JP3181063B2 - 超格子構造体，それを用いた電子またはホールの閉じ込め構造および半導体発光素子 - Google Patents
超格子構造体，それを用いた電子またはホールの閉じ込め構造および半導体発光素子Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は，超格子構造体，それ
を用いた電子またはホールの閉じ込め構造およびそれを
用いた半導体発光素子に関する。
を用いた電子またはホールの閉じ込め構造およびそれを
用いた半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザ，発光ダイオード等の半導
体発光ディバイスにおいては，発光に寄与する注入電子
またはホールを活性領域に効率よく閉じ込めるために，
ダブルヘテロ構造がよく用いられている。注入されたキ
ャリアは，活性層とクラッド層とのヘテロ接合における
ポテンシャル障壁によって閉じ込められる。
体発光ディバイスにおいては，発光に寄与する注入電子
またはホールを活性領域に効率よく閉じ込めるために，
ダブルヘテロ構造がよく用いられている。注入されたキ
ャリアは，活性層とクラッド層とのヘテロ接合における
ポテンシャル障壁によって閉じ込められる。
【０００３】このポテンシャル障壁の高さは，活性層と
クラッド層をそれぞれ構成する半導体材料の物理定数に
よりほぼ決定され，クラッド層のエネルギ・ギャップと
活性層のエネルギ・ギャップとの差にほぼ応じた値とな
る。したがって，発光波長の短波長化を図るために活性
層のエネルギ・ギャップを大きくしていくと，このポテ
ンシャル障壁を大きくとることができず，十分なキャリ
アの閉じ込めが行なえないという問題点があった。
クラッド層をそれぞれ構成する半導体材料の物理定数に
よりほぼ決定され，クラッド層のエネルギ・ギャップと
活性層のエネルギ・ギャップとの差にほぼ応じた値とな
る。したがって，発光波長の短波長化を図るために活性
層のエネルギ・ギャップを大きくしていくと，このポテ
ンシャル障壁を大きくとることができず，十分なキャリ
アの閉じ込めが行なえないという問題点があった。
【０００４】このような問題点を解決するために，電子
の波動性を利用した多重量子障壁（Multi-Quantum Barr
ier ：ＭＱＢ）（特開昭63−46788 号公報参照）が提案
されている。これは，多重量子障壁の各ヘテロ界面で反
射される電子波が干渉して強め合うように，多重量子障
壁を構成する各層厚を設計することにより，活性層から
クラッド層へ漏れ出していく電子に対する反射率を高
め，これによってポテンシャル障壁を仮想的に高め，キ
ャリアを十分に活性層内に閉じ込めようとするものであ
る。
の波動性を利用した多重量子障壁（Multi-Quantum Barr
ier ：ＭＱＢ）（特開昭63−46788 号公報参照）が提案
されている。これは，多重量子障壁の各ヘテロ界面で反
射される電子波が干渉して強め合うように，多重量子障
壁を構成する各層厚を設計することにより，活性層から
クラッド層へ漏れ出していく電子に対する反射率を高
め，これによってポテンシャル障壁を仮想的に高め，キ
ャリアを十分に活性層内に閉じ込めようとするものであ
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら，活性層
のエネルギ・ギャップをさらに大きくしていくと，この
多重量子障壁を用いても仮想的なポテンシャル障壁を大
きくとることができなくなってくる。
のエネルギ・ギャップをさらに大きくしていくと，この
多重量子障壁を用いても仮想的なポテンシャル障壁を大
きくとることができなくなってくる。
【０００６】多重量子障壁による仮想的なポテンシャル
障壁の高さは，多重量子障壁を構成する超格子ウエル層
と超格子バリア層との間のポテンシャルの差（伝導帯の
下縁に現われる不連続エネルギ・バンドにおける差；後
述する図２(A) に示すＵo ）に強く依存し，その差が大
きければ大きいほど仮想的なポテンシャル障壁が大きく
なる。上述した従来の多重量子障壁構造では，そのウエ
ル層と活性層の半導体材料として同じものが使用され，
これらにおけるエネルギ・ギャップが等しく設定されて
いたので，活性層のエネルギ・ギャップを大きくしてい
くと，ウエル層のエネルギ・ギャップも大きくなり，仮
想的なポテンシャル障壁をつくる多重量子障壁における
ウエル層とバリア層との間のポテンシャルの差が小さく
なるからである。
障壁の高さは，多重量子障壁を構成する超格子ウエル層
と超格子バリア層との間のポテンシャルの差（伝導帯の
下縁に現われる不連続エネルギ・バンドにおける差；後
述する図２(A) に示すＵo ）に強く依存し，その差が大
きければ大きいほど仮想的なポテンシャル障壁が大きく
なる。上述した従来の多重量子障壁構造では，そのウエ
ル層と活性層の半導体材料として同じものが使用され，
これらにおけるエネルギ・ギャップが等しく設定されて
