JPS60167390A - 半導体発光素子 - Google Patents

半導体発光素子

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JPS60167390A
JPS60167390A JP59023101A JP2310184A JPS60167390A JP S60167390 A JPS60167390 A JP S60167390A JP 59023101 A JP59023101 A JP 59023101A JP 2310184 A JP2310184 A JP 2310184A JP S60167390 A JPS60167390 A JP S60167390A
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JP
Japan
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layer
base
active layer
collector
emitter
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Pending
Application number
JP59023101A
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English (en)
Inventor
Masamichi Yamanishi
正道 山西
Seiji Onaka
清司 大仲
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPS60167390A publication Critical patent/JPS60167390A/ja
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/20Structure 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
    • H01S5/22Structure 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
    • H01S5/227Buried mesa structure ; Striped active layer
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/06203Transistor-type lasers
    • HELECTRICITY
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    • H01SDEVICES 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
    • H01S5/00Semiconductor lasers
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    • H01S5/227Buried mesa structure ; Striped active layer
    • H01S5/2275Buried mesa structure ; Striped active layer mesa created by etching

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は半導体レーザ、発光ダイオードなどの半導体発
光素子に関する。
従来例の構成とその問題点 半導体レーザ、発光ダイオードなどの半導体発光素子は
、光フアイバ通信・光ディスクなどの光情報処理・光を
使った光応用計測などに応用されており、光産業の発展
にとも々って今後大きな需要が見込まれている。
半導体発光素子たとえばAl2GaAs半導体レーザの
場合、発振波長は約0.9μmである。この波長は周波
数になおすと2X1015Hz という非常に高い周波
数になる。しかし現在のところ半導体レーザの変調周波
数は109Hz オーダーが実現されているに過ぎず、
半導体レーザの高速化の面において半導体レーザの性能
が十分に生かされているとは言えないのが現状である。
半導体レーザの変調周波数がIGHz 程度にとどまっ
ている原因の1つに活性層に注入されたキャリアの再結
合速度による影響がある。
第1図(a)に従来のBH(埋込みへテロ接合形)レー
ザの構造を示す。InGaAsPのDHレーザの場合1
はn形InP基板、2はn形InPバッファ一層、3は
InGaAsP1性層、4はp形InPクラッド層、5
はI nGaAs P キャップ層、6はn形InP埋
込層、7はS z02膜、8はA u/Z n電極、9
はA u/S n電極である。第1図(b)は第1図(
a)の一点鎖線A−A’に沿ったエネルギーバンド図で
ある。P−InPから活性層に正孔が、n−InPから
活性層に電子がそれぞれ注入され、活性層内で注入され
だ正孔と電子とが再結合して発光する。レーザを直接変
調する場合、発光量の変調は電子および正孔の注入量を
変化することによって行なわれる。そこでたとえば電子
および正孔の注入を止めたとすると、それまでに活性層
