(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｙ≧０（ｙ＝１の場合を除く）であるＩｎｙＧａ１−ｙＡｓＳｂを含む量子井戸層材料からなる少なくとも１つの量子井戸層と、
少なくとも１つの量子井戸層がインターリーブされた対応する数の障壁層と
を備える、活性層を含む長波長フォトニクスデバイスであって、前記障壁層は、ＡｌＩｎＧａＡｓＰＳｂを含有する障壁層材料を各々含み、前記障壁層材料は、前記量子井戸層材料の伝導帯エネルギーレベルよりも高い伝導帯エネルギーレベルと、前記量子井戸層材料の価電子帯エネルギーレベルよりも低い価電子帯エネルギーレベルとを持つ、長波長フォトニクスデバイス。
【請求項２】
前記フォトニクスデバイスはＧａＡｓ基板を更に含み、前記障壁層材料は、前記少なくとも１つの量子井戸層と前記基板との間の歪力の補償を提供する、請求項１に記載の長波長フォトニクスデバイス。
【請求項３】
前記フォトニクスデバイスはＩｎＰ基板を更に含み、前記障壁層材料は、前記少なくとも１つの量子井戸層と前記基板との間の歪力の補償を提供する、請求項１に記載の長波長フォトニクスデバイス。
【請求項４】
前記活性層は、前記少なくとも１つの量子井戸層と前記障壁層とが挟まれたクラッド層を更に含む、請求項１に記載の長波長フォトニクスデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【従来の技術】
フォトニクスデバイスは、例えば垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）や端面発光レーザ（ＥＥＬ）、そして半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）といった半導体レーザを含む。フォトニクスデバイスのアプリケーションは多数あり、その中には光通信、光測定機器及び光記憶装置も含まれている。
【０００２】
長波長赤外光を生成するフォトニクスデバイスは既存の光ファイバにおける波長範囲損失が相対的に低いことから、光通信産業において注目を集めている。約１．５〜１．６μｍの波長範囲にある波長は、一般的に１．５５μｍ波長範囲に分類されているが、この波長範囲で作動する半導体レーザや他の部品は比較的にコストが安く、広く普及していることもあり、光通信アプリケーションに利用される代表的な波長範囲である。しかしながら、光ファイバの光分散は、約１．２５μｍ〜１．３５μｍの波長範囲（一般的に１．３μｍ波長範囲と呼ばれる）で比較的小さくなる。この波長範囲で作動するレーザはインジウム燐（ＩｎＰ）基板を使用したものであり、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板を使用したレーザよりもかなり高価である為に、この波長範囲は光通信においてはあまり一般的に使用されてはいない。更に、ＩｎＰに適合する好適なミラー材料が無いことから、この１．３μｍ波長範囲で作動するＶＣＳＥＬを作ることは困難なのである。
【０００３】
フォトニクスデバイスの活性層は、電子と正孔の結合により光を生成する層である。均質な活性層を持つフォトニクスデバイスを作成することも可能ではあるが、量子井戸を含む活性層を使用した場合、より低い電流閾値、より高い効率及びより柔軟な発光波長選択性をそのフォトニクスデバイスにもたらすことが出来る。
【０００４】
量子井戸構造は、対応する数（ｎ＋１）の障壁層に隔てられた、少なくとも１つ（ｎ）の量子井戸層を含むものである。量子井戸層の各々の厚さは、約１ｎｍ〜約１０ｎｍの範囲である。通常、障壁層の厚さは、量子井戸層よりも大きい。量子井戸構造を構成する層の半導体材料は、そのフォトニクスデバイスに望まれる発光波長によって異なる。障壁層の半導体材料は量子井戸層の材料とは異なり、量子井戸層の材料よりも大きいバンドギャップエネルギーと、より小さい屈折率を持つものが使用される。
【０００５】
活性層は、２つのクラッド層間に挟まれた量子井戸構造から構成される。通常、量子井戸構造を構成する半導体材料にはドーピングは実施しない。クラッド層の一方にｎ型のドーピングを実施し、他方のクラッド層にはｐ型のドーピングを実施する。従って、活性層はｐｉｎ構造を持つことになる。
【０００６】
１．３μｍ波長の光を生成する為のＶＣＳＥＬの活性領域として、ガリウム砒素アンチモン（ＧａＡｓＳｂ）の量子井戸層とガリウム砒素（ＧａＡｓ）の障壁層を含む量子井戸構造が提案されている。図１は、１つの量子井戸層を含む量子井戸構造を使用した活性層１０の一例におけるエネルギーバンド図である。これは、バンドエネルギーを縦軸に、そして基板からの距離を横軸にプロットしたものである。
【０００７】
活性層１０は、基板側クラッド層１２と、ＧａＡｓから成る基板側障壁層１４と、ＧａＡｓＳｂから成る量子井戸層１６と、ＧａＡｓから成る遠隔側（基板から離れた側の）障壁層１８と、そして遠隔側クラッド層２０から構成されている。図１のエネルギーバンド図は、ここで述べた各層の半導体材料の伝導帯２２及び価電子帯２４のエネルギーを示したものである。
【０００８】
ＧａＡｓから成る障壁層１４及び１８と、ＧａＡｓＳｂから成る量子井戸層１６を含む量子井戸構造は、タイプIIのヘテロ構造として知られる構造を持っている。タイプIIのヘテロ構造においては、量子井戸層１６のＧａＡｓＳｂ価電子帯２４におけるエネルギーは、障壁層１４、１８のＧａＡｓ価電子帯のエネルギーよりも大きく、量子井戸層のＧａＡｓＳｂ伝導帯２２におけるエネルギーも障壁層のＧａＡｓ伝導帯のエネルギーより大きい。
【０００９】
タイプIIのヘテロ構造を持つ量子井戸構造におけるバンドエネルギー構成は、電子２６を障壁層１４、１８の伝導帯２２へと閉じ込め、正孔２８を量子井戸層１６の価電子帯２４へと閉じ込めるものである。この結果、物理的に異なる層に閉じ込められたキャリア間において、電子・正孔再結合プロセスが生じるものであり、これは、空間間接プロセスと呼ばれる。タイプIIのヘテロ構造を持つ量子井戸構造を利用した活性層は、量子井戸層材料又は障壁層材料のいずれかのバンドギャップエネルギーよりも充分低いエネルギーを持つ光子を放出・吸収することが出来る。このような活性層を使用したフォトニクスデバイスは、量子井戸構造材料のバンドギャップエネルギーに対応する波長よりも相当に長い波長で作動する。しかしながら、タイプIIのヘテロ構造を持つ量子井戸構造を使用した活性層は、電子及び正孔の波動関数のオーバーラップが低いことから、利得は相対的に低い。
【００１０】
タイプIIのヘテロ構造を持つ量子井戸構造を使用した活性層における他の欠点としては、このような活性層を用いた端面発光レーザの場合、その閾電流密度がデバイスの寸法に、そしてその動作波長が稼動電流に依存するという点である。このような閾電流密度及び動作波長の変動は、数百ＧＨｚのチャネル間隔により厳しい波長安定性要件が課せられる光通信用レーザにおいては問題となり得るのである。
【００１１】
加えて、１．３μｍ光を生成する活性層の場合、量子井戸層１６のＧａＡｓＳｂのアンチモン（Ｓｂ）の組成が、約０．３５（即ちＧａＡｓ１−ｘＳｂｘにおいてｘ＝約０．３５）である。アンチモンの組成がこのような場合、ＧａＡｓＳｂは、その格子定数がＧａＡｓよりも実質的に大きくなり、ＧａＡｓを成長させる際に量子井戸層に相当の圧縮性歪力がかかることになる。従って、この歪力の弛緩により生じる欠陥が許容し得ない程に高い密度とならないように１つ又は２つ以上の量子井戸を持つ活性領域を作成することは、困難なのである。ＧａＡｓの障壁層では、ＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓＳｂ量子井戸層の歪力を補償することは出来ない。
