JP2002344013A - Semiconductor light-emitting device - Google Patents
Semiconductor light-emitting deviceInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体発光装置に
関し、特にシリコンを用いたフォトダイオードの受光感
度が高い波長領域の光の発光に適し、発光出力と遮断周
波数との双方を高めることが可能な半導体発光装置に関
する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor light emitting device, and more particularly to a semiconductor light emitting device which is suitable for emitting light in a wavelength region where the light receiving sensitivity of a photodiode using silicon is high, and can increase both the light emission output and the cutoff frequency. The present invention relates to a simple semiconductor light emitting device.
【0002】[0002]
【従来の技術】シリコンを用いたフォトダイオードの受
光感度が高い赤外波長領域(波長920nm以下の赤外
領域)の光を出力する素子として、ZnドープのGaA
s層をAlGaAs層で挟んだダブルへテロ型発光ダイ
オードが知られている。このGaAs層のZn濃度を高
めることにより、発光ダイオードの遮断周波数を高める
ことができる。ところが、Zn濃度を高めると、発光出
力が低下してしまう。2. Description of the Related Art As an element for outputting light in an infrared wavelength region (infrared region having a wavelength of 920 nm or less) having high light receiving sensitivity of a photodiode using silicon, Zn-doped GaAs is used.
There is known a double hetero light-emitting diode in which an s layer is sandwiched between AlGaAs layers. By increasing the Zn concentration in the GaAs layer, the cutoff frequency of the light emitting diode can be increased. However, when the Zn concentration is increased, the luminous output decreases.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、シリ
コンを用いたフォトダイオードの受光感度が高い赤外波
長領域の光の発光に適し、かつ発光出力の低下を伴うこ
となく遮断周波数の向上を図ることが可能な半導体発光
装置を提供することである。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a photodiode using silicon which is suitable for emitting light in the infrared wavelength region where the light receiving sensitivity is high, and to improve the cutoff frequency without lowering the emission output. It is to provide a semiconductor light emitting device capable of achieving the above.
【0004】[0004]
【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、第1の半導体材料からなる支持基板と、前記支持基
板の上に配置された発光積層構造であって、第2の半導
体材料からなる量子井戸層、該量子井戸層を挟み、該第
2の半導体材料よりもバンドギャップの大きな第3の半
導体材料からなる一対のキャリア閉込層、該量子井戸層
と一対のキャリア閉込層との3層を挟み、該第3の半導
体材料よりもバンドギャップの大きな第4の半導体材料
からなる一対のクラッド層とを含み、該キャリア閉込層
の伝導帯下端のエネルギ準位と、該量子井戸層内の電子
の基底準位との差が100meV以上になるように、前
記第2及び第3の半導体材料、及び前記量子井戸層の厚
さが選択されている前記発光積層構造と、前記発光積層
構造にキャリアを注入するための電極とを有する半導体
発光装置が提供される。According to one aspect of the present invention, there is provided a support substrate made of a first semiconductor material, and a light-emitting laminated structure disposed on the support substrate, wherein the light-emitting laminate structure is made of a second semiconductor material. A pair of carrier confinement layers made of a third semiconductor material having a band gap larger than that of the second semiconductor material, sandwiching the quantum well layer, and the quantum well layer and the pair of carrier confinement layers. And a pair of cladding layers made of a fourth semiconductor material having a band gap larger than that of the third semiconductor material, with the energy level at the lower end of the conduction band of the carrier confinement layer interposed therebetween. The light-emitting stacked structure in which the thickness of the second and third semiconductor materials and the quantum well layer is selected so that the difference between the ground level of electrons in the well layer is 100 meV or more; Inject carrier into luminescent stack The semiconductor light emitting device and an electrode for is provided.
【0005】キャリア閉込層の伝導帯下端のエネルギ準
位と、量子井戸層内の電子の基底準位との差を100m
eV以上にすると、キャリア閉込層内における発光性再
結合を防止し、遮断周波数を高めることができる。The difference between the energy level at the bottom of the conduction band of the carrier confinement layer and the ground level of the electrons in the quantum well layer is 100 m.
When it is eV or more, luminescent recombination in the carrier confinement layer can be prevented, and the cutoff frequency can be increased.
【0006】本発明の他の観点によると、第1の半導体
材料からなる支持基板と、前記支持基板の上に配置され
た発光積層構造であって、第2の半導体材料からなる量
子井戸層、該量子井戸層を挟み、該第2の半導体材料よ
りもバンドギャップの大きな第3の半導体材料からなる
一対のキャリア閉込層、該量子井戸層と一対のキャリア
閉込層との3層を挟み、該第3の半導体材料よりもバン
ドギャップの大きな第4の半導体材料からなる一対のク
ラッド層とを含み、前記発光積層構造に電流を注入した
ときに、該量子井戸層で電子と正孔との発光再結合が生
じ、前記キャリア閉込層では発光再結合が起こらないよ
うに、前記第2及び第3の半導体材料、及び前記量子井
戸層と前記キャリア閉込層の厚さが選択されている前記
発光積層構造と、前記発光積層構造にキャリアを注入す
るための電極とを有する半導体発光装置が提供される。According to another aspect of the present invention, there is provided a support substrate made of a first semiconductor material, and a light emitting laminated structure disposed on the support substrate, wherein the quantum well layer is made of a second semiconductor material; A pair of carrier confinement layers made of a third semiconductor material having a band gap larger than that of the second semiconductor material, and a layer of the quantum well layer and a pair of carrier confinement layers sandwiching the quantum well layer. A pair of cladding layers made of a fourth semiconductor material having a band gap larger than that of the third semiconductor material, and when current is injected into the light emitting laminated structure, electrons and holes are generated in the quantum well layer. The second and third semiconductor materials, and the thicknesses of the quantum well layer and the carrier confinement layer are selected so that light emission recombination does not occur in the carrier confinement layer. Said light emitting laminate structure; The semiconductor light emitting device and an electrode for injecting carriers is provided in the serial light emitting stack structure.
【0007】キャリア閉込層内における発光性再結合が
防止されることにより、遮断周波数を高めることができ
る。[0007] By preventing luminescent recombination in the carrier confinement layer, the cutoff frequency can be increased.
【0008】[0008]
【発明の実施の形態】図1に、本発明の実施例による半
導体発光装置の断面図を示す。高濃度層2と低濃度層3
との2層から支持基板4が構成されている。支持基板4
は、Znがドープされたp型のAl0.26Ga0.74Asで
形成されている。高濃度層2のZn濃度は1×1018c
m-3であり、低濃度層3のZn濃度は5×1017cm-3
である。また、高濃度層2の厚さは40μmであり、低
濃度層3の厚さは110μmである。FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention. High concentration layer 2 and low concentration layer 3
The support substrate 4 is composed of two layers. Support substrate 4
Is formed of Zn-doped p-type Al 0.26 Ga 0.74 As. The Zn concentration of the high concentration layer 2 is 1 × 10 18 c
m −3 and the Zn concentration of the low concentration layer 3 is 5 × 10 17 cm −3.
It is. Further, the thickness of the high concentration layer 2 is 40 μm, and the thickness of the low concentration layer 3 is 110 μm.
【0009】低濃度層3の表面上に有機金属化学気相成
長(MOCVD)により、AlGaAsバッファ層5か
らGaAsコンタクト層12までの各層が形成されてい
る。バッファ層5は、Znがドープされたp型のAl
0.26Ga0.74Asで形成され、その厚さは0.2μm、
そのZn濃度は1×1018cm-3である。Each layer from the AlGaAs buffer layer 5 to the GaAs contact layer 12 is formed on the surface of the low concentration layer 3 by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). The buffer layer 5 is made of p-type Al doped with Zn.
It is formed of 0.26 Ga 0.74 As, has a thickness of 0.2 μm,
Its Zn concentration is 1 × 10 18 cm −3 .
【0010】下部クラッド層6は、Znがドープされた
p型のAl0.32Ga0.68Asで形成され、その厚さは
0.5μm、そのZn濃度は1×1018cm-3である。
下部キャリア閉込層(CCL層)7は、不純物を意図的
にドープしていないAl0.18Ga0.82Asで形成され、
その厚さは2〜190nmである。なお、下部CCL層
7のZnのバックグラウンド濃度は5×1016〜1×1
017cm-3であった。The lower cladding layer 6 is made of Zn-doped p-type Al 0.32 Ga 0.68 As, has a thickness of 0.5 μm, and a Zn concentration of 1 × 10 18 cm -3 .
The lower carrier confinement layer (CCL layer) 7 is formed of Al 0.18 Ga 0.82 As not intentionally doped with an impurity,
Its thickness is between 2 and 190 nm. The background concentration of Zn in the lower CCL layer 7 is 5 × 10 16 to 1 × 1.
It was 0 17 cm -3 .
