JPH02148785A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は発光素子に関し、より詳細には、２重ヘテロ
結合構造を有する発光素子に関する。

〔従来の技術〕

半導体レーザは、共振器を構成した半導体のｐｎ接合に
７Ｉｉ流を流すことにより少数キャリアを注入励起し、
その再結合発光を利用してレーザ発振を得る素子であり
、発光素子として利用されている。

従来、発光素子として用いられている２重ヘテロ結合構
造を有する半導体レーザは、例えば、第４図ＡおよびＢ
の構造概略図およびエネルギー図に示すように、活性領
域となるｎ型、ｐ型またはノンドープ型のＧａＡｓ活性
層１と、それより禁止帯幅が大きく、かつ活性層１を両
側から挟持する口型およびｐ型のＡｌＧａＡｓクラッド
層２および３とからなり、ｎ型クラッド層側に負電極（
図示せず）を、ｐ型クラッド層側に正電極（図示せず）
が設けられている。

この半導体レーザに順バイアス方向に電圧を印加すると
ｐ−ｎ接合を隔てて互いに相手側に少数キャリアとして
、自由電子および正孔が注入し、ｐ−ｎ接合付近の活性
層で、自由電子と正孔が再結合して発光する。この２重
ヘテロ結合では、発光する活性薄層が、それより禁止帯
幅の大きいクラッド層で挟持されているので、両側から
注入された自由電子と正孔は、ポテンシャル障壁のため
に薄い活性層中に閉じ込められ、室温での発振特性を良
好にして少ない電流で高い励起密度を得ることができる
。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、活性層とクラッド層との界面には、前述
の例で示せば、各層のＡＩ成分含有率の差により活性層
への電流注入効率を妨げる障壁（バリアー）が形成され
る（参考、Ｔ、　Ａｎｄｏ；　Ｊ。

Ｐｈｙｓ、　Ｓｏｃ、　Ｊｐｎ、　５１　（１９８２）
　３９００）　、例えば、ノンドープ型のＧａＡｓ　（
活性層）とｎ型のＡ　Ｉ　ｏ、ａ　Ｇ　ａ　ｏ、７Ａ　
Ｓ　（クラッド層）との接合面近傍の電子伝導帯エネル
ギーでは、第５図に示すように、Ａ　ｌ　ｏ、ａ　Ｇ　
ａ　０．７　Ａ　Ｓの伝導帯が上昇し、ＧａＡｓの伝導
帯か下降して接合面を境にして約３００　ｍｃＶのエネ
ルギー差（バリアー）４が生じる。そのために、クラッ
ド層から活性層に向かって注入される電子は、そのバリ
アーを越えなければならず、一部のキャリアーは反射さ
れて電流注入効率が低下し、発光効率も低下する。

この発明は上述の背景に基づきなされたものであり、そ
の目的とするところは、従来の２重ヘテロ接合構造の半
導体レーザでの問題を解消して活性層への電流注入効率
の良好な発光素子を提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記課題は、この発明による半導体発光素子により解決
される。

すなわち、この発明の半導体発光素子は、活性領域とな
る活性薄層の両面を、それより禁止帯幅の大きいｎ型お
よびｐ型のクラッド層で各々接合した２重ヘテロ結合構
造を有する半導体発光素子であって、クラッド層から活
性層に向けて、クラット層の組成比を変えて活性層とク
ラッド層との界面における活性層への電流注入効率を妨
げる障壁を低減させたことを特徴とするものである。

この発明の好ましい態様において、活性層が厚み方向に
変化したキャリア濃度を示し、活性層のキャリア濃度が
界面でクラッド層と一致させることができる。

この発明を以下に、より詳細に説明する。

この発明において活性層およびクラッド層の材質として
、種々の半導体材料を用いることができ、ヘテロ結合部
で伝導帯エネルギーに障壁が生じるものであればよい。

そのようなものとして、例えば、Ｇａ　（ＡＮ　）Ａｓ
　（Ｐ）　、Ｉ　ｎ　（Ｇａ）（Ａｌ）ＰＳ　ＩｎＡｓ
、Ｉｎ　（Ｇａ）Ｓｂ。

Ａ、ＱＳｂなどの２元素以上の■−ｖ族、Ｐｂ　（Ｃｄ
）ＴｅＳＨｇ　（Ｃｄ）Ｔｅ。

ＺｎＣｄ５などのＩＩ−Ｖｌ族、Ｓｎ　（Ｐｂ）Ｔｅ。

ＧｅＴｅなどのＩＶ−Ｖｌ族の半導体がある。

本願明細書では、Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ
　Ａ　ｓ系について具体的に説明する。第３図は、この
発明によるＧａＡｓ系の゛］１導体発光素子の概略断面
図を示す。

