JPH09510831A

JPH09510831A - 量子層の構造

Info

Publication number: JPH09510831A
Application number: JP7524893A
Authority: JP
Inventors: カール−ハインツバッフェム; ダンフェケテ
Original assignee: フラウンホッファーゲゼルシャフトツァフェルダールングデァアンゲヴァンテンフォアシュンクエー．ファオ．
Priority date: 1994-03-25
Filing date: 1995-03-14
Publication date: 1997-10-28
Anticipated expiration: 2019-11-17
Also published as: EP0752165A1; WO1995026585A1; DE19580250D2; DE59502831D1; JP3589301B2; EP0752165B1; US5767535A

Abstract

(57)【要約】この記述は、主としてレーザーや検出器用の量子層構造に関する。この量子層構造は、両外側のバリア層（Ｓ１，Ｓ４）の間に少なくとも二つの内層（Ｓ２，Ｓ３）を配置した少なくとも４層の半導体層（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）を有する。本発明は、電圧が印加されていなくても一方の内層の伝導帯下縁が絶対最低位を、また他方の内層の価電子帯上縁が絶対最高位を占めること、及び少なくとも絶対最低位もしくは絶対最高位を有するこれら両内層だけにせよ、量子化された電子もしくは正孔の状態を有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】発明の名称量子層の構造技術分野本発明は、量子層の構造、特にレーザーや検出器用として、二つの外層の間に内層を配置した少なくとも４層の半導体層による量子層構造に関する。この量子層はさまざまな化合物の層で構成されるが、本発明に基づく成層方式によれば、これらの化合物の放出波長と吸収波長が化合物そのものの放出、吸収波長よりも大きくなる。また本発明に基づく量子層構造をヒ化ガリウム基板上に形成させると、１．３μｍ以上の波長を実現させることも可能となる。またInＰ基板を用いた場合には、約２ないし５μｍ程度の波長が実現される。このような量子層構造は、例えば半導体インジェクションレーザー、変調器や検出器のほか、光起電方式の検出器としても好適である（例えばY.スギヤマら；Cryst.Growth 誌，95,1989,263〜366参照）。従来の技術ガラスファイバーの損失挙動に注目すると、観測結果として波長が１．３μｍ及び１．５５μｍのときに損失が最小になることが分かるが、これに関しては、例えばPhysics of Semiconductor Devices第2版(1981年),704頁掲載のS.M.Szeの論文を参照されたい。１．３μｍを中心にしたスペクトルレンジが、ガラスファイバーを介した光通信方式に対する国際標準波長レンジに指定されて国内ならびに国際通信組織の巨大なネットワークで圧倒的に使用されているが、このスペクトルレンジが個人通信施設（各家庭への光ファイバー引き込み）にも普及すると期待されている。従ってこのようなスペクトルレンジに対する光電素子の技術的意義は極めて大きい。例えばスペクトルレンジ１．３μｍ用のレーザー、変調器や検出器等の光電素子は、今日例外なく亜リン酸インジウム基板で製作されている。殆どすべての赤外線活性気体は、中赤外域（２〜５μｍ）に多かれ少なかれ強い吸収帯を持っているので、分光器で大気中の微量気体を検出するのにこの中赤外域が技術的に極めて重要な役を果たす。そして『環境モニタリング』と称されるこの種の用途に対し、今日では鉛塩レーザーダイオード(Bleisalzlaserdioden )が使用されているが、この素子はこれまでの２０年にも及ぶ開発の歴史にもかかわらず、いまだにその技術的短所が改善されていない。使用に際しては低温冷却が不可欠であり、かつモデムスペクトルが不安定で実用上の信頼性レベルも低い。１．３μｍの波長レンジを実現させるための他の材料の組み合わせについては、それぞれの基本帯域ギャップならびにそれに伴う波長を考慮した場合、例えばｘとｙを０から１まで変化可能な変数としたときのＧａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＰ_1-y、ＧａＡｓ_xＳｂ_1-x、ＩｎＡｓ_xＰ_1-x、（Ａｌ_xＧａ_1-x）_yＩｎ_l-yＡｓあるいはＩｎ_xＧａ_1-x、Ａｓ等が有力候補として挙げられる。しかしこれら各素子のテクノロジーは難解であり、国際的な多大なる開発努力にもかかわらず、同一基板上に複雑な電子回路を望み通りに集積させることはまだ実現されていない。ヒ化ガリウム基板によるレーザーでこれまでに達成された最大放出波長は約１．１μｍ程度である。このレーザーの活性層は，ヒ化ガリウムインジウムから成る機械的に支持された量子層構造である（P.K.Yorkら：Journal of Crystal Gro wth 107号(1991),741頁）。しかしこのような構造では，原理的にはこれよりも長い放出波長は達成されない筈である。 Appl.Phys.Lett．59号（1991年）,2360掲載のA.N.Baranovの論文『ＧａＩｎＳｂＡｓ／ＧａＳｂレーザーのライン幅エンハンスメント係数』ではヘテロレーザー構造が発表されているが、この構造ではレーザーの運転に伴ってｐｎ接合部に帯域歪みが発生し、局在化された正孔と電子とが互いに放射再結合可能となる。つまり帯域歪みが発生してこそ電子エネルギーと正孔エネルギーがようやく量子化されるわけで、注入電流が僅かに過ぎなければ量子化は実現されない。またこれに用いられる半導体材料は、格子が整合しない限りＧａＳｂ基板上に実在し得ない。つまりこれらの材料は、特にＧａＡｓのような技術的に重要な基板にはなじまない。前述したレーザーの更なる短所として、レーザープロセスを発動させるためには、閾電流値を高くしなければならないことが挙げられる。