JPH05206588A - 光学デバイス及び直列抵抗低減方法 - Google Patents
光学デバイス及び直列抵抗低減方法Info
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- JPH05206588A JPH05206588A JP29095292A JP29095292A JPH05206588A JP H05206588 A JPH05206588 A JP H05206588A JP 29095292 A JP29095292 A JP 29095292A JP 29095292 A JP29095292 A JP 29095292A JP H05206588 A JPH05206588 A JP H05206588A
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- H01S5/32—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
- H01S5/3211—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures characterised by special cladding layers, e.g. details on band-discontinuities
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 低抵抗の分布ブラッグリフレクタを実現する
こと。 【構成】 ２つの単一導電型を有するヘテロな半導体よ
りなる接合境界に発生する伝導帯あるいは価電子帯の不
連続は、このヘテロ界面の組成を徐々に変化させ、界面
領域を適切にドーピングすることにより除去できる。組
成が変化する接合境界の組成ポテンシャルと界面領域の
変調ドープによる界面双極子ポテンシャルは、それらが
互いに正確に補償し合うように選択される。界面の組成
の変化は、界面の各々の側に直接隣接する狭い領域の組
成を準２次関数的に変化させることにより実現される。
変調ドープは、構造の極性に依存して、２つの材料を適
切な不純物（伝導帯にはドナー、価電子帯にはアクセプ
タ）によってドープすることにより実現される。このこ
とにより周期的半導体多層構造における電気抵抗が低減
され、低抵抗の分布ブラッグリフレクタが実現される。
こと。 【構成】 ２つの単一導電型を有するヘテロな半導体よ
りなる接合境界に発生する伝導帯あるいは価電子帯の不
連続は、このヘテロ界面の組成を徐々に変化させ、界面
領域を適切にドーピングすることにより除去できる。組
成が変化する接合境界の組成ポテンシャルと界面領域の
変調ドープによる界面双極子ポテンシャルは、それらが
互いに正確に補償し合うように選択される。界面の組成
の変化は、界面の各々の側に直接隣接する狭い領域の組
成を準２次関数的に変化させることにより実現される。
変調ドープは、構造の極性に依存して、２つの材料を適
切な不純物（伝導帯にはドナー、価電子帯にはアクセプ
タ）によってドープすることにより実現される。このこ
とにより周期的半導体多層構造における電気抵抗が低減
され、低抵抗の分布ブラッグリフレクタが実現される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、表面発光レーザとして
用いられ得る半導体分布ブラッグリフレクタにおけるヘ
テロ接合バンド不連続にする方法とそのような構成の半
導体分布ブラッグリフレクタに関する。
用いられ得る半導体分布ブラッグリフレクタにおけるヘ
テロ接合バンド不連続にする方法とそのような構成の半
導体分布ブラッグリフレクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】光分布ブラッグリフレクタ（ＤＢＲ）
は、同一の導電型、すなわちｎ型、ｐ型、あるいは真
性、を有し、かつ相違する屈折率を有する２つの半導体
よりなる複数個の交互に繰り返される層よりなり、各々
の層は１／４波長に対応する光学的厚さを有し隣接する
層とは相違する屈折率を有している。ＤＢＲが、表面発
光レーザ（ＳＥＬｓ）あるいは表面発光ダイオードの場
合のように電流伝導に用いられると、ＤＢＲ自体のヘテ
ロ接合バンド不連続が電流を妨げてしまうが、これはＤ
ＢＲに係る非常に望ましくない付随する影響である。
は、同一の導電型、すなわちｎ型、ｐ型、あるいは真
性、を有し、かつ相違する屈折率を有する２つの半導体
よりなる複数個の交互に繰り返される層よりなり、各々
の層は１／４波長に対応する光学的厚さを有し隣接する
層とは相違する屈折率を有している。ＤＢＲが、表面発
光レーザ（ＳＥＬｓ）あるいは表面発光ダイオードの場
合のように電流伝導に用いられると、ＤＢＲ自体のヘテ
ロ接合バンド不連続が電流を妨げてしまうが、これはＤ
ＢＲに係る非常に望ましくない付随する影響である。
【０００３】表面発光レーザ（ＳＥＬｓ）は、微小な領
域よりなり、広がり角（ダイバージェンス）の小さな出
力光を得ることが可能であり、それ自体固有の単一縦モ
ードを有しており、端部発光レーザと同程度の閾値（ス
レッショルド）電流を実現することが可能であり、か
つ、プラナーテクノロジーによって作成可能であるとい
う点で魅力的である。一対（周期）が各々が低屈折率及
び高屈折率を有する化合物半導体層よりなる複数対の層
によって形成された１／４波長層の周期的積層構造を構
成するＤＢＲがＳＥＬｓにおいて用いられる。隣接層間
の屈折率差が高効率の光学的反射を実現する一方、エネ
ルギーギャップの差はＤＢＲ構造を構成している２つの
隣接する組成層間のヘテロ界面におけるポテンシャル障
壁を形成する界面不連続となる。多くの表面発光レーザ
構造における電流輸送はヘテロ接合障壁を横切るように
生ずるため、このポテンシャル障壁はＤＢＲ構造におけ
るキャリア伝導を妨げ、デバイスの温度上昇をもたらす
直列抵抗となり、レーザの性能を劣化させる。この直列
抵抗を低減するための試みが種々なされており、そのな
かには、ＤＢＲ構造のリニアグレーディング、ステップ
グレーディング、及び超格子グレーディングなどが含ま
れている。例えば、ケイ・タイ（Ｋ．Ｔａｉ）らによ
る、”表面発光レーザ用の不純物ドープ半導体分布ブラ
ッグリフレクタにおける直列抵抗の大幅な低減”という
表題のアプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）誌第５６巻第２５号（１９
９０年６月１８日）第２４９６−２４９８頁の記事；ア
ール・エス・ジールス（Ｒ．Ｓ．Ｇｅｅｌｓ）らによ
る、”低スレッショルド平面化垂直キャビティ表面発光
レーザ”という表題のアイ・トリプル・イー・フォトニ
クス・テクノロジー・レターズ（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏ
ｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ）誌
第２巻第４号（１９９０年４月）第２３４−２３６頁；
フェデリコ・キャパッソ（Ｆｅｄｅｒｉｃｏ Ｃａｐａ
ｓｓｏ）らによる、”不純物ドープ界面双極子：分子線
エピタキシーによるチューナブルヘテロ接合障壁高及び
