JPS6355878B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は同一平面上に駆動電流注入電極を備
えたプレーナ型の発光ダイオード、半導体レーザ
などの半導体発光装置に関するものである。

半導体レーザはダブルヘテロ接合構造とするこ
とにより閾値電流が低減し、室温での連続発振が
実現されるようになつた、このダブルヘテロ接合
半導体レーザの基本構造の一実施例は第１図に示
すようにGaAs基板１上にGaAsと殆ど格子定数
が等しく且つ禁制帯エネルギー幅の大きい下部ク
ラツド層としてのｎ−AlGaAs層３、活性層とし
てのGaAs層２、更にその上に上部クラツド層と
してのｐ−AlGaAs層４を液相或るいは気相エピ
タキシヤル成長法により順次形成することにより
構成される。このようなダブルヘテロ接合構造５
のｐ−AlGaAs層４をプラスにし、ｎ−AlGaAs
層３をマイナスにして順方向バイアス電流を加え
ると、電子と正孔が活性層２に注入され、注入さ
れた電子と正孔は活性層と両クラツド層の間のヘ
テロ接合によつて作られたポテンシヤル障壁によ
つて拡散が抑えられ、効率よく活性層内に閉じ込
められて電子と正孔の再結合により光が生じる。
発振閾値は主として活性層の厚さ、即ちキヤリア
密度並びに光の密度に依存し、活性層は現在サブ
ミクロンのオーダで制御して形成することができ
るようになつたので、僅かな電流で活性層内の電
子と正孔の密度を高くすることができる。一方、
バンドギヤツプの小さな活性層の屈折率はバンド
ギヤツプの大きなクラツド層の屈折率よりも大き
く、従つて活性層をコアとする誘導体導波路が形
成され、活性層内での電子と正孔の再結合によつ
て生じた光は活性層内を伝播することになり、結
晶の劈開面を利用して構成された共振器によつて
誘導放出作用を繰り返して増幅され、レーザ発振
が起る。

上述の如く、ダブルヘテロ接合構造によつて発
光ダイオード或るいは半導体レーザは実用に供さ
れるようになり、ミクロンオーダのものが出現し
て更に電界効果型トランジスタなどの電子素子と
組合せ光−電子集積回路を構成する試みもなされ
ている。

しかるに上述の如き発光ダイオード或るいは半
導体レーザはダブルヘテロ接合の活性層に対して
垂直な方向に駆動電流を流しているため、電界効
果型トランジスタのように電極を同一平面に設け
るような構成とすることができず、従つて光−電
子集積回路を構成する場合、製造工程が非常に複
雑となることは避けられない。

この発明の目的は駆動電流注入用電極及び制御
電極が同一平面上に設けられて発光効率、発光モ
ード特性、発光位置などを容易に制御することの
できる発光ダイオード或るいは半導体レーザなど
のプレーナ型半導体発光装置を提供することにあ
る。

第２図に示した一実施例により本発明による半
導体発光装置を説明すると、GaAsなどの半絶縁
性基板結晶１１の上に上記基板結晶と格子定数が
等しく、且つ禁制帯エネルギー幅の大きい半絶縁
性の半導体結晶層１３が下部クラツド層として設
けられ、その上に活性層として禁制帯エネルギー
幅の小さい半導体結晶層１２が設けられ、更にそ
の上に禁制帯エネルギー幅の大きい半絶縁性の半
導体結晶層１４が積層状に設けられている。

この多層構造１５は半導体レーザ装置のダブル
ヘテロ接合構造と同じであつて、膜厚制御性の良
い気相エピタキシヤル成長法又は分子線エピタキ
シヤル成長法により形成するが、公知の液相エピ
タキシヤル成長法を用いて形成することもでき
る。

このダブルヘテロ接合を構成する半導体層とし
てはGaAlAs／GaAs，InGaAsP／InP，
InGaAsP／GaAsなどが挙げられ、構成材料によ
り発振波長が変る。ダブルヘテロ接合構造１５の
うち、アンドープの活性層１２の上下のクラツド
層１３，１４については、通常のダブルヘテロ接
合構造の半導体レーザ装置と異なり、導電性であ
る必要はなく、また一方のクラツド層をｎ型、他
方をｐ型と異つた電導型にする必要もなく、絶縁
性の高い半導体で構成する。

