(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光デバイス（７００、７２０、８００）において、
第１の電子エネルギー状態と、前記第１の電子エネルギー状態よりもエネルギーが高い第２の電子エネルギー状態とを有する発光層（７０４、７２２、８０４）と、
前記発光層に隣接して配置された第１の層（７０２、８０６）であって、前記第２の電子エネルギー状態よりもエネルギーが低く、かつ、前記第１の電子エネルギー状態よりもエネルギーが高い第３の電子エネルギー状態を有する第１の層（７０２、８０６）と、
前記第１の層とは反対側に前記発光層に隣接して配置された第２の層（７０６、８０８）であって、前記第１の電子エネルギー状態よりもエネルギーが高く、かつ、前記第２の電子エネルギー状態よりもエネルギーが低い第４の電子エネルギー状態を有する第２の層（７０６、８０８）と、
前記第１の層（８０６）上に配置された第１の電極（８１０）と、
前記第２の層（８０８）上に配置された第２の電極（８１２）
を備え、
前記第１の電極と前記第２の電極の間に発光電圧が印加されたときは、前記第３及び第４の電子エネルギー状態がシフトし、それにより電子は前記発光層内の正孔と結合することができて光が放出され、前記第１の電極と前記第２の電極の間に消光電圧が印加されたときは、前記第３及び第４の電子エネルギー状態のエネルギーがシフトして電子が前記発光層内の正孔と結合するのを防止することを特徴とするデバイス。
【請求項２】
前記発光電圧は、前記第１の電極と前記第２の電極の間に印加されると、前記第３の電子エネルギー状態を、前記第２の電子エネルギー状態よりも高いエネルギーにし、前記第４の電子エネルギー状態を、前記第１の電子エネルギー状態よりも低いエネルギーにし、それにより電子を前記第２の電子エネルギー状態に注入することができるようになり、正孔を前記第１の電子エネルギー状態に注入することができるようになることを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記消光電圧は、前記第１の電極と前記第２の電極の間に印加されると、前記第３の電子エネルギー状態を前記第２の電子エネルギー状態とほぼ同じエネルギーにするか、または、前記第２の電子エネルギー状態よりも低いエネルギーにし、前記第４の電子エネルギー状態を前記第１の電子エネルギー状態とほぼ同じ電子エネルギーにするか、または、前記第１の電子エネルギー状態よりも高いエネルギーにし、それにより電子と正孔をそれぞれ前記第２の電子エネルギー状態及び前記第１の電子エネルギー状態から一掃することができることを特徴とする請求項１または２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記発光電圧は、前記第１の電極と前記第２の電極の間に印加されると、前記第１の層に電子を注入し、前記第２の層に正孔を注入することを特徴とする請求項２に記載のデバイス。
【請求項５】
前記消光電圧は、前記第１の電極と前記第２の電極の間に印加されると、前記第１の層から電子を除去し、前記第２の層から正孔を除去することを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
【請求項６】
放出される前記光が、前記第２の電子エネルギー状態にある電子が前記第１の電子エネルギー状態にある正孔と結合する結果として生じることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項７】
放出される前記光が、前記第１の電子エネルギー状態と前記第２の電子エネルギー状態のエネルギーの差にほぼ等しいエネルギーを有する光子から構成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のデバイス。
【請求項８】
前記消光電圧は、前記発光層からの光の放出を停止することをさらに含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のデバイス。
【請求項９】
前記発光層（８０４、７０４、７２２）は、
量子井戸（７０４）、及び
基材（７２６）内に埋め込まれた量子ドット（７２４）のうちの１つをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１０】
前記基材は、透明誘電体材料をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記第３の電子エネルギー状態は、前記第１の層の電子バンド・ギャップ内にある単一の電子エネルギー状態をさらに含み、
前記第４の電子エネルギー状態は、前記第２の層の電子バンド・ギャップ内にある単一の電子エネルギー状態をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１２】
前記第１の層（７０２、８０６）は、高濃度ドープされたｐ型半導体をさらに含み、前記第２の層（７０６、８０８）は、高濃度ドープされたｎ型半導体をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１３】
前記第３の電子エネルギー状態は、前記第１の層（７０２、８０６）の価電子帯の上端付近にあり、
前記第４の電子エネルギー状態は、前記第２の層（７０６、８０８）の価電子帯の上端付近にあることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１４】
