(57)【要約】  半導体レーザ、スーパールミネセンス発行ダイオード（ＳＬＤ）、利得チップ、光増幅器などの光電子装置の効率を改善させる方法を開示する。図４Ｂを参照されたい。本発明の原理によれば、少なくとも１つの遮断層（７０）が、装置を構成する材料間の境界面において挿入される。少なくとも１つの遮断層は、障壁を創出し、この障壁は、導波路領域に含まれる装置の活性領域から装置のクラッド領域（６６）に電子が漏出するのを防止する。本発明の一態様では、遮断層（７０）が、異なるタイプの伝導性を有する半導体材料の接合部に形成される。遮断層により、電子が異なる極性の材料に入るのが防止される。本発明の他の態様では、低ドープまたは非ドープ領域（６４）が、光損失を低減するために、遮断層（７０）に隣接して配置される。
2005510854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合部をｐタイプ組成材料とｎタイプ組成材料との間に形成して、様々な組成を有する隣接して接続された複数の半導体材料からなる光電子装置の効率を改善させる方法であって、
前記ｐ／ｎ接合部と合致する遮断層を組み付けるステップであって、前記遮断層が、電子がｎタイプ材料と言われる活性領域からｐタイプ材料に横断するのを防止するために、伝導帯に障壁を生成するような組成の材料から形成されるステップと、
隣接して接続された材料より低いドーピング・レベルを有する前記遮断層に隣接して材料を組み付けるステップとを含む、方法。
【請求項２】
少なくとも１つの第２遮断層を隣接して接続された材料間の少なくとも１つの境界面に組み付けるステップであって、電子が前記少なくとも１つの境界面を横断することを防止するために、前記組みつけられた第２遮断層が、前記伝導帯に少なくとも１つの第２障壁を生成するような組成であるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数の材料が、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＰＡｓ／ＧａＡｓからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記遮断層が、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＡｓからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つの第２遮断層材料が、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＡｓからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記遮断材料の組成が、隣接する材料の伝導帯レベルより大きい少なくとも２００ｍｅＶの電子エネルギーを有する障壁を提供するように選択される、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つの第２遮断材料組成が、隣接する材料の伝導帯レベルより大きい少なくとも２００ｍｅＶの障壁を提供するように選択される、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記遮断層が、前記低ドープ層と前記活性領域との間に挿入される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記低ドープ層が、前記遮断層と前記活性領域との間に挿入される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記遮断層が、ｐドープされている、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記遮断層の厚さが、２０〜５０ナノメートルの範囲にある、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの遮断層のそれぞれが、２０〜５０ナノメートルの範囲にある、請求項２に記載の方法。
【請求項１３】
半導体光電子装置であって、
接合部をｐタイプ組成材料とｎタイプ組成材料との間に形成して、異なる組成を有する隣接して接続された複数の半導体材料と、
前記ｐ／ｎ接合部と合致する遮断層であって、電子が前記ｎタイプ材料と言われる活性領域からｐタイプ材料に横断するのを防止するために、伝導帯に障壁を生成するような組成の材料から形成される遮断層と、
隣接して接続された材料より低いドーピング・レベルを有する前記遮断層に隣接する材料と、
を備える装置。
【請求項１４】