バンド端不連続”という表題のアプライド・フィジック
ス・レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）誌第
４６巻第７号（１９８５年４月１日）第６６４−６６６
頁の記事及びエフ・キャパッソによる１９８８年１２月
２７日付けの米国特許第４，７９４，４４０号を参照。
域よりなり、広がり角（ダイバージェンス）の小さな出
力光を得ることが可能であり、それ自体固有の単一縦モ
ードを有しており、端部発光レーザと同程度の閾値（ス
レッショルド）電流を実現することが可能であり、か
つ、プラナーテクノロジーによって作成可能であるとい
う点で魅力的である。一対（周期）が各々が低屈折率及
び高屈折率を有する化合物半導体層よりなる複数対の層
によって形成された１／４波長層の周期的積層構造を構
成するＤＢＲがＳＥＬｓにおいて用いられる。隣接層間
の屈折率差が高効率の光学的反射を実現する一方、エネ
ルギーギャップの差はＤＢＲ構造を構成している２つの
隣接する組成層間のヘテロ界面におけるポテンシャル障
壁を形成する界面不連続となる。多くの表面発光レーザ
構造における電流輸送はヘテロ接合障壁を横切るように
生ずるため、このポテンシャル障壁はＤＢＲ構造におけ
るキャリア伝導を妨げ、デバイスの温度上昇をもたらす
直列抵抗となり、レーザの性能を劣化させる。この直列
抵抗を低減するための試みが種々なされており、そのな
かには、ＤＢＲ構造のリニアグレーディング、ステップ
グレーディング、及び超格子グレーディングなどが含ま
れている。例えば、ケイ・タイ（Ｋ．Ｔａｉ）らによ
る、”表面発光レーザ用の不純物ドープ半導体分布ブラ
ッグリフレクタにおける直列抵抗の大幅な低減”という
表題のアプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐ
ｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）誌第５６巻第２５号（１９
９０年６月１８日）第２４９６−２４９８頁の記事；ア
ール・エス・ジールス（Ｒ．Ｓ．Ｇｅｅｌｓ）らによ
る、”低スレッショルド平面化垂直キャビティ表面発光
レーザ”という表題のアイ・トリプル・イー・フォトニ
クス・テクノロジー・レターズ（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏ
ｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ）誌
第２巻第４号（１９９０年４月）第２３４−２３６頁；
フェデリコ・キャパッソ（Ｆｅｄｅｒｉｃｏ Ｃａｐａ
ｓｓｏ）らによる、”不純物ドープ界面双極子：分子線
エピタキシーによるチューナブルヘテロ接合障壁高及び
バンド端不連続”という表題のアプライド・フィジック
ス・レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）誌第
４６巻第７号（１９８５年４月１日）第６６４−６６６
頁の記事及びエフ・キャパッソによる１９８８年１２月
２７日付けの米国特許第４，７９４，４４０号を参照。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の試みは、ＤＢＲ内の同一導電型を有する２つの相違す
る材料間のヘテロ接合バンド不連続を除去することにつ
ながるものではない。それ故、最適化のプロセス、すな
わちＤＢＲにおけるヘテロ接合バンド不連続の除去、が
望まれている。
の試みは、ＤＢＲ内の同一導電型を有する２つの相違す
る材料間のヘテロ接合バンド不連続を除去することにつ
ながるものではない。それ故、最適化のプロセス、すな
わちＤＢＲにおけるヘテロ接合バンド不連続の除去、が
望まれている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明に従って、単一導
電型を有する２つの異種半導体の接合部において発生す
る伝導帯（コンダクションバンド）あるいは価電子帯
（バレンスバンド）の不連続が、ヘテロ界面の組成を徐
々に変化させかつ界面領域に適切に不純物をドープする
ことにより除去される。徐々に変化する接合部の組成に
よるポテンシャル及び界面領域を変調ドープすることに
より生成される界面双極子ポテンシャルは、互いに正確
に補償し合うように選択される。界面の組成勾配は、界
面の両端に直接隣接する狭い領域の組成を準２次曲線的
に変化させることにより実現される。変調ドープは、２
つの材料を、構造の極性に依存して、伝導帯に対してド
ナーあるいは価電子帯に対してアクセプター、というよ
うに適切なドーパントでドープすることにより実現され
る。このことにより、周期的半導体多層構造における電
気抵抗が低減され、低抵抗の分布ブラッグリフレクタが
実現される。
電型を有する２つの異種半導体の接合部において発生す
る伝導帯（コンダクションバンド）あるいは価電子帯
（バレンスバンド）の不連続が、ヘテロ界面の組成を徐
々に変化させかつ界面領域に適切に不純物をドープする
ことにより除去される。徐々に変化する接合部の組成に
よるポテンシャル及び界面領域を変調ドープすることに
より生成される界面双極子ポテンシャルは、互いに正確
に補償し合うように選択される。界面の組成勾配は、界
面の両端に直接隣接する狭い領域の組成を準２次曲線的
に変化させることにより実現される。変調ドープは、２
つの材料を、構造の極性に依存して、伝導帯に対してド
ナーあるいは価電子帯に対してアクセプター、というよ
うに適切なドーパントでドープすることにより実現され
る。このことにより、周期的半導体多層構造における電
気抵抗が低減され、低抵抗の分布ブラッグリフレクタが
実現される。
【０００６】
【実施例】図１は、表面発光レーザ（ＳＥＬ）１を模式
的に表した図である。明瞭に表すため、ＳＥＬの種々の
部分部分は必ずしもその大きさに対応して描かれている
わけではない。同様に、他の図において用いられている
相対的な大きさも正しいスケールではない。図１に示さ
れたＳＥＬは、底部から上方に、底部電極２、基板３、
底部ミラー４、バッファすなわち閉じ込め領域５、活性
領域６、バッファすなわち閉じ込め領域７、上部ミラー
８、及び上部電極９を有している。導電性層（図示せ
ず）が上部ミラーの上層と上部電極との間に配置される
場合もある。点線で示された各々の電極は、レーザから
のレーザ発光の方向に依存して、相違する配置をとり得
る。電極を除いて、ＳＥＬを構成している材料は、通常
ＩＩＩ−Ｖ族及びＩＩ−ＶＩ族化合物半導体と呼称され
るＩＩＩ族−Ｖ族及びＩＩ族−ＶＩ族化合物半導体に基
づく半導体から選択される。これらの化合物半導体に
は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、Ｇａ
ＩｎＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓ、及びＩｎＡｌＡｓが含まれ
る。
的に表した図である。明瞭に表すため、ＳＥＬの種々の
部分部分は必ずしもその大きさに対応して描かれている
わけではない。同様に、他の図において用いられている
相対的な大きさも正しいスケールではない。図１に示さ
れたＳＥＬは、底部から上方に、底部電極２、基板３、