しかし、例えば閾電流値の引下げ、変調速度や出力の向上等、レーザー構造最適化のための公知のいずれの技術も、Baranovが発表したレーザー構造には適用不能であるがその理由は、これにはｐｎ接合が採用されているからである。またこのようなレーザーでは、パルスオペレーションに際して激しい周波数ジッタが発生する。発明の説明本発明は、従来の量子層構造との対比において放出エネルギーと吸収エネルギーとを引き下げるとともに、放出波長と吸収波長とを長くすることができる量子層構造を提供することを目的とする。また閾電流が低くかつ出力や変調速度が高いことを特徴とするレーザーや検出器等の技術装置を提供することも目的とする。本発明によれば、特にヒ化ガリウム基板上に量子層構造を形成させることが可能となり、その放出及び吸収の各波長が１．３μｍ及び／又は１．５５μｍ程度になるが、ＩｎＰ基板を用いると、２ないし５μｍの波長も実現可能となる。このような量子層構造から、例えば半導体インジェクションレーザー等のレーザー、変調器、検出器やヘテロバイポーラトランジスター等が製作される。また本発明に基づく量子層構造によれば、複雑な電子回路を備えた光電回路素子を、ヒ化ガリウムや亜リン酸インジウムの基板上にモノリシックに集積可能となるので有利である。また本発明の本質的利点として、ヒ化ガリウム基板を用いた場合には、例えば亜リン酸インジウム基板に較べて価格が安くなること、また亜リン酸インジウム基板を用いた場合には、特に鉛塩レーザーダイオード(Bleisalzlaserdioden)を使用したときに目立つ短所すなわちモデムスペクトルが不安定で信頼性にかけるという欠点が、排除されることが挙げられる。そしてこのような長所は、既に各素子製作段階においても効果を発揮する。本発明によれば、両外側のバリア層（Ｓ１，Ｓ４）の中間に内層（Ｓ２，Ｓ３）を配置した少なくとも４層の半導体層（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）による量子層構造が提案される。そしてこの場合、電圧を印加しただけで一方の内層の伝導帯下縁が絶対最低位に、また他方の内層の価電子帯上縁が絶対最高位を占めること、及び少なくとも両内層、すなわち絶対最低位と絶対最高位をそれぞれに占める各内層の電子と正孔が量子化状態になることがキーポイントとなる。またこれら二つの内層は、その中もしくはその境界層に他のドーピング剤が添加されていない場合にも、絶対最低位と絶対最高位を占めることができる。また前記極限値を消滅させずに当該層をドーピング処理したり、応力を加えることも勿論可能である。極限値を占める各層が極めて薄い限り、電子や正孔が局在化状態に置かれる。しかもこれらの層の相互間隔が僅かにすぎない場合、これらの固有関数がオーバーラップする。そしてこのオーバーラップの程度を高めて各層それぞれからの電子と正孔とが放射再結合可能となるようにすると、有利である。このような放射再結合が行われるようになる層間距離は１ｎｍ程度である。モード数が僅かもしくは単一な高効率のレーザーにとって、それぞれの固有関数が互いにオーバーラップしている正孔と電子との間での放射再結合プロセスが、当該層構造内での支配的な放射再結合プロセスでなければならない。放出光や吸収光の波長を長くするには、価電子帯上縁最高位と伝導帯下縁最低位をそれぞれに占める両内層の中間に、更にもう一つの層を配置することは有意義であり得る。この追加層は、ストレス補償や各層間のスムーズな遷移にも役立たせることができる。主としてＧａＡｓやＩｎＰ基板を使用した技術的に重要な回路素子にこの量子層構造を適用するには、少なくとも１層が、例え一部領域にせよ、仮像もしくは格子整合でなければならない筈である。しかし複数の層の格子を整合させて量子の歩留りを向上させ、かつ劣化を抑制するのが好ましい。いずれにしても窒化ガリウムをベースにした青色発光ダイオードの例で明らかなように、密度約１０¹⁰ ／cm²程度の転位(Versetzung)が望ましく、これによれば量子歩留りを著しく高めることができる。量子層構造の隣接し合った各層のそれぞれの格子定数が互いに相違する限り、厚い層を使用する場合には隣接各層間にストレス補償層を挿入することが不可欠になる。格子マッチングとストレス補償用にはリンを含有した層、特にｘを０から１までの変数としたときのＧａＡｓ_xＰ_1-xを使用すると有利であるが、勿論、ガリウム、インジウム、砒素及びリンの第三もしくは第四化合物によるストレス補償層も使用可能である。また量子層構造の成長や異方性の物理的特質を改善させるため、これを引張応力の下で生成させるとよい。量子層構造の各層材料は、勿論III−V化合物に限定されるわけではなく、少なくとも２種類のII−VI化合物及び／又はIV−VI化合物及び／又はIII−V化合物及び／又はIV族化合物を有していればよい。またこれに使用する半導体層は、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｐ，Ａｓ，Ｓｂの各元素のうち少なくとも２種類もしくは３種類の化合物を有していればよい。この結果、それぞれの用途ごとに帯域ギャップすなわち価電子帯上縁と伝導帯下縁との相対位置が最適マッチングされる。また使用半導体に追加ドーピングすると、一方においては一種の『帯域構造エンジニアリング』が、また他方においては使用材料導電率を希望通りにコントロールをすることが実現される。本発明に基づく量子層構造をレーザーに適用しようとする限り、少なくとも一つの量子層がII−IV，III−V，IV−VIまたはIV族の半導体材料もしくはこれらの組み合わせで構成された導波構造の中に組み込まれていることが望ましい。本発明によれば、量子ソース構造の層順序が、タイプ１のヘテロ接合も、またタイプIIのヘテロ接合も可能となるように選定される。タイプIIのヘテロ接合が実現される層順序の場合には、バリアの位置に合わせて電子と正孔の注入方向を決定すると有意義である。例えば半導体レーザーの場合には、これによって閾電流値が引き下げられる。いずれにしてもタイプIIのヘテロ接合の場合は、使用材料により電子や正孔の注入方向に対するバリアを、当該回路素子の機能様式にとって無視可能な程度のものにすることも可能である。またタイプIIのヘテロ接合の場合に、バリアを適正な大きさにしたければ、発生するかも知れないバリアを迂回する手段として、導波構造を非対称形に構成すればよい。