前記第１の層（７０２、８０６）及び前記第２の層（７０６、８０８）は、前記発光層（７０４、７２２、８０４）の電子バンド・ギャップよりも大きな電子バンド・ギャップを有することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１５】
１０Ｇビット／秒より高い変調レートを有する変調光を生成するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
オンチップとオフチップの通信は、多くのチップを必要とする要求の厳しい、データ量の多い用途に合わせて性能向上を持続するために、決定的に重要な問題となってきている。計算の帯域幅は、増大するトランジスタの数と共に直線的に拡大するが、トップレベルの金属導線を用いてチップ全体にわたってデータが通信される速度は、ずっと遅いペースで増加している。さらに、チップ縁部に沿って配置されたピンを通じてオフチップでデータを通信できる速度も、計算の帯域幅より遅く増加し、オンチップとオフチップの通信のエネルギー・コストは達成可能な帯域幅を大幅に制限する。
【０００３】
オンチップとオフチップの通信に用いられる導線の代替として、光ファイバ又は導波路を含む光インターコネクトが提案されている。例えば単一の光ファイバ・ケーブルは、同じ情報を導線を用いて伝送するより約４×１０4倍から約５×１０4倍大きな容量を有する、光信号と呼ばれる様々な波長の光で符号化された１秒当たり数テラビットのデジタル情報を伝送することができる（１．５ミクロンの波長での２００ＴＨｚ光信号を用いた５ＧＨｚペンティアムと比較）（ペンティアムは登録商標）。光信号でのデータ伝送の関心の高まりのために現在は、変調して光信号を発生することができる小規模の光源により多くの関心が向けられている。発光ダイオード（ＬＥＤ）は、変調して光信号中にデータを符号化することができる低コストの光源である。一般的なＬＥＤは空乏層を含み、場合によってはｐ型半導体層とｎ型半導体層の間に挟まれた薄いドープされていない、即ち真性半導体層を含み得る（例えば、Ｓ．Ｓｚｅ著、Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，１２．３．２章、第２版、Ｗｉｌｅｙ、ＮｅｗＹｏｒｋ、１９８１年を参照）。ｐ型層及びｎ型層には電極が取り付けられる。ＬＥＤにバイアスが印加されないときは、空乏層は、対応する伝導帯に比較的低い濃度の電子と、対応する価電子帯に比較的低い濃度の「正孔」と呼ばれる空の電子状態を有し、光は実質上放出されない。電子と正孔は「電荷キャリア」、又は単に「キャリア」と呼ばれる。対照的に、層に跨って順バイアス動作電圧が印加されたときは、電子は空乏層の伝導帯に注入され、一方、正孔は空乏層の価電子帯に注入されて、過剰キャリアを生成する。伝導帯内の電子は、「電子−正孔再結合」又は「再結合」と呼ばれる放射プロセスにて、価電子帯内の正孔と自然に再結合する。電子と正孔が再結合するとき、特定の波長を有する光の光子が放出される。適切な動作電圧が同じ順バイアス方向に印加されている限り、非平衡キャリアの集団は空乏層内に維持され、電子は正孔と自然に再結合し、ほぼすべての方向に特定の波長の光を放出する。バイアスが取り除かれると、空乏層内に残る過剰キャリアは再結合することができ、又はｐ−ｎ接合の内部電界が過剰キャリアを空乏層から一掃することができ、発光再結合は停止する。発光再結合低下時間は、過剰キャリア寿命によって、又は過剰キャリアが空乏層を通ってドリフトするのにかかる時間によって決まる。通常は高品質材料では、過剰キャリア寿命は長い。したがって場合によっては、電圧が取り除かれた後のある期間の間、過剰キャリアは再結合し続ける。したがって放出された光信号は、電圧がターン・オフされた後、又は低くなった後のある期間の間は大きく減少しない場合がある。
【０００４】
ＬＥＤを変調することによって発生されるデータ符号化された光信号は、理想的には区別可能な高い強度と低い強度から構成される。例えば、ビット「１」と「０」に対応する高い動作電圧パルス及び低い動作電圧パルスをＬＥＤに印加して同じ情報を、ＬＥＤから放出される光の高い強度と低い強度に符号化することができる。ある期間の間にＬＥＤから放出される高い強度の光はビット「１」を表すことができ、ある期間の間にＬＥＤから放出される低い強度の光又は光のない状態はビット「０」を表すことができる。しかし実際には動作電圧が約５０ＧＨｚなどの高速で変調されるときは、動作電圧の印加の間にＬＥＤは光を放出し続け得るので、光信号の高い強度と低い強度は区別できなくなり得る。
【０００５】
図１は、ＬＥＤに印加された、変調された順バイアス動作電圧対時間の第１のプロット１０２、及びそれに対応するＬＥＤから放出される光信号の強度対時間の第２のプロット１０４を示す。プロット１０２及び１０４では、横軸１０６及び１０８は時間を表し、縦軸１１０は順バイアス動作電圧の大きさを表し、縦軸１１２はＬＥＤから放出される光の強度を表す。矩形１１４〜１１６は、ＬＥＤに印加される変調された順バイアスの動作電圧を構成する電圧パルスの大きさと持続時間を表し、各パルスの間では電圧はターン・オフされる。プロット１０２及び１０４から、パルス１１４〜１１６が印加される期間の間は、比較的一定で連続した強度１１８〜１２０にて光がＬＥＤから放出されることが分かる。しかしまたプロット１０４から、パルス１１４〜１１６の間の期間では、ＬＥＤは次のパルスが印加するまでに、ゆっくり低下するが完全には低下しない強度にて光を放出し続けることが分かる。具体的には曲線部分１２２〜１２４が、パルス１１４〜１１６がターン・オフされた後のゆっくりとした相対的な強度の低下を表す。
【０００６】
