JPH05259571A - ひずみ超格子を有する半導体デバイス - Google Patents
ひずみ超格子を有する半導体デバイスInfo
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- JPH05259571A JPH05259571A JP4087465A JP8746592A JPH05259571A JP H05259571 A JPH05259571 A JP H05259571A JP 4087465 A JP4087465 A JP 4087465A JP 8746592 A JP8746592 A JP 8746592A JP H05259571 A JPH05259571 A JP H05259571A
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- 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
- H01L33/02—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 characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/04—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 characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
- H01L33/06—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 characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/15—Structures with periodic or quasi periodic potential variation, e.g. multiple quantum wells, superlattices
- H01L29/151—Compositional structures
- H01L29/152—Compositional structures with quantum effects only in vertical direction, i.e. layered structures with quantum effects solely resulting from vertical potential variation
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Abstract
(57)【要約】
【目的】ひずみ超格子にかかる全体の応力を低減したひ
ずみ超格子を有する半導体デバイスを提供する。 【構成】第一の半導体と、この第一の半導体より例えば
０．５％以上小さな格子定数を持つ第二の半導体を、第
一の半導体の格子定数と第二の半導体の格子定数のほぼ
中間の格子定数を持つクラッド層上に積層してひずみ超
格子を構成している。積層された第一の半導体と第二の
半導体との間にクラッド層の格子定数とほぼ等しい格子
定数を有する第三の半導体を挿入することができる。
ずみ超格子を有する半導体デバイスを提供する。 【構成】第一の半導体と、この第一の半導体より例えば
０．５％以上小さな格子定数を持つ第二の半導体を、第
一の半導体の格子定数と第二の半導体の格子定数のほぼ
中間の格子定数を持つクラッド層上に積層してひずみ超
格子を構成している。積層された第一の半導体と第二の
半導体との間にクラッド層の格子定数とほぼ等しい格子
定数を有する第三の半導体を挿入することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ひずみ超格子を利用し
た半導体光デバイス、半導体電子デバイス等の半導体デ
バイスに関するものである。
た半導体光デバイス、半導体電子デバイス等の半導体デ
バイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年の薄膜成長技術の進歩により、格子
定数の異なる材料（半導体）間でも、それぞれの膜厚が
十分薄い場合には、結晶欠陥を生ずることなく交互に積
層成長させることが可能となっている。この構造はひず
み超格子またはひずみ量子井戸と呼ばれている。活性層
にひずみ超格子を持った半導体デバイスは、材料の選択
の自由度が大きく広がり、格子整合系では得ることにで
きないバンドギャップエネルギー、光学特性、電気特性
等の特性を有する材料を一般的なクラッド層上にエピタ
キシャル成長することを可能にする。従来のひずみ超格
子を有する半導体デバイスでは、そのひずみ超格子であ
る活性層部分において、交互に積層される井戸層と障壁
層の内の一つがクラッド層の格子定数より大きな格子定
数を持つ半導体により構成されるか、クラッド層とほぼ
同じ格子定数を持つ半導体により構成されるか、又はク
ラッド層の格子定数より小さな格子定数を持つ半導体に
より構成されている。
定数の異なる材料（半導体）間でも、それぞれの膜厚が
十分薄い場合には、結晶欠陥を生ずることなく交互に積
層成長させることが可能となっている。この構造はひず
み超格子またはひずみ量子井戸と呼ばれている。活性層
にひずみ超格子を持った半導体デバイスは、材料の選択
の自由度が大きく広がり、格子整合系では得ることにで
きないバンドギャップエネルギー、光学特性、電気特性
等の特性を有する材料を一般的なクラッド層上にエピタ
キシャル成長することを可能にする。従来のひずみ超格
子を有する半導体デバイスでは、そのひずみ超格子であ
る活性層部分において、交互に積層される井戸層と障壁
層の内の一つがクラッド層の格子定数より大きな格子定
数を持つ半導体により構成されるか、クラッド層とほぼ
同じ格子定数を持つ半導体により構成されるか、又はク
ラッド層の格子定数より小さな格子定数を持つ半導体に
より構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】異なった格子定数を有
する十分に薄い材料間でエピタキシャル成長してひずみ
超格子を作製すると、格子定数の大きい材料は面方向に
圧縮応力がかかり、格子定数の小さい材料は面方向に引
っ張り応力を受ける。その結果、ひずみ超格子の面方向
の格子定数は、両格子定数の間のある値に定まる。これ
を自由空間、すなわちクラッド層から分離し空間に浮い
ているという仮想の状態での面方向の格子定数ａCLとす
る。図１３（ａ），（ｂ）は、その様子を示すもので、
積層による格子定数の変化の先後を示している。図１３
（ａ）は、格子定数ａA を有する半導体Ａと格子定数ａ
B を有する半導体Ｂを示している。図１３（ｂ）は、自
由空間での格子定数がａSLとなった積層された半導体
Ａ、Ｂと格子定数ａCLを有するクラッド層Ｃを示してい
る。図１３（ｂ）に示すように、自由空間で格子定数が
異なった半導体を積層すると層界面ではひずみ応力を受
けているがひずみ超格子全体の応力は釣りあっているた
め、転移等の欠陥が生じることなく両材料を繰り返し成
長させることが可能である。ところが、実際には自由空
間ではなく、ひずみ超格子はそれを構成する材料の膜厚
よりはるかに厚いクラッド層上に成長するため、ひずみ
超格子の面方向の格子定数は、クラッド層の格子定数に
一致することになり、自由空間での格子定数ａSLとは異
なる。その結果、ひずみ超格子全体はクラッド層より応
力を受けることとなる。従って、従来のひずみ超格子を
有する半導体デバイスは、ひずみ超格子の積層数がふえ
るに従い、ひずみ超格子にかかる全体の応力は増加し、
ついには臨界膜厚に達し、欠陥の発生がおき、層数の多
いひずみ超格子の成長が困難なるという欠点がある。
する十分に薄い材料間でエピタキシャル成長してひずみ
超格子を作製すると、格子定数の大きい材料は面方向に
