(57)【要約】【課題】様々な選択された光出力を得るための好ましい信号処理が可能で、光波混合変調レーザトランジスタ及びその技術を含むヘテロ接合バイポーラトランジスタ及びその技術を作り出すことである。【解決手段】光出力を作り出す方法は、以下の工程、つまり第１及び第２の電気信号を提供する；コレクタ領域、ベース領域、及びエミッタ領域を含むバイポーラ発光トランジスタ素子を提供する；コレクタ領域に結合されるコレクタ電極及びエミッタ領域に結合されるエミッタ電極を提供し、及び電位をコレクタ電極及びエミッタ電極に対して結合する；ベース領域との光通信における光結合器を提供する；ベース領域に結合される第１及び第２のベース電極を提供する；及び第１及び第２の電気信号をそれぞれ第１及び第２の電極に結合して、ベース領域から放出され及び光結合器に結合される光出力を作り出すという工程を含み、その光出力は、第１及び第２の電気信号の関数である。また、改良されたｐｎｐトランジスタレーザと出力レーザパルスを作り出す誘導放出モードと自然放出モード間を交互に切り替える技術も開示されている。【選択図】図３５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料のコレクタ領域、ベース領域、及びエミッタ領域を含むヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造を提供し、
前記トランジスタ構造の少なくとも一部を取り囲む光共振空洞を提供し、及び
電気信号を、前記コレクタ領域、前記ベース領域、及び前記エミッタ領域に結合して、出力レーザパルスを作り出す誘導放出モードと自然放出モードの間を交互に切り替える工程を含むことを特徴とする制御可能な光パルスを作り出す方法。
【請求項２】
前記電気信号がＡＣ励起信号を含み、及び各励起信号サイクルの一部が誘導放出を作り出すために動作し、及び各励起信号サイクルの別の部分が自然放出を作り出すために動作することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記サイクルの前記一部が動作している間、前記ベース領域の電流が前記素子の前記誘導放出の閾値を超え、及び前記サイクルの前記別の部分が動作している間、前記ベース領域の電流が前記閾値を超えないことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記励起信号の周波数を制御して前記出力レーザパルスの周波数を制御し、及び前記励起信号の相対振幅を制御して前記出力レーザパルスのパルス幅を制御することを更に含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記励起信号の前記相対振幅を制御して、前記出力レーザパルスのパルス幅を制御することを更に含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記ＡＣ励起信号を少なくとも約１ＧＨｚの周波数で提供することを更に含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記ＡＣ励起信号を少なくとも約３ＧＨｚの周波数で提供することを更に含むことを特徴とする請求項２又は４に記載の方法。
【請求項８】
前記パルス幅が、約１００ピコ秒より小さいパルス幅を有するように制御されることを特徴とする請求項４又は５に記載の方法。
【請求項９】
半導体材料のコレクタ領域、ベース領域、及びエミッタ領域を含むヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造、
前記トランジスタ構造の少なくとも一部を取り囲む光共振空洞、及び
電気信号を、前記コレクタ領域、前記ベース領域、及び前記エミッタ領域に結合して、出力レーザパルスを作り出す誘導放出モードと自然放出モード間を交互に切り替える手段を含むことを特徴とする制御可能な光パルスを作り出す装置。
【請求項１０】
前記電気信号がＡＣ励起信号を含み、及び各励起信号サイクルの一部が誘導放出を作り出すために動作し、及び各励起信号サイクルの別の部分が自然放出を作り出すために動作することを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記サイクルの前記一部が動作する間、前記ベース領域の電流が前記素子の前記誘導放出の閾値を超え、及び前記サイクルの前記別の部分が動作する間、前記ベース領域の電流は前記閾値を超えないことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記励起信号の周波数を制御して前記出力レーザパルスの周波数を制御し、及び前記励起信号の相対振幅を制御して前記出力レーザパルスのパルス幅を制御する手段を更に含むことを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記励起信号の前記相対振幅を制御して、前記出力レーザパルスのパルス幅を制御する方法を更に含むことを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
前記ＡＣ励起信号を少なくとも約１ＧＨｚの周波数で提供する手段を更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
【請求項１５】
前記ＡＣ励起信号を少なくとも約３ＧＨｚの周波数で提供する手段を更に含むことを特徴とする請求項１０又は１３に記載の装置。
【請求項１６】
前記パルス幅が、約１００ピコ秒より小さいパルス幅を有するように制御されることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１７】
半導体材料のコレクタ領域、ベース領域、及びエミッタ領域を含むヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造を提供し、
前記トランジスタ構造の少なくとも一部を取り囲む光共振空洞を提供し、及び
少なくとも約１ＧＨｚの周波数を有する電気信号の少なくともいくつかを、前記コレクタ領域、前記ベース領域、及び前記エミッタ領域に結合させ、少なくとも約１ＧＨｚの周波数で出力レーザパルスを作り出す工程を含むことを特徴とする高周波レーザパルスを作り出す方法。
【請求項１８】
前記電気信号の少なくともいくつかが少なくとも約３ＧＨｚの周波数を有し、及び前記出力レーザパルスが少なくとも約３ＧＨｚの周波数を有することを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
半導体材料のコレクタ領域、ベース領域、及びエミッタ領域を含むヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造を提供し、
前記トランジスタ構造の少なくとも一部を取り囲む光共振空洞を提供し、
電気信号を、前記コレクタ領域、前記ベース領域、及び前記エミッタ領域に結合し、
トランジスタ構造の差動電流利得を前記トランジスタのベース電流の関数として決定し、及び
前記トランジスタ構造の誘導放出の閾値ベース電流を、ベース電流が増大するにつれて前記差動電流利得が減少し始める際のベース電流として決定する工程を含むことを特徴とする発光トランジスタ素子の誘導放出閾値を決定する方法。
【請求項２０】
コレクタ領域、ベース領域、及びエミッタ領域を含むバイポーラ発光トランジスタ素子と、
前記コレクタ領域に結合されるコレクタ電極及び前記エミッタ領域に結合されるエミッタ電極を含み、それにより電位が前記コレクタ領域及び前記エミッタ領域に結合され、
光通信における前記ベース領域との光結合器、及び
前記ベース領域に結合される第１及び第２のベース電極を含み、
前記第１及び第２の電気信号が、それぞれ、前記第１及び第２のベース電極に結合され、それにより、前記第１及び第２の電気信号の関数である光出力が、前記ベース領域から放出され及び前記光結合器に結合されることを特徴とする前記第１及び第２の電気信号を受信し、及び前記第１及び第２の電気信号の関数として光出力を作り出す装置。
【請求項２１】
前記ベース領域が光学的放射のうちの少なくとも一部分は反射する反射器を含む光共振空洞内にあり、及び前記光出力がレーザ出力を含むことを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記レーザ出力が、複数の結合されたレーザビームを含むことを特徴とする請求項２０又は２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記第１の電気信号が周波数ｆ１を有し、前記第２の電気信号が周波数ｆ２を有し、及び前記光出力が、ｆ１＋ｆ２、｜ｆ１−ｆ２｜、２ｆ１＋ｆ２、２ｆ２＋ｆ１、｜２ｆ１−ｆ２｜、及び｜２ｆ２−ｆ１｜から成るグループからの周波数成分を含むことを特徴とする請求項２０又は２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記光結合器が光ファイバーを含むことを特徴とする請求項２０又は２１に記載の装置。
【請求項２５】
前記ベース領域が量子サイズ効果を示す少なくとも１つの層を含むことを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２６】
前記量子サイズ効果を示す少なくとも１つの層が少なくとも１つの量子井戸を含むことを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２７】
前記第１及び第２の電気信号を作り出す第１及び第２の制御可能な発振器を更に含むことを特徴とする請求項２０又は２１に記載の装置。
【請求項２８】
前記第１及び第２の電気信号を作り出す信号発生器と、前記第１及び第２の電気信号間の位相シフトを作り出す移相器を更に含むことを特徴とする請求項２０又は２１に記載の装置。
【請求項２９】
第１及び第２の電気信号を提供し、
コレクタ領域、ベース領域、及びエミッタ領域を含むヘテロ接合バイポーラ発光トランジスタ素子を提供し、
前記コレクタ領域に結合されるコレクタ電極と前記エミッタ領域に結合されるエミッタ電極を提供し、及び電位を前記コレクタ電極と前記エミッタ電極に結合し、
光通信における前記ベース領域との光結合器を提供し、
前記ベース領域に結合される第１及び第２のベース電極を提供し、及び
前記第１及び第２の電気信号を前記第１及び第２のベース電極にそれぞれ結合して、前記ベース領域から放出され及び前記光結合器に結合される光出力を作り出す工程を含み、前記光出力が前記第１及び第２の電気信号の関数であることを特徴とする光出力を作り出す方法。
【請求項３０】
前記バイポーラ発光トランジスタ素子を提供する工程がレーザトランジスタを提供することを含み、及び前記光出力がレーザ出力を含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記レーザ出力が複数の結合したレーザビームを含むことを特徴とする請求項２９又は３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１の電気信号が周波数ｆ１を有し、前記第２の電気信号が周波数ｆ２を有し、及び前記光出力が、ｆ１＋ｆ２、｜ｆ１−ｆ２｜、２ｆ１＋ｆ２、２ｆ２＋ｆ１、｜２ｆ１−ｆ２｜、及び｜２ｆ２−ｆ１｜から成るグループからの周波数成分を含むことを特徴とする請求項２９又は３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記光結合器が光ファイバーを含むことを特徴とする請求項２９又は３０に記載の方法。
【請求項３４】
前記第１及び第２の電気信号を提供する工程が、前記第１及び第２の電気信号を作り出す第１及び第２の制御可能な発振器を提供することを含むことを特徴とする請求項２９又は３０に記載の方法。
【請求項３５】
前記第１及び第２の電気信号を提供する工程が、前記第１及び第２の電気信号を作り出す信号発生器、及び前記第１及び第２の電気信号間の位相シフトを作り出す移相器を提供することを含むことを特徴とする請求項２９又は３０に記載の方法。
【請求項３６】
コレクタ領域、ベース領域、及びエミッタ領域を含むバイポーラ発光トランジス素子と、
前記コレクタ領域に結合されるコレクタ電極と前記エミッタ領域に結合されるエミッタ電極を含み、それにより電位が前記コレクタ領域とエミッタ領域に結合され、
光通信における前記ベース領域との光結合器と、
前記ベース領域に結合される複数の電極を含み、
前記複数の電気信号がそれぞれ前記複数のベース電極に結合され、それにより前記第１及び第２の電気信号の関数である光出力が、前記ベース領域から放出され及び前記光結合器に結合されることを特徴とする複数の電気信号を受信し及び前記複数の電気信号の関数として光出力を作り出す装置。
【請求項３７】
前記複数の電気信号が４つの電気信号を含み、及び前記複数のベース電極が４つの電極を含むことを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記トランジスタ素子がレーザ素子であり、及び前記光出力がレーザ出力であることを特徴とする請求項３６又は３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記光結合器が光ファイバーを含むことを特徴とする請求項３８に記載の装置。
【請求項４０】
前記トランジスタが端面発光レーザ素子であり、及び前記光出力がレーザ出力であることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項４１】
前記トランジスタが面発光レーザ素子であり、及び前記光出力がレーザ出力であることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
【請求項４２】
ｐ型コレクタ、ｎ型ベース、及びｐ型エミッタを有するバイポーラｐｎｐトランジスタ構造と、
前記コレクタに結合される第１のトンネル接合、及び前記エミッタに結合される第２のトンネル接合、及び
前記第１のトンネル接合に結合されるコレクタ接触、前記第２のトンネル接合に結合されるエミッタ接触、及び前記ベースに結合されるベース接触を含み、