いたので，活性層のエネルギ・ギャップを大きくしてい
くと，ウエル層のエネルギ・ギャップも大きくなり，仮
想的なポテンシャル障壁をつくる多重量子障壁における
ウエル層とバリア層との間のポテンシャルの差が小さく
なるからである。
【０００７】この発明は活性層のエネルギ・ギャップを
大きく設定しても多重量子障壁により仮想的に高められ
るポテンシャル障壁を高く保つことができるようにする
ことを目的とする。
大きく設定しても多重量子障壁により仮想的に高められ
るポテンシャル障壁を高く保つことができるようにする
ことを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この発明は，活性層とそ
の両側に設けられたクラッド層とを含む半導体発光素子
において，少なくとも一方のクラッド層の少なくとも一
部に活性層に接して多重量子障壁層が設けられ，この多
重量子障壁層は超格子バリア層と超格子ウエル層とが交
互に複数層積層して構成され，ウエル層のエネルギ・ギ
ャップが活性層のエネルギ・ギャップよりも小さく，か
つ多重量子障壁層の量子化されたエネルギ・ギャップが
活性層のエネルギ・ギャップよりも大きく設定されてい
ることを特徴とする。
の両側に設けられたクラッド層とを含む半導体発光素子
において，少なくとも一方のクラッド層の少なくとも一
部に活性層に接して多重量子障壁層が設けられ，この多
重量子障壁層は超格子バリア層と超格子ウエル層とが交
互に複数層積層して構成され，ウエル層のエネルギ・ギ
ャップが活性層のエネルギ・ギャップよりも小さく，か
つ多重量子障壁層の量子化されたエネルギ・ギャップが
活性層のエネルギ・ギャップよりも大きく設定されてい
ることを特徴とする。
【０００９】また，この発明による電子またはホールの
閉じ込め構造は，活性層とその少なくとも一方側に設け
られたクラッド層とから構成され，クラッド層の少なく
とも一部に活性層に接して多重量子障壁層が設けられ，
この多重量子障壁層は超格子バリア層と超格子ウエル層
とが交互に複数層積層して構成され，ウエル層のエネル
ギ・ギャップが活性層のエネルギ・ギャップよりも小さ
く，かつ多重量子障壁層の量子化されたエネルギ・ギャ
ップが活性層のエネルギ・ギャップよりも大きく設定さ
れているものである。
閉じ込め構造は，活性層とその少なくとも一方側に設け
られたクラッド層とから構成され，クラッド層の少なく
とも一部に活性層に接して多重量子障壁層が設けられ，
この多重量子障壁層は超格子バリア層と超格子ウエル層
とが交互に複数層積層して構成され，ウエル層のエネル
ギ・ギャップが活性層のエネルギ・ギャップよりも小さ
く，かつ多重量子障壁層の量子化されたエネルギ・ギャ
ップが活性層のエネルギ・ギャップよりも大きく設定さ
れているものである。
【００１０】上記において，多重量子障壁層のバリア層
のエネルギ・ギャップが活性層のエネルギ・ギャップよ
りも大きいことが好ましい。
のエネルギ・ギャップが活性層のエネルギ・ギャップよ
りも大きいことが好ましい。
【００１１】また，活性層と多重量子障壁層との間に共
鳴トンネリング防止層を設けることが好ましい。
鳴トンネリング防止層を設けることが好ましい。
【００１２】この発明による超格子構造体は，エネルギ
・ギャップの異なる２種類以上の結晶が交互に組合わさ
れることにより構成され，エネルギ・ギャップの小さい
方の結晶のエネルギ・ギャップが，電子またはホールの
入射側に位置する材料のエネルギ・ギャップよりも小さ
く，かつこれら結晶の厚さが，入射電子またはホールの
反射波に対してその位相を強め合うように構成されてい
るものである。
・ギャップの異なる２種類以上の結晶が交互に組合わさ
れることにより構成され，エネルギ・ギャップの小さい
方の結晶のエネルギ・ギャップが，電子またはホールの
入射側に位置する材料のエネルギ・ギャップよりも小さ
く，かつこれら結晶の厚さが，入射電子またはホールの
反射波に対してその位相を強め合うように構成されてい
るものである。
【００１３】入射電子またはホールの反射波に対してそ
の位相を強め合うようにするための構造においては，超
格子構造体の量子化されたエネルギ・ギャップが，電子
またはホールの入射側の材料のエネルギ・ギャップより
も大きくなっている。
の位相を強め合うようにするための構造においては，超
格子構造体の量子化されたエネルギ・ギャップが，電子
またはホールの入射側の材料のエネルギ・ギャップより
も大きくなっている。
【００１４】
【作用】多重量子障壁層のウエル層と活性層とに異なる
半導体材料が用いられ，多重量子障壁層のウエル層のエ
ネルギ・ギャップが活性層のエネルギ・ギャップよりも
小さく設定されているので，多重量子障壁層のウエル層
とバリア層との間のエネルギ・ギャップ差が大きくとれ
るようになる。したがって，多重量子障壁層により高め
られる仮想的なポテンシャル障壁の高さが大きくなる。