に注入されていた正孔おrび電子はある再結合速度に従
って減少し、発光量もこれに従って減少していく。した
がって変調速度はこの再結合速度によって制約され、通
常数n5ecすなわち数百MHzとなる。寸だ、活性層
に注入された電子は矢印Bで示すようにオーバーフロー
してP−InP 層に注入され半導体レーザの発光効率
を低下させる原因になっている。
従来の半導体レーザにおいては上述のように、キャリア
の再結合速度が遅いことおよび電子のオーバーフローと
いうような問題点があった。
発明の目的 本発明はこのような従来の半導体レーザの問題末 点を解拵するだめになされたものであり、高速変調が可
能で電子のオーバーフローが少ない半導体レーザを提供
することを目的とする。
発明の構成 本発明は第1導電形のエミツタ層、第2導電形のベース
層および第1導電形のコレクタ層よりなるトランジスタ
構造の上記エミツタ層と上記ベース層との間に発光層と
なる活性層を設けた構成を有する半導体発光素子であり
、エミッタ・ベース接合に電流を注入することにより発
光を行ない、ベース・コレクタ接合に逆バイアスを印加
することにより活性層内に蓄積されたキャリアを強制的
に吸い出して変調速度の高速化を図るものである。
実施例の説明 以下、本発明を実施例に従って説明する。第2図に本発
明をBHレーザに応用した本発明の第1の実施例を示す
。たとえばI nGaAs P のBHレーザを例にと
ると、11はp形InP基板、12はp形Inpコレク
タ層、13はn形InPベース層、14はInGaAs
P活性層、15はp形InPエミッタ層、16はエミツ
タ層15にオーミック接触をとるた・めのp形InGa
AsP コアタクト層、17はn形InP埋込層、18
は埋込層17にオーミック接触をとるだめのn形I n
GaAs P コンタクト層、19はエミッタ電極、2
0はベース電極、21はコレクタ電極である。正孔はエ
ミツタ層15より、寸だ電子は埋込層17より(一部は
ベース層13を通して)活性層14に注入され、注入さ
れた正孔および電子は活性層14で再結合して発光する
。活性層14に圧入されたキャリアの吸い出しをよ、コ
レクタ層12とベース層13との接合を逆バイアス活性
層14、ベース層13およびコレクタ層120間をパン
チスルー状態にすることにより行なう。
第3図に第2図の一点鎖線C−Cに沿ったエネ。
ルギーバンド図を示す。第3図(a)および(b)はコ
レフタ・ベース間の印加電圧がそれぞれ零バイアスおよ
び逆バイアスの時について示す。コレクタ・ベース間が
零バイアスの時は電子および正孔は活性層に閉じ込めら
れているが、コレクタ・ベース間に逆バイアスを印加す
ると第3図(b)のようにパンチスルーが起こり、活性
層14内の正孔はコレクタに吸い出される。したがって
本発明によれば従来のBHレーザで起こっていたような
活性層内でのキャリアの再結合速度による動作速度の制
限は無くなることになり、高速変調が可能となる。
このようなコレクタによる活性層のキャリアの吸い出し
動作を行なうために必要な各層の不純物密度をここでめ
ておく。ベース層13の不純物密度をNB 、コレクタ
層12の不純物密度をNcとすると、コレクタ・ベース
間に逆電圧■を印加したときにベース層13の内部に拡
がる空乏層の幅dは次のようになる。
ここにεは誘電率、vbiはビルトイン電圧、qは電子
の電荷量である。ここでたとえば NC=IX10 cnr 、 NB=5X10 cm 
、ε=1.06X10−12F/Crn とするとコレ
クタ・ベース間電圧■=1ovのときのdは d=0.44μm となる。しだがって、この場合ベース層13の厚さtを
o、44μm以下にするとv=1o■で活性層14のキ
ャリアを吸い出すことができる。すなわち、本発明の動
作を行なうためには動作電圧Vにおいて t(d ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(
2)を満たすように、ベース層13の厚さt、ベース層
13の不純物密度NBおよびコレクタ層12の不純物密
度Nc決めればよいことになる。
本発明の第1の実施例(第2図)の場合、従来のBHレ
ーザと異なる点は、活性層への電子の注入は基板側から
基板表面に垂直な方向に行なわれていたのに対し、第2
図では埋込層17から基板表面に平行な方向に注入が行
なれることである。
したがって動作電圧■を下げるためにベース層13の不
純物密度NB を低くしても埋込層17から活性層14
へ電子を注入する際の直列抵抗の上昇は少ない。
以上の本発明の第1の実施例の説明ではエミツタ層15
およびコレクタ層12がp形、ベース層13がn形(p
−n−p)の場合について説明したが、以上の説明でp
形とn形とをすべて逆にした場合について以下に説明す
る。第4図(a)にエミツタ層15およびコレクタ層1
2がn形、ベース層13がp形(n−p−n)の場合の
コレクタ・ベース間逆バイアス時のエネルギーバンド図
ヲ示す。この場合活性層内の電子がコレクタに吸い出さ
れる。n −p −nの場合のコレクタ・ベース間順バ
イアス時のエネルギーバンド図を第4図(b)に示す。
この場合、活性層14からベース層13にオーバーフロ
ーした電子は矢印りに示すように活性層14に押しもど
され従来例で示したような電子のオーバーフローを少な
くすることができる。