隣接して接続された材料間の少なくとも１つの境界面にある少なくとも１つの第２遮断層であって、電子が前記少なくとも１つの境界面から横断するのを防止するために、前記伝導帯に少なくとも１つの第２障壁を生成するような組成である第２遮断層をさらに備える、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記複数の材料が、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＰＡｓ／ＧａＡｓからなる群から選択される、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記遮断層材料が、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＡｓからなる群から選択される、請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの第２遮断層材料が、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＡｓからなる群から選択される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記遮断材料の組成が、隣接する材料の伝導帯レベルより大きい少なくとも２００ｍｅＶの電子エネルギーを有する障壁を提供するように選択される、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの第２遮断材料の組成が、隣接する材料の伝導帯レベルより大きい少なくとも２００ｍｅＶの電子エネルギーを有する障壁を提供するように選択される、請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記遮断層が、前記低ドープ材料と前記活性領域との間に挿入される、請求項１３に記載の装置。
【請求項２１】
前記低ドープ材料が、前記遮断層と前記活性領域との間に挿入される、請求項１３に記載の装置。
【請求項２２】
前記遮断層が、ｐドープされている、請求項１３に記載の装置。
【請求項２３】
前記遮断層の厚さが、２０〜５０ナノメートルの範囲にある、請求項１３に記載の装置。
【請求項２４】
前記少なくとも１つの遮断層のそれぞれが、２０〜５０ナノメートルの範囲にある、請求項１４に記載の装置。
【請求項２５】
高電力半導体装置の光電子源装置であって、
ｐ／ｎ接合部が間に形成されたクラッド領域および導波路領域であって、前記クラッド領域が、前記導波路領域より小さい屈折率を有し、前記導波路領域が、その中の光子を生成するために少なくとも１つの量子井戸を含む活性領域を含んでいる、クラッド領域および導波路領域と、
電子が前記活性領域から前記クラッド領域に漏出するのを防止するために、前記ｐ／ｎ接合部と合致する障壁を創出する大きなバンド・ギャップを有する遮断層と、
前記遮断層に隣接する低ドープ材料層と、
を備える装置。
【請求項２６】
前記遮断層の厚さが、２０〜５０ナノメートルの範囲にある、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記遮断層が、隣接する領域の伝導帯レベルより大きい少なくとも２００ｍｅＶの電子エネルギーを有する障壁を創出する、請求項２５に記載の装置。
【請求項２８】
前記導波路領域が、少なくとも１つの閉じ込め層からさらになる、請求項２５に記載の装置。
【請求項２９】
前記少なくとも１つの閉じ込め層の間に挿入された第２遮断層をさらに含む、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記第２遮断層が、隣接層の伝導帯より大きい少なくとも２００ｍｅＶの電子エネルギーの障壁を創出する、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記低ドープ層が、前記クラッド領域と前記遮断層との間に挿入される、請求項２５に記載の装置。
【請求項３２】
前記低ドープ層が、前記遮断層と前記活性領域との間に挿入される、請求項２５に記載の装置。
【請求項３３】
前記ｐ／ｎ接合部が、前記クラッド領域と前記導波路領域との間の境界面に形成される、請求項２５に記載の装置。
【請求項３４】
前記ｐ／ｎ接合部が、前記クラッド領域の内部に形成される、請求項２５に記載の装置。
【請求項３５】
前記低ドープ材料の厚さが、
【数１】
2005510854.tif 000003
のように決定され、
ｄが、前記低ドープ材料の厚さであり、
λが、動作波長であり、
φが、ラジアンで表した所望のビーム発散である、請求項１に記載の方法。
【請求項３６】
前記低ドープ材料の厚さが、
【数２】
2005510854.tif 000004
のように決定され、
ｄが、前記低ドープ材料の厚さであり、
