JPS59104191A - 半導体発光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （ａ）　　発明の仮術分野 本発明は半導体発光装置、特にウェル層に注入されるキ
ャリアの分布改嵜によって、キャリア注入効率が、同上
し閾値−流寺の特性が・同上される多重童子井戸レーザ
に関する。

（ｂ）　　技術の背景 光通信ならびに各種の産業或いは民生分野における光を
情報信号の媒体とするシステムにおいて、半導体発光装
置は最も重要な構成要素であって、要求される波長帯域
の実現、安定した単一の基本零次横モード発振、単一の
縦モード発振、光ビーム発散角の減少、閾値′眠流の低
減、′屯流−光出力特性の直線性の向上、出力の増大及
びこれら特性の温度依存性の減少など緒特性の向上につ
いて多くの努力が重ねられているが、特にｑ１ｆ性の女
５〆性と長寿命の実現とが重要である。

（Ｃ）　　従来技術と問題点 前記の目的のために現在までに数多くの半導体発光装置
、特にレーザが提案されているが、その一つとして量子
井戸構造全有する半導体レーザがある。

を子井戸（Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌ　ｌ　）半導体レー
ザとは、ダブルへテロ構造の活性層の厚さをキャリアの
ドウ・プローイー波長λｄ　（ＧａＡｓではλｄ中３０
Ｃｎｍ））以下としたもので、活性層は量子力学的井戸
形ポテンシャルとして機能して、キャリアのｊ９さ方向
の運動が量子化された二次元電子状態となる。量子井戸
レーザには活性層として１層のウェル層から構成される
Ｓｉｎｇｌｅ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅ　１ル−ザと、ウ
ェル層とバリア層とが交互に多重に積層されたＭｕｌｔ
ｉ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ　Ｖ−ザとがある。

量子井戸レーザの特徴としてけ、（イ）閾値′電流が低
いこと。（ロ）閾値電流の特性温朋Ｔ。が通常のダブル
へテロレーザに比較して大きく、閾値′電流の温間上昇
に対する安定性が優れていること。（ハ）単一モード発
振が得られやすいこと。に）′「に流−光出力特性の直
線性が良いこと。（ホ）微分量子効率が高いこと。（へ
）ウェル幅やバリア高さを選択することにより発掘波長
を設計できること。などが挙げられ、先に述べた半導体
発光装置の進歩に寄与することが期待されている。

既に知られている多重量子井戸レーザの一例を第１図に
断面図によって示す。図において、１はｎ型ガリウム・
砒素（ＧａＡｓ　”）基板、２はｎ型Ｇａ砒素（ＡＡｘ
Ｇａｔ　−ｘＡｓ　）クラッド層、４は多重量子井戸構
造であって、ウェル層はＱ　ａ　Ａ　８　％バリア層は
ＡｌｘＧａ　１−ｘＡｓによって形成されている。また
５はｐ型Ａｇ、ｘＧａｔ−ｘＡｓクラッド層Ｘ６はｐ型
ＧａＡ３キャップ層、７は保−膜、８はｐ　（ｌｆｌｌ
電極、９はｎ側電榔である。

前記例において各半導体層の組成の例を図示すれば第２
図（ａ）又は（ｈ）に示す如くである。ただし、第１図
と同一符号によって対応する部位を示す。

従来の多重量子井戸レーザにおいては、バリア層の組成
はクラッド層の組成とは必すしも同一ではないが、バリ
ア層相互間では組成は同一である。

またバリア層の厚さも同一とされている。史にウェル層
に就いても、その組成及び厚さはウェル層相互間で同一
とされている。

ＡｉｘＧａｔ−ｘＡｓで挾まれたＧａＡｓ＠子井戸のエ
ネルギーダイヤグラムを第３図に示す。図中Ｌｚ　は量
子井戸の幅すなわちＧａＡｓウェル層の厚さを示し、こ
のＬｚは電子のドウ・ブローイー波長λｄ以３− 下である。