また，多重量子障壁層における量子化されたエネルギ・
ギャップが活性層のエネルギ・ギャップより大きくなる
ように多重量子障壁層を構成するウエル層とバリア層の
組成および膜厚が選択されているので，活性層で発生し
た光が多重量子障壁層で吸収されないようになる。
半導体材料が用いられ，多重量子障壁層のウエル層のエ
ネルギ・ギャップが活性層のエネルギ・ギャップよりも
小さく設定されているので，多重量子障壁層のウエル層
とバリア層との間のエネルギ・ギャップ差が大きくとれ
るようになる。したがって，多重量子障壁層により高め
られる仮想的なポテンシャル障壁の高さが大きくなる。
また，多重量子障壁層における量子化されたエネルギ・
ギャップが活性層のエネルギ・ギャップより大きくなる
ように多重量子障壁層を構成するウエル層とバリア層の
組成および膜厚が選択されているので，活性層で発生し
た光が多重量子障壁層で吸収されないようになる。
【００１５】
【発明の効果】以上のようにして，従来の多重量子障壁
層では，十分なポテンシャル障壁の高さが形成できない
ようなエネルギ・ギャップの大きい活性層をもつ素子に
対しても，吸収による効率の低下を招くことなく十分に
高いポテンシャル障壁を形成することができ，キャリア
を活性層に十分に閉じ込めることができるようになる。
層では，十分なポテンシャル障壁の高さが形成できない
ようなエネルギ・ギャップの大きい活性層をもつ素子に
対しても，吸収による効率の低下を招くことなく十分に
高いポテンシャル障壁を形成することができ，キャリア
を活性層に十分に閉じ込めることができるようになる。
【００１６】
【実施例】この発明をＡｌＧａＩｎＰ可視光半導体レー
ザに適用した実施例について述べる。
ザに適用した実施例について述べる。
【００１７】図１はＡｌＧａＩｎＰ半導体レーザの構成
を示すものである。
を示すものである。
【００１８】ｎ−ＧａＡｓ基板10上に，ｎ−ＡｌＧａＩ
ｎＰクラッド層11，ＡｌＧａＩｎＰ活性層12，ｐ−Ａｌ
ＧａＩｎＰクラッド層14およびｐ−ＧａＡｓキャップ層
15が順次形成されている。そして，電子に対する閉じ込
めを強くするためにｐ−クラッド層14の一部として活性
層12に接する位置に多重量子障壁（以下単にＭＱＢとい
う）層13が設けられている。このような構造の半導体レ
ーザはたとえばＭＢＥ法により作製することができる。
ｎＰクラッド層11，ＡｌＧａＩｎＰ活性層12，ｐ−Ａｌ
ＧａＩｎＰクラッド層14およびｐ−ＧａＡｓキャップ層
15が順次形成されている。そして，電子に対する閉じ込
めを強くするためにｐ−クラッド層14の一部として活性
層12に接する位置に多重量子障壁（以下単にＭＱＢとい
う）層13が設けられている。このような構造の半導体レ
ーザはたとえばＭＢＥ法により作製することができる。
【００１９】図２はＭＱＢ層付近のポテンシャル・プロ
ファイルを示すものである。図２(A) は上述した特開昭
63−46788 号公報に記載のＭＱＢ（以下単に従来のＭＱ
Ｂという）層について比較のために示すものであり，図
２(B) はこの発明の実施例におけるＭＱＢ（以下単に本
発明のＭＱＢという）層について示すものである。
ファイルを示すものである。図２(A) は上述した特開昭
63−46788 号公報に記載のＭＱＢ（以下単に従来のＭＱ
Ｂという）層について比較のために示すものであり，図
２(B) はこの発明の実施例におけるＭＱＢ（以下単に本
発明のＭＱＢという）層について示すものである。
【００２０】図２(A) において，活性層のエネルギ・ギ
ャップがＥｇ(a) で，ＭＱＢ層を構成する超格子バリア
層のエネルギ・ギャップがＥｇ(b) で，ＭＱＢ層を構成
する超格子ウエル層のエネルギ・ギャップがＥｇ(w) で
それぞれ示されている。また，Ｕo はＭＱＢ層を構成す
るバリア層とウエル層との間の伝導帯の下縁におけるポ
テンシャル差（または活性層とＭＱＢ層のバリア層との
間の伝導帯の下縁におけるポテンシャル差）である。Ｍ
ＱＢ層による仮想的なポテンシャル障壁が破線で示され
ている。ΔＵeがＭＱＢの存在により生じたポテンシャ
ル障壁の高さの増加分であり，これはポテンシャル差Ｕ
o の増加にともない指数関数的に増大する（図４参
照）。
ャップがＥｇ(a) で，ＭＱＢ層を構成する超格子バリア
層のエネルギ・ギャップがＥｇ(b) で，ＭＱＢ層を構成
する超格子ウエル層のエネルギ・ギャップがＥｇ(w) で
それぞれ示されている。また，Ｕo はＭＱＢ層を構成す
るバリア層とウエル層との間の伝導帯の下縁におけるポ
テンシャル差（または活性層とＭＱＢ層のバリア層との
間の伝導帯の下縁におけるポテンシャル差）である。Ｍ
ＱＢ層による仮想的なポテンシャル障壁が破線で示され
ている。ΔＵeがＭＱＢの存在により生じたポテンシャ
ル障壁の高さの増加分であり，これはポテンシャル差Ｕ
o の増加にともない指数関数的に増大する（図４参
照）。
【００２１】従来のＭＱＢ層を含む半導体発光素子で
