JP2697589B2 - 超格子構造体 - Google Patents
超格子構造体Info
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- JP2697589B2 JP2697589B2 JP33054993A JP33054993A JP2697589B2 JP 2697589 B2 JP2697589 B2 JP 2697589B2 JP 33054993 A JP33054993 A JP 33054993A JP 33054993 A JP33054993 A JP 33054993A JP 2697589 B2 JP2697589 B2 JP 2697589B2
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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・オーバーフローを制御する技術に関す
る。
性層のキャリア・オーバー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
を活性層とする可視光半導体レーザの短波長化の研究が
盛んに行われている。しかしながら、この材料系では活
性層とｐクラッド層との界面でのヘテロ障壁が小さくな
るため、活性層に注入された電子のｐクラッド層へのオ
ーバーフローが顕著となって、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ある。
を活性層とする可視光半導体レーザの短波長化の研究が
盛んに行われている。しかしながら、この材料系では活
性層とｐクラッド層との界面でのヘテロ障壁が小さくな
るため、活性層に注入された電子のｐクラッド層へのオ
ーバーフローが顕著となって、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ある。
【０００３】その問題に対して、多重量子障壁（Ｍｕｌ
ｔｉ Ｑｕａｕｔｕｍ Ｂａｒｒｉｅｒ：ＭＱＢ）と呼
ばれている、電子の多重反射を利用してキャリア閉じ込
めを行う超格子構造体が特許出願され（特開昭６３−４
６７８８号公報）、その内容が１９８６年、エレクトロ
ニクス・レターズ誌、第２２巻（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
ｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．２２）、１００８〜１０
０９頁に掲載れている。ここではその超格子構造体を半
導体レーザの活性層とｐ型クラッド層の間に設ける事が
提案されている。図３はＭＱＢ構造を有するダブルヘテ
ロ構造半導体レーザの電流注入時のバンド構造図であ
る。ｎ型クラッド層側から活性層に注入された電子はＭ
ＱＢ層に入射する。このとき、電子の多重反射効果で実
効的なヘテロ障壁が高くなり電子のオーバーフローが抑
制される。
ｔｉ Ｑｕａｕｔｕｍ Ｂａｒｒｉｅｒ：ＭＱＢ）と呼
ばれている、電子の多重反射を利用してキャリア閉じ込
めを行う超格子構造体が特許出願され（特開昭６３−４
６７８８号公報）、その内容が１９８６年、エレクトロ
ニクス・レターズ誌、第２２巻（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
ｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．２２）、１００８〜１０
０９頁に掲載れている。ここではその超格子構造体を半
導体レーザの活性層とｐ型クラッド層の間に設ける事が
提案されている。図３はＭＱＢ構造を有するダブルヘテ
ロ構造半導体レーザの電流注入時のバンド構造図であ
る。ｎ型クラッド層側から活性層に注入された電子はＭ
ＱＢ層に入射する。このとき、電子の多重反射効果で実
効的なヘテロ障壁が高くなり電子のオーバーフローが抑
制される。
【０００４】ＭＱＢ構造を半導体レーザに適用し、閾値
電流密度の低減、特性温度の向上という結果を得、半導
体レーザにおけるＭＱＢの有効性を実証した例が、第１
２回ＩＥＥＥ国際半導体レーザ会議（１２ｔｈＩＥＥＥ
Ｉｎｔ．Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ
Ｃｏｎｆ．ＰＤ−１０，Ｄａｖｏｓ，Ｓｗｉｔｚｅｒｌ
ａｎｄ，Ｓｅｐｔ．１９９０）で報告されている。図４
は同報告で述べられている、井戸層にＧａＩｎＰ、障壁