【0011】歪量子井戸層8は、InGaAsで形成さ
れ、その厚さは2.4〜15nm、In組成比は0.1
2〜0.25である。上部キャリア閉込層9は、不純物
を意図的にドープしていないAl0.18Ga0.82Asで形
成され、その厚さは2〜190nmである。なお、上部
キャリア閉込層9のSiのバックグラウンド濃度は5×
1016〜1×1017cm-3であった。上部クラッド層1
0は、Siがドープされたn型のAl0.32Ga0.68As
で形成され、その厚さは5.5μm、そのSi濃度は1
×1018cm-3である。The strain quantum well layer 8 is formed of InGaAs, has a thickness of 2.4 to 15 nm, and has an In composition ratio of 0.1.
2 to 0.25. The upper carrier confinement layer 9 is formed of Al 0.18 Ga 0.82 As not intentionally doped with an impurity, and has a thickness of 2 to 190 nm. The background concentration of Si in the upper carrier confinement layer 9 is 5 ×
It was 10 < 16 > -1 * 10 < 17 > cm < -3 >. Upper cladding layer 1
0 is n-type Al 0.32 Ga 0.68 As doped with Si
The thickness is 5.5 μm and the Si concentration is 1
× 10 18 cm -3 .
【0012】電流拡散層11は、Siがドープされたn
型のAl0.18Ga0.82Asで形成され、その厚さは4.
5μm、そのSi濃度は1×1018cm-3である。コン
タクト層12は、Siがドープされたn型のGaAsで
形成され、その厚さは0.1μm、そのSi濃度は2×
1018cm-3である。The current diffusion layer 11 is made of n-doped Si.
Type Al 0.18 Ga 0.82 As, the thickness of which is 4.
5 μm, and its Si concentration is 1 × 10 18 cm −3 . The contact layer 12 is formed of n-type GaAs doped with Si, the thickness is 0.1 μm, and the Si concentration is 2 ×
It is 10 18 cm -3 .
【0013】コンタクト層12の上に、下から順番にN
i層、Ge層、及びAu層が積層されたn側電極15が
形成されている。n側電極15は、リフトオフ法により
例えばX字状の平面形状とされる。支持層4の一部を構
成する高濃度層2の表面上に、支持層4側から順番にA
u層とAuZn合金層とが積層されたp側電極16が形
成されている。p側電極16は、リフトオフ法により例
えばハニカム形状とされる。On the contact layer 12, N
An n-side electrode 15 in which an i-layer, a Ge layer, and an Au layer are stacked is formed. The n-side electrode 15 has, for example, an X-shaped planar shape by a lift-off method. On the surface of the high concentration layer 2 constituting a part of the support layer 4, A
A p-side electrode 16 in which a u layer and an AuZn alloy layer are stacked is formed. The p-side electrode 16 has, for example, a honeycomb shape by a lift-off method.
【0014】次に、図2を参照して、上記実施例による
半導体発光装置に用いられている下地基板4の製造方法
について説明する。Next, with reference to FIG. 2, a method of manufacturing the base substrate 4 used in the semiconductor light emitting device according to the above embodiment will be described.
【0015】図2(A)に示したGaAsからなる仮の
基板1を準備する。仮の基板1の主面は、GaAsの
(100)面である。また、仮の基板1にはZnがドー
プされてp型導電性が付与されており、その濃度は2〜
5×1019cm-3である。A temporary substrate 1 made of GaAs shown in FIG. 2A is prepared. The main surface of the temporary substrate 1 is a (100) plane of GaAs. The temporary substrate 1 is doped with Zn to have p-type conductivity, and its concentration is 2 to 2.
It is 5 × 10 19 cm −3 .
【0016】仮の基板1の主面上に、液相エピタキシャ
ル成長(LPE)により、Al0.26Ga0.74Asからな
る厚さ40μmの高濃度層2及び厚さ150μmの低濃
度層3を順番に成長させる。この2層が支持基板4とな
る。LPEには、主として温度差法と徐冷法があるが、
ここでは、温度差法を採用する。温度差法を採用するこ
とにより、支持基板4のAl組成比をほぼ均一にするこ
とができる。成長装置として、例えばスライドボート型
のものを用いることができる。高濃度層2及び低濃度層
3には、それぞれZn濃度が1×1018cm-3及び5×
1017cm-3になるように、成長中にZnがドープされ
る。On the main surface of the temporary substrate 1, a high-concentration layer 2 having a thickness of 40 μm and a low-concentration layer 3 having a thickness of 150 μm made of Al 0.26 Ga 0.74 As are sequentially grown by liquid phase epitaxy (LPE). . These two layers become the support substrate 4. LPE mainly includes a temperature difference method and a slow cooling method.
Here, the temperature difference method is employed. By employing the temperature difference method, the Al composition ratio of the support substrate 4 can be made substantially uniform. As the growth apparatus, for example, a slide boat type apparatus can be used. The high-concentration layer 2 and the low-concentration layer 3 have Zn concentrations of 1 × 10 18 cm −3 and 5 ×, respectively.
Zn is doped during growth to 10 17 cm -3 .
【0017】用いた成長用溶液は、Ga溶媒中にGaA
s、Al及びZnを溶解させたものである。メルト槽内
に満たされた成長用溶液の上下方向の温度勾配は、約5
℃/cmであり、種結晶が接触する成長用溶液下部の温
度が830〜850℃である。なお、成長用溶液下部の
温度及び温度勾配は、成長中ほぼ一定に保持される。The growth solution used was GaAs in a Ga solvent.
s, Al and Zn are dissolved. The vertical temperature gradient of the growth solution filled in the melt bath is about 5
° C / cm, and the temperature of the lower part of the growth solution in contact with the seed crystal is 830 to 850 ° C. The temperature and the temperature gradient at the lower part of the growth solution are kept almost constant during the growth.
【0018】図1(B)に示す状態に至るまでの工程を
説明する。図1に示したGaAs仮の基板1をエッチン
グして除去する。これにより、支持基板4のみが残る。
GaAsからなる仮の基板1は、アンモニア水と過酸化
水素水とを体積比で20:1に混合したエッチング液を
用いてエッチングすることができる。なお、アンモニア
水の濃度は28重量%であり、過酸化水素水の濃度は3
1重量%である。The steps up to the state shown in FIG. 1B will be described. The temporary GaAs substrate 1 shown in FIG. 1 is removed by etching. As a result, only the support substrate 4 remains.
The temporary substrate 1 made of GaAs can be etched using an etching solution in which ammonia water and hydrogen peroxide solution are mixed at a volume ratio of 20: 1. The concentration of ammonia water was 28% by weight, and the concentration of hydrogen peroxide solution was 3%.
1% by weight.
【0019】次に、低濃度層3の表面を研削し、凹凸を
少なくする。さらに、研削された表面を研磨して加工ダ
メージを除去した後、化学機械研磨(CMP)による最
終仕上げを行う。一般に、温度差法で成長させた半導体
層は、徐冷法で成長させた半導体に比べて、表面の平坦
性が悪い。CMPによる最終仕上げを行うことにより、
表面の平坦性を高めることができる。ここまでの工程
で、支持基板4が得られる。Next, the surface of the low concentration layer 3 is ground to reduce irregularities. Further, after the ground surface is polished to remove processing damage, final finishing by chemical mechanical polishing (CMP) is performed. Generally, a semiconductor layer grown by the temperature difference method has poorer surface flatness than a semiconductor grown by the slow cooling method. By performing the final finish by CMP,
The flatness of the surface can be improved. By the steps so far, the support substrate 4 is obtained.
【0020】n側電極15とp側電極16との間に順方
向バイアスを印加し、歪み量子井戸層8にキャリアを注
入することにより、赤外領域(波長800〜920n
m)の発光を生じさせることができる。By applying a forward bias between the n-side electrode 15 and the p-side electrode 16 and injecting carriers into the strained quantum well layer 8, the infrared region (wavelength 800 to 920 nm) is used.
m) can be emitted.
【0021】上記実施例では、AlGaAsからなる支
持基板4が、物理的支持力を有する基板となるととも
に、MOCVDの種結晶となる。基板材料としてGaA
sを用いていないため、図1に示したコンタクト層12
側からのみならず、支持基板4側からも光を取り出すこ
とができる。なお、GaAsからなるコンタクト層12
は、後のチップ化工程における酸処理で除去されるた
め、光取り出しの障害にはならない。歪量子井戸層8の
発光スペクトルのピークを与える波長が、仮の基板1を
形成する半導体材料のバンドギャップに相当する波長よ
りも短い場合に、特に、仮の基板1を除去する効果が高
い。In the above embodiment, the support substrate 4 made of AlGaAs becomes a substrate having a physical supporting force and a seed crystal for MOCVD. GaAs as substrate material
Since no s is used, the contact layer 12 shown in FIG.