この例示した態様では、 （イ）活性領域となるｎ型、ｐ型またはノンドープ型の
ＡＩ　　Ｇａ　　　　Ａｓ活性層１　（式中、ｙ　　　
（１−ｙ） ０．４５＞ｙ≧０）と、 （ロ）それより禁止帯幅の大きくかつそれを両側から挟
持する、実質的に一定のＡＩ含有率を有するｎ型のＡｌ
ｘＬＧ”　（１−ｘｉ）Ａ”クラッド・バルク層２ａお
よびＩ）Ｊ４２のＡ　Ｉ２０ａ（、−２）Ａｓクラッド
・バルク層３ａ（式中、１　＞ｘｉ＞ｙ　、　１　＞Ｚ
　＞ｙ）と、 （ハ）活性層と接合するｎ型クラッド層の境界において
、Ａ１含有率かＸｌからｙに変化するｎ’４！！のＡｌ
Ｘ２Ｇａ（１−ｘ２）Ａｓクラッド・中間層２ｂ（式％
式％） からなる。クラッド・中間層２ｂにおけるＡＩ＆有率変
化は、活性層とクラッド層との界面における活性層への
電流注入効率を妨げる障壁４を低減させるように設定さ
れる。

クラッド・中間層２ｂの厚みは、使用材料、所望の特性
などに応じて適宜選択することができるが、好ましくは
、約１００原子層以上である。

図示されていないが、ｎ型クラッド層側に負電極を、ｐ
型クラッド層側に正電極が設けられる。

この例示した態様において、活性層の厚み方向にキャリ
ア濃度が、連続的に、または、第６図に示すように段階
的に変化し、活性層の接合界面のキャリア濃度を各々の
クラッド層のキャリア濃度と一致する。

上述した説明では、ｎ型クラッド層に、伝導帯エネルギ
ー障壁を低減させる中間層を設けたが、価電子帯エネル
ギーに障壁（差）がある場合、第６図に示すようにｐ型
クラッド層に、障壁を低減させる中間層を設けることが
できる。

この発明による半導体発光素子の寸法、形状、より具体
的な構造は、使用材料、使用目的、所望の特性などに応
じて適宜選択することができる。

〔作　用〕

上記の様な構成を有するこの発明では、以下の様に作用
すると考えられる。

第３図に示すＧａＡｓ系の半導体発光素子のエネルギー
準位の第２図を参照しながら、この発明の発光素子の機
能・作用を説明する。

Ａ１成分の含有率が一定であるｎ型の Ａ　Ｉ　、ｌＧ　ａ　（、、）Ａ　ｓクラッド・バルク
層２ａは、伝導帯レベルＡを示し、活性層と接合するｎ
型クラッド層の境界のｎ型のＡ　Ｉ　、、、Ｇ　ａ　（
、ｘ２）Ａ　Ｓクラッド・中間層２ｂは、Ａ１含有率ｘ
２がバルク層のｘｉから活性層のＡｔ　　Ｇａ　　　　
Ａｓ　（ｙ＝０）ｙ　　　（１−ｙ） まで変化してＡ１成分が連続的にまたは段階的に減少す
るために、クラッド・中間層の伝導帯レベルＢは、クラ
ッド・バルク層の伝導帯レベルＡおよび活性層の伝導帯
レベルＣと凹凸なく連続的に繋がり、従来の２重ヘテロ
結合半導体レーザの接合部分に見られたエネルギー差（
バリアー）が生じない。したがって、クラッド・バルク
層から活性層に向かって注入される電子は、接合部で抵
抗を受けることなく活性層に到達することができる。

この発明の好ましい態様において、活性層の厚み方向に
キャリア濃度を、連続的にまたは段階的に変化させ、活
性層の接合界面のキャリア濃度を各々のクラッド層のキ
ャリア濃度と一致させる。

