JPH02297990A

JPH02297990A - 発光構造半導体装置

Info

Publication number: JPH02297990A
Application number: JP1314138A
Authority: JP
Inventors: Hans Lobentanzer; ハンス　ローベンタンツェル; Wolfgang Stolz; ボルフガング　ストルツ; Klaus Ploog; クラウス　プローク; Julien Nagle; ジュリアン　ナグル
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
Priority date: 1988-12-02
Filing date: 1989-12-02
Publication date: 1990-12-10
Also published as: DE3840717A1; EP0372421A2; EP0372421A3; US5057881A

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］本発明は、発光半導体装置に関するものである。

上記の装置は、例えば、半導体レーザーと、発光゛ダイ
オードの形で知られている。

［従来の技術］半導体レーザーは、多くの分野で使用されている。興味
ある１つの特殊な分野は、情報信号が、光学ファイバー
に沿って、しばしば、非常に大きい距離に亘って送信さ
れる光学通信システムである。光学ファイバーは、長さ
が増加するにつれて、信号を減衰するので、減衰と、分
散が最小限である波長の光学信号を使うことが肝要であ
る。現代の光学ファイバーに対しては、理想的な波長は
、典型的に約１．３から、１．７μｍまでの範囲にあり
、実際に、曳在４μｍに達する波長を持つさらに長い波
長のファイバー用にも提案されている。

興味ある波長、つまり、約１．２μｍよりも長い波長で
の発光半導体装置の選択は、無放射能のオージェ再結合
係数が装置の特性に不利な影響を与える材料に限られて
いる。この為に、無放射能のオージェ再結合係数が発生
しないＧａＡｓ／Ａｌ（ｉａＡｓレーザーは、これらの
波長には使用されることができない。

半導体装置に於いては、伝導バンド内の電子が原子価バ
ンド内の正孔と結合する時に、放射能の転移が起こる。

さらに長い波長を使用して操作する半導体装置に於いて
は、原子価バンドが、重い正孔バンドと、経い正大バン
ドと、分割分離バンドを持つ複合バンドである半導体で
作られている。各種のいわゆるオージェ再結合処理は、
少なくとも３個の分子を含むもの全体に識別されてきた
。これらの処理の結果として、原子価バンドに重い正孔
を備えてはいるが、光子を発生しない伝導バンドからの
電子の再結合が生じる。他の同時の転移が起こる代わり
に、例えば、電子によるエネルギー損失は、伝導バンド
のもっと高いエネルギーの位置または、光の正孔バンド
から重い正孔バンドに移動する正孔に動く他の電子に伝
達される。これらの処理は、無放射能であるので、損失
を生ずることになる。

無放射能のオージェ転移によるこれらの損失の係数は、
限界電流を増し、半導体装置の量子効率を減少させるこ
とである。減少された量子効率も、発光ダイオードに不
利である。無放射能のオージエ再結合処理が起こる半導
体レーザーまたは、ＬＥＤとの十分な信号の力を得る為
には、さらに高い電流濃度で、装置を操作する必要があ
り、これは、熱の発散を増加させ、半導体構造の劣化の
原因、つまり、寿命を短くし、欠陥を速めることになる
ので、非常に問題になっている。

［発明が解決しようとする課題］これらの問題に関して、本発明の基礎となっている対象
は、無放射能のオージェ再結合処理が、通常、遭遇され
る材料に半導体レーザーと、ダイオードを備えることで
あるが、これらの係数による損失が実質的に減少される
様に、装置を構成することである。

