JPS606113B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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- JPS606113B2 JPS606113B2 JP51031052A JP3105276A JPS606113B2 JP S606113 B2 JPS606113 B2 JP S606113B2 JP 51031052 A JP51031052 A JP 51031052A JP 3105276 A JP3105276 A JP 3105276A JP S606113 B2 JPS606113 B2 JP S606113B2
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- light
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Description
【発明の詳細な説明】
近年実用化が進められている光通信用光源として、高効
率、高速応答で長寿命な半導体発光素子が必要である。
率、高速応答で長寿命な半導体発光素子が必要である。
本発明はこのような高性能発光ダイオードーこ関するも
のである。従来、半導体発光素子については、効率を向
上させる観点から、注入効率の向上と自己再吸収の低減
に力点が置かれてきた。
のである。従来、半導体発光素子については、効率を向
上させる観点から、注入効率の向上と自己再吸収の低減
に力点が置かれてきた。
即ち、p−n接合に於けるP領域へ電子を注入する効率
yは、p及びn領域・ r=1十A熱(M定数)1.・1..・.・(1)の正
孔及び電子密度を夫々Po,Noとすると式‘1)で表
わされる。
yは、p及びn領域・ r=1十A熱(M定数)1.・1..・.・(1)の正
孔及び電子密度を夫々Po,Noとすると式‘1)で表
わされる。
同式を見ると注入効率を増すにはPoを低くし、Noを
高くする必要があることがわかる。また発光ダイオード
に流す電流を振中変調して使用する場合の応答速度を与
える遮断周波数は、発光層正孔密度とどのような関係が
あるか理論的にも実験的にもわかっておらず高効率で高
速応答の発光ダイオードは得られなかった。
高くする必要があることがわかる。また発光ダイオード
に流す電流を振中変調して使用する場合の応答速度を与
える遮断周波数は、発光層正孔密度とどのような関係が
あるか理論的にも実験的にもわかっておらず高効率で高
速応答の発光ダイオードは得られなかった。
本発明は、発光ダイオードの発光領域に於ける正孔密度
と遮断周波数及び発光効率の関係を明らかにして、光通
信用光源に要求される高効率で高速応答の高性能発光素
子を製作可能としたものである。
と遮断周波数及び発光効率の関係を明らかにして、光通
信用光源に要求される高効率で高速応答の高性能発光素
子を製作可能としたものである。
以下に本発明を構成する理論と、それを支持する実験結
果を示す。一般に発光再結合の割合Rは遷移確率を含む
再結合定数Bと、正孔及び電子密度P及びNを用いて、
R=BNPと表わされる。
果を示す。一般に発光再結合の割合Rは遷移確率を含む
再結合定数Bと、正孔及び電子密度P及びNを用いて、
R=BNPと表わされる。
熱平衡状態のN及びPをNo及びPoとして、注入電子
の密度を△nとすれば、正味のRはRnetとしてRn
et=B{(No+△n)(Po十△n)}−BNoP
o=B(N。
の密度を△nとすれば、正味のRはRnetとしてRn
et=B{(No+△n)(Po十△n)}−BNoP
o=B(N。
十P。十△n)△n ….・…。【21となる。P型結
晶中ではPo》Noであるから注入電子の発光再結合寿
命7は次式となる。P形結晶中ではPo》Noであるか
ら注入電子の発光再結合寿命丁は次式となる。丁=△n
/Rnetニ・/B(P。
晶中ではPo》Noであるから注入電子の発光再結合寿
命7は次式となる。P形結晶中ではPo》Noであるか
ら注入電子の発光再結合寿命丁は次式となる。丁=△n
/Rnetニ・/B(P。
十△n).・・・…”‘31一方、電流密度1なる電流
が厚さdの発光層に注入されれば、発光層中にはJ7 △n;aコd側…………”t41 なる電子が存在することになる。
が厚さdの発光層に注入されれば、発光層中にはJ7 △n;aコd側…………”t41 なる電子が存在することになる。
式糊と凶より次式を得る。(BJ/dq)す2 十BF
。
。
7ーーニ。
