JPH0779047A - 赤外半導体発光素子 - Google Patents
赤外半導体発光素子Info
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- JPH0779047A JPH0779047A JP5222996A JP22299693A JPH0779047A JP H0779047 A JPH0779047 A JP H0779047A JP 5222996 A JP5222996 A JP 5222996A JP 22299693 A JP22299693 A JP 22299693A JP H0779047 A JPH0779047 A JP H0779047A
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- semiconductor
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 容易に作製でき、且つ、高性能な赤外半導体
発光素子を提供する。 【構成】 GaSb基板上にエピタキシャル成長した障壁層
にAl1-x1Gax1Sb半導体、井戸層に歪In1-x2Gax2Sb半導体
（ｘ＝０〜０．５）からなる多重量子井戸層を活性層と
する。
発光素子を提供する。 【構成】 GaSb基板上にエピタキシャル成長した障壁層
にAl1-x1Gax1Sb半導体、井戸層に歪In1-x2Gax2Sb半導体
（ｘ＝０〜０．５）からなる多重量子井戸層を活性層と
する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、赤外半導体発光素子に
関する。
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の化学物半導体を用いた２〜４μｍ
の光源には、GaSb基板に格子整合したInGaAsSb／AlGaAs
Sbヘテロ接合半導体、InAs基板に格子整合したInAsPSb
／AlGaAsSbヘテロ接合半導体がある。図５に従来のInGa
AsSb／AlGaAsSbヘテロ接合半導体の結晶の層構造を示
す。
の光源には、GaSb基板に格子整合したInGaAsSb／AlGaAs
Sbヘテロ接合半導体、InAs基板に格子整合したInAsPSb
／AlGaAsSbヘテロ接合半導体がある。図５に従来のInGa
AsSb／AlGaAsSbヘテロ接合半導体の結晶の層構造を示
す。
【０００３】図５に示すように、従来のInGaAsSb／AlGa
AsSbヘテロ接合半導体において、１１はｐ型電極、１２
はｐ型GaSb電極層、１３はｐ型Al1-x1Gax1As1-y1Sby1ク
ラッド層、１４はヘテロ界面の組成乱れ層、１５はIn
1-x2Gax2As1-y2Sby2活性層、１６はｎ型Al1-x1Gax1As
1-y1Sby1クラッド層、１７はｎ型GaSb電極層、１８はｎ
型GaSb基板、１９はｎ型電極である。そして、この層構
造を実現する結晶成長方法には、分子線エピタキシー
（ＭＢＥ）法、有機金属エピタキシー（ＭＯＣＶＤ）
法、液相エピタキシー（ＬＰＥ）法がある。
AsSbヘテロ接合半導体において、１１はｐ型電極、１２
はｐ型GaSb電極層、１３はｐ型Al1-x1Gax1As1-y1Sby1ク
ラッド層、１４はヘテロ界面の組成乱れ層、１５はIn
1-x2Gax2As1-y2Sby2活性層、１６はｎ型Al1-x1Gax1As
1-y1Sby1クラッド層、１７はｎ型GaSb電極層、１８はｎ
型GaSb基板、１９はｎ型電極である。そして、この層構
造を実現する結晶成長方法には、分子線エピタキシー
（ＭＢＥ）法、有機金属エピタキシー（ＭＯＣＶＤ）
法、液相エピタキシー（ＬＰＥ）法がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】前述した従来のInGaAs
Sb／AlGaAsSbヘテロ接合半導体の層構造において、いず
れの結晶成長方法であってもGaSb基板やInAs基板に格子
定数を合わせて成長するため、２元もしくは３元のＶ族
元素（As,Sb,P）を必要としている。しかし、ＭＢＥ法
やＭＯＣＶＤ法にあっては、Ｖ族元素の分子線、あるい
はガス流量の制御は難しくヘテロ界面での元素間のMixi
ngや相互拡散のため、界面に混晶組成の乱れが生じてし
まう。この乱れは単に組成の急峻性が損なわれたことを
意味するに留まらず、特に、ヘテロ界面を利用して動作
させるデバイスにとっては障害となる界面欠陥の発生や
