JPH06101582B2 - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
- Publication number
- JPH06101582B2 JPH06101582B2 JP12602185A JP12602185A JPH06101582B2 JP H06101582 B2 JPH06101582 B2 JP H06101582B2 JP 12602185 A JP12602185 A JP 12602185A JP 12602185 A JP12602185 A JP 12602185A JP H06101582 B2 JPH06101582 B2 JP H06101582B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体装置に係り、特にIII−Ｖ化合物の光波
長１μｍ帯の半導体発光装置および半導体受光装置に関
する。
長１μｍ帯の半導体発光装置および半導体受光装置に関
する。
従来、光波長１μｍ帯の発光ダイオード、受光ダイオー
ドの構造は種々知られている。いずれも、その主なもの
はInP結晶（基板およびバツフア層）上にInGaAsPまたは
InGaAsの活性層を成長させ、次にInP結晶（クラツド
層）とInGaAsP結晶（表面層）を溶液成長法で積んだも
のであり、基板と表面層に電極を形成したものである
（例えば特開昭58−162079号公報）。受光ダイオードの
場合、結晶層は全てｎ型で成長しておき、表面層と閉込
層の１部を不純物拡散法によりＰ型に変換する。ここ
で、この構造においては、活性層上に閉込層を成長する
際に、成長溶液と下地結晶との相平衡の不成立等に起因
して結晶層が溶解してしまう事が多い。このため、活性
層の成長後に活性層とクラツド層の持つ組成の中間的組
成の結晶層（中間層）を少なくとも１層を成長させてお
き、その次にクラツド層を成長する。この場合にも、成
長させうる結晶組成、温度、厚さ等の条件に制約が多
く、良好な素子を得る結晶を歩留良く得る事が著しく困
難である。一方、発光ダイオードにおいては、基板、バ
ツフア層、表面層はｎ型、活性層とクラツド層はｐ型で
結晶成長させたものであり、その後、表面層の１部を不
純物拡散法によつてｐ型に変換する。この構造におい
て、発光波長は活性層のバンドギヤツプ（Eg）によつて
定まる。発光波長が1.3μｍ程度よりも短い場合、活性
層の結晶組成はクラツド層の組成に比較的近く、成長に
ともなう結晶の溶解は生じないが、波長が1.5μｍ程度
のものを得ようとした場合には上記の受光ダイオードの
場合と同じになり、良好な結晶を得る事ができない。し
かも、発光ダイオードの場合には、中間層を入れると中
間層でも発光が生じ、発光波長のズレ，スペクトル半値
巾の増大が生じるので素子特性上、著しく不都合であ
る。また、発光ダイオードでは活性層において注入キヤ
リアの閉込を行なつて発光出力を低下させずに高速応答
とするため、いわゆるダブルヘテロ構造となつている。
キヤリアの閉込効果はInGaAsまたはInGaAsPの活性層とI
nPクラツド層の伝導帯のエネルギ・ギヤツプ差で行なつ
ているが、波長すなわち、活性層の結晶組成に依らず、
従来の結晶系では上記エネルギ・ギヤツプ差が約0.2eV
と小さく、特に電子の閉込めは不十分であつた。このた
め、電流が低い状態でキヤリアのオーバフローが生じて
高出力が得られず、また、通電を停止した直後におい
て、クラツド層にオーバフローした電子が活性層に逆注
入されるため、発光が直ちに停止せず、応答速度が遅く
なる欠点があつた。
ドの構造は種々知られている。いずれも、その主なもの
はInP結晶（基板およびバツフア層）上にInGaAsPまたは
InGaAsの活性層を成長させ、次にInP結晶（クラツド
層）とInGaAsP結晶（表面層）を溶液成長法で積んだも
のであり、基板と表面層に電極を形成したものである
（例えば特開昭58−162079号公報）。受光ダイオードの
場合、結晶層は全てｎ型で成長しておき、表面層と閉込
層の１部を不純物拡散法によりＰ型に変換する。ここ
で、この構造においては、活性層上に閉込層を成長する
際に、成長溶液と下地結晶との相平衡の不成立等に起因
して結晶層が溶解してしまう事が多い。このため、活性
層の成長後に活性層とクラツド層の持つ組成の中間的組
成の結晶層（中間層）を少なくとも１層を成長させてお
き、その次にクラツド層を成長する。この場合にも、成
長させうる結晶組成、温度、厚さ等の条件に制約が多
く、良好な素子を得る結晶を歩留良く得る事が著しく困
難である。一方、発光ダイオードにおいては、基板、バ
ツフア層、表面層はｎ型、活性層とクラツド層はｐ型で
