(57)【要約】【課題】  オプト−エレクトロニクス応用のために改善された量子ドット構造の提供。【解決手段】  光学的ゲインを提供するための半導体活性領域は、２つの障壁層（２９０，２９５）の間に配置され且つ井戸膜厚を持つ実質的プレーナ井戸層を持つ量子井戸（２８０，２８５）と、前記量子井戸内に埋め込まれた複数の量子ドット（２０５）であって、各量子ドットは、前記井戸膜厚よりも薄い厚みを持ち、且つ前記プレーナ井戸層に平行な面における長さ対幅の比が少なくともほぼ３であるものとを具備する。【選択図】  図２
2007116200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的ゲインを提供するための半導体活性領域であって、
２つの障壁層の間に配置され且つ井戸膜厚を持つ実質的プレーナ井戸層を持つ量子井戸と、
前記量子井戸内に埋め込まれた複数の量子ドットであって、各量子ドットは、前記井戸膜厚よりも薄い厚みを持ち、且つ前記プレーナ井戸層に平行な面における長さ対幅の比が少なくとも３であるものと
を具備することを特徴とする半導体活性領域。
【請求項２】
前記複数の量子ドットは、連続する不均相系広がりの光学的ゲインスペクトルを形成するように選定された平均的サイズに関してサイズ分布を持つ請求項１に記載の半導体活性領域。
【請求項３】
前記量子ドットの平均的サイズは、基底状態の光遷移エネルギ値の３０ｍｅＶ以内である関連する光遷移エネルギ値を持つ第１の励起量子状態を含むように選定される請求項２に記載の半導体活性領域。
【請求項４】
前記量子ドットの平均的サイズは、基底状態の光遷移エネルギ値の２０ｍｅＶ以内である第１の励起量子状態を含むように選定される請求項２に記載の半導体活性領域。
【請求項５】
前記量子井戸は歪まされているものである請求項１に記載の半導体活性領域。
【請求項６】
前記量子ドットは、半導体量子井戸よりもより大きく緩和された格子定数を持つ半導体で構成され、
更に、前記量子ドットに近接して少なくとも１つのテンシル歪み層を具備する請求項１に記載の半導体活性領域。
【請求項７】
光閉じ込めを提供する光導波路手段と、
１５０ナノメータより大きな波長範囲にわたって光学的ゲインを提供するように選定されたエネルギ準位を備えた一連の量子閉じ込めエネルギ状態を持つ量子ドット手段と、
前記量子ドット手段に対する注入電流のキャリア閉じ込めを提供する量子井戸手段と
を具備する半導体レーザ。
【請求項８】
第１の端部と離された第２の端部とを持つ第１の光キャビティと、
前記第１の光キャビティ内に配置された半導体活性領域であって、量子井戸内に埋め込まれた複数の量子ドットを持つと共に、該量子ドットは連続的な光学的ゲインスペクトルを形成するように選定された一連の量子閉じ込めエネルギ状態及びサイズ分布を持つものと、
前記第１の光キャビティの前記第１の端部に光を反射する第１の反射器と、
前記第１の光キャビティの前記第２の端部に選択された波長の光を反射する光学的要素を含む外部の光キャビティと
を具備するチューニング可能なレーザ。
【請求項９】
前記量子ドットの特性が１５０ナノメータより大きなチューニング範囲を達成するように選定されることを特徴とする請求項８に記載のチューニング可能なレーザ。
【請求項１０】
前記量子ドットの特性が最小波長の１０％より大きなチューニング範囲を達成するように選定されることを特徴とする請求項８に記載のチューニング可能なレーザ。
【請求項１１】
前記量子ドットは、関連する第１の光遷移エネルギ値を持つ基底状態と、関連する第２の光遷移エネルギ値を持つ第１の励起状態とを有し、前記第２の光遷移エネルギ値は前記第１の光遷移エネルギ値より３０ｍｅＶ大きい値よりも大きくないことを特徴とする請求項８に記載のチューニング可能なレーザ。
【請求項１２】
第１の端部と離された第２の端部とを持つ第１の光キャビティと、
前記第１の光キャビティ内に配置された量子ドット活性領域手段であって、１５０ナノメータより大きな波長範囲にわたる光学的ゲインを提供するように選定された得るエネルギ準位を備えた一連の量子閉じ込めエネルギ状態を持つものと、
前記第１の光キャビティの前記第１の端部に光を反射する第１の反射器と、
前記第１の光キャビティの前記第２の端部に選択された波長の光を反射する光学的要素を含む外部の光キャビティと
を具備するチューニング可能なレーザ。
【請求項１３】
基板と、
基板上に形成された、光クラッド層と活性領域とを含む半導体レーザ層構造であって、該活性領域は、量子井戸内に埋め込まれた複数の量子ドットを持つ少なくとも１つのセクション内に配置された半導体活性領域であり、該量子ドットは、連続的な光学的ゲインスペクトルを形成するように選定された一連の量子閉じ込めエネルギ状態及びサイズ分布を持つものと、
前記レーザ層構造上に形成された複数のレーザであって、該複数のレーザの各々が、少なくとも１５０ナノメータのレーザ波長範囲でその動作波長を調整するように配置されたブラッグ回折格子を有するものと、
を具備するレーザのモノリシック・マルチ波長アレイ。
【請求項１４】
前記ドットは、関連する第１の光遷移エネルギ値を持つ飽和可能な基底状態と、関連する第２の光遷移エネルギ値を持つ第１の励起状態とを有し、前記第２の光遷移エネルギ値は前記第１の光遷移エネルギ値より３０ｍｅＶ大きい値よりも大きくないものであることを特徴とする請求項１３に記載のアレイ。
【請求項１５】
基板と、
該基板上に配置され、１５０ナノメータより大きな波長範囲にわたって光学的ゲインスペクトルを提供するための量子ドット活性領域手段と、
前記量子ドット活性領域手段においてキャリアを閉じ込めるための量子井戸手段と、
前記量子ドット活性領域手段上に形成された複数のレーザであって、該複数のレーザの各々が、レーザに光学的フィードバックを提供するように配置された、関連する格子周期を持つブラッグ（Bragg）回折格子を有するものと、
を具備するレーザのモノリシック・マルチ波長アレイ。
【請求項１６】
ＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸内に埋め込まれる自己集合化されたＩｎＧａＡｓ量子ダッシュを成長させる方法であって、
ＩｎＰ基板上に第１のＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層を成長させることと、
該第１のＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層上に底部ＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層を成長させることと、
前記基板よりも少なくとも１．８％より多く緩和された格子定数を持つＩｎＧａＡｓにて前記底部ＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層上にＩｎＧａＡｓを成長させることであって、このＩｎＧａＡｓの成長条件が、長さ対幅の比が少なくとも３にて、厚みと長さと幅とを持つ島になるように、形成配置されるＩｎＧａＡｓの再分布を動的に奨励するように選択されるものと、
ＡｌＧａＩｎＡｓの量子井戸内に前記島を埋め込むように選択された成長条件の下で、頂部ＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層を成長させることと、
前記頂部ＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層上に第２のＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層を成長させることと
を具備し、前記量子井戸の禁制帯エネルギが前記ＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層と前記ＩｎＧａＡｓ島の中間となるようにしたことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府によってスポンサーされた研究及び開発に関する表明
米国政府は、次の許可の下に行われた研究に従って、この発明において確かな権利を有するかもしれない。空軍科学研究局によって付与された許可番号Ｆ４９６２０−９５−１−０５３０、陸軍研究所によって付与された許可番号ＤＡＡＬ０１−９６−０２−０００１、空軍科学研究局によって付与された許可番号Ｆ４９２０−９９−１−３３０、防衛進展研究プロジェクトエージェンシーによって付与された許可番号ＭＤＡ９７２−９８−１−０００２。
関  連  出  願
【０００２】
この出願は、米国法３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．第１１９（ｅ）条に基づき、次の米国特許出願に従う優先権を主張する。２０００年９月２２日に出願された「自己組織化された量子ダッシュ成長及び秩序づけられた量子ダッシュ成長並びにこれらの構造から形成された半導体レーザ及びトランジスタ」と題する米国特許出願第６０／２３４，３４４号、２０００年１０月６日に出願された「低しきい注入電流によるブロードバンド連続チューニング可能な波長量子ドットおよび量子ダッシュ半導体レーザ」と題する米国特許出願第６０／２３８，０３０号、２０００年１１月２１日に出願された「波長分割多重化（ＷＤＭ）用の量子ドットおよび量子ダッシュ半導体レーザ」と題する米国特許出願第６０／２５２，０８４号、２００１年３月１６日に出願された「最適化されたろ過済み量子井戸における量子ドットに基づく量子ドットレーザ活性領域」と題する米国特許出願第６０／２７６，１８６号、２００１年３月２日に出願された「縦型共振器両面発射レーザにおける量子ドット活性領域を利用するための技術」と題する米国特許出願第６０／２７２，３０７号、および、２００１年８月３１日に出願された「量子ドットおよび量子ダッシュ活性領域デバイス」と題する代理人整理番号２２９２０−０６３２２号に係る米国特許出願（本出願時において出願番号は米国特許商標庁から未受領）。すべての上記出願の内容は本出願において参考として組み込まれている。