このクラツド層の絶縁性が低いと横向きの励起
電流に平行したリーク電流を引き起すばかりでな
く、後に詳述する電界効果制御電極にもリーク電
流を引き起こすことになるのでそれ相当の高い絶
縁性であることが必要である。このため、特に上
部クラツド層１４の絶縁性が不充分な場合は、そ
の上に更に数100Å程度の厚さのSiO₂，SiN₄など
の絶縁膜を設けて絶縁性を高める。このように、
クラツド層が高い絶縁性であると、同一平面上に
電界効果型トランジスタを形成するような場合も
都合が良い。

上述の如く、格子定数がほぼ等しく、禁制帯エ
ネルギー幅の異なる結晶層にてダブルヘテロ接合
構造１５を基板結晶１１上に形成したら、上部ク
ラツド層１４の長さ方向に所定の間隔を保つて平
行にｐ型不純物とｎ型不純物をそれぞれ少くとも
活性層１２に達する深さまで拡散またはイオン注
入して、ｐ型領域１６とｎ型領域１７を形成し、
それぞれの領域上には金属電極１９，２０を蒸着
する。一例として、ｎ型不純物にSi、ｐ型不純物
にBeを用い、イオン注入濃度10¹³〜10¹⁵cm^-2で
120KeVの加速エネルギーによりイオン注入を行
うと、不純物添加濃度として、10¹⁷〜10¹⁹cm^-3程
度の所要濃度のイオン注入領域が得られる。従つ
て、活性層１２には活性層を構成しているアンド
ープ半導体結晶層（発光領域）１８を中心としそ
の両側にｐ型領域１６とｎ型領域１７を配置した
ｐ−ｉ−ｎ接合を形成することになる。なお、半
導体発光装置が半導体レーザを構成する場合は、
ダブルヘテロ接合構造１５の両端面を垂直に劈開
またはエツチングして反射鏡（共振器）を形成す
る。

上記実施例において活性層はアンドープ半導体
結晶層を用いたが、活性層は必ずしも真性半導体
である必要はなく、n⁺−ｐ（活性層）−p⁺，n⁺−
π（またはν）−p⁺，n⁺−ｎ−p⁺の構成でも同様
の効果が得られる。

上部クラツド層１４のｐ型領域１６とｎ型領域
１７の間には金属ストライプ状電極２１を制御電
極として設ける。

上述の如き構成において、ｐ型領域１６より正
孔電流を、ｎ型領域１７より電子電流を両領域に
電位を付加することにより注入する。レーザ発振
に必要な10¹⁸cm^-3程度の高い電子・正孔対密度は
従来のダブルヘテロ接合レーザにおけるｐ−ｎ方
向のキヤリヤの閉じ込めによることに依存するの
ではなく、活性層の薄い層の側面の狭いキヤリヤ
注入面より高電流密度注入により達成される。

具体的に注入電流密度は活性層の厚さ、ｐ型領
域よりｎ型領域までの距離などにより決定し、先
ずｐ領域１６とｎ領域１７の間に低い順方向電圧
を印加すると、注入された電子と正孔は狭い活性
層の発光領域１８において対向流となり、相互に
衝突、散乱を繰返すが、電子・正孔密度が低いた
め殆どが再結合することなく発光領域を通過し
て、電子はｐ領域に、正孔はｎ領域に達し、そこ
でそれぞれ再結合する。この時、上下クラツド層
は高絶縁性のため注入電流の漏洩は殆ど生じな
い。しかし、ｐ領域、ｎ領域共に結晶欠陥が多く
存在し、再結合による発光効率は低い。

印加する順方向電圧を高めると、電子・正孔の
注入電流密度が増大し、発光領域内を通過する電
子・正孔密度が増大する。電子密度が10¹⁸cm^-3程
度に達すると、電子と正孔の再結合時間、即ちキ
ヤリヤ寿命が短縮し、発光領域内での発光再結合
の起る確率が増大する。発光領域内での電子と正
孔の再結合は発光効率も高く、光の場の強さも併
せて増大する。光の場の強さが或る閾値を越す
と、光の自然放出と併せて光の場による光の誘導
放出が起り、遂にレーシング状態となつて、発光
領域の両端面よりレーザ光が発振する。一旦レー
シングがおこるとこのレーザ光は、電子と正孔の
再結合がイオン注入された欠陥の多に領域でな
く、良い結晶性の発光領域の中央で主として行わ
れるため、最も強く発振し、発光領域の上下はダ
ブルヘテロ接合により充分に光の閉じ込めを行う
ことができ、横方向においてもｐ型領域とｎ型領
域により或る程度の光の閉じ込めが行われる。上
述のレーシング状態とする注入電流密度が閾値電
流密度と呼ばれるものであり、実際にレーシング
の起る閾値電流密度は10⁴A／cm²以上と高く、印
加電圧に対するその値は空間電荷効果によつて抑
制される。

