(57)【要約】【課題】連続体へのキャリアの漏れを事実上抑圧するサブバンド間における半導体発光デバイスを提供すること。【解決手段】本発明に係る半導体構造は、電子注入部と該電子注入部に隣接する活性領域とを含む半導体の多層を含む。この活性領域は、少なくとも１つの深い量子井戸を含み且つ各々の量子井戸のいずれかの側部に隣接して障壁層がある多数の層を有し、電子注入部から量子井戸の高エネルギーレベルに注入された電子が、光子を放出して下位エネルギーレベルにまで緩和し、活性領域の最後の障壁層を越えた領域にまで伝送されるようになっている。電子注入部は、量子井戸層を含む多数の層を有する。活性領域内の深い量子井戸の各々の底部のエネルギーは、電子注入部内の量子井戸層の底部のエネルギーより低い。この半導体構造は、さらに、電子注入部及び活性領域の上にある上位閉じ込め層及び上位クラッド層と、電子注入部及び活性領域の下にある、下位閉じ込め層、下位クラッド層及び基板とを含む。活性領域は、ＡｌＧａＡｓの障壁層及びＩｎＧａＡｓの量子井戸を有することができる。この半導体構造は、活性領域の量子井戸に窒素を組み入れることにより、より短い波長（例えば２.５μｍ〜３.５μｍ）で発光するように形成することができる。【選択図】図２
2007517411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子注入部と該電子注入部に隣接する活性領域とを含む半導体の多層を備え、
前記活性領域が、少なくとも２つの深い量子井戸を含み且つ該量子井戸層の側部に隣接して障壁層がある多数の層を有し、前記電子注入部から前記量子井戸の高エネルギーレベルに注入された電子が、光子を放出して下位エネルギーレベルまで緩和し、前記活性領域の最後の障壁層を越えた領域にまで伝送されるようになっており、
前記活性領域内の深い量子井戸の各々の底部のエネルギーが、前記電子注入部内の前記量子井戸層の底部のエネルギーより低くなっている、
ことを特徴とする半導体構造。
【請求項２】
前記電子注入部及び前記活性領域の上に上位閉じ込め層及び上位クラッド層を、
前記電子注入部及び前記活性領域の下に下位閉じ込め層、下位クラッド層及び基板をさらに含む請求項１に記載の半導体構造。
【請求項３】
前記基板がＧａＡｓにより形成され、
前記電子注入部が超格子としてのＧａＡｓ層及びＡｌＧａＡｓ層を含む多数の層により形成され、
前記活性領域がＡｌＧａＡｓの障壁層及びＩｎＧａＡｓの深い量子井戸を有する、請求項２に記載の半導体構造。
【請求項４】
前記基板がＧａＡｓにより形成され、
前記電子注入部が量子井戸層を含む多数の層により形成され、
前記活性領域が、少なくとも１つの層が張力歪み材料である複数の障壁層を有する、請求項２に記載の半導体構造。
【請求項５】
前記基板がＧａＡｓにより形成され、
前記電子注入部が超格子としてのＧａＡｓ層及びＡｌＧａＡｓ層を含む多数の層により形成され、
前記活性領域が、ＡｌＧａＡｓの障壁層、ＧａＡｓＰの障壁層及びＩｎＧａＡｓの深い量子井戸を有する、請求項２に記載の半導体構造。
【請求項６】
前記上位閉じ込め層、前記下位閉じ込め層、前記上位クラッド層及び前記下位クラッド層が、ＧａＡｓにより形成されている、請求項２に記載の半導体構造。
【請求項７】
前記活性領域の前記深い量子井戸が窒素を含む、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項８】
前記活性領域における最も高い障壁層の上部と前記活性領域内の量子井戸における上位エネルギーレベルとの間のエネルギー差が、前記活性領域内の前記量子井戸における上位エネルギーレベルと下位エネルギーレベルとの差よりも大きい、請求項１に記載の半導体構造。
【請求項９】
各々が、電子注入部と該電子注入部に隣接する活性領域とを含む半導体の多層を備える少なくとも２つのステージを含み、前記活性領域が、少なくとも２つの深い量子井戸を含み且つ該量子井戸層のいずれかの側部に隣接して障壁層がある多数の層を有し、前記電子注入部から前記量子井戸の高エネルギーレベルに注入された電子が、光子を放出して下位エネルギーレベルまで緩和し、前記活性領域の最後の障壁層を越えた領域にまで伝送されるようになっており、
前記活性領域内の深い量子井戸の各々の底部が、前記電子注入部内の前記量子井戸層の底部より低く、
前記ステージが、或るステージにおける前記活性領域からの電子を次のステージにおける前記電子注入部に移動させることを可能にする半導体層によって分離されている、
ことを特徴とする半導体構造。
【請求項１０】