それにより前記コレクタ接触、前記ベース接触、及び前記エミッタ接触に対して印加される信号により、前記ベースの放射性再結合による前記ベースからの発光が引き起こされることを特徴とする半導体発光トランジスタ素子。
【請求項４３】
前記第１のトンネル接合が層状のｎ＋／ｐ＋領域を含み、前記ｎ＋／ｐ＋領域のｎ＋層が前記コレクタ接触に結合され、及び前記ｎ＋／ｐ＋領域のｐ＋層が前記コレクタに結合されることを特徴とする請求項４２に記載の素子。
【請求項４４】
前記コレクタが、前記ベースに結合されるコレクタ層と前記コレクタ接触に結合されるｐ型サブコレクタ層を含むことを特徴とする請求項４２に記載の素子。
【請求項４５】
前記コレクタ層が真性の、又は低濃度にドープされたｐ型であることを特徴とする請求項４４に記載の素子。
【請求項４６】
前記第２のトンネル接合が層状のｎ＋／ｐ＋領域を含み、前記ｎ＋／ｐ＋領域のｎ＋層が前記エミッタ接触に結合され、及び前記ｎ＋／ｐ＋領域のｐ＋層が前記エミッタに結合されることを特徴とする請求項４２又は４３に記載の素子。
【請求項４７】
請求項４２、４３、又は４６に記載の半導体発光トランジスタ素子を含み、前記素子の前記ベースの少なくとも一部を取り囲む光共振空洞を更に含むことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項４８】
前記素子の少なくとも一部が層状であり、及び前記光共振空洞が前記素子の前記少なくとも一部の層平面に対して横方向の空洞であることを特徴とする請求項４７に記載のレーザ素子。
【請求項４９】
前記素子の少なくとも一部が層状であり、及び前記光共振空洞が前記素子の前記少なくとも一部の層平面に対して垂直な空洞であることを特徴とする請求項４７に記載のレーザ素子。
【請求項５０】
前記トランジスタが直接バンドギャップの半導体材料のヘテロ構造を含むことを特徴とする請求項４２に記載の素子。
【請求項５１】
前記素子の前記ベースが高濃度にドープされたｎ＋領域を含むことを特徴とする請求項５０に記載の素子。
【請求項５２】
前記ベース内に量子サイズ効果を示す１つの領域を更に含むことを特徴とする請求項５０に記載の素子。
【請求項５３】
量子サイズ効果を示す前記ベース内の前記領域が、量子井戸層を含むことを特徴とする請求項５２に記載の素子。
【請求項５４】
量子サイズ効果を示す前記ベース内の前記領域が、量子ドットの層を含むことを特徴とする請求項５２に記載の素子。
【請求項５５】
ｐ型コレクタ、ｎ型ベース、及びｐ型エミッタを含むバイポーラトランジスタ素子を提供し、
前記コレクタに結合される第１のトンネル接合、及び前記エミッタに結合される第２のトンネル接合を提供し、
前記第１のトンネル接合に結合されるコレクタ接触を提供し、及び前記第２のトンネル接合に結合されるエミッタ接触を提供し、及び前記ベースに結合されるベース接触を提供し、
電気信号を前記コレクタ接触、前記ベース接触、及び前記エミッタ接触に対して印加して、前記ベース領域の放射性再結合による発光を引き起こし、及び
前記トランジスタ素子のベース電流を前記入力電気信号を用いて制御して、前記トランジスタ素子からの発光を変調する工程を含むことを特徴とする前記入力電気信号を用いて変調される光を作り出す方法。
【請求項５６】
ｐ型コレクタ、ｎ型ベース、及びｐ型エミッタを有するバイポーラｐｎｐトランジスタ構造と、
前記コレクタに結合される第１のトンネル接合、及び前記エミッタに結合される第２のトンネル接合、及び
前記第１のトンネル接合に結合されるコレクタ接触、前記第２のトンネル接合に結合されるエミッタ接触、及び前記ベースに結合されるベース接触を含み、
それにより、前記コレクタ接触、前記ベース接触、及び前記エミッタ接触に対して印加される信号により、前記ベースの放射性再結合による前記ベースからの発光が引き起こされることを特徴とする半導体トランジスタ素子。
【請求項５７】
前記第１のトンネル接合が層状のｎ＋／ｐ＋領域を含み、前記ｎ＋／ｐ＋領域のｎ＋層が前記コレクタ接触に結合され、及び前記ｎ＋／ｐ＋領域のｐ＋層が前記コレクタに結合されることを特徴とする請求項５６に記載の素子。
【請求項５８】
前記コレクタが、前記ベースに結合されるコレクタ層と前記コレクタ接触に結合されるｐ型サブコレクタ層を含むことを特徴とする請求項５６に記載の素子。
【請求項５９】
前記コレクタ層が真性の、又は低濃度にドープされたｐ型であることを特徴とする請求項５８に記載の素子。
【請求項６０】
前記第２のトンネル接合が層状のｎ＋／ｐ＋領域を含み、前記ｎ＋／ｐ＋領域のｎ＋層が前記エミッタ接触に結合され、及び前記ｎ＋／ｐ＋領域のｐ＋層が前記エミッタに結合されることを特徴とする請求項５６又は５７に記載の素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光及びレーザ素子及びその方法に関し、及びさらに高速での光信号発生を向上させるレーザトランジスタとその技術、及びさらに光波混合変調レーザトランジスタとその技術を含む素子とその方法、及びさらにＰＮＰバイポーラトランジスタ、ＰＮＰバイポーラ発光トランジスタ、及びＰＮＰバイポーラトランジスタレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
これに関する背景技術の一部は、III−Ｖ半導体といった直接バンドギャップ半導体に基づく発光の発展である。発光ダイオード及びレーザダイオードを含むこうした素子は、広範囲に商業利用されている。
【０００３】
これに関する背景技術の別の一部は、１９４８年に最初に提案されたヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）として知られる素子の少数キャリアの高い注入効率を達成させる広バンドギャップ半導体の発展にある（例えば、特許文献１、及びさらに非特許文献１を参照のこと）。近年、これらのトランジスタ素子が極めて高速で動作できる。例えば、２００３年には、ＩｎＰ  ＨＢＴが、５００ＧＨｚを越える速度での動作を示すことが実証された（非特許文献２を参照のこと）。
【特許文献１】米国特許２，５６９，３７６号
【非特許文献１】Ｈ．Ｋｒｏｅｍｅｒ氏によるＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  Ｏｆ  Ｔｈｅ  ＩＲＥ、４５、１５３５‐１５４４（１９５７年）の「Ｔｈｅｏｒｙ  Ｏｆ  Ａ  Ｗｉｄｅ−Ｇａｐ  Ｅｍｉｔｔｅｒ  Ｆｏｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ」
【非特許文献２】Ｗ．Ｈａｆｅｚ、Ｊ．Ｗ．Ｌａｉ、及びＭ．Ｆｅｎｇ氏らによるＥｌｅｃ  Ｌｅｔｔ．３９、１４７５（２００３年１０月）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおける発光という目的、及びレーザトランジスタに対する理論的努力を含んでいた。しかし、様々な理由のために、動作可能なバイポーラレーザトランジスタは、この出願に関する最も早い優先日以前には提案されず、そしてその達成は、この出願の目的の１つであった。また、有益な高速光信号を達成させるレーザトランジスタの制御は、この出願に関する更なる目的である。
【０００５】
本発明の目的は、様々な選択された光出力を得るための好ましい信号処理が可能で、光波混合変調レーザトランジスタ及びその技術を含むヘテロ接合バイポーラトランジスタ及びその技術を作り出すことでもある。
【０００６】
我々が報告した最初の動作可能なバイポーラトランジスタレーザは、ｎｐｎトランジスタである（例えば、Ｍ．Ｆｅｎｇ，Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ、Ｊｒ．、Ｂ．Ｃｈｕ−Ｋｕｎｇ、Ｇ．Ｗａｌｔｅｒ、及びＲ．Ｃｈａｎ氏らによるＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８４、４７９２（２００４年）の「Ｔｙｐｅ−II  ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ  Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ」を参照のこと）。
【０００７】
これは、驚くべきことではない。いくつかの点で、ｐ型材料は、ｎ型材料より共に動作することが困難であると認識されており、及び、キャリア移動度と全ての電気効率に関して、動作上、対応するｎ型材料に劣る傾向にある。従って、III−Ｖ発光素子といった半導体素子の製造において、しばしばｎ型の半導体材料の使用を好むことが望ましいとされる。しかし、たとえこうした素子の基板及び半導体容量の大半の部分がｎ型半導体又は非ドープの半導体であっても、ｐ型材料のかなりの量が、様々な半導体素子の正孔電流の源として必要であると通常考えられる。
【０００８】
本発明の更なる目的は、改良されたｐｎｐバイポーラトランジスタ、及び具体的にはｐｎｐバイポーラトランジスタレーザを含むｐｎｐ発光バイポーラトランジスタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
ＰＣＴ国際公開番号ＷＯ２００５／０２０２８７では、ベース層からの発光を示す直接バンドギャップヘテロ接合トランジスタを開示している。ベース電流の変調により、変調された発光が作り出される。（ここで使用されているように、「光」は可視域内又は可視域外の光学的放射を意味する。）参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７では、発光ＨＢＴの３ポート動作も開示している。自然放出及び電気信号出力の両方が、ＨＢＴのベースに印加される信号により変調される。
【００１０】
参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７の別の側面は、トランジスタの速度を向上させるために、バイポーラトランジスタ（例えば、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）又はヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ））のベース層で有益である誘導放出を取り入れることを含む。自然放出の再結合寿命は、バイポーラトランジスタ速度の本質的限界である。参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７の実施形態では、バイポーラトランジスタのベース層は自然放出の損失に対して誘導放出（又は誘導再結合）を向上させるように適合され、それにより再結合寿命が低減し及びトランジスタ速度が増大する。本実施形態の形では、好ましくは量子井戸又は量子ドットの層で、好ましくは非ドープの又は低濃度にドープされた、量子サイズ効果を示す少なくとも１つの層が、バイポーラトランジスタのベース層に提供される。量子サイズ効果を示す少なくとも１つの層を含むベース層の少なくとも一部は、高濃度にドープされ、及び少なくとも１つの層より広いバンドギャップ材料から成る。少なくとも１つの量子井戸、又は量子ドットの層は、より高いギャップで高濃度にドープされた材料内にあり、誘導再結合を強化し及び放射性再結合寿命を減らす。二次元電子ガス（「２‐ＤＥＧ」）は、量子井戸又は量子ドット層のキャリア濃度を高め、それによりベース領域の移動性が改良される。ベース抵抗の改良によりベース厚さの低減が可能となり、それに付随してベース運搬時間も低減する。参照のＰＣＴ公開２００５／０２０２８７に記載されているように、速度におけるこれらの利点は、発光が利用される高速バイポーラトランジスタ、及び／又は発光が利用されない高速バイポーラトランジスタで適用できる。発光バイポーラトランジスタ素子、例えば直接バンドギャップ材料のヘテロ接合バイポーラトランジスタでは、量子サイズ効果を示す１つ又はそれ以上の層の使用は、発光の強化、及び素子の発光波長特性のカスタマイズにおいても有益である。
【００１１】
参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７に開示された更なる実施形態では、半導体レーザは、直接バンドギャップ半導体材料のコレクタ、ベース、及びエミッタを含むヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造、トランジスタ構造の少なくとも一部を取り囲む光共振空洞、及び素子からのレーザ放出を引き起こすために電気信号とコレクタ領域、ベース領域及びエミッタ領域を結合する手段を含む。
【００１２】
参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７に開示された別の実施形態では、異なる厚さを有する複数の相隔たる量子サイズ領域（例えば、量子井戸及び／又は量子ドット）は、バイポーラトランジスタのベース領域に提供され及びベース領域を通って一定方向にキャリア運搬を有利に進めるのに使用される。例として、ベース領域には異なる厚さのいくつかの相隔たる量子サイズ領域が提供され、その量子サイズ領域の厚さは、コレクタ付近の最も厚いところからエミッタ付近の最も薄いところまで変化する。注入電子は小さい井戸で捕捉され、次に大きい井戸に入り、及びその後次に大きい井戸に入るなど、コレクタに最も近い最大井戸で、注入電子が最大井戸の最低状態に入って緩和し、及び再結合するまで行われる。井戸の配置により、エミッタからコレクタに向かう一定方向のキャリア運搬が促進される。最大再結合及び最大光は、例えば光キャビティの理由のためなどで有利な位置にあるコレクタに可能な限り近い最大井戸から得られる。キャリアはエネルギーが「下部」に、つまりより厚い井戸に向かって拡散する。井戸サイズにおける非対称性により方向性及びキャリア運搬速度が改良される。発光ＨＢＴでは、発光及び素子速度が両方とも向上する。
【００１３】
