JPS63181486A - 半導体発光装置 - Google Patents
半導体発光装置Info
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- JPS63181486A JPS63181486A JP62012552A JP1255287A JPS63181486A JP S63181486 A JPS63181486 A JP S63181486A JP 62012552 A JP62012552 A JP 62012552A JP 1255287 A JP1255287 A JP 1255287A JP S63181486 A JPS63181486 A JP S63181486A
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
- H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
- H10H20/062—Light-emitting semiconductor devices having field effect type light-emitting regions, e.g. light-emitting High-Electron Mobility Transistors
-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
- H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
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- H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
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- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
- H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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- H01S5/3222—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures in AIVBVI compounds, e.g. PbSSe-laser
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- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
- H01S5/3428—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers layer orientation perpendicular to the substrate
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明は、半導体レーザや発光ダイオードのような半導
体発光装置、特に高速変調することができる半導体発光
装置に関するものである。
体発光装置、特に高速変調することができる半導体発光
装置に関するものである。
(従来の技術)
光通信技術の発達に伴ない高速変調できる半導体発光装
置の開発が強く要請されている。
置の開発が強く要請されている。
従来、半導体発光装置の発光出力を変調する方法として
、発光素子の励起源の注入電流に変調信号を加えて変調
する直接変調法が広く用いられている。この直接変調法
では、活性層内に存在する電子、正孔の数を制御して発
光量又は光波に対する増幅利得係数を制御する構成とし
ているため、スイッチングに要する時間は必然的に活性
層に注入された電子、正孔の再結合時間となってしまい
、スイッチング時間が制限される欠点があった。またQ
スイッチ動作によって変調するQスイッチング法や共振
モード間の位相関係を固定したモード状態を作り出して
光パルス列を発生させるモード同期法がある。しかし、
Qスイッチング法では共振器内に光変調器を配置しなけ
ればならず、またモード同期法では複雑な構造の外付は
共振器が必要であり、これらの方法では構造が複雑化す
ると共に製造コストが高価になる欠点があった。
、発光素子の励起源の注入電流に変調信号を加えて変調
する直接変調法が広く用いられている。この直接変調法
では、活性層内に存在する電子、正孔の数を制御して発
光量又は光波に対する増幅利得係数を制御する構成とし
ているため、スイッチングに要する時間は必然的に活性
層に注入された電子、正孔の再結合時間となってしまい
、スイッチング時間が制限される欠点があった。またQ
スイッチ動作によって変調するQスイッチング法や共振
モード間の位相関係を固定したモード状態を作り出して
光パルス列を発生させるモード同期法がある。しかし、
Qスイッチング法では共振器内に光変調器を配置しなけ
ればならず、またモード同期法では複雑な構造の外付は
共振器が必要であり、これらの方法では構造が複雑化す
ると共に製造コストが高価になる欠点があった。
これらの欠点を解決するものとして、本願人は特開昭6
0−1874号公報において電圧制御型半導体発光装置
を提案している。第6図は、本願人が提案した電圧制御
型半導体発光装置の構成を示す線図である。活性N1の
両側に絶縁性クラッド層2及び3が形成され、これらク
ラッド層の外側に第1及び第2の制御電極4及び5がそ
れぞれ形成されている。また、活性体層1の側方にはp
