JP5202944B2 - 発光素子の最大変調速度を改善する方法及び最大変調速度の改善された発光素子、並びにその量子井戸構造 - Google Patents

発光素子の最大変調速度を改善する方法及び最大変調速度の改善された発光素子、並びにその量子井戸構造 Download PDF

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Description

本発明は、発光素子の最大変調速度を改善する方法及び最大変調速度の改善された発光素子、並びにその量子井戸構造に関する。
面発光レーザ（VCSEL）のような発光素子が公知である。VCSELの活性領域は、対応する数の障壁層で挟まれている１つ又は複数の量子井戸層からなる。各量子井戸層は、隣接する障壁層で量子井戸を形成する。量子井戸は、後に放射再結合して光を発生するキャリア（電子及び正孔）を捕獲し、閉じ込める。
波長850 nmの光を発生させる従来のVCSELの活性領域は、ガリウム砒素（GaAs）からなる量子井戸層と、アルミニウムガリウム砒素（AlGaAs）からなる障壁層よりなる量子井戸構造を有する。しかしながら、量子井戸層の材料としてGaAsの代わりにインジウムガリウム砒素（InGaAs）を使用することは、歪みが差動利得を増大させ、透過電流を減少させるので有利であり、どちらも高速動作、高信頼性駆動回路に有益である。波長980 nmの光を発生する典型的な従来のVCSELの量子井戸構造は、インジウムガリウム砒素（InGaAs）からなる量子井戸層とガリウム砒素（GaAs）からなる障壁層又は、インジウムガリウム砒素（InGaAs）からなる量子井戸層とガリウム砒素燐(GaAsP)からなる障壁層を有する。
しかしながら、従来の980 nmのVCSELは、従来の850 nmのVCSELと比較して、最大変調速度がより低く、温度特性がより劣っている。
したがって、980 nmのVCSELの最大変調速度を高くし、また温度特性を改善する方法が必要とされ、その波長で光を発生する他の発光素子が必要とされている。
本発明の実施形態は、最大変調速度が高められた発光素子に関連する。一例示は、発光素子の変調速度を高める方法に関連する。その方法は、AlxGa1-xAs障壁層を形成し、その障壁層の間にインジウムガリウム砒素（InGaAs）量子井戸層を形成し、量子井戸層と障壁層の間に界面層を形成することを含む。界面層は、量子井戸の量子井戸層内のキャリアの閉じ込めを増大させ、したがって発光素子の最大変調速度を高くする。
他の実施形態は面発光レーザ（VCSEL）を提供する。VCSELは、AlxGa1-xAs障壁層で挟まれたInGaAs量子井戸層からなる量子井戸構造を有する。加えて、VCSELは、量子井戸構造内でキャリアの閉じ込めを増大させ、VCSELの最大変調速度を高める成分を有する。
他の実施形態は、発光素子のための量子井戸構造を提供する。量子井戸構造は、障壁層で挟まれたInGaAs量子井戸層及び、各量子井戸層と隣接する各障壁層の間の、量子井戸層と隣接する障壁層の間の不完全な相互接続の効果を緩和する材料からなる界面層を有する。界面層は、利得スペクトルが広がることを緩和するのに有益であり、さもなければ、量子井戸層と隣接する障壁層の間を不完全に相互接続することによって生じる量子井戸の無放射の再結合中心を減少させるのに有益である。
キャリアの閉じ込めは、980 nmのVCSELの量子井戸構造の材料利得を決める一つの要素である。高められたキャリアの閉じ込めは、量子井戸構造の差動利得を増大する材料利得をもたらす。差動利得は、注入されたキャリア密度に対する材料利得の差異として画定される。さらに、VCSELの緩和周波数は、差動利得と直接比例し、したがって、VCSELの量子井戸構造のキャリア捕獲と直接比例する。緩和周波数は、VCSELが光を発生する際の電子及び正孔の固有振動を特徴付け、VCSELの最大変調速度を画定する。したがって、キャリアの閉じ込めを高めることにより、差動利得を高め、緩和周波数を高め、よってレーザ又はVCSELの最大変調速度を高くする方法が提供される。また、キャリアの閉じ込めを高めることにより、VCSEL又は発光素子の温度特性を改善することができる。
従来の研究は、歪みのある量子井戸構造の特性を最適化する問題を扱っていた。特に、CorzineらによるTheoretical Gain in Strained-layer Quantum Wells 1850 Proc. SPIE 177-188(「Corzine reference」)は、歪みのある量子井戸の利得を最大とする種々の物理的な効果を議論している。Corzine referenceは、活性領域のキャリア密度を高めることによる差動利得の論理的な改善を議論している。
しかしながら、VCSELのような発光素子の変調速度はより高速化し、量子井戸構造の特徴は高度に精密な調査をされなければならない。そのようなものとして、以前関心の持たれていなかったパラメータが次第に重要になってきている。従来技術における欠点が、VCSELの変調速度を高くする際に明らかとなる。また、VCSELの波長を増大させることは、それらの欠点をより検討することを要求する。例えば、キャリアの閉じ込め、キャリアの捕獲率、キャリアの逃避率のような要素がより重要になってきている。Corzine referenceのような従来の研究の大部分は、そのような問題を扱っていない。
特に、キャリアの閉じ込めは、量子井戸構造内のキャリアの逃避率に対する捕獲率の比に依存する。従来の980 nmのVCSELは、InGaAs量子井戸層とGaAs障壁層からなる量子井戸構造を有し、量子井戸層のInGaAs内のインジウムの割合は20パーセントよりも少ない。そのような量子井戸構造は、VCSELが所望の最大変調速度に達するに不十分なキャリアの閉じ込めをもたらす。
