JPH07211987A - 半導体発光素子の量子井戸構造 - Google Patents
半導体発光素子の量子井戸構造Info
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- JPH07211987A JPH07211987A JP665694A JP665694A JPH07211987A JP H07211987 A JPH07211987 A JP H07211987A JP 665694 A JP665694 A JP 665694A JP 665694 A JP665694 A JP 665694A JP H07211987 A JPH07211987 A JP H07211987A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 量子井戸層の幅を広げた場合でもバンド混合
効果を抑制することにより価電子帯頂上の有効質量を低
減できる半導体発光素子の量子井戸構造の提供。 【構成】 障壁層１０に挟まれた第１量子井戸層１２中
に、この第１量子井戸層１２のポテンシャルよりも低い
ポテンシャルを有する第２量子井戸層１４を介在させて
いる。そして、第２量子井戸層１４の幅を２〜３ｎｍと
している。
効果を抑制することにより価電子帯頂上の有効質量を低
減できる半導体発光素子の量子井戸構造の提供。 【構成】 障壁層１０に挟まれた第１量子井戸層１２中
に、この第１量子井戸層１２のポテンシャルよりも低い
ポテンシャルを有する第２量子井戸層１４を介在させて
いる。そして、第２量子井戸層１４の幅を２〜３ｎｍと
している。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体発光素子にお
ける量子井戸構造に関する。
ける量子井戸構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の量子井戸構造を有する半導体発光
素子において、量子井戸層の価電子帯頂上の有効質量が
小さい程フェルミレベルの上昇が早くなり、その結果、
半導体発光素子の特性が向上することが知られている。
価電子帯頂上の有効質量は、通常、価電子帯の基底準位
の重い正孔の有効質量に相当する。
素子において、量子井戸層の価電子帯頂上の有効質量が
小さい程フェルミレベルの上昇が早くなり、その結果、
半導体発光素子の特性が向上することが知られている。
価電子帯頂上の有効質量は、通常、価電子帯の基底準位
の重い正孔の有効質量に相当する。
【０００３】ところで、重い正孔の基底準位に他のエネ
ルギー準位が接近すると、バンド混合効果が生じて価電
子帯頂上の有効質量が増大してしまう。バンド混合効果
は、軽い正孔の基底準位と重い正孔の基底準位とのエネ
ルギー差が小さくなる場合、または、重い正孔の基底準
位と重い正孔の高次準位とのエネルギー差が小さくなる
場合に生じる。
ルギー準位が接近すると、バンド混合効果が生じて価電
子帯頂上の有効質量が増大してしまう。バンド混合効果
は、軽い正孔の基底準位と重い正孔の基底準位とのエネ
ルギー差が小さくなる場合、または、重い正孔の基底準
位と重い正孔の高次準位とのエネルギー差が小さくなる
場合に生じる。
【０００４】そこで、軽い正孔の基底準位と重い正孔の
基底準位とのエネルギーの差を増大させて、これら両基
底準位のバンド混合効果を抑制する手法として、量子井
戸層に圧縮歪みを印加する手法が知られている。
基底準位とのエネルギーの差を増大させて、これら両基
底準位のバンド混合効果を抑制する手法として、量子井
戸層に圧縮歪みを印加する手法が知られている。
【０００５】また、重い正孔の基底準位と重い正孔の高
次準位とのエネルギー差を増大させて、これら基底・高
次両準位のバンド混合効果を抑制する手法として、量子
井戸層の幅および深さを制御する手法が知られている。
この手法によれば、量子井戸層の幅を狭くすることによ
り、バンド混合効果を抑制することができる。
次準位とのエネルギー差を増大させて、これら基底・高
次両準位のバンド混合効果を抑制する手法として、量子
井戸層の幅および深さを制御する手法が知られている。
この手法によれば、量子井戸層の幅を狭くすることによ
り、バンド混合効果を抑制することができる。
【０００６】従って、量子井戸層の幅を狭くした場合に
は、軽い正孔と重い正孔の基底準位のバンド混合効果お
よび重い正孔の基底・高次準位のバンド混合効果の両方
を抑制することができる。このため、価電子帯頂上の有
効質量を低減することができるので、半導体発光素子の
特性を向上させることができる。
は、軽い正孔と重い正孔の基底準位のバンド混合効果お
よび重い正孔の基底・高次準位のバンド混合効果の両方
を抑制することができる。このため、価電子帯頂上の有
効質量を低減することができるので、半導体発光素子の
特性を向上させることができる。
【０００７】尚、エネルギーバンドの計算については、
例えば、文献１「ＩＥＥＥ．Ｊ．Ｑ．Ｅ．ｖｏｌ．ＱＥ
−１６．（１９８０）ｐｐ．１７０−１８６」に量子井
戸構造の光学特性の理論計算、文献２：「Ａｐｐｌ．Ｐ
ｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６０（１５），１３ Ａｐｒｉｌ
