JP2738040B2 - 半導体発光装置 - Google Patents
半導体発光装置Info
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Description
本発明は、半導体発光装置の電流及び発生光の閉じ込
め層形成に関するものである。 ここで半導体発光装置というのは端面発光型で埋め込
み型の半導体レーザ、発光ダイオードを指す。基板がｐ
型であっても、ｎ型であっても本発明は適用できるが、
簡単のため主にｐ型について説明する。
め層形成に関するものである。 ここで半導体発光装置というのは端面発光型で埋め込
み型の半導体レーザ、発光ダイオードを指す。基板がｐ
型であっても、ｎ型であっても本発明は適用できるが、
簡単のため主にｐ型について説明する。
半導体発光装置において、効率良く、光を発生させる
ことが重要である。 注入した電流を、発光領域に集中させて光に変換し、
加えて発生した光を屈折率差を利用して閉じ込めるため
埋め込み型の構造の半導体発光素子が広く利用されてい
る。これは基板の上の中央に発光領域を、その両側に閉
じ込め層を形成したものである。 注入電流を発光領域内へ有効に閉じ込めるため、閉じ
込め層が非常に重要な役割を果たす。閉じ込め層は半導
体発光装置の性能を大きく支配する因子である。 これまでは、導電型の違いを利用して電流狭窄してい
た。ｐ型基板から中央にある発光領域にのみ電流が流れ
るように、閉じ込め層はpn接合が逆バイアスされるよう
にしてある。逆バイアスされているので、閉じ込め層に
は電流が流れない。 しかし、導電型の違いを利用するものは高注入領域で
原理的に漏れ電流が発生する。pn接合の逆バイアスを電
流が通り抜ける可能性があるからである。漏れ電流があ
ると、光出力が劣化する。 そこで、ｎ型InP基板を使う半導体レーザの場合にFe
を添加した閉じ込め層を用いた構造が提案された。 閉じ込め層にFeを添加すると、Feが深い準位のアクセ
プターとなり、電子を捕獲するので、高抵抗になる。例
えば比抵抗が107Ωcmになる。このような閉じ込め層を
持つ埋め込み型半導体発光装置は原理的に漏れ電流の少
ない半導体発光装置とすることができる。 しかし、この方法によってｐ型半導体に隣接して閉じ
込め層を形成した場合には、ｎクラッド層−高抵抗層−
ｐ層のPIN構造となる。高抵抗の閉じ込め層に、ｐ層よ
りホールが注入される。 高抵抗といっても、Feを添加した層は電子トラップ形
の半絶縁層である。Feのトラップ準位は注入されたホー
ルを捕獲できず、ホールが閉じ込め層に流入する。これ
に伴って電子が流入する。いわゆるダブルインジェクシ
ョンが起こる。このため閉じ込め層を通る電流漏れが起
こる。Ｐ型基板の場合、Feを添加した閉じ込め層では電
流狭窄が十分に行えないことが分かった。 そこでこれに加えて改良提案がなされた。閉じ込め層
にｐ型不純物であるホールを捕獲するTiをFeとともに添
加するというものである。 Inst.Phys.Conf.Ser.No.91:Chapter 3 Gallium Arsen
ide and Related compound,Heraklion,Greece,1987 A.