従って、例えば、第１図のエネルギー準位図に示すよう
に、活性層の伝導帯及び価電子帯に勾配が生じる。低印
加電圧時には、活性層領域の伝導帯Ｅｃの左端に電子か
集まり、他方、価電子帯Ｅｖの右側に正孔が遍在するた
めに、バンドギャップのエネルギー差の少ない斜めに７
ｕ子・正孔の再結合が起こり、すなイつち、一種のトン
ネル遷移を起こす。そのために、低印加電圧時には、発
光波長を長波長にシフトする。印加電圧を増して行くと
、活性層領域の伝導帯Ｅｃの右側にも電子が充満し、他
方、正孔も価電子帯の左側に多数存在するようにな、す
、ＧａＡｓバンドギャップ間の直接遷移が強く起こり、
高印加電圧時には、低波長側にシフトする。

〔発明の効果〕

上記の構成および作用を有するこの発明は、以下の効果
を有する。

（１）　半導体発光素子の２重ヘテロ接合構造における
活性層への電流注入効率を改善し、発光効率を大幅に高
めることができる。

（２）　この発明の好ましい態様において、活性層のキ
ャリア濃度に勾配を設けたために、低印加電圧時では、
長波長の光が発光し、高印加電圧時では、高エネルギー
側ににシフトして低波長の光が発光して、印加電流の変
化により発光波長を制御することができる。

〔実施例〕

この発明を、以下の例を参照して、具体的に説明する。

実施例Ｉ Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ半導体レ
ーザをこの発明に基づいて作成する。

基板上に、キャリア濃度Ｉ　Ｘ　１０１８ｃｍ−３のｎ
型Ａ　＋、３Ｇａ、ＩＡｓ層（約１μｍ厚さ）をクラッ
ド・バルク層として積層し、次いでＡＩ成分を徐々に減
少させるように【〕型Ａ　ｌ　ｘ２Ｇ　ａ　、−ｘ２Ａ
　Ｓ層（０，３＞Ｘ２＞０、約０．１μｍ厚さ、キャリ
ア濃度１　ｘ　１０　”’ｃｍ’）をクラッド・中間層
として積層する。さらに、キャリア濃度ｌＸ１０１８ｃ
ｍ−３のｎ型から同一キャリア濃度のｐ型まてほぼ直線
状に変化させて厚み約４００人のＧａＡｓ活性層を積層
し、次いでキャリア濃度ＩＸ１０ｃ＋ｎ　　のｐ型Ａ　
１ｏ、３Ｇ　ａｏ、７Ａ　ｓ層（約１μｍ厚さ）をクラ
ッド層として積層する。

得られた積層ウェファ−のｎ型およびｐ型りラッド層の
各表面にオーミック金属を蒸着し、熱処理後に、約４０
０μｍ角にへき開し、ｎ型に負極、ｐ型に正極を設けて
この発明による発光素子を調製する。

得られた発光素子について、発光特性を評価する。負極
と正極に直流バイアスを印加し、印加電圧をＯＶから約
１ｖまで上昇させるにつれてＬＥＤ発光し、発光中心波
長が常温で印加電圧により８８０　ｎｍから８６０ｎｍ
（±２　ｎａｐ）まで変化する。

印加電圧を約１ｖより高くすると、通常のレーザモード
発振に移行する。

【図面の簡単な説明】 第１図はこの発明による発光素子の活性層近傍のエネル
ギーバンド図であり、第２図はこの発明による発光素子
の機能を説明するための活性層近傍のエネルギーバンド
図であり、第３図はこの発明による発光素子の概略図で
あり、第４図ＡおよびＢは従来の発光素子の構造概略図
およびエネルギー図であり、第５図は従来の接合部近傍
に生じる伝導帯エネルギー差（障壁）を説明するだめの
図であり、第６図はこの発明による変形例のエネルギー
バンド図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、活性領域となる活性薄層の両面を、それより禁止帯
   幅の大きいｎ型およびｐ型のクラッド層で各々接合した
   ２重ヘテロ結合構造を有する半導体発光素子であって、
   クラッド層から活性層に向けて、クラッド層の組成比を
   変化させて、活性層とクラッド層との界面における活性
   層への電流注入効率を妨げる障壁を低減させたことを特
   徴とする半導体発光素子。 ２、活性層が厚み方向に変化したキャリア濃度を示し、
   活性層のキャリア濃度が界面でクラッド層と一致する、
   請求項第１項記載の半導体発光素子。