術語及び概説
図１Ａは、本発明による発光素子100の実施形態の部分を断面図により概略的に示す。示す例示において、発光素子100は、面発光レーザ（VCSEL）である。
発光素子100は、第１の反射鏡110及び第２の反射鏡130を、これらの反射鏡の間に配置されている活性領域120とともに有する。概して、第１の反射鏡110及び第２の反射鏡130は分布型ブラッグリフレクター（DBR）である。
第１の反射鏡110及び第２の反射鏡130は、活性領域120が配置されている光キャビティを集合的に画定する。活性領域120は、n型スペーサ層123及びp型スペーサ層127の間に挟まれている量子井戸構造125から構成されている。概して、本発明の実施形態によるVCSELにおいて、量子井戸構造125は１つ及び５つの間の量子井戸を画定される。しかしながら、本発明は、その数の量子井戸を画定する量子井戸構造に限定されない。
n型スペーサ層123及びp型スペーサ層127はそれぞれ、量子井戸構造125内に電子及び正孔（正確には「キャリア」と称する）を注入する。正孔は電子を喪失した結合である。正孔は、半導体材料内を移動可能であるが、概して、その移動度は電子の移動度よりも小さい。キャリアは、量子井戸構造125により画定されている量子井戸により捕獲され、閉じ込められる。量子井戸構造125の量子井戸に閉じ込められた電子及び正孔は、再結合し、光を発生する（例えば980 nmの波長において）。
VCSEL 100は、本発明による発光素子の一例である。しかしながら、本発明はVCSELに限定されない。本発明の実施形態は、限定するのではなく、端面発光レーザのような他の形式の発光素子、電気的にポンピングされる外部空洞レーザの光学利得媒体のような光増幅器に適用可能である。
上記のように、980 nmのVCSELのような発光素子の活性領域は、１つ又は複数の量子井戸を画定する量子井戸構造を内蔵する。図１Ｂは、従来の発光素子（図示せず）の活性領域の断面を示す図である。活性領域は、n型スペーサ層５及びp型スペーサ層20の間の量子井戸構造10からなっている。図１Ｂに示す一例では、量子井戸構造10が、低いバンドギャップエネルギーを有する半導体材料（低バンドギャップ材料）からなり、その低バンドギャップ材料よりも大きなバンドギャップエネルギーを有する半導体材料（高バンドギャップ材料）からなる障壁層で挟まれている量子井戸層からなっている。量子井戸構造10は、単一の量子井戸を画定し、障壁層14及び18の間に挟まれている量子井戸層16からなっている。
従来の発光素子の他の実施形態では、量子井戸構造10が、N+1層の障壁層により挟まれているN層の量子井戸層からなっている。５つよりも多くの量子井戸を画定する量子井戸構造が公知であるが、概して、量子井戸構造は１つの量子井戸（N=1）及び５つの量子井戸（N=5）の間の量子井戸を画定する。
980 nmのVCSELでは、量子井戸層16の低バンドギャップ材料がインジウムガリウム砒素（InGaAs）であり、障壁層14及び18の高バンドギャップ材料はガリウム砒素（GaAs）である。
図１Ｃは、図１Ｂに示す量子井戸構造10のバンドエネルギー分布を示すエネルギー線図である。バンドエネルギー分布は、価電子帯及び伝導帯にある、量子井戸層16と障壁層14及び障壁層18との間の種々のバンドエネルギーを示す。図１Ｃは、量子井戸層16の低バンドギャップ材料と障壁層14及び18の高バンドギャップ材料の間のバンドギャップエネルギーの差（すなわち、伝導帯のエネルギーと価電子帯のエネルギーの間の差）を示す。量子井戸層16と障壁層14及び18の間のバンドギャップエネルギーの差が、量子井戸12を画定する。示す例では、バンドギャップエネルギーが、量子井戸層16と障壁層14及び18の間の界面で急激に変化している。
量子井戸構造10が組み込まれている発光素子の動作の間、n型スペーサ層５及びp型スペーサ層20はそれぞれ、量子井戸構造10内に、キャリアとして、電子及び正孔を注入する。量子井戸構造10に注入されるキャリアの一部は、量子井戸層16により捕獲され、量子井戸層16内に閉じ込められる。量子井戸層16に閉じ込められた電子及び正孔は、再結合し、光を発生する。この再結合により発生された光の一部が発光素子によって放射される。
VCSEL（例えば980 nmのVCSEL）の活性領域のInGaAs/GaAs量子井戸内のキャリアの閉じ込めを増大させるための、本発明により考慮される一つの取り組みは、InGaAs量子井戸層の厚みを増大させることである。量子井戸層のキャリアの捕獲率は、量子井戸層の厚みの増大に伴い高くなる。しかしながら、量子井戸層の厚みを増大させることによって、異なるサブバンドのエネルギー準位間のエネルギー間隔を有害に減少させる。これにより、量子井戸の基底状態より上のより高い状態に高キャリア分布が導かれる。このようなキャリア分布は、擬フェルミ準位が透明な点でバンド端から離れるので、より低い差動利得を結果生じる。加えて、量子井戸層の厚み及びインジウムの割合が、所望の放射波長（例えば980 nm）により固定される。量子井戸層の厚み及びインジウムの割合は少しばかり変動することがあるので、それらをより広い範囲にわたって、自由に変化させることができない。