またヒ化ガリウム基板を使用した場合、例えばアルミニウムを添加してバリアの高さを切り詰めることも可能である。Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ内のアルミニウム含有率を高めると、バリアの高さが低くなる。しかしながらアルミニウム含有率の引き上げに伴いウエーブガイドの光学的品質が低下するので、この含有率は１０％程度が最適と思われる。図面の簡単な説明次に本発明を、一般的発明思想に限定することなく、実施例の図面を参照しながら説明するが，本発明には基づくが、以下の文章には詳細を記述しないすべての細部に関しては、これらの図面を参照されたい：図１は、ＩｎＧａＡｓ量子ソース（Quanten-brunnen）を備えた従来型のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子ソース・レーザーの帯域図である。図２は、エネルギー準位の概要（Ｅ’，Ｅ”）を含めた図１の部分拡大図（Ｓ１；Ｓ２，Ｓ３；Ｓ４）であるが、高エネルギー状態は示されておらず、また軽と重の各正孔（Defektelektronen）の存在も考慮されていない。図３は、合成係数『ｘ』の関数としての限界厚さの仮像Ｇａ_xＩｎ_1-xＡｓ量子ソースの伝導帯エッジと価電子帯エッジの位置（太線カーブ）ならびに最低電子エネルギー準位と正孔エネルギー準位（細線カーブ）を示した図で、矢印１と２が、Ｉｎを３５％含有したソースに対する量子ソース内の帯域間隔と再結合エネルギーとを示し、またソースの右側と左側にｘ＝１の固定点が位置するＧａＡｓ層の帯域エッジエネルギーである。図４ａは、それぞれｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４の厚さとエネルギーギャップＥ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４とを備えたＳ１，Ｓ２，Ｓ３及びＳ４の各層による本発明に基づく量子層構造の半導体層の配列を示す。図４ｂは図４ａの概要帯域図であり、また図４ｃに正孔（Φ_n）と電子（Φ_e）それぞれの固有関数の大きさが示されている。図５は量子層構造図で、ここでは図４の各層Ｓ２とＳ３との間に層Ｓ１０が挿入されており、これによってＧａＡｓＳｂからＧａＩｎＡｓへの漸進的遷移が実現される。図６では、図５での漸進的遷移の代わりにＧａＩｎＰ層が使用され、これが例えばストレス補償用になる。図７は、ＧａＡｓとＧａＡｓＳｂとの間が『タイプＩ』ヘテロ接合されたＧａＡｓＳｂ及びＧａＩｎＡｓで構成された２層ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子ソース・レーザーの帯域図の部分拡大図である。この図には文中に使用されるエネルギー準位の各記号が記入されている。図８は、ＧａＡｓとＧａＡｓＳｂとの間が『タイプII』ヘテロ接合されている点のみが図７と異なる。図９は、強注入により『タイプII』ヘテロ接合されたレーザー構造の概略帯域図で、図９ａが『極性が正しくない』ときのバリア状態、図９ｂが『極性が正しい』ときのバリア状態を示す。図１０は、ウエーブガイドが非対称形のレーザーの概略帯域図で、図中の点線がウエーブガイドが対称な場合に該当する。図１１は、ＧａＡｓ基板とＩｎＰ基板にマッチした合成域による図３の拡張でこのカーブが連続しておらず、領域４ではＧａＡｓに、また領域５ではＩｎＰにそれぞれマッチしていることが図中のジグザグラインで表されている。実施例の説明以下の各図面ではそれぞれ同一ないし同等な各部に対しては同一符号を用いることにより説明の重複を避け、またこれら各図それぞれの実施例については、最初の実施例と異なる点についてのみ説明する。図１にＩｎＧａＡｓ量子ソースを備えた従来型のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子ソース・レーザーの帯域図が示されているが、これは無電界状態での略図である。ＡｌＧａＡｓのＳ５とＳ６が光閉じ込め層、ＧａＡｓのＳ１とＳ４が、その内部のＧａＩｎＡｓ活性層Ｓ２及びＳ３と共に、光学的ウエーブガイドを形成する。この量子層構造の帯域図は、『ダイレクト(direkt)』帯域ギャップを示す。しかしこの図は瞬間的空間(Impulsraum)を示したものではなく、局所空間(Ortsrau m)について取り扱われているので、ここでは従来の意味でのダイレクトと表現することはできないため、この語にはわざわざ『』マークを付した。各図の詳細説明の前に、ここに使用するいくつかの用語について解説する。帯域ギャップＥgとは、伝導帯下縁ＣＢＭすなわちＥcと価電子帯上縁ＶＢＭすなわちＥvとの間のエネルギー差である。また『ダイレクト』帯域ギャップとは、図中で伝導帯下縁が空間的に価電子帯上縁に直に接していることを意味するものとする。また『インダイレクト』帯域ギャップとは、図中で伝導帯下縁が価電子帯上縁に直に接していないことを意味するものとする。図１では、基板（Ｓ５，Ｓ６）として例えばＧａＡｓが利用されている。量子層すなわち量子ソース（Ｓ２，Ｓ３）は、例えばヒ化ガリウムアンチモンあるいはヒ化ガリウムインジウムであればよい。また図を簡略化するために帯域歪みは存在しないものとしたが、実際ではこのようなことは殆ど考えられないので、各図はフラットな帯域特性に限定されない事例に、すぎないものと見なされたい。ＧａＡｓの基本帯域ギャップは、絶対０°において１，５１９ｅＶであるが、ヒ化ガリウムアンチモンやヒ化ガリウムインジウムの基本帯域ギャップはＧａＡｓよりも小さい。従ってＧａＡｓの中に閉じ込められている量子層の材料が、帯域ギャップの小さな例えばＧａＡｓＳｂ又はＧａＩｎＡｓであると、ＧａＡｓ層が電子ならびに正孔に対するバリア層として機能し得る。しかし分子ビーム・エピタキシャル法（ＭＢＥ）等によってＧａＡｓ上に量子層材料を適切にコーティングすると、量子層をエピタキシャル成長させることが可能となる。しかし格子定数が異なるため、このプロセスでは成長した量子層内に比較的高い圧縮応力が発生し、層が特定の厚さに達すると量子層の層間結合が破壊されて多結晶層が発生する恐れがある（例えばJ.W.Matthews及びA.E.Belake slee:Cryst.Growth誌，27号,1974,118参照）。