多重量子ウェルを含む活性部位を持つ、周知の半導体レ
ーザーまたは、発光ダイオードから始めると、例えば、
１９８７年に、エルゼヴイヤー・サイエンス・パブリッ
シャーズ　ＢＶにより出版された書名、異質接合バンド
の不連続性：物理学と、装置の応用に於けるＮ、に、　
　ドウツタによる「量子ウェル・レーザーの物理学」と
いう表題の章に述べられている様に、または、ジャーナ
ル［表面の科学Ｊ　１７４　（１９８６）、１５５ペー
ジから１６２ページに記載されているＪ、ネーブル、Ｓ
、バーシー、Ｍ、ラゼギー、Ｍ、クラコラスキー、Ｂ、
ドウフルム−、Ｃ，ヴアイスブッフ共著のｒ２−Ｄｍ子
ウェル、レーザーの特性」の論文に述べられている様に
、本発明に従って、バリヤー層または、各バリヤー層及
び、隣接のウェル層の肉厚が、１つのタイプのチャージ
・キャリアに対して、比較的に高い確率が、バリヤー部
位に存在すべき上記のチャージ・キャリアの為に存在し
、一方、他のチャージ・キャリアが、電位ウェルに局部
制限される様に選ばれることを特徴とする、チャージ・
キャリアの量子封じ込めが起こる様に選ばれている層の
肉厚を持ち、量子ウェルを形成するウェル層の材料と、
量子ウェルの各隣接する対の間にバリヤーを形成するバ
リヤー層の材料を持ち、少なくともウェル層の材料の２
ＪＩｌを少なくともそれらの間に配置される１個のバリ
ヤー層と同居しており、その為に、それらの間の１個の
バリヤーと共に２個の量子ウェルを形成している、最初
のバンドギャップを持つ最初の構造のウェル層の材料と
、上記のバンドギャップよりも大きい第２のバンドギャ
ップを持つ第２の構造のバリヤー層の材料の交番順序の
各層を含む活性部位を持つ発光構造半導体装置が備えら
れている。

［課題を解決するための手段］本発明の基礎となっている理念は、電子が、量子ウェル
の構造による現実の空間に於ける正孔に近く局部制限さ
れている時に、無放射能のオージェ再結合処理の可能性
がより多いが、上記の無放射能の処理の可能性が、電子
がさらに正孔から除去される場合に、もし、バリア一層
に存在している電子の確率が増加されることが可能であ
れば、減少されることができる実現に基づいている。

［作用］本発明に従って、下記の方程式オーバーラツプ＝　　　　　ＩＦｅ＊’Ｆｈｄｒ活性層に従って計算される。電子と、正孔波との間の関数のオ
ーバーラツプは、少なくともｌむ％だけ減少され、電子
と、正孔が、それぞれの量子に完全に局部制限されてい
る構成に比較して、１６％または、それ以上だけ減少さ
れることが好ましい。

ここでマｅは、電子波の関数であり、マｈは、正孔波の
関数である。

［実施例］本発明の発光装置の第１の実施例は、上記のウェル層の
材料が、Ｇａｓ　　Ｉ１１＋−ｘ　　Ａｓを含み、上記
のバリヤー層の材料が、ＡＩ、　　＋１１−Ｆを含むこ
とを特徴とし、上記のバリヤー層、または各バリヤー層
が１．５ｎｍから、１２ｎｍまでの範囲の肉厚を持ち、
上記のウェル層が、約６ｎｍ以下の肉厚を持ち、この後
者の肉厚が、単原子層の肉厚にも対応できることを特徴
としている。実施例に於いては、０．６≦各ウ工ル層の
肉厚≦３ｎｍと、３ｎｍ≦各バリヤー暦の肉厚≦１２で
、その結果、各種の層内の半導体の材料は、ＩｎＰの基
板に対して格子が適合される。装置本体は、本発明に従
って、分子ビーム・エビフタキシ−と、金属有機質の化
学蒸着の様なエビフタキシ−の成長技術によって成長さ
れるのが好ましい。

二者択一の実施例は、ガリウム・インジウム・ひ化物・
燐化物システムを基材としており、上記のウェル層の材
料が、Ｇａｓ　　ｌｎ＋−八ｓ、　　ＰＩ−１１を含み
、上記のバリヤー層がＩｎＰを含むことを特徴とし、上
記のバリヤー層または、各バリヤー層が、１．５ｘｍか
ら、＋２ｎｍまでの範囲の肉厚を持ち、上記の活性層が
、約４．５ｘｍ以下の肉厚を持つことを特徴とする。こ
の実施例に於いては、各層の寸法は、ガリウム・インジ
ウム・ひ化物／アルミニウム・インジウム・ひ化物シス
テムを基材とする実施例の為と同じものであることが好
ましい。