電子ポテンシャル分布にも乱れを生じさせることとな
る。また、ＬＰＥ法にあっても、液相溶液中でのＶ族元
素の偏析係数が大きく異なるため、均一な組成のエピタ
キシャル膜を作製できないばかりでなく、へてろ界面の
急峻性も損なわれるという問題がある。
Sb／AlGaAsSbヘテロ接合半導体の層構造において、いず
れの結晶成長方法であってもGaSb基板やInAs基板に格子
定数を合わせて成長するため、２元もしくは３元のＶ族
元素（As,Sb,P）を必要としている。しかし、ＭＢＥ法
やＭＯＣＶＤ法にあっては、Ｖ族元素の分子線、あるい
はガス流量の制御は難しくヘテロ界面での元素間のMixi
ngや相互拡散のため、界面に混晶組成の乱れが生じてし
まう。この乱れは単に組成の急峻性が損なわれたことを
意味するに留まらず、特に、ヘテロ界面を利用して動作
させるデバイスにとっては障害となる界面欠陥の発生や
電子ポテンシャル分布にも乱れを生じさせることとな
る。また、ＬＰＥ法にあっても、液相溶液中でのＶ族元
素の偏析係数が大きく異なるため、均一な組成のエピタ
キシャル膜を作製できないばかりでなく、へてろ界面の
急峻性も損なわれるという問題がある。
【０００５】従って、上述した各方法によって通常のヘ
テロ結合半導体レーザを作製しても、ヘテロ界面の急峻
性が損なわれているためにレーザの活性層を薄くするこ
とができず、その結果、レーザの特性で最も重要なしき
い値電流の低減は困難であった。事実、レーザが発光し
ても室温では発振せず、仮に低温で発振してもそのしき
い値電流は極めて高いという問題があった。
テロ結合半導体レーザを作製しても、ヘテロ界面の急峻
性が損なわれているためにレーザの活性層を薄くするこ
とができず、その結果、レーザの特性で最も重要なしき
い値電流の低減は困難であった。事実、レーザが発光し
ても室温では発振せず、仮に低温で発振してもそのしき
い値電流は極めて高いという問題があった。
【０００６】また、近年、上述したＭＢＥ法等で膜厚を
原子レベルで制御し、活性層を多重の量子井戸構造にし
たヘテロ接合半導体レーザでは、レーザのしきい値電流
や動特性等のレーザ基本特性が従来のヘテロ接合半導体
レーザに比べて量子効果により飛躍的に改善されること
が知られている。事実、AlGaAs／GaAs系やInGaAs／InP
系の半導体レーザでこの結果が実証されている。しか
し、このような概念を上述した半導体系に適用して特性
改善に生かそうとしても、前述したように、急峻な界面
を有する薄層の量子井戸を形成することができないとい
う根本的な問題があり、実現は容易ではない。
原子レベルで制御し、活性層を多重の量子井戸構造にし
たヘテロ接合半導体レーザでは、レーザのしきい値電流
や動特性等のレーザ基本特性が従来のヘテロ接合半導体
レーザに比べて量子効果により飛躍的に改善されること
が知られている。事実、AlGaAs／GaAs系やInGaAs／InP
系の半導体レーザでこの結果が実証されている。しか
し、このような概念を上述した半導体系に適用して特性
改善に生かそうとしても、前述したように、急峻な界面
を有する薄層の量子井戸を形成することができないとい
う根本的な問題があり、実現は容易ではない。
【０００７】本発明はこのような問題を解決するもので
あって、容易に作製でき、且つ、高性能な赤外半導体発
光素子を提供することを目的とする。
あって、容易に作製でき、且つ、高性能な赤外半導体発
光素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めの本発明の赤外半導体発光素子は、GaSb基板上にエピ
タキシャル成長した障壁層にAl1-x1Gax1Sb半導体、井戸
層に歪In1-x2Gax2Sb半導体（ｘ２＝０〜０．５）からな
る多重量子井戸層を活性層とすることを特徴とするもの
である。
めの本発明の赤外半導体発光素子は、GaSb基板上にエピ
タキシャル成長した障壁層にAl1-x1Gax1Sb半導体、井戸
層に歪In1-x2Gax2Sb半導体（ｘ２＝０〜０．５）からな
る多重量子井戸層を活性層とすることを特徴とするもの
である。
【０００９】
【作用】結晶工学的には、ヘテロ界面の急峻性が実験的
に実証され、且つ、結晶品質に実績のあるAlGaSb／GaSb
ヘテロ接合半導体系をベースにして、発光層にはSb以外
にＶ族元素を含まず、その代わりにGaSbにIII族Inを導
入した歪In1-xGaxSbを用いている。また、歪層としてい
るので、GaSb基板に格子定数を合わせる必要がない。ま
た、歪In1-xGaxSb３元混晶のエネルギーギャップ（Eg）
