(57)【要約】  光源はシリコンとフッ化カルシウム（ＣａＦ２）の組合せをベースとしている。シリコン及びフッ化カルシウムは純粋である必要はなく、それらの電気的特性及び／又は物理的特性を制御するためにドープされてもアロイ化されてもよい。本光源は、例えば多層構造として配置されるシリコンとフッ化カルシウムの交互配置部を使用し、近赤外スペクトル領域の光を放射するように伝導帯のサブバンド間遷移を使用して動作することが好ましい。本光源は、量子カスケードレーザ、リング共振器レーザ、導波路型光増幅器を形成するように構成することができる。
2009507393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源として動作可能なシリコン（Ｓｉ）及びフッ化カルシウム（ＣａＦ２）含む半導体構造体。
【請求項２】
前記半導体構造体がさらに、少なくとも２つの電極を含む請求項１記載の発明。
【請求項３】
前記シリコン及び前記フッ化カルシウムのうちの少なくとも一方がドープされる請求項１記載の発明。
【請求項４】
前記シリコンの少なくとも一部がドーパントによってｎ型シリコンへとドープされる請求項３記載の発明。
【請求項５】
前記フッ化カルシウムがドーパントによってｎ型フッ化カルシウムへとドープされる請求項３記載の発明。
【請求項６】
フッ化カルシウムがフッ化カドミウムとアロイ化される請求項５記載の発明。
【請求項７】
前記半導体構造体がストレートでない形状を有するように構成される請求項１記載の発明。
【請求項８】
前記半導体構造体が電気的に励起されるように適合された請求項１記載の発明。
【請求項９】
前記半導体構造体がサブバンド間遷移を使用して動作する請求項１記載の発明。
【請求項１０】
前記サブバンド間遷移が伝導帯で生じる請求項９記載の発明。
【請求項１１】
前記Ｓｉが５オングストローム〜１００オングストロームの範囲の厚さを有する少なくとも１つの層へと形成される請求項９記載の発明。
【請求項１２】
前記ＣａＦ２が５オングストローム〜５０オングストロームの範囲の厚さを有する少なくとも１つの層へと形成される請求項９記載の発明。
【請求項１３】
フッ化カドミウムとアロイ化されていない前記ＣａＦ２の少なくとも１つの層をさらに含み、ＣａＦ２とフッ化カドミウムとの前記アロイの前記層がフッ化カドミウムとアロイ化されていない前記層のＣａＦ２よりも導電性となるように容易にドープされる請求項１２記載の発明。
【請求項１４】
前記シリコンがゲルマニウムとアロイ化される請求項１記載の発明。
【請求項１５】
シリコンとゲルマニウムの前記アロイが前記ＣａＦ２とほぼ完全に格子整合する請求項９記載の発明。
【請求項１６】
前記半導体構造体の少なくとも１つの表面が前記光を少なくとも部分的に反射する請求項１記載の発明。
【請求項１７】
前記シリコンと前記フッ化カルシウムが交互の層として配置される請求項１記載の発明。
【請求項１８】
前記シリコンと前記フッ化カルシウムの前記交互の層が少なくとも１つの活性領域を形成する請求項１７記載の発明。
【請求項１９】
前記シリコンと前記フッ化カルシウムの前記交互の層が少なくとも１つの超格子領域を形成する請求項１７記載の発明。
【請求項２０】
前記シリコンと前記フッ化カルシウムの前記交互の層が形成される基部をさらに含む請求項１７記載の発明。
【請求項２１】
前記基部がさらに、シリコン基板、前記シリコン基板上の二酸化シリコン層、前記二酸化シリコン層上のシリコン層、及び前記シリコン層上で導電性となるようにドープされるシリコン層を含む請求項２０記載の発明。
【請求項２２】
前記導電性シリコン層の少なくとも一部分上に金属層をさらに含む請求項２１記載の発明。
【請求項２３】
光を生成する方法であって、量子井戸及び障壁を有する量子井戸構造体であって、実質的にシリコンからなる層が前記量子井戸を形成し、主にフッ化カルシウムからなる層が前記障壁を提供する量子井戸構造体内に１以上の電子を注入するステップからなる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光源に関し、より詳細には半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常の半導体光源及び半導体レーザは、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などの直接バンドギャップ化合物半導体を使用している。通常、直接バンドギャップ化合物半導体は、バンド間電子遷移の原理で機能し、この場合、半導体材料内の励起された電子が伝導帯端から価電子帯端まで遷移すると、光が放射される。