圧縮応力がかかり、格子定数の小さい材料は面方向に引
っ張り応力を受ける。その結果、ひずみ超格子の面方向
の格子定数は、両格子定数の間のある値に定まる。これ
を自由空間、すなわちクラッド層から分離し空間に浮い
ているという仮想の状態での面方向の格子定数ａCLとす
る。図１３（ａ），（ｂ）は、その様子を示すもので、
積層による格子定数の変化の先後を示している。図１３
（ａ）は、格子定数ａA を有する半導体Ａと格子定数ａ
B を有する半導体Ｂを示している。図１３（ｂ）は、自
由空間での格子定数がａSLとなった積層された半導体
Ａ、Ｂと格子定数ａCLを有するクラッド層Ｃを示してい
る。図１３（ｂ）に示すように、自由空間で格子定数が
異なった半導体を積層すると層界面ではひずみ応力を受
けているがひずみ超格子全体の応力は釣りあっているた
め、転移等の欠陥が生じることなく両材料を繰り返し成
長させることが可能である。ところが、実際には自由空
間ではなく、ひずみ超格子はそれを構成する材料の膜厚
よりはるかに厚いクラッド層上に成長するため、ひずみ
超格子の面方向の格子定数は、クラッド層の格子定数に
一致することになり、自由空間での格子定数ａSLとは異
なる。その結果、ひずみ超格子全体はクラッド層より応
力を受けることとなる。従って、従来のひずみ超格子を
有する半導体デバイスは、ひずみ超格子の積層数がふえ
るに従い、ひずみ超格子にかかる全体の応力は増加し、
ついには臨界膜厚に達し、欠陥の発生がおき、層数の多
いひずみ超格子の成長が困難なるという欠点がある。
【０００４】本発明は、このようなひずみ超格子にかか
る全体の応力を低減したひずみ超格子を有する半導体デ
バイスを提供することを目的とする。
る全体の応力を低減したひずみ超格子を有する半導体デ
バイスを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明による第１の半導体デバイスは、第一の半導
体と、該第一の半導体より小さな格子定数を持つ第二の
半導体を、該第一の半導体の格子定数と該第二の半導体
の格子定数のほぼ中間の格子定数を持つクラッド層上に
積層してひずみ超格子を構成している。また、本発明に
よる第２の半導体デバイスは、第一の半導体と、該第一
の半導体より０．５％以上小さな格子定数を持つ第二の
半導体を、該第一の半導体の格子定数と該第二の半導体
の格子定数のほぼ中間の格子定数を持つクラッド層上
に、積層してひずみ超格子を構成している。さらに、本
発明による第３の半導体デバイスは、第１の半導体デバ
イスにおいて、積層された前記第一の半導体と前記第二
の半導体との間に前記クラッド層の格子定数とほぼ等し
い格子定数を有する第三の半導体を挿入したことを特徴
としている。
に、本発明による第１の半導体デバイスは、第一の半導
体と、該第一の半導体より小さな格子定数を持つ第二の
半導体を、該第一の半導体の格子定数と該第二の半導体
の格子定数のほぼ中間の格子定数を持つクラッド層上に
積層してひずみ超格子を構成している。また、本発明に
よる第２の半導体デバイスは、第一の半導体と、該第一
の半導体より０．５％以上小さな格子定数を持つ第二の
半導体を、該第一の半導体の格子定数と該第二の半導体
の格子定数のほぼ中間の格子定数を持つクラッド層上
に、積層してひずみ超格子を構成している。さらに、本
発明による第３の半導体デバイスは、第１の半導体デバ
イスにおいて、積層された前記第一の半導体と前記第二
の半導体との間に前記クラッド層の格子定数とほぼ等し
い格子定数を有する第三の半導体を挿入したことを特徴
としている。
【０００６】
【作用】本発明は、自由空間のひずみ超格子の面方向の
格子定数ａSLがクラッド層の格子定数ａCLとほぼ等しく
なるように、クラッド層の格子定数より大きな格子定数
を持つ材料とクラッド層の格子定数より小さい格子定数
を持つ材料により井戸層と障壁層を作り、ひずみ超格子
を構成することを特徴とするものである。その結果、ク
ラッド層よりひずみ超格子全体にかかる応力は、ひずみ
超格子の層数にかかわらずほぼゼロとすることができ
る。したがって、層数の多いひずみ超格子の成長が可能
となる。
格子定数ａSLがクラッド層の格子定数ａCLとほぼ等しく
なるように、クラッド層の格子定数より大きな格子定数
を持つ材料とクラッド層の格子定数より小さい格子定数
を持つ材料により井戸層と障壁層を作り、ひずみ超格子
を構成することを特徴とするものである。その結果、ク
ラッド層よりひずみ超格子全体にかかる応力は、ひずみ
超格子の層数にかかわらずほぼゼロとすることができ
る。したがって、層数の多いひずみ超格子の成長が可能
となる。
【０００７】
【実施例１】図１は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系ひずみ
超格子を用いた本発明による発光素子の実施例を示す。
同図において、ｎ型ＩｎＰ基板１上にｎ型のクラッド層
であるｎ型ＩｎＰ層２、ＩｎＧａＡｓ井戸層１１、Ｉｎ
ＧａＡｓＰ障壁層１２、ｐ型クラッド層であるｐ型Ｉｎ
Ｐ層３、及び電極接触用のｐ型ＩｎＧａＡｓＰキャップ
層４が積層され、横モード制御と電流狭搾のための半絶
縁性ＩｎＰ層５による埋め込みストライプ構造となって
いる。基板１とキャップ層４にそれぞれ接して、電極１
０２と電極１０１が設けられている。井戸層１１は、格
子定数が５．９０Åであり、バンドギャップエネルギー
が０．６６ｅＶである。障壁層１２は、格子定数が５．
８４Åであり、バンドギャップエネルギーが０．９５ｅ
Ｖである。クラッド層２，３は、格子定数が５．８７Å
であり、バンドギャップエネルギーが１．３５ｅＶであ
る。基板１は、クラッド層２，３と同等な格子定数とバ
ンドギャップエネルギーである。従って障壁層１２は、
井戸層１１より１．０％程度小さな格子定数を有してお
り、クラッド層２，３は、障壁層１２の格子定数と井戸
層１１の格子定数とのほぼ中間の格子定数を有してい
る。この障壁層１２と井戸層１１は、各層厚が７０Åで
交互に１５層が積層されかつ一番上と一番下の層には障
壁層１２が位置するように形成され、ひずみ超格子（ひ
ずみ量子井戸）を形成している。このひずみ超格子の自
由空間での格子定数ａSLは、この井戸層１１と障壁層１
２の選択の効果により、クラッド層２，３の格子定数と
一致している。図２は、その活性層付近の層構造の伝導
帯バンドダイヤグラム及び自由空間での格子定数ダイヤ
グラムを示す。図３は、ひずみ超格子を構成する材料の
バンドギャップエネルギーと格子定数の関係を示したも
のである。なお同図は、以降で説明する実施例２，３，
４，５，６において、使用する材料も示している。本実
施例では、井戸層１１と障壁層１２の積層は、１５層で
あるが、使用目的によりこの積層数を選択すると良い。
なお本発明の効果が顕著に現れるのは、層数が１０以上
の時である。また、本実施例では、井戸層１１に障壁層
１２より大きな格子定数の有するものを使用したが、逆
に、井戸層１１に障壁層１２より小さな格子定数を有す
るものを選択しても良い。もちろんこの場合でも、クラ
ッド層２，３の格子定数は、井戸層１１と障壁層１２の
ほぼ中間の値でなければならない。井戸層１１に障壁層
１２よりより大きな格子定数の有するものを使用した場
合は、井戸層１１に面内圧縮応力がかかるので、その圧
縮応力によって、より安定なＴＥ発振動作が得られる。
また井戸層１１に障壁層１２より小さな格子定数を有す
るものを使用した場合には、井戸層１１に面内引っ張り
応力がかかるので、その引っ張り応力によって、より安
定なＴＭ発振動作が得られる本実施例においては、従来
例より層数の多いひずみ超格子を形成することができる
ので、最大出力、微分利得が増大し、優れた高速動作を
得ることができる。
超格子を用いた本発明による発光素子の実施例を示す。
同図において、ｎ型ＩｎＰ基板１上にｎ型のクラッド層
であるｎ型ＩｎＰ層２、ＩｎＧａＡｓ井戸層１１、Ｉｎ
ＧａＡｓＰ障壁層１２、ｐ型クラッド層であるｐ型Ｉｎ