は，上述したように，活性層の半導体材料とＭＱＢ層を
構成するバリア層およびウエル層の半導体材料との関係
について特別な配慮が行なわれず，その結果，活性層と
ウエル層とに同じ半導体材料が用いられ，常にＥｇ(a)
＝Ｅｇ(w) であった。このため，活性層のエネルギ・ギ
ャップＥｇ(a) を大きくすると，Ｅｇ(b) とＥｇ(w) と
の差が小さくなる。この結果，ポテンシャル差Ｕo が小
さくなり，これにともなってポテンシャル障壁の高さの
増加分ΔＵe も指数関数的に小さくなるという問題があ
った。
は，上述したように，活性層の半導体材料とＭＱＢ層を
構成するバリア層およびウエル層の半導体材料との関係
について特別な配慮が行なわれず，その結果，活性層と
ウエル層とに同じ半導体材料が用いられ，常にＥｇ(a)
＝Ｅｇ(w) であった。このため，活性層のエネルギ・ギ
ャップＥｇ(a) を大きくすると，Ｅｇ(b) とＥｇ(w) と
の差が小さくなる。この結果，ポテンシャル差Ｕo が小
さくなり，これにともなってポテンシャル障壁の高さの
増加分ΔＵe も指数関数的に小さくなるという問題があ
った。
【００２２】この発明は，ＭＱＢ層を含む半導体発光素
子において，活性層の半導体材料と，ＭＱＢ層を構成す
る超格子バリア層および超格子ウエル層の半導体材料と
の間に，それらのエネルギ・ギャップが一定の関係を保
つように，制限を設けている。以下にこの一定の関係に
ついて詳述する。
子において，活性層の半導体材料と，ＭＱＢ層を構成す
る超格子バリア層および超格子ウエル層の半導体材料と
の間に，それらのエネルギ・ギャップが一定の関係を保
つように，制限を設けている。以下にこの一定の関係に
ついて詳述する。
【００２３】図２(B) において，ＭＱＢ層13は複数の超
格子バリア層31と超格子ウエル層32とが交互に積層され
て構成されている。これらのバリア層31とウエル層32の
厚さは，たとえば５〜50オングストローム程度で（詳し
くは後述する），合計で10層程度あれば充分である。ま
た，活性層12とＭＱＢ層13との間には，100 〜200 オン
グストローム程度の厚さをもつ共鳴トンネリング防止層
33が設けられ，活性層12の電子がトンネル効果で漏れる
のを防止している。共鳴トンネリング防止層33，超格子
バリア層31およびｐ−クラッド層14は同じ組成の半導体
材料で構成することもできるし，もちろん組成を異なら
せてもよい。
格子バリア層31と超格子ウエル層32とが交互に積層され
て構成されている。これらのバリア層31とウエル層32の
厚さは，たとえば５〜50オングストローム程度で（詳し
くは後述する），合計で10層程度あれば充分である。ま
た，活性層12とＭＱＢ層13との間には，100 〜200 オン
グストローム程度の厚さをもつ共鳴トンネリング防止層
33が設けられ，活性層12の電子がトンネル効果で漏れる
のを防止している。共鳴トンネリング防止層33，超格子
バリア層31およびｐ−クラッド層14は同じ組成の半導体
材料で構成することもできるし，もちろん組成を異なら
せてもよい。
【００２４】この発明では，ＭＱＢ層13における超格子
ウエル層32と超格子バリア層31との間のエネルギ・ギャ
ップ差を大きくとり，ＭＱＢにより仮想的に高められる
ポテンシャル障壁の高さを高くするために，ＭＱＢ層13
のウエル層32の材料に活性層12のエネルギ・ギャップよ
りもエネルギ・ギャップの小さい材料を用いている。
ウエル層32と超格子バリア層31との間のエネルギ・ギャ
ップ差を大きくとり，ＭＱＢにより仮想的に高められる
ポテンシャル障壁の高さを高くするために，ＭＱＢ層13
のウエル層32の材料に活性層12のエネルギ・ギャップよ
りもエネルギ・ギャップの小さい材料を用いている。
【００２５】すなわち，活性層12のエネルギ・ギャップ
をＥｇ(a) ，ＭＱＢ層13の超格子ウエル層32のエネルギ
・ギャップをＥｇ(w) ，ＭＱＢ層13の超格子バリア層31
のエネルギ・ギャップをＥｇ(b) とすると，次式を満足
するようにこれらの各層の材料が選択される。
をＥｇ(a) ，ＭＱＢ層13の超格子ウエル層32のエネルギ
・ギャップをＥｇ(w) ，ＭＱＢ層13の超格子バリア層31
のエネルギ・ギャップをＥｇ(b) とすると，次式を満足
するようにこれらの各層の材料が選択される。
【００２６】
【数１】Ｅｇ(w) ＜Ｅｇ(a) ＜Ｅｇ(b) ‥‥式１
【００２７】たとえば，活性層12の組成を（ＡｌxaＧａ
1-xa）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐとし，ＭＱＢ層13のウエル層32の
組成を（ＡｌxwＧａ1-xw）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ，バリア層31
の組成を（ＡｌxbＧａ1-xb）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐとした場合