【０００３】
対照的に、シリコン（Ｓｉ）などの間接バンドギャップ半導体は、電子が伝導帯端から価電子帯端まで遷移するためには、フォノンが放出される、又は吸収されることを必要とする。この必要条件は、他の点では同じ状況下でフォノンが必要でない場合よりも、そのような遷移の可能性を低くする。その結果、光は放射されにくく、したがって、Ｓｉは、最も広く使用されている半導体であるにもかかわらず、半導体光源の製造に適した材料とは見なされない。
【０００４】
別の種類の半導体光源である半導体量子カスケードレーザは、サブバンド間遷移としても知られているバンド内遷移を使用する。バンド内遷移では、伝導帯又は価電子帯のより上位の準位のエネルギー帯、すなわちより高いエネルギー・サブバンドに励起された電子は、同じバンドのより下位の準位のエネルギー帯、すなわちより低いエネルギー・サブバンドに落ちる。従来、量子カスケードレーザは、ガリウムインジウムヒ素／アルミニウムインジウムヒ素（ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ）などの化合物半導体をベースにしている。一般に、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓの量子カスケードレーザは、例えば４〜１３μｍの中赤外（ＩＲ）スペクトル領域の光を生成する。
【０００５】
シリコンとゲルマニウムの組合せを使用する量子カスケードレーザも研究されてきた。残念なことに、Ｓｉ／Ｇｅをベースにしてレーザを実現するには相当の困難がある。この困難は、ａ）ＳｉとＧｅの間にある、例えば４％の大きな格子不整合、ｂ）伝導帯を使用するよりも複雑さが増すために望ましくない、価電子帯を使用しなければならないという事実、及びｃ）Ｓｉ及びＧｅの伝導帯と価電子帯間の小さなバンドオフセットに起因する。若干の電界発光が観察されたにもかかわらず、レージングがＳｉ及びＧｅを使用して実現されたとは考えられていない。さらに、例えＳｉ及びＧｅを使用してレージングが実現されたとしても、動作波長が１８μｍよりも大きくなってしまうことが予想され、この波長では、現在の電気通信用途に役立たない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の原理により、シリコンとフッ化カルシウム（ＣａＦ２）の組合せをベースとする光源によって、シリコンベースの基板に構築することができる半導体光源の開発に関する問題が解決される。シリコン及びフッ化カルシウムは純粋である必要はなく、それらの電気的特性及び／又は物理的特性を制御するために、ドープされてもアロイ化されてもよい。
【０００７】
本光源は、例えば多層構造として配置されるシリコンとフッ化カルシウムの交互配置部を使用し、伝導帯のサブバンド間遷移を使用して動作することが好ましい。より具体的には、ＣａＦ２よりも小さなバンドギャップを有するＳｉが量子井戸を形成し、Ｓｉよりも大きなバンドギャップを有するＣａＦ２が障壁を形成する。有利には、このような光源は、例えば０．５５％ほどの小さな格子不整合、及び例えば約２．２電子ボルトの大きな伝導帯オフセットを有する。Ｓｉ及びＣａＦ２光源は、例えば１μｍ〜４μｍの間、より具体的には、それぞれが現代の通信用途に適した１．５μｍ及び１．３μｍの近赤外スペクトル領域の光を放射するように調整することができる。さらに有利には、主にシリコンをベースとする光源は、ＧａＡｓをベースとする光源よりも安価に製造でき、そのような光源は、シリコン技術に基づく従来の電子部品と統合することがより容易である。
【０００８】
例えば、ＳｉとＣａＦ２とゲルマニウム及びフッ化カドミウム（ＣｄＦ２）などの他の材料をドープ及び／又はアロイ化して組み合わせると、光源の特性のさらなるカスタマイズが可能になる。例えば、シリコンと少量のＧｅをアロイ化することによって、完全な格子整合を達成することができる。ＣａＦ２とフッ化カドミウム（ＣｄＦ２）をアロイ化し、それにガリウム（Ｇａ）などの３価金属イオンをドープすることによって、その結果得られる組合せを導電性にすることができる。