［シ１に示す如く、伝導帯のバリアはＭＧａｘ　−ｘＡ
ｓとＧａＡｓとの電子親和度の差ΔＥｃによって与えら
れまた価電子帯のバリアはＡｅｘＧａｔ−ｘＡｓとＧａ
Ａｓとの禁制帯幅Ｅｇの差から前記ΔＥｃを引いたΔＥ
ｖによって与えられる。

ＧａＡｓウェル層内において、電子及び正孔はそれぞれ
前記バリアΔＥｃ及びΔＥｖによって閉じ込められて、
そのエネルギーＥは で表わされ、ＡｉｘＧａｔ−ｘＡｓバリア層の）くリア
高さが無限大であるとき で与えられる。ただし、ｋはブランク定数１ｍ＊は実効
質量、　ｋｘ及び酊は波数ベクトルのＸ及びｙ方向成分
である。

Ｅｎは模式的に第３図に示されるが、Ｅｈｈｎは重い正
孔＋　Ｅｌｈｎは軽い正孔に対応ず・る。

４− このようなエネルギーをもつキャリアの状態密朋は階段
状となって、三次元自由キャリアに比較してバンド端の
状態密度が著しく大きくなる。以上の如く量子化された
キャリアの輻射遷移に対する選択則はΔｎ＝ｏであって
、例えばＥ、の電子はＥｈｈ、又はＥｔｈ＋の正孔と再
結合する。量子井戸構造においては先に述べた如くサブ
バンド端での状態密度が大きいために電子及び正孔はサ
ブバンド端附近に集中しており、電子−正孔の再結合は
サブバンド端間で起こる。

一旨子井戸構造が多重化された場合のエネルギーダイヤ
グラムを例示すれば第４図のｙ口き形状となる。図中、
Ｌｚｎ（ｎ＝１．２．３・・・・・・）は量子井戸の幅
すなわちウェル層の厚さ、ＬＢｎ（ｎ＝１＋　２．３・
・・・・・）はバリア幅すなわちバリア層の厚さを示す
。

先に第１図に例示した構造を有する多重量子井戸レーザ
において、多重量子井戸構造の一つのウェル層から隣接
するウェル層へのキャリアの注入は、電子及び正孔がバ
リア層を量子力学的にトンネリングすることによって行
なわれる。従ってつエル層へのキャリア注入はトンネリ
ングするバリア層の数とともに減少して、積層数の大き
い場合には注入効率が非常に低下する。

量子井戸構造の多重化は光出力の増大などに有効である
だけにこの注入効率の低下は重要な問題であって、これ
を改善する手段が要望されている。

（ｄ）　　発明の目的 本発明は半導体発光装置、特に多重量子井戸レーザにつ
いてそのキャリア注入効率が数置されて、閾値電流の低
減等の特性同上が得られる構造を提供することを目的と
する。

（ｅ）　　発明の構成 本発明の前記目的は、′１に子波のドウ・プローイ厚 一波長以下のｌさを有するウェル層と、該ウェル層より
犬なる禁制帯幅を有するバリア層とが交互に積層された
多重量子井戸構造を備えて、該ウェル層及び該バリア層
の少なくとも一方に、その厚ψ＼ゝ さ及び組成の少なくとも一つη相互に異なる層が含まれ
てなる半導体発光装置によシ達成される。

以下、本発明の詳細な説明する。

先に述べた如く、多重量子井戸構造の一つのウェル層か
ら隣接するウェル層へのキャリアの注入はバリア層のト
ンネリングによって行なわれて、その注入骨はトンネル
確率に支配される。

トンネル確率は、トンネル前後のキャリアのエネルギ準
位、バリア高さ及びバリア幅に依存する。

キャリアに対するバリア高さ即ち前記ΔＥｃ又はΔＥｖ
全以下ＶＢと表記し、バリア幅をＬＨとするとき、トン
ネル確率は近似的にはバリア高さの平方根と幅との積〜
Ｒ’ＬＢで決定される。

