JPS61276389A - 半導体光素子 - Google Patents

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】 〔概要〕 ドーピング超格子と、該超格子、を横切る面で超格子に
接する単一導電型領域を有する素子構造を半導体レーザ
或いは受光素子に用いる。

〔産業上の利用分野〕

本発明は超格子構造を利用した半導体光素子に係り、特
にレーザなどの発光素子又は受光素子に関する。

〔従来の技術〕

従来、超格子構造を用いた光半導体素子として、ＭＱＷ
（多重量子井戸）レーザが知られている。

第６図（Ａ）にＭＱＷレーザの概要を表わしてあり、半
導体基板５１上にＭＱＷ＠５４及び上方クラッド層５２
が備えられ、　５４　、５２はｐ型にドープされ、クラ
ッド層５２にｐ型接触オーミック電極団が形成されてい
る。

また第６図ＣＢ）にそのエネルギバン−ドを示してあシ
、ＭＱＷ層は全体の厚み０．１〜２μｍ位であシ、交互
に禁止帯幅が異なる第１及び第２半導体の超格子がエピ
タキシャルに形成されている。

量子井戸半導体レーザは、低閾値電流密度、あるいは閾
値電流の温度依存性の減少が実現できることから高性能
レーザとして有望視されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、従来のＭＱＷレーザにおいては、第６図ＣＢ
）のごとく、空間的に同じ場所で電子及び正孔に対する
エネルギの谷が形成されているから、外部から元で励起
してポンピングすると、該エネルギの谷に過剰キャリア
が集ま構成る時定数でレーザ発振がおきてしまう。その
ため、外部から照射する元でポンピングし、電気的制御
信号によシ発光を制御するといった光変調は出来ず、電
気的に大きな信号で直接変調をせざるを得なかった。

また、ＭＱＷ構造では、過剰キャリアの蓄積を行ないＱ
スイッチレーザに用いること、或いは光検知に用いるこ
とはできなかった。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明はドーピング超格子と、超格子層に垂直々面で超
格子に接する単一導電型領域とからなる半導体素子構造
を提供する。

第１図を参照すると、超格子領域４が半導体基板（例え
ば半絶縁性ＧａＡｓ基板）１上に形成され、超格子層に
垂直な面で超格子に接する単一導電型（ｐ又はｎ）領域
２，３が形成されている。超格子領域４は第２図に示す
ように、交互にｐ　ａ　ｎ型にドーピングされてお９、
ｐａｎのドーにング層の間にｐ−ｎ接合、或いはｉ層を
介在させてｐ−１−ｎ接合が形成される。

〔作用〕

第３図に超格子領域４のエネルギバンド図を表わしてい
る。図から明らかなように、バンド構造上電子（、）と
正孔（ｈ）が空間的に分離される。すなわち、正孔（ｈ
）はポテンシャルが低いｐ型超格子層のポテンシャルの
谷に全部落込んでしまい、また電子（ｅ）はポテンシャ
ルが低いｐ型超格子層のポテンシャルの谷に全部落込ん
でしまい、電子と正孔は超格子層内で空間的に分離して
存在することになる。

したがって、光等で励起された９、注入によって生じた
過剰キャリアは非常に、長い時定数で再結合を行なう。

それは、電子と正孔が空間的に分離しているから、再結
合するためには一旦トンネルし再結合することになるが
、トンネル確率が低くなっており、再結合速度は非常に
小さいからである。

このようなことから、平衡状態において高い電子濃度及
び正孔濃度が超格子領域４内に達成される。

本発明はこのドーピング超格子の性質を利用し、ポンピ
ングによる過剰キャリアを蓄積した後、短時間に再結合
させて元として放出さる等して、レーザなどの発光素子
或いは受光素子に用いる。

〔実施例〕

第４図に本発明をＱスイッチレーザに適用した実施例の
要部断面を示し、第５図にその立体的構造例を示してい
る。

１１は半絶縁性ＧａＡｓ基板であシ、第１図と同様にｐ
型不純物ドープ超格子（ｐと示す）とｎ型不純物ドープ
超格子が交互に備えられ、その間に１層が形成された超
格子領域１４が設らられている。

超格子層は次のように構成した。

ｎ−ＧａＡｓ層：ｎ型不純物濃度ｌＸｌ０”ｃｍ−８＋
膜厚５００　Ｘｌ−ＧａＡｓ層：非ドープ　　　　　　
　　　膜厚３００　Ｘｐ−ＧａＡｓ層：ｐ型不純物濃度
Ｉ　ＸＩＯ”ｃｍ−”　　膜厚５００＾これらの各層は
交互に多層形成でき、数十層程度まで考えられる。