本光源は、量子カスケードレーザ、リング共振器レーザ、導波路型光増幅器を形成するように構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、単に本発明の原理のみを示す。したがって、本明細書で明確に記載又は示されていなくとも、本発明の原理を実施し、本発明の趣旨及び範囲に含まれるさまざまな構成を当業者が考案できることが理解されよう。さらに、本明細書に記載したすべての例及び条件つきの表現は、主に、本発明の原理と、技術の進歩に対して本発明者が貢献する発想とを読者が理解する助けとなるための教育的な目的となることのみが明確に意図されており、具体的に記載したそれらの例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、本発明の原理、態様、及び実施形態、並びに本発明の具体例に関して述べている本明細書のすべての記載は、本発明の構造的等価物及び機能的等価物のいずれをも含むことが意図されている。それに加え、そのような等価物は、現在知られている等価物と、将来開発される等価物、すなわち構造に関係なく同じ機能を実行する、開発されるあらゆる要素のいずれをも含むことが意図されている。
【００１０】
添付の特許請求の範囲では、特定の機能を実行するための手段として記載される任意の要素は、その機能を実行するいかなる方法をも含むことが意図されている。これには、例えばａ）その機能を実行する電気式若しくは機械式要素の組合せ、又はｂ）任意の形態、したがって、ファームウェア、マイクロコード等を含むソフトウェアであって、機能を実行するためにこのソフトウェアを実行するのに適した回路と組み合わさり、場合によってはソフトウェアが制御する回路に結合した機械式要素と組み合わさったソフトウェアが含まれることがある。このような特許請求の範囲で定義されているように、本発明は、特許請求の範囲によって求められる通りに、記載されたさまざまな手段によってもたらされる機能性が結合され、１つにまとめられるという事実に帰する。したがって、出願人は、これらの機能性を提供可能なあらゆる手段を本明細書で示すものと等価であると見なしている。
【００１１】
ソフトウェア・モジュール、又はソフトウェアであることを意味する単なるモジュールは、本明細書において、フローチャート要素同士、あるいは処理ステップの遂行及び／又はテキスト記述を示す他の要素同士の任意の組合せとして表現されることがある。このようなモジュールは、明示又は非明示のハードウェアによって実行され得る。
【００１２】
本明細書で別段明記しない限り、図面は一定の比率では描画されていない。
さらに、本明細書で別段明記しない限り、本明細書で示しかつ／又は記載するいかなるレンズも、実際はそのレンズ独自の特定の特性を有する光学系である。そのような光学系は、単一のレンズ素子によって実施することができるが、必ずしもそれに限定されない。同様に、ミラーが示されてかつ／又は記載されている場合、実際に示されかつ／又は記載されているものは、そのようなミラーの特定の特性を有する光学系であり、そのような光学系は、単一のミラー素子によって実施することができるが、必ずしも単一のミラー素子には限定されない。これは、当技術分野で周知のように、さまざまな光学系が、単一のレンズ素子又はミラーの同じ機能性をより優れた形、例えば、より少ない歪みで提供できるからである。さらに、当技術分野で周知のように、湾曲したミラーの機能性は、レンズとミラーの組合せによって実現することができ、その逆もあり得る。また、特定の機能を実行している光学部品、例えば結像系、格子、被覆された素子、及びプリズムのいかなる配置も、同じ特定の機能を実行する光学部品の他の任意の配置に置き換えることができる。したがって、本明細書で別段明記しない限り、本明細書に開示する実施形態全体の範囲内の特定の機能を提供可能なすべての光学素子又は光学系は、本開示の目的に関して互いに同等である。
【００１３】
説明中、異なる図面内で同じ番号が付けられた構成要素は、同じ構成要素を意味する。
図１は、本発明の原理によるシリコンベースの基板上に構築された例示的な半導体光源１００を示している。より具体的には、光源１００は、シリコン（Ｓｉ）及びフッ化カルシウム（ＣａＦ２）の組合せをベースとしている。シリコン及びフッ化カルシウムは、それらの電気的特性及び／又は物理的特性を制御するためにドープされてもアロイ化されてもよい。
【００１４】
半導体光源１００は、基本発光ユニットとして機能する。理論レベルでは、半導体光源１００は単一の量子井戸構造体であり、特にＣａＦ２障壁を有する単一のシリコン量子井戸である。より具体的には、ＳｉはＣａＦ２よりも小さなバンドギャップを有するので、Ｓｉが量子井戸を提供し、Ｓｉより大きなバンドギャップを有するＣａＦ２が障壁を提供する。量子井戸構造体の一方の側の電極が電子を供給し、この電子が障壁をトンネルして、量子井戸構造体の他方の側の電極によって運び去られることが可能である。半導体光源１００は、伝導帯のサブバンド間遷移を使用して動作することが好ましい。有利には、このような光源は、例えば０．５５％ほどの小さな格子不整合、及び例えば約２．２電子ボルトの大きな伝導帯オフセットを有する。