底部ミラー４、バッファすなわち閉じ込め領域５、活性
領域６、バッファすなわち閉じ込め領域７、上部ミラー
８、及び上部電極９を有している。導電性層（図示せ
ず）が上部ミラーの上層と上部電極との間に配置される
場合もある。点線で示された各々の電極は、レーザから
のレーザ発光の方向に依存して、相違する配置をとり得
る。電極を除いて、ＳＥＬを構成している材料は、通常
ＩＩＩ−Ｖ族及びＩＩ−ＶＩ族化合物半導体と呼称され
るＩＩＩ族−Ｖ族及びＩＩ族−ＶＩ族化合物半導体に基
づく半導体から選択される。これらの化合物半導体に
は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、Ｇａ
ＩｎＡｓＰ、ＧａＡｌＡｓ、及びＩｎＡｌＡｓが含まれ
る。
【０００７】その設計に応じて、ＳＥＬの底部及び上部
ミラーの一方あるいは双方が１／４波長（λ／４ｎ）半
導体多層分布ブラッグリフレクタである。ここで、λは
レーザ光の真空中での波長であり、ｎは材料の屈折率で
ある。この様なミラーは、一対の層のうちの一方の層が
同一対に属する他方の層とは相違する屈折率を有する複
数個（周期）の半導体層対が互いに相異なる層に隣接す
るような順序で配列された、各々１／４波長厚を有する
ような複数個の半導体層によって形成される。上部ある
いは底部のもしくは双方のＤＢＲミラーは、各々対応す
る一方の導電型を有している。すなわち、各々のミラー
は単一導電型の組成を有している。例えば、図１に示し
ているＳＥＬがｎ型不純物がドープされたＧａＡｓより
なる基板３を有するＧａＡｓを用いて形成されたもので
あるならば、底部ミラー４はｎ型ＤＢＲミラーであり上
部ミラー８はｐ型ＤＢＲミラーである。ＩｎＰよりなる
ＳＥＬの場合には、反対の構造となる。
ミラーの一方あるいは双方が１／４波長（λ／４ｎ）半
導体多層分布ブラッグリフレクタである。ここで、λは
レーザ光の真空中での波長であり、ｎは材料の屈折率で
ある。この様なミラーは、一対の層のうちの一方の層が
同一対に属する他方の層とは相違する屈折率を有する複
数個（周期）の半導体層対が互いに相異なる層に隣接す
るような順序で配列された、各々１／４波長厚を有する
ような複数個の半導体層によって形成される。上部ある
いは底部のもしくは双方のＤＢＲミラーは、各々対応す
る一方の導電型を有している。すなわち、各々のミラー
は単一導電型の組成を有している。例えば、図１に示し
ているＳＥＬがｎ型不純物がドープされたＧａＡｓより
なる基板３を有するＧａＡｓを用いて形成されたもので
あるならば、底部ミラー４はｎ型ＤＢＲミラーであり上
部ミラー８はｐ型ＤＢＲミラーである。ＩｎＰよりなる
ＳＥＬの場合には、反対の構造となる。
【０００８】これらのミラーの各々は、同一ではない組
成及び同一ではない屈折率を有する層が互い違いに積層
されたものとして形成されており、２対から３０対の層
となっている。例えば、一対の層の内の一方の層がＧａ
Ａｓである場合には、他方の層はＡｌxＧａ1-xＡｓとな
る可能性がある。ここで、ｘは０より大きく１以下であ
る。積層されている層は同一の導電型を有しており、そ
のためＤＢＲはユニポーラ（単一導電型）構造をとる。
これらの層は隣接する他の層に対してはヘテロなもので
あり、隣接する層との間にヘテロ接合を構成する。これ
らの層は隣接する層とは相違するエネルギーバンドギャ
ップを有している。
成及び同一ではない屈折率を有する層が互い違いに積層
されたものとして形成されており、２対から３０対の層
となっている。例えば、一対の層の内の一方の層がＧａ
Ａｓである場合には、他方の層はＡｌxＧａ1-xＡｓとな
る可能性がある。ここで、ｘは０より大きく１以下であ
る。積層されている層は同一の導電型を有しており、そ
のためＤＢＲはユニポーラ（単一導電型）構造をとる。
これらの層は隣接する他の層に対してはヘテロなもので
あり、隣接する層との間にヘテロ接合を構成する。これ
らの層は隣接する層とは相違するエネルギーバンドギャ
ップを有している。
【０００９】ＤＢＲミラーの内の不完全な２対（周期）
分に対するエネルギーバンドギャップダイアグラムが図
２に示されている。材料Ａ（例えばＧａＡｓ）の伝導帯
エネルギー端（Ｅc A）、価電子帯エネルギー端（Ｅv A）
及びエネルギーバンドギャップ（Ｅg A）は、それぞれ材
料Ｂ（例えばＡｌＡｓ、ｘ＝１に対応）の伝導帯エネル
ギー端（Ｅc B）、価電子帯エネルギー端（Ｅv B）及びエ
ネルギーバンドギャップ（Ｅg B）よりはるかに小さい。
概して屈折率差にリニアに比例するエネルギーバンドギ
ャップ差（ΔＥg）により、ヘテロ界面におけるポテン
シャル障壁が形成される。ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ等のヘテ
ロ接合対における対応するエネルギーバンド及びエネル
ギーバンド差の大きさが図３に示されている。ヘテロ接
合を横断する方向の電荷担体輸送が２つの半導体”Ａ”
及び”Ｂ”、例えばＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、のバンド図を
表している図２に示されている。半導体”Ｂ”のバンド
ギャップが半導体”Ａ”のバンドギャップよりも大きい
ため、伝導帯及び価電子帯においてバンドの不連続が発
生している。ヘテロ接合障壁を横断する輸送は、図２に
模式的に示されているように、熱放出（曲がった矢印）
あるいはトンネリング（直線状の矢印）によって生ず
る。充分に厚くかつ高い障壁に関しては、トンネリング
及び熱放出は障壁を横断するための効率的な輸送機構で
はない。このことが直列抵抗を生じさせて温度上昇を招
き、レーザとしての性能を劣化させる。これらの結果
は、ｐ型不純物を用いた場合に特に顕著である。よっ
て、伝導帯あるいは価電子帯におけるこのようなヘテロ
接合バンド不連続を除去することが望ましい。
分に対するエネルギーバンドギャップダイアグラムが図
２に示されている。材料Ａ（例えばＧａＡｓ）の伝導帯
エネルギー端（Ｅc A）、価電子帯エネルギー端（Ｅv A）
及びエネルギーバンドギャップ（Ｅg A）は、それぞれ材
料Ｂ（例えばＡｌＡｓ、ｘ＝１に対応）の伝導帯エネル
ギー端（Ｅc B）、価電子帯エネルギー端（Ｅv B）及びエ
ネルギーバンドギャップ（Ｅg B）よりはるかに小さい。
概して屈折率差にリニアに比例するエネルギーバンドギ
ャップ差（ΔＥg）により、ヘテロ界面におけるポテン
シャル障壁が形成される。ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ等のヘテ
ロ接合対における対応するエネルギーバンド及びエネル
ギーバンド差の大きさが図３に示されている。ヘテロ接
合を横断する方向の電荷担体輸送が２つの半導体”Ａ”
及び”Ｂ”、例えばＧａＡｓ／ＡｌＡｓ、のバンド図を
表している図２に示されている。半導体”Ｂ”のバンド
ギャップが半導体”Ａ”のバンドギャップよりも大きい
ため、伝導帯及び価電子帯においてバンドの不連続が発
生している。ヘテロ接合障壁を横断する輸送は、図２に
模式的に示されているように、熱放出（曲がった矢印）
あるいはトンネリング（直線状の矢印）によって生ず
る。充分に厚くかつ高い障壁に関しては、トンネリング
