JPH0666519B2 - 超格子構造体 - Google Patents

超格子構造体

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JPH0666519B2 JP18962386A JP18962386A JPH0666519B2 JP H0666519 B2 JPH0666519 B2 JP H0666519B2 JP 18962386 A JP18962386 A JP 18962386A JP 18962386 A JP18962386 A JP 18962386A JP H0666519 B2 JPH0666519 B2 JP H0666519B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、エネルギー障壁を人為的に制御し得る超格子
構造体に関するものである。
(従来の技術) 半導体レーザや発行ダイオード等の半導体発光デバイス
においては、発光に寄与する注入電子又はホールを活性
領域に効率よく閉込める必要がある。このため従来の半
導体発光デバイスでは、第5図に示すようにP形活性領
域1の両側にn形クラッド領域2及びP形クラッド領域
3をそれぞれ形成したダブルヘテロ構造を用い、P形活
性領域1とP形クラッド領域3とをバンドギャップがΔ
Eだけ異なる半導体材料で構成されている。この半導体
発光デバイスにおいて閉じ込められた電子又はホールに
対するエネルギー障壁の高さは、バンドギャップΔEと
なり、このバンドギャップΔEは活性領域1及びP形ク
ラッド領域3の半導体材料の固有の物理定数によって規
定される。
一方、近年MBE法やMOCVD法等の結晶成長技術の発展に伴
ない、原子層オーダの極薄膜の結晶成長が可能になり、
量子効果を用いた半導体デバイスの物性制御が行なわれ
ている。例えば、活性層を数十オングストロームに薄膜
化した量子井戸レーザでは、量子井戸中の電子、ホール
のエネルギー準位が離散化され、状態密度関数の増大に
よる低閾値電流化や発光波長の短波長化が図られてい
る。更に、ベース領域をバンドギャップの異なる2種類
の半導体材料を交互に周期をわずかに変えながら構成し
たCHIRP超格子(Coherent Hetero Interface for Refle
ction and Penetration)超格子を電子デバイスとして
利用する提案もなされている。
(発明が解決しようとする問題点) 上述した従来の発光デバイスでは、高温で動作させると
電子、ホールが熱的に高エネルギーに励起されるため、
これら電子、ホールが障壁を乗り越えてしまい発光効率
が著しく低下する不都合があった。また、レーザに利用
した場合閾値電流が増大する不都合も生じていた。更
に、1.5μm帯GaInAsPレーザの場合オージェ過程により
高エネルギー帯に散乱されてしまい、特に高温動作が困
難になる欠点があった。これらの問題点は、いずれも電
子、ホールに対するエネルギー障壁が十分に確保されて
いないことに起因している。
一方、薄膜形成技術の発展に伴ない種々の特性の超格子
構造体が開発されており、この超格子構造体を発光デバ
イスに利用することが期待されている。しかし、上述し
た超格子構造体は電子デバイスとして利用されており、
超格子構造体を用いて電子、ホールを活性領域に閉じ込
める技術は未だ開発されていない。
従って、本発明の目的はエネルギー障壁の高さを人為的
に制御でき、従って発光デバイスとして用いた場合に電
子又はホールを活性領域内に十分に効率よく閉じ込める
ことができるエネルギー障壁を形成できる超格子構造体
を提供するものである。
(問題点を解決するための手段) 本発明による超格子構造体は、バンドギャップが互いに
相異する第1及び第2の半導体材料層を交互に積層した
超格子構造体であって、 hをプランク定数とし、m1 *及びm2 *をそれぞれ第1及び
第2半導体材料における電子の有効質量とし、d1及びd2
をそれぞれ第1及び第2半導体材料層の厚さとし、ΔE
を第1半導体材料の伝導帯の底と第2半導体材料の伝
導帯の底との差とし、Eを超格子構造体に入射した電子
のエネルギーとした場合に、前記第1及び第2の半導体
材料層の厚さを、式 を満たすように設定したことを特徴とするものである。
(作用) バンドギャップが互いに相異する第1及び第2の半導体
材料層を交互に形成して超格子構造体を構成する。第1
の半導体材料の電子親和力をχ、第2の半導体材料の
電子親和力をχとすると、この超格子構造体の伝導帯
の底はΔE=χ−χの振幅で周期的に変化する。
一方、この超格子構造体にエネルギーEの電子が入射す
ると、第1半導体材料層と第2半導体材料層の界面に形
成されるポテンシャルの不連続点で量子力学的に反射さ
れることになる。従って、各不連続点での電子の反射波
の位相を制御し得るように半導体材料1及び2の物理量
を適切に設定すれば、入力電子に対するエネルギー障壁
を人為的に制御できることになる。本発明では、超格子
構造体を構成する第1及び第2の半導体材料層1及び2
の厚さd1及びd2並びに電気的特性を次式を満足するよう
に設定する。
ここで、m1 *及びm2 *は半導体材料1及び2における電子
の有効質量、hはプランク定数、Eは入射電子のエネル
ギーである。(1)式を満足するように、すなわち電子の