さらに、この実施例では、ｙ＝２．２ｘと、Ｘは、Ｏか
ら１／２．２の範囲内であり、再び、格子適合を生ずる
。

［本発明の係数］しかし、本発明は、格子適合されるシステムに限定され
ず、それぞれ異なったウェルと、バリヤーの肉厚を持つ
ひずみの掛かった層のシステムにも使用されることがで
きる。

本発明の概念を　Ｇａ１ｎＡｓ／Ａｌ１ｎＡｓ　　の材
料のシステムに適用する際に、オージェ再結合係数を、
標準量子ウェル構造に対して、約４　Ｘ　Ｉ　Ｏ−”ｃ
ｔａ３／秒の数値から、３．５ｘ１０−宜曾ＣＩｌ３／
秒以下に減少させることが可能であることを証明し、実
際に、実験では、同じ発光の波長に対して、３Ｘ１０−
ｆｆｉｌｃ、３／秒の数値を生じた。この減少は、さら
に低い限界電流と、さらに高い量子効率に関して実質的
な利点を持っている。

発光装置は、前記の様に、発光ダイオードとして製造さ
れているか、または、レーザー作用を生ずる反射端面を
備えることが可能である。

図面のうちの図１までの全ての最初のものに関して、ガ
リウム・インジウム・ひ化物／アルミニウム・インジウ
ム・ひ化物システムを基材とする構造半導体レーザーの
概要図が観察されることができる。このレーザーは、下
記を含んでいる：ｎ−タイプの燐化インジウムの基板１
１と、肉厚が典型的に１μｍである層の上に成長した例
えば、ｎ−タイプの燐化インジウムの層１２と、２重量
子ウェル構造の範囲を限定する活性部位と、今回は、ｐ−タイプの伝導性を持ち、再び、肉厚が約１
μｍの燐化インジウム１４の追加層と、それぞれ、基板
と、上部の燐化インジウムの層に対する第１と、第２の
接点。

活性部位１３は、Ｃａ５ｘ　　Ｉｊｌ＋−ｘ　　Ａｓの
第１と、第２のウェル層を含み、ここで、Ｘは、典型的
に０゜４７で、０．４８の典型的な数値を持つｙと共に
サンドイッチ状になって、ＡＩ、　　Ｉｎ、□　Ａｓの
バリヤー層と共存している。これらの層１７と、１９は
、Ｉｎｍの肉厚を持ち、Ｉ！！１８は、９ｘｍの肉厚を
持っている。

全体の構造は、接点！５と、１６から離れて、分子ビー
ムエピタキシーの様なエビフタキシ−状の調整すること
により、実質的に減少されることが成長技術により成長
される。半導体レーザー装置の端面２１と、２２は、そ
れらが反射する様に両面を形成させる為に切開かれてい
る。操作中に、エネルギーは、接点１５と、１６を横断
する適切な電圧を印加させることにより導入され、電流
限界を上回ると、約１．５μｍのピーク波長を持つレー
ザー光は、放射線の刺激された発光により、−２３の方
向に発光される。類似の構造は、発光ダイオードの為に
得られるであろうが、しかし、ここでは、特別の反射表
面２１を備える必要は無いものと思われる。

図１の２重量子ウェル半導体レーザーの基本的な層の順
序は、それ自体、ガリウム・ひ化物／アルミニウム・ガ
リウム・ひ化物と接合することを本質的に知られており
、図２１は、上記の活性部位の為の典型的なバンド図を
示している。

