JPS6237915B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザダイオード及び非可干渉性
LEDを含む発光ダイオードに係る。 最近の十年間、３つの本質的な要素における著
しい改善が、光伝送システムを研究室における関
心から市場への実現性の基礎になつている。これ
らの要素は室温で連続波（CW）動作可能なダブ
ルヘテロ構造（DH）半導体発光源、発光源に調
和する波長における低光損失窓を有するガラス光
フアイバ及び伝送された放射を対応する電気信号
に効率よく変換できる低雑音検出器である。 市販されている光フアイバの低損失窓は、典型
的な場合吸収損（基本的にはフアイバ材料中の
OHによる）が〓１db/Kmである約1.1μｍ、1.3μ
ｍ及び1.55μｍにある。十年間の始めのうち、よ
り長波長の窓において光フアイバ伝送の明らかな
利点が認識され、従つてその範囲で動作するDH
レーザの製作が行われたが、成功の程度は様々で
あつた。注意は２つの材料系すなわちInP−
In_1-xGa_xAs_1-yP−InP及びAl_xGa_1-xAs_1-ySb_y−
GaAs_1-ySb_y−Al_xGa_1-xAs_1-ySb_yである。
GaAs_1-ySb_yDHレーザは典型的な場合、波長を〜
１μｍに移すため、比較的多量のSb（ｙ〓0.12−
0.15）が含まれ、ストレスを除くためGaAs基板
までステツプ状に傾斜がつけられている。エイ
チ・シー・キヤセイ、ジユニア及びエム・ビー・
パニツシユ、ヘテロ構造レーザ、Ｂ分冊、アカデ
ミツクプレス（1978）、38−41及び56−57貢にそ
れぞれ要約されているように、これらの両方の系
のDHレーザは、室温においてCW動作している
が、GaAsSb系における格子整合及びInGaAsP系
におけるより長波長（たとえば1.1−1.6μｍ）の
発生の問題は、組合よりGaAs基板上に成長され
たGaAsSbレーザが市販される可能性を小さくし
ている。 一方、ヘテロ構造発光源、LED又はレーザを
作るのに最も容易な材料は、GaAs及びAlAs間の
格子整合が完全ではないがきわめて近いため、
Al_xGa_1-xAs系である。不幸にもAl_xGa_1-xAs源は
約0.9μｍ以下の短波長で光を発生し、従つて1.1
μｍ窓以下の波長で動作するよう構造され、そこ
でのフアイバ損失は典型的な場合３db/Kmであ
る。事実、今日まで最も信頼性の高い
Al_xGa_1-xAs−Al_yGa_1-yAs−Al_xGa_1-xAsDHレー
ザは、活性層でｙ〜0.07を有し、従つて赤外領域
で〜0.82μｍの光を発生する。これらのレーザは
ｙ＝０（純粋なGaAs活性層）を用する同様のレ
ーザより、２桁以上信頼性が高い。しかし、もし
0.87μｍの純粋な二元のGaAs波長又はそれより
わずかに長い光を発するAl_xGa_1-xAs材料で、信
頼性あるレーザが作れるならば、近い格子整合の
実際的な利点が保持され、対応するフアイバ損失
は約３db/Kmから２db/Kmまで改善できるであろ
う。従つて、フアイバ光学システムにおけるリピ
ータ間のより長いフアイバ光リンク又はより長い
距離が可能になるであろう。 一方、Al_zGa_1-zAsヘテロ構造光源の活性層で
ｚ〓0.15ならば、発光は可視波長（たとえば〓
0.78μｍ）において起る。そのような短波長にお
ける発光は、光吸収が（10db/Kmの程度と）非常
に高いため、現在のフアイバ光伝送には適さな
い。しかし、そのような可視波長レーザは他の用
途には有用である。たとえば、ビデオデスクであ
りこの場合より短波長であることが情報蓄積密度
を増し有利である。 本発明の実施例に従うと、動作温度において活
性層を圧縮下に置くために、Al_xGa_1-xAsクラツ
ド層を有するDH光源、レーザ又は非可干渉性