λが、動作波長であり、
φが、ラジアンで表した所望のビーム発散である、請求項１３に記載の方法。
【請求項３７】
前記低ドープ材料の厚さが、
【数３】
2005510854.tif 000005
のように決定され、
ｄが、前記低ドープ材料の厚さであり、
λが、動作波長であり、
φが、ラジアンで表した所望のビーム発散である、請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光電子技術に関し、より具体的には、高電力半導体レーザ、増幅器、利得チップ、およびテレコムアプリケーション用の改善効率および低ビーム発散を有するスーパールミネセンス発光ダイオード（ＳＬＥＤ）など、高電力光電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザおよびＳＬＥＤなどの光電子装置は、光ファイバ電気通信システムの異なる態様の光源を提供する。レーザなどの光電子放射源装置は、１．３１から１．５５ミクロン（μｍ）の波長出力を有し、電気通信業務に最も一般的に使用されるレーザである。１．３１μｍの波長を有する放射源装置は、短距離伝送およびケーブルＴＶ信号に通常使用され、一方１．４２〜１．６μｍの波長は、光ファイバ通信に通常使用される。１．４２から１．４８μｍの範囲の波長を有するレーザは、ラマンおよびエルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）用のポンプ・レーザとして通常使用される。長距離伝送では、例えば、１．５４から１．５６μｍの波長を有するレーザを使用することが所望される。すべてのテレコムアプリケーションと、具体的にはＥＤＦＡポンプ源では、半導体ソースの動作電流は、閾値電流を２けた以上超える。
【０００３】
本質的に、従来の技術から確認することができるように、主要レーザ特性の弱い温度依存性が、テレコム・レーザでは極度に重要である。従来の技術において既知であるように、１．３〜１．５μｍの波長範囲において動作するレーザについて、高温で高い性能を維持することは容易ではない。テレコム・レーザに広く使用される材料は、ＩｎＰ基板の上に成長したＩｎＧａＡｓＰ化合物である。ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰレーザに関する多くの調査により、そのパラメータの強い温度降格性は、電子をレーザ活性領域に閉じ込めるにはエネルギー・レベル障壁の高さが不十分であることに部分的に関連することが実証されている。伝導帯の障壁が低い結果として、ｎドープ；クラッド層から注入された電子のいくつかは、活性領域を通過してｐドープ；クラッド層において失われる。多くの研究者がこの問題に注目し、高温での電子漏出を低減するために、様々な解決法が開発された。例えば、１９９５年１１月２３日のＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌｕｍｅ３１、Ｎｕｍｂｅｒ２４に発表されたムライ（Ｍｕｒａｉ）らによる「Ｌａｓｉｎｇ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ  Ｕｎｄｅｒ  Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  １．５５μｍ  Ｓｔｒａｉｎｅｄ  ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｌＡｓ  ＭＱＷ  Ｌａｓｅｒ  Ｗｉｔｈ  ＩｎＡＩＡｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｔｏｐｐｅｒ  Ｌａｙｅｒ」という名称の文献を参照されたい。この論文では、１．５５μｍのひずみＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｌＡｓ  ＭＱＷレーザが示されており、ＩｎＧａＡＩＡｓクラッド層とＩｎＡＩＡｓ電子ストッパ層が、電子漏出電流を低減するように組み合わされている。この装置は、ＣＷ動作の高い最大温度で、低閾値電流を示した。論文において指摘されているように、電子ストップ層のない従来のひずみＭＱＷレーザと比較することにより、優れたレージング特性が実証された。同様の設計が、熱電子冷却装置を有さずに動作することができる１．３μｍレーザの製作に使用された。そのようなレーザは、加入者ネットワークおよび光相互接続システムに必要である。例えば、タケマサ（Ｔａｋｅｍａｓａ）らによってＪａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  Ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓの１２３０〜１２３３ページに発表された、「Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＡｌＧａＩｎＡｓ  Ｒｉｄｇｅ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ  Ｗｉｔｈ  ａ  ｐ−ＡｌＩｎＡｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｔｏｐｐｅｒ  Ｌａｙｅｒ」という名称の文献を参照されたい。