本発明の実施形態によると、向上した信号対雑音比を用いて高速光信号を発生させ、及び「オン」状態に対する誘導放出処理及び「オフ」状態に対する自然放出処理を利用する「オン」及び「オフ」の継続時間を制御する素子とその技術が説明されている。トランジスタレーザの動作基点及び励起は、誘導放出（レーザ光出力、及び電気信号出力）の「オン」部分及び自然放出（検出できる光出力、及び電気的雑音を除く）の「オフ」部分をそれぞれが有するサイクルを得るために選択される。
【００１４】
制御可能な光パルスを作り出す方法は、本発明の実施形態によると、以下の工程、つまり半導体材料のコレクタ領域、ベース領域、及びエミッタ領域を含むヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造を提供し、トランジスタ構造の少なくとも一部を取り囲む光共振空洞を提供し、及び出力レーザパルスを作り出す誘導放出モードと自然放出モード間を交互に切り替えるために、電気信号を前記コレクタ領域、ベース領域及びエミッタ領域と結合する工程を含む。好ましい実施形態では、電気信号はＡＣ励起信号を含み、及び各励起信号サイクルの一部は誘導放出を作り出すために動作し、及び各励起信号サイクルの別の一部は自然放出を作り出すために動作する。本実施形態では、前記サイクルの一部の間、ベース領域における電流が素子の誘導放出閾値を超え、及び前記別のサイクルの一部の間、ベース領域の電流は前記閾値を超えない。また本実施形態では、励起信号の周波数は出力レーザパルスの周波数を制御し、及び励起信号の相対振幅が出力レーザパルスのパルス幅を制御する。本実施形態の形状では、ＡＣ励起信号は少なくとも約１ＧＨｚの周波数で提供され、及び出力レーザパルスのパルス幅は約１００ピコ秒より小さくなるように制御される。
【００１５】
本発明の別の実施形態によると、光出力を作り出す方法は、以下の工程、つまり第１及び第２の電気信号を提供し、コレクタ領域、ベース領域及びエミッタ領域を含むバイポーラ発光トランジスタ素子を提供し、前記コレクタ領域に結合されるコレクタ電極及び前記エミッタ領域に結合されるエミッタ電極を提供し、及び電位を前記コレクタ電極及びエミッタ電極に対して結合し、光通信における前記ベース領域との光結合器を提供し、前記ベース領域に結合される第１及び第２のベース電極を提供し、及び前記第１及び第２の電気信号と前記第１及び第２のベース電極をそれぞれ結合して、前記ベース領域から放出され及び光結合器に結合される光出力を作り出し、前記光出力が前記第１及び第２の電気信号の関数であるという工程を含む。本発明の１つの好ましい実施形態では、バイポーラ発光トランジスタ素子を提供する工程は、レーザトランジスタを提供することを含み、及び光出力は複数の結合されたレーザビームを含む。本実施形態の形では、第１の電気信号は周波数ｆ１を有し、第２の電気信号は周波数ｆ２を有し、及び前記光出力は、ｆ１＋ｆ２、｜ｆ１−ｆ２｜、２ｆ１＋ｆ２、２ｆ２＋ｆ１、｜２ｆ１−ｆ２｜、及び｜２ｆ２−ｆ１｜から成るグループからの周波数成分を含む。
【００１６】
別の実施形態では、第１及び第２の電気信号を提供する工程は、前記第１及び第２の電気信号を作り出す第１及び第２の制御可能な発振器を提供することを含む。
【００１７】
更なる実施形態では、第１及び第２の電気信号を提供する工程は、前記第１及び第２の電気信号を作り出す信号発生器、及び前記第１及び第２の電気信号間の位相シフトを作り出す移相器を提供することを含む。
【００１８】
トランジスタレーザがｎｐｎＨＢＴよりはむしろｐｎｐＨＢＴであることにより、（横方向のベース電流により駆動される）ベース領域の抵抗損失の低下が引き起こされ、及びさらに、ベースが主として高磁場の活性領域に配置されるために、自由キャリア吸収（ＮＤＯＮＯＲ＜ＮＡＣＣＥＰＴＥＲ）の低下が引き起こされると仮定すると、いくつかのアプリケーションにとっては、トランジスタレーザがｎｐｎＨＢＴよりはむしろｐｎｐＨＢＴであることが望ましい。こうしたアプリケーションでは、高濃度にドープされたｐ型結晶をベース領域の外側及びトランジスタレーザの高磁場の活性領域のある程度外側に置くことが好ましい。従って、本発明の更なる側面の特徴の１つは、改良されたＨＢＴレーザを考案すること、及びｐ型エミッタ及び高磁場ｐ型コレクタで必要とされるアクセプタドープされた結晶の量を最小限にすることであり、このことはこれらの領域を比較的薄く作り及びそれらをトンネル接合を介して接触させることにより行われる（つまり、ｎ＋領域により接触されるｐ＋領域がｐ型エミッタ及びｐ型コレクタの全厚さを最小限にする）。（「＋」の表記は、従来「高濃度にドープされた」を意味するが、ここの目的に関しては、通常、ｎ＋に対しては少なくとも約１０１８／ｃｍ３のドナー不純物濃度であり、及びｐ＋に対しては少なくとも約１０１９／ｃｍ３のアクセプタ不純物濃度である。）本発明の本側面の特徴によると、ｐｎｐ発光ＨＢＴは、過不足のないｐ型結晶で作られ、エミッタ（正孔注入）機能及びキャリアコレクタ機能を動作可能な状態にする。つまり、素子の電流は、可能な範囲内で、移動性が高いｎ型結晶に運ばれ及び移動性が低いｐ型結晶には運ばれず、それにより抵抗損失が最小限となる。
【００１９】
ｎ＋／ｐ＋接合でＧａＡｓにトンネリングすることはよく知られており（例えば、Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．及びＩ．Ａ．Ｌｅｓｋ氏らによる１９６０年のＰｒｏｃ．ＩＲＥ４８、１４０５を参照のこと）、及びかつてはその負抵抗に対し広く関心が持たれていた。ＧａＡｓのトンネリングは、ＩｎＧａＡ遷移領域を用いて向上され（例えば、Ｔ．Ａ．Ｒｉｃｈａｒｄ、Ｅ．Ｉ．Ｃｈｅｎ、Ａ．Ｒ．Ｓｕｇｇ．Ｇ．Ｅ．Ｈｏｆｌｅｒ、及びＮ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．氏らによる１９９３年のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６３，３６１３を参照のこと）、及びその負抵抗行動に加えて、「オーム」接触の形状として逆バイアスで使用できる。これにより、例えば、ｎ型のＧａＡｓ基板上に成長されたＡｌｘＧａ１‐ｘＡｓ‐ＧａＡｓ量子井戸へテロ構造レーザのドーピングシーケンスの逆転（ｎ→ｐからｐ→ｎ）が可能となる（例えば、Ａ．Ｒ．Ｓｕｇｇ、Ｅ．Ｉ．Ｃｈｅｎ、Ｔ．Ａ．Ｒｉｃｈａｒｄ、Ｓ．Ａ．Ｍａｒａｎｏｗｓｋｉ、及びＮ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．氏らによる１９９３年のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６２、２５１０を参照のこと）。Ｈｏｌｏｎｙａｋ氏らによる米国特許５，９３６，２６６の背景部分に記載されているように、トンネル接触接合は、発光半導体ダイオードで正孔源として使用でき、及び横方向のバイアス電流（電子電流）を可能とし、薄いｐ型層での横方向の伝導の低い移動性と大きい抵抗電圧降下という妥協なしで、量子井戸へテロ構造（ＱＷＨ）レーザダイオードを駆動させることを可能にする。これは、横方向のバイアス電流を必要とする（例えば、Ｐ．Ｗ．Ｅｖａｎｓ、Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．Ｓ．Ａ．Ｍａｒａｎｏｗｓｋｉ、Ｍ．Ｊ．Ｒｉｅｓ、及びＥ．Ｉ．Ｃｈｅｎ氏らによる１９９５年のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６７、３１６８を参照のこと）上部及び／又は下部の自然酸化物閉じ込め層（例えば、Ｍ．Ｄａｌｌｅｓａｓｓｅ、Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．、Ａ．Ｒ．Ｓｕｇｇ、Ｔ．Ａ．Ｒｉｃｈａｒｄ，及びＮ．Ｅｌ  Ｚｅｉｎ氏らによる１９９０年のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５７、２８４４；Ａ．Ｒ．Ｓｕｇｇ、Ｅ．Ｉ．ｃｈｅｎ、Ｔ．Ａ．Ｒｉｃｈａｒｄ、Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．、及びＫ．Ｃ．Ｈｓｉｅｈ氏らによる１９９３年のＡｐｐｌ・Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６２，１２５９を参照のこと）を用いるＱＷＨレーザダイオードにおいて、又は横方向の正孔電流が取り入れられた面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）（例えば、Ｄ．Ｌ．Ｈｕｆｆｋｅｒ、Ｄ．Ｇ．Ｄｅｐｐｅ、及びＫ．Ｋｕｍａｒ氏らによる１９９４年のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６５、９７）において、特に有益である。米国特許５，９３６，２６６の構造では、ＧａＡｓにおけるその低い正孔移動度のために、大きい素子の直列抵抗を導入する層に沿った正孔伝導を伴うレーザダイオードの横方向の電流フローを含み、閾電圧が増大し及び素子が熱くなる。‘２６６特許におけるこの欠点に対する解決策は、横方向の正孔励起電流に取って代わるために使用された酸化物閉じ込めＱＷＨのｐ側上のトンネル接触接合を含む。正孔注入は横方向の電子電流により支持され、従って低い電圧降下と低い直列抵抗を提供する。今回のように、ここでの目的���１つは、ｐ型材料の量を最小限にすること、及び可能な範囲内で、素子電流を運ぶためにｎ型層（電子伝導）のみを用いることである。しかし、現状の課題は異なる側面を有している、というのは、バイポーラトランジスタが含まれるからである。以上のように、解決策の一部は電子電流から正孔電流への変換のためにトンネル接合の使用を含み、及びその解決策の別の部分は、対立する方向で、正孔電流の電子電流への変換のためにトンネル接合の使用を含む。
【００２０】
本発明の別の実施形態によると、ｐ型コレクタ、ｎ型ベース、及びｐ型エミッタを有するバイポーラｐｎｐトランジスタ構造、前記コレクタに結合される第１のトンネル接合、及び前記エミッタに結合される第２のトンネル接合、及び前記第１のトンネル接合に結合されるコレクタ接触、前記第２のトンネル接合に結合されるエミッタ接触、及び前記ベースに結合されるベース接触を含む半導体発光トランジスタ素子が提供され、それにより、前記コレクタ接触、ベース接触及びエミッタ接触に対して印加された信号が、前記ベースにおける放射性再結合により前記ベースからの発光を引き起こす。本発明の本実施形態の好ましい形状では、第１のトンネル接合は層状のｎ＋／ｐ＋領域を含み、前記ｎ＋／ｐ＋領域のｎ＋層は前記コレクタ接触に結合され、及び前記ｎ＋／ｐ＋領域のｐ＋層は前記コレクタに結合される。また、第２のトンネル接合も層状のｎ＋／ｐ＋領域を含み、前記ｎ＋／ｐ＋領域のｎ＋層は前記エミッタ接触に結合され、及び前記ｎ＋／ｐ＋領域のｐ＋層は前記エミッタに結合される。
【００２１】
記載された実施形態の形状は、上記で定義された半導体発光トランジスタ素子を含む半導体レーザ素子であり、そのトランジスタ素子は、前記素子のベースの少なくとも一部を取り囲む光共振空洞をさらに含む。本発明の本形状の１つの変形では、前記素子の少なくとも一部が層状であり、及び光共振空洞は前記素子の前記少なくとも一部の層平面に対して横方向の空洞である。本発明の本形状の別の変形では、光共振空洞は、前記素子の前記少なくとも一部の層平面に対して垂直な空洞である。また、好ましい実施形態でも、前記素子のベースが高濃度にドープされたｎ＋領域を含み、及び前記ベースに、１つ又はそれ以上の量子井戸及び／又は量子ドット層といった量子サイズ効果を示す領域が更に提供される。
【００２２】
本発明の別の関連する実施形態によると、入力電気信号を用いて変調される光を作り出す方法は、以下の工程、つまりｐ型コレクタ、ｎ型ベース、及びｐ型エミッタを含むバイポーラトランジスタ素子を提供し、前記コレクタに結合される第１のトンネル接合、及び前記エミッタに結合される第２のトンネル接合を提供し、前記第１のトンネル接合に結合されるコレクタ接触を提供し、及び前記第２のトンネル接合に結合されるエミッタ接触を提供し、及び前記ベースに結合されるベース接触を提供し、電気信号を前記コレクタ、ベース及びエミッタ接触に対して印加して、ベース領域の放射性再結合による発光を引き起こし、及び前記トランジスタ素子のベース電流を前記入力電気信号を用いて制御して、前記トランジスタ素子からの発光を変調するという工程を含む。
【発明の効果】
【００２３】
ｐｎｐトランジスタレーザは、ｎｐｎトランジスタレーザと比較して、次のような多くの利点を有する。それは（１）ベースドーピングの低減、これに伴う自由キャリア吸収の減少、発振閾値の低下、及びベース領域における自己発熱の減少、及びＱＷ再結合スペクトルの改良（２）優れた電子移動度によるベースシート抵抗の低減、それに応じた上部ベース電流の注入限界の改良、電力動作の増大、ベース領域における抵抗加熱の減少、及びエミッタ下でのベース電流配分の改良、それに伴う発振閾値の低減及び端部加熱の減少（３）接触抵抗の低減、その結果として生じる加熱効果の減少である。
【００２４】
記載された利点に加えて、記載されたｐｎｐトランジスタレーザのトンネル接合を用いる本発明の本形状は、次のような多くの更なる利点を有する。それは（１）エミッタ接触層及びコレクタ接触層に対する接触抵抗の減少、それに伴う加熱効果の減少及び容量効果の減少（２）コレクタシート抵抗の低減、それにより招かれる加熱効果の減少及びコレクタ電流に対する上部電力（コレクタ電流×ＶＣＥ）の増大（３）エミッタクラッド層を通る直列抵抗の低減、及びそれに応じた加熱効果の減少（４）上部及び下部クラッド領域の（高濃度にドープされたＰ領域の最小化による）自由キャリア吸収の低減、それに伴う自由キャリア吸収の減少、及びそれに応じた発振閾値の低減と加熱効果の減少である。ｐｎｐＨＢＴレーザは、超高速ｎｐｎＨＢＴと同じくらい高速で動作しないが、比較的低い電流閾値と比較的高いコレクタ電圧破壊を伴う依然極めて高速のトランジスタレーザであると認められている。
【００２５】