従来の多重量子井戸構造においてはバリア高さＶＢ及び
バリア幅ＬＢＨ従ってトンネル確率は各層について同一
とされている。これに対して本発明においてはバリア層
の岸さ及び組成の少なくとも一つを変化させた多重ｖ子
井戸構造を形成することによって、キャリア注入の進行
方行にｆＶＢ−ＬＢを次第に減少させて、トンネル確率
を次単に増大させるものである。

現実の半導体材料について、電子と正孔との双方に対し
て同時にこの条件全成立させることは通７− が正孔に対する価電子帯のバリアΔＥｖより大きい如く
、△ＥｃとΔＥｖとの間にか々シの差がある場合、若し
くけ量子井戸を構成する半導体層を例えばｐ型にドーピ
ングすることによって正孔のトンネル確率を増大した上
で′電子側のトンネル確率について本発明を適用して、
第５図に模式的に示す如く、 〜Ｂ＋”ＬＢｔ≧ρＢ２°ＬＢ１１≧〜Ｂ３°ＬＢｓ≧
°゛として最適化することによって注入効率の改善が達
成される。ΔＥｖがΔＥｃより大きい場合、若しくは半
導体層をｎ型にドーピングして電子のトンネル確率が増
大された場合には、正孔側のトンネル確率について本発
明を適用する。

なお、上記のトンネル確率の最フ１４化のためにバリア
高さＶＢに差を設けるならば、ウェル層のキャリアのエ
ネルギ準位に差を生ずる。第６図に伝導帯のバリア高さ
ｖＢと電子のエネルギー準位Ｅｎとの相関ヲ樺式的に示
す。図に示す如くバリア高−８−＋ さＶＢの減少に伴なって電子のエネルギー準位りは、誘
導放出の確率を高めるためにも、各ウェル層でとり得る
エネルギー準位を等しくすることがｑ−ｔしい。どのウ
ェル層でとり得るエネルギー準位の最適化は、先に示し
た式（２）によって近似的に示される如くウェル層の厚
さＬｚに差を設け、或いはウェル層の組成に差ヲ設ける
ことによって行なうことができる。（＋ｌえばバリア高
さＶＢ　ｋ小さくすることの補償を、ウェル層の厚さＬ
ｚを小さくし、或いはＧａＡｓ／Ａ！ｘＧａｔ−ｘＡｓ
系半導体を用いている場合にＡｎの組成比ｘ（ｒ大きく
することの何れか又は双方を同時に行なうことによって
、基底状態或いは高次の準位の何かのエネルギー準位を
ウェル層相互間で一致させることができる。

バリア高さｖＢは先に述べた如く、ウェル層とバリア層
との間の伝導帯のエネルギー差ΔＥｃ又は価電子帯のエ
ネルギー差△Ｅｖであって、その制御はバリア層の組成
の選択によって行なわれるのが普通であるが、ウェル層
の選択によってバリア高さｖｎを制御することも可能で
ある。特に先に述べたウェル層相互間のエネルギー準位
の一致のためにウェル層の組成に差を設ける場合等にお
いては、同時にウェル層側でバリア高さｖＢの制御を行
なうことも可能である。

（ｆ）　　発明の実施例 以下、本発明を実施例により図面を参照して具体的に説
明する。

第７図は本発明の実施例を示す断面図であり、その各半
導体層は分子線エピタキシャル成長方法或いは有機金Ｊ
Ｆｆ４熱分解気相成長方法等によって半導体基板上に順
次成長させるが、基板及び量子井戸構造以外の各半導体
層は次のとおりである。