層ＡｌＩｎＰを用いたＭＱＢの電子反射率の計算例であ
る。簡単のため、各ポテンシャルは矩形で近似され、電
界による傾斜、各種散乱等の効果は考慮されていない。
計算ではＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ共にΓバンドのパラメ
ータが用いられている。この図は、障壁層と井戸層の伝
導帯のバンドエネルギー差（ＭＱＢの高さ）に対して障
壁層と井戸層の厚さや組数を最適化することにより、実
効的なヘテロ障壁を増大できる事を示している。また、
５組のＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰで構成されるＭＱＢの場
合、反射率Ｒは古典障壁の約１．８倍まで増加する事が
見いだされている。実際にレーザに適用されたＭＱＢ
は、計算上、古典障壁の約１．４倍の反射率を有してお
り、１００ｍｅＶ程度の実効的なヘテロ障壁の増大をも
たらす事が期待された。室温パルス動作下において全面
電極型ＧａＩｎＰ／ＡｌＩＮｐのＭＱＢ・超格子クラッ
ドレーザ（波長６６３ｎｍ）で最低閾値電流密度８４０
Ａ／ｃｍ2 、素子温度３０℃におえる特性温度として１
６７Ｋの値が得られている。このレーザにおいてはＭＱ
Ｂの導入で約２００Ａ／ｃｍ2 の閾値電流密度の低減と
６５Ｋの特性温度の増大が達成されている。
電流密度の低減、特性温度の向上という結果を得、半導
体レーザにおけるＭＱＢの有効性を実証した例が、第１
２回ＩＥＥＥ国際半導体レーザ会議（１２ｔｈＩＥＥＥ
Ｉｎｔ．Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ
Ｃｏｎｆ．ＰＤ−１０，Ｄａｖｏｓ，Ｓｗｉｔｚｅｒｌ
ａｎｄ，Ｓｅｐｔ．１９９０）で報告されている。図４
は同報告で述べられている、井戸層にＧａＩｎＰ、障壁
層ＡｌＩｎＰを用いたＭＱＢの電子反射率の計算例であ
る。簡単のため、各ポテンシャルは矩形で近似され、電
界による傾斜、各種散乱等の効果は考慮されていない。
計算ではＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰ共にΓバンドのパラメ
ータが用いられている。この図は、障壁層と井戸層の伝
導帯のバンドエネルギー差（ＭＱＢの高さ）に対して障
壁層と井戸層の厚さや組数を最適化することにより、実
効的なヘテロ障壁を増大できる事を示している。また、
５組のＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＰで構成されるＭＱＢの場
合、反射率Ｒは古典障壁の約１．８倍まで増加する事が
見いだされている。実際にレーザに適用されたＭＱＢ
は、計算上、古典障壁の約１．４倍の反射率を有してお
り、１００ｍｅＶ程度の実効的なヘテロ障壁の増大をも
たらす事が期待された。室温パルス動作下において全面
電極型ＧａＩｎＰ／ＡｌＩＮｐのＭＱＢ・超格子クラッ
ドレーザ（波長６６３ｎｍ）で最低閾値電流密度８４０
Ａ／ｃｍ2 、素子温度３０℃におえる特性温度として１
６７Ｋの値が得られている。このレーザにおいてはＭＱ
Ｂの導入で約２００Ａ／ｃｍ2 の閾値電流密度の低減と
６５Ｋの特性温度の増大が達成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】更なるレーザの短波長
化、高性能化を図るためにＭＱＢの効果を更に大きくす
る必要がある。キャリアに対する実効的なヘテロ障壁を
高くするためには、障壁層と井戸層の伝導帯のバンドエ
ネルギー差（ＭＱＢの高さ）を大きくすることが必要と
なる。しかし従来のＭＱＢでは、ＭＱＢの井戸層と障壁
層は同じドーパント量でドーピングされている為、最大
限のＭＱＢの高さが得られていない。
化、高性能化を図るためにＭＱＢの効果を更に大きくす
る必要がある。キャリアに対する実効的なヘテロ障壁を
高くするためには、障壁層と井戸層の伝導帯のバンドエ
ネルギー差（ＭＱＢの高さ）を大きくすることが必要と
なる。しかし従来のＭＱＢでは、ＭＱＢの井戸層と障壁
層は同じドーパント量でドーピングされている為、最大
限のＭＱＢの高さが得られていない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上述の問題点を解決する
ために、本発明は、バンドギャップの異なる２種類の半
導体層を組み合わせ、これらの半導体層の厚さ及び真空