本発明の更なる特徴及び利点は、添付の図面と併せて取り上げると、以下の詳細の記述から更に容易に明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１は、参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７で説明されている素子を示している。基板１０５は、その上に沈着した以下の層、サブコレクタ層１１０、コレクタ層１３０、ベース層１４０、エミッタ層１５０、及びキャップ層１６０を有する。また、コレクタメタライゼーション（すなわち電極）１１５、ベースメタライゼーション１４５、及びエミッタメタライゼーション１６５も示されている。コレクタリード線１１７、ベースリード線１４７、及びエミッタリード線１６７も示されている。参照の同時係属出願に記載されているように、コレクタ層１３０は、３０００Å厚でｎ型のＧａＡｓ、ｎ＝２×１０１６ｃｍ−３を含み、ベース層１４０は、６００Å厚でｐ＋のカーボンドープされた組織的に選別されたＩｎＧａＡｓ（１．４％Ｉｎ）、ｐ＝４．５×１０１９ｃｍ−３を含み、エミッタ層１５０は、８００Å厚でｎ型のＩｎＧａＰ、ｎ＝５×１０１７ｃｍ−３を含み、及びキャップ層は１０００Å厚でｎ＋のＩｎＧａＡｓ、ｎ＝３×１０１９ｃｍ−３を含む。
【００２７】
参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７に記載されているように、従来のＰＮ接合ダイオード動作に対して、再結合処理はｎ側から注入される電子とｐ型から注入される正孔の両方に基づくが、その処理は二分子再結合では速度が限定されうる。発光ＨＢＴの場合、ベースの「正孔」濃度が非常に高いので、電子がベースに注入されると、電子はすばやく（二分子）再結合する。ベース電流は電荷不均衡を中和するための緩和を介して正孔を再供給するだけである。ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）に対して、ベース電流は７つの成分、つまり（１）エミッタ領域への正孔注入（ｉＢｐ）、（２）露出した外部ベース領域内の表面再結合電流（ｉＢｓｕｒｆ）、（３）ベースのオーム接触再結合電流（ｉＢｃｏｎｔ）、（４）空間電荷再結合電流（ｉＢｓｃｒ）、（５）ホール・ショックリー・リード処理（ＨＳＲ）によるバルクベースの非放射性再結合電流（ｉＢＨＳＲ）、（６）バルクベースのオージェ再結合電流（ｉＢＡｕｇ）、及び（７）バルクベースの放射性再結合電流（ｉＢｒａｄ）に分類される。任意の露出したベース領域上に棚状の不動態化を伴う比較的効率的なＨＢＴに対して、表面再結合電流が著しく削減される。従って、ベース電流と再結合寿命は、主としてバルクＨＳＲ再結合、オージェ工程、及び放射性再結合として見積もられる。以下の方程式（１）
ｉＢ＝ｉＢＨＳＲ＋ｉＢＡＵＧ＋ｉＢｒａｄ＝ｑＡＥΔｎ／τｎ          （１）
で表されるベース電流は、中立ベース領域における過剰少数キャリアΔｎ、エミッタ領域ＡＥ、電荷ｑ及びベース再結合寿命τｎと関連している。全体的なベース再結合寿命τｎは、
τｎ＝（１／τＨＳＲ＋１／τＡＵＧ＋１／τｒａｄ）−１        （２）
として、ホール・ショックリー・リードτＨＳＲ、オージェτＡＵＧ、及び放射性再結合τｒａｄの個々の再結合成分と関連している。
【００２８】
参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７に更に記載されているように、ベース内の発光強度ΔＩはｉＢｒａｄに比例し、及び下記の方程式（３）に示される中立ベース領域の真性キャリア濃度（ｎｐ−ｎｉ２）を越えた多数正孔を伴う少数キャリア電子と放射性再結合処理率Ｂに関連し、その際正孔濃度はベースドーパント濃度ＮＢに等しいと概算される。方程式（３）で表される放射性ベース電流は、
ｉＢｒａｄ＝ｑＡＥＢ（ｎｐ−ｎｉ２）＝ｑＡＥＢｎｐ＝ｑＡＥΔｎ（ＢＮＢ）＝ｑＡＥΔｎ／τｒａｄ                                            （３）
として、中立ベース領域内の過剰少数キャリアΔｎ、及びベース再結合寿命τｒａｄと関連している。
【００２９】
高速ＨＢＴに対して、ベース再結合寿命が全体の応答遅延時間の半分未満であると予測することは容易である。従って、ベースの光学的再結合処理は、ＨＢＴの速度の少なくとも２倍の速さであるべきである。言い換えると、ＨＢＴ速度は極めて速いが、制限されている。
【００３０】
最初に図示された実施形態では、ＡｌＧａＡｓ閉じ込め層とｐ型ベース領域に組み込まれたＩｎＧａＡｓ再結合量子井戸を伴うＩｎＧａＰ‐ＧａＡｓ‐ＩｎＧａＡｓヘテロ接合バイポーラ発光トランジスタ（ＨＢＬＥＴ）のレーザ動作を示す素子及びデータが説明されている。ＨＢＬＥＴレーザのために使用される結晶のエピタキシャル層が図２に概略的に示され、それはＧａＡｓ基板２１０、４０００Åでｎ型の高濃度にドープされたＧａＡｓバッファ層２１５を伴い、それに底部クラッド層を形成する６００Åでｎ型のＡｌ０．４０Ｇａ０・６０Ａｓ層２２０、３５００Åでｎ型のＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層２２２、及び４００Åでｎ型のＡｌ０．４０Ｇａ０．６０Ａｓ層２２４が続く。これらの層には、４００Åでｎ型のサブコレクタ層２３０、その後２００ÅのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐエッチング停止層（図示せず）、６５０Åで非ドープのＧａＡｓコレクタ層２４０、及び９４０Åでｐ型のＧａＡｓベース層２５０（活性層）が続き、そのベース層２５０はまた（ベース領域に）１２０ÅのＩｎＧａＡｓ量子井戸（λ≒９８０ｎｍ用に設計された）も含む。エピタキシャルＨＢＬＥＴレーザ構造は、１２００Åでｎ型のＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐワイドギャップエミッタ層２６０、３００Åでｎ型のＡｌ０．７０Ｇａ０．３０Ａｓ酸化バッファ層２７０、３５００Åでｎ型のＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ易酸化層２７５（Ｊ．Ｍ．Ｄａｌｌｅｓａｓｓｅ、Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．、Ａ．Ｒ．Ｓｕｇｇ、Ｔ．Ａ．Ｒｉｃｈａｒｄ、及びＮ．Ｅｌ−Ｚｅｉｎ氏らによる１９９０年のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５７，２８４４を参照のこと）、及び１０００Åでｎ型のＡｌ０．４０Ｇａ０．６０Ａｓ層２８０を含む上部クラッド層の成長で完成される。最後に、ＨＢＬＥＴレーザ構造は、１０００Åで高濃度にドープされたｎ型のＧａＡｓ接触層２９０を用いて塞がれる。
【００３１】
ＨＢＬＥＴレーザ製造は、結晶上に６μｍの保護ＳｉＮ４のストライプを最初にパターン化することにより行われる。最頂部にあるｎ型のＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ易酸化層がその後ウェットエッチング（１：８：１６０  Ｈ２Ｏ２：Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ）により露出されて、６μｍまでのエミッタメサを形成する。次に、幅広で１５０μｍの保護フォトレジスト（ＰＲ）のストライプがエミッタメサ一面に配置され及び保護されていないＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層が完全に取り除かれ（１：４：８０  Ｈ２Ｏ２：Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ）、Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐのワイドギャップエミッタ層があらわになる。保護ＰＲストライプはその後取り除かれ、及びそのサンプルが７．５分間４２５℃でＮ２＋Ｈ２Ｏが供給される加熱炉において酸化され、その結果、６μｍのエミッタメサに４μｍまでの酸化物定義開口部を形成する１μｍまでの横方向の酸化がもたらされる（再び、Ｊ．Ｍ．Ｄａｌｌｅｓａｓｓｅ、Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．、Ａ．Ｒ．Ｓｕｇｇ、Ｔ．Ａ．Ｒｉｃｈａｒｄ、及びＮ．Ｅｌ−Ｚｅｉｎ氏らによる１９９０年のｓｕｐｒａ；Ｓ．Ａ．Ｍａｒａｎｏｗｓｋｉ、Ａ．Ｒ．Ｓｕｇｇ、Ｅ．Ｉ．Ｃｈｅｎ、及びＮ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．氏らによる１９９３年のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６３、１６６０を参照のこと）。保護ＳｉＮ４がプラズマ（ＣＦ４）エッチングにより取り除かれる前に、サンプルは（Ｎ２内で）４３０℃で７分間アニールされて、ｐドーパントを活性化する。１００μｍのＰＲウィンドウはエミッタメサと酸化層一面に形成され、及びＡｕ‐Ｇｅ／Ａｕがサンプル一面に沈着されて、金属接触を形成する。過度の金属を取り除くためのフォトレジスト（ＰＲ）のリフトオフ後に、Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ層はウェットエッチング（４：１  ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ）を使用して取り除かれ、ｐ型のＧａＡｓベース層を露出させる。その後８０μｍの幅広ＰＲウィンドウがエミッタメサの端部から１５μｍまで離れてパターン化され、及びＴｉ‐Ｐｔ‐Ａｕがベースへの接触のために蒸発される。その後別のリフトオフ処理が行われて、過度のベース接触金属を取り除く。１５０μｍのＰＲウィンドウがベース接触から６μｍまで離れてパターン化される。ＧａＡｓベース層とコレクタ層は、選択エッチング（４：１  Ｃ６Ｈ８Ｏ７：Ｈ２Ｏ２）を使用して取り除かれ、及びＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐのエッチング停止層はウェットエッチング（１６：１５  ＨＣｌ：Ｈ２Ｏ）により取り除かれ、高濃度にドープされたＧａＡｓサブコレクタ層があらわになる。Ａｕ‐Ｇｅ／Ａｕ金属合金は、露出されたサブコレクタ層への接触のためにサンプル一面に蒸発され、及び別のリフトオフ処理が過度の金属を取り除くために行われる。その後サンプルは７５μｍまでの厚さに重ね合わされ、接触部がアニールされる。ＨＢＬＥＴサンプルは、エミッタストライプに対して垂直に開裂されて、ファブリペローファセットを形成し、及び結晶の基板側が、Ｉｎで覆われたＣｕヒートシンク上で合金になる。
【００３２】
処理され、金属化され及び開裂されたＨＢＬＥＴレーザ（上面図）が、図３の左側に示されている。エミッタ（Ｅ）、ベース（Ｂ）、及びコレクタ（Ｃ）上の接触プローブが概略的に示され、それらは右側の動作中の素子上の実際のプローブ（ＥＰＲＢ、ＢＰＲＢ、及びＣＰＲＢ）に似ている。右側の画像は、ビデオＣＣＤ検出器を用いて得られ、及びレーザ結晶よりわずかに低く配置されるＣｕプラットフォームから拡散される素子レーザビーム（光子）を示し（ｈν）、それは、図示されるように開裂されたファブリペローファセット間に２００μｍまでの間隔を有する。電流及びバイアス電圧（共通のエミッタ動作）は、図３のＥＰＲＢ、ＢＰＲＢ、及びＣＰＲＢと付された３つのプローブによりＨＢＬＥＴに結合されたＴｅｃｔｒｏｎｉｘ  Ｍｏｄｅｌ３７０という高解像度の曲線トレーサを使用して提供される。ＨＢＬＥＴレーザは、乾燥したＮ２環境で２００Ｋまで動作する。
【００３３】
ファブリペローファセット間で２６０μｍまでの間隔を有する別のＨＢＬＥＴレーザのトランジスタＩ‐Ｖ曲線が図４に示されている。ベース電流Ｉｂが２ｍＡ間隔で０ｍＡから８ｍＡまで増加すると、差動電流利得の通常の増加はβ＝ΔＩｃ／ΔＩｂで観察され、この場合、βは低い電流で〜２から高い電流で６．５までである。光対ＶＣＥ測定（Ｉｂ定数、データは図示せず）により、ＶＣＥが増大し、及びその後逆方向のブレークダウンの開始で減少するので、放射性再結合が改良されることが示される。しかし、Ｉｂ＝８ｍＡ付近で、及びＶＣＥが増大すると、誘導再結合（誘導放出）が重要となり、及びＨＢＬＥＴはレーザ及びトランジスタの両方として動作するが、電流利得βの明らかな減少が伴う。閾値を超えて、Ｉｂが８ｍＡまでのＩｔｈと等しい又はそれより大きいと、差動利得βは６．５からほぼ定数値の２．５まで減少する（α＝β／（β＋１）＝Ｉｃ／Ｉｅ＝０．７１）。というのは、βが単比τｎ／τｔとして近似されるからであり（Ｂ．Ｇ．Ｓｔｒｅｅｔｍａｎ及びＳ．Ｂａｎｅｒｊｅｅ氏らによるＳｏｌｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，５ｔｈｅｄ．の３２８頁（Ｐｅａｒｓｏｎ、Ｎｅｗ  Ｊｅｒｓｅｙ、２００４年）を参照のこと）、その際τｔは平均（キャリア）ベース走行時間（これは閾値の上の値及び下の値とほぼ同じである）であり及びτｎはベース内の平均電子寿命であり、電子寿命は、１２０ÅのＱＷに集められたキャリアの誘導再結合のために２．６の要素により削減される。ＱＷは、独自の疑似コレクタとして動作し（Ｅ．Ａ．Ｒｅｚｅｋ、Ｈ．Ｓｈｉｃｈｉｊｏ、Ｂ．Ａ．Ｖｏｊａｋ、及びＮ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．氏らによる１９９７年のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．３１、５３４を参照のこと）、及びベース再結合を管理する及び従って光出力とトランジスタ利得（β）の両方を管理するために適合される。注目すべきは、比較のために、室温で、Ｉｂ＝２ｍＡで１０の差動電流利得β及び８ｍＡで３０の差動電流利得β（すなわち０．９１及び０．９６の電流伝達比、α＝Ｉｃ／Ｉｅである）が観察されることである（データは図示せず）。
【００３４】
