JPS63252492A - 半導体発光素子 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は高速で直接変調が可能ａ半導体発光素子に関
するものである。

〔従来の技術〕

光通信に用いられる半導体発光素子としては半導体レー
ザと半導体発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉ　ｔｔ
　ｉｎｇＤｉｏｄｅ）がある。以下ではより高速で変調
可能な半導体レーザを例にとって説明する。

光ファイバの低損失波長領域は１．５５μｍあるいけ１
．３μｍ付近にあるのでこの波長領域で発光するレーザ
の高速化への検討が盛んにおこなわれている。

これまでに最も高速で変Ｕｊした例は、例えば雑誌（Ｅ
ｌ　ｅｃｔｒｏｎ、Ｌｅｔｔ、２１．１０９０（１９８
５）　Ｊ、Ｅ、Ｂｏｗｅｒｓ他）に記載されるように、
室温で１６ＧＨｚの帯域が得られている。

第２図は従来の半導体レーザの基本的な構成を示す斜視
図である。

図において、（１）は活性−であり、この層でキャリア
の発光再結合が生じる＊　（６）（７）は各々クラッド
層でありキャリアと光を閉じ込める。ａＱとＱｌ）は電
流を注入するための電極、α力と（ト）はへき開面であ
り、ファブリ＝ペローエタロン共振器を構成する。

電極Ｑｌ　、αυを通して注入する電流を変調すること
によって変調された出力光強度が得られる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の半導体レーザはＬ記のように構成されており、半
導体レーザの高速性を制限している主な要因としては、 （イ）寄生容量と （ロ）レーザ内部の光発生過程に含まれる遅れがある。

リッヂ型描造をとり、寄生容量を低減することによって
上記（イ）による制限は２６ＧＨｚ以とに改善できるこ
とが前述の雑誌（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、Ｌｅｔｔ、）に示
されている。従って上記（ロ）の要因を除くことが一層
高速で変調できるようにするための課題になっている。

（ロ）はキャリアの寿命、光子の寿命等によって決まっ
ており、これについて次に述べる。

半導体レーザの変調応答特性に緩和振動と呼ばれる現象
が現われることはよく知られている。この緩和振動周波
数より周波数が高くひるにつれて変調度は急速に低下し
、事実とこの緩和振動周波数が変調帯域の目安にａる。

この緩和振動周波数ｆＲけ例えば雑誌（ＩＥＥＥ　Ｊ　
、Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、　ＱＥ　−２１
。

Ｐ１２１．　（１９８５）　）に記載されるレート方程
式を用いた解析により、次のように得られる。

Ｆ；光閉じ込め係数 Ｎｏｍ　；発振波長に対して活性層が透明になるような
キャリア密度 Ａ；微分利得 τ、；レーザ共振器内部の光子の寿命 τ、；キャリアの寿命 に注入電流密度 Ｊｔｈ　；注入電流密度のしきい値 式（１）Ｉこ基づき従来、短共振器によるτｐ（Ｄ減少
、量子井戸構造や分布帰還構造による微分利得Ａの向と
が検討され、それぞれ緩和振動周波数の増加−夕と独立
に減少させればｆＲを増加させることができることは明
らかであるが、これに関しては従来あまり検討されてい
ない。その理由はτ３が活性層に使われる材料に固有の
キャリア再結合寿命によってほぼ決まっており量子井戸
構造によるキャリアの閉じ込めを行なってもＩｎｓ程度
より大巾に短かくすることは出来ないからである。

