JPH0236585A - 量子井戸構造及び量子井戸構造を用いた半導体素子 - Google Patents

量子井戸構造及び量子井戸構造を用いた半導体素子

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JPH0236585A
JPH0236585A JP63185578A JP18557888A JPH0236585A JP H0236585 A JPH0236585 A JP H0236585A JP 63185578 A JP63185578 A JP 63185578A JP 18557888 A JP18557888 A JP 18557888A JP H0236585 A JPH0236585 A JP H0236585A
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JP63185578A
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Shigeyuki Akiba
重幸 秋葉
Masashi Usami
正士 宇佐見
Yuichi Matsushima
松島 裕一
Kazuo Sakai
堺 和夫
Katsuyuki Uko
宇高 勝之
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KDDI Corp
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Kokusai Denshin Denwa KK
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    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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    • H01L33/26Materials of the light emitting region

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】 (発明の技術分野) 本発明は量子井戸層と量子井戸層より大なる禁制帯幅を
有するキャリア閉じ込め層とで構成された量子井戸構造
及び量子井戸構造を用いた半導体素子に関するものであ
る。
(従来技術とその問題点) 物質(材料)からの発光、物質(材料)による光吸収、
あるいは電子デバイスにおける電子のトンネル輸送など
の物理現象は近年のエレクトロニクス分野における量子
井戸構造を用いた半導体素子に広く利用され、新たな基
幹産業を形成する原動力となっている。然るに、このよ
うな物理現象は材料(物質)によって決まる固有の禁制
帯幅によって大きく支配され、応用が制約されている。
以下では、具体例として従来の半導体材料からなる発光
素子について述べる。
半導体発光素子は小型・軽量・高効率などの優れた特徴
を有するため、光磁気ディスク、コンパクトディスク、
レーザプリンタ、小型表示パネル・ランプなどの民生用
端末機器から、光フアイバ通信、各種計測など広い分野
で使用されつつある。
これらの応用分野を含めて今後さらに応用の発展を図っ
て行くためには発光素子の発光波長範囲を拡大すること
がきわめて重要である。可視域では緑から青色の発光源
が必要とされているところであり、赤外域では特殊ガス
分析用光源やフッ化物光フアイバ通信用赤外光源が切望
されている。
第1図は従来の発光素子の代表的な例であるAfGaA
s系の半導体レーザの模式図である。n型GaAs&板
1上にn型のクラッド層であるn型AfGaAs層2、
GaAs発光層3、p型りラッド層であるP型A/!G
aAs層4、及び電極接触用のp型GaAs層5が積層
され、横モード制御と電流狭搾のため半絶縁性AfGa
As層6による埋め込みストライプ構造となっている。
Al G a A s M 2の格子定数はGaAs基
板1とほぼ一致している。電極101と102を介して
GaAs発光層3に電流を注入することにより、GaA
sの禁制帯幅に対応する約0.88μmの発光、或はレ
ーザ発振が得られる。第2図はこのような従来の発光素
子の発光原理を説明するための禁制帯幅の模式図で、電
