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JPS61228684A - 半導体発光素子 - Google Patents

半導体発光素子

Info

Publication number
JPS61228684A
JPS61228684A JP60069713A JP6971385A JPS61228684A JP S61228684 A JPS61228684 A JP S61228684A JP 60069713 A JP60069713 A JP 60069713A JP 6971385 A JP6971385 A JP 6971385A JP S61228684 A JPS61228684 A JP S61228684A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
type
active layer
concentration
carrier concentration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP60069713A
Other languages
English (en)
Inventor
Hiroshi Okuda
奥田 寛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority to JP60069713A priority Critical patent/JPS61228684A/ja
Publication of JPS61228684A publication Critical patent/JPS61228684A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10HINORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80Constructional details
    • H10H20/81Bodies
    • H10H20/811Bodies having quantum effect structures or superlattices, e.g. tunnel junctions

Landscapes

  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Led Devices (AREA)

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】 11↓Ω困月公! 本発明は、ダブルへテロ接合を有する半導体発光素子に
関する。
従来の技術 近年のオプトエレクトロニクスの発展に伴い、半導体レ
ーザを含めて発光ダイオードの研究が進んでいる。発光
ダイオードは小形であり、寿命が長く、信頼性が高い等
の特長を有しているが、光通信用としてはさらに発光出
力が高くかつ応答速度が速いことが望まれており、半導
体材料として石英系光ファイバの低損失域に発光波長を
有する高品質なエピタキシャル結晶が使用され、0.7
〜0.9μm帯ではGaA 1^s / GaAs系、
1〜1.7μm帯ではInGaAs P / In P
系が主に用いられている。
これらの材料からなる通信用発光ダイオードには発光出
力を高めるために一般にダブルへテロ接合構造が採用さ
れている。ダブルへテロ接合ではバンドギャップの小さ
い活性層がバンドギャップの大きい2つのクラッド層に
挟まれており、活性層に注入された電子は伝導帯にでき
るポテンシャル障壁によって、注入されたホールは価電
子帯にできるポテンシャル障壁によってそれぞれ閉じこ
められてこれらキャリヤのクラッド層への拡散が抑えら
れるので、わずかな電流でも注入されたキャリヤ濃度が
高くなり単位時間あたりの発光再結合の割合が増える、
すなわち発光効率が向上されて発光出力も高まるもので
ある。
一方、応答速度は活性層領域への注入キャリヤの再結合
寿命τで決まり、遮断周波数feが次式%式% また、キャリヤ寿命τは活性層に添加された不純物濃度
が高いほど小さいことが知られている。したがって、(
1)式かられかるように応答速度を速くする、すなわち
遮断周波数f、を向上させるためには、不純物濃度を高
めてキャリヤ寿命τを減少させればよい。
なお、活性層に添加される不純物としては拡散しやすく
毒性が少ないためにZn、 Mg等が最も多く用いられ
ている。
発明が解決しようとする問題点 従来のInGaAs P / In P系発光ダイオー
ドの断面図を第7図に示す。活性層7とクラッド層2お
よび4との間にそれぞれへテロ接合が形成されている。
いま、この発光ダイオードに高速応答性を持たせるため
に、各層の結晶成長時に第8図に示されるような濃度の
不純物を各層に持たせて、活性層7の不純物濃度を高め
るものとする。活性層7に添加される不純物としてZn
が用いられ、その結果、活性層7はn型領域となり、n
型クラッド層2との間にpn接合を形成しようとするも
のである。
しかしながら、p型不純物のZn (あるいはMg)は
拡散しやすいので、例えば液相エピタキシャル法などに
より第8図に示されるようなZnが高濃度(5×IO”
cm−’ )の活性層7を形成すると、Znは容易にそ
の下のn型クラッド層2の内部にまで拡散してZnの拡
散プロファイルは第8図の破線のようになってしまう。
その結果、n型クラッド層2の活性層7との境界付近は
n型領域となり活性層7とn型クラッド層2との境界に
形成しようとしたpn接合が実際にはn型クラッド層2
の内部に形成されることになる。したがって、この発光
ダイオードのエネルギーバンド図は第9図のようになり
、活性層7とn型クラッド層2との境界に存在すべきポ
テンシャル障壁がn型クラッド層2内にずれるので、活
性層7に注入されたキャリヤが活性層7外に流れ出して
キャリヤ密度が低下する。
すなわち、発光効率が劣化して発光出力が低下し、はじ
めの目的であった応答の高速化も達成されない。
そこで、本発明は高速応答かつ高発光出力を可能とする
半導体発光素子を提供することにある。
問題点 解決するための手段 本発明の半導体発光素子は、n型領域の第1のクラッド
層とn型領域の第2のクラッド層との間にn型領域の活
性層を形成するものであり、また活性層のキャリヤ濃度
は第1、第2のクラッド層に比べて大きく設定されてい
る。
なお、第2のクラッド層は、活性層のすぐ上に形成され
る第1層とさらに第1層の上に形成され第1層より大き
いキャリヤ濃度と厚さを有する第2層からなる2層構造
であってもよい。
本発明の好ましい態様においては、活性層がキャリヤ濃
度1xlQI8〜5 X 10 ’ ”cm−’、厚さ