１９９２．ｐｐ．１８４２−１８４４」に歪み量子井戸
構造の場合の理論計算、また、文献３：「Ｐｈｙｓ．Ｒ
ｅｖ．Ｂ，Ｖｏｌ．４３，Ｎｕｍ．１７，１９９１．ｐ
ｐ．１４ ０９９−１４ １０６」にｋ−ｐ摂動法を用
いた量子井戸構造の場合の価電子帯電子のバンド構造計
算の手法がそれぞれ記載されている。
例えば、文献１「ＩＥＥＥ．Ｊ．Ｑ．Ｅ．ｖｏｌ．ＱＥ
−１６．（１９８０）ｐｐ．１７０−１８６」に量子井
戸構造の光学特性の理論計算、文献２：「Ａｐｐｌ．Ｐ
ｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６０（１５），１３ Ａｐｒｉｌ
１９９２．ｐｐ．１８４２−１８４４」に歪み量子井戸
構造の場合の理論計算、また、文献３：「Ｐｈｙｓ．Ｒ
ｅｖ．Ｂ，Ｖｏｌ．４３，Ｎｕｍ．１７，１９９１．ｐ
ｐ．１４ ０９９−１４ １０６」にｋ−ｐ摂動法を用
いた量子井戸構造の場合の価電子帯電子のバンド構造計
算の手法がそれぞれ記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実際の
量子井戸構造においては、量子井戸層へのキャリアの注
入効率を向上させるため、あるいは所望の発振波長を得
るために、量子井戸層の幅を広げることが必要な場合が
ある。従来の技術では、量子井戸層の幅を広げた場合、
重い正孔の基底準位と高次準位とのエネルギー差を増大
させることができない。このため、量子井戸層の幅を広
げた場合には、バンド混合効果を抑制することができ
ず、その結果、半導体発光素子の特性が劣化するという
問題点があった。
量子井戸構造においては、量子井戸層へのキャリアの注
入効率を向上させるため、あるいは所望の発振波長を得
るために、量子井戸層の幅を広げることが必要な場合が
ある。従来の技術では、量子井戸層の幅を広げた場合、
重い正孔の基底準位と高次準位とのエネルギー差を増大
させることができない。このため、量子井戸層の幅を広
げた場合には、バンド混合効果を抑制することができ
ず、その結果、半導体発光素子の特性が劣化するという
問題点があった。
【０００９】従って、量子井戸層の幅を広げた場合で
も、バンド混合効果を抑制することにより価電子帯頂上
の有効質量を低減できる、半導体発光素子の量子井戸構
造の実現が望まれていた。
も、バンド混合効果を抑制することにより価電子帯頂上
の有効質量を低減できる、半導体発光素子の量子井戸構
造の実現が望まれていた。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この発明の半導体発光素
子の量子井戸構造によれば、障壁層に挟まれた第１量子
井戸層中に、この第１量子井戸層のポテンシャルよりも
低いポテンシャルを有する第２量子井戸層を介在させて
いる。そして、この第２量子井戸層の幅さが、２〜３ｎ
ｍであることを特徴とする。
子の量子井戸構造によれば、障壁層に挟まれた第１量子
井戸層中に、この第１量子井戸層のポテンシャルよりも
低いポテンシャルを有する第２量子井戸層を介在させて
いる。そして、この第２量子井戸層の幅さが、２〜３ｎ
ｍであることを特徴とする。
【００１１】また、好ましくは、第１および第２量子井
戸層を合わせた幅ＬZ に対して、第２量子井戸層の幅ｄ
Ｌが、下記の（１）式を満足する値の上下１５％の範囲
であることが望ましい。
戸層を合わせた幅ＬZ に対して、第２量子井戸層の幅ｄ
Ｌが、下記の（１）式を満足する値の上下１５％の範囲
であることが望ましい。
【００１２】 ｄＬ＝１．０＋０．２ＬZ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
【００１３】
【作用】この発明の半導体発光素子の量子井戸構造によ
れば、第１量子井戸層と、この第１量子井戸層よりも深
いポテンシャルの第２量子井戸とからなる２段階の階段
型のポテンシャルを有する量子井戸構造を具えている。
そして、第２量子井戸の幅ｄＬを２〜３ｎｍの範囲とす
ることによって、実施例の欄で図４を参照して後述する
ように、軽い正孔の基底準位と重い正孔の基底準位のエ
ネルギー差を増大させるだけでなく、重い正孔の基底準
位と高次準位とのエネルギー差も同時に増大させること
ができる。このため、バンド混合効果を抑制することに
より、価電子帯頂上の有効質量を低減することができ
る。その結果、フェルミレベルの上昇速度が速くなるた
めに、半導体発光素子の特性を向上させることができ、
例えば、発振閾値の低減および微分利得の増大を図るこ
とができる。
れば、第１量子井戸層と、この第１量子井戸層よりも深
いポテンシャルの第２量子井戸とからなる２段階の階段
型のポテンシャルを有する量子井戸構造を具えている。
そして、第２量子井戸の幅ｄＬを２〜３ｎｍの範囲とす
ることによって、実施例の欄で図４を参照して後述する
ように、軽い正孔の基底準位と重い正孔の基底準位のエ
ネルギー差を増大させるだけでなく、重い正孔の基底準
位と高次準位とのエネルギー差も同時に増大させること
ができる。このため、バンド混合効果を抑制することに
より、価電子帯頂上の有効質量を低減することができ
る。その結果、フェルミレベルの上昇速度が速くなるた
