特許ウォッチ

公開番号2025122155
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-20
出願番号2025087630,2022550729
出願日2025-05-27,2021-02-26
発明の名称半導体光デバイスにおけるオージェ再結合の低減
出願人ユニバーシティオブサリー
代理人弁理士法人RYUKA国際特許事務所
主分類H01S 5/34 20060101AFI20250813BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】半導体光デバイスにおけるオージェ再結合を低減する。
【解決手段】半導体光デバイスは、デバイスに電圧が印加されると電子及び正孔がアクティブ領域内で再結合して光子を生成するように構成されるアクティブ領域を含む第1の領域を備える。デバイスは、電子のみをトラップする、正孔のみをトラップする、又は異なる量の電子及び正孔をトラップするように構成される量子井戸構造を含む少なくとも1つの第2の領域を備える。第2の領域は、デバイスに電圧が印加されると電荷不均衡が第1の領域内に発展し、それにより第1の領域内でのオージェ再結合を低減するように第1の領域に十分に近い第1の領域からある距離に配置される。
【選択図】図4a
特許請求の範囲【請求項１】
半導体光デバイスであって、
前記半導体光デバイスに電圧が印加されると電子及び正孔がアクティブ領域内で再結合して光子を生成するように構成される前記アクティブ領域を含む第１の領域と、
電子のみをトラップする、正孔のみをトラップする、又は異なる量の電子及び正孔をトラップするように構成される量子井戸構造を含む少なくとも１つの第２の領域であり、非アクティブ領域である前記第２の領域と、を備え、
前記第２の領域は、前記半導体光デバイスに電圧が印加されると電荷不均衡が前記第１の領域内に発展するように前記第１の領域に十分に近い前記第１の領域からある距離に配置され、それにより前記第１の領域内でのオージェ再結合を低減する、
半導体光デバイス。
続きを表示（約 990 文字）【請求項２】
前記第２の領域は、電子のみをトラップする又は正孔のみをトラップするように構成されるタイプＩＩの量子井戸構造を含む、請求項１に記載の半導体光デバイス。
【請求項３】
前記第１の領域は、電子及び正孔の両方をトラップするように構成される量子井戸構造を含む、請求項１又は２に記載の半導体光デバイス。
【請求項４】
前記第１の領域は、タイプＩの量子井戸構造を含む、請求項３に記載の半導体光デバイス。
【請求項５】
前記第２の領域は、前記第１の領域内の第１の電荷キャリア及び前記第２の領域内の第２電荷キャリアの間のオージェ再結合を防止又は制限するのに前記第１の領域から十分に遠い距離に配置される、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体光デバイス。
【請求項６】
前記第１の領域の材料特性は、第１のオージェ再結合過程及び第２のオージェ再結合過程が前記第１の領域内のオージェ再結合に寄与するように構成され、前記電荷不均衡は、前記第１の領域内の全体的なオージェ再結合が減少するように、前記第１のオージェ再結合過程のレートを増加させ、前記第２のオージェ再結合過程のレートを低減させる、請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体光デバイス。
【請求項７】
前記第１の領域の反対側に位置する少なくとも２つの第２の領域を備え、前記少なくとも２つの第２の領域のそれぞれは、前記半導体光デバイスに電圧が印加されると電荷不均衡が前記第１の領域内に発展するように前記第１の領域に十分に近い前記第１の領域からある距離に配置され、それにより前記第１の領域内でのオージェ再結合を低減する、請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体光デバイス。
【請求項８】
前記少なくとも２つの第２の領域に含まれる量子井戸構造は、前記第１の領域に含まれる量子井戸構造より浅く且つ広い、請求項７に記載の半導体光デバイス。
【請求項９】
前記第２の領域は、引張り歪み層を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体光デバイス。
【請求項１０】