LEDのAl_zGa_1-zAs_1-ySb_y活性層に、制御された
比較的少量のSbが添加される。この結果は赤外
源（ｚ〓0.15）及び可視源（ｚ〓0.15）に対し、
添加されるSbの量が0.001〓ｙ〓0.02を満す時達
成される。この方式により寿命が延びる。 具体的には、AlGaAsクラツド層を用するDH
レーザのGaAs活性層に、これら少量の制御され
たSbを添加することにより、レーザの動作温度
において活性層を圧縮下に置くだけでなく、同時
にフアイバ光伝送に有用な所望の長波長赤外放射
を生じることがわかつている。これらの層はま
た、活性層及びクラツド層間の格子不整が本質的
にゼロの時得られる最善の結果をもつ純粋な
GaAs活性層を有する同様のレーザに比べ、平均
寿命を延長させた。 好ましい実施例において、本発明に従う発光ダ
イオード、DHレーザ又は非可干渉性LEDは、相
対する伝導形の一対のAl_xGa_1-xAsクラツド層を
含み、クラツド層間にそれと隣接して中間領域を
有し、かつクラツド層が順方向バイアスされた時
放射を発生できるAl_zGa_1-zAs_1-ySb_y、0.001〓ｙ
〓0.02活性層を含む。 おおよその下限であるｙ＝0.001は、典型的な
ｘの値（たとえば、0.2〓ｘ〓0.6）及び典型的な
層の厚さに対し、活性層を圧縮下におくSbの最
小量である。一方、おおよその上限であるｙ＝
0.02は用いる成長温度において、層中に過剰のミ
スフイツド転位が導入されるのを防止するのに必
要な条件に関連している。 更に、これらレーザの液相エピタキシー
（LPE）製作において、この少量のSbを活性層成
長融液に添加することにより、最初の核生成及び
活性層の成長の均一性が、明らかに改善されるこ
とがわかつている。 本発明のこれら及び他の目的は、そのさまざま
な特徴及び利点とともに、添付した図面に関連し
た以下の詳細な記述から、より容易に理解でき
る。 本発明について詳細に議論する前に、ダブルヘ
テロ構造（DH）半導体発光ダイオードの一般的
な構成について、最初に述べておくのが役に立つ
であろう。第１図に示されるように、DHは第１
及び第２の比較的広禁制帯で相対する伝導形を有
する半導体クラツド層１０及び１２及びクラツド
層間でそれと隣接し、本質的に格子整合のとれた
中間領域１４から成る。中間領域１４はクラツド
層が順方向バイアスされた時、放射が発生できる
ここでは領域１４と同じ広がりをもつより狭い禁
制帯活性層を含む。量子効率の点から、活性層は
直接禁制帯をもつ半導体が望ましい。 クラツド層を順方向バイアスし、それにより活
性層１４中にキヤリアを注入するために、電圧源
２０とともにたとえば電極１６及び１８のような
電気的接続手段が設けられている。これらのキヤ
リアは再結合して非可干渉性LEDの場合には自
発放射を、またレーザの場合は刺激放射を発生す
る。しかし、いずれの場合も、放射は活性層材料
の禁制帯に対応した波長を有する。更に、レーザ
の場合放射２２はたとえばへき開されたフアセツ
ト又はエツチされた表面により形成された一対の
鏡２４及び２６に垂直に集光されたビームの形で
放出される。これらの鏡は刺激された放射を発生
させるための光学的なフイードバツク手段を構成
する。たとえば集積化された光学系のような他の
用途において、一方又は両方の鏡の代りに、回折
格子を用いてもよい。 第１図に示された電極手段は広い領域の電極１
６及び１８を含むが、当業者にはこれらの電極は
円状の点及び環のような各種の形状にパターン形
成できることがよく知られている。それらの形状
は集光された形ではなく本質的に等方的に放射が
発生する非可干渉性LEDに適している。 活性層の伝導形は厳密でなくてよい。それはｎ
形、ｐ形、真性又は補償型でよい。その理由は、
順方向バイアス下の典型的な動作モードにおい
て、注入されたキヤリアの数は活性層のドーピン
グレベルを越えても良いからである。加えて、中