発  明  の  背  景
１．  発明の分野
【０００３】
本発明は、概ね、自己集合化（self-assembled）された半導体量子ドットデバイスに関する。更に詳しくは、本発明は、光電子（オプト−エレクトロニクス）デバイスに使用される自己集合化された量子ドットデバイスに関する。
２．  背景技術の説明
【背景技術】
【０００４】
量子ドット及び量子細線（quantum wire）半導体構造は、多様な電子的及び光電子的装置の応用にとって興味深いものがある。半導体量子ドットは、三次元での電子及び正孔の量子閉込めを提供するエネルギー障壁を持つ構造である。半導体量子細線は、二次元に沿う電子及び正孔の量子閉込めを提供するエネルギ障壁を持つ構造である。
【０００５】
理論的研究によれば、量子ドット及び量子細線レーザは、従来の量子井戸レーザに対して多くの潜在的な性能利点を持つことを示している。第１に、量子ドット又は量子細線レーザは、量子井戸レーザに比べて、より低いフィル・ファクタ（fill factor；注入されるべき物質の体積）を持ち、また、改良された状態密度関数を持つ。図１を参照すると、理論的な状態密度関数は、キャリアの次元性が減るにつれて、鋭くなる。図１Ａは、バルク物質の理論的な状態密度関数を示し、それはエネルギの平方根を持つ。図１Ｂは、量子井戸（一次元の量子閉込め）の理論的な状態密度関数を示し、それは量子井戸の各エネルギ準位毎に段階的に増加する。図１Ｃは、量子細線（二次元の量子閉込め）の理論的な状態密度関数を示す。図１Ｄは、量子ドット（三次元の量子閉込め）の理論的な状態密度関数を示し、それはデルタのような状態密度関数（例えば量子ドットでのみ利用可能な有限個数の状態）を持つ。理論的計算は、物質のより小さな体積と減少された状態数の故に、量子ドットの活性領域を使用することにより、半導体レーザのしきい電流が改善されるであろうことを示している。
【０００６】
１．３乃至１．６ミクロンの波長範囲の光を発光する量子細線及び量子ドットレーザは、ファイバー光通信システムにとって特に利益がある。一般に、ＩｎＧａＡｓＰ（インジウムガリウム砒素リン）は、長い波長の量子井戸レーザを製造するために使用される。ＩｎＧａＡｓＰにおいて量子ドットを製造するための従来の手法は、ＩｎＧａＡｓＰ量子ドットをパターン化して埋め込むためのエッチングと再成長技術を含む。残念ながら、量子ドット及び量子細線レーザを製造するための従来の手法による欠点は、量子ドットの商業応用、特に１．３乃至１．６ミクロンの波長範囲の発光、に限界があることである。量子ドット及び量子細線レーザの製造における１つの潜在的な問題は、有害な非放射界面組み換えである。量子ドット及び量子細線は大きな表面対体積比を持ち、これは特に界面欠陥に対して敏感にする。加えて、量子ドット及び量子細線の活性領域の小さなフィル・ファクタは、重大な電流漏れを引き起こす。すなわち重要な微量のレーザ駆動電流が、量子ドット又は量子細線に注入されず、及び又は熱イオン発光により量子構造から使い尽くされる。
【０００７】
従来の量子ドットレーザ製造方法の欠点は、しきい電流を理論上の限界値よりもかなり大きくしてしまう。加えて、これらの同じ欠点が、広い波長範囲にわたるレーザ発光が可能な半導体活性領域を形成するのを困難にする。従来の量子井戸レーザにおいては、ゲインスペクトルのピークは、量子井戸におけるキャリア密度が増大するにつれて、より短い波長へとシフトする。これは、しきいゲインレベルを調整することにより、外部キャビティ（cavity；共振器）レーザにおいてほぼ３０乃至７５ナノメータのチューニング範囲を可能にする。同様に従来の量子井戸レーザは、キャリア密度でゲインスペクトルのシフトを持ち、温度調整された分布フィードバックレーザにおいて、ほぼ１０ナノメータの調整レンジを可能にする。しかし、量子ドットレーザにおいては、非放射界面組み換えと電流漏れは、高いゲインレベルでそれに対応してより大きくなる擬似フェルミ準位が高い比率の漏れ電流と実質的な非放射界面組み換えを引き起こすために、高いしきいゲインを持つ量子ドットレーザにとって特に深刻な問題をもたらす。これらの有害な効果は、量子ドットレーザ構造を大きな波長範囲にわたって使用できるようにすることを限界づけてしまう。
【発明の開示】
【０００８】
かくして、光電子（オプト−エレクトロニクス）応用のために改善された量子ドット構造を提供することが、望まれている。
【０００９】
量子ドット活性領域の光電子装置（オプト−エレクトロニクス・デバイス）が開示される。この量子ドット活性領域を有するデバイス（装置）は、一連の量子閉じ込めエネルギ状態とドットサイズ分布とを持ち、延長された波長範囲にわたって連続的な光学的ゲインスペクトルを形成することを容易にする。一実施例において、量子ドットは、自己集合化（self-assembled）された量子ドットであり、成長面の一方向に長く形成される。好ましい実施例において、量子ドットの平均的な長さは少なくともその幅の３倍である。ドットサイズの分布は、好ましくは、不均相系のゲイン広がり（inhomogenous gain broadening）が、均相系のゲイン広がり（homogenous gain broadening）に対して少なくとも比較可能なように、選択される。一実施例において、平均的なドットサイズは、第１の励起量子閉じ込め状態に関連する光遷移エネルギ値が、基底状態に関連する光遷移エネルギ値よりも大きい３０ｍｅＶ（ミリ電子ボルト）よりも小さいように、選択される。この量子ドット活性領域は、波長チューニング可能なレーザ及びモノリシック・マルチ波長レーザアレイのような、広汎な光ゲインスペクトルで利益を得る、多様な光電子装置（オプト−エレクトロニクス・デバイス）で利用されてよい。
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【００３０】
【００３１】
【００３２】
【００３３】
【００３４】
【００３５】
【００３６】
【００３７】
【００３８】
【００３９】
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
本発明は、光増幅器、固定レーザ、チューニング可能レーザ、レーザのモノリシック・アレイなどのような光電子装置（オプト−エレクトロニクス・デバイス）で使用するための量子ドットの構成に関するものであり、勿論、この量子ドットはその他種々の用途にも使用しうるものである。一実施例においては、この量子ドットは、自己集合化された量子閉じ込めナノ構造（self-assembled quantum confined nanostructure）であり、本発明者らは、これを「量子ダッシュ」（quantum dash）と称する。図２の図２Ａは、量子ダッシュのコア領域の規模を図解する斜視図である。図２Ａに示すように、量子ダッシュ２０５は、平均的な高さｈ、幅ｗ、長さｌを持つ引き延ばされた（細長い）量子ドットである。一実施例において、量子ダッシュの３つの各寸法（ｈ，ｗ，ｌ）は、室温熱のド・ブローイ波長よりも小さくなるように選択される。一般的に言うと、量子ダッシュのコア領域は、半導体基板２１０上に形成されたコア領域２０５−Ａ及び２０５−Ｂのように、離隔された複数の台で構成される。しかし、この量子ダッシュのコア領域は、引き延ばされた台以外の形状の量子ドット分布を含んでいてもよいことが理解される。図２Ｂの側面図に示されるように、典型的には、下部層２１５が基板２１０の上に最初に形成される。量子ダッシュ２０５は埋込層２２０に埋め込まれる。歪補償層２２５のような付加的な層が成長されるようになっていてもよい。図２Ｃの側面図に示されるように、量子ダッシュ２０５は、底部障壁層２９０と、第１及び第２の量子井戸層２８０，２８５と、頂部障壁層２９５とを具える量子井戸の中に形成されてもよい。層の物質的組成は、有害なミスフィット転位の形成を避けるために、厚膜層の格子不整合が格子整合又は格子整合に近いものとされる（例えば転位形成のための臨界膜厚よりも小さい）ように好ましくは選定される。しかし、量子ダッシュ及び個々の層はスードモルフィック（pseudomorphic）歪層であってもよいことが理解されるであろう。
【００４１】
再び図２Ａを参照すると、量子ダッシュ２０５のコア領域の高さは、成長方向に対応するｚ軸方向に沿って、基板２１０の平面に垂直の方向で測定される。従って、高さｈは、その他の成長層の膜厚に関する厚さとしても言及される（例えば、ｚ軸に沿う成長層は成長膜厚で一般的に記述される）。長さ及び幅は成長面（即ち基板に平行な面）に平行な方向で測定される。一実施例として、高さの典型的な値は、大体２乃至１２ナノメータ（以下、ｎｍで示す）の範囲内である。各量子ダッシュの高さｈは、好ましくはその幅と同じかそれ以下である（例えば幅の典型的な値は１０乃至３０ｎｍの範囲内である）。或る光デバイスの実施例において、ダッシュの長さ対幅の比の平均的な値は、量子ダッシュが、室温で飽和する基底状態エネルギ準位を持ち、かつ、高く広汎な光ゲインスペクトルを形成することを容易にするエネルギ準位分離を持つ一連の励起状態を持つように、適切に選定される。一実施例において、量子ダッシュの長さ対幅の比の平均的な値は、３対１乃至２０対１の範囲内である。更に以下詳しく述べるように、量子ダッシュは量子ドットと量子細線の両者の望ましい特質のいくつか、様々な電子的及び光学的デバイスにおいてこれらを有用にする特質、を持つ。
【００４２】
