(57)【要約】  本発明は、ＰＮ接合を形成する半導体へテロ構造と導波路とを備えた超発光ダイオード（ＳＬＥＤ）に関する。半導体へテロ構造は、ゲイン領域であって、その活性ゾーンからの誘導放出を含む光放出を発生させるようにＰＮ接合にバイアスをかけるコンタクト手段を備えたゲイン領域、および活性ゾーン内に、それぞれが複数の量子ドットよりなる複数の量子ドット層と、それぞれが量子ドット層の１つに隣接する複数の隣接層とを備えている。少なくとも２つの隣接層の材料組成または堆積パラメータが異なる。これにより放出スペクトル幅が確実に向上する。
2008503072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＮ接合を形成する半導体へテロ構造を備えたエレクトロルミネセント発光装置であって、
前記半導体へテロ構造は、ゲイン領域であって、その活性ゾーンからの誘導放出を含む光放出を発生させるように前記ＰＮ接合にバイアスをかけるコンタクト手段を備えたゲイン領域を含み、
前記半導体へテロ構造は、前記活性ゾーン内に、それぞれが複数の量子ドットを含む複数の量子ドット層、および
それぞれが前記量子ドット層の１つに隣接する複数の隣接層を備えており、
少なくとも２つの隣接層の材料組成または堆積パラメータが異なる、装置。
【請求項２】
前記複数の隣接層の隣接層材料はある材料系に属し、その材料組成は少なくとも１つのパラメータを含むパラメータ群によって記述され得、また前記パラメータ群のうちの少なくとも１つのパラメータは隣接層間で異なる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記材料系は元素Ｉｎ、ＧａおよびＡｓの３元系であり、前記隣接層材料はＩｎｘＧａ１−ｘＡｓであって、ｘは前記少なくとも１つのパラメータであり、また前記量子ドット層はＩｎＡｓ層である、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記量子ドット層はＩｎＡｓ層、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層、ＩｎｘＡｌ１−ｘＡｓ層、ＩｎｘＧａ１−ｘＮ層またはＳｉｘＧｅ１−ｘ層である、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
少なくとも２つの隣接層は層厚さが異なりかつ同じ材料から形成される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
最も低い量子状態を飽和させるのに十分高い電流を注入してこれによりドット内のそれぞれ異なる量子状態からの放出を生じさせる電流注入手段を備えた、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記へテロ構造は強い屈折率ガイド型導波路を形成し、その内部へ前記活性ゾーンで生成された光が放出される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記へテロ構造は弱い屈折率ガイド型導波路を形成し、その内部へ前記活性ゾーンで生成された光が放出される、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記へテロ構造はゲインガイド型導波路を形成し、その内部へ前記活性ゾーンで生成された光が放出される、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記活性ゾーンは、複数のバリア層をもつ積層構造を備え、前記バリア層の対のそれぞれが１つの量子ドット層と１つの隣接層とを挟む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記半導体へテロ構造は、第１のクラッド層と第２のクラッド層とを備え、前記積層構造は前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間に位置し、前記第１のクラッド層は第１の金属電極と電気的に接触し、前記第２のクラッド層は第２の金属電極と電気的に接触する、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
非レージング超発光ダイオードである、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
半導体光増幅器である、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
