JPS6346788A - 超格子構造体 - Google Patents

超格子構造体

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JPS6346788A
JPS6346788A JP61189623A JP18962386A JPS6346788A JP S6346788 A JPS6346788 A JP S6346788A JP 61189623 A JP61189623 A JP 61189623A JP 18962386 A JP18962386 A JP 18962386A JP S6346788 A JPS6346788 A JP S6346788A
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layer
superlattice
superlattice structure
thickness
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伊賀　健一
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二三夫 小山
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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） 本発明は、エネルギー障壁を人為的に制御し得る超格子
構造体に関するものである。
（従来の技術） 半導体レーザや発光ダイオード等の半導体発光デバイス
においては、発光に寄与する注入電子又はホールを活性
領域に効率よ（閉込める必要がある。このため従来の半
導体発光デバイスでは、第５図に示すようにＰ形活性領
域１の両側にｎ形りラッド領域２及びＰ形りラッド領域
３をそれぞれ形成したダブルへテロ構造を用い、Ｐ形活
性領域１とＰ形りラッド領域３とをハンドギヤツブがΔ
Ｅだけ異なる半導体材料で構成されている。この半導体
発光デバイスにおいて閉じ込められた電子又はホールに
対するエネルギー障壁の高さは、バンドギャップΔＥと
なり、このバンドギャップΔＥは活性領域１及びＰ形り
ラッド領域３の半導体材料の固有の物理定数によって規
定される。
一方、近年ＭＢＣ法やＭＯＣＶＤ法等の結晶成長技術の
発展に伴ない、原子層オーダの極薄膜の結晶成長が可能
になり、量子効果を用いた半導体デバイスの物性制御が
行なわれている。例えば、活性層を数十オングストロー
ムに薄膜化した里子井戸レーザでは、量子井戸中の電子
、ホールのエネルギー準位が離散化され、状態密度関数
の増大による低閾値電流化や発光波長の短波長化が図ら
れている。更に、ベース領域をバンドギャップの異なる
２種類の半導体材料を交互に周期をわずかに変えながら
構成したＣ＋＋ＩＲＰ超格子（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ　Ｈｅ
ｔｅｒ。
Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｆｏｒ　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　
ａｎｄ　Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）超格子を電子デバイ
スとして利用する提案もなされている。
（発明が解決しようとする問題点） 上述した従来の発光デバイスでは、高温で動作させ°る
と電子、ホールが熱的に高エネルギーに励起されるため
、これら電子、ホールが障壁を乗り越えてしまい発光効
率が著しく低下する不都合があった。また、レーザに利
用した場合闇値電流が増大する不都合も生じていた。更
に、１．５μｍ帯ＧａＩｎＡｓＰレーザの場合オージェ
過程により高エネルギー帯に散乱されてしまい、特に高
温動作が困難になる欠点があった。これらの問題点は、
いずれも電子、ホールに対するエネルギー障壁が十分に
確保されていないことに起因している。
一方、薄膜形成技術の発展に伴ない種々の特性の超格子
構造体が開発されており、この超格子構造体を発光デバ
イスに利用することが期待されている。しかし、上述し
た超格子構造体は電子デバイスとして利用されており、
超格子構造体を用いて電子、ホールを活性領域に閉じ込
める技術は未だ開発されていない。