前記ステージを分離する前記半導体層の厚さが５〜２０ｎｍである、請求項９に記載の半導体構造。
【請求項１１】
前記ステージの上に上位閉じ込め層及び上位クラッド層を、前記ステージの下に下位閉じ込め層、下位クラッド層及び基板をさらに含む、請求項９に記載の半導体構造。
【請求項１２】
前記基板がＧａＡｓにより形成され、
前記電子注入部が、超格子としてのＧａＡｓ層及びＡｌＧａＡｓ層を含む多数の層により形成され、
前記活性領域が、ＡｌＧａＡｓの障壁層及びＩｎＧａＡｓの深い量子井戸を有する、請求項１１に記載の半導体構造。
【請求項１３】
前記基板がＧａＡｓにより形成され、
前記電子注入部が量子井戸層を含む多数の層により形成され、
前記活性領域が、少なくとも１つの層が張力歪み材料である複数の障壁層を有する、請求項１１に記載の半導体構造。
【請求項１４】
前記基板がＧａＡｓにより形成され、
前記電子注入部が、超格子としてのＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓの多層により形成され、
前記活性領域が、ＡｌＧａＡｓの障壁層と、ＧａＡｓＰの障壁層と、ＩｎＧａＡｓの深い量子井戸とを有する、請求項１１に記載の半導体構造。
【請求項１５】
前記上位閉じ込め層、前記下位閉じ込め層、前記上位クラッド層及び前記下位クラッド層が、ＧａＡｓにより形成されている、請求項１１に記載の半導体構造。
【請求項１６】
前記活性領域における１又は複数の前記深い量子井戸が窒素を含む、請求項９に記載の半導体構造。
【請求項１７】
前記活性領域における最も高い障壁層の上部と前記活性領域内の前記量子井戸における上位エネルギーレベルとの間のエネルギー差が、前記活性領域内の前記量子井戸における上位エネルギーレベルと下位エネルギーレベルとの間のエネルギー差より大きい、請求項９に記載の半導体構造。
【請求項１８】
電子注入部と該電子注入部に隣接する活性領域とを含む半導体の多層を備え、
前記活性領域が、少なくとも１つの深い量子井戸を含み且つ該量子井戸層の側部に隣接して障壁層がある多数の層を有し、前記電子注入部から前記量子井戸の高エネルギーレベルに注入された電子が、光子を放出して下位エネルギーレベルまで緩和し、前記活性領域の最後の障壁層を越えた領域にまで伝送されるようになっており、
前記活性領域内の深い量子井戸の各々の底部のエネルギー、及び、深い量子井戸の各々における前記下位エネルギーレベルが、前記電子注入部内の前記量子井戸層の底部のエネルギーより低くなっている、
ことを特徴とする半導体構造。
【請求項１９】
前記電子注入部及び前記活性領域の上に上位閉じ込め層及び下位クラッド層を、
前記電子注入部及び前記活性領域の下に下位閉じ込め層、下位クラッド層及び基板をさらに含む請求項１８に記載の半導体構造。
【請求項２０】
前記基板がＧａＡｓにより形成され、
前記電子注入部が超格子としてのＧａＡｓ層及びＡｌＧａＡｓ層を含む多数の層により形成され、
前記活性領域が、ＡｌＧａＡｓの障壁層及びＩｎＧａＡｓの深い量子井戸を有する、請求項１９に記載の半導体構造。
【請求項２１】
前記基板がＧａＡｓにより形成され、
前記電子注入部が量子井戸層を含む多数の層により形成され、
前記活性領域が、少なくとも１つの層が張力歪み材料である障壁層を有する、請求項１９に記載の半導体構造。
【請求項２２】
前記基板がＧａＡｓにより形成され、
前記電子注入部が超格子としてのＧａＡｓ層及びＡｌＧａＡｓ層を含む多数の層により形成され、
前記活性領域が、ＡｌＧａＡｓの障壁層と、ＧａＡｓＰの障壁層と、ＩｎＧａＡｓの深い量子井戸とを有する、請求項１９に記載の半導体構造。
【請求項２３】
前記上位閉じ込め層、前記下位閉じ込め層、前記上位クラッド層及び前記下位クラッド層が、ＧａＡｓにより形成されている、請求項１９に記載の半導体構造。
【請求項２４】
前記活性領域の前記少なくとも１つの深い量子井戸が窒素を含む、請求項１８に記載の半導体構造。
【請求項２５】
前記活性領域における最も高い障壁層の上部と、前記活性領域における前記少なくとも１つの深い量子井戸における上位エネルギーレベルとの間のエネルギー差が、前記活性領域内の前記量子井戸における上位エネルギーレベルと下位エネルギーレベルとの間のエネルギー差より大きい、請求項１８に記載の半導体構造。
【請求項２６】
各々が、電子注入部と該電子注入部に隣接する活性領域とを含む半導体の多層を備える少なくとも２つのステージを備え、