G.Demtai,C.H.Joyner ＆ T.W.Weidman“Ti−Fe Co−dop
ed semi−insulating InP grown by MOVPE"283（1987） Feにより電子を、Tiによりホールを捕獲する。こうし
て電流に寄与する正負のキャリアを捕獲して、閉じ込め
層の高抵抗（ρ〜107Ω・cm）を電子に対してもホール
に対しても維持するようにしている。こうして、狭い発
光領域に電流と発生光を閉じ込める。
ことが重要である。 注入した電流を、発光領域に集中させて光に変換し、
加えて発生した光を屈折率差を利用して閉じ込めるため
埋め込み型の構造の半導体発光素子が広く利用されてい
る。これは基板の上の中央に発光領域を、その両側に閉
じ込め層を形成したものである。 注入電流を発光領域内へ有効に閉じ込めるため、閉じ
込め層が非常に重要な役割を果たす。閉じ込め層は半導
体発光装置の性能を大きく支配する因子である。 これまでは、導電型の違いを利用して電流狭窄してい
た。ｐ型基板から中央にある発光領域にのみ電流が流れ
るように、閉じ込め層はpn接合が逆バイアスされるよう
にしてある。逆バイアスされているので、閉じ込め層に
は電流が流れない。 しかし、導電型の違いを利用するものは高注入領域で
原理的に漏れ電流が発生する。pn接合の逆バイアスを電
流が通り抜ける可能性があるからである。漏れ電流があ
ると、光出力が劣化する。 そこで、ｎ型InP基板を使う半導体レーザの場合にFe
を添加した閉じ込め層を用いた構造が提案された。 閉じ込め層にFeを添加すると、Feが深い準位のアクセ
プターとなり、電子を捕獲するので、高抵抗になる。例
えば比抵抗が107Ωcmになる。このような閉じ込め層を
持つ埋め込み型半導体発光装置は原理的に漏れ電流の少
ない半導体発光装置とすることができる。 しかし、この方法によってｐ型半導体に隣接して閉じ
込め層を形成した場合には、ｎクラッド層−高抵抗層−
ｐ層のPIN構造となる。高抵抗の閉じ込め層に、ｐ層よ
りホールが注入される。 高抵抗といっても、Feを添加した層は電子トラップ形
の半絶縁層である。Feのトラップ準位は注入されたホー
ルを捕獲できず、ホールが閉じ込め層に流入する。これ
に伴って電子が流入する。いわゆるダブルインジェクシ
ョンが起こる。このため閉じ込め層を通る電流漏れが起
こる。Ｐ型基板の場合、Feを添加した閉じ込め層では電
流狭窄が十分に行えないことが分かった。 そこでこれに加えて改良提案がなされた。閉じ込め層
にｐ型不純物であるホールを捕獲するTiをFeとともに添
加するというものである。 Inst.Phys.Conf.Ser.No.91:Chapter 3 Gallium Arsen
ide and Related compound,Heraklion,Greece,1987 A.
G.Demtai,C.H.Joyner ＆ T.W.Weidman“Ti−Fe Co−dop
ed semi−insulating InP grown by MOVPE"283（1987） Feにより電子を、Tiによりホールを捕獲する。こうし
て電流に寄与する正負のキャリアを捕獲して、閉じ込め
層の高抵抗（ρ〜107Ω・cm）を電子に対してもホール
に対しても維持するようにしている。こうして、狭い発
光領域に電流と発生光を閉じ込める。
前記において提案された方法では、閉じ込め層にFeと
Tiの両元素を一緒に添加する。このため閉じ込め層の結
晶中の各元素の添加量を均一に制御することが極めて難
しい。 実際に試みてみると、高抵抗の結晶を再現性良く成長
させることができなかった。例えば結晶中に一方の元素
が偏析したりして結晶性が悪くなることもあった。そう
して偏析部を通して電流が漏れるという欠点があった。 III−Ｖ族化合物半導体のｐ型またはｎ型基板に発光
領域と閉じ込め層を設ける埋め込み型半導体発光装置で
あって、電流注入量が大きい時でも、漏れ電流のないよ
うにした閉じ込め層を有する半導体発光装置を提供する
ことが本発明の目的である。
Tiの両元素を一緒に添加する。このため閉じ込め層の結
晶中の各元素の添加量を均一に制御することが極めて難