この発明は見掛は上τ３を著しく減少させ、結果的に帯
域を著しく向丘できる構造の半導体発光素子を提供しよ
うとするものである。この発明による帯域改善の原理を
説明するためにτｐ増加がどのように帯域の劣化をもた
らすかをより具体的に説明する必要がある。そのために
以下では従来の半導体レーザに立とり立下りの急峻なパ
ルス電流を注入したときの光出力の応答がどのようにな
るかを考える。第３図（ａ）　（ｂ）　（ｃ）は従来の
半４体レーザのバンド構造を示す説明図であり、傾斜屈
折率＝分離閉じ込め＝単一息子井戸レーザ（ｇｒａｄｅ
ｄｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ　１ｎｄｅｘ＝ｓｅｐａｒａｔ
ｅ　ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ　、ｌｌｅｔｅｒｏｓｔｒ
ｕｃｔｕｒｅ＝ｓｉｎｇｌｅ　ｑｕａｎｔｕｍ　ｗｅｌ
ｌ　１ａｓｅｒ−以下ＧＲＩＮ−５ＣＨ−５ＱＷ又はＧ
ＲＩＮ上記す。）のエネルギーバンド構造である。ここ
で従来のレーザの構造として先に引用した雑誌（Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ、Ｌｅｔｔ、　）　ｆこ記載された通常の二
重へテロ接合（Ｄｏｕｂｌｅ　ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃ
ｔｕｒｅ　）ではなく上記の構造をとりとげた理由は、
例えば雑誌（ＩＥＥＥ　Ｊ、Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ、ＱＥ−２２、１８８７（１９８６））に示さ
れるように量子井戸構造は理論的にも実験的にも微分利
得が高くレーザの高速化に有利であるととが明らかであ
ることと、ＧＲＩＮ構造は後に説明するこの発明の一実
施例によるレーザの構造に近いためである。第３図（ａ
）は熱力学的な平衡状態にあるＧＲＩＮ−３ＣＨ−５Ｑ
Ｗ　レーザのバンド構造、第３図（ｂ）は順方向電圧を
印加し、電流注入状態にあるＧＲＩＮ−８ＣＨ−５ＱＷ
レーザのエネｌレギーバンド構造、第３図（ｃ）は印加
された順方向電圧を階段的に急に下げた直後のエネーレ
ギーバンド構造を示す。

第３図１ζおいて、（１）は賑子準位が形成される厚さ
の、即ち量子井戸構造の活性層、（４ｂ）（５ｂ）は光
を導波させるための傾斜屈折率導波８％　（６）（７）
はそれぞれｎ型とｐ型の導電性を有するクラッド層、（
８）はドナの高濃度ドープ層、（９）ｔ／′ｉアクセプ
タの高濃度ドープ層でありオーミック接触を行うための
層である。α０はｎ側第２ｗ！、極、（ロ）はｐ側第１
電極、Ｑ４は電子、□□□けホールである。

またａＱは電子とホールの再結合によって発生した光で
ある。

第４図は従来のＧＲＩＮ−８ＣＨ−８ＱＷレーザに注入
したパルス状の電流を示す波形図であり、注入電流がな
い時刻（ａ）ではバンド構造は第３図（ａ）のよう）こ
活性層（１）には電子もホールもない状態なので発光再
結合は生じない。次に順方向バイアスを電極σ１及び（
ロ）を通して印加し電流を注入している時刻（ｂ）では
、バンド構造は第３図（ｂ）のようになり、活性／Ｆｆ
　（１）で電子とホールの高密度状態が生じ発光再結合
により光９句が発生する。注入された電子とホールの密
度が十分高ければ第２図に示すファブリ；ペローエタロ
ン共振器Ｑ７１（財）の助けによりレーザ発振が生じる
１次に電流注入を遮断した直後、即ち第４図に示す時刻
（ｃ）では、第３図（ｃ）１こ示すように電流は断たれ
ているが活性層（１）に電子とホールは残っておりその
数は時間とともに発光再結合によって減少していく、そ
の結果発生する光の強度の時間変化は発光再結合レート
によって決まる時間だけ電流遮断後も裾を引くことにな
る。これを図示すると第５図のようになり、この裾引き
が変調速度の低下をもたらすことにする。

第５図に示す電流遮断後の光強度の裾引き０時間はキャ
リアの寿命τ８が長ければ長い程、長くなる。しかし、
前述したように、このτ、は材料に固有の発光再結合寿
命にほぼ等しいので、これを著しく低減することは困難
であった。