ゆっくりとした相対的な強度の低下は、電圧がターン・オフされたときに空乏層の伝導帯に残る過剰電子、及び価電子帯に残る正孔の結果である。これらの電子と正孔は、動作電圧がない状態で再結合し続ける。さらに、高い変調速度のために、過剰電子と正孔が再結合を完了する機会をもつ前に、後続の動作電圧パルスが印加される。それにより光信号の高い強度と低い強度の部分が区別できなくなり得る。
【０００７】
したがって、高速変調時に急速な出力光強度低下を示す発光デバイスが望まれる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の様々な実施形態は、エネルギー効率の良い、高速変調レートを実現する半導体発光デバイスを対象とする。一実施形態では発光デバイスは、第１の電子エネルギー状態と、相対的に高いエネルギーの第２の電子エネルギー状態とを有する発光層を含む。デバイスはまた、発光層に隣接して配置された第１の層と、第１の層とは反対側に発光層に隣接して配置された第２の層とを含む。第１の層は第２の電子エネルギー状態より相対的に低いエネルギーにて第３の電子エネルギー状態を含み、第２の層は第１の電子エネルギー状態より相対的に高いエネルギーにて第４の電子エネルギー状態を含む。発光デバイスに発光電圧が印加されたときは、第３及び第４の電子エネルギー状態は、電子が発光層内の正孔と結合することができ、光が放出されるように配置される。発光デバイスに消光電圧が印加されたときは、第３及び第４の電子エネルギー状態のエネルギーがシフトして電子が発光層内の正孔と結合するのを防止する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】発光ダイオードに印加された、変調された電圧対時間の第１のプロット、及びそれに対応する発光ダイオードから放出される光信号の時間に対する第２の強度プロットを示す図である。
【図２】半導体に対する価電子帯及び伝導帯の放物線エネルギー・バンド近似のプロットを示す図である。
【図３】２つの相対的に厚い半導体層の間に挟まれた量子井戸の等角図である。
【図４】量子井戸に関連する２つの価電子及び伝導サブバンドのプロットを示す図である。
【図５】例示の量子ドットの幾つかの量子化されたエネルギー準位を表すエネルギー・バンド図である。
【図６】異なる量子ドットに関連する２つの異なるエネルギー・バンド図である。
【図７Ａ】本発明の実施形態により構成された発光デバイスの等角図である。
【図７Ｂ】本発明の実施形態により構成された発光デバイスの等角図である。
【図８】本発明の実施形態により構成された発光デバイスの概略図及び関連するエネルギー・バンド図である。
【図９】本発明の実施形態による図８に示される発光デバイスへの発光電圧の印加に関連するエネルギー・バンド図のプロットを示す図である。
【図１０】本発明の実施形態による図８の発光デバイスへの消光電圧の印加に関連するエネルギー・バンド図のプロットを示す図である。
【図１１】本発明の実施形態による図８に示される発光デバイスの動作に関連する２つのプロットを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態は、エネルギー効率の良い、１０Ｇビット／秒程度又はそれより以上の高速変調レートを実現する半導体発光デバイスを対象とする。これらのデバイスは、透明誘電体基材に埋め込まれた量子井戸（ＱＷ）、又は量子ドット（ＱＤ）から構成される発光層（ＬＥＬ）を含む。エネルギー効率の良い、高速変調レートは、適切な発光電圧が印加されたときに発光のためのＬＥＬへのキャリアの注入を容易にし、適切な消光電圧が印加されたときにキャリアの除去を容易にする電子状態を有する半導体材料から構成されたＬＥＬに隣接する層から結果として得られる。
【００１１】
発光デバイスの実施形態の動作について、電子状態及びエネルギー・バンド図を参照して以下に説明する。本発明の様々な実施形態を説明するために用いられる用語について読者の助けとなり、発光デバイスの動作の基本的な物理的原理の理解を読者が得られるように、第１のサブセクションではＱＷ及びＱＤの一般的な説明を述べる。第２のサブセクションでは本発明の実施形態について述べる。
【００１２】
［量子井戸及び量子ドット］
結晶格子内の半導体原子の外殻電子は、半導体結晶全体にわたって非局在化され、空間依存性の電子波動関数は、次式によって特性化される。
【００１３】
【数１】
0005438107.tif 000002
【００１４】
但し、
【００１５】
【数２】
0005438107.tif 000003
【００１６】
は半導体結晶格子の周期性を表す。
【００１７】
【数３】
0005438107.tif 000004
【００１８】
は波数ベクトルである。
ｋは波数
【００１９】
【数４】
0005438107.tif 000005
【００２０】
である。
【００２１】
【数５】
0005438107.tif 000006
【００２２】
は半導体内の電子座標ベクトルである。外殻電子の対応する電子エネルギー状態Ｅは、
【００２３】
【数６】
0005438107.tif 000007
【００２４】
の関数であり、許容される電子エネルギー・バンド内に含まれるエネルギー値を有する。
【００２５】
簡単にするために、最も高いエネルギーの電子充満帯である価電子帯、及び次に最も高いバンドである伝導帯のみについて放物線バンド近似を用いて説明する。価電子帯と伝導帯は、電子が占有するための許容電子エネルギー状態を含まない、電子バンド・ギャップと呼ばれるエネルギー・ギャップによって分離される。
【００２６】
図２は、半導体に対する価電子帯と伝導帯の放物線バンド近似プロットを示す。横軸２０２は波数ｋを示し、縦軸２０４はエネルギーＥを示し、放物線２０６は伝導帯を示し、放物線２０８は価電子帯を示す。伝導帯４０６のエネルギーは、放物線方程式によって表すことができる