【０００４】
これらの論文では、活性領域のバンド・ギャップより大きいバンド・ギャップを有する材料の層で挟まれた量子井戸（ＱＷ）を含むレーザの活性領域を示すバンド図を見ることができる。したがって、注入電子と正孔を活性領域に閉じ込めるエネルギー障壁が創出される。従来の技術は、ＩｎＧａＡｓＰおよびＩｎＰを使用して、１．２から２．０μｍの範囲で動作するレーザの活性領域と障壁を創出した。これらの材料の欠点は、電子のエネルギー障壁が正孔のエネルギー障壁より低く、ＱＷにおいて光子を生成するために、電子を注入することを望むとき、活性領域からｐドープＩｎＰクラッド層へ電子電流が漏出し、これによりレーザの性能が限定されることである。漏出電流は、全電流の増大より速い速度で増大するので、この漏出電流成分は、全電流および感熱性に超線形に関係する。この問題は、１．５５μｍで動作するレーザより、１．３μｍで動作するレーザで深刻である。実際、この問題は、非常に深刻なので、ＡｌＩｎＧａＡｓをクラッド層材料として使用する、またはＡｌＩｎＡｓをストップ電子（遮断）層として使用する。
【０００５】
しかし、アルミニウム化合物は、電気通信装置では望ましくない。その理由は、アルミニウムは容易に酸化し、それによりレーザの製作と、ならびに長期信頼性について、問題を創出するからである。従来の技術は、ＩｎＧａＰの大きなバンド・ギャップ材料を遮断層として使用することによって、この問題を解決することを試みた。ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰテレコム・レーザのさらなる問題は、高電流密度における動作において生じる。短いパルス領域と連続波（ＣＷ）領域との両方における電流に対する出力パワー（Ｐ−Ｉ特性）の測定は、高電流密度において線形性能から準線形性能へ移行することを示す。この現象は、Ｐ−Ｉ特性ロールオーバーまたは飽和効果と呼ばれる。短いパルス領域では、装置の熱が無視でき、飽和効果は、純粋に電流誘起され、活性領域／ｐドープ；クラッド層境界面における電子濃度および電場の増大に関連する。その結果、活性領域からｐドープ；クラッド層に向けられる電子電流成分が増大する。ＣＷ領域では、この電流成分は、高電流によって生じる活性領域の熱によりさらに増大する。いくつかの刊行物（例えば、ＳｈｔｅｒｅｎｇａｓらによってＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓの２２１１〜２２１５ページに発表された「Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｈｅｔｅｒｏｂａｒｒｉｅｒ  Ｌｅａｋａｇｅ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ１．５μｍ  ＩｎＧａＡｓＰ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｑｕａｎｔｍ  Ｗｅｌｌ  Ｌａｓｅｒｓ」という名称の文献を参照されたい）は、活性領域／ｐドープ；クラッド境界面のｐ−ドーピングの増大により、境界面の電場が減少するために、電子の漏出を減少させることが可能になることを指摘している。しかし、正孔濃度の増大は、自由正孔による強い光子吸収に関連するさらなる光損失によって、レーザの効率を低減することになることがある。この問題を解決するために、広導波路（ＢＷ）設計が、本明細書の発明者であるＧａｒｂｕｚｏｖに１９９８年１０月６日に発行された「Ｈｉｇｈ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ」という名称の米国特許第５，８１８，８６０号において示唆されている。ＢＷレーザの場合、光モードの９９％は、厚さ全体が約１μｍである広導波路に閉じ込められる。導波路の材料は、ドープされておらず、したがって、レーザ・モードでは最小限の光損失を提供する。広導波路設計は、テレコムではない多くの応用分野では、高電力、高効率のダイオード・レーザの製作に非常に有用であった。テレコムアプリケーションの広導波路レーザの欠点は、レーザ面に垂直な方向（第１方向）における大きなビームの広がりである。