JP2785167B2 - 多重量子井戸構造および多重量子井戸構造を用いた半導体素子 - Google Patents

多重量子井戸構造および多重量子井戸構造を用いた半導体素子

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、量子井戸層とその量子
井戸層より大なる禁制帯幅を有する障壁層とで構成され
た量子井戸構造およびその量子井戸構造を用いた半導体
素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年の薄膜成長技術の進歩により、禁制
帯幅の異なる２つの材料を交互に電子のド・ブロイ波長
程度の厚さで薄膜積層した、いわゆる多重量子井戸構造
が容易に制御性良く得られるようになっている。多重量
子井戸は、２つの材料の禁制帯幅の差により電子または
ホールを薄膜内に閉じ込めることから、バルク結晶には
ないさまざまな量子効果があらわれ、その効果が広くデ
バイスに応用されている。たとえば、多重量子井戸構造
を半導体レーザに応用した場合、従来のダブルヘテロレ
ーザに比べて、発振しきい電流密度が小さく、温度依存
性が小さく、狭スペクトル動作、高速動作、高出力動作
に適し、優れた特性を有することが理論的にも実験的に
も明らかにされている。多重量子井戸構造において、不
純物を障壁層のみに選択的にドープする選択ドープは、
量子井戸層に閉じ込められたキャリアの不純物原子によ
る散乱が抑制されるため、さらなるデバイス特性の向上
に寄与することが確かめられている。たとえば、ＨＥＭ
Ｔはその選択ドープを利用したデバイスの一例で、ｎ型
ドープされた障壁層からのキャリアがノンドープの活性
層に蓄積され、高い電子移動度を得ている。また、半導
体レ−ザに選択ドープ多重量子井戸構造を応用すると、
ｐ型ドープでは微分利得が増大すること、ｎ型ドープで
はしきい値電流が減少することが報告されている（たと
えば、魚見他: 信学技報、OQD86-66）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】以下に、図を用いて、
本発明が解決しようとする従来技術の問題点を示す。図
７は、従来の選択ドープ多重量子井戸半導体レ−ザの代
表的な例であるＡｌＧａＡｓ系半導体レーザの模式図で
ある。ｎ型ＧａＡｓ基板１上にｎ型のクラッド層である
ｎ型ＡｌＧａＡｓ層２、活性層である選択ドープ多重量
子井戸層１１，１２、ｐ型クラッド層であるｐ型ＡｌＧ
ａＡｓ層３、および電極接触用のｐ型ＧａＡｓキャップ
層４が積層され、電流注入のための電極１０１，１０２
が上下面に形成される。横モード制御と電流狭搾のため
半絶縁性ＡｌＧａＡｓ層５による埋め込みストライプ構
造となっている。図８（ａ）および（ｂ）は、同素子の
活性層付近のバンドダイヤグラムおよび不純物濃度分布
を示したものである。４層のｐ型ＡｌＧａＡｓ障壁層１
２と、５層のノンドープの量子井戸層１１が交互に積層
され活性層を構成している。各障壁層12には一様な濃度
（１×１０18ｃｍ-3）でｐ型不純物（アクセプタ）であ
るＢｅがドープされている。このｐ型不純物イオン（Ｂ
ｅ- ）により、障壁層１２、量子井戸層１１のバンドに
曲がりが生じる。電極１０２を介して注入された電子２
０１はｎ型ＡｌＧａＡｓ２から量子井戸層１１に注入さ
れ、正孔２０２と再結合することによってフォトンを放
出する。この時、電子２０１はそのポテンシャル差によ
って量子井戸層１１に注入されるため、ｎ型ＡｌＧａＡ
ｓクラッド層２から離れた量子井戸層１１に注入される
電子２０１ほど多くの障壁層12を越えていくため高いエ
ネルギーを持っていたことになる。電子のエネルギー分
布はフェルミ分布関数に基づいており高いエネルギー程
その分布は減ることから、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
２から離れた量子井戸層１１ほど注入電子２０１の数は
減ることになる。一方、正孔２０２に関しては、障壁層
１２にドープされたＢｅがイオン化することによって放
出する正孔が量子井戸内に局在しているが、電極１０１
を介してｐ型ＡｌＧａＡｓ３から量子井戸層１１に注入
される正孔の分布は、注入電子の場合と同じ理由で、ｐ
型ＡｌＧａＡｓ３から離れた量子井戸層１１（ｎ型Ａｌ
ＧａＡｓクラッド層２に近い量子井戸層１１）ほど減る
傾向を持つ。したがって、注入キャリアは電子２０１と
正孔２０２で逆の分布傾向を持つことになる。上記の理
由により、この構造では、特に多重量子井戸の層数が多
くなったときに、外部から注入されるキャリアを多重量
子井戸全体に均一に注入させることが困難であり、さら
に注入電子分布と注入正孔分布が逆の傾向を有すること
になることから発光効率が低下するという欠点があっ
た。
【０００４】本発明は、多重量子井戸の各量子井戸層に