好ましい実施例において、量子ダッシュは、III−Ｖ族化合物半導体物質システムにおいて、自己集合化（self-assembled）構造（これは、ときには「自己組織化（self-organized）構造」としても知られている）として製造される。III−Ｖ族化合物半導体物質システムにおいて、III族の元素はＡｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）またはＩｎ（インジウム）で構成され、Ｖ族の元素はＮ（窒素）、Ｐ（リン）、Ａｓ（砒素）またはＳｂ（アンチモン）の少なくとも１つで構成される。異なるIII−Ｖ族化合物の格子定数と禁制帯エネルギとの関係は、本発明が様々なIII−Ｖ族半導体合金合成を用いて実施できると理解されるように、この技術分野ではよく知られている。ＧａＡｓとＩｎＰは、最も一般的に使用されるIII−Ｖ族化合物半導体の基板であるが、その他のタイプの基板も同様に使用してよい。自己集合化されたナノ構造物は、より低い格子定数の物質の上でのより高い格子定数の物質の成長に応じて島成長を奨励するというような、十分な表面運動反応（例えば、表面アドアトム又は分子マイグレーション）を持つ様々な結晶成長技術を使用して製造してよい。そのような成長技術としては、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）や、ガスソースＭＢＥ（ＧＳＭＢＥ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）などが含まれる。従来の量子ドットの島成長は、典型的には、幅の２倍以下の長さを持つドットの形である。加えて、或る環境下では、自己集合化された量子細線ナノ構造を形成する。例えば、１９９８年１１月発行のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．（Applied Physics Letter）第７３巻２０号２９３２頁〜２９３４頁の「ＩｎＰ（００１）上に成長したＩｎＡｓナノ構造の特質についてのバッファ表面モフォロジーの役割と合金特性」（J. Brualt氏他著）を参照のこと。自己集合化細線構造は、好ましい結晶方向に沿う成長速度に影響を及ぼす結晶方位依存表面拡散と結晶方位依存段差エッジに帰する。しかし、本発明の好ましい実施例に従うと、成長条件は、連続的な量子細線でなくかつ長さ対幅の比が少なくとも３の延長された量子ドットの中間的結果を達成するように、選定される。
【００４３】
図３の図３Ａ〜３Ｃは、自己集合化された量子ダッシュの製造についてのいくつかの観点を図解するものである。図３Ａを参照すると、ＡｌＧａＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰの層のような、第１の禁制帯エネルギを持つ実質的にプレーナのIII−Ｖ族化合物半導体支持層３１０が成長される。この支持層は、基板（例えば（１００）ＩｎＰ基板）の上に、または該基板上に前もって成長させられたその他の層の上に、成長されるようになっていてよい。更に以下詳述するように、一実施例において、支持層は、下部障壁層３０８、導波路層３０６及びクラッド層３０４の上に成長された量子井戸の第１の部分である。一実施例において、支持層の成長パラメータは平均的な表面粗さが０．３ｎｍより小さくなるように選定される。
【００４４】
図３Ｂを参照すると、下部層（例えばＡｌＧａＩｎＡｓの上に成長させたＩｎＡｓ層）よりも緩和された格子定数を持つ、第２のより低い禁制帯の化合物半導体をデポジションする間に、自己集合化された島３２０を形成するように、成長パラメータが選定される。特に、より低い禁制帯の半導体の格子間不整合が、下部半導体層よりも少なくとも約１．８％大きくしてストランスキ−クラスタノウ（Stranski-Krastanow）成長モード（Ｓ−Ｋ成長モード）を生成するように、好ましく選定される。Ｓ−Ｋ成長モードでは、島を形成する駆動力は、弾性変形によって付与された歪エネルギにおける減少である。すなわち、Ｓ−Ｋ成長モードにとって、転位発生による緩和する歪みによるものよりも、島により表面エネルギを増加させることの方がより一層エネルギッシュに有利である。Ｓ−Ｋ成長モードにおいて、この成長は、より大きな格子定数の物質の臨界膜厚が初期のウエット層上に成長された後に、三次元的になされる。従来のＳ−Ｋ成長においては、ドット形状の島が、長さ対幅の比が典型的には大体１対１乃至２対１の間をとるように、形成される傾向にある。本発明の好ましい実施例では、基板方位、下部層の組成及び表面運動に影響を及ぼす成長要因（例えば成長速度及び温度）が、複数のドット状の島が合体して平均的な長さ対幅の比が少なくとも３対１の引き延ばされた島が出来るのを奨励するように選定される。更に以下詳述するように、成長パラメータの適切な選定は、量子ダッシュの高さ及び長さ対幅比にわたって制御することを可能にする。
【００４５】
図３Ｂに示すように、禁制帯の低い半導体の各島３２０が引き延ばされた（細長い）量子ドットであり、名目的な高さと幅及び長さを持つ。島は好ましい結晶方位に沿って配列されるようになる。残留ウエット層３２５が井戸部分３１０の表面に残っていてもよい。自己集合化された島が形成された後、それらは第３のより高い禁制帯の物質３３０（例えばＡｌＧａＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰの層）の中に埋め込まれ、図３Ｃに示すように量子ダッシュを形成する。埋込処理の間での、相互拡散、位相偏析及びスピノーダル分解は、量子ダッシュの形と組成に影響するので、考慮にいれる必要がある、ということが理解されるであろう。一実施例において、量子ダッシュは第２の井戸部分３３０内に埋め込まれ、第２の障壁層３３５、導波路層３４０、クラッド層３４５及び保護膜層３５０がこれに続く。こうして、各量子ダッシュは、その全面がより高い禁制帯の物質で囲まれた、より低い禁制帯の物質の細長い島からなる。島形成処理の繰り返しによって必要ならば、プレーナ表面が一旦復元され、追加の量子ダッシュが形成されるようにしてよいことが理解されるであろう。
【００４６】
量子ダッシュを製作するのに好ましいエピタキシャル成長技術はＭＢＥであるが、その他のエピタキシャル成長技術を用いてもよいことが理解されるであろう。一実施例においては、自己集合化された量子ダッシュは、（１００）方位のＩｎＰ基板の上に成長させられたＡｌＧａＩｎＡｓ支持層の上に形成するＩｎＡｓの島である。ＩｎＰ基板は、８ｘ１０-6Ａｓ2ミリバール（ｍｂａｒ）のビーム等価圧（ＢＥＰ）の下で摂氏５２０度まで基板を加熱することによって、成長に先行して超高真空で適切に浄化される。一実施例においては、それから、少なくとも数１０ｎｍの厚さのＡｌＧａＩｎＡｓの４基元素からなる支持層が、ＩｎＰ基板の上に成長される。ＡｌＧａＩｎＡｓの成長温度は、光学的デバイス用としては好ましくは摂氏４５０度乃至５５０度の範囲である。Ａｓ2ＢＥＰは、好ましくは６ｘ１０-6乃至１．５ｘ１０-5ｍｂａｒの間である。一実施例においては、ＡｌＧａＩｎＡｓ層は、ＩｎＰ基板に対して密接に格子整合化される。好ましい実施例において、ＩｎとＡｓ2のフラックスは、ＩｎＡｓの２乃至７単原子層の等価的膜厚に成長するように選定される。成長温度は、高品質なＩｎＡｓに成長するように適切に選定される。一実施例において、ＩｎＡｓの成長温度もまた摂氏４５０度乃至５５０度の範囲内である。これらの成長条件のために、細長い島が、ＡｌＧａＩｎＡｓの上に、成長温度と成長速度と等価的膜厚に依存する幅と長さの分布を持って形成される。量子ダッシュの高さは、等価的膜厚と成長温度に依存して、約２乃至１０ナノメータの範囲で変化する。この量子ダッシュは、＜０１１＞結晶方位に沿って長く延びる。ＩｎＡｓの低いカバー範囲は、各ダッシュの平均的長さを増加させる傾向がある。加えて、成長温度の増加はドットサイズのより均一な分布をもたらす傾向がある。逆に言えば、成長速度の増加はダッシュサイズの均一性を減少させる傾向がある。
【００４７】
図４は、（１００）ＩｎＰ基板に対して密集して格子整合化されたＡｌＧａＩｎＡｓプレーナ層上に形成されたＩｎＡｓ島の保護膜を外したイメージを示す原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）イメージ図である。図４に示す試料の構造は、上述したのと同様の分子ビームエピタキシャル成長法の条件を使用して成長させたものである。Ｘ及びＹ次元に沿うイメージのスケールは、それぞれ０．２５ミクロン及び０．３ミクロンである。実験上の測定は、約３００ナノメータの典型的な量子ダッシュ長と、約２５ナノメータの典型的な量子ダッシュ幅と、５ナノメータの典型的な量子ダッシュ高さ、を示している。しかし、島３２０は、形成されたＩｎＡｓ島の平均的な長さと幅と高さを参照するのがより一層適切であるように、相互に関しての長さと幅と高さの統計的分布を持つことが判るであろう。また、形状の分布についても同様のことが言えることが理解出来る。
【００４８】
既に述べたように、量子ダッシュは量子井戸内に埋め込まれていてもよい。量子井戸層の組成は、基板に対して格子整合化されるように、またはミスフィット転位の発生のための臨界膜厚にまで歪むように、選定されてよい。図４を参照すると、成長された島は、高さにおいて重要な変化を持つ。量子井戸内に埋め込まれた量子ダッシュのためには、この島は量子井戸内に完全に埋め込まれるべきであることが望ましい。ダッシュが井戸内に完全に埋め込まれるようにするために使用できる技術がいくつかある。図５の側面図を参照すると、一実施例において量子ダッシュ５２０は、ｄ１の厚みの下部量子井戸層５１０とｄ２の厚み（ただし、ｄ２＞ｄ１）の上部量子井戸層５３０との間に埋め込まれる。量子井戸層は、該量子井戸層よりも大きな禁制帯エネルギを持つ頂部及び底部障壁層５０８，５３５の間に配置される。上部量子井戸層の膜厚をＩｎＡｓ島の最大高さよりも厚くなるように選定することは、量子ダッシュの高さの変化にかかわらず全ての量子ダッシュの埋込を容易にする。図６は、量子ダッシュを整えるために成長パラメータを調整するようにした実施例の側面図である。この実施例において、成長された頂部量子井戸層にてＩｎＡｓ量子ダッシュが成長される。頂部量子井戸層の膜厚は成長したＩｎＡｓ島の高さよりも小さいように選定される。この実施例において、昇温脱離（蒸着）ステップが、量子井戸層５３０の成長の後にＩｎＡｓダッシュの覆われていない部分（想像線で示す）を取り除くために、実行され、それによりダッシュの高さが整えられる。