１μｍの厚さの導波路を有する１．５μｍレーザでは、この広がりは、最大の半分の強度において４０度を超える（ＦＷＨＭ＞４０°）。この広がりの値は、単一モード光ファイバの効果的なレーザ結合とは共存しない。迅速な軸の広がりを改善させる方法が周知である。例えば、１つの方法は、導波路の厚さを１０〜３０ｎｍに低減するものである。しかし、そのような狭（ＮＷ）導波路構造の場合、レーザ・モードのかなりな部分（約４０％）がｐドープ；クラッド層を伝播し、自由正孔の吸収によって生じる光損失は大きい。上記で議論したように、ｐクラッド・ドーピングの低減は、電子漏出を増強するので、望ましくない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、高電流密度および高温において高効率の装置動作を提供するテレコムＭＱＷ低広がりレーザ（具体的にはファイバ増幅器用のポンプ・レーザ）の新しい設計が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
具体的にはファイバ増幅器ポンプ・レーザ用の、テレコム狭導波路低広がりダイオード発光源の新しい設計を開示する。この設計は、高電流密度および高温において、高効率動作を提供する。この設計を達成するために、大きなバンド・ギャップ遮断層が、装置構造内のｐ／ｎ接合と合致して組み込まれている。大きなバンド・ギャップ遮断層の材料は、伝導帯において隣接する材料レベルより大きい最小限の２００ｍｅＶを有する電子エネルギー障壁を創出して、電子が活性領域からｐ−ドープ；クラッド領域へ漏出するのを防止する。さらに、広バンド・ギャップ材料の低ドープ領域を少なくとも１つの遮断層と組み合わせて使用して、光損失を低減する。本発明の一態様では、遮断層は、低ドープ領域と活性領域との間に組み付けられ。本発明の第２態様では、低ドープ領域は、遮断層と活性領域との間に組み付けられる。
【０００８】
これらの図面は、単に本発明の概念を示すことを目的としており、本発明を限定するレベルであることを意図していない。必要に応じて参照記号で可能であれば補足した同じ参照番号が図面全体にわたって使用され、対応する部分を識別していることが理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１ａを参照すると、これは、参照にした米国特許第５，８１８，８６０号明細書の図１に相当し、半導体レーザ・ダイオードが１０として示されている。レーザ・ダイオード１０は、底面１４と、上面１６と、端面１８と、側面２０とを有する１つまたは複数の半導体材料の本体１２を備える。本体１２は、本体を通過して延在する導波路領域２２を含む。導波路領域２２の内部には、適切な電気バイアスがダイオード１０を横断して置かれたとき、光子が生成される活性領域２４がある。活性領域２４は、光子を生成することができるレーザ・ダイオードの分野で周知のあらゆる構造とすることが可能である。活性領域２４は、１つまたは複数の量子井戸を備える。導波路領域２２は、活性領域２４の両側に層２６を含み、この層には、半導体材料はドープされていない。
【００１０】
導波路領域２２の各側には、別々のクラッド領域２８および３０がある。クラッド領域２８および３０は、導波路領域２２の層２６の材料より小さい屈折率を有する組成の半導体材料の層である。また、クラッド領域２８および３０は、反対の伝導タイプであるように、少なくとも部分的にドープされている。クラッド領域２８および３０のドーピング・レベルは、通常、約５＊１０１７／ｃｍ３と２＊１０１９／ｃｍ３との間にある。例えば、導波路領域２２と本体１２の上面１６との間のクラッド領域２８は、ｐドープ伝導性とすることが可能であり、導波路領域２２と本体１２の底面１４との間のクラッド領域３０は、ｎドープ伝導性とすることが可能である。
【００１１】
金属などの伝導性材料の接触層３２が、ｐタイプ伝導性クラッド領域２８の上にあり、かつｐタイプ伝導性クラッド領域２８とオーム接触している。接触層３２は、ストリップの形態にあり、本体１２の端面１８間に延在し、かつ本体１２の幅、すなわち本体１２の側面２０間の距離より狭い。金属などの伝導性材料の接触層３４が、ｎタイプ伝導性クラッド領域３０の上にあり、かつｎタイプ伝導性クラッド領域３０とオーム接触している。接触層３４は、本体１２の底面１４の全領域を横断して延在する。
【００１２】