間領域１４は活性領域を構成する複数の層を含ん
でもよい。たとえば、pnホモ接合を形成する同
じ禁制帯又はpnヘテロ接合を形成する異なる禁
制帯をもつ隣接したｐ及びｎ形層である。更に、
ヘテロ構造は単純なヘテロ構造以外の形状をとつ
てもよい。制約するのではなく、例としてあげる
と、米国特許第3691476号に述べられているよう
に分離とじ込めヘテロ構造、日本国特許出願番号
昭54−第500259に述べられているストライプ埋め
込みヘテロ構造及び1979年６月21日に出願された
米国特許出願番号第050637号に述べられているア
イソタイプヘテロ構造が含まれる。 室温におけるCWレーザ動作の場合、活性層の
厚さは約λ/2ないし0.1μｍの間が望ましい。こ
こで、λは半導体中で測定された放射の波長であ
る。低閾値動作の場合、厚さは典型的な場合0.12
ないし0.20μｍである。しかし、非可干渉性LED
動作の場合、典型的には２ないし３μｍのより厚
い活性層が適当である。いずれの場合も、室温動
作のためにはレーザ又はLEDは典型的な場合、
図示されてないが適当なヒートシンクに結合され
る。 実際にはダブルヘテロ構造の層は、典型的な場
合液相エピタキシー（LPE）、分子レームエピタ
キシー（MBE）又は有機金属化学気相成長（MO
−CVD）のようなエピタキシヤルプロセスによ
り成長される。エピタキシヤル成長は単結晶板２
８上に行われるが、それは基板２８及び第１のク
ラツド層１０間にバツフア層（図示されていな
い）を含んでもよい。また、第２のクラツド１２
及び最上部電極１６間に、電極の形成を容易にな
る補助層３０を、必要に応じて含む。相対する電
極１８は基板２８の底面に形成される。 源２０により生じたポンピング電流が活性領域
１４を貫き、比較的狭いチヤネル３６（たとえば
レーザでは５−12μｍ幅）中を流れるよう閉じこ
めるため、横方向に分離された高抵抗領域３２及
び３４が、当業者に周知の手段により、半導体層
たとえば層１２及び３０中に形成される。領域３
２及び３４を形成する技術には、たとえばプロト
ン照射、酸素照射又は適当なエツチング及び高抵
抗材料の再成長が含まれる。あるいは、チヤネル
は一対の横方向に分離され、逆方向バイアスされ
たpn接合により規定され、それはチヤネル３６
と位置合せされた接合間の空間を有し、あるいは
チヤネル３６と位置合せされたストライプ窓を有
する電極１６の下の酸化物層により規定される。
同様の考え方は電流をLED構造中の狭いチヤネ
ルに限定するために応用できるが、しかし典型的
にはこの機能を果すために、LED構造は円状の
点を用いている。 本発明の実施例に従うと、DH発光ダイオード
において、クラツド層１０及び１２は
Al_xGa_1-xAsから成り、中間領域１４はわずかの
制御された量のSbの添加された能動層を有する
Al_zGa_1-zAs_1-ySb_y活性層を含み、それにより動
作温度において圧縮下におかれる。圧縮の効果を
出すため、デバイスの他の層の厚さは、基板の厚
さ及びデバイスの動作温度とともに、ストレス解
析技術によりSbの量と相互に適合されている。
その技術は当業者には周知である。（たとえばジ
ー・エイチ・オルセンら、クリスタル・グロウ
ス・セオリー 及び技術、第２巻、プレナン、ロン
ドン（1977）参照）ダイオードを赤外領域で動作
させる場合、Sbの量は自由空間放射波長が本質
的に純粋なGaAsのそれ（すなわち、0.87−0.92
μｍ）になり、従つて市販のフアイバを経験する
光損失を減すように、十分小さくすると有利であ
る。一方、特にレーザの場合、Sbの量はGaAsSb
活性層を有するDEレーザの信頼性／寿命が、本
質的に純粋なGaAs活性層を有する同様のレーザ
に比べ増すよう、十分大きい。同様の寿命の増加
は、ダイオードが可視で動作するよう設計された
時、期待される。 好ましい実施例において、添加されるSbの制