ｎ＋型ＧａＡｓ基板１１； 厚さ１００（ｌｌＪ、不純物濃度Ｉ　Ｘ　１０”　（ｃ
ｍ−’）ｎ生型ＧａＡｓバッファ層１２； 厚さ　３．５〔μｍ〕、不純物濃度ＩＸ　１０１８（ｍ
力ｎ　ｆｆ１Ｊｉｏ、　５　Ｇ　ａｏ、ｓ　Ａ　ｓクラ
ッド層１３；厚さ１乃至１．５〔μＩＩＩ）、不純物濃
度３乃至５Ｘ１０”−りｐ型ＡＱ　０．５　Ｇ　ａ　（
１，５Ａ　８クラッド層１５：厚さ１乃至１゜５〔μｒ
ｒ〕、不純物濃度３乃至５×１０′？〔α力ｐ＋型Ｇａ
Ａｓキャップ層１６； 厚さく’１．５［μｍ］、不純物濃度ｌＸｌＯ１９〔ｚ
−’１以上ただシフ、以上量した各数値は代表的な値を
示すものである。゛また不純物としては、分子線エピタ
キシャル成長方法ではｎ型に錫（Ｓ　ｎ　）又はシリコ
ン（Ｓｉ）、Ｐ型にべＩＪ　リウム（Ｂｅ’）、有機金
属熱分解気相成長方法ではｎ型にテルル（Ｔ　ｅ　）ハ
Ｓｎ　。

ｐ型に亜鉛（Ｚｎ）又はカドミウム（Ｃｄ）などが適当
である。

なお、１７は保護Ｉｌ別、１８は１１則電極、１９はｎ
側′屯極を示す。

第７図に示すｈ１子井戸構造１４の詳細を、εじ８図（
ａ）乃至（Ｃ）に各層の厚さ及びＡＭの組成比ｔＵ表的
に示す３実施例について説明する。

第８図（ａ）参照 本実施例は電子のトンネル確率制御のためにバリア層の
組成を変化させたものである。

ウェル層１４ａ、乃至１４ａ４ −に１− 組　　成　　　　　　　　ＧａＡｓ ＪｌさＬｚｌ乃至Ｌｚ４　　１０（ｎｍ）第１バリア層
１４ｂｓ　　（基板１１に最も近いツクリア層）組　　
成　　　　　　　　ＡＬｏ４Ｇ　ａｏ、ａＡ　ｓ厚さＬ
Ｂ、　　　　　　　　３［ｎｍ）第２バリア層１４ｂ２ 組　　成　　　　　　　　Ｎ１ｏｓ　Ｇ　ａ　ｏ、ｓ　
Ａ　ｓ厚さＬｎ、　　　　　　　　３（ｎｍ）第３バリ
ア層１４ｂ３ プでも効果が得られるが、５Ｘ１０１？乃至ｌＸｌ０１
８〔ｍ−０８贋の不純物を含むｐ型とすることが望まし
い０ 第８図（ｂ）参照 本実施例は電子のトンネル確率制御のためにノくリア層
の厚さを変化させたものである。

ウェル層１４ａ１乃至１４ａ４？ 前記例に同じ。

第１バリア層１４ｂ１ １２− 組　　成　　　　　　　　Ａｔｏ、ａ　Ｇ　ａ　ｏ、　
７　Ａ　ｓ厚さＬｌ）、　　　　　　　３〔ｎｍ１Ｍ２
７９７層１４ｂ２ 組　　成　　　　　　　　ＡＡｏ３Ｇ　ａ　Ｏ，７Ａ　
ｓ厚さＬｂ２　　　　　　　２（ｎｍ） 第３バリア層１４ｂ。

組　　成　　　　　　　　Ａｊ！ｏ、ａ　Ｇ　ａｏ、７
　Ａ　ｓ厚さＬｂｓ　　　　　　　　１．５　〔、ｎｍ
　）前記２例においては、ウェル層１４ａ１乃至１４ａ
４のエネルギー準位の間には若干のずれを生じる。