【００２７】
【数７】
0005438107.tif 000008
【００２８】
但し、
【００２９】
【数８】
0005438107.tif 000009
【００３０】
は伝導帯２０６の下端での電子の有効質量である。
【００３１】
【数９】
0005438107.tif 000010
【００３２】
はプランク定数ｈを２πで除した値であり、Ｅgは電子バンド・ギャップ・エネルギーである。価電子帯２０８内のエネルギーは価電子帯の上端から下向きに測定され、放物線方程式によって表すことができる。
【００３３】
【数１０】
0005438107.tif 000011
【００３４】
但し、
【００３５】
【数１１】
0005438107.tif 000012
【００３６】
は価電子帯４０８の上端での電子の有効質量である。
【００３７】
半導体は、直接又は間接バンド・ギャップ半導体の何れかとして特徴付けられる。直接バンド・ギャップ半導体は、図２の伝導帯２０６の最小と価電子帯２０８の最大など、ほぼ同じ波数にて生じる価電子帯の最大と伝導帯の最小とを有する。その結果として伝導帯の最小での電子状態にある電子は、価電子帯の最大での正孔と再結合して、エネルギーＥgを有する光子として発することができる。対照的に、間接半導体は、異なる波数にて生じる価電子帯の最大と伝導帯の最小とを有する。その結果として、伝導帯の最小での電子状態にある電子は、価電子帯の最大での正孔と再結合することができるが、まず運動量変化及びそのエネルギーの変化を受けなければならない。結果としてのエネルギー損失は通常は、光子の放出ではなく熱として格子に引き渡される。
【００３８】
価電子帯２０８と伝導帯２０６の１次元モデルは、ｋx、ｋy、及びｋzを電子の波数ベクトル
【００３９】
【数１２】
0005438107.tif 000013
【００４０】
の成分とし、有効質量（即ち、バンドの曲率）は、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸に沿って同じであると仮定することにより３次元に一般化することができる。有限の寸法Ｌx、Ｌy、及びＬzを有する有限サイズの直方体半導体結晶は、結晶全体にわたる総位相偏移
【００４１】
【数１３】
0005438107.tif 000014
【００４２】
に対して境界条件が課される。それにより、波数ベクトルの成分は次のように量子化される。
【００４３】
【数１４】
0005438107.tif 000015
【００４４】
但し、ｉ＝ｘ、ｙ、ｚであり、及びｌiは整数である。電子エネルギーは波数ｋの関数であるので、電子エネルギー状態は量子化され、価電子帯２０８での丸印２１０、及び伝導帯２０６での丸印２１２によって表される。黒丸は電子で満たされた電子エネルギー状態を表し、白丸は正孔即ち空の電子エネルギー状態を表す。
【００４５】
伝導帯２０６と価電子帯２０８の間の発光電子遷移の選択規則は、電子エネルギー状態が同じ波数ｋ及び電子スピンをもつことである。言い換えれば、波数ｋ及び電子スピン状態は、伝導帯２０６での電子エネルギー状態と、価電子帯２０８での電子エネルギー状態の間の許容される電子遷移に対しては変化しない。例えば図２に示されるように、矢印２１４は、伝導帯２０６での電子エネルギー状態２１２と、価電子帯２０８での電子エネルギー状態２１０の間の許容される電子エネルギー状態遷移を表し、エネルギー差は次式で与えられる。
【００４６】
【数１５】
0005438107.tif 000016
【００４７】
但し、ｍrは、ｍr-1＝ｍc―1＋ｍy-1によって与えられる換算質量である。電子エネルギー状態２１０にある電子が電子エネルギー状態２１２に遷移するためには、電子は波長λ0を有する光子によってポンピングすることができ、又はデバイス２００に適切な電圧を印加することによって電子を伝導帯２０６に注入することができる。電子が電子エネルギー状態２１２から電子エネルギー状態２１０に自然に遷移するときは、波長λ0を有する光子が放出される。
【００４８】
ＱＷは、約５ｎｍから約２０ｎｍの範囲の厚さを有する相対的に薄い半導体層である。ＱＷは、２つの相対的に厚い隣接する半導体層の電子バンド・ギャップ・エネルギー
【００４９】
【数１６】
0005438107.tif 000017
【００５０】
よりも相対的に小さな電子バンド・ギャップ・エネルギー
【００５１】
【数１７】
0005438107.tif 000018
【００５２】
を有する半導体材料から構成される。図３は、２つの相対的に厚い半導体層３０４と３０６の間に挟まれたＱＷ３０２の等角図を示す。
【００５３】
【数１８】
0005438107.tif 000019
【００５４】
は
【００５５】
【数１９】
0005438107.tif 000020
【００５６】
より大きいので、ＱＷ３０２の価電子帯の上端での電子に対してポテンシャル井戸が確立され、ＱＷ３０２の伝導帯の下端での正孔に対してポテンシャル井戸が確立される。ＱＷ３０２が薄いことにより、電子と正孔のエネルギー準位は量子効果を示す。対応する価電子帯及び伝導帯の電子波動関数は、次式のように書くことができる。
【００５７】
【数２０】
0005438107.tif 000021
【００５８】
但し、
【００５９】
【数２１】
0005438107.tif 000022
【００６０】
はｘ、ｙ平面内のＱＷ結晶格子の周期性を有し、
【００６１】
【数２２】
0005438107.tif 000023
【００６２】
はｘ、ｙ平面波数ベクトル、
【００６３】
【数２３】
0005438107.tif 000024