御された量は0.001〓ｙ〓0.02で、それにより活
性層は圧縮下に置かれ、更に好ましい実施例にお
いて、ｘ及びｙの値は活性層をクラツド層と可能
な限り完全に格子整合させるように、すなわちｙ
＝0.0164（ｘ−ｚ）〓0.016（ｘ−ｚ）に選ばれ
る。当業者には周知のように、（ｘ−ｚ）は活性
層中に適当な光及びキヤリアの閉じ込めが行われ
るように、すなわち（ｘ−ｚ）は典型的な場合、
0.2〓（ｘ−ｚ）〓0.4を満すように、十分大きく
選ばれる。 ｙ＝0.001の下限は活性層を圧縮下に置くのに
必要なSbの最小量にほぼ等しく、一方ｙ＝0.02の
上限は約780℃のLPE成長温度において、層中に
過剰のミスフイツト転位が導入されるのを防止す
るのに必要な量に関連している。この上限は成長
温度が低いと増し、高ければその逆になることが
期待される。 以下の例は0.004〓ｙ〓0.02において信頼性の
改善がみられたAl.₄Ga.₆As−GaAs_1-ySb_y−
Al.₄Ga.₆AsDHレーザに対して行われた実験につ
いてである。最もよい結果は第２図からわかるよ
うに、Al.₄Ga.₆Asフラツド層に対し活性層が本質
的に格子整合するｙ〓0.006の場合に得られた。 例 この例は室温に外挿した平均寿命が約10⁵時間
である0.87μｍ付近又はそれより長い波長で動作
した0.004＜ｙ＜0.02のGaAs_1-ySb_y活性層DHレー
ザの製作についてである。数量的なパラメータは
例としてのみ示したもので、特に断わらない限
り、本発明の視点を制限しようとするものではな
い。 He＋11パーセントのH₂雰囲気を用いて、標準
的なソース−シードスライダ技術により、Siドー
プ100面、0.2mm厚のGaAs基板２８上に、780℃付
近のLPEでエピタキシヤル層１０，１２，１４及
び３０を成長させた。レーザ構造のエピタキシヤ
ル層は次のものから成る。３μｍの厚さのTeド
ープ、ｎ形Al₀.₄Ga₀.₆Asクラツド層１０；0.1−
0.4μｍ厚アンドープGaAs_1-ySb_y活性層１４；1.5
μｍのGeドープ、ｐ形Al₀.₄Ga₀.₆Asクラツド層１
２及び0.5μｍ厚高濃度GeドープGaAs電極層３
０、材料はフオトルミネセンス及びフオトカレン
ト法を用いて、活性層用の不均一性の分析を行
い、領域３２及び３４を150KeVプロトン照射す
ることにより、幅５μｍのストライプ（チヤネル
３６）を有する長さ380μｍのレーザに加工され
た。これらの領域は約１μｍの深さに延び、活性
層１４には達していなかつた。デバイスはInはん
だで、金メツキ銅ホルダに結合された。フアセツ
ト（鏡２４又は２６）はコーテイングは用いなか
つたが、必要ならば使用することができる。 格子パラメータの単一結晶及び二結晶Ｘ線測定
及び禁制帯エネルギーの低温フオトルミネセンス
測定の結果が、第２及び３図に示されている。す
べての測定は〜２μｍ厚の単結晶エピタキシヤル
層に対して行つた。第２図において、測定された
格子パラメータの値が、メルト中のSbのモル分
率（ｘ^ｌｉｑ _Ｓｂ）に対してプロツトしてある。GaAsSb
の格子パラメータはベガーズ則に従うと仮定する
と、第２の目盛としてGaAs_1-ySb_y結晶中のSbモ
ル分率（ｙ）を決定できる。第２図上部のAl濃
度の目盛は、同じ室温での格子パラメータを与え
るのに必要なAlGaAs中のAlの割合で、参考のた
めに示してある。GaAs_1-ySb_y活性層の室温にお
けるAl.₄Ga.₆As閉じ込め層への完全な格子整合
は、本質的にｙ＝0.0066で起る。 フオトルミネセンスによる禁制帯の決定は、
5.5Kにおけるエキシトンピークを用いて行わ
れ、第３図ではGaAsの禁制帯の温度依存性を用
いた室温での値に対して目盛つてある。第３図中
の破線（）で示されるように、禁制帯エネルギ
