JPS63313886A - 半導体発光装置 - 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〕 本発明は、超格子に於いて、二つの井戸層の間にそれ等
井戸層の外側に在る障壁層に於ける障壁高さよりも低い
それを持った障壁層を介在させることに依り、電圧を印
加した際、屈折率が大幅に変化するようにした。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、例えば、発振周波数、即ち、発振波長を制御
することが必要な半導体発光装置に用いて好適な超格子
に関する。

〔従来の技術〕

近年、コヒーレント光を用いて光通信を行う技術に関す
る研究及び開発が進んでいる。これは、従来の光通信に
於ける情報伝達が光のオン・オフ変調に依存していたの
に対し、光を電磁波として取り扱い、その位相、振幅、
周波数などに関し、電磁波と同様、ＦＭ、ＰＭ、、ＦＳ
Ｘ、ＰＳＫなどの変調をかけて情報伝達を行うものであ
り、これに依り、信号伝送距離を延伸したり、多量の情
報を伝達できるようにするものである。

この場合、コヒーレント光の光源としては、矢張り半導
体レーザを用いることになるが、そのような目的を達成
する半導体レーザの一つとして、成る場合には一定の発
振波長で固定的に発振を持続し、また、成る場合には発
振波長が可変であるもの、即ち、波長チューニングを行
うことができる半導体レーザが必要になる。

半導体レーザの発振波長を可変にするには、レーザ共振
器の長さを変える、媒質を変える、屈折率を変える、動
作温度を変えるなど種々の手段がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

前記したように、半導体レーザの発振波長を可変にする
には種々の手段が存在するものの、従来技術に依るもの
では、波長の可変幅が不充分であり、しかも、それに随
伴して闇値電流が高くなったり、或いは、発光効率が低
下するなど半導体レーザの基本的特性が劣化してくるな
どの欠点があった。また、波長を可変とする為、半導体
のバルク効果であるバンド端効果或いはプラズマ効果を
利用したものに於いては、何れも順方向バイアスで使用
するので、リーク電流や発熱の面で問題があった。

本発明者は、前記従来技術の問題を解消する為、レーザ
共振器の近傍に超格子を配設し、その超格子に電圧を印
加して屈折率を変化させることでレーザ共振器自体の屈
折率も変化するようにし、それに依って発振波長のチュ
ーニングが可能な半導体発光装置を開発したところ、か
なり良好な成績を収めることができた。

ところで、超格子に電圧を印加すると屈折率が変化する
のは次の理由に依る。

第３図（Ａ）及び（Ｂ）は通常の超格子に関する動作を
説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラムを表し、
（Ａ）は電界の非印加時の、そして、（Ｂ）は電界の印
加時のそれである。

図に於いて、Ｅ、は伝導帯の底、Ｅｖは価電子帯の頂、
Ｂ１及びＢ２は障壁層、Ｗｌは井戸層、ＥＬｃ並びにＥ
ＬＶは井戸層Ｗｌ内のエネルギ準位、ｅは井戸層Ｗｌ内
に於ける電子の分布、ｈは井戸層Ｗｌ内に於は石工孔の
分布をそれぞれ示している。

第３図（Ａ）に見られるように、超格子に電界を印加し
ない場合には、井戸層Ｗｌ内に於ける電子分布のピーク
と正孔分布のピークとは一致し、従って、それ等を結ぶ
線は半導体層の厚さ方向に対して垂直である。

第３図（Ｂ）に見られるように、超格子に電界を印加し
た場合には、エネルギ・バンドは傾きをもち、従って、
井戸層Ｗｌ内に於ける電子分布のピーク及び正孔分布の
ピークは図示の矢印方向にシフトし、従って、それ等を
結ぶ線は半導体層の厚さ方向に対して傾きを持つことに
なる。