外部共振器半導体レーザであり、レーザ空胴共振器を画定する複数の反射素子をさらに備えており、前記半導体へテロ構造は、前記レーザ空胴共振器内に配置され前記レーザのゲイン素子として働く、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
半導体へテロ構造を備えたエレクトロルミネセント発光装置であって、前記半導体へテロ構造は、基板上に、第１のクラッド層および第２のクラッド層と、前記第１のクラッド層および第２のクラッド層の間に配置される発光アレンジメントとを含み、前記発光アレンジメントは、電流が注入されると電磁放射を光線経路へと放出し、前記発光アレンジメントは、複数の量子ドット層を備えた積層体を含み、各量子ドット層はバリア層とキャップ層とによって挟まれ、前記キャップ層のうちの少なくとも２つは異なる材料よりなる、装置。
【請求項１６】
前記量子ドット層はＩｎＡｓ層であり、前記キャップ層はＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層であって、ｘは０＜ｘ＜１を満たすパラメータであり、かつ少なくとも２つのキャップ層のｘ値は異なる、請求項１１に記載の装置。
【請求項１７】
半導体へテロ構造を備えた非レージング超発光ダイオードであって、前記半導体へテロ構造は、基板上に、第１のクラッド層および第２のクラッド層と、前記第１のクラッド層および第２のクラッド層の間に配置される発光アレンジメントとを含み、前記発光アレンジメントは、電流が注入されると電磁放射を前記へテロ構造によって形成される導波路へと放出し、前記発光アレンジメントは、複数の量子ドット層を備えた積層体を含み、各量子ドット層はバリア層とキャップ層とによって挟まれ、前記キャップ層のうちの少なくとも２つは異なる材料よりなるかまたは異なる厚さを有する、ダイオード。
【請求項１８】
前記導波路は、前記導波路を長さ方向に制限する２つの端面を備え、前記端面は長さ方向に対して垂直である、請求項１３に記載の超発光ダイオード。
【請求項１９】
吸収領域を備え、前記吸収領域内には前記ＰＮ接合がバイアスがないように配線されている、請求項１３に記載の超発光ダイオード。
【請求項２０】
半導体へテロ構造接合と導波路とを備えたエレクトロルミネセント発光装置を製造する方法であって、基板を提供するステップと、前記基板上に半導体へテロ構造および導波路構造の層を製造するステップと、前記半導体へテロ構造によって作られる前記半導体へテロ構造接合にバイアスをかけるための電極コンタクトを提供するステップとを備え、前記半導体へテロ構造を製造するステップは、バリア層を製造するステップと、その上に自己集合半導体材料の層を成長させ、それによって量子ドット層を形成するステップと、前記自己集合半導体材料とは異なる半導体材料の隣接層を前記量子ドット層上に成長させるステップと、前記バリア層、量子ドット層および隣接層をそれぞれ成長させるステップを繰り返すステップとを包含し、少なくとも２つの隣接層の材料組成または堆積パラメータは異なるように選択される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、広帯域発光装置の分野である。詳しくは、超発光ダイオード（ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅｓ、ＳＬＥＤ）、半導体光増幅器（ＳＯＡ）、外部共振器半導体レーザおよび他の広帯域エレクトロルミネセント装置、ならびに超発光ダイオードを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
超発光ダイオード（ＳＬＥＤ）は、順方向にバイアスをかけると光学的に活性となり広い波長領域にわたって増幅自然放出を発生させるダイオードである。
【０００３】
ＳＬＥＤ（ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  ｄｉｏｄｅ、ＳＬＤと呼ぶ場合もある）は、従来のＬＥＤによって放出されるものより高い強度を必要とする一方で放出波長が広いスペクトル範囲にわたって均一に分布するのが望ましい応用分野にとって魅力あるものである。よって第１の端面から大きな非干渉性光出力を送達するためのＳＬＥＤでは、レーザ発振を抑圧することが重要である。
【０００４】
従って、レーザダイオードとは異なり、レージング動作を得るための十分なフィードバックはない（ここで「レージング」とは、レーザの機能原理、すなわち、フィードバックによって、反転分布を提供するように励起されまたフィードバックを提供する空胴共振器内に配置されるゲイン媒体内に誘導放出を発生させ、これによりコヒーレント光を得ることを示すために用いられる）。これは通常は、発生した放射を導く傾斜導波路および反射防止塗膜端面の共同の動作によって実現される。この場合の傾斜導波路とは、装置の両端面によって画定される平面に垂直ではない導波路のことである。