【００１２】
１．３μｍ光を生成するように構成されたＶＣＳＥＬの活性領域として提案された他の量子井戸構造は、ガリウム砒素アンチモン（ＧａＡｓＳｂ）量子井戸層とアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）障壁層とから成る。図２は、１つの量子井戸層を持つこのような量子井戸構造を採用した活性層例４０のエネルギーバンド図である。これは、図１のエネルギーバンド図と同様、バンドエネルギーを縦座標に、基板からの距離を横座標にプロットしたものである。
【００１３】
活性層４０は基板側クラッド層４２と、ＡｌＧａＡｓ基板側障壁層４４と、ＧａＡｓＳｂ量子井戸層４６と、ＡｌＧａＡｓ遠隔側障壁層４８と、そして遠隔側クラッド層５０とから構成されている。エネルギーバンド図は、上述した半導体材料の伝導帯２２及び価電子帯２４のエネルギーを示している。
【００１４】
ＡｌＧａＡｓの障壁層４４及び４８と、ＧａＡｓＳｂ量子井戸層４６から成る活性層は、タイプＩとして知られるヘテロ構造を持っている。ＧａＡｓＳｂ及びＡｌＧａＡｓから成るタイプＩヘテロ構造においては、ＧａＡｓＳｂ量子井戸層４６の価電子帯２４におけるエネルギーはＡｌＧａＡｓ障壁層４４、４８の価電子帯のエネルギーよりも大きいが、しかし、ＧａＡｓＳｂ量子井戸層の伝導帯２２におけるエネルギーはＡｌＧａＡｓ障壁層の伝導帯におけるエネルギーよりも小さい。
【００１５】
タイプＩヘテロ構造を持つ量子井戸構造におけるバンドエネルギー構成は、電子５６を量子井戸層４６の伝導帯２２に閉じ込め、正孔５８を量子井戸層４６の価電子帯２４に閉じ込めるものである。この結果、電子・正孔の再結合プロセスは同じ層中に閉じ込められたキャリア間で生じるもので、この再結合プロセスは空間直接型と呼ばれており、活性領域４０の利得は図１に示した活性領域１０よりも実質的に高いものとなる。更に、タイプＩヘテロ構造を持つ量子井戸構造の閾電流密度及び動作波長のデバイス寸法及び稼動電流に対する依存度はそれぞれに低い。
【００１６】
しかしながら、障壁層４４及び４８のＡｌＧａＡｓ中のアルミニウムの反応性が高いことから、ＧａＡｓＳｂの成長要件に合致する良好な結晶品質、高い光学品質及び稼動信頼性をもって活性層４０を成膜することは困難である。
【００１７】
加えて、１．３μｍ光を生成する活性層の場合、ＧａＡｓＳｂ量子井戸層４６は約０．３５のアンチモン（Ｓｂ）組成（即ちＧａＡｓ１−ｘＳｂｘにおいてｘ＝約０．３５）を含んでいる。量子井戸は、室温でのヘテロ接合エネルギー障壁におけるキャリアリークを減じる為に、少なくとも４〜５ｋＴ（ｋはボルツマン定数、Ｔはケルヴィン温度）の電子閉じ込め効果を持っていることが望ましい。ＧａＡｓＳｂ量子井戸層４６におけるＳｂ組成が約０．３５で所望の電子閉じ込め効果を得る為には、ＡｌＧａＡｓ障壁層４４、４８において、Ａｌ組成が約０．２５以上（即ちＡｌｚＧａ１−ｚＡｓにおいてｚ≧０．２５）なければならない。
【００１８】
アンチモンはＧａＡｓＳｂと比べて低い平衡蒸気圧を持ち、そしてＧａＡｓＳｂは低い融点、よって低い熱力学的安定温度を持っている。この結果、ＧａＡｓＳｂ量子井戸層４６は、ＡｌＧａＡｓ及びＧａＡｓが成膜される従来の温度よりも、約１００℃ほど低い温度で成長させなければならないのである。更に、Ｇａ−Ａｓ結合の熱力学的安定性は低く、Ｓｂ種は低い揮発性を持っている。この結果、ＧａＡｓＳｂ量子井戸層は更に非常に低いＶ／III率と低いＡｓ／Ｇａ比率でのエピタキシ成長により成膜されるのである。低いＡｓ過圧と低い成長温度は、ＡｌＧａＡｓ障壁層の結晶品質を損なうものである。これらの条件下においては、障壁層４４、４８のアルミニウムの高い反応性により、ＭＯＣＶＤ先駆物質から炭素と酸素を取り込んだＡｌＧａＡｓ障壁層が形成されるのである。これらの不純物は、非放射性再結合中心として作用し、更にはこのフォトニクスデバイスの長期的信頼性を損なってしまうのである。障壁層４４、４８のＡｌＧａＡｓ中に入り込んだ炭素は、バックグラウンドのｐ型不純物レベルを高めてしまい、自由キャリア吸収の増大を引き起こすことになる。この結果、光学損失の増大と、これに対応した閾電流密度の増大が生じるのである。
【００１９】
最後に、ＡｌＧａＡｓは、実質的にＧａＡｓと同じ格子定数を持っている為、ＡｌＧａＡｓ障壁層はＧａＡｓＳｂ量子井戸層とＧａＡｓ基板との間の歪力を補償する能力を持たない。このことから、許容範囲を超えた高い欠陥密度を生じることなく量子井戸構造中に設けることが出来る量子井戸層の数が制約される。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
よって、低い閾値電流、安定した動作波長、そして高い量子効率を提供する長波長フォトニクスデバイスの活性領域が必要とされているのである。より具体的には、高利得、高透光性、低自由キャリア損失、低い非放射性再結合中心密度と、そしてタイプＩヘテロ構造を併せ持つ活性領域が必要とされているのである。
活性層を構成する材料の伝導帯及び価電子帯には、高電流駆動条件下におけるキャリアリークを防止するに充分な大きいずれがなければならない。活性領域は１．３μｍ波長範囲の光を生成することが出来、かつ実質的にＧａＡｓ基板に格子整合したものでなければならない。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓＳｂ（ここでｙ≧０）の量子井戸層材料から成る量子井戸層を少なくとも１つ含み、更に対応する数の、各々がガリウム及び燐を含む材料から成る障壁層を含む長波長フォトニクスデバイスを提供するものである。障壁層材料は、量子井戸層材料の伝導帯エネルギーレベルよりも高い伝導帯エネルギーレベルと、量子井戸層材料の価電子帯エネルギーレベルよりも低い価電子帯エネルギーレベルを持っている。
【００２２】
このようなバンドエネルギーレベル間の関係とした結果、活性層は正孔と電子の両方が量子井戸層中に閉じ込められ、正孔・電子間の再結合が空間直接的に発生する、タイプＩのヘテロ構造を持つことになる。この結果、フォトニクスデバイスは、高い利得と量子効率、そして低い閾値電流を持つことになる。このフォトニクスデバイスは、温度や作動電流には実質的に依存しない波長において長波長光を生成するものである。更に、燐を含む障壁層材料は量子井戸層の表面を損なう危険を伴わずに高いＶ／III比率で成膜することが可能であり、従って量子井戸層と障壁層との間に、シャープで輪郭のはっきりした界面を確実に作ることが出来る。最後に、Ｉｎ及びＰを含む障壁層材料は、量子井戸層とＧａＡｓ又はＩｎＰ基板との間の歪力を補償することが出来る。これにより、複数の量子井戸層を含む量子井戸構造の欠陥密度を低く抑えることが出来る。
【００２３】
以下の説明及び添付図を参照することにより、本発明の他のシステム、方法、特徴及び利点が当業者に明らかとなる。本説明に含まれるこれらの更なるシステム、方法、特徴及び利点の全ては本発明の範囲に含まれるものであり、請求項により保護されるものである。
【００２４】