前記活性領域が、少なくとも１つの深い量子井戸を含み、且つ、該量子井戸層の側部に隣接する多数の層を有し、前記電子注入部から前記量子井戸の高エネルギーレベルに注入された電子が、光子を放出して下位エネルギーレベルまで緩和し、前記活性領域の最後の障壁層を越えた領域にまで伝送されるようになっており、
前記活性領域内の深い量子井戸の各々の底部のエネルギー、及び、深い量子井戸の各々における前記下位エネルギーレベルが、前記電子注入部内の前記量子井戸層の底部のエネルギーより低く、
前記ステージが、或るステージにおける前記活性領域からの電子を次のステージにおける前記電子注入部に移動させることを可能にする半導体層によって分離されている、ことを特徴とする半導体構造。
【請求項２７】
前記ステージの上に上位閉じ込め層及び上位クラッド層を、前記ステージの下に下位閉じ込め層、下位クラッド層及び基板をさらに含む、請求項２６に記載の半導体構造。
【請求項２８】
前記基板がＧａＡｓにより形成され、
前記電子注入部が超格子としてのＧａＡｓ層及びＡｌＧａＡｓ層を含む多数の層により形成され、
前記活性領域がＡｌＧａＡｓの障壁層とＩｎＧａＡｓの深い量子井戸とを有する、請求項２７に記載の半導体構造。
【請求項２９】
前記基板がＧａＡｓにより形成され、
前記電子注入部が量子井戸層を含む多数の層により形成され、
前記活性領域が、少なくとも１つの層が張力歪み材料である複数の障壁層を有する、請求項２７に記載の半導体構造。
【請求項３０】
前記基板がＧａＡｓにより形成され、
前記電子注入部が超格子としてのＧａＡｓの層及びＡｌＧａＡｓの層を含む多数の層により形成され、
前記活性領域が、ＡｌＧａＡｓの障壁層、ＧａＡｓＰの障壁層及びＩｎＧａＡｓの深い量子井戸を有する、請求項２７に記載の半導体構造。
【請求項３１】
前記上位閉じ込め層、前記下位閉じ込め層、前記上位クラッド層及び前記下位クラッド層がＧａＡｓにより形成されている、請求項２７に記載の半導体構造。
【請求項３２】
前記活性領域の前記少なくとも１つの深い量子井戸が窒素を含む、請求項２６に記載の半導体構造。
【請求項３３】
前記活性領域における最も高い障壁層と前記活性領域内の前記少なくとも１つの深い量子井戸における上位エネルギーレベルとの間のエネルギー差が、前記活性領域内の前記量子井戸における上位エネルギーレベルと下位エネルギーレベルとの間のエネルギー差より大きい、請求項２６に記載の半導体構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、半導体レーザ及び発光デバイスの分野に関し、特定的には、サブバンド間半導体光エミッタに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、多数の層の半導体材料から形成される。通常の半導体ダイオードレーザは、典型的には、ｎ型層と、ｐ型層と、これらの間にある非ドープ層をもつ活性構造とを含み、ダイオードが順方向バイアスを与えられたときに電子と正孔とが該活性構造内で再結合して光を射出するようになっている。活性構造に隣接する層は、典型的には、活性構造よりも低い屈折率を有し、発生した光を活性構造に閉じ込め、時には隣接する層に閉じ込めるクラッド層を形成する。半導体レーザは、端縁発光又は面発光のいずれかとなるように構成することができる。
【０００３】
電子と正孔との再結合から光子を発生させるのではなく、与えられたエネルギーバンド内からの電子が或るエネルギーレベルから別のエネルギーレベルに落ちたときに光子を発生させる半導体レーザが、発表されている。「J.Faist, F.Capasso, D.L.Sivco, C. Sirtori, A.L. Hutchinson, and A.Y.Cho, Science, Vol.264, pp.553, et seq., 1994」を参照のこと。量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）と称されるこのデバイスは、サブバンド間半導体レーザとして初めて発表された実現例である。このデバイスにおける基本的な光生成メカニズムは、各々が３つの量子井戸から構成される２５の活性領域を用いることを含む。共鳴トンネリングによる注入が、第１の狭い量子井戸のエネルギーレベル（レベル３）に発生する。第１の井戸におけるレベル３から、２つの結合された量子井戸によって形成されたダブレットのうちの上位の状態であるレベル２への、放射光遷移が生じる。レベル２からレベル１への格子振動助長型の急速な緩和によって、レベル３とレベル２との間の反転分布を維持することができるように、レベル２が確実に減少（depleted）させられる。