しい。 実際に試みてみると、高抵抗の結晶を再現性良く成長
させることができなかった。例えば結晶中に一方の元素
が偏析したりして結晶性が悪くなることもあった。そう
して偏析部を通して電流が漏れるという欠点があった。 III−Ｖ族化合物半導体のｐ型またはｎ型基板に発光
領域と閉じ込め層を設ける埋め込み型半導体発光装置で
あって、電流注入量が大きい時でも、漏れ電流のないよ
うにした閉じ込め層を有する半導体発光装置を提供する
ことが本発明の目的である。
本発明の半導体発光装置は、ｐ型基板の場合は、 ｐ型半導体基板に、 III−Ｖ族化合物半導体から成る発光領域を中央に、 電流及び発生光の閉じ込め層をを側方に上下２層形成
した半導体発光装置であって、 発光領域及び該ｐ型半導体基板に隣接して設けられる
第一の電流及び発生光の閉じ込め層はTiを添加して高抵
抗化したものから成り、 ｎ型半導体層に隣接し第一の閉じ込め層上に形成され
る第２の電流及び発生光の閉じ込め層はFeを添加して高
抵抗化したものから成る ようにしたものである。 ｎ型基板の場合は、 ｎ型半導体基板に、 III−Ｖ族化合物半導体から成る発光領域を中央に、 電流及び発生光の閉じ込め層をを側方に上下２層形成
した半導体発光装置であって、 発光領域及び該ｎ型半導体基板に隣接して設けられる
第一の電流及び発生光の閉じ込め層はFeを添加して高抵
抗化したものから成り、 ｐ型半導体層に隣接し第一の閉じ込め層上に形成され
る第二の電流及び発生光の閉じ込め層はTiを添加して高
抵抗化したものから成る ようにしたものである。 図面によって説明する。 第１図はｐ型InPを基板とする本発明の半導体発光装
置の構成例を示す断面図である。本発明は任意のIII−
Ｖ族半導体を用いる半導体発光装置に適用できるが、こ
こではInP基板のものを例にとる。 １はｎ−InPクラッド層、２はInGaAsP活性層、３はｐ
−InPクラッド層、４はｐ型InP基板、５はTiを添加した
InP層、６はFeを添加したInP層である。 ｐ型基板４の上に、中央には発光領域が、その側方に
は閉じ込め層が設けられる。 発光領域は、ｐ−InPクラッド層３、InGaAsP活性層
２、ｎ−InPクラッド層１よりなる。電流はｐ−InPクラ
ッド層３、InGaAsP活性層２、ｎ−InPクラッド層１の順
に流れる。 閉じ込め層は、発光領域の両側に形成された上下２層
よりなっている。第１層はTi−dope InP5である。第２
層はFe−doped InP6である。 Ｐ型基板４及び活性層２（発光領域）に隣接する第１
の閉じ込め層をTiのみを添加したInP層５とする。つま
りｐ型層に接する部分をTi−dope閉じ込め層とする。 その上のｎ型クラッド層と接する第２の閉じ込め層は
Feのみを添加したInP層としている。 つまりTiをドープした第１の閉じ込め層では、ホール
を捕獲することができるので、ｐ型領域に隣接させる。 Feをドープした第２の閉じ込め層では、電子を捕獲で
きるので、ｎ型層に隣接して設ける。 ２層からなる閉じ込め層は、隣接する半導体層の多数
キャリヤが流入しても、それらををそれぞれ捕獲するの
で両層とも高抵抗の結晶になる。 ２層の閉じ込め層の作用により、注入電流を狭窄でき
る。
した半導体発光装置であって、 発光領域及び該ｐ型半導体基板に隣接して設けられる
第一の電流及び発生光の閉じ込め層はTiを添加して高抵
抗化したものから成り、 ｎ型半導体層に隣接し第一の閉じ込め層上に形成され
る第２の電流及び発生光の閉じ込め層はFeを添加して高
抵抗化したものから成る ようにしたものである。 ｎ型基板の場合は、 ｎ型半導体基板に、 III−Ｖ族化合物半導体から成る発光領域を中央に、 電流及び発生光の閉じ込め層をを側方に上下２層形成
した半導体発光装置であって、 発光領域及び該ｎ型半導体基板に隣接して設けられる
第一の電流及び発生光の閉じ込め層はFeを添加して高抵
抗化したものから成り、 ｐ型半導体層に隣接し第一の閉じ込め層上に形成され
る第二の電流及び発生光の閉じ込め層はTiを添加して高