前記第２の領域は、歪みのない層を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体光デバイス。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、量子井戸レーザのような半導体光デバイスにおけるオージェ再結合を低減することに関する。
続きを表示（約 1,800 文字）【背景技術】
【０００２】
多くのアプリケーションにおいて、半導体レーザの温度は、出力パワーを安定化するために、冷却ユニットを使用して慎重に制御されなければならない。そのような冷却ユニットは、例えばレーザそのものよりより著しく大量の電力を使用し得る。加えて、圧電クーラのような冷却ユニットは、時間の経過とともに故障する半導体の第１のコンポーネントであり、レーザシステムの耐用期間を効果的に制限し得る。
【０００３】
本出願人からの米国特許第８，９３７，９７８号明細書は、第１及び第２材料の交互層を備えるアクティブ層を有する半導体レーザを記述する。ｎ側バリア層及びｐ側バリア層は、それぞれ、第１の材料及び第３の材料の交互層を備える。材料は、第２及び第３材料の層が第１の材料の層間の量子井戸を形成するように選択される。第２の材料のバンドギャップＥｇは、電子及び正孔のある割合がバンドギャップＥｇを超えて再結合してレーザ発振波長で光子を放出するように配置され、その割合は光キャビティの温度の増加とともに減少する。第３の材料のバンドギャップＥｃは、第３の材料のバンドギャップＥｃを超えて再結合する電子及び正孔に対する第２の材料のバンドギャップＥｇを超えて再結合する電子及び正孔の比が光キャビティの温度の増加とともに増加するように配置される。半導体レーザが動作を意図する温度の範囲にわたって、電子及び正孔が第２の材料のバンドギャップＥｇを超えて再結合してレーザ発振波長で光子を放出するレートにおける光キャビティの温度による変化を低減するように、比の増大が割合の減少を補償する。
【０００４】
このように、米国特許第８，９３７，９７８号明細書のレーザの出力パワーは、従来の半導体レーザと比較して温度変動に敏感でないが、これはレーザ発振閾値の増大という犠牲を伴う。低閾値で温度非敏感半導体レーザの発展は、何年もの研究及び発展を拒んだ。
【発明の概要】
【０００５】
オージェ再結合は、半導体レーザ及びその他の半導体光デバイスの性能に有害な基本的な物理プロセスである。より詳細には、オージェ再結合は、半導体レーザの効率を低減し、その閾値電流を増加する無輻射プロセスである。本明細書に説明される様々な実施形態は、半導体光デバイスにおけるオージェ再結合を低減する。
【０００６】
１つの例示的な実装では、半導体光デバイスは、デバイスを超えて電圧が印加されると電子及び正孔がアクティブ領域内で再結合して光子を生成するように構成されるアクティブ領域を含む第１の領域を備える。デバイスは、さらに、電子又は正孔のいずれかを優先的にトラップするように構成される量子井戸構造を含む少なくとも１つの第２の領域を備える。量子井戸構造は、電子のみをトラップする、正孔のみをトラップする、又は異なる数の電子及び正孔をトラップするように構成されてよい。
【０００７】
従って、第２の領域内の量子井戸構造は、電子及び／又は正孔の形態で電荷キャリアをトラップするよう設計されてよく、量子井戸構造によりトラップされる電荷キャリアの５０％超は同じタイプ、すなわち電子又は正孔の一方であってよい。代替的に、様々な実施形態では、量子井戸構造によりトラップされる電荷キャリアの５５％超、６０％超、７０％超、８０％超、９０％超、９５％超、又は９９％超が同じタイプ、すなわち電子又は正孔の一方であってよい。
【０００８】
幾つかの例では、第２の領域内の量子井戸構造は、電子ではなく正孔の量子井戸を提供するタイプＩＩの量子井戸構造を備える。他の例では、第２の領域内の量子井戸構造は、正孔ではなく電子の量子井戸を提供するタイプＩＩの量子井戸構造を備える。
【０００９】
第２の領域は、アクティブ領域内の電荷バランスを変更するようアクティブ領域の十分に近くに、しかし、その電荷と再結合しないようアクティブ領域から十分に離れて位置する。
【００１０】
第２の領域が第１の領域の十分に近くに位置するとすると、電圧がデバイスに印加されると電荷不均衡が第１の領域内で発展する。電荷不均衡が、第１の領域内のオージェ再結合を低減する。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許