には，ｘｗ＜ｘａ＜ｘｂという関係が成立するような組
成が選ばれる。
1-xa）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐとし，ＭＱＢ層13のウエル層32の
組成を（ＡｌxwＧａ1-xw）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ，バリア層31
の組成を（ＡｌxbＧａ1-xb）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐとした場合
には，ｘｗ＜ｘａ＜ｘｂという関係が成立するような組
成が選ばれる。
【００２８】このようなエネルギ準位関係においては，
活性層12で発生した光がＭＱＢ層13で吸収されないよ
う，ＭＱＢ層13におけるウエル層32およびバリア層31の
組成および膜厚が定められる。
活性層12で発生した光がＭＱＢ層13で吸収されないよ
う，ＭＱＢ層13におけるウエル層32およびバリア層31の
組成および膜厚が定められる。
【００２９】ＭＱＢ層13における量子化されたエネルギ
・ギャップをＥｇ（ＭＱＢ）とすると，活性層12で発生
した光をＭＱＢ層12が吸収しないための条件は次式で与
えられる。
・ギャップをＥｇ（ＭＱＢ）とすると，活性層12で発生
した光をＭＱＢ層12が吸収しないための条件は次式で与
えられる。
【００３０】
【数２】Ｅｇ（ＭＱＢ）＞Ｅｇ(a) ‥‥式２
【００３１】ＭＱＢ層13における量子化されたエネルギ
・ギャップＥｇ（ＭＱＢ）は，ＭＱＢ層13を構成するウ
エル層32とバリア層31との材料および層厚（幅）によっ
て定められる。
・ギャップＥｇ（ＭＱＢ）は，ＭＱＢ層13を構成するウ
エル層32とバリア層31との材料および層厚（幅）によっ
て定められる。
【００３２】図３は単一量子井戸構造における量子化さ
れたエネルギ・ギャップが，ウエル層の厚さと組成によ
ってどのように変化するかを示すグラフである。ここ
で，ウエル層の組成が（ＡｌxwＧａ1-xw）0.5 Ｉｎ0.5
Ｐ，その両側のバリア層は無限の幅をもちかつ組成が
（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐである単一量子井
戸モデルが用いられている。横軸がウエル層の幅，縦軸
が量子化されたエネルギ・ギャップをそれぞれ表わして
いる。Ａｌ組成比ｘｗをパラメータとして，ｘｗ＝０，
0.1 ，0.2 ，0.3 ，0.4 および0.5 の６種類の曲線が計
算により求められている。（ＡｌxaＧａ1-xa）0.5 Ｉｎ
0.5 Ｐの組成をもつ活性層のエネルギ・ギャップも，ｘ
ａ＝0.2 ，0.3 ，0.4 および0.5 について示されてい
る。このグラフから，式２を満たすウエル層の幅を知る
ことができよう。
れたエネルギ・ギャップが，ウエル層の厚さと組成によ
ってどのように変化するかを示すグラフである。ここ
で，ウエル層の組成が（ＡｌxwＧａ1-xw）0.5 Ｉｎ0.5
Ｐ，その両側のバリア層は無限の幅をもちかつ組成が
（Ａｌ0.7 Ｇａ0.3 ）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐである単一量子井
戸モデルが用いられている。横軸がウエル層の幅，縦軸
が量子化されたエネルギ・ギャップをそれぞれ表わして
いる。Ａｌ組成比ｘｗをパラメータとして，ｘｗ＝０，
0.1 ，0.2 ，0.3 ，0.4 および0.5 の６種類の曲線が計
算により求められている。（ＡｌxaＧａ1-xa）0.5 Ｉｎ
0.5 Ｐの組成をもつ活性層のエネルギ・ギャップも，ｘ
ａ＝0.2 ，0.3 ，0.4 および0.5 について示されてい
る。このグラフから，式２を満たすウエル層の幅を知る
ことができよう。
【００３３】このように吸収をおこさない組成および幅
をもつＭＱＢ層について下記に示す文献に示されている
ものと同じ手法を用いて電子波反射率を計算し，その反
射率が99％以上となる仮想的なポテンシャル障壁高さの
増加分ΔＵe を求めた結果が図４に示されている。
をもつＭＱＢ層について下記に示す文献に示されている
ものと同じ手法を用いて電子波反射率を計算し，その反
射率が99％以上となる仮想的なポテンシャル障壁高さの
増加分ΔＵe を求めた結果が図４に示されている。
【００３４】T. Takagi, F. Koyama, and K. Iga,: "Po
tential Barrier Height Analysisof AlGaInP Multi-Qu
antum Barrier (MQB)", Jpn. J. Appl. Phys., 29, L19
77(1990).
tential Barrier Height Analysisof AlGaInP Multi-Qu
antum Barrier (MQB)", Jpn. J. Appl. Phys., 29, L19
77(1990).