980 nmのVCSELの活性領域のInGaAs/GaAs量子井戸内のキャリアの閉じ込めを増大させるための、本発明により考慮される他の方法は、InGaAs量子井戸層のインジウムの割合を増やすことである。しかしながら、インジウムの割合を増やすことにより、量子井戸構造内の歪みが増大し、また放射波長が変化する。InGaAs量子井戸層のインジウムの割合を増加させることの結果として、さもなくば生じる波長の変化を防ぐために、量子井戸層の厚みを、インジウムの割合の増加に伴い減少させることができる。しかしながら、過度の歪みはVCSELの信頼性を低くし、量子井戸層の厚みを薄くすることにより、キャリアの閉じ込めが少なくなる。
以下に詳細に記述するように、本発明の実施形態は、増大した歪みを導入することなく、量子井戸層の厚みを薄くする必要のない、発光素子の最大変調速度を高くする方法を提供する。一実施形態では、より高い最大変調速度が、障壁層の材料として、AlGaAsを利用することによって、量子井戸構造のキャリアの閉じ込めを増大することにより達成される。AlGaAs障壁層は、量子井戸からのキャリアの逃避する割合を低減することにより、増大したキャリアの閉じ込めをもたらす。従来の障壁層の材料であるGaAsと比較してAlGaAsのより大きなバンドギャップエネルギーは、キャリアの逃避率を低くする。さらに、アルミニウムを比較的少ない割合含むAlGaAsは、GaAsよりも小さな格子定数を有し、障壁層の材料としてAlGaAsを使用することにより、量子井戸構造内の歪みを有意に変化させる。
InGaAs/AlGaAsの量子井戸構造が従来のInGaAs/GaAsの量子井戸構造に対して増大したキャリアの閉じ込めをもたらす他の機構は、InGaAs/AlGaAsの量子井戸構造が、InGaAs量子井戸層とAlGaAs障壁層の間に、より急激に変化する界面を有することである。界面が急激に変化する一因は、量子井戸層のInGaAsと障壁層のAlGaAsが同じV族の副格子を有することによる。これにより、量子井戸層と隣接する障壁層の間の相互拡散が低減する傾向がある。また、Al-As結合がGa-As結合よりもはるかに強く、InGaAs/AlGaAsの量子井戸構造では、従来のInGaAs/GaAsの量子井戸構造よりも、相互拡散が少なくなる傾向があり、したがって、より急激に変化する界面となる傾向がある。よって、障壁層のGaAsにAlを加えることにより、相互拡散を低減し、したがって、より急激に変化する界面が提供される。より急激に変化する界面は、無放射の再結合を生じる中間ギャップ状態を低減する。
InGaAs/AlGaAsの量子井戸構造がキャリアの閉じ込めを増大させる他の機構は、InGaAs/AlGaAsの量子井戸構造が従来の量子井戸構造よりも大きなオフセット因子Qcを有することである。InGaAs/AlGaAsの量子井戸構造では、InGaAs量子井戸層とAlGaAs障壁層の間のバンドオフセットに対して、伝導帯のオフセットが価電子帯のオフセット（35％）よりも大きく（65％）寄与する。このバンドの構成は、伝導帯の電子を良好に閉じ込め、多重量子井戸構造の量子井戸のうちで正孔を良好に分配するのに有利である。良好な正孔の分配は、電子と正孔の間の長範囲の静電的な相互作用力のために、伝導帯内の良好な電子の閉じ込めに付加的に寄与する。障壁の増大したバンドギャップエネルギーは、量子井戸のキャリアの閉じ込めを改善するのみならず、より高いエネルギー状態での低減されたキャリア数を導く。したがって、擬フェルミ準位を保つ基底状態でのキャリア密度は、透明な点でバンド端に近接している。
キャリアの閉じ込めを改善するための方法
図２は、本発明の実施形態による発光素子の変調速度を高めるための方法200を示す流れ図である。高められた変調速度は、発光素子の量子井戸のキャリアの閉じ込めを増大させることに主に起因する。この実施形態では、増大したキャリアの閉じ込めが、障壁層の有効バンドギャップエネルギーを増大させ、より深い量子井戸を形成することによって達成される。
ブロック210において、AlxGa1-xAsの障壁層が形成される。ブロック220において、インジウムガリウム砒素（InGaAs）の量子井戸層が、障壁層の間に形成される。一実施形態において、障壁層及び量子井戸層は、VCSELの活性領域の部分を構成する。
量子井戸層に圧縮歪みを適用することによって、差動利得及び最大変調速度としての動作特性が改善される。量子井戸層に適用される圧縮歪みは、量子井戸層のInGaAs材料内のインジウムの割合の増加によって増大される。量子井戸層の増大された歪みは、量子井戸層及びVCSELの差動利得を理論的に増大する。増大された差動利得は、高められた最大変調速度に対して有利に寄与する。本発明の一実施形態では、インジウムの割合が、おおよそ20％であり、すなわち量子井戸層の材料はIn0.2Ga0.8Asである。本発明の他の実施形態は、インジウムの割合が20％よりも多い材料からなる量子井戸層を有し、すなわち量子井戸層の材料はInxGa1-xAsであり、ｘは0.2より大きい。
上述のように、本発明は、InGaAs量子井戸層のキャリアの閉じ込めを増大させ、VCSELの最大変調速度を高める。これは、量子井戸構造の障壁層の材料としてAlxGa1-xAsを使用して、量子井戸層で捕獲されたキャリアの逃避率を低減することにより達成される。より詳しくは、GaAsよりも大きなバンドギャップエネルギーを有する障壁層AlxGa1-xAsが、量子井戸層の伝導帯に捕獲された電子の逃避率を低減する。
InGaAs量子井戸層に捕獲されたキャリアの逃避率の低減は、本発明の量子井戸構造のキャリアの閉じ込め係数を増大する。キャリアの閉じ込め係数は、量子井戸層のキャリア密度のパラメータを評価し、量子井戸層の実際の電流密度を適切に反映する。結果として、本実施形態では、キャリアの閉じ込め係数は、量子井戸層の差動利得の計算に正確に寄与し、詰まるところ、InGaAs/AlGaAsの量子井戸を含むVCSELの変調速度の計算に正確に寄与する。キャリアの閉じ込め係数が増大することによって、本発明の実施形態はVCSELの最大変調速度を高める。
