JPS5916428B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
- Publication number
- JPS5916428B2 JPS5916428B2 JP53156730A JP15673078A JPS5916428B2 JP S5916428 B2 JPS5916428 B2 JP S5916428B2 JP 53156730 A JP53156730 A JP 53156730A JP 15673078 A JP15673078 A JP 15673078A JP S5916428 B2 JPS5916428 B2 JP S5916428B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light emitting
- emitting device
- active layer
- semiconductor light
- concentration
- Prior art date
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- Expired
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/18—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
- H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
- H01S5/18308—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] having a special structure for lateral current or light confinement
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
- H01S5/2054—Methods of obtaining the confinement
- H01S5/2059—Methods of obtaining the confinement by means of particular conductivity zones, e.g. obtained by particle bombardment or diffusion
- H01S5/2072—Methods of obtaining the confinement by means of particular conductivity zones, e.g. obtained by particle bombardment or diffusion obtained by vacancy induced diffusion
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
- H01S5/22—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
- H01S5/2205—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers
- H01S5/2214—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure comprising special burying or current confinement layers based on oxides or nitrides
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、■−Ｖ族化合物半導体を用いた発光素子特に
その長寿命化に関する。
その長寿命化に関する。
発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光素子の
寿命は主として活性層における転位やその増殖によつて
支配されており、そのため低転位基板や無転位基板の使
用が必要となつている。
寿命は主として活性層における転位やその増殖によつて
支配されており、そのため低転位基板や無転位基板の使
用が必要となつている。