【００１５】
物理的には、光源１００は、ａ）シリコン（Ｓｉ）基板１０１、ｂ）二酸化シリコン層ＳｉＯ２  １０２、ｃ）Ｓｉ層１０３、ｄ）導電性Ｓｉ（ｎ＋Ｓｉ）層１０５、ｅ）ＣａＦ２層１０７、ｆ）Ｓｉ層１０９、ｇ）ＣａＦ２層１１１、ｈ）導電性ＣａＦ２層１１３、ｉ）金属層１１５及び１１７、並びにｊ）導体１２５及び１２７を含む。
【００１６】
基板１０１は、市販のシリコンウエハなどの、従来のシリコンウエハであってもよい。二酸化シリコン層１０２は、一般に埋込み酸化物（ＢＯＸ）層と呼ばれる従来のＳｉＯ２層である。ＳｉＯ２層１０２は、Ｓｉよりも低い屈折率を有する。したがって、この層は、上方の高い屈折率を有する領域内で生成された光を閉じ込めて、この領域の外へ洩出するのを防ぐ働きをする。言い換えると、ＳｉＯ２層１０２は、生成された光が基板１０１内に漏れないようにする光絶縁をもたらす。Ｓｉ層１０３は、光源１００の活性層を形成する追加の単結晶層を成長させるのに適した基部を提供するＳｉの単結晶層である。Ｓｉ基板１０１、二酸化シリコン層１０２、及びＳｉ層１０３から形成されたウエハは市販されており、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウエハとして知られている。
【００１７】
導電性シリコン層１０５は、ｎ型にドープすることができ、その結果この層は適切な導電性となり、量子井戸構造体の一方の電極として効果的に機能できる。言い換えると、導電性シリコン層１０５は、平板電極の役割をするように配置される。当業者であれば、所望のレベルの導電率を達成するように導電性シリコン層１０５を適切にドープすることが容易に可能である。一般に、シリコン層１０５がより導電性になるほど、より多くの光が生成される。導電性シリコン層１０５は金属電極層１１７に電気的に接続され、金属電極層１１７は導体１２７に結合され、その結果、電気は導体１２７及び電極層１１７介してシリコン層１０５へ伝導される。
【００１８】
ＣａＦ２層１０７は、ドープする必要のない、例えば５〜５０オングストロームのＣａＦ２薄層である。Ｓｉ層１０９は、ドープする必要のない、例えば５〜１００オングストロームのＳｉ薄層である。ＣａＦ２層１１１は、ドープする必要のない、例えば、典型的には５〜５０オングストロームのＣａＦ２薄層である。
【００１９】
導電性ＣａＦ２層１１３は、少なくとも１つの他の材料と組み合わされるＣａＦ２層である。典型的には、導電性ＣａＦ２層１１３は、より薄いＣａＦ２層１０７及び１１１よりも厚い。導電性のＣａＦ２層１１３は、例えば、ドープされるか又はアロイ化されて少なくとも１つの他の材料と組み合わされ、その結果、それによって得られる組合せは、効果的な導電性、例えばｎ型導電性となる。ｎ型導電性を実現するための１つの方法は、ＣａＦ２層１１３とＣｄＦ２をアロイ化し、次いでそのアロイ全体に３価の金属イオン、例えばガリウム（Ｇａ）をドープすることである。アロイという言葉が意味するのは、単なるドーパントであると考えられるよりもＣｄＦ２濃度が高いということである点に留意されたい。例えば、導電性Ｓｉ層１０５のドーピングは、シリコンに濃度０.００５％のアンチモンを使用して実行することができる一方、ＣａＦ２とＣｄＦ２のアロイは、ＣａＦ２中の１％のＣｄＦ２から構成することができる。
【００２０】
導電性ＣａＦ２層１１３は、導電性シリコン層１０５と同様に電極の役割をする。導電性ＣａＦ２層１１３は金属電極層１１５に電気的に接続され、金属電極層１１５は導体１２５に結合され、その結果、電気は導体１２５及び電極層１１５介して導電性ＣａＦ２層１１３に供給される。
【００２１】
図１の例示的な半導体光源１００などの、Ｓｉ及びＣａＦ２光源は、例えば１μｍ〜４μｍの間、より具体的には、それぞれ現代の通信用途に適した１．３又は１．５μｍの近赤外スペクトル領域の光を放射するように調整することができる。さらに有利には、主にシリコンをベースとする光源は、他の化合物半導体をベースとする光源よりも安価に製造できる。シリコンをベースとする光源は、シリコン技術に基づく従来の電子部品及び光学部品と統合することもより容易である。
【００２２】
ｎ型Ｓｉ及びＣａＦ２を示してきたが、ｐ型Ｓｉ及びＣａＦ２も同様に使用可能となり得ることが、当業者には認識されるであろうということに留意されたい。
【００２３】