抵抗化したものから成る ようにしたものである。 図面によって説明する。 第１図はｐ型InPを基板とする本発明の半導体発光装
置の構成例を示す断面図である。本発明は任意のIII−
Ｖ族半導体を用いる半導体発光装置に適用できるが、こ
こではInP基板のものを例にとる。 １はｎ−InPクラッド層、２はInGaAsP活性層、３はｐ
−InPクラッド層、４はｐ型InP基板、５はTiを添加した
InP層、６はFeを添加したInP層である。 ｐ型基板４の上に、中央には発光領域が、その側方に
は閉じ込め層が設けられる。 発光領域は、ｐ−InPクラッド層３、InGaAsP活性層
２、ｎ−InPクラッド層１よりなる。電流はｐ−InPクラ
ッド層３、InGaAsP活性層２、ｎ−InPクラッド層１の順
に流れる。 閉じ込め層は、発光領域の両側に形成された上下２層
よりなっている。第１層はTi−dope InP5である。第２
層はFe−doped InP6である。 Ｐ型基板４及び活性層２（発光領域）に隣接する第１
の閉じ込め層をTiのみを添加したInP層５とする。つま
りｐ型層に接する部分をTi−dope閉じ込め層とする。 その上のｎ型クラッド層と接する第２の閉じ込め層は
Feのみを添加したInP層としている。 つまりTiをドープした第１の閉じ込め層では、ホール
を捕獲することができるので、ｐ型領域に隣接させる。 Feをドープした第２の閉じ込め層では、電子を捕獲で
きるので、ｎ型層に隣接して設ける。 ２層からなる閉じ込め層は、隣接する半導体層の多数
キャリヤが流入しても、それらををそれぞれ捕獲するの
で両層とも高抵抗の結晶になる。 ２層の閉じ込め層の作用により、注入電流を狭窄でき
る。
この考案では、閉じ込め層を２層にし、その役割分担
を明確にしている。 ホールを捕獲できるTi−dope閉じ込め層をｐ型半導体
と隣接させる。電子を捕獲できるFe−dope閉じ込め層を
ｎ型半導体と隣接させている。 ｐ型に隣接するものはTiを添加した閉じ込め層である
ので、ｐ型層から流入する多数キャリヤであるホールを
捕獲して、電流に寄与するキャリアを減らす。 ｎ型に隣接するものは、Feを添加した閉じ込め層とし
て、ｎ型層から流入する多数キャリヤである電子を捕獲
して電流に寄与するキャリアを減らす。 このように、閉じ込め層を２層に分け、それぞれの閉
じ込め層に添加する元素の種類を１種類に限定する。 １種類であるので、添加量を自由に的確に再現性良く
制御しながら、良好な単結晶を成長させることができ
る。 結晶性を悪化させず、なおかつ高抵抗である（ρ≧16
6Ω・cm）閉じ込め層を容易に成長させることができ
る。 閉じ込め層を高抵抗化することで安定した電流狭窄構
造が形成できる。このため電流の高注入領域でも電流漏
れの少ない半導体発光装置を作ることができる。
を明確にしている。 ホールを捕獲できるTi−dope閉じ込め層をｐ型半導体
と隣接させる。電子を捕獲できるFe−dope閉じ込め層を
ｎ型半導体と隣接させている。 ｐ型に隣接するものはTiを添加した閉じ込め層である
ので、ｐ型層から流入する多数キャリヤであるホールを
捕獲して、電流に寄与するキャリアを減らす。 ｎ型に隣接するものは、Feを添加した閉じ込め層とし
て、ｎ型層から流入する多数キャリヤである電子を捕獲
して電流に寄与するキャリアを減らす。 このように、閉じ込め層を２層に分け、それぞれの閉
じ込め層に添加する元素の種類を１種類に限定する。 １種類であるので、添加量を自由に的確に再現性良く
制御しながら、良好な単結晶を成長させることができ
る。 結晶性を悪化させず、なおかつ高抵抗である（ρ≧16
6Ω・cm）閉じ込め層を容易に成長させることができ
る。 閉じ込め層を高抵抗化することで安定した電流狭窄構
造が形成できる。このため電流の高注入領域でも電流漏
れの少ない半導体発光装置を作ることができる。
第１図は本発明の一実施例に係る半導体発光装置の断
面図である。 ｐ型InP半導体基板４上に、ｐ型InP層３と、InGaAsP
活性層２、およびｎ型InP層１をエピタキシャル成長し
ダブルヘテロ構造を形成する。これをエッチングにより
発光部を残したメサ形状に整形する。 エッチングした部分に、Ti及びFeを添加した閉じ込め