【００４９】
量子ダッシュは、光増幅器やレーザのような光ゲインを必要とする様々なオプト−エレクトロニクス・デバイスの活性領域において含まれるようにするとよい。特に、量子ダッシュは、光閉じ込めを提供する光導波路構造を含むｐ−ｉ−ｎレーザダイオード構造の活性領域に含まれていてもよい。レーザ構造は、第１のドーピング極性を持って成長された底部光クラッド層と、第１のアンドープされた導波路コア層と、量子ダッシュ活性領域と、第２のアンドープされた導波路コア層と、第２のドーピング極性を持つ頂部光クラッド層とを具える。
【００５０】
図７Ａと７Ｂは、量子ダッシュレーザの成長シーケンスを図解する図である。ｎ型ＡｌＩｎＡｓ光クラッド層７０５はｎ型ＩｎＰ基板７０２に対して格子整合されて成長される。一実施例において、傾斜（graded）界面層７０４が電気抵抗を減少するために含まれる。それから、１．０３ｅＶに対応するエネルギ禁制帯を持つ第１のＡｌＧａＩｎＡｓ導波路層７１０が成長される。ＡｌＧａＩｎＡｓ導波路層は好ましくは約１００ｎｍ乃至５００ｎｍの間の膜厚を持つ。それから、第１のＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸障壁層７１５が１．０３ｅＶのエネルギ禁制帯を持って成長される。一実施例において、この障壁層は約１５ｎｍの膜厚のＡｌ0.18Ｇａ0.32Ｉｎ0.5Ａｓ層である。一実施例において、第１の量子井戸層は、０．９５ｅＶの半導体エネルギ禁制帯を持つＡｌ0.2Ｇａ0.15Ｉｎ0.65Ａｓの１．２ｎｍ層からなる。それから、予め選定された名目的な厚みのＩｎＡｓ層が、島を形成するために十分な数のＩｎＡｓの単原子層を持って成長される。名目的なＩｎＡｓ層の厚みは０．９ｎｍである。量子ダッシュの長さ、幅、高さの平均的寸法は、摂氏５２０度の成長温度でＡＦＭで測定されたところによると、それぞれ３００ｎｍ、２５ｎｍ、５ｎｍである。その後、第２の量子井戸層７３０が成長されて、島を埋め込む。一実施例において、第２の量子井戸層は、１．２ミクロンの波長に対応する半導体エネルギ禁制帯を持つＡｌ0.2Ｇａ0.15Ｉｎ0.65Ａｓの６．３ｎｍ層からなる。それから、第２の障壁層７３５が成長される。一実施例において、第２の障壁層は、１５ｎｍのＡｌ0.18Ｇａ0.32Ｉｎ0.5Ａｓ層である。埋め込まれた量子ダッシュの層が、層７１５，７２０，７２５，７３０，７３５の成長シーケンスを、所望のサイクル数だけ（例えば１回、３回、５回または１０回）繰返すことで、多層的に形成されてよい。一実施例において、層７１５，７２０，７２５，７３０，７３５のシーケンスが５回繰り返される。Ａｌ0.2Ｇａ0.15Ｉｎ0.65Ａｓ層のような第２の導波路層７４０がそれから成長されてよい。Ａｌ0.48Ｉｎ0.52Ａｓのｐ型光クラッド層７４５がそれから成長される。それから、高度にｐドープされた保護膜層７５０が、ダイオードレーザ構造に対して高品質なオーミック・コンタクトを形成し易いように成長されてよい。傾斜組成ｐ型層７４８が、さらに接触抵抗を減らすために含まれていてよい。
【００５１】
光クラッド層７０５、７４５及び導波路層７１０、７４０の屈折率は、その物質から形成されたキャビティ（共振器）レーザにおいて意義有る光閉じ込めを達成するように好ましく選定される。光クラッドと導波路の組成及び膜厚を選択するための実験上及び理論的な技術は、この技術分野では周知である。
【００５２】
一般的に言うと、量子井戸レーザ及び／又は量子井戸障壁の組成は、量子ダッシュの歪みを部分的に又は全体的に補償するために、選択されてよく、それにより、もし複数のひずんだ量子ダッシュ層が成長されたならば別に起こったかもしれない転位を形成する傾向を減少する。なお、この例における量子井戸障壁の組成は量子ダッシュ及び量子井戸の歪みを部分的に補償するように選択される。この実施例において、各量子井戸は圧縮的に歪んだ量子井戸であり、ＡｌＧａＩｎＡｓ障壁はテンシル歪み障壁である。量子ダッシュ活性領域は、好ましくはスードモルフィックに歪んだ活性領域である。
【００５３】
本発明の量子ダッシュは、半導体レーザや光増幅器で使用して利益をもたらすいくつかの特徴を持つ。第１に、電子と正孔の電気的閉じ込めが、比較的高い注入レベルであっても、高いことである。この１つの理由は、量子ダッシュのより大きな体積とより高いパッキング効率の故に、量子ダッシュのフィルファクタ（ダッシュによって占められる領域部分）を、従来の釣り合った量子ドットに比べて比較的高くできる（例えば２０％）ことによる。量子ダッシュのフィルファクタは典型的には、同等の物質系において成長された量子ドットのものの２倍である。量子ダッシュが半導体Ｐ−Ｎレーザダイオード接合の活性領域に位置させられるとき、高いフィルファクタは電子と正孔の獲得を改良する傾向にある。これは、高いフィルファクタは、活性領域内に注入された電子と正孔が量子ダッシュ層内に入り再結合することを統計的に増大させるからである。
【００５４】
キャリア閉じ込めを改良するもう１つの特徴は、高い電気的品質の界面を持つ量子井戸内に各量子ダッシュを形成していることである。図７Ａの実施例では、クラッド層が約１．２７ｅＶの禁制帯エネルギを持つ。内部の導波路と障壁層は約１．０３ｅＶの禁制帯エネルギを持つ。量子井戸層は、約０．９５ｅＶという名目的な禁制帯エネルギを持つ。ＩｎＡｓダッシュは、歪み量子閉じ込め基底状態エネルギはかなり高いが、約０．３６ｅＶという名目的なバルク禁制帯を持つ。これは、低いしきい電流を持つように設計されたファブリ・ペロー（Fabry-Perot）レーザのしきい電流密度の有利な減少をもたらす一方で、（例えば大きな共振器損失を持つレーザにおいて）高い電流レベルで駆動するときに、量子ダッシュが受入れ可能な電流閉じ込めを持つようにもできる。更に、量子井戸のエネルギ障壁は、量子ダッシュからのキャリアの熱放射のために別途に起こったかもしれない上昇された動作温度でのキャリアの損失を阻止する助けとなる。
【００５５】
図８は、基板に垂直に図７Ａの層構造を横切って平衡キャリア濃度を示す伝導帯エネルギ図の図解説明図であり、Ｎbは障壁キャリア濃度、Ｎqwは量子井戸キャリア濃度、Ｎqdは量子ダッシュキャリア濃度である。ｎ型クラッド層から注入された電子とＰ型クラッド層から注入された正孔が中央の導波路層に入る。障壁／導波路層におけるキャリアＮbが量子井戸キャリア集団Ｎqw内で減衰する減衰時間τが存在する。逆に言えば、時定数τe-qwで量子井戸からのキャリアの熱放射が存在する。量子井戸キャリア集団は、寿命時間τnr-qwで、量子井戸界面での非発光再結合により消耗させられる。加えて、寿命時間τr-qwで、量子井戸キャリアの発光再結合が存在する。平衡キャリアに量子井戸からのダッシュが時定数τc-qdで入ってもよく、また、時定数τe-qdで熱放射によって離脱してもよい。キャリアは、時定数τr-qdでの発光再結合及び時定数τnr-qdでの非発光再結合によって量子ダッシュから消耗される。一般的に言うと、量子井戸成長が最適ならば、τnr-qwが増大する、すなわち、比較的わずかな電流が量子井戸における非発光界面結合で消費されるだけである。同様に、量子ダッシュ界面の品質が最適であれば、比較的わずかな電流が量子ダッシュにおける非発光再結合で消費されるだけである。量子井戸からのキャリアの熱放射は、量子井戸エネルギ障壁と障壁エネルギ準位との間に有意義なエネルギ差Ｕ1が存在するように、量子井戸パラメータを選定することにより、減少される。量子ダッシュからの（量子井戸内への）キャリアの熱放射は、量子ダッシュ及び量子井戸のエネルギ準位において有意義なエネルギ差Ｕ2が存在するように、量子ダッシュ及び量子井戸障壁を選定することにより、減少される。
【００５６】
レーザに利益をもたらす量子ダッシュ活性領域の１つの利点は、レーザ放出用のしきい電流密度を低くすることができることである。図９は、図７Ｂに示したのと同様の物質構造から製作されたリッジ（ridge；尾根）レーザ構造９００の一実施例を示す斜視図である。リッジ９０５は、横の導波路を形成するように選定された幅Ｗと高さｈを持つ。一実施例において、リッジ９０５は、誘導結合プラズマ発光分析法（ＩＣＰ）エッチングと上部のｐ−Ａｌ0.48Ｉｎ0.52Ａｓクラッド層のウエット酸化によって形成される。活性領域９１０のダッシュは、好ましくは、リッジの長手方向に垂直に指向される。リッジレーザは好ましくはＡｌＯxパターン化されたリッジレーザ構造である。一実施例において、リッジレーザは、レーザの光フィードバックを提供する２つのファセット９４０、９４５からの反射率を具えたリッジ９０５によって形成された光キャビティの長手方向の長さＬを持つFabry-Perotレーザとして製作される。試作レーザは、３５０Ａ／ｃｍ2の室温しきい電流密度を持つ。光増幅器では、ファセット９４０、９４５からの反射を抑制することにより（例えばファセットを非反射コーティングする若しくはファセットからレーザキャビティ内に戻る光反射を減少させるその他の従来技術を使用することにより）、同様なリッジ構造が形成されるようにしてよい。リッジレーザの実施例が図９に示されているが、これに限らず、様々な従来のFabry-Perotレーザ構造及び光増幅器構造において量子ダッシュ活性領域が使用され得ることが理解されるであろう。
【００５７】