次に、レベル１からの電子が、複数の活性領域の間にある受動領域（passive region）をトンネリングにより通過する。この受動領域は、バイアスがかけられた状態において、このようなトンネリングが次の活性領域への注入として機能することを可能とするように設計されている。このタイプのデバイスをさらに発展させたものが、「F.Capasso, J.Faist, D.L.Sivco, C. Sirtori, A.L. Hutchinson, S.N.G. Chu, and A.Y.Cho, Conf.Dig.14th IEEE International Semiconductor Laser Conference, pp.71-72, Maui, Hi. (Sep. 19-23, 1994); J.Faist, F.Capasso, C.Sirtori, D.L.Sivco, A.L. Hutchinson, and A.Y.Cho, Appl.Phys.Lett., 66, 538, (1995);J.Faist, F.Capasso, C.Sirtori, D.L.Sivco,A.L.Hutchinson, S.N.G.Chu, and A. Y.Cho, "Continuous wave quantum cascade lasers in the 4-10 μm wavelength region," SPIE, Vol.2682, San Jose, pp.198-204, 1996; and J.Faist, F.Capasso, D.L.Sivco, C.Sirtori, A.L.Hutchinson, and A.Y.Cho, "Room temperature mid-infrared quantum cascade lasers, "Electron. Lett., Vol.32, pp.560-561, 1996.」に発表されている。さらに最近では、連続波（ＣＷ）動作が、非常に低い電力変換効率（＜０.５％）であって９μｍ辺りの波長のみにおいてではあるが、３００Ｋにおいて達成されている（「M.Bech, D.Hofstetter, T.Aellen, J.Faist, U.Oesterle, M.llegems, E.Gini, and H.Melchior, Science, Vol.295, pp.301-305, 2002」を参照）。このようなＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰをベースにした量子カスケードレーザの性能が急速に向上しているにもかかわらず、量子カスケードレーザは、主にその発光効率が元来低いということに起因して、中赤外（３〜５μｍ）及び遠赤外（８〜１２μｍ）の波長範囲における対象波長において高い電力変換効率（＞１５％）により３００Ｋにおいて連続波を動作させることはできそうもない。この効率の低さは、上位レーザ状態についての非発光性ＬＯ格子振動助長型の緩和時間が約１.８ｐｓであり、放射緩和時間が４.２ｎｓであるということを示すことによって、定量化される。中赤外（３〜５μｍ）及び遠赤外（８〜１２μｍ）の範囲においてサブバンド間半導体レーザの連続波動作を室温で達成する１つの手法は、各々が単一ステージのサブバンド間遷移構造を組み入れた複数の量子箱の２次元アレイを用いることを含む（「C-F Hsu, J-S.O, P.Zory and D.Botez, "Intersubband Quantum-Box Semiconductor Lasers," IEEE J.Select. Topics Quantum Electron., Vol.6, 2000, pp.491-503; U.S.Patent No.5,953,356 entitled "Intersubband Quantum Box Semiconductor Laser."」を参照）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
