(57)【要約】  ＶＣＳＥＬが、（Ａｌ）ＩｎＧａＡｓを有する１つまたは複数の量子井戸と、１つまたは複数の量子井戸層を結合するＡｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓを有する２つまたはそれより多くの量子井戸バリアと、それぞれの量子井戸層と量子井戸バリアとの間に堆積された１つまたは複数の遷移単一層と、を含んでいて、量子井戸、バリア、および遷移単一層は実質的にトラップを有していないように構成できる。１つまたは複数の遷移単一層は、ＧａＰ、ＧａＡｓ、および／またはＧａＡｓＰを含む。あるいは、このＶＣＳＥＬは、ＡｌＩｎＧａＡｓの２つまたはそれより多くの遷移単一層を含んでおり、より高いＩｎおよびより低いＡｌを有する量子井戸側の単一層と比較すると、バリア側の単一層がより低いＩｎおよびより高いＡｌを有するようにも構成可能である。
2014508425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａｌ）ＩｎＧａＡｓを有する１つまたは複数の量子井戸と、
該１つまたは複数の量子井戸層を結合するＡｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓを有する２つまたはそれより多くの量子井戸バリアと、
それぞれの量子井戸層と量子井戸バリアとの間に堆積された１つまたは複数の遷移単一層と、
からなり、該量子井戸、バリア、および遷移単一層は実質的にトラップを有していない垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）。
【請求項２】
前記１つまたは複数の遷移単一層が、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、および／またはＧａＡｓＰＳｂを含む、請求項１に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項３】
前記２つまたはそれより多くの遷移単一層がＡｌＩｎＧａＡｓを含んでおり、より高いＩｎおよびより低いＡｌを有する量子井戸側の単一層と比較すると、バリア側の単一層がより低いＩｎおよびより高いＡｌを有している、請求項１に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項４】
前記１つまたは複数の遷移単一層がＡｌおよびＩｎを欠いている、請求項１に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項５】
Ｉｎが約２％から約１１％の範囲にあり、Ｇａが約８９％から約９８％の範囲にある、ＩｎＧａＡｓを有する１つまたは複数の量子井戸と、
Ａｌが約２５％から約４０％の範囲にあり、Ｉｎが約０％から約２％の範囲にあり、Ｇａが約６０％から約７５％の範囲にある、ＡｌＧａＡｓまたはＡｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓを有する１つまたは複数の量子井戸バリアと、
前記量子井戸と量子井戸バリアとの間にあり、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、またはＧａＡｓＰＳｂを有する１つまたは複数の遷移層と、
からなる、請求項１に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項６】
Ａｌが約６％から約１１％の範囲にあり、Ｉｎが約８％から約２０％の範囲にあり、Ｇａが約６９％から約８６％の範囲にある、ＡｌＩｎＧａＡｓを有する１つまたは複数の量子井戸と、
Ａｌが約２５％から約４０％の範囲にあり、Ｉｎが約０％から約２％の範囲にあり、Ｇａが約６０％から約７５％の範囲にある、ＡｌＧａＡｓまたはＡｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓを有する１つまたは複数の量子井戸バリアと、
前記量子井戸と量子井戸バリアとの間にあり、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、またはＧａＡｓＰＳｂを有する１つまたは複数の遷移層と、
からなる、請求項１に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項７】
前記１つまたは複数の遷移単一層がＧａＡｓ１−ｗＰｗを有しており、ｗが０から１の範囲にある、請求項１に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項８】
Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ａｓを有する１つまたは複数の量子井戸と、
Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓを有する１つまたは複数の量子井戸バリアと、
ＧａＡｓ０．３５Ｐ０．６５を有する１つまたは複数の遷移層と、
からなる、請求項１に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項９】
ＧａＰ、ＧａＡｓ、および／またはＧａＡｓＰを有する１、２、または３個の遷移単一層を備えている、請求項１に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項１０】
前記量子井戸バリア層の外部に１つまたは複数の電気的封止層を備えている、請求項１に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項１１】
前記１つまたは複数の遷移単一層が前記量子井戸と量子井戸バリアとの間の低ギャップ界面層の形成を禁止するのに十分である、請求項１に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項１２】
前記１つまたは複数の遷移単一層が活性領域の差動利得を増加させるように構成されており、該差動利得の増加が、前記１つまたは複数の遷移単一層を有していないＶＣＳＥＬと比較される、請求項１に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項１３】
前記１つまたは複数の量子井戸バリア層と、前記量子井戸バリア層を結合する第１の導通層と第２の導通層との少なくとも一方との間に酸化物層を備えており、該酸化物層が、
キャパシタンスを減少させるように構成されている複酸化物であるか、または、
前記１つまたは複数の量子井戸と関連するミラー領域とに関する第１の消失点にある、請求項１に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項１４】
前記１つまたは複数の量子井戸と、
前記１つまたは複数の量子井戸のそれぞれを結合する前記２つまたはそれよりも多くの量子井戸バリアと、
それぞれの量子井戸層と量子井戸バリアとの間に堆積された前記１つまたは複数の遷移単一層と、
を有する結晶構造を成長させるために分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）を用いる工程からなる、請求項１に記載のＶＣＳＥＬを準備する方法。
【請求項１５】
Ｉｎが約２％から約１１％の範囲にあり、Ｇａが約８９％から約９８％の範囲にあるＩｎＧａＡｓを有する１つまたは複数の量子井戸、または、Ａｌが約６％から約１１％の範囲にあり、Ｉｎが約８％から約２０％の範囲にあり、Ｇａが約６９％から約８６％の範囲にあるＡｌＩｎＧａＡｓを有する１つまたは複数の量子井戸と、
Ａｌが約２５％から約４０％の範囲にあり、Ｉｎが約０％から約２％の範囲にあり、Ｇａが約６０％から約７５％の範囲にあるＡｌＧａＡｓまたはＡｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓを有する１つまたは複数の量子井戸バリアと、
該量子井戸と量子井戸バリアとの間にあり、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、またはＧａＡｓＰＳｂを有する１つまたは複数の遷移層と、
を含むように前記ＶＣＳＥＬを形成する工程を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１６】
前記量子井戸バリア層の外部に、ＡｌＩｎＧａＰおよび／またはＡｌＧａＡｓを含む１つまたは複数の電気的封止層を形成する工程を含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
（ａ）Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓを有する量子井戸バリアを成長させる工程と、
（ｂ）ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、またはＧａＡｓのうちの１つまたは複数を有する遷移層を成長させる工程と、
（ｃ）（Ａｌ）ＩｎＧａＡｓを有する量子井戸層を成長させる工程と、
（ｄ）ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、またはＧａＡｓのうちの１つまたは複数を有する別の遷移層を成長させる工程と、
（ｅ）（ａ）から（ｄ）までの工程を複数のサイクルにわたり反復する工程と、
（ｆ）Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓを有する量子井戸バリアを成長させる工程と、
によって活性領域を成長させる工程からなる、垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を準備する方法。
【請求項１８】
Ｉｎが約２％から約１１％の範囲にあり、Ｇａが約８９％から約９８％の範囲にあるＩｎ
ＧａＡｓを有する１つまたは複数の量子井戸、または、Ａｌが約６％から約１１％の範囲にあり、Ｉｎが約８％から約２０％の範囲にあり、Ｇａが約６９％から約８６％の範囲にあるＩｎＧａＡｓを有する１つまたは複数の量子井戸と、
Ａｌが約２５％から約４０％の範囲にあり、Ｉｎが約０％から約２％の範囲にあり、Ｇａが約６０％から約７５％の範囲にあるＡｌＧａＡｓまたはＡｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓを有する１つまたは複数の量子井戸バリアと、
該量子井戸と量子井戸バリアとの間にあり、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、またはＧａＡｓＰＳｂを有する１つまたは複数の遷移層と、
を含むように前記ＶＣＳＥＬを形成する工程を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
高いＩｎおよび低いＡｌを有する１つまたは複数の量子井戸と、
高いＡｌおよび低いＩｎを有しており該１つまたは複数の量子井戸層を結合する２つまたはそれより多くの量子井戸バリアと、
それぞれの量子井戸層と量子井戸バリアとの間に堆積された１つまたは複数の遷移単一層と、