………{5}電子の拡散距離に比べて発光層厚dが厚
い場合、式‘5}に於てd→のとおいて7=1/BPo
………………■dが、比較的薄い場
合はt式【5}を解いて、‐BPoqd十 位Poqd
*十砥Jdq?= , 2BJ ……‐−‐【7) を得る。
い場合、式‘5}に於てd→のとおいて7=1/BPo
………………■dが、比較的薄い場
合はt式【5}を解いて、‐BPoqd十 位Poqd
*十砥Jdq?= , 2BJ ……‐−‐【7) を得る。
一方「遮断周波数地まに=1/2の? ……
…………{8}であるから「式■あるいはのと式脚より
〜Po,d及びJに対するにを計算することができる。
…………{8}であるから「式■あるいはのと式脚より
〜Po,d及びJに対するにを計算することができる。
第1図は、式【別7}及び■にて計算した遮断周波数に
と発光層正孔密度Poとの関係を示したものである。同
図中のプロットは、後に述べる実施例の構造を持つ発光
ダイオードを試作し実測した測定結果である。この思想
が妥当であるとする他の根拠を第2図及び第3図に示す
。第2図は発光層厚と遮断周波数の関係を示す図であり
「実線は式‘7}及び‘81で計算して求めたものであ
る。
と発光層正孔密度Poとの関係を示したものである。同
図中のプロットは、後に述べる実施例の構造を持つ発光
ダイオードを試作し実測した測定結果である。この思想
が妥当であるとする他の根拠を第2図及び第3図に示す
。第2図は発光層厚と遮断周波数の関係を示す図であり
「実線は式‘7}及び‘81で計算して求めたものであ
る。
また第3図は遮断周波数の電流密度依存性を示したもの
である。いずれの図でもも実験値は計算値と良く一致し
ており先の理論が正しいと言える。第4図は、発光効率
と発光層正孔密度との関係を示すものである。
である。いずれの図でもも実験値は計算値と良く一致し
ており先の理論が正しいと言える。第4図は、発光効率
と発光層正孔密度との関係を示すものである。
第1図に示した遮断周波数とは逆に、発光層正孔密度を
高くすると「発光効率が低下する。第5図は発光素子の
性能の目安として、発光効率と遮断周波数の積を選び「
これと発光層正孔密度との関係を示したものである。
正孔密度を3×1び8伽‐3とするとこの積が最大とな
る。次に本発明をGaAs−Gal−XAIX−Asダ
ブルヘテロ接合発光ダイオードに適用した例について詳
細に説明する。
高くすると「発光効率が低下する。第5図は発光素子の
性能の目安として、発光効率と遮断周波数の積を選び「
これと発光層正孔密度との関係を示したものである。
正孔密度を3×1び8伽‐3とするとこの積が最大とな
る。次に本発明をGaAs−Gal−XAIX−Asダ
ブルヘテロ接合発光ダイオードに適用した例について詳
細に説明する。
第6図はこの発光ダイオードの断面を示す図である。図
中の611はQを添加してP型としたGaAs単結晶で
、これが発光層となる。この層の厚みは約0.5山mか
ら約3仏mまで各種「 また発光層中の正孔密度は連続
液相結晶成長時の成長時間やGe添加量を変えることに
よって任意に制御できるが、本実施例では厚みを約2仏
m「正孔密度を3×1び8弧‐3とした。612はn型
Gal一1yAAs結晶で上記発光層6亀 1に対して
電子のェミツタとなる。
中の611はQを添加してP型としたGaAs単結晶で
、これが発光層となる。この層の厚みは約0.5山mか
ら約3仏mまで各種「 また発光層中の正孔密度は連続
液相結晶成長時の成長時間やGe添加量を変えることに
よって任意に制御できるが、本実施例では厚みを約2仏
m「正孔密度を3×1び8弧‐3とした。612はn型
Gal一1yAAs結晶で上記発光層6亀 1に対して
電子のェミツタとなる。
yの値は約0.25とした。613はP型Gal‐zA
Iz船結晶でzの値は約0.25である。
Iz船結晶でzの値は約0.25である。
この層は発光層6亀川こ注入された電子をバンドギャッ
プエネルギーの差に起因する電位障壁によってせき止め
、発光層61川こ電子を閉じ込める働きをする。614
はP型Gal−z−NzAs結晶上に設けられた金属電
極で一部に発光を探り出す窓6官6が設けられている。
プエネルギーの差に起因する電位障壁によってせき止め
、発光層61川こ電子を閉じ込める働きをする。614
はP型Gal−z−NzAs結晶上に設けられた金属電
極で一部に発光を探り出す窓6官6が設けられている。
この電極814とP型Gal‐zA1z船613との接
触低抗の低い接触を得る目的と、発光面内に一様な発光