Ｐ層３、及び電極接触用のｐ型ＩｎＧａＡｓＰキャップ
層４が積層され、横モード制御と電流狭搾のための半絶
縁性ＩｎＰ層５による埋め込みストライプ構造となって
いる。基板１とキャップ層４にそれぞれ接して、電極１
０２と電極１０１が設けられている。井戸層１１は、格
子定数が５．９０Åであり、バンドギャップエネルギー
が０．６６ｅＶである。障壁層１２は、格子定数が５．
８４Åであり、バンドギャップエネルギーが０．９５ｅ
Ｖである。クラッド層２，３は、格子定数が５．８７Å
であり、バンドギャップエネルギーが１．３５ｅＶであ
る。基板１は、クラッド層２，３と同等な格子定数とバ
ンドギャップエネルギーである。従って障壁層１２は、
井戸層１１より１．０％程度小さな格子定数を有してお
り、クラッド層２，３は、障壁層１２の格子定数と井戸
層１１の格子定数とのほぼ中間の格子定数を有してい
る。この障壁層１２と井戸層１１は、各層厚が７０Åで
交互に１５層が積層されかつ一番上と一番下の層には障
壁層１２が位置するように形成され、ひずみ超格子（ひ
ずみ量子井戸）を形成している。このひずみ超格子の自
由空間での格子定数ａSLは、この井戸層１１と障壁層１
２の選択の効果により、クラッド層２，３の格子定数と
一致している。図２は、その活性層付近の層構造の伝導
帯バンドダイヤグラム及び自由空間での格子定数ダイヤ
グラムを示す。図３は、ひずみ超格子を構成する材料の
バンドギャップエネルギーと格子定数の関係を示したも
のである。なお同図は、以降で説明する実施例２，３，
４，５，６において、使用する材料も示している。本実
施例では、井戸層１１と障壁層１２の積層は、１５層で
あるが、使用目的によりこの積層数を選択すると良い。
なお本発明の効果が顕著に現れるのは、層数が１０以上
の時である。また、本実施例では、井戸層１１に障壁層
１２より大きな格子定数の有するものを使用したが、逆
に、井戸層１１に障壁層１２より小さな格子定数を有す
るものを選択しても良い。もちろんこの場合でも、クラ
ッド層２，３の格子定数は、井戸層１１と障壁層１２の
ほぼ中間の値でなければならない。井戸層１１に障壁層
１２よりより大きな格子定数の有するものを使用した場
合は、井戸層１１に面内圧縮応力がかかるので、その圧
縮応力によって、より安定なＴＥ発振動作が得られる。
また井戸層１１に障壁層１２より小さな格子定数を有す
るものを使用した場合には、井戸層１１に面内引っ張り
応力がかかるので、その引っ張り応力によって、より安
定なＴＭ発振動作が得られる本実施例においては、従来
例より層数の多いひずみ超格子を形成することができる
ので、最大出力、微分利得が増大し、優れた高速動作を
得ることができる。
【０００８】
【実施例２】図４は、第２の実施例であり、実施例１と
同じひずみ超格子の構成を光スイッチ素子に用いた例を
示す。本実施例は、導波路層に本発明によるひずみ超格
子が用いられているほかは、一般のＸ導波型光スイッチ
と同構造である。ｎ型ＩｎＰクラッド層２１上にｎ型の
クラッド層であるｎ型ＩｎＰ層２２、導波路層を構成す
るＩｎＧａＡｓＰ井戸層２３、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層２
４が積層され、その上にｐ型クラッド層であるｐ型Ｉｎ
Ｐ層２５、及び電極接触用のｐ型ＩｎＧａＡｓＰキャッ
プ層２６がＸ字状にリッジ加工されリッジ導波路を形成
している。基板２１とキャップ層２６にそれぞれ接し
て、電極１０２と電極１０１が設けられている。井戸層
２３は、格子定数が５．９０Åであり、バンドギャップ
エネルギーが０．６６ｅＶである。障壁層２４は、格子
定数が５．８４Åであり、バンドギャップエネルギーが
０．９５ｅＶである。クラッド層２２，２５は、格子定
数が５．８７Åであり、バンドギャップエネルギーが
１．３５ｅＶである。ＩｎＰ基板２１は、クラッド層２
２，２５と同等な格子定数とバンドギャップエネルギー
である。従って障壁層２４は、井戸層２３より１．０％
程度小さな格子定数を有しており、クラッド層２２，２
５は、障壁層２４の格子定数と井戸層２３の格子定数と
のほぼ中間の格子定数を有している。この障壁層２４と
井戸層２３は、各層厚が５０Åで交互に５１層が積層さ
れかつ一番上と一番下の層には障壁層２４が位置するよ
うに形成され、ひずみ超格子（ひずみ量子井戸）を形成
している。本実施例の光スイッチとしての動作を説明す
る。リッジ交差部の片側半分の領域に接触している電極
１０１からキャリアが導波路層に注入されると、導波路
層の屈折率がプラズマ効果により減少し、導波してきた
入力光１０３はリッジ交差部でその屈折率差によって全
反射し、出力光１０４となる。一方キャリアが注入され
ない場合、入力光１０３はそのまま導波し出力光１０５
となるため、本光スイッチ素子は光の進路を電流のＯＮ
／ＯＦＦにより制御する光スイッチである。このタイプ
の光スイッチにとって、電流注入によって大きく屈折率
が変化する導波路層を作ることが極めて重要である。導
波路構造及び材料は実施例１と同じであるが、この場合
にはひずみ超格子の層数を５１層とした。容易に層数を
増加できる理由は実施例１と同様である。その結果、圧
縮応力により各井戸層１１の屈折率変化が向上するだけ
でなく、層数の増加により光閉じ込め係数が増大するた
め、屈折率変化の絶対値はその相乗効果により極めて増
大する。これにより、動作電流の飛躍的な低減や、交差
角の大きな光スイッチが可能となる。また、本実施例で
は、井戸層２３に障壁層２４よりより大きな格子定数の
有するものを使用したが、逆に、井戸層２３に障壁層２
４より小さな格子定数を有するものを選択しても良い。
もちろんこの場合でも、クラッド層２２，２５の格子定
数は、井戸層２３と障壁層２４のほぼ中間の値でなけれ
ばならない。
同じひずみ超格子の構成を光スイッチ素子に用いた例を
示す。本実施例は、導波路層に本発明によるひずみ超格
子が用いられているほかは、一般のＸ導波型光スイッチ
と同構造である。ｎ型ＩｎＰクラッド層２１上にｎ型の
クラッド層であるｎ型ＩｎＰ層２２、導波路層を構成す
るＩｎＧａＡｓＰ井戸層２３、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層２
４が積層され、その上にｐ型クラッド層であるｐ型Ｉｎ
Ｐ層２５、及び電極接触用のｐ型ＩｎＧａＡｓＰキャッ
プ層２６がＸ字状にリッジ加工されリッジ導波路を形成
している。基板２１とキャップ層２６にそれぞれ接し
て、電極１０２と電極１０１が設けられている。井戸層
２３は、格子定数が５．９０Åであり、バンドギャップ
エネルギーが０．６６ｅＶである。障壁層２４は、格子
定数が５．８４Åであり、バンドギャップエネルギーが
０．９５ｅＶである。クラッド層２２，２５は、格子定
数が５．８７Åであり、バンドギャップエネルギーが
１．３５ｅＶである。ＩｎＰ基板２１は、クラッド層２
２，２５と同等な格子定数とバンドギャップエネルギー
である。従って障壁層２４は、井戸層２３より１．０％
程度小さな格子定数を有しており、クラッド層２２，２
５は、障壁層２４の格子定数と井戸層２３の格子定数と
のほぼ中間の格子定数を有している。この障壁層２４と
井戸層２３は、各層厚が５０Åで交互に５１層が積層さ
れかつ一番上と一番下の層には障壁層２４が位置するよ
うに形成され、ひずみ超格子（ひずみ量子井戸）を形成
している。本実施例の光スイッチとしての動作を説明す
る。リッジ交差部の片側半分の領域に接触している電極
１０１からキャリアが導波路層に注入されると、導波路
層の屈折率がプラズマ効果により減少し、導波してきた
入力光１０３はリッジ交差部でその屈折率差によって全
反射し、出力光１０４となる。一方キャリアが注入され
ない場合、入力光１０３はそのまま導波し出力光１０５
となるため、本光スイッチ素子は光の進路を電流のＯＮ
／ＯＦＦにより制御する光スイッチである。このタイプ
の光スイッチにとって、電流注入によって大きく屈折率
が変化する導波路層を作ることが極めて重要である。導