結晶成長させたものであり、その後、表面層の１部を不
純物拡散法によつてｐ型に変換する。この構造におい
て、発光波長は活性層のバンドギヤツプ（Eg）によつて
定まる。発光波長が1.3μｍ程度よりも短い場合、活性
層の結晶組成はクラツド層の組成に比較的近く、成長に
ともなう結晶の溶解は生じないが、波長が1.5μｍ程度
のものを得ようとした場合には上記の受光ダイオードの
場合と同じになり、良好な結晶を得る事ができない。し
かも、発光ダイオードの場合には、中間層を入れると中
間層でも発光が生じ、発光波長のズレ，スペクトル半値
巾の増大が生じるので素子特性上、著しく不都合であ
る。また、発光ダイオードでは活性層において注入キヤ
リアの閉込を行なつて発光出力を低下させずに高速応答
とするため、いわゆるダブルヘテロ構造となつている。
キヤリアの閉込効果はInGaAsまたはInGaAsPの活性層とI
nPクラツド層の伝導帯のエネルギ・ギヤツプ差で行なつ
ているが、波長すなわち、活性層の結晶組成に依らず、
従来の結晶系では上記エネルギ・ギヤツプ差が約0.2eV
と小さく、特に電子の閉込めは不十分であつた。このた
め、電流が低い状態でキヤリアのオーバフローが生じて
高出力が得られず、また、通電を停止した直後におい
て、クラツド層にオーバフローした電子が活性層に逆注
入されるため、発光が直ちに停止せず、応答速度が遅く
なる欠点があつた。
本発明の目的は光波長１μｍ帯のIII−Ｖ化合物半導体
の発光ダイオード、半導体レーザ等の発光装置およびPI
Nホトダイオード、アバランシエホトダイオード等の受
光装置において、良好な結晶が得られ、特に発光装置に
おいては高速、高出力の特性が得られる構造を提供する
事を目的とする。
の発光ダイオード、半導体レーザ等の発光装置およびPI
Nホトダイオード、アバランシエホトダイオード等の受
光装置において、良好な結晶が得られ、特に発光装置に
おいては高速、高出力の特性が得られる構造を提供する
事を目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明においてはInP,InGa
AsPまたはInGaAs系とともにAlm-1InmAs（ 1-n）Pn（0.7
＞ｍ＞0.3,0.4＞ｎ≧０）系を使用する。これは、従来
の欠点であつたInGaAsPまたはInGaAs系活性層の成長
後、InPクラツド層の成長時に結晶が溶解する欠点およ
び活性層とクラツド層間のエネルギ・ギヤツプ差が小さ
いという欠点を解消する事にある。すなわち、本発明に
おいては、クラツド層を従来のInPからAl（ 1-m）InmAs
（ 1-n）Pn（m,nは前記、以後AlGaAsP系と称す）に変更
する事により、溶液成長法において結晶の溶解が生じな
くなる事、AlGaAsP系はInPよりもバンドギヤツプが大き
い事から活性層とクラツド層間のエネルギ・ギヤツプ差
が〜約0.4eVと大きく、キヤリアの閉込が完全に行なえ
るための高速，高出力の発光装置が得られる。
AsPまたはInGaAs系とともにAlm-1InmAs（ 1-n）Pn（0.7
＞ｍ＞0.3,0.4＞ｎ≧０）系を使用する。これは、従来
の欠点であつたInGaAsPまたはInGaAs系活性層の成長
後、InPクラツド層の成長時に結晶が溶解する欠点およ
び活性層とクラツド層間のエネルギ・ギヤツプ差が小さ
いという欠点を解消する事にある。すなわち、本発明に
おいては、クラツド層を従来のInPからAl（ 1-m）InmAs
（ 1-n）Pn（m,nは前記、以後AlGaAsP系と称す）に変更
する事により、溶液成長法において結晶の溶解が生じな
くなる事、AlGaAsP系はInPよりもバンドギヤツプが大き
い事から活性層とクラツド層間のエネルギ・ギヤツプ差
が〜約0.4eVと大きく、キヤリアの閉込が完全に行なえ
るための高速，高出力の発光装置が得られる。
以下、本発明を実施例によつて説明する。
実施例１ 第１図に示した構造の発光ダイオードを作製した。ｎ型
InP基板（１×1018cm-3）１上にｎ型InPバツフア層（１
×1018cm-3:5μｍ）２、ｐ型In0.7Ga0.3As0.64Ｐ0.36活
性層（１×1018cm-3、0.5μｍ）３、ｐ型AlInAsPクラツ
ド層（１×1018cm-3、１μｍ）４、ｎ型Ga0.5In0.5As表
面層（１×1018cm-3、１μｍ）５を溶液成長法により順
に形成した。成長後の表面は鏡面であり、断面観察にお
いても各層の境界は直線的であり、結晶溶解等の無い良
好な状態であつた。この様な状態はクラツド層Al（ 1-m
）InmAs（ 1-n）Pn4のｍおよびｎが１≧m,n≧０のうち、
InPとの結晶格子マツチングが成長温度において±0.5％