がGaSbよりも小さく、発光波長がInの量に応じてGaSbよ
り長波長（１．８〜３．０μｍ）側に任意に波長を選択
できる。更に、Ｖ族元素はSbだけであるので、Ｖ族元素
の制御性に起因したヘテロ界面の組成の乱れは発生せ
ず、III族が多元となるが、一般的に制御性に問題はな
い。このようにして急峻なヘテロ界面を有するエピタキ
シャル成長を容易に行うことができる。一方、デバイス
特性でみると、歪半導体のエピタキシャル成長では、応
力が緩和してミスフィット転位が発生する臨海膜厚が存
在し、このため、結晶構造を多重量子井戸層とすること
が不可避であるが、これは同時にレーザ特性高性能化を
実現することとなる。
に実証され、且つ、結晶品質に実績のあるAlGaSb／GaSb
ヘテロ接合半導体系をベースにして、発光層にはSb以外
にＶ族元素を含まず、その代わりにGaSbにIII族Inを導
入した歪In1-xGaxSbを用いている。また、歪層としてい
るので、GaSb基板に格子定数を合わせる必要がない。ま
た、歪In1-xGaxSb３元混晶のエネルギーギャップ（Eg）
がGaSbよりも小さく、発光波長がInの量に応じてGaSbよ
り長波長（１．８〜３．０μｍ）側に任意に波長を選択
できる。更に、Ｖ族元素はSbだけであるので、Ｖ族元素
の制御性に起因したヘテロ界面の組成の乱れは発生せ
ず、III族が多元となるが、一般的に制御性に問題はな
い。このようにして急峻なヘテロ界面を有するエピタキ
シャル成長を容易に行うことができる。一方、デバイス
特性でみると、歪半導体のエピタキシャル成長では、応
力が緩和してミスフィット転位が発生する臨海膜厚が存
在し、このため、結晶構造を多重量子井戸層とすること
が不可避であるが、これは同時にレーザ特性高性能化を
実現することとなる。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。
に説明する。
【００１１】図１に本発明の一実施例に係る赤外半導体
発光素子を表す歪InGaSb／AlGaSb多重量子井戸半導体発
光素子の結晶の層構造、図２にIn1-x5Gax3Sb量子井戸層
の拡大、図３に多重量子井戸のエネルギーバンド構造、
図４に歪InGaSb／AlGaSb多重量子井戸のフォトルミネッ
センススペクトルを示す。なお、従来と同様の機能を有
する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略す
る。
発光素子を表す歪InGaSb／AlGaSb多重量子井戸半導体発
光素子の結晶の層構造、図２にIn1-x5Gax3Sb量子井戸層
の拡大、図３に多重量子井戸のエネルギーバンド構造、
図４に歪InGaSb／AlGaSb多重量子井戸のフォトルミネッ
センススペクトルを示す。なお、従来と同様の機能を有
する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略す
る。
【００１２】図１に示すように、本実施例の歪InGaSb／
AlGaSb多重量子井戸半導体発光素子において、１１はｐ
型電極、１２はｐ型GaSb電極層、２３はｐ型Al1-x3Gax3
Sbクラッド層、２４はIn1-x5Gax5Sb／Al1-x4Gax4Sb多重
量子井戸層、２７はｎ型Al1- x3Gax3Sbクラッド層、１７
はｎ型GaSb電極層、１８はｎ型GaSb基板、１９はｎ型電
極である。また、In1-x5Gax5Sb／Al1-x4Gax4Sb多重量子
井戸層２４において、図２に示すように、２５はAl1-x4
Gax4Sb障壁層、２６は歪In1-x5Gax5Sb量子井戸層であ
る。
AlGaSb多重量子井戸半導体発光素子において、１１はｐ
型電極、１２はｐ型GaSb電極層、２３はｐ型Al1-x3Gax3
Sbクラッド層、２４はIn1-x5Gax5Sb／Al1-x4Gax4Sb多重
量子井戸層、２７はｎ型Al1- x3Gax3Sbクラッド層、１７
はｎ型GaSb電極層、１８はｎ型GaSb基板、１９はｎ型電
極である。また、In1-x5Gax5Sb／Al1-x4Gax4Sb多重量子
井戸層２４において、図２に示すように、２５はAl1-x4
Gax4Sb障壁層、２６は歪In1-x5Gax5Sb量子井戸層であ
る。
【００１３】また、多重量子井戸層のエネルギーバンド
構造において、図３に示すように、３１，３２はそれぞ
れ電子、正孔の量子凖位で、３３は励起子凖位からの発
光である。ｐ型電極１１から正孔、ｎ型電極１９から電
子を注入すると、歪In1-x5Ga x5Sb量子井戸層２６でこれ
