JP5698267B2 - 半導体デバイス - Google Patents

Description

本発明は半導体デバイスに関する。詳細には本発明は、偏光無依存性を必要とする、半導体光増幅器（ＳＯＡ）などの光電子デバイスに関する。

光ファイバをデータ伝送媒体として利用するネットワークは、実際には、光が光ファイバ内を移動する際の光の減衰の問題を抱えており、例えば標準的なＳＭＦ−２８（商標）シングルモードファイバは、１５５０ｎｍの波長で約０．２ｄＢ／ｋｍの減衰を有する。したがって多くのネットワークには、一般に、ファイバの全長に沿った中継点に電子増幅器が組み込まれる。ごく最近では、ネットワークには、入力ストリームを電気信号に変換することなく光を光学的に増幅する光増幅器が使用されている。光ネットワークには、ガラス光ファイバ内の低損失伝送スペクトル領域によって主として決定される多くの動作波長レンジが存在する。これらのレンジは多くの帯域に規格化されており、それらのうちで最も広く使用されている２つのバンドは、Ｏバンド（１２６０〜１３６０ｎｍ、名目上、１３１０ｎｍを中心とすることが知られている）およびＣバンド（１５３０〜１５６５ｎｍ、名目上、１５５０ｎｍを中心とすることが知られている）。

ネットワークに広く使用されている光ファイバは、最初にファイバに入射した光の偏光を維持しないタイプの光ファイバであることがしばしばであり、したがって一定の長さの光ファイバに沿って伝搬した後に増幅器に入射する光は、ランダム偏光を有する可能性がある。したがって増幅器が入射偏光に無関係に入射光を同じ量だけ増幅するためには、光利得が大きく、かつ、偏光依存性が小さい光増幅器を有することが望ましい。

半導体デバイスは、それらのサイズが小さく、コストが安価であり、大量生産が可能であり、また、複雑なチップ設計にモノリシック統合またはハイブリッド統合することができるため、全光の機能を提供するために光ネットワークにおける使用がますます増加している。光を増幅するために広く使用されている半導体デバイスは、半導体光増幅器（ＳＯＡ）である。ＳＯＡは、通常、従来の半導体レーザダイオードと同様の構造を有し、したがってＳＯＡは、入射光を受け取り、かつ、増幅された光を射出するための光導波路、光利得を提供するための利得媒体（しばしば能動領域と呼ばれる）、および利得媒体を通じて電流をポンプするための電極を備えている。ＳＯＡは、通常、デバイスの１つのファセットから入力信号を受け取り、受け取った入力信号を増幅し、かつ、増幅された信号を同じデバイスファセット（例えば反射型ＳＯＡ）または異なるデバイスファセットのいずれかから出力するために使用される。また、ＳＯＡは、ＡＳＥ（増幅自然放出光）光源として使用することも可能である。通常、利得媒体は、光導波路の中に含まれている。多くのＳＯＡ利得媒体／導波路設計が存在するが、高電流注入効率のために広く使用されているＳＯＡ利得媒体／導波路設計は、通常、図１に示されている埋設へテロ構造（ＢＨ）導波路と同様の埋設へテロ構造（ＢＨ）導波路、または図２に示されているリッジ型導波路（ＲＷ）構造と同様のリッジ型導波路（ＲＷ）構造を有する。

ＳＯＡの設計におけるキーパラメータは、偏光依存利得（ＰＤＧ）の最小化である。この偏光依存利得（ＰＤＧ）の最小化を達成するためには、モード利得（Ｇ）を横方向電気モード（ＴＥ）および横方向磁気モード（ＴＭ）の両方に対して平衡させなければならない。いずれの偏光モードに対しても、モード利得は、通常、Ｇ＝ｇ^＊Γとして定義され、ｇは材料利得であり、Γは、偏光状態に対するモードの閉込め係数である。閉込め係数は、利得媒体中を移動する光モードの比率である。ＰＤＧはＧ（ＴＥ）とＧ（ＴＭ）の差である。ＳＯＡの設計における他のキーパラメータには、小さい雑音および広い動作スペクトル帯域幅が含まれている。また、良好なデバイス歩留りを容易に達成することができるように、上で言及した低ＰＤＧなどの効果を有するデバイスを製造するために使用される成長条件および他の処理パラメータが容易に制御可能かつ繰り返し可能なものであることも重要である。

Ｐ． Ｄｏｕｓｓｉｅｒｅら、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．、６巻、１７０〜１７２頁、１９９４年に、利得媒体が方形の断面を有する光増幅器が記述されている。断面が方形の能動層に対するＴＥおよびＴＭ閉込め係数は、名目上、全く同じであり、したがって両方の偏光状態に対する利得は同じである。しかしながら、利得媒体が方形のデバイスは電流注入効率が低く、したがって一般的には増幅器としての使用には適していない。

ＢＨ設計およびＲＷ設計の両方で有効な電流注入を達成するためには、デバイスは、断面の幅が厚さより大きい非対称の断面を有する利得媒体を備えていることが好ましい。また、この断面非対称性は、ＳＯＡ導波路の長さの大部分または全体にわたって存在することが望ましい。

幅が広く、かつ、薄い非対称断面を有する利得媒体の場合、ＴＥモードの閉込め係数は、ＴＭモードの閉込め係数より実質的に大きく、したがってＴＥモードに対する利得は、名目上、ＴＭモードより大きい。閉込め係数の正確な値は、導波路の幾何構造および使用される層の材料の屈折率によって決定される（通常、数値計算ソフトウェアを使用して）。したがって導波路の幾何構造のみを使用してＰＤＧが小さい有効な半導体デバイスを実現することは不可能である。

これまでに、利得媒体の断面非対称性によって生じるＰＤＧを補償するために、ＴＥモードおよびＴＭモードのための異なる材料利得を提供するいくつかの試行がなされている。Ｊ．Ｙ． Ｅｍｅｒｙら、ＥＣＯＣ、３巻、１６５〜１６８頁、１９９６年、および特許文書米国特許第６４８７００７（Ｂ１）号明細書に、ＳＯＡにおけるＴＥ利得およびＴＭ利得を等化するための手法の１つが記載されている。これらのいずれの文書にも、単一の材料層からなる能動領域が使用されている。単一の分厚い材料の層からなるこのような能動領域は、「バルク」アクティブと呼ばれている。これらの文書には、低ＰＤＧを達成するために、バルク能動領域に引張りひずみが使用されている。「バルク」アクティブを使用したデバイスは、通常、効率が低く、かつ、光損失が大きく、また、大きい注入電流が必要である。

量子井戸をベースとするデバイス
バルク能動層とは対照的に、デバイスは、１つまたは複数の層（その典型的な厚さは１５ｎｍ未満程度である）を有する能動領域を備えることができ、これらの層は、他の材料の層によって取り囲まれたとき、電子および正孔をその層に閉じ込める量子井戸（ＱＷ）として作用する。ＱＷをベースとするデバイスは、バルク能動層と比較すると性能が改善されることが分かっている。量子井戸を使用することによって得られる改善は、一般に、より大きい材料利得、より高い効率、より小さい損失、およびより小さい注入電流として認識されている。

通常、量子井戸をベースとするデバイスは、異なる材料によって両側で境界が画された材料の第１の層を備えており、第１の材料と、境界を画する異なる材料との間の伝導帯端と価電子帯端の準位の差が、利得媒体中のすべての電子または正孔に対する量子井戸を生成している。デバイスは、通常、異なる材料の交互層によって形成される１つまたは複数の（多重）量子井戸（ＭＱＷ）を備えている。量子井戸として作用する層と層の間の層は、通常、障壁層と呼ばれている。通常、ＭＱＷ構造は、障壁材料層が２つの量子井戸の間に配置され、かつ、これらの量子井戸と隣接するように、第２の材料と隣接している第１の材料の交互層を備えている。障壁材料は、ＭＱＷスタックの末端に存在させることも可能である。

