JP2504372B2 - 超格子構造体 - Google Patents
超格子構造体Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体発光素子等で活
性層のキャリア・オーバフローを制御する技術に関す
る。
性層のキャリア・オーバフローを制御する技術に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】近年、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰ
を発光層とする可視光半導体レーザの高出力化，短波長
化の研究が盛んに行われている。前者では５０℃，３０
ｍＷでの高信頼動作が、エレクトロニクス・レターズ誌
Ｖｏｌ．２８，ＰＰ．８６０−８６１（１９９２）に報
告されている。また、後者では、６３２．７ｎｍでのＣ
Ｗ発振（２０℃）が、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ
・アプライド・フィジックス（ＪＪＡＰ）誌Ｖｏｌ．２
９，ＰＰ．Ｌ１６６９−１６７１（１９９０）に報告さ
れている。
を発光層とする可視光半導体レーザの高出力化，短波長
化の研究が盛んに行われている。前者では５０℃，３０
ｍＷでの高信頼動作が、エレクトロニクス・レターズ誌
Ｖｏｌ．２８，ＰＰ．８６０−８６１（１９９２）に報
告されている。また、後者では、６３２．７ｎｍでのＣ
Ｗ発振（２０℃）が、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ
・アプライド・フィジックス（ＪＪＡＰ）誌Ｖｏｌ．２
９，ＰＰ．Ｌ１６６９−１６７１（１９９０）に報告さ
れている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＡｌＧ
ａＩｎＰ半導体材料に顕著に見られる問題として、発光
層とｐクラッド層との界面でのヘテロ障壁が小さいた
め、発光層に注入されたキャリア（電子）がｐクラッド
層にオーバフローしてしまい、温度特性の悪化、閾値電
流の上昇を引き起こすという問題が指摘されている。こ
れについては、例えば、ジャパニーズ・ジャーナル・オ
ブ・アプライド・フィジックス（ＪＪＡＰ）誌，Ｖｏ
ｌ．３１，ＰＰ．５０１−５０７（１９９２）に報告さ
れている。また、このようなキャリア・オーバフローの
問題を解決するために、１９８６年に伊賀らは、電子の
多重反射を利用してキャリア閉じこめを行う超格子構造
を特許出願し（特開昭６３−４６７８８号公報）、その
内容をエレクトロニクス・レターズ誌Ｖｏｌ．２２，Ｐ
Ｐ．１００８−１００９（１９８６）に投稿している。
彼らの超格子構造体はアンドープＧａＡｓウェルとアン
ドープＡｌＡｓバリア、もしくはｐ−ＩｎＰクラッド中
のｐ−ＧａＩｎＡｓＰウェルとアンドープＩｎＰバリア
の組み合わせよりなっている。しかしながら、このよう
なウェルとバリアの導電型の組み合わせでは、ウェルと
バリアのエネルギ・ステップ（ｐクラッドの場合、伝導
帯バンド端のエネルギ・ステップに相当）が小さく、オ
ーバフローするキャリア（ｐクラッドの場合、電子に相
当）に対する反射率をあまり大きくできない欠点が依然
残っている。
ａＩｎＰ半導体材料に顕著に見られる問題として、発光
層とｐクラッド層との界面でのヘテロ障壁が小さいた
め、発光層に注入されたキャリア（電子）がｐクラッド
層にオーバフローしてしまい、温度特性の悪化、閾値電
流の上昇を引き起こすという問題が指摘されている。こ
れについては、例えば、ジャパニーズ・ジャーナル・オ
ブ・アプライド・フィジックス（ＪＪＡＰ）誌，Ｖｏ
ｌ．３１，ＰＰ．５０１−５０７（１９９２）に報告さ
れている。また、このようなキャリア・オーバフローの
問題を解決するために、１９８６年に伊賀らは、電子の
多重反射を利用してキャリア閉じこめを行う超格子構造
を特許出願し（特開昭６３−４６７８８号公報）、その
内容をエレクトロニクス・レターズ誌Ｖｏｌ．２２，Ｐ
Ｐ．１００８−１００９（１９８６）に投稿している。
彼らの超格子構造体はアンドープＧａＡｓウェルとアン
ドープＡｌＡｓバリア、もしくはｐ−ＩｎＰクラッド中
のｐ−ＧａＩｎＡｓＰウェルとアンドープＩｎＰバリア
の組み合わせよりなっている。しかしながら、このよう
なウェルとバリアの導電型の組み合わせでは、ウェルと
バリアのエネルギ・ステップ（ｐクラッドの場合、伝導