本発明は、添付図の参照により、より容易に理解することが出来る。図中の要素の寸法は必ずしも相互に対応したものではなく、本発明の原理をより明確に説明することに重点をおいて描いたものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
添付図を参照しつつ本発明の説明を以下に詳細に説明する。図中、複数の図を通じて同様の符号は対応する要素を示すものである。
【００２６】
図３（ａ）は、本発明に基づくフォトニクスデバイスの一実施例１００の部分的な概略側面図である。フォトニクスデバイス１００は、基板１０２及び活性層１０４を含む。活性層は、基板側クラッド層１１２と遠隔側クラッド層１２０と、これらに挟まれた量子井戸構造１０６を含んでいる。量子井戸構造は、基板側障壁層１１４と遠隔側障壁層１１８と、これらに挟まれた量子井戸層１１６とを含む。
【００２７】
量子井戸構造１０６において、量子井戸層１１６は、ガリウム砒素アンチモンを含む量子井戸層材料の層である。量子井戸層は、約１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲の厚さを持つ。
【００２８】
量子井戸層１１６の量子井戸層材料のガリウム砒素アンチモンにおけるアンチモン組成（即ち、ＧａＡｓ１−ｘＳｂｘにおけるｘの値）は、所望の動作波長に対応するバンドギャップエネルギーが得られるように設定されている。アンチモン組成が０．３５である場合、動作波長１．３μｍに対応する約０．９４ｅＶのバンドギャップエネルギーが得られ、アンチモン組成が約０．４９の場合は、動作波長１．５５μｍに対応する約０．７８ｅＶのバンドギャップエネルギーが得られる。約０．３５のアンチモンを含むＧａＡｓＳｂは、格子定数が約０．５８０ｎｍであり、約０．４９のアンチモンを含むＧａＡｓＳｂは、格子定数が約０．５８５ｎｍである。動作波長１．３μｍ及び１．５５μｍに対応するバンドギャップエネルギーをもたらす正確なアンチモン組成は、更に量子井戸の幅にも依存する。
【００２９】
上述したものと異なる動作波長については、アンチモン組成ｘを適正な値に設定することにより得ることが出来る。例えば、上述した１．３μｍ波長範囲、或いは１．５５μｍ波長範囲のいずれかに動作波長を設定する為には、上述した値とは異なるアンチモン組成比を使用すれば良い。
【００３０】
量子井戸構造１０６における障壁層１１４及び１１８は、各々に障壁層材料の層である。障壁層材料は、ガリウム及び燐を含むIII−Ｖ族半導体である。障壁層材料は、量子井戸層材料の伝導帯エネルギーレベルよりも高い伝導帯エネルギーレベルを持ち、量子井戸層材料の価電子帯エネルギーレベルよりも低い価電子帯エネルギーレベルを持つ。障壁層の各々は、約１ｎｍ〜４０ｎｍの範囲の厚さを持つ。
【００３１】
基板側クラッド層１１２及び遠隔側クラッド層１２０は、アルミニウム成分を、約０．２〜０．８（即ち、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓにおいて、約０．２≦ｘ≦約０．８）含むアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）の層である。代表的なｘ値は約０．４である。クラッド層の各々は、クラッド層材料中の量子井戸構造１０６で生成される光の１波長分に対応する最低厚を持っており、例えば、ｔｃをクラッド層の厚さ、λを量子井戸構造中で生成される光の波長、そしてｎｃをクラッド層のＡｌＧａＡｓの反射率とした場合、ｔｃ＝λ／ｎｃで表される。これらのクラッド層は、逆の導電型を持つことになるようにドーピングされている。代表的には、基板側クラッド層１１２はｎ型に、そして遠隔側クラッド層１２０はｐ型にドーピングされるが、これらのクラッド層は逆にドーピングしても良い。
【００３２】
図３（ｂ）は、障壁層材料と量子井戸層材料の伝導帯エネルギーレベル間、そして障壁層材料と量子井戸層材料の価電子帯エネルギーレベル間の上述した関係を適用することが出来る活性層１０４のエネルギーバンド図である。バンドエネルギーレベル間の関係をこのようにした結果、量子井戸構造１０６はタイプＩヘテロ構造を持つことになる。正孔と電子はいずれも量子井戸層１１６中に閉じ込められている為、正孔・電子間の再結合は、空間直接的に生じる。この結果、フォトニクスデバイス１００は、高利得、高量子効率、及び低閾電流を持つに至り、更に温度や稼動電流には実質的に依存しない波長の光を生成することが出来るようになるのである。これらの特性はフォトニクスデバイスにおいては非常に望ましいものである。
【００３３】
図４は、インジウムガリウム燐を障壁層材料に用いた場合の適性を示す図である。図４は、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＡｓ、ＩｎｙＧａ１−ｙＰ、及びＩｎｙＧａ１−ｙＰの極端な例（ｙ＝０（ＧａＰ）及びｙ＝１（ＩｎＰ））における伝導帯及び価電子帯のエネルギーレベルを示すエネルギーバンド図２００である。伝導帯エネルギーレベル及び価電子帯エネルギーレベルが各材料について示されている。各エネルギーバンドレベル付近にある数値は、相対的なエネルギーバンドレベルを電子ボルト（ｅＶ）で示したものである。各数値の前にはＣ又はＶの符号がついている。Ｃはその数値が伝導帯エネルギーレベルであることを示し、Ｖはその数値が価電子帯エネルギーレベルであることを示している。これらの相対的なエネルギーバンドレベルは、アルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）の価電子帯のエネルギーバンドレベルを基準レベルとして参照したものである。換言すれば、エネルギーバンド図２００の縦座標におけるゼロが、ＡｌＡｓの価電子帯のエネルギーバンドレベルに対応するということである。
【００３４】
エネルギーバンド図２００は、ｘ＝０．４９である量子井戸層材料ＧａＡｓ１−ｘＳｂｘの伝導帯におけるエネルギーレベル２０２と、その価電子帯におけるエネルギーレベル２０４とを示している。このエネルギーバンド図には更に、ＧａＡｓの伝導帯のエネルギーレベル２０６と価電子帯のエネルギーレベル２０８も参照基準として示されている。
【００３５】
図４に示したエネルギーレベルは、歪力を与えられていない状態の材料のエネルギーバンドレベルである点に留意が必要である。異なる格子定数を持つ材料を隣接させて積層した場合は歪力がかかることになり、歪力がかかっていない状態にある材料のエネルギーバンドレベルを変化させてしまうることになる。例えば、ＧａＡｓ上にＧａＡｓＳｂを成膜した場合、圧縮力が生じてＧａＡｓＳｂの伝導帯のエネルギーレベルが増大することになる。従って、図４に示した歪力のかかっていないＧａＡｓＳｂのエネルギーバンドレベルはこの材料がタイプＩのバンド構成を持つことを示してはいるが、ＧａＡｓ上に成膜させたＧａＡｓＳｂは、図１に示したタイプIIのバンド構成を持つことになるのである。
【００３６】
本発明者らは、量子井戸層材料ＧａＡｓ１−ｘＳｂｘ（ｘ＝０．３５）の信頼に足るエネルギーバンド情報（即ち、約１．３μｍで作動するフォトニクスデバイスでの使用に適したＧａＡｓＳｂ構成）を得ることが出来なかった。しかしながら、図４の符号２１０は、アンチモン成分が０．３５であるＧａＡｓＳｂについての最悪の伝導帯エネルギーレベルを示している。この最悪の伝導帯エネルギーレベルは、伝導帯エネルギーレベルを増大したことの全結果として、バンドギャップエネルギーが０．８ｅＶから０．９４ｅＶへと増大したという仮定に基づくものである。
【００３７】