【００６４】
はｘ、ｙ平面内のＱＷ座標ベクトルである。波動関数
【００６５】
【数２４】
0005438107.tif 000025
【００６６】
は、０に等しいｚに対して及びＬzに等しいｚに対して、ψc,vは０に等しいという境界条件を満足する。ｘ、ｙ平面内の有限サイズのＱＷは、結晶全体にわたる総位相偏移
【００６７】
【数２５】
0005438107.tif 000026
【００６８】
が２πの整数倍になるという境界条件が課され、波数ベクトル
【００６９】
【数２６】
0005438107.tif 000027
【００７０】
成分は次のように量子化される。
【００７１】
【数２７】
0005438107.tif 000028
【００７２】
但し、ｉ＝ｘ、ｙであり、ｌiは整数である。
【００７３】
放物線バンド近似内で、ｚ方向のエネルギー状態は、伝導帯に対して
【００７４】
【数２８】
0005438107.tif 000029
【００７５】
価電子帯に対して
【００７６】
【数２９】
0005438107.tif 000030
【００７７】
として書くことができるサブバンド・エネルギー状態を含み、但しｎは正の整数即ちサブバンド・エネルギー状態に対応する量子数、
【００７８】
【数３０】
0005438107.tif 000031
【００７９】
は波数
【００８０】
【数３１】
0005438107.tif 000032
【００８１】
、及び
【００８２】
【数３２】
0005438107.tif 000033
【００８３】
は第１のＱＷ状態のエネルギーである。
【００８４】
図４は、ＱＷに関連する２つの価電子及び伝導サブバンドのプロットを示す。横軸４０２は波数
【００８５】
【数３３】
0005438107.tif 000034
【００８６】
を表し、
縦軸４０４は電子エネルギーＥを表し、放物線４０６及び４０８はそれぞれｎ＝１及びｎ＝２に対する伝導サブバンドを表し、放物線４１０及び４１２はそれぞれｎ＝１及びｎ＝２に対する価電子サブバンドを表す。ｚ方向においてＱＷ３０２の寸法が有限であるために、サブバンドの電子エネルギー状態は量子化される。価電子帯４１０及び４１２内の黒丸は電子を表し、伝導帯４０６及び４０８内の白丸は正孔即ち有効な電子状態を表す。
【００８７】
伝導帯内の電子状態と、価電子帯内の電子状態の間の許容される電子遷移の選択規則は、同じｎ、
【００８８】
【数３４】
0005438107.tif 000035
【００８９】
及び電子スピン状態を有する伝導帯と価電子帯の間の遷移のみが許容されるというものである。例えば図４に示されるように、矢印４１４は、伝導帯４０６内の電子エネルギー状態４１６と価電子帯４１０内の電子エネルギー状態４１８の間の第１の許容される電子エネルギー状態遷移を表し、矢印４２０は、伝導帯４０８内の電子エネルギー状態４２２と価電子帯４１２内の電子エネルギー状態４２４の間の第２の許容される電子エネルギー状態遷移を表す。対照的に、破線の矢印４２６は、伝導帯４０６及び価電子帯４１２に関連する量子数ｎが異なるために許容されない、電子エネルギー状態遷移を表す。
【００９０】
一方、ＱＤは、一般に約２から約１０ナノメートルの範囲の直径をもち得る半導体結晶である。ＱＤはまた、１つのエネルギー準位を２つの電子だけが占有できる量子化された電子エネルギー準位を示すので、「人工原子」と呼ばれる。図５は、例示のＱＤの幾つかの量子化されたエネルギー準位を表すエネルギー・バンド図５０２を示す。量子化されたエネルギー準位は、エネルギーが増加する順に縦方向に配置された横線によって表される。量子化されたエネルギー準位は、価電子帯５０６の量子化されたエネルギー準位と、伝導帯５０８の量子化されたエネルギー準位とを分離する電子バンド・ギャップ５０４を含む。図５はＱＤの可能な最も低い電子エネルギー状態を示し、これは黒丸によって示される電子の対が価電子帯５０６のエネルギー準位を占有するときに起きる。
【００９１】
熱、電圧、又は電磁放射などの適切な電子的刺激をＱＤに印加することにより、ＱＤの電子エネルギー状態を変化させることができる。刺激の大きさがバンド・ギャップ・エネルギーを超えたときは、１つ又は複数の電子が、伝導帯内のより高いエネルギー準位に昇位され得る。例えば図５では、価電子帯５０６内のエネルギー準位を占有する電子５１０は、伝導帯５０８内のエネルギー準位に飛び越すことによって刺激に付随するエネルギーを吸収して、価電子帯５０６内に正孔５１２を残す。電子５１０は伝導帯５０８内のエネルギー準位に一時的に留まった後に、電子バンド・ギャップ５０４を跨って遷移して戻り、価電子帯５０６内の正孔５１２と再結合する。再結合プロセスの結果として、遷移によって失われるエネルギーに対応する電磁放射５１４の放出を生じ得る。通常は電子は、伝導帯の最も低いエネルギー準位から価電子帯の最も高いエネルギー準位に遷移する。電子バンド・ギャップは特定のＱＤに対しては固定されるので、この遷移が起きるたびに固定の波長の電磁放射が放出される。
【００９２】
しかしＱＤによって放出される電磁放射の波長は、ＱＤのサイズ又は形状を変更することによって調整することができる。図６は、２つのＱＤに関連する、２つの異なるバンド図を示す。バンド図６０２は、第１のＱＤの量子化されたエネルギー準位を示し、バンド図６０４は、第１のＱＤと同じ化学組成を有する、より小さな第２のＱＤの量子化されたエネルギー準位を示す。バンド図６０２及び６０４から、第１のＱＤのエネルギー準位間のエネルギー間隔、及びバンド・ギャップは、第２のＱＤより小さいことが分かる。したがって遷移６０６は結果として波長λ1の電磁放射の放出を生じ、遷移６０８は結果として波長λ2の電磁放射の放出を生じ、ここでλ2＜λ1である。