【０００５】
本明細書において参考として援用される米国特許出願第１０／７６３，５０８号には、レーザ発振を抑制する新規の方法が記載されている。この方法によれば、吸収領域の電極は吸収が向上するようにゼロ電圧に保持される。
【０００６】
通常ＳＬＥＤにとって望ましい特性の中に、スペクトル幅が広いことおよび温度安定性が高いことがある。この理由のために、量子ドット超発光ダイオードが有望である。このダイオードでは、ゲイン媒体は多数の量子ドットによって形成され、これら量子ドットは通常、Ｖｏｌｍｅｒ−Ｗｅｂｅｒ成長モードまたはＳｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ成長モードで量子ドット層をエピタキシャル成長させるなどの自己集合の方法によって製造されている。広いスペクトル幅は、天然に生じる不均一なサイズ分布によってそれぞれ異なる量子ドット間にそれぞれ異なる電子構造体が形成されることによって実現される。高い温度安定性は、隣接する状態間のエネルギー差がｋＴ（ｋはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度である）の通常値を超える、非連続の状態密度のために生じる。
【０００７】
量子ドットの不均一サイズ分布は当然比較的広いスペクトル幅をもたらすが、スペクトル幅をさらに広げることは有利となろう。この目的のために、ドットサイズ不均一分布を故意に増大させることが提案されている（Ｚ．−Ｚ．Ｓｕｎら、Ｏｐｔｉｃａｌ  ａｎｄ
Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ３１、１２３５〜１２４６頁（１９９９））。しかし、量子ドットサイズ分散を正確に制御するのは平凡なことでも容易に再生可能なことでもない。量子ドット内の堆積ＩｎＡｓ材料の量がそれぞれ異なるＩｎＡｓ量子ドットを有する多数の層を用いる異なるアプローチも提案されている（Ｚ．Ｙ．Ｚｈａｎｇ
ら、ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  １６、２７〜２９頁（２００４））。ＩｎＡｓの量は量子ドット（ＱＤ）の密度および放射効率にも影響を及ぼすため、このアプローチもまた実現は困難である。
【０００８】
広帯域放出スペクトルが所望される他のエレクトロルミネセント素子としては、（潜在的に広帯域の）入力放射を増幅するために自然放出が用いられる半導体光増幅器、およびレーザ出力を広い範囲で調整可能とするために広い放出スペクトルが所望される外部共振器半導体レーザが挙げられる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の要旨
これらの理由により、従来の装置の欠点を克服し、また特に、上述の従来のアプローチの再現可能性および実用性の問題が生じることなく、自己集合型量子ドット超発光ダイオードのスペクトル幅を超えるスペクトル幅を有する、広い放出スペクトルおよび高い温度安定性を備えたエレクトロルミネセント発光装置を提供することは有益であろう。特に、そのような装置は、再現可能特性を有する市販の応用製品に対して大量に製造可能であるべきである。
【００１０】
従って、ＰＮ接合を形成する半導体へテロ構造を備えたエレクトロルミネセント発光装置が提供される。前記半導体へテロ構造は、ゲイン領域であって、その活性ゾーンからの誘導放出を含む光放出を発生させるように前記ＰＮ接合にバイアスをかけるコンタクト手段を備えたゲイン領域を含む。前記半導体へテロ構造は、前記活性ゾーン内に、それぞれが複数の量子ドットを含む複数の量子ドット層、およびそれぞれが前記量子ドット層の１つに隣接する複数の隣接層を備えており、少なくとも２つの隣接層の材料組成または堆積パラメータが異なる。変動し得る堆積パラメータは層厚さを含む。
【００１１】
他の態様によれば、本発明は、半導体へテロ構造を備えたエレクトロルミネセント素子に関し、前記半導体へテロ構造は、基板上に、第１のクラッド層および第２のクラッド層と、前記第１のクラッド層および第２のクラッド層の間に配置される発光アレンジメントとを含み、前記発光アレンジメントは、電流が注入されると電磁放射を光線経路へと放出し、前記発光アレンジメントは、複数の量子ドット層を備えた積層体を含み、各量子ドット層はバリア層とキャップ層とによって挟まれ、少なくとも１つの量子ドット層のキャップ層は異なる材料よりなる。