エネルギーバンド図２００は更に、ＩｎＧａＰ及びその極端な例であるＧａＰ及びＩｎＰの伝導帯及び価電子帯のエネルギーバンドレベルを示している。上限及び下限閾値の間にあるインジウム成分ｙを持つＩｎＧａＰは、障壁層１１４及び１１８を製作する障壁材料として、潜在的に好適である。ＧａＰは約０．２９ｅＶの価電子帯エネルギーレベル２１２を持ち、ＩｎＰは約０．２０ｅＶの価電子帯エネルギーレベル２１４を持っている。従って、インジウム成分によらずＩｎＧａＰの価電子帯エネルギーレベルは、ＧａＡｓＳｂの価電子帯エネルギーレベルよりも低くなる。この結果、あらゆるインジウム成分を持つＩｎＧａＰは、障壁層材料の価電子帯エネルギーレベルが量子井戸層材料の価電子帯エネルギーレベルよりも低くなければならないという、上述した基準を満たすことになるのである。
【００３８】
ＧａＰの伝導帯エネルギーレベル２１６は約２．５５ｅＶであり、ＩｎＰの伝導帯エネルギーレベル２１８は約１．５２ｅＶである。従って、ＧａＰの伝導帯エネルギーレベルは量子井戸層材料の伝導帯エネルギーレベル２０２又は２１０よりも高いということであり、ＩｎＰの伝導帯エネルギーレベルは量子井戸層材料のそれよりも低いということである。よって、インジウム成分が上限レベルよりも小さいＩｎＧａＰのみが量子井戸層材料の伝導帯エネルギーレベルよりも高い伝導帯エネルギーレベルを持つということであり、障壁層材料の伝導帯エネルギーレベルは量子井戸層材料の伝導帯エネルギーレベルよりも大きくなければならないという、上述した基準を満たすことになる。Ｉｎ成分の上限閾値レベルは、フォトニクスデバイス１００の動作波長に依存し、より長い動作波長になるに従って大きくなる。上限閾値レベルは、１．３μｍの動作波長においては約０．７５であり、１．５５μｍの動作波長においては約０．８５である。１．３μｍの波長範囲及び１．５５μｍの波長範囲にある他の動作波長に対する上限閾値レベルは、当業者には明らかである。
【００３９】
電子及び正孔の間接再結合は、Ｉｎ成分が下限閾値レベルよりも低いＧａＰ及びＩｎＧａＰにおいて生じる。三元ＩｎＧａＰにおいては、下限閾値レベルは約０．２５である。間接再結合は望ましくない為、障壁層材料のＩｎＧａＰは上限閾値レベルと下限閾値レベルの間のインジウム成分を持たせるべきである（即ち、ＩｎｙＧａ１−ｙＰにおいて、約１．３μｍでは約０．２５≦ｙ≦約０．７５、約１．５５μｍでは約０．２５≦ｙ≦約０．８５）。
【００４０】
図４は、ＧａＰ及びＩｎＰの伝導帯エネルギーレベルの間にある伝導帯エネルギーレベル２２０と、ＧａＰ及びＩｎＰの価電子帯エネルギーレベルの間にある価電子帯エネルギーレベル２２２を持つＩｎｙＧａ１−ｙＰの一例を示している。
【００４１】
ＧａＰの格子定数は、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＡｓ及びＩｎＰの格子定数よりも小さい。従って、第三の閾値よりも小さいインジウム成分ｙを持つＩｎＧａＰは、基板材料がＧａＡｓ又はＩｎＰである場合において、量子井戸層１１６と基板１０２間の歪力を補償することが出来る。これにより、量子井戸構造１０６には許容範囲内に収まる低い欠陥レベルで複数の量子井戸層を設けることが出来るようになる。歪力を補償する場合、上述したインジウム成分ｙの範囲が更に制約されることになる。
【００４２】
ＩｎｙＧａ１−ｙＰは、インジウム成分ｙが約０．５の場合、ＧａＡｓに格子整合する。従って、ｙが約０．５よりも小さいＩｎｙＧａ１−ｙＰは、ＧａＡｓＳｂとＧａＡｓ基板間の歪力を補償するものとなる。基板材料がＩｎＰの場合、どのようなインジウム成分であっても、ＩｎｙＧａ１−ｙＰは歪力の補償を提供する。
【００４３】
量子井戸層１１６の量子井戸層材料よりも高い伝導帯エネルギーレベルを提供するＩｎ組成を持つＩｎＧａＰを障壁層材料として使用した場合、更なる利点を得ることが出来る。砒素を含むものではなく、燐を含む障壁層材料を使用することにより、量子井戸層の量子井戸層材料が安定する。この結果、金属有機物化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）により層が製作される場合に量子井戸層と障壁層との間の界面がよりシャープにはっきりと画定されることになる。遠隔側障壁層が砒素を含む障壁層材料で生成される場合、III族元素‐Ａｓ結合の非常に低いギブス自由エネルギーにより、障壁層材料中のＡｓ原子の一部が量子井戸層のＧａＡｓＳｂ量子井戸層材料中のＳｂ原子に置き換わる傾向がある。Ｓｂ原子がＡｓ原子で置き換えられると、界面のシャープさが損なわれる。III族元素‐Ｐ結合はより大きいギブス自由エネルギーを持っている為、燐を含む障壁層材料から遠隔側障壁層１１８が成膜される場合、量子井戸層材料中のＳｂ原子と置き換えられるＰ原子はかなり少なくてすむ。この結果、燐を含む障壁層材料から成る障壁層は、高いＶ／III比率で成膜しても量子井戸層の表面を損傷したり、層間界面のシャープさを損なったりする可能性が低いのである。
【００４４】
ここまでのところでは、量子井戸層１１６を形成する量子井戸層材料がＧａＡｓＳｂを含む特定の例を参照しつつ本発明を説明してきた。しかしながら、量子井戸層材料は更にインジウムを含むものであっても良い。よって本発明に基づくフォトニクスデバイスにおいては、量子井戸層材料としてインジウムガリウム砒素アンチモンが含まれ、そのインジウム成分はゼロ以上である（即ち、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓＳｂにおいて、ｙ≧０）。
【００４５】
本発明者らは、量子井戸層材料にＩｎを加えることにより、信頼性が増し、量子井戸層及び障壁層間の界面が改善されるものであることを信じている。これらの改良は、ＧａＡｓＳｂとは異なるＩｎＧａＡｓＳｂの形成におけるギブス自由エネルギーから得られるものであると考えられる。より具体的には、Ｉｎ及びＳｂ間の結合がＧａ及びＳｂ間の結合よりも強い為、量子井戸層材料がＩｎを含んでいる場合、障壁層の成膜時にＡｓ原子がＳｂ原子に置き換わる確率が低いものと考えられるのである。更に、界面の両側の材料中にＩｎを含ませることにより、Ｉｎが障壁層から量子井戸層へと拡散する傾向が抑制され、界面のシャープさも改善することが出来る。また更に、Ｓｂを組み込むことの困難性から、ＧａＡｓＳｂを高いＳｂ組成比で成長させることは難しい。Ｉｎを量子井戸層材料中に含ませることにより、より低いＳｂ組成比でバンドギャップの同程度の低減が可能となるのである。
【００４６】
更に、ここまでのところでは、障壁層１１４、１１５を形成する障壁層材料が、インジウム組成ｙが上限及び下限閾値の間にあるＩｎｙＧａ１−ｙＰを含むことを特徴とした具体例を参照しながら本発明を説明してきた。しかしながら、障壁層１１４、１１８を形成する障壁層材料として、他の半導体材料を使用することも可能である。それらの例としては、インジウム組成ｙが上限及び下限閾値の間にあるＩｎｙＧａ１−ｙＡｓＰや、インジウム組成ｙが、ゼロより大きく閾値よりも小さい上限及び下限閾値の間にあるＡｌｚＩｎｙＧａ１−ｙ−ｚＰ、及びＡｌｚＩｎｙＧａ１−ｙ−ｚＡｓＰが含まれる。
【００４７】
ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ１−ｘＳｂｘを量子井戸層材料として使用する場合に好適な障壁層材料はＡｌｚＩｎｙＧａ１−ｙ−ｚＡｓａＰｂＳｂ１−ａ−ｂである。しかしながら、上述した他の障壁層材料を代わりに使うことも出来る。