電流密度は、従来、量子井戸構造のキャリア捕獲及び逃避の特性を何ら考慮することなく、キャリア密度から直接判定されていた。その結果として、差動利得の計算は、量子井戸構造の動作特性の的確な表示をもたらさない。これに対して、本実施形態は、キャリア捕獲及びキャリア逃避の両方の項においてキャリアの閉じ込めを扱い、所定のVCSELの量子井戸構造の動作特性の的確な表示をもたらす。
障壁層の材料としてAlxGa1-xAsを利用することによって、本発明の実施形態は、InGaAsの量子井戸層に捕獲されたキャリアの逃避率を低減することにより、キャリアの閉じ込め係数を増大する。量子井戸層のキャリアの閉じ込め係数を増大することにより、VCSELの最大変調速度を高める。
キャリアの閉じ込め係数は、式１に示すように、キャリアの逃避率γescapeに対するキャリアの捕獲率γcaptureの比により画定される。
キャリアの閉じ込め係数＝γcapture /γescape （１）
キャリアの捕獲率γcaptureは、キャリア捕獲の可能性として記述され、キャリア捕獲の時間に対して反比例する。換言すれば、より高いキャリア捕獲率、より高いキャリア捕獲の可能性は、量子井戸内のキャリアを捕獲するのに必要な時間をより短くする。また、キャリアの逃避率γescapeは、キャリア逃避の可能性として記述され、キャリア逃避の時間に対して反比例する。キャリアの逃避率の低減は、捕獲されたキャリアが逃避する可能性を低減することを導き、量子井戸内で捕獲されたキャリアが逃避するのに長時間を要するということを示す。
キャリアの逃避率γescapeを低減することによって、本発明により、キャリアの閉じ込め係数が増大する。キャリアの逃避率は、量子井戸層の伝導帯と隣接する障壁層の伝導帯の間のエネルギーの相違を増大させ、量子井戸層の伝導帯に捕獲された電子をより閉じ込めることにより低減される。すなわち、本発明の実施形態では、量子井戸層に挟まれている障壁層の材料として、バンドギャップエネルギーの増大された材料を使用することによって、このエネルギーの差を増大させる。本実施形態においては、障壁層の材料はAlxGa1-xAsであり、従来の障壁層の材料であるGaAsよりも大きな伝導帯エネルギーを有する。特に、本実施形態は、量子井戸層の伝導帯エネルギーと隣接する障壁層の伝導帯エネルギーの間のエネルギー差を、従来のGaAs障壁層により得られるおおよそ80 meVから本実施形態のAlxGa1-xAs障壁層により得られる100 meVを超える値まで増大させる。
また、図２は、方法200の随意的な付加的構成要素を示す。230において、界面層がInGaAs量子井戸層と各AlxGa1-xAs障壁層の間に形成される。界面層によりもたらされる利点は、以下に詳細に述べる。
本発明の実施形態による発光素子において、AlxGa1-xAs障壁層は、量子井戸層の増大した電子キャリアの閉じ込めをもたらし、最終的にキャリアの逃避率γescapeを低減する。付加的な利点のように、また、従来のGaAs障壁層と比較してAlxGa1-xAs障壁層の増大された障壁高さは、キャリアの捕獲率γcaptureを増大する。したがって、本発明の実施形態のAlxGa1-xAs障壁層は、キャリアの捕獲率を増大し、キャリアの逃避率を低減することによって、キャリアの閉じ込め係数を増大する。
また、付加的な利点として、本実施形態のAlxGa1-xAs障壁層はVCSELの差動利得を増大する。差動利得の増大は、キャリアの閉じ込めの増大の結果である。上記のように、キャリアの閉じ込め係数の上記増大は、キャリアの閉じ込めの増大をもたらす。
加えて、障壁層のAlxGa1-xAs材料の増大したバンドギャップエネルギーは、InGaAs量子井戸層とAlxGa1-xAs障壁層双方の厚みが、差動利得に影響を及ぼすことなく、比例して低減することを可能とする。量子井戸層の厚みの低減は、キャリアの閉じ込めを低減するが、この低減は、障壁層の材料としてのAlxGa1-xAsのより大きなバンドギャップエネルギーによるキャリアの閉じ込めの上記増大により相殺される。
キャリアの閉じ込めは、VCSELの量子井戸構造のInGaAs量子井戸層の材料利得を画定する一つの要因である。量子井戸層の増大したキャリアの閉じ込めは、量子井戸構造の差動利得における全体的な増大をもたらす材料利得特性に通じる。換言すれば、増大したキャリアの閉じ込めは、材料利得が電流密度とともに変化する割合で増大する。電流密度は、式２に示すように、量子井戸構造の電流密度とキャリアの閉じ込め係数の積により画定される。
電流密度＝（電流密度）×（キャリアの閉じ込め係数） （２）
材料利得対電流密度特性の傾きは差動利得を画定する。言い換えると、量子井戸の緩和周波数は、差動利得に直接比例する。緩和周波数は、VCSELが光を発生する際に、電子と光子の固有振動を特徴付け、VCSELの変調速度を制限する。より高い緩和周波数は、VCSELの最大変調速度をより高くする。したがって、キャリアの閉じ込めを増大することは、材料利得対電流密度特性の傾斜を増大し、すなわち差動利得を増大する。増大した差動利得は、緩和周波数を増大し、すなわちVCSELの最大変調速度を高める。
改善されたキャリアの閉じ込めをもたらす量子井戸構造
図３Ａは、本発明の実施形態により改善されたキャリアの閉じ込めをもたらす量子井戸構造300を示す線図である。一実施形態において、量子井戸構造300は、VCSELの活性領域の部分を形成する。より詳細には、一実施形態では、量子井戸構造300は、おおよそ980 nmの波長の光を発生するVCSELの活性領域の部分を形成する。