らが再結合して発光する。この状態は発光ダイオードで
あるが、当然のことながら通常の半導体レーザのように
結晶を劈開して反射鏡を設ければレーザ発振が可能とな
る。量子井戸層の厚さは量子井戸に形成される励起子の
基底凖位をどの程度の大きさにするかに依存するが、上
限は前述したようにMathews等により提案されている臨
海膜厚（J.Cryst.Growth 27,118,1974）となる。この値
はおよそ１００Å程度であり、発光波長はInの量を増や
すと狭Egとなってより長波長となるが、同時に臨海膜厚
も減少するので、これを考慮して最適の励起子凖位を設
計する必要がある。
構造において、図３に示すように、３１，３２はそれぞ
れ電子、正孔の量子凖位で、３３は励起子凖位からの発
光である。ｐ型電極１１から正孔、ｎ型電極１９から電
子を注入すると、歪In1-x5Ga x5Sb量子井戸層２６でこれ
らが再結合して発光する。この状態は発光ダイオードで
あるが、当然のことながら通常の半導体レーザのように
結晶を劈開して反射鏡を設ければレーザ発振が可能とな
る。量子井戸層の厚さは量子井戸に形成される励起子の
基底凖位をどの程度の大きさにするかに依存するが、上
限は前述したようにMathews等により提案されている臨
海膜厚（J.Cryst.Growth 27,118,1974）となる。この値
はおよそ１００Å程度であり、発光波長はInの量を増や
すと狭Egとなってより長波長となるが、同時に臨海膜厚
も減少するので、これを考慮して最適の励起子凖位を設
計する必要がある。
【００１４】以上の点を考慮し、図４に実際にInの量を
変えていくと励起子の発光波長がGaSbのEgに対応する波
長１．４μｍから長波側へ２．２μｍまでシフトしてい
る様子を示してある。但し、この実験では、発光に寄与
するキャリヤに生成を図１に示した実施例のような電極
をつけて注入したのではなく、歪In1-xGaxSbのEgより大
きなフォトンエネルギーを有するレーザ光を照射して活
性層である多重量子井戸にフォトンキャリヤとして発生
させる方法を用いている。励起子凖位からの発光を観察
する目的にはどちらの方法でも基本的には同じ結果をも
たらす。また、測定温度は液体窒素温度であり、Al1-x4
Gax4Sb障壁層２５及び歪In1-x5Gax5Sb量子井戸層２６の
厚さは１００Åで、ｘ値は０〜０．５５としている。な
お、この層構造を実現する結晶成長方法は、ＭＢＥ法や
ＭＯＣＶＤ法など、いずれの方法でってもよい。
変えていくと励起子の発光波長がGaSbのEgに対応する波
長１．４μｍから長波側へ２．２μｍまでシフトしてい
る様子を示してある。但し、この実験では、発光に寄与
するキャリヤに生成を図１に示した実施例のような電極
をつけて注入したのではなく、歪In1-xGaxSbのEgより大
きなフォトンエネルギーを有するレーザ光を照射して活
性層である多重量子井戸にフォトンキャリヤとして発生
させる方法を用いている。励起子凖位からの発光を観察
する目的にはどちらの方法でも基本的には同じ結果をも
たらす。また、測定温度は液体窒素温度であり、Al1-x4
Gax4Sb障壁層２５及び歪In1-x5Gax5Sb量子井戸層２６の
厚さは１００Åで、ｘ値は０〜０．５５としている。な
お、この層構造を実現する結晶成長方法は、ＭＢＥ法や
ＭＯＣＶＤ法など、いずれの方法でってもよい。
【００１５】
【発明の効果】以上、実施例を挙げて詳細に説明したよ
うに、本発明の赤外半導体発光素子によれば、GaSb基板
上にエピタキシャル成長した障壁層にAl1-x1Gax1Sb半導
体、井戸層に歪In1-x2Gax2Sb半導体（ｘ＝０〜０．５）
からなる多重量子井戸層を活性層としたので、格子定数
を合わせるために２元以上のＶ族元素（As,Sb,P）を用
いる必要がなくなってヘテロ界面における結晶組成の乱
れがほとんどなくなり、既存の成長装置で良質のエピタ
キシャル膜を成長させることができる。また、多重量子
井戸層を用いているので、発光デバイス、特に半導体レ
ーザの特性を飛躍的に向上させることができる。
うに、本発明の赤外半導体発光素子によれば、GaSb基板
上にエピタキシャル成長した障壁層にAl1-x1Gax1Sb半導
体、井戸層に歪In1-x2Gax2Sb半導体（ｘ＝０〜０．５）
からなる多重量子井戸層を活性層としたので、格子定数
を合わせるために２元以上のＶ族元素（As,Sb,P）を用
いる必要がなくなってヘテロ界面における結晶組成の乱
れがほとんどなくなり、既存の成長装置で良質のエピタ