【００１２】
さらに他の態様によれば、本発明は、半導体へテロ構造を備えた超発光ダイオードに関し、前記半導体へテロ構造は、基板上に、第１のクラッド層および第２のクラッド層と、前記第１のクラッド層および第２のクラッド層の間に配置される発光アレンジメントとを含み、前記発光アレンジメントは、電流が注入されると電磁放射を前記へテロ構造によって形成される導波路へと放出し、前記発光アレンジメントは、複数の量子ドット層を備えた積層体を含み、各量子ドット層はバリア層とキャップ層とによって挟まれ、前記キャップ層のうちの少なくとも２つは異なる材料よりなるかまたは異なる厚さを有する。
【００１３】
本発明はまた半導体へテロ構造接合と導波路とを備えたエレクトロルミネセント発光ダイオードを製造する方法に関する。本方法は、基板を提供するステップと、前記基板上に半導体へテロ構造および導波路構造の層を製造するステップと、前記半導体へテロ構造によって作られる前記半導体へテロ構造接合にバイアスをかけるための電極コンタクトを提供するステップとを備え、前記半導体へテロ構造を製造するステップは、バリア層を製造するステップと、その上に自己集合の半導体材料の層を成長させ、それによって量子ドット層を形成するステップと、前記自己集合半導体材料とは異なる半導体材料の隣接層を前
記量子ドット層上に成長させるステップと、前記バリア層、量子ドット層および隣接層を成長させるステップを繰り返すステップとを包含する。少なくとも２つの隣接層の材料組成または堆積パラメータは異なるように選択される。
【００１４】
放出波長は１つのまたは複数の隣接層の組成に依存するという効果にはいくつかの理由が貢献しているとされる。先ず、量子ドット電子状態を閉じ込めるバリア高さが変化する。次に、隣接層によって量子ドット材料上に誘発される歪みは、隣接層の格子定数に依存し、この格子定数は材料組成に依存する。第３の可能な影響は、量子ドットおよび隣接層の材料組成によって生じ得る。つまり量子ドットを構成する化学元素が隣接層材料にも存在する場合は、量子ドットは、単に量子ドット層堆積材料から成長する場合よりさらに成長し得る。隣接層からの材料は、従って、量子ドットに「接着」し得る。これは、隣接層の活性化スピノーダル分解によるものであり、これはＱＤの上部の歪み領域上に優先的に堆積し、従って量子ドットの高さを増大させ得る。また、量子ドット自体の化学組成が拡散効果により隣接層の組成によって変化することも除外し得ない。重要なのは、波長は隣接層のパラメータに基づいて影響され得ることであり、この原理によって、量子ドット層の製造時に最適成長条件を守ること、および別のステップ、すなわち隣接層製造ステップで放出スペクトルを調整することが可能となる。
【００１５】
本発明は、周囲の材料、すなわち隣接層の材料を変動させることによって単一のまたは複数の光学遷移を処理することができるというこの洞察を用いる。これにより、隣接層材料を変動させることによって、量子ドット放出波長、および最終的にはＳＬＥＤ放出スペクトルを制御することが可能である。それぞれ異なる隣接層材料または隣接する層厚さと共に量子ドット層を積み重ねることによって、広い放出スペクトルを実現することができる。
【００１６】
以下に、本発明の実施形態を図面を参照して述べる。すべての図面は概略であって一定の尺度で縮小したものではない。これらの図面において、対応する要素には同じ参照番号が与えられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
好適な実施形態の説明
図１に概略的に示す装置は、１．３μｍという技術的に重要な波長近辺の放出に適している。本装置は、ＧａＡｓ基板１を含む半導体へテロ構造を備えている。基板は、Ｓｉドープ（Ｓｉドーピングはここではｎ型ドーピングである）のＩｎＧａＰまたはＡｌＧａＡｓ半導体クラッド層２を備えている。Ｓｉドープのクラッド層の上面には、ＰＮ接合を形成し活性ゾーンを有する積層構造４が配置されている。積層構造４は、後でより詳細に説明するように、複数の量子ドット層を備えている。積層構造４の上には、リッジ構造を有する第２クラッド層５が形成されている。本図の実施形態はさらに、例えば酸化層である薄い絶縁層６、および上部電極層７を備えている。基板１の裏側には第２の電極８（または下部電極）が配備されている。電流を注入すると、電流は上部および下部電極間を流れ、エレクトロルミネセンスにより活性ゾーン内に放射が発生する。この放射は、リッジに沿って導かれ、垂直方向にはそれぞれ異なる屈折率を有する層よりなる構造によって閉じ込められ、また横方向にはリッジによって閉じ込められる（弱い屈折率ガイド型）。当然ながら、実際の活性ゾーンは横方向にも閉じ込められるという事実もまた放射の閉じ込めに貢献する。