極101と102を介して注入された電子201と正孔
202が再結合することによって発光層の禁制帯幅Eg
に対応した光が放出フォトン301として放たれる。
このような構造の半導体発光素子の発光波長を変えよう
とする場合には、半導体材料を変えざるを得ない。例え
ば1.3〜1.55μm帯の発光を得る場合はInP基
板上のI nGaAs P系の材料を、2〜4μmの発
光にはInAs系かGa5b系、或はPbS系の材料を
用いる必要があった。また、青色発光用材料としてZn
5eやZnS1或はCu (GaAl)(SSe)zの
ようなカルコバイライト系の材料を用いる必要があるが
、これらの材料では良質のpn接合が得られないという
問題があった。このように従来の発光素子では発光層の
禁制帯幅に対応するエネルギーを有するフォトンを発光
として利用しているので、発光波長を変えようとした場
合材料面での制約を大きく受け、特に青色発光素子や中
赤外域の発光素子の実現が難しいという大きな問題があ
った。
このような困難は発光素子だけでなく受光素子において
も同様である。また、電子デバイスの分野においても禁
制帯幅の異なる材料を組み合わせて電子輸送現象の高機
能化を図る試みが盛んに行なわれているが、ここでも基
本的には材料固有の禁制帯幅による制限を受けていた。
(発明の目的) 本発明の目的は、上述した従来の材料と半導体素子の欠
点を克服するするために、材料固有の禁制帯幅の制限に
とられれない量子井戸構造及び量子井戸構造を用いた半
導体素子を提供することにある。
(半導体の構成) 本発明の特徴は、電子のド・ブロイ波長程度の厚さを有
する量子井戸層と量子井戸層より大なる禁制帯幅を有す
るキャリア閉じ込め層とで構成される量子井戸構造にお
いて、前記量子井戸層を形成している主たる第1の材料
の格子定数とは異なる格子定数を有する第2の材料が前
記量子井戸層の中に配置され、該第1の材料の結晶格子
の周期に位相シフトを有せしめることにより、前記量子
井戸層の禁制帯の中にエネルギー準位が形成されるよう
に構成された量子井戸構造であることにある。また該量
子井戸構造の特徴である禁制帯内のエネルギー準位に関
する物理現象を利用するように構成れた量子井戸構造を
用いた半導体素子であることにある。具体的には例えば
、中赤外域や青色の発光素子を容易に実現することを特
徴とする。
(発明の構成及び作用) 以下に発光素子を例に取り、図面を用いて本発明の詳細
な説明する。
(発明の原理) まず、本発明の原理について説明する。第3図は材料中
の電子のに空間におけるエネルギー図を示す。同図(a
)は従来の発光素子の発光層のように−様な材料中の場
合を示す。−様な材料では第4図(a)に周期的格子点
103で示したように原子が周期して規則的に配列され
ている。電子のエネルギーEはほぼkの2乗に比例して
大きくなるが、ちょうどkの値が±π/Lの整数倍のと
ころで第3図(a)に示したようにエネルギー値に飛び
が生じる。その原因は例えばに=±π/Lのところでは
、電子の波動関数が右へ進む波と左へ進む波とで定在波
をつくり、第4図(a)のように電子の存在確率に対応
する波動関数の絶対値の2乗が204と205で示した
2つのケースに分かれるためである。電子のエネルギー
は原子のところに存在する場合に小さく、原子から離れ
て存在する場合に大きくなるので、波動関数の絶対値の
2乗が204のような場合と205のような場合とでは
その波動関数に対応する電子のエネルギー値が大きく異
なり、エネルギーギャップ或は禁制帯幅Egとなって現
れる。この禁制帯幅Egの値は半導体材料によって決ま
り、逆に禁制帯幅Egを変える場合には半導体材料を変
えなければならない。
そこで本発明では、第4図(b)〜(d)に示したよう
に結晶の周期の位相を途中でシフトした構造を考えた。
ここでは結晶の格子点103をちょうど周期の半分相当
(0,5L )位相シフトした場合である。同図(b)
から分かるように波動関数の絶対値の2乗204は、結
晶の格子点103が位相シフトした位置の左側では格子
点103のところで最小となり、右側では逆に格子点1
03のところで最大となっている。一方、波動関数の絶
対値の2乗205は、全く逆に左側で格子点103のと
ころで最大、右側で最小となっている。従って、両方の
波動関数に対する電子のエネルギーは等価になり、かつ
そのエネルギー値は、同図(a)の−様な格子配置に対
する2つの波動関数のエネルギー値のちょうど半分にな
る。従って、第3図(b)に示したごとくエネルギーギ
ャップ内の準位203が生成される。このエネルギーギ
ャップ内の準位203に対する実際の波動関数の絶対値
の2乗は第4図(c)の206と207のようになる。
また、第4図(a)〜(c)では1.5Lの間隔により
格子定数の半分の位相シフトを実現したが、第4図(d
)のように0.5Lの間隔によっても同様に実現できる
ことは言うまでもない。206と207は同様にこの場
合の波動関数の絶対値の2乗である。
このように本発明の基本は結晶内の格子点の中に位相シ
フトを有せしめることにより、禁制体内にエネルギー準
位を形成し、その単位を利用した発光、吸収の電子遷移
などを行わせることにある。
(実施例1) 第5図は本発明による量子井戸構造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。
第1図に示した従来例と太き(異なっている点は、発光
頭載をド・ブロイ波長程度の厚さの量子井戸層(3,9
)とその量子井戸層(3,9)よりも大なる禁制帯幅を
有するキャリア閉じ込め層(2゜4)とからなる量子井
戸構造とし、量子井戸層(3,9)を主たる第1の材料
であるGaAs発光N3とGaAsとは格子定数が異な
る第2の材料Aj!InSb層9で構成したことにある
。量子井戸層(3,9)部分の拡大図を第5図(b)の
ハツチングで示しである。n型AlGaAs層7とp型
A I G a A s層8は光を閉じ込めるための光
閉じ込め層で、キャリア閉じ込めN2と4のAl G 
a A s層よりもAfの組成比が大きく低屈折率の組
成となっている。
第6図は本発明による量子井戸構造の禁制帯幅の模式図
である。主たる第1の材料であるGaAs発光層3の電
子と正孔の量子井戸準位が208と209のように形成
され、電極101と102を介して電子201と正孔2
02はその量子井戸準位近傍に第6図のように注入され
る。量子井戸層(3,9)の中に配置されたGaAs発
光N3の間の第2の材料であるAflnSb層9はGa
As発光層とほぼ同じ禁制帯幅を有し、格子定数は約6
.2人とGaAs発光層の5.64人に比べて大きく異
なっている。A/!In5bJi9の厚さを格子定数の
5周期に相当する31人とすればAlInSb層9を挟
んだ2つのGaAs発光層3の間には格子配列上半格子
骨だけの位相シフトが生じる。従って、発明の原理で述
べたように禁制帯内のエネルギー準位203がほぼ禁制
帯の中間に生じる。第2の材料9としてGaAs層と禁
制帯幅がほぼ同じで格子定数が大きく異なっているCd
Teを用いることも可能である。その場合にはCdTe
の格子定数が約6.5人なので厚さとして約22人とな
る。そこでこのような発光素子では禁制帯内のエネルギ
ー準位203を介した電子の遷移、すなわち電子と正札
の再結合が起こり、電子及び正孔の量子井戸準位間エネ
ルギーの半分のエネルギーの光が放出フォトン302と
して放出される。すなわち、G a A sの禁制帯幅
Egは約1.4eVであり、量子井戸準位間エネルギー
が約1.6eVとすると0.8eVのエネルギーの光子
が放出される。第1図の従来構造のGaAs系のレーザ
では発振波長が約0.88μmであるのに対して本発明
の構造によれば同じ半導体材料系のレーザで約1.55
μmの発振が得られる。このように本発明の発光素子で
は半導体材料で決まる禁制帯幅Egとは大きく異なるエ
ネルギーの光を発生させることができる。
(実施例2) 第7図は本発明による第2の実施例である。半導体材料
系は実施例1の場合と同じであるが、実施例1では量子
井戸層の数が1つであるのに対して本実施例では3つと
なっており、いわゆる多重量子井戸構造になっている。
発光の原理や作用はまったく同じであるが、量子井戸層
数が多い分、レーザの発振しきい値を小さくすることが
できる。
(実施例3) 第8図は本発明による第3の実施例で、異なる半導体材
料系に応用した例である。n型InP基板上11に、光
閉じ込め用のクラッド1m n型In2層17、キャリ
ア閉じ込め用のn型1nGaAsP層12、I nGa
As P発光層13とAffilnsbjW19からな
る量子井戸層、キャリア閉じ込め用のp型1nGaAs
P層14、光閉じ込め用のクラッド層p型TnP層18
、及び電極接触用のp型1nGaAsP1i15が積層
されており、これらが半絶縁性InP層16でメサスト
ライプ状に埋め込まれた構造になっている。InGaA
sP層(12,13,14,15)はすべてn型InP
基板11と格子整合されている。発光領域をド・ブロイ
波長程度の厚さの量子井戸層(13゜19)とその量子
井戸層よりも大なる禁制帯幅を有するキャリア閉じ込め
層(12,14)とからなる量子井戸構造とし、量子井
戸層を主たる第1の材料であるInGaAsP層13と
InGaAsP層とは格子定数が異なる第2の材料Af
lnsb層19で構成しである。量子井戸層(13゜1
9)部分の拡大図を第8図(b)のハツチングで示しで
ある。量子井戸層の中に配置された2つのI nGaA
s P発光層13の間の第2の材料のAflnSb層1
9はInGaAsP発光層13とほぼ同じ禁制帯幅を有
し、格子定数は約6.35人とInGaAsP発光層の
5.78人に比べて大きく異なっている。AfInSb
jii19の厚さを格子定数の約6周期に相当する37
人とすればAfInsbJi19を挟んだ2つのI n
GaAs P発光層13の間には格子配列上半格子分だ
けの位相シフトが生じる。従って、発明の原理で述べた
ように禁制帯内のエネルギー準位がほぼ禁制帯の中間に
生じる。そこでこのような発光素子では禁制帯内のエネ
ルギー準位を介した電子の遷移、すなわち電子と正孔の
再結合が起こり、禁制帯幅Egの半分のエネルギーの光
が放出される。すなわち、I nGaAs P発光層1
3の量子井戸準位間のエネルギー幅は約0.95 e 
Vであるのに対して0.475eVのエネルギーの光子
、すなわちInC;aAsP/InP系のレーザから約
2.6μmの光が放出される。
(実施例4) 第9図は本発明による第4の実施例で、さらに異なる材
料系、すなわち■−V属材料に加え、■−■属やカルコ
パイライト系の材料を用いた材料系に応用し、かつ光ポ
ンピングによって発光せしめる例である。GaP基板2
1上に、カルコパイライト系材料からなる光閉じ込め用
のクラッド層Cu (GaAIl)(SSe)z層26
、キャリア閉じ込め用のCu (GaAl)(SSe)
z層22、Cu (GaAl)(SSe)z発光層23
とGaP層28からなる量子井戸層、キャリア閉じ込め
用のCu (GaAj2)(SSe)z層24、及び光
閉じ込め用のクラッド層Cu (GaAl)(SSe)
z層27が積層されており、これらが半絶縁性Cu(G
aA1)(SSe)z層25でメサストライプ状に埋め
込まれた構造になっている。Cu (GaAj2)(S
Se)z層はすべてGaP基板21と格子整合されてい
る。
第10図は本発明による量子井戸構造の禁制帯幅の模式
図である。主たる第1の材料であるCu(GaAl)(
SSe)z発光層23の電子と正孔の量子井戸準位が2
10と211のように形成される。量子井戸層の中に配
置された2つのCu(C,aAjり(SSe)を発光層
23の間の第2の材料であるGaP層28はCu (G
aAI!、)(SSe)、発光層とほぼ同じ禁制帯幅を
有する。一方、Cu (GaAl  (SSe)zの格
子定数は、膜厚と垂直な方向では前述のようにGaP基
板21と同じく約5.43人であるが、膜厚の方向では
約2倍の約10.5人となっている。従って、GaP層
28の厚さを格子定数の1周期とすればGaP層28を
挟んだ2つのCu (GaAjり(SSe)z発光層2
3の間には格子配列上半格子分だけの位相シフトが第4
図(d)のように生じる。従って、発明の原理で述べた
ように禁制帯内のエネルギー準位212がほぼ禁制帯の
中間に生じる。Cu(GaAl)(SSe)z発光層2
3の禁制帯幅は約2.3eVであり、その電子と正孔の
量子井戸準位間エネルギーとして2.8eV程度が得ら
れる。
そこで約1,4eVの光子エネルギーを持つGaAs系
の高出力半導体レーザの出力光を励起フォトン303と
して光ポンピングを行えば、禁制帯内のエネルギー準位
212を介して電子と正孔の量子井戸準位210と21
1に励起される。励起された電子201と正孔202は
再結合し、2.8eVに相当する約0.44μmの青色
の光を放出する。
このように光ポンピングが強く起こっている状態では、
禁制帯内のエネルギー準位212を介した再結合確率は
小さく、量子井戸準位間の直接遷移が支配的となる。光
ポンピングを十分強く行えば青色のレーザ発振が得られ
る。ちなみに、GaP層28の代わりにGaPと同様の
禁制帯幅を有するZnTeJiiを用いることも可能で
ある。
以上の説明では、GaAs、InP、及びGaP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。また、第1の材料及び第2の材料としては
半導体に限らず、導電体材料や絶縁材料にも適用できる
。発光素子として埋め込みストライブザ構造の半導体レ
ーザについて述べたが他のストライブ構造の半導体レー
ザや発光ダイオードにも容易に応用できる。本発明が受
光素子にも応用できることは実施例4から明かである。
さらに、本発明による禁制帯内のエネルギー準位は電子
トンネル輸送現象のトンネル準位としても利用可能であ
る。
(発明の効果) 以上詳細に説明したように本発明の構造の量子井戸構造
及び量子井戸構造を用いた半導体素子によれば、材料固
有の禁制帯幅にとられれない量子井戸構造、及び半導体
素子が実現できる。
位相シフトが第1の材料の結晶格子定数の半分に相当す
るようにすることにより、容易に禁制体内にエネルギー
準位を形成した量子井戸構造及びその半導体素子を構成
することができる。
量子井戸層が1 nGaAs P層3とAffilnS
b層9で、キャリア閉じ込めJW(2,4)がInGa
AsP層で構成することにより、約0,5e■のエネル
ギーを有する光子を放出することができる。
量子井戸層がCu (GaAl)(SSe)z層23と
GaP層28で、キャリア閉じ込めNC22゜24)が
Cu (GaAl)(SSe)z層で構成することによ
り、2.8eVのエネルギー光子を放出することができ
る。
量子井戸構造が量子井戸層とキャリア閉じ込め層とを複
数積層した多重量子井戸構造で構成することにより、レ
ーザの発振しきい値を小さくすることができる。
第1及び第2の材料として半導体をもちいることにより
、容易に半導体素子を作製することができる。
禁制体内のエネルギー準位に関する物理現象を利用して
量子井戸構造を用いた半導体素子を構成することにより
、材料固有の禁制体幅に制約されない半導体素子を作製
することができる。
物理現象がエネルギー準位を介した電子の遷移に伴う発
光を利用することにより、材料固有の禁制体幅に制約さ
れない発光素子を作製することができる。
物理現象がエネルギー準位を介した光ポンピングに伴う
量子井戸層の禁制帯幅に対応する発光を利用することに
より、青色の発光素子を作製することができる。
なお、発光素子の例では材料固有の禁制帯幅の発光だけ
でな(,2倍の波長や半分の波長の光を得ることができ
、光磁気ディスク、コンパクトディスク、レーザプリン
タ、小型表示パネル・ランプなどの民生用端末機器から
、光フアイバ通信、各種計測など広い分野で応用でき、
その効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の発光素子の構成模式図、第2図は従来の
発光素子の発光原理を説明するためのエネルギーバンド
構造図、第3図(a)は従来の発光素子のに空間におけ
るエネルギー模式図、第3図(b)は本発明の発光素子
のに空間におけるエネルギー模式図、第4図(a)は従
来の発光素子の結晶格子点と波動関数の絶対値の2乗の
関係を示す波形図、第4図(b)〜(d)は本発明の発
光素子の結晶格子点と波動関数の絶対値の2乗の関係を
示す波形図、第5図(a)(b)、第7図(a)(b)
、第8図(a) (b)、及び第9図(a) (b)は
本発明による発光素子の構成模式図、第6図と第10図
は本発明による発光素子のエネルギーバンド構造図であ
る。 1・・・n型GaAs基板、 2− n型AffiGa
AS層、 3・・・GaAs発光層、 4・・・p型A
尼GaAs層、 5・・・p型GaAs層、 6・・・
半絶縁性AfGaAs層、 7 = n型AfGaAs
層、8−p型Aj!GaAs層、 9・Aj!InSb
層、11− n型1nP基板、  12 ・・・n型1
nGaAsP層、  13・・1nGaAs P層、 
14− p型InGaAsP層、 15− p型InG
aAsP層、 16・・・半絶縁性InP層、 17・
・・n型InP層、 18− p型InPJi、  1
9−An!InSb層、 2l−GaP基板、 22−
” Cu(GaAj2)(SSe)z層、  23−C
u(GaAN)(SSe)z発光層、 24−Cu(G
aA1)(SSe)z層、 25 ・・・半絶縁性Cu
 (GaAl)(SSe)z層、  26− Cu (
G a A l )(SSe)z層、  27− Cu
 (G a A l )  (S 5e)z層、 2B
−GaP層、  101−・・p型電極、102・・・
n型電極、  103・・・周期的格子点、201・・
・電子、 202・・・正孔、 203,212・・・
禁制帯内のエネルギー準位、 204,205.206
,207・・・波動関数の絶対値の2乗、208.21
0・・・電子の量子準位、 209.211・・・正孔
の量子準位、 301,302.304・・・放出フォ
トン、  303・・・励起フォトン。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. (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キャリ
    ア閉じ込め層とを有し、前記量子井戸層が該キャリア閉
    じ込め層で挟まれて構成された量子井戸構造において、 前記量子井戸層を形成している主たる第1の材料の格子
    定数とは異なる格子定数を有する第2の材料が前記量子
    井戸層の中に配置され該第1の材料の結晶格子の周期に
    位相シフトを有せしめることにより、前記量子井戸層の
    禁制帯の中にエネルギー準位が形成されるように構成さ
    れたことを特徴とする量子井戸構造。
  2. (2)前記位相シフトが前記第1の材料の結晶格子定数
    の半分に相当することを特徴とする特許請求の範囲第1
    項記載の量子井戸構造。
  3. (3)前記量子井戸層がInGaAsP層とAlInS
    b層で、キャリア閉じ込め層がInGaAsP層で構成
    されたことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の量
    子井戸構造。
  4. (4)前記量子井戸層がCu(GaAl)(SSe)_
    2層とGaP層で、キャリア閉じ込め層がCu(GaA
    l)(SSe)_2層で構成されたことを特徴とする特
    許請求の範囲第1項記載の量子井戸構造。
  5. (5)前記量子井戸構造が前記量子井戸層と前記キャリ
    ア閉じ込め層とを複数積層した多重量子井戸構造で構成
    されたことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の量
    子井戸構造。
  6. (6)前記第1及び第2の材料が半導体であることを特
    徴とする特許請求の範囲第1項記載の量子井戸構造。
  7. (7)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キャリ
    ア閉じ込め層とを有し、前記量子井戸層が該キャリア閉
    じ込め層で挟まれて構成された量子井戸構造を用いた半
    導体素子において、前記量子井戸層を形成している主た
    る第1の材料の格子定数とは異なる格子定数を有する第
    2の材料が前記量子井戸層の中に配置され該第1の材料
    の結晶格子の周期に位相シフトを有せしめることにより
    、前記量子井戸層の禁制帯の中にエネルギー準位が形成
    され、禁制体内の前記エネルギー準位に関する物理現象
    を利用したことを特徴とする量子井戸構造を用いた半導
    体素子。
  8. (8)前記物理現象が前記エネルギー準位を介した電子
    の遷移に伴う発光であることを特徴とする特許請求の範
    囲第7項記載の量子井戸構造を用いた半導体素子。
  9. (9)前記物理現象が前記エネルギー準位を介した光ポ
    ンピングに伴う前記量子井戸層の禁制帯幅に対応する発
    光であることを特徴とする特許請求の範囲第7項記載の
    量子井戸構造を用いた半導体素子。
  10. (10)前記位相シフトが前記第1の半導体層の結晶格
    子定数の半分に相当することを特徴とする特許請求の範
    囲第7項、第8項又は第9項記載の量子井戸構造を用い
    た半導体素子。
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