めに、半導体発光素子の特性を向上させることができ、
例えば、発振閾値の低減および微分利得の増大を図るこ
とができる。
【００１４】また、実施例の欄で図５を参照して後述す
るように、第１量子井戸層の幅ＬZに対して、第２量子
井戸層の幅ｄＬが下記の（１）式を満たす場合に、基底
準位と高次準位とのエネルギー差をほぼ極大にすること
ができる。さらに、この極大となるｄＬの値の前後１５
％の場合も極大値と同様にこのエネルギー差を増大させ
ることができる。
るように、第１量子井戸層の幅ＬZに対して、第２量子
井戸層の幅ｄＬが下記の（１）式を満たす場合に、基底
準位と高次準位とのエネルギー差をほぼ極大にすること
ができる。さらに、この極大となるｄＬの値の前後１５
％の場合も極大値と同様にこのエネルギー差を増大させ
ることができる。
【００１５】 ｄＬ＝１．０＋０．２ＬZ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
【００１６】
【実施例】以下、図面を参照して、この発明の半導体発
光素子の量子井戸構造の一例について説明する。尚、図
面はこの発明が理解できる程度に各構成成分の大きさ、
形状および配置関係を概略的に示しているにすぎない。
従って、この発明は図示例にのみ限定されるものではな
いことは明らかである。
光素子の量子井戸構造の一例について説明する。尚、図
面はこの発明が理解できる程度に各構成成分の大きさ、
形状および配置関係を概略的に示しているにすぎない。
従って、この発明は図示例にのみ限定されるものではな
いことは明らかである。
【００１７】図１は、半導体発光素子の量子井戸構造の
実施例の説明図であり、図１の右側部分に半導体発光素
子の量子井戸構造を示し、その左側部分にその量子井戸
構造のポテンシャルを示している。
実施例の説明図であり、図１の右側部分に半導体発光素
子の量子井戸構造を示し、その左側部分にその量子井戸
構造のポテンシャルを示している。
【００１８】この発明の半導体発光素子の量子井戸構造
では、障壁層１０に挟まれた第１量子井戸層１２中に、
この第１量子井戸層１２のポテンシャルよりも低いポテ
ンシャルを有する第２量子井戸層１４を介在させてい
る。そして、第２量子井戸層１４の幅を２〜３ｎｍとし
ている。この実施例では、基板１６としてＩｎＰ（００
１）基板を用い、また、障壁層１０には、バンドギャッ
プ波長１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰを用い、第１量子井
戸層１２には、Ｉｎ組成Ｘ＝０．５３のＩｎＧａＡｓを
用いている。また、第２量子井戸層１４には、Ｉｎ組成
Ｘ＝０．７５のＩｎＧａＡｓを用いている。
では、障壁層１０に挟まれた第１量子井戸層１２中に、
この第１量子井戸層１２のポテンシャルよりも低いポテ
ンシャルを有する第２量子井戸層１４を介在させてい
る。そして、第２量子井戸層１４の幅を２〜３ｎｍとし
ている。この実施例では、基板１６としてＩｎＰ（００
１）基板を用い、また、障壁層１０には、バンドギャッ
プ波長１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰを用い、第１量子井
戸層１２には、Ｉｎ組成Ｘ＝０．５３のＩｎＧａＡｓを
用いている。また、第２量子井戸層１４には、Ｉｎ組成
Ｘ＝０．７５のＩｎＧａＡｓを用いている。
【００１９】図１中、第１および第２量子井戸層の合計
の幅（以下、全井戸幅とも称する）をＬZ で示し、第２
量子井戸層の幅をｄＬで示す。この実施例では全井戸幅
ＬZを６ｎｍに設定する。この場合の発振波長は１．５
５μｍ付近となる。
の幅（以下、全井戸幅とも称する）をＬZ で示し、第２
量子井戸層の幅をｄＬで示す。この実施例では全井戸幅
ＬZを６ｎｍに設定する。この場合の発振波長は１．５
５μｍ付近となる。
【００２０】また、図１において、第１量子井戸層のポ
テンシャルの深さを表すパラメータとして、障壁層のバ
ンドギャップエネルギーと、第１量子井戸層のバンドギ
ャップエネルギーとの差をＶ１として示している。ま
た、第２量子井戸層のポテンシャルの深さを表すパラメ
ータとして、第１量子井戸層のバンドギャップエネルギ
ーと、第２量子井戸層のバンドギャップエネルギーとの
差をＶ２として示している。この実施例では、Ｖ１＝１
３０ｍｅＶ、Ｖ２＝８０ｍｅＶとした。尚、Ｖ１および
Ｖ２の値を変えて計算した場合も、重い正孔の基底・高
次準位間のエネルギー差、および、軽い正孔および重い
正孔の基底準位間のエネルギー差は大きく変動すること
はなかった。
テンシャルの深さを表すパラメータとして、障壁層のバ
ンドギャップエネルギーと、第１量子井戸層のバンドギ
ャップエネルギーとの差をＶ１として示している。ま
た、第２量子井戸層のポテンシャルの深さを表すパラメ
ータとして、第１量子井戸層のバンドギャップエネルギ
ーと、第２量子井戸層のバンドギャップエネルギーとの
差をＶ２として示している。この実施例では、Ｖ１＝１
３０ｍｅＶ、Ｖ２＝８０ｍｅＶとした。尚、Ｖ１および
Ｖ２の値を変えて計算した場合も、重い正孔の基底・高
次準位間のエネルギー差、および、軽い正孔および重い
正孔の基底準位間のエネルギー差は大きく変動すること
はなかった。