からなり、該量子井戸、バリア、および遷移単一層は実質的にトラップを有していない垂直キャビティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）。
【請求項２０】
前記１つまたは複数の量子井戸において、高いＩｎが約２％から約６％の範囲にあり、低いＡｌが約０％から約１２％の範囲にあり、
前記１つまたは複数の量子井戸バリアにおいて、高いＡｌが約２５％から約４０％の範囲にあり、低いＡｌが約０％から約２％の範囲にある、請求項１９に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項２１】
前記１つまたは複数の遷移単一層が、ＧａＰ、ＧａＡｓ、および／またはＧａＡｓＰを含む、請求項２０に記載のＶＣＳＥＬ。
【請求項２２】
前記２つまたはそれより多くの遷移単一層がＡｌＩｎＧａＡｓを含んでおり、より高いＩｎおよびより低いＡｌを有する量子井戸側の単一層と比較すると、バリア側の単一層がより低いＩｎおよびより高いＡｌを有している、請求項２０に記載のＶＣＳＥＬ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高インジウムおよび低アルミニウムを有する量子井戸と高アルミニウムおよび低インジウムを有するバリア層とを備えトラップが削減されたレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザは、データ伝送のための多くの現代の通信コンポーネントにおいて、一般的に用いられている。より一般的になっている使用の１つとして、データ・ネットワークにおけるレーザの使用がある。レーザは、ネットワーク上でデジタル・データを送信する多くの光ファイバ通信システムで用いられる。１つの例示的な構成では、レーザは、デジタル・データによって変調されて光信号を生じうるが、これには、光の周期とバイナリ・データ・ストリームを表す暗出力とが含まれる。実際には、レーザは、バイナリ・ハイを表す高い光出力と、バイナリ・ローを表すパワーがより低い光出力とを出力する。迅速な反応時間を得るために、レーザは常にオンであるが、高い光出力からそれよりも低い光出力に変動する。
【０００３】
光ネットワークは、銅線ベースのネットワークなど他のタイプのネットワークよりも優れた様々な長所を有する。例えば、多くの既存の銅線ネットワークは、可能であるほぼ最大のデータ伝送速度で、かつ、銅線技術にとって可能であるほぼ最大の距離で動作する。他方で、多くの既存の光ネットワークは、データ伝送速度と距離の両者に関して、銅線ネットワークにとって可能である最大値を超える。すなわち、光ネットワークは、銅線ネットワークを用いた場合に可能であるよりも、より高速で、より長距離にわたり、データを信頼できる態様で伝送することができる。
【０００４】
光データ伝送において用いられるレーザの１つのタイプとして、垂直キャビィティ面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）がある。その名称が含意するように、ＶＣＳＥＬは、２つのミラー・スタックの間に挟まれこれら２つのミラー・スタックによって画定されるレーザ・キャビィティを有している。ＶＣＳＥＬは、典型的には、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などの半導体ウエハ上に構築される。ＶＣＳＥＬは、半導体ウエハ上に構築されたボトム・ミラーを含む。典型的には、ボトム・ミラーは、高い屈折率の層と低い屈折率の層との多数を交代して含む。ある屈折率の層から別の屈折率の層へ光が通過すると、光の一部が反射される。十分な数の交代する層を用いることによって、高いパーセンテージの光を、ミラーによって反射させることができる。
【０００５】
多数の量子井戸を含む活性領域が、ボトム・ミラー上に形成される。活性領域は、ボトム・ミラーとトップ・ミラーとの間に挟まれたＰＮ接合を形成するが、これらは、反対の導電型を有する（例えば、ｐ型ミラーとｎ型ミラー）。なお、トップおよびボトム・ミラーの概念は、どちらかといえば任意でありうる。いくつかの構成では、光は、ＶＣＳＥＬのウエハ側から抽出することができるが、その場合には、「トップ」ミラーは全体として反射性すなわち不透明である。しかし、本発明の目的では、「トップ」ミラーとは、物理的な構造においてそれがどのように配置されているかとは無関係に、光がそこから抽出されるミラーを意味する。正孔および電子という形式のキャリアは、ＰＮ接合が電流によって順バイアスされると、量子井戸の中へ注入される。十分に高いバイアス電流では、注入される少数キャリアが、光学利得を生じる反転分布を量子井戸において形成する。光学利得は、活性領域における光子が電子を刺激して伝導帯における正孔と再結合して価電子帯に至り追加的な光子を生じるときに、発生する。光学利得が２つのミラーの全損失を超えると、レーザ発振が生じる。
【０００６】
活性領域はまた、活性領域の近傍のトップおよび／またはボトム・ミラーにおいて形成される１つまたは複数の酸化物層を用いて形成される酸化物アパーチャを含みうる。この酸化物アパーチャは、光学キャビィティを形成することと、形成されるキャビィティの中央領域を通過するようにバイアス電流を方向付けることの両方の機能をする。あるいは、イオン注入、パターニングの後のエピタキシャル再成長、または他のリソグラフィック・パターニングなど、他の手段を用いてこれらの機能を実行することも可能である。
【０００７】
トップ・ミラーは、活性領域上に形成される。トップ・ミラーは、高い屈折率とそれよりも低い屈折率との間で交代する多数の層を一般的に備えているという点で、ボトム・ミラーと類似する。一般に、トップ・ミラーは、交代する高い屈折率の層と低い屈折率の層とのより少数のミラー周期を有することにより、ＶＣＳＥＬのトップからの光の放出を向上させる。
【０００８】
例示的に述べると、レーザは、電流がＰＮ接合を流れてキャリアを活性領域の中へ注入するときに、機能する。注入されたキャリアが伝導帯から量子井戸の中の価電子帯へ再結合することの結果として、ミラーによって画定されるレーザ・キャビィティで移動を開始する光子が生じる。ミラーは、光子を前後に反射する。キャビィティによってサポートされる波長における量子井戸状態の間で反転分布を生じさせるのにバイアス電流が十分であるときに、量子井戸において光学利得が生じる。光学利得がキャビィティ損失と等しいときには、レーザ発振が生じ、レーザはスレッショルド・バイアスにあると称され、光干渉光子がＶＣＳＥＬのトップから放出されるにつれて、ＶＣＳＥＬはレーザ光を生じ始める。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＶＣＳＥＬの活性領域の組成がレーザの機能を決定しうると判断された。特に、量子井戸と量子井戸を包囲するバリア層との組成が注意深く準備されない場合には、量子井戸と量子井戸バリアとの間の界面にトラップが形成される可能性がある。トラップのそのような形成は、より大きなループに成長して非放射的な再結合の原因となるマイクロディスロケーション・ループを生じさせうる。そして、これによって、ＶＣＳＥＬの故障が生じうる。したがって、量子井戸と量子井戸バリアとの間の界面におけるトラップのそのような形成を回避するように活性領域を設計することが効果的でありうる。
【００１０】
本明細書において特許請求されている主題は、どのような短所でも解決する実施形態、または、上述したような環境においてのみ動作する実施形態に限定されない。そうではなくて、この背景は、本明細書で説明されるいくつかの実施形態が実現されうる１つの例示的な技術を説明するために提供されているにすぎない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一実施形態では、ＶＣＳＥＬは、（Ａｌ）ＩｎＧａＡｓを有する１つまたは複数の量子井戸と、１つまたは複数の量子井戸層を結合するＡｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓを有する２つまたはそれより多くの量子井戸バリアと、それぞれの量子井戸層と量子井戸バリアとの間に堆積された１つまたは複数の遷移単一層と、を含みうる。なお、量子井戸、バリア、および遷移単一層は、実質的にトラップを有していない。１態様では、１つまたは複数の遷移単一層は、ＧａＰ、ＧａＡｓ、および／またはＧａＡｓＰを含む。別の態様では、２つまたはそれより多くの遷移単一層がＡｌＩｎＧａＡｓを含んでおり、より高いＩｎおよびより低いＡｌを有する量子井戸側の単一層と比較すると、バリア側の単一層がより低いＩｎおよびより高いＡｌを有する。また別の態様では、１つまたは複数の遷移単一層は、ＡｌおよびＩｎを欠いている。
【００１２】
一実施形態では、ＶＣＳＥＬを準備する方法は、１つまたは複数の量子井戸と、１つまたは複数の量子井戸のそれぞれを結合する２つまたはそれよりも多くの量子井戸バリアと、それぞれの量子井戸層と量子井戸バリアとの間に堆積された１つまたは複数の遷移単一層と、を有する結晶構造を成長させるために分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）を用いる工程を含みうる。この方法は、Ｉｎが約２％から約１１％の範囲にあり、Ｇａが約８９％から約９８％の範囲にあるＩｎＧａＡｓを有する１つまたは複数の量子井戸、または、Ａｌが約６％から約１１％の範囲にあり、Ｉｎが約８％から約２０％の範囲にあり、Ｇａが約６９％から約８６％の範囲にあるＡｌＩｎＧａＡｓを有する１つまたは複数の量子井戸と、Ａｌが約２５％から約４０％の範囲にあり、Ｉｎが約０％から約２％の範囲にあり、Ｇａが約６０％から約７５％の範囲にあるＡｌＧａＡｓまたはＡｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓを有する１つまたは複数の量子井戸バリアと、量子井戸と量子井戸バリアとの間にあり、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、またはＧａＡｓＰＳｂを有する１つまたは複数の遷移層と、を含むようにＶＣＳＥＬを形成する工程を含みうる。
【００１３】
一実施形態では、ＶＣＳＥＬの活性領域を準備する方法は、（ａ）Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓを有する量子井戸バリアを成長させる工程と、（ｂ）ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、またはＧａＡｓのうちの１つまたは複数を有する遷移層を成長させる工程と、（ｃ）（Ａｌ）ＩｎＧａＡｓを有する量子井戸層を成長させる工程と、（ｄ）ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、またはＧａＡｓのうちの１つまたは複数を有する別の遷移層を成長させる工程と、（ｅ）（ａ）から（ｄ）までの工程を複数のサイクルにわたり反復する工程と、（ｆ）Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓを有する量子井戸バリアを成長させる工程と、を含みうる。