井戸の帯端エネルギー準位と周囲の障壁層の帯端エネルギー準位の間のエネルギーの差が大きいほど、正孔または電子の閉込めが強くなる。この閉込め強さの測度の１つは「オフセット分割比」と呼ばれ、正孔に対する井戸／障壁価電子帯端間のエネルギーの差に対する、電子に対する井戸／障壁伝導帯端間のエネルギーの差の比率である。

図３および４に示されているように、軽い正孔または重い正孔が量子井戸中で取り得るエネルギー準位は、特定の正孔に対する帯端エネルギー準位未満の離散量子化値であり、一方、井戸中の電子のエネルギー準位は、電子に対する帯端エネルギー準位より大きい離散量子化値を取る。第一次近似まで、ｇ（ＴＥ）は、主として電子−重い正孔遷移から生成され、一方、ｇ（ＴＭ）は、主として電子−軽い正孔遷移から生成される。本出願の目的のために、重い正孔、軽い正孔および電子の波動関数は、それぞれＨＨ波動関数、ＬＨ波動関数およびＥ波動関数と呼ぶべきである。材料利得に対するＥ／ＨＨ遷移またはＥ／ＬＨ遷移による寄与は、それぞれＥ／ＨＨ波動関数およびＥ／ＬＨ波動関数の重畳によって決定される。波動関数の重畳が大きいほど、その遷移に対する利得への寄与が大きくなる。「重い」正孔および「軽い」正孔という用語は当業者に知られており、「Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ」、ｂｙ Ｓｈｕｎ Ｌｉｅｎ Ｃｈｕａｎｇ、１９９５年、Ｗｉｌｅｙ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ）などの刊行物に記載されている。重い正孔は、軽い正孔より大きい実効質量を有し、ブリルアン領域における軽い正孔および重い正孔の異なる個々の位置の結果として、異なるセットの角運動量状態の形で表現される。しかしながら厳密に言うと、とりわけ波数ベクトル中のゾーンセンタから離れたｋ空間における重い正孔状態および軽い正孔状態が混ざった状態であり、したがって軽い正孔および重い正孔からの遷移によって生じる利得係数は、通常、数値的に計算される。

直接バンドギャップ遷移および間接バンドギャップ遷移
かねてより、従来技術によるＱＷデバイスおよびバルクデバイスのバンド構造は、直接バンドギャップ遷移（あるいはタイプ−Ｉとして知られている）に集中している。直接バンドギャップ遷移は、伝導帯中の最小量子化電子エネルギー準位と価電子帯中の最大量子化正孔エネルギー準位の間の遷移のために運動量の変化を必要としない場合に生じる。「最小量子化電子エネルギー準位」という用語は、伝導帯端に最も近い量子化電子エネルギー準位（すなわち第１の電子レベル）を意味しており、また、「最大量子化正孔エネルギー準位」という用語は、価電子帯端に最も近い量子化正孔エネルギー準位（すなわち第１の正孔レベル）を意味する。ＭＱＷ利得媒体中では、これは、伝導帯中の最小量子化電子エネルギー準位および価電子帯中の最大量子化正孔エネルギー準位が同じ材料中に空間的に位置する効果を有する。図３は、デバイスのバンド構造（正孔バンド２３および電子バンド２１）の一例を示したもので、直接バンドギャップ遷移は、第１の重い／軽い正孔レベル２４と第１の電子レベル２２の間の井戸２５中で生じる。井戸は、障壁層２６と隣接している。

代替ＭＱＷバンド構造は、伝導帯中の最小量子化電子エネルギー準位と価電子帯中の最大量子化正孔エネルギー準位の間の遷移のために運動量の変化を必要とする間接（タイプ−ＩＩ）バンド構造である。ＭＱＷ利得媒体中では、図４に示されているように、タイプ−ＩＩバンド構造（電子バンド２７および正孔バンド２９）は、１つの材料（例えば井戸層３１）中に伝導帯中の最小（第１の電子レベル）量子化電子エネルギー準位２８を有し、一方、価電子帯中の最大量子化正孔エネルギー準位（第１の正孔レベル）３０は、他の材料（例えば障壁層３２）中に存在する。

タイプ−Ｉ（直接バンドギャップ）ＭＱＷ構造と比較すると、タイプ−ＩＩ ＭＱＷは、電子と正孔の間の波動関数の重畳が小さいため、レーザまたはＳＯＡの場合、一般に不利な利得媒体をもたらすと考えられている。図５は、分厚い障壁４０を有するタイプ−ＩＩ ＭＱＷバンド構造（電子バンド３３および正孔バンド３５）に対する第１の電子波動関数３８および第１の正孔波動関数３６を線図で示したものである。波動関数の重畳が小さいのは、電子波動関数３８（したがって第１の電子レベル３４）が個々の井戸３９に閉じ込められ、一方、ＬＨおよびＨＨ波動関数３６（したがって第１の正孔エネルギー準位３７）は、障壁４０中に閉じ込められることによるものである。Ｊ．Ｂ． Ｋｈｕｒｇｉｎら、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．、１４巻、２７８〜２８０頁、２００２年は、より長いキャリヤ平均寿命の結果としてのクロストークを小さくするために、Ｓｂをベースとするひずみのないタイプ−ＩＩ ＭＱＷ ＳＯＡの使用を理論的に提案している。しかしながら、このような構造が有用な利得レベルを達成することができることを立証する試行はなされておらず、したがってほとんどのＳＯＡ用途に必要な低ＰＤＧを得るための設計の使用方法については示唆されていない。

Ｒ．Ｑ． Ｙａｎｇら、ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ、３８巻、５５９〜５６８頁、２００２年に、３μｍから５μｍまでのより長い中間赤外波長帯域では、半導体レーザを実現するために、ＩｎＡｓ−ＩｎＧａＳｂをベースとするタイプ−ＩＩ ＭＱＷ中のバンド間トンネリングを使用することができることが示されている。しかしながら半導体レーザのためのＭＱＷ設計の場合、低ＰＤＧを提供する必要はなく、したがって低ＰＤＧに対するこのような設計の効果は開示されていない。

直接バンドギャップ遷移に基づくＭＱＷデバイス
間接バンドギャップバンド構造の不適切性は、一般に、従来技術によるデバイスに、タイプ−Ｉに基づくバンド構造の使用をもたらし、したがって重い正孔遷移および軽い正孔遷移は、いずれも直接バンドギャップである。ＭＱＷ利得構造は、デバイスが成長する際に、構造が基板に対してひずむように成長させることができる。原理的には任意の半導体層を他の半導体層の上に成長させることができるが、結晶構造を複数の層を通して継続するためには、格子定数を十分に整合させなければならない。構成元素が全く異なる半導体層の場合、実際には格子定数を十分に整合させることは困難であり、したがって実際には材料「システム」としてデバイスを成長させることが一般的であり、したがってＱＷ層、障壁層および他の材料層中の構成元素のほとんどは同じであるが、異なるモル分率で形成される。

異なる半導体層を互いの上に成長させる場合、材料組成が異なることによって、堆積される層と、その下方の、利得媒体が成長する分厚い基板との間の格子定数が不整合になる可能性がある。堆積される層と基板層の間の格子定数が整合していない場合、堆積される層が引張りによってひずむか、あるいは圧縮によってひずむことになる。無ひずみ層の場合、軽い正孔および重い正孔に対する価電子帯端が退化するが、層にひずみが加えられると、軽い正孔および重い正孔に対する価電子帯端が分かれて、互いに遠ざかる方向に移動する。軽い正孔および重い正孔に対する価電子帯端が変化すると、個々の正孔の対応する閉込めが変化する。したがって特定の状況の下では、Ｅ−ＨＨ遷移をタイプ−ＩＩにし、また、Ｅ−ＬＨ遷移をタイプ−Ｉにすることができる。

堆積層の組成を変更することにより、異なる量のひずみが導入される。ひずみの導入には、ＬＨおよびＨＨ価電子帯端エネルギー準位の退化を阻止する効果がある。層の組成を変化させることによってひずみの量およびタイプ（引張りまたは圧縮）を変更することにより、軽い正孔および重い正孔の量子化エネルギー準位、およびＬＨおよびＨＨの閉込めが変化し、延いては波動関数の重畳が変化する。したがってＱＷ構造にひずみを導入することにより、ＴＥ偏光状態およびＴＭ偏光状態に対する相対利得レベルを変更することができる。しかしながら、大量のひずみを徐々に導入すると、層に望ましくない欠陥が導入され、バンドギャップが変化し、また、軽い正孔遷移および重い正孔遷移に対する中心動作波長ピークが変化する。