図２は、導体１２５と１２７の間に電圧が印加されていないときの、例示的な半導体光源１００（図１）などの例示的な半導体光源の伝導帯図の基本部分を模式的に表している。領域２０９（図２）は、ＣａＦ２領域２０７及び２１１によって形成されるＳｉ量子井戸を表している。領域２０９はＳｉ層１０９（図１）に対応し、ＣａＦ２領域２０７及び２１１（図２）がそれぞれＣａＦ２層１０７及び１１１（図１）に対応している点に留意されたい。また、領域２０７、２０９、及び２１１を画定する線分２４７、２４９、及び２５１は、それらの関連する層の材料の伝導帯の底を表している点に留意されたい。伝導帯オフセットは、領域２０７又は領域２１１内の伝導帯の底と領域２０９内の伝導帯の底との間の電位差であり、量子井戸の高さに相当し、約２．２電子ボルトである。
【００２４】
また図２には、エネルギーＥｌ及びＥ２を有するエネルギー帯２２１及び２２３も示されており、ここでは、Ｅ２はＥｌよりも大きい。電子が領域２０９内にある間は、この電子は、エネルギー帯２２１及び２２３の一方にのみ存在できる。Ｅ２とＥｌのエネルギー差は、使用される個々の材料及びそれらの各層の厚さに依存する。好ましくは、Ｅ２とＥｌのエネルギー差を０．８ｅＶ程度にすることができ、これは１．５μｍ程度の光波長に相当する。あるいは、Ｅ２とＥｌのエネルギー差を０．９５ｅＶ程度にすることもでき、これは１．３μｍ程度の光波長に相当する。
【００２５】
Ｓｉ及びＣａＦ２に、ゲルマニウム及びフッ化カドミウム（ＣｄＦ２）などの他の材料を、例えばドープ及び／又はアロイ化して組み合わせると、本発明の原理によって構成される半導体光源の特性のさらなるカスタマイズが可能になる。例えば、例示的な半導体光源１００（図１）では、シリコン層１０９のシリコンと少量のＧｅをアロイ化することによって、完全な格子整合を達成することができる。ＣａＦ２層１０７又は１１１の一方又は両方のＣａＦ２とフッ化カドミウム（ＣｄＦ２）をアロイ化することよって、その結果得られる組合せを導電性にすることができる。このような材料を添加することによって、加えられる方の材料のバンドギャップが変化し、その材料のバンド配列も変化する。その結果、例示的な光構造体１００を形成するために、このような材料は組み合わせて使用すると、その結果得られるサブバンド間のギャップは、材料が加えられない場合と比較して変化する。その結果、サブバンドのギャップを制御し、したがって、生成される光の波長を制御することができる。当業者には容易に理解されるように、本発明のこのような実施形態の実際の伝導帯図は、必ずしもまったく同じというわけではないが、図２の伝導帯図と同様である。
【００２６】
図２と同様、図３は、本発明の原理によって構成された、例示的な半導体光源１００（図１）などの例示的な半導体光源の伝導帯図の広範な部分を模式的に表している。しかし図２とは異なり、図３では伝導帯図は、典型的動作条件下にあるなど、導体１２５と導体１２７の間に電位差があるときのものある。領域３０９（図３）は、ＣａＦ２領域３０７及び３１１によって形成されるＳｉ量子井戸を表している。領域３０９がＳｉ層１０９（図１）に対応し、ＣａＦ２領域３０７及び３１１（図３）がそれぞれＣａＦ２層１０７（図１）及び１１１に対応する点に留意されたい。対応する領域２０９の底２４９（図２）と比較して、領域３０９（図３）の底３４９（図３）が傾いている点に留意されたい。これは、電圧の印加によるものである。同様に、伝導帯の底に対応する、領域３０７及び３１１それぞれの上部線分３４７及び３５１は、対応する各線分２４７（図２）及び２５１と比較して傾いている。しかし、領域３０７内の伝導帯の底又は領域３１１内の伝導帯の底と、それと最も密接に隣接する領域３０９の伝導帯の底との電位差である伝導帯オフセットは、図２に示す電圧が印加されていない場合と同じであり、したがって伝導帯オフセットは、依然として約２．２電子ボルトである。
【００２７】
また図３には、エネルギーＥｌ及びＥ２を有するエネルギー帯３２１及び３２３も示されており、ここでは、Ｅ２はＥｌよりも大きい。電子が領域３０９内にある間は、この電子は、エネルギー帯３２１及び３２３の一方にのみ存在できる。Ｅ２とＥｌのエネルギー差は、使用される個々の材料及びそれらの各層の厚さに依存する。好ましくは、Ｅ２とＥｌのエネルギー差を０．８ｅＶ程度にすることができ、これは１．５μｍ程度の光波長に相当する。あるいは、Ｅ２とＥｌのエネルギー差を０．９５ｅＶ程度にすることもでき、これは１．３μｍ程度の光波長に相当する。
【００２８】
例えば図４は、オングストロームで表す量子井戸幅と、それに対応する、電子ボルト（ｅＶ）で結果として表されるサブバンド・エネルギーとの一般的関係の近似を示すグラフを示している。量子井戸幅は、Ｓｉ層１０９の厚さに対応する。量子井戸に少なくとも２つのサブバンドを有し、これら２つのサブバンド間のエネルギーが所望の光の波長に対応することが望ましいという点に留意されたい。例えば、２つのサブバンドに約０．８ｅＶの間隔があると、その結果生じる光は約１．５μｍであり、２つのサブバンドに約０．９５ｅＶの間隔があると、その結果生じる光は約１．３μｍである。先に説明したように、基本層材料への材料の添加を使用することにより、サブバンド間のギャップ、したがって生成される光の波長を変えることができる。当業者には、所望の光の波長を生成するのに適した幅及び添加材料を選択することが容易に可能であろう。
