JPH0529715A - 歪量子井戸構造半導体素子 - Google Patents

歪量子井戸構造半導体素子

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JPH0529715A
JPH0529715A JP3186174A JP18617491A JPH0529715A JP H0529715 A JPH0529715 A JP H0529715A JP 3186174 A JP3186174 A JP 3186174A JP 18617491 A JP18617491 A JP 18617491A JP H0529715 A JPH0529715 A JP H0529715A
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JP
Japan
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quantum well
layer
strained quantum
well structure
barrier
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JP3186174A
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English (en)
Inventor
Shinji Takano
信司 高野
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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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Abstract

(57)【要約】 【目的】 歪量子井戸構造では結晶を積層するにしたが
い、格子不整合(歪)は徐々に緩和され、量子効果が減
じてしまうという欠点を除く。 【構成】 歪量子井戸構造半導体素子において、半導体
基板10と僅かに格子不整するような組成の混晶半導体
を障壁層61〜66として用いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体素子,特にMOV
PE法,MBE法など気相成長法を用いて形成される歪
量子井戸構造半導体素子に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、有機金属気相エピタキシ−(MO
VPE)法,分子線エピタキシ−(MBE)法などの薄
膜結晶成長技術の急速な進展に伴い、単原子層の厚さの
精度で急峻な組成変化をも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】例えば、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も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)低発振しきい値電流,(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,発振波長(周波数)が時間により変化する
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。
【0004】さらに近年、転位などの格子欠陥を生ぜず
に歪みを意図的に内在させた,いわゆる歪み超格子の研
究がすすめられている。この歪み超格子では、格子定数
ばかりでなく電子状態も変化するため、組成と層厚を変
えることにより、禁制帯幅を連続的に変えることが可能
である。また、同時にバンド構造も変化するため価電子
帯の重い正孔の有効質量を下げることができる。このよ
うな歪み超格子は、高移動度トランジスタ(Pseudomorp
hic HEMT)や共鳴トンネルダイオード(Pseudomorp
hic RET)などの電子デバイスに、また半導体レーザ
や発光ダイオードなどの光デバイスへの応用が期待され
ている。
【0005】後者の例として、P.J.A.タイス
(P.J.A.Thijs)等は1991年1月米国にて開催さ
れた国際会議(Conference on Optical Fiber communic
ation :OFC’91)WB2において、1.2〜1.
8%の圧縮歪を加えたInx Gai-x As(X=0.7
−0.8)を量子井戸層,InGaAsPを障壁層とし
た歪量子井戸構造を活性層に用いた1.5μm帯半導体
レーザに関し、20℃における連続動作(CW)条件で
325mWの大出力動作を報告している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし前述の歪量子井
戸構造では、結晶の成長時に本質的に格子不整合は積層
方向で徐々に緩和されるため、層内および層間で歪量に
微妙な相違が生じ、デバイス特性が本来期待されるもの
より劣ってしまうという欠点を有していた。