及び熱放出は障壁を横断するための効率的な輸送機構で
はない。このことが直列抵抗を生じさせて温度上昇を招
き、レーザとしての性能を劣化させる。これらの結果
は、ｐ型不純物を用いた場合に特に顕著である。よっ
て、伝導帯あるいは価電子帯におけるこのようなヘテロ
接合バンド不連続を除去することが望ましい。
【００１０】本発明の発明者は、ヘテロ接合を変調ドー
プすると同時にヘテロ界面における半導体の組成を制御
性よく徐々に変化させることにより、ヘテロ接合不連続
性が克服されることを見いだした。本発明に従って、ヘ
テロ界面に隣接する２つの材料のある領域における組成
が、バンド端の各々が成長方向に関して２次関数的に変
化するように、徐々に変化させられる。２つの半導体”
Ａ”及び”Ｂ”が存在する場合、この２つの半導体間の
界面の組成は徐々に変化させられ得る、すなわち、この
界面は、バンドエネルギー端が組成Ａから組成Ｂに２次
関数的に変化するように組成ＡyＢ1ーyを有し得る。空間
的に変化する屈折率の基底フーリエ（Ｆｏｕｒｉｅｒ）
成分のみが光学的反射率を決定するため（エイチ・コー
ゲルニク（Ｈ．Ｋｏｇｅｌｎｉｋ）によるジャーナル・
オブ・アプライド・フィジックス（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏ
ｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）誌第４３巻第５
号第２３２７−２３３５頁（１９７２年５月）の”分布
帰還型レーザの結合波理論”という表題の論文を参
照）、組成の変化の型及び形態はＤＢＲの光学的性質を
著しくは変化させない。しかしながら、バンドギャップ
が組成に関してリニアに変化するため、組成を２次関数
的に徐々に変化させることはバンドギャップエネルギー
が２次関数的に変化することに対応する。ヘテロ接合の
バンド不連続は、当該ヘテロ接合の組成の変化に伴うポ
テンシャルの変化を正確に補償する不純物キャリア双極
子によってさらに除去される。界面領域は、ドーパント
／フリーキャリアによる静電ポテンシャルがヘテロ接合
の組成による”組み込み”ポテンシャルを正確に補償す
るようにドーピングされる。
プすると同時にヘテロ界面における半導体の組成を制御
性よく徐々に変化させることにより、ヘテロ接合不連続
性が克服されることを見いだした。本発明に従って、ヘ
テロ界面に隣接する２つの材料のある領域における組成
が、バンド端の各々が成長方向に関して２次関数的に変
化するように、徐々に変化させられる。２つの半導体”
Ａ”及び”Ｂ”が存在する場合、この２つの半導体間の
界面の組成は徐々に変化させられ得る、すなわち、この
界面は、バンドエネルギー端が組成Ａから組成Ｂに２次
関数的に変化するように組成ＡyＢ1ーyを有し得る。空間
的に変化する屈折率の基底フーリエ（Ｆｏｕｒｉｅｒ）
成分のみが光学的反射率を決定するため（エイチ・コー
ゲルニク（Ｈ．Ｋｏｇｅｌｎｉｋ）によるジャーナル・
オブ・アプライド・フィジックス（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏ
ｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）誌第４３巻第５
号第２３２７−２３３５頁（１９７２年５月）の”分布
帰還型レーザの結合波理論”という表題の論文を参
照）、組成の変化の型及び形態はＤＢＲの光学的性質を
著しくは変化させない。しかしながら、バンドギャップ
が組成に関してリニアに変化するため、組成を２次関数
的に徐々に変化させることはバンドギャップエネルギー
が２次関数的に変化することに対応する。ヘテロ接合の
バンド不連続は、当該ヘテロ接合の組成の変化に伴うポ
テンシャルの変化を正確に補償する不純物キャリア双極
子によってさらに除去される。界面領域は、ドーパント
／フリーキャリアによる静電ポテンシャルがヘテロ接合
の組成による”組み込み”ポテンシャルを正確に補償す
るようにドーピングされる。
【００１１】界面領域の組成は、２次関数的に変化する
ように指示される。組成の変化している領域は、組成Ａ
を有する層から組成Ｂを有する層までヘテロ接合の双方
の側のある厚さの領域に亘って延在している。ヘテロ界
面に隣接する各々の領域が、材料Ａの組成が材料Ａのあ
る厚さの領域内から界面へが準２次関数的に変化するよ
うに、そして材料Ｂの組成がその逆に界面から材料Ｂの
ある厚さの領域内へ準２次関数的に変化するように、準
２次関数的に徐々に変化させられる。
ように指示される。組成の変化している領域は、組成Ａ
を有する層から組成Ｂを有する層までヘテロ接合の双方
の側のある厚さの領域に亘って延在している。ヘテロ界
面に隣接する各々の領域が、材料Ａの組成が材料Ａのあ
る厚さの領域内から界面へが準２次関数的に変化するよ
うに、そして材料Ｂの組成がその逆に界面から材料Ｂの
ある厚さの領域内へ準２次関数的に変化するように、準
２次関数的に徐々に変化させられる。
【００１２】本発明の実施例においては、上部ミラーは
ｐ型の導電型を有するＧａＡｓ及びＡｌＡｓが互い違い
に積層されたものである。屈折率３．５及び１．４２ｅ
ＶのＥgを有するＧａＡｓは６００から７００オングス
トローム厚に堆積され、屈折率２．９及び２．９ｅＶの
Ｅgを有するＡｌＡｓは７００から８００オングストロ
ーム厚に堆積される。ヘテロ接合の両側の５０から５０
０オングストローム厚の領域の組成が、ＧａＡｓから開
始してＡｌＡｓとなるように準２次関数的に徐々に変化
させられる。よって、組成が変化させられている領域に
おいてはＧａ1ーxＡｌxＡｓ（ｘは０から１まで変化す
る）という組成を有することになる。Ｇａ1ーxＡｌxＡｓ
という組成は、ＧａＡｓ側ではｘ＝０から始まり、準２
次関数的に変化して界面においてｘ＝０．５となり、逆
向きの準２次関数的に変化してｘ＝１（ＡｌＡｓ）とな
る。ある場合には、２つの半導体が始めから３元以上の
成分を有しており、各々の組成が他の組成の一部をわず
かに含んでいる場合がある。例えば、ＧａＡｓ層がＡｌ
をｘが０から０．３０の間にあるように含んでいる場合
があり（Ａｌ0-0.30Ｇａ1.0-0.70Ａｓ）、ＡｌＡｓ層が
ｘが１から０．７０の間にあるように０から０．３０の
割合のＧａを含むことも有り得る（例えばＧａ 0-0.30Ａ
ｌ1.0-0.70Ａｓ）。このような場合には、一方の材料
（Ａ）はＡｌ0.10Ｇａ0.90Ａｓでありかつ他方の材料
（Ｂ）がＡｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓであるならば、組成の変
化はｘ＝０．１０とｘ＝０．９５との間で起こることに
なる。
ｐ型の導電型を有するＧａＡｓ及びＡｌＡｓが互い違い
に積層されたものである。屈折率３．５及び１．４２ｅ
ＶのＥgを有するＧａＡｓは６００から７００オングス
トローム厚に堆積され、屈折率２．９及び２．９ｅＶの
Ｅgを有するＡｌＡｓは７００から８００オングストロ
ーム厚に堆積される。ヘテロ接合の両側の５０から５０
０オングストローム厚の領域の組成が、ＧａＡｓから開
始してＡｌＡｓとなるように準２次関数的に徐々に変化
させられる。よって、組成が変化させられている領域に
おいてはＧａ1ーxＡｌxＡｓ（ｘは０から１まで変化す