【００２９】
図３に戻ると、金属層１１５（図１）及び導電性シリコン層１０５の伝導帯それぞれに対応する伝導領域３１５及び３０５が、電子で充填されている点に留意されたい。また、領域３１３の伝導帯の底も電子で充填されている。導電性領域３１５から供給される電子は、導電性ＣａＦ２層１１３（図１）に対応する導電性ＣａＦ２領域３１３を通過する点に留意されたい。次いでこれらの電子は、ＣａＦ２領域３０７を量子機構的にトンネルして、領域３０９に対応する量子井戸内のエネルギー準位３２３に到達する。電子がエネルギー準位３２３からエネルギー準位３２１に自然に遷移するときに、量子遷移３２５によって概略的に示すように電子が光子を放出する。次いで、エネルギーの低下した電子は、ＣａＦ２領域３１１をトンネルして導電性シリコン領域３０５に到達する。電子は、そこから構造物を出ることができる。
【００３０】
図５は、別の例示的な半導体光源の活性領域５００を示している。活性領域５００は、さまざまなレーザ構成での使用に適している。活性領域５００は、ＣａＦ２層５０７、５１１、５４１、及び５６１、並びにＳｉ層５０９、５３９、及び５６１を含む。層の相対的な厚さは、一定の比率ではなく、教育的目的のために表されている点に留意されたい。本明細書で先に述べたように、Ｓｉ及びＣａＦ２の層の代わりに、各層の基本的材料を他の材料と組み合わせて、その結果得られるバンドギャップを制御することができる点に留意されたい。また、どのドープ層又はアロイ層それぞれのドーパント濃度又はアロイ材料も、他の層のドーパント濃度又はアロイ材料とは無関係であり得る点に留意されたい。
【００３１】
図６は、電圧が両端に印加されたときの例示的な半導体光源活性領域５００（図５）の伝導帯図を模式的に表している。図６の伝導帯図に重ねられているのは、量子井戸内の利用可能な任意のサブバンドで電子が見つかる確率密度である。このような確率密度は、エネルギー状態に関連する波動関数の二乗係数のために算出される点に留意されたい。
【００３２】
より具体的には、領域６０９は、それぞれが障壁の役割をするＣａＦ２領域６０７と６１１の間のＳｉ量子井戸を表している。この量子井戸は、ＣａＦ２層５０７と５１１の間に位置するＳｉ層５０９（図５）によって形成され、領域６０９（図６）はＳｉ層５０９（図５）に対応し、領域６０７（図６）及び６１１は、それぞれＣａＦ２層５０７（図５）及び５１１に対応する。同様に、領域６３９（図６）は、障壁の役割をするＣａＦ２領域６１１及び６４１によって形成されるＳｉ量子井戸を表している。領域６３９はＳｉ層５３９（図５）に対応し、ＣａＦ２領域６１１（図６）及び６４１は、それぞれＣａＦ２層５１１（図５）及び５４１に対応する。同様に、領域６５９（図６）は、障壁の役割をする層５５７（図５）及び５６１に対応するＣａＦ２領域６４７（図６）及び６６１と共にＳｉ層５５９（図５）によって形成されるＳｉ量子井戸を表している。ドープを行わない場合、ＣａＦ２領域６０７（図６）、６１１、６４１、及び６６１のうちの１つの伝導帯の底と、それに隣接するＳｉ領域６０９、６３９、又は６５９のうちの１つの伝導帯の底との間の電位差である伝導帯オフセットは同じである。
【００３３】
例示的な半導体光源活性領域５００（図５）の多層構造及び層の幅に起因して、それにより形成される量子井戸６０９（図６）、６３９、及び６５９が相互作用して、量子井戸系が形成される。量子井戸系には、エネルギーＥｌ、Ｅ２、及びＥ３を有するエネルギー帯６１９、６２１、及び６２３があり、ここではＥ３はＥ２よりも大きく、Ｅ２はＥｌよりも大きい。例示的な半導体光源活性領域５００（図５）内の電子は、エネルギー帯６２１（図６）、６２３、及び６１９のうちの１つにのみ存在できる。これらの準位はそれぞれ、量子井戸のうちの１つだけに存在するものとして示してあるが、そのエネルギー準位ではあるものの、異なる量子井戸で電子が見つかる可能性があることが確率密度によって示されている。そうではあるが、明確にするために、各エネルギー準位は、電子がそのエネルギー準位においてその量子井戸で見つかる確率が最も高いそれぞれの量子井戸に示されている。
【００３４】