反射波の位相差がπの奇数倍となるように半導体1及び
2の各物理量を設定すれば、各不連続点において電子の
反射波の位相が強め合い、入射電子は超格子によって強
く反射され、従って電子に対するエネルギー障壁が等価
的に高められることになる。
尚、ここでは伝導帯の電子について説明したが、価電子
帯のホールについても成立する。
(実施例) 第1図a及びbは本発明による超格子構造体の一実施例
の構成を示すものであり、第1図aは構造図、第1図b
は伝導帯の構造を示す線図である。本例ではバンドギャ
ップの大きい第1の半導体材料層10として厚さ28.3Åか
ら17.0Åまで変化するAlAs層を用い、第2の半導体材料
層11として厚さ56ÅのGaAs層を用いる。そしてAlAs層
10とGaAs層11とを交互に組み合せて超格子構造体を構成
する。この超格子構造体は、例えばMBE法等の結晶成長
技術によって作成することができる。本例では第1半導
体材料層10の厚さを変化させることにより、第1及び第
2半導体材料層10及び11の周期を変化させ複数対組み合
せているから、異なったエネルギーを有する複数の電子
を同時に強く反射することができる。この超格子に入射
した電子の反射率の計算例を第2図に示す。横軸は電子
のエネルギーを示し、縦軸は反射率を示す。第2図から
明らかなように、AlAsのバルクの障壁よりも、更に
約0.3eVだけ高いエネルギーを有する電子も反射される
ことが理解できる。このように本発明による超格子構造
体を用いることにより半導体レーザにおける注入キャリ
ヤを効率よく空間的に閉じ込めることができる。
第3図a及びbは本発明による超格子構造体を波長1.5
μm帯のGaInAsP/InP半導体レーザに応用した例を示
し、第3図aは構造図、第3図bはバンド構造を示す線
図である。1.55μm組成のN形にドーピングしたGaInAs
P活性層20の一方の側にn形のInPクラッド層21を形成す
ると共に他方の側に本発明による多重超格子22を形成す
る。更に、多重超格子22の他方の側にP形InPクラッド
層23を形成する。多重超格子22はGaInAsP層24とInP層25
とを交互に組み合せた構成とする。このようにN形活性
層20とP形クラッド層23との間に多重超格子22を形成す
れば、第3図bに示すように障壁の高さをδEだけ増大
することができ、注入電子を一層効率よく活性層に閉じ
込めることができる。特に、斯る波長帯の半導体レーザ
では、オージェ過程により高エネルギー側に散乱された
電子が二重ヘテロ構想の障壁を乗り越えて濡れてしまい
温度特性が悪化する不具合が指摘されていたが、本発明
の超格子構造体を利用することにより障壁の高さがδE
だけ増大でき、従って閾値電流の温度特性を改善するこ
とができる。
本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。例えば上述した実施例ではGa
1-xAlxAsを用いて説明したが、InGaAsPやGaAlAsSb等の
種々の混晶材料も用いることができる。
更に、上述した実施例では2層構造体を用いて説明した
が、3種以上の結晶を交互に組み合せた超格子構造体も
用いることができる。
(発明の効果) 以上説明したように本発明によれば、バンドギャップの
異なる結晶を交互に組み合せて超格子構造体を構成し、
これら結晶の物理量を入射電子又はホールの反射波に対
して位相を強め合うように構成しているので、エネルギ
ー障壁の高さを人為的に高めることができる。この結
果、半導体レーザに利用すれば、注入キャリヤの閉じ込
め効率を一層向上させることができる。
更に、周期を変えて複数対組み合せることにより、異な
るエネルギーを有する複数の電子を同時に強く反射する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図a及びbは本発明による超格子構造体の一例の構
成を示す構造図及びバンド構造図、 第2図は第1図に示す超格子構造体の入射電子のエネル
ギーに対する反射率の計算例を示すグラフ、 第3図a及びbは本発明による超格子構造体を半導体レ
ーザに応用した例を示す構造図及びバンド構造図、 第4図は従来の半導体レーザのバンドギャップ構造図で
ある。 10……AlAs層、11……GaAs層 20……P形GaInAsP活性層 21……n形InPクラッド層 22……多重超格子 23……P形InPクラッド層 24……P形GaInAsP層、25……InP層

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】バンドギャップが互いに相異する第1及び
    第2の半導体材料層を交互に積層した超格子構造体であ
    って、 hをプランク定数とし、m1 *及びm2 *をそれぞれ第1及び
    第2半導体材料中における電子の有効質量とし、d1及び
    d2をそれぞれ第1及び第2半導体材料層の厚さとし、Δ
    を第1半導体材料の伝導帯の底と第2半導体材料の
    伝導帯の底との差とし、Eを超格子構造体に入射した電
    子のエネルギーとした場合に、前記第1及び第2の半導
    体材料層の厚さを、式 を満たすように設定したことを特徴とする超格子構造
    体。
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