１２はｐ型、１３はｎ型の単一導電型領域であり、超格
子領域１４の超格子に垂直な面で接触している。

１５　、１６はそれぞれｐ型、ｎ型の単一導電型領域１
２　、１３にオーミックに接触する電極である。

第５図の立体図において、素子の長さＬ（共損器長）は
２００　ｐｍ　、素子の厚みｄは１００μｍに形成して
いる。なお、通常第５図のように超格子領域１４の上・
下に屈折率小なる元閉じ込め層（１１、１８）が形成さ
れる。

この素子の動作を説明する。

まず、ｐ型単一導電型領域１２の電極１５をｎ型単一導
電型領域に形成された電極１３に対して負の電圧を印加
しておく。このときｐ型の領域ルとｎ−ＧａＡｓ超格子
の接触（ｐ−ｎ接合）は逆バイアスであり、一方ｎ型の
領域１３とｐ　−ＧａＡｓ超格子の接触も逆バイアスと
なる。

この逆バイアス状態でポンピングを行ない超格子領域内
に、第３図に示したようなｐ　＋　ｎ反転分布を発生さ
せる。これは、例えばエネルギバンドギャップよシエネ
ルギの大きな光を照射することで可能である。

次に、過剰キャリアが十分蓄積されたら、ｐ側とｎ側の
電極１５　、１６間のバイアスを順バイアスにする。す
ると、超格子に蓄積さ・れていた電子はｐ型単一導電型
領域１２へ移動し、正孔はｎ型単一導電型領域１３へ移
動し、該領域内の多数キャリアと再結合して誘導放出が
生ずる。このとき先に説明した理由から蓄積されていた
電子及び正孔濃度は非常に高くできるため、光強度を大
きくすることが可能である。

一方、発光のパルス幅は蓄積されていたキャリアの量に
より決まる。すなわち、光強度は超格子層の層数及びポ
ンピングの度合で決まることが出来るし、パルス幅は超
格子層の幅で決めることができる。（超格子層に蓄積さ
れたキャリアが単一導電型領域１２又は１３に流れ込む
時間がパルス幅に対応し、これは超格子層の幅に関係し
て決まる）以上Ｑスイッチレーザとして用いる場合を示
したが、第５図のレーザを順バイアス状態のままにして
おいた場合、普通の連続発光（ＣＷ）レーザとして用い
ることができる。その際、ブロードな波長分布のホワイ
トな光を常に照射してポンピングを行ない、ｐ側及びｎ
側の電極１５　、１６に比較的弱い電気信号（直接発光
に寄与しない程度）を加え、単一導電型領域戎、１３と
超格子のｐ−ｎ接合（ダイオード構造）　ｔ’　ＯＮ、
　ＯＦＦ　Ｌ、それによシ発元出力をＯＮ　、　ＯＦＦ
する。発光のエネルギの大部分は前記の光照射によるポ
ンピングで供給され、電＠１５゜１６の電気信号のエネ
ルギは十分小さくても良く、該電気信号に応じて変調さ
れた光信号を取出すことができる。

次に、本発明を受光素子に用いることを説明する。第４
．５図と同様な構造として、逆バイアス状態にしておく
と、微弱な元でも超格子領域でポンピングが行なわれる
と、過剰なキャリアは長く生き残るため、蓄積すること
ができる。そこで、バイアス電圧を逆転して順バイアス
状態にすると、蓄積されていた過剰なキャリアが短時間
に元として放出されるため、光強度が検出できる大きさ
まで大きくなり、微弱光でも検出可能になる。

〔発明の効果〕

以上のことから明らかなように、本発明によれば、ドー
ピング超格子と該超格子層に垂直な面で接する単一導電
型領域とから表る半導体素子構造を用いることにより、
Ｑスイッチレーザが実現でき、該レーザの光強度は超格
子層の層数及びポンピングの度合で決めることができ、
パルス幅は超格子層の幅で決めることができ、設計が容
易である。

また、順バイアスでＣＷレーザとして本発明素子を用い
る際、発光エネルギを光照射によるポンピングで与え、
小さなエネルギの電気信号で変調された光信号を取出す
ことができる。

また受光素子として用いることもでき、微弱な光の検出
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の概念を示す断面図、 第２図、第３図はそれぞれ本発明に用いるドーピング超
格子層の構造図、及びそのエネルギバンド図、 第４図は本発明の実施例の素子断面図、第５図は本発明
の実施例の立体図、 第６図（Ａ）　ＣＢ）は各各従来例の素子の立体図及び
エネルギバンド図である。 ２．３・・・単一導電型領域 ４・°°ドーピング超格子領域

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に、一導電型にドープされた超格子
   層と、反対導電型にドープされた超格子層を少なくとも
   １組有し、且つ、該超格子層間にｐ−ｎ接合又はｐ−ｉ
   −ｎ接合が形成された超格子領域を備え、さらに、該超
   格子領域の超格子層を横切り、該超格子層と接する単一
   導電型領域が備えられてなることを特徴とする半導体光
   素子。