【００４８】
障壁層材料のいくつかの例について、より詳細にわたって説明する。
【００４９】
インジウム組成ｙがゼロ以上で上限閾値レベル未満のＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ１−ａＰａの場合：ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ１−ａＰａ障壁層材料の燐組成ａは、障壁層及び量子井戸層がタイプＩのヘテロ構造を形成しなくなり始めるレベルよりも大きく、そして間接再結合が生じ始めるレベルよりも小さい。これらの基準に適合するＰ組成範囲は、Ｉｎ組成に依存する。この範囲は更に、量子井戸層のＧａＡｓＳｂ中の歪力にも依存し、そしてこの歪力はＰ組成ａを含む障壁層材料の組成に依存する。ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ１−ａＰａの障壁層は更に、量子井戸層１１６と、ＧａＡｓ又はＩｎＰのいずれかから成る基板１０２との間に生じる歪力を補償するものである。
【００５０】
ＡｌｚＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＰの場合：量子井戸構造１０４は障壁層材料と共にタイプＩヘテロ構造を持つ。上述した障壁層材料のいずれかにアルミニウムを含むことにより、タイプＩヘテロ構造を形成する為に上述したエネルギーレベル基準を満たす障壁層材料を作る追加オプションが提供されるが、これは更に直接再結合と歪力補償を提供するものである。ＡｌｚＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＰは、そのより広いバンドギャップにより、ＩｎＧａＰよりも良好なキャリア閉じ込め特性を提供するものである。更に、ＡｌｚＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＰにおいては、量子井戸層の露出面でＰ原子がＳｂ原子に置換される傾向が小さく、これによりＡｌｚＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＰは高品質Ａｌ含有層を得る為に通常用いられるより高いＶ／III比（即ち、Ｖ族原料とIII族原料のモル濃度比）で成膜することが出来るのである。
【００５１】
ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓ１−ａ−ｂＰａＳｂｂの場合。上述したように、量子井戸層材料は更にＩｎを含むものであっても良い。ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓ１−ａ−ｂＰａＳｂｂは、量子井戸材料がＩｎＧａＡｓＳｂである場合に好適な障壁層材料である。ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＡｓ１−ａ−ｂＰａＳｂｂは障壁層の結晶品質を改善するような高いＶ／III比で成膜することが可能であるという利点を持つ。
【００５２】
上述した全ての材料系については、タイプＩヘテロ構造を持つ量子井戸構造１０４を得る為に構成元素の組成範囲に課す制約を決定する際に、図４と同様のエネルギーバンド図を用いることが出来る。組成による格子定数のばらつきを特性付けるデータを更に用いて構成元素の組成を更に制約することにより、量子井戸層と基板間の歪力の補償を提供することも出来る。
【００５３】
以下に詳細を説明するが、フォトニクスデバイス１００は更に、基板１０２と基板側クラッド層１１２との間に挟まれた１つ以上の追加層を含むものであっても良い。更に、或いは、かわりに、フォトニクスデバイス１００は１つ以上の追加層を遠隔側クラッド層１２０上に含むものであっても良い。
【００５４】
図示した例においては、量子井戸構造１０６は基板側障壁層１１４と遠隔側障壁層１１８の間に挟まれた単一の量子井戸層１１６から構成されている。しかしながら、この量子井戸構造に３層の障壁層に隔てられた２つの量子井戸層を含ませることによりフォトニクスデバイス１００の利得を増やすことが可能であり、また更には、ｎ＋１層の障壁層に隔てられたｎ層の量子井戸層（ｎ＞２）を含むように量子井戸構造を構成することにより、利得を更に増大させることが可能である。上述した多くの障壁層材料によって量子井戸層１１６と基板１０２材料との間の歪力を補償することにより、量子井戸層のＧａＡｓＳｂまたはＩｎＧａＡｓＳｂと基板１０２半導体材料との間に格子不整合があるにもかかわらず、許容範囲内に入る低い欠陥密度で複数の量子井戸層を含む量子井戸構造を作ることが出来る。
【００５５】
約１．３μｍ波長で作動する、本発明に基づくフォトニクスデバイスの更なる実施例、即ち垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）及び端面発光レーザ（ＥＥＬ）について、図５及び図６をそれぞれに参照しつつ説明する。まず、図５を見ると、ＶＣＳＥＬ３００は、基板３０２上に順番にエピタキシャル成長させた基板側分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）３３０、活性層１０４及び遠隔側ＤＢＲ３３２を含んでいる。推奨される実施例においては、基板の半導体材料は単結晶ガリウム砒素である。
【００５６】
ＤＢＲ３３０及び３３２の各々は、複数の層の対から構成される。層の各対は、高屈折率材料の層と低屈折率材料の層から構成される。これらの層の材料は、活性領域１０４において生成される光の波長において透光性を持つ。一例として、高屈折率材料層３３４と低屈折率材料層３３６を基板側ＤＢＲ３３０における層対として示した。各層は、その層材料中の活性領域１０４において生成される光の波長の４分の１にあたる厚さを持っている（即ち、ｔｂを層の厚さ、λを上述の領域で生成される光の真空内波長、そしてｎｂを層材料の屈折率とした場合、ｔｂ＝λ／４ｎｂ）。
【００５７】
図示した例においては、ＤＢＲ３３０及び３３２はいずれも、少なくとも部分的に導電性であり、従ってドーピングされた半導体材料から形成されたものである。非導電性ＤＢＲを使用した実施例においては、このようなＤＢＲは誘電体材料から製作することが出来る。更に、図示した例においては、低屈折率半導体材料の層３３６はアルミニウムガリウム砒素であり、高屈折率半導体材料の層３３４はガリウム砒素である。図５に示した層対の数は、図を簡略化する為にかなり数を減らして示したものであるが、実際のレーザにおいては、活性領域１０４において生成される光の波長において、基板側ＤＢＲ３３０及び遠隔側ＤＢＲ３３２がそれぞれに約９９％及び約９５％よりも大きい反射率を提供できる程度の数の層対が設けられている。層対に加え、ＤＢＲの各々は低屈折率材料の追加層を含んでいる。
【００５８】
ＤＢＲ３３０及び３３２の半導体材料は、逆の導電型を持つようにドーピングされる。通常、基板側ＤＢＲ３３０の半導体材料はｎ型にドーピングされ、遠隔側ＤＢＲ３３２の半導体材料はｐ型にドーピングされるが、これらのＤＢＲの半導体材料は逆にドーピングしても良い。
【００５９】