本体１２の様々な領域は、レーザ・ダイオードの作製に使用される周知の半導体材料のいずれかで作製することが可能である。材料には、ひ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ひ化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ひ化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、およびひ化リン化インジウム・ガリウム（ＩｎＧａＡｓＰ）などがあるが、これに限定されない。しかし、様々な領域に使用される材料は、光モードの所望の閉じ込めを提供する屈折率を有さなければならない。厚さ全体にわたってクラッド領域２８および３０に一様にドープすることが可能であり、または導波路領域２２との接合部ではほとんどあるいは全くドープされておらず、かつ本体１２のそれぞれの面において最大にドーピングされているように段階付けすることが可能である。
【００１３】
図１ｂを参照すると、これは、参照にした米国特許第５，８１８，８６０号明細書の図２に相当し、図１ａに示したレーザ・ダイオード１０の構造に対応するレーザ・ダイオードの伝導帯図３６を概略的に示す。この概略図には、Ｉｎ２０Ｇａ８０Ａｓなどの非ドープ材料の単一量子井戸領域４０と、量子井戸領域４０の両側にあるＡｌ３０Ｇａ７０Ａｓなどの非ドープ材料の別の閉じ込め層４２とを内部に有する導波路領域３８が含まれる。ｐドープ伝導性クラッド領域４４が、導波路領域３８の一方の側にあり、ｎドープ伝導性クラッド領域４６が、導波路領域３８の他方の側にある。クラッド領域４４および４６のそれぞれは、Ａｌ６０Ｇａ３０Ａｓである。レーザ・ダイオード３６は、単一量子井戸領域４０のみを有するように示されているが、レーザ・ダイオードの分野で周知であるように、障壁領域によって間隔をおいて配置された複数の量子井戸領域を有することが可能である。電子が量子井戸領域４０の中に降下する際に、光子が生成され、閉じ込め層４２は、ｐドープ伝導性クラッド層４４に向かう電子の流れを防止して、生成光子が既知の経路に沿って進むように誘導する。
【００１４】
ここで図２ａを参照すると、本発明の一実施形態による、半導体レーザ・ダイオードなどの光電子装置の一態様の伝導帯図２００が概略的に示されている。本発明の一実施形態のこの図では、半導体導波路領域３８は、ＩｎＧａＡｓＰなどの半導体材料からなる複数の量子井戸領域５２を備え、この領域は、障壁領域５４によって間隔をおいて配置される。障壁領域５４は、本明細書ではＥｇ５４として表すバンドギャップ・エネルギー・レベルを有するＩｎＧａＡｓＰなどの半導体材料からなる。量子井戸領域５２の両側には、内部閉じ込め層５６が示されている。内部閉じ込め層５６は、本明細書ではＥｇ５６と表すバンドギャップ・エネルギー・レベルを有するＩｎＧａＡｓＰなどの材料からなる。障壁レベル５４の材料は、内部閉じ込め層５６の材料と同じ、または異なることが可能であることが理解される。内部閉じ込め層５６のそれぞれに隣接して、外部閉じ込め層５８がある。外部閉じ込め層５８は、本明細書ではＥｇ５８と表すバンドギャップ・エネルギー・レベルを有するＩｎＧａＡｓＰなどの材料からなる。示したように、閉じ込め領域のバンドギャップ・エネルギー・レベルは、以下のように式化される。
【００１５】
Ｅｇ５２＜Ｅｇ５４＜＝Ｅｇ５６＜Ｅｇ５８
外部閉じ込め層５８に隣接して、不純物がドーピングされているＩｎＰなどの材料からなるクラッド領域６０および６２が存在する。電子集中すなわちｎドープを達成するように、既知の不純物がクラッド領域６０に追加され、高い正孔集中すなわちｐドープが達成されるように、既知の不純物がクラッド領域６２に追加される。クラッド領域６０および６２は、一般に、以前に議論したように、５＊１０１７／ｃｍ３より大きいレベルにドープされている。さらに、ｎドープ・タイプのクラッド領域６０は、一般に、その厚さ全体にわたって一様にドープされているが、ｐドープ・タイプのクラッド領域６２は、外部閉じ込め層５８との境界面における最低レベルから、その境界面における最高レベルまで段階付けされたドーピング・レベルを有することができる。クラッド領域６０および６２のエネルギー・バンド・ギャップは、外部閉じ込め領域５８のエネルギー・バンドギャップより著しく大きい。
【００１６】
本発明の原理によれば、ＩｎＧａＰなどの大きなバンド・ギャップ材料からなる引張りひずみ遮断層７０は、やはりｐドープとすることが可能であり、外部閉じ込め層５８とクラッド層６２との間に挿入される。すなわち、ｐタイプ材料とｎタイプ材料との間に形成されたｐ／ｎ接合部と合致して挿入される。遮断層７０は、電子が外部閉じ込め領域５８からクラッド領域６２に逃げる、すなわち漏出するのを防止するエネルギー障壁を創出する。この場合、Ｅｇ７０と表す遮断層７０のバンドギャップ・エネルギー・レベルは、以下のようになる。
【００１７】
Ｅｇ５８＜Ｅｇ６２＜Ｅｇ７０