形注入領域6及びn形注入領域7が形成されている。p
形注入領域6及びn形注入領域7から活性層1に正孔及
び電子がそれぞれ注入され、注入された電子と正孔とが
再結合して発光動作が行なわれる。一方、2個の制御電
極4及び5に正極性及び負極性の制御電圧を印加すると
、活性N1に注入された電子は活性層内の第1制御電極
4側に捕獲された、正孔は第2制御電極5側に捕獲され
分極が生ずる。この場合、活性層1の禁制帯の幅をクラ
ッド層2及び3の禁制帯の幅よりも小さく設定すれば、
注入された電子及び正孔が電界によって各クラッド層2
及び3内に引き出されるのが防止される。従って、第1
及び第2の制御電極4及び5に印加される制御電圧を変
調信号として利用することにより、再結合寿命時間に制
限されない極めて高速の発光出力変調を行なうことがで
きる。
0−1874号公報において電圧制御型半導体発光装置
を提案している。第6図は、本願人が提案した電圧制御
型半導体発光装置の構成を示す線図である。活性N1の
両側に絶縁性クラッド層2及び3が形成され、これらク
ラッド層の外側に第1及び第2の制御電極4及び5がそ
れぞれ形成されている。また、活性体層1の側方にはp
形注入領域6及びn形注入領域7が形成されている。p
形注入領域6及びn形注入領域7から活性層1に正孔及
び電子がそれぞれ注入され、注入された電子と正孔とが
再結合して発光動作が行なわれる。一方、2個の制御電
極4及び5に正極性及び負極性の制御電圧を印加すると
、活性N1に注入された電子は活性層内の第1制御電極
4側に捕獲された、正孔は第2制御電極5側に捕獲され
分極が生ずる。この場合、活性層1の禁制帯の幅をクラ
ッド層2及び3の禁制帯の幅よりも小さく設定すれば、
注入された電子及び正孔が電界によって各クラッド層2
及び3内に引き出されるのが防止される。従って、第1
及び第2の制御電極4及び5に印加される制御電圧を変
調信号として利用することにより、再結合寿命時間に制
限されない極めて高速の発光出力変調を行なうことがで
きる。
(発明が解決しようとする問題点)
本願人が提案した電圧制御型半導体発光装置は発光出力
の変調速度が注入された電子及び正孔の再結合寿命時間
に制限されない顕著な効果があるが、以下に述べる欠点
がある。すなわち、n形注入領域及びp形波λM域から
電子及び正孔が時間的に一定の割合で注入され続けるた
め、制御パルス印加期間(非発光期間)において再結合
するキャリヤが徐々に増大してしまい、第7図に示すよ
うに捕獲された電子、正孔の量が増大するに従って非発
光期間中における発光量が徐々に増大する不都合が生じ
ていた。逆に、発光期間中においては、キャリヤ数が徐
々に減少し、その結果、発光出力が徐々に減少する。つ
まり、一定の注入電流でもって電子、正孔を注入する限
り、発光期間、非発光期間のいずれにおいても定常状態
の発光量は、一定の注入電流に見合った状態で釣り合う
。
の変調速度が注入された電子及び正孔の再結合寿命時間
に制限されない顕著な効果があるが、以下に述べる欠点
がある。すなわち、n形注入領域及びp形波λM域から
電子及び正孔が時間的に一定の割合で注入され続けるた
め、制御パルス印加期間(非発光期間)において再結合
するキャリヤが徐々に増大してしまい、第7図に示すよ
うに捕獲された電子、正孔の量が増大するに従って非発
光期間中における発光量が徐々に増大する不都合が生じ
ていた。逆に、発光期間中においては、キャリヤ数が徐
々に減少し、その結果、発光出力が徐々に減少する。つ
まり、一定の注入電流でもって電子、正孔を注入する限
り、発光期間、非発光期間のいずれにおいても定常状態
の発光量は、一定の注入電流に見合った状態で釣り合う
。
この結果定常状態の発光量は第6図の制御電極4及び5
のバイアス電圧の如何にかかわらず一定となってしまう
。このため、パルス幅の短い変調パルスが順次供給され
ると、活性層内に捕獲される電子、正孔が徐々に減少し
てしまい、発光出力レベル自体も徐々に低下する不都合
も生じていた。
のバイアス電圧の如何にかかわらず一定となってしまう
。このため、パルス幅の短い変調パルスが順次供給され
ると、活性層内に捕獲される電子、正孔が徐々に減少し
てしまい、発光出力レベル自体も徐々に低下する不都合
も生じていた。
更に、活性層の側方の両側から電子及び正孔をそれぞれ
注入する構成としているため注入効率が低い欠点もあっ
た。
注入する構成としているため注入効率が低い欠点もあっ
た。
従って、本発明は上述した欠点、つまりスイッチ後に生
じる発光出力変動を除去し、簡単な構成で高速変調する
ことができると共に、非発光期間における発光量を極め
て低いレベルとすることができる半導体発光装置を提供
するものである。
じる発光出力変動を除去し、簡単な構成で高速変調する
ことができると共に、非発光期間における発光量を極め
て低いレベルとすることができる半導体発光装置を提供
するものである。
(問題点を解決するための手段)
本発明による半導体発光装置は、一導電形エミッタ領域
と、このエミッタ領域上に形成した反対導電形のベース
領域と、このベース領域上に形成した一導電形コレクタ
領域と、これら各領域に形成した各電極と、エミッタ電
極とベース電極間に接続され常時一定圧を印加する注入
電圧源と、工ミッタ電極とコレクタ電極間にベースコレ
クタ接合が逆バイアスとなるように接続されベース領域
内に注入されたキャリヤの再結合を制御する制御電圧源
とを具え、 前記制御電圧源によって形成される電位勾配により非発
光期間中に注入されたキャリヤをベース領域内に捕獲し
、捕獲したキャリヤを発光期間中に再結合させるように
構成したことを特徴とするものである。
と、このエミッタ領域上に形成した反対導電形のベース
領域と、このベース領域上に形成した一導電形コレクタ