【００１４】
一実施形態では、ＶＣＳＥＬは、高いＩｎおよび低いＡｌを有する１つまたは複数の量子井戸と、高いＡｌおよび低いＩｎを有しており１つまたは複数の量子井戸層を結合する２つまたはそれより多くの量子井戸バリアと、それぞれの量子井戸層と量子井戸バリアとの間に堆積された１つまたは複数の遷移単一層と、を含みうる。ただし、量子井戸、バリア、および遷移単一層は実質的にトラップを有していない。この実施形態では、１つまたは複数の量子井戸は、以下によって特徴付けられる。すなわち、高いＩｎは約２％から約６％の範囲にあり、低いＡｌは約０％から約１２％の範囲にある。また、１つまたは複数の量子井戸バリアにおいては、高いＡｌは約２５％から約４０％の範囲にあり、低いＩｎは約０％から約２％の範囲にある。
【００１５】
例えば、１つまたは複数の遷移単一層は、ＧａＰ、ＧａＡｓ、および／またはＧａＡｓＰを含みうる。あるいは、２つまたはそれより多くの遷移単一層はＡｌＩｎＧａＡｓを含んでおり、より高いＩｎおよびより低いＡｌを有する量子井戸側の単一層と比較すると、バリア側の単一層がより低いＩｎおよびより高いＡｌを有している。
【００１６】
本開示の他の特徴に加え、以上のおよび以下の情報は、添付の図面と共に以下の説明と添付の特許請求の範囲とを考察することにより、より完全に明らかになるはずである。これらの図面は本開示によるいくつかの実施形態を示すだけであり、したがって、その範囲を限定するものと考えられるべきではないことを理解していただいた上で、本開示が、添付の図面の使用を通じ、追加的な特定事項と詳細とを用いて説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ＶＣＳＥＬの動作環境の実施形態の概略図。
【図２】ＶＣＳＥＬの多層半導体の動作環境の実施形態の概略図。
【図３】ＩｎＧａＡｓＰを有する組成に対するバイノーダルな等温線を示すグラフ。なお、この原理は、本発明の組成に適用可能である。
【図４】ＶＣＳＥＬの半導体層の実施形態の概略図。
【図５Ａ】ＶＣＳＥＬの活性領域の実施形態の概略図。
【図５Ｂ】ＶＣＳＥＬの活性領域の他の実施形態の概略図。
【図５Ｃ】ＶＣＳＥＬの活性領域の他の実施形態の概略図。
【図６】ＶＣＳＥＬの活性領域の実施形態の概略図。
【図７】ＶＣＳＥＬの活性領域の実施形態の概略図。
【図８】ＶＣＳＥＬを製造する方法の実施形態の流れ図。
【図９】ＶＣＳＥＬを製造する方法の実施形態の流れ図。
【図１０】ＶＣＳＥＬを製造する方法の実施形態の流れ図。
【図１１Ａ】ＶＣＳＥＬの実施形態のバンド・エッジ（ｅＶ）を縦軸に、波動関数の成長方向を横軸に取ったグラフ。
【図１１Ｂ】ＶＣＳＥＬの実施形態のバンド・エッジ（ｅＶ）を縦軸に、波動関数の成長方向を横軸に取ったグラフ。
【図１２Ａ】ＶＣＳＥＬの実施形態の状態の密度を図解するグラフ。
【図１２Ｂ】ＶＣＳＥＬの実施形態の状態の密度を図解するグラフ。
【図１２Ｃ】ＶＣＳＥＬの実施形態の状態の密度を図解するグラフ。
【図１３Ａ】ＶＣＳＥＬの実施形態の波長利得を図解するグラフ。
【図１３Ｂ】ＶＣＳＥＬの実施形態の波長利得を図解するグラフ。
【図１３Ｃ】ＶＣＳＥＬの実施形態の波長利得を図解するグラフ。
【図１４】ＶＣＳＥＬの量子井戸とバリアとに対する遷移層の例の概略的表現。
【図１５】遷移層におけるバンド・エネルギーの変化を示す図１４のＶＣＳＥＬに対する成長の関数としてバンド・エネルギーを示すグラフ。
【図１６】遷移層による性能の改善を示す図１４のＶＣＳＥＬに対するバーンイン・データを示すグラフ。
【図１７】ＶＣＳＥＬの実施形態のバンド・エッジ（ｅＶ）を縦軸に、波動関数の成長方向を横軸に取ったグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
なお、以下の図面は、すべて、本明細書において説明される実施形態の少なくとも１つに従って配列されており、この配列は、当業者であれば、本明細書で提供される開示に従って修正が可能である。
【００１９】
以下の詳細な説明では、詳細な説明の一部を形成する添付の図面を参照する。図面においては、類似の記号は、典型的には、そうでないことを文脈が指示していない限り、類似のコンポーネントを識別する。詳細な説明、図面、および特許請求の範囲に記載されている説明のための実施形態は、限定を意図していない。本明細書で提示されている主題の精神または範囲から逸脱することなく、他の実施形態を用いることが可能であり、他の変更を行うことができる。本明細書で一般的に説明され図面に図解されている本開示の諸態様は、非常に様々な異なる構成で、配列され、置き換えられ、組み合わされ、分離され、そして設計されることが可能であり、それらはすべてが本明細書で明示的に考察されている、ということは容易に理解できるはずである。
【００２０】
本発明の半導体デバイスは、任意のタイプの半導体から製造が可能である。適切な材料の例には、ＩＩＩ−Ｖ族の材料（例えば、１つまたは複数のＩＩＩ族の半導体材料（ホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、タリウム（Ｔｌ）およびウンウントリウム（Ｕｕｔ））と、１つまたは複数のＶ族の材料（窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、ビスマス（Ｂｉ）およびウンウンペンチウム（Ｕｕｐ）（未認定））とから準備される）と、オプションとして、いくつかのタイプのＩＶ族の材料が含まれる。
【００２１】
半導体デバイスは、１つまたは複数の量子井戸と１つまたは複数の量子井戸バリアとを
有する活性領域を含みうる。量子井戸と量子井戸バリアとは、それらの間にある１つまたは複数の遷移層によって分離されうる。遷移層は、量子井戸と量子井戸バリアとの間の界面に配置されていることから、界面層とも称されることがある。電気的封止層は、活性領域を挟み、キャリアを活性領域に封止することによって、光学利得効率を提供する。封止層は、多くのＩＩＩ−Ｖ族化合物の場合には高アルミニウム含有量（例えば、ＩＩＩ族の材料に対して、６０％から１００％のＡｌ）に変換される高エネルギー・バンド・ギャップの領域を有しうる。アルミニウム含有量は、活性領域の量子井戸バリアにおけるバンド・ギャップと比べて比較的広いバンド・ギャップを材料に与えるように選択することが可能である。この広いバンド・ギャップを有する材料は、封止層に優れたキャリア封止を与えることができ、活性領域の効率を向上させることが可能になる。例示的な実施形態では、高アルミニウムの領域は、ドーピングについても増加を含みうる。封止層は、封止バリアが活性領域のｎ側にあるのかｐ側にあるのかに応じて、ｐ型またはｎ型のドーパントを用いてドープすることができる。
【００２２】
量子井戸は、Ａｌが低量でありＩｎが大量であるＡｌＩｎＧａＡｓを含みうる。量子井戸バリアは、Ｉｎが低量でありＡｌが大量であるＡｌＩｎＧａＡｓを含みうる。遷移層が量子井戸と量子井戸バリアとの間に含まれることがあり、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＡｓ、または、低Ａｌ高Ｉｎ領域に隣接する高Ａｌ低Ｉｎ領域を有することを回避するＡｌＩｎＧａＡｓの勾配を含みうる。
【００２３】
本発明の目的では、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、およびガリウム（Ｇａ）という含有物は、ＡｌＩｎＧａＡｓの量子井戸または量子井戸バリアや他のシステムにおいてＶ族の材料であるヒ素（Ａｓ）と対になるＩＩＩ族の材料である。したがって、Ａｌ、Ｉｎ、およびＧａとは、ＡｌＩｎＧａにおけるＡｌ、ＩｎおよびＧａの百分率という分数を意味する。化学式の中でＡｌやＩｎなどの物質が（例えば、（Ａｌ）や（Ｉｎ）のように）カッコの中に示されているときは、その元素が低量または微量で存在していることを示す。Ｉｎの低量とは、５％未満または１％未満または０．１％未満でありうる。Ａｌの低量とは、１２％未満または２％未満または１％未満または０．１％未満でありうる。
【００２４】
一実施形態では、量子井戸を、微量から低量のＡｌを有するように準備することができる。量子井戸における（Ａｌ）ＩｎＧａに対して低量であるＡｌの割合は、約０％から約５％、または約０．０００１％から約２％、または約０．０１％から約１％、または約０．０５％という範囲を取りうる。また、量子井戸は、特にＡｌの量との関係で、大量のＩｎを有するように準備することができる。量子井戸における（Ａｌ）ＩｎＧａに対するＩｎの量の割合は、約１％から約５０％、または約２％から約４０％、または約４％から約３０％、または約４５％という範囲を取りうる。量子井戸における（Ａｌ）ＩｎＧａに対するＧａの量の割合は、約５０％から約９９％、または約６０％から約９８％、または約７０％から約９６％、または約９６％という範囲を取りうる。Ａｌが著しく低いときには、量子井戸は、（Ａｌ）ＩｎＧａＡｓと表現することができる。Ａｌが欠けている場合には、量子井戸はＩｎＧａＡｓとなりうる。
【００２５】
一実施形態では、量子井戸バリアを、微量から低量のＩｎを有するように準備することができる。量子井戸バリアにおけるＡｌ（Ｉｎ）Ｇａに対して低量であるＩｎの割合は、約０％から約５％、または約０．０００１％から約２％、または約０．０１％から約１％、または約０．０５％という範囲を取りうる。また、量子井戸バリアは、特にＩｎの量との関係で、大量のＡｌを有するように準備することができる。量子井戸バリアにおけるＡｌ（Ｉｎ）Ｇａに対するＡｌの量の割合は、約２０％から約６０％、または約２５％から約５５％、または約３５％から約４０％、または約３５％という範囲を取りうる。量子井戸バリアにおけるＡｌ（Ｉｎ）Ｇａに対するＧａの量の割合は、約４０％から約８０％、
または約４５％から約７５％、または約５５％から約６５％、または約６５％という範囲を取りうる。Ｉｎが著しく低いときには、量子井戸バリアは、Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓと表現することができる。Ｉｎが欠けている場合には、量子井戸バリアはＡｌＧａＡｓとなりうる。
【００２６】
一実施形態では、活性領域は、Ｉｎ１−ｚＧａｚＡｓの量子井戸を含みうる。ここで、ｚは量子井戸におけるＧａの百分率を表し、約０．８から約０．９９、または約０．８３から約０．９８、または約０．９４から約０．９８、または約０．９６という範囲を取りうる。
【００２７】
一実施形態では、活性領域は、ＡｌｘＩｎ１−ｚ−ｘＧａｚＡｓの量子井戸を含みうる。ここで、ｚは量子井戸におけるＧａの百分率を表し、約０．６から約０．９、または約０．６９から約０．８８、または約０．７２から約０．８６、または約０．８という範囲を取りうる。そして、ｘは量子井戸におけるＡｌの百分率を表し、約０．０６から約１、または約０．０８から約０．２、または約０．０９から約０．１１、または約０．１という範囲を取りうる。したがって、Ｉｎの量（例えば、１−ｚ−ｘ）は、０．０６から約０．５、または約０．７から約０．３、または約０．０８から０．２の範囲を取りうる。