しかしながら転位を持たない発光素子においても長時間
動作すると発光出力は減少し、現在のところそれを阻止
する方法はない。無転位結晶使用の発光素子で光出力の
減少を生じさせる原因を種々究明した所、これは活性層
中に点欠陥（空格子）又は格子間原子が形成されるため
であることが分つた。
動作すると発光出力は減少し、現在のところそれを阻止
する方法はない。無転位結晶使用の発光素子で光出力の
減少を生じさせる原因を種々究明した所、これは活性層
中に点欠陥（空格子）又は格子間原子が形成されるため
であることが分つた。
即ち■−Ｖ族化合物半導体使用の素子では■族とＶ族の
原子例えばＧａとＡｓが互いに結合しているが長時間使
用でその一方例えばカリウムが移動してＧａの空格子が
でき、また格子間に砒素が入るようになる。この形成さ
れた点欠陥Ｘ、即ちガリウムの空格子ＶＧａ又は格子間
砒素原子Ａｓを何らかの手段で不活性化５ すれば素子
寿命は長〈なろはずとの考えで種々実験した所、活性層
にドナー不純物を添加すると点欠陥は該ドナー不純物と
複合欠陥を作つて安定化されることが確認できた。本発
明はかゝる知見、思索に基ず〈ものであつ１０て、その
特徴とする所はＰ型活性層中に、該活性層のアクセプタ
濃度Ｎａとドナー濃度Ｎｄの比Ｎｄ／Ｎａが０．１以上
の範囲でドナー不純物を添加したことにある。
原子例えばＧａとＡｓが互いに結合しているが長時間使
用でその一方例えばカリウムが移動してＧａの空格子が
でき、また格子間に砒素が入るようになる。この形成さ
れた点欠陥Ｘ、即ちガリウムの空格子ＶＧａ又は格子間
砒素原子Ａｓを何らかの手段で不活性化５ すれば素子
寿命は長〈なろはずとの考えで種々実験した所、活性層
にドナー不純物を添加すると点欠陥は該ドナー不純物と
複合欠陥を作つて安定化されることが確認できた。本発
明はかゝる知見、思索に基ず〈ものであつ１０て、その
特徴とする所はＰ型活性層中に、該活性層のアクセプタ
濃度Ｎａとドナー濃度Ｎｄの比Ｎｄ／Ｎａが０．１以上
の範囲でドナー不純物を添加したことにある。
図面を参照しながら以下これを詳細に説明する。１５半
導体発光素子では動作周波数を高くするため活性領域は
通常Ｐ型にしておく。
導体発光素子では動作周波数を高くするため活性領域は
通常Ｐ型にしておく。
従つて■−Ｖ族化合物半導体発光素子では活性層に■族
であるＺｎ、■族のＧｅなどをアクセプタとして入れる
が、これだけでは第１図の曲線Ｃｌに示すように２０光
出力が時間と共に比較的大きく減少してゆ〈。この第１
図の縦軸は最初の発光出力Ｐｏと任意時間を経過後の発
光出力Ｐとの比Ｐ／Ｐｏを対数目盛上にとつて示してお
り、横軸は該時間をを示す。実験に供した発光素子は第
３図に示す如く、ｎ−２５ＧａＡｆ、Ａｓ層１、Ｐ−Ｇ
ａｏ、９ＡιＯ、１Ａｓ層２、Ｐ−Ｇａｏ、７ＡιＯ、
３Ａｓ層３、電極４、５、ＳｉＯ２絶縁層６等からなる
。層１のＡι含有量は、０．２から０．４迄矢印方向に
漸増し、ｎ型不純物のＴｅは５×１０１７ｃｍ−３の濃
度で添加してある。層２は活３０性層となるもので、こ
れはＰ−ＧａＡｓでもよい。Ｐ型不純物にはＧｅを用い
たがこれはＺｎでもよい。層３の不純物はＧｅ（Ｚｎで
もよい）であり、濃度は１ｏ１８ｃｍ−３であるが、電
極側表面にはコンタクト用として１０２°Ｃｍ−３の濃
度にＺｎを拡散３５した。厚みｄは５０ｐｍ、電極４の
径は４０ｔｔｍである。試験は発光素子を１８０℃に高
めて加速して行なつた。この試験結果からＰ／Ｐ０＝ｃ
ｘｐＡり（−δｔ）の関係が得られ、該発光素子の寿命
は１０４時間程度であると推定される。
であるＺｎ、■族のＧｅなどをアクセプタとして入れる
が、これだけでは第１図の曲線Ｃｌに示すように２０光
出力が時間と共に比較的大きく減少してゆ〈。この第１
図の縦軸は最初の発光出力Ｐｏと任意時間を経過後の発
光出力Ｐとの比Ｐ／Ｐｏを対数目盛上にとつて示してお
り、横軸は該時間をを示す。実験に供した発光素子は第
３図に示す如く、ｎ−２５ＧａＡｆ、Ａｓ層１、Ｐ−Ｇ
ａｏ、９ＡιＯ、１Ａｓ層２、Ｐ−Ｇａｏ、７ＡιＯ、
３Ａｓ層３、電極４、５、ＳｉＯ２絶縁層６等からなる
。層１のＡι含有量は、０．２から０．４迄矢印方向に
漸増し、ｎ型不純物のＴｅは５×１０１７ｃｍ−３の濃
度で添加してある。層２は活３０性層となるもので、こ
れはＰ−ＧａＡｓでもよい。Ｐ型不純物にはＧｅを用い