しかしこのような現象は、引張応力の下で量子層構造を成長させることにより、回避可能となる。そしてこのような措置だけで、理論的には放出ならびに吸収波長が１．３μｍ乃至１．５５μｍに達する量子層構造が実現される。図２に掲げられている図１の部分拡大図に、エネルギー準位（Ｅ’，Ｅ”）の概要が描かれているが、これはＳ１，Ｓ２とＳ３，Ｓ４に該当する部分であり、これよりも高いエネルギー準位は描かれていない。矢印１で量子ソースの帯域間隔が示されているが、この大きさはＧａＩｎＡｓ量子層のインジウム含有率にのみ関係する。この層の厚さＤが数十ｎｍ以上になると、このレーザーの放出波長がこの帯域間隔（１ｅＶ＝１．２４μｍ）にほぼ正確に対応するようになる。しかしこの厚さが明らかに１０μｍを下回ると、厚さＤの低下に伴い波長が短くなるが、これは厚さＤの低下に伴って必ず激しく出現するいわゆる量子化効果（量子サイズ効果）に起因する。そして量子ソース内の最低電子エネルギー準位が帯域エッジエネルギー準位Ｅc（ＧａＩｎＡｓ）ではなく、これより若干高いエネルギー準位Ｅ’になる。しかしこのような作用も、量子ソースの価電子帯内の正孔は正孔の質量が大きいために弱められ、その最低エネルギー準位（Ｅ”）がＥv（ＧａＩｎＡｓ）よりも僅かばかり高くなるに過ぎない。レーザーの放出波長を左右する遷移はＥ’ とＥ”との間で行われる（矢印２）。量子ソースが厚いために量子化効果を無視しても差し支えない場合にのみ、エネルギー準位Ｅ’とＥ”が帯域エッジエネルギー準位Ｅｃ（ＧａＩｎＡｓ）及びＥｖ（ＧａＩｎＡｓ）とに一致するようになる。価電子帯での実情（軽，重の各正孔等）はこれより若干複雑ではあるが、今ここでの検討対象となる事柄についてはこのような細部にこだわる必要はない。いずれにしても量子化効果の結果として、厚さＤの低下とそしてこれに伴う間隔Ｅ’−Ｅ”の増大によって放出波長が短くなる。放出波長をできるだけ長くしようとする場合、先ず厚さＤを増すことによって量子化効果を排除し、次に量子ソースについてはＧａ_xＩｎ_1-xＡｓのＩｎ含有率を高める（ｘの値を小さくする）ことにより、帯域間隔（Ｅc（ＧａＩｎＡｓ） −Ｅv（ＧａＩｎＡｓ））がそれ相応に小さくなるようにする。Ｇａ_xＩｎ_1-xＡｓとＧａＡｓの格子構造はいずれも立方体であるが、ｘ＜１の場合には格子定数が不等になる。このｘの値の減少に伴いＧａ_xＩｎ_1-xＡｓの格子定数は０．５６ｎｍ（Ｇａ₁Ｉｎ₀Ａｓ＝ＧａＡｓ）から０．６６ｎｍ（Ｇａ₀ Ｉｎ₁Ａｓ＝ＩｎＡｓ）に増大する。そしてＧａＡｓ上にＧａＩｎＡｓをエピタキシャル成長させようとした場合、特定Ｇａ・Ｉｎ混合比のＧａＩｎＡｓ層はこれがある程度の厚さまでにしか可能でないことが確認されている。例えばＧａＡｓ基板上に、例えばＧａ_0.8Ｉｎ_0.2Ａｓ層（ｘ＝０．８．すなわち２０％インジウム含有）を例えば厚さ１.１０と１００ｎｍにエピタキシャル成層させると、厚さ１と１０ｎｍの各層が完全な結晶品質を備えることが発見されている。そしてＸ線分析結果によれば、基板に対する平行面内のＧａＩｎＡｓがＧａＡｓ結晶を正確に規則正しく受け入れているが、これらの結晶がもはや完全な立方体ではないことが分かる。そしてＧａＩｎＡｓ格子の単位格子が基板面に対して垂直方向に若干延びているが、これらの単位格子はもはや立方形ではなく、四辺形になっている。従ってＧａＡｓ基板（立方体）とＧａＩｎＡｓ層（四辺形）はもはや同形ではないが、結晶学的には完全に異質と言うわけではなく、特定面内においては同一の規則性を有しているので、これらは仮像関係にあると言える。すなわち無ひずみのＧａＩｎＡｓの立方体単位格子が、機械的に双軸変形されて四辺形ひずみが発生するのである。従って各仮像層内には、層の厚みの成長に伴って変形エネルギーが著しく蓄積される結果、層の厚さがいわゆる臨界値を超えたとき、それまでの順調な成長がぶち壊されてしまう。すなわちＧａＩｎＡｓは，基板から自分に押しつけられた格子構造に耐えきれなくなり、いわゆるミスフィット転位（Fehlanpassungs-ver setzungen）を行いながら本来の立方体構造に変化するのである。そしてこのような転位が行われた層の光学的ならびに電気的諸特性は劣悪になり、このような材料から良質なレーザーは製作できない。仮像構造を破壊するに至る層の厚さの臨界値はＩｎの含有率にのみ関係し（J.W.Matthew及びA.E.Blakeslee：Cryst.Gr owth誌，27号,1974,118-125参照）、結晶形成技術上の術策によってこのような崩壊を抑制しようとする過去１０年間の試みはすべて失敗に終わった。またMatt hewとBlakesleeは既に２０年前に、層の限界厚さと格子ミスフィットとの定量的関係を公式化している。レーザー構造の形成に関するこのような原則から導き出される結論は、極めて深刻なものである。放出波長をより長くさせるために量子ソース内のＩｎ含有率を引き上げると、層の臨界厚さが減少するため、必ず量子ソースの層の厚さを引下げざるを得なくなる。層の厚さを薄くすると、エネルギー準位Ｅ’とＥ”が、放出波長を短くするような間違った方向に跳ね上がる。結論として、Ｉｎ含有率を高めてこれが約３５％になって層の厚さが限界値に達したとき、最大１．１μ ｍの放出波長が得られると言える。Ｉｎ含有率をこれ以上高めると層の臨界厚さが低下するため、急速に量子化効果が発生し、放出波長が意に反して短縮されてしまう。図３にこのような関係が描かれているが、ここで太線が帯域エッジエネルギーカーブ、また細線が層の厚さが最大すなわち臨界値に達したときの量子ソースに対するエネルギー準位Ｅ’及びＥ”のカーブである。この問題の解決策が、量子層構造の中にストレス補償層を挿入することであり、このようにすることによって層の成長に伴うストレスが減殺され、厚い層をエピタキシャル成長させることが可能となる。このようなストレス補償層は、さまざまな材料で構成可能であり、かつそれぞれの用途に応じて層構造のさまざまな箇所に挿入すればよい。当該使用材料がドーピングされていない場合には、フェルミ・エネルギー準位が帯域ギャップの中央に位置する。