本発明の量子ダッシュレーザのもうひとつの利点は、量子ダッシュ成長パラメータが、細長のダッシュ内でのより密集したエネルギ準位間隔（spacing）の故に、比較的低い電流密度及び高い光ゲインで広範囲な潜在的レーザ発光波長でレーザ発光させ得るように、選定できることである。特に、成長パラメータは、幅広いまた高い光ゲインのスペクトルをもたらすように選定してよい。よく知られているように、オプト−エレクトロニクス・デバイスの光ゲインスペクトルは波長の関数としての光ゲインである。
【００５８】
図１０は、図７Ａと同様の構造についてのＩｎＡｓ量子ダッシュ物質の室温フォトルミネッセンスを示す。半値全幅（ＦＷＨＭ）は典型的には３０ｍｅＶよりも大きい。その幅は、部分的には、各量子ダッシュの量子閉じ込めエネルギ準位の不一致をもたらす各量子ダッシュの長さと幅及び高さの統計的な変化の結果生じる光ゲインの不均相系広がり（inhomogenous broadening）に起因する。
【００５９】
図１１の図１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃは、幅広く高い光ゲインスペクトルを達成するために量子ダッシュパラメータが如何にして選定されるかを図解説明する、光ゲイン対エネルギの説明図である。図１１Ａに示すように、理想的な量子ドットとして機能した均一にサイズ化された量子ダッシュの全体は、原子のような状態密度と光ゲインを持つであろう。基底状態エネルギＥ０と励起状態Ｅ１のあたりの破線は、理想的な量子ドットについてのものである。理想的な量子ドットのために、光ゲインは或る注入レベル（pumping level）よりも上で飽和する（デルタ関数状態密度における利用可能な有限個数の状態の全てが占められるが故に）。本発明者等は、Ｅ０とＥ１のあたりのカーブした応答によって示されるように、量子ドットレーザの光ゲインスペクトルの有意義な均相系広がり（homogenous broadening）が存在することを発見した。均相系広がりは、例えば、フォノンを備えた電子及びその他の電子の衝突のせいであろう。図１２Ｂは、ダッシュサイズのバリエーションに関連した不均相系広がりの効果を図解する。ダッシュは互いに機械的に結合した量子ではないため（すなわち、各ドットはあたかもそれが独立したレーザ媒体であるかのように同一のキャビティ内で振る舞う）、ダッシュサイズが多様であることはダッシュの基底状態及び励起状態エネルギが分布すること、さらにはゲイン関数が広がることをもたらす。均相系広がりを不均相系広がりに比べると、連続的かつスムーズに変化するゲイン応答となるであろう。図１１Ｂに示すように、均相系及び不均相系の広がりの相互作用は、ゲイン応答幅の２倍以上であってもよい。発振モードフォトンは、エネルギッシュに共振するダッシュのみならず均相系広がり範囲内にあるその他の非共振ダッシュからもゲインを受けとる。図１１Ｃに示すように、量子ダッシュの基底状態と励起状態の分離が適切に選定されたならば、連続的なゲイン応答が拡張された波長範囲にわたって（高次状態の増大する減退の結果、より高いエネルギで増大するゲインで）達成されうる。しかし、各ダッシュはデルタ関数状態密度をまだ保持するので、ゲイン応答は依然として理想的な量子ドットに類似した基底状態飽和特性を持つ。
【００６０】
不均相系広がりと量子閉じ込め状態エネルギ準位の分離とが、量子ダッシュ成長パラメータの適切な選定によって実質的に制御されうる。ダッシュの量子閉じ込めエネルギ準位はその組成、また、障壁層の組成によって、そして、該量子ダッシュの高さと長さ及び幅によって、決定される。各量子ダッシュ毎の高さ、長さ及び幅の不一致は不均相系広がりを増大させる。加えて、該量子ダッシュの基底状態と励起状態との間のエネルギ間隔（spacing）が、ダッシュの高さ、長さ及び幅を選定することにより制御されうる。量子ダッシュは高さと長さ及び幅を持つ細長い箱としてモデルすることができる。よく知られているように、第１次近似値に対して、理想的な量子箱の各次元に沿う第１閉じ込め電子状態は、長さの二乗に反比例して変化するエネルギ準位を持つ。このエネルギ準位は、すなわち、長さＬｘ，幅Ｌｙ，高さＬｚを持つ無限障壁を備えた理想的な量子箱のエネルギ準位Ｅn1，n2，n3であり、ここでＥn1，n2，n3＝ΔＥ0（ｎ12／Ｌｘ2＋ｎ22／Ｌｙ2＋ｎ32／Ｌｚ2）であり、ｎ1，ｎ2，ｎ3はそれぞれ１またはΔＥ0よりも大きいかそれに等しい整数からな物質定数である。無限エネルギ障壁を備えた量子箱については、量子の機械的波動関数の障壁層への浸透のために、量子状態間のエネルギ分離が、よりゆっくりと変化する傾向にある。本発明に係る細長の量子ドットは、例えばＩｎＡｓ単原子層の範囲、成長速度及び成長温度を調整することにより、様々な長さ対幅対高さの比で成長されるようしてよい。これは、高いフィルファクタを維持しつつ、レーザ発光のために利用可能な量子状態にわたって実質的な制御を可能にする。
【００６１】
量子ダッシュの量子閉じ込め状態の一連のエネルギステップが、幅広く高い光ゲインスペクトルを形成するのを容易にするために、選定される。（周知のように、電子と正孔の量子閉じ込め状態はそれぞれ量子閉じ込めエネルギ準位を持つが、量子ダッシュによって発生された光から測定可能な量子閉じ込め状態に関連した光遷移エネルギを備えた、電子正孔再結合に関連した光遷移エネルギも存在している。こうして、基底状態に関連した基底状態光遷移エネルギや、第１の励起状態に関連した第１励起状態光遷移エネルギ、その他が存在する。）特に、一実施例において、ダッシュの平均的なサイズは、好ましいエネルギ分離である２０ｍｅＶを含む約３０ｍｅＶより小さい光遷移エネルギの差を達成するように、基底状態と第１の励起状態の間のエネルギ分離を減少することにより、レーザ発光のために利用可能な量子閉じ込め状態の数を有利に増大させるように選定される。約１．５乃至１．６ミクロンの基底状態の波長を備えた活性領域については、これは、基底状態に関連した光遷移より波長で約４０ｎｍ乃至６０ｎｍだけ長い第１の励起状態に関連した光遷移に相当する。同様に、第２の励起状態に関連した光遷移エネルギの値もまた、好ましく、第１の励起状態に関連した光遷移エネルギの値の約２０ｍｅＶ以内乃至３０ｍｅＶ以内とされる。比較として、本発明者らの実験は、エネルギ値が典型的には３０ｍｅＶよりも大きいが故に細長ではない量子ドットにおいては、受入れ可能なフィルファクタで同様な一連のエネルギ値を達成することが困難である、ということを示している。（例えば、Ｌｉ氏その他による論文「１５０ｎｍチューニング範囲のグレーティング結合外部キャビティ量子ドットレーザ」ＩＥＥＥホトニックス・テクノロジー・レター第１２巻第７号２０００年７月発行を見よ。そこでは、１．２４ミクロンで基底状態遷移エネルギを持ち、１．１５ミクロンで第１励起状態遷移エネルギを持つ量子ドットが報告されている。）
【００６２】
一実施例において、量子ダッシュの一連の量子閉じ込め状態のエネルギ差は、幅広く高い光ゲインスペクトルを形成することを容易にするように選定される。図１２Ａは、量子ダッシュ発光ダイオード（ＬＥＤ）のエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）強度を、いくつかの異なる電流密度についてプロットした図である。このＬＥＤは５ミクロンの名目上の幅と１．４ミリメータのキャビティ長を持つリッジ導波路である。０．７ｋＡ／ｃｍ2という比較的低い電流密度でのプロット１２０５に示すように、その光強度は約１．６１ミクロンの波長で第１のピークを持ち、その第１のピークは基底状態の光遷移エネルギに起因する。その光強度は相当に幅広く、例えば約１００ｎｍのＦＷＨＭを持ち、それは、量子ダッシュサイズの変化と多数の密集して離隔されたエネルギ準位と均相系広がりとに関連した不均相系広がりに起因する。光出力の比較的にスムーズさは、不均相系広がりと均相系広がりの効果がある程度比較可能であるらしいことを示している。１．４３ｋＡ／ｃｍ2という第１の高い電流密度でのプロット１２１０に示すように、光強度の第２のピークが約１．５７ミクロンのより短い波長で起こり、ほぼ２０ｍｅＶのシフトに対応している。第２の光遷移エネルギでのピークは、量子ダッシュの第１励起状態に関連した追加の光ゲインに起因する。２．８５ｋＡ／ｃｍ2という更に高い励起レベルにおけるプロット１２２０に示すように、第３のピークは約１．５３ミクロンという更に短い波長で現われ、それは、前記第２のピークよりもほぼ２０ｍｅＶ高いエネルギの光遷移エネルギ準位を持つ次の励起状態に起因している。
【００６３】
図１２Ａのプロットで図解された望ましい特徴は、量子ダッシュに関連したデルタ関数状態密度の性質の故に或る電流密度を越えると、強度（従って光ゲイン）が基底状態で飽和する、ということである。これは、基底状態が飽和しない従来の量子井戸とは対照的である。図１３は、長い波長の量子井戸ＬＥＤについてのエレクトロルミネッセンス強度対波長をプロットした図である。このＬＥＤは、３つの量子井戸を備えた活性領域と図１２の構造と同様のリッジ寸法とを持つ層から製造したものである。エレクトロルミネッセンス強度（従って光ゲイン）は、電流密度が０．７ｋＡ／ｃｍ2から８．５ｋＡ／ｃｍ2まで増大されるにつれて、１．４乃至１．６５ミクロンの全ての波長について増大する。破線１３０２を参照すると、ゲイン曲線が高さで増大し、飽和無しに高いエネルギにシフトすることが判る。
【００６４】