領域と、これら各領域に形成した各電極と、エミッタ電
極とベース電極間に接続され常時一定圧を印加する注入
電圧源と、工ミッタ電極とコレクタ電極間にベースコレ
クタ接合が逆バイアスとなるように接続されベース領域
内に注入されたキャリヤの再結合を制御する制御電圧源
とを具え、 前記制御電圧源によって形成される電位勾配により非発
光期間中に注入されたキャリヤをベース領域内に捕獲し
、捕獲したキャリヤを発光期間中に再結合させるように
構成したことを特徴とするものである。
(作 用)
第1図a及びbは本発明による半導体発光装置の原理を
説明するための線図である。活性層として作用するn形
ベース領域10の両側にp形エミッタ領域11およびp
形コレクタ領域12を形成してダブルへテロ接合を形成
する。これらコレクタ領域12及びエミッタ領域11の
禁制帯幅をベース領域10の禁制帯幅に比べ充分大きく
なるようにし、この禁制帯幅の差を0.3eV以上とす
る。
説明するための線図である。活性層として作用するn形
ベース領域10の両側にp形エミッタ領域11およびp
形コレクタ領域12を形成してダブルへテロ接合を形成
する。これらコレクタ領域12及びエミッタ領域11の
禁制帯幅をベース領域10の禁制帯幅に比べ充分大きく
なるようにし、この禁制帯幅の差を0.3eV以上とす
る。
ベース領域10の側方にベース電極13を形成し、エミ
ッタ領域11上にエミッタ電極14を形成しコレクタ領
域12上に制御電極15をそれぞれ形成する。ベース電
極13とエミッタ電極14との間にキャリヤ注入源とし
て作用し常時一定電圧を印加する注入電圧源16をベー
ス電極側が負極性となるように接続する。更に、エミッ
タ電極14と制御電極15との間に制御電圧源17をベ
ースコレクタ接合に逆バイアスが生ずるように接続する
。この制御電圧源17はベース領域内に注入された電子
、正孔の再結合を制御する機能を果たすものである。
ッタ領域11上にエミッタ電極14を形成しコレクタ領
域12上に制御電極15をそれぞれ形成する。ベース電
極13とエミッタ電極14との間にキャリヤ注入源とし
て作用し常時一定電圧を印加する注入電圧源16をベー
ス電極側が負極性となるように接続する。更に、エミッ
タ電極14と制御電極15との間に制御電圧源17をベ
ースコレクタ接合に逆バイアスが生ずるように接続する
。この制御電圧源17はベース領域内に注入された電子
、正孔の再結合を制御する機能を果たすものである。
注入電圧源16によりベース−エミッタ間に注入電圧を
印加すると、エミッタ領域11からベース領域10に正
孔が注入されベース電極13からベース領域10に電子
が注入される。この場合、エミッターコレクタ間にバイ
アスを印加しない場合ベース領域10内の電子とエミッ
タ領域11から注入された正孔はベース領域10内の同
一空間を占め、これら電子及び正孔が再結合して通常の
半導体発光装置と同様な発光動作を行なう。一方、制御
電圧源17によりエミッタ領域11とコレクタ領域12
との間に制御電圧を印加すると、第1図すに示すように
p形コレクタ領域12とn形ベース領域10との接合部
に強い逆バイアスが生じ、こめ結果空乏層がベース領域
10内に侵入し電子、正孔に対する電位勾配を生ずる。
印加すると、エミッタ領域11からベース領域10に正
孔が注入されベース電極13からベース領域10に電子
が注入される。この場合、エミッターコレクタ間にバイ
アスを印加しない場合ベース領域10内の電子とエミッ
タ領域11から注入された正孔はベース領域10内の同
一空間を占め、これら電子及び正孔が再結合して通常の
半導体発光装置と同様な発光動作を行なう。一方、制御
電圧源17によりエミッタ領域11とコレクタ領域12
との間に制御電圧を印加すると、第1図すに示すように
p形コレクタ領域12とn形ベース領域10との接合部
に強い逆バイアスが生じ、こめ結果空乏層がベース領域
10内に侵入し電子、正孔に対する電位勾配を生ずる。
一方、エミッタ領域11及びコレクタ領域12の各禁制
帯幅をベース領域10の禁制帯幅よりも充分大きくすれ
ば、ベース領域10に注入された電子及び正孔がエミッ
タ領域11及びコレクタ領域12にそれぞれ引き出され
るのを防止することができる。従って各領域の禁制帯幅
を適正に設定すると共にベース領域10内に第1図すに
示される電位勾配を形成すれば、ベース領域内に注入さ
れた電子A及び正孔 −Bを捕獲したままで、電子A及
び正孔Bを空間的に分離することができる。この結果制
御電圧源17のスイッチング動作によって発光動作を切
り換えることができる。また、ベース領域10内に生ず
る電位勾配によってベース領域10の禁制帯幅が実質的
に低下するため、発光波長及び光波に対する利得係数が
長波側に移動することになる。
帯幅をベース領域10の禁制帯幅よりも充分大きくすれ
ば、ベース領域10に注入された電子及び正孔がエミッ
タ領域11及びコレクタ領域12にそれぞれ引き出され
るのを防止することができる。従って各領域の禁制帯幅
を適正に設定すると共にベース領域10内に第1図すに
示される電位勾配を形成すれば、ベース領域内に注入さ
れた電子A及び正孔 −Bを捕獲したままで、電子A及
び正孔Bを空間的に分離することができる。この結果制
御電圧源17のスイッチング動作によって発光動作を切
り換えることができる。また、ベース領域10内に生ず
る電位勾配によってベース領域10の禁制帯幅が実質的
に低下するため、発光波長及び光波に対する利得係数が
長波側に移動することになる。
第2図に制御電圧源17により印加される制御電圧を変
調信号として利用した場合の発光特性を示す。第2図a
に示すような変調信号を制御電圧としてエミッターベー
ス間に印加すると、ベース領域に注入された電子及び正