低ＰＤＧ ＳＯＡを実現するための、ひずんだＭＱＷを使用した多くの方法が報告されている。Ｋ． Ｍａｇａｒｉら ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ． ２巻、５５６〜５５８頁、１９９０年に、ＭＱＷを利得媒体として使用した、障壁が引張りによってひずみ、また、井戸にひずみがない手法の１つが報告されている。Ｋ． Ｍａｇａｒｉらは、厚さ１０．５ｎｍの無ひずみ量子井戸層、およびひずみが−１．７％（引張り）である厚さ１１．５ｎｍの障壁層を備えた利得媒体を使用している。ＳＯＡの長さは６６０μｍであり、また、注入電流が２００ｍＡのファイバ利得のために１．０ｄＢのＰＤＧおよび１３．０ｄＢのファイバが提供されている。

Ｍ．Ａ． Ｎｅｗｋｉｒｋら ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．、４巻、４０６〜４０８頁、１９９３年に、代替手法が報告されている。Ｎｅｗｋｉｒｋは、ひずみが１．０％（圧縮）である厚さ３．５ｎｍの３つの圧縮型井戸、ひずみが−１．０％（引張り）である厚さ１６ｎｍの３つの引張りひずみ井戸、および厚さ１０ｎｍの７つの無ひずみ障壁を備えた利得媒体を使用している。ＳＯＡの長さは６２５μｍであり、また、注入電流が１５０ｍＡのファイバ利得のために１．０ｄＢ未満のＰＤＧおよび４．４ｄＢのファイバが提供されている。

Ｄ． Ｓｉｇｏｇｎｅら ＥＣＯＣ、２６７〜２７０頁、１９９５年に、他の手法が報告されており、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．、３２巻、１４０３〜１４０５、１９９６年には、利得媒体として、ひずみが１．１％（圧縮）である厚さ８ｎｍの１６個の井戸、およびひずみが−０．９％（引張り）である厚さ７ｎｍの１６個の障壁が使用されている。ＳＯＡの長さは９４０μｍであり、また、注入電流が１５０ｍＡのファイバ利得のために１．０ｄＢ未満のＰＤＧおよび２３．０ｄＢのファイバが提供されている。

タイプ−Ｉバンド構造を使用した上記従来技術の文書では、井戸および障壁のために使用されている材料は、ＩｎＰ基板の上に成長した、１．５５μｍの波長で動作するＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰの組成に概ね基づいている。

直接バンドギャップＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ量子井戸を使用したＯバンド動作のためのデバイス
１３１０ｎｍの波長レンジで動作する、ＩｎＰの上に成長したＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓの組成を使用した利得媒体を備えたデバイスについては従来技術で説明した。１３１０ｎｍの波長レンジで動作するレーザを記述している従来技術の文書の１つは、Ｍ． Ｙａｍａｄａら、ＩＥＥＥ、Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．、１１巻、１６４〜１６７頁、１９９９年によって記述されている。Ｉｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓからなる利得媒体のバンドギャップは、Ａｌモル分率に対する依存性が極めて強い。バンドギャップが低Ａｌモル分率を必要とする利得媒体をエピタキシャル成長させることは、事実上、困難である。したがってＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ量子井戸を使用している従来技術は、１３１０ｎｍ帯域の近くに光波長が集中しているが、それは、この波長レンジでは、無ひずみ層に対する材料のＡｌ含有量を、約１５％を超えて維持することができ、したがって成長を容易に制御することができることによるものである。Ｃ． Ｚａｈら、ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、３０巻、５１１〜５２２頁、１９９４年に、１３１０ｎｍの近辺を中心とする波長レンジで動作するレーザの他の例が記述されている。しかしながらレーザは、ＴＥモードまたはＴＭモードのいずれかで個々に偏光されるように設計されており、したがって一方の偏光で大きい利得を有し、また、それと直交する偏光では小さい利得を有するように設計されている。

Ｐ． Ｋｏｏｎａｔｈら、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．、１３巻、７７９〜７８１頁、２００１年に、１３１０ｎｍ波長の低ＰＤＧ ＳＯＡが記述されている。Ｋｏｏｎａｔｈでは、０．３３％の引張りひずみを３つの量子井戸層に導入し、一方、障壁層を無ひずみにすることによって低ＰＤＧが実現されている。

デバイスを広く使用されている１５５０ｎｍレンジ（Ｃバンド）などのより長い波長で動作させるためには、モル分率「ｘ」の値が典型的には５％近辺になるように、Ｉｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ ＭＱＷ中のＡｌの量を激減させなければならない。これらの条件の下では、材料のバンドギャップがＡｌモル分率に対して極めて敏感になるため、標準のタイプ−Ｉバンド構造を使用して低ＰＤＧデバイスを再現可能に得るために必要な制御のレベルを可能にするために、Ａｌモル分率の十分な制御の下でＩｎＧａＡｌＡｓを成長させることは極めて困難である。

米国特許第６４８７００７号明細書

Ｐ． Ｄｏｕｓｓｉｅｒｅら、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．、６巻、１７０〜１７２頁、１９９４年 Ｊ．Ｙ． Ｅｍｅｒｙら、ＥＣＯＣ、３巻、１６５〜１６８頁、１９９６年 「Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ」、ｂｙ Ｓｈｕｎ Ｌｉｅｎ Ｃｈｕａｎｇ、１９９５年、Ｗｉｌｅｙ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ） Ｊ．Ｂ． Ｋｈｕｒｇｉｎら、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．、１４巻、２７８〜２８０頁、２００２年 Ｒ．Ｑ． Ｙａｎｇら、ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ、３８巻、５５９〜５６８頁、２００２年 Ｋ． Ｍａｇａｒｉら ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ． ２巻、５５６〜５５８頁、１９９０年 Ｍ．Ａ． Ｎｅｗｋｉｒｋら ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．、４巻、４０６〜４０８頁、１９９３年 Ｄ． Ｓｉｇｏｇｎｅら ＥＣＯＣ、２６７〜２７０頁、１９９５年 Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．、３２巻、１４０３〜１４０５頁、１９９６年 Ｍ． Ｙａｍａｄａら、ＩＥＥＥ、Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．、１１巻、１６４〜１６７頁、１９９９年 Ｃ． Ｚａｈら、ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、３０巻、５１１〜５２２頁、１９９４年 Ｐ． Ｋｏｏｎａｔｈら、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．、１３巻、７７９〜７８１頁、２００１年

１３１０ｎｍレンジで動作する従来技術のレーザおよびＳＯＡは、Ｉｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓの温度性能が改善されているにもかかわらず、重い正孔および軽い正孔の閉込めを変化させるためにひずみを導入することによって、同じく量子井戸のバンドギャップが変化するため、低ＰＤＧ ＳＯＡの再現可能な製造は依然として問題である。さらに、１５５０ｎｍ近辺などのより長い波長レンジでは、製造可能にＡｌモル分率を制御することが困難になる。

特許請求の範囲に詳しく記述されている本発明について説明する。

本発明によれば、入射光を受け取り、かつ、増幅された光を射出するための光増幅器が提供され、光増幅器は、入射光を受け取り、かつ、増幅された光を射出するための光導波路と、光利得を提供するための隣接する複数の半導体層を備えた利得媒体と、利得媒体を通じて電流をポンプするための電極とを備えており、隣接する複数の半導体層は、電子のための１つまたは複数の量子井戸を画定しており、また、利得媒体中における直接電子−正孔遷移および間接電子−正孔遷移の両方を提供するように動作し、それにより伝導帯中の第１の量子化電子エネルギー準位が第１の層中に位置し、価電子帯中の第１の量子化正孔エネルギー準位が前記第１の層中に位置し、価電子帯中の他の第１の量子化正孔エネルギー準位が隣接する第２の層中に位置し、第２の層は第１の層とは異なる材料組成を有し、第１の層中の第１の量子化正孔エネルギー準位は、軽い正孔状態か、あるいは重い正孔状態のいずれかであり、また、第２の層中の他の第１の量子化正孔エネルギー準位は、第１の層中の第１の量子化正孔エネルギー準位とは異なる正孔状態である。