る）という組成を有することになる。Ｇａ1ーxＡｌxＡｓ
という組成は、ＧａＡｓ側ではｘ＝０から始まり、準２
次関数的に変化して界面においてｘ＝０．５となり、逆
向きの準２次関数的に変化してｘ＝１（ＡｌＡｓ）とな
る。ある場合には、２つの半導体が始めから３元以上の
成分を有しており、各々の組成が他の組成の一部をわず
かに含んでいる場合がある。例えば、ＧａＡｓ層がＡｌ
をｘが０から０．３０の間にあるように含んでいる場合
があり（Ａｌ0-0.30Ｇａ1.0-0.70Ａｓ）、ＡｌＡｓ層が
ｘが１から０．７０の間にあるように０から０．３０の
割合のＧａを含むことも有り得る（例えばＧａ 0-0.30Ａ
ｌ1.0-0.70Ａｓ）。このような場合には、一方の材料
（Ａ）はＡｌ0.10Ｇａ0.90Ａｓでありかつ他方の材料
（Ｂ）がＡｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓであるならば、組成の変
化はｘ＝０．１０とｘ＝０．９５との間で起こることに
なる。
【００１３】ＤＢＲ積層構造の作製において、各々の層
は、通常、公知の技術である分子線エピタキシー（ＭＢ
Ｅ）を用いて堆積される。通常、ＧａＡｓ及びＡｌＡｓ
層は、希望する材料を含む炉の前に交互にシャッターを
配置することにより堆積される。エイ・シー・ジョサー
ド（Ａ．Ｃ．Ｇｏｓｓａｒｄ）らによって用いられた技
法が、本発明に係る、ヘテロ界面領域の準２次関数的組
成変化の生成に関して用いられた。エイ・シー・ジョサ
ードらによるサーフェス・サイエンス（Ｓｕｒｆａｃｅ
Ｓｃｉｅｎｃｅ）誌第１７４巻第１３１−１３５頁
（ノースホランド（Ｎｏｒｔｈ Ｈｏｌｌａｎｄ）社、
アムステルダム、１９８６年）の”特別な形状を有する
量子井戸のＭＢＥ成長及びエネルギーレベル”という表
題の記事を参照。ジョサードはコンピュータ制御パルス
ＭＢＥを用いて多層井戸中の単一井戸の半２次関数的組
成変化を生成した。この例においては、パルスＭＢＥ
が、２つの材料Ａ（例えばＧａＡｓ）及びＢ（例えばＡ
ｌＡｓ）の間のヘテロ界面に隣接する各々の狭い領域の
準２次関数的及び反転させられた準２次関数的組成変化
を実現するために用いられた。この際、反転ポイントは
ヘテロ界面の中点におかれた。ヘテロ界面領域の２次関
数的組成変化を実現するために、ＧａＡｓが堆積されて
いる間、Ａｌに対するシャッターが、組成がｘ＝０から
（界面における）ｘ＝０．５まで準２次関数的に変化す
るよう、比例配分された時間間隔毎に開放された。ヘテ
ロ界面に達した時点でＡｌＡｓのデポジションが、反転
された準２次関数的組成変化を実現するように開始され
た。ＡｌＡｓのデポジションの際、Ｇａに対するシャッ
ターが比例配分された時間間隔毎に閉じられ、Ａｌの成
分比が０．５から１に変化する一方、Ｇａの成分比が
０．５から（ｘ＝０．５に対応）ゼロ（ｘ＝１に対応）
に変化した。その結果、図３に模式的に示されているよ
うに、２次関数的に変化する組成を有する領域が実現さ
れた。あるいは、このような２次関数的組成変化は、一
定のデポジションレートを有するＭＢＥ成長の間、Ａｌ
及びＧａの吹き出しセル（ｅｆｆｕｓｉｏｎ ｃｅｌ
ｌ）の温度を調節することにより実現され得る。
は、通常、公知の技術である分子線エピタキシー（ＭＢ
Ｅ）を用いて堆積される。通常、ＧａＡｓ及びＡｌＡｓ
層は、希望する材料を含む炉の前に交互にシャッターを
配置することにより堆積される。エイ・シー・ジョサー
ド（Ａ．Ｃ．Ｇｏｓｓａｒｄ）らによって用いられた技
法が、本発明に係る、ヘテロ界面領域の準２次関数的組
成変化の生成に関して用いられた。エイ・シー・ジョサ
ードらによるサーフェス・サイエンス（Ｓｕｒｆａｃｅ
Ｓｃｉｅｎｃｅ）誌第１７４巻第１３１−１３５頁
（ノースホランド（Ｎｏｒｔｈ Ｈｏｌｌａｎｄ）社、
アムステルダム、１９８６年）の”特別な形状を有する
量子井戸のＭＢＥ成長及びエネルギーレベル”という表
題の記事を参照。ジョサードはコンピュータ制御パルス
ＭＢＥを用いて多層井戸中の単一井戸の半２次関数的組
成変化を生成した。この例においては、パルスＭＢＥ
が、２つの材料Ａ（例えばＧａＡｓ）及びＢ（例えばＡ
ｌＡｓ）の間のヘテロ界面に隣接する各々の狭い領域の
準２次関数的及び反転させられた準２次関数的組成変化
を実現するために用いられた。この際、反転ポイントは
ヘテロ界面の中点におかれた。ヘテロ界面領域の２次関
数的組成変化を実現するために、ＧａＡｓが堆積されて
いる間、Ａｌに対するシャッターが、組成がｘ＝０から
（界面における）ｘ＝０．５まで準２次関数的に変化す
るよう、比例配分された時間間隔毎に開放された。ヘテ
ロ界面に達した時点でＡｌＡｓのデポジションが、反転
された準２次関数的組成変化を実現するように開始され
た。ＡｌＡｓのデポジションの際、Ｇａに対するシャッ
ターが比例配分された時間間隔毎に閉じられ、Ａｌの成
分比が０．５から１に変化する一方、Ｇａの成分比が
０．５から（ｘ＝０．５に対応）ゼロ（ｘ＝１に対応）
に変化した。その結果、図３に模式的に示されているよ
うに、２次関数的に変化する組成を有する領域が実現さ
れた。あるいは、このような２次関数的組成変化は、一
定のデポジションレートを有するＭＢＥ成長の間、Ａｌ
及びＧａの吹き出しセル（ｅｆｆｕｓｉｏｎ ｃｅｌ
ｌ）の温度を調節することにより実現され得る。
【００１４】２次関数的組成変化は、図３に示されてい
るようなバンドダイアグラムを実現する。この構造は、
ヘテロ接合を形成している２つの元々の材料の間の急峻
なバンド不連続をなだらかにしてはいるが、電子及び正
孔の自由な運動を妨げるものが依然として存在してい
る。これらは、バンドエッジのいずれか一方を適切な不
純物により調節することによってさらに改良され得る。
Ｓｉ、Ｓｎ及びＴｅの内から選択されたドナー不純物及
びＢｅ、Ｃ、Ｍｇ及びＺｎの内から選択されたアクセプ
タ不純物が前記適切な不純物として用いられ得る。他の
不純物も用いられ得るがそれらは当業者には公知であ
る。ＤＢＲの材料としてｐ型の導電型を有する半導体が
用いられた場合には、このことは、双方の材料の組成が
変化させられている領域の不純物濃度を、ヘテロ界面の
両側の２つの組成が変化させられている領域の内の一方
にアクセプタ不純物をドープし他方をドープされない状
態にしておく、というように、適切なアクセプタ不純物
によって変調することにより実現される。
るようなバンドダイアグラムを実現する。この構造は、
ヘテロ接合を形成している２つの元々の材料の間の急峻
なバンド不連続をなだらかにしてはいるが、電子及び正
孔の自由な運動を妨げるものが依然として存在してい
る。これらは、バンドエッジのいずれか一方を適切な不
純物により調節することによってさらに改良され得る。
Ｓｉ、Ｓｎ及びＴｅの内から選択されたドナー不純物及
びＢｅ、Ｃ、Ｍｇ及びＺｎの内から選択されたアクセプ
タ不純物が前記適切な不純物として用いられ得る。他の
不純物も用いられ得るがそれらは当業者には公知であ
る。ＤＢＲの材料としてｐ型の導電型を有する半導体が
用いられた場合には、このことは、双方の材料の組成が
変化させられている領域の不純物濃度を、ヘテロ界面の
両側の２つの組成が変化させられている領域の内の一方
にアクセプタ不純物をドープし他方をドープされない状