【００２８】
一実施形態では、活性領域は、Ａｌ１−ｋＧａｋＡｓの量子井戸バリアを含みうる。ここで、ｋは量子井戸バリアにおけるＧａの百分率を表し、約０．５から約０．８５、または約０．５５から約０．８、または約０．６から約０．７５、または約０．７という範囲を取りうる。したがって、Ａｌの量（例えば、１−ｋ）は、約０．２から約０．５、約０．２５から約０．４という範囲を取りうる。
【００２９】
一実施形態では、活性領域は、Ａｌ１−ｊ−ｋＩｎｊＧａｋＡｓの量子井戸バリアを含みうる。ここで、ｋは量子井戸バリアにおけるＧａの百分率を表し、約０．５から約０．８５、または約０．５５から約０．８、または約０．６から約０．７５、または約０．７という範囲を取りうる。そして、ｊは量子井戸バリアにおけるＩｎの百分率を表し、約０または０．０００１から約１、または約０．０００１から約０．１、または約０．００１から約０．０２、または約０．００５から約０．０１、または約０．０１という範囲を取りうる。
【００３０】
一実施形態では、活性領域は、それぞれの量子井戸と量子井戸バリアとの間にＧａＰ遷移層を含みうる。１態様では、このＧａＰ遷移層はＩｎを有しない。別の態様では、この遷移層はＡｌを有しないことがありうる。別の態様では、この遷移層は純粋なＧａＰでありうる。
【００３１】
一実施形態では、活性領域は、ＧａＰを有していてＩｎもしくはＡｌの一方が欠けている、またはＩｎが欠けている、またはＡｌが欠けている、またはＩｎおよびＡｌが欠けている中間的材料を用いた遷移層を含みうる。例えば、この遷移層は、ＧａＰ、ＧａＡｓＰもしくはＧａＡｓ、または、ＧａＰ、ＧａＡｓＰおよびＧａＡｓでありうる。また、この遷移層の材料は、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、およびＧａＡｓで構成されるグループから選択されうる。遷移層のためには、ＧａＡｓ１−ｗＰｗにおけるｗは、約０．０から約１まで、または約０．４から約１まで、または約０．５から約１までという範囲を取りうる。
【００３２】
一実施形態では、遷移層は、ＧａＡｓ１−ｗ−ｖＰｗＳｂｖを含みうる。ここで、ｘは約０．３から約１、または約０．４から約１、または約０．５から約１という範囲を取りうる。そして、ｖは約０から約０．１、または約０．００１から約０．０５、または約０．０１から約０．２という範囲を取りうる。
【００３３】
一実施形態では、遷移層の材料は、ＡｌとＩｎの両方が欠けた適切な材料でありうる。一実施形態では、遷移層は、Ａｌが欠けた単一層を量子井戸側に有しうる。一実施形態では、遷移層は、Ｉｎが欠けた単一層を量子井戸バリア側に有しうる。
【００３４】
一実施形態では、遷移層は、量子井戸側から量子井戸バリア側へ組成におけるステップを有するある範囲の単一層など、異なる材料からなる２つまたはそれよりも多くの単一層を有しうる。ステップ状の組成を有するときには、量子井戸側の単一層は少なくとも実質的にＡｌを欠くことがありうるし、量子井戸バリア側の単一層は少なくとも実質的にＩｎを欠くことがありうる。もちろん、トラップが回避される限りは、微量のＡｌおよびＩｎは適切でありうる。
【００３５】
一実施形態では、遷移層は、（Ａｌ）ＩｎＧａＡｓとＡｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓとの間に中間的な組成である複数の単一層を含みうる。すなわち、これらの単一層は、異なる量のＡｌおよびＩｎを有する量子井戸および量子井戸バリアと同じ元素を有しうる。ここで、量子井戸側の単一層は少なくとも実質的にＡｌを欠くまたは低量のＡｌを有することがありうるし、量子井戸バリア側の単一層は少なくとも実質的にＩｎを欠くまたは低量のＩｎを有することがありうる。それにより、これらの単一層は、遷移層の量子井戸側から量子井戸バリア側へＡｌの量が増加し、量子井戸バリア側から量子井戸側へＩｎの量が増加することがありうる。
【００３６】
量子井戸と量子井戸バリアとの間の遷移層は、量子井戸と量子井戸バリアとの界面におけるトラップの生成に付随する問題を解決することができる。この遷移層は、高Ａｌで低Ｉｎの量子井戸バリアと高インジウムで低アルミニウムの量子井戸との間の界面に、トラップが減少するまたは実質的に形成しないように、形成することができる。よって、この遷移層は、量子井戸と量子井戸バリアとの間のトラップの形成によって生じるレーザにおける信頼性問題を回避するのに有用でありうる。
【００３７】
本明細書で説明している遷移層が存在しない場合には、（Ａｌ）ＩｎＧａＡｓ（例えば、低Ａｌで高インジウム）を有する量子井戸に隣接してＡｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓ（例えば、少なくとも０．３５の高Ａｌ）を有する量子井戸バリアは、ＡｌとＩｎとの化学的性質の極端な違いに起因して量子井戸と量子井戸バリアとの間に界面トラップが形成される。したがって、本明細書で説明されている他の材料に加え、ＧａＰ、ＧａＡｓ、またはＧａＡｓＰなど、インジウムとＡｌの両方を欠いている量子井戸と量子井戸バリアとの間の遷移層を、トラップの形成を回避するように、界面において用いることができる。
【００３８】
元素ＩｎおよびＡｌは共にＩＩＩ族であるが、これらはサイズの違いも化学的な違いも大きいため、レーザ半導体組成においては、異なる性質を有する。ＩｎとＡｌとの間の違いのために、ＡｌＧａＡｓがＩｎＧａＡｓと隣接するような、レーザ半導体の組成においては、トラップが形成される。これらのトラップは、通常の順バイアスでのデバイス動作でレーザが動作されるときに形成されて、マイクロディスロケーション・ループになりうる。そして、このマイクロディスロケーションは、より大きなループに成長して非放射的な再結合の原因となり、これによって、レーザ・デバイスの故障が生じる。ＡｌＧａＡｓがＩｎＧａＡｓと隣接するときに、このようなトラップが形成されると考えられ、これは、ＥＬ２トラップである。トラップの形成を解消させるために、１つまたは複数の単一層を有する遷移層を、量子井戸と量子井戸バリアとの間に配置することができる。遷移層では、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、またはＧａＰなどの、ＡｌとＩｎの両方を欠く材料を用いるのが好ましいのであるが、本明細書で説明されているように、量子井戸の組成から量子井戸バリアの組成まで、中間的なＡｌＩｎＧａＡｓの組成のステップを用いても、トラップを減少させることが可能である。高Ａｌ低Ｉｎの量子井戸バリアから低Ａｌ高Ｉｎの量子井戸への直接的な変化を禁止することも効果的でありうる。高Ａｌ低Ｉｎの層が高Ｉｎ低
Ａｌの層に直接に接していない限り、多くのタイプの材料を用いることも可能である。
【００３９】
図３には、ＩｎＧａＡｓの量子井戸とＩｎＧａＰの量子井戸バリアとＩｎＧａＡｓＰの量子井戸遷移層とを有するシステムのための、量子井戸と、量子井戸バリアと、量子井戸と量子井戸バリアとの間の遷移層の組成の例が示されている。本明細書では、ＩｎＧａＡｓＰの量子井戸遷移層に、ＩｎＧａＡｓの量子井戸からＩｎＧａＰのバリアに変化する組成を提供することができ、それによって、ＩｎＧａＡｓからＩｎＧａＰに直接に移動する界面が存在しなくなっている。よって、この遷移層は、濃度勾配を形成する１つまたは複数の単一層を含むことが可能になる。これと同じ原理を、量子井戸と、量子井戸バリアと、ＡｌＩｎＧａＡｓの遷移単一層とを用いて、高Ａｌ低Ｉｎから低Ａｌ高Ｉｎへの直接の変化を禁止するように応用することが可能である。
【００４０】
遷移層の単一層の数は変動しうるが、２か３からの単一層が適切でありうる。例えば、量子井戸と量子井戸バリアとの間にトラップが形成することを回避するためには、説明された材料の１、２、３、４、５、または９もしくは１０までの単一層を含みうる。これらの単一層は、それぞれが、約２．５Ａの厚さでありうる。
【００４１】
一実施形態では、半導体材料のバリア層と遷移層と量子井戸とのシーケンスは、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）によって準備することができる。また、ＶＣＳＥＬの活性領域または半導体層の全体を、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）を用いて作ることが可能である。ＭＢＥの間のより低い成長温度を、量子井戸と量子井戸バリアとの間に遷移層を有するＶＣＳＥＬ半導体層を準備するのに用いることができる。ＭＢＥによるこれらの構造の成長は、摂氏５００度未満で実行することが可能である。これと比較すると、ＭＯＤＶＤのための温度は、摂氏６００度を超える場合がありうる。更に、ＶＣＳＥＬは、ＧＳＭＢＥ（ガス・ソースＭＢＥ）およびＭＯＭＢＥ（有機金属ＭＢＥ）または説明されているように量子井戸と量子井戸バリアとの間に遷移層を作ることができる同様の方法など、ＭＢＥと類似の方法によって準備することが可能である。
【００４２】
ここで、本発明の様々な態様を、ＶＣＳＥＬのコンテキストの中で説明する。しかし、当業者であれば、活性領域を有する他の発光半導体デバイスに本発明の特徴を組み込むことが可能であることを理解するはずである。
【００４３】
図１は、トップ（１２４）のミラーとボトム（１１６）のミラーとに対して周期的な層の対を有する平坦で電流に導かれたＶＣＳＥＬ１００を示している。基板１１４は、ボトム接点１１２の上に形成され、第１の型の不純物（すなわち、ｐ型またはｎ型のドーパント）がドープされている。ボトム・ミラー・スタック１１６が基板１１４上に形成され、ボトム封止層１１８がボトム・スタック１１６上に形成されている。ボトム封止層１１８とトップ封止層１２０とが、活性領域１２２を挟んでいる。上部ミラー・スタック１２４は、トップ封止層１２０の上に形成される。金属層１２６は、スタック１２４の一部の上に接点を形成する。しかし、他のＶＣＳＥＬ構成を用いることも可能であり、様々な他のＶＣＳＥＬ層または層のタイプを用いることが可能である。
【００４４】
分離領域１２８は、活性領域１２２を流れる電流フロー１３０の面積を限定する。領域１２８は、イオン注入および／または酸化によって形成されうる。ＶＣＳＥＬデバイスに関して知られているまたはＶＣＳＥＬデバイスのために開発された他の分離領域を用いることも可能である。
【００４５】
ミラー・スタック１１６（ボトム）および１２４（トップ）は、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）スタックであることが可能であり、周期的な層（例えば、１３２および１３４）を含む。周期的な層１３２および１３４は、典型的にはそれぞれＡｌＧａＡｓおよびＡｌ
Ａｓであるが、他のＩＩＩ族およびＶ族の半導体材料で作ることも可能である。ミラー・スタック１１６および１２４はドープされている場合も、または、ドープされていない場合もありうるが、ドーピングは、特定のＶＣＳＥＬ設計に応じてｎ型またはｐ型でありうる。しかし、他のタイプのＶＣＳＥＬミラーを用いることが可能である。
【００４６】