図５は、準連続動作（６０Ｈｚで８８％の負荷サイクル）における、図３のＨＢＬＥＴ素子の再結合放射線スペクトルを示すが、ベース‐コレクタ接合上の逆方向バイアスを増大するためにわずかに増大した電圧バイアスＶＣＥを伴う。（ａ）Ｉｂ＝６ｍＡでは、ＨＢＬＥＴ再結合放射線は９５４ｎｍのピーク波長と２８０Åまでの分光幅を示す。（ｂ）Ｉｂ＝８ｍＡでは、誘導放出の開始が固有スペクトル狭窄及びモード展開とともに見られる。（ｃ）Ｉｂ＝１０ｍＡでは、レーザモードが完全に展開され（λ＝９５８ｎｍ）、図３でも明らかな、トランジスタレーザ動作をはっきりと示している。図３（右側）の２００μｍ長のＨＢＬＥＴレーザは、Ｓｉ‐ＣＣＤカメラの飽和状態を防ぐためにパルス状のベース電流を用いて動作された（１ＭＨｚで１％の負荷サイクル）。
【００３５】
記載された結果により、共振空洞とｐ型のベース（疑似コレクタ、第２のコレクタ）内の再結合ＱＷ（又は複数のＱＷ）を用いて適切に変更されたＨＢＬＥＴが、利得β＝ΔＩｃ／ΔＩｂ＞１を伴うレーザ及びトランジスタとして同時に動作できることが実証される。レーザ閾値では、トランジスタ利得は急激に減少するが、依然３ポート動作（電気入力、電気出力、及び光出力）に対応している。
【００３６】
上述の実施形態の記述では、いくつかの特徴を有するヘテロ接合バイポーラ発光トランジスタ（ＨＢＬＥＴ）は、誘導再結合及びレーザ動作に対応できることが示されている。以下の更なる実施形態では、いくつかの特徴を有する３ポートトランジスタレーザがマイクロ波動作及び光変調を示す。本実施形態では、ＨＢＬＥＴに対して使用される結晶のエピタキシャル層は、１００Åでｎ型の高濃度にドープされたＧａＡｓバッファ層を含み、それに底部クラッド層を形成する６３０Åでｎ型のＡｌ０．４０Ｇａ０．６０Ａｓ層、４０００Åでｎ型のＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層、及び２５０Åでｎ型のＡｌ０．４０Ｇａ０．６０Ａｓ層が続く。これらの層には、３００Åでｎ型のサブコレクタ層、その後１５０ÅのＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐエッチング停止層、６００Åで非ドープのＧａＡｓコレクタ層、及び８５０Åでｐ型のＧａＡｓベース層が続き、そのＧａＡｓベース層は（ベース領域内に）１２０ÅのＩｎＧａＡｓ  ＱＷ（λ≒９８０ｎｍに対して設計される）も含む。エピタキシャルＨＢＬＥＴレーザ構造は、６００Åでｎ型のＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐワイドギャップエミッタ層、５０Åでｎ型のＧａＡｓバッファ層、２００Åでｎ型のＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ酸化バッファ層、２００Åでｎ型のＡｌ０．８０Ｇａ０．２０Ａｓ酸化バッファ層、４０００Åでｎ型のＡｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ易酸化層、３００Åでｎ型のＡｌ０．８０Ｇａ０．２０Ａｓ層、及び５００Åでｎ型のＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層を含む上部クラッド層の成長により完成される。最後に、ＨＢＬＥＴレーザ構造は、１０００Åで高濃度にドープされたｎ型のＧａＡｓ接触層で塞がれる。
【００３７】
ＨＢＬＥＴレーザ製造は、結晶上に８μｍの保護ＳｉＮ４のストライプを最初にパターン化することにより行われる。最頂部にあるｎ型のＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ易酸化層がその後ウェットエッチング（１：８：１６０  Ｈ２Ｏ２：Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ）により露出されて、６μｍまでのエミッタメサを形成する。次に、１０μｍと５０μｍ（４０μｍ間隔）のフォトレジスト（ＰＲ）ウィンドウが、２つのウィンドウ間に及び１０μｍウィンドウから５μｍまで離れて配置されるエミッタメサを用いて形成される。その後保護されていないＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層が完全に取り除かれ（１：４：８０  Ｈ２Ｏ２：Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ）、Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐのワイドギャップエミッタ層があらわれる。保護ＰＲストライプは溶解され、及びそのサンプルは６．５分間４２５℃でＮ２＋Ｈ２Ｏが供給される加熱炉において酸化される。その結果６μｍのエミッタメサに４μｍまでの酸化物定義開口部を形成する１．０μｍまでの横方向の酸化が引き起こされる（再び、Ｊ．Ｍ．Ｄａｌｌｅｓａｓｓｅ、Ｎ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．、Ａ．Ｒ．Ｓｕｇｇ、Ｔ．Ａ．Ｒｉｃｈａｒｄ、及びＮ．Ｅｌ−Ｚｅｉｎ氏らによる１９９０年のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５７、２８４４；Ｓ．Ａ．Ｍａｒａｎｏｗｓｋｉ、Ａ．Ｒ．Ｓｕｇｇ、Ｅ．Ｉ．Ｃｈｅｎ、及びＮ．Ｈｏｌｏｎｙａｋ，Ｊｒ．氏らによる１９９３年のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６３，１６６０を参照のこと）。保護ＳｉＮ４がプラズマ（ＣＦ４）エッチングにより取り除かれる前に、サンプルは（Ｎ２内で）４３０℃で６．５分間アニールされて、ｐドーパントを活性化する。残りのＩｎＧａＰエミッタは、ＨＣｌを使用して選択的にエッチング処理される。ベース‐コレクタ接触層はその後ＧａＡｓ及びＩｎＧａＡｓに対する選択的なウェットエッチング（４：１  Ｃ６Ｈ８Ｏ７：Ｈ２Ｏ２）により、及びＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐに対するＨＣｌにより露出される。その後５０μｍのＰＲウィンドウが１０μｍのベース接触ウィンドウと酸化Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層一面に形成される。１μｍ厚のＰｄ‐Ｐｔ‐Ａｕでｐ型のオーム接触は、一部露出したベース層の登頂部に沈着されて、ベース金属接触を形成する（それにリフトオフ処理が続く）。次に、３０μｍと５０μｍ（５μｍ間隔）のＰＲウィンドウがエミッタとコレクタの金属接触沈着に対して開かれ、及び１μｍ厚さでｎ型の接触ＡｕＧｅ‐Ｎｉ‐Ａｕ金属合金が結晶上に沈着され及び別のリフトオフ処理が過度の金属を取り除くために行われる。その後サンプルが１００μｍまでの厚さで塞がれ及びアニールされる。ＨＢＬＥＴサンプルは、エミッタストライプに対して垂直に開裂されて、ファブリペローファセットを形成し、及び結晶の基板側はインジウムで覆われたＣｕヒートシンク上で合金にされる。
【００３８】
本実施形態の４５０μｍのＨＢＬＥＴのトランジスタＩｃ対ＶＣＥ曲線族（２１３Ｋで）が図６に示されている。ベース電流ＩＢが２．５ｍＡ間隔で０ｍＡから１５ｍＡまで増加するので、電流利得（βｄｃ＝ＩＣ／ＩＢ）はＩＢ≦Ｉｔｈに対しては５．６５まで増加し、及びその後ＩＢ≧Ｉｔｈに対しては４．５まで減少する。ＩＢ＝７．５ｍＡでは、前述の実施形態に連動して記載されたように、図６で、レーザ動作中のトランジスタに関連する差動信号又は小信号β（βａｃ＝ΔＩＣ／ΔＩＢ）の負の傾斜が観察される。トランジスタのＶＢＥ曲線は、Ｉｃ対ＶＣＥ曲線族上に重ねられて、ゼロのベース‐コレクタバイアス箇所、つまり限度ＶＣＢ＝０を示す。図６から及び利得特性を観察することにより、トランジスタがＶＣＥ（ＶＢＣ＝０を超える）の広い領域一面でレーザとして動作することがわかる。トランジスタが飽和モード（定数ＩＣ）で動作し、及び高い逆方向バイアスで減少し、加熱が開始されると、光対ベース電流測定（データは図示せず）により、レーザ光強度の小さい変化が示される。
【００３９】
新規の技術は、トランジスタの電気利得に基づくトランジスタレーザの閾値電流を決定するために使用される。このことにより、素子がレーザとして動作していることを確かめるための更なる外部フィードバックシステム（光検出器）を有する必要性が解消される。ＶＣＢ＝０に対する小信号の電流利得βａｃ＝ΔＩＣ／ΔＩＢ及び電流利得βｄｃ＝ＩＣ／ＩＢが、図７の曲線（ａ）及び（ｂ）で示されている。曲線（ａ）から、ＩＢが増大すると、小信号利得が増大し、及び誘導放出の開始で、又は増幅した自然放出（ＩＢ＝６．７ｍＡ、βａｃ＝８．６）に対して急激に減少することが観察できる。図７の曲線（ｂ）の頂点は、トランジスタレーザの閾値電流として画定できる（ＩＢ＝Ｉｔｈ＝７．４ｍＡ）。βａｃがＩＢ≒７．９ｍＡで最小（βａｃ＝３．７）に到達すると、トランジスタレーザ動作が完全に生ずる。この閾値電流測定方法は、標準光対標準強度（Ｌ‐Ｉ）測定（データは図示せず）との比較により及び赤外線ＣＣＤカメラを使用するレーザ回折パターンの目視観測から確認される。それはスペクトル狭窄でも矛盾しない。
【００４０】
図８は、ＶＣＥ＝２Ｖでバイアスされ及び３ＧＨｚで動作する本実施形態のトランジスタレーザの（２１３Ｋでの）レーザ動作（曲線（ａ））及び自然放出スペクトル（曲線（ｂ））を示している。入力電圧の波形は、３ＧＨｚの最大クロック信号を有するＨＰ７０８４１Ａパターン発生器からのクロック信号を使用して発生する。出力測定は、ＨＰ７０９５１Ｂ光学スペクトル分析器を使用して行われる。自然放出に対する−６３．４ｄＢｍの最大電力レベルはλ＝９６６．５ｎｍで測定され、及びレーザ動作に対しては−２１．４４ｄＢｍ（λ＝９６４．４ｎｍ）の出力が測定される。トランジスタレーザの小出力は、弱いファイバー結合によると考えられる。更なる自由空間の測定は、少なくとも８倍大きい電力を生み出す。３ＧＨｚで動作中のトランジスタレーザの画像が、ＣＣＤカメラを使用して捕捉され、図９に示されている。前方のファブリペローファセットからの発光が、光ファイバーに結合され（図９上部）、それが光学スペクトル分析器の入力に直接結合される。
【００４１】
信号発生器、広帯域検出器、電力計及びデジタルオシロスコープは、トランジスタレーザの３ポート（電気入力、電気出力及び光出力）の直接変調特性のために使用される。一組の４０ＧＨｚ接地信号マイクロ波プローブを備えた冷えたステーションが、２１３Ｋでの測定を可能にするために使用される。ファブリペローファセット間に４５０μｍまでの間隔を有するＨＢＬＥＴは、通常の動作モード（ＶＣＥ＝２Ｖ及びＩＢ＝９ｍＡ）でバイアスされ、及び０．７５Ｖの最高最低振幅を伴う小信号の正弦波電圧波形が、素子のベース（入力ポート）に提供される。入力電圧波形は、ＨＰ７０８４１Ａパターン発生器からのクロック信号（３ＧＨｚの最大クロック信号）を使用して発生され、及び電気出力のコレクタ‐エミッタ電圧波形は２０ＧＨｚのデジタルサンプリングオシロスコープを使用して測定される。入力波形クロック信号の補完的出力は、オシロスコープの第２の個別チャンネルで測定される。トランジスタレーザの出力は、２５μｍのコア径を伴う多重モードのファイバープローブに結合される。レーザ信号は、高速（１０Ｇｂ／ｓ）で広帯域（４００から１７００ｎｍ）のＩｎＧａＡｓ検出器に送り込まれる。検出器の出力電圧、ベースの入力電圧、及びコレクタの出力電圧は、４つのチャンネルサンプリングオシロスコープ上に全て同時に表示される。３ＧＨｚで変調された入力信号（一番上のトレース）及びそれに対応する電気出力及び光出力が図１０に（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）でそれぞれ示されている。３ＧＨｚのベース電流が閾値電流を下回って保持される（減少する）と、光出力波形は観察されず、その一方で、誘導放出がかなり強いレーザ出力信号を画定することがはっきりとわかる。
【００４２】
本発明の実施形態によると、向上した信号対雑音比及び「オン」状態に対する誘導放出処理及び「オフ」状態に対する自然放出処理を利用する「オン」及び「オフ」の継続時間の制御を用いた高速光信号を発生させる素子とその技術が説明されている。トランジスタレーザの動作基点及び励起は、それぞれが誘導放出の「オン」部分（レーザ光出力、及び電気信号出力）及び自然放出の「オフ」部分（光出力、及び電気的雑音を除く）を有するサイクルを得るために選択される。
【００４３】
ファブリペローファセット間に４５０μｍまでの間隔を有するＨＢＬＥＴレーザのトランジスタＩ‐Ｖ曲線が図１１に示されている。ベース電流Ｉｂ＝０．７４４ｍＡでは、ＨＢＬＥＴはレーザ閾値に届き及びトランジスタ利得β＝ＤＩｃ／ｄＩｂをβ＝５．５から４．５まで（つまりα＝β／（β＋１）＝０．８５→０．８１）変化させる。上述のように、ＨＢＬＥＴトランジスタレーザは、自然放出から誘導放出までの移行におけるＩ‐Ｖ曲線に重要な特徴を有する。図１２は、Ｖｃｅ＝Ｖｂｅ及びＶｂｃ＝０Ｖを伴うベース電流とコレクタ電流のギュンメルプロットを示している。電流利得βは増大し（自然放出）、及びそのβはＨＢＬＥＴの動作が開始されると減少する、というのは、誘導放出に対する再結合処理が「速く」なるからである。
【００４４】
素子のベース端子での（周波数及び振幅について制御可能である）電気入力の３ＧＨｚ変調を伴う共通エミッタ構造のトランジスタレーザ上で実験が行われた。
【００４５】
誘導放出モードと称される動作のモードは、例えば、以下の最初の動作パラメータ、Ｖｂｅ＝１．６７Ｖ、Ｖｃｅ＝２Ｖ、Ｉｂ＝１６ｍＡ及びＩｃ＝６９．２ｍＡを有する。予想通り、誘導放出モード（つまり、一貫して誘導放出モードに対する閾値を越えるレベルでの入力を伴う）では、図１１のグラフ１３（ａ）、１３（ｂ）、及び１３（ｃ）にそれぞれ示される電気入力及び電気出力、及び光出力は、同様の素子に対する図１０の対応するグラフ１０（ａ）、１０（ｂ）及び１０（ｃ）に似ており、及びレーザパワースペクトルのグラフ１３（ｄ）は同様の素子に対する図８の対応するグラフに似ている。
【００４６】