この発明はに、記従来例のように注入屯流遮断後に残存
する電子及びホールが発光再結合によって消滅するのを
待つのではなく、電子とホールを空間的にすばやく分離
できるようｌζすることｔζよって電流遮断後の発光の
裾引きを低減し、高速変調できる半導体発光素子を得る
ことを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明Ｉζ係る半導体発光素子は活性層、この活性層
に続き、Ｐ型の導電性を有するＰ型導電層、このＰ型導
電層１ζオーミック接触させた第１？′！極、上記活性
層に接し、電子はトンネル伝導できるがホーＩしはトン
ネル伝導できない第１障壁層、この第１障壁層に接し、
少なくとも第１障壁層に接する領域では、上記活性層中
の発光に寄与する山田電子のエネルギー準位よりも低い
伝導帯下端を有する低エネルギーバンド間隙層、この低
エネルギーバンド間隙層に接し、ｎ型の導電性を有する
ｎ型導電層、及びこのｎ型導電層にオーミック接触させ
た第２電極を備えたものである。

〔作用〕

この発明における半導体発光索子は、発光再結合が生じ
る活性層に続いてホールは透過できないが１子はトンネ
ル伝導できる障壁層を設け、順方向電圧を印加すること
により電子を活性層へトンネル伝導によって注入でき、
逆に印加電圧を下げることによって、トンネル伝導によ
り東予を活性層から障壁層の外へすみやかに取り出せる
ようにし、電子とホールを空間的に吻離した。その結果
、見掛は上の再結合寿命が短かくできる。

〔実施例〕

第１図（ａ）　（ｂ）　（ｃ月よこの発明の一実施例に
よる半導体レーザのバンド構造を示す説明図であり、第
１図（３月よ熱力学的平衡状態にある場合、第１図（ｂ
）は順方向電圧が印加され電流注入状態にある場合、第
１図（Ｃ）は第１図（ｂ）の状態の後、急激に印加電圧
を下げた場合の状態を示している。

第１図において、（１）は所望の発光波長が得られる量
子準位が得られるように厚さを設定したＩｎＯ，５８Ｇ
ａ　Ｏ，４７Ａｓよりなる量子井戸構造の活性層、（２
）はこの活性層（１）に接し、ＩｎＰよりなる薄い第１
障壁層であり、電子はトンネル伝導できるがホールはト
ンネル伝導できない層である。（３）は活性層（１）に
接し、Ｉｎ　Ｏ，５２Ａ／　０．４８Ａｓよ−りなる第
２障壁層であり、活性層（１）中の発光に寄与する自由
電子に対して障壁となる層である。（４ａ）は導波路の
構成に自由度を持たせるために設けた導波層であり、第
２障壁層（Ｉｎ　Ｏ，５２Ａ／　０．４８　Ａｓ　）と
価電子帯の上端が一致し、かつクラッド層（Ｐ型ＩｎＰ
　層）　（７）と格子り大きく、Ｐ型１ｎＰ層（７）の
エネルギーバンド間隙より小さい。さらに、これらＰ型
ＩｎＰ層（７）、導波層（４ａ）、及び第２障壁層（３
）よりなるＰ型導電ノーにおいて、活性層近傍の価電子
帯上端は活性層の価電子帯上端より低く、上記活性層に
近づくにつれて高くなるようにされている。

（６ａ）は第１障壁層（２）に接するところでは組成が
Ｉｎ　Ｏ，５８Ｇａ　Ｏ，４７Ａｓ　で、活性層（１）
中の発光に寄与する自由電子のエネルギー準位よりも低
い伝導帯下端を有し、第Ｉ障壁層（２）からはなれるに
従ってバンド間隙が徐々に広がるように組成が変化し、
最終的にｎ型導電層即ちクラッド層（ｎ型ＩｎＰ層）（
６）と一致する傾斜低エネルギーバンド間隙層、（転）
側は各々活性層（１）中の伝導帯及び価電子帯に生じた
最低準位の量子準位を示す。