以内であれば得られる事がわかつた。次に、表面層５か
ら直径20μｍの円形にZnを熱拡散し、クラツド層４まで
到達させた。図中の６で示す領域が上記の拡散部であ
り、同領域の表面層５の部分はｐ型に変換されている。
次に拡散領域６およびInP基板１に電極7,8を各々形成し
た。電極８は内径200μｍ、外径400μｍのリング状であ
る。電極７および８に順にバイアスを印加したところ、
窓９から波長1.3μｍの光が放出した。光フアイバ（グ
レーデツト・インデツクス、NA＝0.2、コア径50μm;以
下GI−50と称す）からの出力および応答速度を100mAで
調べたところ、入力はクラツド層４の組成に依存してい
た。すなわち、ｍ＝1,n＝１の時（InP）、すなわち、従
来構造では30μＷ、応答速度300MHzであつたが、0.7＞
ｍ＞0.3,0.4＞ｎ≧０（AlInAs）では上記よりも出力、
応答速度とも上回つていた。特に、0.6＞ｍ＞0.4,n＝０
では出力45μＷ、応答速度500MHzであつた。また、上記
以外の組成では、従来のものよりも特性は劣つていた。
このことは、特性がクラツド層と活性層のエネルギ・ギ
ヤツプ依存している事を示すもので、本系で最大のエネ
ルギ・ギヤツプを与えるAlInAsはキヤリアの閉込効果が
良いためである。逆に特性の劣つていた組成領域のエネ
ルギ・ギヤツプ差はInPよりも小さいためである。この
裏づけとして、光出力の飽和する電流値はクラツド層が
AlInAsの時に500mA、InPの時に200mA、この中間ではｍ
＝0.2,n＝0.7近辺で最小の170mAとなる凹形の連続した
関係を示した事からうかがえる。すなわち、エネルギ・
ギヤツプの小さいものはキヤリアのオーバフローを生じ
て低電流で光出力を飽和し、ギヤツプの大きいものは高
電流で出力を飽和するためである。したがつて、本実施
例ではInPと±0.5％で結晶格子が整合し、0.7＞ｍ＞0.
3,0.4＞ｎ≧０であるAl（ 1-m）InmAs（ 1-n）Pnがクラツ
ド層として良い事がわかつた。
InP基板（１×1018cm-3）１上にｎ型InPバツフア層（１
×1018cm-3:5μｍ）２、ｐ型In0.7Ga0.3As0.64Ｐ0.36活
性層（１×1018cm-3、0.5μｍ）３、ｐ型AlInAsPクラツ
ド層（１×1018cm-3、１μｍ）４、ｎ型Ga0.5In0.5As表
面層（１×1018cm-3、１μｍ）５を溶液成長法により順
に形成した。成長後の表面は鏡面であり、断面観察にお
いても各層の境界は直線的であり、結晶溶解等の無い良
好な状態であつた。この様な状態はクラツド層Al（ 1-m
）InmAs（ 1-n）Pn4のｍおよびｎが１≧m,n≧０のうち、
InPとの結晶格子マツチングが成長温度において±0.5％
以内であれば得られる事がわかつた。次に、表面層５か
ら直径20μｍの円形にZnを熱拡散し、クラツド層４まで
到達させた。図中の６で示す領域が上記の拡散部であ
り、同領域の表面層５の部分はｐ型に変換されている。
次に拡散領域６およびInP基板１に電極7,8を各々形成し
た。電極８は内径200μｍ、外径400μｍのリング状であ
る。電極７および８に順にバイアスを印加したところ、
窓９から波長1.3μｍの光が放出した。光フアイバ（グ
レーデツト・インデツクス、NA＝0.2、コア径50μm;以
下GI−50と称す）からの出力および応答速度を100mAで
調べたところ、入力はクラツド層４の組成に依存してい
た。すなわち、ｍ＝1,n＝１の時（InP）、すなわち、従
来構造では30μＷ、応答速度300MHzであつたが、0.7＞
ｍ＞0.3,0.4＞ｎ≧０（AlInAs）では上記よりも出力、
応答速度とも上回つていた。特に、0.6＞ｍ＞0.4,n＝０
では出力45μＷ、応答速度500MHzであつた。また、上記
以外の組成では、従来のものよりも特性は劣つていた。
このことは、特性がクラツド層と活性層のエネルギ・ギ
ヤツプ依存している事を示すもので、本系で最大のエネ
ルギ・ギヤツプを与えるAlInAsはキヤリアの閉込効果が
良いためである。逆に特性の劣つていた組成領域のエネ
ルギ・ギヤツプ差はInPよりも小さいためである。この
裏づけとして、光出力の飽和する電流値はクラツド層が
AlInAsの時に500mA、InPの時に200mA、この中間ではｍ
＝0.2,n＝0.7近辺で最小の170mAとなる凹形の連続した
関係を示した事からうかがえる。すなわち、エネルギ・
ギヤツプの小さいものはキヤリアのオーバフローを生じ
て低電流で光出力を飽和し、ギヤツプの大きいものは高
電流で出力を飽和するためである。したがつて、本実施
例ではInPと±0.5％で結晶格子が整合し、0.7＞ｍ＞0.