たがこれはＺｎでもよい。層３の不純物はＧｅ（Ｚｎで
もよい）であり、濃度は１ｏ１８ｃｍ−３であるが、電
極側表面にはコンタクト用として１０２°Ｃｍ−３の濃
度にＺｎを拡散３５した。厚みｄは５０ｐｍ、電極４の
径は４０ｔｔｍである。試験は発光素子を１８０℃に高
めて加速して行なつた。この試験結果からＰ／Ｐ０＝ｃ
ｘｐＡり（−δｔ）の関係が得られ、該発光素子の寿命
は１０４時間程度であると推定される。
活性層２にアクセプタ不純物Ｇ。と共にドナー不純物、
本例ではＴｅを入れたところ（試験はＮａ＝３刈０１８
ｃｍ３一定とし、Ｔ８濃度つまりＮｄを変えて行なつた
）Ｐ／ＰＯ時間特性曲線はＣ２の如くなり、寿命は大幅
に改善された。添加するドナー不純物の量は多い程、寿
命は長寿命化される。しかしあまり多いと活性層はｎ型
になり、注入キヤリヤがホールとなつて動作速度が低下
するため好ましくない。従つて、アクセプタ濃度をＮａ
ドナー濃度をＮｄとするときＮｄ／Ｎａく１にすべきで
あり、好ましい範囲としては０．１くＮｄ／Ｎａく０９
である。Ｎｄ／Ｎａ＝０．９は本例ではＮｄ＝９Ｘ１０
１７ｃｍ−３となるが、この程度が現在の結晶製造技術
で得られる可制御範囲の上限であり、９Ｘ１０１７〜１
Ｘ１０１８？−３の範囲内という値は制御困難領域でも
ある。第２図はＮｄ／Ｎａを０．０１〜１０の範囲で変
化させて各索子の光出力減少係数βを求め、また該βよ
り有効寿命を推定した結果を示す。このグラフから明ら
かなようにドナー不純物の添加はＮｄ／Ｎａ＝０．１あ
たりから効果があり、Ｎｄ／Ｎａが１まで有効である（
それ以上は飽和し、またＮｄ／Ｎａ〉１ではｎ型になつ
てしまう）。ドナー不純物の添加で長寿命化できる理由
を考案するに、これには次のモデルが考えられる。
本例ではＴｅを入れたところ（試験はＮａ＝３刈０１８
ｃｍ３一定とし、Ｔ８濃度つまりＮｄを変えて行なつた
）Ｐ／ＰＯ時間特性曲線はＣ２の如くなり、寿命は大幅
に改善された。添加するドナー不純物の量は多い程、寿
命は長寿命化される。しかしあまり多いと活性層はｎ型
になり、注入キヤリヤがホールとなつて動作速度が低下
するため好ましくない。従つて、アクセプタ濃度をＮａ
ドナー濃度をＮｄとするときＮｄ／Ｎａく１にすべきで
あり、好ましい範囲としては０．１くＮｄ／Ｎａく０９
である。Ｎｄ／Ｎａ＝０．９は本例ではＮｄ＝９Ｘ１０
１７ｃｍ−３となるが、この程度が現在の結晶製造技術
で得られる可制御範囲の上限であり、９Ｘ１０１７〜１
Ｘ１０１８？−３の範囲内という値は制御困難領域でも
ある。第２図はＮｄ／Ｎａを０．０１〜１０の範囲で変
化させて各索子の光出力減少係数βを求め、また該βよ
り有効寿命を推定した結果を示す。このグラフから明ら
かなようにドナー不純物の添加はＮｄ／Ｎａ＝０．１あ
たりから効果があり、Ｎｄ／Ｎａが１まで有効である（
それ以上は飽和し、またＮｄ／Ｎａ〉１ではｎ型になつ
てしまう）。ドナー不純物の添加で長寿命化できる理由
を考案するに、これには次のモデルが考えられる。
無欠陥結晶であつても動作中に欠陥ができてしまうが、
この欠陥Ｘは次のようにイオン化する。結晶がＧａＡ８
の場合欠陥Ｘはガリウムの空格子であり、ホールを出し
て負イオンになつてしまう。発光素子の動作中にか＼る
ものが多数発生すると、この負イオンＸ−は電子をよく
捕えるので発光効率が下つてしまう。一方Ｐ型活性層中
でのドナー不純物Ｄはで示す如く電子を放出して正イオ
ンＤ＋となる。
この欠陥Ｘは次のようにイオン化する。結晶がＧａＡ８
の場合欠陥Ｘはガリウムの空格子であり、ホールを出し
て負イオンになつてしまう。発光素子の動作中にか＼る
ものが多数発生すると、この負イオンＸ−は電子をよく
捕えるので発光効率が下つてしまう。一方Ｐ型活性層中
でのドナー不純物Ｄはで示す如く電子を放出して正イオ
ンＤ＋となる。
従つて点欠陥とドナー不純物が同時に存在するととなり
、活性層中の点欠陥の増加につれて（３）式の反応式は
右へ変化し、中性のＤ＋Ｘ一複合欠陥が形成される。こ
の複合欠陥を通しての再結合は、通常の注入時での電子
、正孔の直接再結合に比べて２桁以上遅いため、発光状
態に殆んど影響を与えない。こうして実効的に非発光中
心Ｘの濃度が減少するため添加ドナー不純物により（３
）式の反応が続く限り発光効率の減少は抑えられ、長寿
命化が図られる。そして上記複合欠陥の形式はアクセプ
