JPS6235591A - 半導体発光装置 - Google Patents

半導体発光装置

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JPS6235591A
JPS6235591A JP17316385A JP17316385A JPS6235591A JP S6235591 A JPS6235591 A JP S6235591A JP 17316385 A JP17316385 A JP 17316385A JP 17316385 A JP17316385 A JP 17316385A JP S6235591 A JPS6235591 A JP S6235591A
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JP
Japan
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layer
well
layers
barrier
quantum
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JP17316385A
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English (en)
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Hideaki Watanabe
秀明 渡辺
Akira Fujimoto
晶 藤本
Tsukasa Takeuchi
司 竹内
Mikihiko Shimura
幹彦 志村
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Omron Corp
Original Assignee
Omron Tateisi Electronics Co
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • 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
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • HELECTRICITY
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    • H01S5/3415Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers containing details related to carrier capture times into wells or barriers
    • H01S5/3416Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers containing details related to carrier capture times into wells or barriers tunneling through barriers
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    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/3418Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers using transitions from higher quantum levels

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】 発明の要約 電子波のド・ブロイ波長以下の厚さを有するウェル層と
、このウェル層より大きい禁制帯幅を有するバリア層と
が交互に積層された多重量子井戸構造を含む半導体発光
装置において、上記バリア層を、禁制帯幅の異なる少な
くとも2種類の半導体層を積層して構成したことを特徴
とする半導体発光装置。
[技術分野] この発明は半導体発光装置、特にウェル層に注入される
キャリアの分布改善によって、キャリヤ注入効率が向上
し、閾値電流等の特性が向上される多重量子井戸レーザ
に関する。
[従来技術] 量子井戸(Quantua+ Well)半導体レーザ
とは、ダブルへテロ構造の活性層の厚さをキャリアのド
・ブロイ波長(λ−イ/p)以下としたもので、活性層
内のキャリアはへテロ接合によって形成されるポテンシ
ャル井戸に閉じ込められ、この方向(Z方向)での自由
度が制限されている。このため活性層内には量子準位が
形成され、この量子準位間の電子遷移がレーザ発振を支
配するようになる。このような量子井戸層を複数個設け
た構造を活性層に用いたのが、多重量子井戸構造(Mu
ltiquantuiWell、MQW)レーザである
第1図にMQWレーザの断面図の一例が示されている。
このMQWレーザは、n−GaAs基板1上に、n−G