層としてのInP層５、６を別々に、順次積層したもので
ある。埋め込み型ダブルヘテロレーサーの一種である。 第１の閉じ込め層５には、Tiを〜１×1018cm-3程度添
加する。第２の閉じ込め層６には、Feを〜１×1016cm-3
程度添加する。それぞれの厚みは、１〜２μｍの範囲で
制御する。 活性層の両サイドには必ずTiドープ閉じ込め層５が接
するようにする。ｎ型InP層１の両側の大部分はFeドー
プ閉じ込め６が接するようにする。 このように電流と発生光の閉じ込め層を２層に形成す
るので、ダブルインジェクションによる電流漏れが原理
的に発生しない。電流の高注入領域においても漏れがみ
られず、効率よく発光する。 また、ホール及び電子を補償できる範囲で、FeとTiの
添加量を最小になるように制御したため、閉じ込め層の
結晶性も良好で、〜10V程度の耐圧がある。 FeとTiを一度に添加した従来技術の場合にみられる、
結晶性の悪化によるリークや面内のバラツキが低減す
る。閉じ込め層を２層にし、FeとTiの添加量を個々に制
御している為である。 閉じ込め層における、Fe、Tiの面内分布の均一性が向
上するので、本構造では閉じ込め層形成の再現性が良く
なり、歩留まりも向上する。 また本発明での閉じ込め層は、第２図の構造を有する
半導体レーザにも適用可能である。 ｐ型InP基板10の上に、TiドープInP層５、FeドープIn
P層６を閉じ込め層としてエピタキシャル成長させる。
中央の発光部となる部分をくさび型にエッチングし、ｐ
型InP層９、InGaAsP活性層８を形成した後、全体にｎ型
InP層７をエピタキシャル成長させる。 これは幾何学的に電流をより狭く狭窄できる。 この例においても、Tiドープ閉じ込め層５はｐ型InP
層９と活性層８に接している。Feドープ閉じ込め層６は
ｎ型InP層に接している。
面図である。 ｐ型InP半導体基板４上に、ｐ型InP層３と、InGaAsP
活性層２、およびｎ型InP層１をエピタキシャル成長し
ダブルヘテロ構造を形成する。これをエッチングにより
発光部を残したメサ形状に整形する。 エッチングした部分に、Ti及びFeを添加した閉じ込め
層としてのInP層５、６を別々に、順次積層したもので
ある。埋め込み型ダブルヘテロレーサーの一種である。 第１の閉じ込め層５には、Tiを〜１×1018cm-3程度添
加する。第２の閉じ込め層６には、Feを〜１×1016cm-3
程度添加する。それぞれの厚みは、１〜２μｍの範囲で
制御する。 活性層の両サイドには必ずTiドープ閉じ込め層５が接
するようにする。ｎ型InP層１の両側の大部分はFeドー
プ閉じ込め６が接するようにする。 このように電流と発生光の閉じ込め層を２層に形成す
るので、ダブルインジェクションによる電流漏れが原理
的に発生しない。電流の高注入領域においても漏れがみ
られず、効率よく発光する。 また、ホール及び電子を補償できる範囲で、FeとTiの
添加量を最小になるように制御したため、閉じ込め層の
結晶性も良好で、〜10V程度の耐圧がある。 FeとTiを一度に添加した従来技術の場合にみられる、
結晶性の悪化によるリークや面内のバラツキが低減す
る。閉じ込め層を２層にし、FeとTiの添加量を個々に制
御している為である。 閉じ込め層における、Fe、Tiの面内分布の均一性が向
上するので、本構造では閉じ込め層形成の再現性が良く
なり、歩留まりも向上する。 また本発明での閉じ込め層は、第２図の構造を有する
半導体レーザにも適用可能である。 ｐ型InP基板10の上に、TiドープInP層５、FeドープIn
P層６を閉じ込め層としてエピタキシャル成長させる。
中央の発光部となる部分をくさび型にエッチングし、ｐ
型InP層９、InGaAsP活性層８を形成した後、全体にｎ型
InP層７をエピタキシャル成長させる。 これは幾何学的に電流をより狭く狭窄できる。 この例においても、Tiドープ閉じ込め層５はｐ型InP
層９と活性層８に接している。Feドープ閉じ込め層６は
ｎ型InP層に接している。
以上説明したように、本発明では添加物としてのFe及