Light can be extracted not only from the side but also from the support substrate 4 side. The contact layer 12 made of GaAs
Is not removed by acid treatment in the subsequent chip forming process, and does not hinder light extraction. When the wavelength at which the peak of the emission spectrum of the strained quantum well layer 8 gives a shorter wavelength than the wavelength corresponding to the band gap of the semiconductor material forming the temporary substrate 1, the effect of removing the temporary substrate 1 is particularly high.
【0022】また、下部キャリア閉込層7、歪量子井戸
層8及び上部キャリア閉込層9がMOCVDで形成され
ている。このため、これらの層をLPEで形成する場合
に比べて、膜厚の均一性を高めることができ、高い発光
効率を実現することが可能になる。なお、MOCVDの
代わりに分子線エピタキシャル成長(MBE)を用いて
もよい。The lower carrier confinement layer 7, strained quantum well layer 8, and upper carrier confinement layer 9 are formed by MOCVD. For this reason, compared with the case where these layers are formed by LPE, the uniformity of the film thickness can be improved, and high luminous efficiency can be realized. Note that molecular beam epitaxial growth (MBE) may be used instead of MOCVD.
【0023】次に、上記実施例による半導体発光装置の
発光強度及び動作速度を向上させるための好ましい条件
について説明する。Next, preferred conditions for improving the light emission intensity and operation speed of the semiconductor light emitting device according to the above embodiment will be described.
【0024】図3に、下部クラッド層6から上部クラッ
ド層10までの伝導帯側のエネルギバンド構造を示す。
歪量子井戸層8の厚さをLz、歪量子井戸層8内の電子
の基底準位をEe1、歪量子井戸層8の伝導帯下端と基
底準位Ee1とのエネルギ差をΔEe1、下部及び上部キ
ャリア閉込層7及び9の伝導帯下端と電子の基底準位E
e1との間のエネルギ差をΔEb、下部及び上部キャリ
ア閉込層7及び9の伝導帯下端と歪量子井戸層8の伝導
帯下端とのエネルギ差をΔEcとする。FIG. 3 shows an energy band structure on the conduction band side from the lower cladding layer 6 to the upper cladding layer 10.
Lz the thickness of the strained quantum well layer 8, Ee 1 the ground level of electrons in strained quantum well layer 8, DerutaEe 1 the energy difference between the conduction band and the ground level Ee 1 of the strained quantum well layer 8, Lower and upper conduction band of lower and upper carrier confinement layers 7 and 9 and ground level E of electrons
Let ΔEb be the energy difference between e 1 and ΔEc be the energy difference between the conduction band lower ends of the lower and upper carrier confinement layers 7 and 9 and the strained quantum well layer 8.
【0025】上部クラッド層10から上部キャリア閉込
層9内に注入された電子は、下部クラッド層6と下部キ
ャリア閉込層7との界面のポテンシャル障壁B1及び上
部クラッド層10と上部キャリア閉込層9との界面のポ
テンシャル障壁B2により、下部キャリア閉込層7から
上部キャリア閉込層9までの3層の中に閉じ込められ
る。閉じ込められた電子が歪量子井戸層8内の電子の基
底準位Ee1に捕捉され、荷電子帯の正孔と再結合する
ことにより、発光が生ずる。Electrons injected from the upper cladding layer 10 into the upper carrier confinement layer 9 form a potential barrier B 1 at the interface between the lower cladding layer 6 and the lower carrier confinement layer 7 and the upper cladding layer 10 and the upper carrier confinement layer. Is confined in three layers from the lower carrier confinement layer 7 to the upper carrier confinement layer 9 by the potential barrier B 2 at the interface with the confinement layer 9. The confined electrons are trapped by the ground level Ee 1 of the electrons in the strained quantum well layer 8 and recombine with holes in the valence band, thereby emitting light.
【0026】キャリア閉込層7及び9のバンドギャップ
を狭くして、エネルギ差ΔEbを小さくすると、キャリ
ア閉込層7及び9内でも電子と正孔との再結合による発
光が生じてしまう。この発光は、歪量子井戸層8内の発
光に比べて、応答速度が遅い。発光装置の応答速度を高
めるためには、キャリア閉込層7及び9からの発光を防
止する必要がある。When the band gap of the carrier confinement layers 7 and 9 is narrowed and the energy difference ΔEb is reduced, light emission occurs due to recombination of electrons and holes in the carrier confinement layers 7 and 9. This light emission has a slower response speed than the light emission in the strained quantum well layer 8. In order to increase the response speed of the light emitting device, it is necessary to prevent light emission from the carrier confinement layers 7 and 9.
【0027】また、キャリア閉込層7及び9のバンドギ
ャップを広くして、エネルギ差ΔEbを大きくすると、
ポテンシャル障壁B1及びB2が低くなる。このため、電
子の閉じ込め効果が低くなってしまう。従って、エネル
ギ差ΔEbは、発光効率及び応答速度に大きく影響する
と考えられる。When the band gap of the carrier confinement layers 7 and 9 is widened to increase the energy difference ΔEb,
The potential barriers B 1 and B 2 are reduced. Therefore, the effect of confining electrons is reduced. Therefore, it is considered that the energy difference ΔEb greatly affects the luminous efficiency and the response speed.
【0028】以下、エネルギ差ΔEb(=ΔEc−ΔE
e1)の求め方について説明する。歪量子井戸層8の伝
導帯下端と歪量子井戸層8内の第n次の準位Eenとの
エネルギ差をΔEen、歪量子井戸層8内の電子の有効
質量をme1 *、キャリア閉込層7及び9内の電子の有効
質量をme2 *、プランク常数をhとすると、次数nが奇
数のとき、以下の式が成立する。なお、キャリア閉込層
7及び9内への電子の波動関数の侵入の深さ(井戸構造
に依存するが、数nm程度)に比べて、キャリア閉込層
7及び9が十分厚いと仮定している。Hereinafter, the energy difference ΔEb (= ΔEc−ΔE)
The method for obtaining e 1 ) will be described. Strain DerutaEe n the energy difference between the n-th level Ee n the bottom of the conduction band and the strained quantum well layer 8 of the quantum well layer 8, the electron effective mass of the strained quantum well layer 8 me 1 *, carrier Assuming that the effective mass of the electrons in the confinement layers 7 and 9 is me 2 * and the Planck constant is h, when the order n is an odd number, the following equation is established. Note that it is assumed that the carrier confinement layers 7 and 9 are sufficiently thicker than the depth of penetration of the electron wave function into the carrier confinement layers 7 and 9 (depending on the well structure, but about several nm). ing.
【0029】[0029]
【数1】 (αLz/2)tan(αLz/2)=(βLz/2)(me1 */me2 *) α2=2(me1 *)ΔEen/(h/2π)2 β2=2(me2 *)(ΔEc−ΔEen)/(h/2π)2 ・・・(1) 一般に、In1-xGaxAsのバンドギャップEg1は、[Number 1] (αLz / 2) tan (αLz / 2) = (βLz / 2) (me 1 * / me 2 *) α 2 = 2 (me 1 *) ΔEe n / (h / 2π) 2 β 2 = 2 (me 2 *) to (ΔEc-ΔEe n) / ( h / 2π) 2 ··· (1) in general, in 1-x Ga x band gap Eg 1 of As,
【0030】[0030]
【数2】 Eg1=1.422−1.53(1−x)+0.45(1−x)2 ・・(2) で与えられ、伝導帯の電子の有効質量me1 *は、自由電
子の静止質量をme0として、Eg 1 = 1.422−1.53 (1-x) +0.45 (1-x) 2. (2), and the effective mass me 1 * of electrons in the conduction band is free. Let the rest mass of the electron be me 0 ,
【0031】[0031]
【数3】 me1 */me0=0.0225(1−x)+0.0665x ・・・(3) で与えられる。なお、式(2)は、歪量子井戸層8の歪
量を考慮しないで導出されたものである。## EQU3 ## This is given by: me 1 * / me 0 = 0.0225 (1-x) + 0.0665x (3) Equation (2) is derived without considering the strain amount of the strained quantum well layer 8.
【0032】InGaAs井戸層に歪が導入されると、
そのエネルギギャップが変化する。その変化分ΔEg1
は、When strain is introduced into the InGaAs well layer,
The energy gap changes. The change ΔEg 1
Is
【0033】[0033]
【数4】ΔEg1=[−2a(C11−C12)/C11+b
(C11+2C12)/C11]ε と表される。ここで、a及びbは変形ポテンシャル、C
11及びC12は弾性スティフネス定数、εは井戸層とキャ
リア閉込層との格子不整合に伴う弾性歪である。弾性歪
εは、In1-xGaxAsの格子定数をAw、AlzGa
1-zAsの格子定数をAbとすると、下記の式で表され
る。ΔEg 1 = [− 2a (C 11 −C 12 ) / C 11 + b
(C 11 + 2C 12 ) / C 11 ] ε. Where a and b are deformation potentials, C
11 and C 12 are elastic stiffness constant, epsilon is an elastic strain caused by the lattice mismatch between the well layer and the carrier confinement layer. The elastic strain epsilon, Aw lattice constant of In 1-x Ga x As, Al z Ga
If the lattice constant of 1-z As is Ab, it is represented by the following equation.
