６Ａを参照すると、この図は、図３に示す構造10をなすように形成されている典型的な端面発光レーザー300を例示する。端面発光レーザー300は、ガリウム砒素から形成されている単結晶基板100を含む。基板100は、例えばシリコンのようなn型ドーパントをドープすることが可能である。基板100は、厚みが約100 nm〜約500 nmの範囲とすることができる。
基板100上に、厚みが約0.5μm〜約５μmの範囲のクラッド層110が形成されている。クラッド層110に適する材料は、アルミニウムガリウムインジウムリン（AlGaInP）である。例として、クラッド層110は、１立方センチメートル当たり約1018個の原子濃度（1018 atoms/cm3）のn型ドーパントをドープした(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pとすることが可能である。
クラッド層110上に、厚みが約20 nm〜約100 nmの範囲の閉じ込め層又はアンドープ層210が形成されている。閉じ込め層210は、分離閉じ込めヘテロ構造（SCH）とも呼ばれる。SCH層210に適する材料は、SCH層210上に付着された活性領域200における量子井戸220の材料よりも大きなバンドギャップを有するAlGaInPである。例えば、SCH層210を(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5Pとすることができる。SCH層210は、n側SCH層とも呼ばれる。
厚みが13nm〜300 nmの範囲の活性領域200が、n側SCH層210上に形成されている。活性領域200には、それぞれが約５nm〜約20 nmの範囲の厚みを有する１つ又はそれ以上のGaAsSb量子井戸層220と、それぞれが約５nm〜約20 nmの範囲の厚みを有するとともに量子井戸層220を分離する対応する数の(In)GaAs障壁層230が含まれている。例として、活性領域200には、上述のように、２つの(In)GaAs障壁層230の間にはさまれている１つのGaAsSb量子井戸層220が含まれる。したがって、SCH層210上に第１の(In)GaAs障壁層230が形成され、第１の(In)GaAs障壁層230上にGaAsSb量子井戸層220が形成され、GaAsSb量子井戸層220上に第２の(In)GaAs障壁層230が形成されている。各GaAsSb量子井戸層220のアンチモン濃度は30 %〜40 %である。例えば、実施態様の１つでは、量子井戸材料は、GaAs0.7Sb0.3とすることができる。
厚みが約20 nm〜100 nmの範囲のp側SCH層210が、活性領域200上に形成されている。p側SCH層210に適する材料は、活性領域200の量子井戸（単数又は複数）220よりも大きなバンドギャップを有するAlGaInPである。例えば、p側SCH層210は(Al0.3Ga0.7)0.5In0.5Pとすることができる。
厚みが約0.5μm〜５μmの範囲のp型クラッド層120が、p側SCH層210上に形成されている。p型クラッド層120に適する材料は、アルミニウムガリウムインジウムリン（AlGaInP）である。例として、p型クラッド層120は、１立方センチメートル当たり約５×1017個の原子濃度（５×1017 atoms/cm3）のp型ドーパントをドープした(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pとすることができる。
厚みが約５nm〜500 nmの範囲のキャップ層130が、p型クラッド層120上に形成され、接触層として機能する。キャップ層130に適する材料は、多量にpドープされ、p型クラッド層120よりも小さなバンドギャップエネルギーを有するガリウム砒素（GaAs）である。これによって、キャップ層130とその上に形成されている金属電極（不図示）との界面に、バンドギャップエネルギーのより小さなショットキ障壁がもたらされる。例として、キャップ層130は、１立方センチメートル当たり約１×1019個の原子濃度（１×1019 atoms/cm3）のp型ドーパントをドープしたGaAsとすることができる。上述の層は全て、MBE、MOVPE、MOCVD又はMOMBEのような任意の従来の又は他の適する技法を利用して形成することができる。
さらに図６Ｂを参照すると、この図は、図３に示す構造10をなすように形成されている典型的な垂直共振器表面発光レーザー（VCSEL）350を例示する。VCSEL 350には、ガリウム砒素から形成されている単結晶基板100が含まれている。基板100は、例えば、シリコンのようなn型ドーパントをドープすることが可能である。基板100は、約100 μm〜約500 μmの範囲の厚みとすることができる。