またその時々の各種材料ごとに、それぞれに異なったドーピング剤を利用することにより、価電子帯上縁と伝導帯下縁との相対位置をシフトさせることも勿論可能である。図４ａに本発明に基づく量子層構造の概要が描かれているが、この層構造は、ヒ化ガリウムあるいは亜リン酸インジウムの基板上にエピタキシャル析出させればよい。ただしこの場合、基板ごとに当該量子層構造に適したスペクトルレンジが決定される。この量子層構造は、厚さがそれぞれｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４の４層の半導体層Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３及びＳ４で構成される。Ｓ１，Ｓ４の各層はそれぞれＥ１，Ｅ４の帯域間隔を有するが、これ以降これらの層をバリア層と称することにする。これらのバリア層（Ｓ１，Ｓ４）との中間には、帯域間隔がＥ２とＥ３の半導体層Ｓ２とＳ３とが組み込まれている。図４ｂには、層順序Ｓ１−Ｓ２−Ｓ３−Ｓ４の例につき、これらの層順序に対して直交方向の空間座標ｚ上の伝導帯と価電子帯それぞれのエッジエネルギー準位ＥcとＥvのカーブが描かれているが、ここではＳ１がＧａＡｓ、Ｓ２がＧａＡｓ_xＳｂ_1-x、Ｓ３がＧａ_yＩｎ_1-yＡｓ、Ｓ４がＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ又はＡｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓであり得る。そしてこのような材料の組み合わせに際しては、左側の点線で囲まれたＳ１とＳ２とのヘテロ接合がタイプIIのヘテロ接合に、また右側のＳ３とＳ４との接合部がタイプＩのヘテロ接合になる。上記のような材料を使用した場合、層Ｓ４の帯域間隔Ｅ４が層Ｓ１よりも若干大きくなるが、層Ｓ４にヒ化ガリウムを使用すると、Ｅ４とＥ１の各帯域ギャップは同じ大きさになる筈である。本発明に基づく装置におけるキーポイントは、層Ｓ２とＳ３の各材料選択と、この選択結果としての量子層構造中央部での帯域エッジの推移である。このような層編成内では層Ｓ３が伝導帯下縁の最低位を占め、またＳ２が価電子帯上縁の最高位を占める。この図４ｂには、価電子帯上縁（ＶＢＭ）と伝導帯下縁（ＣＢＭ）に最も近い電子と正孔のそれぞれのエネルギー準位がＥeならびにＥhで示されている。本発明に基づくレーザーの動作様式のキーポイントは、これら局在化された電子と正孔のそれぞれのエネルギー準位固有関数の値がオーバーラップするため、電子がこれらの正孔と放射再結合可能とになることである（図４ｃ参照）。このようなオーバーラップは外部から電圧を印加しなくても実現される。従って帯域ひずみを誘発させるような電圧が存在しなくても、電子と正孔のそれぞれのエネルギー準位固有関数が大きくオーバーラップするため、僅かな回路素子だけで電子と正孔はそれぞれの状態が量子化されるので有利である。またこの結果、このような層順序で製作したレーザーは、極めて僅かな電流を注入するだけで高効率なレーザー機能を発揮するようになる。しかし、閾電流値が低いというこのような量子層構造の本質的長所も、電子と正孔が、レーザー閾値以下においても既にいる場合にのみ実現される。図５には、図４の量子層構造の代案が描かれており、層Ｓ２とＳ３との間に層Ｓ１０が挿入されているが、これは、例えばＧａ_xＩｎ_1-xＡｓ_yＳｂ_1-yのような第四化合物層であればよく、ｘとｙを連続的に変化させることにより、Ｓ２の化学組成がＳ３のそれにスムーズに移行される。これまでは僅かな層でのみ急激な遷移すなわち原子遷移が可能であるに過ぎなかったため、層構造の製作に際して意に反したこのような漸進的な遷移がしばしば発生している。しかしこの中間層Ｓ１０を最大１ｎｍ程度の薄いものにすると、電子と正孔のそれぞれの固有関数が常にオーバーラップできるようになるため、この発明に基づく装置の機能に対してこの中間層は邪魔になるようなことが殆どない。図６では中間層としてＧａＩｎＰ層が挿入されているが、これによって層Ｓ２とＳ３との間に発生する恐れがある弾性ストレスを補償させることが可能となる。本発明に基づく量子層構造でのホトルミネセンス・データによって裏付けられているように、１ｎｍ程度の層ではＥeとＥhとの間で必ず放射再結合が行われる。勿論ストレス補償層を、例えば層Ｓ１とＳ２との間ならびに層Ｓ３とＳ４との間に配置してもよい。量子ソース構造(Quantenwellstruktur)には主として半導体材料が使用されるが、その化学組成は、半導体層の一部が双軸延長(biaxial gestreckt)され、また他の一部が双軸圧縮(biax ial gestaucht)されるように選定される。そしてこの半導体材料が量子層構造内で全面的もしくは部分的に仮像(pseudomorph)になる。そしてこの場合、双軸延長もしくは圧縮された導波構造層を量子層内に閉じ込めることも勿論可能である。機械的ストレスを受けた複数の量子層構造を一体化して活性層にしたい場合には、ストレス補償層で機械的ストレスを補償させることが不可欠になる。そしてこれを可能にするため、ストレス補償用のバリア層構造の中に、例えばリンが組み込まれる。すなわちストレス補償層として、例えば亜リン酸ヒ化ガリウム層を使用すればよい。このほか、ストレス補償層としてガリウム，インジウム，砒素，アンチモンやリンから成る第四化合物も考えられる。それぞれに異なった各層の格子パラメーターによって発生する圧縮応力を、引張応力を利用して補償すると、多層の量子層構造が製作可能となる。これの代表的な製作方法として、例えば分子ビーム・エピタキシー法（ＭＢＥ），化学蒸着法（ＣＶＤ），有機金属蒸着法（ＭＯＣＶＤ）や低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ）等の利用が挙げられる。以下の説明に際しては、図面をいたずらに複雑にしないようにするため、量子化効果は無視することにする。図７に、２層構造（ＧａＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓ）の量子ソースを備えた量子層レーザーの帯域図が描かれているが、ここでは量子ソース内のヘテロ接合部（ＧａＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓ）と、量子ソース左端のヘテロ接合部（ＧａＡｓＳｂ）がいずれもタイプＩであると仮定する。