態にしておく、というように、適切なアクセプタ不純物
によって変調することにより実現される。
【００１５】図７から図７には、アクセプタ不純物を有
するヘテロ接合の価電子帯の一部の変調ドープの様子が
模式的に示されている。自由キャリアはドープされてい
ない領域に拡散していき、そこに隣接して自由キャリア
の欠乏した領域が残る。自由キャリアがその親不純物か
ら分離することによって電気的双極子が生成され、当該
双極子は図７に示されているように価電子帯を平坦化す
る。組成及び双極子の変化の結果、図１１に示されてい
るようにＥc曲線は滑らかになり、Ｅv曲線は平坦とな
る。同様の、しかし反転された効果は伝導帯をドナー不
純物によってドープすることによっても実現可能であ
る。
するヘテロ接合の価電子帯の一部の変調ドープの様子が
模式的に示されている。自由キャリアはドープされてい
ない領域に拡散していき、そこに隣接して自由キャリア
の欠乏した領域が残る。自由キャリアがその親不純物か
ら分離することによって電気的双極子が生成され、当該
双極子は図７に示されているように価電子帯を平坦化す
る。組成及び双極子の変化の結果、図１１に示されてい
るようにＥc曲線は滑らかになり、Ｅv曲線は平坦とな
る。同様の、しかし反転された効果は伝導帯をドナー不
純物によってドープすることによっても実現可能であ
る。
【００１６】２次関数的に組成が変化させられたヘテロ
接合の変調ドープにより、平坦なバンド端ポテンシャル
が生成される。単一のヘテロ接合における２次関数的に
組成が変化させられた価電子帯バンド端のバンドダイア
グラムが図４に拡大して示されている。価電子帯端のエ
ネルギーは、点ｚ1と点ｚ2との間においては負の２次導
関数を有して２次関数的に増大する。バンド端は、ｚ2
とｚ3との間においては正の導関数を有して２次関数的
にさらに増大する。価電子帯端のエネルギーは
接合の変調ドープにより、平坦なバンド端ポテンシャル
が生成される。単一のヘテロ接合における２次関数的に
組成が変化させられた価電子帯バンド端のバンドダイア
グラムが図４に拡大して示されている。価電子帯端のエ
ネルギーは、点ｚ1と点ｚ2との間においては負の２次導
関数を有して２次関数的に増大する。バンド端は、ｚ2
とｚ3との間においては正の導関数を有して２次関数的
にさらに増大する。価電子帯端のエネルギーは
【数１】 のように表されうる。ここで、α（ｚ2−ｚ1）2＝α
（ｚ3−ｚ2）2＝０．５ΔＥvであり、ｚは構造の光学軸
にそった空間座標である。領域ｚ2≦ｚ≦ｚ3が濃度ＮA
のアクセプタ不純物によってドープされている場合に
は、ホールは接合の低エネルギー側、すなわち領域ｚ1
≦ｚ≦ｚ2に移動する。平坦な価電子帯を実現するため
に、ドープ濃度ＮAは、空乏ポテンシャルがヘテロ接合
の不連続の半分と等しくなるよう、すなわち０．５ΔＥ
v＝ｅ2ＮA（ｚ3−ｚ2）2／２εとなるように選択され
る。ここで、ｅは電子の電荷、εは半導体の誘電率、そ
してＮAはドープされた領域におけるねらい目のアクセ
プタ濃度である。組成が変化させられた領域（ｚ3−
ｚ2）の与えられた厚さ及び与えられた材料系に対し
て、前述の式を用いることにより平坦なバンド端を実現
するドープ濃度を決定することが可能となる。すなわ
ち、空乏化されたアクセプタ層の空乏ポテンシャルはヘ
テロ接合の組成による組み込みポテンシャルを正確に補
償する。
（ｚ3−ｚ2）2＝０．５ΔＥvであり、ｚは構造の光学軸
にそった空間座標である。領域ｚ2≦ｚ≦ｚ3が濃度ＮA
のアクセプタ不純物によってドープされている場合に
は、ホールは接合の低エネルギー側、すなわち領域ｚ1
≦ｚ≦ｚ2に移動する。平坦な価電子帯を実現するため
に、ドープ濃度ＮAは、空乏ポテンシャルがヘテロ接合
の不連続の半分と等しくなるよう、すなわち０．５ΔＥ
v＝ｅ2ＮA（ｚ3−ｚ2）2／２εとなるように選択され
る。ここで、ｅは電子の電荷、εは半導体の誘電率、そ
してＮAはドープされた領域におけるねらい目のアクセ
プタ濃度である。組成が変化させられた領域（ｚ3−
ｚ2）の与えられた厚さ及び与えられた材料系に対し
て、前述の式を用いることにより平坦なバンド端を実現
するドープ濃度を決定することが可能となる。すなわ
ち、空乏化されたアクセプタ層の空乏ポテンシャルはヘ
テロ接合の組成による組み込みポテンシャルを正確に補
償する。
【００１７】２次関数的に変調ドープされた量子井戸に
より、２次関数的に組成が変化させられた量子井戸にお
ける空間的に一定の電子濃度が実現される。この一定の
電子濃度は、既に実験的及び自己無撞着な量子力学的計
算によって理論的に例示されてきている。例えば、エム
・サンダラム（Ｍ．Ｓｕｎｄａｒａｍ）らによるジャー
ナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊｏｕｒｎａ
ｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）誌第６９
巻第４号第２３７０−２３７５頁（１９９１年２月１５
日）の”変調ドープ組成変化構造：成長及び特徴付け”
という表題の論文を参照。電子濃度はそれ自体平坦なバ
ンド端が得られるように調節される。よって、図５及び
図６に示されているアクセプタ及びホールの分布は組み
込みポテンシャルを補償し、図７に示されているような
平坦な価電子帯端を実現する。ここで、多数キャリアの
濃度はｚ1とｚ2におけるスクリーニング距離と共に指数
関数的に減少し、残留変調の原因となる。さらに、フェ
ルミ（Ｆｅｒｍｉ）準位は構造全体に亘って一定であ
り、空間的に変化する電子濃度を考慮すると伝導帯端が
わずかに変調されていることになる。自己無撞着なバン
ドダイアグラム計算により、この残留変調が実際に非常
に小さいことがわかっている。
より、２次関数的に組成が変化させられた量子井戸にお
ける空間的に一定の電子濃度が実現される。この一定の
電子濃度は、既に実験的及び自己無撞着な量子力学的計
算によって理論的に例示されてきている。例えば、エム
・サンダラム（Ｍ．Ｓｕｎｄａｒａｍ）らによるジャー
ナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊｏｕｒｎａ
ｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ）誌第６９
巻第４号第２３７０−２３７５頁（１９９１年２月１５
日）の”変調ドープ組成変化構造：成長及び特徴付け”
という表題の論文を参照。電子濃度はそれ自体平坦なバ
ンド端が得られるように調節される。よって、図５及び
図６に示されているアクセプタ及びホールの分布は組み
込みポテンシャルを補償し、図７に示されているような
平坦な価電子帯端を実現する。ここで、多数キャリアの
濃度はｚ1とｚ2におけるスクリーニング距離と共に指数
関数的に減少し、残留変調の原因となる。さらに、フェ
ルミ（Ｆｅｒｍｉ）準位は構造全体に亘って一定であ
り、空間的に変化する電子濃度を考慮すると伝導帯端が
わずかに変調されていることになる。自己無撞着なバン
ドダイアグラム計算により、この残留変調が実際に非常
に小さいことがわかっている。
【００１８】２０対の１／４波長厚ｐ型ＡｌＡｓ／Ａｌ
0.14Ｇａ0.86Ａｓよりなる分布ブラッグリフレクタが、