【００１８】
ヘテロ構造は、バッファ層などの図面には示していない層をさらに備えてもよく、またはクラッド層はいくつかの層などを含んでもよい。活性ゾーンのための材料がそれなりに与えられれば、ＳＬＥＤまたは（同様に）端面放出型半導体レーザまたはＳＯＡのためのヘテロ構造の設計は当該分野では既知である。活性ゾーン内に本発明によるそれぞれ異な
る隣接層を有する複数の量子ドット層を備えた半導体へテロ構造は、当該分野では既知のいかなるＳＬＥＤ、ＳＯＡまたはレーザ設計に対しても非常に適している。
【００１９】
また、横方向の閉じ込めは、一例を図１に示している弱い屈折率ガイド型構造などのいかなる既知の方法によっても実現され得るが、強い屈折率ガイド型構造またはゲインガイド型構造もまた用いられ得る。
【００２０】
図２は、ゲイン領域を構築する積層構造をより詳細に示している。積層構造は２つのクラッド層２および５の間に配置され、複数のＧａＡｓバリア層１２を備えている。最上部以外のバリア層１２の各層上には量子ドット１１の層が配置されている。量子ドットの各層は、本発明においては隣接層とされるキャップ層１３によって覆われている。キャップ層はＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層であり、ｘは層によって０．１から０．１５の間で変動する。この系では、各量子ドットの直上部の材料は、周囲のキャップ層材料と比較してＩｎが多いことが観察されている。これにより量子ドットの上部にＩｎリッチカラム１５が形成される。この現象はＩｎＡｓおよびＩｎＧａＡｓに基づく上述のヘテロ構造で観察され、隣接層組成の放出波長への影響に貢献するものとされる。しかし、本発明はまた、隣接層材料が放出波長に影響力をもつ限りは、この現象を示さない系に対しても有効である。
【００２１】
ＧａＡｓバリア層の厚さは例えば１０ｎｍから５０ｎｍの間であり、量子ドット層の厚さは０．５ｎｍから１ｎｍの間でよく、またキャップ層の厚さは例えば１ｎｍから１０ｎｍの間でよい。当該分野では一般的であるように、アイランド層などの不規則に成長する層の厚さは、同じ量の材料よりなるが均一に配分された仮想上の層の厚さに対応する値で測定される。
【００２２】
上記に指摘したように、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓキャップ層中のＩｎ組成、すなわちｘ値は放出波長を変化させる。現時点での理解によれば、これは主に歪み構成および量子ドット高さの変化による。物理的および化学的プロセスの性質についての現時点での理解によれば、ＩｎＡｓ量子ドットの量子ドット高さは、ＩｎＧａＡｓキャップ層の活性化スピノーダル分解によりキャップ層が堆積すると増大する。
【００２３】
本発明の実施形態の一概念図を図３に示す。同図では物理的な量Ｑがｚ座標（図２参照）の関数として示されている。図示するように、量Ｑはキャップ層１３間で変動する。量Ｑは放出波長に影響を及ぼす。好ましくは、量のこの変動は、スペクトルにおいて互いに隣り合う放出寄与分となる量子ドット層間の放出波長の差を単一の寄与分のスペクトル幅より小さくして、これによりすべての量子ドット層の寄与分を重ね合わせることによって、連続した広いスペクトルが形成されるように選択される。但し、放出スペクトルで互いに隣り合う寄与分を形成する量子ドット層は、図３からも分かるように、物理的に隣り合っている必要はない。図３では、第１および第４のキャップ層の量Ｑが互いに隣接している。
【００２４】
物理的な量Ｑの例としては、図３におけるように最も低い伝導帯状態のエネルギーであるか、もしくは格子定数（またはそれぞれ量子ドット材料への格子不整合）、化学的変化を誘発する傾向などであってよい。多くの場合、材料パラメータ、提示した例ではｘ、が変動するときは１つより多い物理的な量が変化する。
【００２５】
図６ａは、Ｉｎ組成がそれぞれ異なる５ｎｍのＩｎＧａＡｓキャップ層を有する単層ＱＤ層の室温（ＲＴ）光ルミネセンス（ＰＬ）スペクトルを示す。Ｉｎ組成が増大すると共にスペクトルが移動するのが見て取れる。図６ｃは、Ｉｎ組成が１０％から１５％まで変動する５ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓキャップ層を有する５層積層のＱＤ層のＲＴ  ＰＬスペクトルを示している。それぞれ異なるＱＤ層からの放出の合計によって線幅が６０ｎｍへと