厚みが約0.1μm〜約10 μmの範囲の第１の四分の一波長積層体（スタック）115が、基板100上に形成されている。第１の四分の一波長積層体は、反射鏡積層体（ミラースタック）又は分布ブラッグ反射鏡（DBR）とも呼ばれる。一般に、VCSEL 350は、レイジング波長とも呼ばれる特定の波長で動作するように製造されている。VCSEL 350がレイジング波長で発光可能であるようにするため、一般に、DBR 115の材料はレイジング波長において透明である。通常、第１のDBR 115には、異なるn型材料の層が交互に積層されている。第１のDBR 115には異なるn型材料の交互層が含まれている。n型DBR 115に適する材料には、n型アルミニウム砒素（AlAs）及びガリウム砒素（GaAs）が交互に積層される層、交互層が含まれる。さらに、各層の厚みを、レイジング波長の1/4を屈折率で割った値に等しくなるようにすることができる。交互層対の周期数によって、DBR反射鏡115の反射率が決まる。一般に、n型DBR 115の周期数は、20〜40の範囲である。
厚みが約20 nm〜約100 nmの範囲のn側SCH層210が、DBR層115上に形成されている。SCH層210に適する材料は、SCH層210の上に配置されている活性領域200の量子井戸220の材料よりも大きなバンドギャップを有するAlGaInPである。例えば、SCH層210を(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pとすることができる。
厚みが約20 nm〜約300 nmの範囲の活性領域200が、n側SCH層210上に形成されている。活性領域200には、それぞれが約５nm〜約20 nmの範囲の厚みを有する１つ又はそれ以上のGaAsSb量子井戸層220と、それぞれが約５nm〜約20 nmの範囲にわたる厚みを有するとともに量子井戸層220を分離する対応する数の(In)GaAs障壁層230が含まれている。例として、活性領域200には、上述のように、２つの(In)GaAs障壁層230の間にはさまれている１つのGaAsSb量子井戸層220が含まれている。従って、SCH層210上に第１の(In)GaAs障壁層230が形成され、第１の(In)GaAs障壁層230上にGaAsSb量子井戸層220が形成され、GaAsSb量子井戸層220上に第２の(In)GaAs障壁層230が形成される。各GaAsSb量子井戸220は、アンチモン濃度が30 %〜40 %である。例えば、実施態様の１つでは、量子井戸材料をGaAs0.7Sb0.3とすることができる。
厚みが約20 nm〜約100 nmの範囲のp側SCH層210が、活性領域200上に形成されている。p側SCH層210は、アンドープクラッド層である。p側SCH層210に適する材料は、活性領域200の量子井戸（単数又は複数）220よりも大きなバンドギャップを有するAlGaInPである。例えば、p側SCH層210は(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pとすることができる。
厚みが約0.1〜約10 μmの範囲のp型DBR 125が、p側SCH層210上に形成されている。p型DBR 125に適する材料には、p型アルミニウム砒素（AlAs）とガリウム砒素（GaAs）の交互層が含まれる。n型DBR 115の場合のように、p型DBR 125における各層の厚みは、レイジング波長の1/4を屈折率で割った値に等しくすることができる。p型DBR 125の交互層対の周期数は、20〜25の範囲である。例えばアルミニウム砒素とガリウム砒素の繰り返しが、20〜25回繰り返されている。n型DBR 115、SCH層210、活性領域200及びp型DBR 125は、レイジング波長における空洞共振によって特徴付けられる光共振器を形成する。
厚みが約５nm〜約500 nmの範囲のキャップ層130が、p型DBR 125上に形成され、接触層として機能する。キャップ層130に適する材料は、多量にpドープされ、p型DBR 125よりも小さなバンドギャップエネルギーを有するガリウム砒素（GaAs）である。これによって、キャップ層130と、その上に形成されている金属電極（不図示）との界面にバンドギャップエネルギーがより小さなショットキ障壁がもたらされる。例として、キャップ層130は、１立方センチメートル当たり１×1019個を超える原子濃度（１×1019 atoms/cm3）のp型ドーパントをドープしたGaAsとすることが可能である。上述の層は全て、MBE、MOVPE、MOCVD又はMOMBEのような任意の従来の又は他の適する技法を利用して形成することが可能である。
当業者には明らかであるように、本出願において記述された画期的な概念は、広範囲にわたる用途で修正及び変更することが可能である。従って、特許で保護される対象の範囲は、議論された特定の典型的な教示のどれにも制限されるものではなく、代わりに付属の特許請求の範囲の記載によって規定される。