【００２１】また、この実施例では、量子井戸構造を形
成するにあたり、有機金属気相成長法を用いた。成長の
条件は、成長温度を６５０℃とし、Ｖ族元素／ＩＩＩ族
元素比を５０〜２００の間の値とした。また、インジウ
ム（Ｉｎ）の原料としてトリメチルインジウム（ＴＭ
Ｉ）を用い、ガリウム（Ｇａ）の原料としてトリエチル
ガリウム（ＴＥＧ）を用い、リン（Ｐ）の原料としてホ
スフィン（ＰＨ3 ）を用い、砒素（Ａｓ）の原料として
アルシン（ＡｓＨ3 ）を用いた。また、各原料の混合比
は形成する層毎に所望の値に調整する。
成するにあたり、有機金属気相成長法を用いた。成長の
条件は、成長温度を６５０℃とし、Ｖ族元素／ＩＩＩ族
元素比を５０〜２００の間の値とした。また、インジウ
ム（Ｉｎ）の原料としてトリメチルインジウム（ＴＭ
Ｉ）を用い、ガリウム（Ｇａ）の原料としてトリエチル
ガリウム（ＴＥＧ）を用い、リン（Ｐ）の原料としてホ
スフィン（ＰＨ3 ）を用い、砒素（Ａｓ）の原料として
アルシン（ＡｓＨ3 ）を用いた。また、各原料の混合比
は形成する層毎に所望の値に調整する。
【００２２】ところで、第２量子井戸層（Ｘ＝０．７
５、ＩｎＧａＡｓ）は、ＩｎＰ基板に対して約１．５％
の格子定数差がある。このため、欠陥なく結晶成長でき
る最大膜厚（臨界膜厚）が存在する。図２に、この格子
定数差と臨界膜厚との関係を文献「ジャーナル・オブ・
クリスタル・グロース（J.Cryst.Growth）Ｖｏｌ．２
７，ｐ．１１８（１９７５）」に開示されたＭａｔｔｈ
ｅｗｓ等による方法で計算した結果を示す。図２のグラ
フの横軸は格子定数差（％）を示し、縦軸は臨界膜厚
（Å）を示している。また、グラフ中の曲線Ｉは、各格
子定数差のときの臨界膜厚を示している。図２のグラフ
から、この実施例のように格子定数差が１．５％の場合
は、臨界膜厚が１００Åであることが分かる。従って、
この実施例においては、第２量子井戸層の幅ｄＬは、こ
の臨界膜厚よりも薄くする必要がある。
５、ＩｎＧａＡｓ）は、ＩｎＰ基板に対して約１．５％
の格子定数差がある。このため、欠陥なく結晶成長でき
る最大膜厚（臨界膜厚）が存在する。図２に、この格子
定数差と臨界膜厚との関係を文献「ジャーナル・オブ・
クリスタル・グロース（J.Cryst.Growth）Ｖｏｌ．２
７，ｐ．１１８（１９７５）」に開示されたＭａｔｔｈ
ｅｗｓ等による方法で計算した結果を示す。図２のグラ
フの横軸は格子定数差（％）を示し、縦軸は臨界膜厚
（Å）を示している。また、グラフ中の曲線Ｉは、各格
子定数差のときの臨界膜厚を示している。図２のグラフ
から、この実施例のように格子定数差が１．５％の場合
は、臨界膜厚が１００Åであることが分かる。従って、
この実施例においては、第２量子井戸層の幅ｄＬは、こ
の臨界膜厚よりも薄くする必要がある。
【００２３】尚、全井戸幅ＬZ も、従来同様に量子効果
が出現する程度の薄さに制限する必要がある。
が出現する程度の薄さに制限する必要がある。
【００２４】次に、第２量子井戸層の幅と、基底準位お
よび２次準位の重い正孔のバンドギャップエネルギー
差、重いおよび軽い正孔のバンドギャップエネルギー差
との関係について説明する。尚、この実施例の量子井戸
構造のバンドギャップエネルギーの計算にあたっては、
図１の左側部分に示す座標軸を設定し、下記の（２）式
に示すシュレーディンガー方程式を用いた。
よび２次準位の重い正孔のバンドギャップエネルギー
差、重いおよび軽い正孔のバンドギャップエネルギー差
との関係について説明する。尚、この実施例の量子井戸
構造のバンドギャップエネルギーの計算にあたっては、
図１の左側部分に示す座標軸を設定し、下記の（２）式
に示すシュレーディンガー方程式を用いた。
【００２５】 −｛（ｈ／２π）2 ／（２ｍe ）｝（∂φ／∂Ｚ2 ）＋Ｖ(Z) φ＝Ｅφ （２） 但し、ｈはプランク定数、ｍe は有効質量、Ｖ(Z) はポ
テンシャル形状、φは波動導関数、Ｅはエネルギー固有
値をそれぞれ表している。また、計算にあたっては、軽
い正孔に対してｍe ＝０．０６ｍ（ｍは真空中の電子の
質量）、重い正孔に対してｍe ＝０．４０ｍをそれぞれ
代入した。
テンシャル形状、φは波動導関数、Ｅはエネルギー固有
値をそれぞれ表している。また、計算にあたっては、軽
い正孔に対してｍe ＝０．０６ｍ（ｍは真空中の電子の
質量）、重い正孔に対してｍe ＝０．４０ｍをそれぞれ
代入した。
【００２６】先ず、図３に、第２量子井戸層の幅ｄＬに
対する重い正孔のバンドギャップエネルギーの計算結果
を示す。図３のグラフの横軸は、第２量子井戸層の幅ｄ
Ｌを示し、縦軸は、重い正孔のバンドギャップエネルギ
ー（ｍｅＶ）を示している。グラフ中の曲線ＩＩは、基
底準位の重い正孔のバンドギャップエネルギーを示し、
曲線ＩＩＩは、２次の準位の重い正孔のバンドギャップ
エネルギーを示し、曲線ＩＶは、３次の準位の重い正孔
のバンドギャップエネルギーを示している。
対する重い正孔のバンドギャップエネルギーの計算結果
を示す。図３のグラフの横軸は、第２量子井戸層の幅ｄ
Ｌを示し、縦軸は、重い正孔のバンドギャップエネルギ
ー（ｍｅＶ）を示している。グラフ中の曲線ＩＩは、基
底準位の重い正孔のバンドギャップエネルギーを示し、
曲線ＩＩＩは、２次の準位の重い正孔のバンドギャップ