孔はエミッタ領域側及びコレクタ領域側にそれぞれ捕獲
され分極が生ずる。この非発光期間において捕獲されな
いわずかな電子及び正孔が再結合し、わずかなレベルの
発光が生ずる。一方、制御電圧が零レベル(発光期間)
に切り換わると、制御電界によって捕獲された電子及び
正孔が開放され再結合して発光動作が行なわれる。この
場合、非発光期間中に捕獲された電子、正孔が変調信号
のスイッチングと同時に再結合を開始するため、変調信
号が切り換わると同時に充分な発光出力で発光動作を開
始する。
調信号として利用した場合の発光特性を示す。第2図a
に示すような変調信号を制御電圧としてエミッターベー
ス間に印加すると、ベース領域に注入された電子及び正
孔はエミッタ領域側及びコレクタ領域側にそれぞれ捕獲
され分極が生ずる。この非発光期間において捕獲されな
いわずかな電子及び正孔が再結合し、わずかなレベルの
発光が生ずる。一方、制御電圧が零レベル(発光期間)
に切り換わると、制御電界によって捕獲された電子及び
正孔が開放され再結合して発光動作が行なわれる。この
場合、非発光期間中に捕獲された電子、正孔が変調信号
のスイッチングと同時に再結合を開始するため、変調信
号が切り換わると同時に充分な発光出力で発光動作を開
始する。
つぎに、制御電圧が所定のバイアス電圧に切り換わると
、ベース領域lOの内部に電位勾配が生じ、この電位勾
配によって注入電圧源16から供給された電子及び正孔
が順次捕獲される。この場合、本願人が提案した従来の
電圧制御型半導体発光装置では、捕獲された電子及゛び
正孔の分極方向と直交する方向、すなわちベース領域の
側方から電子及び正孔をそれぞれ注入する構成としてい
るため、注入された電子及び正孔は、捕獲された電子及
び正孔の量に無関係に一定の時間割合で注入され続け、
この結果捕獲された電子、正孔の量が増大するに従って
捕獲されずに直接再結合発光してしまう電子、正札の量
が時間経過と共に増大し、最終的には一定の注入電流に
見合った時間割合で再結合発光が生じていた。一方、本
発明では正孔の注入方向を制御電界の方向と一致させて
いるため、電子、正孔の分極が生じるに従ってベース抵
抗が増大し、その結果正孔の注入量が減少する。この結
果、注入電圧源16によって常時一定電圧を印加しても
キャリヤの分極量が生ずるに従ってエミッターベース間
電流が自動的に減少し、この結果、スイッチ後に生じる
発光出力変動を除去することができる。従って、非発光
期間中における発光量に対する発光期間中の発光量の割
合が一層増大し、例えば定常状態の発光出力比を10倍
以上にすることができる。
、ベース領域lOの内部に電位勾配が生じ、この電位勾
配によって注入電圧源16から供給された電子及び正孔
が順次捕獲される。この場合、本願人が提案した従来の
電圧制御型半導体発光装置では、捕獲された電子及゛び
正孔の分極方向と直交する方向、すなわちベース領域の
側方から電子及び正孔をそれぞれ注入する構成としてい
るため、注入された電子及び正孔は、捕獲された電子及
び正孔の量に無関係に一定の時間割合で注入され続け、
この結果捕獲された電子、正孔の量が増大するに従って
捕獲されずに直接再結合発光してしまう電子、正札の量
が時間経過と共に増大し、最終的には一定の注入電流に
見合った時間割合で再結合発光が生じていた。一方、本
発明では正孔の注入方向を制御電界の方向と一致させて
いるため、電子、正孔の分極が生じるに従ってベース抵
抗が増大し、その結果正孔の注入量が減少する。この結
果、注入電圧源16によって常時一定電圧を印加しても
キャリヤの分極量が生ずるに従ってエミッターベース間
電流が自動的に減少し、この結果、スイッチ後に生じる
発光出力変動を除去することができる。従って、非発光
期間中における発光量に対する発光期間中の発光量の割
合が一層増大し、例えば定常状態の発光出力比を10倍
以上にすることができる。
本発明による半導体発光装置のスイッチング時間は、ベ
ース領域10内における電子及び正孔が分極したり、逆
に分極した状態から均一な分布状態に戻るまでに要する
時間で決まる。この時間はベース領域10の厚さtが2
000Å以下の場合には数psec以下の値となるため
、一層高速で変調することができる。ベース領域10の
厚さtは上限値と下限値によって定められる好適範囲が
ある。
ース領域10内における電子及び正孔が分極したり、逆
に分極した状態から均一な分布状態に戻るまでに要する
時間で決まる。この時間はベース領域10の厚さtが2
000Å以下の場合には数psec以下の値となるため
、一層高速で変調することができる。ベース領域10の
厚さtは上限値と下限値によって定められる好適範囲が
ある。
すなわち、ベース領域10に生ずる電界強度には絶縁破
壊強度によって決められる上限値Emがある。電磁見学
によればベース領域10に電界が存在しない状態でベー
ス領域10内に均一に存在する互いに等しい体積密度n
及びpの電子及び正孔を外部電界によりベース領域内で
充分に分極するには次式で示される条件を満たす必要が
ある。
壊強度によって決められる上限値Emがある。電磁見学
によればベース領域10に電界が存在しない状態でベー
ス領域10内に均一に存在する互いに等しい体積密度n
及びpの電子及び正孔を外部電界によりベース領域内で
充分に分極するには次式で示される条件を満たす必要が
ある。
n
ここで、εはコレクタ領域12の誘電率、eは電子電荷
である。通常、充分な発光出力を得るために必要な電子
の体積密度及び正孔の体積密度pの値は約lXl017
個/cm’以上であり、例えばコレクタ領域12がGa
AlAs系結晶の場合Emは約5X10’V/amであ
り、その誘電率εは約10程度であるため、(11式よ
りベース領域10の厚さtは約3000Å以下でなけれ