活性層１０４は基板側ＤＢＲ３３０と遠隔側ＤＢＲ３３２の間に挟まれている。ＤＢＲ及び活性層は、活性層１０４中で生成される光の波長で共振する光空洞共振器３５０を形成する。図３（ａ）について先に説明したように、活性層１０４は基板側クラッド層１１２と遠隔側クラッド層１２０とに挟まれた量子井戸構造１０６から構成される。クラッド層１１２及び１２０は、それぞれに隣接するＤＢＲ３３０及び３３２と同じ導電型を持つことになるようにドーピングされる。
【００６０】
量子井戸構造１０６は、インジウムの組成が０以上であるインジウムガリウム砒素アンチモンを含む量子井戸材料から成る、少なくとも１つの量子井戸層と、これに対応する数の障壁層とを含む。障壁層の各々は、ガリウム及び燐を含む障壁層材料から構成される。障壁層材料は、量子井戸層材料の伝導帯エネルギーレベルよりも大きい伝導帯エネルギーレベルと、量子井戸材料の価電子帯エネルギーレベルよりも小さい価電子帯エネルギーレベルとを持っている。
【００６１】
一般的に、ドーパントは量子井戸層及び障壁層が成膜される際に量子井戸層材料及び障壁層材料には添加されない。量子井戸構造、量子井戸層及び障壁層の詳細は上述してある為、これらの要素に関する再度の説明はここでは行わない。
【００６２】
基板３０２、基板側ＤＢＲ３３０、活性層１０４及び遠隔側ＤＢＲ３３２から成る層構造が製作された後、遠隔側ＤＢＲ３３２の一部がエッチングにより除去され、メサ３３８が形成される。電流閉じ込め構造は、メサ中に形成される。例えば、メサの実質的な中心の小さい導電性領域を除いた他の領域全体にイオンを選択的に注入することが出来る。メサの導電性は、この導電性領域においては変化しない。
【００６３】
しかしながら図示の例においては、電流閉じ込め構造は、ＡｌＧａＡｓ中のアルミニウム組成に対するＡｌＧａＡｓ酸化速度の依存性を利用して形成される。遠隔側ＤＢＲ３３２が形成される場合、ＡｌＧａＡｓ層の少なくとも１つは、そのアルミニウム組成が他のＡｌＧａＡｓ層よりも実質的に高くなるように形成される。例えば、他のＡｌＧａＡｓ層がアルミニウムを約０．７５〜０．８５の範囲で含んでいる場合、アルミニウム組成比が高いＡｌＧａＡｓ層には約０．９より大きいアルミニウムを含ませることが出来る。アルミニウム組成比の高いＡｌＧａＡｓ層の一例を、符号３４６に示した。メサ３３８の形成後、ＶＣＳＥＬは例えば水蒸気含有率の高い雰囲気等の酸化雰囲気中で加熱される。酸化雰囲気は、ＡｌＧａＡｓ層全ての露出領域を酸化させるものであり、この酸化はメサの側面から中心に向かって急速に進む。しかしながら、酸化は他のＡｌＧａＡｓ層と比べて、高アルミニウム組成のＡｌＧａＡｓ層３４６において実質的により速く進む。酸化処理が終わると、高アルミニウム組成のＡｌＧａＡｓ層のほぼ全域が酸化した状態になっており、導電性領域３４８を取り囲む酸化アルミニウムの幅広の環が形成される。酸化アルミニウムはドーピングしたＡｌＧａＡｓよりも実質的に低い導電性を持っている。高アルミニウム組成のＡｌＧａＡｓは、導電領域３４８においては酸化されずに残っている為、導電性領域の光学特性及び電気特性は、実質的に変化せずに残されている。残りのＡｌＧａＡｓ層は、それぞれの外周付近の細い環状領域が酸化されるのみである。
【００６４】
イオン注入や酸化等により画定された導電性領域（例えば３４８）は、メサ３３８と比べると小さい。ＶＣＳＥＬ３００の作動中、レーザ電流は導電性領域に閉じ込められ、ここで非常に高い電流密度に達する。レーザ電流は、この導電性領域から活性領域１０４へと入る。電流の拡散は比較的小さい為、活性領域においても電流密度は非常に高い。この非常に高い電流密度により、ＶＣＳＥＬの電流閾値が低減される。
【００６５】
少なくとも１層の金属層から成る基板側接触層３４０は、基板側ＤＢＲ３３０とは離れた側の基板３０２表面に形成される。遠隔側接触層３４２は、遠隔側ＤＢＲ３３２の露出面上に形成され、光出口ポート３４４が画定されるようにパターニングされる。光出口ポートは、導電性領域３４８と中心が一致している。遠隔側接触層は、少なくとも１層の金属層から構成されるが、金属層と遠隔側ＤＢＲ３３２の接触抵抗を減じる為に更に少なくとも１層の高濃度にドーピングされた半導体層を含むものであっても良い。
【００６６】
図６は、本発明に基づく量子井戸構造を持つ端面発光レーザ（ＥＥＬ）４００を示す図である。ＥＥＬは、基板４０２上にエピタキシャル成長させた活性層１０４を含んでいる。推奨される一実施例においては、基板の半導体材料は単結晶ガリウム砒素である。
【００６７】
上述したように、活性層１０４は基板側クラッド層１１２、量子井戸構造１０６及び遠隔側クラッド層１２０を含んでいる。基板側クラッド層、量子井戸構造及び遠隔側クラッド層は、基板４０２上で順番にエピタキシャル成長させたものである。クラッド層１１２、１２０は、逆の導電型を持つことになるようにドーピングされている。
【００６８】
量子井戸構造１０６は、インジウム組成が０以上であるインジウムガリウム砒素アンチモンを含む量子井戸層材料から成る少なくとも１つの量子井戸層と、対応する数の障壁層とを含んでいる。障壁層の各々は、ガリウム及び燐を含むIII−Ｖ族半導体である、障壁層材料から構成される。障壁層材料は、量子井戸層材料の伝導帯エネルギーレベルよりも高い伝導帯エネルギーレベルと、量子井戸層材料の価電子帯エネルギーレベルよりも低い価電子帯エネルギーレベルを持っている。
【００６９】
一般に、量子井戸層１１６及び障壁層１１４、１１８を形成する際に、量子井戸層材料及び障壁層材料にはドーピングは行われない。量子井戸構造、量子井戸層、及び障壁層に関する詳細は、図３（ａ）、図３（ｂ）及び図４を参照しつつ先に説明している為、これらの要素に関する説明はここでは行わないものとする。
【００７０】
基板側クラッド層１１２、量子井戸構造１０６及び遠隔側クラッド層１２０から成る層構造は、リッジ構造４３８を画定する為に選択的にエッチングされる。リッジ構造は、基板側クラッド層１１２の厚さ全体の途中まで達している。
【００７１】
接触層４４０は、エッチング処理により露出した基板側クラッド層１１２の表面上に設けられている。接触層４４２は、遠隔側クラッド層１２０の表面に設けられている。
【００７２】
このＥＥＬは更に、リッジ構造４３８が更に画定する光共振器の端部である反射性表面を提供する劈開面４５２、４５４を含む。
【００７３】
図７は、ＥＥＬ４００を形成することが出来る層構造５００の一般例を部分的に示す側面図である。図示の例においては、量子井戸構造５０６は、２つの量子井戸層と、３つの障壁層を含む二重量子井戸構造を持っている。ここで説明する例においては、障壁層材料はＩｎＧａＰである。
【００７４】
層構造５００においては、基板４０２は１−０−０（結晶面）のｎ型ＧａＡｓから成る３５０μｍ厚ウエハである。基板のＧａＡｓは、シリコンで２〜４ｘ１０１８原子／ｃｍ−３の範囲でｎ型にドーピングしたものである。
【００７５】
基板上には、５００ｎｍ厚のｎ型ＧａＡｓ緩衝層５６０が形成される。バッファ層のＧａＡｓには、約２ｘ１０１８原子／ｃｍ−３の濃度にシリコンがドーピングされている。
【００７６】
緩衝層５６０の上には、１．２μｍ厚の基板側クラッド層１１２（ｎ型Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓ）が形成される。基板側クラッド層のＡｌＧａＡｓには、約５ｘ１０１７原子／ｃｍ−３の濃度にシリコンがドーピングされている。
【００７７】
基板側クラッド層１１２の上には、３０ｎｍ厚の基板側障壁層１１４（Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ）が形成される。