７.７μｍという短い波長でＩｎＰをベースにした構造のみからなる単一ステージのユニポーラデバイスについて、室温でのサブバンド間発光が発表されている（「C.Gmachl, et al., "Non-Cascaded Intersubband Injection Lasers at λ=7.7μm," Appl.Phys.Lett., Vol.73,19988, pp. 3822-3830」を参照）。より高い透過効率（transmission energy）では、活性領域の上位レベルの電子数がＡｌＧａＡｓ障壁を囲む複数のＸ谷の間にある共鳴トンネリングを介して明らかに減少する（depopulated）ので、３０〜４０ステージの、室温におけるＧａＡｓ―ＡｌＧａＡｓ量子カスケードレーザとしては、８μｍより短い波長でのサブバンド間発光を達成することはできない（「C.Sirtori, et al., "GaAs-AlGaAs Quantum Cascade Lasers: Physics, Technology and Prospects," IEEE J. Quantum Electron., Vol.38,2002,pp.547-558」を参照）。ＧａＡｓをベースにしたデバイスを最大限に利用した研究によって、注入領域と活性領域との間にある薄いバリアについて、上位レベルの注入効率を著しく低下させてしまう２つの効果が発生するということが明らかとなった。すなわち、２つの効果とは、（１）注入領域グランドレベルｇから活性領域の低レベルへの対角線方向放射光遷移、及び、（２）上記レベルｇから連続体（continuum）への重大なキャリア漏れ、である（「S.Barbieri, et al., "Design Strategies for GaAs-based unipolar lasers: optimum injector-active region coupling via resonant tunneling, "Appl.Phys.Lett., Vol.78,2001,pp.282-284」を参照）。これらの欠点に加えて、量子カスケードレーザは、通常は、超格子注入部と、活性領域と、上記超格子注入部と構造上は同一であって分布型ブラッグ反射器として機能する超格子反射器／伝送器という、３つの領域により形成される。このタイプの複雑な構造を有するデバイスの製造は、困難かつ比較的高価なものとなる。さらには、このようなデバイスにとって、不可欠な超格子注入部への不純物のドーピングは、従来の活性領域の低レベルを満たす超格子反射器／伝送器領域からの励起キャリアに起因して、室温では電流密度の閾値を著しく増加させてしまい、これにより、反転分布を弱めることになる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、非常に高い複数の障壁層の間に挟まれた非常に深い活性量子井戸を利用することにより、連続体へのキャリアの漏れを事実上抑圧する、サブバンド間半導体発光デバイスが提供される。ＧａＡｓをベースとしたデバイスについては、例えば、Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ａｓ活性層量子井戸が、複数のＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ障壁層の間に挟まれて、非常に深い量子井戸を実現することができる。加えて、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子は、活性領域の両方の側部に用いる必要がないので、共鳴トンネリングは、高い遷移エネルギーで複数のＸ谷の間には発生せず、この結果、ＧａＡｓをベースにしたデバイス及び他の半導体レーザデバイスについて中赤外の範囲における室温発光が、可能となる。
【０００６】
本発明はまた、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）ではなく、低圧金属有機化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、デバイスを製造することが可能となり、製造コストを簡略化及び削減することができる。
【０００７】
本発明に係る半導体構造は、電子注入部と該電子注入部に隣接する活性領域とを含む半導体の多層を含む。この活性領域は、少なくとも１つの深い量子井戸を含み且つ各々の量子井戸のいずれかの側部に隣接して障壁層がある多数の層を有し、電子注入部から量子井戸の高エネルギーレベルに注入された電子が、光子を放出して下位エネルギーレベルにまで緩和し、活性領域の最後の障壁層を越えた領域にまで伝送されるようになっている。好ましくは、活性領域には少なくとも２つの深い量子井戸が存在する。電子注入部は、量子井戸層を含む多数の層を有する。活性領域内の深い量子井戸の各々の底部のエネルギーは、電子注入部内の量子井戸層の底部のエネルギーより低い。この半導体構造は、さらに、電子注入部及び活性領域の上にある上位閉じ込め層及び上位クラッド層と、電子注入部及び活性領域の下にある、下位閉じ込め層、下位クラッド層及び基板とを含む。この基板はＧａＡｓにより形成することができ、電子注入部はＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓの多数の層により形成することができる。活性領域は、ＡｌＧａＡｓの障壁層及びＩｎＧａＡｓの量子井戸を有することができる。このような構造について、上位閉じ込め層、下位閉じ込め層、上位クラッド層及び下位クラッド層は、ＧａＡｓにより形成される。この半導体構造は、活性領域の量子井戸に窒素を組み入れることにより、より短い波長（例えば２.５μｍ〜３.５μｍ）で発光するように形成することができる。