自然放出モードと称される動作モードは、例えば、以下の最初の動作パラメータ、Ｖｂｅ＝１．４７Ｖ、Ｖｃｅ＝２Ｖ、Ｉｂ＝５ｍＡ、及びＩｃ＝１９．８４ｍＡを有する。図１４のグラフは、自然放出モードに対する結果（つまり、一貫して誘導放出に対する閾値を下回るレベルでの入力を伴う）を示しており、グラフ１４（ａ）は、正弦波電気入力を示し、グラフ１４（ｂ）は、自然放出の暗騒音特性であるとみなされる光信号出力を示し、及びグラフ１４（ｃ）は、自然放出モードの光出力パワースペクトルを示している。
【００４７】
閾値付近モードと称される動作モードは、例えば、以下の最初の動作パラメータ、Ｖｂｅ＝１．５７Ｖ、Ｖｃｅ＝２Ｖ、Ｉｂ＝１０ｍＡ、及びＩｃ＝４６．２ｍＡを有する。図１５のグラフは、閾値付近モードに対する結果を示している（つまり、ベース電流が誘導放出に対する閾値を超える間の「オン」部分とベース電流が誘導放出に対する閾値を下回る間の「オフ」部分を有する正弦波入力信号の各サイクルを伴う）。グラフ１５（ａ）及び１５（ｂ）は、再び電気入力信号と電気出力信号をそれぞれ示している。グラフ１５（ｃ）は光出力を示し、それは（ベース閾値電流が超えられるときのサイクルの一部の間の）誘導放出レーザパルス及び（ベース閾値電流が越えられないときのサイクルの一部の間の）自然放出を有すると見られる。この場合、３ＧＨｚの入力信号（本発明の素子の能力内で、より良い試験装置を用いて、容易に上回ることが明らかである）に対して、レーザパルスは、説明された状況に対して、約１００ピコ秒に満たない半値電力のパルス幅を有する。相対的な信号振幅を適合させることにより（例えばバイアス及び／又はＡＣ信号振幅及び／又は負荷を制御することにより）、パルス幅は有利に制御できる。グラフ１５（ｄ）は、この場合に対する光出力パワースペクトルを示している。
【００４８】
図１６は、これに関する実施形態の例示に取り入れられる状況を含む様々な状況下で、発光トランジスタ（ＬＥＴ）１６１０を動作させるために使用できる回路の例の図である。この例では、制御可能な発振器１６１５が、バイアスティ１６２０を介してＬＥＴのベース端子に結合され、及びバイアスティ１６２０の中枝が制御可能なバイアス電圧ＶＢＥに結合される。エミッタ端子は、接地基準電位に結合され、及びコレクタ端子は、バイアスティ１６４０を介して、可変負荷抵抗器１６６０に結合される。バイアスティ１６４０の中枝は、制御可能なバイアス電位ＶＣＥに結合される。
【００４９】
図１７のグラフもまた、例示的な電気入力（グラフ上部）、電気出力（グラフ下部）、及び光出力（グラフの右側）を示し、３つの異なる出力ＤＣバイアス状況が、制御可能なパルス幅を伴う光出力を発生させるためにどのように使用できるかを示している。図１９は、一緒にプロットされた３つのそれぞれの動作基点に対する３つの電気出力及び光出力を示している。
【００５０】
典型的なトランジスタ動作では、トランジスタの３つの端子のうちの１つが入力回路と出力回路の両方に共通している。これにより、共通エミッタ（ＣＥ）、共通ベース（ＣＢ）、及び共通コレクタ（ＣＣ）として知られるなじみのある構造がもたらされる。共通端子（しばしば接地基準）が、２つの残りの端子のうちの１つ又はもう一方と対になる。それぞれの対はポートと呼ばれ、及び任意の構造に対する２つの対は２ポートネットワークと呼ばれる。２つのポートは、通常入力ポート及び出力ポートとして認識される。参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７に記載されているように、及び図２０に示されているように、第３のポート、つまり光出力ポートが提供され、及びそれは発光ＨＢＴのベース層からの放出（再結合放射）に基づいている。例えば、共通エミッタ構造を用いて動作される図１のＨＢＴに対して、電気信号が入力ポート（ポート１）に印加されると、ポート２で信号振幅を伴う電気出力とポート３で光放射の信号変調を伴う光出力が同時に生じる。
【００５１】
参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７に記載されているように、図２１は、９２０で表される側方の空洞内にあり、側方の利得誘導レーザとして動作する３つの端子の発光ＨＢＴ９１０を示している。側方の空洞は、例えば、発光領域上又はその付近の開裂された縁により画定される。
【００５２】
参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７に記載されているように、誘導放出は、トランジスタの速度を向上させるために、バイポーラトランジスタ（例えば、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）又はヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ））のベース層において有益になるように使用される。自然放出再結合寿命は、バイポーラトランジスタ速度の本質的限界である。バイポーラトランジスタのベース層は、自然放出の不利益に対して誘導放出（すなわち誘導再結合）を向上させるために適合され、それにより再結合寿命が低減し及びトランジスタ速度が増大する。本実施形態の本側面の形では、好ましくは量子井戸又は量子ドットの層で、好ましくは非ドープの又は低濃度にドープされた、量子サイズ効果を示す少なくとも１つの層が、バイポーラトランジスタのベース層に提供される。好ましくは、量子サイズ効果を示す少なくとも１つの層を含むベース層の少なくとも一部は、高濃度にドープされ、及び前記少なくとも１つの層より広いバンドギャップ材料製である。少なくとも１つの量子井戸、又は量子ドットの層は、より高いギャップで高濃度にドープされた材料内にあり、誘導再結合を向上させ及び放射性再結合寿命を低減する。二次元電子ガス（「２‐ＤＥＧ」）は、量子井戸又は量子ドット層のキャリア濃度を高め、それによりベース領域の移動性が改良される。ベース抵抗における改良により、ベース厚さの低減が可能となり、それに付随してベース運搬時間も低減される。速度におけるこれらの利点は、発光が利用される高速バイポーラトランジスタ、及び／又は発光が利用されない高速バイポーラトランジスタで適用できる。発光バイポーラトランジスタ素子、例えば直接バンドギャップ材料のヘテロ接合バイポーラトランジスタでは、量子サイズ効果を示す１つ又はそれ以上の層の使用により、発光の強化、及び素子の発光波長特性のカスタマイズにおいて有益である。ドープされた又は高濃度にドープされた量子サイズ領域もまた利用できる。
【００５３】
図２２は、図１の素子（又は別の実施形態）のベース領域１４０内の１つ又はそれ以上の量子井戸１４１、１４２の使用を示している。参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７に記載されているように、これらの量子井戸は、改良された素子速度に対する再結合処理、変調特性を向上させるために、及び／又は素子のスペクトル特性を調整するために動作する。１つの実施形態では、１つ又はそれ以上の量子井戸（及び／又はドット―以下を参照のこと）は、包囲ベース層（１４０）材料より低いバンドギャップ製で、非ドープ又は低濃度にドープされている（例えば、約１０１６ｃｍ−３未満）。包囲ベース層（１４０）材料は、高濃度にドープされている（例えば、ｐ型に対して少なくとも約１０１８ｃｍ−３又はｎ型に対して少なくとも約１０１７ｃｍ−３で均一ドープされている又はデルタドープされている）。１つの実施形態では、１つ又はそれ以上の量子井戸（又はドット）層は、約１００Åより大きくない厚さを有する。
【００５４】
参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７に記載されているように、反射器を伴う空洞は、発光ＨＢＴの制御されたレーザ動作を得るために横方向に（例えば図２１）又は垂直方向に（例えば、図２４及び図２５）利用できる。上記で要約されたように、誘導放出を向上させることにより、再結合寿命が削減され、動作速度が増大する。
【００５５】
図２３は、図１の素子（又は別の実施形態）のベース領域１４０内の１つ又はそれ以上の量子ドット１４３、１４４の領域の使用を示しており、これらの量子ドット領域は、参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７に記載されているように、改良された素子速度に対する再結合処理、変調特性を向上させるため、及び／又は素子のスペクトル特性を調整するために動作している。量子ドットの層１４６から間隔をあけた量子井戸１４５の組み合わせ（米国特許６，７５３，２７３を参照のこと）もまた、図２４に示されるように、この素子のベース領域で利用できる。
【００５６】
図２５は、参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７に記載されているように、ＨＢＴのベース領域からの発光を取り入れた面発光レーザを示している。基板１１０５が提供され、及び以下の層、ＤＢＲ反射器層１１０８、サブコレクタ１１１０、コレクタ１１３０、遷移層１１３３、ベース１１４０、エミッタ１１５０、エミッタキャップ層１１６０及び上端ＤＢＲ反射器層１１６８がその上に提供される。また、コレクタメタライゼーション１１１５、ベースメタライゼーション１１４５、及びエミッタメタライゼーション１１６５も示されている。コレクタリード線１１１７、ベースリード線１１４７、及びエミッタリード線１１６７もまた示されている。本実施形態の形では、その層はＭＯＣＶＤにより成長され、基板１１０５は半絶縁性のＩｎＰ基板であり、サブコレクタ１１１０はｎ＋のＩｎＧａＡｓ、コレクタ１１３０はｎ型のＩｎＰ、ベース１１４０は量子井戸を伴うｐ＋のＩｎＧａＡｓ層であり、エミッタ１１５０はｎ型のＩｎＰ、及びエミッタキャップ１１６０はｎ＋のＩｎＧａＡｓである。また、遷移層はｎ型の量子的遷移層、例えばＩｎＧａＡｓＰである。本実施形態では、反射器層１１０８及び１１６８は、多層ＤＢＲ反射器であり、半波長といった適切な距離で間隔をあけている。これまで通り、３つの端子モードに印加される信号を伴う動作中には、ベース電流の変調により変調された発光が生み出され、この場合、垂直に放出されたレーザ光が矢印１１９０で表される。参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７からわかるように、別の構造及び材料システムが使用でき、例として、ＨＢＴに基づくＧａＡｓ及びＧａＮ、又は別の直接バンドギャップ材料システムを含む。また、ベース層１１４０には、別の場所に記載されているように、１つ又はそれ以上の量子井戸又は１つ又はそれ以上のドット層が提供されうる。
【００５７】
図２６は、参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７に記載されているように、面発光レーザの更なる実施形態を示し、それはコレクタのできるだけ近くにブラッグ反射器を有し、及びＤＢＲ間の下部ギャップ吸収層の介在を除去する。特に、図２５では（対応する要素に対しては図１と同様の参照番号を有する）、下部ＤＢＲが１１１で示され、上部ＤＢＲが１４３で示されている。矢印１９０がＶＣＳＥＬの光学定在波を表す。ＤＢＲ１４３は沈着されたＳｉ‐ＳｉＯ２ブラッグ反射器でありうる。更なる反射器がエミッタ１５０の頭頂部に提供されうる。再び、ベース層１４０には、別の場所に記載されているように、１つ又はそれ以上の量子井戸又は１つ又はそれ以上の量子ドット層が提供される。
【００５８】
図２７、図２８、図２９及び図３０は、本発明の更なる実施形態による素子とシステムを示し、及びそれは本発明の方法の実施形態を実行する際に使用できる。多くの側面で、図２７から図３０の素子は、上記に開示された発光バイポーラトランジスタ素子に似ているが、ベース領域とその接触、関連する電気回路系、及び結果として生じる光出力に関連する改良を伴う。従って、記載された実施形態は、説明された又は参照された任意の型の層構造、及び別の適切な構造も取り入れることができる。図面を簡潔にするため、基本的な素子層のいくつかだけが図２７から図３０に図示され、レーザ空洞反射器が示唆されている。
【００５９】
図２７の実施形態は、基板２１０、サブコレクタ２３０、コレクタ２４０、コレクタ電極２４５、ベース２５０、エミッタ２６０、エミッタキャップ２７０、及びエミッタ電極２７５を含むヘテロ接合バイポーラレーザトランジスタを示している。ＶＥ及びＶＣで示される電位は、エミッタ電極及びコレクタ電極とそれぞれ結合される。光ファイバー結合といった光結合器２０２が、ベース領域に結合され、及び、実際に光結合器に入力されるレーザ出力は２０５で示され、光結合器２０２の反対側の素子の側面が、示されたように別のやり方で出ていくレーザ出力の大部分を実際に反射すると理解される。
【００６０】
図２７の実施形態では、１組の相隔たるベース電極９１１及び９１２がベース領域２５０に接触する。本例示では、素子は順方向の動作モードでバイアスされる、つまり、参照の先願で記載されたように、順方向にバイアスされたベース‐エミッタ接合及び逆方向にバイアスされたベース‐コレクタ接合を伴う。本実施形態では、信号発生器９２１が、周波数ｆ１で、ベース電極９１１に印加される第１の信号を作り出し、及び信号発生器９２２が異なる周波数ｆ２で、ベース電極９１２に印加される第２の信号を作り出す。本実施形態では、信号は比較的小さい正弦波信号及び／又は方形波のマイクロ波信号である。ベース電流は、素子の閾値電流より高く維持され（参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７を参照のこと）、互いに結合される。周波数ｆ１及び周波数ｆ２での信号に対して、うなり周波数を含む出力周波数は、ｆ１、ｆ２、ｆ１＋ｆ２、｜ｆ１−ｆ２｜、２ｆ１＋ｆ２、２ｆ２＋ｆ１、｜２ｆ１−ｆ２｜、｜２ｆ２−ｆ１｜などと観察されることが予想される。１０ＧＨｚの周波数を伴い及びはるかに優れた出力光パルスが作り出される。変調されたトランジスタレーザに対する周波数の上下変換を得るために、マイクロ波信号の混合が、例えば通信及び光電子集積回路を含む、様々なアプリケーションに対して特に有益であることが理解される。