金属接点層１１２および１２６は、ＶＣＳＥＬ１００の適切な電気的バイアスを可能にするオーミック接点でありうる。接点１１２上のものとは異なる接点１２６上の電圧でＶＣＳＥＬ１００が順バイアスされると、活性領域１２２は光１３６を放出し、放出された光はトップ・ミラー・スタック１２４を通過する。当業者であれば、活性領域１２２の両端に電圧を生じさせて光１３６を生じさせるのに、例えば図４に図解されているような他の構成の接点を用いることができることを理解するはずである。
【００４７】
図２は、活性領域１２２と封止層１１８および１２０とを図解している。活性領域１２２は、量子井戸バリア１４０によって分離される１つまたは複数の量子井戸１３８から形成される。図２には特に示されていないが、本発明の進歩には、それぞれの量子井戸１３８と量子井戸バリア１４０との間の遷移層が含まれる。量子井戸１３８と量子井戸バリア１４０との間の線は、遷移層を表している。封止層１１８および１２０は、オプションであるが、アルミニウム含有量の高い領域１４２および１４４をそれぞれ含む場合がある。アルミニウム含有量の高い領域は、活性領域１２２において、よいキャリア封止を提供する。
【００４８】
封止領域１２０は、活性領域１２２と高アルミニウム含有量の領域１４４との間に位置決めされたランプ領域１４６を含みうる。後述するように、高アルミニウム含有量の領域１４４とランプ領域１４６とを組み合わせることにより、良好なキャリア封止と良好な電子注入とを伴う注入構造が提供される。
【００４９】
ＶＣＳＥＬデバイスの設計と高アルミニウム含有量領域１４２および１４４の厚さとに応じて、封止領域１１８および１２０は、オプションとして、スペーサ層１４８および１５０をそれぞれ含むことがありうる。スペーサ層１４８および１５０の厚さは、製造されているＶＣＳＥＬデバイスの種類に依存しうる。ＶＣＳＥＬまたはＶＥＣＳＥＬなどの垂直キャビィティ共振デバイスでは、スペーサ層が、ミラーの間の共振空間を提供し、希望の場合には、活性領域の量子井戸が光学場のピーク上で中央におかれることを規定する。
【００５０】
封止層１１８および１２０と活性領域１２２とは、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＳｉＧｅなど、１つまたは複数のタイプの半導体材料で形成されうる。
【００５１】
１つの例では、下側の電気的封止層はＡｌＩｎＰである。別の例では、上側の電気的封止層はＡｌＩｎＧａＰである。
図４は、ＶＣＳＥＬの実施形態の一部４００の概略図を含む。ＶＣＳＥＬ４００は、結晶基板４２０と、第１のミラー領域４１６と、第１の導通領域４１４と、第１の導通領域４１４と関連する接点４２８と、活性領域４１２と、酸化物層４２２と、第２の導通領域４１０と、第２のミラー領域４１８と、接点４２４と、動作可能なＶＣＳＥＬフォーマットに配列されたレーザ出力アパーチャ４２６と、を含みうる。活性領域４１２を除き、これらのコンポーネントの任意のものは、当該技術分野において標準的なものとして準備可能であるか、または、ＶＣＳＥＬのために開発されることが可能である。
【００５２】
ＶＣＳＥＬ４００に関する以下の説明は例として用いられうるが、当該技術分野において知られている変更を適用することは可能である。結晶基板４２０は、ＧａＡｓまたは他
の材料でありうる。ＧａＡｓ基板上に位置する第１のミラー領域４１６は、１つまたは複数の屈折率を有する複数の第１のミラー層を有する場合がある。第１の導通領域４１４は、活性領域４１２に動作可能に結合することができる。接点４２８は、活性領域４１２が電流で充電されると電子のための経路を提供するように、第１の導通領域４１４と関連付けることが可能である。本明細書でより詳細に説明されるように、活性領域４１２は、それぞれの量子井戸と量子井戸バリアとの間に遷移層が存在するように、１つまたは複数の量子井戸バリアによって結合された１つまたは複数の量子井戸を含むことがありうる。酸化物層４２２は、二酸化シリコンなど任意の保護のための酸化物でありうるが、保護のための窒化物または炭化物を用いることもできる。第２の導通領域４１０は、活性領域４１２と動作可能に結合することができる。第２のミラー領域４１８は、第２の導通領域の上の活性領域とは反対側に配置することができる。第２のミラー領域は、１つまたは複数の屈折率を有する複数の第２のミラー層を有する。接点４２４は、活性領域が動作するための電気的導通のための任意のタイプの電気的接点でよい。レーザ出力アパーチャ４２６は、動作可能なＶＣＳＥＬフォーマットに配列することができる。
【００５３】
図５Ａは、ＶＣＳＥＬの活性領域５００ａの少なくとも一部の実施形態の概略的な表現を含む。活性領域５００ａは、第１の量子井戸バリア（ＱＷバリア）５１０と、遷移層５１１と、第１の量子井戸（ＱＷ）５１２と、遷移層５１１と、次いで、第２のＱＷバリア５１４とを直列的に含むように示されている。示されているように、活性領域５００ａは、本発明によるＶＣＳＥＬのための活性領域の最小の単位である。というのは、間に遷移層５１１を有する２つの量子井戸バリア５１０および５１４によって結合された量子井戸５１２はただ１つだけ存在するからである。
【００５４】
図５Ｂは、ＶＣＳＥＬの活性領域５００ｂのある実施形態の概略的な表現を含む。示されているように、活性領域５００ｂは、第１の量子井戸バリア（ＱＷバリア）５１０と、第１の量子井戸（ＱＷ）５１２と、第２のＱＷバリア５１４と、第２のＱＷ５１６と、第３のＱＷバリア５１８と、第３のＱＷ５２０と、第４のＱＷバリア５２２とを含むことができ、これらのＱＷとＱＷバリアとの間には遷移層５１１が存在する。活性領域５００ｂは、動作可能なＶＣＳＥＬフォーマットに配列されている。
【００５５】
図５Ｃは、ＶＣＳＥＬの活性領域５５０のある実施形態の概略的な表現を含む。活性領域５５０は、第１の量子井戸バリア（ＱＷバリア）５６０と、遷移層５６１と、第１の量子井戸（ＱＷ）５６２と、遷移層５１１と、などを直列的に含むことが示されているが、これは、「Ｎ番目」のＱＷバリア５６４と、遷移層５６１と、「Ｎ番目」のＱＷ５６６と、遷移層５６１と、次いで、「Ｎ＋１番目」のＱＷバリア５５８とまで反復される。ここで、Ｎは、例えば１から２０まで、または、５から１５まで、または、１０から１３まで、または約１２などの任意の適切な数でありうる。この例では、量子井戸と、量子井戸バリアと、遷移層とは、本明細書で説明される材料の任意ものを含む。
【００５６】
図６は、ＶＣＳＥＬの活性領域６００の実施形態の概略的表現を含む。活性領域６００は、第１の高Ａｌおよび低Ｉｎの量子井戸バリア（ＱＷバリア）６１０と、遷移層６６１と、第１の高Ｉｎおよび低Ａｌの量子井戸（ＱＷ）６１２と、遷移層６１１と、などを直列的に含むことが示されているが、これは、「Ｎ番目」の高Ａｌおよび低ＩｎのＱＷバリア６１４と、遷移層６６１と、「Ｎ番目」の高Ｉｎおよび低ＡｌのＱＷ６１６と、遷移層６１１と、次いで、「Ｎ＋１番目」の高Ａｌおよび低ＩｎのＱＷバリア６１８とまで反復される。ここで、Ｎは、例えば１から２０まで、または、５から１５まで、または、１０から１３まで、または約１２などの任意の適切な数でありうる。この例では、量子井戸と、量子井戸バリアと、遷移層とは、本明細書で説明される材料のうちの任意のものを含みうる。
【００５７】
図７は、ＶＣＳＥＬの活性領域７００の実施形態の概略的表現を含む。活性領域７００は、第１のＡｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓの量子井戸バリア（ＱＷバリア）７１０と、ＧａＡｓｗＰ１−ｗの遷移層７１１と、第１の（Ａｌ）ＩｎＧａＡｓの量子井戸（ＱＷ）７１２と、ＧａＡｓｗＰ１−ｗの遷移層７１１と、などを直列的に含むことが示されているが、これは、「Ｎ番目」のＡｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓのＱＷバリア７１４と、ＧａＡｓｗＰ１−ｗの遷移層７１１と、「Ｎ番目」の（Ａｌ）ＩｎＧａＡｓのＱＷ７１６と、ＧａＡｓｗＰ１−ｗの遷移層７１１と、次いで、「Ｎ＋１番目」のＡｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓのＱＷバリア７１８とまで反復される。ここで、Ｎは、例えば１から２０まで、または、５から１５まで、または、１０から１３まで、または約１２などの任意の適切な数でありうる。この例では、量子井戸と、量子井戸バリアと、遷移層とは、本明細書で説明される材料のうちの任意のものを含みうる。
【００５８】
図８は、本明細書で説明されている特徴を備えた活性領域を有するＶＣＳＥＬ製造法の実施形態の方法８００の流れ図である。この方法は、（１）第１の導通領域を成長させる工程（ブロック８１０）と、（２）１つまたは複数の量子井戸層を成長させ（ブロック８２０）、量子井戸層のそれぞれと動作可能な態様で結合されるように１つまたは複数の量子井戸バリアを成長させ（ブロック８３０）、それぞれの量子井戸と量子井戸バリアとの間に１つまたは複数の遷移層を成長させる工程と、を含みうる。遷移層は、量子井戸と量子井戸バリアとが接しているときよりも大きなバンド・ギャップを提供するような組成と厚さとを有するように構成されうる（ブロック８２５）。方法８００は、活性領域上に第２の導通領域を成長させる工程（ブロック８４０）を含みうる。
【００５９】
図９は、ＶＣＳＥＬ製造法の実施形態の別の方法９００の流れ図である。この方法は、１つまたは複数の屈折率を有する複数の第１のミラー層を有する第１のミラー領域を成長させる工程（ブロック９１０）と、次に、第１のミラー領域上に第１の導通領域を成長させる工程（ブロック９２０）とを含みうる。そして、第１の量子井戸バリアが、第１の導通領域上に成長される（ブロック９３０）。次いで、１つまたは複数の単一層が第１の量子井戸バリア上に成長され（ブロック９３５）、その後に、１つまたは複数の遷移単一層上に第１の量子井戸層を成長させる（ブロック９４０）。そして、第１の量子井戸層上に１つまたは複数の遷移単一層を成長させ（ブロック９４５）、その後で、１つまたは複数の遷移単一層上に第２の量子井戸バリアを成長させる（ブロック９５０）。また、方法９００は、最後の量子井戸バリア層上に第２の導通領域を成長させる工程（ブロック９６０）と、次いで、１つまたは複数の屈折率を有する複数の第２のミラー層を有する第２のミラー領域を成長させる工程（ブロック９７０）とを含みうる。
【００６０】
図１０は、ＶＣＳＥＬ製造法の別の実施形態である方法１０００の流れ図である。この方法は、基板を成長させる工程（ブロック１０１０）と、１つまたは複数の屈折率を有する複数の第１のミラー層を有する第１のミラー領域を成長させる工程（ブロック１０２０）と、第１のミラー領域上に第１の導通領域を成長させる工程（ブロック１０３０）と、（ａ）ＧａＰを有する第１の量子井戸バリアを第１の導通領域上に成長させる工程（ブロック１０４０）と、（ｂ）遷移層を成長させる工程（ブロック１０４５）と、（ｃ）第１の量子井戸層を第１の量子井戸バリア上に成長させる工程（ブロック１０５０）と、（ｄ）遷移層を成長させる工程（ブロック１０５５）と、（ｅ）「Ｎ」回のサイクルなど複数のサイクルにわたり、（ａ）から（ｄ）までの工程を反復して（ブロック１０６０）、「Ｎ＋１」個の量子井戸バリアを成長させる工程（ブロック１０６２）と、を含みうる。第２の導通領域は、活性領域上に成長させることができ（ブロック１０７０）、１つまたは複数の屈折率を有する複数の第２のミラー層を有する第２のミラー領域は、第２の導通領域上に成長させることができる（ブロック１０８０）。
