JPH04273491A - 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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- JPH04273491A JPH04273491A JP3055442A JP5544291A JPH04273491A JP H04273491 A JPH04273491 A JP H04273491A JP 3055442 A JP3055442 A JP 3055442A JP 5544291 A JP5544291 A JP 5544291A JP H04273491 A JPH04273491 A JP H04273491A
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
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-
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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
【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−Ｑｕａ
ｎｔｕｍ Ｂａｒｒｉｅｒ ：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−Ｑｕａ
ｎｔｕｍ Ｂａｒｒｉｅｒ ：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−ＡｌＧａ
ＩｎＰクラッド層１１，ＡｌＧａＩｎＰ活性層１２，ｐ
−ＡｌＧａＩｎＰ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。
ＩｎＰクラッド層１１，ＡｌＧａＩｎＰ活性層１２，ｐ
−ＡｌＧａＩｎＰ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ＭＱＢ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Ｍ
ＱＢ（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ＭＱＢ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Ｍ
ＱＢ（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，Ｍ
ＱＢ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ＭＱ
Ｂ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。ＭＱＢ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Ｕｏ の増加にともない指数関数的に
増大する（図４参照）。
・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，Ｍ
ＱＢ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ＭＱ
Ｂ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。ＭＱＢ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Ｕｏ 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。
，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
。
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
。
【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，ＭＱ
Ｂ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。
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，ＭＱ
Ｂ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。
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。
【００２６】
【数１】Ｅｇ（ｗ） ＜Ｅｇ（ａ） ＜Ｅｇ（ｂ） ‥
‥式１
‥式１
【００２７】たとえば，活性層１２の組成を（Ａ
ｌｘａＧａ１−ｘａ）０．５ Ｉｎ０．５ Ｐとし，Ｍ
ＱＢ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。
ｌｘａＧａ１−ｘａ）０．５ Ｉｎ０．５ Ｐとし，Ｍ
ＱＢ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・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
【００
３１】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。
３１】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。
【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 Ｉｎ
０．５ 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
Ｉｎ０．５ Ｐの組成をもつ活性層のエネルギ・ギャ
ップも，ｘａ＝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 Ｉｎ
０．５ 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
Ｉｎ０．５ Ｐの組成をもつ活性層のエネルギ・ギャ
ップも，ｘａ＝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． Ｋｏｙａｍ
ａ， ａｎｄ Ｋ． Ｉｇａ，： ”Ｐｏｔｅｎｔｉａ
ｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｈｅｉｇｈｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆ ＡｌＧａＩｎＰ Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ
Ｂａｒｒｉｅｒ （ＭＱＢ）”， Ｊｐｎ． Ｊ． Ａ
ｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．， ２９， Ｌ１９７７（１９９
０）．
ａ， ａｎｄ Ｋ． Ｉｇａ，： ”Ｐｏｔｅｎｔｉａ
ｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｈｅｉｇｈｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆ ＡｌＧａＩｎＰ Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ
Ｂａｒｒｉｅｒ （ＭＱＢ）”， Ｊｐｎ． Ｊ． Ａ
ｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．， ２９， Ｌ１９７７（１９９
０）．
【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（Ａｌ
ｘａＧａ１−ｘａ）０．５ Ｉｎ０．５ Ｐ，（Ａｌｘ
ｗＧａ１−ｘｗ）０．５ Ｉｎ０．５ Ｐ，（Ａｌｘｂ
Ｇａ１−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（Ａｌ
ｘａＧａ１−ｘａ）０．５ Ｉｎ０．５ Ｐ，（Ａｌｘ
ｗＧａ１−ｘｗ）０．５ Ｉｎ０．５ Ｐ，（Ａｌｘｂ
Ｇａ１−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。
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。
【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
ｍｅＶ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。
，ポテンシャル差Ｕｏが小さい場合においても３００
ｍｅＶ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。
・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。
【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ＡｌＧａＩ
ｎＰ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ＡｌＧａＩ
ｎＰ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Ｇａ１
−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
ＭＱＢ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Ｇａ１
−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
ＭＱＢ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。
１０ ｎ−ＧａＡｓ基板
１１ ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１２ ＡｌＧ
ａＩｎＰ活性層 １３ ｐ−多重量子障壁層 １４ ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１５ ｐ−Ｇ
ａＡｓ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
ａＩｎＰ活性層 １３ ｐ−多重量子障壁層 １４ ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１５ ｐ−Ｇ
ａＡｓ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
Claims (8)
- 【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】 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
請求項１に記載の半導体発光素子。 - 【請求項３】 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が設けられている請求項１または２
に記載の半導体発光素子。 - 【請求項４】 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５】 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
請求項４に記載の電子またはホールの閉じ込め構造。 - 【請求項６】 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が設けられている請求項４または５
に記載の電子またはホールの閉じ込め構造。 - 【請求項７】 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。 - 【請求項８】 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い請求項７に記載の超格子構
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 |
| 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 |
| AT92103465T ATE143176T1 (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 true JPH04273491A (ja) | 1992-09-29 |
| JP3181063B2 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) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5502739A (en) * | 1993-04-05 | 1996-03-26 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor laser device |
| US5737350A (en) * | 1994-09-13 | 1998-04-07 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser having multi-quantum barrier including complex barrier structure and method of making the semiconductor laser |
| US5768303A (en) * | 1996-09-04 | 1998-06-16 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor device |
| US6737684B1 (en) | 1998-02-20 | 2004-05-18 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Bipolar transistor and semiconductor device |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06334265A (ja) * | 1993-05-19 | 1994-12-02 | Mitsubishi Electric Corp | 量子井戸型半導体レーザ |
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 EP EP92103465A patent/EP0502442B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1992-02-28 AT AT92103465T patent/ATE143176T1/de active
- 1992-02-28 DE DE69213787T patent/DE69213787T2/de not_active Expired - Fee Related
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5502739A (en) * | 1993-04-05 | 1996-03-26 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor laser device |
| US5600667A (en) * | 1993-04-05 | 1997-02-04 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor laser device |
| US6055253A (en) * | 1993-04-05 | 2000-04-25 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor laser device with an optical guide layer |
| US5737350A (en) * | 1994-09-13 | 1998-04-07 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor laser having multi-quantum barrier including complex barrier structure and method of making the semiconductor laser |
| US5768303A (en) * | 1996-09-04 | 1998-06-16 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Semiconductor device |
| US6737684B1 (en) | 1998-02-20 | 2004-05-18 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Bipolar transistor and semiconductor device |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0502442A3 (en) | 1993-02-03 |
| DE69213787D1 (de) | 1996-10-24 |
| EP0502442A2 (en) | 1992-09-09 |
| JP3181063B2 (ja) | 2001-07-03 |
| EP0502442B1 (en) | 1996-09-18 |
| DE69213787T2 (de) | 1997-05-07 |
| ATE143176T1 (de) | 1996-10-15 |
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