【０００８】
本発明に係る別の半導体構造は、各々が、電子注入部と該電子注入部に隣接した活性領域とを有する順次配列された複数のステージを含む半導体の多層を備える。活性領域は、少なくとも１つの深い量子井戸を含み、且つ、該量子井戸のいずれかの側部に隣接して障壁がある多数の層を有し、電子注入部から量子井戸の高エネルギーレベルに注入された電子が、光子を放出して下位エネルギーレベルにまで緩和し、活性領域の最後の障壁層を越えた領域にまで伝送されるようになっている。電子注入部は、量子井戸層を含む多数の層を有する。活性領域内の深い量子井戸の各々の底部のエネルギーは、電子注入部内の量子井戸層の底部のエネルギーより低い。これらのステージは、或るステージにおける活性領域からの電子を次のステージにおける電子注入部に移動させることを可能にする半導体層によって分離されている。このようなデバイスについて、活性領域内の深い量子井戸に対する圧縮応力は、深い量子井戸と高い障壁層との間に配置された、張力歪み障壁を用いて補償される。ＩｎＧａＡｓの量子井戸とＡｌＧａＡｓの高い障壁とにより構成された活性領域を有する、ＧａＡｓ上に成長させた構造について、張力歪み障壁は、ＧａＡｓＰにより作成することができる。
【０００９】
本発明のさらなる目的、特徴及び利点が、添付した図面に関連して考慮される以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明を例示することを目的として、本発明に係るデバイスのための注入部領域１２及び２重量子井戸（ＤＱＷ）活性領域１４の伝導バンドエネルギーの図が、図１に示されている。注入部１２及びＤＱＷ活性領域１４は、プラズモン向上型の（plasmon-enhanced）ｎ型ＧａＡｓ導波路（waveguide）の中に挿入されている（「S.Barbieri, et al., 2001, supra, and C.Sirtori,2002,supra」を参照）。図１は、関連した波動関数のモデュライ平方を示す（ｎ＝３、ｎ＝２及びｎ＝１の状態についての連続曲線、及び、ｇ状態についての点線）。注入部領域は、表示した範囲にわたってｎ型ドープされ（４×１０17ｃｍ-3）、超格子部における密度３.７×１０11ｃｍ-2のドナーシートに対応する。横断方向に延びる複数の層の簡略化した断面が、この断面上に表示された例示的な組成、ドーピングレベル及び様々な層の厚さとともに、図２に示されている。図２に示すように、注入部１２及び活性領域１４は、ＧａＡｓ上位閉じ込め層１６とＧａＡｓ下位閉じ込め層１８との間に形成されている。ＧａＡｓの上位クラッド層２０が、上位閉じ込め層１６の上に形成され、ＧａＡｓの下位クラッド層２２が基板２４と下位閉じ込め層１８との間に形成されている。注入部１２内のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子は、８０ｋＶ／ｃｍの電界における活性領域のレベルｎ＝３へのトンネリングを目的として設計された。ＤＱＷ活性領域１４は、２７３ｍｅＶ（すなわちλ＝４.７１μｍ）の垂直放射光遷移を目的として設計された。（注入部の）ｇレベルとｎ＝３の状態との間の共鳴時におけるエネルギー分割（energy splitting）は、強力な結合につながる約８.４ｍｅＶである。（「C.Sirtori, et al., "Resonant Tunneling in Quantum Cascade Laser Structures," IEEE J.Quantum Electron., Vol.34,1998, pp.1722-1729」を参照）。発振器強度は、２つの光学的遷移、すなわち、レベルｇからｎ＝２への斜め方向の遷移と、ｎ＝３からｎ＝２レベルへの垂直方向の遷移との間において交互に分布させられる。電流の閉じ込めが、上部電極としてのコンタクト金属ストライプ２６（例えば８０μｍの幅）により実現されており、底部電極３０は、電流がこのデバイスを横断方向にわたって両方の電極の間に流れることができるように、基板の底面に形成することができる。例示的なデバイスは、３００μｍの長さを有し、（図２には示していない）銅ヒートシンクの上に取り付けられる。