3,0.4＞ｎ≧０であるAl（ 1-m）InmAs（ 1-n）Pnがクラツ
ド層として良い事がわかつた。
実施例２ PINホトダイオードを作製した。これを第２図を用いて
説明する。ｎ型InP基板（１×1018cm-3）21上にGa0.5In
0.5As活性層（５×1015cm-3,2μｍ）22,AlInAsPクラツ
ド層（５×1015cm-3,4μｍ）23、ｎ型In0.5Ga0.5As表面
層（５×1015cm-3,1μｍ）24を溶液成長法により成長し
た。この成長において、クラツド層Al（ 1-m）InmAs（ 1-
n）Pnの組成が0.7＞ｍ＞0.3,0.4＞ｎ≧０であり、InPと
の結晶格子整合が成長温度において±0.5％以内であれ
ば結晶は鏡面に成長し、結晶の溶解も発生しない事がわ
かつた。上記の結晶を使用し、表面層25およびクラツド
層24にかけて直径100μｍのZnの拡散領域25を形成し、
ｐ型に変換した。次に拡散領域25と同心円状に直径90μ
ｍの範囲で表面層24をエツチングし、窓26を形成した。
次に、表面層24にSi3N4膜27を1500Åの厚さで被着し、
写真食刻法を用いて拡散領域25と同心円状に直径100μ
ｍの範囲にあるSi3N4膜を除去した。次に拡散領域25と
同心円状の内径90μｍ、外径1.10μｍのリング状にAlの
電極28、InP基板21の裏面にCr−Auの電極29を形成し
た。電極28および電極29に各々（−），（＋）の電圧を
印加し、光電特性を調べた。この結果、逆方向耐圧は70
V、光電変換効率80％、光感度波長範囲は〜1.6μｍであ
り、従来の素子（InPクラツド層、中間層付）と同等の
特性を得た。しかし、素子の作製歩留は従来の方法では
40％であつたが、本発明の方法では90％と非常に高い。
これは、結晶成長の工程において本発明の方法では、中
間層の形成が不要であるため工程が単純である事が、結
晶の溶解が全く発生しない事から、結晶工程の歩留が高
いためである。
説明する。ｎ型InP基板（１×1018cm-3）21上にGa0.5In
0.5As活性層（５×1015cm-3,2μｍ）22,AlInAsPクラツ
ド層（５×1015cm-3,4μｍ）23、ｎ型In0.5Ga0.5As表面
層（５×1015cm-3,1μｍ）24を溶液成長法により成長し
た。この成長において、クラツド層Al（ 1-m）InmAs（ 1-
n）Pnの組成が0.7＞ｍ＞0.3,0.4＞ｎ≧０であり、InPと
の結晶格子整合が成長温度において±0.5％以内であれ
ば結晶は鏡面に成長し、結晶の溶解も発生しない事がわ
かつた。上記の結晶を使用し、表面層25およびクラツド
層24にかけて直径100μｍのZnの拡散領域25を形成し、
ｐ型に変換した。次に拡散領域25と同心円状に直径90μ
ｍの範囲で表面層24をエツチングし、窓26を形成した。
次に、表面層24にSi3N4膜27を1500Åの厚さで被着し、
写真食刻法を用いて拡散領域25と同心円状に直径100μ
ｍの範囲にあるSi3N4膜を除去した。次に拡散領域25と
同心円状の内径90μｍ、外径1.10μｍのリング状にAlの
電極28、InP基板21の裏面にCr−Auの電極29を形成し
た。電極28および電極29に各々（−），（＋）の電圧を
印加し、光電特性を調べた。この結果、逆方向耐圧は70
V、光電変換効率80％、光感度波長範囲は〜1.6μｍであ
り、従来の素子（InPクラツド層、中間層付）と同等の
特性を得た。しかし、素子の作製歩留は従来の方法では
40％であつたが、本発明の方法では90％と非常に高い。
これは、結晶成長の工程において本発明の方法では、中
間層の形成が不要であるため工程が単純である事が、結
晶の溶解が全く発生しない事から、結晶工程の歩留が高
いためである。
なお、第２図において拡散領域25を形成後、領域25を除
去し、領域23上にSi3N4膜27を形成した場合においても
本発明を本質をかえるものでないことは明らかである。
去し、領域23上にSi3N4膜27を形成した場合においても
本発明を本質をかえるものでないことは明らかである。
以上説明した様に、本発明の方法によれば、クラツド層
としてInPを用いる従来の方法と比較して、クラツド
層のバンドギヤツプが大きい事から、キヤリアの閉込効
果が増加し、高速応答で高出力の発光装置を作製でき
る。また、中間層を使用しなくとも結晶の溶解がない
ため、工程が単純で歩留の良い良質の結晶を作製でき
る。上記、，の効果は、実施例で示した発光ダイオ
ードやPINホトダイオードの他に、レーザ・ダイオード
やスーパールミネツセント・ダイオード等の発光装置、