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
ように構成した一伝導型の超格子構造体であって、バン
ドギャップの大きい半導体層に、バンドギャップの小さ
い方の半導体層より多くのドーパントをドーピングする
超格子構造体を構成する事を特徴とする。
ために、本発明は、バンドギャップの異なる２種類の半
導体層を組み合わせ、これらの半導体層の厚さ及び真空
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
ように構成した一伝導型の超格子構造体であって、バン
ドギャップの大きい半導体層に、バンドギャップの小さ
い方の半導体層より多くのドーパントをドーピングする
超格子構造体を構成する事を特徴とする。
【０００７】
【作用】図２の（ａ）および（ｂ）は、それぞれダブル
ヘテロ構造半導体レーザダイオードに適用された本発明
および従来例のＭＱＢの一部分のエネルギ・バンド模式
図である。この図に示されるように、半導体レーザに適
用されたＭＱＢは、通常のｐ型ドーピングされたバンド
ギャップの異なる２種類の半導体により形成される複数
の量子井戸層から成る超格子構造体であり、櫛形のバン
ド構造をもつ。従来のＭＱＢでは、ＭＱＢの井戸層と障
壁層に同じ量のｐ型ドーピングがなされているが、本発
明のＭＱＢでは、ＭＱＢの全ての障壁層に、井戸層より
多くのｐ型ドーピングを施してある。高ドーピングによ
るフェルミレベルの変化により井戸層に対して障壁層の
伝導帯と電子帯のエネルギーが更に引き上げられている
事が解る。その結果伝導帯の電子に対するＭＱＢの高さ
が増大し、価電子帯のホールに対するエネルギー障壁が
低減するので、電子の閉じ込めとホールの供給効率を一
層向上させることができる。
ヘテロ構造半導体レーザダイオードに適用された本発明
および従来例のＭＱＢの一部分のエネルギ・バンド模式
図である。この図に示されるように、半導体レーザに適
用されたＭＱＢは、通常のｐ型ドーピングされたバンド
ギャップの異なる２種類の半導体により形成される複数
の量子井戸層から成る超格子構造体であり、櫛形のバン
ド構造をもつ。従来のＭＱＢでは、ＭＱＢの井戸層と障
壁層に同じ量のｐ型ドーピングがなされているが、本発
明のＭＱＢでは、ＭＱＢの全ての障壁層に、井戸層より
多くのｐ型ドーピングを施してある。高ドーピングによ
るフェルミレベルの変化により井戸層に対して障壁層の
伝導帯と電子帯のエネルギーが更に引き上げられている
事が解る。その結果伝導帯の電子に対するＭＱＢの高さ
が増大し、価電子帯のホールに対するエネルギー障壁が
低減するので、電子の閉じ込めとホールの供給効率を一
層向上させることができる。
【０００８】
【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は、超格子構造体をＭＱＢとして用い
たＡｌＧａＩｎＰ可視光半導体レーザ素子構造の断面図
である。
を説明する。図１は、超格子構造体をＭＱＢとして用い
たＡｌＧａＩｎＰ可視光半導体レーザ素子構造の断面図
である。
【０００９】ｎ−ＧａＡｓ基板１の上に、ｎ−ＧａＡｓ
バッハァー層２（０．３μｍ、キャリア濃度３〜４×１
０1 7 ｃｍ- 3 ）、ｎ−ＧａＩｎＰバッァ−層３（０．
３μｍ、キャリア濃度３〜４×１０1 7 ｃｍ- 3 ）、ｎ
−（Ａｌ0 . 7 Ｇａ0 . 3 ）0 . 5 Ｉｎ0 . 5 Ｐクラッ
ド層４（１．０μｍ、キャリア濃度３〜４×１０1 7ｃ
ｍ- 3 ）、Ｇａ0 . 5 Ｉｎ0 . 5 Ｐ活性層５（０．１μ
ｍ、アンドープ）、ＭＱＢ層６（０．０９μｍ）、ｐ−
（Ａｌ0 . 7 Ｇａ0 . 3 ）0 . 5 Ｉｎ0 . 5 Ｐクラッド
層７（１．０μｍ、キャリア濃度１〜２×１０1 8 ｃｍ
- 3 ）、ｐ−ＧａＡｓキャリア層８（０．３μｍ、キャ
リア濃度５×１０1 8 ｃｍ- 3 ）の構造を順次成長形成
する。ＭＱＢ構造は、ｐ−（Ａｌ0 . 7 Ｇａ0 . 3 ）
0 . 5 Ｉｎ0 . 5 Ｐ障壁層１１（層厚２０Ａ（オングス
トローム）、キャリア濃度５×１０1 8 ｃｍ- 3 ）、ｐ
−Ｇａ0 . 5 Ｉｎ0 . 5 Ｐ井戸層１０（層厚２５Ａ、キ
ャリア濃度１〜２×１０1 8 ｃｍ- 3 ）の２０ペアから
成る。但し活性層に隣接する第一層目の障壁層９だけは
電子のトンネリングを防ぐ目的で２４０Ａと厚くする。
なおここで一応の目安として示したＭＱＢの井戸層と障
壁層の厚さ及び組数は、実際の井戸層と障壁層のドーピ
ング濃度に応じて、実効的にヘテロ障壁最大になるよう