【００９３】
［本発明の実施形態］
図７Ａは、本発明の実施形態により構成された第１の発光デバイス７００の等角図を示す。デバイス７００は、第１の半導体層７０２と、第１の半導体層７０２上に配置された量子井戸発光層（ＱＷ  ＬＥＬ）７０４と、ＱＷ  ＬＥＬ７０６上に配置された第２の半導体層７０６とを含む。デバイス７００はまた、第１の半導体層７０２がその上に配置される第１の電極７０８と、第２の半導体層７０６上に配置された第２の電極７１０とを含む。
【００９４】
図７Ｂは、本発明の実施形態により構成された第２の発光デバイス７２０の分解等角図を示す。分解図から、デバイス７２０はデバイス７００とほぼ同一であるが、デバイス７００のＱＷ  ＬＥＬ７０４は、ＱＤ  ＬＥＬ７２２によって置き換えられる点が異なることが分かる。ＱＤ  ＬＥＬ７２２は、透明誘電体基材７２６内に埋め込まれた幾つかのＱＤ７２４から構成される。
【００９５】
デバイス７００及び７１０は、図７では矩形形状のデバイスとして示されるが、実際には本発明の発光デバイスは矩形構成に限定されず、多くの異なる形状を有することができる。言い換えれば、本発明の発光デバイスはまた、正方形、円形、楕円形、又は任意の他の適当な形状とすることができる。
【００９６】
図８は、本発明の実施形態により構成された発光デバイス８００、及び関連する電子エネルギー・バンド図８０２の概略図を示す。発光デバイス８００は、第１の半導体層８０６と第２の半導体層８０８の間に挟まれたＬＥＬ８０４から構成される。第１の金属電極８１０は第１の半導体層８０６に隣接して配置され、第２の金属電極８１２は第２の半導体層８０８に隣接して配置される。電極８１０及び８１２は、電気的に電圧源８１４に結合される。発光デバイス８００は、発光デバイス７００及び７２０などの本発明の発光デバイスを概略的に表す。具体的にはＬＥＬ８０４は、上述のＱＷ  ＬＥＬ７０４又はＱＤ  ＬＥＬ７２２の何れかを表す。
【００９７】
図８のバンド図８０２は、デバイス８００の高さにほぼ平行に走り、図７Ａ〜７Ｂに示されるｚ軸に対応する横のｚ軸８２０と、電子エネルギーを表す縦軸８２４とを含む。バンド図８０２は、バイアスが印加されないときのｚ軸に沿った層８０４、８０６、及び８０８内の特定の電子エネルギー状態に関連する相対的な電子エネルギーを示す。影の付いた領域８２６及び８２８は、それぞれ電極８１０及び８１２の満たされた電子エネルギー状態の連続を表す。｜１＞で示される状態は、ＬＥＬ８０４の価電子帯内の特定の電子エネルギー状態を表し、｜２＞で示される状態は、ＬＥＬ８０４の伝導帯内の特定の電子エネルギー状態を表す。状態｜１＞及び｜２＞は、ＱＷに関連する量子化された電子エネルギー状態を表し、図４を参照して上述した伝導帯及び価電子帯のサブバンドにおける状態間の電子遷移の選択規則を満足することに留意されたい。状態｜１＞及び｜２＞はまた、図５を参照して上述したＱＤのエネルギー準位を表すこともできる。｜ａ＞で示される状態は、第１の半導体層８０６内にある電子エネルギー状態を表し、また｜ｂ＞で示される状態は、第２の半導体層８０８内にある電子エネルギー状態を表す。
【００９８】
図８はまた、フェルミ−ディラック確率分布のプロット８３０を含み、これは縦の電子エネルギー軸８２４と、０から１の範囲の確率を表す横軸８３４を含む。曲線８３６はフェルミ−ディラック確率分布を表し、これは数学的に次式によって表される。
【００９９】
【数３５】
0005438107.tif 000036
【０１００】
但し、Ｅは電子の電子エネルギーを表し、ＥFは破線８３８によって図３に表されるフェルミ準位であり、ｋはボルツマン定数を表し、Ｔはデバイス８００の絶対温度を表す。分布ｆ（Ｅ）８３６は、特定の絶対温度Ｔにおいて電子エネルギー準位が電子によって占有される確率を表す。エネルギー軸８２４と分布ｆ（Ｅ）８３６の間の狭い領域８４０は、フェルミ準位８３８より高い伝導帯内のエネルギー準位が電子によって占有される確率が低いことを示し、エネルギー軸８２４と分布ｆ（Ｅ）８３６の間の広い領域８４２は、フェルミ準位８３８より低い価電子帯内のエネルギー準位が空である確率は低いことを示す。分布ｆ（Ｅ）８３６の全体的な形から、電子がフェルミ準位ＥF８３８より高いエネルギー準位を占有する可能性はフェルミ準位ＥF８３８から離れるほど減少し、電子がフェルミ準位ＥF８３８より低いエネルギー準位を占有する可能性はフェルミ準位ＥF８３８から離れるほど増加することが分かる。
【０１０１】
層８０６及び８０８は、元素半導体又は化合物半導体から構成することができる。間接元素半導体はシリコン（Ｓｉ）及びゲルマニウム（Ｇｅ）を含み、化合物半導体は通常はＩＩＩ−Ｖ族材料であり、ローマ数字ＩＩＩ及びＶは元素周期表のＩＩＩａ及びＶａ列内の元素を表す。化合物半導体は、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、及びインジウム（Ｉｎ）などのＩＩＩａ列元素と、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、及びアンチモン（Ｓｂ）などのＶａ列元素とを組み合わせて構成することができる。化合物半導体は、ＩＩＩ族元素とＶ族元素の相対的な量に従って分類することができる。例えば、二元半導体化合物はＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、及びＧａＰを含み、三元化合物半導体はＧａＡｓyＰ1-yを含み、但しｙは０より大きく１より小さく、四元化合物半導体はＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-yを含み、但しｘとｙは共に独立に０より大きく１より小さい範囲である。他のタイプの適当な化合物半導体は、ＩＩ−ＶＩ族材料を含み、但しＩＩ及びＶＩは元素周期表のＩＩｂ及びＶＩａ列内の元素を表す。例えば、ＣｄＳｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、及びＺｎＯは、二元ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の例である。