従って、本発明の目的はエネルギー障壁の高さを人為的
に制御でき、従って発光デバイスとして用いた場合に電
子又はホールを活性領域内に十分に効率よく閉じ込める
ことができるエネルギー障壁を形成できる超格子構造体
を提供するものである。
（問題点を解決するための手段） 本発明による超格子構造体は、バンドギャップの異なる
２以上の結晶を交互に組み合せて超格子構造体を構成し
、これら結晶の厚さ及び真空準位を、入射電子又はホー
ルの反射波に対してその位相を強め合うように構成した
ことを特徴とするものである。
（作　用） 厚さｄｌ＋真空準位Ｅ１の半導体１と厚さｄ２＋真空準
位Ｅ２の半導体２とを交互に組み合せて超格子構造体を
構成する。この超格子の伝導帯の底はＥＣ＝Ｅ、−ＥＸ
の振幅で周期的に変化する。一方、この超格子にエネル
ギーＥの電子が入射すると、ポテンシャルの不連続点で
量子力学的に反射されることになる。従って、各不連続
点での電子の反射波の位相を制御し得るように半導体１
及び２の物理量を適切に設定すれば、入射電子に対する
エネルギー障壁を人為的に制御できることになる。本発
明では超格子を構成する半導体１及び２の厚さｄｌ＋ｄ
２及び真空準位Ｅ＋、Ｅｚを次式を満足するように設定
する。
ここで、ｍ１′及びｍ２′は半導体１及び２における電
子の有効質量、ｈはブランク定数である。（１１式を満
足するように、すなわち電子の反射波の位相差がπの整
数倍となるように半４体１及び２の各物理量を設定すれ
ば、各不連続点において電子の反射波の位相が強め合い
、入射電子は超格子によっそ強く反射され、従って電子
に対するエネルギー障壁が等価的に高められることにな
る。
尚、ここでは伝導帯の電子について説明したが、価電子
帯のホールについても成立する。
（実施例） 第１図ａ及びｂは本発明による超格子構造体の一実施例
の構成を示すものであり、第１図ａは構造図、第１図す
は伝導帯の構造を示す線図である。
本例ではバンドギャップの大きい第１の半導体材料層１
０として厚さ２０人のＡ　Ｉ　Ａｓ層を用い、第２の半
導体材料層１１として厚さ５６人のＧａＡｓ層を用いる
。
そしてＡ　ＩＩ　Ａｓ層１０とＧａＡｓ層１１とを交互
に組み合せて超格子構造体を構成する。この超格子構造
体はＭＢＥ法等の結晶成長技術によって作成することが
できる。この超格子構造体に入射した伝導帯の電子は、
＾ｆＡｓ層１０とＧａＡｓ層１１との真空準位の差ΔＥ
に等しいポテンシャル高さの周期ポテンシャルを感じ、
本例では０．９５６ｅＶのエネルギー障壁が生ずる。こ
れら第１半導体材料層１０及び第２半導体材料層１１の
厚さ及び真空準位は上記第（１）式を満しており、各境
界面での電子の反射波の位相が強め合い伝導帯の電子は
強く反射される。
第２図ａ及びｂは本発明による超格子構造体の変形例の
構成を示す構造図である。本例では第１及び第２の半導
体Ｎ１０及び１１の周期を変化させて複数対組み合せた
例を示す。このように、ＡｌＡｓ層１０とＧａＡｓ層１
１との厚みを変化させて周期を変えることにより、異な
ったエネルギーををする複数の電子を同時に強く反射す
ることができる。この超格子に入射した電子の反射率の
計算例を第３図に示す。横軸は電子のエネルギーを示し
、縦軸は反射率を示す。第３図から明らかなように、Ａ
　（ｌ　Ａｓのバルクの障壁よりも、更に約０．３ｅＶ
だけ高いエネルギーを有する電子も反射されることが理
解できる。このように本発明による超格子構造体を用い
ることにより半導体レーザにおける注入キャリヤを効率
よく空間的に閉じ込めることができる。
第４図ａ及びｂは本発明による超格子構造体を波長１．
５　μｍ帯のＧａ１ｎＡｓＰ／ＩｎＰ半導体レーザに応
用した例を示し、第４図ａは構造図、第４図すはバンド
構造を示す線図である。１．５５μｍ組成のＰ形にドー
ピングしたＧａ１ｎＡｓＰ活性層２０の一方の側にｎ形
のＩｎＰクラッドＮ２１を形成すると共に他方の側に本
発明による多重超格子２２を形成する。更に、多重超格
子２２の他方の側にＰ形１ｎＰクラッド層２３を形成す
る。多重超格子２２はＧａＩｎＡｓＰ層２４とＩｎＰ層
２５とを交互に組み合せた構成とする。このようにＰ形
活性層２０とＰ形クラッド層２３との間に多重超格子２
２を形成すれば、第６図すに示すように障壁の高さをδ
Ｅだけ増大することができ、注入電子を一層効率よく活
性層に閉じ込めることができる。特に、斯る波長帯の半
導体レーザでは、オージェ過程により高エネルギー側に