即ち、超格子に電界を印加した場合には、実空間の中で
電子と正孔とで構成される電気双極子が動くことになる
。

超格子に於ける屈折率は、前記電気双極子に於けるモー
メントの単位採積中の和に依存し、従って、この電気双
極子の変位が大きいほど屈折率変化も大となり、その結
果、例えば前記のような半導体発光装置では発振波長を
大幅に変えることが可能になるものである。尚、このよ
うに超格子に電圧を印加して屈折率が変化するのは、量
子閉じ込めスターク（Ｓ　ｔ　ａ　ｒ　ｋ）効果と呼ば
れているが、広義には半導体内のフランツ・ケルディツ
シュ効果（Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｉｓｈ　　ｅｆｆｅｃ
ｔ）に依るものということができる。

本発明は、極めて簡単な構成でありながら、僅かな電界
の印加で井戸層内の電子と正孔が大きくシフトする超格
子を提供しようとする。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の詳細な説明する為の
超格子のエネルギ・バンド・ダイヤグラムを表し、（Ａ
）は電界の非印加時の、そして、（Ｂ）は電界の印加時
のそれであり、第３図に於いて用いた記号と同記号は同
部分を示すか或いは同じ意味を持つものとする。　　　
　□図に於いて、Ｗ２は第２の井戸層、Ｂ３は第１の井
戸層Ｗ１と第２の井戸層Ｗ２との間に介在する第３の障
壁層をそれぞれ示している。

図から明らかなように、第３の障壁層Ｂ３の障壁高さは
第１及び第２の障壁層Ｂ１及びＢ２に於けるそれと比較
して低くしてあり、例えば、井戸層Ｗｌ或いはＷ２の幅
と同程度となるように選択する。

第１図（Ａ）に見られるように、超格子に電界を印加し
ない場合には、その電子分布或いは正孔分布は、第１の
井戸層Ｗｌ内と第２の井戸層Ｗ２内とにピークが存在し
、また、第３の障壁層Ｂ３の障壁高さは低いので、量と
しては少ないが、そこにも電子或いは正孔が存在し、従
って、電子分布或いは正孔分布の全体はＭ字形をなして
いて、井戸層Ｗｌ内に於ける電子分布のピークと正孔分
布のピークとは一致し、また、同様に、井戸層Ｗ２内に
おいても各ピークが一致している。

第１図（Ｂ）に見られるように、超格子に電界を印加し
た場合には、エネルギ・バンドは左下がりに傾き、その
結果、井戸層Ｗ２内に在った電子は井戸層Ｗ１に移動し
、従って、そこでの電子濃度は極めて高くなる。また、
これとは逆に、井戸゛層Ｗ１内に在った正孔は井戸層Ｗ
２に移動し、従って、そこでの正孔濃度は極めて高くな
る。

このように、井戸層Ｗ１に於ける電子濃度及び井戸層Ｗ
２に於ける正孔濃度が著しく高くなり、しかも、それ等
に於ける電子分布のピーク及び正孔分布のピークを結ぶ
線は半導体層の厚さ方向に対して大きな傾きを持つこと
になり、従って、その電気双極子の変位は充分に大とな
るから、この超格子を例えば前記半導体発光装置に利用
した場合には、その導波路の屈折率を小さい電界で大幅
に変化させることができ、高効率の発振波長制御が可能
になるものである。

そこで、本発明に依る超格子に於いては、量子効果をも
つことが可能な幅の二つの井戸層（例えば井戸層Ｗ１及
びＷ２）の間にそれ等井戸層の外側に在る障壁層（例え
ば障壁層Ｂ１及びＢ２）に於ける障壁高さに比較して低
いそれをもつ障壁層（例えば障壁層Ｂ３）を介在させで
ある。

〔作用〕

前記構成を採ることに依り、超格子に電圧を印加した場
合には、前記二つの井戸層に於いて、電子は一方の井戸
層から他方の井戸層へ、また、正孔は他方の井戸層から
一方の井戸層へそれぞれ移動し、それぞれに於ける電子
濃度及び正孔濃度は著しく高（なり、しかも、それ等電
子及び正孔に依って形成される電気双極子の動き（傾き
）が極めて大になり、その結果、超格子に於ける屈折率
を小さい電界を加えるだけで大幅に変化させることが可
能になり、従って、この超格子を発振波長可変の半導体
発光装置に適用すれば、制御電極に印加する小さい電圧
で発振波長を安定に且つ大幅に変化させることができ、
そして、そのようにしでも発振の闇値電流が高く成った
り、発光効率の低下、リーク電流の増加、発熱などの問
題も発生しないので、コヒーレント光に依る光通信を実
現するのに有効である。