量子ダッシュ活性領域を含む半導体レーザは、比較的低い電流で広汎な波長範囲にわたって動作するように設計できる。図１４Ａは、選択された電流でのレーザ量子ダッシュ活性領域のキャビティ光ゲイン（ｅ2gL；ここでｇは単位長さ当たりのゲイン、Ｌはキャビティ内のゲイン媒体の長さ）を示すプロット１４１０を図解するものである。図１４Ａを参照すると、量子ダッシュ活性領域は、波長λ1でのピーク１４０５に対応する基底状態エネルギ準位を持つように設計できる。図示例において、ミラー損失と吸着損失を含む共振器（resonator）損失を克服するために、λ1でのゲインが最小ゲインｇminよりも小さい飽和レベルで飽和されるように、電流が選定される。チューニング範囲を拡張することを望むならば、量子ダッシュの長さと幅に沿った量子閉じ込めに関連した第１励起量子状態（例えば第１励起状態１４１０と第２励起状態１４１５）が、λ1とλ2との間のピーク１４１０及び１４１５によって図示されるように、追加的なより高いエネルギ状態を提供するように設計されるようにしてよい。プロット１４４０は従来の量子井戸レーザのゲイン応答を示す。対照してみると、比較可能な波長にわたってゲインを提供する従来の量子井戸の活性領域は、全波長範囲にわたって最小ゲインを達成するために非常に高い電流密度を必要としている、量子井戸の第１の基底状態では、飽和可能なゲインを持たない。本発明者等のおおまかな見積では、量子ダッシュレーザは、比較可能な量子井戸レーザのほぼ１０分の１の電流で、広汎なチューニング範囲を実現することができることを示している。例えば、２４０ナノメータのチューニング範囲は、チューニング可能な量子井戸レーザでは３３ｋＡ／ｃｍ2の駆動電流で動作させて、実現されていた。例えば、H. Tabucho氏とH. Ishikawa氏による「全１．３ミクロン通信窓を介した外部キャビティにおいて外部グレーティングチューニング可能なＭＱＷレーザ」Electron. Lett. 第２７巻９５頁〜９９頁１９９１年発行を見よ。再び図１３を参照すると、本発明に従う量子ダッシュレーザのエレクトロルミネッセンススペクトルは、強度（従って光ゲイン）は、２４０ナノメータよりも広いチューニング範囲が約３．３ｋＡ／ｃｍ2よりも小さな電流密度で実現可能であることを示している。
【００６５】
図１２Ｂは、より短い波長にチューニングされた名目上の１．５ミクロン波長レーザについてのチューニング範囲対電流密度のプロットを図解する図である。量子ドット又はダッシュのプロット１２８０は、本発明者らの実験データに基づく。量子井戸プロット１２９０は、出版文献において開示された様々な数値に基づく。プロット１２８０を参照すると、量子ドットレーザは、注入電流密度が１ｋＡ／ｃｍ2増加する毎に、約７０ｎｍのチューニングを可能にする。これに対して、従来の量子井戸レーザは、７０ｎｍのチューニング範囲を達成するには、約２．３ｋＡ／ｃｍ2が必要である。プロット１２９０では、量子井戸では、チューニング範囲が名目上の波長（この例では１５０ｎｍ）の１０％を越えるとき、しきい電流範囲が突然増加することが理解できる。１０％のチューニング範囲の上では、バイアス電流増加が劇的であり、典型的には、１０ｋＡ／ｃｍ2を越える。しかし、長い寿命の動作のために、チューニング可能レーザで使用される量子井戸レーザは、通常、大体７０ｎｍのチューニング範囲に対応する最大電流密度で動作される。プロット１２８０では、本発明に従う量子ドット活性領域は、２〜３ｋＡ／ｃｍ2の範囲における電流密度で、１５０ｎｍ以上（例えば２００ｎｍ以上）までチューニングできることが理解できる。これは、例えば、単一の量子ダッシュレーザを使用して、従来の量子井戸レーザでは到底実現できない約３ｋＡ／ｃｍ2未満の電流密度で１８０ナノメータのチューニング範囲を実現することを可能にする。
【００６６】
特定の応用のために、利用可能な基底状態の全飽和ゲインが、いくつかの異なる技術を使用して調整できる。第１に、もしより大きなゲインが必要であれば、量子ダッシュレーザの数を、活性領域において増加させればよく、それは活性領域を横切るときに光学モードが相互作用する量子ダッシュの数を増大させる。第２に、活性領域の長さを、全体ゲインが更に増加するように、増大させればよい。光ゲイン応答は、不均相系広がり（すなわちダッシュのサイズ分布）を生成する成長パラメータを経験的に変化することにより調整するようにしてよい。
【００６７】
図１４Ｂのフローチャートに示すように、反復する技術が成長パラメータを選定するために使用されてよい。例えば、成長パラメータの初期選択が、１４８０で選択されてよい。これは、量子ダッシュ層の等価的単原子層膜厚と、成長温度Ｔｇと、成長速度Ｒｇと、被覆または埋込層の厚みとを含む。テスト構造のフォトルミネッセンス（ＰＬ）がそれから実行されてよい。このＰＬは、試料のＰＬが望みの波長のほぼ中央にあるか、そして、高い強度と不均相系広がりの所望レベルを示す予め選択されたＦＷＨＭよりも高いＦＷＨＭとを持つかどうか、を判定すべく、１４８５で評価される。使用されるかもしれない基準例は、最小エネルギ広がりより大きい（例えば３０ｅｍＶのエネルギ広がりより大きい）ものに対応するようにＦＷＨＭを選択すること、又は、中央波長の予め選択された大体のパーセンテイジよりも大きい（例えば中央波長の１％よりも大きい）ようにＦＷＨＭを選択すること、を含む。
【００６８】
もしその試料が基準を満たさないならば、その他の成長パラメータが選択されるであろう。望むならば、発光ダイオードを製造し、量子ダッシュの励起量子状態がゲイン応答を広げることに有利に寄与するかどうかを判定するために、ＥＬ測定を１４９０で行ってもよい。必要なら、経験的な成長パラメータを様々に変更して、ゲイン応答を有利に広げるように、基底量子状態と量子ダッシュの励起状態との間隔（spacing）を調整するようにしてもよい。例えば、量子状態の間で２０乃至３０ｅｍＶの分離が望まれるならば、テスト試料のエレクトロルミネッセンスを用いて、量子ダッシュの励起状態が基底状態の上に２０乃至３０ｅｍＶだけ分離されるように成長パラメータを選択するようにしてよい。
【００６９】
本発明の量子ダッシュレーザは、チューニング可能な外部キャビティレーザの活性ゲイン媒体として使用しててもよい。図１５は、おおまかな外部キャビティレーザの上面図である。レーザ発光のためのしきい条件は、ゲイン媒体の光ゲインによってバランスされる共振器損失（ミラー及び内部損失）の合計である。チューニング可能なレーザにおいては、波長の関数である反射率を持つ波長セレクタ１５４０が含まれる。典型的には、レーザダイオード１５０２の後部ファセット１５０５が高い反射率を持つが、前部ファセット１５１０は極めて低い反射率を持つように処理される。外部キャビティシステムのためのしきい条件は、Ｒ1ｅ2(g-αi)L1Ｒ(λ)ｅ(-2αeL2)＝１であり、ここで、Ｒ1はレーザダイオードの後部ファセットの反射率、ｇはレーザダイオードの単位長当たりのゲイン、αiはレーザダイオードの単位長当たりの損失、Ｌ１はレーザダイオードのキャビティ長、Ｒ(λ)は波長セレクタの反射率、αeは外部キャビティの単位長当たりの平均損失、Ｌ2は外部キャビティの実効長、である。
【００７０】
外部キャビティチューニング可能レーザにおいて、波長セレクタは如何なる外部要素の組合せであってもよく、波長の関数としてのその伝達率または反射率が、レーザに対する光学的フィードバックを狭い波長バンドに制限するように制御されるようになっていてよい。チューニング可能外部キャビティレーザは、典型的には、波長選択型分散に基づく波長選択型フィードバックを提供するように配置された外部グレーティングを使用する。図１６Ａ及び１６Ｂを参照すると、外部キャビティ半導体レーザにおいて、典型的には、レーザダイオードの１つのファセットが高反射率（ＨＲ）物質でコートされ、他のファセットが非反射（ＡＲ）コーティングでコートされる。外部グレーティングは、典型的には、レーザダイオードに戻しまた出力カプラーにも供給する波長選択型フィードバックを提供するように配置される。ＡＲコーティングの反射率とレーザキャビティの長さは、レーザにおけるFabry-Perot（ＦＰ）モードを抑制するように好ましく選定される。波長の領域にわたる割かれたファセットからFabry-Perot（ＦＰ）モードを抑制するために如何なる公知の技術でも使用してよい。そのような公知の技術としては、デバイス製造時においてガイドされない窓領域を組み込むことまたはファセットに対してレーザストライプを傾けることなどがある。半導体レーザの長さとＡＲコートされたファセットの残余の反射率は、外部グレーティング単独でレーザ波長を決定するように好ましく選定されてよい。一実施例において、半導体レーザの長さとＡＲコートされたファセットの残余の反射率は、そのレーザが、外部グレーティングからのフィードバック無しに量子ダッシュの基底状態と少なくとも第１励起状態とをレーザ発光オフすることができないように、選定される。
【００７１】
外部キャビティレーザにおいて、最小ゲインはキャビティ損失を越えるべきである。したがって、図１５を参照すると、幅広いチューニング範囲を達成するために、基底状態用の飽和レーザゲインは、吸着損失とミラー損失とを含む全共振器損失よりも大きくなるように選定されるべきである。しかし、選択された波長のみをグレーティングすることは、該選択された波長のみをグレーティングすることがほぼ２０ｎｍの自由発光波長以内でのみＦＰモードを抑制するように、均相系ゲイン広がり範囲以内で光ゲインを使い尽くす。従って、一実施例において、高い量子状態ｇpでのピークレベルは、前部ファセットの残余のファセット反射率の結果生じるＦＰモードからの有害なレーザ発光を阻止するように、十分に低いものに好ましく選定される。
【００７２】
２つの一般的な外部キャビティ形状は、Littman-Metcalf（リットマン−メトカルフ）外部キャビティとLittrow（リットロウ）外部キャビティである。図１６ＢはLittman-Metcalfレーザキャビティの説明図である。図１６ＡはLittrowレーザキャビティ１６０８の説明図である。Littrowキャビティにおいて、レーザ１６１０からグレーティング（回折格子）１６３０で受光された光の入射角度は、レーザキャビティの１つのミラーの機能を務めるレーザにそのビームが反射して戻されるようにする。グレーティングの角度は波長を決定する。エタロンはLittrow構成においてキャビティバンド幅を減少させるために時々含まれる。Littman-Metcalf構成１６００では、グレーティング１６３０は光を、フィードバックを決定するチューニングミラー１６１０（これもレトロ反射器として知られている）の方に回折させる。コリメーティングレンズ１６０５は、具レーティングに対するレーザ出力の結合を改良するために外部キャビティレーザでは典型的に含まれる。