その幅は光波長に換算して数（ｎｍ）程度で６つてレー
ザ発振はこの幅内の単一波長で生ずる。前記２例におい
ては発振波長は約８６２（ｎｍ）である。

第８図（ｅ）参照 本実施例は各ウェル層のエネルギー準位を波長７８０（
ｎｍ）に一致させたものである。

第１ウェル層１４ａｌ（ｎ型クラッド層１３に接するウ
ェル層） 組　　成　　　　　　　　ＧａＡｓ 厚さＬｚｌ　　　　　　　５（ｎｍ） 第２ウェル層　１４ａ。

組　　成　　　　　　　　Ａｇｏｏ５Ｇ　ａａ、ｅ５Ａ
　ｓ厚さＬｚ２　　　　　　　８　　（ｎ＋ｎ）第３ウ
ェル層　１４ａ３ 組　　成　　　　　　　　Ｍｏ、ｕ　Ｇ　ａｏ、ｓｓ　
Ａ　ｓ厚さＬＺ８　　　　　　　１２（ｎｍ）バリア層
　１４ｂ、及び１４ｂ２ 組　　成　　　　　　　　ＡＱｏａｓ　Ｇ　ａｏ、ｓ５
Ａ　ｓ厚さＬｂ、及びＬｂ２３　　Ｃｎｒｒ＋）本実力
′出側においてはバリア層１４ｂ１と１４ｂ２との組成
及び厚さが同一であるが、ウェル層の組成がｊ臓次変化
することによってバリア高さｖｎも制御され、史にウェ
ル層幅（厚さ）が電子注入側が最も狭く、次第に拡大さ
れることによって本発明の効果が得られる。

以上説明した実施例について、その閾値電流密度Ｊｔｈ
が相当する従来例に比較して５０乃至７０図１程度に減
少することが確認されている。

以上の説明はＧａＡｓ／ＡＡＧａＡｓ系量子井戸レーザ
を例としているが、本発明は他の半導体材料、例えばＩ
ｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系等に適用して同様の効果を得る
ことができる。

（ｇ）　　発明の詳細 な説明した如く本発明によれば、多重鼠子井戸レーザの
ウェル層に注入されるキャリア斌の漸減が改善されるこ
とによって、キャリア注入効率が増大し、閾値電流の低
減、温度上昇の低減等の特性向上が達成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は多Ｍ量子井戸レーザの従来例を示す断面図、第
２図（ａ）及び（ｂ）は該従来例の谷半導体層の組成例
を示す図表、第３図は量子井戸のエネルギーダイヤグラ
ム、第４図は多Ｗｉｔ子井戸のエネルギーダイヤグラム
、第５図は本発明を説明するためのエネルギーダイヤグ
ラム、第６図は伝導帯のバリア高さと電子のエネルギー
準位との相関を示す図表、第７図は本発明の実施例の断
面図、第８図（ａ）乃至（ｅ）は本発明の実施例の量子
井戸構造の各層の厚さと組成比とを示す図表である。 図において、１１は計型ＧａＡｓ基板、１２はｎｍＬｔ
− 型ＧａＡｓバッファ層、１３はｎ型ＡｅＧ　ａ　Ａ　ｓ
クラッド層、１４は量子井戸構造、１４ａＩ、１４ａ２
等はウェル層、１４ｂ＋、１４ｂｔ等はバリア層、１５
はｐ型ＭＧａＡｓクラッド層、１６けｐｆｆ！Ｇ　ａ　
Ａ　ｓキャップ層、１７は保護膜、１８はｐ側電極、１
９はｎ側電極を示す。 １６− 第１図 ■ 第２Ｎ （θジ　　　　　　　　　　　　（ｂ〕、　　　　　　
Ａ１θ＠べ艮ムヱ　　　　　　　ＡｚのＡ巨ｐ（辷ヒχ
。 第３　同 第４　＠ 第５図 享６に へリア衛コＷｅ　−［！？ｖ］ ￥　７　可 Ｉイ 竿８　目（０，） ／Ｊｕｌ　　　ｔ４ｏｔ　　　ｔ４νり寥８　閣（−ｂ
） 糟ε　聞（す

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電子波のドウ・ブローイー波長以下の厚さを有す
   るウェル層と、該ウェル層より大なる禁制帯＠ヲゼする
   バリア層とが又互に積層された多重量子井戸構造金儲え
   て、該ウェル層及び該バリア層の少なくとも一方に、そ
   の厚さ及び組成の少なくとも一つが相互に異なる層が言
   まれでなることを特徴とする半４俸発光装置。
2. （２）前記ウェル層相互間に、等しい許容エネルギー準
   位が存在することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の半導体発光装置。