このような光増幅器は、スーパルミネセントダイオード（ＳＬＤ）として使用することも可能であり、それによりデバイスによって生成され、かつ、デバイスから射出するＡＳＥ光が光源として使用される。

光増幅器は、利得媒体が第１の光偏光のための第１のモード閉込め係数（ＭＣ１）および第２の光偏光のための第２のモード閉込め係数（ＭＣ２）を有するように構成することができ、ＭＣ１と、伝導帯中の第１の量子化電子エネルギー準位と第１の層の価電子帯中の第１の量子化正孔エネルギー準位の間の遷移からの利得との積は、ＭＣ２と、伝導帯中の第１の量子化電子エネルギー準位と第２の層の価電子帯中の他の第１の量子化正孔エネルギー準位の間の遷移からの利得との積の２０％内で整合している。

第２の層はＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓを含んでいてもよい。

他の態様では、同じく本発明により、利得媒体を備えたデバイスが提供され、利得媒体は、光利得を提供するための隣接する複数の半導体層を備えており、隣接する複数の半導体層は、電子のための１つまたは複数の量子井戸を画定しており、利得媒体中における直接電子−正孔遷移および間接電子−正孔遷移の両方を提供するように動作し、それにより伝導帯中の第１の量子化電子エネルギー準位が第１の層中に位置し、価電子帯中の第１の量子化正孔エネルギー準位が前記第１の層中に位置し、価電子帯中の他の第１の量子化正孔エネルギー準位が隣接する第２の層中に位置し、第２の層は第１の層とは異なる材料組成を有し、第１の層中の第１の量子化正孔エネルギー準位は、軽い正孔状態か、あるいは重い正孔状態のいずれかであり、また、第２の層中の他の第１の量子化正孔エネルギー準位は、第１の層中の第１の量子化正孔エネルギー準位とは異なる正孔状態であり、第２の層はＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ（ｘ＞０、ｙ＞０）を含んでいる。

埋設へテロ構造導波路デバイスの断面図である。 リッジ型導波路デバイスの断面図である。 タイプ−Ｉ多重量子井戸バンド構造を示す図である。 タイプ−ＩＩ多重量子井戸バンド構造を示す図である。 分厚い障壁を備えたタイプ−ＩＩ ＭＱＷバンド構造を示す図である。 本発明の混合タイプ−Ｉ、タイプ−ＩＩバンド構造を示す図である。 厚さが薄くなった障壁を備えた本発明のデバイスのバンド構造を示す図である。 本発明の好ましい例のバンド構造を示す図である。 本発明の他の好ましい例による複合量子井戸のバンド構造を示す図である。 他の障壁層によって分離された図９の３つの複合量子井戸を示す図である。

本発明は、半導体利得媒体（「能動領域／媒体」または光利得構造としても知られている）中の層の厚さおよび／または数を制御することにより、デバイス内のＴＥ利得およびＴＭ利得（または損失）の量を制御する問題に対処している。利得媒体の幅は、１μｍおよび５μｍを含むそれらの間であることが好ましい。利得媒体の幅は、１μｍおよび２μｍを含むそれらの間であることが好ましい。利得媒体の厚さは、０．１μｍおよび０．２μｍを含むそれらの間であることが好ましいが、他の利得媒体断面幾何構造を使用することも可能である。

本発明のデバイスは、図１に示されている埋設へテロ構造導波路構造を備えることができ、埋設へテロ構造導波路構造は、利得媒体１０を覆っているｐ−型キャップ層９（典型的にはＩｎＰからなる）およびｎ−型層１１（典型的にはＩｎＰからなる）を備えた垂直メサ、メサの下方のｎ−型クラッド層６およびｎ−型基板７（典型的にはＩｎＰからなる）、メサの両側に配置された１つまたは複数のｎ−型ブロック層４（典型的にはＩｎＰからなる）およびｐ−型ブロック層５（典型的にはＩｎＰからなる）、メサおよび１つまたは複数のブロック層を覆っているｐ−型層３（典型的にはＩｎＰからなる）、層３のすぐ上のコンタクト層２、コンタクト層２の上に配置された上部電極１、および基板７の下方に配置された下部電極８を備えている。

別法としては、デバイスは、図２に示されているリッジ型導波路構造を備えることも可能であり、リッジ型導波路構造は、ｎ−型基板１８（典型的にはＩｎＰからなる）、基板１８の上に位置している利得媒体１７、利得媒体１７のすぐ上のｐ−型クラッド層１６、クラッド層１６の上のｐ−型層１４であって、窒化ケイ素層１５、２０によって両側が取り囲まれた垂直メサを形成するためにパターン化され、かつ、エッチングされるｐ−型層１４、ｐ−型層１４の上のコンタクト層１３、コンタクト層１３を覆っている上部電極１２、および基板１８の下方の下部電極１９を備えている。

上記２つの構造は、本発明のデバイスを形成することができる方法の単なる好ましい例にすぎない。他の適切な構造を使用することも可能である。

本発明の一例によれば、入射光を受け取り、かつ、増幅された光を射出するための光導波路、光利得を提供するための隣接する複数の半導体層を備えた利得媒体、および利得媒体を通じて電流をポンプするための電極１を備えた光増幅器が提供される。隣接する複数の半導体層は、電子のための１つまたは複数の量子井戸を画定している。伝導帯中の第１の量子化電子エネルギー準位および価電子帯中の第１の量子化正孔エネルギー準位は、第１の層（第１の半導体材料層）中に位置している。価電子帯中の他の第１の量子化正孔エネルギー準位は、隣接する第２の層（第２の半導体材料層）中に位置している。第２の層は第１の層とは異なる材料組成を有する。

利得媒体は、導波路の一部であっても／導波路と一体であってもよく、あるいは導波路とは別であってもよい。第１の層中の第１の量子化正孔エネルギー準位および第２の層中の他の第１の量子化正孔エネルギー準位は、それぞれ最大重い正孔エネルギー準位または最大軽い正孔エネルギー準位のうちのいずれかと呼ばれている（あるいは第１の重い正孔レベルおよび第１の軽い正孔レベルと呼ばれている）。実際は、量子井戸中の電子の最小エネルギー準位（すなわち基底状態）は、帯端に最も近いレベルであり、また、量子井戸中の正孔に対しては、価電子帯に最も近いエネルギー準位は、同じく正孔に対する最小エネルギー準位（すなわち基底状態）である。しかしながら、この文書では、線図に対するテキストの理解を容易にするために、量子井戸中の電子の最も低いエネルギー状態すなわち基底状態を表すために電子最小エネルギー準位が使用されており、また、価電子帯端に最も近い正孔状態すなわち基底状態を表すために正孔最大エネルギー準位が使用されており、つまりエネルギーの増加は、線図中では常に上に向かっている（電子および正孔の両方に対して）。

デバイスは、原理的には、複数の異なるタイプの半導体材料からなる光利得を提供するのに適した媒体を備えた任意の光増幅器であってもよい。デバイスは半導体光増幅器であることが好ましい。ＳＯＡは、導波路から光が射出するデバイスの長さの末端に、少なくとも１つ、好ましくは２つの無反射コートファセットを備えていることが好ましい。端ファセットには、端ファセットで反射したすべての光が導波路内を逆方向に伝搬しないように、デバイスの平面に好ましくは７°と１０°の間の角度を付けることができる（角度が付いた導波路は、必要な特徴ではないが、残留反射を小さくするのを促進する）。本出願の目的のための材料「層」という用語の層は、任意の断面幾何構造に関連しているが、一方の主寸法がもう一方の主寸法より長い矩形をベースとする断面であることが好ましい。通常、基板ウェーハの上にデバイスを成長させ、それにより「層」の幅がウェーハの平面に対して平行になり、この幅は厚さより大きい。デバイスは、原理的には任意の知られている半導体製造方法を使用して形成することができ、有機金属気相エピタキシ（ＭＯＶＰＥ）が好ましい。