波路構造及び材料は実施例１と同じであるが、この場合
にはひずみ超格子の層数を５１層とした。容易に層数を
増加できる理由は実施例１と同様である。その結果、圧
縮応力により各井戸層１１の屈折率変化が向上するだけ
でなく、層数の増加により光閉じ込め係数が増大するた
め、屈折率変化の絶対値はその相乗効果により極めて増
大する。これにより、動作電流の飛躍的な低減や、交差
角の大きな光スイッチが可能となる。また、本実施例で
は、井戸層２３に障壁層２４よりより大きな格子定数の
有するものを使用したが、逆に、井戸層２３に障壁層２
４より小さな格子定数を有するものを選択しても良い。
もちろんこの場合でも、クラッド層２２，２５の格子定
数は、井戸層２３と障壁層２４のほぼ中間の値でなけれ
ばならない。
【０００９】
【実施例３】図５は、第３の実施例で、実施例１、２と
は異なる半導体系のひずみ超格子を用いた発光素子の実
施例を示す。同図において、ｎ型ＧａＡｓ基板６上に格
子定数を層に垂直方向に徐々に小さくしたｎ型グレーデ
ッドＧａＡｓＰ層７、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層８、Ｉ
ｎＧａＡｌＰ井戸層１４、ＩｎＧａＡｌＰ障壁層１５、
ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層９、及び電極接触用のｐ型Ｉ
ｎＧａＰキャップ層１０が積層され、電流狭搾のための
ＳｉＯ2 膜１０６によるストライプ構造となっている。
基板６とキャップ層１０にそれぞれ接して、電極１０２
と電極１０１が設けられている。井戸層１４は、格子定
数が５．６１Åであり、バンドギャップエネルギーが
２．０ｅＶである。障壁層１５は、格子定数が５．５５
Åであり、バンドギャップエネルギーが２．３ｅＶであ
る。基板６は、格子定数が５．６５Åであり、バンドギ
ャップエネルギーが１．４３ｅＶである。グレーデッド
層７は、格子定数が５．６５Åから５．５８Åに徐々に
変化した層である。クラッド層８，９は、格子定数が
５．５８Åであり、バンドギャップエネルギーが２．４
ｅＶである。従って障壁層１５は、井戸層１４より１．
１％程度小さな格子定数を有しており、クラッド層８，
９は、障壁層１５の格子定数と井戸層１４の格子定数と
のほぼ中間の格子定数を有している。この障壁層１５と
井戸層１４は、各層厚が７０Åで交互に１５層が積層さ
れかつ一番上と一番下の層には障壁層１５が位置するよ
うに形成され、ひずみ超格子（ひずみ量子井戸）を形成
している。このひずみ超格子の自由空間での格子定数ａ
SLは、この井戸層１４と障壁層１５の選択の効果によ
り、クラッド層８，９の格子定数と一致している。図６
は、その活性層付近の層構造の伝導帯バンドダイヤグラ
ム及び自由空間での格子定数ダイヤグラムを示す。グレ
ーデッド層７は、基板６とクラッド層８の間に成長さ
れ、基板６に接している面の格子定数は基板６の格子定
数とほぼ同じに、クラッド層８に接している面の格子定
数はクラッド層８の格子定数とほぼ同じになるように、
その格子定数を徐々に変化させたのが特徴である。この
グレーデット層７により、基板６とクラッド層８，９の
格子定数が違うことが許され材料の選択の幅が広がり、
バンドギャップエネルギーの大きな材料の成長が可能と
なり、より短波長の発光を得ることができる。また、本
実施例では、井戸層１４に障壁層１５より大きな格子定
数の有するものを使用したが、逆に、井戸層１４に障壁
層１５より小さな格子定数を有するものを選択しても良
い。もちろんこの場合でも、クラッド層２２，２５の格
子定数は、井戸層１４と障壁層１５のほぼ中間の値でな
ければならない。井戸層１４に障壁層１５よりより大き
な格子定数の有するものを使用した場合は、井戸層１４
に面内圧縮応力がかかるので、その圧縮応力によって、
より安定なＴＥ発振動作が得られる。また井戸層１４に
障壁層１５より小さな格子定数を有するものを使用した
場合は、井戸層１４に面内引っ張り応力がかかるので、
その引っ張り応力によって、より安定なＴＭ発振動作が
得られる。
は異なる半導体系のひずみ超格子を用いた発光素子の実
施例を示す。同図において、ｎ型ＧａＡｓ基板６上に格
子定数を層に垂直方向に徐々に小さくしたｎ型グレーデ
ッドＧａＡｓＰ層７、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層８、Ｉ
ｎＧａＡｌＰ井戸層１４、ＩｎＧａＡｌＰ障壁層１５、
ｐ型ＩｎＡｌＰクラッド層９、及び電極接触用のｐ型Ｉ
ｎＧａＰキャップ層１０が積層され、電流狭搾のための
ＳｉＯ2 膜１０６によるストライプ構造となっている。
基板６とキャップ層１０にそれぞれ接して、電極１０２
と電極１０１が設けられている。井戸層１４は、格子定
数が５．６１Åであり、バンドギャップエネルギーが
２．０ｅＶである。障壁層１５は、格子定数が５．５５
Åであり、バンドギャップエネルギーが２．３ｅＶであ
る。基板６は、格子定数が５．６５Åであり、バンドギ
ャップエネルギーが１．４３ｅＶである。グレーデッド
層７は、格子定数が５．６５Åから５．５８Åに徐々に
変化した層である。クラッド層８，９は、格子定数が
５．５８Åであり、バンドギャップエネルギーが２．４
ｅＶである。従って障壁層１５は、井戸層１４より１．
１％程度小さな格子定数を有しており、クラッド層８，
９は、障壁層１５の格子定数と井戸層１４の格子定数と
のほぼ中間の格子定数を有している。この障壁層１５と
井戸層１４は、各層厚が７０Åで交互に１５層が積層さ
れかつ一番上と一番下の層には障壁層１５が位置するよ
うに形成され、ひずみ超格子（ひずみ量子井戸）を形成
している。このひずみ超格子の自由空間での格子定数ａ
SLは、この井戸層１４と障壁層１５の選択の効果によ
り、クラッド層８，９の格子定数と一致している。図６
は、その活性層付近の層構造の伝導帯バンドダイヤグラ
ム及び自由空間での格子定数ダイヤグラムを示す。グレ
ーデッド層７は、基板６とクラッド層８の間に成長さ
れ、基板６に接している面の格子定数は基板６の格子定
数とほぼ同じに、クラッド層８に接している面の格子定
数はクラッド層８の格子定数とほぼ同じになるように、
その格子定数を徐々に変化させたのが特徴である。この
グレーデット層７により、基板６とクラッド層８，９の
格子定数が違うことが許され材料の選択の幅が広がり、
バンドギャップエネルギーの大きな材料の成長が可能と
なり、より短波長の発光を得ることができる。また、本
実施例では、井戸層１４に障壁層１５より大きな格子定
数の有するものを使用したが、逆に、井戸層１４に障壁
層１５より小さな格子定数を有するものを選択しても良
い。もちろんこの場合でも、クラッド層２２，２５の格
子定数は、井戸層１４と障壁層１５のほぼ中間の値でな
ければならない。井戸層１４に障壁層１５よりより大き
な格子定数の有するものを使用した場合は、井戸層１４
に面内圧縮応力がかかるので、その圧縮応力によって、
より安定なＴＥ発振動作が得られる。また井戸層１４に
障壁層１５より小さな格子定数を有するものを使用した
場合は、井戸層１４に面内引っ張り応力がかかるので、
その引っ張り応力によって、より安定なＴＭ発振動作が
得られる。
【００１０】
【実施例４】実施例１，２，３におけるひずみ超格子
は、井戸層と障壁層の２種類の層で構成されているが、
この場合、その格子定数差をあまり大きくできず、この
２つの層に対する材料選択の自由度が小さいという問題
がある。さらに、材料（例えば、ＡｌＡｓ／ＩｎＡｓ／
ＩｎＰ、ＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ等）によ
っては、井戸層と障壁層との直接の結晶成長が難しい場
合もある。この欠点を解決するため本発明は、ひずみ超
格子を構成する井戸層と障壁層の間に、クラッド層の格
子定数に近い格子定数を持つ別の材料を中間層として挿
入する。この「クラッド層の格子定数に近い格子定数」