【0034】[0034]
【数5】ε=(Aw−Ab)/Ab ここで、格子定数Aw、Ab、変形ポテンシャルa、b
及び弾性スティフネス定数C11、C12は、下の式で与え
られる。Ε = (Aw−Ab) / Ab where, lattice constants Aw, Ab, deformation potentials a, b
The elastic stiffness constants C 11 and C 12 are given by the following equations.
【0035】[0035]
【数6】 Aw=0.56533x+0.60584(1−x) 〔nm〕 Ab=0.56533(1−z)+0.015z 〔nm〕 a=−5.8(1−x)−9.8x 〔eV〕 b=−1.8(1−x)−1.76x 〔eV〕 C11=0.833(1−x)+1.188x 〔×1012dyn/cm2〕 C12=0.432(1−x)+0.532x 〔×1012dyn/cm2〕 AlzGa1-zAsのバンドギャップEg2は、Aw = 0.56533x + 0.60584 (1-x) [nm] Ab = 0.565533 (1-z) + 0.015z [nm] a = -5.8 (1-x) -9.8x [eV] b = -1.8 (1-x) -1.76x [eV] C 11 = 0.833 (1-x ) + 1.188x [× 10 12 dyn / cm 2] C 12 = 0.432 (1-x) + 0.532x [× 10 12 dyn / cm 2 ] The band gap Eg 2 of Al z Ga 1 -z As is
【0036】[0036]
【数7】 Eg2=1.425+1.444z ・・・(7) で与えられ、伝導帯の電子の有効質量me2 *は、Eg 2 = 1.425 + 1.444z (7) The effective mass me 2 * of electrons in the conduction band is given by
【0037】[0037]
【数8】 me2 */me0=0.0665(1−z)+0.15z ・・・(8) で与えられる。[Expression 8] me 2 * / me 0 = 0.0665 (1−z) + 0.15z (8)
【0038】キャリア閉込層7及び9がAlGaAsで
形成され、歪量子井戸層8がInGaAsで形成されて
いる場合、両者のバンドギャップ差ΔEgは、Eg2−
(Eg1+ΔEg1)とすることができ、エネルギ差ΔE
cは、When the carrier confinement layers 7 and 9 are formed of AlGaAs and the strain quantum well layer 8 is formed of InGaAs, the band gap difference ΔEg between them is Eg 2 −
(Eg 1 + ΔEg 1 ), and the energy difference ΔE
c is
【0039】[0039]
【数9】ΔEc=0.57ΔEg と近似することができる。また、キャリア閉込層7及び
9がGaAsで形成され、歪量子井戸層8がInGaA
sで形成されている場合には、エネルギ差ΔEcは、ΔEc = 0.57ΔEg The carrier confinement layers 7 and 9 are formed of GaAs, and the strain quantum well layer 8 is formed of InGaAs.
s, the energy difference ΔEc is
【0040】[0040]
【数10】ΔEc=0.62ΔEg と近似することができる。また、キャリア閉込層7及び
9がAlGaAsで形成され、歪量子井戸層8がGaA
sで形成されている場合には、エネルギ差ΔEcは、## EQU10 ## ΔEc = 0.62ΔEg. The carrier confinement layers 7 and 9 are made of AlGaAs, and the strain quantum well layer 8 is made of GaAs.
s, the energy difference ΔEc is
【0041】[0041]
【数11】ΔEc=0.62ΔEg と近似することができる。ΔEc = 0.62ΔEg
【0042】種々のIn組成比(1−x)及びAl組成
比zの組み合わせで、図1に示した半導体発光装置を作
製した。各半導体発光装置のエネルギ差ΔEbを計算に
より求め、さらに遮断周波数を実測した。エネルギ差Δ
Ebは、式(1)及びΔEb=ΔEc−ΔEe1の関係
式から求めることができる。なお、遮断周波数は、下記
の方法で実測した。The semiconductor light emitting device shown in FIG. 1 was manufactured with various combinations of the In composition ratio (1-x) and the Al composition ratio z. The energy difference ΔEb of each semiconductor light emitting device was obtained by calculation, and the cutoff frequency was actually measured. Energy difference Δ
Eb can be calculated from equation (1) and ΔEb = ΔEc-ΔEe 1 relationship. The cutoff frequency was measured by the following method.
【0043】50mAの順方向直流電流に振幅10mA
の交流電流を重畳させた電流を、半導体発光装置に流
す。交流電流の周波数がf0の時の光出力の振幅に対し
て、光出力の振幅が−3dBとなる周波数を遮断周波数
fcと呼ぶ。ここで、f0=(1/100)fcであ
る。An amplitude of 10 mA is applied to a forward direct current of 50 mA.
The current obtained by superimposing the alternating current is supplied to the semiconductor light emitting device. The frequency at which the amplitude of the light output is −3 dB with respect to the amplitude of the light output when the frequency of the alternating current is f 0 is called a cutoff frequency fc. Here, f 0 = (1/100) fc.
【0044】図4に、エネルギ差ΔEbと遮断周波数と
の関係を示す。横軸は遮断周波数を単位「MHz」で表
し、縦軸はエネルギ差ΔEbを単位「meV」で表す。
図中の菱形記号、丸記号、及び三角記号はそれぞれ歪量
子井戸層8の厚さが3nm、5nm、及び15nmの半
導体発光装置を示す。FIG. 4 shows the relationship between the energy difference ΔEb and the cutoff frequency. The horizontal axis represents the cutoff frequency in the unit “MHz”, and the vertical axis represents the energy difference ΔEb in the unit “meV”.
In the figure, diamond symbols, circle symbols, and triangle symbols indicate semiconductor light emitting devices in which the thickness of the strained quantum well layer 8 is 3 nm, 5 nm, and 15 nm, respectively.
【0045】エネルギ差ΔEbが小さくなると遮断周波
数が低下する。特に、量子井戸層8の厚さが5nmの場
合、エネルギ差ΔEbが100meVの点でグラフの傾
きが変わっていることがわかる。なお、量子井戸層8の
厚さが3nm及び15nmのいずれの場合にも、エネル
ギ差ΔEbが100meVの点でグラフの傾きが変化す
る傾向を示している。As the energy difference ΔEb becomes smaller, the cutoff frequency decreases. In particular, when the thickness of the quantum well layer 8 is 5 nm, it can be seen that the slope of the graph changes when the energy difference ΔEb is 100 meV. Note that, regardless of whether the thickness of the quantum well layer 8 is 3 nm or 15 nm, the inclination of the graph tends to change when the energy difference ΔEb is 100 meV.
【0046】いずれの場合も、エネルギ差ΔEbが10
0meV以下になると、遮断周波数の低下傾向が速ま
る。これは、エネルギ差ΔEbが小さくなったことによ
り、キャリア閉込層7及び9内で電子と正孔との再結合
が生じ始めたためと考えられる。In each case, the energy difference ΔEb is 10
When the voltage is 0 meV or less, the cutoff frequency tends to decrease. It is considered that this is because recombination of electrons and holes began to occur in the carrier confinement layers 7 and 9 due to the reduced energy difference ΔEb.
【0047】図5に、キャリア閉込層(AlzGa1-zA
s)7及び9のAl組成比zを異ならせた種々の試料の
発光スペクトルを示す。横軸は発光波長を単位「nm」
で表し、縦軸は規格化発光強度を表す。規格化発光強度
は、最大発光強度を1として規格化したものである。図
中の曲線a〜dは、それぞれAl組成比zが0.09、
0.13、0.18及び0.26の場合の発光スペクト
ルを示す。なお、いずれの試料も、歪量子井戸層8のI
n組成比は0.12、厚さは5nmである。また、電流
拡散層11のAl組成比を0.32とし、これらの発光
が電流拡散層11で吸収されないようにしている。FIG. 5 shows a carrier confinement layer (Al z Ga 1 -z A).
s) Emission spectra of various samples having different Al composition ratios z of 7 and 9 are shown. The horizontal axis indicates the emission wavelength in the unit of “nm”.
, And the vertical axis represents the normalized emission intensity. The normalized light emission intensity is a value obtained by standardizing the maximum light emission intensity as 1. Curves a to d in the figure show that the Al composition ratio z is 0.09,
The emission spectra at 0.13, 0.18 and 0.26 are shown. In each of the samples, the I
The n composition ratio is 0.12 and the thickness is 5 nm. Further, the Al composition ratio of the current diffusion layer 11 is set to 0.32 so that the light emission is not absorbed by the current diffusion layer 11.