を得るため広がり抵抗を下げる目的で「 P型Gal−
zA1z体613の一部には、電極614の窓6竜6尊
こ相当する部分にZnを高濃度に拡散した低抵抗部6亀
6を形成してある。817はn型Ga*基板618に設
けられた金属電極で〜 この電極は適当な半田619に
よってステム62Q上に半田づけされている。
触低抗の低い接触を得る目的と、発光面内に一様な発光
を得るため広がり抵抗を下げる目的で「 P型Gal−
zA1z体613の一部には、電極614の窓6竜6尊
こ相当する部分にZnを高濃度に拡散した低抵抗部6亀
6を形成してある。817はn型Ga*基板618に設
けられた金属電極で〜 この電極は適当な半田619に
よってステム62Q上に半田づけされている。
この発光ダイオードは電極614を正に電極6亀Tを負
にして電流を流すことにより注入発光をさせることがで
きる。この発光ダイオードの構造はダブルヘテロ接合構
造と呼ばれるものである。発光層611への電子の注入
効率yは先に示した式{11と異なりトn型Gal−y
A1yAs層612と発光層であるP型GaAs層61
1とのバンドギャップエネルギーの差△Eに大きく支配
され「次式で与えられる。式【1’で示した注入効率を
与える式はホモ接合の場合であり、先にも説明したよう
に「yを大きくする為にはPo/Noを小さくする必要
があった。
にして電流を流すことにより注入発光をさせることがで
きる。この発光ダイオードの構造はダブルヘテロ接合構
造と呼ばれるものである。発光層611への電子の注入
効率yは先に示した式{11と異なりトn型Gal−y
A1yAs層612と発光層であるP型GaAs層61
1とのバンドギャップエネルギーの差△Eに大きく支配
され「次式で与えられる。式【1’で示した注入効率を
与える式はホモ接合の場合であり、先にも説明したよう
に「yを大きくする為にはPo/Noを小さくする必要
があった。
しかしへテロ接合の場合式(9ーではPo/Noが大き
くても指数値が非常に小さければ全体としてyは充分1
に近づけられる。本実施例ではPo/No21であるが
yは0.99以上となる。またP型Cal−zA1zA
s層613のバンドギャップエネルギーは、発光層61
1のそれに比べて充分広いので、発光層6 1 1で起
った発光はこのP型Gal−zA1zAs層613で殆
んど吸収されることなく外部へ放出される。このように
して、製作した発光ダイオードでは、小振中変調の遮断
周波数が約5mM比ト外部発光効率が約0.9%となる
。
くても指数値が非常に小さければ全体としてyは充分1
に近づけられる。本実施例ではPo/No21であるが
yは0.99以上となる。またP型Cal−zA1zA
s層613のバンドギャップエネルギーは、発光層61
1のそれに比べて充分広いので、発光層6 1 1で起
った発光はこのP型Gal−zA1zAs層613で殆
んど吸収されることなく外部へ放出される。このように
して、製作した発光ダイオードでは、小振中変調の遮断
周波数が約5mM比ト外部発光効率が約0.9%となる
。
従来、発光効率の向上のみに注目して製作されたダイオ
ードでは、効率は向上するが遮断周波数は低くなる。例
えば発光層の正孔密度Poをこの実施例の1/10に下
げると発光効率は約2倍となるが、遮断周波数は1/1
0となる為両者の積は「本実施例の1ノ5となる。逆に
「遮断周波数の向上を目指してPoを増すことが考えら
れる。Poを1び9弧‐3とすれば〜遮断周波数は約3
倍、150MHzとなる。しかし「発光効率はこれより
急激に低下し、0.15%となる。従って両者の積は本
実施例の1ノ3と小さくなる。このようにPoを3×1
び8肌‐3とすることによって〜従来にない高性能な特
性を有する光通信用発光ダイオードを得ることができる
。第5図に見られる如く発光層の正孔密度を2×1び8
〜6×1び8伽‐3とすれば、遮断周波数と効率の積を
最大値の半分以上とすることができもそれ以外では充分
な性能が得られない。先の実施例では発光層をP型Ga
Asとしてが、若干のAIを混入せしめてP型Gal‐
XA1xふとし、xの値を光学遷移が直接型であるころ
の0.35となるまで大きくしても、これを挟むn型G
al−yA1yAs及びP型Gal‐zAIz瓜のy及
びzの値を先に述べた各層の役割が充分はたせるように
大きくすれば同様に論じられることは明らかである。
ードでは、効率は向上するが遮断周波数は低くなる。例
えば発光層の正孔密度Poをこの実施例の1/10に下
げると発光効率は約2倍となるが、遮断周波数は1/1