【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、歪量子井戸構造半導体素
子において、半導体基板と格子不整を有する組成の混晶
半導体を障壁層として用いることである。
【0008】
【作用】本発明では、歪量子井戸構造半導体素子におい
て、半導体基板と格子不整を有する組成の混晶半導体を
障壁層として用いることによって、歪量子井戸層間,障
壁層間に生じる歪量の微妙な相違を補正し、本来期待さ
れる量子効果を得るものである。以下にこの原理につい
て図を参照して説明する。
【0009】図4(a),(b)は、半導体基板上に歪
量子井戸層および半導体基板と格子整合する障壁層を順
次積層した場合の、歪量と伝導帯のエネルギーバンド図
である。歪量子井戸層の歪みは成長に伴い徐々に緩和さ
れ、一方障壁層は歪量子井戸層の影響を受け、僅か歪量
子井戸層と逆の向きに歪む。すなわち、歪量子井戸層の
歪みが圧縮性であれば障壁層には伸張性の,井戸層の歪
みが伸張性であれば障壁層には圧縮性の歪みが加わり、
歪量子井戸層の歪みは減少する。さらに積層するに従
い、各層は下地の平均的な応力を受け上記の傾向は助長
される。このような現象はエネルギーバンドにも反映さ
れ、積層方向で量子準位のエネルギが変化するため、量
子効果が減じてしまう。
【0010】従って、障壁層に基板と適当な格子不整を
有する組成の混晶半導体を用い、歪量子井戸層から受け
る応力を補正することによって、上述の影響を避けるこ
とが可能である。
【0011】
【実施例】本発明による第1の実施例を図1を参照して
詳細に説明する。歪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。図1(a)
に、本発明によるInP基板上に成長した歪量子井戸構
造の断面図を示す。図に示すように歪量子井戸活性層4
0は、5層はInGaAs歪量子井戸層50(歪:+
1.0%,厚さ32オングストローム),厚さ600オ
ングストロームのIni-x Gax Asyi-y 障壁層6
1〜66からなり、障壁層61,66は基板と格子整合
し(組成:x=0.16,y=0.36:1.15μ
m),障壁層62,65は基板に対し−0.1%,障壁
層63,64は基板に対し−0.2%の格子不整量とな
るよう組成x,およびyを上記の値より僅か変えて成長
させたものである。
【0012】このように形成した成長層をフォトルミネ
ッセンス(PL)法により評価したところ、従来の障壁
層に格子不整を与えずに形成した成長層に比べ、PL半
値幅が約70%と狭く、またPL強度も約50%強いス
ペクトルが得られ、本発明によって量子効果の改善が明
確に認められた。
【0013】図(b)は上記の構造を用いた歪量子井戸
レーザの断面図である。回折格子(周期:2410オン
グストローム)12を形成したn−InP半導体基板1
0上に1.15μm組成のn−InGaAsPガイド層
15(層厚:0.12μm),n−InP層(層厚:
0.02μm)20,歪量子井戸活性層40,p−In
Pクラッド層80(層厚:0.8μm)を成長後、LP
E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(Double Channel Planer Buried Het
erostructure:DC−PBH)の分布帰還形歪量子井戸
レーザを形成した。
【0014】共振器長1.2mmにへき開後、前方および
後方端面にそれぞれ無反射,高反射コーティングを施し
て素子特性を評価したところ、発振波長が1.55μ
m,発振閾電流として10〜15mAが得られた。また
室温CW駆動で光出力30mW時において50kHzと
従来にない狭スペクトル線幅が得られた。
【0015】
【実施例2】本発明による第2の実施例を図2を参照し
て説明する。図2は、本発明による歪量子井戸構造の断
面図である。第1の実施例と本実施例との違いは、本実
施例においては各障壁層は層厚が異なるように成長時間
を変化させた以外は基板に対し一定の格子不整量となる
組成にて成長させている点である。
【0016】図に示すように歪量子井戸活性層40は、
10層のInGaAs歪量子井戸層50(歪:+1.5
%,厚さ28オングストローム),および基板に対し−
0.2%の格子不整量となる組成の層厚の異なるIn
i-x Gax Asy i-y 障壁層(組成x,およびyはそ
れぞれ0.16,0.36より僅か変化させた)61〜
69および基板と格子整合し(組成x=0.16,y=
0.36:1.15μm)層厚が600オングストロー
ムの障壁層60,70からなる。障壁層61,69は層
厚が70オングストローム,障壁層62,68は層厚が
80オングストローム,障壁層63,67は層厚が10
0オングストローム,障壁層64,66は層厚が120
オングストローム,障壁層65は層厚が140オングス
トロームとした。
【0017】この場合では、前述したように歪量子井戸
層,および他の(歪)障壁層の影響により層間に生じる
歪量の相違を障壁層の層厚によって補正し、各々の歪量
子井戸層の歪量がほぼ同じになるようにしている。
【0018】