【００６１】
一実施形態では、ＶＣＳＥＬは、電子または正孔キャリアのいずれか一方に対する基本
波動関数の空間的拡がりが、他方のキャリアの８５％またはそれよりも小さくなるように、つまり行列要素が強化されるように、量子井戸と量子井戸バリアとを変調することによって構成することが可能である。これは、一方の井戸の物理的サイズを他方の井戸の物理的サイズよりも小さくすることによって、行うことが可能である。例えば、共通の量子井戸と量子井戸バリアとの境界においてＳｂを用いることにより、電子井戸に対して正孔井戸が広くなる。井戸においてＳｂを補助的に用いることにより、電子井戸がより浅くなり、正孔に対する封止が減少し、正孔に対する波動関数を更にいくらか拡張することが可能になる。空間的な拡がりの百分率に対するキャリアの波動関数は、７０％未満もしくは約７０％、または、５５％未満もしくは約５５％でありうる。
【００６２】
そのような変調は、量子井戸と量子井戸バリアとの間の境界において遷移層を用いることにより、または、量子井戸およびバリアの材料および寸法に関する賢明な選択により、得ることができる。行列要素の強化は、電子吸収変調器などの光学的相互作用のために量子井戸を用いるすべての半導体レーザとすべてのデバイスとに利益を与えるために考察される。
【００６３】
一実施形態では、量子井戸のいずれの側の量子井戸バリアも、約４０Ａから約１００Ａ、または約４５Ａから約７５Ａ、または約５０Ａから約６０Ａ、または約５５Ａの厚さを有しうる。この相対的な薄さのために、拡散長を減少させ、量子井戸上での少数キャリアの量を増加させることにより、利得飽和が改善される。この相対的な薄さはまた、トンネリングによる量子井戸を通過するキャリアの移動を向上させることができる。一実施形態では、量子井戸は、約４０Ａから約１００Ａ、または約４５Ａから約７５Ａ、または約５０Ａから約６０Ａ、または約５０Ａの厚さを有しうる。活性領域を結合している外側の量子井戸バリアは、１００Ａから約１４０Ａ、または約１１０Ａから約１３０Ａ、または約１２０Ａから約１２５Ａ、または約１３０Ａというように、より厚くなる可能性がある。
【００６４】
一実施形態では、ＧａＡｓ遷移層の厚さは、約５Ａから約２０Ａ、または約５Ａから約１５Ａでありうる。ＧａＡｓＰ遷移層の厚さは、２．５Ａから約１０Ａ、または約２．５Ａから約５Ａでありうる。ＧａＡｓＰＳｂ遷移層の厚さは、２．５Ａから約１０Ａ、または約２．５Ａから約５Ａでありうる。
【００６５】
一実施形態では、活性領域はＩｎＧａＡｓ量子井戸を含み、両方の隣接する遷移層は約３０Ａから約６０Ａ、または約４０Ａから約６０Ａの厚さを有しうる。ＡｌＩｎＧａＡｓ量子井戸と両方の隣接する遷移層は約３０Ａから約７０Ａ、または約４０Ａから約７０Ａの厚さを有しうる。
【００６６】
一実施形態では、ＶＣＳＥＬを、Ｂｅなしで成長させることができる。そのようなＶＣＳＥＬは、ＡｌＩｎＧａＰの上側の電気的封止層の背後に、ｐ型注入層として約８５〜１００％のＡｌＧａＡｓを含みうる（図１４を参照のこと）。
【００６７】
一実施形態では、ＶＣＳＥＬは、キャパシタンスを減少させるための複酸化物層を含みうるが、両方にしかし基本的には第１の酸化物層の上にフレアを備えている。すなわち、図４の酸化物層４２２は、２つの異なる酸化物層により準備することができる。平坦であるように示されているが、酸化物層４２２は任意の形状であることが可能であり、メサ活性領域または同様のものなどの活性領域を包囲する壁の上に配置されうる。また、酸化物層４２２は、活性領域４１２、第２の導通領域４１０、および第２のミラー領域４１８を覆うことがありうる。
【００６８】
一実施形態では、ＶＣＳＥＬは、高移動度材料における消失点において重点的なドーピングがなされる実質的に周期的なドーピングを含む。また、ミラーは、必ずしも１／４、
１／４にならないように構成することができる。いくつかの場合には、ミラーは、第１の酸化物が第１の消失点となるように、量子井戸または量子井戸バリアに隣接して開始することがありうる。
【００６９】
速度を向上させ波長を調整するために、様々な量のＩｎおよびＰが量子井戸に追加される。それは、速度を向上させるために、量子井戸に追加することが可能である。この結果として、より長い波長に対してエネルギー・レベルが低下することになり、したがって、井戸が狭くなる。結果的に得られる波動関数は、その高い状態密度により、量子井戸バリアの中に貫通することが可能である。これを補償するため、バリアは、最大の導通バンド・オフセットを提供し、ほとんどのキャリアの封止を提供するように、成長される。バンド・オフセットが不十分である場合には、より狭い井戸を用いることにより、バリアの中へのそれほどの貫通が生じることなく最大のＩｎが許容されることが可能になる。
【００７０】
これらの原理を用いて設計された量子井戸の例が、図１１Ａおよび１１Ｂにおいて、波動関数のシミュラーゼ（Ｓｉｍｕｌａｓｅ）画像に示されている。表示されているｎ＝１の電子の波動関数は正孔の波動関数よりもはるかにより拡がっていることに注意すべきである。これにより、行列要素の強化が得られる。図１１Ａは、ＩｎＧａＰ−ＩｎＧａＡｓの活性領域を示している。図１１Ｂは、４０％のＡｌＧａＡｓ量子井戸バリアを有するＩｎＧａＰ−ＩｎＧａＡｓの活性領域を示している。同じＩｎＧａＡｓ井戸を有する４０％のＡｌＧａＡｓバリア（図１１Ｂ）と比較すると、類似の効果が観察されるが、劣ったバリア材料の中に波動関数が拡張することが異なっており、それによって、バリア材料とその中への拡張とに起因して、量子井戸における状態密度に悪影響が生じる。これは、より深い井戸と組み合わされたＩｎＧａＰにおける正孔の有効質量が、より低いことを示している。正孔の有効質量がより低いとバリアの中への貫通がより大きくなるのであるが、井戸の深さの増大により貫通の減少が補償され、バリアにおける正孔の有効質量が低下することで、全体的な有効質量が、したがって、第１のレベルに対して観察される価電子帯における状態密度が、補償される。伝導帯は類似の状態密度を有し、その場合に、状態密度が低下すると、利得／差動利得が著しく強化される。図１１Ａおよび１１Ｂの活性領域は、両方共に、本発明で用いることが可能である。
【００７１】
量子井戸の深さがより大きくなると、ＩｎＧａＰ−ＩｎＧａＡｓの量子井戸に、最高の性能上の効果がもたらされる。ＡｌＧａＡｓ−ＩｎＧａＡｓの井戸の利得スペクトルがＩｎＧａＰ−ＩｎＧａＡｓの井戸のものにほぼ整合するように調整されると、（１２％のＩｎと比較して）約７％のＩｎが用いられ、価電子帯の状態密度は、図１２Ａ〜１２Ｃの状態密度に示されているようになる（例えば、ＩｎＧａＰ−ＩｎＧａＡｓの井戸の１．５ｅ１８から、約２．６ｅ１８／ｃｍ３への劇的な上昇）。図１２Ａは、ＩｎＧａＰ−ＩｎＧａＡｓの活性領域を示している。図１２Ｂは、ＡｌＧａＡｓ−ＩｎＧａＡｓを示しているが、これは、図１２Ａと同じ寸法とＩｎ含有量とを有する。図１２Ｃは、Ｉｎを利得スペクトルに整合するように減少させた場合のＡｌＧａＡｓ−ＩｎＧａＡｓの活性領域を示す。
【００７２】
図１３Ａ〜１３Ｃの利得に示されているように、利得もまた減少され、透明度が上昇する。図１３Ａは、ＩｎＧａＰ−ＩｎＧａＡｓの活性領域を示している。図１３Ｂは、図１３Ａと同じ寸法とＩｎ含有量とを有するＡｌＧａＡｓ−ＩｎＧａＡｓの活性領域を示している。図１３Ｃは、Ｉｎを利得スペクトルに整合するように減少させているＡｌＧａＡｓ−ＩｎＧａＡｓを示す。利得または差動利得が減少すると、透明度が上昇する。また、井戸におけるキャリア濃度が上昇すると、結果的に、利得の飽和が増加する。ミラー損失は、デバイスが高い差動利得の領域（例えば、曲線の間の大きな空間）で動作するのに十分なほど低くすることが可能である。
【００７３】
井戸の中への緩和は、狭い活性領域を有することによって強化することができる。井戸の数は１つの井戸（図５Ａ）まで減らすことが可能であるが、処理が不完全であると、ミラーの反射率が高くなり（限度に近づくことにより利得の飽和を回避するため）、光子の寿命がデバイスを減速することがありうる。その代わりに、本明細書で説明されている寸法のように、量子井戸バリアの寸法を最小化することが好ましい。これにより、井戸の間のトンネリングによる移動が促進され、状態がいずれにしても結合されているために、有効な拡散時間が減少する。
【００７４】
図１４は、ＡｌとＩｎとの相対的な量から見た活性領域の実施形態を示している。示されているように、バリアは、高いＡｌと低いＩｎとを有する。また、量子井戸は、高いＩｎと低いＡｌとを有するように示されている。遷移層は、ＡｌとＩｎとを有さないように示されている。
【００７５】
図１５は、ＡｌＧａＡｓのバリア層とＧａＡｓの遷移層とを備えたＩｎＧａＡｓの井戸を有する活性領域１５００の実施形態に関して、縦軸にバンド・エッジを取り横軸に成長方向を取ったグラフを含んでいる。活性領域１５００は、量子井戸バリア層１５１０と、量子井戸１５２０と、遷移層１５３０とを有するように示されている。遷移層１５３０は、量子井戸１５２０の肩として現れている。図１５の活性領域は、「ウィング」を有する図１６のバー・グラフにおけるバーを表している。
【００７６】
図１６は、本発明による活性領域について、バーン・インの間のパワーの減少を図解するグラフを示している。示されているように、量子井戸はＩｎＧａＡｓであり、ＡｌＧａＡｓのバリア層は高いＡｌと低いＩｎとを有し、バーン・インの間には、著しいパワーの損失が存在する。しかし、遷移層（例えば、「ウィング」）が追加されると、バーン・インは著しく減少する。これらのウィングは、１０Ａの厚さでありＧａＡｓの遷移層を有するように画定されているが、示されている百分率（例えば、５％や６％）は、量子井戸におけるＩｎの量を示している。これは、遷移層を備えた設計の方が、量子井戸とバリアとの間に遷移層を有していない活性領域よりも信頼性が高いことを示している。パワー損失の変化は、遷移層がトラップの数を減らし、レーザの寿命を増加させることを示している。更に、「＋１５Ｃ」が付されているバーは、摂氏１５度高いなどのより高い温度において活性領域が成長されたことを示す。いずれにしても、量子井戸と量子井戸バリアとの間に遷移層を追加することにより、トラップが減少し、このタイプの活性領域を有するレーザの寿命が改善されるのである。
【００７７】
図１７は、活性領域１７００の実施形態について、縦軸にバンド・エッジを取り横軸に成長方向を取ったグラフを含んでいる。活性領域１７００は、量子井戸バリア層１７１０と、量子井戸１７２０と、遷移層１７３０とを有するように示されている。遷移層１７３０は、量子井戸１７２０の肩として示されている。ここでは、バリア層１７１０は、３５％のＡｌを有するＡｌＧａＡｓを含み、量子井戸１７２０はＩｎＧａＡｓであり、遷移層１７３０は３５％のＡｓを有するＧａＡｓＰを含む。活性領域は、Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ａｓを有する約６０Ａの４つの量子井戸を含む。しかし、活性領域は、本明細書で説明されている組成を含むことができる。