とは、格子定数差で０．２％以内という範囲である。こ
の中間層を設けることにより、自由空間のひずみ超格子
の面方向の格子定数ａSLをクラッド層の格子定数ａCLと
ほぼ等しくする材料選択の幅および層数等の構造の自由
度が広がる。図７は、この場合の第４の実施例で、井戸
層と障壁層の間に中間層を設けたＩｎＧａＡｓＰ／Ｉｎ
Ｐ系ひずみ超格子を用いた発光素子の実施例を示す。同
図において、ｎ型ＩｎＰ基板３１上に、ｎ型ＩｎＰクラ
ッド層３２、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層３３、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ障壁層３４、ＩｎＧａＡｓＰ中間層３５、ｐ型ＩｎＰ
クラッド層３６、及び電極接触用のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ
キャップ層３７が積層され、横モード制御と電流狭搾の
ための半絶縁性ＩｎＰ層３８による埋め込みストライプ
構造となっている。基板３１とキャップ層３７にそれぞ
れ接して、電極１０２と電極１０１が設けられている。
井戸層３３は、格子定数が５．９３Åであり、バンドギ
ャップエネルギーが０．６６ｅＶである。障壁層３４
は、格子定数が５．８１Åであり、バンドギャップエネ
ルギーが０．９５ｅＶである。中間層３５は、格子定数
が５．８７Åであり、バンドギャップエネルギーが０．
９５ｅＶである。クラッド層３２，３６は、格子定数が
５．８７Åであり、バンドギャップエネルギーが１．３
５ｅＶである。基板３１は、クラッド層３２，３６と同
等な格子定数とバンドギャップエネルギーである。従っ
て障壁層３４は、井戸層３３より２．０％程度小さな格
子定数を有しており、クラッド層３２，３６は、障壁層
３４の格子定数と井戸層３３の格子定数とのほぼ中間の
格子定数を有している。障壁層３４と井戸層３３が交互
に１５層が積層されしかも一番上と一番下の層には障壁
層３４が位置するように形成され、かつその各層の間に
中間層３５が挿入されて、計２９層の積層によってひず
み超格子（ひずみ量子井戸）を形成している。このひず
み超格子の自由空間での格子定数ａSLは、この井戸層３
３と障壁層３４と中間層３５の選択の効果により、クラ
ッド層３２，３６の格子定数と一致している。なお、本
実施例では、井戸層３３には面内圧縮応力がかかるの
で、その圧縮応力によって、より安定なＴＥ発振動作が
得られる。図８は、その活性層付近の層構造の伝導帯バ
ンドダイヤグラム及び自由空間での格子定数ダイヤグラ
ムを示す。本実施例では、井戸層３３に障壁層３４より
大きな格子定数の有するものを使用したが、逆に、井戸
層３３に障壁層３４より小さな格子定数を有するものを
選択しても良い。もちろんこの場合でも、クラッド層３
２，３５の格子定数は、井戸層３３と障壁層３４のほぼ
中間の値でなければならない。井戸層３３に障壁層３４
よりより大きな格子定数の有するものを使用した場合
は、井戸層３３に面内圧縮応力がかかるので、その圧縮
応力によって、より安定なＴＥ発振動作が得られる。ま
た井戸層３３に障壁層３４より小さな格子定数を有する
ものを使用した場合は、井戸層３３に面内引っ張り応力
がかかるので、その引っ張り応力によって、より安定な
ＴＭ発振動作が得られる。
は、井戸層と障壁層の２種類の層で構成されているが、
この場合、その格子定数差をあまり大きくできず、この
２つの層に対する材料選択の自由度が小さいという問題
がある。さらに、材料（例えば、ＡｌＡｓ／ＩｎＡｓ／
ＩｎＰ、ＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ等）によ
っては、井戸層と障壁層との直接の結晶成長が難しい場
合もある。この欠点を解決するため本発明は、ひずみ超
格子を構成する井戸層と障壁層の間に、クラッド層の格
子定数に近い格子定数を持つ別の材料を中間層として挿
入する。この「クラッド層の格子定数に近い格子定数」
とは、格子定数差で０．２％以内という範囲である。こ
の中間層を設けることにより、自由空間のひずみ超格子
の面方向の格子定数ａSLをクラッド層の格子定数ａCLと
ほぼ等しくする材料選択の幅および層数等の構造の自由
度が広がる。図７は、この場合の第４の実施例で、井戸
層と障壁層の間に中間層を設けたＩｎＧａＡｓＰ／Ｉｎ
Ｐ系ひずみ超格子を用いた発光素子の実施例を示す。同
図において、ｎ型ＩｎＰ基板３１上に、ｎ型ＩｎＰクラ
ッド層３２、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層３３、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ障壁層３４、ＩｎＧａＡｓＰ中間層３５、ｐ型ＩｎＰ
クラッド層３６、及び電極接触用のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ
キャップ層３７が積層され、横モード制御と電流狭搾の
ための半絶縁性ＩｎＰ層３８による埋め込みストライプ
構造となっている。基板３１とキャップ層３７にそれぞ
れ接して、電極１０２と電極１０１が設けられている。
井戸層３３は、格子定数が５．９３Åであり、バンドギ
ャップエネルギーが０．６６ｅＶである。障壁層３４
は、格子定数が５．８１Åであり、バンドギャップエネ
ルギーが０．９５ｅＶである。中間層３５は、格子定数
が５．８７Åであり、バンドギャップエネルギーが０．
９５ｅＶである。クラッド層３２，３６は、格子定数が
５．８７Åであり、バンドギャップエネルギーが１．３
５ｅＶである。基板３１は、クラッド層３２，３６と同
等な格子定数とバンドギャップエネルギーである。従っ
て障壁層３４は、井戸層３３より２．０％程度小さな格
子定数を有しており、クラッド層３２，３６は、障壁層
３４の格子定数と井戸層３３の格子定数とのほぼ中間の
格子定数を有している。障壁層３４と井戸層３３が交互
に１５層が積層されしかも一番上と一番下の層には障壁
層３４が位置するように形成され、かつその各層の間に
中間層３５が挿入されて、計２９層の積層によってひず
み超格子（ひずみ量子井戸）を形成している。このひず
み超格子の自由空間での格子定数ａSLは、この井戸層３
３と障壁層３４と中間層３５の選択の効果により、クラ
ッド層３２，３６の格子定数と一致している。なお、本
実施例では、井戸層３３には面内圧縮応力がかかるの
で、その圧縮応力によって、より安定なＴＥ発振動作が
得られる。図８は、その活性層付近の層構造の伝導帯バ
ンドダイヤグラム及び自由空間での格子定数ダイヤグラ
ムを示す。本実施例では、井戸層３３に障壁層３４より
大きな格子定数の有するものを使用したが、逆に、井戸
層３３に障壁層３４より小さな格子定数を有するものを
選択しても良い。もちろんこの場合でも、クラッド層３
２，３５の格子定数は、井戸層３３と障壁層３４のほぼ
中間の値でなければならない。井戸層３３に障壁層３４
よりより大きな格子定数の有するものを使用した場合
は、井戸層３３に面内圧縮応力がかかるので、その圧縮
応力によって、より安定なＴＥ発振動作が得られる。ま
た井戸層３３に障壁層３４より小さな格子定数を有する
ものを使用した場合は、井戸層３３に面内引っ張り応力
がかかるので、その引っ張り応力によって、より安定な
ＴＭ発振動作が得られる。
【００１１】
【実施例５】図９は、第５の実施例であり、実施例４と
同じひずみ超格子の構成を光スイッチ素子に用いた例を
示す。導波路層に本発明によるひずみ超格子が使われて
いるほかは、一般のＸ導波型光スイッチと同構造であ
る。ｎ型ＩｎＰ基板４１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層４
２、導波路層を構成するＩｎＧａＡｓＰ井戸層４３、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ障壁層４４、ＩｎＧａＡｓＰ中間層４５が