【実施例3】本発明による第3の実施例を図3を参照し
て説明する。図3は、本発明による歪量子井戸構造の断
面図である。第1および第2の実施例と本実施例との違
いは、本実施例において歪量子井戸層としてIni-x
x Asyi-y を用いている点にある。
【0019】図に示すように歪量子井戸活性層40は、
基板に格子整合した場合、1.55μmとなるIni-x
Gax Asyi-y (x=0.37,y=0.82)を
元に歪量が+1.2%となるように組成x,およびyを
僅か変化させた4層のIni-x Gax Asyi-y 歪量
子井戸層50(厚さ42オングストローム),および障
壁層61〜65,ガイド層71〜74からなる。
【0020】ガイド層は厚さ200オングストローム,
1.15μmのIni-x Gax Asyi-y 層72,7
3,厚さ400オングストローム,1.05μmIn
i-x Gax Asyi-y 層71,74から構成されてい
る。
【0021】また障壁層は厚さ100オングストローム
のIni-x Gax Asyi-y 障壁層からなり、障壁層
61,65は基板と格子整合し(組成x=0.25,y
=0.56),障壁層62,64は基板に対し−0.1
%,障壁層63は基板に対し−0.2%の格子不整量と
なるよう組成x,およびyを障壁層61,65の値より
僅か変えて成長させたものである。
【0022】また以上の実施例はInP系の歪量子井戸
構造を例に説明したが、GaAs系など一般の歪量子井
戸構造半導体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おいても適用できる。
【0023】以上述べてきたように、本発明によれば歪
量子井戸構造半導体素子において、半導体基板と格子不
整を有する組成の混晶半導体を障壁層として用いること
によって、歪量子井戸層間,障壁層間に生じる歪量の微
妙な相違を補正し、本来期待される量子効果の顕著なデ
バイス特性を得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施例を示す半導体素子の断面
図および斜視図
【図2】 本発明の第2実施例を示す半導体素子の断面
【図3】 本発明の第3実施例を示す半導体素子の断面
【図4】 本発明の作用を説明するためのバンドタイヤ
グラム
【符号の説明】
10 n−InP半導体基板 12 回折格子 15 n−InGaAsPガイド層 20 n−InPスペーサ層 40 歪量子井戸活性層 50 歪量子井戸層 60〜70 障壁層 71〜74 InGaAsPガイド層 80 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 (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】化合物半導体基板上に歪量子井戸層を含む
    半導体薄膜を積層してなる歪量子井戸構造半導体素子に
    おいて、前記歪量子井戸構造の障壁層が前記半導体基板
    と格子不整を有する組成の混晶半導体からなることを特
    徴とする歪量子井戸構造半導体素子。
  2. 【請求項2】前記障壁層のうち、少なくとも一層が他の
    障壁層とは格子不整量が異なる組成の混晶半導体からな
    ることを特徴とする請求項1記載の歪量子井戸構造半導
    体素子。
  3. 【請求項3】前記障壁層が、組成が一定の混晶半導体か
    らなり、少なくともそのうち一層が他の障壁層と層厚が
    異なることを特徴とする請求項1記載の歪量子井戸構造
    半導体素子。
  4. 【請求項4】化合物半導体基板がInP,歪量子井戸構
    造の障壁がInGaAsP,歪量子井戸層がInGaA
    sからなることを特徴とする請求項1記載の歪量子井戸
    構造半導体素子。
  5. 【請求項5】化合物半導体基板がInP,歪量子井戸構
    造の障壁層がInGaAsP,歪量子井戸層がInGa
    AsPからなることを特徴とする請求項1記載の歪量子
    井戸構造半導体素子。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5339325A (en) * 1992-08-04 1994-08-16 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Strained multiple quantum well semiconductor laser and a method for producing the same
JP2021034497A (ja) * 2019-08-22 2021-03-01 株式会社東芝 半導体発光デバイス
JP7038913B1 (ja) * 2020-12-23 2022-03-18 三菱電機株式会社 半導体レーザ装置
CN114300944A (zh) * 2021-12-31 2022-04-08 山东大学 一种高调制带宽的垂直腔面发射激光器

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