量子井戸構造300は、インジウムガリウム砒素（InGaAs）の量子井戸層320と、量子井戸層320を挟むアルミニウムガリウム砒素（AlGaAs）の障壁層とからなる。障壁層310のAlGaAsと量子井戸層320のInGaAsの間に格子の不整合が存在し、それによって量子井戸構造300は歪んでいる。特に、量子井戸層320のInGaAsのインジウムは、量子井戸構造300の差動利得を増大する仕方で、量子井戸層の材料の特徴を変化させる圧縮歪みを量子井戸層に作用させる。上記のように、InGaAs量子井戸層320の材料中のインジウムの割合は、歪みの大きさを画定し、おおよそ20パーセントと等しいか又は20パーセントよりも多い。
InGaAs量子井戸層320を挟む障壁層310は、アルミニウムガリウム砒素AlxGa1-xAsからなる。障壁層310のAlxGa1-xAsにおける５パーセントよりも多いアルミニウムの割合は、図２を参照して上記したように、InGaAs量子井戸層320の伝導帯とAlxGa1-xAs障壁層310の伝導帯の間の障壁の高さを増す。
さらに、障壁層310のAlxGa1-xAs材料中のアルミニウムの割合は、良好な電気的及び光学的特性を備える材料が通常のエピタキシャル成長工程を利用して成長可能であるのに十分な小ささである。例えば、エピタキシャル成長工程は、本発明の一実施形態による分子線エピタキシャル（MBE）である。本発明の他の実施形態によれば、エピタキシャル成長工程は有機金属化学気相成長法（MOCVD）である。
図３Ｂは、本発明の一実施形態の図３Ａに示す量子井戸構造300のエネルギー線図である。エネルギー線図は、付加的に量子井戸構造300の構造要素を示す。エネルギー線図は、電場が量子井戸構造300に作用しないフラットバンド状態を図解する。バンドギャップエネルギーEgp 330を、量子井戸層320のフラットバンド状態における重い正孔と電子に対する最低エネルギーのサブバンド（n=1）の間を遷移するように示す。バンドギャップエネルギーEgb 360を障壁層310に対して示す。エネルギー線図の上部362は、障壁層と量子井戸層の伝導帯エネルギーEcを示す。エネルギー線図の下部364は、障壁層と量子井戸層の価電子帯エネルギーEvを示す。
加えて、図３Ｂは、InGaAs量子井戸層320の伝導帯とAlxGa1-xAs障壁層310の伝導帯の間の障壁の高さΔEc 340を示す。本実施形態により達成される障壁の高さΔEc 340は、GaAs障壁層を利用する従来の量子井戸構造におけるよりも高く、量子井戸構造300に付加的な歪みを加えることなく得ることができる。上記のように、付加的な歪みは、効率利得及び差動利得を低減することにより、量子井戸構造300の性能及び信頼性の低下を生じることがある。障壁の高さΔEc 340を高くすることは、アルミニウム砒素及びガリウム砒素の格子定数が同様であることから、量子井戸構造300に付加的な歪みをもたらすことなく達成される。その結果として、ガリウム砒素にアルミニウムを加えることによって、量子井戸構造300の歪みは著しく変化しない。
さらに、本発明によれば、InGaAs量子井戸層320に何らかの中間ギャップ状態を生じることなく、障壁の高さΔEc 340を高くすることができる。図３Ｂは、量子井戸構造300に存在する可能性のある中間ギャップ状態Ei 350を示す。中間ギャップ状態のエネルギーEi 350は、量子井戸層のバンドギャップエネルギーEgq 330の値の半分だけ、量子井戸層320の価電子帯のエネルギーから相違する。存在する何らかの中間ギャップ状態における再結合は、無放射の再結合を増加する。上記のように、中間ギャップ状態は、量子井戸層のインジウムの割合が障壁の高さΔEc 340を高くすることを目的として増大される場合に結果生じる増大した歪みにより生じる。しかしながら、本発明によれば、量子井戸構造300の歪みを増大することなく、及び中間ギャップ状態の形成を促進することなく、AlxGa1-xAsの障壁層310は障壁の高さΔEc 340を高くする。したがって、そのような状態が存在する際に生じることのある無放射の再結合は防止される。
また、障壁層310の材料としてAlGaAsを利用することにより、価電子帯内の散乱を生じることなく、障壁層の高さΔEc 340を高くすることができる。障壁の高さを高くするために、20パーセントより多いインジウムの割合を利用する（例えば従来のInGaAs/GaAs量子井戸構造において）従来の取り組みの結果生じる付加的な歪みは、価電子帯の軽い正孔状態及び重い正孔状態の広範な分離を導く。広範な分離は、重い正孔により得られる基底状態に軽い正孔が下がるのにより長くかかることより、量子井戸構造の利得抑制を導く。放射再結合は、重い正孔によってのみ発生する。しかしながら、本発明のAlxGa1-xAsの障壁層は、付加的な歪み又は利得抑制を生じることなく、障壁層の高さΔEc 340を高くする。
本発明の実施形態では、図３Ａに示す量子井戸構造300が、量子井戸層320と障壁層310の間の急激に変化する界面を有する。急激に変化する界面は、同じV族の副格子を有する量子井戸層320のInGaAs及び障壁層310のAlGaAsによる。急激に変化する界面は、量子井戸の良好な光学的性質を発生させ、利得スペクトルが広がることを制限する。加えて、本発明の量子井戸構造では、AlxGa1-xAs障壁層310とInGaAs量子井戸層320の間の急激に変化する界面はより少ない欠陥を有する。欠陥の数が少ないことにより、無放射の再結合の発生が低減する。
高バンドギャップエネルギーオフセット因子