散乱された電子が二重へテロ構想の障壁を乗り越えて漏
れてしまい温度特性が悪化する不具合が指摘されていた
が、本発明の超格子構造体を利用することにより障壁の
高さがδＥだけ増大でき、従って闇値電流の温度特性を
改善することができる。
本発明は上述し実施例だけに限定されるものではなく種
々の変形が可能である。例えば上述した実施例ではＧａ
ＡｌＡｓを用いて説明したが、ＩｎＧａＡｓＰやＧａＡ
βＡｓＳｂ等の種々の混晶材料も用いることができる。
更に、上述した実施例では２層構造体を用いて説明した
が、３種以上の結晶を交互に組み合せた超格子構造体も
用いることができる。
（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、バンドギャップの
異なる結晶を交互に組み合せて超格子構造体を構成し、
これら結晶の物理量を入射電子又はホールの反射波に対
して位相を強め合うように構成しているので、エネルギ
ー障壁の高さを人為的に高めることができる。この結果
、半導体レーザに利用すれば、注入キャリヤの閉じ込め
効率を一層向上させることができる。
更に、周期を変えて複数対組み合せることにより、異な
るエネルギーを有する複数の電子を同時に強く反射する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第１図ａ及びｂは本発明による超格子構造体の一例の構
成を示す構造図及びハンド構造図、第２図ａ及びｂは本
発明による超格子構造体の変形体の構成を示す構造図及
びバンド構造図、第３図は第２図に示す超格子構造体の
入射電子のエネルギーに対する反射率の計算例を示すグ
ラフ、 第４図ａ及びｂは本発明による超格子構造体を半導体レ
ーザに応用した例を示す構造図及びバンド構造図、 第５図は従来の半導体レーザのバンドギャップ構造図で
ある。 １０−　Ａ　Ｉ　Ａｓ層　　　　　１１−−Ｇ　ａ　Ａ
　ｓ層２０−Ｐ形Ｇａ１ｎＡｓＰ活性層 ２１−ｎ形１ｎＰクラフト層 ２２−多重超格子 ２３−・・Ｐ形１ｎＰクラッド層 ２４−−　Ｐ形ＧａＩｎＡｓＰ層　　２５−■ｎ　Ｐ層
第１図 ａ 層厚：２０ズ　５６ス　２４５６ズ　２０λ　５６ス　
２０ズＡｌＡｓ　ｆｈＡｓ　　ＡｌＡｓ　　ＧａＡｓ　
　ＡｌＡｓ　（ｚａＡｓ　　ＡｌＡｓ第２図 第３図 ΔＥｃ　　　　　　　　　　　　６ΔＥＣ９子エネルギ
ー（ｅＶ）　− 第４図 第５図 手　　続　　補　　正　　書 昭和６１年１１月１０日 特許庁長官　　黒　　１）　明　　！Ｊ１　　　殴１、
事件の表示 昭和６１年特許願第１８９６２３号 ２、発明の名称 超格子構造体 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 東　　京　　工　　業　　大　　学　　長４、代理人 図面中、第１図を削除し、第２図を第１図に、第３図を
第２図に、第４図を第３図に、第５図を第４図にそれぞ
れ繰り上げ訂正する。 （訂正）明　　　細　　　書 １、発明の名称　　超格子構造体 ２、特許請求の範囲 １、　バンドギャップの異なる２以上の結晶を交互に組
み合せて超格子構造体を構成し、これら結晶の厚さを、
入射電子又はホールの反射波に対してその位相を強め合
うように構成したことを特徴とする超格子構造体。 ３、発明の詳細な説明 （産業上の利用分野） 本発明は、エネルギー障壁を人為的に制御し得る超格子
構造体に関するものである。 （従来の技術） 半導体レーザや発光ダイオード等の半導体発光デバイス
においては、発光に寄与する注入電子又はホールを活性
領域に効率よく閉込める必要がある。このため従来の半
導体発光デバイスでは、第５図に示すようにＰ杉油性領
域１の両側にｎ形りラッド領域２及びＰ形りラッド領域
３をそれぞれ形成したダブルへテロ構造を用い、Ｐ杉油
性領域１とＰ形りラッド領域３とをバンドギヤ・ノブが
ΔＥだけ異なる半導体材料で構成されている。この半導
体発光デバイスにおいて閉じ込められた電子又はホール
に対するエネルギー障壁の高さは、バンドギャップΔＥ
となり、このバンドギャップΔＥは活性領域１及びＰ形
りラッド領域３の半導体材料の固有の物理定数によって
規定される。 一方、近年ＭＢＥ法や！’ｌ０ｃＶＤ法等の結晶成長技
術の発展に伴ない、原子層オーダの極薄膜の結晶成長が
可能になり、量子効果を用いた半導体デバイスの物性制
御が行なわれている。例えば、活性層を数十オングスト
ロームに薄膜化した量子井戸レーザでは、量子井戸中の
電子、ホールのエネルギー準位が離散化され、状態密度