エネルギーを示し、曲線ＩＶは、３次の準位の重い正孔
のバンドギャップエネルギーを示している。
【００２７】ここで、曲線ＩＩと曲線ＩＩＩのバンドギ
ャップエネルギーの差に注目して、第２量子井戸層の幅
ｄＬに対する、基底準位の重い正孔のバンドギャップエ
ネルギー（Ｅｈｈ１）と２次の準位と重い正孔のバンド
ギャップエネルギー（Ｅｈｈ２）との差を図４に示す。
また、重い正孔の基底準位のバンドギャップエネルギー
（Ｅｈｈ１）と軽い正孔のバンドギャップエネルギー
（Ｅｌｈ１）との差も図４に示す。
ャップエネルギーの差に注目して、第２量子井戸層の幅
ｄＬに対する、基底準位の重い正孔のバンドギャップエ
ネルギー（Ｅｈｈ１）と２次の準位と重い正孔のバンド
ギャップエネルギー（Ｅｈｈ２）との差を図４に示す。
また、重い正孔の基底準位のバンドギャップエネルギー
（Ｅｈｈ１）と軽い正孔のバンドギャップエネルギー
（Ｅｌｈ１）との差も図４に示す。
【００２８】図４のグラフの横軸は、第２量子井戸層の
幅ｄＬを示し、左側の縦軸は基底および第２の準位の重
い正孔のバンドギャップエネルギー差を示している。ま
た、右側の縦軸は軽いおよび重い正孔の基底準位のバン
ドギャップエネルギー差を表している。グラフ中の曲線
Ｖは、ｄＬに対するＥｈｈ２とＥｈｈ１との差を表し、
破線ＶＩは、ｄＬに対するＥｈｈ１とＥｌｈ１との差を
表している。曲線Ｖおよび破線ＶＩより、ｄＬが２〜３
ｎｍの範囲で、Ｅｈｈ２−Ｅｈｈ１およびＥｈｈ１−Ｅ
ｌｈ１が同時に極大となることが分かる。例えば、Ｅｈ
ｈ２−Ｅｈｈ１のエネルギーの差が、従来型の量子井戸
構造では極大で４５ｍｅＶ程度であったのに対し、曲線
Ｖでは、エネルギーの差を極大で８５ｍｅＶ程度まで増
大できることが分かる。
幅ｄＬを示し、左側の縦軸は基底および第２の準位の重
い正孔のバンドギャップエネルギー差を示している。ま
た、右側の縦軸は軽いおよび重い正孔の基底準位のバン
ドギャップエネルギー差を表している。グラフ中の曲線
Ｖは、ｄＬに対するＥｈｈ２とＥｈｈ１との差を表し、
破線ＶＩは、ｄＬに対するＥｈｈ１とＥｌｈ１との差を
表している。曲線Ｖおよび破線ＶＩより、ｄＬが２〜３
ｎｍの範囲で、Ｅｈｈ２−Ｅｈｈ１およびＥｈｈ１−Ｅ
ｌｈ１が同時に極大となることが分かる。例えば、Ｅｈ
ｈ２−Ｅｈｈ１のエネルギーの差が、従来型の量子井戸
構造では極大で４５ｍｅＶ程度であったのに対し、曲線
Ｖでは、エネルギーの差を極大で８５ｍｅＶ程度まで増
大できることが分かる。
【００２９】さらに、破線ＶＩよりも曲線Ｖの方が極大
のカーブが急であるため、エネルギー差が大きくなるｄ
Ｌの範囲が小さい。そこで、次にＥｈｈ１とＥｈｈ２と
の差についてより詳しく計算した結果を図５に示す。
のカーブが急であるため、エネルギー差が大きくなるｄ
Ｌの範囲が小さい。そこで、次にＥｈｈ１とＥｈｈ２と
の差についてより詳しく計算した結果を図５に示す。
【００３０】図５の横軸は、第２量子井戸層の幅ｄＬを
表し、縦軸は、基底および第２準位の重い正孔のバンド
ギャップエネルギー差（Ｅｈｈ２−Ｅｈｈ１）を表して
いる。グラフ中の曲線ＶＩＩ、ＶＩＩＩ、ＩＸ、Ｘおよ
びＸＩは、それぞれ全井戸幅ＬZ を４、５、６、８、１
２ｎｍとした場合の、ｄＬに対するＥｈｈ２−Ｅｈｈ１
を示している。図５のグラフの各曲線から、ｄＬが２〜
３ｎｍの範囲で、エネルギー差がいずれもほぼ極大とな
っていることが分かる。
表し、縦軸は、基底および第２準位の重い正孔のバンド
ギャップエネルギー差（Ｅｈｈ２−Ｅｈｈ１）を表して
いる。グラフ中の曲線ＶＩＩ、ＶＩＩＩ、ＩＸ、Ｘおよ
びＸＩは、それぞれ全井戸幅ＬZ を４、５、６、８、１
２ｎｍとした場合の、ｄＬに対するＥｈｈ２−Ｅｈｈ１
を示している。図５のグラフの各曲線から、ｄＬが２〜
３ｎｍの範囲で、エネルギー差がいずれもほぼ極大とな
っていることが分かる。
【００３１】さらに、各曲線を詳しく検討するため、各
ＬZ における、エネルギー差が極大となるｄＬの値をと
ると、下記の表１のようになる。
ＬZ における、エネルギー差が極大となるｄＬの値をと
ると、下記の表１のようになる。
【００３２】
【表１】
【００３３】上記の表１から、エネルギー差が極大とな
るｄＬとＬZ との間には、ほぼ下記の（１）式に示す関
係があることが分かる。
るｄＬとＬZ との間には、ほぼ下記の（１）式に示す関
係があることが分かる。
【００３４】 ｄＬ＝１．０＋０．２ＬZ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１） また、グラフの各曲線から、ｄＬの値が、エネルギー差
が極大となるｄＬ値の±１５％の範囲内ならば、エネル
ギー差がほぼ極大と同等の大きさであることが分かる。
が極大となるｄＬ値の±１５％の範囲内ならば、エネル
ギー差がほぼ極大と同等の大きさであることが分かる。
【００３５】次に、価電子帯頂上の有効質量（基底準位
の重い正孔の有効質量に相当する）と、基底準位および
２次準位の重い正孔のバンドギャップエネルギー差との
関係について、図６および図７を参照して、説明する。
図６および図７では、従来の１層の量子井戸層のバンド
ギャップエネルギーを、前述の文献３に開示の方法で計