【００６１】
図２８の実施形態は、それぞれのベース電極９１１及び９１２に結合される電圧制御された発振器１０２１及び１０２２の出力を有する。本実施形態では、電圧制御された発振器１０２１と１０２２のそれぞれがそれぞれの線１０２１Ａ及び１０２２Ａ上でそれぞれの制御信号を受取る。従来の実施形態に関連して記載されたように、それぞれのベース電極に入力される周波数がｆ１及びｆ２であるとき、うなり周波数を含む出力周波数は、ｆ１、ｆ２、ｆ１＋ｆ２、｜ｆ１−ｆ２｜、２ｆ１＋ｆ２、２ｆ２＋ｆ１、｜２ｆ１−ｆ２｜、｜２ｆ２−ｆ１｜などで観察されると予想される。適切な制御信号を入力することにより、柔軟な同調性という利点が達成される。
【００６２】
図２９の実施形態は、図９のように信号源９２１及び９２２を含むが、本実施形態では、信号発生器９２１の出力が移相器１１５０を介してベース電極９１１に結合される。ブロック１１５０により実行される位相シフトは、線１１５０Ａ上の入力により制御され、及び０度から３６０度まで変動して、出力レーザにおける位相シフトの変調混合を達成する。
【００６３】
２つのベース電極が前述の実施形態に示されているが、そのいくつか又はその全てが個別の制御を有する別の適切な複数のベース電極を用いることができると理解される。図３０の実施形態では、例えば、ソース９１１、９１２、９１３及び９１４からの４つの入力信号が、９２１、９２２、９２３、及び９２４と付されるベース電極にそれぞれ結合される。
【００６４】
図２７から図３０の実施形態は、端面発光バイポーラトランジスタに関する動作を示しているが、その実施形態のそれぞれが、図２５又は図２６の垂直空洞バイポーラトランジスタといった、垂直空洞バイポーラトランジスタと連動して実行できると理解される。図３１は、図２６の素子を示しているが、セグメント化されたベースメタライゼーション１３４５及び１３４６を伴う。それらにそれぞれ結合されるのが、周波数ｆ１及びｆ２でそれぞれ（図２７のように）動作する信号発生器１３２１及び１３２２の出力である。垂直空洞発光バイポーラトランジスタとの関連で、図２８から図３０の実施形態の類似物もまた実行できると理解される。さらに、適切な反射器が端面放出及び垂直面放出の両方に対して提供される場合、素子は、端面発光モードと垂直面発光モードの間を切り替える動作に対して適合できる。
【００６５】
図３２は、本発明の別の実施形態の層構造の簡略化した図である。基板３１１０は非ドープ又はドープされており、及びｎ型のクラッド層３１１５、ｎ型のコレクタ接触層３１２０、第１のトンネル接合３１２５、ｐ型のサブコレクタ３１３０及びコレクタ３１３１（真性の又は低濃度にドープされたｐ型でありうる）、少なくとも１つの量子サイズ層３１４５（例えば、量子井戸及び／又は量子ドット層）を含むｎ型のベース３１４０、ｐ型のエミッタ３１６０、第２のトンネル接合３１７０、ｎ型の上部クラッド層３１８０、及びｎ型のエミッタ接触層３１９０がそこに沈着される。この図３２の実施形態が、端面発光ｐｎｐヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）レーザとして用いられると、導波管領域（かっこ３１５０）は、ｎλ／２に等しい幅ｗの光学共振空洞に取り囲まれ、その際ｎ＝１、２、３……、及びλは特有の発光波長である。トンネル接合３１２５及び３１７０は、好ましくは活性ベース領域の外側にあることに注目されたい。本実施形態では、第１のトンネル接合３１２５は層状のｎ＋／ｐ＋領域を含み、ｎ＋／ｐ＋領域のｎ＋層がコレクタ接触層３１２０に結合され、及びｎ＋／ｐ＋領域のｐ＋層がサブコレクタ３１３０を介してコレクタ３１３１に結合される。また本実施形態では、第２のトンネル接合３１７０が層状のｎ＋／ｐ＋領域を含み、ｎ＋／ｐ＋領域のｎ＋層が上部クラッド層３１８０を介して、エミッタ接触層３１９０に結合され、及びｎ＋／ｐ＋領域のｐ＋層がエミッタ３１６０に結合される。
【００６６】
図３３の実施形態は、上部（３２９５）及び下部（３２０５）ＤＢＲ内に垂直面指向の導波管３２５０を提供することにより、垂直空洞ｐｎｐヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）レーザとして用いることができ、その際導波管の寸法はｎλ／２であり、そのときｎ＝１、２、３…、及びλは特有の発光波長である。図３３の実施形態では、更なる層が以下を含む。つまり、基板３２１０は、その上に下部ＤＢＲ３２０５、ｎ型のコレクタ接触層３２２０、第１のトンネル接合３２２５、ｐ型のサブコレクタ３２３０及びコレクタ３２３１（上述のように、真性の又は低濃度にドープされたｐ型であることが可能である）、少なくとも１つの量子サイズ層３２４５（再び、例えば量子井戸及び／または量子ドット層）を含むｎ型のベース３２４０、ｐ型のエミッタ３２６０、第２のトンネル接合３２７０、ｎ型のエミッタ接触層３２９０、及び上部ＤＢＲ３２９５を含む。本実施形態では、従来通り、第１のトンネル接合３２２５は層状のｎ＋／ｐ＋領域を含み、ｎ＋／ｐ＋領域のｎ＋層がコレクタ接触層３２２０に結合され、及びｎ＋／ｐ＋領域のｐ＋層がサブコレクタ３２３０を介してコレクタ３２３１に結合される。本実施形態の第２のトンネル接合３２７０は層状のｎ＋／ｐ＋領域を含み、ｎ＋／ｐ＋領域のｎ＋層がエミッタ接触層３２９０に結合され、及びｎ＋／ｐ＋領域のｐ＋層はエミッタ３２６０に結合される。
【００６７】
図３４は、図１の実施形態の例示を更に詳細に示している。この例示に対する層状の構造は、半絶縁性のＧａＡｓ基板３０５上でＭＯＣＶＤにより成長される。基板から上のほうへ、結晶のエピタキシャル層が３０００Åでｎ型の高濃度にドープされたＧａＡｓバッファ層３０８を含み、それに６３４Åでｎ型のＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層３１６、５０００Åでｎ型のＡｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ層３１７、及び２００Åでｎ型のＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層３１８が続いて下部クラッド層を形成する。これらの層に、２００Åで高濃度にドープされたｎ型のコレクタ接触層３２０、及びその後１２０Åで高濃度にドープされたｎ型のＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐエッチング停止層３２２、及び２００Åで高濃度にＳｉドープされたｎ型のＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ａｓ層３２６と１２０Åで高濃度にＣドープされたｐ型のＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ａｓ層３２７を含むトンネル接合３２５が続く。次は、２００Åで低濃度にドープされたｐ型のＡｌ０．１０Ｇａ０．９０Ａｓ層３３０と４００Åで低濃度にドープされたｐ型のＧａＡｓ層３３１を含むサブコレクタ層及びコレクタ層である。この例示では、１１の層を含む１０１０Åでｎ型のＧａＡｓベースが存在し、そのうちの３つ（合わせて３４５で表されている）は、λ≒１０００ｎｍでの発光用に設計された１９０ÅでＩｎＧａＡｓの量子井戸（ＱＷ）を含む。（これら３つの層は、２０ÅのＩｎ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層の間に１５０ÅのＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓ層を含む）。最後のコレクタ層後を始めると、ベース層は以下のように、３００Åで高濃度にＳｉドープされたｎ型のＧａＡｓ層３４１、１０Åで非ドープのＧａＡｓ層３４２、続いて前述されたＱＷ領域３４５、及びその後１０Åで非ドープのＧａＡｓ層３４６、３００Åで高濃度にＳｉドープされたｎ型の層３４７及び２００Åで高濃度にドープされたｎ型の層３４８である。その後、１００Åで高濃度にＳｉドープされたｎ型のＧａＡｓ層が、ベース接触層３５５として成長する。それ以降、以下の層、１５０Åでｐ型のＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ層３６１と２００Åでｐ型のＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層３６２から成るヘテロ構造エミッタが成長する。これに、トンネル接合３７０が続き、それは１５０Åで高濃度にＣドープされたｐ型のＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層３７１と３００Åで高濃度にＳｉドープされたｎ型のＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層３７２を含む。その後、上部閉じ込め又はクラッド領域が、１５０Åでｎ型のＡｌ０．８０Ｇａ０．２０Ａｓ酸化バッファ層３８１、及び４０００Åでｎ型のＡｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ易酸化層３８２、３００Åでｎ型のＡｌ０．８０Ｇａ０．２０Ａｓ酸化バッファ層３８３、及び５００Åでｎ型のＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層３８４を含む。層状構造は、１０００Åで高濃度にＳｉドープされたｎ型のＧａＡｓエミッタ接触層３９を用いて塞がれる。
【００６８】
ヘテロ構造バイポーラｐｎｐトランジスタレーザを製造する工程は、最初に４μｍの保護ＳｉＮ４ストライプを、フォトリソグラフィ工程及びフロン１４（ＣＦ４）ガスを用いた反応性イオンエッチングを用いて結晶上にパターン化することにより継続する。最上部のｎ型のＧａＡｓ接触層３９０及びＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ遷移層３８４は、その後ウェットエッチング（１：８：８０  Ｈ２Ｏ２：Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ）により露出され、４μｍまでのエミッタメサを形成する。１：８：８０  Ｈ２Ｏ２：Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏのウェットエッチング溶液は、Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ層に対して選択的ではないので、正確（２０秒まで）なエッチング時間は、この例では、Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ層３８３の接合部分で停止させるために使用される。次に、幅広で１１μｍの保護フォトレジスト（ＰＲ）ストライプが、エミッタメサ一面に配置され、及び保護されていない層（３６２、３７０、３８１、及び３８２）は、１：８：８０  Ｈ２Ｏ２：Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏの選択的ウェットエッチング溶液で除去され、ｐ型のＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐワイドギャップエミッタ層３６１が露出される。保護フォトレジスト（ＰＲ）ストライプは、その後除去され及びそのサンプルがＮ２＋Ｈ２Ｏが供給される加熱炉において、７分間４２５℃で酸化され、４μｍのエミッタメサに２．２μｍまでの酸化物定義開口部を形成する０．９μｍまでの横方向の酸化がもたらされる。サンプルは、保護ＳｉＮ４がプラズマ（ＣＦ４）エッチングにより除去される前に、（Ｎ２において）４２５℃で７分間アニールされ、ｐ−ドーパントを活性化させる。エミッタ層（３６１）Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐは、その後ウェットエッチング（ＨＣｌ）を使用して除去され、ｎ型のＧａＡｓベース接触層３５５を露出させる。３７μｍのＰＲウィンドウは、その後ベース接触に対するベースメサを形成するためにパターン化される。３２６から３５５の層は、その後選択的エッチング（１０：１  Ｃ６Ｈ８Ｏ７：Ｈ２Ｏ２）を使用して除去され、及びＩｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐエッチング停止層３２２がウェットエッチング（ＨＣｌ）により除去され、高濃度にドープされたｎ型のＧａＡｓコレクタ接触層３２０が露出される。それ以降は、５μｍのＰＲウィンドウが、ベースメサ一面に形成され、７μｍのＰＲウィンドウがエミッタメサ及び酸化層一面に形成され、及び２０μｍのＰＲウィンドウがコレクタ材料一面に形成されて、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ（７５０／１５０／１００００Å）を沈着させ、同時に、エミッタ接触層３９０、ベース接触層３５５及びコレクタ接触層３２０に対するｎ型の金属接触を形成する。金属リフトオフ工程後、サンプルはその後３５０℃でアニールされて、オーム接触を形成する。その後、ポリイミドの層が印加され及び２７０℃で取り除かれて、素子の表面漏れ電流を削減する。窒化ケイ素の更なる層は、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）システムを使用して、ポリイミドの最上部に沈着される。エミッタ、ベース及びコレクタ金属への接触を作り出すビアホール開口部が、別のフォトリソグラフィ工程を使用して画定される。フロン１４（ＣＦ４）ガスとエッチングマスクとしてのＰＲを使用��て、窒化ケイ素層への誘電性ビア開口は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）システムを用いて行われる。その後ＰＲは洗浄溶剤を用いてストライプを付けられる。酸素（Ｏ２）プラズマは、エッチングマスクとして動作するポリイミド層、窒化ケイ素層を除去するために使用される。接触ビア製造工程後、別のフォトリソグラフィ工程がＴｉ／Ａｕ（１５０Å／２．５μｍ）を沈着するために行われ、素子から接地‐信号‐接地（ＧＳＧ）高周波プローブパッドへの接触を形成する。ＧＳＧプローブパッドは、この例示では、４００μｍのセルとして設計され、それにより整数の倍数である４００μｍの共振器の長さが素子製造に際して開裂される。その後サンプルが５０μｍまでの厚さで塞がれる。ＨＢＴＬサンプルは、エミッタのストライプに垂直に開裂されてファブリペローファセットを（４００μｍまでの倍数で）形成し、結晶の基板側は、素子動作のためにＩｎで覆われるＣｕヒートシンク上で合金にされる。