遮断層７０は、２００ｍｅＶより小さくない障壁を創出するはずである。遮断層７０によって創出された障壁は、電子漏出を全駆動電流の１パーセントまで低減する。さらに、遮断層７０は、２０〜５０ナノメートル（ｎｍ）の比較的薄い層である。好ましい実施形態では、遮断層７０は、遮断層が基板材料と不整合している格子であるとき、電子トンネリングを回避するために２０ｎｍ未満であるべきではなく、また装置の直列抵抗を低減し、かつ欠陥が形成されるのを排除するために５０ｎｍより大きくあるべきである。
【００１８】
本発明の他の態様では、クラッド領域６２は、スペーサ領域６４とクラッド領域６６からなる。この態様では、クラッド領域６６は、前述したように、ｐドープ層である。しかし、スペーサ領域は、電子バンドギャップが下式のように表されるように、ｐドープＩｎＰ材料またはＩｎＧａＡｓＰ材料とすることが可能である。
【００１９】
Ｅｇ６６＞Ｅｇ６４＞Ｅｇ５８
本発明の一態様では、スペーサ領域６４は、ｐ＝１＊１０１７から２＊１０１７／ｃｍ３の大きさで低くｐドープされている。さらに、クラッド領域６６の正孔濃度は、１０１８／ｃｍ３まで急激に増大することがある。
【００２０】
ここで図２ｂを参照すると、図２ａに示した本発明の実施形態による半導体レーザ・ダイオードの第２態様の伝導帯図２１０が概略的に示されている。本発明のこの態様では、ＩｎＧａＰなどのｐドープ材料からなる第２遮断層８０が、高ドープ；クラッド領域６６と低ドープ・スペーサ層６４の境界面において導入される。第２遮断層８０は、２＊１０１７／ｃｍ３より大きい正孔濃度を提供するドーピング・レベルを有するｐドープ材料からなることが好ましい。この第２遮断層は、電子のある割合が遮断層７０を貫通する場合、電子漏出電流をさらに抑制する。
【００２１】
ここで図２ｃを参照すると、図２ａに示した本発明の実施形態による半導体レーザ・ダイオードの他の態様の伝導帯図２２０が概略的に示されている。本発明のこの態様では、第２遮断層９０が、外部閉じ込め層５８と内部閉じ込め層５６との間の境界面において導入される。遮断層８０は、遮断層７０と同様の組成のｎドープ材料からなることが好ましい。本発明のこの態様では、第２遮断層９０を含むことにより、電子が導波路３８に堆積するのが防止される。この堆積は、導波路層での自由正孔吸収による追加の光損失を生じることがある。
【００２２】
図２ｄは、本発明の第４態様の伝導帯図２３０を概略的に示す。本発明のこの態様では、前述した第２遮断層８０および９０の各々が、それぞれ、製作した半導体レーザに含まれる。
【００２３】
遮断層８０および９０は、導波路領域３８の外部への漏出電流の望ましい制限を達成するように、個々にまたは組み合わせて含むことができることを理解されたい。したがって、漏出電流を制御するために示した遮断層を含むことを、図２ａ〜２ｄに段階的に示したが、１つの遮断層を含むことは、他の遮断層とは関係のないことを理解されたい。したがって、図示していないが、本発明の範囲内にある、例示した遮断層の他の組合わせが考慮される。
【００２４】
ここで図３ａ〜３ｃを参照すると、本発明の第２実施形態に対応する伝導帯図が示されている。この例示的な例では、遮断層は、本発明の原理により、半導体材料の内部に段階的に含まれている。図３ａを参照すると、伝導帯図３００が示されており、クラッド層６２のｐドープ部分６６とｎドープ部分６４の接合部に形成された、ＩｎＧａＰなどのｐドープ半導体材料層の遮断層１００を示す。本発明の一態様では、遮断層は、張力によりひずんでいる可能性がある。以前に議論したように、ｐドープ遮断層１００は、導波路３８からクラッド領域６６のｐドープ部分に電子が流れるのを防止する電子障壁を創出する。クラッド層６２の隣接する低ｎドープ部分６４は、５＊１０１７／ｃｍ３未満の電子濃度を有する。クラッド層６２の低ｎドープ層６４とｐドープ部分６６との間の境界面では、正孔濃度は、１０１８／ｃｍ３まで急激に増大する。ｎドーピングのこのように増大することにより、小さい抵抗が装置に提供される。
【００２５】
図３ｂは、本発明の第２態様を示し、ＩｎＧａＰなどの材料のｎドープひずみ遮断層１１０が、外部閉じ込め層５８と低ドープスペーサ領域６４の境界面に形成されている。本発明のこの態様では、スペーサ領域６４は、ＩｎＰなどの非ドープ材料である。この追加の遮断層は、電子漏出電流をさらに抑制する。
【００２６】
図３ｃは、本発明の他の態様を示し、ＩｎＧａＰなどの材料の第２ｎドープ遮断層１２０が、内部閉じ込め層５６と外部閉じ込め層５８との間の境界面において組み込まれている。遮断層１２０は、電子が導波路３８に堆積するのを防止する。導波路３８に電子が堆積することにより、導波路層での自由正孔吸収による追加の光損失が創出されることがある。
【００２７】