【００７８】
基板側障壁層１１４の上には、８ｎｍ厚の量子井戸層１１６（ＧａＡｓ０．６５Ｓｂ０．３５）が形成される。
【００７９】
量子井戸層１１６の上には、３０ｎｍ厚の追加障壁層５６２（Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ）が形成される。
【００８０】
追加障壁層５６２の上には、８ｎｍ厚の追加量子井戸層５６４（ＧａＡｓ０．６５Ｓｂ０．３５）が形成される。
【００８１】
追加量子井戸層５６４の上には、３０ｎｍ厚の遠隔側障壁層１１８（Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ）が形成される。
【００８２】
量子井戸構造５０６を構成する層を成長させる間、量子井戸層のＧａＡｓＳｂにも、障壁層のＩｎＧａＰにもドーパントが添加されることはない。
【００８３】
遠隔側障壁層１１８の上には、１．２μｍ厚の遠隔側クラッド層１２０（ｐ型Ａｌ０．４５Ｇａ０．５５Ａｓ）が形成される。遠隔側クラッド層のＡｌＧａＡｓには、炭素が約５ｘ１０１７原子／ｃｍ−３の濃度に添加される。
【００８４】
遠隔側クラッド層１２０の上には２００ｎｍ厚のｐ型ＧａＡｓ接触層５６６が形成される。接触層のＧａＡｓは、炭素が約２ｘ１０１９原子／ｃｍ−３の濃度に添加される。
【００８５】
形成された層は、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）法により成長させたものである。アルミニウム、ガリウム、インジウム、燐、砒素、炭素及びシリコンの先駆物質は従来より周知である。アンチモンの好適な先駆物質としては、トリメチルアンチモン及びトリエチルアンチモンが挙げられる。層のほとんどは、従来の成長温度（即ち５５０℃〜６５０℃）において成膜される。ＡｌＧａＡｓのクラッド層は、約５６０℃〜６００℃で成膜され、ＧａＡｓＳｂの量子井戸層は約４８０℃で成膜される。これらの層は、かわりに分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）または他の好適な処理により成長させることも出来る。
【００８６】
上述した層構造５００においては、燐の組成が約０．２５であるガリウム砒素燐（即ち、ＧａＡｓ１−ａＰａにおいてａ＝０．２５）をＩｎＧａＰのかわりに障壁層として使用しても良い。
【００８７】
上述した層構造５００は、図５に示したＶＣＳＥＬ３００を製作する為の層構造の基盤ともすることが出来る。各々が約９５ｎｍ厚のｎ型ＧａＡｓ層と約１００ｎｍ厚のｎ型ＡｌＧａＡｓとから成る、約２０．５層対から成る基板側ＤＢＲ（図７には描かれていないが、図５における基板側ＤＢＲ３３０に対応する）が緩衝層５６０上に形成される。
【００８８】
その後、基板側クラッド層１１２が基板側ＤＢＲ上に形成され、そしてその上に活性領域５０６及び遠隔側クラッド層１２０が形成される。クラッド層１１２及び１２０と活性領域５０６から成る空洞の厚さがその空洞材料中の量子井戸構造において生成される光波長１つ分に等しくなるように、クラッド層の厚さが設計される。
【００８９】
遠隔側クラッド層１２０が形成された後、各々が約９５ｎｍ厚のｐ型ＧａＡｓ層と約１００ｎｍ厚のｐ型ＡｌＧａＡｓ層とから成る、約１５．５層対を含む遠隔側ＤＢＲ（図７には示していないが、図５に示した遠隔側ＤＢＲ３３２がこれに対応する）が遠隔側クラッド層上に形成される。その後キャップ層５６６が遠隔側ＤＢＲ上に形成される。
【００９０】
基板側、及び遠隔側ＤＢＲの一部を形成するＡｌＧａＡｓ層においては、アルミニウム組成は通常、約０．７５〜０．８５の範囲にある。Ａｌ組成とＡｌＧａＡｓ層厚は、量子井戸領域において生成される光の波長に依存する。ＡｌＧａＡｓ層の少なくとも１つにおけるＡｌ組成を他のＡｌＧａＡｓ層よりも高くすることにより、上述したようにＶＣＳＥＬ中に電流閉じ込め構造を形成することが出来る。
【００９１】
かわりに遠隔側ＤＢＲを、各々が二酸化シリコン等の低屈折率誘電材料の層と窒化シリコン等の高屈折率誘電材料の層から成る、実質的により少ない数の層対で構成することも出来る。この場合、この遠隔側ＤＢＲは非導電性となり、遠隔側クラッド層１２０には電気接触が作られることになる。
【００９２】
上述した層構造５００は、ＩｎＰ基板上にも製作することが可能であり、１．５５μｍ波長範囲で作動するＥＥＬを作ることが可能な層構造を得ることが出来る。
【００９３】
ＩｎＰに基づく層構造５００とした実施例においては、基板４０２は硫黄原子を約２ｘ１８原子／ｃｍ−３の濃度にドーピングしてｎ型としたＩｎＰウエハである。
【００９４】
基板上には２００ｎｍ厚のｎ型ＩｎＰ緩衝層５６０が形成される。緩衝層のＩｎＰは、シリコン又は硫黄を約１ｘ１０１８原子／ｃｍ−３から約２ｘ１０１８原子／ｃｍ−３の範囲でドーピングしたものである。
【００９５】
緩衝層５６０の上には、１．５μｍ厚のＩｎＰ基板側クラッド層１１２が形成される。基板側クラッド層のＩｎＰは、シリコン又は硫黄を約１ｘ１０１８原子／ｃｍ−３の濃度にドーピングしたものである。
【００９６】
基板側クラッド層１１２の上には、放射波長に対応するバンドギャップを持つ、１μｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ基板側閉じ込め層（図示せず）が形成される。
【００９７】
基板側閉じ込め層の上には、３０ｎｍ厚のＩｎ０．８５Ｇａ０．１５Ｐ基板側障壁層１１４が形成される。
【００９８】
基板側障壁層１１４の上には、８ｎｍ厚のＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９量子井戸層１１６が形成される。
【００９９】
量子井戸層１１６の上には、３０ｎｍ厚のＩｎ０．８５Ｇａ０．１５Ｐ追加障壁層５６２が形成される。
【０１００】
追加障壁層５６２の上には、８ｎｍ厚のＧａＡｓ０．５１Ｓｂ０．４９追加量子井戸層５６４が形成される。
【０１０１】
追加量子井戸層５６４の上には、３０ｎｍ厚のＩｎ０．８５Ｇａ０．１５Ｐ遠隔側障壁層１１８が形成される。
【０１０２】
遠隔側障壁層１１８の上には、放射波長に対応するバンドギャップを持つＩｎＧａＡｓＰから成る２μｍ厚の遠隔側閉じ込め層（図示せず）が形成される。
【０１０３】
閉じ込め層（図示せず）及び量子井戸構造５０６を構成する各層の形成過程においては、これらの層の材料にドーパントが添加されることは無い。
【０１０４】
遠隔側閉じ込め層の上には、１．５μｍ厚のｐ型ＩｎＰ遠隔側クラッド層１２０が形成される。遠隔側クラッド層のＩｎＰには、亜鉛が約２ｘ１０１８原子／ｃｍ−３の濃度にドーピングされている。
【０１０５】
遠隔側クラッド層１２０の上には、５０ｎｍ厚のｐ型ＩｎＧａＡｓ接触層５６６が形成される。接触層のＩｎＧａＡｓには、亜鉛が約１ｘ１０１９原子／ｃｍ−３〜２ｘ１０１９原子／ｃｍ−３の範囲でドーピングされている。
【０１０６】
本発明の基づく長波長フォトニクスデバイスには、従来の長波長フォトニクスデバイスと比較して優れた点が複数ある。ＩｎＧａＡｓＳｂ（Ｉｎ≧０）を量子井戸層の材料として用いることに加え、ガリウム及び燐を含有し、量子井戸層材料よりも高い伝導帯エネルギーレベルと量子井戸層材料よりも低い価電子帯エネルギーレベルを持つ障壁層材料から成る障壁層を用いることにより、タイプＩのヘテロ構造を持つ量子井戸構造が提供される。タイプＩヘテロ構造は、高い量子効率と、低い閾値電流をフォトニクスデバイスにもたらし、その波長特性を稼動電流及び温度から実質的に独立したものとする。