算している。また、量子井戸層をＩｎ組成Ｘ＝０．９０
のＩｎＧａＡｓとすることで、２％程度の圧縮歪みを量
子井戸層に印加している。このため、ここでは、軽い正
孔の基底準位と重い正孔の基底準位とのバンドの混合効
果は無視することができる。
の重い正孔の有効質量に相当する）と、基底準位および
２次準位の重い正孔のバンドギャップエネルギー差との
関係について、図６および図７を参照して、説明する。
図６および図７では、従来の１層の量子井戸層のバンド
ギャップエネルギーを、前述の文献３に開示の方法で計
算している。また、量子井戸層をＩｎ組成Ｘ＝０．９０
のＩｎＧａＡｓとすることで、２％程度の圧縮歪みを量
子井戸層に印加している。このため、ここでは、軽い正
孔の基底準位と重い正孔の基底準位とのバンドの混合効
果は無視することができる。
【００３６】また、図６には、量子井戸層の幅を４．５
ｎｍに狭めてバンド混合効果を抑制した場合の計算結
果、図７には、量子井戸層の幅を１０ｎｍに広げてバン
ド混合効果が生じた場合の計算結果をそれぞれ示す。
ｎｍに狭めてバンド混合効果を抑制した場合の計算結
果、図７には、量子井戸層の幅を１０ｎｍに広げてバン
ド混合効果が生じた場合の計算結果をそれぞれ示す。
【００３７】図６および図７いずれもグラフの横軸はバ
ンドギャップエネルギー（ｍｅＶ）を示し、左側の縦軸
は量子井戸面内の電子の波数（１／Å）で表してる。ま
た、右側の縦軸は、基底準位の重い正孔の有効質量（電
子の質量ｍe に対する相対値）を表している。尚、グラ
フの上半分は左側の縦軸に対応し、下半分は右側の縦軸
に対応している。
ンドギャップエネルギー（ｍｅＶ）を示し、左側の縦軸
は量子井戸面内の電子の波数（１／Å）で表してる。ま
た、右側の縦軸は、基底準位の重い正孔の有効質量（電
子の質量ｍe に対する相対値）を表している。尚、グラ
フの上半分は左側の縦軸に対応し、下半分は右側の縦軸
に対応している。
【００３８】また、図６のグラフ中の曲線１ａは、重い
正孔の基底準位のバンド構造図を示し、曲線１ｂは、基
底準位の重い正孔の有効質量を示している。また、図６
のグラフ中の曲線２ａは、重い正孔の２次準位のバンド
構造図を示し、グラフ中の曲線２ｂは、２次準位の重い
正孔の有効質量を示している。
正孔の基底準位のバンド構造図を示し、曲線１ｂは、基
底準位の重い正孔の有効質量を示している。また、図６
のグラフ中の曲線２ａは、重い正孔の２次準位のバンド
構造図を示し、グラフ中の曲線２ｂは、２次準位の重い
正孔の有効質量を示している。
【００３９】ここで、重い正孔の基底準位と２次準位の
バンドギャップエネルギー差は、それぞれ曲線１ａおよ
び曲線２ａの先端のγ１ａ点およびγ２ａ点のエネルギ
ー差で示される。図６では、γ１ａ点の値が約８２ｍｅ
Ｖ、γ２ａ点の値が約５８ｍｅＶであるから、エネルギ
ーの差は僅か２４ｍｅＶとなる。また、このエネルギー
差の場合の基底準位の重い正孔の有効質量は、曲線１ｂ
の先端のＭｂ点では約０．０５（相対値）の大きさとな
る。そして、曲線１ｂは、エネルギーが小さくなると急
激に有効質量が増大し、エネルギーが０ｍｅＶ程度で有
効質量は０．２０に達している。また、通常の半導体中
の電子の質量に近い０．０７を目安とすると、曲線１ｂ
では、エネルギーが５０ｍｅＶ程度で有効質量が０．０
７に達している。
バンドギャップエネルギー差は、それぞれ曲線１ａおよ
び曲線２ａの先端のγ１ａ点およびγ２ａ点のエネルギ
ー差で示される。図６では、γ１ａ点の値が約８２ｍｅ
Ｖ、γ２ａ点の値が約５８ｍｅＶであるから、エネルギ
ーの差は僅か２４ｍｅＶとなる。また、このエネルギー
差の場合の基底準位の重い正孔の有効質量は、曲線１ｂ
の先端のＭｂ点では約０．０５（相対値）の大きさとな
る。そして、曲線１ｂは、エネルギーが小さくなると急
激に有効質量が増大し、エネルギーが０ｍｅＶ程度で有
効質量は０．２０に達している。また、通常の半導体中
の電子の質量に近い０．０７を目安とすると、曲線１ｂ
では、エネルギーが５０ｍｅＶ程度で有効質量が０．０
７に達している。
【００４０】一方、図７のグラフ中の曲線１ｃは、重い
正孔の基底準位のバンド構造図を示し、曲線１ｄは、重
い正孔の基底準位の有効質量を示している。また、図７
のグラフ中の曲線２ｃは、重い正孔の２次準位のバンド
構造を示し、グラフ中の曲線２ｄは、２次準位の重い正
孔の有効質量を示している。
正孔の基底準位のバンド構造図を示し、曲線１ｄは、重
い正孔の基底準位の有効質量を示している。また、図７
のグラフ中の曲線２ｃは、重い正孔の２次準位のバンド
構造を示し、グラフ中の曲線２ｄは、２次準位の重い正
孔の有効質量を示している。
【００４１】ここで、重い正孔の基底準位と２次準位の
バンドギャップエネルギー差は、それぞれ曲線１ｃおよ
び曲線２ｃの先端のγ１ｃ点およびγ２ｃ点のエネルギ
ー差で示される。図６では、γ１ｃ点の値が約５８ｍｅ
Ｖ、γ２ｃ点の値が約−４６ｍｅＶであるから、エネル
ギーの差は１０４ｍｅＶとなる。
バンドギャップエネルギー差は、それぞれ曲線１ｃおよ
び曲線２ｃの先端のγ１ｃ点およびγ２ｃ点のエネルギ
ー差で示される。図６では、γ１ｃ点の値が約５８ｍｅ
Ｖ、γ２ｃ点の値が約−４６ｍｅＶであるから、エネル
ギーの差は１０４ｍｅＶとなる。