ＭＱＷスタックを形成している第１および第２の層は、量子力学的に結合されており、互いに接触して隣接していることが好ましいが、原理的には１つまたは複数の他の異なる層をそれらの間に介在させることができる。利得媒体は、第１および第２の層以外の他の材料層を備えることができる。本発明は、複数の第１の層および／または複数の第２の層を備えていることが好ましい。第１および第２の層はＭＱＷスタックを形成していることが好ましく、それにより複数の１つのタイプの層が、１つまたは複数の他のタイプの層に交互にはさまれる。第１および第２の層は、任意の厚さにすることができるが、２ｎｍと１５ｎｍの間の厚さからなっていることが好ましい。利得媒体は、通常、頂部および底部で、利得媒体全体にわたるｐ−ｎ接合の形成を可能にする１つまたは複数の個別の閉込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層と隣接している。

対応する第１および第２の層中の第１の量子化正孔エネルギー準位と他の第１の量子化正孔エネルギー準位の空間分離は、通常、これらの層のうちの１つまたは複数にひずみを導入し、かつ、バンドギャップを適切に選択することによって達成される。適切な量のひずみを層に加えることによって電子量子井戸として作用し、重い価電子帯端エネルギー準位および軽い正孔価電子帯端エネルギー準位が離れる方向に移動し、したがって第１の材料層中の一方の正孔タイプの価電子帯端エネルギーが第２の材料層中の同じ正孔タイプの価電子帯端エネルギーより大きくなり、一方、第１の材料層中のもう一方の正孔タイプの価電子帯端エネルギーは、第２の材料層中の同じ正孔タイプの価電子帯端エネルギーより小さくなる。個々の正孔に対する最大価電子帯端エネルギーは異なる層に存在するため、第１の層は、一方のタイプの正孔のための量子井戸になり、一方、第２の層は、もう一方のタイプの正孔のための量子井戸になる。

したがって、重い正孔および軽い正孔の両方に対してタイプ−Ｉの遷移、または重い正孔および軽い正孔の両方に対してタイプ−ＩＩの遷移のいずれかを有していた従来技術によるデバイスとは対照的に、本発明によれば、直接遷移および間接遷移の両方を提供する利得媒体を備えた光増幅器が提供される。重い正孔および軽い正孔がタイプ−Ｉの遷移またはタイプ−ＩＩの遷移のいずれかである場合、相対ＨＨおよびＬＨ波動関数閉込めを変化させるために必要なひずみが、ａ）個々の遷移のピーク波長の望ましくない変化の原因になり、そのためにデバイスの最適動作値が逸脱することになる可能性がある、および／またはｂ）過度に大きくなり、そのためにデバイス製造中に材料欠陥が生じ、デバイスの性能が低下することになる。材料層中の大量のひずみは、成長および緩和の際に層を不安定にし、そのため、過剰な非発光再結合中心が形成される原因になる極めて多数の転位が形成されることになる。このような非発光再結合中心は、ＳＯＡまたは半導体レーザなどのデバイスを実現するための十分な自然放出の生成には不適切な材料を構築することになる。

利得媒体中に、タイプ−Ｉ（直接バンドギャップ）遷移として１つの電子−正孔遷移を有し、かつ、タイプ−ＩＩ（間接バンドギャップ）遷移として他の電子−正孔遷移を有することにより、利得媒体中の軽い正孔および重い正孔に対する波動関数ピークが層の厚さ全体にわたって空間的にオフセットされることになる（ウェーハ層の平面に対して直角に）。Ｅ−ＬＨ遷移に対するＥ−ＨＨ遷移の相対量（したがってＴＥ利得およびＴＭ利得の相対量）は、第１および第２の層の各々の厚さの比率を変化させることによって変えることができる。また、電子遷移の相対量も、第２の層に対する第１の層の数を変えることによって変化させることができる。

ＬＨ波動関数ピークおよびＨＨ波動関数ピークは、空間的に分離されている最小価電子帯端に基づいて互いに空間的にオフセットされるため、第１および第２の層の相対厚さが変化すると、ＨＨ波動関数およびＬＨ波動関数の相対閉込めが変化する。ＨＨ波動関数およびＬＨ波動関数の相対閉込めが変化すると、ＬＨ−Ｅ波動関数（ＴＭ利得を提供している）とは異なる方法でＨＨ−Ｅ波動関数重畳（ＴＥを提供している）が変化する。したがって本発明によれば、Ｅ−波動関数を使用してＨＨ波動関数およびＬＨ波動関数の相対重畳を制御するための追加手段が提供され、したがって望ましくない、あるいは不利な値のひずみを必ずしも層中に必要とすることなく、ＴＥ利得およびＴＭ利得を平衡させるための機構が提供される。ＴＥ／ＴＭ利得をある程度余裕をもって制御することにより、デバイスの製造者は、小さい値のひずみを使用して適切なバンドギャップをより自由に選択することができる。

引き続いて本発明の上記の例を参照すると、本発明の発明者らは、さらに、第１の材料層中の伝導帯端エネルギー準位が第２の材料層中の伝導帯端エネルギー準位より小さく、かつ、第１の材料層が引張りひずみを備えている場合、軽い正孔を第１の材料層に量子閉込めすることができ、一方、重い正孔は、第２の材料層に量子閉込めされ、したがってＥ／ＨＨ遷移は間接遷移であり、また、Ｅ／ＬＨ遷移は直接遷移であることを見出した。

この構造の場合、第１の材料層が電子および軽い正孔に対する量子井戸になり、また、第２の材料層が電子および軽い正孔に対する障壁になり、一方、第２の材料層は、重い正孔に対する量子井戸になり、また、第１の材料層は、重い正孔に対する障壁になる。この構造の場合、第１の材料の１つまたは複数の層が第２の材料の１つまたは複数の層に交互にはさまれ、これらの層と隣接していることが好ましい。第２の材料の１つまたは複数の追加層は、「ｎ」番目の第１の層をｎ＋１番目の第２の層、ｎ番目の第２の層またはｎ−１番目の第２の層によって境界を画することができるように、第１の材料の最も外側の層の外側に隣接させることができる。

一例として、図６は、本発明によるデバイスのバンド構造の略線図を示したものである。この線図には、電子（電子帯端４１および第１の電子レベル４２）および軽い正孔（軽い正孔帯端４３および第１の軽い正孔レベル４６）を閉じ込めている第１の材料の２つの層と、重い正孔（重い正孔帯端４４および第１の重い正孔レベル４５）を閉じ込めている第２の材料のただ１つの層が存在する。線図で示されているこの構造には、ＴＭ利得に寄与している２つの軽い正孔「井戸」と、ＴＥ利得に寄与しているただ１つの重い正孔「井戸」が存在する。しかしながら、他の２つの第２の層を構造に導入することにより、ＴＥ材料利得に寄与するｎ＋１個の重い正孔「井戸」が存在することになる。

実際には、利得媒体は、一般にＴＥＯおよびＴＭＯと呼ばれている最も低いＴＥモードおよびＴＭモードのみをサポートすることが望ましい。その結果、利得媒体の幅および厚さ全体を調整するための余地が若干残される。したがって可能な限り多くの利得媒体設計の自由を有することが有利である。本発明の場合、個々の層の数および厚さを変更することができるため、構造の設計者は、最適な層の厚さおよび数を選択する大きい自由度を有し、したがって材料層の組成を適切なバンドギャップに調整することができ、また、最小量のひずみを使用して重い正孔を間接遷移にし、軽い正孔を直接遷移にすることができる。