【０１０２】
電極８１０及び８１２は、銅、アルミニウム、金、又は他の適当な電子伝導性金属からなるものとすることができ、又は電極８１０及び８１２は、高濃度ドープされた半導体から構成することができる。幾つかの実施形態では、電極８１２は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、又は他の適当な導電性の透明な材料の層とすることができる。
【０１０３】
幾つかの実施形態では、半導体層８０６及び８０８は、ほぼ同じ半導体材料から構成することができ、他の実施形態では層８０６及び８０８は、異なる半導体材料から構成することができる。層８０６及び８０８のための半導体材料を選択するための１つの必要な条件は、材料がＬＥＬ８０４のために選択された半導体材料よりも相対的に大きな電子バンド・ギャップ・エネルギーを有することである。例えば幾つかの実施形態ではＬＥＬ８０４は、ＧａＡｓから構成することができ、これは約１．４３ｅＶのバンド・ギャップを有し、一方、層８０６及び８０８は、ＡｌxＧａＡｓ1-xから構成することができ、但しｘは０から１までの範囲であり、層８０６及び８０８のバンド・ギャップ・エネルギーはそれに対応して約１．４３ｅＶから２．１６ｅＶの範囲である。他の実施形態ではＬＥＬ８０４は、ＩｎＡｓから構成することができ、これは約０．３６ｅＶのバンド・ギャップを有し、一方、層８０６及び８０８は、Ｉｎ1-xＧａxＡｓから構成することができ、但しｘは０から１までの範囲であり、層８０６及び８０８のバンド・ギャップ・エネルギーはそれに対応して約０．３６ｅＶから１．４３ｅＶまでの範囲である。層８０６及び８０８は異なる半導体材料から構成することができるので、層８０６及び８０８に対して、上述の実施例におけるパラメータｘは同じである必要はないことに留意されたい。
【０１０４】
状態｜ａ＞及び｜ｂ＞は、２つの方法で生成することができる。第１の方法は、空の状態｜ａ＞を第１の半導体８０６のバンド・ギャップ内に導入する適切なｐ型電子受容体不純物を用いて層８０６をドープし、第２の半導体８０８のバンド・ギャップ内に満たされた状態｜ｂ＞を導入するｎ型電子供与体不純物を用いて層８０８をドープすることを含む。言い換えれば、対応するｐ型及びｎ型不純物を適切に選択することにより、それぞれ層８０６及び８０８の価電子帯と伝導帯内に、他の電子エネルギー状態から電子的に分離された状態｜ａ＞及び｜ｂ＞が生成される。第２の方法は、半導体層８０６の価電子帯の上端付近に空の状態｜ａ＞を導入するｐ型不純物を用いて層８０６を高濃度ドープし、半導体層８０８の価電子帯の上端付近に満たされた状態｜ｂ＞を導入するｎ型不純物を用いて層８０８を高濃度ドープすることを含む。何れの方法も図８に示されるように、層８０６のｐ型不純物と半導体材料は、電子エネルギーにおいて状態｜ａ＞が状態｜２＞より相対的に低くなるように選択され、層８０８のｎ型不純物と半導体材料は、電子エネルギーにおいて状態｜ｂ＞が状態｜１＞より相対的に高くなるように選択される。このようにして不純物と半導体材料を選択することにより、隣接する半導体８０６から電子が状態｜２＞に入り、隣接する半導体８０８から正孔が状態｜１＞に入り、結合して状態｜２＞と｜１＞のエネルギー差にほぼ等しいエネルギーを有する光子を発生することが防止される。
【０１０５】
デバイス８００に電圧源８１４から適切な発光電圧ＶEMITを印加することにより、状態｜２＞と｜１＞のエネルギーの差に対応する光子が発生される。発光電圧ＶEMITは、第１の半導体８０６に電子を注入し、第２の半導体８０８に正孔を注入（即ち、電子を除去）する逆バイアスである。
【０１０６】
図９は、本発明の実施形態によるデバイス８００への適切な大きさのＶEMITの印加に関連する電子エネルギー・バンド図９００のプロットを示す。バンド図９００は、適切な大きさのＶEMITが、状態｜ａ＞及び｜ｂ＞と、価電子帯８２６及び８２８とに与える影響を示す。発光電圧ＶEMITは、価電子帯８２６の上端の電子エネルギーを状態｜２＞より上に上昇させ、価電子帯８２８の上端の電子エネルギーを状態｜１＞より下に低下させる。またバンド図９００から、状態｜ａ＞及び｜２＞と、状態｜ｂ＞及び｜１＞は離調（ｄｅｔｕｎｅｄ）されることが分かる。言い換えれば、状態｜ａ＞は価電子帯８２６の上端と状態｜２＞の間に入り、状態｜ｂ＞は価電子帯８２８の上端と状態｜１＞の間に入る。適切な大きさの発光電圧ＶEMITは、電子と正孔がそれぞれ状態｜２＞及び｜１＞に入るための低エネルギー経路を生成する。言い換えれば、バンド図９００に示されるように、状態｜ａ＞は、注入された電子に、価電子帯８２６の上端付近から状態｜２＞への低エネルギー経路をもたらし、状態｜ｂ＞のエネルギーは、注入された正孔に、価電子帯８２８の上端付近から状態｜１＞への低エネルギー経路をもたらす。
【０１０７】
層８０６及び８０８を構成する半導体材料は、電子と正孔が状態｜２＞及び｜１＞から離れるために異なる経路をもたらすための、状態｜ａ＞及び｜ｂ＞以外の状態は、使用可能でないように選択されることに留意されたい。言い換えれば、状態｜ａ＞及び｜ｂ＞は、発光電圧ＶEMITが印加されたときに、状態｜２＞及び｜１＞は分離され、電子は状態｜２＞に捕捉され、正孔は状態｜１＞に捕捉されるように選択される。次いで、状態｜２＞に捕捉された電子は、状態｜１＞に捕捉された正孔と自然に再結合して、次式を満足する光子を放出する。