エネルギー準位間のエネルギー差は、使用される個々の材料及び使用される材料の層の厚さに依存する。Ｅ２とＥｌのエネルギー差は０．８ｅＶ程度であるのが好ましく、これは１．５μｍ程度の光波長に相当する。あるいは、Ｅ２とＥｌのエネルギー差は０．９５ｅＶ程度であり、これは１．３μｍ程度の光波長に相当する。また、Ｅ２とＥ３のエネルギー差は、フォノンのエネルギー程度であるのが好ましい。
【００３５】
最初の動作は、電子がＣａＦ２領域６０７をトンネルして、量子井戸６０９のエネルギー準位Ｅｌに到達するというものである。電子は、量子井戸６３９へとＣａＦ２領域６１１をトンネルすると、量子井戸６３９でエネルギー準位Ｅ２に降下しながら光子を放出する。その後、電子は、ＣａＦ２領域６４１をトンネルすると、量子井戸６５９でエネルギー準位Ｅ３に降下しながらフォノンを放出する。従来、このフォノンの放出及びＥ２からＥ３への降下は緩和と呼ばれている。次いで電子は、ＣａＦ２領域６６１をトンネルすることによって活性領域５００を出る。
【００３６】
図７は、エネルギー緩和領域として、及び注入領域として機能するように使用されるいわゆる「超格子」領域７００を示している。機能的には、超格子領域７００は、ある活性領域から他の活性領域に効率的に電子を輸送する。より具体的には、超格子領域７００は充分な長さである必要があり、それにより、超格子領域７００両端のバイアスと超格子領域７００が接続する２つの活性領域は、超格子領域７００が結合するその２つの活性領域のうちの電位レベルの高い方の最も低いエネルギー準位、例えば緩和エネルギー準位が、２つの活性領域のうちの電位レベルの低い方の最も高いエネルギー準位と一致するようなものとなる。
【００３７】
超格子領域７００は、Ｓｉ層、例えばＳｉ層７０９、７１３、７１７、７２１、７２５、７２９、及び７３３と、ＣａＦ２層、例えばＣａＦ２層７０７、７１１、７１５、７１９、７２３、７２７、７３１、及び７３５とが交互になって形成される。典型的には、超格子領域７００のＳｉ層は、導電率を改善し、超格子領域７００による電子輸送を容易にするために薄くドープされる。超格子領域７００のＣａＦ２層をドープしてもよい。典型的には、ＣａＦ２層の幅は一定のままであってもよいが、Ｓｉ層の幅はさまざまである。使用される層の数と、場合によっては層のそれぞれに対して必要なドーピングとは、それによって得られる超格子の各エネルギー準位が、ａ）いわゆる「ミニ」バンド形成し、ｂ）十分な空間的分離を提供して、印加電位差が超格子領域７００から電子が供給されている活性領域の最も高いエネルギー帯を、超格子領域７００が電子を受け取っている緩和エネルギー準位と同じエネルギー準位までシフトすることができるように電位電圧が印加されているときに重なるようなものである必要がある。したがって、層の数及び層の幅に関する特定の設計は、所望の特定の動作電位差及び動作時の活性領域のエネルギー準位に依存し、典型的な動作条件下でミニ・バンドが形成されるようなものであるべきである。当業者には、さまざまな用途のための超格子領域を容易に設計することが可能であろう。
【００３８】
図８は、電圧が両端に印加されていないときの、例示的な超格子７００（図７）の伝導帯図を模式的に表している。図示のように、超格子領域７００（図７）のＣａＦ２層に対応するＣａＦ２障壁８０７（図８）、８１１、８１５、８１９、８２３、８２７、８３１、及び８３５のうちの２つに挟まれた、超格子領域７００（図７）のＳｉ層によって形成された各量子井戸８０９（図８）、８１３、８１７、８２１、８２５、８２９、及び８３３は、エネルギー状態８６１、８６３、８６５、８６７、８６９、８７１、及び８７３のうちの好ましいエネルギー状態をそれぞれ有する。
【００３９】
図９は、例えば典型的な動作条件の下で、電圧が両端に印加されたときの例示的な超格子７００（図７）の伝導帯図を模式的に表している。図９に示すように、電子が容易に通過できるミニ・バンド９９９が形成されている。また、図８のように電位差が印加されないときには、連続した層それぞれの伝導帯の底はその値からシフトされている。
【００４０】
図１０は、活性領域５００（図５）を形成する層と超格子領域７００（図７）を形成する層の多重反復を使用する例示的な量子カスケードレーザ１０００の断面構造の一部を示している。より具体的には、超格子領域１０３１−１及び１０３１−２（集合的に超格子領域１０３１）と、活性領域１０３５−１及び１０３５−２（集合的に活性領域１０３５）とが図１０に示されている。超格子領域１０３１は、注入領域の役割をし、活性領域１０３５に形成される多重量子井戸に電子を供給する。活性領域１０３５は、発光するように動作する。使用する交互になった活性領域と超格子領域の数は、実施者の裁量である。さらに、用途によっては、超格子領域１０３１−１を使用する必要はない。超格子領域１０３１−１は、電子が電極１０１７から活性領域１０３５−１まで通過するための効率的な経路を提供する働きをする。