関数の増大による低閾値電流化や発光波長の短波長化が
図られている。更に、ベース領域をバンドギャップの異
なる２種類の半導体材料を交互に周期をわずかに変えな
がら構成したＣｌ１ｒＲＰ超格子（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ　
Ｈｅｔｅｒ。 Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｆｏｒ　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　
ａｎｄ　Ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）超格子を電子デバイ
スとして利用する提案もなされている。 （発明が解決しようとする問題点） 上述した従来の発光デバイスでは、高温で動作させると
電子、ホールが熱的に高エネルギーに励起されるため、
これら電子、ホールが障壁を乗り越えてしまい発光効率
が著しく低下する不都合があった。また、レーザに利用
した場合闇値電流が増大する不都合も生じていた。更に
、１．５　μｍ帯Ｇａ１ｎＡｓＰレーザの場合オージェ
過程により高エネルギー帯に散乱されてしまい、特に高
温動作が困難になる欠点があった。これらの問題点は、
いずれも電子、ホールに対するエネルギー障壁が十分に
確保されていないことに起因している。 一方、薄膜形成技術の発展に伴ない種々の特性の超格子
構造体が開発されており、この超格子構造体を発光デバ
イスに利用することが期待されている。しかし、上述し
た超格子構造体は電子デバイスとして利用されており、
超格子構造体を用いて電子、ホールを活性領域に閉じ込
める技術は未だ開発されていない。 従って、本発明の目的はエネルギー障壁の高さを人為的
に制’ｔＢでき、従って発光デバイスとして用いた場合
に電子又はホールを活性領域内に十分に効率よく閉じ込
めることができるエネルギー障壁を形成できる超格子構
造体を提供するものである。 （問題点を解決するための手段） 本発明による超格子構造体は、バンドギャップの異なる
２以上の結晶を交互に組み合せて超格子構造体を構成し
、これら結晶の厚さを、入射電子又はホールの反射波に
対してその位相を強め合うように構成したことを特徴と
するものである。 （作　用） 厚さｄｌ＋電子親和力χ、の半導体１と厚さｄＺ＋電子
親和力χ２の半導体２とを交互に組み合せて超格子構造
体を構成する。この超格子の伝導帯の底はＥｃ−χ、−
χ２の振幅で周期的に変化する。 一方、この超格子にエネルギーＥの電子が入射すると、
ポテンシャルの不連続点で量子力学的に反射されること
になる。従って、各不運読点での電子の反射波の位相を
制御し得るように半導体１及び２の物理量を適切に設定
すれば、入射電子に対するエネルギー障壁を人為的に制
御できることになる。本発明では超格子を構成する半導
体１及び２の厚さｄ、、　ｄ２及び反射を強めるエネル
ギー値Ｅ１゜Ｅ２を次式を満足するように設定する。 ・・・（１） ここで、ｌ１１１１及びｍ？は半導体１及び２における
電子のを効’ｆｆｆｆ１、ｈはブランク定数である。（
１）式を満足するように、すなわち電子の反射波の位相
差がπの奇数倍となるように半導体１及び２の各物理量
を設定すれば、各不運読点において電子の反射波の位相
が強め合い、入射電子は超格子によって強く反射され、
従って電子に対するエネルギー障壁が等価的に高められ
ることになる。 ただし、通常の結晶成長条件では層の厚さは単原子層厚
の整数倍しか取れないので、実際には（１）式より求め
た値に最も近い厚さとする。 尚、ここでは伝導帯の電子について説明したが、価電子
帯のホールについても成立する。 （実施例） 第１１１ａ及びｂは本発明による超格子構造体の一実施
例の構成を示すものであり、第１図ａは構造図、第】図
すは伝導帯の構造を示す線図である。 本例ではバンドギャップの大きい第１の半導体材料層１
０として厚さ２８．３人から１７．０人まで変化するＡ
　ｊ２　Ａｓ層を用い、第２の半導体材料層１１として
厚さ５６人のＧａＡｓ１Ｗを用いる。そしてＡｊ’Ａｓ
層１０とＧａＡｓ層１１とを交互に組み合せて超格子構
造体を構成する。この超格子構造体は、例えばＭＢＥ法
等の結晶成長技術によって作成することができる。本例
では第１半導体材料層１０の厚さを変化させることによ
り、第１及び第２半導体材料層１０及び１１の周期を変