図８に層順序が図７と同一のレーザー構造が示されているが、ここでは内側ならびに左端でのＧａＡｓとＧａＡｓＳｂとのヘテロ接合がタイプIIである。量子ソースの端部がタイプＩ・ヘテロ接合されている場合には、ＧａＡｓＳｂ内の伝導帯エッジエネルギー準位Ｅc（ＧａＡｓＳｂ）が、これに接するＧａＡｓの伝導帯エッジエネルギー準位Ｅc（ＧａＡｓ）よりも低くなる。もしＥc（ＧａＡｓＳｂ）がＥc（ＧａＡｓ）よりも高いようなら、この端部はタイプII・ヘテロ接合されていることになる。そして電子に対する量子ソースが狭められ、伝導帯エッジ沿いに電子バリアが形成されるようになる。内側のヘテロ接合は、図７と８のいずれのデータも一致しており、『タイプＩ』として描かれているが、本発明は何もこの『タイプＩ』ヘテロ接合に限定されず、『タイプII』のヘテロ接合にも適用可能である。量子化効果（量子ソースの拡幅）を無視すると、接合部の再結合放射が、内側ヘテロ接合部に関してここに図示されている遷移エネルギーＥt＝Ｅc（ＧａＩｎＡｓ）−Ｅv（ＧａＡｓＳｂ）に対応するようになり、本発明によれば、上記のいずれのケースにおいてもＥtがＧａＩｎＡｓあるいはＧａＡｓＳｂによって単層構造の量子ソースの遷移エネルギーよりも小さくなることが分かる。『タイプＩ』と『タイプII』の各ヘテロ接合（ＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ）の見かけ上の違いを、図９の略図に示す。これの上図（図９ａ）の『タイプII』ヘテロ接合の場合、電子は左側から、また正孔は右側からそれぞれ活性層の中に注入されると仮定すると、バリアの背後に位置する量子ソースへの電子の注入が、このバリアによって阻止される。しかし、バリアがあまり高くなければ（＜１００ｍｅＶ）、レーザーは何とか機能するが、閾電流が不当に大きくなるであろう。しかし本発明によればこのような欠点が排除され、バリアの位置と注入方向との相互調整を勘案すればすむようになる（図９ｂ）。ただしバリアに係わるこのような問題は、勿論『タイプII』のヘテロ接合の場合にのみ発生する。ＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂヘテロ接合については、『タイプＩ』と『タイプII』のいずれが優勢であるか、まだ完全には解明されていない。この場合、エネルギー差Ｅc（ＧａＡｓ）−Ｅc（ＧａＡｓＳｂ）が恐らく絶対的に小であるため、前置符号を一義的に決定することができず、これには微妙な調製技術が何らかの役割を演じるものと思われる。しかし後述するＩｎＰ基板上の中赤外域用レーザー構造では、これらの関係が完全に一義的である。これまでに発表された諸文献によれば、これに関するすべてのケースでは、『タイプII』ヘテロ接合には極めて大きなバリアが存在することが前提条件にされている。上述したような術策のほか、バリア問題に関わる第２の術策も存在するので、これを図１０に掲げる。この代案では、例えばウエーブガイドが非対称に構成される。バリアの左側に位置するＧａＡｓ層は、Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ層で置き換え可能で、この層内のＡｌ含有率を高めると伝導帯エッジのエネルギー準位が高まり、Ａｌ含有率が特定の値に達すると、『タイプII』が『タイプＩ』に変化する。しかしＡｌＧａＡｓは、その光学的品質が劣っているため、ウエーブガイドにはあまり使用されていない。しかもこれの左側に位置する光閉じ込め層内のＡｌ含有率も必然的に高くなる筈である。従って製作時には、Ａｌの割合は１０％を許容限度にすることに留意しなければならない。その他の実施例を表１に掲げるが、これらの実施例においては、ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓの各層が、ＧａＡｓに格子整合されたＡｌＧａＩｎＰやＧａＩｎＰの各層によって全面的もしくは部分的に置き換えられている。このような置き換えに対して２層構造の量子ソースとの組み合わせは有意義である。以上、１．３μｍや１．５５μｍレーザーの製作を目指してＧａＡｓ基板上に構成されるレーザー構造に関して考察を進めてきたが、前述した各実施例は、このような用途に限定されるものではなく、むしろその他の回路素子のほか、例えばＩｎＰを用いたその他の基板にも適用可能である。ここに紹介したＧａＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓの２層の量子層構造によれば、ＩｎＰ基板上に波長レンジ約２ないし５μｍのレーザーを製作可能となる（図１１）。この図には図３と同様に仮像Ｇａ_xＩｎ_1-xＡｓ層とＧａＡｓ_xＳｂ_1-x層の各帯域エッジエネルギー準位が描かれている。ここで合成係数『ｘ』は独立変数である。図右側の分岐カーブは、ＧａＡｓに格子整合した構造に関係する（図３）。またここではＥc（ＧａＡｓ）とＥv（ＧａＡｓ）が定点になる。図中で灰色にぼかされたエリア（４）が、１．３μｍレーザーにとって重要な合金域である。また、ＧａＩｎＡｓによる単層構造の量子ソースをＧａＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓによる２層ソースで置き換えたとき、量子化効果を顧慮せずに得られる結果が矢印（３）で示されている。暗灰色で塗りつぶされたエリア（５）では帯域エッジエネルギー準位がＩｎＰにマッチする。ＧａＩｎＡｓ，ＧａＡｓＳｂ，ＡｌＩｎＰ及びＩｎＰの各伝導帯エッジの相関関係は正確に知られているので、充分な確信の下に、内側ならびに端部の各ヘテロ接合が『タイプII』であると断言できる。Ｙ．スギヤマらが１９８９年に発表したデータは、本発明のように２層の格子整合量子ソースによれば、放出波長がほぼ５μｍのレーザーが製作可能であることを示唆している。また２層構造の仮像量子ソースによれば波長がこれよりも更に若干長い素子が製作可能となる。また２μｍ以下に至るまでのこれよりも短い波長なら、それ相応に薄い格子整合もしくは、仮像の量子ソースでの量子化効果を利用することにより、容易に実現可能である。