0となる為両者の積は「本実施例の1ノ5となる。逆に
「遮断周波数の向上を目指してPoを増すことが考えら
れる。Poを1び9弧‐3とすれば〜遮断周波数は約3
倍、150MHzとなる。しかし「発光効率はこれより
急激に低下し、0.15%となる。従って両者の積は本
実施例の1ノ3と小さくなる。このようにPoを3×1
び8肌‐3とすることによって〜従来にない高性能な特
性を有する光通信用発光ダイオードを得ることができる
。第5図に見られる如く発光層の正孔密度を2×1び8
〜6×1び8伽‐3とすれば、遮断周波数と効率の積を
最大値の半分以上とすることができもそれ以外では充分
な性能が得られない。先の実施例では発光層をP型Ga
Asとしてが、若干のAIを混入せしめてP型Gal‐
XA1xふとし、xの値を光学遷移が直接型であるころ
の0.35となるまで大きくしても、これを挟むn型G
al−yA1yAs及びP型Gal‐zAIz瓜のy及
びzの値を先に述べた各層の役割が充分はたせるように
大きくすれば同様に論じられることは明らかである。
また、これまでの説明では、M型Gal‐zNzぶ層に
光の窓効果と、電子の閉じ込め効果の両方を期待したが
、本発明の主旨は光の窓効果さえあれば充分であること
も明らかでz>xでかる場合も本発明に含まれる。先の
実施例では、P型不純物として戊を用いたが他のP型不
純物例えばznを用いても正孔密度さえ同じに選べば、
同じ結果が得られる。以上の実施例では層の形成に連続
液相続晶成長法を用いたが、この他気相続晶成長法や分
子線ェピタキシヤルMBE結晶成長法を用いることがで
きる。
光の窓効果と、電子の閉じ込め効果の両方を期待したが
、本発明の主旨は光の窓効果さえあれば充分であること
も明らかでz>xでかる場合も本発明に含まれる。先の
実施例では、P型不純物として戊を用いたが他のP型不
純物例えばznを用いても正孔密度さえ同じに選べば、
同じ結果が得られる。以上の実施例では層の形成に連続
液相続晶成長法を用いたが、この他気相続晶成長法や分
子線ェピタキシヤルMBE結晶成長法を用いることがで
きる。
本発明に理論はGa(船,p等の他のm一V族化合物半
導体をはじめとして多くの発光素子用結晶に対しても適
用できるものである。
導体をはじめとして多くの発光素子用結晶に対しても適
用できるものである。
従って最適正孔密度の値は個々に異なるとしても本発明
の応用は可能である。先の実施例では、発光ダイオード
の外部発光効率についてはことさら工夫をしなかった為
2%以下となっているが、型状をドーム状にする、ある
いは断面方向より出力するあるいは結晶と外界との屈折
率の整合を行うなどして、さらに良い効率あるいは高輝
度を得ることができることは勿論である。
の応用は可能である。先の実施例では、発光ダイオード
の外部発光効率についてはことさら工夫をしなかった為
2%以下となっているが、型状をドーム状にする、ある
いは断面方向より出力するあるいは結晶と外界との屈折
率の整合を行うなどして、さらに良い効率あるいは高輝
度を得ることができることは勿論である。
本発明の半導体発光素子を用いることに依って、従来む
り飛躍的に広帯域な、あるいは長距離伝送可能な光通信
システムを得ることができる。
り飛躍的に広帯域な、あるいは長距離伝送可能な光通信
システムを得ることができる。
第1図は、発光ダイオードの遮断周波数と発光層正孔密
度の関係を理論及び実験値で示す図。 図中のdは発光層の層厚である。第2図は、発光層厚と
遮断周波数との関係を示す図。第3図は、遮断周波数の
電流密度依存性を示す図。第4図は、発光効率の発光層
正孔密度依存性を示す図。第5図は、発光効率と遮断周
波数の積が発光層正孔密度に依って変化する様子を示す
図。第6図は、本発明の一実施例を示す発光ダイオード
の断面図である。611‘まP型○aAs発光層、61
2はn型Gal−yA1yAs層、613はP型Ga
l−z幻zAs層、614は金属電極L 615は金属
電極614の−部に設けられた光を取り出す窓、616
はzn拡散した低抵抗部、617は金属電極、618は
n型GaAs結晶基板、619は半田、620はスラム
を示している。第1図 第3図 第2図 第4図 第5図 第6図
度の関係を理論及び実験値で示す図。 図中のdは発光層の層厚である。第2図は、発光層厚と
遮断周波数との関係を示す図。第3図は、遮断周波数の
電流密度依存性を示す図。第4図は、発光効率の発光層
正孔密度依存性を示す図。第5図は、発光効率と遮断周
波数の積が発光層正孔密度に依って変化する様子を示す
図。第6図は、本発明の一実施例を示す発光ダイオード