びTiを含む結晶を、ｎ型及びｐ型に各々の特徴を生かす
ように隣接させて、閉じ込め層を形成している。これに
より、再現性良く、発光効率の良い半導体レーザができ
る。 従来の問題点の一つであったFe及びTiの添加量の閉じ
込め層におけるバラツキが全くない。ｐ型またはｎ型の
導電型と、前記導電型のものと接する結晶への添加物と
をうまく組み合わせる事で、半導体レーザの電流狭窄層
に使用できる。 そればかりでなく、光電子集積回路の素子間分離絶縁
層など、多目的に利用可能となる。
びTiを含む結晶を、ｎ型及びｐ型に各々の特徴を生かす
ように隣接させて、閉じ込め層を形成している。これに
より、再現性良く、発光効率の良い半導体レーザができ
る。 従来の問題点の一つであったFe及びTiの添加量の閉じ
込め層におけるバラツキが全くない。ｐ型またはｎ型の
導電型と、前記導電型のものと接する結晶への添加物と
をうまく組み合わせる事で、半導体レーザの電流狭窄層
に使用できる。 そればかりでなく、光電子集積回路の素子間分離絶縁
層など、多目的に利用可能となる。
第１図は本発明の一実施例に係る半導体発光装置の断面
図。 第２図は本発明の他の実施例に係る半導体発光装置の断
面図。 第３図は従来技術のFeとTiを同時に添加した閉じ込め層
を有する半導体レーザ構造の断面図。 １……ｎ型InP層 ２……InGaAsP活性層 ３……ｐ型InP層 ４……ｐ型InP基板 ５……TiドープInP層 ６……FeドープInP層 ７……ｎ型InP層 ８……InGaAsP活性層 ９……ｐ型InP層 10……ｐ型InP層 11……Ti、FeドープInP層
図。 第２図は本発明の他の実施例に係る半導体発光装置の断
面図。 第３図は従来技術のFeとTiを同時に添加した閉じ込め層
を有する半導体レーザ構造の断面図。 １……ｎ型InP層 ２……InGaAsP活性層 ３……ｐ型InP層 ４……ｐ型InP基板 ５……TiドープInP層 ６……FeドープInP層 ７……ｎ型InP層 ８……InGaAsP活性層 ９……ｐ型InP層 10……ｐ型InP層 11……Ti、FeドープInP層
Claims (2)
- 【請求項１】ｐ型半導体基板に、III−Ｖ族化合物半導
体から成る発光領域を中央に、電流及び発生光の閉じ込
め層をを側方に上下２層形成した半導体発光装置であっ
て、発光領域及び該ｐ型半導体基板に隣接して設けられ
る第一の電流及び発生光の閉じ込め層はTiを添加して高
抵抗化したものから成り、ｎ型半導体層に隣接し第一の
閉じ込め層上に形成される第２の電流及び発生光の閉じ
込め層はFeを添加して高抵抗化したものから成ることを
特徴とする半導体発光装置。 - 【請求項２】ｎ型半導体基板に、III−Ｖ族化合物半導
体から成る発光領域を中央に、電流及び発生光の閉じ込
め層をを側方に上下２層形成した半導体発光装置であっ
て、発光領域及び該ｎ型半導体基板に隣接して設けられ
る第一の電流及び発生光の閉じ込め層はFeを添加して高
抵抗化したものから成り、ｐ型半導体層に隣接し第一の
閉じ込め層上に形成される第２の電流及び発生光の閉じ
込め層はTiを添加して高抵抗化したものから成ることを
特徴とする半導体発光装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18431789A JP2738040B2 (ja) | 1989-07-17 | 1989-07-17 | 半導体発光装置 |
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| JP18431789A JP2738040B2 (ja) | 1989-07-17 | 1989-07-17 | 半導体発光装置 |
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- 1989-07-17 JP JP18431789A patent/JP2738040B2/ja not_active Expired - Fee Related
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