JPH04350988A - 量子井戸構造発光素子 - Google Patents

量子井戸構造発光素子

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JPH04350988A
JPH04350988A JP3124238A JP12423891A JPH04350988A JP H04350988 A JPH04350988 A JP H04350988A JP 3124238 A JP3124238 A JP 3124238A JP 12423891 A JP12423891 A JP 12423891A JP H04350988 A JPH04350988 A JP H04350988A
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JP
Japan
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quantum well
barrier layer
well structure
layer
quantum
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Pending
Application number
JP3124238A
Other languages
English (en)
Inventor
Shinji Takano
信司 高野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd
Kansai Nippon Electric Co Ltd
Original Assignee
Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd
Kansai Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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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。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体発光素子,特にM
OVPE法,MBE法など気相成長法を用いて形成され
る量子井戸構造発光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、有機金属気相エピタキシー(MO
VPE)法,分子線エピタキシー(MBE)法などの薄
膜結晶成長技術の急速な進展にともない、単原子層の厚
さの精度で急峻な組成変化を持った良質な半導体ヘテロ
接合界面が製作されるようになった。これらヘテロ接合
によって形成されるポテンシャル井戸構造,超格子構造
では電子の波動性に起因する特異な光学特性,電気特性
を有しておりデバイス応用への研究が活発化している。
【0003】量子井戸層を活性層とした量子井戸構造半
導体レーザは前述のような量子サイズ効果によって生じ
る高い状態密度を持つ量子準位間の電子遷移を利用した
もので、従来のダブルヘテロ接合半導体レーザに比べ(
1) 低発振しきい電流,(2) 温度安定性,(3)
 高い発光効率,(4) 緩和振動周波数の増大,(5
) スペクトル線幅,チャーピングの低減など、多くの
特徴を有していることが報告されている。これらの優れ
た特性は2次元平面内に電子および正孔を局在させたた
めに生じた量子力学的効果によるものである。さらに近
年、上述の量子サイズ効果に加え量子井戸構造が光学的
に低損失であることを利用した、大出力半導体レーザの
開発が進められている。例えば、浅野等が1990年,
電子情報通信学会春季全国大会C−149に報告してい
るように、数層の量子井戸を有する量子井戸構造を活性
層とし、素子長を通常の半導体レーザより長くした1.
48μm帯の量子井戸構造半導体レーザにおいて、室温
CW(連続D.C.発振)動作で170mWを越える大
出力が得られている。 この半導体レーザの活性層は、InGaAs(禁制帯幅
Eg=0.75eV)を量子井戸層,1.15μm組成
InGaAsP(Eg=1.08eV)を障壁層とした
量子井戸構造から構成されている。
【0004】また、P.J.A.タイス(P.J.A.
Thijs)等は1990年1月米国にて開催された国
際会議(Conference on Optical
 Fiber communication :OFC
’90)WJ2において、InGaAs(Eg=0.6
0eV)を量子井戸層,1.3μm組成InGaAsP
(Eg=0.95eV)を障壁層とした歪量子井戸構造
を活性層に用い、室温CW条件で200mWを越える1
.55μm帯半導体レーザの大出力動作を報告している
【0005】また、植之原等は超格子における電子反射
を応用し、キャリアオーバーフローを抑制する多重量子
障壁(Multi−Quantum Barrier 
:MQB)をクラッド層に用いることを提案している(
電子情報通信学会論文誌C Vol. J70−C,N
o. 6,PP. 851〜857,1987)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし前述の1.5μ
m帯量子井戸構造半導体レーザと異なり、1.3μm帯
に代表されるようなより短波長の量子井戸構造半導体レ
ーザでは、量子準位のエネルギーが大きくなるため、キ
ャリアのオーバーフローの制御が難しく、大出力動作・
高温動作等の点において難があった。
【0007】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに本発明が提供する手段は、量子井戸構造の障壁層中
にキャリアオーバーフローを抑制するための第二の障壁
層を用いることである。
【0008】
【作用】本発明では、量子井戸構造の障壁層中にこの障
壁層よりも禁制帯の大きい,あるいは超格子構造の第二
の障壁層を形成することによってクラッド層へのキャリ
アオーバーフローを抑制している。以下にこの原理につ
いて図を参照して説明する。
【0009】一般にキャリアのオーバーフローの程度は
、活性層厚や量子準位と障壁層およびクラッド層とのエ