次に両不純物領域間に設けた制御電極２１の作
用について説明すると、先ず、制御電極に外部よ
り電位を印加しない場合制御電極２１とｐ領域１
６の間隙をdp、またｎ型領域１７の間隙をdnと
し、制御電極の電位とｐ型領域及びｎ型領域との
電位差をそれぞれVp，VnとするとVn／VP＝dn／dpの 関係がある。

制御電極がｐ型領域とｎ型領域の丁度中間に位
置させると、制御電極は常に自動的にｐ型領域の
電位とｎ型領域の電位の中間の電位に保たれるた
め、制御電極とそれぞれの領域間の間隔dp，dn
を小さくすることにより電子注入と正孔注入を同
時に促進する効果がある。

この制御電極下の活性層内では金属導体の影響
で外部電界もなく、更に注入キヤリヤ自身の空間
電荷効果もなく、主としてキヤリヤ自身の濃度勾
配下の拡散により電子、正孔が入り乱れた熱運動
状態となつている。これは電界下の高速でキヤリ
ヤの流れるドリフト状態に較べて流れは停滞状態
にあり、従つて制御電極下の活性層は相対的にキ
ヤリヤ密度が上昇し再結合が促進される。この制
御電極はキヤリヤの拡散長程度の幅があれば充分
効果が生じ、GaAsレーザ装置の場合には数ミク
ロンのオーダーであり、制御電極と不純物注入領
域との間隔は狭い程良いが通常１〜２ミクロン程
度である。

この制御電極に更にプラスの電位を印加すると
電子注入が促進され、正孔注入が抑制されて電子
と正孔の再結合位置が発光領域のｐ型領域側にな
る。またマイナスの電位を印加すると電子注入が
抑制され、正孔注入が促進されて再結合位置がｎ
型領域側となり、印加電圧の大きさによりその位
置が決定する。従つて、制御電極の幅、不純物注
入領域までの距離、印加する電位、極性などを調
整することによりレーザの発光効率、発光モード
特性、発光位置などを制御することができる。

第３図は制御電極を２個設けた実施例を示し、
上部クラツド層１４のｐ型領域１６とｎ型領域１
７との間のｐ型領域に近接した位置とｎ型領域に
近接した位置にそれぞれの領域に沿つて一対の金
属制御電極２１を蒸着などにより設ける。

ｎ型領域１７側に設けられた制御電極２１ｂは
半絶縁性半導体の上部クラツド層１４上にシヨツ
トキ電極を形成しており、ｎ型領域の電位に対し
てプラスの電位を印加すると、制御電極直下の活
性層の電位をｎ型領域に対してプラスに押し上
げ、ｎ型領域から活性層の発光領域への電子の注
入を促進する方向へ仂く。特に半導体レーザ装置
の如く、高電流密度注入の場合には注入電流密度
が空間電荷効果により抑制された状態になつてい
るので、制御電極２１ｂのプラス電位印加は電子
注入量を増大し、レーシング状態を促進する効果
を持つ。逆に制御電極２１ｂにｎ型領域に対して
マイナスの電位を印加すると、注入電流を抑制
し、レーシング状態を停止或るいは抑制する効果
をもたらす。

ｐ型領域側に設けられた制御電極２１ａは正孔
に対して、ｎ型領域側の制御電極２１ｂが電子に
作用したのと同様の効果を持ち、制御電極２１ａ
にｐ型領域に対してマイナス電位を印加すると、
制御電極直下の活性層の電位をｐ型領域に対して
マイナスに押し下げる。これは正孔注入を抑制し
ている空間電荷効果を軽減し、高密度の正孔の注
入を促進する。逆に制御電極２１ａにプラスの電
位を印加すると正孔の注入を抑制し、レーシング
状態を停止或るいは抑制する効果をもたらす。

ｐ型領域電極１９及びｎ型領域電極２０に一定
の電圧を印加し、制御電極２１ｂにはプラス電位
を印加し、制御電極２１ａにはマイナス電位を同
時に印加すると、それぞれの領域よりの電子注入
と正孔注入を促進することに加えて、活性層の発
光領域の中央部のドリフト電界が低下する。この
ため電子・正孔のドリフト速度が低下し、結果と
して発光領域中央部における電子・正孔密度が増
大し、発光再結合が促進される。更に両制御電極
への印加電圧を増加すると、発光領域中央部のド
リフト電界は零またはマイナスになる。従つてこ
こではキヤリヤの流れが極度に停滞し、キヤリヤ
密度が更に増大する。即ち、制御電極の印加ポテ
ンシヤルにより一種のキヤリヤの“閉じ込め”が
行われる。