著しく広くなっている。
【００２６】
ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓに基づく上述の材料系の代わりに、他の材料組成、例えば、１．４〜１．６μｍの波長領域での放出のためにＩｎＰ基板上にＩｎＡｓ量子ドットおよびＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓｚＰ１−ｚ（０＜ｘ、ｙ、ｚ＜１）キャップ層を、０．６〜０．８μｍの波長領域での放出のためにＧａＡｓ基板上にＩｎｘＡｌ１−ｘＡｓ量子ドットおよびＡｌｙＧａ１−ｙＡｓキャップ層を、０．４〜０．６μｍの波長領域での放出のためにＧａＮ、Ａｌ２Ｏ３またはＳｉＣ基板上にＩｎｘＧａ１−ｘＮ量子ドットおよびＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｙ―ｚＮキャップ層を、１０００〜１５００ｎｍの波長領域での放出のためにＳｉ基板上にＳｉｘＧｅ１−ｘ量子ドットおよびＳｉｙＧｅ１−ｙ（ｘ≠ｙ）キャップ層を選択してもよい。
【００２７】
以下の実施形態において、ｐ型ドープ層およびｎ型ドープ層は入れ替え可能である。
図４は、本発明の装置の１つの実施形態の上面図をかなり概略化して示している。この装置はＳＬＥＤである。上述の横方向の閉じ込めを確実にする手段によって、導波路ストライプ２１が形成される。図示した実施形態では、導波路は直線で、反射光が帰還を形成しないように、前端面および後端面に対して角度をなしている。これはＳＬＥＤにおいては望ましい。図示した形状の代わりに、導波路は少なくとも一部が曲がったり、前および／または後端面などに対して垂直となるようにしてもよい。図示した実施形態では、導波路はゲイン領域２２と吸収領域２３とを備えている。吸収領域では、米国特許出願第１０／７６３，５０８号に記載されているように、ＰＮ接合は逆バイアスまたはバイアスなしであってもそうでなくてもよい。吸収領域はオプションである。図４の分割配置ではなく、ゲイン領域が導波路ストライプの全長にわたって広がっていてもよい。
【００２８】
加えて、反射防止コーティング（図示せず）をオプションとして端面の一方または両端面に配備してもよい。
【００２９】
図５ａ〜図５ｅは、本発明の装置を製造する方法のステップを示す。
図５ａは、基板（同図では示さず）上に配備されたバッファ層であるクラッド層２を示す。クラッド層には、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、金属有機気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）または化学蒸着（ＣＶＤ）などの従来の堆積法によって第１のバリア層１２．１が配備される。この実施形態ではバリア層はＧａＡｓ層である。
【００３０】
図５ｂに示す次のステップでは量子ドット層が加えられる。このためには、量子ドット材料を分子線エピタキシまたは金属有機気相エピタキシによってバリア層上に堆積させる。量子ドット層材料は、バリア層上に自己集合してアイランドの成長が生じるように選択される。ＩｎＡｓはＧａＡｓ上にＳｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ成長モードで成長する。すなわち、最初は材料の単分子層を覆った後、アイランドとして集合する。アイランド１１．１は後に量子ドットとして働く。基板温度、成長速度、堆積されるサブ層の順序または堆積材料の量（層厚さ）などの堆積パラメータは、広い放出スペクトルを確実に得るための手段を考慮する必要なく製造効率、電子パラメータ、放射効率および再現性を最適化するように選択され得る。
【００３１】
次に、図５ｃに示すように、隣接層であるキャップ層１３．１をＭＢＥまたはＭＯＶＰＥによって加える。このプロセスではＩｎリッチカラム１５が自動的に形成される。
【００３２】
次に、第２のバリア１２．２を加え（図５ｄ）、この上に再び量子ドット層１１．２を、好ましくは第１の量子ドット層１１．１で用いたのと同じ成長パラメータで堆積させる（図５ｅ）。次に、再びキャップ層を堆積させる（図５ｆ）が、この第２のキャップ層１３．２の材料は第１のキャップ層１３．１の材料とは異なる。バリア層、量子ドット層お
よびキャップ層の堆積ステップを所望の回数繰り返す。図２では明瞭化のために４層のみ示しているが、好ましくは、５〜１５の量子ドット層が堆積される。すべてのキャップ層のキャップ層材料が異なってもよく、またはいくつかのキャップ層よりなる群は同じ材料であってもよい。
【００３３】