本発明の実施形態のInGaAs/AlxGa1-xAs量子井戸構造300は、従来の量子井戸構造よりも高いバンドギャップエネルギーオフセット因子Qcを有する。バンドギャップエネルギーオフセット因子は、量子井戸層と障壁層の間のバンドギャップエネルギーのオフセットに対して、伝導帯と価電子帯の相対的な寄与を特徴付ける。バンドギャップエネルギーオフセット因子を以下の式３に示す。
Qc=ΔEc/ΔEg （３）
式３において、ΔEcは上記のように、障壁層の高さΔEc 340に関する。ΔEgは、以下の式４に示すように、障壁層のバンドギャップエネルギー（すなわちEgb 360）と量子井戸層320のバンドギャップエネルギー（すなわちEgq 330）の間の差である。
ΔEg=Egb-Egq （４）
InGaAs/AlxGa1-xAs量子井戸構造300の実施形態は、特に従来のInGaAs/GaAsP量子井戸と比較した際に、高い値のQcを与える。例えば、従来のInGaAs/GaAsP量子井戸構造がおおよそ0.4のQcの値を有するのに対して、InGaAs/AlxGa1-xAs量子井戸構造300はおおよそ0.65のQcの値を有する。
InGaAs/AlxGa1-xAs量子井戸構造300のQcの高い値は、電子の閉じ込めを増大する状態並びに、多重量子井戸構造において、正孔のより均一な分配を発生する。例えば、InGaAs/AlxGa1-xAs量子井戸構造300の0.65のQc値は、伝導帯がInGaAs量子井戸層320とAlxGa1-xAs障壁層310の間のバンドギャップエネルギーの相違の65パーセントに、価電子帯が35パーセントに寄与するということを示す。
伝導帯と価電子帯の寄与の間の65/35の分配は、量子井戸層320と障壁層310の間の障壁高さΔEc 340がより高いために、InGaAs量子井戸層320の伝導帯内の電子の閉じ込めを増大させる。65/35の分配は、伝導帯がバンドギャップエネルギーの相殺の大部分をもたらすため、正孔の閉じ込めを顕著に増大しない。正孔の閉じ込めの増大は、一様ではない及び/又は遅いキャリアの移動のために、VCSELの最大変調速度を低下させる。
上記のように、本発明の量子井戸構造300の増大したQc値は多重量子井戸構造の正孔の分配をより均一にする。InGaAs/GaAsP量子井戸構造におけるような低いQc値は、多重量子井戸間の正孔の分配の均一性を低下させる正孔の閉じ込めを増大する。増大した正孔の閉じ込めが、量子井戸構造に正孔を注入するp型スペーサ層20（図１Ｂ）に近接した量子井戸に正孔の大部分を閉じ込める。結果として、低いQc値を備える従来の多重量子井戸構造は、その正孔の数が不均一に分配することに問題を有する。
本発明の実施形態では、InGaAs/AlGaAs量子井戸構造300が、おおよそ0.65の高いQc値を有する。これにより、電子の閉じ込めが増大し、多重量子井戸構造において、より均一な正孔の閉じ込めが増大する。電子の閉じ込めの増大は、差動利得及び変調速度を増大させ、量子井戸構造が部分を形成するVCSELの温度特性を改善する。
改善されたキャリアの閉じ込めを有する多重量子井戸構造
図４は、本発発明の実施形態による多重量子井戸構造400の伝導帯のエネルギー線図である。例示として980 nmのVCSELの多重量子井戸構造を示すが、他の実施形態は、他の波長において動作するVCSEL内おいて使用されるのに十分適合する。
多重量子井戸構造400は、（N+1）層のAlxGa1-xAs障壁層420により挟まれているN層のInGaAs量子井戸層410からなり、Nは整数である。本発明の他の実施形態は、付加的に、各量子井戸層410とそれに隣接する障壁層420の間に界面層（図示しないが、図５Ａを参照して以下において説明する）を有する。単一の量子井戸構造と比較して、多重量子井戸構造400は、キャリアを捕獲するためのより多くの量子井戸を有するために、増大したキャリアの捕獲率（γcapture）を本質的にもたらす。
レーザに使用するVCSELの場合、VCSELの光学利得はVCSELの光学損失を圧倒していなければならない。量子井戸構造は、材料利得を利用して、光学損失を相殺する。単一の量子井戸構造では、単一の量子井戸が、光学損失を相殺するために必要とされる材料利得の全てを供給しなければならない。高い材料利得を生み出すには、厳密な製造技術及び成長技術を必要とする。
図４に示す多重量子井戸構造400のような多重量子井戸構造では、材料利得は量子井戸間で共有されている。多重量子井戸構造内の各量子井戸は、単一の量子井戸構造の量子井戸と同じ高さの材料利得を有する必要がない。多重量子井戸構造の各量子井戸がより低い材料利得をもたらすために、量子井戸はより低いキャリア（したがって電流）密度において動作可能である。材料利得のより低いキャリア密度部分対キャリア密度特性における動作は、より高い差動利得及びより低いキャリアの漏れでもって動作する各量子井戸を結果生じる。加えて、横断する電場に対する光閉じ込め係数は、多重量子井戸構造に対してはるかに高くなる。したがって、顕著な特性の改善が、量子井戸の数を増加させることにより期待される。
典型的なVCSELは、VCSELを介して電流が流れることによりレーザを生じる。電流の注入により、図４に示すエネルギー線図の伝導帯の疑フェルミ準位は、AlxGa1-xAs障壁層420のバンド端に向かうレーザを生じる。これは、電子の逃避率を増大する。しかしながら、多重量子井戸構造において、擬フェルミ準位は、上記した量子井戸のより低い材料利得のために、バンド端に近接している。所定のキャリア密度の場合に、各量子井戸の材料利得は、擬フェルミ準位がバンド端に向かうにつれて最大化する。障壁層420の材料としてAlGaAsを利用することにより、量子井戸によりもたらされる障壁の高さΔEcは高くなる。これにより、捕獲された電子が量子井戸層410から逃避する割合は低下する。