ー対組成決定の間に、よい一致が見られる。ｙと
ｘ^ｌｉｑ _Ｓｂ間に仮定した線形の関係は、公表されてい
る
相図と15パーセント以内で一致する。ｙ〓0.018
において、〜0.1μｍ以上の層厚に対し、最上面
モフオロジーに転位網が現れる。 熱力学的な関係から予想できなかつた結果とし
て、ｘ^ｌｉｑ _Ｓｂ＜0.005の溶液からの成長に比べ、ｘ
^ｌｉｑ _Ｓｂ
＞0.02の溶液から成長させたレーザ構造の活性層
の場合、成長速度は明らかに約２ないし３倍速か
つたことがある。エピタキシヤル層の厚さは、電
子顕微鏡の走査により決められ、0.01ないし0.1
℃／分の炉冷却速度の場合について、層成長時間
中の全温度降下の関数として比較した。より速い
成長速度の一つの可能な説明として、成長融体中
のSbが活性層の成長開始において、初期核生成
を改善したことがある。その結果、Sbを含む非
常に薄い層の厚さの均一性が、二元のGaAsの同
程度の厚さの層に比べ、統計的に優れていた可能
性がある。すなわち、レークラインとして知られ
る厚さの変動がGaAsSbウエハ中では観測されな
かつた。 Sb濃度が異なるいくつかのウエハから作つた
デバイスの平均レーザ電流閾値Ithを測定した。
ｙ0.0005の場合Ithは約90−120mAの範囲に、
ｙ〓0.005の場合Ithは約90−105mAの範囲、
0.016〓ｙ〓0.019ではIthは約80mAであつた。 試験した初期のSbデバイスはアンドープ活性
層を有するように成長され、0.86−0.89μｍの放
出波長を有した。活性層にたとえばGeを〜１×
10¹⁸cm^-3ドーピングすることにより、ｙ＝0.0066
で0.92μｍの放出波長が得られるはずである。 ｙ＞0.004で転位網が形成される濃度まで及び
わずかに越える濃度のレーザの信頼性は、二元の
GaAs活性層レーザで同様に得られるものより著
しく良く、最善の結果はこれまでｙ＝0.006にお
いてであつた。寿命は70℃の乾燥したN₂雰囲気
中で、350mAdc以下の駆動電流に対し、3mWの
光が放出できなくなつた時と決めた。20℃におけ
る寿命は0.7eVの外挿エネルギーを用いて得た。 しかし、二元GaAsレーザの基本的な故障の問
題がGaAsSb活性層レーザの問題として残つてい
ることに注意すべきである。ほとんどのウエハか
ら作つたデバイスの20ないし50パーセントが10時
間以内に寿命が来た。この結果はSb濃度、結晶
成長法又は長波長GaAsレーザの製作場所には依
存しないようである。ほとんどの実際的な目的に
対し、そのような基本的な故障は周知のバーンイ
ン技術により除去できる。 試験したほとんどのウエハはほぼ10⁵時間の平
均寿命をもつレーザを生み出した。しかし、Sb
を活性層に加えることはレーザ寿命を確実に長く
するための条件ではなく、従つてSbの適当な濃
度範囲内の２枚のウエハは、著しい平均寿命の改
善は示さなかつた。故障したほとんどのデバイス
の劣化機構は、ダークライン欠陥であつた。 従来技術のAlGaAsレーザの劣化は、歪及び歪
勾配による可能性があり、活性層にわずかのAl
を添加することにより得られた改善は、活性層中
の歪の変化によるということが提案されている。
特に、活性層付近のひつばりによる歪は、有害と
考えられる。Alを添加すること以外に活性層歪
を制御する試みは、LPDでは制御が難しいが、Ｐ
の添加により閉じ込め層の格子パラメータを変え
ること（エム・ビーパニツシユら、米国特許
3958263号）が一般的であつた。一方、本発明の
一視点に従うと、活性層は閉じ込め層と格子整合
がとれ、すべてのエピタキシヤル層により導入さ
れた歪勾配は、活性層近傍から本質的に除去され
る。活性層成長融体に不揮発性Sbを単に添加す
るだけで、この結果が得られ、禁制帯エネルギー
及び屈折率を所望の方向にずらす。 上に述べた構成は、本発明の原理の応用を示す
ために考えられる多くの可能な具体例を、単に説