キャリアを注入した、GaAsSb/GaAs量子井戸のバンド構造の概略図である。 GaAs、AlGaAs及びAlGaInPに対するGaAsSbヘテロ構造のバンドアライメントの概略図である。 本発明の実施態様によるAlGaInP閉じ込め構造を有する典型的なGaAsSb半導体発光構造を例示する略断面図である。 単一の量子井戸GaAsSb/GaAsヘテロ構造の概略図である。 複数の量子井戸GaAsSb/GaAsヘテロ構造の概略図である。 図３に示す活性領域及び閉じ込め構造を有する半導体発光構造を製造するためのフローチャートを単純化した典型的なブロック図により示す図である。 本発明の実施態様による図３の構造を備えた典型的な半導体発光素子を例示した図である。 本発明の実施態様による図３の構造を備えた典型的な半導体発光素子を例示した図である。
符号の説明
１０ 半導体発光構造
１００ 基板
２００ 活性領域
２１０ 閉じ込め構造
２２０ 量子井戸
２３０ 障壁層

Claims (10)

  1. ガリウム砒素を含むとともに表面を有する基板を備える半導体発光構造であって、
    量子井戸層（220）及び第１と第２の障壁層（230）を含む活性領域（200）であって、該量子井戸層（220）が前記基板（100）の表面上に配置され、かつ該量子井戸層（220）が、対向する表面を有するとともにガリウム砒素とアンチモンを含む材料から形成され、前記第１と第２の障壁層（230）のそれぞれが、少なくとも1.2μmの光学遷移を生じさせることが可能である障壁材料からなり、かつ前記第１の障壁層（230）が前記量子井戸層（220）の前記対向する表面の一方の表面に隣接して配置され、前記第２の障壁層（230）が前記量子井戸層（220）の前記対向する表面のもう一方の表面に隣接して配置されている活性領域（200）と、
    前記量子井戸層（220）の伝導帯エネルギー準位を少なくとも0.15eVを超える伝導帯エネルギー準位を有する閉じ込め材料からなるとともに前記活性領域（200）を取り囲む閉じ込め構造（210）と、
    によって特徴付けられている半導体発光構造。
  2. 前記量子井戸層（220）のアンチモン濃度が30〜40パーセントの範囲にある請求項１に記載の半導体発光構造。
  3. 前記障壁材料が少なくともガリウム及び砒素を含む請求項２に記載の半導体発光構造。
  4. 前記閉じ込め材料がアルミニウムガリウムインジウムリン材料を含む請求項１に記載の半導体発光構造。
  5. 前記アルミニウムガリウムインジウムリン材料が化学式(AlaGa1-a)xIn1-xPによる組成を有し、ここで、
    aの範囲が約0.01〜約0.99であり、
    xの範囲が約0.1〜約0.8である請求項４に記載の半導体発光構造。
  6. 前記アルミニウムガリウムインジウムリン材料が化学式(AlaGa1-a)xIn1-xPによる組成を有し、ここで、
    aの範囲が約0.4〜約0.9であり、
    xの範囲が約0.2〜約0.7である請求項５に記載の半導体発光構造。
  7. 前記アルミニウムガリウムインジウムリン材料が化学式(AlaGa1-a)xIn1-xPによる組成を有し、ここで、
    aの範囲が約0.6〜約0.8であり、
    xの範囲が約0.3〜約0.6である請求項６に記載の半導体発光構造。
  8. 前記アルミニウムガリウムインジウムリン材料が(Al0.7Ga0.3)0.5In0.5Pである請求項７に記載の半導体発光構造。
  9. ガリウム砒素を含むとともに表面を有する基板（100）を備える半導体発光構造（10）を製造する方法であって、
    前記基板（100）の表面に活性領域（200）を形成するステップを含み、この活性領域を形成するステップが、
    対向する表面を有するとともにガリウム、砒素及びアンチモンを含む量子井戸層（220）を形成するステップと、
    それぞれが少なくとも1.2μmの光学遷移を生じさせることが可能である材料からなる第１及び第２の障壁層（230）であって、前記量子井戸層（220）の前記対向する表面の一方に隣接して配置される第１の障壁層（230）と前記量子井戸層（220）の前記対向する表面のもう一方に隣接して配置される第２の障壁層（230）とを形成するステップと、
    前記量子井戸層（220）の伝導帯エネルギー準位を0.15eVを超える伝導帯エネルギー準位を有する閉じ込め材料からなるとともに前記活性領域（200）を取り囲む閉じ込め層（210）を形成するステップとからなることを特徴とする方法。
  10. 前記第１の障壁層（230）が前記基板（100）の表面上に配置され、前記量子井戸層（220）が前記第１の障壁層（230）上に配置され、前記第２の障壁層（230）が前記量子井戸層（220）上に配置され、
    前記閉じ込め層を形成するステップが、さらに
    前記基板（100）の表面と前記第１の障壁層（230）の間に配置される第１の閉じ込め層（210）を形成するステップ（510）と、
    前記第２の障壁層（230）上に配置される第２の閉じ込め層（210）を形成するステップ（550）とからなる請求項９に記載の方法。
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