【００７８】
表１は、ＩｎＧａＡｓの量子井戸のための厚さに加えて、量子井戸とバリア層と遷移層とにおいて用いることができる様々な組成を示している。ここでは、量子井戸バリアの任意のもの、および／または、遷移層の任意のものを、ＩｎＧａＡｓの量子井戸と共に用いることができる。ＩｎＧａＡｓの量子井戸を有する活性領域は、１４Ｇｂｐｓのレーザにおいて強化された信頼性を持って用いることができ、また、２８Ｇｂｐｓのレーザにおいても用いることができる。
【００７９】
【表１】
2014508425.tif 000003
表２は、ＡｌＩｎＧａＡｓの量子井戸のための厚さに加え、量子井戸とバリア層と遷移層とにおいて用いることができる様々な組成を示している。ここでは、量子井戸バリアの任意のもの、および／または、遷移層の任意のものを、ＡｌＩｎＧａＡｓの量子井戸と共に用いることができる。ＡｌＩｎＧａＡｓの量子井戸を有する活性領域は、２８Ｇｂｐｓのレーザで用いることができる。
【００８０】
【表２】
2014508425.tif 000004
一実施形態では、量子井戸はＩｎＧａＡｓおよび／またはＡｌＩｎＧａＡｓを有することがあり、バリアはＡｌＧａＡｓを含むことがありうる。しかし、ＩｎＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとの間の界面においては、アルミニウムとインジウムとの電気陰性度の強い違いのために、ヒ素アンチサイト欠陥のトラップ・レベル（ＥＬ２）が一般的に存在する。ＩｎとＡｌとの化合物が隣接しないように、ＧａＡｓの界面遷移層をＡｌＧａＡｓとＩｎＧａＡｓとの間に配置することによって、アンチサイト欠陥を劇的に減少させることができる。この界面遷移層は、１つの単位層、２つの単位層、３つの単位層、４つの単位層、５つ
の単位層、または１０未満の単位層など、本明細書で説明されているＧａＰおよびＧａＡｓＰの界面遷移層と同じ寸法でありうる。
【００８１】
量子井戸バリアを含むＡｌを、量子井戸を含むＩｎから分離するＧａＡｓの遷移層の実施形態が、図１５に示されている。遷移層は、約１格子定数であり、これは約２つの単位層であり、約４原子分の厚さである。
【００８２】
ＡｌＧａＡｓの量子井戸バリアを伴うＡｌＩｎＧａＡｓの量子井戸の場合には、インジウムを含む層の場合と類似のアルミニウム組成を備えた、インジウムを含まない遷移層を、用いることができる。
【００８３】
更に、バリア層におけるキャリア数を減少させるために、広いエネルギー・バンド・ギャップのバリア層を用いることができ、それにより、界面でのまたは界面の近傍でのトラップ・レベルにおけるバリア層での再結合が減少する。これにより、トラップ・レベルは、信頼性のために重要でなくなる。
【００８４】
一実施形態では、ＶＣＳＥＬを、例えば１４＋Ｇｂｐｓでの動作についてＩｎＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓの８５０ｎｍのＶＣＳＥＬの活性領域に内在的な信頼性の問題を低減または除去するように設計された改善型の活性領域を含むように、準備することが可能である。活性領域は、量子井戸とバリアとの間に、５〜３０Ａの厚さを有する遷移層を有することができる。そのような遷移層は、ＩｎＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓの界面における再結合中心を、削減または削除することができる。そのような再結合は、結果的に８５０ｎｍのＶＣＳＥＬにおいてレーザ信頼性を低下させると考えられており、したがって、本発明は、信頼性を改善するために、再結合を減少させることができる。遷移層のバンド・ギャップが大きくなればなるほど、より厚いＩｎＧａＡｓの量子井戸が許容され、これによって更に信頼性が高まる。量子井戸の厚さが４０Ａよりも大きいことが、よりよい結果を生じさせうる。
【００８５】
改善された活性領域の例には、厚さが約５５〜６０ＡであるＩｎ０．０４Ｇａ０．９６Ａｓの４つの量子井戸層、約１〜１０の単位層の厚さであるそれぞれの量子井戸のそれぞれの表面に隣接するＧａＰもしくはＧａＡｓ、または、ＧａＡｓ０．３５Ｐ０．６５の遷移層、遷移層が量子井戸とバリア層とのそれぞれを分離するようにそれぞれの遷移層に隣接している約５０ＡのＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓのバリア層などが含まれる。態様では、活性領域を結合するバリア層は、活性領域の内部にあるバリア層よりも大きい場合があり、その場合、より大きなバリア層は５０から１３０Ａの範囲でありうる。異なる層における元素の量の変動により、レーザを８５０〜９００ｎｍの間で変動させることができる。
【００８６】
一実施形態では、ＶＣＳＥＬは、ＧａＡｓ基板と、ＧａＡｓ基板上に配置されており１つまたは複数の屈折率を有する複数の第１のミラー層を有する第１のミラー領域と、第１のミラー領域上に配置された第１の導通領域と、第１の導通領域上であり第１のミラー領域とは反対側に配置された活性領域と、を含みうる。活性領域は、１つまたは複数の量子井戸層と、１つまたは複数の量子井戸バリアと、量子井戸層と量子井戸バリアとのそれぞれの間に説明されているように堆積することができる１つまたは複数の遷移（例えば、界面）単一層とを含みうる。第２の導通領域は、活性領域上の第１の導通領域とは反対側に配置することができる。第２のミラー領域は、第２の導通領域上の活性領域とは反対側に配置することができ、第２のミラー領域は、１つまたは複数の屈折率を有する複数の第２のミラー層を有しうる。
【００８７】
一実施形態では、それぞれの量子井戸と量子井戸バリアとは、ＧａＰ、ＧａＡｓ、およ
び／またはＧａＡｓＰを有する１つまたは複数の遷移単一層によって分離されうる。
一実施形態では、活性領域は、量子井戸バリアと量子井戸との間に１つまたは複数の遷移単一層を含んでおり、この１つまたは複数の遷移単一層は、ＩＩＩ族元素および／またはＶ族元素と量子井戸バリアおよび／または量子井戸との相互拡散の結果として、１つまたは複数の遷移単一層を有さない量子井戸バリアと量子井戸との間のＩＩＩ族元素および／またはＶ族元素の相互拡散の結果として生じる低バンド・ギャップ界面と比較すると、より広いバンド・ギャップを有する１つまたは複数の遷移単一層が生じるように選択された、第３の材料で形成されている。
【００８８】
一実施形態では、ＶＣＳＥＬは、（Ａｌ）ＩｎＧａＡｓを有する１つまたは複数の量子井戸と、１つまたは複数の量子井戸層を結合するＡｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓを有する２つまたはそれより多くの量子井戸バリアと、それぞれの量子井戸層と量子井戸バリアとの間に堆積された１つまたは複数の遷移単一層と、を含みうるのであって、量子井戸とバリアと遷移単一層とは、実質的にトラップを有していない。１態様では、１つまたは複数の遷移単一層は、ＧａＰ、ＧａＡｓ、および／またはＧａＡｓＰを含む。別の態様では、２つまたはそれより多くの遷移単一層がＡｌＩｎＧａＡｓを含んでおり、より高いＩｎとより低いＡｌとを有する量子井戸側の単一層と比較すると、バリア側の単一層がより低いＩｎとより高いＡｌとを有する。また別の態様では、１つまたは複数の遷移単一層は、ＡｌとＩｎとを欠いている。
【００８９】
一実施形態では、ＶＣＳＥＬは、ＡｌｘＩｎ１−ｚ−ｘＧａｚＡｓを有する１つまたは複数の量子井戸と、Ａｌ１−ｊ−ｋＩｎｊＧａｋＡｓを有する１つまたは複数の量子井戸バリアとを含みうる。ここで、ｊは０から０．１の範囲にあり、ｋは０．５５から０．６５の範囲にあり、ｘは０から０．１の範囲にあり、ｚは０．７から０．９６の範囲にある。また、１つまたは複数の遷移単一層は、ＧａＡｓ１−ｗＰｗを有しうる。ここで、ｗは０．５から１の範囲にある。
【００９０】
一実施形態では、ＶＣＳＥＬは、活性領域において、それぞれの量子井戸と量子井戸バリアとの間に、３つの遷移単一層を含みうる。これらの３つの遷移単一層は、ＧａＰ、ＧａＡｓ、および／またはＧａＡｓＰを有しうる。
【００９１】
一実施形態では、活性領域は、Ｉｎ０．０４Ｇａ０．９６Ａｓを有する１つまたは複数の量子井戸と、Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓを有する１つまたは複数の量子井戸バリアと、ＧａＡｓ０．３５Ｐ０．６５を有する１つまたは複数の遷移層と、を含みうる。
【００９２】
一実施形態では、１つまたは複数の遷移単一層は、量子井戸と量子井戸バリアとの間における低ギャップの界面層の形成を禁止するのに十分である。また、１つまたは複数の遷移単一層は、活性領域の差動利得を増加させるように構成することができる。なお、差動利得の増加は、１つまたは複数の遷移単一層を有していないＶＣＳＥＬと比較される。
【００９３】
一実施形態では、ＶＣＳＥＬは、１つまたは複数の量子井戸バリア層と、量子井戸バリア層を結合する第１の導通領域と第２の導通領域との少なくとも一方との間に、酸化物層を含みうる。この酸化物層は、キャパシタンスを減少させるように構成された複酸化物でありうる。あるいは、この酸化物層は、１つまたは複数の量子井戸と関連するミラー領域とに関する第１の消失点にありうる。
【００９４】
一実施形態では、ＶＣＳＥＬを準備する方法は、１つまたは複数の量子井戸と、１つまたは複数の量子井戸のそれぞれを結合する２つまたはそれよりも多くの量子井戸バリアと、それぞれの量子井戸層と量子井戸バリアとの間に堆積された１つまたは複数の遷移単一層と、を有する結晶構造を成長させるために分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）を用いる工程
を含みうる。
【００９５】
一実施形態では、ＶＣＳＥＬの活性領域を準備する方法は、（ａ）Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓを有する量子井戸バリアを成長させる工程と、（ｂ）ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、またはＧａＡｓのうちの１つまたは複数を有する遷移層を成長させる工程と、（ｃ）（Ａｌ）ＩｎＧａＡｓを有する量子井戸層を成長させる工程と、（ｄ）ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、またはＧａＡｓのうちの１つまたは複数を有する別の遷移層を成長させる工程と、（ｅ）（ａ）から（ｄ）までの工程を複数のサイクルにわたり反復する工程と、（ｆ）Ａｌ（Ｉｎ）ＧａＡｓを有する量子井戸バリアを成長させる工程と、を含みうる。
【００９６】