【0048】キャリア閉込層7及び9のAl組成比zが
小さくなるに従って、エネルギ差ΔEbが小さくなる。
また、発光波長が長波長側にシフトする。なお、曲線a
〜dの試料のエネルギ差ΔEbは、それぞれ80me
V、107meV、143meV、及び202meVで
ある。As the Al composition ratio z of the carrier confinement layers 7 and 9 decreases, the energy difference ΔEb decreases.
Further, the emission wavelength shifts to the longer wavelength side. Note that the curve a
Dd are 80 me
V, 107 meV, 143 meV, and 202 meV.
【0049】曲線aの波長800nm付近及び曲線bの
波長770nm付近にサブピークが観測される。メイン
ピークよりも短波長側にサブピークが観測されることに
より、キャリア閉込層7及び9で発光していることがわ
かる。エネルギ差ΔEbが大きくなると、サブピークが
観測されなくなる。従って、高い遮断周波数を得るため
には、エネルギ差ΔEbを100meV以上とすること
が好ましく、さらに、エネルギ差ΔEbを110meV
とすると、サブピークの観測されない高い遮断周波数を
有する発光素子を得ることができる。エネルギ差ΔEb
は、上述の式(1)に示したように、歪量子井戸層8の
厚さ及び歪量子井戸層8とキャリア閉込層7及び9の半
導体材料が決まれば、ほぼ特定することができる。A sub-peak is observed around the wavelength 800 nm of the curve a and around 770 nm of the curve b. Observation of a sub-peak on the shorter wavelength side than the main peak indicates that light is emitted from the carrier confinement layers 7 and 9. When the energy difference ΔEb increases, no sub-peak is observed. Therefore, in order to obtain a high cutoff frequency, the energy difference ΔEb is preferably set to 100 meV or more, and further, the energy difference ΔEb is set to 110 meV.
Then, a light-emitting element having a high cutoff frequency in which no subpeak is observed can be obtained. Energy difference ΔEb
Can be substantially specified if the thickness of the strained quantum well layer 8 and the semiconductor materials of the strained quantum well layer 8 and the carrier confinement layers 7 and 9 are determined as shown in the above equation (1).
【0050】図6に、歪量子井戸層8の厚さと遮断周波
数との関係を、エネルギ差ΔEbと対比させながら示
す。横軸は歪量子井戸層8の厚さを単位「nm」で表
し、左縦軸は遮断周波数を単位「MHz」で表し、右縦
軸はエネルギ差ΔEbを単位「meV」で表す。評価対
象試料は、歪量子井戸層8の厚さが5nm、10nm、
及び15nmの3種類である。いずれの試料も、歪量子
井戸層8のIn組成比は0.12であり、キャリア閉込
層7及び9のAl組成比は0.18である。FIG. 6 shows the relationship between the thickness of the strained quantum well layer 8 and the cutoff frequency in comparison with the energy difference ΔEb. The horizontal axis represents the thickness of the strained quantum well layer 8 in units of “nm”, the left vertical axis represents the cutoff frequency in units of “MHz”, and the right vertical axis represents the energy difference ΔEb in units of “meV”. The sample to be evaluated has a strain quantum well layer 8 having a thickness of 5 nm, 10 nm,
And 15 nm. In each sample, the In composition ratio of the strained quantum well layer 8 is 0.12, and the Al composition ratio of the carrier confinement layers 7 and 9 is 0.18.
【0051】図6中の四角記号はエネルギ差ΔEbを示
す。また、三角記号及び菱形記号は、それぞれバイアス
電流を100mA及び50mAとした場合の遮断周波数
を示す。なお、各試料は、一辺の長さが300μmの正
方形状である。The square symbols in FIG. 6 indicate the energy difference ΔEb. Triangle symbols and diamond symbols indicate cutoff frequencies when the bias current is 100 mA and 50 mA, respectively. Each sample has a square shape with a side length of 300 μm.
【0052】歪量子井戸層8を厚くすると、エネルギ差
ΔEbが大きくなるにも関わらず、遮断周波数は低下し
てしまう。例えば、NRZ通信方式で100Mbpsの
通信速度を実現するためには、遮断周波数を約70MH
z以上にしなければならない。歪量子井戸層8の厚さが
15nm以下であれば、バイアス電流を100mAとす
ることにより、遮断周波数を70MHz以上にすること
が可能である。When the strained quantum well layer 8 is made thicker, the cutoff frequency is reduced despite the increase in the energy difference ΔEb. For example, in order to realize a communication speed of 100 Mbps in the NRZ communication method, the cutoff frequency needs to be about 70 MHz.
must be greater than or equal to z. If the thickness of the strained quantum well layer 8 is 15 nm or less, the cutoff frequency can be made 70 MHz or more by setting the bias current to 100 mA.
【0053】図7に、歪量子井戸層8の5種類のIn組
成比(1−x)について、歪量子井戸層8の厚さと発光
波長との関係を示す。横軸は歪量子井戸層8の厚さを単
位「nm」で表し、縦軸は発光波長を単位「nm」で表
す。図中の実線に付された数値が、In組成比である。
なお、キャリア閉込層7及び9のAlの組成比zは0.
18である。FIG. 7 shows the relationship between the thickness of the strained quantum well layer 8 and the emission wavelength for five types of In composition ratios (1-x) of the strained quantum well layer 8. The horizontal axis represents the thickness of the strained quantum well layer 8 in units of “nm”, and the vertical axis represents the emission wavelength in units of “nm”. The numerical value attached to the solid line in the figure is the In composition ratio.
Note that the Al composition ratio z of the carrier confinement layers 7 and 9 is 0.1.
Eighteen.
【0054】歪量子井戸層8のIn組成比を大きくする
と発光波長が長くなり、歪量子井戸層8を厚くしても発
光波長が長くなることがわかる。シリコンを用いたフォ
トダイオードで受光するためには、発光波長を800n
m〜920nmとすることが好ましい。歪量子井戸層8
のIn組成比を0.25よりも大きくして、発光波長を
800nm〜920nmとするためには、歪量子井戸層
8を約3nmよりも薄くしなければならない。このよう
な薄い歪量子井戸層を再現性よく形成するのは困難であ
る。また、In組成比が大きい場合には、発光波長が8
00〜920nmの範囲でグラフの傾きが急であるた
め、歪量子井戸層8の膜厚のわずかなばらつきで発光波
長が大きく変動してしまう。従って、歪量子井戸層8の
In組成比を0.25以下とすることが好ましい。It can be seen that the emission wavelength becomes longer when the In composition ratio of the strained quantum well layer 8 is increased, and the emission wavelength becomes longer even when the strained quantum well layer 8 is made thicker. In order to receive light with a photodiode using silicon, the emission wavelength must be 800 n.
m to 920 nm. Strained quantum well layer 8
In order to make the In composition ratio of O.sub.2 larger than 0.25 and the emission wavelength to be 800 nm to 920 nm, the strained quantum well layer 8 must be thinner than about 3 nm. It is difficult to form such a thin strained quantum well layer with good reproducibility. When the In composition ratio is large, the emission wavelength is 8
Since the slope of the graph is steep in the range of 00 to 920 nm, the light emission wavelength greatly changes due to a slight variation in the thickness of the strained quantum well layer 8. Therefore, the In composition ratio of the strained quantum well layer 8 is preferably set to 0.25 or less.
【0055】In組成比を小さくすると、歪量子井戸層
8を比較的厚くしても、波長800nm〜920nmの
発光を得ることができるであろう。ところが、歪量子井
戸層8を厚くし、そのIn組成比を小さくすると、図6
で説明したように、遮断周波数が低下してしまう。If the In composition ratio is reduced, light with a wavelength of 800 nm to 920 nm can be obtained even if the strained quantum well layer 8 is relatively thick. However, when the strained quantum well layer 8 is made thicker and its In composition ratio is made smaller, FIG.
As described above, the cutoff frequency is reduced.
【0056】図8に、遮断周波数とエネルギ差ΔEbと
の関係を示す。横軸は遮断周波数を単位「MHz」で表
し、縦軸はエネルギ差ΔEbを単位「meV」で表す。
図中の菱形記号はIn組成比を0.12とした歪量子井
戸層を用いた場合、四角記号はGaAs井戸層を用いた
場合を示す。エネルギ差ΔEbが増大するに従って、I
nGaAs歪量子井戸層を用いた場合の遮断周波数が高
くなることがわかる。また、歪量子井戸層にGaAsを
用いる場合よりも、InGaAsを用いた方が、高い遮
断周波数を得ることができる。従って、遮断周波数を高
く維持するためには、歪量子井戸層8としてIn1-xG
axAs(0<x<1)を用いることが好ましく、さら
にIn組成比を0.05以上とすることがより好まし
い。FIG. 8 shows the relationship between the cutoff frequency and the energy difference ΔEb. The horizontal axis represents the cutoff frequency in the unit “MHz”, and the vertical axis represents the energy difference ΔEb in the unit “meV”.