また、上記のように、AlxGa1-xAs障壁層420の増大したバンドギャップエネルギーによって、InGaAs量子井戸層及びAlxGa1-xAs障壁層双方の厚みを、差動利得を損なうことなく、薄くすることを可能とする。AlxGa1-xAs障壁層の増大したバンドギャップエネルギーの結果生じるキャリアの閉じ込めの増大は、量子井戸層の厚みを減少させることの結果生じるキャリアの閉じ込めの減少を相殺する。量子井戸層及び障壁層の厚みを減少させることにより、量子井戸の密度を増大させることができる。同様の寸法のVCSELについて、同じ空間内の量子井戸の数がより多いことによりもたらされる増大したキャリアの捕獲によって、差動利得の改善が導かれる。また、光閉じ込め係数は、多重量子井戸の利用により高められる。
多重量子井戸構造400の実施形態を取り込むVCSELは、単一の量子井戸構造を有するVCSELを越える利点をもたらす。例えば、多重量子井戸構造はより大きなキャリアの捕獲率（γcapture）を有する。加えて、各量子井戸が、より低い材料利得を有し、結果生じる高められた障壁の高さΔEcを有するために、多重量子井戸構造はより小さな逃避率（γescape）を有する。相まって、これらの因子は、より良好なキャリアの閉じ込め、増大した差動利得、詰まるところより高い最大変調速度を有する多重量子井戸VCSELを導く、より大きなキャリアの閉じ込め係数をもたらす。
量子井戸間の結合の減少
GaAsの障壁層を越えるAlGaAsの障壁層の付加的な利点は、多重量子井戸構造の量子井戸間の結合が減少することにある。量子井戸間の高い結合は、利得の低下を導くことがある。図５Ａは、7.0 nmの厚みのGaAsからなる５層の障壁層で挟まれた4.3ナノメートル（nm）の厚みのIn0.23Ga0.77Asからなる４層の量子井戸層より構成されている多重量子井戸構造を有する例示的な活性領域のエネルギー線図である。エネルギー線図に、量子井戸構造に閉じ込められている電子の波動関数を示す曲線を重ねてある。図５Ａは、中括弧420により示す範囲の量子井戸の外に実質的な波動関数の漏れを示す。図５Ａに示す波動関数に関する計算された閉じ込め係数は約69％であり、量子井戸構造の第１の固有状態に対する計算されたミニバンドの幅が約1.0 meVである。
図５Ｂは、7.0 nmの厚みのAl0.1Ga0.9Asからなる５層の障壁層で挟まれた4.3 nmの厚みのIn0.23Ga0.77Asからなる４層の量子井戸層より構成されている多重量子井戸構造を組み込まれた例示的な活性領域のエネルギー線図である。エネルギー線図に、量子井戸構造に閉じ込められている電子の波動関数を示す曲線を重ねてある。図５Ｂに示す活性領域の放射波長は、図５Ａに示すものと同様である。障壁層の材料としてAlGaAsを利用することにより、波動関数に対して82％の計算された閉じ込め係数を結果生じる。これは、図５Ａに示すGaAs障壁層を備えている量子井戸層構造閉じ込め係数を相当に改善する。また、第１の固有状態の計算されたミニバンドの幅は低減する。図５Ａと図５Ｂの比較は、障壁層の材料としてAlGaAsを利用することが量子井戸間の結合を減少することを示す。減少した結合によって、活性領域の量子井戸の数を、利得を低減させることなく又は線幅を広くすることなく、増加させることができる。
キャリアの閉じ込めを改善するための界面層を備えている量子井戸構造
図６Ａは、本発明の一実施形態による、界面層が量子井戸層と障壁層の間に挟まれている例示的な量子井戸構造600を示す。界面層は、量子井戸構造のキャリアの閉じ込めを改善する。量子井戸構造600は、VCSELのような発光素子の活性領域の部分を構成する。本実施形態において、量子井戸構造は、980 nmの波長の光を発生するVCSELの活性領域の部分を構成する。しかしながら、量子井戸構造600の他の実施形態も、他の波長の光を発生するVCSELに組み込まれるのに十分に適する。界面層によりもたらされる改善されたキャリアの閉じ込めは、従来の量子井戸構造に対して、増大した差動利得と緩和周波数を量子井戸構造600に与える。増大した緩和周波数は、量子井戸構造の600の最大変調速度を高め、量子井戸構造600が部分を形成するVCSELの最大変調速度を高める。
量子井戸構造600は、障壁層610、障壁層650、障壁層610と障壁層650の間のInGaAsからなる量子井戸層630より構成されている。量子井戸層630のInGaAsからなるバルクの格子定数は、障壁層610及び650の材料の格子定数よりも大きく、それにより、量子井戸層630は圧縮歪みを受ける。
量子井戸層600は、付加的に、量子井戸層630と障壁層610、650の間にそれぞれ挟まれている界面層620及び640からなる。界面層620及び640の材料は、アルミニウムの割合yが障壁層610及び650のAlxGa1-xAsにおけるアルミニウムの割合xよりも少ないAlyGa1-yAsである。一実施形態では、界面層620及び640のAlGaAsにおけるAlの割合は零であり、すなわち、界面層620及び640の材料はGaAsである。界面層620及び640は、本発明の一実施形態では、おおよそ0.1 nmからおおよそ２nmの範囲の厚みを有する。
界面層620は、障壁層610と量子井戸層630の間に挟まれている。界面層640は、障壁層650と量子井戸層630の間に挟まれている。各界面層は、さもなければ、量子井戸層630と障壁層610及び650のそれぞれ一方との間の不完全な相互作用を結果生じる量子井戸構造600の利得スペクトルの広がりを低減する。