表１に幾つかの実施例が表の形態で掲げられているが、各欄トップに記入のＳ１乃至Ｓ６の各層記号は、図５と同様な様式を引用したものである。Ｓ５とＳ６が光閉じ込め層(optischen Confinement-Schichten)で、またＳ１とＳ４がウエーブガイドになり、Ｓ２とＳ３が２層構造の量子ソース層（ＺＱＷ）である。ここでは表のスペースの関係から、合成係数(Kompositionfaktor)は省略されている。各層記号（ＡｌＧａＡｓやＧａＩｎＰ等）の末尾に附加されている『i』または『ｐ』は、当該層が同形(isomorph)または仮像（pseudomorph）のいずれであるかを示す符号である。最右欄が基板の種類である。表１掲載の各実施例では、ＺＱＷがＧａＡｓＳｂとＧａＩｎＡｓとで構成されるが、各部分層の厚さは必ずしも同一である必要はない。仮像ＺＱＷ内部での機械的ストレス補償手段について考えると、この場合、一方の層には引張応力が、また他方の層には圧縮応力がそれぞれ印加される筈である。これは各部分層内のＡｓ／ＳｂとＧａ／Ｉｎそれぞれの割合を介してコントロールされる。そして内部ストレス補償によれば、各部分層の厚さを、それぞれの限界値に達するまでの厚さにすることが可能となる。内部ストレス補償はＩｎＰ基板の場合にのみ可能であり、ＧａＡｓ基板の場合には、ＧａＡｓＳｂとＧａＩｎＡｓの各単位格子の格子定数が、どのような組成においてもＧａＡｓ基板のそれよりも大きくなるため、各部分層には必ず圧縮応力が発生する。このような場合には、適切に選定された隣接層（例えばガリウム含有率の高いＧａＩｎＰ等）によって外部からストレスを補償させる以外に手段はない。理論的には、ＧａＡｓやＩｎＰを基板にした従来の殆どすべてのレーザー構造では、単層構造の量子ソースの代わりにＺＱＷを組み込むことも可能であるため、この表掲載の各構造によって広範囲にわたるすべてのタイプのレーザーが網羅されるわけではない。しかしここに提案したＧａＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓで構成した少なくとも２層のこれらの量子ソース構造は、いずれも動作スペクトルレンジを波長の長い方向にシフトさせると言う点で同一の効果を発揮し、いずれも従来の量子ソースによって機能が決定されているすべての復調器や変調器に組込みが可能であることを、ここに指摘して置きたい。しかもこのＺＱＷを使用すると、光起電方式の検出器を実現させる可能性も生まれる。ＺＱＷを非対称形に形成させると、『空間てＺＱＷ内に電子・正孔ペアが生成された場合、必然的にダイポール層が形成されるようになる。図７及び図８は、それを追加図面なしで明確にしている。そして吸収によって生成された電子がＧａＩｎＡｓ部分層内のＺＱＷの右側部分に、正孔がＧａＡｓＳｂ部分層内のＺＱＷの左側部分にそれぞれ集合する。しかし量子ソースが対称形であれば、このようなダイポール層は出現しない。従って量子ソースが対称形な検出器構造は光導体(Photoleiter)に分類され、製作条件次第で完全な対称形にならなかった場合にのみ、微弱な光起電効果を発揮するに過ぎない。

【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】１９９６年５月７日【補正内容】請求の範囲１．レーザー又は検出器用の量子層構造であって、少なくとも４層の半導体層（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）を備え、 −両外側のバリア層（Ｓ１，Ｓ４）の間に少なくとも二つの内層（Ｓ２，Ｓ３）が配置されており、 −電圧が印加されていなくても、一方の内層の伝導帯下縁が該下縁内の絶対最低位を、また他方の内層の価電子帯上縁が該上縁内の絶対最高位を、それぞれに有しており、かつ、 −少なくとも絶対最低位ないし絶対最高位を有するこれら両内層が、量子化された電子もしくは正孔の状態を有する、量子層構造において、絶対最低位もしくは絶対最高位を有するこれら両内層の中間に、もう一つの層が配置されており、この層は各層内部に発生する結晶ストレスを補償する役を果たし、かつ／又は隣接の各層間に漸進的接合を形成することを特徴とする量子層構造。２．価電子帯上縁最高位又は伝導帯下縁最低位をそれぞれに有する各内層に対し、局在化された電子と正孔の各状態が存在し、これらの固有関数がオーバーラップすることを特徴とする請求の範囲第１項記載の量子層構造。３．各固有関数が、それぞれの層からの電子と正孔が放射再結合可能になる程度にまでオーバーラップすることを特徴とする請求の範囲第２項記載の量子層構造。４．再結合プロセスが、層構造内で支配的な放射再結合であることを特徴とする請求の範囲第３項記載の量子層構造。５．少なくとも一つの層は、たとえ部分的にせよ仮像もしくは格子整合状態であることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか１項に記載の量子層構造。６．量子層構造の各層は、少なくとも２種類のII−VI化合物及び／又はIV−VI化合物及び／又はIII−V化合物及び／又はIV族化合物とを有することを特徴とする請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか１項に記載の量子層構造。７．III−V化合物で形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか１項に記載の量子層構造。８．基板としてＧａＡｓ又はＩｎＰが使用されることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第７項のいずれか１項に記載の量子層構造。９．各半導体層は、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｐ，Ａｓ及びＳｂの各元素のうち少なくとも２種類から成る化合物を有することを特徴とする請求の範囲第１項乃至第８項のいずれか１項に記載の量子層構造。１０．半導体層は、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｐ，Ａｓ及びＳｂの各元素のうち少なくとも３種類を有することを特徴とする請求の範囲第１項乃至第９項のいずれか１項に記載の量子層構造。