ＭＢＥによりｎ+型ＧａＡｓの（００１）基板上に成長
された。いくつかの試料のヘテロ界面領域は、急峻であ
ったり、階段状に組成が変化させられていたり、２次関
数的に組成が変化させられていたりした。２次関数的に
組成が変化させられていた領域も変調ドープされた。組
成が変化させられた領域の総厚みは３５０オングストロ
ームであり、ドープされた不純物の濃度は１−５×１０
18ｃｍー3であった。当該リフレクタの光反射スペクトル
は、８５０ｎｍを中心として良好な（＞９９％）反射率
を示した。２次関数的な組成変化は、毎時間あたり０．
３μｍという一定のデポジションレートのもと、Ａｌ及
びＧａの吹き出しセルの温度を分子線エピタキシャル成
長中に調節することにより実現された。
0.14Ｇａ0.86Ａｓよりなる分布ブラッグリフレクタが、
ＭＢＥによりｎ+型ＧａＡｓの（００１）基板上に成長
された。いくつかの試料のヘテロ界面領域は、急峻であ
ったり、階段状に組成が変化させられていたり、２次関
数的に組成が変化させられていたりした。２次関数的に
組成が変化させられていた領域も変調ドープされた。組
成が変化させられた領域の総厚みは３５０オングストロ
ームであり、ドープされた不純物の濃度は１−５×１０
18ｃｍー3であった。当該リフレクタの光反射スペクトル
は、８５０ｎｍを中心として良好な（＞９９％）反射率
を示した。２次関数的な組成変化は、毎時間あたり０．
３μｍという一定のデポジションレートのもと、Ａｌ及
びＧａの吹き出しセルの温度を分子線エピタキシャル成
長中に調節することにより実現された。
【００１９】組成が２次関数的に変化している様子は、
図８の、２次関数的に組成が変化させられたＡｌＡｓ／
ＡｌＧａＡｓリフレクタのオージェプロファイルを示し
たオージェ電子スペクトロスコピーによって確認され
る。Ａｌ及びＧａのオージェ電子信号は、２次関数的な
遷移を示している。遷移領域においてはＡｌ及びＧａ信
号の不連続あるいはキンクは見られず、良好に制御され
たプロファイルを形成するための、シャッターによって
制御された組成変化法の代替法としての連続的な組成変
化法の適切さを示している。
図８の、２次関数的に組成が変化させられたＡｌＡｓ／
ＡｌＧａＡｓリフレクタのオージェプロファイルを示し
たオージェ電子スペクトロスコピーによって確認され
る。Ａｌ及びＧａのオージェ電子信号は、２次関数的な
遷移を示している。遷移領域においてはＡｌ及びＧａ信
号の不連続あるいはキンクは見られず、良好に制御され
たプロファイルを形成するための、シャッターによって
制御された組成変化法の代替法としての連続的な組成変
化法の適切さを示している。
【００２０】本発明に従って形成されたｐ型ＧａＡｓ／
ＡｌＧａＡｓヘテロ接合の計算されたバンドダイアグラ
ム及び自由キャリア濃度がそれぞれ図９及び図１０に示
されている。自己無撞着計算により、価電子帯の不連続
は効果的に除去されていることが示される。自由ホール
及びアクセプタの分布は、組成が変化させられかつドー
プされた領域は自由ホールが欠乏しており、自由キャリ
アが組成が変化させられた界面領域のドープされていな
い領域に移動してしまっていることを示している。価電
子帯端の残留変調は２８ｍｅＶであり、これは空乏領域
におけるホール濃度の空間的な変化によるものである。
しかしながら、この残留変調は、空乏領域におけるドー
プ濃度を増加させることによってさらに減少させられ得
る。
ＡｌＧａＡｓヘテロ接合の計算されたバンドダイアグラ
ム及び自由キャリア濃度がそれぞれ図９及び図１０に示
されている。自己無撞着計算により、価電子帯の不連続
は効果的に除去されていることが示される。自由ホール
及びアクセプタの分布は、組成が変化させられかつドー
プされた領域は自由ホールが欠乏しており、自由キャリ
アが組成が変化させられた界面領域のドープされていな
い領域に移動してしまっていることを示している。価電
子帯端の残留変調は２８ｍｅＶであり、これは空乏領域
におけるホール濃度の空間的な変化によるものである。
しかしながら、この残留変調は、空乏領域におけるドー
プ濃度を増加させることによってさらに減少させられ得
る。
【００２１】Ｂｅによって変調ドープされた２次関数的
に組成が変化させられた構造及び階段状に組成が変化さ
せられた構造についての電流−電圧特性が図１２に示さ
れている。これらの構造の直列抵抗は電流が５ｍＡとな
る点で評価された。変調ドープされた２次関数的に組成
が変化させられた構造及び階段状に組成が変化させられ
た構造に対する抵抗はそれぞれ９８Ω（曲線ａ）及び１
８５Ω（曲線ｂ）と見積もられた。この実験結果は、変
調ドープされた２次関数的に組成が変化させられた構造
の抵抗が著しく改善されていることを明示している。Ａ
ｌＡｓにおいてより速く拡散するようなＢｅ以外の不純
物をドープするあるいは他のＩＩＩ−Ｖ族化合物を用い
ることによりさらに改善されることが期待される。
に組成が変化させられた構造及び階段状に組成が変化さ
せられた構造についての電流−電圧特性が図１２に示さ
れている。これらの構造の直列抵抗は電流が５ｍＡとな
る点で評価された。変調ドープされた２次関数的に組成
が変化させられた構造及び階段状に組成が変化させられ
た構造に対する抵抗はそれぞれ９８Ω（曲線ａ）及び１
８５Ω（曲線ｂ）と見積もられた。この実験結果は、変
調ドープされた２次関数的に組成が変化させられた構造
の抵抗が著しく改善されていることを明示している。Ａ
ｌＡｓにおいてより速く拡散するようなＢｅ以外の不純
物をドープするあるいは他のＩＩＩ−Ｖ族化合物を用い
ることによりさらに改善されることが期待される。
【００２２】以上の説明は、本発明の一実施例に関する
もので，この技術分野の当業者であれば、本発明の種々
の変形例が考え得るが、それらはいずれも本発明の技術
的範囲に包含される。
もので，この技術分野の当業者であれば、本発明の種々
の変形例が考え得るが、それらはいずれも本発明の技術
的範囲に包含される。
【００２３】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、ヘ
テロ接合におけるバンド不連続を著しく低減したＤＢＲ
構造が実現される。
テロ接合におけるバンド不連続を著しく低減したＤＢＲ
構造が実現される。
【図１】２つの分布ブラッグリフレクタ（ＤＢＲ）ミラ
ーを有する通常の表面発光レーザを模式的に示した図。
ーを有する通常の表面発光レーザを模式的に示した図。
【図２】通常のＤＢＲにおける不完全な２対の層（周
期）に対するエネルギーバンドダイアグラムを模式的に
示した図。
期）に対するエネルギーバンドダイアグラムを模式的に
示した図。
【図３】組成が２次関数的に変化させられた場合の図２
のエネルギーバンドダイアグラムを模式的に示した図。
のエネルギーバンドダイアグラムを模式的に示した図。
【図４】一つのヘテロ接合の組成が徐々に変化させられ
た界面におけるビルトイン（組み込み）ポテンシャルを
拡大して模式的に示した図。
た界面におけるビルトイン（組み込み）ポテンシャルを
拡大して模式的に示した図。
【図５】図４の組成が徐々に変化させられたヘテロ界面
の一つの領域のアクセプタプロファイルを模式的に示し
た図。
の一つの領域のアクセプタプロファイルを模式的に示し