図４ａは、例示的な従来のダイオード放射源の断面図である。この図では、装置を構成する材料層が示されている。したがって、ｎドープ；クラッド層６０は、ＩｎＰ材料からなる。外部閉じ込め層５８と、内部閉じ込め層５６と、量子井戸５２とからなる活性領域３８は、ＩｎＧａＡｓＰ材料からなる。また、ｐドープ・クラッド層６２は、ＩｎＰ材料からなる。
【００２８】
図４ｂは、本発明の一態様により構築される例示的な半導体発光装置の断面図である。より具体的には、図４ｂは、図２ａに示したものと同様の伝導帯図を有する光電子装置を示す。この例示した例では、遮断層７０が、導波路層３８とｐドープ；クラッド層６２の間の境界面に挿入されている。さらに示すように、ｐドープ；クラッド層６２は、高ドープ領域６６と低ドープ領域６４からなる。高ドープ層６６を低ドープ層６４から隔離するために、エッチ・ストップ層が、製作プロセスに含まれる。本発明の一態様では、低ドープ層６４の厚さは、以下のように選択することが可能である。
【００２９】
(数１)
上式で、ｄは、低ドープ材料の厚さであり、λは、随意選択の波長であり、φは、ラジアンで表した所望のビーム発散である。
【００３０】
図５は、従来の半導体レーザと本発明による特徴を組み込んでいる半導体レーザの両方について、入力電流に対する出力電力の性能を示すグラフ５００を示す。この例では、本発明の半導体レーザは、図２ａに示したものと同様の伝導帯図を有するように構築される。グラフ５１０によって示すように、従来のレーザの出力電力は、既知のレベル５１２まで入力電流の増大と共に増大する。その後、出力電流は、電流が増大しても、ほぼ一定のままである。一方、グラフ５２０によって表すように、本発明の遮断層技術を組み込んでいるレーザ装置の出力電力は、入力電流の増大と共に線形に増大して、７５０ｍＷの電力に到達する。したがって、本発明の原理による放射源装置は、入力電力と共に出力電力がほぼ線形に増大し、かつ入力電流が増大しても、出力電力は飽和しない。
【００３１】
図６は、本発明の原理により製作された単一モード、単一周波数ＤＦＢレーザの挿入ボックスにおけるＰ−Ｉ特性と、出力電力スペクトルとを示すグラフである。図示するように、入力電流が増大する際に、出力電流は、３７０ｍＷまで増大するが、スペクトルは、ほぼ単一の周波数のままである。さらに、サイド・モードの強度は、主要出力より著しく小さいままである。この性能は、特に電気通信システムにおいて有利であるが、その理由は、狭周波数動作により、１つの搬送波波長から他への干渉が制限されるからである。
【００３２】
ある程度の具体性を有する好ましい形態として半導体レーザについて本発明を記述および議論してきたが、好ましい形態の本開示は、単に例示として行われており、以下に主張する本発明の精神および範囲から逸脱せずに、詳細について多くの変更を実施することが可能であることを理解されたい。例えば、電子電流の漏出を防止するために遮断層を組み込む方法は、利得チップ、ＳＬＥＤ、光増幅器、ＤＦＢレーザなど、他の光電子装置においても使用することが可能である。本特許は、開示した本発明に存在する特許を受けることができる新規性の特徴である、添付の請求項の適切な表現によって網羅されるべきであることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１ａ】従来の半導体レーザの透視図である。
【図１ｂ】従来の半導体レーザの伝導帯図である。
【図２ａ】本発明の一実施形態の一態様による、例示的な半導体レーザ伝導帯図である。
【図２ｂ】図２ａに示した本発明の概念の第２態様による、第２の例示的な半導体レーザの伝導帯図である。
【図２ｃ】図２ａに示した本発明の概念の他の態様による、例示的な半導体レーザの伝導帯図である。
【図２ｄ】図２ａ、２ｂ、および２ｃに示した本発明の概念の態様による、例示的な半導体レーザの伝導帯図である。
【図３ａ】本発明の第２実施形態の一態様による、例示的半導体レーザの伝導帯図である。
【図３ｂ】図３ａに示した本発明の概念の第２態様による、第２の例示的な半導体レーザの伝導帯図である。
【図３ｃ】図３ａおよび３ｂに示した本発明の概念の第３態様による、例示的な半導体レーザの伝導帯図である。
【図４ａ】従来の量子井戸（ＱＷ）半導体放射源装置の例示的な断面エピ構造である。
【図４ｂ】本発明の原理による、ＱＷ半導体放射源装置の例示的な断面エピ構造である。
【図５】従来の１．４８ミクロン・ポンプ・レーザと図２ａに示した伝導帯図の特性を有する１．４８ミクロン・ポンプ・レーザとの性能の比較結果を示す図である。
【図６】本発明の原理により製作されたＤＦＢレーザのＰ−Ｉ特性と電力出力スペクトルを示す図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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