界面層620及び640はそれぞれ、量子井戸層600の有効キャリア捕獲断面を付加的に増大する。量子井戸層630におけるキャリアの捕獲は、障壁層610及び650の一方のそのエネルギーから量子井戸層630の伝導帯の基底状態のエネルギーへの、キャリアのエネルギーの緩和を伴う。界面層620及び640は、それらを通過するキャリアのエネルギーのより段階的な緩和をもたらす。これは、量子井戸層に捕獲されるキャリアの増大する可能性、及び電子のキャリアの捕獲率（γcapture）の増大となる。すなわち、キャリアの捕獲率γcaptureは、上記のように、差動利得及び緩和周波数を増大するキャリアの閉じ込め係数を増大する。増大した緩和周波数は、量子井戸構造600の最大変調速度を高める。
図６Ｂは、図６Ａに示す量子井戸構造600のエネルギー線図である。図６Ｂは、量子井戸構造600の障壁層610及び650、界面層620及び640、量子井戸層630のバンドギャップエネルギーを示す。また、図６Ｂは、量子井戸構造600の構造要素を示す。界面層620及び640の伝導帯と価電子帯の間のバンドギャップエネルギーEgi 600は、InGaAs量子井戸層のバンドギャップエネルギーEgq 670と障壁層610、650のバンドギャップエネルギーEgb 680の中間である。
一実施形態において、障壁層610の材料及び障壁層650の材料は、Alの割合ｘが５パーセントよりも大きい（ｘ＞0.05）、AlxGa1-xAsである。
本発明の他の実施形態では、界面層620及び640はそれぞれ、障壁層610及び650の材料をGaAsPとすることができる。GaAsPからなる障壁層を備えている従来の量子井戸構造は、量子井戸構造の利得スペクトルを広げるInGaAs/GaAsP界面の不完全性のために、低下したキャリアの閉じ込めを有する。しかしながら、界面層620及び640は、量子井戸構造600の有効キャリア捕獲断面を増大する。これにより、GaAsPの障壁層を利用することによって生じる低下したキャリアの閉じ込めの効果が緩和され、差動利得及び緩和周波数の対応する増大が導かれる。増大した緩和周波数は、量子井戸構造600の最大変調速度を高める。
上記開示は、図解した実施形態を参照して、本発明を詳細に記述する。しかしながら、添付の特許請求の範囲の記載によって画定される本発明は、記載した特定の実施形態に制限されない。
本発明の実施形態を組み込む発光素子を例示する半導体レーザの部分の断面を示す図である。 従来の発光素子の量子井戸構造の断面を示す図である。 図１Ｂに示す量子井戸構造のバンドエネルギー分布を示すエネルギー線図である。 本発明の一実施形態による、面発光レーザ（VCSEL）においてキャリアの閉じ込めを増大させる方法を示す流れ図である。 本発明の一実施形態によるAlGaAs障壁層を有する量子井戸構造を示す線図であり、量子井戸構造は高められたキャリアの閉じ込めをもたらす。 図３Ａに示す量子井戸構造のバンドエネルギー分布を示すエネルギー線図である。 本発明の一実施形態による多重量子井戸を有する量子井戸構造の伝導帯のバンドエネルギー分布を示すエネルギー線図であり、量子井戸構造は高められたキャリアの閉じ込めを示す。 InGaAs/GaAsの多重量子井戸構造を有する例示的な活性層のエネルギー線図であり、曲線は、そこに重ね合わされている量子井戸構造に閉じ込められている電子の波動関数を表す。 InGaAs/AlGaAsの多重量子井戸構造を有する例示的な活性層のエネルギー線図であり、曲線は、そこに重ね合わされている量子井戸構造に閉じ込められている電子の波動関数を表す。 本発明の一実施形態による、量子井戸層と隣接する障壁層の間に界面層を有する量子井戸構造の線図であり、量子井戸構造は高められたキャリアの閉じ込めを示す。 図６Ａに示す量子井戸構造のバンドエネルギー分布を示すエネルギー線図である。

Claims (5)

  1. 発光素子（100）の最大変調速度を高める方法であって、
    AlGaAsからなる障壁層（610及び650）を形成し（ステップ210）、
    前記障壁層（610及び650）の間にInGaAsからなる量子井戸層（630）を形成し（ステップ220）、
    前記量子井戸層（630）と、前記障壁層（610及び650）のそれぞれの間に界面層（620及び640）を形成する（ステップ230）ことからなり、
    前記界面層を形成する（ステップ230）ことが、前記障壁層（610及び650）のAlGaAsよりも少ない割合のアルミニウムを含むAlGaAsの界面層（620及び640）を形成することを含み、
    前記界面層が0.1 nmから２nmの厚みを有する方法。
  2. 前記量子井戸層（630）のInGaAsのインジウムの割合が20パーセントよりも多い請求項１に記載の方法。
  3. 前記量子井戸層を形成する（ステップ220）ことが、前記障壁層（610及び650）に挟まれている、InGaAsからなる複数の量子井戸層（630）を形成することを含み、
    前記界面層を形成する（ステップ230）ことが、前記量子井戸層（630）のそれぞれと、前記障壁層（620及び640）の隣接する１つとの間に、界面層（620及び640）を形成することを含む請求項１に記載の方法。
  4. 前記障壁層を形成する（ステップ210）ことが、アルミニウムの割合が５パーセントよりも多い、AlGaAsからなる障壁層（620及び640）を形成することを含む請求項１に記載の方法。
  5. 付加的に、前記発光素子（100）を980 nmの波長の光を生成するように構造化することを含む請求項１に記載の方法。
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