ネルギー差,閾電流密度等に依存する。図5(a),(
b)および(c)は各々従来の量子井戸構造のエネルギ
ー図である。図5(a)は障壁層とクラッド層が同一組
成,すなわち同一の禁制帯幅を有する場合であり、同図
(b)は閾電流密度を低減するために光閉じ込め係数を
増大させた光−キャリア分離閉じ込め(Separat
e Confinemet )構造,同図(c)はさら
に光閉じ込め係数を増大するために階段形屈折率(Gr
aded Index:GRIN)構造とした場合であ
る。
【0010】本発明では、禁制帯幅,屈折率のことなる
複数障壁層を用いているため、光閉じ込め係数を減少さ
せることなく障壁層と量子準位とのエネルギー差を大き
くとることが可能であり、キャリアオーバーフローを効
果的に抑制できる。
【0011】
【実施例】本発明による第一の実施例を図1,図2を参
照して詳細に説明する。量子井戸構造の成長法としては
有機金属気相成長(MOVPE)法を用いた。
【0012】図1のエネルギーバンド図に示すように量
子井戸活性層40は、6層の1.4μm組成InGaA
sP井戸層50(厚さ60オングストローム)、1.1
μm組成InGaAsP障壁層50(厚さ120オング
ストローム)およびこの障壁層中に1.0μm組成In
GaAsP(厚さ100オングストローム)からなる第
二の障壁層65を有する構成となっている。本量子井戸
構造では、伝導帯,価電子帯の量子準位51,52にお
けるエネルギーギャップは0.95eV(λ=1.31
μm)である。また、伝導帯において井戸の底と第一の
障壁層のエネルギー差は98meVであり、量子準位5
1は第一の障壁層より約48meV低エネルギーの一に
形成されている。20,70はそれぞれn−InPクラ
ッド層およびp−InPクラッド層である。
【0013】図2は上記の構造を用いた量子井戸レーザ
の断面図である。n−InP半導体基板10上にn−I
nPクラッド層20,量子井戸活性層40,p−InP
クラッド層70を成長後、LPE法を用い活性層幅が約
1.5μmの二重チャネルプレーナ埋め込み構造(Do
uble Channel Planer Burie
d Heterostructure:DC−PBH)
を形成した。
【0014】共振器長を600μmとし、劈開して素子
特性を評価したところ、発振閾電流として20〜30m
A,室温CW駆動で最大光出力150mWが得られた。 また、特性温度も高温(50〜90℃)において70K
と極めて良好な特性が得られた。
【0015】
【実施例2】本発明による第二の実施例を図3を参照し
て説明する。図3は本発明による量子井戸構造のエネル
ギーバンド図である。第一の実施例と本実施例との違い
は、エネルギーレベル段差を有する障壁層66,67か
らなる第二の障壁層65がさらに禁制帯幅のことなる薄
膜から構成されている点にあり、キャリアオーバーフロ
ーをより効果的に抑制し、量子準位への電子の注入効率
を高めている点である。
【0016】
【実施例3】本発明による第三の実施例を図4を参照し
て説明する。図4は、本発明による量子井戸構造のエネ
ルギーバンド図である。第一,第二の実施例と本実施例
との違いは、第二の障壁層が超格子を用いた多重量子障
壁(MQB)層構成されている点にある。多重量子障壁
(MQB)層を用いた場合では前述の植之原等の論文で
述べられているように、電子に対する実効的な障壁高さ
が高くなる一方、正孔については電子に対するほど障壁
高さは高くならないため、正孔の量子井戸への注入を大
きく妨げることなく電子のオーバーフローを効果的に抑
制することができる。
【0017】上記実施例では、ファブリーペロー形量子
井戸レーザを例に説明したが、分布帰還形量子井戸レー
ザ等に用いても有効である。
【0018】また以上の実施例はInP系の量子井戸構
造を例に説明したが、GaAs系など一般の半導体量子
井戸構造においても有効である。また半導体レーザに限
らず発光ダイオード等にも適用できる。
【0019】
【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれば
量子井戸構造の障壁層中に第二の障壁層を形成し、クラ
ッド層へのキャリアオーバーフローを抑制することによ
って、大出力動作・高温動作に優れた量子井戸構造発光
素子を得ることかできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】  本発明の実施例のエネルギーバンド図
【図
2】  本発明の実施例の斜視図
【図3】  本発明の他の実施例のエネルギーバンド図
【図4】  本発明の他の実施例のエネルギーバンド図
【図5】(a)〜(c)従来例のエネルギーバンド図
【符号の説明】
10  n−InP半導体基板 20  n−InPクラッド層 40  量子井戸活性層 50  量子井戸層 51  量子準位(伝導帯) 52  量子準位(価電子帯) 60  障壁層 65  第二の障壁層 70  p−InPクラッド層 110,130  p−InP埋め込み層120  n
−InP埋め込み層 140  p−InGaAsPコンタクト層180  
SiO2 電流狭窄膜 190  p側電極 195  n側電極

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板上に量子井戸活性層を含む半導
    体薄膜を積層してなる量子井戸構造発光素子において、
    前記量子井戸構造の障壁層中に第二の障壁層を有するこ
    とを特徴とする量子井戸構造発光素子。
  2. 【請求項2】半導体基板がInP,量子井戸構造の障壁
    層がInGaAsP,第二の障壁層が前記障壁層よりも
    禁制帯の大きいInGaAsP層からなることを特徴と
    する請求項1記載の量子井戸構造発光素子。
  3. 【請求項3】半導体基板がInP,量子井戸構造の障壁
    層がInGaAsP,第二の障壁層が前記障壁層よりも
    禁制帯の大きい、複数のInGaAsP層からなること
    を特徴とする請求項1記載の量子井戸構造発光素子。
  4. 【請求項4】第二の障壁層が超格子構造からなることを
    特徴とする請求項1記載の量子井戸構造発光素子。
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