キシャル膜を成長させることができる。また、多重量子
井戸層を用いているので、発光デバイス、特に半導体レ
ーザの特性を飛躍的に向上させることができる。
【図１】本発明の一実施例に係る赤外半導体発光素子を
表す歪InGaSb／AlGaSb多重量子井戸半導体発光素子の結
晶の層構造を表す概略図である。
表す歪InGaSb／AlGaSb多重量子井戸半導体発光素子の結
晶の層構造を表す概略図である。
【図２】In1-x5Gax3Sb量子井戸層の拡大図である。
【図３】多重量子井戸のエネルギーバンド構造を表す概
略図である。
略図である。
【図４】歪InGaSb／AlGaSb多重量子井戸のフォトルミネ
ッセンススペクトルを表すグラフである。
ッセンススペクトルを表すグラフである。
【図５】従来のInGaAsSb／AlGaAsSbヘテロ接合半導体の
結晶の層構造を表す概略図である。
結晶の層構造を表す概略図である。
１１ ｐ型電極 １２ ｐ型GaSb電極層 １７ ｎ型GaSb電極層 １８ ｎ型GaSb基板 １９ ｎ型電極 ２３ ｐ型Al1-x3Gax3Sbクラッド層 ２４ In1-x5Gax5Sb／Al1-x4Gax4Sb多重量子井戸層 ２５ Al1-x4Gax4Sb障壁層 ２６ 歪In1-x5Gax5Sb量子井戸層 ２７ ｎ型Al1-x3Gax3Sbクラッド層
Claims (1)
- 【請求項１】 GaSb基板上にエピタキシャル成長した障
壁層にAl1-x1Gax1Sb半導体、井戸層に歪In1-x2Gax2Sb半
導体（ｘ＝０〜０．５）からなる多重量子井戸層を活性
層とすることを特徴とする赤外発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5222996A JPH0779047A (ja) | 1993-09-08 | 1993-09-08 | 赤外半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5222996A JPH0779047A (ja) | 1993-09-08 | 1993-09-08 | 赤外半導体発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0779047A true JPH0779047A (ja) | 1995-03-20 |
Family
ID=16791184
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5222996A Withdrawn JPH0779047A (ja) | 1993-09-08 | 1993-09-08 | 赤外半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0779047A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014013944A (ja) * | 2008-03-14 | 2014-01-23 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 赤外線発光素子 |
| KR20180117072A (ko) * | 2018-09-21 | 2018-10-26 | 한국표준과학연구원 | 적외선 발광 다이오드 및 적외선 가스 센서 |
-
1993
- 1993-09-08 JP JP5222996A patent/JPH0779047A/ja not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014013944A (ja) * | 2008-03-14 | 2014-01-23 | Asahi Kasei Electronics Co Ltd | 赤外線発光素子 |
| JP5526360B2 (ja) * | 2008-03-14 | 2014-06-18 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | 赤外線発光素子 |
| KR20180117072A (ko) * | 2018-09-21 | 2018-10-26 | 한국표준과학연구원 | 적외선 발광 다이오드 및 적외선 가스 센서 |
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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: 20001128 |