帯バンド端のエネルギ・ステップに相当）が小さく、オ
ーバフローするキャリア（ｐクラッドの場合、電子に相
当）に対する反射率をあまり大きくできない欠点が依然
残っている。
【０００４】本発明の目的は、このような欠点を解消し
た超格子構造体を提供することにある。
た超格子構造体を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、バンドギャッ
プの異なる複数の結晶を組み合わせ、これら結晶の層厚
または真空準位を、入射電子またはホールの反射波が位
相を強め合うように構成した超格子構造体であって、少
なくとも１種類の結晶の導電型が他の結晶の導電型と異
なることを特徴とする。
プの異なる複数の結晶を組み合わせ、これら結晶の層厚
または真空準位を、入射電子またはホールの反射波が位
相を強め合うように構成した超格子構造体であって、少
なくとも１種類の結晶の導電型が他の結晶の導電型と異
なることを特徴とする。
【０００６】
【作用】本発明の超格子構造体の一例を図１（ａ）に、
その伝導体エネルギ・バンド図を図１（ｂ）に示す。図
１（ｂ）において、実線はバンド構造を、破線は電子反
射による実効的なポテンシャル増加を示す。
その伝導体エネルギ・バンド図を図１（ｂ）に示す。図
１（ｂ）において、実線はバンド構造を、破線は電子反
射による実効的なポテンシャル増加を示す。
【０００７】図中、１は半導体レーザの活性層、２，５
はｐクラッド層を示す。また、３，４はｐクラッド層中
に挿入された本発明の超格子構造体のｎ−ＧａＩｎＰウ
ェルとｐ−ＡｌＧａＩｎＰバリアを示す。この超格子構
造体では、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド中にｎ−ＧａＩ
ｎＰウェルとｐ−ＡｌＧａＩｎＰバリアを配した構成で
あるため、ウェルとバリアで作るエネルギ・ステップを
非常に大きくできるため、伊賀らの特許で課題であった
電子の反射率を大幅に向上することができる。
はｐクラッド層を示す。また、３，４はｐクラッド層中
に挿入された本発明の超格子構造体のｎ−ＧａＩｎＰウ
ェルとｐ−ＡｌＧａＩｎＰバリアを示す。この超格子構
造体では、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド中にｎ−ＧａＩ
ｎＰウェルとｐ−ＡｌＧａＩｎＰバリアを配した構成で
あるため、ウェルとバリアで作るエネルギ・ステップを
非常に大きくできるため、伊賀らの特許で課題であった
電子の反射率を大幅に向上することができる。
【０００８】図２に本発明の超格子構造体と従来例の超
格子構造体の入射電子に対する反射率の計算例を示す。
図中、実線は本発明の超格子構造体についての計算例
を、破線は従来例の超格子についての計算例を示す。計
算においては、ＧａＩｎＰとＡｌＧａＩｎＰの組み合わ
せを考え、２０周期を仮定した。また、エネルギ・ステ
ップの大きさは、従来例では１６０ｍｅＶ、本発明では
４００ｍｅＶとして計算を行った。図２において、横軸
は入射電子エネルギ（ｍｅＶ）を、縦軸は電子の反射率
を示す。図２の計算結果より明らかなように、本発明で
は従来例に比べ、電子の反射が得られるエネルギが２倍
以上大きく、キャリア・オーバフローを抑える効果に優
れていることがわかる。
格子構造体の入射電子に対する反射率の計算例を示す。
図中、実線は本発明の超格子構造体についての計算例
を、破線は従来例の超格子についての計算例を示す。計
算においては、ＧａＩｎＰとＡｌＧａＩｎＰの組み合わ
せを考え、２０周期を仮定した。また、エネルギ・ステ
ップの大きさは、従来例では１６０ｍｅＶ、本発明では
４００ｍｅＶとして計算を行った。図２において、横軸
は入射電子エネルギ（ｍｅＶ）を、縦軸は電子の反射率
を示す。図２の計算結果より明らかなように、本発明で
は従来例に比べ、電子の反射が得られるエネルギが２倍
以上大きく、キャリア・オーバフローを抑える効果に優
れていることがわかる。
【０００９】また、本発明の超格子構造体では、活性層
へのホールの注入が良好に行われているかどうかという
懸念がある。そこで、図３に本発明の超格子構造体の電
子およびホールの反射率の計算結果を示す。図３より、
本発明の超格子構造体によれば、電子は３５０ｍｅＶ程
度のポテンシャル増加が得られるのに対し、ホールはポ
テンシャル増加＝０であり、活性層へのホールの注入は
スムースに行われると考えられる。なお、図３におい
て、価電子帯のウェルとバリアのエネルギ・ステップは