の断面図である。611‘まP型○aAs発光層、61
2はn型Gal−yA1yAs層、613はP型Ga
l−z幻zAs層、614は金属電極L 615は金属
電極614の−部に設けられた光を取り出す窓、616
はzn拡散した低抵抗部、617は金属電極、618は
n型GaAs結晶基板、619は半田、620はスラム
を示している。第1図 第3図 第2図 第4図 第5図 第6図
Claims (1)
- 1 P型GaAs層をn型Ga_1−yAlyAs層と
P型Ga_1−zAlzAs層とによってはさんだ構造
となし、上記P型GaAs層とn型Ga_1−AlyA
sとでP−n接合を形成し順方向電流に依って上記P型
GaAs層へ電子を注入して発光せしめるダブルヘテロ
接合構造の注入型半導体発光素子に於て、上記P型Ga
As層と上記n型Ga_1−yAlyAs層とのバンド
ギヤツプエネルギーの差を制御し、かつ上記P型GaA
s層の正孔密度を常温で2×10_1_8cm^−^3
より大きく6×10^1^8cm^−^3小さくした事
を特徴とする半導体発光素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP51031052A JPS606113B2 (ja) | 1976-03-22 | 1976-03-22 | 半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP51031052A JPS606113B2 (ja) | 1976-03-22 | 1976-03-22 | 半導体発光素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS52114289A JPS52114289A (en) | 1977-09-24 |
JPS606113B2 true JPS606113B2 (ja) | 1985-02-15 |
Family
ID=12320700
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP51031052A Expired JPS606113B2 (ja) | 1976-03-22 | 1976-03-22 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS606113B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2406896A1 (fr) * | 1977-10-18 | 1979-05-18 | Thomson Csf | Diode emettrice et receptrice en lumiere notamment pour telecommunications optiques |
JPS56135985A (en) * | 1980-03-28 | 1981-10-23 | Fujitsu Ltd | A xga1-xas light emitting diode |
JPS588253Y2 (ja) * | 1981-02-02 | 1983-02-15 | 三共電子工業株式会社 | 医療用皮膚電極 |
JPS57129368U (ja) * | 1981-02-07 | 1982-08-12 | ||
JPS57128806U (ja) * | 1981-02-07 | 1982-08-11 | ||
JPS58115877A (ja) * | 1981-12-28 | 1983-07-09 | Sharp Corp | 半導体レ−ザ素子 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS4916394A (ja) * | 1972-05-18 | 1974-02-13 |
-
1976
- 1976-03-22 JP JP51031052A patent/JPS606113B2/ja not_active Expired
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS4916394A (ja) * | 1972-05-18 | 1974-02-13 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS52114289A (en) | 1977-09-24 |
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