積層され、その上にｐ型ＩｎＰクラッド層４６、及び電
極接触用のｐ型ＩｎＧａＡｓＰキャップ層４７がＸ字状
にリッジ加工されリッジ導波路を形成している。基板４
１とキャップ層４７にそれぞれ接して、電極１０２と電
極１０１が設けられている。 井戸層４３は、格子定数
が５．９３Åであり、バンドギャップエネルギーが０．
６６ｅＶである。障壁層４４は、格子定数が５．８１Å
であり、バンドギャップエネルギーが０．９５ｅＶであ
る。中間層４５は、格子定数が５．８７Åであり、バン
ドギャップエネルギーが０．９５ｅＶである。クラッド
層４２，４６は、格子定数が５．８７Åであり、バンド
ギャップエネルギーが１．３５ｅＶである。基板４１
は、クラッド層４２，４６と同等な格子定数とバンドギ
ャップエネルギーである。従って障壁層４３は、井戸層
４３より２．０％程度小さな格子定数を有しており、ク
ラッド層４２，４６は、障壁層４４の格子定数と井戸層
４３の格子定数とのほぼ中間の格子定数を有している。
この障壁層４４と井戸層４３は、交互に５１層が積層さ
れしかも一番上と一番下の層は障壁層４４が位置するよ
うに形成され、かつその各層の間に中間層４５が挿入さ
れて、計１０１層の積層によってひずみ超格子（ひずみ
量子井戸）を形成している。この３つの層の厚さは、５
０Åである。また、本実施例では、井戸層４３に障壁層
４４よりより大きな格子定数の有するものを使用した
が、逆に、井戸層４３に障壁層４４より小さな格子定数
を有するものを選択しても良い。もちろんこの場合で
も、クラッド層４２，４６の格子定数は、井戸層４３と
障壁層４４のほぼ中間の値でなければならない。
同じひずみ超格子の構成を光スイッチ素子に用いた例を
示す。導波路層に本発明によるひずみ超格子が使われて
いるほかは、一般のＸ導波型光スイッチと同構造であ
る。ｎ型ＩｎＰ基板４１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層４
２、導波路層を構成するＩｎＧａＡｓＰ井戸層４３、Ｉ
ｎＧａＡｓＰ障壁層４４、ＩｎＧａＡｓＰ中間層４５が
積層され、その上にｐ型ＩｎＰクラッド層４６、及び電
極接触用のｐ型ＩｎＧａＡｓＰキャップ層４７がＸ字状
にリッジ加工されリッジ導波路を形成している。基板４
１とキャップ層４７にそれぞれ接して、電極１０２と電
極１０１が設けられている。 井戸層４３は、格子定数
が５．９３Åであり、バンドギャップエネルギーが０．
６６ｅＶである。障壁層４４は、格子定数が５．８１Å
であり、バンドギャップエネルギーが０．９５ｅＶであ
る。中間層４５は、格子定数が５．８７Åであり、バン
ドギャップエネルギーが０．９５ｅＶである。クラッド
層４２，４６は、格子定数が５．８７Åであり、バンド
ギャップエネルギーが１．３５ｅＶである。基板４１
は、クラッド層４２，４６と同等な格子定数とバンドギ
ャップエネルギーである。従って障壁層４３は、井戸層
４３より２．０％程度小さな格子定数を有しており、ク
ラッド層４２，４６は、障壁層４４の格子定数と井戸層
４３の格子定数とのほぼ中間の格子定数を有している。
この障壁層４４と井戸層４３は、交互に５１層が積層さ
れしかも一番上と一番下の層は障壁層４４が位置するよ
うに形成され、かつその各層の間に中間層４５が挿入さ
れて、計１０１層の積層によってひずみ超格子（ひずみ
量子井戸）を形成している。この３つの層の厚さは、５
０Åである。また、本実施例では、井戸層４３に障壁層
４４よりより大きな格子定数の有するものを使用した
が、逆に、井戸層４３に障壁層４４より小さな格子定数
を有するものを選択しても良い。もちろんこの場合で
も、クラッド層４２，４６の格子定数は、井戸層４３と
障壁層４４のほぼ中間の値でなければならない。
【００１２】
【実施例６】図１０は、第６の実施例で、実施例４，５
とは異なる半導体系のひずみ超格子を用いた発光素子の
実施例を示す。同図において、ｎ型ＧａＡｓ基板５１上
に格子定数を層に垂直方向に徐々に小さくしたｎ型グレ
ーデッドＧａＡｓＰ層５２、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層
５３、ＩｎＧａＡｌＰ井戸層５４、ＩｎＧａＡ ｌＰ障
壁層５５、ＩｎＧａＡｌＰ中間層５６、ｐ型ＩｎＡｌＰ
クラッド層５７、及び電極接触用のｐ型ＩｎＧａＰキャ
ップ層５８が積層され、電流狭搾のためのＳｉＯ2 膜１
０６によるストライプ構造となっている。基板５１とキ
ャップ層５８にそれぞれ接して、電極１０２と電極１０
１が設けられている。井戸層５４は、格子定数が５．６
４Åであり、バンドギャップエネルギーが２．０ｅＶで
ある。障壁層５５は、格子定数が５．５２Åであり、バ
ンドギャップエネルギーが２．３ｅＶである。中間層５
６は、格子定数が５．５８Åであり、バンドギャップエ
ネルギーが２．３ｅＶである。基板５１は、格子定数が
５．６５Åであり、バンドギャップエネルギーが１．４
３ｅＶである。グレーデッド層５２は、格子定数が５．
６５Åから５．５８Åに徐々に変化した層である。クラ
ッド層５３，５７は、格子定数が５．５８Åであり、バ
ンドギャップエネルギーが２．４ｅＶである。従って障
壁層５５は、井戸層５４より２．３％程度小さな格子定
数を有しており、クラッド基板５３，５７は、障壁層５
５の格子定数と井戸層５４の格子定数とのほぼ中間の格
子定数を有している。この障壁層５５と井戸層５４と中
間層５６は、各層厚が７０Åで、障壁層５５と井戸層５
４が交互に１５層が積層されしかも一番上と一番下の層
は障壁層１５が位置するように形成され、かつその各層
の間に中間層５６が挿入されて、計１９層の積層によっ
てひずみ超格子（ひずみ量子井戸）を形成している。こ
のひずみ超格子の自由空間での格子定数ａSLは、この井
戸層５４と障壁層５５と中間層５６の選択の効果によ
り、クラッド層５３，５７の格子定数ａCLと一致してい
る。図１１は、その活性層付近の層構造の伝導帯バンド
ダイヤグラム及び自由空間での格子定数ダイヤグラムを
示す。グレーデッド層５２は、基板５１とクラッド層５
３の間に成長され、基板５１に接している面の格子定数
は基板５１の格子定数とほぼ同じに、クラッド層５３に
接している面の格子定数はクラッド層５３の格子定数と
ほぼ同じになるように、その格子定数を徐々に変化させ
たのが特徴である。このグレーデット層５２により、基
板５１とクラッド層５３，５７の格子定数が違うことが
許され、材料の選択の幅が広がり、バンドギャップエネ
ルギーの大きな材料の成長が可能となり、より短波長の
発光を得ることができる。また、本実施例では、井戸層
５４に障壁層５５より大きな格子定数の有するものを使
用したが、逆に、井戸層５４に障壁層５５より小さな格
子定数を有するものを選択しても良い。もちろんこの場
合でも、クラッド層５３，５７の格子定数は、井戸層５
４と障壁層５５のほぼ中間の値でなければならない。井
戸層５４に障壁層５５よりより大きな格子定数の有する
ものを使用した場合は、井戸層５４に面内圧縮応力がか
かるので、その圧縮応力によって、より安定なＴＥ発振
動作が得られる。また井戸層５４に障壁層５５より小さ
な格子定数を有するものを使用した場合は、井戸層５４
に面内引っ張り応力がかかるので、その引っ張り応力に
よって、より安定なＴＭ発振動作が得られる。
とは異なる半導体系のひずみ超格子を用いた発光素子の
実施例を示す。同図において、ｎ型ＧａＡｓ基板５１上
に格子定数を層に垂直方向に徐々に小さくしたｎ型グレ
ーデッドＧａＡｓＰ層５２、ｎ型ＩｎＡｌＰクラッド層
５３、ＩｎＧａＡｌＰ井戸層５４、ＩｎＧａＡ ｌＰ障
壁層５５、ＩｎＧａＡｌＰ中間層５６、ｐ型ＩｎＡｌＰ
クラッド層５７、及び電極接触用のｐ型ＩｎＧａＰキャ
ップ層５８が積層され、電流狭搾のためのＳｉＯ2 膜１
０６によるストライプ構造となっている。基板５１とキ
ャップ層５８にそれぞれ接して、電極１０２と電極１０
１が設けられている。井戸層５４は、格子定数が５．６
４Åであり、バンドギャップエネルギーが２．０ｅＶで