伝導バンドは、参照の数字２４で、原子価バンドは、参
照の数字２５で表示している。

２６は、電動バンド内の電子の量子化されたエネルギー
・レベルを図解し、２７は、原子゛価バンド内の正孔の
為の量子化されたエネルギー・レベルを表示されている
。これらの量子化されたエネルギー・レベルは、２重量
ウェル構造の２つの量子ウェル２８と、２９に配置され
ている。これらの２つの量子ウェル２８と、２９の間に
、バリヤー層！８により形成されるバリヤー３０がある
。

バンドギャップは、φＢｌにより図解されている。

点線３１は、電位ウェル２８と、２９のスペース内の電
子の位置選択の為の正規化された確率の分布を示してい
る。点線３２は、原子価バンド内の正孔の為の同じ分布
を示してはいるが、３２の分布は、電子に関する正孔の
それぞれ子となった移動度により、若干、平坦である。

図２５は、本発明の半導体レーザーの為の同じバンド図
を示し、同じ２重量子ウェル構造は、容易に明らかにな
っている。しかし、部位１７、！８及び、１９の為層の
肉厚の特別の選択は、電子の為に変更された分布３１，
１の結果となった、そして、この分布の部分３１１２か
ら、バリヤー３０に見られるこれらの電子のうちのある
ものの限定された確率があることが注目されるだろう。

しかし、原子価バンドの正孔の分布は、図２Ａに示され
たものから大きくは変えられていない。この為に、これ
らの分布は、同じ参照の数字によって表示された。図２
Ｂのバンド図は、図２Ａに示されたバンドギャップφＢ
ｌよりも高い相対バンドギャップφＢ２を持つ材料に関
係している。前項に述べた様に、これは、工学ファイバ
ーに沿って損失低い光学透過に望まれることであるが、
図１の半導体レーザーのＧａ１ｎＡｓ／ＩｎＰの材料の
様な材料システムでのみ実際に達成されることができる
。この材料では、無放射性のオージェ再結合による損失
が問題を提起している。しかし、本発明の活性部位の各
層の特別の寸法設定で、上記の無放射能のオージェの転
移の可能性は、上記に説明された理由の為、つまり、原
子価バンドに局部制限された正孔からのバリヤー部位に
存在する電子の空間的分離が、上記の無放射能の転移の
確率を減少する事実により、実質的に減少されることが
できる。

放射能の転移の確率も、若干減少されるけれども、放射
能の転移の確率の減少は、前者が直線の法則に従い、一
方、後者は、第２の倍率の法則に従うので、実質的には
無放射能のオージェの転移の確率に於ける減少よりは少
ない。

図２０は、活性部位が、２つの量子ウェルに限定される
必要はなく、実際に、いずれかの数の量子ウェルが可能
であり、図２０は、バリヤー４４．４５．４６．４７及
び４８と共に交番する６つの量子ウェル３８．３９．４
０．４１，４２及び、４３での実例を示している。６対
の量子ウェル、例えば、３８と、３９並びに、それらの
間のバリヤーは、量子ウェル２８．２９及び、図２Ｂの
バリヤー層３０の等量と考えられることができる。

一般的に言って、ｎの量子ウェルを持つｎ−１のバリヤ
ーがあることになっている。

図３は、その層の見地から順序が、個別的な層が、同じ
参照の数字で表示された理由である図１のものと同一で
ある追加的な半導体のレーザーの構造を示している。し
かし、図３の半導体装置はここでは、ガリウム・インジ
ウム・ひ化物・燐化物／燐化インジウムの材料のシステ
ムを基材としている。もっと明確に言えば、層１１は、
これもｎ−タイプの伝導性の燐化インジウムの基盤であ
る０層１２は、基盤の上に成長されたｎ−タイプの燐化
インジウムの追加層であり、ｎ−タイプの伝導性にする
為にドープされ、また、ドープされないかもしれない。

いずれの場合に於いても、層１２は、典型的に、１μｍ
の肉厚になると忠われる。活性部位に於いては、２つの
５１７と、１９は、共にＧａａ　　Ｉｎ１−ｘ　　Ａｓ
ｙ　　Ｐ＋　　Ｙの材料を含み、ここでｙ＝２．２ｘで
ある。層１７と、１９は、４ｎｍ以下の層の肉厚を持っ
ている。本実施例のバリヤー層１８は、４ｎｍのバリヤ
ー層の肉厚を持っている燐化インジウムを含んでいる。