上記の説明において両制御電極へ同時に所定の
電圧を印加してレーザの発振、停止の促進につい
て述べたが、ｎ型領域側の制御電極２１ｂにのみ
プラスの電位を印加すると、電子注入が促進さ
れ、正孔注入が抑制されるため必然的に電子・正
孔の再結合は発光領域のｐ型領域側でおこる。逆
にｐ型領域側の制御電極２１ａのみにマイナスの
電位を印加するとｐ型領域の正孔注入が促進さ
れ、再結合はｎ型領域側においておこり、印加す
る電圧の大きさにより発光位置が決定する。従つ
て、両制御電極へ印加する電位の大きさを制御す
ることにより、レーザ発振を促進するばかりでな
く発光領域におけるレーザの発振位置をｐ型領域
からｎ型領域の間に亘つて任意に移動、設定させ
ることができ、レーザ光の光フアイバーへの入射
の調整が容易になる。

本発明による半導体発光装置の一例を述べる
と、結晶の長さ100μm、活性層の厚さ0.1μm、ｎ
型領域とｐ型領域の間隔、即ち活性層の発光領域
の幅が6μmのGaAlAs−GaAs−GaAlAsダブルヘ
テロ構造の半導体レーザ装置において、上部クラ
ツド層上のｎ型領域とｐ型領域とに沿つて1μmの
間隔を保つてそれぞれ幅が1μmの金属ストライプ
状電極を蒸着し、ｎ型領域とｐ型領域に2.0Vの
電圧を印加すると電流密度が約10²A／cm²程度し
かならず励振しない。このような状態において、
ｎ型領域側の制御電極にはｐ型領域と同じ電位、
ｐ型領域側の制御電極にはｎ型領域と同じ電位を
印加すると、10⁵A／cm²程度の駆動電流が流れ、
活性層の中央部のドリフト電界の低い領域で電
子・正孔密度が10¹⁸cm^-3以上となりレーシング状
態となる。

なお図面に示した発光装置の実施例において
は、活性層として単一半導体構造のものを示した
が、厚さが30〜100Åの組成の異なる二種の化合
物半導体極薄膜を交互に三層以上積層とした多層
量子井戸型構造とすることもできる。このように
活性層を量子井戸型構造とすることにより、発振
閾値電流密度は低くなり、且つ温度変化により変
動は少く、その多層を構成している半導体極薄膜
の厚さを変えることにより発振するレーザ光の波
長を変えることができ、注入キヤリヤの閉じ込め
効果の向上を図るなどの量子井戸型構造のレーザ
装置の特徴をも具備したプレーナ型半導体発光装
置となる。

この発明による半導体発光装置は上記の説明で
明らかなように、駆動電流を注入する電極及び制
御電極が同一平面上に形成しているため、集積回
路を形成するような場合に製造が簡単となり、特
に電界効果型トランジスタの如き電子素子と組合
せた光−電子集積回路を同一平面上に容易に構成
できるようになる。また光の発光領域はダブルヘ
テロ接合構造により上下方向は充分に光の閉じ込
めを行うことができ、横方向においてもｐ型領域
とｎ型領域により或る程度の光の閉じ込めが行わ
れ、光の伝搬損失の少なく、更にレーザの発光効
率、発光モード特性、発光位置の制御をすること
ができ、光通信、情報処理などに好適に使用する
半導体レーザ装置を実現することになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は公知のダブルヘテロ接合構造の半導体
レーザ装置の概略を示す斜視図、第２図はこの発
明によるプレーナ型半導体発光装置の一実施例を
示す斜視図、第３図はこの発明による半導体発光
装置の他の実施例を示す斜視図である。 １１……基板結晶、１２……活性層、１３……
下部クラツド層、１４……上部クラツド層、１５
……ダブルヘテロ接合構造、１６……ｐ型領域、
１７……ｎ型領域、１８……発光領域、２１……
制御電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 活性層の上下より該活性層より禁制帯エネル
   ギー幅の大きい化合物半導体層でクラツドしたダ
   ブルヘテロ接合構造の半導体発光装置において、
   該上部クラツド層の長さ方向に所定の間隔を保つ
   て少くとも活性層に達する深さのｐ型不純物イオ
   ン注入領域とｎ型不純物イオン注入領域を設け、
   両該イオン注入領域間には制御電極を設けたこと
   を特徴とするプレーナ型半導体発光装置。