【００１１】
励振（drive）及び温度の関数として上記例示的なデバイスから発生する光のスペクトルが、図３及び図４に示されている（励振条件：〜２００ｎｓ幅のパルス、８４ｋＨｚの反復率）。図３に示すようなＴ＝１０Ｋ及び低励振レベルでは、ｇレベルにおける電子の数は、ｎ＝３のレベルにおける数よりも遥かに大きく、これが〜２４０ｍｅＶでの斜め方向の低エネルギー遷移を顕著にしている。薄い障壁の量子カスケードデバイスについてBarbieriらにより確認されたように、発光全幅半値は大きい（〜３５ｍｅＶ）。電界が増加するにつれて、ｎ＝３レベルにおける電子数も増加し、これが、主に２５９ｍｅＶ（λ＝４.７８μｍ）における垂直方向の高エネルギー遷移に発光をシフトさせている。温度を３００Ｋ（図４）にまで増加させると、さらにｎ＝３レベルの電子数が増加し、ほとんどの発光は、λ＝４.７μｍにおいて垂直方向の遷移から発生するようになっている。４.７μｍにおける発光発振線幅の全幅半値は、〜２５ｍｅＶ、すなわち、量子カスケードデバイスについて「C.Barbieri, et al., supra, and C.Sirtori, et al., 1998, supra」に発表された最高のＲＴ値に匹敵する値である。
【００１２】
図５は、上記例示的なデバイスについての８０Ｋ及び３００Ｋにおける光対電流（Ｌ−Ｉ）特性を示す。光出力は、３０ステージ型サブバンド間量子カスケードデバイスからの光出力に匹敵（すなわち数μＷｓ）する（励振条件：１μｓ幅のパルス、４ｋＨｚの反復率）。井戸が深いこと及び障壁が高いことの両方に起因して、上位エネルギーレベルすなわちｎ＝３レベルからの（熱的）キャリアの漏れは、通常の量子カスケードデバイスについて観察された漏れと比較して、無視できるものである。３００Ｋに対する８０Ｋの割合が、量子カスケードデバイスについての〜３.３という典型的な値と比べて、たったの２.２にすぎないという事実は、通常の量子カスケードデバイスよりも、深い井戸のデバイスの方が、キャリアの漏れが遥かに小さいという証拠となっている。通常の量子カスケードデバイスに対して、深い井戸のデバイスについてのキャリアの漏れが小さいということの直接的な結果として、活性領域における障壁の上部と上位エネルギーレベルとの間におけるエネルギー差が大幅に大きくなる。例えば、図１に見られるように、出口（exit）障壁の上部とｎ＝３のレベルとの間におけるエネルギー差は、〜３６０ｍｅＶであり、通常の５μｍ発光量子カスケードデバイスについてのエネルギー差の約４倍以上の値である（「J.Faist, F.Capasso, D.L.Sivco, C.Sirtori, A.L. Hutchinson, and A.Y. Cho, "Room temperature mid-infrared quantum cascade lasers," Electron. Lett., Vol.32, pp.560-561, 1996」を参照）。これは、深い井戸のデバイスについて、下位エネルギーレベルが注入部における量子井戸の底部よりも低い（エネルギーが小さい）（図１におけるｎ＝２及びｎ＝１のレベルを参照）こと、通常の量子カスケードデバイスには不可能である何かによって、可能とされている（「J.Faist, F.Capasso, D.L.Sivco, C.Sirtori, A.L. Hutchinson, and A.Y.Cho, "Room temperature mid-infrared quantum cascade lasers, "Electron. Lett., Vol.32, pp.560-561, 1996」を参照）。一方、同一の遷移エネルギー値（すなわち、上位エネルギーレベルと下位エネルギーレベルとの間の差）について、深い井戸のデバイスは、通常の量子カスケードデバイスと比較すると、障壁の上部よりも大幅にエネルギーが低い上位エネルギーレベルを常に有しており、これにより、連続体にキャリアがほとんど漏れないことになる。図５における挿入図は、電圧対電流曲線、すなわち、電流密度１.６ｋＡ／ｃｍ2では、室温における電圧は、たったの０.８Ｖであり、理論通りのものとなっている、ということを示している。
【００１３】