【００７３】
本発明に従うチューニング可能なレーザの一応用例は、テスト及びモニタ（Ｔ＆Ｍ）応用である。Ｔ＆Ｍ応用のための実際のチューニング可能なレーザは、常識的なレーザ寿命を実現するように選択された最大動作電流を持つ（例えば１０ｋＡ／ｃｍ2より大きな電流密度は典型的には寿命品質を落すこと相関する）。量子井戸媒体を使用した商業的に入手可能なチューニング可能なレーザにおいて、量子井戸レーザは約７０ナノメータの使用可能波長範囲を持つ。しかし、多くの応用においては、より広いチューニング範囲を持つことが望まれている。例えば、或るファイバー光応用においては、Ｓ+バンド（１４５０乃至１４９０ｎｍ）、Ｓバンド（１４９０乃至１５３０ｎｍ）、Ｃバンド（１５３０乃至１５７０ｎｍ）、Ｌバンド（１５７０乃至１６１０ｎｍ）、Ｌ+バンド（１６１０乃至１６５０ｎｍ）にわたって連続的にチューニングできることが望まれる。従来は、それぞれ異なる波長範囲につき最適化された量子井戸ゲイン媒体を持つ３つのチューニング可能なレーザが、２００ナノメータのチューニング範囲にわたるＴ＆Ｍ用に必要とされていた。これに比べて、本発明の量子ダッシュレーザは、実際的な電流密度で少なくとも２００ナノメータの連続的なチューニング範囲を持つ。
【００７４】
本発明の量子ダッシュ活性領域は、レーザ発光波長をチューニングするための集積化された波長セレクタ要素を持つレーザ構造において使用してもよい。この技術分野では、波長セレクタ要素を持つその他種々の半導体レーザ構造が知られている。特に、種々のチューニング可能な分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）及び分布帰還型レーザ（ＤＦＢ）がレーザ技術分野で知られている。ＤＦＢとＤＢＲレーザは、λｍ＝２ｎΛ／ｍで与えられるブラッグ波長条件を定義するグレーティングを含む。ここで、Λは格子周期、ｎは物質の屈折率、ｍは回折次数である。ブラッグ波長条件は、グレーティングに関連した高い有効反射率を持つ波長を定義する。図１７に示すように、複数の区間１７０５、１７１０、１７１５を持つマルチ区間ＤＦＢ及びＤＢＲレーザはこの技術分野では公知である。レーザのグレーティング１７２０の部分の屈折率すなわちブラッグ波長を調節するために、該レーザの１つの区間で電流が調節されてよい。従来のチューニング可能なＤＦＢまたはＤＢＲレーザが、本発明の量子ダッシュ活性領域１７３０を含むように変更されてよい。
【００７５】
加えて、量子ダッシュ活性領域を持つ半導体レーザの出力波長が温度チューニングされてもよい。図１８Ａを参照すると、量子ダッシュ活性領域１８０５を持つ分布帰還型レーザは、異なる屈折率を持つ導波路層１８２０、１８３０上に製作されたグレーティングの周期性からブラッグレーザ発光条件を確立するために如何なる従来型のグレーティング構造をふくんでいてもよい。従来のＤＦＢレーザにおいて、熱膨張と屈折率の温度依存は、約０．１ｎｍ／℃のブラッグ波長でのシフトを引き起こす。従来の１．５ミクロンレーザでは、ゲインピークは摂氏約４度によりシフトする。その結果として、制限された温度範囲（例えば典型的には摂氏約４０度）が存在し、その温度範囲にわたってＤＦＢレーザが良好な形態上の特性を保持する。すなわちＤＢＦレーザは、高すぎるしきい電流を持つようになるか、またはゲインピークの波長がブラッグ波長よりも実質的により長くなるように温度が上昇したかどうかについての貧弱なモード判別を持つようになる。図１８Ｂは従来の１．５ミクロンレーザについてのブラッグ波長のシフトとゲインピーク対温度を示す。量子ダッシュ活性領域は、量子ダッシュの三次元量子閉じ込めに関連したデルタ関数状態密度のために、他のタイプの量子ドットと同じゲインシフト振る舞いを持つと推量される。本発明者等による実験は、量子ダッシュの三次元量子閉じ込めに関連したデルタ関数状態密度のために、量子ドットが約０．１７ｎｍ／℃だけの測定されたピークゲインシフトを持つことを示した。広いゲイン関数を伴う減少された温度感度は、温度チューニングされたＤＦＢ量子ダッシュレーザが、従来のバルクまたは量子井戸ＤＦＢレーザに比べて増大されたチューニング範囲を実現することを可能にする。ＤＦＢレーザの一実施例において、より高い温度でレーザを動作する（光ゲインスペクトルをより高い波長へとシフトする）ことを容易にするために、第１の動作温度での光ゲインスペクトルの長い波長側上にて動作するように、ブラッグ波長が選択される。
【００７６】
本発明の量子ダッシュ活性領域は、レーザのモノリシック・マルチ波長アレイにおいても使用してよい。図１９Ａはレーザ１９２０のマルチ波長アレイ１９００の斜視図である。各レーザ１９２０は、リッジレーザ、埋込ヘテロ構造レーザまたは横方向の光閉じ込めを提供するその他のレーザ構造、として製作されていてよい。各レーザは、長手方向のキャビティ長さＬを持つ。従来のクリービングまたはエッチングプロセスはレーザファセット１９１５を形成するために使用されうる。アレイ１９００は量子ダッシュ活性領域１９１０を持つ共通の基板１９０５上に形成される。量子ダッシュ活性領域１９１０の成長パラメータは、望みの電流密度範囲以内で望みの波長チューニング範囲（例えば１００乃至２００ｎｍ）を達成するように選定される。各レーザは、好ましくは、望みのレーザ波長を実現するために選択されたグレーティングの格子周期ヒを備えた少なくとも１つのグレーティング部１９３０を持つＤＦＢまたはＤＢＲレーザである。モノリシック・マルチ波長アレイ１９００の一つの利点は量子ダッシュ活性領域１９１０の広いチューニング範囲を持ち、高密度波長分割多重方式（ＤＷＤＭ）への応用のために同時に製造されるべき多数の異なる出力波長を持つＤＦＢまたはＤＢＲレーザ１９２０を可能にすることである。別の例として、アレイ１９００は広域波長波長分割多重方式（ＷＷＤＭ）への応用のために使用してもよく、そこにおいてはより少数の波長を持つがしかし有意義な波長間隔を備える。
【００７７】
アレイ１９００の量子ダッシュ活性領域１９１０の光学的特徴はまた、各レーザが高いデータレートで直接的に変調されることを可能にする。本発明者等による理論的研究は、最適な量子ダッシュレーザは線幅相乗ファクタ（linewidth enhancement factor）を持つにちがいないということを示している。それは、より高い差動ゲインを伴う従来の量子井戸レーザのためのものよりも大体５乃至１０低いファクタである。これは、受容しうるチャープ（chirp）を備えた高いデータレート（例えば１０乃至４０ギガビット／秒）で量子ダッシュレーザを直接的に変調することを実現化する。これは、チャーピング効果を減少するために高いデータレートの外部変調器で典型的には変調されるようになっている従来の量子井戸レーザとは対照的である。加えて、本発明の量子ダッシュレーザの低いしきい電流密度は、直接のレーザ変調を容易にする。典型的には、直接的に変調された高い周波数のレーザは、しきい電流の幾数倍もの駆動電流を要求する。マルチ波長アレイ１９００の各レーザの比較的低いしきい電流は、高いデータレートでの直接の変調を容易にする。従って、一実施例では、マルチ波長アレイの各レーザはその駆動電流を変化させることにより直接的に変調される。これは、従来のＤＷＤＭシステムで使用されていた外部の変調器、フィルタ、光アイソレータを不要にする。図１９Ｂに示すように、アレイの各レーザが直接的に変調される場合、それらの出力は光ファイバーに結合された光混合器（ＭＵＸ）１９５０のモジュールにて受信されるようにしてよい。直接的な電流変調においては、どんな従来の高周波パッケージ技術であっても、各レーザにマイクロ波周波数駆動電流を結合することを容易にするために使用し得ることが理解できるであろう。一実施例では、各レーザはワイヤボンドによって駆動される。しかし、ワイヤボンドは寄生的なインダクタンスを持ち、それはワイヤボンディングの長い長さが非常に高いデータレートでの効率品質を落とすであろう。別の実施例では、マイクロ波駆動電流を各レーザに結合することを容易にするために、マイクロ波伝達ラインがアレイ１９００上に製作される。更に別の実施例では、マイクロ波電流を各レーザに供給するのに適した副次的なマウント部の上にアレイ１９００がマウントされる。
【００７８】
本発明のマルチ波長アレイ１９００の１つの利点は、温度チューニングが多数の波長についての波長を精密にチューニングするために使用できることである。図１９Ｃを参照すると、一実施例において、第１の温度Ｔ1での名目上のＤＦＢ波長が、ゲインスペクトルの上位の波長範囲をカバーするように選定される。アレイ１９００の温度を高い温度Ｔ2にチューニングすることは、ブラッグ波長よりもわずかに高いデータレートでのゲインスペクトルをシフトする。ゲイン曲線の広い初期幅と量子ダッシュレーザのゲイン応答の減少された温度シフトのために、広い波長範囲に広がっているＤＦＢレーザのモノリシックアレイは、広い範囲にわたって同時にチューニングされ得る。
【００７９】
アレイ１９００の別の利点は、低いしきい電流密度とゲイン応答の遅い温度ドリフトが、加熱及び熱クロストークに感応しにいレーザにすることである。これは、例えば、従来の量子井戸レーザに比べて個々のレーザがより密集して詰め込まれる（例えば小さなレーザ相互間隔で分離される）ことを可能にする。加えて、アレイ１９００の熱特性は、アレイ接合アップで動作すること（すなわちヒートシンクに搭載された基板を備えること）を容易にする。レーザ技術で周知のように、接合ダウン構成（ヒートシンクに搭載されたエピタキシャル層）は、熱抵抗が小さい一方で、典型的にはパッケージ技術の複雑さとコストを増大させる。アレイ１９００の更に別の利点は、ＷＷＤＭのようないくつかの応用において、冷却のためのヒートシンクの必要性を解消しうることである。