Ｅ波動関数３８は、その存在が第２の層中に限定されているため（図５参照）、ＨＨ波動関数が主として１つまたは複数の第２の層中に位置している場合、Ｅ−ＨＨ波動関数重畳は小さい。この小さいＥ−ＨＨ波動関数重畳を大きくするためには、場合によってはこれらの層と層の間のより強力な量子結合が必要である。この強力な量子結合は、複数の第２の層のうちの１つまたは複数の厚さを薄くすることによって達成することができ、一般的には１０ｎｍ未満の厚さまで薄くすることによって達成することができる。図７は、バンド構造（電子バンド５１、重い正孔バンド５３）を概略的に示したもので、より薄い第２の層（第１の重い正孔エネルギー準位５５を有する障壁５８）は、利得媒体中の電子波動関数５６および第１の重い正孔波動関数５４に対する効果を有する。第１の層（井戸５７）は、第１の（最小）電子エネルギー準位５２を使用して、強力に量子力学結合されるようになり、したがってＥ波動関数５６は、かなりの程度まで第２の層（障壁５８）中に侵入する。その結果、Ｅ波動関数５６がかなりの程度までＨＨ波動関数５４と重畳してＴＥ利得を大きくする。

引き続いて本発明の任意の上記の例を参照すると、本発明の発明者らは、さらに、第１の材料層が引張りによってひずみ、電子および軽い正孔に対する量子井戸として作用し、また、第２の材料層がＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ（ｘ＞０、ｙ＞０）を含む場合、第１の層と第２の層の間のバンドオフセット分割比は約７０／３０であることを見出した。この分割比は、名目上、電子が正孔よりかなりの程度まで閉じ込められることを意味する。第２の材料層は、引張りひずみまたは圧縮ひずみの下で無ひずみ（０％ひずみ）にすることができる。１つまたは複数の第１の材料層のうちの１つまたは複数の層中の引張りひずみは、０．５％と２．０％の間であることが好ましい。１つまたは複数の第２の材料層のうちの１つまたは複数の層中のひずみは、０．３％引張りひずみと０．３％圧縮ひずみの間であることが好ましい。第２の材料層は、Ｉｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ（０＜ｘ＜＝０．４８、０＜ｙ＜０．６）を含むことが好ましい。第２の材料層は、Ｉｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ（０＜ｘ＜＝０．４）（０＜ｙ＜０．６）を含むことが好ましい。

電子は実効質量がより小さいため、正孔と比較すると、電子はそれほど量子井戸に閉じ込められない。大きい電位障壁を量子井戸の両側に使用してより多くの電子を閉じ込めるほど、電子波動関数および正孔波動関数がより良好に重畳し、それにより、とりわけデバイスが高温で動作している場合に発光（光放出）再結合効率が改善される。したがって伝導帯に有利なオフセット分割比を有することが望ましい（例えば７０／３０の分割比は、６０／４０のオフセット分割比よりもかなりの程度まで電子を閉じ込めることになる）。利得構造がＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ「システム」を含むように、１つまたは複数の第１および第２の層は、いずれもＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓを含んでいることが好ましいが、原理的には、第２の層と共に首尾よく成長させることができることを条件として任意の他の材料を第１の層に使用することができ、所望のバンドギャップおよびオフセット分割比を提供することができる。第１の材料層は、Ｉｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ（ｘ＝＞０、ｙ＞０である）を含んでいてもよい。第１の材料層は、Ｉｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ（０＜＝ｘ＜＝０．４８、０＜ｙ＜０．６）を含んでいることが好ましい。第１の材料層は、Ｉｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ（０＜＝ｘ＜＝０．４）（０＜ｙ＜０．６）を含んでいることが好ましい。通常、Ｉｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ「システム」のための基板はＩｎＰである。

第２の層がＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ（ｘ＞０、ｙ＞０）を含んでいる場合、デバイスは光増幅器に限定されないが、原理的には光利得媒体を備えた任意のデバイスであってもよい。

したがってＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ「システム」を使用している本発明のデバイスによれば、４０／６０未満のオフセット分割比を有するＩｎ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ_ｙＰ_１−ｙシステムを使用している等価デバイスより高い効率および温度無依存性が提供される。

また、Ｉｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ「システム」を使用している本発明のデバイスによれば、より優れた柔軟性が提供され、Ｉｎ_１−ｘＧａ_ｘＡｓシステムより層のひずみを小さくすることができ、第１および第２の材料は、いずれもＩｎ_１−ｘＧａ_ｘＡｓの異なる組成を含んでいる。ガリウム（Ｇａ）含有量が変化すると、インジウム（Ｉｎ）含有量およびひずみが自動的に変化するため、Ｉｎ_１−ｘＧａ_ｘＡｓシステムにおけるひずみおよびバンドギャップは直接リンクされる。したがってＩｎ_１−ｘＧａ_ｘＡｓシステムにおける層中のひずみは、その層に対する必要なバンドギャップによって指示される。しかしながら、Ｉｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ「システム」を使用している本発明のデバイスは、Ａｌ含有量およびＧａ含有量の両方を変化させて所望のバンドギャップおよび層ひずみを得ることができ、つまり余分の自由度が存在するため、選択された層バンドギャップに対する様々な値の層ひずみを有する層を有することができる。

したがってＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ「システム」を使用している本発明のデバイスによれば、より高い電子閉込めの利点と、ひずみおよびバンドギャップの減結合の利点の望ましい組合せが提供され、したがって小さい値のひずみを１つまたは複数の第１の層に使用して効率が高いデバイスを製造することができる。さらに、約７０／３０の分割比のため、正孔に対するより大きい閉込めを与えるオフセット比率を有するＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ｇａ_ｘＡｓ_ｙＰシステムなどのシステムと比較すると、第１および第２の層の名目上無ひずみの価電子帯端間のエネルギー準位の差（したがって閉込め）が小さい。したがって第１および第２の層の価電子帯端間のエネルギーの差が小さいほど、第１の層中の重い正孔価電子帯端エネルギーを第２の層中の重い正孔価電子帯端エネルギー未満に降下させるために必要な引張りひずみが小さくなり、したがってＥ−ＨＨ遷移に対してタイプ−ＩＩの挙動が提供される。

好ましい例
５つの「井戸」４８および６つの「障壁」４９からなる利得構造を使用してデバイスが製造された。「井戸」４８は、それぞれ１１ｎｍの厚さになるように成長され、一方、「障壁」は、７ｎｍの厚さになるように成長され、個々の「井戸」と「井戸」の間は、単一の「障壁」が成長された。利得媒体のすぐ上および下方はＳＣＨ層であった。

この例ではデバイスはＳＯＡ（半導体光増幅器）であるが、原理的には、半導体利得／損失媒体を備えた任意のデバイスであってもよい。ＳＯＡ利得媒体は、Ｉｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓの第１の層４８（「井戸」）およびＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓの第２の層４９（「障壁」）を交互に備えたＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ ＭＱＷスタックを備えている。井戸は、障壁４９より小さいバンドギャップエネルギーを有する。井戸材料の組成は、井戸４８および障壁４９に対して、１５５０ｎｍ近辺の波長ピークに対するバンドギャップ、井戸層４８中の引張りひずみ、および無ひずみ障壁４９が得られるように選択される。井戸４８中の引張りひずみによって軽い正孔および重い正孔の井戸価電子帯端エネルギーの縮退が阻止され、したがって重い正孔帯端が、事実上、下に向かって「押され」て電子バンドから離れ、また、軽い正孔帯端が、事実上、電子バンドに向かって引っ張られる。障壁は、概ね無ひずみになるように成長されるため、障壁に対する重い正孔バンドおよび軽い正孔バンドが縮退する。電子−軽い正孔遷移４７は直接バンドギャップ（タイプ−Ｉ）遷移になり、一方、電子−重い正孔遷移５０は間接バンドギャップ（タイプ−ＩＩ）遷移である。