タ不純物の存在により妨げられるため、前述のＮｄ／Ｎ
ａの範囲において長寿命化の効果が生じるものと考えら
れる。以上詳細に説明したように本発明では−Ｖ族化合
物半導体利用の発光素子のＰ型性層にドナー不純物を添
加して点欠陥を複合欠陥Ｄ＋Ｘ−として安定化させてし
まうので発光素子の長寿命化を図ることができる。
、活性層中の点欠陥の増加につれて（３）式の反応式は
右へ変化し、中性のＤ＋Ｘ一複合欠陥が形成される。こ
の複合欠陥を通しての再結合は、通常の注入時での電子
、正孔の直接再結合に比べて２桁以上遅いため、発光状
態に殆んど影響を与えない。こうして実効的に非発光中
心Ｘの濃度が減少するため添加ドナー不純物により（３
）式の反応が続く限り発光効率の減少は抑えられ、長寿
命化が図られる。そして上記複合欠陥の形式はアクセプ
タ不純物の存在により妨げられるため、前述のＮｄ／Ｎ
ａの範囲において長寿命化の効果が生じるものと考えら
れる。以上詳細に説明したように本発明では−Ｖ族化合
物半導体利用の発光素子のＰ型性層にドナー不純物を添
加して点欠陥を複合欠陥Ｄ＋Ｘ−として安定化させてし
まうので発光素子の長寿命化を図ることができる。
第１図は発光出力の時間変化を示すグラフ、第２図は濃
度比Ｎｄ／Ｎａと寿命との関係を示すグラフ、第３図は
実験に供した発光素子の構造説明図である。 図面で１はｎ層、２は活性層、３はＰ層、４，５は電極
である。
度比Ｎｄ／Ｎａと寿命との関係を示すグラフ、第３図は
実験に供した発光素子の構造説明図である。 図面で１はｎ層、２は活性層、３はＰ層、４，５は電極
である。
Claims (1)
- １ Ｐ型活性層中に、該活性層のアクセプタ濃度Ｎ＿ａ
とドナー濃度Ｎ＿ｄの比Ｎ＿ｄ／Ｎ＿ａが０．１以上の
範囲でドナー不純物を添加したことを特徴とするIII−
Ｖ族化合物半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP53156730A JPS5916428B2 (ja) | 1978-12-15 | 1978-12-15 | 半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP53156730A JPS5916428B2 (ja) | 1978-12-15 | 1978-12-15 | 半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5582477A JPS5582477A (en) | 1980-06-21 |
| JPS5916428B2 true JPS5916428B2 (ja) | 1984-04-16 |
Family
ID=15634069
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP53156730A Expired JPS5916428B2 (ja) | 1978-12-15 | 1978-12-15 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5916428B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61192733U (ja) * | 1985-05-23 | 1986-12-01 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59213178A (ja) * | 1983-05-19 | 1984-12-03 | Toshiba Corp | 光結合半導体装置 |
-
1978
- 1978-12-15 JP JP53156730A patent/JPS5916428B2/ja not_active Expired
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61192733U (ja) * | 1985-05-23 | 1986-12-01 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5582477A (en) | 1980-06-21 |
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