aAsバッファ層2.o−A、g  Ga   Asク
ラッド層3.多重量子井戸x   1−x 構造であってウェル層はGaAs、バリア層はAJi 
 Ga   Asによって形成されている活性x   
l−x 層4.p−Al1  Ga   Asクラッド層5.お
x   1−x よびp−GaAsキャップ層6を順次積層して形成され
る。7は絶縁膜、8はp側電極、9はn側電極である。
このMQWレーザにおいてA、j  Ga   Asx
   1−x 層3と5で挟まれたGaAsff1子井戸層4の組成の
例が第2図に示されている。従来の多重量子井戸レーザ
においては各バリア層の組成は同一であり、それぞれの
バリア層はウェル層より大なる禁制帯幅をもつ均一な組
成の1つの層により構成されている。
このような量子井戸構造においては、最低エネルギ準位
における状態密度が、ダブルへテロ構造でのレーザ発振
の遷移に対応するエネルギでの状態密度に比べて著しく
高くなり、少ない注入キャリアで発振するのに必要な最
大利得が得ら5れることになる。バンド底から側った量
子準位ΔE は近似的に次式であたえられる。
ΔE ζ(不 /2m*)(n・π/L )2z n−1,2,3,・・・ ここでm本はキャリアの有効質量である。L2はウェル
層の巾である。
量子井戸が多重化されたときのエネルギ・ダイヤグラム
を図示すれば第3図のようになる。このような多重量子
井戸レーザにおいて、多重量子井戸構造の一つのウェル
層から隣接するウェル層へのキャリアの注入は、その間
にあるバリア層を通してキャリアを量子力学的にトンネ
ル注入することにより行なわれる。この注入におけるト
ンネリング確率P はトンネル前後のキャリアのエネル
ギ準位、バリア高さ、バリア幅に依存し、近似的に次式
で与えられる。
P  ocl/(JV  −L  ) t       BB ここでVnは、キャリアに対するバリア高さΔE 又は
ΔE を表し、LBはバリア幅であc        
 V る。
従ってトンネリング確率は、トンネリングするバリア層
の幅が厚くなるほど、またはバリア高さが高くなるほど
減少する。すなわち、バリア層を厚くしかつその高さを
高くするとキャリアの注入効率の低下を招き、閾値電流
等が増加する欠点がある。
しかし、注入効率をあげるために、バリア高さVBを小
さくすると、キャリアの状態密度が減少し、量子効果が
発生しにくくなる。またバリア層厚さLBを薄くすると
、ポテンシャル井戸間の結合が発生し、理想的な量子準
位間の遷移が生じなくなる。
上述したように従来の多重量子井戸レーザにおいては、
V  、L  をできるだけ大きくしてボテB ンシャル井戸間の相互作用を減少させ、かつキャリア注
入効率を低下させないという相反する二つの要素の妥協
点としてV  、L  の値が決定されBB ていた0たとえば、 V、T、Tsang、“Extr
e+gely lowthreshold (AIGa
)As l1odified multiquantu
mwell heterostructure 1as
ers grown bymolecular−bea
n+  cpltaxy”  、  Appl、Phy
s、Lett−39(10)、L5 November
 1981. P、78B。これら2つの要素を独立に
決定し、注入効率が高く、ポテンシャル井戸間相互作用
を減らす新しい手段が要望されている。
[発明の目的コ この発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、
その目的は、半導体発光装置、特に多重量子井戸レーザ
において、そのキャリヤの注入効率を改善し、かつポテ
ンシャル井戸間の相互作用を減らし、閾値電流の低減等
の特性向上を図ることにある。
[発明の構成] この発明は、電子波のド・ブロイ波長以下の厚さを有す
るウェル層と、このウェル層より大きい禁制帯幅を有す
るバリア層とが交互に積層された多重量子井戸構造にお
いて、上記バリア層を禁制帯幅の異る2種類以上の半導
体層を積層することにより構成し、これによってキャリ
アをトンネリングさせる部分と、キャリアを量子準位に
閉じ込める部分とに分けたことを特徴とする。
[実施例の説明] 以下、この発明の実施例を第4図から第6図を参照して
詳細に説明する。
第4図はこの発明の実施例を示す断面図であり、この多
重量子井戸レーザにおける各半導体層12〜16は2分
子線エピタキシ法や、有機金属気相成長法等によって半
導体基板11上に順次成長せることにより形成されるが
、量子井戸構造14以外の各半導体層(基板11を含む
)の組成は次のとおりである。
n型GaAs基板11 厚さ 100μm、不純物濃度 I X 1018cm
−3n型バッファ層12 厚さ 2μm、 不純物濃度 lXl0’輻13n型A
 J! o 5G a o 5A Sクラッド層13厚
さ  1.5μ、  不純物濃度 5 X 1017C
I!1−3p型A Ro5G a o s A sクラ
ッド層15厚さ  1.5μm、不純物濃度 3 x 
1017cm”’p+型GaAsキャップ層16 厚さ 0.5μm、不純物濃度 lXl019cm−3
符号17は保護膜、18はp側電極、19はn側電極を