Ｔａｂｌｅ １（表１）は、デバイスの層の組成、ひずみおよび厚さを詳細に示したものである。

図８は、理論的バンド構造（電子バンド５９、重い正孔バンド６１、軽い正孔バンド６２）、および好ましい例のデバイスの計算波動関数を略図で示したものである。伝導帯の場合、第１の電子エネルギー準位波動関数６４は、事実上、第１の「井戸」材料の５つの層に対応する５つの量子井戸を見ており、したがって５つのピークを有する。同様に、第１の軽い正孔エネルギー準位波動関数６３も同じく５つの量子井戸を見ており、したがって同じく５つのピークを有する。しかしながら、第２の「障壁」材料の６つの層が存在するため、第１の重い正孔エネルギー準位波動関数６０は６つの量子井戸を見ており、したがって６つのピークを備えている。したがってこのデバイスには、ｇ（ＴＭ）に寄与する５つの量子井戸、およびｇ（ＴＥ）に寄与する６つの量子井戸が存在する。「井戸」（第１の層）および「障壁」（第２の層）の厚さは、量子井戸が良好に量子力学結合されるように、適切に選択された。

ＭＯＶＰＥおよび標準リソグラフィ技法ならびにエッチング技法を使用して、ｔａｂｌｅ １（表１）の層構造を備えた多重ＢＨ ＳＯＡデバイスが製造された。これらのデバイスは、ＩｎＰウェーハの上に形成された。製造が完了すると、個々のＳＯＡデバイスが長さ０．８８ｍｍのバーにへき開され、かつ、両方の端ファセットに無反射コーティングが施された。

個々のデバイスは、平面形状が矩形であり、ｎ−型になるようにドープされたＩｎＰ「クラッド」層６と共にオーバグロースされたＩｎＰ基板を備えていた。次に、幅５μｍのＩｎＰをベースとする受動導波路がクラッド層の上に形成された。受動導波路は、効率が高い入力／出力結合を得るために末端がレンズのファイバであることが好ましい光ファイバとモード整合するように設計された。次に、一方の端ファセット部分の０．３μｍからチップの中央部分の１．３μｍまで、直線的に先太りのテーパが施された幅を有する一連の直立メサを形成するために、受動導波路の上にｔａｂｌｅ １（表１）の層が成長され、パターン化され、かつ、エッチングされた。次に、１．３μｍから反対側の端ファセット部分の０．３μｍの幅まで、今度は先細りのテーパが施された。ファセット部分の狭い幅からデバイスの中部分のより広い幅まで利得媒体をテーパ化することにより、受動導波路に入射する光が光利得のためにデバイスの中央で利得媒体に結合し、次に、高いファイバ結合効率をファット部分に提供するためにもう一度受動導波路に結合することが確実にされる。メサは、後方反射を小さくするために、端ファセットから端ファセットまで走っているメサの長さが、ファセットに対して直角の方向から１０度の角度だけ外れるようにパターン化された。次にメサの側壁に沿って電流阻止層を提供するために、半導体材料のオーバグロースを使用してメサが覆われた。ｐ−型ＺｎドープＩｎＰの５μｍの層を成長させ、引き続いてＺｎが高度にドープされたＩｎＧａＡｓ ｐ−コンタクト層を成長させることによってメサが埋設された。次に、デバイスの評価を可能にするためにデバイスが電気結合された。光利得、ＰＤＧおよび他のパラメータが測定された。テーパが施された能動層および受動導波路は、本発明の好ましい特徴であるが、原理的には任意の適切なデバイス設計を使用することができ、例えばその長さに沿って一様な幅を有する能動層を設計することができる。

結合されたＳＯＡデバイスは、最初に、ＳＯＡに駆動電流を提供し、かつ、デバイスから射出する光を、モードサイズをＳＯＡの受動導波路のモードサイズに整合させて、無反射コーティングが施された末端がレンズの光ファイバに結合することによって評価された。デバイスのファイバ結合損失に対するファセットが、ファセット毎に０．５ｄＢと１．０ｄＢの間に対して測定された。面積が広い検出器、およびデバイス電流および温度が一定のファイバ内の光の量を使用して、出力パワーの差を比較する測定が実施された。

Ｔａｂｌｅ ２（表２）は、レーザ光をＣバンド全体にわたる３つの波長でＳＯＡに結合することによって得られたデバイスのうちの１つのファセット−ファセット利得、ＰＤＧ、雑音指数（ＮＦ）およびＰｓａｔの測定値を示したものである。Ｐｓａｔ値は、射出する光のレベルであって、ＳＯＡの利得が小さくなり始めるレベル、すなわち出力が飽和し始めるレベルである。１００ｍＡの駆動電流がＳＯＡデバイスに印加され、それぞれ２０℃の動作温度に維持された。測定された０．８ｄＢないし１．５ｄＢのＰＤＧは、設計値である１ｄＢに近い（１つの偏光の利得は、それと直交する偏光の利得の約２０％内である）。「井戸」（第１の層）の厚さを約３Å未満だけ薄くすることにより、ＰＤＧは、理論的にはゼロになることが分かった。

上で示した好ましい例は、適度の利得のために設計されたＳＯＡの例であるが、より多くのＱＷを利得媒体中に導入することによって、あるいはチップの長さを長くすることによってＳＯＡの利得を大きくすることができる。ＱＷの数を多くすることによって相対ＴＥおよびＴＭモード閉込め係数を変更することができ、したがってこのような「より大きい利得」デバイスにおいて低ＰＤＧを達成することができるため、「井戸」中の引張りひずみ、井戸の厚さ、障壁の厚さ、「障壁」ひずみ、またはそれらの任意の組合せのいずれかを修正しなければならない。また、本発明のデバイスは、統合光デバイス、反射型ＳＯＡおよび外部共振器同調可能レーザ内に組み込まれる構造などのより複雑な構造のために使用することも可能である。

図９および１０は、本発明の他の例を示したものである。この例は、井戸４８および障壁４９がいずれも総合「複合」量子井戸６５中に存在する点を除き、図６に示されている好ましい例と同様である。この複合井戸６５は、ＭＱＷ構造中の単純な単一井戸層に取って代わることができるユニットを形成している１つまたは複数の井戸４８および障壁４９の一構造である。図１０は、２つの他の障壁層６７と隣接し、かつ、これらの障壁層６７によって分離された３つのこのような複合量子井戸６５の一例を示したものであるが、原理的には任意の数の複合量子井戸６５および他の障壁６７を使用することができる。井戸４８と他の障壁６７の間のエネルギー障壁差は、それぞれ伝導帯中および価電子帯中の井戸４８と障壁４９の間のエネルギー差より大きい。

このような構造には少なくとも３つの異なる材料組成が必要であり、そのうちの２つは、図９に示されている１つまたは複数の複合井戸６５のための材料組成であり（１つは、１つまたは複数の井戸４８のため、もう１つは、１つまたは複数の障壁４９のため）、もう１つは、複合量子井戸間の１つまたは複数の他の障壁６７のための材料組成である。この構造は、タイプ−Ｉおよびタイプ−ＩＩの量子井戸の使用を介したＴＥ利得およびＴＭ利得に対する改良された制御に関して、図８で既に説明した構造の利点と同じ利点を有するが、ここでは、重い正孔間接遷移に対する電子の大きい重畳の設計に対する余分の自由が存在する。デバイスの設計者は、材料組成、個々の複合井戸中の井戸４８および障壁４９の厚さおよび相対数、他の障壁６７の数と比較した複合井戸６５の数、および他の障壁６７の厚さおよび材料組成を変更することができる。１つまたは複数の他の障壁層６７は、複合量子井戸６５によって交互にはさまれていることが好ましい。「ｍ」個の複合量子井戸６５および「ｍ±１」個の他の障壁層６７が存在することが好ましい。さらに、利得媒体は、１つまたは複数の他の障壁層６７によって分離された１つまたは複数の複合量子井戸６５および１つまたは複数の標準単一量子井戸を備えることができる。

他の障壁６７は、Ｉｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ（ｘ＞０、ｙ＞０）を含んでいることが好ましい。他の障壁６７は、Ｉｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ（０＜ｘ＜＝０．４８、０＜ｙ＜０．６）を含んでいることが好ましい。他の障壁６７は、無ひずみであることが好ましい。原理的には、複合量子井戸６５は、１つまたは複数の井戸４８および１つまたは複数の障壁４９を有することができる。個々の複合量子井戸６５中の個々の障壁４９または井戸４８は、異なる材料組成を使用して形成することができるが、製造を容易にするためには、複合量子井戸６５中のすべての井戸４８が同じ材料組成を有し、また、複合量子井戸６５中のすべての障壁４９が同じ材料組成を有することが望ましい。