【００３５】図４には従来のＭＱＢと本発明によるＭＱ
Ｂとにおける比較が示されている。横軸は上述したポテ
ンシャル差Ｕo および活性層のＡｌ組成比ｘａであり，
縦軸は仮想的なポテンシャル障壁高さの増加分ΔＵe で
ある。従来のＭＱＢではｘｗ＝ｘａに設定されている。
また，本発明のＭＱＢではｘｗ＝０に設定されている。
バリアにおけるＡｌ組成比はｘｂ＝0.7 である。活性
層，ウエル層およびバリア層の組成はそれぞれ（Ａｌxa
Ｇａ1-xa）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ，（ＡｌxwＧａ1-xw）0.5 Ｉ
ｎ0.5 Ｐ，（ＡｌxbＧａ1-xb）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐである。
Ｂとにおける比較が示されている。横軸は上述したポテ
ンシャル差Ｕo および活性層のＡｌ組成比ｘａであり，
縦軸は仮想的なポテンシャル障壁高さの増加分ΔＵe で
ある。従来のＭＱＢではｘｗ＝ｘａに設定されている。
また，本発明のＭＱＢではｘｗ＝０に設定されている。
バリアにおけるＡｌ組成比はｘｂ＝0.7 である。活性
層，ウエル層およびバリア層の組成はそれぞれ（Ａｌxa
Ｇａ1-xa）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐ，（ＡｌxwＧａ1-xw）0.5 Ｉ
ｎ0.5 Ｐ，（ＡｌxbＧａ1-xb）0.5 Ｉｎ0.5 Ｐである。
【００３６】従来のＭＱＢにおいては，増加分ΔＵe は
ポテンシャル差Ｕo に強く依存し，ポテンシャル差Ｕo
の増加にともない増加分ΔＵe は指数関数的に増加す
る。したがって，上述したように，活性層のエネルギ・
ギャップが大きくなってポテンシャル差Ｕo が小さくな
ると増加分ΔＵe を大きくとれなくなる。
ポテンシャル差Ｕo に強く依存し，ポテンシャル差Ｕo
の増加にともない増加分ΔＵe は指数関数的に増加す
る。したがって，上述したように，活性層のエネルギ・
ギャップが大きくなってポテンシャル差Ｕo が小さくな
ると増加分ΔＵe を大きくとれなくなる。
【００３７】これに対して，本発明のＭＱＢにおいて
は，ポテンシャル差Ｕoが小さい場合においても300 ｍ
ｅＶ程度のポテンシャル障壁の高さの増加分ΔＵe を得
ることができる。
は，ポテンシャル差Ｕoが小さい場合においても300 ｍ
ｅＶ程度のポテンシャル障壁の高さの増加分ΔＵe を得
ることができる。
【００３８】図５は，ＭＱＢにおけるホールのフェルミ
・レベルを考慮した場合の活性層中の電子が感じるポテ
ンシャル障壁の高さＵa についてｘａ，ｘｗを変えたと
きのそれぞれの最大値を示すものである。この電子が感
じるポテンシャル障壁の高さＵa は次式で与えられる。
・レベルを考慮した場合の活性層中の電子が感じるポテ
ンシャル障壁の高さＵa についてｘａ，ｘｗを変えたと
きのそれぞれの最大値を示すものである。この電子が感
じるポテンシャル障壁の高さＵa は次式で与えられる。
【００３９】
【数３】 Ｕa ＝ΔＥｇ＋ΔＵe −（Ｅfp−Ｅｖ）‥‥式３
【００４０】ここで
【数４】ΔＥｇ＝Ｅｇ(c) −Ｅｇ(a) ‥‥式４
【００４１】Ｅｇ(c) はｐ−クラッド層のエネルギ・ギ
ャップ，ＥfpはＭＱＢ層におけるホールのフェルミ・レ
ベル，Ｅｖはｐ−クラッド層における価電子帯の上縁の
エネルギ・レベルである。
ャップ，ＥfpはＭＱＢ層におけるホールのフェルミ・レ
ベル，Ｅｖはｐ−クラッド層における価電子帯の上縁の
エネルギ・レベルである。
【００４２】このグラフ作成のための計算において，ｐ
−クラッド層のキャリア濃度は１×1018cm-3，ｘｂ＝0.
7 と設定されている。
−クラッド層のキャリア濃度は１×1018cm-3，ｘｂ＝0.