示している。
第4図の多重量子井戸レーザにおける量子井戸構造14
の詳細が、第5図に示されている。
この実施例では、量子井戸構造14はウェル層5層と2
種類の禁制帯幅をもつバリア層4層により構成されてい
る。ここでウェル層L 、バリア層LL   の各半導
体層は次のとおりである。
BL’  B2,3 ウェル層L ・・・GaAs 厚さ 75人 バリア層L  ・・・A 12 o4G a oeA 
8l 厚さ 5〜10人 バリア層L  、L  −A101Gao9As82 
  B3 厚さ 15人 ただし各層ともノンドープである。
この実施例ではこれらの各層は分子線エピタキシ法によ
り成長させた。主な成長条件は、成長温度880〜72
0℃、成長速度0.5n+++/m1nであり。
■族の組成変化はGaセル温度を制御することにより得
た。
この実施例によると、量子井戸中の伝導電子のn−1に
おける量子準位ΔE はΔE1−32ff16V、n−
2における量子準位ΔE はΔE2−250aeVであ
る。またバリア高さは層LBlにおいては453aeV
、 JWL  、 L  においてはそれぞれ82  
 B5 125aeVであるから、n−2における電子は5〜1
0人の幅をもつ層LB1のみをトンネリングして次のウ
ェル層に注入される。したがって、AJの組成比0.4
でバリア層を形成した通常の構造のMQWレーザに比べ
て注入効率が上昇し、その結果として閾値電流等の低減
の効果が生ずる。
第6図は、キャリアの注入方向にしたがってトンネル確
率を次第に増大させた他の実施例を示すバンド・ダイヤ
グラムである。各層は次の通りである。
ウェル層L ・・・組成は上記実施例と同じバリア層L
  ”’ A iO2G a 08 A S厚さ 30
人 バリア層L  、L  、L 82   B4  8B Ga   As 組成 Al2005   Q95 厚さ それぞれ24人、 18人、12人′ゞ °ノ 
7層 L B3・  L B5・  L B7    
  ’組成 しBlと同じ 厚さ それぞれ3人、6人、9人 ただし各層ともノンドープである。
この実施例においてはキャリアの注入方向にトンネル確
率を変化させる目的でバリア層の厚みが順次減少してい
っているので、積層数が大きい多重量子井戸レーザに有
益である。
なお上記実施例においては、GaAs系で構成されたレ
ーザについて説明したが、この発明はこれに限定される
ものではなく、他の材料で構成されるレーザにも同様に
適用できることはもちろんである。
[発明の効果] 以上詳細に説明したようにこの発明によれば。
バリア層を二重構造に構成し、キャリアをトンネリング
させる部分と、キャリアを量子準位に閉じ込める部分と
に分離させたので、閾値電流の低減等が図られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来例を示す断面図である。 第2図は上記従来例の各半導体層の組成を示す図表であ
る。 第3図は上記従来例における多重量子井戸構造のエネル
ギ・ダイヤグラムである。 第4図は、この発明の第1の実施例を示す断面図である
。 第5図は上記実施例の各半導体層の組成およびエネルギ
・ギャップの相関を示す図表である。 第6図は、この発明の第2の実施例を示す各半導体層の
組成およびエネルギ・ギャップの相関を示す図表である
。 11・・・n型GaAs基板、12・・・n型バッファ
層。 L3−n型A I!、、o5G a o5A sクラッ
ド層。 14・・・多重量子井戸構造。 15−p型A j! o s G a o s A S
クラッド層。 16・・・p 型GaAsキャップ層。 以  上

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 電子波のド・ブロイ波長以下の厚さを有するウェル層と
    、このウェル層より大きい禁制帯幅を有するバリア層と
    が交互に積層された多重量子井戸構造を含む半導体発光
    装置において、上記バリア層を、禁制帯幅の異なる少な
    くとも2種類の半導体層を積層して構成したことを特徴
    とする半導体発光装置。
JP17316385A 1985-08-08 1985-08-08 半導体発光装置 Pending JPS6235591A (ja)

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JP17316385A JPS6235591A (ja) 1985-08-08 1985-08-08 半導体発光装置

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07193323A (ja) * 1993-12-27 1995-07-28 Nec Corp 量子井戸半導体レーザ装置
US5737353A (en) * 1993-11-26 1998-04-07 Nec Corporation Multiquantum-well semiconductor laser

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