【００４２】また、このエネルギー差の場合の基底準位
の重い正孔の有効質量は、曲線１ｄの先端のＭｄ点では
約０．０３（相対値）となっている。そして、曲線１ｄ
は、エネルギーが０ｍｅＶ程度迄は有効質量の増大は僅
かであり、その後有効質量が増大して−６０ｍｅＶ程度
で０．２０に達している。また、曲線１ｄでは、−２５
ｍｅＶ程度で漸く有効質量が０．０７に達している。
の重い正孔の有効質量は、曲線１ｄの先端のＭｄ点では
約０．０３（相対値）となっている。そして、曲線１ｄ
は、エネルギーが０ｍｅＶ程度迄は有効質量の増大は僅
かであり、その後有効質量が増大して−６０ｍｅＶ程度
で０．２０に達している。また、曲線１ｄでは、−２５
ｍｅＶ程度で漸く有効質量が０．０７に達している。
【００４３】従って、図６および図７に示した計算結果
から、重い正孔の基底準位と２次準位のエネルギー差を
大きくした場合は、バンド混合効果が抑制されて基底準
位の重い正孔の有効質量が小さくなることが確かめられ
た。基底準位の重い正孔の有効質量が小さくなると、従
来周知のように、フェルミレベルの上昇が迅速となって
半導体発光素子の特性が向上する。その結果、例えば、
発振閾値電流の低減およ微分利得の増大を図ることがで
きる。さらに、微分利得の増大の結果として、高速変調
特性の改善やスペクトルの線幅増大係数の低減が期待で
き、また、発光効率、出力特性および波長チャーピング
といった特性を向上させることが期待できる。
から、重い正孔の基底準位と２次準位のエネルギー差を
大きくした場合は、バンド混合効果が抑制されて基底準
位の重い正孔の有効質量が小さくなることが確かめられ
た。基底準位の重い正孔の有効質量が小さくなると、従
来周知のように、フェルミレベルの上昇が迅速となって
半導体発光素子の特性が向上する。その結果、例えば、
発振閾値電流の低減およ微分利得の増大を図ることがで
きる。さらに、微分利得の増大の結果として、高速変調
特性の改善やスペクトルの線幅増大係数の低減が期待で
き、また、発光効率、出力特性および波長チャーピング
といった特性を向上させることが期待できる。
【００４４】上述した実施例では、この発明を特定の材
料を使用し、また、特定の条件で構成した場合について
説明したが、この発明は多くの変更および変形を行うこ
とができる。例えば、上述した実施例では、第１量子井
戸層の中央に第２量子井戸層を介在させ、第２量子井戸
層の両側の第１量子井戸層部分の幅を互いに等しくする
ことによりポテンシャルの形状を対称としたが、この発
明では、ポテンシャルの形状を非対称としても良い。
料を使用し、また、特定の条件で構成した場合について
説明したが、この発明は多くの変更および変形を行うこ
とができる。例えば、上述した実施例では、第１量子井
戸層の中央に第２量子井戸層を介在させ、第２量子井戸
層の両側の第１量子井戸層部分の幅を互いに等しくする
ことによりポテンシャルの形状を対称としたが、この発
明では、ポテンシャルの形状を非対称としても良い。
【００４５】また、上述した実施例では、２段階の階段
型ポテンシャルの例について説明したが、例えば、３段
階以上の段数の階段型ポテンシャルを有する量子井戸構
造とすることも考えられる。３段階以上とした場合も、
２段階の場合と同様に半導体素子の特性を向上させるこ
とが期待できる。尚、ポテンシャルの形状を３段階とし
た場合、３段目の量子井戸層として、例えば膜厚１ｎｍ
以下のＩｎＡｓ層を設けると良い。
型ポテンシャルの例について説明したが、例えば、３段
階以上の段数の階段型ポテンシャルを有する量子井戸構
造とすることも考えられる。３段階以上とした場合も、
２段階の場合と同様に半導体素子の特性を向上させるこ
とが期待できる。尚、ポテンシャルの形状を３段階とし
た場合、３段目の量子井戸層として、例えば膜厚１ｎｍ
以下のＩｎＡｓ層を設けると良い。
【００４６】
【発明の効果】この発明の半導体発光素子の量子井戸構
造によれば、第１量子井戸層と、この第１量子井戸層よ
りも深いポテンシャルの第２量子井戸とからなる２段階
の階段型のポテンシャルを有する量子井戸構造を具えて
いる。そして、第２量子井戸の幅ｄＬを２〜３ｎｍの範
囲とすることによって、軽い正孔の基底準位と重い正孔
の基底準位のエネルギー差を増大させるだけでなく、重
い正孔の基底準位と高次準位とのエネルギー差も同時に
増大させることができる。このため、バンド混合効果を
抑制することにより、価電子帯頂上の有効質量を低減す
ることができる。その結果、フェルミレベルの上昇速度
が速くなるために、半導体発光素子の特性を向上させる
ことができ、例えば、発振閾値の低減および微分利得の
増大を図ることができる。
造によれば、第１量子井戸層と、この第１量子井戸層よ
りも深いポテンシャルの第２量子井戸とからなる２段階
の階段型のポテンシャルを有する量子井戸構造を具えて
いる。そして、第２量子井戸の幅ｄＬを２〜３ｎｍの範
囲とすることによって、軽い正孔の基底準位と重い正孔
の基底準位のエネルギー差を増大させるだけでなく、重
い正孔の基底準位と高次準位とのエネルギー差も同時に
増大させることができる。このため、バンド混合効果を
抑制することにより、価電子帯頂上の有効質量を低減す
ることができる。その結果、フェルミレベルの上昇速度