一実施形態では、ＶＣＳＥＬは、高いＩｎと低いＡｌとを有する１つまたは複数の量子井戸と、高いＡｌと低いＩｎとを有しており１つまたは複数の量子井戸層を結合する２つまたはそれより多くの量子井戸バリアと、それぞれの量子井戸層と量子井戸バリアとの間に堆積された１つまたは複数の遷移単一層と、を含みうる。ただし、量子井戸とバリアと遷移単一層とは実質的にトラップを有していない。例えば、１つまたは複数の遷移単一層は、ＧａＰ、ＧａＡｓ、および／またはＧａＡｓＰを含みうる。あるいは、２つまたはそれより多くの遷移単一層はＡｌＩｎＧａＡｓを含んでおり、より高いＩｎとより低いＡｌとを有する量子井戸側の単一層と比較すると、バリア側の単一層がより低いＩｎとより高いＡｌとを有している。
【００９７】
当業者であれば、本明細書に開示されているこのおよび他の工程および方法に関し、これらの工程および方法で実行される機能は別の順序での実装が可能であると理解するはずである。更に、概観されているステップおよび動作は単なる例示として提供されており、これらのステップおよび動作のいくつかはオプションであり、組み合わされてより少数のステップおよび動作になりうるし、または、開示されている実施形態の本質を損なうことなく、追加的なステップおよび動作に拡張されうる。
【００９８】
本開示は、この出願において説明されている特定の実施形態の観点から限定されることはない。説明されている実施形態は、様々な態様に関する例示であることが意図されている。多くの修正および変更を、その精神および範囲から逸脱することなく行うことができるが、これは、当業者には明らかなことであろう。本明細書で列挙されているものに加え、本開示の範囲に属する機能的に均等な方法および装置が、当業者であれば、以上の説明から明らかになるはずである。そのような修正および変更は、添付の特許請求の範囲に属することが意図されている。本開示は、これらの特許請求の範囲が及ぶ均等物の全範囲と共に、添付の特許請求の範囲の文言によってのみ限定される。本開示は、もちろん変動する可能性がある、特定の方法、試薬、化合物の構成または生物システムに限定されることはないことを理解すべきである。本明細書で用いられている用語は特定の実施形態を説明するという目的のみを有するのであって、限定する意図はないことも理解されるべきである。
【００９９】
本明細書で説明されている主題は、ときには、異なる他のコンポーネントの内部に含まれる異なるコンポーネントを、または、異なる他のコンポーネントと接続されている異なるコンポーネントを例示している。そのように示されているアーキテクチャは単に例示的なものであり、実際には、同一の機能を達成する多くの他のアーキテクチャを実装することが可能であることを理解すべきである。概念的な意味では、同じ機能を達成するコンポーネントの任意の配列が、所望の機能が達成されるように、効果的に関連付けられている。よって、特定の機能を達成するように本明細書で組み合わされている任意の２つのコンポーネントは、アーキテクチャまたは中間的なコンポーネントとは関係なく、所望の機能が達成されるように相互に関連付けられていると見なすことが可能である。同様に、そのように関連付けられている任意の２つのコンポーネントは、所望の機能を達成するように
相互に「動作可能な態様で接続されている」または「動作可能な態様で結合されている」ものとして見なすことも可能であり、そのように関連付けられることが可能である任意の２つのコンポーネントは、所望の機能を達成するために相互に「動作可能な態様で結合可能である」ものとしても見なすことが可能である。動作可能な態様で結合可能な特定の例には、これらに限定されることは意図されていないが、物理的に組み合わせ可能および／または物理的に相互作用をするコンポーネントおよび／またはワイヤレスで相互作用可能および／またはワイヤレスで相互作用をするコンポーネントおよび／または論理的に相互作用をするおよび／または論理的に相互作用可能なコンポーネントが含まれうる。
【０１００】
実質的に任意の本明細書で用いられている複数および／または単数の用語に関し、当業者であれば、コンテキストおよび／または応用例に対して適切であるように、複数形を単数形におよび／または単数形を複数形に変換することが可能である。様々な単数／複数の順列を、明確にするために、本明細書で明示的に提示されうる。
【０１０１】
一般的に、本明細書で用いられている用語は、特に添付の特許請求の範囲（例えば、添付の特許請求の範囲の本文）において用いられている用語は、「開放的な」用語（例えば、「含んでいる」という用語は「含んでいるが限定されない」と解釈されるべきであり、「有する」という用語は「少なくとも有する」と解釈されるべきであり、「含む」という用語は「含むが限定されない」と解釈されるべき、などである）であることが一般的に意図されていることは、当業者に理解されるはずである。導入された請求項の記載に関してある特定の数が意図されている場合には、そのような意図はその請求項において明示的に記載され、そのような記載が存在しなければ、そのような意図は存在しない、ということも、当業者には、理解されるはずである。例えば、理解を助けるために、後述する特許請求の範囲に「少なくとも１つの」および「１つまたは複数の」という請求項での記載を導入する表現が含まれる場合がある。しかし、そのような表現が用いられているからといって、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」による請求項の記載の導入が、そのように導入された請求項での記載を含むどのような特定の請求項も、ただ１つのそのような記載を含む実施形態に限定することを意味すると解釈されるべきではない。これは、同じ請求項が、「１つもしくは複数の」または「少なくとも１つの」という導入表現と「ａ」または「ａｎ」などの不定冠詞とを用いる場合（例えば、「ａ」および／または「ａｎ」は、「少なくとも１つの」または「１つもしくは複数の」）であっても、である。これは、請求項での記載を導入するのに用いられる定冠詞の使用についても同様である。更に、導入される請求項の記載に関して特定の数が明示的に記載されている場合であっても、当業者であれば、そのような記載は、記載されている数を少なくとも意味するものと解釈されるべきであることを理解するはずである（例えば、他の修飾語なしで「２つの記載」というそのままの記載がなされている場合には、少なくとも２つという記載、または、２もしくはそれよりも多くのという記載を意味する）。更に、「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも１つ」などに類似する慣用表現が用いられている場合には、当業者がその慣用表現を理解するであろう意味での構成が一般的に意図される（例えば、「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも１つを有するシステム」とは、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢの両方、ＡおよびＣの両方、ＢおよびＣの両方、および／または、Ａ、Ｂ、およびＣのすべてを有するシステムを含むが、それに限定されない）。「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つ」などに類似する慣用表現が用いられている場合には、当業者がその慣用表現を理解するであろう意味での構成が一般的に意図される（例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つを有するシステム」とは、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢの両方、ＡおよびＣの両方、ＢおよびＣの両方、および／または、Ａ、Ｂ、およびＣのすべてを有するシステムを含むが、それに限定されない）。２またはそれよりも多くの代替的な用語を提示するほぼどのような離接的な語および／または表現であっても、明細書、特許請求の範囲、または図面のいずれにおいても、それらの用語のうちの１つ、それらの用語のいずれか、または両方の用語を含む可能性を考慮するように理解されるべきであると、当業者には
理解されるはずである。例えば、「ＡまたはＢ」という表現は、「Ａ」もしくは「Ｂ」、または、「Ａ」および「Ｂ」という可能性を含むものと理解される。
【０１０２】
更に、開示の特徴または態様がマーカッシュ群の形式で記載されている場合には、そのマーカッシュ群の任意の個々の構成要素または構成要素の部分群としても本開示は記載されるものと当業者であれば理解するはずである。
【０１０３】
当業者によって理解されることであるが、書かれた説明を提供するという観点など、任意のおよびすべての目的のために、本明細書に開示されているすべての範囲は、任意のおよびすべての可能性がある下位の範囲とその下位の範囲の組み合わせとにも及ぶ。任意のリスト化された範囲は、少なくとも等しい２分の１、３分の１、４分の１、５分の１、１０分の１などに分割される同じ範囲を十分に記載し可能にしているものと容易に認識することができる。非限定的な例として、本明細書で論じられているそれぞれの範囲は、下位の３分の１、中間の３分の１および上位の３分の１に容易に分解することが可能である。当業者によって容易に理解されるように、「まで」、「少なくとも」およびそれに類似するものなどすべての表現は、言及されている数を含み、上述したように、後で下位の範囲に分解することが可能である範囲を意味する。最後に、当業者に理解されるように、ある範囲は、それぞれの個別の数を含む。したがって、１〜３のセルを有するグループとは、１、２、または３つの節を有するグループを意味する。同様に、１〜５のセルを有するグループとは、１、２、３、４、および５つの節を有するグループを意味し、以下も同様である。
【図１】
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【図２】
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【図９】
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【図１０】
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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６】
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【図７】
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【図８】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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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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【国際調査報告】
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