ばならない。
である。通常、充分な発光出力を得るために必要な電子
の体積密度及び正孔の体積密度pの値は約lXl017
個/cm’以上であり、例えばコレクタ領域12がGa
AlAs系結晶の場合Emは約5X10’V/amであ
り、その誘電率εは約10程度であるため、(11式よ
りベース領域10の厚さtは約3000Å以下でなけれ
ばならない。
一方、エミッタ領域11から注入された正孔をコレクタ
領域12側に漏出することなくベース領域lO内に捕獲
するためには、種々の実験検討に基き100Å以上必要
であることを見出した。従って、ベース領域の厚さtは
、ioo人<、t < 3000人の範囲に設定するの
が好ましい。また、ベース領域とエミッタ及びコレクタ
領域との禁制帯幅の差は0.3 eV以上とすることが
望ましい。
領域12側に漏出することなくベース領域lO内に捕獲
するためには、種々の実験検討に基き100Å以上必要
であることを見出した。従って、ベース領域の厚さtは
、ioo人<、t < 3000人の範囲に設定するの
が好ましい。また、ベース領域とエミッタ及びコレクタ
領域との禁制帯幅の差は0.3 eV以上とすることが
望ましい。
なお、上述した原理説明においては、P−n−p形のへ
テロバイポーラトランジスタ構造を以て説明したが、n
−p−n形の構造であっても各電極に印加する動作電圧
の極性を換えることにより同一の動作特性を達成するこ
とができる。更に、本発明による発光装置は各領域を構
成する半導体材料により特に制限されず、GaAlAs
系、GaAlAsSn系、GaAlAsP系、GaAs
P系、InGaAsP系をはじめとするm−v族化合物
半導体材料はもとより、Pb5nTe系等のIV−VI
族化合物半導体材料も用いることができる。
テロバイポーラトランジスタ構造を以て説明したが、n
−p−n形の構造であっても各電極に印加する動作電圧
の極性を換えることにより同一の動作特性を達成するこ
とができる。更に、本発明による発光装置は各領域を構
成する半導体材料により特に制限されず、GaAlAs
系、GaAlAsSn系、GaAlAsP系、GaAs
P系、InGaAsP系をはじめとするm−v族化合物
半導体材料はもとより、Pb5nTe系等のIV−VI
族化合物半導体材料も用いることができる。
(実施例)
(実施例1)
第3図は本発明による半導体発光装置の第1実施例の構
成を線図的に示す斜視図である。本例では、半導体材料
としてGaAj2As系半導体材料を用いる。p形のG
aAs基板20上にp形のGa、、A lt 、As
(例えばX = 0.45〜1.0とする)から成る
エミッタ領域21を形成し、このエミッタ領域21上に
n形のGaAsから成り活性層として作用するベース領
域22を形成する。更に、このベース領域22上にp形
のGa1−XAI!XAS(例えばx = 0.6〜1
.0とする)から成るコレクタ領域23を形成し、この
コレクタ領域23上にp形不純物を高濃度にドープした
GaAsJi24を形成し、このGaAs[24上に制
御電極25を形成する。ベース領域22の両側にn形の
Ga+−、AβyAsから成る注入領域26を形成し、
この注入領域26上にベース電極27をそれぞれ形成し
、この注入領域26を介してベース領域に電子を注入す
る。更に、基板20の下側にエミッタ電極28を形成す
る。これらの各領域は液相エピタキシィ、分子線エピタ
キシィ、気相エピタキシィあるいは有機金属エピタキシ
ィによって結晶成長させることにより形成することがで
きる。また、各領域の導電形を逆にしてもよく、これは
以後説明する他の実施例でも同様である。
成を線図的に示す斜視図である。本例では、半導体材料
としてGaAj2As系半導体材料を用いる。p形のG
aAs基板20上にp形のGa、、A lt 、As
(例えばX = 0.45〜1.0とする)から成る
エミッタ領域21を形成し、このエミッタ領域21上に
n形のGaAsから成り活性層として作用するベース領
域22を形成する。更に、このベース領域22上にp形
のGa1−XAI!XAS(例えばx = 0.6〜1
.0とする)から成るコレクタ領域23を形成し、この
コレクタ領域23上にp形不純物を高濃度にドープした
GaAsJi24を形成し、このGaAs[24上に制
御電極25を形成する。ベース領域22の両側にn形の
Ga+−、AβyAsから成る注入領域26を形成し、
この注入領域26上にベース電極27をそれぞれ形成し
、この注入領域26を介してベース領域に電子を注入す
る。更に、基板20の下側にエミッタ電極28を形成す
る。これらの各領域は液相エピタキシィ、分子線エピタ
キシィ、気相エピタキシィあるいは有機金属エピタキシ
ィによって結晶成長させることにより形成することがで
きる。また、各領域の導電形を逆にしてもよく、これは
以後説明する他の実施例でも同様である。
この半導体発光装置を製造するに当り、P−GaAs基
板20上にエミッタ領域21、ベース領域22及びコレ
クタ領域23を連続して層状に結晶成長させる。各層の
厚さは、エミッタ領域層を0.5〜1.0μmとし、ベ
ース領域層を100人とし、コレクタ領域層を0.5〜
1.0μmとすることができる。この場合、エミッタ領
域21、コレクタ領域23及びGaAs層24をp形と
し、ベース領域22をn形とするには、p形不純物とじ
てMg、n形不純物としてSnを用いることができる。
板20上にエミッタ領域21、ベース領域22及びコレ
クタ領域23を連続して層状に結晶成長させる。各層の
厚さは、エミッタ領域層を0.5〜1.0μmとし、ベ
ース領域層を100人とし、コレクタ領域層を0.5〜
1.0μmとすることができる。この場合、エミッタ領
域21、コレクタ領域23及びGaAs層24をp形と