外部から注入されるキャリアをほぼ均一に注入させうる
多重量子井戸構造及びその多重量子井戸構造を用いた半
導体素子を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明による多重量子井戸構造は、電子のド・ブロ
イ波長程度の厚さを有する量子井戸層と該量子井戸層よ
り大なる禁制帯幅を有する障壁層とを有し、前記量子井
戸層と該障壁層を少なくとも２組以上積層した多重量子
井戸構造において、該多重量子井戸構造にｐ型とｎ型の
少なくとも一方の不純物をドープし、該多重量子井戸構
造全体のエネルギーバンドを傾斜させて注入キャリアが
その多重量子井戸構造内でほぼ均一に分布するように構
成されている。
【０００６】
【作用】このような構成により、本発明によれば、エネ
ルギーバンド構造が多重量子井戸全体で傾斜するため、
外部からの注入キャリア（電子および正孔）を各井戸層
にほぼ均一に注入させることができる。
【０００７】
【実施例１】図１，図２は本発明による多重量子井戸を
用いた発光素子の実施例を模式図的に示したものであ
る。図７，図８に示した従来例と異なっている点は、４
層の障壁層13にドープされているアクセプタとなるＢｅ
の濃度をｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３からｎ型ＡｌＧ
ａＡｓクラッド層２に向かって、たとえば、１×１０17
ｃｍ-3、２×１０17ｃｍ-3、５×１０17ｃｍ-3、１×１
０18ｃｍ-3、と次第に増加させたことである。それによ
り、量子井戸層１１と障壁層１３とにより構成されて活
性層として動作する多重量子井戸全体のエネルギーバン
ドがｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３からｎ型ＡｌＧａＡ
ｓクラッド層２に向かって高くなるように傾斜し、注入
キャリアはそのポテンシャルの傾斜により、ほぼ均一に
分布するようになる。その結果、電子と正孔の波動関数
の重なりが増し、発光効率、微分利得が増大し、優れた
高速動作を得ることができる。
【０００８】
【実施例２】図３，図４は本発明による第２の実施例で
ある。実施例１との違いは、障壁層１４にｐ型不純物で
あるＢｅのかわりにｎ型不純物であるＳｉをドープした
こと、ならびに、そのＳｉの濃度をｐ型ＡｌＧａＡｓク
ラッド層３からｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層２に向かっ
て、たとえば、１×１０18ｃｍ-3、５×１０17ｃｍ-3、
２×１０17ｃｍ-3、１×１０17ｃｍ-3、と次第に減少さ
せたことである。障壁層１４にドープされたｎ型不純物
イオン（Ｓｉ- ）により、障壁層１４、量子井戸層１１
のバンドは実施例１とは反対の曲がりが生じる。また、
Ｓｉがイオン化することによって放出する電子が量子井
戸内に局在しているため、しきい値電流密度が顕著に低
下する。障壁層１４にドープしたＳｉの濃度を図４
（ｂ）に示したように変化させることによって、量子井
戸層１１と障壁層１４とにより構成されて活性層として
動作する多重量子井戸全体のエネルギーバンドが、実施
例１と同様に、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３からｎ型
ＡｌＧａＡｓクラッド層２に向かって高くなるように傾
斜し、注入キャリアはそのポテンシャルの傾斜により、
ほぼ均一に分布するようになる。その効果は実施例１と
同様である。
【０００９】
【実施例３】図５は本発明による第３の実施例で、本発
明による多重量子井戸を光スイッチ素子に応用した例で
ある。導波路層に本発明による多重量子井戸が用いられ
ているほかは、一般のＸ導波型光スイッチと同構造であ
る。ｎ型ＩｎＰ基板６上にｎ型のクラッド層であるｎ型
ＩｎＰ層７、導波路層１５，１６が積層され、その上に
ｐ型クラッド層であるｐ型ＩｎＰ層８、及び電極接触用
のｐ型ＩｎＧａＡｓＰキャップ層９がＸ字状にリッジ加
工されリッジ導波路を形成している。リッジ交差部の片
側半分の領域に接触している電極１０１からキャリアが
導波路層１５，１６に注入されると、導波路層１５，１
６の屈折率がプラズマ効果により減少し、導波してきた
入力光１０３はリッジ交差部でその屈折率差によって全
反射し、出力光１０４となる。一方キャリアが注入され
ない場合、入力光１０３はそのまま導波し出力光１０５
となるため、本素子は光の進路を電流のＯＮ／ＯＦＦに
より制御する光スイッチである。図６（ａ）および
（ｂ）は、同素子の導波路層付近のバンドダイヤグラム
および不純物濃度分布を示したものである。４９層のＩ
ｎＧａＡｓＰ障壁層１６と、５０層のＩｎＧａＡｓ量子
井戸層15が交互に積層され多重量子井戸導波路層を構成
している。このタイプの光スイッチにとって、電流注入