５０ｍｅＶとして計算した。この５０ｍｅＶのエネルギ
・ステップの値はドーピングによるフェルミ・レベルの
変化を考慮すれば妥当な値と思われる。
へのホールの注入が良好に行われているかどうかという
懸念がある。そこで、図３に本発明の超格子構造体の電
子およびホールの反射率の計算結果を示す。図３より、
本発明の超格子構造体によれば、電子は３５０ｍｅＶ程
度のポテンシャル増加が得られるのに対し、ホールはポ
テンシャル増加＝０であり、活性層へのホールの注入は
スムースに行われると考えられる。なお、図３におい
て、価電子帯のウェルとバリアのエネルギ・ステップは
５０ｍｅＶとして計算した。この５０ｍｅＶのエネルギ
・ステップの値はドーピングによるフェルミ・レベルの
変化を考慮すれば妥当な値と思われる。
【００１０】
【実施例】以下、具体的に本発明の超格子構造体の実施
例を説明する。図１（ａ）に示す超格子構造体をＡｌＧ
ａＩｎＰ系可視光半導体レーザに用いて試作を行った。
試作したレーザはＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ ＭＱＷ
活性層を有するインデックス・ガイド型レーザである。
超格子構造体は活性層１からｐクラッド層２，５へのキ
ャリア・オーバフローを抑制するため、活性層直上のｐ
クラッド層中に挿入した。超格子構造体の構成は、オー
バフローするキャリア、特に電子に対し有効に働くよう
に設計した。周期は２０周期（ウェルの数）とし、ウェ
ルをｎ−Ｇａ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ層３、バリアをｐ−（Ａｌ
0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ層４とした。また、ウェ
ル厚＝１．４ｎｍ、バリア厚＝１．３ｎｍとした。この
時、図２より実効的なポテンシャル増加は３５０ｍｅＶ
程度と非常に大きな値となる。
例を説明する。図１（ａ）に示す超格子構造体をＡｌＧ
ａＩｎＰ系可視光半導体レーザに用いて試作を行った。
試作したレーザはＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ ＭＱＷ
活性層を有するインデックス・ガイド型レーザである。
超格子構造体は活性層１からｐクラッド層２，５へのキ
ャリア・オーバフローを抑制するため、活性層直上のｐ
クラッド層中に挿入した。超格子構造体の構成は、オー
バフローするキャリア、特に電子に対し有効に働くよう
に設計した。周期は２０周期（ウェルの数）とし、ウェ
ルをｎ−Ｇａ0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ層３、バリアをｐ−（Ａｌ
0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ層４とした。また、ウェ
ル厚＝１．４ｎｍ、バリア厚＝１．３ｎｍとした。この
時、図２より実効的なポテンシャル増加は３５０ｍｅＶ
程度と非常に大きな値となる。
【００１１】図４に試作したＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎ
Ｐ ＭＱＷレーザの構造図を示す。図４のレーザの作製
方法は、まずｎ−ＧａＡｓ基板１７上に、順次有機金属
気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて、ｎ−ＧａＡｓバ
ッファ層１６，ｎ−（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5
Ｐクラッド層１２，ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ ＭＱ
Ｗ活性層６，ｐ−（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ
クラッド層７，超格子構造体（ｎ−ＧａＩｎＰ／ｐ−Ａ
ｌＧａＩｎＰ）８，ｐ−（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ
0.5 Ｐクラッド層９，ｐ−ＧａＩｎＰエッチング・スト
ッパー層１０，ｐ−（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5
Ｐクラッド層１１，ｐ−ＧａＩｎＰキャップ層１４を１
回目の成長で形成した。次に、その上に誘電体膜をスト