7 と設定されている。
【００４３】活性層のＡｌ組成比ｘａを大きくし活性層
のエネルギ・ギャップを大きくしていくとポテンシャル
障壁の高さＵa は小さくなっていく。これは，ΔＥｇそ
のものが小さくなっていくことと，吸収をおこさないウ
エルとバリアの組合わせが制限されてくることによる。
活性層のＡｌ組成比が同じ場合には，ｘｗの小さいＭＱ
Ｂを用いた方が大きなＵa が得られる。ｘａ＝0.4 （波
長λは約600 ｎｍ）としたときには，ｘｗ＝０のＭＱＢ
（ウエル11.3オングストローム，バリア11.3オングスト
ローム），ｘｗ＝0.1 のＭＱＢ（ウエル14.2オングスト
ローム，バリア11.3オングストローム）において，200
ｍｅＶ以上のＵa が得られる。この値は，600 ｎｍ帯の
ＡｌＧａＩｎＰレーザにおいても安定なＣＷ（連続発
振）動作が可能であることを示唆している。
のエネルギ・ギャップを大きくしていくとポテンシャル
障壁の高さＵa は小さくなっていく。これは，ΔＥｇそ
のものが小さくなっていくことと，吸収をおこさないウ
エルとバリアの組合わせが制限されてくることによる。
活性層のＡｌ組成比が同じ場合には，ｘｗの小さいＭＱ
Ｂを用いた方が大きなＵa が得られる。ｘａ＝0.4 （波
長λは約600 ｎｍ）としたときには，ｘｗ＝０のＭＱＢ
（ウエル11.3オングストローム，バリア11.3オングスト
ローム），ｘｗ＝0.1 のＭＱＢ（ウエル14.2オングスト
ローム，バリア11.3オングストローム）において，200
ｍｅＶ以上のＵa が得られる。この値は，600 ｎｍ帯の
ＡｌＧａＩｎＰレーザにおいても安定なＣＷ（連続発
振）動作が可能であることを示唆している。
【００４４】上記実施例においては，活性層の電子閉じ
込めのためにｐ−クラッド層にＭＱＢ層を導入してあ
る。活性層におけるホールの閉じ込め効果を増すために
ｎ−クラッド層にＭＱＢ層を導入することもできるのは
いうまでもない。この場合には，価電子帯におけるバン
ド不連続性に基づくポテンシャル差ΔＥｖおよびホール
の有効質量を考慮して上述の場合と同じようにＭＱＢ層
を構成し，ｎ−クラッド層の一部として活性層に接する
位置にこのＭＱＢ層を導入すればよい。
込めのためにｐ−クラッド層にＭＱＢ層を導入してあ
る。活性層におけるホールの閉じ込め効果を増すために
ｎ−クラッド層にＭＱＢ層を導入することもできるのは
いうまでもない。この場合には，価電子帯におけるバン
ド不連続性に基づくポテンシャル差ΔＥｖおよびホール
の有効質量を考慮して上述の場合と同じようにＭＱＢ層
を構成し，ｎ−クラッド層の一部として活性層に接する
位置にこのＭＱＢ層を導入すればよい。
【００４５】この発明は上述の実施例だけに限定される
ものではなく種々の変形が可能である。たとえばＧａ
1-x Ａｌx ＡｓやＧａＡｌＡｓＳｂ等の種々の混晶材料
も用いることができる。また，上述した実施例ではＭＱ
Ｂとして２層構造体が用いられているが，３種以上の結
晶を交互に組合わせた超格子構造体も利用することがで
きる。
ものではなく種々の変形が可能である。たとえばＧａ
1-x Ａｌx ＡｓやＧａＡｌＡｓＳｂ等の種々の混晶材料
も用いることができる。また，上述した実施例ではＭＱ
Ｂとして２層構造体が用いられているが，３種以上の結
晶を交互に組合わせた超格子構造体も利用することがで
きる。
【図１】この発明の実施例によるＡｌＧａＩｎＰ半導体
レーザの構成を示す。
レーザの構成を示す。
【図２】多重量子障壁層の付近のポテンシャル・プロフ
ァイルを示すもので，(A) は従来例，(B) はこの発明に
よるものである。
ァイルを示すもので，(A) は従来例，(B) はこの発明に
よるものである。
【図３】ウエルの幅と量子化されたエネルギ・ギャップ
との関係を示すグラフである。
との関係を示すグラフである。
【図４】ポテンシャル差とポテンシャル障壁の高さの増
加分との関係を示すグラフである。
加分との関係を示すグラフである。
【図５】活性層のＡｌ組成比と電子が感じるポテンシャ
ル障壁の高さとの関係を示すグラフである。
ル障壁の高さとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】 10 ｎ−ＧａＡｓ基板 11 ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層 12 ＡｌＧａＩｎＰ活性層 13 ｐ−多重量子障壁層 14 ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層 15 ｐ−ＧａＡｓキャップ層 31 超格子バリア層 32 超格子ウエル層 33 共鳴トンネリング防止層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小山 二三夫 東京都日野市栄町２−11−12 (72)発明者 高木 剛 京都市右京区花園土堂町10番地 オムロ ン株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−298786（ＪＰ，Ａ) 電子情報通信学会論文誌 Ｃ−Ｉ Ｖ ｏｌ．Ｊ74−Ｃ−Ｉ，Ｎｏ．12，ｐｐ. 527−535 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 21/20 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (3)
- 【請求項１】 活性層とその両側に設けられたクラッド
層とを含む半導体発光素子において， 少なくとも一方のクラッド層の少なくとも一部に活性層
に接して多重量子障壁層が設けられ， この多重量子障壁層は超格子バリア層と超格子ウエル層
とが交互に複数層積層して構成され，ウエル層のエネル
ギ・ギャップが活性層のエネルギ・ギャップよりも小さ
く，かつ多重量子障壁層の量子化されたエネルギ・ギャ
ップが活性層のエネルギ・ギャップよりも大きく設定さ
れていることを特徴とする， 半導体発光素子。 - 【請求項２】 活性層とその少なくとも一方側に設けら
れたクラッド層とから構成され， クラッド層の少なくとも一部に活性層に接して多重量子
障壁層が設けられ， この多重量子障壁層は超格子バリア層と超格子ウエル層
とが交互に複数層積層して構成され，ウエル層のエネル
ギ・ギャップが活性層のエネルギ・ギャップよりも小さ
く，かつ多重量子障壁層の量子化されたエネルギ・ギャ
ップが活性層のエネルギ・ギャップよりも大きく設定さ
れている， 電子またはホールの閉じ込め構造。 - 【請求項３】 エネルギ・ギャップの異なる２種類以上
の結晶が交互に組合わされることにより構成され，エネ
ルギ・ギャップの小さい方の結晶のエネルギ・ギャップ