によって大きく屈折率が変化する導波路層を作ることが
極めて重要であり、そのためには量子井戸層数を多くす
る必要がある。図６（ｂ）に示したように、導波路層中
には、ｐ型ＩｎＰクラッド層8 から導波路層の中央１７
まで、ドナーとなるｎ型不純物であるＳｉの濃度を１×
１０18ｃｍ-3から１×１０16ｃｍ-3まで連続的に減少す
るようにドープし、導波路層の中央１７からｎ型ＩｎＰ
クラッド層７に向かって、アクセプタとなるｐ型不純物
であるＢｅの濃度を１×１０16ｃｍ-3から１×１０18ｃ
ｍ-3まで連続的に増加するようにドープした。その結
果、量子井戸層が多くても、注入キャリア（電子および
正孔）が各井戸層１５に均一に注入されるように導波路
層全体のバンドを傾斜させることができる。その効果は
実施例１，２と同様で、導波路層全体の屈折率変化が大
きくなり、動作電流の低減や、交差角の大きな光スイッ
チが可能となる。
【００１０】以上の説明では、ＩｎＰ、ＧａＡｓなどの
半導体基板を用いた例を説明したが、他の材料にも容易
に適用できる。実施例として半導体レーザや光スイッチ
について述べたが、本発明は、発光ダイオード、受光素
子、さらに、高速トランジスタ等の電子デバイスにも容
易に応用することができる。
【００１１】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
り、多重量子井戸の各量子井戸層に外部から注入される
キャリアをほぼ均一に注入させることが可能となる。特
に層数の多い多重量子井戸または障壁ポテンシャルの大
きな多重量子井戸への均一的なキャリア注入は発光素
子、受光素子、電子デバイス等に応用した場合、その特
性の大幅な向上の必須条件であり、その効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施例の構成例を示す斜視
図である。
【図２】図１の実施例の伝導帯バンドタイヤグラム
（ａ）と不純物濃度分布図（ｂ）である。
【図３】本発明による第２の実施例の構成例を示す斜視
図である。
【図４】図２の実施例の伝導帯バンドタイヤグラム
（ａ）と不純物濃度分布図（ｂ）である。
【図５】本発明による第３の実施例の構成例を示す斜視
図である。
【図６】図３の実施例の伝導帯バンドダイヤグラム
（ａ）と不純物濃度分布図（ｂ）である。
【図７】従来の発光素子の構成例を示す斜視図である。
【図８】図１の従来例の活性層付近の伝導帯バンドダイ
ヤグラム（ａ）及び不純物濃度分布図（ｂ）である。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＡｓ基板 ２ ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層 ３ ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層 ４ ｐ型ＧａＡｓ層 ５ ＡｌＧａＡｓ半絶縁層 ６ ｎ型ＩｎＰ基板 ７ ｎ型ＩｎＰクラッド層 ８ ｎ型ＩｎＰクラッド層 ９ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層 １１ ＧａＡｓ量子井戸層 １２ ＡｌＧａＡｓ障壁層 １３ ＡｌＧａＡｓ障壁層 １４ ＡｌＧａＡｓ障壁層 １５ ＩｎＧａＡｓ量子井戸層 １６ ＩｎＧａＡｓＰ障壁層 １７ 導波路層の中央 １００，１０１ 電極 １０２ 入力光 １０３，１０４ 出力光

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電子のド・ブロイ波長程度の厚さを有す
    る量子井戸層と該量子井戸層より大なる禁制帯幅を有す
    る障壁層とを有し、前記量子井戸層と該障壁層を少なく
    とも２組以上積層した多重量子井戸構造において、該多
    重量子井戸構造にｐ型とｎ型の少なくとも一方の不純物
    をドープし、該多重量子井戸構造全体のエネルギーバン
    ドが該多重量子井戸構造内で傾斜し注入キャリアは該多
    重量子井戸構造内でほぼ均一に分布するように構成され
    ていることを特徴とする多重量子井戸構造。
  2. 【請求項２】 該多重量子井戸構造の障壁層のみにｐ型
    とｎ型の少なくとも一方の不純物をドープし、該多重量
    子井戸構造全体のエネルギーバンドが該量子井戸構造内
    で傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の多重
    量子井戸構造。
  3. 【請求項３】 前記請求項１または２に記載の多重量子
    井戸構造と、該量子井戸構造を挟むように配置されたｐ
    型半導体層およびｎ型の半導体層とを備えた半導体素
    子。
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