ライプ状に形成し、それをマスクとし、選択メサ・エッ
チング→選択埋め込み成長（ｎ−ＧａＡｓブロック層１
３）と行い、埋め込みメサ形状を作製した。そして最後
に、３回目の結晶成長でｐ−ＧａＡｓキャップ層１５を
成長し、ｐ／ｎ電極工程（ｐ電極１８，ｎ電極１９）、
研磨工程、ペレッタイズ工程を経てレーザ構造ができあ
がった。
Ｐ ＭＱＷレーザの構造図を示す。図４のレーザの作製
方法は、まずｎ−ＧａＡｓ基板１７上に、順次有機金属
気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて、ｎ−ＧａＡｓバ
ッファ層１６，ｎ−（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5
Ｐクラッド層１２，ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ ＭＱ
Ｗ活性層６，ｐ−（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ
クラッド層７，超格子構造体（ｎ−ＧａＩｎＰ／ｐ−Ａ
ｌＧａＩｎＰ）８，ｐ−（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ
0.5 Ｐクラッド層９，ｐ−ＧａＩｎＰエッチング・スト
ッパー層１０，ｐ−（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5
Ｐクラッド層１１，ｐ−ＧａＩｎＰキャップ層１４を１
回目の成長で形成した。次に、その上に誘電体膜をスト
ライプ状に形成し、それをマスクとし、選択メサ・エッ
チング→選択埋め込み成長（ｎ−ＧａＡｓブロック層１
３）と行い、埋め込みメサ形状を作製した。そして最後
に、３回目の結晶成長でｐ−ＧａＡｓキャップ層１５を
成長し、ｐ／ｎ電極工程（ｐ電極１８，ｎ電極１９）、
研磨工程、ペレッタイズ工程を経てレーザ構造ができあ
がった。
【００１２】以上の構造で試作した図４の可視光レーザ
を測定したところ、従来型の超格子構造体を含む場合に
比べ、キャリア・オーバフローが抑制され、良好な温度
特性と低閾値電流特性が得られた。
を測定したところ、従来型の超格子構造体を含む場合に
比べ、キャリア・オーバフローが抑制され、良好な温度
特性と低閾値電流特性が得られた。
【００１３】尚、上記実施例ではＧａＩｎＰとＡｌＧａ
ＩｎＰの２種類の結晶の組み合わせを用いたが、これは
３種類以上の結晶の組み合わせでもかまわない。また、
その他のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ，ＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＳ
Ｓｅ等の材料でもかまわない。また、ＧａＩｎＰとＡｌ
ＧａＩｎＰは陰イオン共通の材料系であるが、陰イオン
共通の材料系の場合などは逆に価電子帯のヘテロ障壁が
小さくなるため、本発明はホールのオーバフロー抑制に
有効と考えられる。
ＩｎＰの２種類の結晶の組み合わせを用いたが、これは
３種類以上の結晶の組み合わせでもかまわない。また、
その他のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ，ＺｎＣｄＳｅ／ＺｎＳ
Ｓｅ等の材料でもかまわない。また、ＧａＩｎＰとＡｌ
ＧａＩｎＰは陰イオン共通の材料系であるが、陰イオン
共通の材料系の場合などは逆に価電子帯のヘテロ障壁が
小さくなるため、本発明はホールのオーバフロー抑制に
有効と考えられる。
【００１４】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の超格子構造
体では入射電子あるいはホールを有効に閉じ込めること
ができ、半導体レーザに用いた場合、良好な温度特性と
低閾値電流特性が得られる。
体では入射電子あるいはホールを有効に閉じ込めること
ができ、半導体レーザに用いた場合、良好な温度特性と
低閾値電流特性が得られる。
【図１】（ａ）は本発明の超格子構造体の構成例を示す
図、（ｂ）は無バイアス時の伝導帯バンド構造を示す図
である。
図、（ｂ）は無バイアス時の伝導帯バンド構造を示す図
である。
【図２】本発明と従来例の超格子構造体の、入射電子に
対する反射率を示す図である。
対する反射率を示す図である。
【図３】本発明の超格子構造体の電子とホールに対する