層１４は、ｐ−タイプの燐化インジウムを含み、今度も
であるが、本装置は、金属接点！５と１６、を備え、反
射面２Ｉと、２２に分割されている。

それぞれ異なった材料の構成によるバンドギャップの差
はあるが、図２ａに示されたバンド構造とほとんど同じ
であるので、バンド構造は、ここには示されていない。

最後に、図４は、図１と、３に開示されている様な構造
半導体に起こることがあるので３つの異なった無放射能
のオージェ再結合処理を図で説明している。

図４には、典型的な半導体のバンド構造が示されている
。原子価バンドは、重い正孔バンドと、軽い正孔バンド
と、スプリット・オフ・オバンドを含んでいる。左側の
スケッチには、電子ビが正孔と再結合しているが、解放
されたエネルギーは、光子を発生せず、その代わりに、
励起される状１！２′に励起するので、電子を波線で示
された様に高められたサブバンドに押込まれる可能性も
ある。中心図では、電子ｌ°は、正孔ｌと、放射性無し
に再結合し、かつ、同時に正孔２°は、スプリット・オ
フ・バンドのさらにエネルギーの多い正孔状態２°に移
動する。右側のスケッチでは、電子ビは、再び、正孔ｌ
と共に再結合し、解放されたエネルギーは、光の正孔バ
ンド内の高められたエネルギーの位置２°に移動する正
孔と、再び結合する。