に最適価するものとする。また短波長化のために、クラ
ッド層のＡｌ組成を増大させ、活性層をＡｌＧａＩｎＰ
あるいはＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰの多重量子井戸構
造にしても良い。
バッハァー層２（０．３μｍ、キャリア濃度３〜４×１
０1 7 ｃｍ- 3 ）、ｎ−ＧａＩｎＰバッァ−層３（０．
３μｍ、キャリア濃度３〜４×１０1 7 ｃｍ- 3 ）、ｎ
−（Ａｌ0 . 7 Ｇａ0 . 3 ）0 . 5 Ｉｎ0 . 5 Ｐクラッ
ド層４（１．０μｍ、キャリア濃度３〜４×１０1 7ｃ
ｍ- 3 ）、Ｇａ0 . 5 Ｉｎ0 . 5 Ｐ活性層５（０．１μ
ｍ、アンドープ）、ＭＱＢ層６（０．０９μｍ）、ｐ−
（Ａｌ0 . 7 Ｇａ0 . 3 ）0 . 5 Ｉｎ0 . 5 Ｐクラッド
層７（１．０μｍ、キャリア濃度１〜２×１０1 8 ｃｍ
- 3 ）、ｐ−ＧａＡｓキャリア層８（０．３μｍ、キャ
リア濃度５×１０1 8 ｃｍ- 3 ）の構造を順次成長形成
する。ＭＱＢ構造は、ｐ−（Ａｌ0 . 7 Ｇａ0 . 3 ）
0 . 5 Ｉｎ0 . 5 Ｐ障壁層１１（層厚２０Ａ（オングス
トローム）、キャリア濃度５×１０1 8 ｃｍ- 3 ）、ｐ
−Ｇａ0 . 5 Ｉｎ0 . 5 Ｐ井戸層１０（層厚２５Ａ、キ
ャリア濃度１〜２×１０1 8 ｃｍ- 3 ）の２０ペアから
成る。但し活性層に隣接する第一層目の障壁層９だけは
電子のトンネリングを防ぐ目的で２４０Ａと厚くする。
なおここで一応の目安として示したＭＱＢの井戸層と障
壁層の厚さ及び組数は、実際の井戸層と障壁層のドーピ
ング濃度に応じて、実効的にヘテロ障壁最大になるよう
に最適価するものとする。また短波長化のために、クラ
ッド層のＡｌ組成を増大させ、活性層をＡｌＧａＩｎＰ
あるいはＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰの多重量子井戸構
造にしても良い。
【００１０】各層の成長形成において、ガスソースＭＢ
Ｅ法を用いると、ｐ型ドーパントとして拡散が少ないＢ
ｅを使うことができ、急峻なプロファイルを持つドーピ
ングが可能となるので本発明のＭＱＢ構造の作製に有効
である。また、ｐ型ドーパントとしては、拡散の小さな
他のドーパントであるＣやＭｇなど、その種類に依存し
ない。さらに他の結晶成長法として有機金属エピタキシ
（ＭＯＶＰＥ）法など、結晶成長法によるものではな
い。
Ｅ法を用いると、ｐ型ドーパントとして拡散が少ないＢ
ｅを使うことができ、急峻なプロファイルを持つドーピ
ングが可能となるので本発明のＭＱＢ構造の作製に有効
である。また、ｐ型ドーパントとしては、拡散の小さな
他のドーパントであるＣやＭｇなど、その種類に依存し
ない。さらに他の結晶成長法として有機金属エピタキシ
（ＭＯＶＰＥ）法など、結晶成長法によるものではな
い。
【００１１】その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範
囲で種々の変形実施をすることが可能である。
囲で種々の変形実施をすることが可能である。
【００１２】
【発明の効果】本発明の超格子構造体では、入射電子あ
るいはホールをより効果的に閉じ込める事がでるので、
半導体レーザに適用した場合に、短波長化や発振閾値電
流の低減化、特性温度の向上による高温での安定動作に
効果がある。
るいはホールをより効果的に閉じ込める事がでるので、
半導体レーザに適用した場合に、短波長化や発振閾値電
流の低減化、特性温度の向上による高温での安定動作に
効果がある。
【図１】本発明の超格子構造体をＭＱＢとして用いたＡ
ｌＧａＩｎＰ可視光半導体レーザ素子による実施例の構
造の断面図。
ｌＧａＩｎＰ可視光半導体レーザ素子による実施例の構
造の断面図。
【図２】（ａ）は本発明のＭＱＢ構造のバンド模式図、
（ｂ）は従来のＭＱＢ構造のバンド模式図。
（ｂ）は従来のＭＱＢ構造のバンド模式図。
【図３】ＭＱＢ効果を説明するためのＭＱＢ構造を有す
る半導体レーザの電流注入時のバンド模式図。
る半導体レーザの電流注入時のバンド模式図。
【図４】従来例のＧａＩｎＰ／ＡｌＩｎＰのＭＱＢの電
子反射率の計算例である。
子反射率の計算例である。
１ ｎ−ＧａＡｓ基板 ２ ｎ−ＧａＡｓバッファー層 ３ ｎ−ＧａＩｎＰバッファー層 ４ ｎ−（Ａｌ0 . 7 Ｇａ0 . 3 ）0 . 5 Ｉｎ0 . 5 Ｐ