筑6図に本発明をBHレーザに応用した本発明牽溌−H
L(D第2の実施例を示す。たとえば、31はp形In
P基板、32はp形InP=+レクタ層、33はInG
aAsP活性層、34はn形InPベース層、35はp
形InPコレクタ層、36はp形InGaAsP=+ 
7タクト層、37はn形InP埋込層、38はn形In
GaAsP コンタクト層、39はコレクタ電極、4o
はベース電極、41はエミッタ電極である。
ベース層34の不純物密度厚さおよびコレクタ層35の
不純物密度は本発明の第1の実施例と同様の方法で決定
される。このような構造の場合も本発明の第1の実施例
の場合と同様に活性層のキャリアの吸い出し効果および
電子のオーしく一フローの防止かできることはもちろん
である。1/こ第5図の構造の場合第2図の構造に比ベ
ベース・コレクタ接合の接合面積が小さくなる。すなわ
ち、第5図の構造の場合、第2図1に比ベベース・コレ
クタ接合の容量を小さくすることができ、変調速度をよ
り高速化することができる。
なお、上記本発明の詳細な説明でp形とn形とを入れか
えてもよいことはもちろんである。まだ、InGaAs
P のBHレーザを例にとって説明したが他の材料を使
ったレーザたとえばGaAsを基板とするAlGaAs
 、 ’I nGaAsP 、 I nGaAlPなど
であってもよい。さらに、BHレーザの埋込層のかわり
に拡散層でベース電極の取シ出しを行なった拡散ストラ
イプ形レーザなどにも応用可能である。
また、上記本発明の詳細な説明では半導体レーザについ
て説明しだが発光ダイオードに応用してもよいことはも
ちろんである。
発明の詳細 な説明したように、本発明ではレーザにコレクタ層を設
けることにより、活性層のキャリアの吸出しが可能とな
り、レーザの高速変調が可能と々るoまた、n −p 
−n構造をとることにより電子のオーバーフローを防止
することができ発光効率を良くすることができる。また
、BHレーザの埋込層をベースの電極取り出しに使うこ
とにより簡単彦構造で活性層のキャリアの吸い出しを行
なうことができる。このように、本発明により半導体レ
ーザの高速変調が可能になり、半導体レーザの応用範囲
のよシ一層の広が9が可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図(−)および(b)は従来のBHレーザの構造断
面図およびA−A’に沿ったエネルギーバンド図、第2
図は本発明の第1の実施例のBHレーザの構造断面図、
第3図(a) 、 (b)は第2図のC−C′線に沿っ
た動作を示すエネルギーバンド図、第4図(a)。 (b)はp−n−pおよびn−p −n構造の動作を示
す第2図におけるpとnを逆にしたC−C’線に沿った
動作を示すエネルギーバンド図、第5図は本発明の第2
の実施例のBHレーザの構造断面図である。 12.34・・・・・コレクタ層、13,34・・・・
・ベース層、14,33・・・・・活性層、15.32
・・・・・・エミツタ層、17.37・・・・埋込層。 代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 ほか1名第1
因 A Aノ T71GtLAsF (シ号跣槽) 第2図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 0)第1導電形のエミッタ層、第2導電形のベース層お
    よび第1導電形のコレクタ層よりなるトランジスタ構造
    の上記エミツタ層と上記ベース層との間に発光層となる
    活性層を設け、コレクタ・ベース間の動作電圧において
    上記ベース層の厚みは上記ベース層内に拡がる空乏層の
    幅よりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。 に))活性層のバンドギャップがベース層のバンドギャ
    ップよりも小さいことを特徴とする特許請求の範囲第1
    項記載の半導体発光素子。 (3)第1および第2導電形がそれぞれn形およびp形
    であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半
    導体発光素子。 (4) コレクタとなる第1導電形の半導体基板上に第
    2導電形のベース層、このベース層上に選択的に形成さ
    れた上記ベース層よりもバンドギャップの小さい活性層
    、さらに上記活性層上に選択的に形成された上記活性層
    よシもバンドギャップの大きい第1導電形のエミツタ層
    および少なくとも上記ベース層に接するように形成され
    た第2導電形の埋込層を有することを特徴とする半導体
    発光素子。 (6)エミッタとなる第1導電形の半導体基板上に選択
    的に形成された上記半導体基板よりもバンドギャップの
    小さい活性層、この活性層上に選択的に形成された上記
    活性層よシもバンドギャップの大きい第2導電形のベー
    ス層、さらに上記ベース上に選択的に形成された第1導
    電形のコレクタ層および少なくとも上記ベース層に接す
    るように形成された第2導電形の埋込層を有することを
    特徴とする半導体発光素子。
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