次に動作について説明する。

第１図（ｂ）はＩｎＰのバンド間隙に相当するｌ順方向
電圧を電極αＯＱυを通して印加した状態を示しており
、この状態ではホール（２）はＰ型ｉｎＰ　層（９）か
ら拡散によって活性層（１）に溜る。電子σやは拡散に
よって傾斜低エネルギーバンド間隙層（５ａ）中、特に
ポテンシャルの低い第１障壁層（２）との境界付近に溜
る。この電子密度が高くなるとバンドフィリングのため
に、高いエネルギー準位を持つ電子も生じる。この電子
のうち、活性ＭＯ）の伝導帯に生じた量子準位＠と一致
したエネルギーを持つ電子は第１障壁層（２）をトンネ
ル伝導して活性Ｍ（１）中に入る。

こうして活性Ｅｌ　（１）中に入った電子とホールは再
結合し、光αｅを発生する。クラッド層（ＩｎＰ／ｍ）
（６）　（７）によりはさまれた内側の層（４ａ）　（
２）　（１）　（２）　（５ａ）は平均的にエネルギー
バンド間隙が上記ｉｌＰ　層（６）　（７）より小さく
、導波路として働く。

ファブリニペロエタロンもしくは分布帰還による共振器
を適切に設けておけば、前述の光発生過程をもとにレー
ザ発振が得られる。

次に第１図（Ｃ）に示すように急激に印加電圧をとり去
った場合を考える。活性層（１）中のホールは第２障壁
層８のために伝導できず１部活性Ｍ（１）の中に残され
る。一方電子は傾斜低エネルギーバンド間隙層（５ａ）
からは拡散もしくはドリフト伝導暑ζよって除かれる。

さらに活性層（１）の中にある電子は傾斜低エネルギー
バンド間Ｈａ　（ｓａ＞の中の量子準位（２）と同じ高
さのエネルギー準位が空になるとトンネル伝導によって
傾斜低エネルギーバンド間隙ａ　（５ａ）へ取り出され
、上記と同様、低エネルギーバンド間隙＃（５ａ）より
ｎ型導電層（６）の方向へ移動する。

そのため、電子とホールは空間的に隔てられ再結合によ
る発光は止まる。電子のトンネル伝導時間は、例えば雑
誌（Ｊｐｎ、　Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、２５．　Ｌ８
７１（１９８６）　）に記載されるように、ｌｐｓの程
度なので、キャリアの再結合寿命がＩｎｓ程度なのに比
べると極めて短かく、上述した発光の遮断は、活性層（
１）中での罵結合による発光の停止を待つ従来の半導体
レーザに比べて格段に早い。

また第１図（ｂ）において活性層（１）にあるホールは
傾斜低エネルギーバンド間隙層（６ａ）へトンネル伝導
しないことは微分利得を高く保つ上で重要である。トン
ネル伝導確率は近似的に次式で表わされる。〔雑誌（Ｉ
ＥＥＥ　Ｊ　、　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、
　ＱＥ−２２。

１８５８（１９８６）　）参照〕 ここでｍは電子又はホールの有効質獣、ΔＥは光子準位
と障壁高さとの差、Ｌは第１障壁）ｆｌｌ（２）の厚さ
である。また、市はブランクの定数を２にで割ったもの
である。上記実り山側において発光波長を１．５５μｍ
％第１障壁層（２）の厚さを８ｎｍとすると式（２）か
ら求められる電子のトンネル伝導確率はホールのそれに
比べ５桁大きい。

なお、上記実施例では活性／ｍ　（１）はへ子井戸ｔａ
造のものとしたが、所望の発光波長に対応するバンド間
隙を有する材料を用い、光子準位が形成されない厚さの
活性層を用いてもよい。

但し、この場合は、活性層内の電子準位は連続的になり
、トンネル伝導も幅広いエネルギー準位で同時に生じる
。そのため活性ａ　（１）へ電子を注入する早さは促進
されるが、量子準位を利用することによる鰍分利得の改
善は望めない。