た図。
【図６】図５に示されたアクセプタドーピングにより生
ずる正孔の分布を模式的に示した図。
ずる正孔の分布を模式的に示した図。
【図７】図５及び図６に示された組成による組み込みポ
テンシャルとドーピング双極子ポテンシャルとの補償の
結果生ずる平坦な価電子帯端を模式的に示した図。
テンシャルとドーピング双極子ポテンシャルとの補償の
結果生ずる平坦な価電子帯端を模式的に示した図。
【図８】２次関数的に組成を変化させた界面領域を有す
るＧａＡｓ／ＡｌＡｓ多層構造のオージェ電子スペクト
ロスコピー（ＡＥＳ）を模式的に示した図。
るＧａＡｓ／ＡｌＡｓ多層構造のオージェ電子スペクト
ロスコピー（ＡＥＳ）を模式的に示した図。
【図９】バンド不連続全体が伝導帯内に局在化させられ
ている、ｐ型の不純物が変調ドープされ２次関数的に組
成が変化させられたＧａＡｓ／ＡｌＡｓヘテロ接合の計
算されたバンドダイアグラムを模式的に示した図。
ている、ｐ型の不純物が変調ドープされ２次関数的に組
成が変化させられたＧａＡｓ／ＡｌＡｓヘテロ接合の計
算されたバンドダイアグラムを模式的に示した図。
【図１０】図９に示されたヘテロ接合構造のホール及び
アクセプタ分布を模式的に示した図。
アクセプタ分布を模式的に示した図。
【図１１】バンド不連続全体が伝導帯内に局在化させら
れている、ｐ型の不純物が変調ドープされ２次関数的に
組成が変化させられた図２及び図３に示されたヘテロ接
合のバンドダイアグラムを模式的に示した図。
れている、ｐ型の不純物が変調ドープされ２次関数的に
組成が変化させられた図２及び図３に示されたヘテロ接
合のバンドダイアグラムを模式的に示した図。
【図１２】２０周期のｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＡｓＤＢＲを
有するｐｎ接合ダイオードの電流−電圧特性を変調ドー
プ及び組成の２次関数的変化を用いた試料（曲線ａ）及
び従来技術に係る単一階段状組成変化を用いた試料（曲
線ｂ）に関してプロットした図。
有するｐｎ接合ダイオードの電流−電圧特性を変調ドー
プ及び組成の２次関数的変化を用いた試料（曲線ａ）及
び従来技術に係る単一階段状組成変化を用いた試料（曲
線ｂ）に関してプロットした図。
１ 表面発光レーザ ２ 底部電極 ３ 基板 ４ 底部ミラー ５ バッファ層 ６ 活性領域 ７ バッファ層 ８ 上部ミラー ９ 上部電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アードマン フレデリック シューベルト アメリカ合衆国 07974 ニュージャージ ー ニュープロヴィデンス、ウッドランド ロード 70 (72)発明者 リ−ウェイ テュ アメリカ合衆国 07090 ニュージャージ ー ウエストフィールド、ファーストフロ ア、プロスペクト ストリート 253 (72)発明者 ジョージ ジョン ジドジック アメリカ合衆国 07832 ニュージャージ ー コロンビア、ルート １
Claims (12)
- 【請求項１】 互い違いに積層された複数個の半導体層
対よりなる少なくとも一つの多層分布ブラッグリフレク
タ（ＤＢＲ）ミラーを有する光学デバイスにおいて、 前記各々の半導体層対の内の一つの層は当該層対の他方
の層の屈折率とは相違する屈折率を有しており、 隣接する全ての２層はヘテロ接合を形成しており、前記
隣接する２層の内の一方は第一の組成と第一のバンドギ
ャップを有し、前記隣接する２層の内の他方は第二の組
成と第二のバンドギャップを有しており、前記第二のバ
ンドギャップは前記第一のバンドギャップよりも大き
く、 各々のヘテロ接合の両側の領域においてその組成が一方
の層の組成で始まって他方の層の組成で終わるように準
２次関数的に徐々に変化しており、各々のヘテロ接合の
前記領域の内の選択された一方の領域が不純物によって
選択ドープされて電気的双極子が形成され、これにより
伝導帯Ｅc及び価電子帯Ｅvの内の一方が平滑化され、他
方が平坦化していることを特徴とする光学デバイス。 - 【請求項２】 前記変調された不純物濃度が、前記ヘテ
ロ接合の内の広バンドギャップ側の領域をドープし、狭
バンドギャップ側の領域をドープしないことによって形
成されることを特徴とする請求項１の光学デバイス。 - 【請求項３】 前記不純物がアクセプタであり、Ｅcを
平滑化してＥvが平坦化していることを特徴とする請求
項２の光学デバイス。 - 【請求項４】 前記不純物がドナーであり、Ｅvを平滑
化してＥcが平坦化していることを特徴とする請求項２
の光学デバイス。 - 【請求項５】 ＭＢＥ法により前記ＤＢＲの各層が堆積
され、 前記ヘテロ接合に隣接する前記領域の組成が準２次関数
的に変化していることを特徴とする請求項１の光学デバ
イス。 - 【請求項６】 前記デバイスが表面発光レーザであり、 前記ＤＢＲミラーがｐ型の単一導電型材料よりなり、 伝導帯Ｅcを平滑化して価電子帯Ｅvが平坦であり、 当該ＤＢＲミラー構造には、組成が変化または変調して
いない構造と比較してミラー部の抵抗が小さいことを特
徴とする請求項１の光学デバイス。 - 【請求項７】 互い違いに積層された複数個の半導体層
対を有する単一導電型構造を横断して流れる電流に対す
る電気抵抗を低減する方法において、 前記各々の半導体層対の内の一つの層は当該層対の他方
の層の屈折率とは相違する屈折率を有しており、隣接す
る全ての２層はヘテロ接合を形成しており、前記隣接す
る２層の内の一方は第一の組成と第一のバンドギャップ
を有し前記隣接する２層の内の他方は、第二の組成と第
二のバンドギャップを有しており、前記第二のバンドギ
ャップは前記第一のバンドギャップよりも大きく、 伝導帯Ｅc及び価電子帯Ｅvの内の一方が平滑化されかつ
他方が平坦化されるように各々のヘテロ接合の両側の領
域においてその組成を一方の層の組成で始まって他方の
層の組成で終わるように準２次関数的に徐々に変化さ
せ、かつ電気的双極子が形成されるように各々のヘテロ
接合の前記領域の内の選択された一方の領域が不純物に
よって選択ドープすることによって前記構造の電気抵抗
を低減することを特徴とする直列抵抗低減方法。 - 【請求項８】 前記変調された不純物濃度が、前記ヘテ
ロ接合の内の広バンドギャップ側の領域をドープし、狭
バンドギャップ側の領域をドープしないことによって形
成されることを特徴とする請求項７の方法。 - 【請求項９】 前記不純物がアクセプタであり、Ｅcを
平滑化してＥvが平坦化していることを特徴とする請求
項８の方法。 - 【請求項１０】 前記不純物がドナーであり、Ｅvを平
滑化してＥcが平坦化していることを特徴とする請求項
８の方法。 - 【請求項１１】 ＭＢＥ法により前記各層が堆積されか
つ前記ヘテロ接合に隣接する前記領域の組成が準２次関
数的に変化していることを特徴とする請求項７の方法。 - 【請求項１２】 前記デバイスが表面発光レーザであ
り、前記ＤＢＲミラーがｐ型の単一導電型材料よりな
り、伝導帯Ｅcを平滑化して価電子帯Ｅvが平坦であり、
当該ＤＢＲミラー構造は、組成が変化または変調してい
ない構造と比較してミラー部の抵抗が小さいことを特徴
とする請求項７の方法。
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