図６は、活性領域１４における深い量子井戸と高い障壁層との間に、張力歪み障壁を組み入れて歪み補償構造を実現する本発明の一実施形態についての伝導バンドエネルギーの図を示す。注入部１２及び活性領域１４の層についての例示的な、組成物、層の厚さ及びドーピングレベルが、図６にも示されている。導波層及びクラッド層１６、１８、２０、２２及び基板２４は、図２に示したものとすることができる。
【００１４】
図７は、活性領域１４の量子井戸に窒素を組み入れてさらに短い波長例えば２.５μｍ〜３.５μｍの波長で光を生成することを実現する本発明の一実施形態についての伝導バンドエネルギーの図を示す。注入部１２及び活性領域１４の複数の層についての例示的な、組成物、層の厚さ及びドーピングレベルが、図７にも示されている。導波層及びクラッド層１６、１８、２０、２２及び基板２４は、図２に示したようなものとすることができる。
【００１５】
本発明は、ＩｎＰのような他の材料システムにおいても実現することができるということ、及び、本発明は、発振動作として十分な光学的利得を生ずる手段を設けることによりレーザとして実現することができ、或いは、光学的利得を必要とすることなく基本的な発光装置として実現することができるということが理解できよう。本発明はまた、米国特許第５,９５３,３５６号に示したような量子箱における注入部及び活性領域等を組み入れることによっても実現することができ、この特許の開示内容は、引用により本明細書に組み入れられる。量子箱の手法においては、障壁層の上部と、量子井戸又は活性領域の井戸における上位エネルギーレベルとの間のエネルギー差を、量子井戸又は活性領域の井戸における上位エネルギーレベルと下位エネルギーレベルとの間のエネルギー差より大きくして、サブバンド間オージェ再結合に起因するキャリアの損失を防ぐようにすることが好ましい。本発明はまた、多数ステージ構造（すなわちカスケードのような構造）においても実現することができる。一般的には、レーザとしての利用については、多数ステージ構造が好ましい。このような構造において、図１及び図６に示した例については、活性領域における各前ステージと次ステージ注入部との間にあるＧａＡｓ層は、非ドープ（公称３×１０16ｃｍ-3）とし、５〜２０ｎｍの厚さ、好ましくは５〜１０ｎｍの厚さとすることができる。加えて、上部ステージの下にある各ステージについての注入部における最初の４つの層（図２については、Ａｌ0.02を有する層〜Ａｌ0.08を有する層）もまた、非ドープとすることができる。量子井戸の厚さ及び組成は、適宜選択することができ、その量子井戸、及び、その量子井戸と高いＡｌＧａＡｓ障壁との間におけるＧａＡｓＰの両方のためのＩｎＧａＡｓを含むことができる。
【００１６】
本発明は、本明細書において例示的に説明した特定の実施形態に限定されず、添付した特許請求の範囲の技術的範囲に含まれるあらゆる形態を包含することが理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】電場Ｆ＝３０ｋＶ／ｃｍが印加されている条件下においてエネルギーレベルｇ及びｎ＝３が共鳴時にあるときの、本発明のデバイスにおける注入部及び活性領域の伝導バンドエネルギー図である。
【図２】本発明に係る半導体光エミッタの多層構造例の簡略化した断面図である。すべてのドーピングレベルは、ドーパントをＳｉとしたｎ型である。
【図３】本発明に係る例示的な光エミッタについてのパルス条件（約２００ｎｓ、８４ｋＨｚ）下における４つの異なる電流に対する１０Ｋでのサブバンド間エレクトロルミネッセンスのスペクトルを示す図である。
【図４】本発明に係る例示的な半導体光エミッタについての室温及び４００ｍＡ励振電流（すなわち、１.６ｋＡ／ｃｍ２電流密度）におけるサブバンド間エレクトロルミネッセンスのスペクトルを示す図である。
【図５】本発明に係る例示的な半導体光エミッタについての８０Ｋ及び室温でのパルス励振条件（１μｓ、４ｋＨｚ）条件下における光対電流曲線を示す図である。
【図６】歪み補償のために深い量子井戸と高い障壁との間に配置した、張力歪み障壁を用いた、本発明に係るデバイスについての注入部及び活性領域の伝導バンドエネルギー図である。
【図７】さらに短い波長（２.５〜３.５μｍ）での発振のために深い量子井戸に窒素を設けた、本発明に係るデバイスについての注入部及び活性領域の伝導バンドエネルギー図を示す。
【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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【国際調査報告】
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