The diamond symbol in the figure indicates the case where a strained quantum well layer with an In composition ratio of 0.12 is used, and the square symbol indicates the case where a GaAs well layer is used. As the energy difference ΔEb increases, I
It can be seen that the cutoff frequency in the case of using the nGaAs strained quantum well layer is increased. Moreover, a higher cutoff frequency can be obtained by using InGaAs than by using GaAs for the strained quantum well layer. Therefore, in order to keep the cutoff frequency high, the strained quantum well layer 8 should be made of In 1 -xG
a x As (0 <x <1) is preferably used, and the In composition ratio is more preferably set to 0.05 or more.
【0057】図9に、キャリア閉込層7及び9のAl組
成比を異ならせた複数の試料について、遮断周波数とバ
イアス電流との関係を示す。横軸はバイアス電流を単位
「mA」で表し、縦軸は遮断周波数を単位「MHz」で
表す。図中の曲線a〜dは、それぞれAl組成比が0.
09、0.13、0.18、及び0.26の場合の遮断
周波数を示す。なお、歪量子井戸層8のIn組成比は
0.12であり、その厚さは5nmである。Al組成比
が0.09及び0.13の場合には、バイアス電流が1
00mA付近でほぼ最大値を示し、バイアス電流をそれ
以上増加させても遮断周波数は高くならず飽和する。A
l組成比を0.13より大きくすれば、バイアス電流を
増加させたときに遮断周波数が飽和しにくいことがわか
る。また、バイアス電流を40mA以上にすれば、Al
組成比が0.13以上の条件で70MHz以上の遮断周
波数を得ることが可能である。FIG. 9 shows the relationship between the cutoff frequency and the bias current for a plurality of samples having different Al composition ratios of the carrier confinement layers 7 and 9. The horizontal axis represents the bias current in the unit of “mA”, and the vertical axis represents the cutoff frequency in the unit of “MHz”. Curves a to d in the figure each have an Al composition ratio of 0.1.
The cut-off frequencies for 09, 0.13, 0.18, and 0.26 are shown. Note that the In composition ratio of the strained quantum well layer 8 is 0.12, and its thickness is 5 nm. When the Al composition ratio is 0.09 and 0.13, the bias current is 1
It shows a maximum value near 00 mA, and even if the bias current is further increased, the cutoff frequency does not increase but saturates. A
It can be seen that if the 1 composition ratio is larger than 0.13, the cutoff frequency is unlikely to be saturated when the bias current is increased. If the bias current is set to 40 mA or more, Al
It is possible to obtain a cutoff frequency of 70 MHz or more under the condition that the composition ratio is 0.13 or more.
【0058】図10に、キャリア閉込層7及び9のAl
組成比を異ならせた複数の試料について、バイアス電流
と発光出力との関係を、規格化微分量子効率と対比させ
ながら示す。横軸はバイアス電流を単位「mA」で表
し、左縦軸は発光出力を単位「mW」で表し、右縦軸は
規格化微分量子効率を表す。なお、この場合の微分量子
効率とは、上記バイアス電流(I)と発光出力(p)と
の関係を表したグラフにおいて隣接する測定ポイントを
結ぶ直線の傾きを意味し、下記の式から求めた。FIG. 10 shows that the carrier confinement layers 7 and 9 have Al
The relationship between the bias current and the light emission output of a plurality of samples having different composition ratios will be shown in comparison with the normalized differential quantum efficiency. The horizontal axis represents the bias current in the unit of “mA”, the left vertical axis represents the light emission output in the unit of “mW”, and the right vertical axis represents the normalized differential quantum efficiency. In this case, the differential quantum efficiency means the slope of a straight line connecting adjacent measurement points in a graph showing the relationship between the bias current (I) and the light emission output (p), and was obtained from the following equation. .
【0059】[0059]
【数12】 (dp/dI)n=(pn−pn-1)/(In−In-1) ここで、nは1から測定ポイント数までの整数である。(Dp / dI) n = (p n −p n−1 ) / (I n −I n−1 ) where n is an integer from 1 to the number of measurement points.
【0060】また、規格化微分量子効率は、微分量子効
率の最大値を1として規格化したものである。図中の実
線a〜eは、それぞれキャリア閉込層7及び9のAl組
成比が0.09、0.13、0.18、0.26、及び
0.32の場合の発光出力を示し、点線a'〜e'は、そ
れぞれキャリア閉込層7及び9のAl組成比が0.0
9、0.13、0.18、0.26、及び0.32の場
合の規格化微分量子効率を示す。The normalized differential quantum efficiency is obtained by standardizing the maximum value of the differential quantum efficiency as 1. Solid lines a to e in the figure show light emission outputs when the Al composition ratios of the carrier confinement layers 7 and 9 are 0.09, 0.13, 0.18, 0.26, and 0.32, respectively. Dotted lines a ′ to e ′ indicate that the Al composition ratio of the carrier confinement layers 7 and 9 is 0.0
9 shows normalized differential quantum efficiencies for 9, 0.13, 0.18, 0.26, and 0.32.
【0061】バイアス電流が増加するに従って、発光出
力も増加し、その傾きに相当する規格化微分量子効率は
小さくなっている。また、Al組成比を小さくすると、
光出力が増大する傾向を示し、規格化微分量子効率も大
きくなる。Al組成比がクラッド層のAl組成比と同じ
0.32の場合には、規格化微分量子効率の急激な低下
が観測され、バイアス電流を150mAより大きくして
も発光出力の増加率は小さい。これは、図3に示したポ
テンシャル障壁B1及びB2が低くなり、キャリア閉込効
果が低下したためと考えられる。As the bias current increases, the light emission output also increases, and the normalized differential quantum efficiency corresponding to the slope decreases. When the Al composition ratio is reduced,
The optical output tends to increase, and the normalized differential quantum efficiency also increases. When the Al composition ratio is 0.32, which is the same as the Al composition ratio of the cladding layer, a sharp decrease in the normalized differential quantum efficiency is observed, and the increase rate of the light emission output is small even when the bias current is larger than 150 mA. It is considered that this is because the potential barriers B 1 and B 2 shown in FIG. 3 were lowered, and the carrier confinement effect was reduced.
【0062】図10から、十分な出力を得るために、キ
ャリア閉込層7及び9のAl組成比をクラッドのAl組
成比未満とすることが好ましいと思われる。特に光通信
に用いる赤外発光素子の場合には、通信速度の高速化と
通信可能距離の長距離化のために、高い遮断周波数と大
きな発光出力が要求される。より大きな発光出力を得る
ために、通信用の発光素子は、一般照明で使用される可
視光LEDでは使用されないような200mA以上の大
電流で使用されることが多い。このような大電流を流し
ても安定して高い規格化微分量子効率を示すようにする
ために、Al組成比を0.26未満とすることが好まし
い。このとき、キャリア閉込層7及び9(Al組成比
0.26)とクラッド層(Al組成比0.32)とのバ
ンドギャップ差ΔEgは84meVである。ΔEc=
0.65ΔEgの関係式を用いれば、ポテンシャル障壁
B1及びB2の高さは、55meVである。すなわち、ク
ラッド層とキャリア閉込層との界面のポテンシャル障壁
の高さを55meV以上にすることが好ましい。From FIG. 10, it can be considered that it is preferable that the Al composition ratio of the carrier confinement layers 7 and 9 is less than the Al composition ratio of the cladding in order to obtain a sufficient output. In particular, in the case of an infrared light emitting element used for optical communication, a high cutoff frequency and a large light emission output are required in order to increase the communication speed and extend the communicable distance. In order to obtain a larger light emission output, a light emitting element for communication is often used with a large current of 200 mA or more which is not used in a visible light LED used for general lighting. In order to stably exhibit a high normalized differential quantum efficiency even when such a large current flows, the Al composition ratio is preferably less than 0.26. At this time, the band gap difference ΔEg between the carrier confinement layers 7 and 9 (Al composition ratio 0.26) and the cladding layer (Al composition ratio 0.32) is 84 meV. ΔEc =
Using the relational expression of 0.65ΔEg, the height of the potential barriers B 1 and B 2 is 55 meV. That is, it is preferable that the height of the potential barrier at the interface between the cladding layer and the carrier confinement layer be 55 meV or more.