また、上記実施例において導波層（４ａ）の厚さには自
由度があり、この厚さを零としても、実施例で示した基
本的な機能はある。

また、導波層（４ａ）、Ｉ　ｎ　Ｐ　Ｍ　（７）　（９
）を第２障！　７Ｍ　（３）と同じ材料であるＩｎ　Ｏ
，５２Ａ／　０．４８　Ａ３を用いて形成してもよい。

さらに、第２障壁層（３）及び導波層（４ａ）の位置は
上記実施例と同じでなくともよく、Ｐ型導１１１層（７
）（３）　（４ａ）の価電子帯上端が、活性層に近づく
につれて高くなるように、配設されていればよい。

即ち、ホールの活性層への注入がスムーズに行なわれる
ようになっていればよい。また、第２障壁（３）も必ら
ずしも設けなくてもよい。

また上記実施例では半導体レーザの場合について説明し
たが、共振器を有しない発光ダイオードでもよく高速変
調が可能な発光ダイオードが得られる。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば活性層に接して電子はト
ンネル伝導できるがホールはトンネル伝導できない第１
障壁層を設け、かつ第１障壁層に接し、少なくとも第１
障壁層に接する領域では活性Ａ中の発光に寄与する自由
電子のエネルギー準位よりも低い伝導帯下端を持つ低エ
ネルギーバンド間隙層を設けたので活性層中に電子を注
入できるだけでなく高速で活性層中から低エネルギーバ
ンド間隙層中に取り出すことができ高速変調できる半導
体発光素子が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　（ｂ）（ｃ）はこの発明の一実施例によ
る半導体レーザのバンド構造を示す説明図、第２図は従
来の半導体レーザの槽成を示す斜視図、第３図（ａ）（
ｂ）　（ｃ）は従来の半導体レーザのバンド構造を示す
説明図、第４図は従来の半導体レーザに注入する変調電
流を示す波形図、及び第５図は従来の半導体レーザにお
ける、変調された出力光強度の時間変化を示す波形図で
ある。 （１）・・・活性層、（２）・・・第１障壁層、（３）
・・・第２障壁層、（４ａ）・・・導波層、（５ａ）・
・・低エネルギーバンド間隙層、（６）　（７）・・・
クラッド層、αＱ・・・第２電極、ａυ・・・第１電極
、ｑ４・・・電子、ＱＧ・・・ホール なお、図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 特許出願人　　光技術研究開発株式会社第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 時間

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）活性層、この活性層に続き、Ｐ型の導電性を有す
   るＰ型導電層、このＰ型導電層にオーミック接続させた
   第１電極、上記活性層に接し、電子はトンネル伝導でき
   るがホールはトンネル伝導できない第１障壁層、この第
   １障壁層に接し、少なくとも第１障壁層に接する領域で
   は、上記活性層中の発光に寄与する自由電子のエネルギ
   ー準位よりも低い伝導帯下端を有する低エネルギーバン
   ド間隙層、この低エネルギーバンド間隙層に接し、ｎ型
   の導電性を有するｎ型導電層、及びこのｎ型導電層にオ
   ーミック接触させた第２電極を備えた半導体発光素子。 （２）低エネルギーバンド間隙層のエネルギーバンド間
   隙を第１障壁層に接している部分からｎ型導電層の方向
   に徐々に大きくした特許請求の範囲第１項記載の半導体
   発光素子。（３）活性層を量子準位が形成される厚さに
   した特許請求の範囲第１項又は第２項記載の半導体発光
   素子。 （４）活性層近傍のＰ型導電層の価電子帯上端は上記活
   性層の価電子帯上端より低く、上記活性層に近づくにつ
   れて高くなるようにした特許請求の範囲第１項ないし第
   ３項のいづれかに記載の半導体発光素子。 （５）Ｐ型導電層は上記活性層中の発光に寄与する自由
   電子に対して障壁となる第２障壁層を有する特許請求の
   範囲第４項記載の半導体発光素子。 （６）Ｐ型導電層は、エネルギーバンド間隙が活性層に
   おけるエネルギーバンド間隙より大きく、上記Ｐ型導電
   層のエネルギーバンド間隙より小さい導波層を有する特
   許請求の範囲第４項又は第５項記載の半導体発光素子。