ある。障壁層５５は、格子定数が５．５２Åであり、バ
ンドギャップエネルギーが２．３ｅＶである。中間層５
６は、格子定数が５．５８Åであり、バンドギャップエ
ネルギーが２．３ｅＶである。基板５１は、格子定数が
５．６５Åであり、バンドギャップエネルギーが１．４
３ｅＶである。グレーデッド層５２は、格子定数が５．
６５Åから５．５８Åに徐々に変化した層である。クラ
ッド層５３，５７は、格子定数が５．５８Åであり、バ
ンドギャップエネルギーが２．４ｅＶである。従って障
壁層５５は、井戸層５４より２．３％程度小さな格子定
数を有しており、クラッド基板５３，５７は、障壁層５
５の格子定数と井戸層５４の格子定数とのほぼ中間の格
子定数を有している。この障壁層５５と井戸層５４と中
間層５６は、各層厚が７０Åで、障壁層５５と井戸層５
４が交互に１５層が積層されしかも一番上と一番下の層
は障壁層１５が位置するように形成され、かつその各層
の間に中間層５６が挿入されて、計１９層の積層によっ
てひずみ超格子（ひずみ量子井戸）を形成している。こ
のひずみ超格子の自由空間での格子定数ａSLは、この井
戸層５４と障壁層５５と中間層５６の選択の効果によ
り、クラッド層５３，５７の格子定数ａCLと一致してい
る。図１１は、その活性層付近の層構造の伝導帯バンド
ダイヤグラム及び自由空間での格子定数ダイヤグラムを
示す。グレーデッド層５２は、基板５１とクラッド層５
３の間に成長され、基板５１に接している面の格子定数
は基板５１の格子定数とほぼ同じに、クラッド層５３に
接している面の格子定数はクラッド層５３の格子定数と
ほぼ同じになるように、その格子定数を徐々に変化させ
たのが特徴である。このグレーデット層５２により、基
板５１とクラッド層５３，５７の格子定数が違うことが
許され、材料の選択の幅が広がり、バンドギャップエネ
ルギーの大きな材料の成長が可能となり、より短波長の
発光を得ることができる。また、本実施例では、井戸層
５４に障壁層５５より大きな格子定数の有するものを使
用したが、逆に、井戸層５４に障壁層５５より小さな格
子定数を有するものを選択しても良い。もちろんこの場
合でも、クラッド層５３，５７の格子定数は、井戸層５
４と障壁層５５のほぼ中間の値でなければならない。井
戸層５４に障壁層５５よりより大きな格子定数の有する
ものを使用した場合は、井戸層５４に面内圧縮応力がか
かるので、その圧縮応力によって、より安定なＴＥ発振
動作が得られる。また井戸層５４に障壁層５５より小さ
な格子定数を有するものを使用した場合は、井戸層５４
に面内引っ張り応力がかかるので、その引っ張り応力に
よって、より安定なＴＭ発振動作が得られる。
【００１３】以上の６つの実施例では、ＩｎＰ、ＧａＡ
ｓ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。実施例として半導体レーザや光
スイッチについて述べたが、本発明は、発光ダイオー
ド、受光素子、さらに、高速トランジスタ等の電子デバ
イスにも容易に応用できる。井戸層と障壁層と中間層の
層厚が同じである例を示したが、目的に応じてそれぞれ
の層厚を任意に変えてもよい。
ｓ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。実施例として半導体レーザや光
スイッチについて述べたが、本発明は、発光ダイオー
ド、受光素子、さらに、高速トランジスタ等の電子デバ
イスにも容易に応用できる。井戸層と障壁層と中間層の
層厚が同じである例を示したが、目的に応じてそれぞれ
の層厚を任意に変えてもよい。
【００１４】本発明において、クラッド層の格子定数を
井戸層と障壁層の格子定数のほぼ中間の値にするという
のは、（｜ａSL−ａCL｜／ａCL）＜０．２％という条件
が得られる程度である。ａSLはひずみ超格子の自由空間
での面方向の格子定数、ａCLはクラッド層の格子定数で
ある。
井戸層と障壁層の格子定数のほぼ中間の値にするという
のは、（｜ａSL−ａCL｜／ａCL）＜０．２％という条件
が得られる程度である。ａSLはひずみ超格子の自由空間
での面方向の格子定数、ａCLはクラッド層の格子定数で
ある。
【００１５】また、本発明において、井戸層と障壁層の
格子定数の差は、ひずみ超格子の効果を得る意図におい
て、０．５％以上が選択される。現在の技術では、最大
７．２％程度の格子定数の差を持ったひずみ超格子が形
成可能である。
格子定数の差は、ひずみ超格子の効果を得る意図におい
て、０．５％以上が選択される。現在の技術では、最大
７．２％程度の格子定数の差を持ったひずみ超格子が形
成可能である。
【００１６】
【発明の効果】従来技術によるひずみ超格子は、井戸層
厚と井戸層数の積が臨界膜厚、すなわち無欠陥で成長可
能な最大の膜厚に達すると欠陥が発生する。一方、本発
明によるひずみ超格子は、原理的には、無限の井戸数を
無欠陥で成長することが出来る。図１２に井戸層幅が１
００Åとした時の従来技術並びに本発明によるひずみ超
格子における格子定数差△ａ／ａと臨界膜厚を意味する
臨界井戸数の関係を示す。同図から読み取れるように、
本発明によれば、格子定数差３％程度までは、無限大の
臨界井戸数を有することを読みとることが出来る。ま
た、同図では示されていないが、井戸層幅を小さくすれ
ば、より大きな格子定数差△ａ／ａでも成長可能とな
る。逆に井戸層幅を大きくすれば、より小さな△ａ／ａ
までしか成長できなくなる。また同図から分かるよう
に、△ａ／ａが０．５％以下の格子定数の差において
は、従来技術によるひずみ超格子でも１０層以上の井戸
層を無欠陥で成長できることまた、成長条件のばらつき
等によって、０．２〜０．３％の△ａ／ａが容易に生じ
ることから、本発明の効果が顕著となる格子定数の差の
量は｜△ａ／ａ｜＞０．５％の領域である。自由空間で
のひずみ超格子の面方向の格子定数ａSLとクラッド層の
格子定数ａCLを一致させるようにひずみ超格子を作製す
ることによって、ひずみ超格子にかかる全体の応力はひ
ずみ超格子の層数にかかわらずゼロまたは非常に低減す
ることができ、層数の多いひずみ超格子の成長が容易に
可能となる。さらに、ひずみ超格子を構成する２種類の
材料の間に、クラッド層の格子定数に近い格子定数を持
つ第３の材料の中間層を挿入することにより、それぞれ
の層にかかる応力が緩和されるため、材料間の相対的な
格子定数差を大きくすることができ、材料選択範囲が広
がる。さらに、同じ理由から、同じ材料を用いた場合そ
れぞれの臨界膜厚が増大する。さらに、直接の結晶成長
が難しい材料系でも、中間層を介して容易に成長ができ
るようになるなど、種々の効果がある。このような層数
の多いひずみ超格子は発光素子、受光素子、電子デバイ
ス等に応用することにより特性の大幅な向上が期待で
き、その効果は大きい。
厚と井戸層数の積が臨界膜厚、すなわち無欠陥で成長可
能な最大の膜厚に達すると欠陥が発生する。一方、本発
明によるひずみ超格子は、原理的には、無限の井戸数を
無欠陥で成長することが出来る。図１２に井戸層幅が１
００Åとした時の従来技術並びに本発明によるひずみ超
格子における格子定数差△ａ／ａと臨界膜厚を意味する
臨界井戸数の関係を示す。同図から読み取れるように、
本発明によれば、格子定数差３％程度までは、無限大の
臨界井戸数を有することを読みとることが出来る。ま
た、同図では示されていないが、井戸層幅を小さくすれ
ば、より大きな格子定数差△ａ／ａでも成長可能とな
る。逆に井戸層幅を大きくすれば、より小さな△ａ／ａ
までしか成長できなくなる。また同図から分かるよう
に、△ａ／ａが０．５％以下の格子定数の差において
は、従来技術によるひずみ超格子でも１０層以上の井戸
層を無欠陥で成長できることまた、成長条件のばらつき
等によって、０．２〜０．３％の△ａ／ａが容易に生じ
ることから、本発明の効果が顕著となる格子定数の差の
量は｜△ａ／ａ｜＞０．５％の領域である。自由空間で
のひずみ超格子の面方向の格子定数ａSLとクラッド層の