【００８０】
一実施例では、量子ダッシュ活性領域は、図２０に示すように、垂直キャビティ表面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）構造内に含まれる。いかなる従来のＶＣＳＥＬレーザのミラーとキャビティ（共振器）構造を使用してもよい。ＶＣＳＥＬレーザ構造において、ダッシュ密度を増大させ、形態上のゲインを増大させるために十分な数のダッシュ層を含むのが好ましい。従来のＤＢＲ層はＶＣＳＥＬの上部及び底部ミラーとして使用してよい。更に、ＶＣＳＥＬはどんな公知のチューニング可能なＶＣＳＥＬであってもよい。チューニング可能なＶＣＳＥＬ構造は、微小−電気−機械システム（ＭＥＭ）の構成要素のようなものや、変形可能な膜組織により支持されたカンチレバー式微小ミラーのようなものなど、様々な有効なキャビティ長さを持つＶＣＳＥＬを含む。
【００８１】
以上では半導体レーザにおける量子ダッシュ活性領域の使用につき詳細に説明したが、この量子ダッシュ活性領域は、半導体光増幅器（ＳＯＡ）においても使用できる。これらのＳＯＡは一般にＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔレーザと同様のデバイス構造から製造されるが、典型的にはこれらのＳＯＡは、レーザ発光を抑制するように十分に低いファセット反射率を持つように設計される。
【００８２】
本発明の量子ダッシュは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）構造での使用のために変形されるようにしてもよい。トランジスタ構造では、チャンネル長に比較しうる長さを持つダッシュを形成するように、ダッシュの長さを増大させるよう、成長パラメータを選定することが好ましい。図２１は、ソースとドレインとゲート領域を持つ量子ダッシュトランジスタ構造の上面図である。図２２は、図２１の線２２−２２に沿う断面図である。量子ダッシュはＦＥＴチャンネルを形成し、好ましくはゲートに垂直をなすように方向づけられる。図２２〜図２３に示すトランジスタ構造の１つの利点は、量子ダッシュレーザに使用したのと同様の物質を使用して成長させることができることであり、量子ダッシュレーザの調整にとって潜在的な利益を成したものと同様である。加えて、量子ダッシュにおける電子の移動性と飽和速度が、バルク物質より２大きいファクタに概ね期待され、量子ダッシュトランジスタの効率を改良する。
【００８３】
別の実施例においては、電子又は光デバイスの活性領域が、デジタル合金技術を使用した量子ドットを成長させることにより形成された量子ドットの連鎖からなる。この実施例では、量子ドットは、下部の基板よりも少なくとも１．８％大きい平均格子定数を持つように選定されたドットの平均組成を備えた３基又は４基の組成を持つ。デジタル・アロイ（digital alloy）技術は、一連のアロイ層から３基又は４基のドットを形成する。各アロイ層は好ましくは単原子層又は単原子層の断片からなる。一実施例において、量子ドットは、（１００）ＡｌＧａＡｓ表面上にて成長温度摂氏約５１０度で成長されたドットを備えるＭＢＥを使用して成長される。１つの成長シーケンスにおいて、ビーム・フラックス・レートは６５０ｎｍ／ｈｒのＧａＡｓの成長レートと３５０ｎｍ／ｈｒのＩｎＡｓ成長レートに対応するように選定される。ＡｌＧａＡｓ表面は、１秒のＩｎ＋Ａｓ2、９．５秒のＡｓ2、０．５秒の何もなし、１秒のＧａ、０．５秒の何もなし、９．５秒のＡｓ2、という一連のフラックスに曝され、これは所望の回数だけ繰り返される。本発明者等の実験では、図２２のＡＦＭイメージのように、デジタル・アロイ成長技術は密集して間隔を空けたドット群の自己集合（self-assembly）をもたらすということを、いくつかの成長条件の下で、示している。ドット密度は概ね８ｘ１０9ｃｍ-2である。基部の直径は７０乃至１１０ｎｍの範囲であり、高さは１２乃至２０ｎｍで変化する。このＡＦＭイメージは、ドットが明らかなチェーンをなして連鎖していることを示しており、それらの基部で１０ｎｍより小さい相互ドット距離を持ち、隣接するチェーン間では平均して４０ｎｍだけ離れている。各チェーンにおける短い相互ドット距離は、各ドット間で電子の量子トンネル効果が引き起こされるのに十分なだけ近接している。この場合、ドットのチェーンは、量子井戸のような電子移動特性を持つことが予期され、従って、図２２に示されたのと同様の高効率的なトランジスタ構造を製造するのに使用され得る。
【００８４】
以上では本発明の特定の実施例と応用例についてのみ図解及び説明を行ったが、本発明はここに示された精密な構造と組成に限定されるものではなく、添付した請求の範囲に定義された発明の精神と範囲から離脱することなく、当業者にとって明白な様々な変形、変更及び変化を、ここに開示された本発明に係る方法及び装置の配置、動作及び細部において適宜なし得るものであることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】図１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄは、それぞれバルク半導体、量子井戸、量子細線及び量子ドットの状態密度関数を図解説明する図。
【図２】図２Ａは理想的な量子ダッシュのコア領域を例示する斜視図、図２Ｂは埋め込まれた該量子ダッシュを例示する側面図、図２Ｃは量子井戸内に埋め込まれた該量子ダッシュを例示する側面図。
【図３】図３Ａ，３Ｂ，３Ｃは、量子ダッシュレーザを形成するために用いられるいくつかの処理ステップを例示する斜視図。
【図４】自己集合化された細長いＩｎＡｓ島を例示する原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）イメージ図。
【図５】量子ダッシュを埋め込むための成長シーケンス例を図解説明する図。
【図６】量子ダッシュを埋め込むための成長シーケンス例を図解説明する図。
【図７Ａ】量子ダッシュレーザ用の第１の成長シーケンス例を図解説明する図。
【図７Ｂ】量子ダッシュレーザ用の第２の成長シーケンス例を図解説明する図。
【図８】量子井戸に埋め込まれた量子ダッシュを設計するためのいくつかの考慮点を図解説明するものであって、量子ダッシュレーザの電子伝導帯を示す図。
【図９】量子ダッシュレーザのリッジレーザとしての実施例を例示する斜視図。
【図１０】量子ダッシュレーザの一例による室温フォトルミネッセンスのプロットを示す図。
【図１１】図１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃは、拡張された波長範囲にわたってゲインを供給することのできる量子ダッシュレーザについてのいくつかのファクタを図解説明する図。
【図１２Ａ】いくつかの異なる電流密度で動作される量子ダッシュ活性領域を備えたＬＥＤについて、波長の関数としてのエレクトロルミネッセンス強度の実験的プロットを示す図。
【図１２Ｂ】図１２Ａに関連して、電流密度の関数としてのチューニング範囲を図解説明する図。
【図１３】いくつかの異なる電流密度で動作される従来の量子井戸活性領域を備えたＬＥＤについて、波長の関数としてのエレクトロルミネッセンス強度の実験的プロットを示す図。
【図１４Ａ】拡張された波長範囲にわたる動作用として量子ダッシュレーザを設計する方法を図解説明する第１のプロットを示す図。
【図１４Ｂ】拡張された波長範囲にわたって動作されるべき量子ダッシュレーザの成長パラメータを同定する方法を図解説明する第２のプロットを示す図。
【図１５】量子ダッシュレーザのレーザ発光波長を選択するための一般的な外部キャビティ（共振器）レーザを図解説明する図。
【図１６Ａ】量子ダッシュレーザの波長をチューニングするために使用してよい外部キャビティレーザ構成の一例を図解説明する図。
【図１６Ｂ】量子ダッシュレーザの波長をチューニングするために使用してよい外部キャビティレーザ構成の別の例を図解説明する図。
【図１７】量子ダッシュ活性領域を備えるマルチ区間ＤＦＢ又はＤＢＲレーザを図解説明する斜視図。
【図１８Ａ】ＤＦＢ量子ダッシュレーザのいくつかの層を図解説明する図。
【図１８Ｂ】従来のレーザと量子ダッシュレーザについてのブラッグ波長とゲインピークの波長チューニングのプロットを示す図。
【図１９Ａ】マルチ波長レーザアレイの斜視図。
【図１９Ｂ】波長分割多重化システムの一部としての光混合器に結合されるマルチ波長アレイの上面図。
【図１９Ｃ】図１９Ａのアレイの温度チューニングを図解説明する図。
【図２０】量子ダッシュ活性領域を持つＶＣＳＥＬの主要部分を図解説明する図。
【図２１】量子ダッシュトランジスタ構造の上面図。
【図２２】線２１−２１に沿う図２１の量子ダッシュトランジスタ構造の断面図。
【図２３】量子ドットのチェーンの原子間力顕微鏡によるイメージを示す図。
【符号の説明】
【００８６】
２０５  量子ダッシュ（量子ドット）
２１０  基板
２８０，２８５  量子井戸層
２９０，２９５  障壁層
【図１】
2007116200.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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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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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