し、ベース領域22をn形とするには、p形不純物とじ
てMg、n形不純物としてSnを用いることができる。
このようにして形成した基体のGaAs124上にフォ
トレジスト工程により、例えば2μmの横幅で帯状のフ
ォトレジスト膜を形成する。このレジスト膜をマスクと
しレジスト膜の直下を残してGaAs層24、コレクタ
領域23、ベース領域22及びエミッタ領域21の一部
をエツチング処理により除去する。このエツチング処理
はエミッタ領域21の途中で停止する。次に、残された
各領域を挟み込むように注入領域26をn形不純物Sn
をドープして成長させる。GaAs層24の表面は、最
終的にはコレクタ領域23の上面より低くするものであ
るが、GaAs層24の成長時には成長面はコレクタ領
域23の上面より高(してもよく、或いはコレクタ領域
23の上面より低い位置で成長を停止してもよい。後の
電極形成工程のためには、注入領域26の成長表面はG
aAs124の上面に一致させるのが好ましい。その後
フォトレジスト工程及び真空蒸着法を利用して制御電極
25としてAu−Cr合金膜を、ベース電極27として
Au−Ge−Ni合金膜を被着する。尚、注入領域26
の成長終了時において注入領域の成長表面がGaAs層
24の上面より高い場合には、フォトレジスト工程と真
空蒸着法を利用し、制御電極25としてAU−Cr合金
膜を被着した後、被着した金属電極膜をマスクとして電
極膜の直下を残して注入領域26、GaAs124及び
コレクタ領域23の一部をコレクタ領域23の途中まで
エツチング処理によって除去した後、フォトレジスト工
程と真空蒸着法を利用して、ベース電極としてAU−G
e−Ni合金膜を被着する。
トレジスト工程により、例えば2μmの横幅で帯状のフ
ォトレジスト膜を形成する。このレジスト膜をマスクと
しレジスト膜の直下を残してGaAs層24、コレクタ
領域23、ベース領域22及びエミッタ領域21の一部
をエツチング処理により除去する。このエツチング処理
はエミッタ領域21の途中で停止する。次に、残された
各領域を挟み込むように注入領域26をn形不純物Sn
をドープして成長させる。GaAs層24の表面は、最
終的にはコレクタ領域23の上面より低くするものであ
るが、GaAs層24の成長時には成長面はコレクタ領
域23の上面より高(してもよく、或いはコレクタ領域
23の上面より低い位置で成長を停止してもよい。後の
電極形成工程のためには、注入領域26の成長表面はG
aAs124の上面に一致させるのが好ましい。その後
フォトレジスト工程及び真空蒸着法を利用して制御電極
25としてAu−Cr合金膜を、ベース電極27として
Au−Ge−Ni合金膜を被着する。尚、注入領域26
の成長終了時において注入領域の成長表面がGaAs層
24の上面より高い場合には、フォトレジスト工程と真
空蒸着法を利用し、制御電極25としてAU−Cr合金
膜を被着した後、被着した金属電極膜をマスクとして電
極膜の直下を残して注入領域26、GaAs124及び
コレクタ領域23の一部をコレクタ領域23の途中まで
エツチング処理によって除去した後、フォトレジスト工
程と真空蒸着法を利用して、ベース電極としてAU−G
e−Ni合金膜を被着する。
最後に、エミッタ電極28としてAu−Cr合金膜を基
板20の下面に被着する。
板20の下面に被着する。
実施例1の装置を半導体レーザとして動作させる場合に
は、帯状ベース層の長手方向に垂直な一対の平行な面が
得られるように例えば300μmの長さにへき関する。
は、帯状ベース層の長手方向に垂直な一対の平行な面が
得られるように例えば300μmの長さにへき関する。
この場合、ベース領域22に例えば、I X 10 ”
cm−”以上の充分な電子及び正孔が存在すると、光波
の増幅が起こり、かつ、ベース領域22の屈折率が、エ
ミッタ領域21、コレクタ領域23及び、注入領域26
の屈折率より大きいため、光波はベース領域付近に閉じ
込められて伝播し、上に述べた一対の平行なへき開面間
で帰還を受ける。この二つの共振器面のいずれか一方ま
たは、その両方を化学エツチングで形成してもよい。な
お、この共振器面に代わって適当な周期構造を導入する
ことによって分布帰還形レーザあるいは分布ブラッグ反
射帰還形レーザ構造となしうろことは当業者には明らか
である。前記の共振器面ならびに周期構造共振器に関す
る事項は以後説明する他の実施例でも同様である。ベー
ス電極27とエミッタ電極28との間にベース電極側が
負極性となる約1.5Vの注入電圧源を接続し、ベース
電極27と制御電極25との間に変調信号としても作用
する5Vの制御電圧源を制御電極側が負極性となるよう
に接続する。このように構成すれば、エミッターコレク
タ間に総計6.5Vのバイアス電圧が印加され、このバ
イアス電圧により非発光期間中にベース領域22に注入
されたキャリヤが有効に捕獲され、この捕獲されたキャ
リヤを制御電圧のスイッチング動作に応じて再結合させ
ることができる。この結果、非発光期間における発光量
を発光期間に対する発光量の1/1o程度にすることが
でき、発光波長を100人程度、及び光波に対する増幅
利得係数を50cm−’程度まで制御することができる
。
cm−”以上の充分な電子及び正孔が存在すると、光波
の増幅が起こり、かつ、ベース領域22の屈折率が、エ
ミッタ領域21、コレクタ領域23及び、注入領域26
の屈折率より大きいため、光波はベース領域付近に閉じ
込められて伝播し、上に述べた一対の平行なへき開面間
で帰還を受ける。この二つの共振器面のいずれか一方ま
たは、その両方を化学エツチングで形成してもよい。な
お、この共振器面に代わって適当な周期構造を導入する
ことによって分布帰還形レーザあるいは分布ブラッグ反
射帰還形レーザ構造となしうろことは当業者には明らか