0.1〜2.0μmのInGaAs Pからなり、第2
のクラフト層がキャリヤ濃度1 xlQl? 〜2XI
O”cm−’、厚さ0.2〜2.0μmのInPからな
っている。
芸月 一般にn型不純物は拡散しにくいので、このような構造
にすることによって、n型の活性層とp型の第2のクラ
ッド層の界面に形成され、たpn接合は不純物の拡散に
よってその位置がずれることはない。
ところで、pn接合においてp型およびn型のキャリヤ
濃度が共に高いと、空乏層のポテンシャル障壁の幅が小
さくなりトンネル現象の確率が高くなることが知られて
いる。トンネル電流が暗電流として現われ、トンネルブ
レークダウンを引き起こすと、発光ダイオードとしての
用をなさなくなるので、このトンネル現象の発生を防止
しなければならない。そのためにはpn接合°の低濃度
側、すなわち第2のクラフト層のキャリヤ濃度を低く設
定する必要がある。
また、第2のクラッド層を活性層の上に位置するように
形成すると、発光素子の加工時の不純物拡散等による活
性層へのダメージを与えないために、第2のクラッド層
の厚さを大きく設定する必要がある。
ところが、低キャリヤ濃度の第2のクラッド層を厚くす
ると電気抵抗が増加して発光素子としての特性が劣化し
てしまう。
そこで、第2のクラッド層を第1層、第2層の2層構造
とし、まず活性層の上にキャリヤ濃度が低くて薄い第1
層を形成し、次にこの第1層の上にキャリヤ濃度が高く
て厚い第2層を形成すれば、加工時に活性層にダメージ
を与えない厚さを有し、かつ電気抵抗の低い第2のクラ
ッド層を実現することができる。
11男 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
第1図は本発明の半導体発光素子の一実施例を示す断面
図、第2図は本実施例の各層にふけるキャリヤ濃度分布
図である。図示の半導体発光素子は、Te I X10
18cm−’濃度のn型1nP基板1を有し、その基板
1の上にはTe l XIO”cm−’濃度の厚さ5μ
mのn型InPクラッド層2が形成され、更にTe5 
xlo”Cm−’濃度で厚さ1.umのn型1nGaA
s P活性層3が形成されている。その活性層3の上に
は、Zn I XIO”cm−’濃度の厚さ0.5μm
のp型1nPクラッド層4、更にZn 3 X1018
C,11−3濃度で厚さ1μmのp型1nGaAs P
コンタクト層5が形成されている。
そして、n型クラッド層2からコンタクト層5までは順
次液相エピタキシャル成長法により形成した。すなわち
、本実施例は第7図の従来例において活性層7に添加さ
れたp型不純物のZnの代わりにn型不純物のTeを活
性層3に添加してpn接合を活性層3とp型クラッド層
4との界面に形成し、さらにp型クラッド層4のキャリ
ヤ濃度をI XIO”cl’に減少させてトンネル現象
の発生を防止するものである。
本実施例のn型基板1およびp型コンタクト層5にそれ
ぞれ電極を設けてp型コンタクト層5からn型基板1に
向かう電界を加えたところ、第3図、第4図にそれぞれ
示される遮断周波数特性および発光出力特性が得られた
。図中の破線は第7図の従来例の特性を示しており、本
実施例の発光ダイオードは各電流値において従来より高
い遮断周波数と発光出力を有する、すなわち、応答の高
速化と高出力化を達成していることがわかる。
第2の実施例の断面図および各層におけるキャリヤ濃度
分布図を第5図、第6図に示す。この第2の実施例は第
1図の実施例においてp型クラッド層4とp型コンタク
ト層5との間に、3 XIO”cm−’のZnが添加さ
れた厚さ1μmの第2のp型1nPクラッド層6を設け
て、加工時に活性層3がダメージを受けることを防止し
たものであり、その遮断周波数および発光出力は第1の
実施例と同様の特性を示している。
な右、活性層3とコンタクト層5を形成するInGaA
s PはInPに格子整合されるものであり、電極金属
とオーミック接触を容易にするため、0.75eVから
1.2eV程度のバンドギャッ゛ブを有する混晶比 ′
のInGaAs Pが好ましい。
また、上記の2つの実施例では各層の厚さおよびキャリ
ヤ濃度として一つの例を示したに過ぎず、第1表に示す
範囲内であれば同様の効果が得られる。
第1表 ただし、n型クラッド層4のキャリヤ濃度は第6図の分
布図と同様に活性層3および第2のn型クラッド層6よ
り低くなければならない。また、n型クラッド層4が比
較的厚い場合には第2のn型クラッド層6は不要となる
また、本実施例では活性層3の下にn型クラッド層2が
、活性層3の上にn型クラッド層4が位置するように構
成されているが、逆でも構わない。すなわち、p型基板
の上にn型クラッド層、n型活性層、n型クラッド層、
n型コンタクト層を順次形成しても同様の効果が得られ
る。
さらに、半導体材料としては上記実施例のInGaAs
 P / In P系の他、やはり通信用のInGaA
sSb /InSb系、GaAlAsSb /GaSb
系、InGaAs P /GaAs系、GaAsAs 
P / GaAs系をはじめとする4元、3元、2元■
−■族化合物半導体、またその他の半導体でもよい。
また、結晶の成長法として液相エピタキシャル法を用い
たが、分子線エピタキシャル成長法あるいは有機金属熱
分解気相成長法(MOCVD法)でもよい。
さらに、n型不純物として基板1、クラッド層2、活性
層3に添加されたTeの代わりにSn、 Seあるいは
Sを用いても同様の効果が得られ、p型不純物としてク
ラッド層4、第2のクラッド層6、コンタクト層5に添
加されたZnの代わりにMg5Cd等でもよい。但し、
不純物としてはn型についてみれば、SなどよりはSe
、 Teなどの原子の大きさが大きい物質の方が拡散し
にくい。そこで、Se。
Teなどの大型原子を使用した方が拡散防止により効果
がある。
m1呈 以上説明したように本発明によれば、pn接合面の位置
をずらすことなく高キャリヤ濃度の活性層を形成するこ
とができるので、応答速度が速くかつ発光出力の大きい
半導体発光素子が実現される。
従って、本発明による半導体発光素子を光通信用機器に
応用すれば非常に有効である。
【図面の簡単な説明】
第1図及び第2図はそれぞれ本発明の一実施例に係る半
導体発光素子の断面図及びキャリヤ濃度分布図、 第3図及び第4図はそれぞれ第1図の実施例の遮断周波
数特性図及び発光出力特性図、第5図及び第6図はそれ
ぞれ他の実施例の断面図及びキャリヤ濃度分布図、 第7図、第8図、第9図はそれぞれ従来例の断面図、キ
ャリヤ濃度分布図、エネルギーバンド図である。 (主な参照番号) 1・・n型1nP基板、 2・・n型1nPクラッド層、 3・・n型1nGaAs P活性層、 4・・p型1nPクラッド層、