【００４１】
基板１００１の反対側にある、例示的な量子カスケードレーザ１０００の交互になった活性領域及び超格子領域の端部で、超格子領域１０３５はアロイ化されていることが好ましい。ＣａＦ２／ＣｄＦ２超格子領域１０３５は、超格子領域７００（図７）のものと類似した構造を有しているが、シリコン層がＣｄＦ２で置き換えられている。超格子領域７００（図７）に関連して先に述べたように、ＣａＦ２／ＣｄＦ２超格子領域１０３５（図１０）のさまざまな層の厚さは、動作電圧が印加されたときにミニ・バンドを形成するのに必要なエネルギー準位によって決まる。ＣａＦ２／ＣｄＦ２超格子領域１０３５（図１０）は、導体ではあるが、活性領域１０３５のうちの隣接する活性領域によって示される有効屈折率よりも低い有効屈折率を有しているため、量子カスケードレーザ１０００内に光を閉じ込める導体の役割をする。この閉じ込めは、上記のＳｉＯ２層１０２によって実行されるのと同じ機能である。
【００４２】
また、例示的な量子カスケードレーザ１０００は、ａ）シリコン（Ｓｉ）基板１０１、ｂ）二酸化シリコン層ＳｉＯ２  １０２、ｃ）Ｓｉ層１０３、ｄ）導電性Ｓｉ（ｎ＋Ｓｉ）層１０５、ｅ）金属層１１５及び１１７、並びにｊ）導体１２５及び１２７も含む。
【００４３】
分子線エピタキシが、Ｓｉ及びＣａＦ２、並びにＣｄＦ２の各種層を堆積させるために使用されてもよい。シリコンを堆積する場合、ｅビーム源、例えば電子ビーム蒸着器を、Ｓｉ原子の供給源として使用することができる。ＣａＦ２、ＣｄＦ２、及びドーパントのために、熱蒸着器、例えばエフュージョン・セル（ｅｆｆｕｓｉｏｎ  ｃｅｌｌ）を、分子の供給源として使用することができる。
【００４４】
図１１は、例示的な量子カスケードレーザ１０００の３次元図の一部分を示している。金属層１１５及び１１７と導体１２５及び１２７、並びに面１０５５及び１０７１が示されている。レージングが起こる光共振器を面１０５５間に形成するように、面１０５５は一部が反射性である。面１０５５は、劈開することによって、若しくは反射性物質で被覆することによって、又はそれらの組合せによって反射性にすることができる。面１０５５の各々は、面１０５５の他の面とはある程度独立した形で反射性にすることができる。面１０７１は、シリコン（Ｓｉ）基板１０１、二酸化シリコン層ＳｉＯ２、Ｓｉ層１０３、及び導電性Ｓｉ（ｎ＋Ｓｉ）層などの例示的な量子カスケードレーザ１０００の下層である。レーザ光線１０７５が、面１０５５のうちの１つから放射されている様子が示されている。
【００４５】
本発明の原理によって構成される半導体光源は、単にストレート状である必要はなく、さまざまな形状に成形されて、例えばリング共振器レーザ又は導波路型光増幅器を形成できることが、当業者は容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の原理によるシリコン（Ｓｉ）とフッ化カルシウム（ＣａＦ２）の組合せをベースとして構築された例示的な半導体光源を示す図である。
【図２】電圧が印加されていないときの図１に示した例示的な半導体光源の伝導帯の基本部分を示す模式図である。
【図３】電位差が印加されたときの図１に示した例示的な半導体光源の伝導帯の広範な部分を示す模式図である。
【図４】オングストロームで表す量子井戸幅と、それに対応する、電子ボルト（ｅＶ）で結果として表されるサブバンド・エネルギーとの一般的関係の近似を示すグラフである。
【図５】さまざまなレーザ構成で使用するのに適切な別の例示的な半導体光源の活性領域の図である。
【図６】電圧が両端に印加されたときの図５に示した例示的な半導体光源の活性領域の伝導帯模式図である。
【図７】エネルギー緩和領域及び注入領域として機能するように使用される「超格子」領域を示す図である。
【図８】電圧が両端に印加されていないときの図７の例示的な超格子の伝導帯模式図である。
【図９】電圧が両端に印加されたときの図７の例示的な超格子の伝導帯模式図である。
【図１０】図５の活性領域を形成する層と図７の超格子領域を形成する層との多重反復を使用する例示的な量子カスケードレーザの断面構造の部分図である。
【図１１】図１０に示した例示的な量子カスケードレーザの３次元部分図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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