【００６９】
図３５は、ｐ型エミッタ及びｐ型コレクタ上のトンネル接合接触を伴う端面発光ｐｎｐＨＢＴトランジスタレーザを示している。素子は、図３２の実施形態の一般的な層構造を有し、金属接触（コレクタ接触３１２１、ベース接触３１５５、及びエミッタ接触３１９１）が示され、及び電子電流通路及び正孔電流通路もまた図示されている。図３２のように、この例に対する層構造は、基板３１１０、ｎ型の下部クラッド層３１１５、ｎ型のコレクタ接触層３１２０、第１のトンネル接合３１２５、ｐ型のサブコレクタ３１３０、ｐ型のコレクタ３１３１、ｎ型のベース３１４０（ＱＷを伴う）、ｐ型のエミッタ３１６０、第２のトンネル接合３１７０、ｎ型の上部クラッド層３１８０、及びｎ型のエミッタ接触層３１９０を含む。黒くした矢印４９０及び４２０によってそれぞれで図に表されていたように、電子電流は、ｎ型材料では、エミッタ接触から第２のトンネル接触３１７０まで、及びｎ型材料では、第１のトンネル接合３１２５からコレクタ接触まで流れると示されている。また、ｎ型ベースで流れる電子電流は、黒くした矢印４４０で示されている。以上のように、第２のトンネル接合３１７０は、電子電流を正孔電流に変換するために動作し（明るめの矢印４７０）、及び第１のトンネル接合３１２５は、正孔電流を電子電流に変換するために動作する。この方法では、ｎ型のエミッタ接触層及び上部クラッド層、及びｎ型のコレクタ接触層における比較的有利な電子電流が、別のやり方で効率の悪くなった従来のｐｎｐ素子のｐ型材料の正孔電流に取って代わる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】参照の公開されたＰＣＴ出願に記載された発光トランジスタの正確な縮尺ではない簡略化された断面図である。
【図２】左側は、本発明の実施形態によるヘテロ接合バイポーラ発光トランジスタ（ＨＢＬＥＴ）を作るのに使用され、及び本発明の方法の実施形態を実行する際に使用できる結晶のエピタキシャル層の正確な縮尺ではない図を示し、及び右側は、対応するバンド図を示している。
【図３】左側は、図２の結晶を使用して作られる、処理され、金属化され及び開裂されたＨＢＬＥＴレーザ（上面図）を示し、及び右側は、ビデオＣＣＤ検出器を用いて得られた動作中の素子の画像である。
【図４】ファブリペローファセット間に２６０μｍまでの間隔を有する別のＨＢＬＥＴのトランジスタＩ‐Ｖ曲線を示している。
【図５】準連続動作（６０Ｈｚで８８％の負荷サイクル）における、図３のＨＢＬＥＴ素子の再結合放射スペクトルを示すが、ベース‐コレクタ接合上の逆方向バイアスを増大させるためのわずかに増大した電圧バイアスＶＣＥを伴う。
【図６】本発明の実施形態による別の素子の４５０μｍＨＢＬＥＴのトランジスタＩＣ対ＶＣＥ曲線族（２１３Ｋ）を示し、それは本発明の方法の実施形態を実行する際に使用できる。
【図７】そのＩｃ曲線が図６に示される素子に対してのＶＣＢ＝０に対する小信号の電流利得βａｃ＝ΔＩＣ／ΔＩＢ及び電流利得βｄｃ＝ＩＣ／ＩＢを、曲線（ａ）及び（ｂ）のそれぞれで示している。
【図８】ＶＣＥ＝２Ｖでバイアスされ及び３ＧＨｚで動作するトランジスタレーザの（２１３Ｋでの）レーザ動作（曲線（ａ））及び自然放出スペクトル（曲線（ｂ））のパワースペクトルを示している。
【図９】ＣＣＤカメラを使用して捕捉された、３ＧＨｚで動作するトランジスタレーザの画像を示している。
【図１０】３ＧＨｚで変調される入力信号、及びそれに対応する電気出力及び光出力をトレース（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）でそれぞれ示している。
【図１１】ＨＢＬＥＴの出力コレクタのＩ‐Ｖ特性を示している。レーザ閾値Ｉｂｔｈ＝０．７４４ｍＡを下回るベース電流に対して、光再結合処理が自然放出を生む（低い光出力）。レーザ閾値を上回るベース電流に対しては、光再結合処理は誘導放出を生む（高い光出力）。
【図１２】Ｖｃｅ＝Ｖｂｅ及びＶｂｃ＝０Ｖを伴うベース電流及びコレクタ電流のギュンメルプロットを示している。電流利得βは増加し（自然放出）、及びＨＢＬＥＴのレーザ動作が開始されるとそのβは減少する、というのは、誘導放出に対する再結合処理が「速く」なるからである。
【図１３】誘導放出モードで動作するレーザトランジスタ素子に対する入力電圧、出力電圧、光出力、及び光パワースペクトルをそれぞれ示している。
【図１４】自然放出モードで動作するレーザトランジスタ素子に対する入力電圧、光出力、及び光パワースペクトルをそれぞれ示している。
【図１５】閾値付近モードで動作するレーザトランジスタ素子に対する入力電圧、出力電圧、光出力、及び光パワースペクトルをそれぞれ示している。
【図１６】本発明の実施形態による発光トランジスタを動作させるために使用できる回路の例の概略図である。
【図１７】ＨＢＬＥＴの出力コレクタＩ‐Ｖ特性と、異なる動作基点で動作するときに生じる信号を示している。
【図１８】異なる動作基点のそれぞれでの動作に対する電気出力を示している。
【図１９】異なる動作基点のそれぞれでの動作に対する光出力を示している。
【図２０】参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７に開示されている３ポート素子の簡略化された概略図である。
【図２１】参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７に開示されているバイポーラトランジスタレーザ素子に使用される反射器を示している。
【図２２】参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７に開示され、１つ又はそれ以上の量子井戸を取り入れた素子の一部を示している。
【図２３】参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７に開示され、１つ又はそれ以上の量子ドットの領域を取り入れた素子の一部を示している。
【図２４】量子井戸と、それから間隔をあけた量子ドットの層を用いた素子の一部を示している。
【図２５】参照のＰＣＴ公開ＷＯ２００５／０２０２８７に記載されているような、面発光レーザの正確な縮尺ではない簡略化された断面図である。
【図２６】参照のＰＣＴＷＯ公開２００５／０２０２８７に記載されている別の面発光レーザの正確な縮尺ではない簡略化された断面図である。
【図２７】本発明の実施形態による、及び本発明の方法の実施形態を実行する際に使用できる素子及びシステムの、一部断面及び一部簡略化した図である。
【図２８】本発明の別の実施形態による、及び本発明の別の実施形態を実行する際に使用できる素子及びシステムの、一部断面及び一部簡略化した図である。
【図２９】本発明の更なる実施形態による、及び本発明の方法の更なる実施形態を実行する際に使用できる一部断面及び一部簡略化した図である。
【図３０】本発明のまた更なる実施形態による、及び本発明の方法のまた更なる実施形態を実行する際に使用できる一部断面及び一部簡略化した図である。
【図３１】本発明の別の実施形態を示している。
【図３２】本発明の実施形態による、及び本発明の方法の実施形態を実行する際に使用できるｐｎｐＨＢＴレーザの層構造の正確な縮尺ではない簡略化された図である。
【図３３】本発明の別の実施形態による、及び本発明の方法の実施形態を実行する際に使用できるｐｎｐＨＢＴレーザの層構造の正確な縮尺ではない簡略図である。
【図３４】図３１の実施形態の詳細な層構造の正確な縮尺ではない図である。
【図３５】本発明の実施形態に対するキャリアフローパターンを示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０５  基板
１１０  サブコレクタ層
１１５  コレクタメタライゼーション
１１７  コレクタリード線
１３０  コレクタ層
１４０  ベース層
１４１  量子井戸
１４２  量子井戸
１４３  量子ドット
１４４  量子ドット
１４５  ベースメタライゼーション
１４６  量子ドットの層
１４７  ベースリード線
１５０  エミッタ層
１６０  キャップ層
１６５  エミッタメタライゼーション
１６７  エミッタリード線
２０２  光結合器
２０５  レーザ出力
２１０  ＧａＡｓ基板
２１５  ＧａＡｓバッファ層
２２０  Ａｌ０．４０Ｇａ０・６０Ａｓ層
２２２  Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層
２２４  Ａｌ０．４０Ｇａ０．６０Ａｓ層
２３０  サブコレクタ層
２４０  ＧａＡｓコレクタ層
２４５  コレクタ電極
２５０  ＧａＡｓベース層
２６０  Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐワイドギャップエミッタ層
２７０  Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０Ａｓ酸化バッファ層
２７５  Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ易酸化層
２８０  Ａｌ０．４０Ｇａ０．６０Ａｓ層
２９０  ＧａＡｓ接触層
３０５  基板
３０８  ＧａＡｓバッファ層
３１６  Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層
３１７  Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ層
３１８  Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層
３２０  コレクタ接触層
３２２  エッチング停止層
３２５  トンネル接合
３２６  Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ａｓ層
３２７  Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ａｓ層
３３０  Ａｌ０．１０Ｇａ０．９０Ａｓ層
３３１  ＧａＡｓ層
３４１  ＧａＡｓ層
３４２  ＧａＡｓ層
３４５  ＱＷ領域
３４６  ＧａＡｓ層
３４７  ｎ型層
３４８  ｎ型層
３５５  ベース接触層
３６１  Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ層
３６２  Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層
３７０  トンネル接合
３７１  Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層
３７２  Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層
３８１  Ａｌ０．８０Ｇａ０．２０Ａｓ酸化バッファ層
３８２  Ａｌ０．９５Ｇａ０．０５Ａｓ易酸化層
３８３  Ａｌ０．８０Ｇａ０．２０Ａｓ酸化バッファ層
３８４  Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層
３９０  エミッタ接触層
４２０  矢印
４４０  矢印
４７０  矢印
４９０  矢印
９１０  ３つの端子の発光ＨＢＴ
９１１  ベース電極
９１２  ベース電極
９１３  ソース
９１４  ソース
９２０  横方向の空洞
９２１  信号発生器
９２２  信号発生器
９２３  ベース電極
９２４  ベース電極
１０２１  電圧制御された発振器
１０２２  電圧制御された発振器
１１０５  基板
１１０８  ＤＢＲ反射器層
１１１０  サブコレクタ
１１１５  コレクタメタライゼーション
１１１７  コレクタリード線
１１３０  コレクタ
１１３３  遷移層
１１４０  ベース
１１４５  ベースメタライゼーション
１１４７  ベースリード線
１１５０  エミッタ
１１６０  エミッタキャップ層
１１６５  エミッタメタライゼーション
１１６７  エミッタリード線
１１６８  上端ＤＢＲ反射器層
１１９０  矢印
１３４５  ベースメタライゼーション
１３４６  ベースメタライゼーション
１６１０  発光トランジスタ
１６１５  発振器
１６２０  バイアスティ
１６４０  バイアスティ
１６６０  可変負荷抵抗器
１１９０  矢印
３１１０  基板
３１１５  ｎ型の下部クラッド層
３１２０  ｎ型のコレクタ接触層
３１２１  コレクタ接触
３１２５  第１のトンネル接合
３１３０  ｐ型のサブコレクタ
３１３１  コレクタ
３１４０  ｎ型のベース層
３１４５  量子サイズ層
３１５５  ベース接触
３１６０  ｐ型エミッタ
３１７０  第２のトンネル接合
３１８０  ｎ型の上部クラッド層
３１９０  ｎ型のエミッタ接触層
３１９１  エミッタ接触
３２０５  下部ＤＢＲ
３２１０  基板
３２２０  ｎ型のコレクタ接触層
３２２５  第１のトンネル接合
３２３０  ｐ型のサブコレクタ
３２３１  コレクタ
３２４０  ｎ型のベース
３２４５  量子サイズ層
３２５０  導波管
３２６０  ｐ型のエミッタ
３２７０  第２のトンネル接合
３２９０  ｎ型のエミッタ接触層
３２９５  上部ＤＢＲ
【図１】
2008532318.tif 000003
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【国際調査報告】
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