が速くなるために、半導体発光素子の特性を向上させる
ことができ、例えば、発振閾値の低減および微分利得の
増大を図ることができる。
【図１】この発明の実施例の説明に供する図である。
【図２】格子定数差と臨界膜厚との関係を計算した結果
を示すグラフである。
を示すグラフである。
【図３】第２量子井戸層の幅ｄＬに対する重い正孔のバ
ンドギャップエネルギーの計算結果を示すグラフであ
る。
ンドギャップエネルギーの計算結果を示すグラフであ
る。
【図４】第２量子井戸層の幅ｄＬに対する、基底準位の
重い正孔のバンドギャップエネルギー（Ｅｈｈ１）と２
次の準位と重い正孔のバンドギャップエネルギー（Ｅｈ
ｈ２）との差を示すグラフである。
重い正孔のバンドギャップエネルギー（Ｅｈｈ１）と２
次の準位と重い正孔のバンドギャップエネルギー（Ｅｈ
ｈ２）との差を示すグラフである。
【図５】全井戸幅を変えたときの、第２量子井戸層の幅
ｄＬに対する、基底準位の重い正孔のバンドギャップエ
ネルギー（Ｅｈｈ１）と２次の準位と重い正孔のバンド
ギャップエネルギー（Ｅｈｈ２）との差を示すグラフで
ある。
ｄＬに対する、基底準位の重い正孔のバンドギャップエ
ネルギー（Ｅｈｈ１）と２次の準位と重い正孔のバンド
ギャップエネルギー（Ｅｈｈ２）との差を示すグラフで
ある。
【図６】バンド混合効果が生じた場合の価電子帯頂上の
有効質量と、基底準位および２次準位の重い正孔のバン
ドギャップエネルギー差との関係を示すグラフである。
有効質量と、基底準位および２次準位の重い正孔のバン
ドギャップエネルギー差との関係を示すグラフである。
【図７】バンド混合効果が抑制された場合の価電子帯頂
上の有効質量と、基底準位および２次準位の重い正孔の
バンドギャップエネルギー差との関係を示すグラフであ
る。
上の有効質量と、基底準位および２次準位の重い正孔の
バンドギャップエネルギー差との関係を示すグラフであ
る。
１０：障壁層 １２：第１量子井戸層 １４：第２量子井戸層 １６：基板
Claims (2)
- 【請求項１】 障壁層に挟まれた第１量子井戸層中に、
該第１量子井戸層のポテンシャルよりも低いポテンシャ
ルを有する第２量子井戸層を介在させてなる半導体発光
素子であって、 該第２量子井戸層の幅さが、２〜３ｎｍであることを特
徴とする半導体発光素子の量子井戸構造。 - 【請求項２】 請求項１に記載の半導体発光素子におい
て、 前記第１および第２量子井戸層を合わせた幅ＬZ に対し
て、前記第２量子井戸層の幅ｄＬが、下記の（１）式を
満足する値の上下１５％の範囲であることを特徴とする
半導体発光素子の量子井戸構造。 ｄＬ＝１．０＋０．２ＬZ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP665694A JPH07211987A (ja) | 1994-01-25 | 1994-01-25 | 半導体発光素子の量子井戸構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP665694A JPH07211987A (ja) | 1994-01-25 | 1994-01-25 | 半導体発光素子の量子井戸構造 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07211987A true JPH07211987A (ja) | 1995-08-11 |
Family
ID=11644428
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP665694A Withdrawn JPH07211987A (ja) | 1994-01-25 | 1994-01-25 | 半導体発光素子の量子井戸構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07211987A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014038912A (ja) * | 2012-08-13 | 2014-02-27 | Toshiba Corp | 半導体発光素子 |
-
1994
- 1994-01-25 JP JP665694A patent/JPH07211987A/ja not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014038912A (ja) * | 2012-08-13 | 2014-02-27 | Toshiba Corp | 半導体発光素子 |
| KR101497822B1 (ko) * | 2012-08-13 | 2015-03-02 | 가부시끼가이샤 도시바 | 반도체 발광 소자 |
| US9012886B2 (en) | 2012-08-13 | 2015-04-21 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor light emitting device |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20010403 |