化させ複数対組み合せているから、異なったエネルギー
を有する複数の電子を同時に強く反射することができる
。この超格子に入射した電子の反射率の計算例を第２図
に示す。横軸は電子のエネルギーを示し、縦軸は反射率
を示す。第２図から明らかなように、Ａ　Ｉ２　Ａｓの
バルクの障壁よりも、更に約０．３ｅＶだけ高いエネル
ギーを有する電子も反射されることが理解できる。この
ように本発明による超格子構造体を用いることにより半
導体レーザにおける注入キャリヤを効率よく空間的に閉
じ込めることができる。 第３図ａ及びｂは本発明による超格子構造体を波長１．
５　ｐｔｎ帯のＧａ１ｎＡｓＰ／ＩｎＰ半導体レーザに
応用した例を示し、第３図ａは構造図、第３図すはバン
ド構造を示す線図である。１．５５μｍ組成のＮ形にド
ーピングしたＧａＩｎＡｓＰ活性層２０の一方の側にｎ
形のＩｎＰクラッド層２１を形成すると共に他方の側に
本発明による多重超格子２２を形成する。更に、多重超
格子２２の他方の側にＰ形１ｎＰクラッド層２３を形成
する。多重超格子２２はＧａｌｎＡｓＰ層２４とＩｎＰ
　［２５とを交互に組み合せた構成とする。このように
Ｎ杉油性層２０とＰ形りラッド層２３との間に多重超格
子２２を形成すれば、第３図すに示すように障壁の高さ
をδＥだけ増大することができ、注入電子を一層効率よ
く活性層に閉じ込めることができる。特に、斯る波長帯
の半導体レーザでは、オージェ過程により高エネルギー
側に散乱された電子が二重へテロ構想の障壁を乗り越え
て漏れてしまい温度特性が悪化する不具合が指摘されて
いたが、本発明の超格子構造体を利用することにより障
壁の高さがδＥだけ増大でき、従って闇値電流の温度特
性を改善することができる。 本発明は上述の実施例だけに限定されるものではなく種
々の変形が可能である。例えば上述した実施例ではＧａ
＋−Ｊ　Ｉ　ＸＭＳを用いて説明したが、ＩｎＧａＡｓ
ＰやＧａＡ　Ｉ　ＡｓＳｂ等の種々の混晶材料も用いる
ことができる。 更に、上述した実施例では２層構造体を用いて説明した
が、３種以上の結晶を交互に糸■み合せた超格子構造体
も用いることができる。 （発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、バンドギャップの
異なる結晶を交互に組み合せて超格子構造体を構成し、
これら結晶の物理量を入射電子又はホールの反射波に対
して位相を強め合うように構成しているので、エネルギ
ー障壁の高さを人為的に高めることができる。この結果
、半導体レーザに利用すれば、注入キャリヤの閉じ込め
効率を一層向上させることができる。 更に、周期を変えて複数対組み合せることにより、異な
るエネルギーを存する複数の電子を同時に強く反射する
ことができる。 ４、図面の簡単な説明 第１図ａ及びｂは本発明による超格子構造体の一例の構
成を示す構造図及びハンド構造図、第２図は第１図に示
す超格子構造体の入射電子のエネルギーに対する反射率
の計算例を示すグラフ、 第３図ａ及びｂは本発明による超格子構造体を半導体レ
ーザに応用した例を示す構造図及びハンド構造図、 第４図は従来の半導体レーザのハンドギヤツブ構造図で
ある。 １０−−−　Ａ　Ｉ　Ａｓ層　　　　　１ｌ−ＧａＡｓ
層２０−Ｐ形ＧａＩｎＡｓＰ活性層 ２１〜・ｎ形１ｎＰクラッド層 ２２−多重超格子 ２３−・Ｐ形ＩｎＰクラッド層

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １、バンドギャップの異なる２以上の結晶を交互に組み
    合せて超格子構造体を構成し、これら結晶の厚さ及び真
    空準位を、入射電子又はホールの反射波に対してその位
    相を強め合うように構成したことを特徴とする超格子構
    造体。
JP18962386A 1986-08-14 1986-08-14 超格子構造体 Expired - Lifetime JPH0666519B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP18962386A JPH0666519B2 (ja) 1986-08-14 1986-08-14 超格子構造体
US07/501,291 US5091756A (en) 1986-08-14 1990-03-19 Superlattice structure

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