【０１０７】
ＧａＡｓを成長させるエピタキシャル成長技術は、ＧａＡｓＳｂ及びＩｎＧａＡｓＳｂの成膜に容易に適用することが出来る。トリメチルアンチモン（ＴＭＳｂ）及びトリエチルアンチモン（ＴＥＳｂ）のような高純度のアンチモン源は、様々な業者から容易に入手することが可能である。これらのアンチモン源は、酸素や湿気といった汚染物質のレベルが非常に低く、従って高純度のＧａＡｓＳｂ及びＩｎＧａＡｓＳｂのエピタキシャル層を形成することが出来る。
【０１０８】
更に、本発明に基づく長波長フォトニクスデバイスにおいては、障壁層材料の組成により、障壁層材料が量子井戸層の量子井戸層材料とＧａＡｓ基板との間の歪力を補償するように構成することが出来る。ＧａＡｓ基板は、最も大型、安価、そして入手が容易であり、全ての化合物半導体基板の中でも、最も多数のウエハ配向が使用可能である。
【０１０９】
本発明に基づく長波長フォトニクスデバイスがＶＣＳＥＬである場合において、上述した活性層をｎ型及びｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓのブラッグ反射器（ＤＢＲ）に使用することが出来る。ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＢＲ技術は、成熟した技術である。低抵抗、低光学損失、及び高反射性を持つＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＢＲの製造技術は、本分野において周知である。更に、ＧａＡｓ基板上に形成したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＢＲは、層構造の成長過程における格子整合の必要性を緩和するものである。これにより、層構造の製造が比較的に容易となる。更に、ＧａＡｓ基板上に作成し、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＢＲを用いた素子において、ウエット及びドライエッチング、平坦化、接触形成、イオン注入、選択的酸化等のプロセスは周知のものである。これらのプロセスは、ＧａＡｓＳｂ量子井戸層を含むデバイス構造の製作においても、容易に拡張して適用することが出来る。
【０１１０】
本開示内容は、実施例を用いて本発明を詳細にわたり説明したものである。しかしながら、本願請求項に定義される本発明は、ここに記載した特定の実施例に限られたものではない。
【０１１１】
本発明を上述の実施形態に即して説明すると、本発明は、ｙ≧０であるＩｎｙＧａ１−ｙＡｓＳｂの量子井戸層材料から成る少なくとも１つの量子井戸層（１１６）と、各々がガリウム及び燐を含有する障壁層材料から成る対応する数の障壁層（１１４、１１８）とを含み、前記障壁層材料が、前記量子井戸層材料の伝導帯エネルギーレベルよりも高い伝導帯エネルギーレベルと、前記量子井戸層材料の価電子帯エネルギーレベルよりも低い価電子帯エネルギーレベルとを持つことを特徴とする活性層（１０６）を含む長波長フォトニクスデバイス（１００）を提供する。
【０１１２】
好ましくは、前記障壁層材料が、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＩｎＧａＡｓＰ及びＡｌＩｎＧａＡｓＰＳｂから成るグループから選択される。
【０１１３】
好ましくは、前記フォトニクスデバイスが、更にＧａＡｓ基板（１０２）を含み、そして前記障壁層材料が、前記少なくとも１つの量子井戸層と前記基板との間の歪力の補償を提供する。
【０１１４】
好ましくは、前記量子井戸層材料のアンチモン組成が、約０．３５とされる。
【０１１５】
好ましくは、更にＩｎＰ基板（１０２）を含むことを特徴とし、そして前記障壁層材料が、前記少なくとも１つの量子井戸層と前記基板との間の歪力の補償を提供する。
【０１１６】
好ましくは、前記量子井戸層材料のＧａＡｓＳｂのアンチモン組成が約０．４９である。
【０１１７】
好ましくは、前記活性層が更にクラッド層（１１２、１２０）を含み、これらの間に前記少なくとも１つの量子井戸層と、前記障壁層が挟まれる。
【０１１８】
好ましくは、前記クラッド層が、ＡｌＧａＡｓ層である。
【０１１９】
好ましくは、１．３μｍ波長範囲で稼動するように構築される。
【０１２０】
好ましくは、１．５５μｍ波長範囲で稼動するように構築される。
【０１２１】
好ましくは、更にミラー層（３３０、３３２）を含み、前記ミラー層の少なくとも１つおきのミラー層が、ＡｌＧａＡｓ層とされる。
【０１２２】
好ましくは、前記ＡｌＧａＡｓ層の少なくとも１つ（３４６）が、電流閉じ込め構造を構成する環状酸化物領域を含む。
【０１２３】
好ましくは、前記ミラー層の少なくとも１つが、ボンディング又は堆積構造を含む。
【０１２４】
好ましくは、前記ミラー層の少なくとも１つが、酸化領域を含む。
【０１２５】
好ましくは、前記障壁層材料が、前記量子井戸層材料のバルク格子定数よりも小さいバルク格子定数を持っている。
【０１２６】
好ましくは、前記量子井戸層材料のインジウムの組成がゼロよりも大きく、前記障壁層材料がＡｌＩｎＧａＡｓＰＳｂを含む。
【０１２７】
好ましくは、前記障壁層材料がＧａＡｓ１−ａＰａを含み、ここでａが、それ未満では前記障壁層材料の伝導帯エネルギーレベルが前記量子井戸層材料の伝導帯エネルギーレベルを超えないレベルよりも大きく、それよりも上では間接再結合が生じることになるレベルよりも小さい。
【０１２８】
好ましくは、約１．３μｍの光を放射することを特徴とするフォトニクスデバイスであって、前記障壁層材料がＩｎｙＧａ１−ｙＰを含み、ここで約０．２５≦ｙ≦約０．７５である。
【０１２９】
好ましくは、約１．５５μｍの光を放射することを特徴とするフォトニクスデバイスであって、前記障壁層材料がＩｎｙＧａ１−ｙＰを含み、ここで約０．２５≦ｙ≦約０．８５である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のタイプIIヘテロ構造を有する活性領域のエネルギーバンド図である。
【図２】従来のタイプＩヘテロ構造を有する活性領域のエネルギーバンド図である。
【図３】（ａ）は、本発明に基づくフォトニクスデバイスの実施例を部分的に示す概略側面図であり、（ｂ）は（ａ）に示した活性領域のエネルギーバンド図である。
【図４】ＧａＡｓＳｂ、ＧａＡｓ及びＩｎＧａＰの伝導帯及び価電子帯のエネルギーレベルを示すエネルギーバンド図である。
【図５】本発明に基づくフォトニクスデバイスが垂直共振器面発光レーザである場合の一実施例を示す側面図である。
【図６】本発明に基づくフォトニクスデバイスが端面発光レーザである場合の一実施例を示す等距離図である。
【図７】本発明に基づくフォトニクスデバイスの一実施例として、端面発光レーザを構成することが可能な層構造例を部分的に示す側面図である。
【符号の説明】
１００  フォトニクスデバイス
１０２  基板
１０６  活性層
１１２、１２０  クラッド層
１１４、１１８  障壁層
１１６  量子井戸層
３３０、３３２  ミラー層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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