である。前記の共振器面ならびに周期構造共振器に関す
る事項は以後説明する他の実施例でも同様である。ベー
ス電極27とエミッタ電極28との間にベース電極側が
負極性となる約1.5Vの注入電圧源を接続し、ベース
電極27と制御電極25との間に変調信号としても作用
する5Vの制御電圧源を制御電極側が負極性となるよう
に接続する。このように構成すれば、エミッターコレク
タ間に総計6.5Vのバイアス電圧が印加され、このバ
イアス電圧により非発光期間中にベース領域22に注入
されたキャリヤが有効に捕獲され、この捕獲されたキャ
リヤを制御電圧のスイッチング動作に応じて再結合させ
ることができる。この結果、非発光期間における発光量
を発光期間に対する発光量の1/1o程度にすることが
でき、発光波長を100人程度、及び光波に対する増幅
利得係数を50cm−’程度まで制御することができる
。
(実施例2)
第4図は本発明による発光装置の第2実施例を示す線図
的断面図である。本例では活性層として作用するベース
領域30を禁制帯幅の異なる3層構造体で構成する。尚
、第3図で用いた部材と同一部材には同一符号を付して
説明する。ベース領域30はn Ga1−xA zX
As (x = 0.15〜0.3)から成る第1層3
1と、n −Ga、、A 1 yAs(y=0.0〜0
.15)から成る第2層32と、n−al−2A 1z
As (z = 0.15〜0.3 )から成る第3層
33とを以て構成する。これら第1〜第3層の各膜厚は
例えば200人、100人、200人とすることができ
、ベース領域全体の膜厚は100〜3000人とする。
的断面図である。本例では活性層として作用するベース
領域30を禁制帯幅の異なる3層構造体で構成する。尚
、第3図で用いた部材と同一部材には同一符号を付して
説明する。ベース領域30はn Ga1−xA zX
As (x = 0.15〜0.3)から成る第1層3
1と、n −Ga、、A 1 yAs(y=0.0〜0
.15)から成る第2層32と、n−al−2A 1z
As (z = 0.15〜0.3 )から成る第3層
33とを以て構成する。これら第1〜第3層の各膜厚は
例えば200人、100人、200人とすることができ
、ベース領域全体の膜厚は100〜3000人とする。
このようにエミッタ領域21と隣接する第1層31及び
コレクタ領域23と隣接する第3層33の禁制帯幅を中
間層である第2層32の禁制帯幅よりも大きくなるよう
に設定することにより注入された電子及び正孔を効率よ
く中間層(第2層)32内にに閉じ込めることができる
。この結果、発光効率が一層増大しベース抵抗を一層小
さくすることができる。
コレクタ領域23と隣接する第3層33の禁制帯幅を中
間層である第2層32の禁制帯幅よりも大きくなるよう
に設定することにより注入された電子及び正孔を効率よ
く中間層(第2層)32内にに閉じ込めることができる
。この結果、発光効率が一層増大しベース抵抗を一層小
さくすることができる。
(実施例3)
第5図は本発明による発光装置の第3実施例を示す線図
的断面図である。本例ではベース領域40に複数の活性
層を形成した例を示す。活性層として作用するGaAs
層41と、n Ga、−xA j2 xAs(x=0
.5〜1.0)から成るクラッド層42を交互に形成し
てベース領域40とする。また、本例では注入領域26
を熱拡散法或いはイオン注入法により形成する。
的断面図である。本例ではベース領域40に複数の活性
層を形成した例を示す。活性層として作用するGaAs
層41と、n Ga、−xA j2 xAs(x=0
.5〜1.0)から成るクラッド層42を交互に形成し
てベース領域40とする。また、本例では注入領域26
を熱拡散法或いはイオン注入法により形成する。
この実施例3の場合、活性層41に挟まれたクラッド層
42の厚さは、通常、電子、正孔の量子力学的波動関数
の波長、すなわち、100人あるいは、それ以下とし、
電子、正孔が量子力学的なトンネル効果でもって充分速
く活性層を移動できるように設計する。このような多層
化によって、電子と正孔が分極した場合、電子と正孔は
空間的により遠く離れ、従って発光量、発光波長及び光
波に対する利得係数のより大きな制御性を実現しうる。
42の厚さは、通常、電子、正孔の量子力学的波動関数
の波長、すなわち、100人あるいは、それ以下とし、
電子、正孔が量子力学的なトンネル効果でもって充分速
く活性層を移動できるように設計する。このような多層
化によって、電子と正孔が分極した場合、電子と正孔は
空間的により遠く離れ、従って発光量、発光波長及び光
波に対する利得係数のより大きな制御性を実現しうる。
第5図には、図面を明瞭なものとするため活性層41の
数を3としたが、この活性層の数は、2〜5であっても
よい。
数を3としたが、この活性層の数は、2〜5であっても
よい。
(発明の効果)
以上説明した本発明の効果を要約すると次の通りである
。
。
(11活性層内にキャリヤを常時注入するための注入電
圧源と活性層内に注入されたキャリヤの再結合を制御す
るための制御電圧源とを具え、この制御電圧源が形成す
る電位勾配によって非発光期間中に注入されたキャリヤ
を活性層内に有効に捕獲し、捕獲されたキャリヤを発光
期間内に再結合させる構成としているから、制御信号の
スイッチングと同時に十分な強度で発光動作を開始する
ことができる。この結果、変調パルス幅を一層短くする
ことができ、変調周波数を一層高くすることができる。
圧源と活性層内に注入されたキャリヤの再結合を制御す
るための制御電圧源とを具え、この制御電圧源が形成す
る電位勾配によって非発光期間中に注入されたキャリヤ
を活性層内に有効に捕獲し、捕獲されたキャリヤを発光
期間内に再結合させる構成としているから、制御信号の