【０１０８】
【数３６】
0005438107.tif 000037
【０１０９】
但し、ｈはプランク定数、ｃは自由空間での光の速度、λは自然な｜２＞→｜１＞の遷移の結果として放出される光子の波長である。
【０１１０】
デバイス８００の放出はＶEMITが終了されたときに停止させることができ、電子と正孔は、それぞれ状態｜２＞及び｜１＞から一掃される。これは、状態｜ａ＞及び｜ｂ＞を再配置する適切な消光電圧ＶQUENCHを印加することによって達成され、それにより電子と正孔はＬＥＬ８０４内で自然に結合せずに状態｜２＞及び｜１＞から第１の電極８１０及び第２の電極８１２に戻る、低エネルギー経路を有するようになる。消光電圧ＶQUENCHも逆バイアスであるが、大きさはＶEMITより小さい。
【０１１１】
図１０は、本発明の実施形態によるデバイス８００への適切な大きさのＶQUENCHの印加に関連する電子エネルギー・バンド図１０００のプロットを示す。例示のバンド図１０００に示されるように、消光電圧ＶQUENCHの大きさは、状態｜ａ＞を状態｜２＞より低い又はほぼ等しいエネルギーにし、価電子帯８２６の上端付近の状態を状態｜ａ＞より低くするように選択される。さらにＶQUENCHは、状態｜ｂ＞を状態｜１＞より高く又はほぼ等しくし、価電子帯８２８の上端付近の状態を状態｜ｂ＞より高くする。ＶQUENCHの下での、状態の相対的なエネルギーにより、電子が第１の電極８１０に速やかに戻るための低エネルギー経路と、正孔が第２の電極８１２に速やかに戻るための低エネルギー経路とがもたらされる。消光電圧VQUENCHは、少ないエネルギー損失でキャリアをそれらのそれぞれの電極に戻すことによって、注入されたキャリアに付随するエネルギーの急速な回収が可能になる。
【０１１２】
以下は、本発明の実施形態による変調光を発生するためのデバイス８００の動作の一般的な説明である。デバイス８００は、１０Ｇビット／秒を超える変調レートを実現することができる。図１１は、本発明の実施形態によるデバイス８００の動作に関連する２つのプロット１１０２及び１１０４を示す。横軸１１０６は時間を表し、縦軸１１０８はデバイス８００に印加されるＶEMIT及びＶQUENCHの大きさを表し、縦軸１１１０はデバイス８００から放出される光の強度を表す。第１のプロット１１０２は、デバイス８００に印加されるＶEMIT及びＶQUENCHの時間に対するパターンを示す。幾つかの実施形態では、ＶEMIT及びＶQUENCHは、例えばそれぞれビット「１」及び「０」に対応することができる。プロット１１０４は、デバイス８００から放出される変調された光信号の「オン」及び「オフ」強度部分を時間に対して示す。「オン」及び「オフ」部分はまた、それぞれビット「１」及び「０」に対応することができる。プロット１１０２及び１１０４は、電圧ＶEMITが印加される期間の間は、デバイス８００はほぼ一定の強度を有する光を放出することを示す。一方、プロット１１０２及び１１０４から、ＶQUENCHが印加される時間間隔の間は、図１０を参照して上述したように、電子と正孔は対応する状態｜２＞及び｜１＞から速やかに一掃されるので、放出される光の強度は急速に低下することが分かる。したがってプロット１１０４に示される光信号の高い強度と低い強度の部分は、区別することができるようになる。
【０１１３】
図１１では、ＶQUENCHは、デバイス８００にＶEMITが印加されない時間全体の間で印加されるように示される。しかし実際にはＶQUENCHは、電子と正孔をそれぞれの状態｜２＞及び｜１＞から一掃するのに十分長く印加されるだけでよい場合がある。したがって他の実施形態では、必要なＶQUENCHの持続時間は、図１１に示される持続時間のほんの一部分でよい。
【０１１４】
上記では、説明の目的のために、本発明の十分な理解を得るために特定の用語を用いた。しかし当業者には、本発明を実施するためには、特定の詳細は必要ないことが明らかであろう。上記の本発明の特定の実施形態の説明は、例示及び説明の目的のために示したものである。これらは網羅的なものではなく、又は本発明を正確な開示された形に限定するものでもない。明らかに、上記の教示に鑑みて多くの変更形態及び変形形態が可能である。実施形態は、本発明の原理及びその実際の用途を最も良く説明し、それにより当業者が本発明及び企図される特定の用途に適するように様々な変更を含んだ様々な実施形態を最も良く利用することを可能にするように示し説明した。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びそれらと等価なものにより定義されるものとする。
【図１】
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【図２】
0005438107.tif 000039
【図３】
0005438107.tif 000040
【図４】
0005438107.tif 000041
【図５】
0005438107.tif 000042
【図６】
0005438107.tif 000043
【図７Ａ】
0005438107.tif 000044
【図７Ｂ】
0005438107.tif 000045
【図８】
0005438107.tif 000046
【図９】
0005438107.tif 000047
【図１０】
0005438107.tif 000048
【図１１】
0005438107.tif 000049