クラッド層 ５ Ｇａ0 . 5 Ｉｎ0 . 5 Ｐ活性層 ６ ＭＱＢ層 ７ ｐ−（Ａｌ0 . 7 Ｇａ0 . 3 ）0 . 5 Ｉｎ0 . 5 Ｐ
クラッド層 ８ ｐ−ＧａＡｓキャップ層 ９ ｐ−（Ａｌ0 . 7 Ｇａ0 . 3 ）0 . 5 Ｉｎ0 . 5 Ｐ
ＭＱＢ第一障壁層 １０ ｐ−Ｇａ0 . 5 Ｉｎ0 . 5 Ｐ ＭＱＢ井戸層 １１ ｐ−（Ａｌ0 . 7 Ｇａ0 . 3 ）0 . 5 Ｉｎ0 . 5
Ｐ ＭＱＢ障壁層 １２ ＭＱＢ構造の伝導帯 １３ ＭＱＢ構造の価電子帯 １４ ｎ型クラッド層 １５ 活性層 １６ ＭＱＢ層 １７ ｐ型クラッド層 １８ 実効的ヘテロ障壁（破線）
クラッド層 ５ Ｇａ0 . 5 Ｉｎ0 . 5 Ｐ活性層 ６ ＭＱＢ層 ７ ｐ−（Ａｌ0 . 7 Ｇａ0 . 3 ）0 . 5 Ｉｎ0 . 5 Ｐ
クラッド層 ８ ｐ−ＧａＡｓキャップ層 ９ ｐ−（Ａｌ0 . 7 Ｇａ0 . 3 ）0 . 5 Ｉｎ0 . 5 Ｐ
ＭＱＢ第一障壁層 １０ ｐ−Ｇａ0 . 5 Ｉｎ0 . 5 Ｐ ＭＱＢ井戸層 １１ ｐ−（Ａｌ0 . 7 Ｇａ0 . 3 ）0 . 5 Ｉｎ0 . 5
Ｐ ＭＱＢ障壁層 １２ ＭＱＢ構造の伝導帯 １３ ＭＱＢ構造の価電子帯 １４ ｎ型クラッド層 １５ 活性層 １６ ＭＱＢ層 １７ ｐ型クラッド層 １８ 実効的ヘテロ障壁（破線）
Claims (1)
- 【請求項１】 バンドギャップの異なる２種類の半導体
層を組み合わせ、これらの半導体層の厚さ及び真空準位
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
に構成した一伝導型の超格子構造体であって、バンドギ
ャップの大きい方の半導体層にバンドギャップの小さい
方の半導体層より多くのドーパントをドーピングするこ
とを特徴とする超格子構造体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33054993A JP2697589B2 (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 超格子構造体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33054993A JP2697589B2 (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 超格子構造体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07193326A JPH07193326A (ja) | 1995-07-28 |
| JP2697589B2 true JP2697589B2 (ja) | 1998-01-14 |
Family
ID=18233891
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33054993A Expired - Lifetime JP2697589B2 (ja) | 1993-12-27 | 1993-12-27 | 超格子構造体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2697589B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011233751A (ja) * | 2010-04-28 | 2011-11-17 | Panasonic Corp | 窒化物半導体トランジスタ |
-
1993
- 1993-12-27 JP JP33054993A patent/JP2697589B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| １９９１年（平成３年） 春季応用物理学関係連合講演会予稿集第３分冊 ３０ｐ−Ｄ−３ Ｐ．９９９ |
| １９９３年（平成５年） 秋季第５４回応用物理学会学術講演会予稿集第３分冊 ２９ａ−Ｈ−９ Ｐ．１０５０ |
| 応用物理 ５７ 〜５！ （１９８８） Ｐ．７０８−７１３ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07193326A (ja) | 1995-07-28 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19970819 |
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