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)n型領域の第1のクラッド層と、p型領域の第2
    のクラッド層と、該第1、第2のクラッド層の間に形成
    された活性層とを有する半導体発光素子において、 前記活性層がn型領域であり、さらに前記活性層のキャ
    リヤ濃度が前記第1、第2のクラッド層の各キャリヤ濃
    度より大きいことを特徴とする半導体発光素子。
  2. (2)前記第2のクラッド層が前記活性層の上に形成さ
    れた第1層と該第1層の上に形成され前記第1層より大
    きいキャリヤ濃度と厚さを有する第2層からなる特許請
    求の範囲第1項記載の半導体発光素子。
  3. (3)前記活性層がInGaAsPからなり、前記第1
    、第2のクラッド層がInPからなる特許請求の範囲第
    1項または第2項記載の半導体発光素子。
  4. (4)前記活性層および前記第2のクラッド層のキャリ
    ヤ濃度がそれぞれ1×10^1^8〜5×10^1^9
    cm^−^3、1×10^1^7〜2×10^1^8c
    m^−^3の範囲にある特許請求の範囲第3項記載の半
    導体発光素子。
  5. (5)前記活性層および前記第2のクラッド層の厚さが
    それぞれ0.1〜2.0μm、0.2〜2.0μmの範
    囲内である特許請求の範囲第4項記載の半導体発光素子
  6. (6)前記活性層と前記第1、第2のクラッド層をそれ
    ぞれ構成する半導体がInGaAsSb/InSb系、
    GaAlAsSb/GaSb系、InGaAsP/Ga
    As系、GaAlAsP/GaAs系のいずれかである
    特許請求の範囲第1項または第2項記載の半導体発光素
    子。
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