【0063】図11に、キャリア閉込層7及び8の厚さ
を異ならせた複数の試料について、バイアス電流と遮断
周波数との関係を示す。横軸はバイアス電流を単位「m
A」で表し、縦軸は遮断周波数を単位「MHz」で表
す。図中の曲線a〜cは、キャリア閉込層7及び9の厚
さを、それぞれ30nm、50nm、及び120nmと
した場合を示す。バイアス電流を増加させると遮断周波
数が高くなるが、キャリア閉込層7及び9の厚さを12
0nmとした場合には、バイアス電流が100mA以上
で飽和することがわかる。従って、キャリア閉込層7及
び9の厚さを120nm未満とすることが好ましい。ま
た、十分なキャリア閉込効果を発揮するためには、キャ
リア閉込層7及び9の厚さを10nm以上とすることが
好ましい。FIG. 11 shows the relationship between the bias current and the cutoff frequency for a plurality of samples in which the thicknesses of the carrier confinement layers 7 and 8 are different. The horizontal axis represents the bias current in the unit “m”.
A, and the vertical axis represents the cutoff frequency in the unit “MHz”. Curves a to c in the figure show the cases where the thicknesses of the carrier confinement layers 7 and 9 are 30 nm, 50 nm, and 120 nm, respectively. As the bias current increases, the cutoff frequency increases, but the thickness of the carrier confinement layers 7 and 9 is reduced by 12
In the case of 0 nm, it is found that the bias current is saturated when the bias current is 100 mA or more. Therefore, it is preferable that the thickness of the carrier confinement layers 7 and 9 be less than 120 nm. In order to exhibit a sufficient carrier confinement effect, the thickness of the carrier confinement layers 7 and 9 is preferably set to 10 nm or more.
【0064】上記実施例では、図1に示したように、歪
量子井戸層8の層数を1としたが、2層以上としてもよ
い。In the above embodiment, as shown in FIG. 1, the number of strain quantum well layers 8 is one, but may be two or more.
【0065】図12に、歪量子井戸層の数を1、2、
3、5、及び10とした試料について、バイアス電流と
規格化遮断周波数との関係を示す。横軸はバイアス電流
を単位「mA」で表し、縦軸は規格化遮断周波数を表
す。各試料の歪量子井戸層の厚さは5nm、In組成比
は0.12であり、キャリア閉込層の厚さは50nm、
Al組成比は0.18である。また、歪量子井戸層を複
数とした場合の、井戸層間に配置する障壁層の厚さは1
0nmであり、そのAl組成比はキャリア閉込層のAl
組成比と同一である。なお、チップサイズは400μm
×400μmである。FIG. 12 shows that the number of strained quantum well layers is 1, 2,
The relationship between the bias current and the normalized cutoff frequency is shown for the samples Nos. 3, 5, and 10. The horizontal axis represents the bias current in the unit of “mA”, and the vertical axis represents the normalized cutoff frequency. In each sample, the thickness of the strained quantum well layer was 5 nm, the In composition ratio was 0.12, the thickness of the carrier confinement layer was 50 nm,
The Al composition ratio is 0.18. When a plurality of strained quantum well layers are provided, the thickness of the barrier layer disposed between the well layers is 1
0 nm, and the Al composition ratio of Al in the carrier confinement layer is
The composition ratio is the same. Note that the chip size is 400 μm
× 400 μm.
【0066】歪量子井戸層の数が少ないほど規格化遮断
周波数が高くなることがわかる。なお、バイアス電流を
増加させると、光出力はある強度で飽和する。歪量子井
戸層の数を増やすと、光出力の飽和値を高くすることが
できる。従って、歪量子井戸層の数は、必要とされる遮
断周波数及び光出力の観点から選択されるべきである。
100Mbpsの伝送速度速度を達成するために遮断周
波数を70MHz程度とするためには、歪量子井戸層の
数を1または2とすることが好ましい。It can be seen that the smaller the number of strained quantum well layers, the higher the normalized cutoff frequency. When the bias current is increased, the light output saturates at a certain intensity. Increasing the number of strained quantum well layers can increase the light output saturation value. Therefore, the number of strained quantum well layers should be selected in view of the required cutoff frequency and light output.
In order to achieve a cutoff frequency of about 70 MHz in order to achieve a transmission speed of 100 Mbps, it is preferable that the number of strained quantum well layers is one or two.
【0067】図13に、従来の発光ダイオードと上記実
施例による発光ダイオードとの、遮断周波数と発光出力
との分布を示す。横軸は遮断周波数を単位「MHz」で
表し、縦軸は発光出力を単位「mW」で表す。図中の丸
記号は、実施例による発光ダイオードに対応し、三角記
号は、量子井戸層としてZnドープのGaAsを用い、
キャリア閉込層としてAlGaAsを用いた従来の発光
ダイオードに対応する。FIG. 13 shows the distribution of the cutoff frequency and the light emission output between the conventional light emitting diode and the light emitting diode according to the above embodiment. The horizontal axis represents the cutoff frequency in the unit “MHz”, and the vertical axis represents the light emission output in the unit “mW”. The circle symbol in the figure corresponds to the light emitting diode according to the embodiment, and the triangle symbol uses Zn-doped GaAs as the quantum well layer.
This corresponds to a conventional light emitting diode using AlGaAs as the carrier confinement layer.
【0068】従来の発光ダイオードでは、量子井戸層の
Zn濃度を高めるに従って遮断周波数を高めることがで
きるが、遮断周波数が上昇するに従って発光出力が低下
してしまう。また、遮断周波数を60MHz以上にする
ことは困難であった。これに対し、実施例による発光ダ
イオードでは、遮断周波数を60MHz以上とすること
が可能であり、かつ遮断周波数を高くしても発光出力が
低下しない。In the conventional light emitting diode, the cutoff frequency can be increased as the Zn concentration in the quantum well layer is increased, but the light emission output is reduced as the cutoff frequency is increased. Further, it was difficult to increase the cutoff frequency to 60 MHz or more. On the other hand, in the light emitting diode according to the embodiment, the cutoff frequency can be set to 60 MHz or more, and the light emission output does not decrease even if the cutoff frequency is increased.
【0069】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。The present invention has been described in connection with the preferred embodiments.
The present invention is not limited to these. For example, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
【0070】[0070]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
歪量子井戸層にInGaAsを用い、キャリア閉込層に
AlGaAsもしくはGaAsを用いることにより、発
光波長を800nm〜920nmとし、かつ発光出力の
低下防止と遮断周波数の向上とを両立させることができ
る。As described above, according to the present invention,
By using InGaAs for the strained quantum well layer and using AlGaAs or GaAs for the carrier confinement layer, the emission wavelength can be set to 800 nm to 920 nm, and both prevention of reduction in emission output and improvement of cutoff frequency can be achieved.
【図1】本発明の実施例による半導体発光装置の模式的
な断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view of a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
【図2】本発明の実施例による半導体発光装置の支持基
板の製造方法を説明するための断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a support substrate of a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
【図3】実施例による半導体発光装置の下部クラッド層
から上部クラッド層までの積層構造の伝導帯側のバンド
構造を示す図である。FIG. 3 is a view showing a band structure on a conduction band side of a laminated structure from a lower cladding layer to an upper cladding layer of the semiconductor light emitting device according to the embodiment.
【図4】実施例による半導体発光装置のエネルギ差ΔE
bと遮断周波数との関係を示すグラフである。FIG. 4 shows an energy difference ΔE of the semiconductor light emitting device according to the embodiment.
6 is a graph showing a relationship between b and a cutoff frequency.
【図5】実施例による半導体発光装置のキャリア閉込層
のAl組成比を異ならせた種々の試料の発光スペクトル
を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing emission spectra of various samples in which the Al composition ratio of the carrier confinement layer of the semiconductor light emitting device according to the example is different.
【図6】実施例による半導体発光装置の歪量子井戸層の
厚さと遮断周波数との関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing a relationship between a thickness of a strained quantum well layer and a cutoff frequency of a semiconductor light emitting device according to an example.
【図7】実施例による半導体発光装置の歪量子井戸層の
厚さと発光波長との関係を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the thickness of a strained quantum well layer and the emission wavelength of a semiconductor light emitting device according to an example.
【図8】実施例による半導体発光装置の遮断周波数とエ
ネルギ差ΔEbとの関係を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing a relationship between a cutoff frequency and an energy difference ΔEb of the semiconductor light emitting device according to the example.
【図9】実施例による半導体発光装置のキャリア閉込層
の種々のAl組成比について、バイアス電流と遮断周波
数との関係を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing a relationship between a bias current and a cutoff frequency for various Al composition ratios of a carrier confinement layer of a semiconductor light emitting device according to an example.
【図10】実施例による半導体発光装置のキャリア閉込
層の種々のAl組成比について、バイアス電流と規格化
光出力との関係を、規格化微分量子効率と対比させなが
ら示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the relationship between the bias current and the normalized optical output for various Al composition ratios of the carrier confinement layer of the semiconductor light emitting device according to the example, in comparison with the normalized differential quantum efficiency.
【図11】実施例による半導体発光装置のキャリア閉込
層の種々の厚さについて、バイアス電流と遮断周波数と
の関係を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the relationship between the bias current and the cutoff frequency for various thicknesses of the carrier confinement layer of the semiconductor light emitting device according to the example.