【図面の簡単な説明】

本発明の実施例は、実例のみにより、かつ、添付図を参
照して、下記にのべられる：図１は、Ｇａ１ｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓンステムに基づい
て本発明に従う２重量子ウェル・レーザーの概要図であ
り、図２・　Ａは、先行技術に従い、つまり、本発明に従っ
て寸法設定されていない２重量子ウェル・レーザーの活
性部位に対するバンドの概要図であり、図２Ｂは、図１の、つまり、本発明に従って寸法設定さ
れた２重量子ウェル半導体レーザーの活性部位に対する
バンド図であり、図２０は、活性部位に、６個の量子ウ
ェルと、５個のバリヤー層を持つ多重量子ウェル・レー
ザーに対する類似の図であり、図３は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰシステムに基Ｉｎ率発明
に従う半導体レーザーの概要の表示であり、図４Ａ％Ｂ
及びＣは、３つのそれぞれ異なったバンドから、バンド
へのオージェ再結合処理を概要的に図解している。ＦＩＧ、４Ａ　　　　　　　ＢＣ手続補正書（方式）　　　　　７平成２年６月１５日平成１年特許願第３１４１３８号２、発明の名称発光構造半導体装置３、補正をする者事件との関係　特許出願人マックス−ブランク　ゲゼルシャフト　ツアフェルデル
ング　デル　ビラセンシャツテン二−、ファウ。４、代理人　〒１０４東京都中央区明石町１番２９号　液済会ビル５、補正命
令の日付（発送日）平成２年３月２７日６、補正の対象（１）願書の特許出願人の代表者の― （２）代理権を証明する書面、補正の内容（１）訂正願書を別紙のとおり提出する。（２）委任状及び同訳文を別紙のとおり提出する。（３）願書に最初に添付した明細書の浄１：！！（内容
に変更なし）を別紙のとおり提出する。（４）願書に最初に添付した図面の浄！！Ｆ（内容に変
更なし）を別紙のとおり提出する。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）バリヤー層または、各バリヤー層の肉厚が、ある
タイプのチャージ・キャリアに対して比較的に高い確率
がバリヤー部位に存在するようなチャージ・キャリアの
為に存在し、一方、他のチャージ・キャリアが電位ウェ
ルに局部制限されるように選ばれていることを特徴とす
る、チャージ・キャリアの量子閉込めが、量子を形成す
る最初の材料及び、隣接の各対の量子ウェルの間にバリ
ヤーを形成するバリヤー層の材料と共に発生する様に選
ばれている層の肉厚を持ち、それらの間に配置される少
なくとも１個のバリヤー層を持つ、少なくとも２層のウ
ェル層の材料が存在するので、それらの間に配置される
１個のバリヤーを持つ２個の層が存在する最初のバンド
ギャップをもつ最初の構成のウェル層の材料と、上記の
最初のバンドギャップより大きい第２のバンドギャップ
を持つ第２の構成のバリヤー層の材料の複数の層の交番
順序を含む活性部位を持つ発光構造半導体装置。
（２）電子と、正孔波の機能との間のオーバーラップが
、少なくとも１０％だけ減少され、それらのそれぞれの
量子ウェルに局部制限されている電子と、正札の確率が
１である状態と相対的に１６％または、それ以上だけ減
少されることが好ましいことを特徴とする特許請求の範
囲１に従う発光装置。
（３）上記のウェル層の材料が、Ｇａ＿ｘＩｎ＿１＿−
＿ｘＡｓを含み、上記のバリヤー層の材料が、Ａｌ＿ｙ
Ｉｎ＿１＿−＿ｙＡｓを含むことを特徴とし、かつ、上
記のバリヤー層または、各バリヤー層が、１．５から１
２ｎｍの範囲の肉厚を持ち、上記の各活性層が、約６ｎ
ｍ以下の肉厚を持ち、この後者の肉厚も、単原子層の肉
厚に対応可能であることを特徴とする特許請求の範囲１
または、特許請求の範囲２に従う発光装置。
（４）活性層の肉厚が、０．６ｎｍから３ｎｍの範囲に
あり、各バリヤー層の肉厚が、３ｎｍから１２ｎｍの範
囲にあることを特徴とする特許請求の範囲２に従う発光
装置。
（５）活性層の肉厚が、ほぼ１ｎｍに達し、各バリヤー
の肉厚が、ほぼ９ｎｍに達することを特徴とする特許請
求の範囲３または、４に特徴とする特許請求の範囲３ま
たは、特許請求の範囲４に従うことを特徴とする発光装
置。
（６）ｘ＝０．４７と、ｙ＝０．４８を特徴とする特許
請求の範囲２に従う発光装置。
（７）上記のウェル層の材料が、Ｇａ＿ｘＩｎ＿１＿−
＿ｘＡｓ＿ｙＰ＿１＿−＿ｙを含み、上記のバリヤー層
が、ＩｎＰを含むことを特徴とし、上記のバリヤー層ま
たは、各バリヤー層が、１．５ｎｍから、１２ｎｍの範
囲の肉厚を持ち、上記のウェル層が、約４．５ｎｍ以下
の肉厚を持つことを特徴とする特許請求の範囲１または
、特許請求の範囲２に従う発光装置。
（８）ｙ＝２．２ｘと、２ｘと、ｘが、０から１／２．
２の範囲にあることを特徴とする特許請求の範囲７に従
う発光装置。
（９）装置が、それぞれ異なったウェルと、バリヤーの
肉厚を持つひずみの掛かった層のシステムであることを
特徴とする特許請求の範囲１、または、特許請求の範囲
２に従う発光装置。
（１０）無放射能オージェ再結合係数が、３．５×１０
＾−＾２＾３ｃｍ＾３／秒以下にあり、例えば、１０ｋ
で、１．２４μｍで発光する（ＧａＩｎ）Ａｓ（ＡＩＩ
ｎＡｓを基材とする構成の為に、３×１０＾−＾２＾３
ｃｍ＾３／秒以下であることが好ましいことを特徴とす
る特許請求の範囲３に従う発光装置。
（１１）発光ダイオードとして製造されていることを特
徴とする前項の特許請求の範囲のいずれか１つに従う発
光装置。
（１２）レーザー作用を発するための反射端面を持ち、
半導体レーザーとして構成されていることを特徴とする
発光装置。