格子定数ａCLを一致させるようにひずみ超格子を作製す
ることによって、ひずみ超格子にかかる全体の応力はひ
ずみ超格子の層数にかかわらずゼロまたは非常に低減す
ることができ、層数の多いひずみ超格子の成長が容易に
可能となる。さらに、ひずみ超格子を構成する２種類の
材料の間に、クラッド層の格子定数に近い格子定数を持
つ第３の材料の中間層を挿入することにより、それぞれ
の層にかかる応力が緩和されるため、材料間の相対的な
格子定数差を大きくすることができ、材料選択範囲が広
がる。さらに、同じ理由から、同じ材料を用いた場合そ
れぞれの臨界膜厚が増大する。さらに、直接の結晶成長
が難しい材料系でも、中間層を介して容易に成長ができ
るようになるなど、種々の効果がある。このような層数
の多いひずみ超格子は発光素子、受光素子、電子デバイ
ス等に応用することにより特性の大幅な向上が期待で
き、その効果は大きい。
【図１】本発明の第１の実施例を示す一部拡大図を含む
斜視図である。
斜視図である。
【図２】図１の実施例における活性層付近の層構造の伝
導体バンドダイヤグラムと自由空間での格子定数ダイヤ
グラムである。
導体バンドダイヤグラムと自由空間での格子定数ダイヤ
グラムである。
【図３】本発明におけるひずみ超格子を構成する材料の
バンドギャップエネルギーと格子定数の関係を示す特性
図である。
バンドギャップエネルギーと格子定数の関係を示す特性
図である。
【図４】本発明の第２の実施例を示す斜視図である。
【図５】本発明の第３の実施例を示す斜視図である。
【図６】図５の実施例における活性層付近の層構造の伝
導体バンドダイヤグラムと自由空間での格子定数ダイヤ
グラムである。
導体バンドダイヤグラムと自由空間での格子定数ダイヤ
グラムである。
【図７】本発明の第４の実施例を示す一部拡大図を含む
斜視図である。
斜視図である。
【図８】図７の実施例における活性層付近の層構造の伝
導体バンドダイヤグラムと自由空間での格子定数ダイヤ
グラムである。
導体バンドダイヤグラムと自由空間での格子定数ダイヤ
グラムである。
【図９】本発明の第５の実施例を示す斜視図である。
【図１０】本発明の第６の実施例を示す一部拡大図を含
む斜視図である。
む斜視図である。
【図１１】図１０の実施例における活性層付近の層構造
の伝導体バンドダイヤグラムと自由空間での格子定数ダ
イヤグラムである。
の伝導体バンドダイヤグラムと自由空間での格子定数ダ
イヤグラムである。
【図１２】従来技術と本発明とについて格子定数差と臨
界井戸数の関を対比して示す特性図である。
界井戸数の関を対比して示す特性図である。
【図１３】ひずみ超格子の面方向の格子定数の積層前後
における変化を説明するための図である。
における変化を説明するための図である。
１ ｎ−ＩｎＰ基板 ２ ｎ−ＩｎＰクラッド層 ３ ｐ−ＩｎＰクラッド層 ４ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層 ５ ＩｎＰ半絶縁層 ６ ｎ−ＧａＡｓ基板 ７ クレーデッドｎ−ＧａＡｓＰ層 ８ ｎ−ＩｎＡｌＰクラッド層 ９ ｐ−ＩｎＡｌＰクラッド層 １０ ｐ−ＩｎＧａＰキャップ層 １１ ＩｎＧａＡｓ井戸層 １２ ＩｎＧａＡｓＰ障壁層 １４ ＩｎＧａＡｌＰ井戸層 １５ ＩｎＧａＡｌＰ障壁層 ２１ ｎ−ＩｎＰ基板 ２２ ｎ−ＩｎＰクラッド層 ２３ ＩｎＧａＡｓ井戸層 ２４ ＩｎＧａＡｓＰ障壁層 ２５ ｐ−ＩｎＰクラッド層 ２６ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層 ３１ ｎ−ＩｎＰ基板 ３２ ｎ−ＩｎＰクラッド層 ３３ ＩｎＧａＡｓＰ井戸層 ３４ ＩｎＧａＡｓＰ障壁層 ３５ ＩｎＧａＡｓＰ中間層 ３６ ｐ−ＩｎＰクラッド層 ３７ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層 ３８ ＩｎＰ半絶縁層 ４１ ｎ−ＩｎＰ基板 ４２ ｎ−ＩｎＰクラッド層 ４３ ＩｎＧａＡｓＰ井戸層 ４４ ＩｎＧａＡｓＰ障壁層 ４５ ＩｎＧａＡｓＰ中間層 ４６ ｐ−ＩｎＰクラッド層 ４７ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層 ５１ ｎ−ＧａＡｓ基板 ５２ グレーデッドｎ−ＧａＡｓＰ層 ５３ ｎ−ＩｎＡｌＰクラッド層 ５４ ＩｎＧａＡｌＰ井戸層 ５５ ＩｎＧａＡｌＰ障壁層 ５６ ＩｎＧａＡｌＰ中間層 ５７ ｐ−ＩｎＡｌＰ層 ５８ ｐ−ＩｎＧａＰキャップ層 ５９ ＳｉＯ2 膜 １０１，１０２ 電極 １０３ 入力光 １０４，１０５ 出力光 １０６ ＳｉＯ2 膜
Claims (3)
- 【請求項１】 第一の半導体と、該第一の半導体より小
さな格子定数を持つ第二の半導体を、該第一の半導体の
格子定数と該第二の半導体の格子定数のほぼ中間の格子
定数を持つクラッド層上に、積層してひずみ超格子が形
成され、自由空間の該ひずみ超格子の面方向の格子定数
が前記クラッド層の格子定数とほぼ等しくなるように構
成されたひずみ超格子を有する半導体デバイス。 - 【請求項２】 第一の半導体と、該第一の半導体より
０．５％以上小さな格子定数を持つ第二の半導体を、該
第一の半導体の格子定数と該第二の半導体の格子定数の
ほぼ中間の格子定数を持つクラッド層上に、積層してひ
ずみ超格子が形成され、自由空間の該ひずみ超格子の面
方向の格子定数が前記クラッド層の格子定数とほぼ等し
くなるように構成されたひずみ超格子を有する半導体デ
バイス。 - 【請求項３】 積層された前記第一の半導体と前記第二
の半導体との間に前記クラッド層の格子定数とほぼ等し
い格子定数を有する第三の半導体が挿入されていること
を特徴とする請求項１に記載の半導体デバイス。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4087465A JP2707183B2 (ja) | 1992-03-12 | 1992-03-12 | ひずみ超格子を有する半導体デバイス |
| US08/027,192 US5306924A (en) | 1992-03-12 | 1993-03-05 | Semiconductor device with strained-layer superlattice |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4087465A JP2707183B2 (ja) | 1992-03-12 | 1992-03-12 | ひずみ超格子を有する半導体デバイス |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05259571A true JPH05259571A (ja) | 1993-10-08 |
| JP2707183B2 JP2707183B2 (ja) | 1998-01-28 |
Family
ID=13915646
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4087465A Expired - Fee Related JP2707183B2 (ja) | 1992-03-12 | 1992-03-12 | ひずみ超格子を有する半導体デバイス |
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| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5306924A (ja) |
| JP (1) | JP2707183B2 (ja) |
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| JP2018085450A (ja) * | 2016-11-24 | 2018-05-31 | 住友電気工業株式会社 | 光モジュール |
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