【図12】実施例による半導体発光装置の量子井戸数を
種々異ならせた場合の、バイアス電流と規格化遮断周波
数との関係を示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing a relationship between a bias current and a normalized cutoff frequency when the number of quantum wells of the semiconductor light emitting device according to the example is variously changed.
【図13】実施例による光半導体装置と従来の光半導体
装置との、遮断周波数と発光出力との分布を示すグラフ
である。FIG. 13 is a graph showing distributions of cut-off frequency and light emission output between the optical semiconductor device according to the example and the conventional optical semiconductor device.
1 p型GaAs仮基板 2 p型AlGaAs高濃度層 3 p型AlGaAs低濃度層 4 支持基板 5 p型AlGaAsバッファ層 6 p型AlGaAs下部クラッド層 7 p型AlGaAs下部キャリア閉込層 8 InGaAs歪量子井戸層 9 n型AlGaAs上部キャリア閉込層 10 n型AlGaAs上部クラッド層 11 n型AlGaAs電流拡散層 12 n型GaAsコンタクト層 15 n側電極 16 p側電極 Reference Signs List 1 temporary p-type GaAs substrate 2 high-concentration p-type AlGaAs layer 3 low-concentration p-type AlGaAs layer 4 support substrate 5 p-type AlGaAs buffer layer 6 p-type AlGaAs lower cladding layer 7 p-type AlGaAs lower carrier confinement layer 8 InGaAs strain quantum well Layer 9 n-type AlGaAs upper carrier confinement layer 10 n-type AlGaAs upper cladding layer 11 n-type AlGaAs current diffusion layer 12 n-type GaAs contact layer 15 n-side electrode 16 p-side electrode
フロントページの続き (72)発明者 笹倉 賢 東京都目黒区中目黒2−9−13 スタンレ ー電気株式会社内 (72)発明者 富田 尚太郎 東京都目黒区中目黒2−9−13 スタンレ ー電気株式会社内 (72)発明者 川口 恵蔵 東京都目黒区中目黒2−9−13 スタンレ ー電気株式会社内 Fターム(参考) 5F041 AA02 AA04 CA05 CA34 CA49 CA58 CA65 CA74 CA85 CA92 FF16 5F045 AA04 AB10 AB17 AF04 AF05 AF13 CA10 DA53 DA55 DA63 HA14 Continuing on the front page (72) Inventor Satoshi Sakura 2-9-13 Nakameguro, Meguro-ku, Tokyo Stanley Electric Co., Ltd. (72) Inventor Shotaro Tomita 2-9-13 Nakameguro, Meguro-ku, Tokyo Stanley Electric Inside (72) Inventor Keizo Kawaguchi 2-9-13 Nakameguro, Meguro-ku, Tokyo Stanley Electric Co., Ltd.F-term (reference) 5F041 AA02 AA04 CA05 CA34 CA49 CA58 CA65 CA74 CA85 CA92 FF16 5F045 AA04 AB10 AB17 AF04 AF05 AF13 CA10 DA53 DA55 DA63 HA14
Claims (7)
第2の半導体材料からなる量子井戸層、該量子井戸層を
挟み、該第2の半導体材料よりもバンドギャップの大き
な第3の半導体材料からなる一対のキャリア閉込層、該
量子井戸層と一対のキャリア閉込層との3層を挟み、該
第3の半導体材料よりもバンドギャップの大きな第4の
半導体材料からなる一対のクラッド層とを含み、該キャ
リア閉込層の伝導帯下端のエネルギ準位と、該量子井戸
層内の電子の基底準位との差が100meV以上になる
ように、前記第2及び第3の半導体材料、及び前記量子
井戸層の厚さが選択されている前記発光積層構造と、 前記発光積層構造にキャリアを注入するための電極とを
有する半導体発光装置。1. A support substrate made of a first semiconductor material, and a light-emitting laminated structure disposed on the support substrate,
A quantum well layer made of a second semiconductor material, a pair of carrier confinement layers sandwiching the quantum well layer, and made of a third semiconductor material having a band gap larger than that of the second semiconductor material; And a pair of cladding layers made of a fourth semiconductor material having a larger band gap than the third semiconductor material, sandwiching the three layers with the carrier confinement layer of FIG. The thickness of the second and third semiconductor materials and the thickness of the quantum well layer are selected such that the difference between the level and the ground level of electrons in the quantum well layer is 100 meV or more. A semiconductor light emitting device comprising: a light emitting laminated structure; and an electrode for injecting carriers into the light emitting laminated structure.
が、前記量子井戸層の発光スペクトルのピークを与える
波長に対応するエネルギよりも大きい請求項1に記載の
半導体発光装置。2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a band gap of the first semiconductor material is larger than an energy corresponding to a wavelength giving a peak of an emission spectrum of the quantum well layer.
第2の半導体材料からなる量子井戸層、該量子井戸層を
挟み、該第2の半導体材料よりもバンドギャップの大き
な第3の半導体材料からなる一対のキャリア閉込層、該
量子井戸層と一対のキャリア閉込層との3層を挟み、該
第3の半導体材料よりもバンドギャップの大きな第4の
半導体材料からなる一対のクラッド層とを含み、前記発
光積層構造に電流を注入したときに、該量子井戸層で電
子と正孔との発光再結合が生じ、前記キャリア閉込層で
は発光再結合が起こらないように、前記第2及び第3の
半導体材料、及び前記量子井戸層と前記キャリア閉込層
の厚さが選択されている前記発光積層構造と、 前記発光積層構造にキャリアを注入するための電極とを
有する半導体発光装置。3. A support substrate made of a first semiconductor material, and a light-emitting laminated structure disposed on the support substrate,
A quantum well layer made of a second semiconductor material, a pair of carrier confinement layers sandwiching the quantum well layer, and made of a third semiconductor material having a band gap larger than that of the second semiconductor material; And a pair of cladding layers made of a fourth semiconductor material having a band gap larger than that of the third semiconductor material, sandwiching the three layers with the carrier confinement layer. The second and third semiconductor materials, and the quantum well layer and the quantum well layer, so that emission recombination of electrons and holes occurs in the quantum well layer and emission recombination does not occur in the carrier confinement layer. A semiconductor light-emitting device comprising: the light-emitting stacked structure in which a thickness of a carrier confinement layer is selected; and an electrode for injecting carriers into the light-emitting stacked structure.
GaAsまたはAlGaAsであり、前記第2の半導体
材料がInGaAsである請求項1〜3のいずれかに記
載の半導体発光装置。4. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein said first, third and fourth semiconductor materials are GaAs or AlGaAs, and said second semiconductor material is InGaAs.
0.05〜0.25であり、前記量子井戸層の厚さと該
第2の半導体材料のIn組成比との関係が、発光波長が
800〜920nmになるように選択されている請求項
4に記載の半導体発光装置。5. The relationship between the thickness of the quantum well layer and the In composition ratio of the second semiconductor material, wherein an In composition ratio of the second semiconductor material is 0.05 to 0.25. 5. The semiconductor light emitting device according to claim 4, wherein is selected to be 800 to 920 nm.
0.4以下である請求項4または5に記載の半導体発光
装置。6. The semiconductor light emitting device according to claim 4, wherein an Al composition ratio of the third semiconductor material is 0.4 or less.
未満である請求項1〜6のいずれかに記載の半導体発光
装置。7. The carrier confinement layer has a thickness of 120 nm.
The semiconductor light emitting device according to any one of claims 1 to 6, wherein
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001150610A JP2002344013A (en) | 2001-05-21 | 2001-05-21 | Semiconductor light-emitting device |
US10/664,659 US6900467B2 (en) | 2001-05-21 | 2003-09-17 | Semiconductor light emitting device having quantum well layer sandwiched between carrier confinement layers |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
JP2001150610A JP2002344013A (en) | 2001-05-21 | 2001-05-21 | Semiconductor light-emitting device |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN100407458C (en) * | 2004-10-05 | 2008-07-30 | 斯坦雷电气株式会社 | Semiconductor light emitting device having narrow radiation spectrum |
WO2012073993A1 (en) * | 2010-12-02 | 2012-06-07 | 昭和電工株式会社 | Light-emitting diode, light-emitting diode lamp, and illumination device |
US8754398B2 (en) | 2010-01-25 | 2014-06-17 | Showa Denko K.K. | Light-emitting diode, light-emitting diode lamp and lighting device |
-
2001
- 2001-05-21 JP JP2001150610A patent/JP2002344013A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2012119585A (en) * | 2010-12-02 | 2012-06-21 | Showa Denko Kk | Light-emitting diode, light-emitting diode lamp and luminaire |
US9299885B2 (en) | 2010-12-02 | 2016-03-29 | Showa Denko K.K. | Light-emitting diode, light-emitting diode lamp, and illumination device |
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