〔実施例〕

第２図は本発明一実施例の要部切断側面図を表し、第１
図及び第３図に於いて用いた記号と同記号は同部分を示
すか或いは同じ意味を持つものとする。

本実施例に関する主要データを例示すると次の通りであ
る。

（ａｌ　　障壁層Ｂ１及びＢ２について材料：ＩｎＰ 厚さ：８０〜１２０　〔人〕 （ｂ）　　井戸層Ｗ１及びＷ２について材料：　Ｉ　ｆ
ｌ＋−ｘ　Ｇ　ａｘ　Ａ　Ｓｙ　Ｐ　Ｉ−ｙＸ値：０．
３５〜０．４０ ｙ値：０．８０〜０．８５ 因に、例えば波長が１．３〔μｍ〕のとき、Ｘ値として
は０．２７、ｙ値としては０．６０を、また、波長が例
えば１．５５（μｍ〕のとき、Ｘ値としては０．　４、
ｙ値としては０．８５を選択する。

厚さ：１０〜１００　〔人〕 （Ｃ１障壁層Ｂ３について 材料：　Ｉ　ｎｌ−ｘ　ＧａＸＡｓｙ　ｐｌ−ＶＸ値：
０．２５〜０．３０ ｙ値７０．５７〜０．６２ 厚さ＝１０〜１００　　（人〕 本実施例に依ると、発振波長の可変幅は約４゜Ｏ〜５０
０〔人〕程度と広くなった。因に、従来技術に依った場
合のそれは高々５０（人〕程度である。

〔発明の効果〕

本発明に依る超格子に於いては、二つの井戸層の間にそ
れ等井戸層の外側に在る障壁層に於ける障壁高さよりも
低いそれを持った障壁層を介在させである。

この構成を採ることに依り、超格子に電圧を印加した場
合には、前記二つの井戸層に於いて、電子は一方の井戸
層から他方の井戸層へ、また、正孔は他方の井戸層から
一方の井戸層へそれぞれ移動し、それぞれに於ける電子
濃度及び正孔濃度は著しく高くなり、しかも、それ等電
子及び正孔に依って形成される電気双極子の動き（傾き
）が極めて大になり、その結果、超格子に於ける屈折率
を小さい電界を加えるだけで大幅に変化させることが可
能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）並びに（Ｂ）は本発明の詳細な説明する為
のエネルギ・バンド・ダイヤグラム、第２図は本発明一
実施例の要部切断側面図、第３図（Ａ）並びに（Ｂ）は
従来例を説明する為のエネルギ・バンド・ダイヤグラム
をそれぞれ表している。 図に於いて、Ｅｃは伝導帯の底、Ｅｖは価電子帯の頂、
Ｂｌ、Ｂ２．Ｂ３は障壁層、Ｗｌ及びＷ２は井戸層、Ｅ
ＬＣ並びにＥＬＶは井戸層Ｗ１及びＷｌ１ ２内のエネルギ単位、ｅは井戸層Ｗ１及びＷ２内に於け
る電子の分布、ｈは井戸層Ｗ１及びＷ２内に於ける正孔
の分布をそれぞれ示している。 特許出願人　　　富士通株式会社 代理人弁理士　　相　谷　昭　司 代理人弁理士　　渡　邊　弘　− 原理を説明する為のエネルギ・ハント・ダイヤク゛ラム
第１図 実施例の要部切断側面図 第２図 従来例のエネルギ・ 第 バント・ダ′イヤグラム ３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 量子効果をもつことが可能な幅の二つの井戸層の間にそ
   れ等井戸層の外側に在る障壁層に於ける障壁高さに比較
   して低いそれをもつ障壁層を介在させてなることを特徴
   とする超格子。