スイッチングと同時に十分な強度で発光動作を開始する
ことができる。この結果、変調パルス幅を一層短くする
ことができ、変調周波数を一層高くすることができる。
(2)電子又は正孔のいずれか一方のキャリヤを、制御
電圧源が形成する電位勾配方向に沿って注入する構成と
しているから、活性層内のキャリヤ分極12に応じて注
入されるキャリヤの量を自動的に制御することができる
。この結果、スイッチ後の発光出力変動を除去すること
が出来る。
電圧源が形成する電位勾配方向に沿って注入する構成と
しているから、活性層内のキャリヤ分極12に応じて注
入されるキャリヤの量を自動的に制御することができる
。この結果、スイッチ後の発光出力変動を除去すること
が出来る。
(3)電子又は正孔のいずれか一方のキャリヤを電位勾
配方向に沿って注入すると共に他方のキャリヤを電位勾
配方向と直交する方向から注入する構成としているから
注入効率を一層高くすることができる。
配方向に沿って注入すると共に他方のキャリヤを電位勾
配方向と直交する方向から注入する構成としているから
注入効率を一層高くすることができる。
(4) エミッタ電極と制御電極(コレクタ電極)と
の間に制御電圧を印加する構成としているから、電極形
成が一層容易になる。
の間に制御電圧を印加する構成としているから、電極形
成が一層容易になる。
第1図a及びbは本発明による発光装置の原理を説明す
るための線図、 第2図a及びbは制御信号と発光量の関係を示すグラフ
、 第3図は本発明による発光装置の第1実施例の構成を示
す線図的斜視図、 第4図は本発明による発光装置の第2実施例の構成を示
す線図的断面図、 第5図は本発明による発光装置の第3実施例の構成を示
す線図的断面図、 第6図は従来の発光装置の構成を示す線図的断面図、 第7図a及びbは従来の発光装置の制御信号と発光量の
関係を示すグラフである。 11.21・・・エミッタ領域 10.22,30.40・・・ベース領域12.23・
・・コレクタ領域 14.28・・・エミッタ電極 15.25・・・制御電極 16・・・注入電圧源 17・・・制御電圧源 26・・・注入領域 27・・・ベース電極 特許出願人 広 島 大 学 長 筒1図 第4図 第5図 廃光量−制御電圧 o 0 々#、量−制御電圧−
るための線図、 第2図a及びbは制御信号と発光量の関係を示すグラフ
、 第3図は本発明による発光装置の第1実施例の構成を示
す線図的斜視図、 第4図は本発明による発光装置の第2実施例の構成を示
す線図的断面図、 第5図は本発明による発光装置の第3実施例の構成を示
す線図的断面図、 第6図は従来の発光装置の構成を示す線図的断面図、 第7図a及びbは従来の発光装置の制御信号と発光量の
関係を示すグラフである。 11.21・・・エミッタ領域 10.22,30.40・・・ベース領域12.23・
・・コレクタ領域 14.28・・・エミッタ電極 15.25・・・制御電極 16・・・注入電圧源 17・・・制御電圧源 26・・・注入領域 27・・・ベース電極 特許出願人 広 島 大 学 長 筒1図 第4図 第5図 廃光量−制御電圧 o 0 々#、量−制御電圧−
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、一導電形エミッタ領域と、このエミッタ領域上に形
成した反対導電形のベース領域と、このベース領域上に
形成した一導電形コレクタ領域と、これら各領域に形成
した各電極と、エミッタ電極とベース電極間に接続され
常時一定圧を印加する注入電圧源と、エミッタ電極とコ
レクタ電極間にベースコレクタ接合が逆バイアスとなる
ように接続されベース領域内に注入されたキャリヤの再
結合を制御する制御電圧源とを具え、 前記制御電圧源によって形成される電位勾配により非発
光期間中に注入されたキャリヤをベース領域内に捕獲し
、捕獲したキャリヤを発光期間中に再結合させるように
構成したことを特徴とする半導体発光装置。 2、前記ベース領域の膜厚を100〜3000Åとし、
このベース領域の禁制帯幅をエミッタ領域およびコレク
タ領域の禁制帯幅よりも0.3eV以上大きくなるよう
に構成した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。 3、前記ベース領域を、禁制帯幅の異なる複数層を以て
構成した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。 4、前記エミッタ領域、ベース領域及びコレクタ領域を
、それぞれp−Ga_1_−_xAl_xAs(x=0
.45〜1.0)、n−GaAsおよびp−Ga_1_
−_yAl_yAs(y=0.6〜1.0)の半導体材
料で構成した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。
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JP62012552A JPS63181486A (ja) | 1987-01-23 | 1987-01-23 | 半導体発光装置 |
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- 1988-01-20 EP EP88300455A patent/EP0276140B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1988-01-22 CA CA000557124A patent/CA1292549C/en not_active Expired - Lifetime
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