アバランシエ・ホトダイオードやホト・トランジスタ等
の受光装置、発光および受光装置からなる集積回路、光
スイツチ等においても、材料が同じであれば成立する事
は言うまでもない。
としてInPを用いる従来の方法と比較して、クラツド
層のバンドギヤツプが大きい事から、キヤリアの閉込効
果が増加し、高速応答で高出力の発光装置を作製でき
る。また、中間層を使用しなくとも結晶の溶解がない
ため、工程が単純で歩留の良い良質の結晶を作製でき
る。上記、，の効果は、実施例で示した発光ダイオ
ードやPINホトダイオードの他に、レーザ・ダイオード
やスーパールミネツセント・ダイオード等の発光装置、
アバランシエ・ホトダイオードやホト・トランジスタ等
の受光装置、発光および受光装置からなる集積回路、光
スイツチ等においても、材料が同じであれば成立する事
は言うまでもない。
第１図は本発明の一実施例としての発光ダイオードの縦
断面図、第２図は同じくPINホトダイオードの縦断面図
である。 3,22……活性層、4,23……クラツド層。
断面図、第２図は同じくPINホトダイオードの縦断面図
である。 3,22……活性層、4,23……クラツド層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長妻 一之 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 大内 博文 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内
Claims (2)
- 【請求項１】Ga（ 1-x）InxAs（ 1-y）Py（１＞x,y≧０）
からなる活性層があり、Al（m-1 ）InmAs（ 1-n）Pn（0.7
＞ｍ＞0.3,0.4＞ｎ≧０）からなる層が活性層の少なく
とも一方の面と接触しており、上記Al（m-1 ）InmAs（ 1-
n）Pn層の少なくとも１部はｐ型である事を特徴とする
半導体装置。 - 【請求項２】InP層上にGa（ 1-x）InxAs（ 1-y）Py層、Al
（m-1 ）InmAs（ 1-n）Pn層、Ga（ 1-x）InxAs（ 1-y）Py
層、（１＞ｘ′,y′≧０）を順次に成長した事を特徴と
する特許請求範囲第１項記載の半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12602185A JPH06101582B2 (ja) | 1985-06-12 | 1985-06-12 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12602185A JPH06101582B2 (ja) | 1985-06-12 | 1985-06-12 | 半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61284975A JPS61284975A (ja) | 1986-12-15 |
| JPH06101582B2 true JPH06101582B2 (ja) | 1994-12-12 |
Family
ID=14924746
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12602185A Expired - Lifetime JPH06101582B2 (ja) | 1985-06-12 | 1985-06-12 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06101582B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01273379A (ja) * | 1988-04-26 | 1989-11-01 | Sony Corp | 長波長発光半導体レーザー |
| EP1930999A4 (en) | 2005-09-02 | 2011-04-27 | Univ Kyoto | SOURCE OF LASER LIGHT WITH PHOTONIC CRYSTALLINE SURFACE EMISSION IN TWO DIMENSIONS |
-
1985
- 1985-06-12 JP JP12602185A patent/JPH06101582B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61284975A (ja) | 1986-12-15 |
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