反射率を示す図である。
反射率を示す図である。
【図４】本発明の超格子構造体をｐクラッド層中に含む
ＡｌＧａＩｎＰ ＭＱＷレーザの構造図である。
ＡｌＧａＩｎＰ ＭＱＷレーザの構造図である。
１ アンドープＧａＩｎＰ活性層 ２，５ ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層 ３ ｎ−ＧａＩｎＰウェル ４ ｐ−ＡｌＧａＩｎＰバリア ６ ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ ＭＱＷ活性層 ７，９，１１ ｐ−（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5
Ｐクラッド層 ８ 超格子構造体（ｎ−ＧａＩｎＰ／ｐ−ＡｌＧａＩｎ
Ｐ） １０ ｐ−ＧａＩｎＰエッチング・ストッパー層 １２ ｎ−（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッ
ド層 １３ ｎ−ＧａＡｓブロック層 １４ ｐ−ＧａＩｎＰキャップ層 １５ ｐ−ＧａＡｓキャップ層 １６ ｎ−ＧａＡｓバッファ層 １７ ｎ−ＧａＡｓ基板 １８ ｐ電極 １９ ｎ電極
Ｐクラッド層 ８ 超格子構造体（ｎ−ＧａＩｎＰ／ｐ−ＡｌＧａＩｎ
Ｐ） １０ ｐ−ＧａＩｎＰエッチング・ストッパー層 １２ ｎ−（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐクラッ
ド層 １３ ｎ−ＧａＡｓブロック層 １４ ｐ−ＧａＩｎＰキャップ層 １５ ｐ−ＧａＡｓキャップ層 １６ ｎ−ＧａＡｓバッファ層 １７ ｎ−ＧａＡｓ基板 １８ ｐ電極 １９ ｎ電極
Claims (4)
- 【請求項１】バンドギャップの異なる複数の結晶を組み
合わせ、これら結晶の層厚または真空準位を、入射電子
またはホールの反射波が位相を強め合うように構成した
超格子構造体であって、少なくとも１種類の結晶の導電
型が他の結晶の導電型と異なることを特徴とする超格子
構造体。 - 【請求項２】前記複数の結晶は、ＧａＩｎＰとＡｌＧａ
ＩｎＰとよりなることを特徴とする請求項１記載の超格
子構造体。 - 【請求項３】前記複数の結晶は、ＩｎＧａＡｓとＩｎＰ
とよりなることを特徴とする請求項１記載の超格子構造
体。 - 【請求項４】前記複数の結晶は、ＺｎＣｄＳｅとＺｎＳ
Ｓｅとよりなることを特徴とする請求項１記載の超格子
構造体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9997593A JP2504372B2 (ja) | 1993-04-27 | 1993-04-27 | 超格子構造体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9997593A JP2504372B2 (ja) | 1993-04-27 | 1993-04-27 | 超格子構造体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06310813A JPH06310813A (ja) | 1994-11-04 |
| JP2504372B2 true JP2504372B2 (ja) | 1996-06-05 |
Family
ID=14261674
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9997593A Expired - Fee Related JP2504372B2 (ja) | 1993-04-27 | 1993-04-27 | 超格子構造体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2504372B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5648475B2 (ja) | 2010-12-28 | 2015-01-07 | 信越半導体株式会社 | 発光素子 |
-
1993
- 1993-04-27 JP JP9997593A patent/JP2504372B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06310813A (ja) | 1994-11-04 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |