JPH03265124A - 原子層ドープ半導体構造体 - Google Patents
原子層ドープ半導体構造体Info
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- JPH03265124A JPH03265124A JP6510690A JP6510690A JPH03265124A JP H03265124 A JPH03265124 A JP H03265124A JP 6510690 A JP6510690 A JP 6510690A JP 6510690 A JP6510690 A JP 6510690A JP H03265124 A JPH03265124 A JP H03265124A
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔概 要〕
本発明は原子層ドーピングが行われた半導体超格子構造
に関し、 光半導体素子の波長特性を決定するバンド・ギャップが
単一値でない半導体構造体を提供することを目的とし、 本発明の原子層ドープ半導体構造は、 ｐ型半導体層とｎ型半導体層を交互に積層して構成され
る超格子構造体であって、 該超格子の構成要素である各半導体層の厚さが所定範囲
に分布するものとして構成される。
に関し、 光半導体素子の波長特性を決定するバンド・ギャップが
単一値でない半導体構造体を提供することを目的とし、 本発明の原子層ドープ半導体構造は、 ｐ型半導体層とｎ型半導体層を交互に積層して構成され
る超格子構造体であって、 該超格子の構成要素である各半導体層の厚さが所定範囲
に分布するものとして構成される。
該各半導体層の厚さ分布は各層毎に単調に増加或いは減
少するか、又は複数の半導体層毎に変化するものである
。
少するか、又は複数の半導体層毎に変化するものである
。
本発明は原子層ドーピングを利用した半導体材料、特に
光半導体素子の構成要素として利用される超格子構造体
に関するものである。
光半導体素子の構成要素として利用される超格子構造体
に関するものである。
近年、結晶成長技術の目覚ましい発展により、成長層の
厚さが原子層単位で制御される原子層エピタキシー（Ａ
Ｌ Ｅ ）が実用に供されるに至っている。ＡＬＥ技
術が現実のものとなった結果、組成の異なる半導体層や
導電型或いは濃度の異なる不純物がドープされた半導体
層を、夫々数〜数十原子層の厚みで組み合わせた超格子
構造を形成することも可能である。
厚さが原子層単位で制御される原子層エピタキシー（Ａ
Ｌ Ｅ ）が実用に供されるに至っている。ＡＬＥ技
術が現実のものとなった結果、組成の異なる半導体層や
導電型或いは濃度の異なる不純物がドープされた半導体
層を、夫々数〜数十原子層の厚みで組み合わせた超格子
構造を形成することも可能である。
ＡＬＥにより形成される数〜数十原子層（最小はｌ原子
層）の半導体層だけに不純物をドープする処理は超格子
ドーピング或いはδ−トープと呼ばれているが、δ−ト
ープ層のエネルギ・バンドはＶ形となり、この狭い領域
にキャリアが閉じ込められることにより、その運動エネ
ルギが量子化されて副準位が形成される。本発明では副
準位のうち最低位の副準位が重要であって、以下の記述
で単に副準位と記されたものは最低側準位である。
層）の半導体層だけに不純物をドープする処理は超格子
ドーピング或いはδ−トープと呼ばれているが、δ−ト
ープ層のエネルギ・バンドはＶ形となり、この狭い領域
にキャリアが閉じ込められることにより、その運動エネ
ルギが量子化されて副準位が形成される。本発明では副
準位のうち最低位の副準位が重要であって、以下の記述
で単に副準位と記されたものは最低側準位である。
第４図（ａ）に示されるような、トナーをドープしたδ
−ドープ層とアクセプタをトープしたδ−トープ層を交
互に積層したｐｎｐｎ・・・構造の超格子では、エネル
ギ・バンドは同図（ｂ）に示される如くジグザグに変調
されたものとなり、その振幅は積層の周期とドナーおよ
びアクセプタの面密度によって定まる。また、副準位は
該図中に符号Ｓｂで示されるように、ｎ層では伝導帯の
谷に、ｐ層では価電子帯の山に生じ、その位置の高低は
トープする不純物原子の面密度により定まる。なお本明
細書では煩雑化を避けるため、母体結晶を同一半導体と
し、不純物ドープ条件の異なる層によって構成される超
格子に関して説明を進めるが、バント・ギャップの異な
る半導体層により構成される超格子についても、同様の
論理展開が可能である。
−ドープ層とアクセプタをトープしたδ−トープ層を交
互に積層したｐｎｐｎ・・・構造の超格子では、エネル
ギ・バンドは同図（ｂ）に示される如くジグザグに変調
されたものとなり、その振幅は積層の周期とドナーおよ
びアクセプタの面密度によって定まる。また、副準位は
該図中に符号Ｓｂで示されるように、ｎ層では伝導帯の
谷に、ｐ層では価電子帯の山に生じ、その位置の高低は
トープする不純物原子の面密度により定まる。なお本明
細書では煩雑化を避けるため、母体結晶を同一半導体と
し、不純物ドープ条件の異なる層によって構成される超
格子に関して説明を進めるが、バント・ギャップの異な
る半導体層により構成される超格子についても、同様の
論理展開が可能である。
このように伝導帯と価電子帯に副準位が存在すると、電
子／正孔の再結合はこれ等の副準位間に生じ、その際放
出される光子のエネルギはｈν＝Ｅｇ ｑＶｚｚ＋Ｅ
ｇ＋Ｅｉｉｈ−−−−（１１となる。ここで、Ｅ、は母
結晶のバント・ギャップ、ｑＶｚ□はジグザグ振幅のエ
ネルギであり、Ｅδ、Ｅｏｈは夫々変形された伝導帯、
価電子帯から測った電子および正孔の副準位値である。
子／正孔の再結合はこれ等の副準位間に生じ、その際放
出される光子のエネルギはｈν＝Ｅｇ ｑＶｚｚ＋Ｅ
ｇ＋Ｅｉｉｈ−−−−（１１となる。ここで、Ｅ、は母
結晶のバント・ギャップ、ｑＶｚ□はジグザグ振幅のエ
ネルギであり、Ｅδ、Ｅｏｈは夫々変形された伝導帯、
価電子帯から測った電子および正孔の副準位値である。
（１）式から明らかなように、電子或いは正孔の副準位
値やジグザグ振幅のエネルギを変化させることにより、
フォトルミネッセンス波長を母結晶の固有値から長波長
側に変移させることができる。
値やジグザグ振幅のエネルギを変化させることにより、
フォトルミネッセンス波長を母結晶の固有値から長波長
側に変移させることができる。
副準位値はドナーやアクセプタの面密度により、ジグザ
グ振幅のエネルギは超格子の実空間周期により夫々定ま
るものであるから、これ等を適当に設定することによっ
てフォトルミネッセンス波長は任意に変化させ得るもの
となる。更に、この発光現象は純粋に副準位間のキャリ
ア再結合によって生じるので、フォトルミネッセンス波
長の励起光強度依存性がなく、このようなδ−ドープ超
格子は光半導体素子を構成する場合に有効に利用し得る
ものである。
グ振幅のエネルギは超格子の実空間周期により夫々定ま
るものであるから、これ等を適当に設定することによっ
てフォトルミネッセンス波長は任意に変化させ得るもの
となる。更に、この発光現象は純粋に副準位間のキャリ
ア再結合によって生じるので、フォトルミネッセンス波
長の励起光強度依存性がなく、このようなδ−ドープ超
格子は光半導体素子を構成する場合に有効に利用し得る
ものである。
〔従来の技術と発明が解決しようとする課題〕超格子構
造によって量子空間を２次元化し、半導体素子の特性を
大きく向上させようとする試みはレーザ・ダイオードや
ＦＥＴなと多様な素子に対してなされているが、エネル
ギ・バンドをジグザグ変調した超格子の利用は、レーザ
・ダイオードのような限られた光半導体素子について提
案されている程度であり、放出光の波長が単一のものだ
けが知られている。
造によって量子空間を２次元化し、半導体素子の特性を
大きく向上させようとする試みはレーザ・ダイオードや
ＦＥＴなと多様な素子に対してなされているが、エネル
ギ・バンドをジグザグ変調した超格子の利用は、レーザ
・ダイオードのような限られた光半導体素子について提
案されている程度であり、放出光の波長が単一のものだ
けが知られている。
半導体レーザの発光波長は、光通信用に於いて単一モー
ド発振が要求されるように、通常は特定波長のみを発振
する素子が求められている。しかし、成る波長範囲の光
を連続又は不連続スペクトルで発光するレーザ・グイオ
ートが使用される分野もあり、この種のレーザ・ダイオ
ードの量子空間を２次元化することも、技術課題として
残されている。
ド発振が要求されるように、通常は特定波長のみを発振
する素子が求められている。しかし、成る波長範囲の光
を連続又は不連続スペクトルで発光するレーザ・グイオ
ートが使用される分野もあり、この種のレーザ・ダイオ
ードの量子空間を２次元化することも、技術課題として
残されている。
本発明の目的はエネルギ・ギャップが成る波長範囲にわ
たって分布するδ−ドープ超格子構造を提供することで
あり、それによって連続波長或いは多波長発光型の光半
導体素子を提供することである。
たって分布するδ−ドープ超格子構造を提供することで
あり、それによって連続波長或いは多波長発光型の光半
導体素子を提供することである。
上記目的を達成するため、本発明のδ−ドープ半導体構
造は、 ｐ型半導体層とｎ型半導体層を交互に積層して構成され
る超格子構造体であって、 該超格子の構成要素である各半導体層の厚さが所定範囲
に分布するものとして構成される。
造は、 ｐ型半導体層とｎ型半導体層を交互に積層して構成され
る超格子構造体であって、 該超格子の構成要素である各半導体層の厚さが所定範囲
に分布するものとして構成される。
該各半導体層の厚さ分布は各層毎に単調に増加或いは減
少するか、又は複数の半導体層毎に変化するものである
。
少するか、又は複数の半導体層毎に変化するものである
。
請求項（２）に対応するδ−ドープ半導体構造は、超格
子を形成するｐ層とｎ層の厚さが連続的に増大する構造
となっている。超格子の周期が増大することは、前記（
１）式に於いて ｑＶ２□が増加することであり、不純物の面密度が変化
しない場合は、ｈνか減少することを意味する。この変
化が一方向に連続して設定されていると、エネルギ・バ
ンドは第１図に示されるようなものとなり、副準位間の
遷移により生ずる光は比較的短波長のｈν１から比較的
長波長のｈν。まで連続したスペクトルを持つことにな
る。
子を形成するｐ層とｎ層の厚さが連続的に増大する構造
となっている。超格子の周期が増大することは、前記（
１）式に於いて ｑＶ２□が増加することであり、不純物の面密度が変化
しない場合は、ｈνか減少することを意味する。この変
化が一方向に連続して設定されていると、エネルギ・バ
ンドは第１図に示されるようなものとなり、副準位間の
遷移により生ずる光は比較的短波長のｈν１から比較的
長波長のｈν。まで連続したスペクトルを持つことにな
る。
また、請求項（２）に対応するδ−ドープ半導体構造は
、超格子を形成するｐ層とｎ層の厚さが、数原子層毎に
階段状に変化したものであり、そのエネルギ・バンドは
第２図のようなものとなる。同図にはｈν１とｈν、の
２つの異なるエネルギの光が生ずる状況が示されている
。
、超格子を形成するｐ層とｎ層の厚さが、数原子層毎に
階段状に変化したものであり、そのエネルギ・バンドは
第２図のようなものとなる。同図にはｈν１とｈν、の
２つの異なるエネルギの光が生ずる状況が示されている
。
このように周期を異にする超格子の組み合わせた超格子
では、フォトルミネッセンス光は離散的なスペクトル分
布を示し、個々の波長光の発光強度が強められたものと
なる。
では、フォトルミネッセンス光は離散的なスペクトル分
布を示し、個々の波長光の発光強度が強められたものと
なる。
ここでは本発明のδ−ドープ超格子をレーザ・ダイオー
ドに適用した実施例を示す。本実施例では、半導体レー
ザの活性領域がδ−ドープ超格子によって形成され、そ
の軸に平行な面による断面を模式的に示したものが第３
図である。
ドに適用した実施例を示す。本実施例では、半導体レー
ザの活性領域がδ−ドープ超格子によって形成され、そ
の軸に平行な面による断面を模式的に示したものが第３
図である。
同図に於いてｌはｎ”−ＧａＡｓ基板、２は該基板上に
ＭＯＶＰＥにより形成されたｎ−ＡＡＧａＡｓのバッフ
ァ層である。該バッファ層上に更にＭ’ＯＶ Ｐ Ｅに
よりδ−ドープ超格子である活性層３が形成されている
。この０ＶＰＥで用いられる原料ガスは通常と同じ＜Ｔ
ＭＧ、ＴＡＧ、アルシンであり、温度や圧力の条件も通
常の範囲で実施すればよい。
ＭＯＶＰＥにより形成されたｎ−ＡＡＧａＡｓのバッフ
ァ層である。該バッファ層上に更にＭ’ＯＶ Ｐ Ｅに
よりδ−ドープ超格子である活性層３が形成されている
。この０ＶＰＥで用いられる原料ガスは通常と同じ＜Ｔ
ＭＧ、ＴＡＧ、アルシンであり、温度や圧力の条件も通
常の範囲で実施すればよい。
該超格子層は所定原子層のｐ層とｎ層を交互に積層した
ものであり、ドナー不純物はＳｅ、アクセプタ不純物は
Ｃで、いづれも面密度５ Ｘ１０１２ｃｍ”であるが、
超格子を形成する各層の厚さは５ｎｍ（１８原子層）か
ら２０ ｎｍ（７０原子層）まで、定の変化率で順に変
化している。
ものであり、ドナー不純物はＳｅ、アクセプタ不純物は
Ｃで、いづれも面密度５ Ｘ１０１２ｃｍ”であるが、
超格子を形成する各層の厚さは５ｎｍ（１８原子層）か
ら２０ ｎｍ（７０原子層）まで、定の変化率で順に変
化している。
実空間に於けるｐ層とｎ層の厚さが上記の如きδ−ドー
プ超格子では、電子／正孔の再結合で放出される光のエ
ネルギは１．５２ ｅＶ（８１６ｎｍ）から１．２５
ｅＶ（９９２ｎｍ）までの連続スペクトルとなる。該超
格子層の上にｐ−ＡｆＧａＡｓクラット層４が設けられ
、帯域発光型のレーザ・ダイオードが形成されている。
プ超格子では、電子／正孔の再結合で放出される光のエ
ネルギは１．５２ ｅＶ（８１６ｎｍ）から１．２５
ｅＶ（９９２ｎｍ）までの連続スペクトルとなる。該超
格子層の上にｐ−ＡｆＧａＡｓクラット層４が設けられ
、帯域発光型のレーザ・ダイオードが形成されている。
以上説明した如く、本発明のδ−ドープ超格子は実空間
に於ける周期が複数の値を取ることから、フォトルミネ
ッセンス波長が連続或いは離散スペクトルを示すものと
なり、これを利用することによって、帯域発光型のレー
ザ・ダイオードが実現することになる。
に於ける周期が複数の値を取ることから、フォトルミネ
ッセンス波長が連続或いは離散スペクトルを示すものと
なり、これを利用することによって、帯域発光型のレー
ザ・ダイオードが実現することになる。
第１図は本発明の第１のδ−ドープ超格子のエネルギ・
バンドを示す図、 第２図は本発明の第２の６−ドープ超格子のエネルギ・
バンドを示す図、 第３図は実施例のレーザ・ダイオードの構造を示す断面
模式図、 第４図は通常のδ−トープ超格子のエネルギ・バントを
示す図 であって、 図に於いて １はｎ＋ −ＧａＡｓ基板、 ２はｎ ＡＩ！ＧａＡｓのバッファ層、 ３はδ−ドープ超格子である活性層、 ４はｐ ＡｆＧａＡｓのクラッド層 である。 実施例のレーザ・ダイオードの構造を示す断面模式間第 図 本発明の第１のδ ドープ超格子のエネルギ・ハントを示す図第 図 本発明の第２のδ ドープ超格子のエネルギ・ハンドを示す図第 図 （ａ） （ｂ） 通常のδ ドープ超格子のエネルギ・バントを示す図第 図
バンドを示す図、 第２図は本発明の第２の６−ドープ超格子のエネルギ・
バンドを示す図、 第３図は実施例のレーザ・ダイオードの構造を示す断面
模式図、 第４図は通常のδ−トープ超格子のエネルギ・バントを
示す図 であって、 図に於いて １はｎ＋ −ＧａＡｓ基板、 ２はｎ ＡＩ！ＧａＡｓのバッファ層、 ３はδ−ドープ超格子である活性層、 ４はｐ ＡｆＧａＡｓのクラッド層 である。 実施例のレーザ・ダイオードの構造を示す断面模式間第 図 本発明の第１のδ ドープ超格子のエネルギ・ハントを示す図第 図 本発明の第２のδ ドープ超格子のエネルギ・ハンドを示す図第 図 （ａ） （ｂ） 通常のδ ドープ超格子のエネルギ・バントを示す図第 図
Claims (3)
- （１）ｐ型半導体層とｎ型半導体層を交互に積層して構
成される超格子構造体であって、 該超格子の構成要素である各半導体層の厚さが所定範囲
に分布するものであることを特徴とする原子層ドープ半
導体構造体。 - （２）請求項（１）の原子層ドープ半導体構造体であっ
て、 該構造体を構成する前記各半導体層の厚さが、該層の積
層方向に単調に増加或いは減少しているものであること
を特徴とする原子層ドープ半導体構造体。 - （３）請求項（１）または請求項（２）の原子層ドープ
半導体構造体であって、 該構造体を構成する前記各半導体層の厚さが、複数の原
子層を単位として変化するものであることを特徴とする
原子層ドープ半導体構造体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6510690A JPH03265124A (ja) | 1990-03-15 | 1990-03-15 | 原子層ドープ半導体構造体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6510690A JPH03265124A (ja) | 1990-03-15 | 1990-03-15 | 原子層ドープ半導体構造体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03265124A true JPH03265124A (ja) | 1991-11-26 |
Family
ID=13277315
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6510690A Pending JPH03265124A (ja) | 1990-03-15 | 1990-03-15 | 原子層ドープ半導体構造体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03265124A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012046420A1 (ja) * | 2010-10-04 | 2012-04-12 | 古河電気工業株式会社 | 電子素子、面発光レーザ、面発光レーザアレイ、光源、および光モジュール |
| JP2020098890A (ja) * | 2018-12-19 | 2020-06-25 | 住友電気工業株式会社 | 半導体レーザ |
-
1990
- 1990-03-15 JP JP6510690A patent/JPH03265124A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012046420A1 (ja) * | 2010-10-04 | 2012-04-12 | 古河電気工業株式会社 | 電子素子、面発光レーザ、面発光レーザアレイ、光源、および光モジュール |
| JP5075292B2 (ja) * | 2010-10-04 | 2012-11-21 | 古河電気工業株式会社 | 電子素子、面発光レーザ、面発光レーザアレイ、光源、および光モジュール |
| CN102844945A (zh) * | 2010-10-04 | 2012-12-26 | 古河电气工业株式会社 | 电子元件、面发光激光器、面发光激光器阵列、光源以及光模块 |
| US8638832B2 (en) | 2010-10-04 | 2014-01-28 | Furakawa Electric Co., Ltd. | Electronic device, surface emitting laser, surface emitting laser array, light source, optical module |
| JP2020098890A (ja) * | 2018-12-19 | 2020-06-25 | 住友電気工業株式会社 | 半導体レーザ |
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