キャップ層の材料を変動させる代わりに、隣接層の他のパラメータを変動させてもよい。例えば、上に量子ドット層が堆積する隣接層の材料を変動させてもよい。もしくは、量子ドット層に、それらの下の層およびそれらを覆う層よりなる埋め込み層を配備してもよい。もしくは、上述の図に示すキャップ層を用いるが、材料組成を変動させる代わりに、他の成長パラメータ、例えば堆積速度または温度を系統的に変動させる。また、キャップ層をデジタル合金（非常に薄いＩｎＡｓ層とＧａＡｓ層とが交互に重なり合った配列）として実現して、これら層の相対的な厚さを変動させて平均Ｉｎ組成を変化させてもよい。堆積パラメータのさらに可能な変動としては、同一であるはずのキャップ層の厚さを変動させることがある。図６ｂは、ＩｎＧａＡｓ組成は一定であるが厚さが０から５ｎｍまで変動する単層ＱＤ層のＲＴ  ＰＬスペクトルを示す。厚さが異なる多層体を形成することによって、図６ｃに示したものに類似する広い放出スペクトルが得られ得る。
【００３４】
上記の記述は、キャップ層の材料または他のパラメータを変動させることによって放出スペクトルが如何に広域にされ得るかを説明するものである。最も低い量子状態を飽和させてこれによってより高いエネルギー状態を植えつけるのに十分に高い電流を注入することによって、量子ドットの様々に異なる量子状態からの放出が励起されれば、スペクトルはさらに広くなり得る。
【００３５】
図７に広帯域半導体光増幅器３１の一例を示す。増幅器は上述の種類のヘテロ構造、例えば図１および図２を参照して述べた構造を備える。入力光３２は、ＰＮ接合にバイアスをかけるとヘテロ構造の活性ゾーンの誘導放出によって増幅される。増幅された光線３３は装置を一度通過した後放出される。図７には導波路構造３４もまた示されている。
【００３６】
図８は、外部共振器端面放出型半導体レーザ４１をかなり概略化して示しており、ゲイン材料４２は上記に定義し説明した原理に従って設計されている。ゲイン材料４２は、図１および図２を参照して述べたようにヘテロ構造を備え得る。レーザ４１はゲイン材料に加えて、内部にゲイン材料が配置されるレーザ空胴共振器を画定する複数のミラー素子４３および４４を備えている。同図では、空胴共振器ミラーは２つのみでこれらの一方は一部が透明のアウトカップリングミラー４４である最も単純な空胴共振器設計を示している。空胴共振器ミラーの一方、および潜在的にはレーザ空胴共振器の他のパラメータは、他方の空胴共振器素子に対して配置するとよく、これにより共振器を安定させる放射波長および最終的にはレーザ波長が調整可能となる。ミラーを配置するのに加えてまたはこれに代えて、それ自体でおよびレーザ波長を調整する手段として当該分野で既知である他の調整可能波長選択素子を備えてもよい。また、レーザはさらに、収束手段などの素子を備えてもよい。さらに、本発明はまた表面放出型外部共振器半導体レーザにも適用可能である。
【００３７】
様々な他の実施形態が本発明の範囲および精神から逸脱することなく想到され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の装置の概略断面図である。
【図２】図１の装置の積層構造の断面の拡大図である。
【図３】本発明の実施形態の概念を概略図で示す。
【図４】本発明のＳＬＥＤの実施形態の上面図をかなり概略化して示す。
【図５】図５ａ〜図５ｆは、本発明の装置を製造する方法の工程ステップを示す。
【図６ａ】Ｉｎ組成がそれぞれ異なる５ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓキャップ層を備えた単層ＱＤ層の室温（ＲＴ）光ルミネセンス（ＰＬ）スペクトルを示す。
【図６ｂ】ＩｎＧａＡｓ組成は一定であるが厚さが０から５ｎｍまで変動する単層ＱＤ層のＲＴ  ＰＬスペクトルを示す。
【図６ｃ】Ｉｎ組成が１０％から１５％まで変動するＩｎＧａＡｓキャップ層が隣接する積層ＱＤ層から得られる放出スペクトルを示す。
【図７】本発明の半導体光増幅器の上面図をかなり概略化して示す。
【図８】本発明の調整可能な出力波長を持つ外部共振器半導体レーザの上面図をかなり概略化して示す。
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図５ｅ】
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【図５ｆ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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