１、１２ 上部電極
２、１３ コンタクト層
３、１４ ｐ−型層
４ ｎ−型ブロック層
５ ｐ−型ブロック層
６ ｎ−型クラッド層
７、１８ ｎ−型基板
８、１９ 下部電極
９ ｐ−型キャップ層
１０、１７ 利得媒体
１１ ｎ−型層
１５、２０ 窒化ケイ素層
１６ ｐ−型クラッド層
２１、２７、３３、５１、５９ 電子バンド
２２、３４、４２ 第１の電子レベル
２３、２９、３５ 正孔バンド
２４ 第１の重い／軽い正孔レベル
２５、３９、４８、５７ 井戸
２６、３２、６７ 障壁層
２８ 最小（第１の電子レベル）量子化電子エネルギー準位
３０ 最大量子化正孔エネルギー準位（第１の正孔レベル）
３１ 井戸層
３６ 第１の正孔波動関数
３７ 第１の正孔エネルギー準位
３８ 第１の電子波動関数（Ｅ波動関数）
４０、４９、５８ 障壁
４１ 電子帯端
４３ 軽い正孔帯端
４４ 重い正孔帯端
４５ 第１の重い正孔レベル
４６ 第１の軽い正孔レベル
４７ 電子−軽い正孔遷移
５０ 電子−重い正孔遷移
５２ 第１の（最小）電子エネルギー準位
５３、６１ 重い正孔バンド
５４ 第１の重い正孔波動関数
５５ 第１の重い正孔エネルギー準位
５６ 電子波動関数
６０ 第１の重い正孔エネルギー準位波動関数
６２ 軽い正孔バンド
６３ 第１の軽い正孔エネルギー準位波動関数
６４ 第１の電子エネルギー準位波動関数
６５ 量子井戸（複合井戸、複合量子井戸）

Claims (13)

1. 入射光を受け取り、かつ、増幅された光を射出するための光増幅器であって、
   Ａ） 入射光を受け取り、かつ、増幅された光を射出するための光導波路と、
   Ｂ） 光利得を提供するための隣接する複数の半導体層を備えた利得媒体と、
   Ｃ） 前記利得媒体を通じて電流をポンプするための電極と
   を備え、前記隣接する複数の半導体層が、電子のための１つまたは複数の量子井戸を画定し、かつ、前記利得媒体中における直接電子−正孔遷移および間接電子−正孔遷移の両方を提供するように動作し、それにより、
   ｉ） 伝導帯中の第１の量子化電子エネルギー準位が第１の層中に位置し、
   ｉｉ） 価電子帯中の第１の量子化正孔エネルギー準位が前記第１の層中に位置し、
   ｉｉｉ） 前記価電子帯中の他の第１の量子化正孔エネルギー準位が隣接する第２の層中に位置し、また、前記第２の層が前記第１の層とは異なる材料組成を有し、
   前記第１の層中の前記第１の量子化正孔エネルギー準位が、軽い正孔状態か、あるいは重い正孔状態のいずれかであり、また、前記第２の層中の他の第１の量子化正孔エネルギー準位が、前記第１の層中の前記第１の量子化正孔エネルギー準位とは異なる正孔状態であり、
   前記第１の層がＩｎ _{１−ｘ−ｙ} Ａｌ _ｘ Ｇａ _ｙ Ａｓ（ｘ＝＞０、ｙ＞０）を含み、
   前記第２の層がＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ（ｘ＞０、ｙ＞０）を含み、
   前記第１の層が引張りによって、０．５％および２％を含むそれらの間でひずんでおり、
   前記第２の層が０．３％の引張りひずみと０．３％の圧縮ひずみの間でひずんでおり、
   「ｎ」個の第１の層および「ｎ±１」個の第２の層が存在する、ことを特徴とする光増幅器。
2. 前記利得媒体が、第１の光偏光のための第１のモード閉込め係数（ＭＣ１）および第２の光偏光のための第２のモード閉込め係数（ＭＣ２）を有し、
   ｉ） ＭＣ１と、前記第１の層の前記伝導帯中の前記第１の量子化電子エネルギー準位と前記第１の層の前記価電子帯中の前記第１の量子化正孔エネルギー準位の間の遷移からの利得との積が、
   ｉｉ） ＭＣ２と、前記第１の層の前記伝導帯中の前記第１の量子化電子エネルギー準位と前記第２の層の前記価電子帯中の前記他の第１の量子化正孔エネルギー準位の間の遷移からの利得との積の
   ２０％内で整合する、請求項１に記載の光増幅器。
3. 前記第２の層がＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ（０＜ｘ＜＝０．４、０＜ｙ＜０．６）を含む、請求項１または２に記載の光増幅器。
4. 前記第１の層がＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ（０＜＝ｘ＜＝０．４）（０＜ｙ＜０．６）を含む、請求項１から３の何れか１項に記載の光増幅器。
5. 前記利得媒体の幅が１μｍおよび５μｍを含むそれらの間である、請求項１から４のいずれか一項に記載の光増幅器。
6. 前記利得媒体の幅が１μｍおよび２μｍを含むそれらの間である、請求項１から５のいずれか一項に記載の光増幅器。
7. 前記利得媒体の厚さが０．１μｍおよび０．２μｍを含むそれらの間である、請求項１から６のいずれか一項に記載の光増幅器。
8. 前記第１の層の厚さが２ｎｍおよび１５ｎｍを含むそれらの間である、請求項１から７のいずれか一項に記載の光増幅器。
9. 前記第２の層の厚さが２ｎｍおよび１５ｎｍを含むそれらの間である、請求項１から８のいずれか一項に記載の光増幅器。
10. 前記第２の層の厚さが１０ｎｍ未満である、請求項１から９のいずれか一項に記載の光増幅器。
11. 利得媒体を備えたデバイスであって、前記利得媒体が、光利得を提供するための隣接する複数の半導体層を備え、
    前記隣接する複数の半導体層が、電子のための１つまたは複数の量子井戸を画定し、かつ、前記利得媒体中における直接電子−正孔遷移および間接電子−正孔遷移の両方を提供するように動作し、それにより、
    ｉ） 伝導帯中の第１の量子化電子エネルギー準位が第１の層中に位置し、
    ｉｉ） 価電子帯中の第１の量子化正孔エネルギー準位が前記第１の層中に位置し、
    ｉｉｉ） 前記価電子帯中の他の第１の量子化正孔エネルギー準位が隣接する第２の層中に位置し、また、前記第２の層が前記第１の層とは異なる材料組成を有し、
    前記第１の層中の前記第１の量子化正孔エネルギー準位が、軽い正孔状態か、あるいは重い正孔状態のいずれかであり、また、前記第２の層中の他の第１の量子化正孔エネルギー準位が、前記第１の層中の前記第１の量子化正孔エネルギー準位とは異なる正孔状態であり、また、
    前記第１の層がＩｎ _{１−ｘ−ｙ} Ａｌ _ｘ Ｇａ _ｙ Ａｓ（ｘ＝＞０、ｙ＞０）を含み、
    前記第２の層がＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ（ｘ＞０、ｙ＞０）を含み、
    前記第１の層が引張りによって、０．５％および２％を含むそれらの間でひずんでおり、
    前記第２の層が０．３％の引張りひずみと０．３％の圧縮ひずみの間でひずんでおり、
    「ｎ」個の第１の層および「ｎ±１」個の第２の層が存在する、ことを特徴とするデバイス。
12. 前記第２の層がＩｎ_{１−ｘ−ｙ}Ａｌ_ｘＧａ_ｙＡｓ（０＜ｘ＜＝０．４、０＜ｙ＜０．６）を含む、請求項１１に記載のデバイス。
13. 前記第１の層のうちの１つまたは複数、および前記第２の層のうちの１つまたは複数が、他の障壁層の間にはさまれた複合量子井戸を形成し、前記他の障壁層が前記複合量子井戸の第１および第２の層とは異なる材料組成を有する、請求項１１または１２に記載のデバイス。

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