明するためのものであることを理解すべきであ
る。本発明の精神及び視点を離れることなく、本
発明の原理に従い当業者には多くの他の異なる構
成が考案できる。特に、活性層にSbを添加する
ことの有利な効果は、LPEプロセスにより作られ
る材料に限定されるのでなく、上の例の中で述べ
た特定のLPE成長温度に限定されるものでもな
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は明瞭にするため実際の比率とは異つて
示された本発明の実施例に従うDHレーザの等角
図、第２図はAl_xGa_1-xAsの格子パラメータ対
Al_xGa_1-xAs層中のAlのモル分率の関係及び
GaAs_1-ySb_yの格子パラメータ対成長融体中のSb
の原子比率ｘ^ｌｉｑ _Ｓｂ及び得られるGaAs_1-ySb_y活性層
中のSbのモル分率ｙの関係を示し、後者の対応
は格子のパラメータ及びベガーズ則から求めら
れ、実線の直接()は二つの化合物間の格子整合
の条件を表し、クラツド層（すなわちAlAsに対
応する）の場合の上限であることから、ｘ＝1.0
以上ではこの直線は破線()となつている図、第
３図はｘの関数としてのAl_xGa_1-xAs（線）の
禁制帯及びｙの関数としてのGaAs_1-ySb_y（線
）の禁制帯を示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 中間領域…１４、
電極…１６，１８、一対の鏡…２４，２６、半導
体クラツド層…１０，１２。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 相対する伝導形の第１及び第２のAl×
   Ga_1-xAs半導体クラツド層及び 該クラツド層間でそれと隣接した中間半導体領
   域 から成る半導体ダイオードにおいて、 中間領域はクラツド層が順方向バイアスされポ
   ンピング電流がそれに印加された時、放射を放出
   することができる禁制帯のより狭い
   Al_zGa_1-zAs_1-ySb_y活性層を含み、 活性層中のSbの量ｙは、ダイオードの動作温
   度において活性層を圧縮下におくように、層及び
   領域の厚さと相互に適合されることを特徴とする
   半導体ダイオード。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のダイオードにお
   いて、 活性層中のｙ及びｚは放射の波長が約0.87〜
   0.92μｍの範囲になるよう適合されることを特徴
   とするダイオード。 ３ 特許請求の範囲第１又は第２項いずれか記載
   のダイオードにおいて、 ｚ＝０で従つて活性層はGaAs_1-ySb_yから成る
   ことを特徴とするダイオード。 ４ 特許請求の範囲第１項記載のダイオードにお
   いて、 活性層中のｙ及びｚは放射の波長が可視領域中
   になるように適合されることを特徴とするダイオ
   ード。 ５ 特許請求の範囲第１項乃至第４項いずれかに
   記載のダイオードにおいて、 0.001〓ｙ〓0.02 であることを特徴とするダイオード。 ６ 特許請求の範囲第５項記載のダイオードにお
   いて、 （ｘ−ｚ）〓0.20及びｙ〓0.004 であることを特徴とするダイオード。 ７ 特許請求の範囲第１項に記載されたダイオー
   ドにおいて、 活性層中のSbの量ｙは活性層及びクラツド層
   間の格子不整合を本質的にゼロに減らすことを特
   徴とするダイオード。 ８ 特許請求の範囲第７項に記載されたダイオー
   ドにおいて、 ｙ〓0.016（ｘ−ｚ） であることを特徴とするダイオード。 ９ 特許請求の範囲第１項乃至第８項のいずれか
   に記載されたダイオードにおいて、 活性層の厚さは約0.1〜0.4μｍの範囲にあるこ
   とを特徴とするダイオード。