１１．使用材料がドーピングされていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１０項のいずれか１項に記載の量子層構造。１２．II−IV，III−V，IV−VI又はIV族の半導体材料もしくは、これら半導体材料の組み合わせから成る導波構造の中に少なくとも１層の量子層が埋め込まれていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１１項のいずれか１項に記載の量子層構造。１３．仮像量子層構造の全体もしくは一部領域に半導体材料が使用され、該半導体材料は、半導体層の一部が双軸延長され又、他の一部が双軸圧縮されるように化学的に組成されていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１２項のいずれか１項に記載の量子層構造。１４．各層間及び／又は各層と基板との間にストレス補償層が挿入されていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１３項のいずれか１項に記載の量子層構造。１５．導波構造は、各量子層もしくは量子層構造を取り囲んでいることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１４項のいずれか１項に記載の量子層構造。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＤＥ，ＪＰ，ＵＳ

Claims

【特許請求の範囲】１．主としてレーザーや検出器用の量子層構造であって、両外側のバリア層（Ｓ１，Ｓ４）の間に少なくとも二つの内層（Ｓ２，Ｓ３）を配置する少なくとも４層の半導体層（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）を備えた量子層構造において、電圧を印加しなくても、一方の内層の伝導帯下縁が絶対最低位を、また他方の内層の価電子帯上縁が絶対最高位をそれぞれに有し、かつ、少なくとも絶対最低位もしくは絶対最高位を有するこれら両内層が、量子化された正孔または電子の状態を有することを特徴とする量子層構造。２．価電子帯上縁最高位もしくは伝導帯下縁最低位をそれぞれに有する各内層に対し、局在化された電子と正孔の各状態が存在し、これらの固有関数がオーバーラップすることを特徴とする請求の範囲第１項記載の量子層構造。３．各固有関数が、それぞれの層からの電子と正孔が放射再結合可能になる程度にまでオーバーラップすることを特徴とする請求の範囲第２項記載の量子層構造。４．再結合プロセスが、層構造内で支配的な放射再結合であることを特徴とする請求の範囲第３項記載の量子層構造。５．価電子帯上縁が最高位を、また伝導帯下縁が最低位をそれぞれに占める両内層の間に、更にもう一つの層が配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか１項に記載の量子層構造。６．更なる層はストレス補償の役を果たし、かつ／又は隣接の各層間に漸進的接合を形成することを特徴とする請求の範囲第４項記載の量子層構造。７．少なくとも一つの層は、たとえ部分的にせよ仮像もしくは、格子整合状態であることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか１項に記載の量子層構造。８．量子層構造の各層は、少なくとも２種類のII−VI化合物及び／又はIV−VI化合物及び／又はIII−V化合物及び／又はIV族化合物とを有することを特徴とする請求の範囲第１項乃至第７項のいずれか１項に記載の量子層構造。９．III−V化合物で形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第８項のいずれか１項に記載の量子層構造。１０．基板としてＧａＡｓ又はＩｎＰが使用されることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第９項のいずれか１項に記載の量子層構造。１１．各半導体層は、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｐ，Ａｓ及びＳｂの各元素のうち少なくとも二種類から成る化合物を有することを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１０項のいずれか１項に記載の量子層構造。１２．半導体層は、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｐ，Ａｓ及びＳｂの各元素のうち少なくとも３種類を有することを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１０項のいずれか１項に記載の量子層構造。１３．使用材料がドーピングされていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１２項のいずれか１項に記載の量子層構造。１４．II−IV，III−V，IV−VI又はIV族の半導体材料もしくはこれら半導体材料の組み合わせから成る導波構造の中に、少なくとも一つの量子層が埋め込まれていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１３項のいずれか１項に記載の量子層構造。１５．仮像量子層構造の全体もしくは一部領域に半導体材料が使用され、該半導体材料は、半導体層の一部が双軸延長され、又、他の一部が双軸圧縮されるように化学的に組成されていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１４項のいずれか１項に記載の量子層構造。１６．各層間及び／又は各層と基板との間にストレス補償層が挿入されていることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１５項のいずれか１項に記載の量子層構造。１７．導波構造は、各量子層すなわち量子層構造を取り囲んでいることを特徴とする請求の範囲第１項乃至第１６項のいずれか１項に記載の量子層構造。