が，電子またはホールの入射側に位置する材料のエネル
ギ・ギャップよりも小さく，かつこれら結晶の厚さが，
入射電子またはホールの反射波に対してその位相を強め
合うように構成されている超格子構造体。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05544291A JP3181063B2 (ja) | 1991-02-28 | 1991-02-28 | 超格子構造体，それを用いた電子またはホールの閉じ込め構造および半導体発光素子 |
| AT92103465T ATE143176T1 (de) | 1991-02-28 | 1992-02-28 | Lichtemittierende halbleitervorrichtung und übergitterstruktur |
| EP92103465A EP0502442B1 (en) | 1991-02-28 | 1992-02-28 | Semiconductor luminous element and superlattice structure |
| DE69213787T DE69213787T2 (de) | 1991-02-28 | 1992-02-28 | Lichtemittierende Halbleitervorrichtung und Übergitterstruktur |
| US08/055,799 US5289486A (en) | 1991-02-28 | 1993-04-29 | Semiconductor luminous element and superlattice structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05544291A JP3181063B2 (ja) | 1991-02-28 | 1991-02-28 | 超格子構造体，それを用いた電子またはホールの閉じ込め構造および半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04273491A JPH04273491A (ja) | 1992-09-29 |
| JP3181063B2 true JP3181063B2 (ja) | 2001-07-03 |
Family
ID=12998710
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05544291A Expired - Fee Related JP3181063B2 (ja) | 1991-02-28 | 1991-02-28 | 超格子構造体，それを用いた電子またはホールの閉じ込め構造および半導体発光素子 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0502442B1 (ja) |
| JP (1) | JP3181063B2 (ja) |
| AT (1) | ATE143176T1 (ja) |
| DE (1) | DE69213787T2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5600667A (en) * | 1993-04-05 | 1997-02-04 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor laser device |
| JPH06334265A (ja) * | 1993-05-19 | 1994-12-02 | Mitsubishi Electric Corp | 量子井戸型半導体レーザ |
| JPH0888434A (ja) * | 1994-09-19 | 1996-04-02 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ，及びその製造方法 |
| JPH1079554A (ja) * | 1996-09-04 | 1998-03-24 | Mitsubishi Electric Corp | 光半導体装置 |
| US6737684B1 (en) | 1998-02-20 | 2004-05-18 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Bipolar transistor and semiconductor device |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0634425B2 (ja) * | 1986-07-25 | 1994-05-02 | 三菱電機株式会社 | 半導体レ−ザ |
| JPH0666519B2 (ja) * | 1986-08-14 | 1994-08-24 | 東京工業大学長 | 超格子構造体 |
| JP2544378B2 (ja) * | 1987-03-25 | 1996-10-16 | 株式会社日立製作所 | 光半導体装置 |
-
1991
- 1991-02-28 JP JP05544291A patent/JP3181063B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1992
- 1992-02-28 AT AT92103465T patent/ATE143176T1/de active
- 1992-02-28 EP EP92103465A patent/EP0502442B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1992-02-28 DE DE69213787T patent/DE69213787T2/de not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 電子情報通信学会論文誌 Ｃ−Ｉ Ｖｏｌ．Ｊ７４−Ｃ−Ｉ，Ｎｏ．１２，ｐｐ．５２７−５３５ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0502442B1 (en) | 1996-09-18 |
| ATE143176T1 (de) | 1996-10-15 |
| DE69213787D1 (de) | 1996-10-24 |
| JPH04273491A (ja) | 1992-09-29 |
| EP0502442A3 (en) | 1993-02-03 |
| DE69213787T2 (de) | 1997-05-07 |
| EP0502442A2 (en) | 1992-09-09 |
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