JPH0330486A - 多重量子井戸発光素子 - Google Patents

多重量子井戸発光素子

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JPH0330486A
JPH0330486A JP1167549A JP16754989A JPH0330486A JP H0330486 A JPH0330486 A JP H0330486A JP 1167549 A JP1167549 A JP 1167549A JP 16754989 A JP16754989 A JP 16754989A JP H0330486 A JPH0330486 A JP H0330486A
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JP
Japan
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quantum well
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active layer
light emitting
inp
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JP1167549A
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English (en)
Inventor
Hiroyuki Yamazaki
裕幸 山崎
Mitsuhiro Kitamura
北村 光弘
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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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〕 本発明は多重量子井戸発光素子に関する。
〔従来の技術〕
半導体多層薄膜を活性層として有する量子井戸型半導体
レーザは、状態密度が階段状になるのを反映し、通常の
二重へテロ接合(D H)構造半導体レーザと比べて、
低しきい値、高い特性温度To。
変調時のスペクトル拡がりが狭い等の優れた特性を有し
ている。そのひとつとしてAT&T  Be11研究所
のDutta等はアプライド・フィジックス・レターズ
誌(^pp1.Phys、Lett、、voi。
46、p1036−1038.1985)において、発
光波長163μm組成(以下、1.3μm組成と略記す
る)のInGaAsPウェル層、1.03μmt[u成
のInGaAsPバリア層(いずれも厚さ約300人)
を交互に数層ずつ積層1−た活性層を有する多重量子井
戸レーザを報告している。ここで、Dutta等はしき
い値におけるキャリアライフタイムの温度依存性を評価
し通常の半導体レーザに比べて、多重量子井戸レーザの
温度特性が優れていることを報告した。また高野等は電
子情報通信学会技術研究報告(OQE88−68゜p2
9−35.1988年10月24日)において、量子井
戸レーザは通常の半導体レーザに比ベスペクトル線幅が
狭いこと、さらにウェル層の暦数が少いほどスペクトル
線幅が狭いこと等を実験的に明かにした。
〔発明が解決しようとする課題〕
多重量子井戸レーザは各量子井戸にキャリアを均一に注
入する必要があり、注入が不均一に行われていると多重
量子井戸レーザの特性が十分に弓き出されない恐りがあ
る。特に量子井戸層数の多い多重量子井戸レーザではキ
ャリア分布の不均一性からの特性劣化が顕著である。
量子井戸活性層に不純物の添加を行っていない通常の多
重量子井戸レーザはレーザ発振している状態において、
第3図(a)、 (b)、 (c)に示すように、n型
クラッド層側ではホールが減少し、p型クラッド層側で
は電子が減少する。すなわちn型クラッド層(第3図(
a)の場合はバッファ層2がこれに相当する)側から注
入された電子は拡散効果、電界によるドリフト効果、さ
らにバリア層5の薄い場合にはトンネル効果によって順
次隣接した量子井戸に注入されていく。このため、n型
クラッド層に近い量子井戸では電子密度が高く、p型ク
ラッド層6に近い量子井戸では電子密度が低くなる。ま
た、ホールについては電子に対し逆方向から注入される
ことから、電子密度の分布とは逆にn型クラッド層に近
い量子井戸ではホール密度が低く、p型クラッド層6に
近い量子井戸ではホール密度の高い分布となる。このた
め、量子井戸活性層の中央付近における量子井戸では利
得を持つことができるが、p型クラッド層とn型クラッ
ド層の近傍における量子井戸では利得は生じず損失とな
る。さらに、各量子井戸のキャリア密度は上述のように
して生じた損失と利得が釣り合うキャリア密度で固定さ
れるためレーザ発振時においても第3図(b)、 ?(
c)に示すような不均一なキャリア分布となる。これは
発光ダイオードについても同じである。
本発明の目的は多層の多重量子井戸発光素子において、
キャリア分布を均一にして、優れた特性の多重量子井戸
発光素子を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明では半導体多層膜を活性層として有する多重量子
井戸発光素子において、前記活性層を構成する半導体薄
膜のpクラッド側にドナー、nクラッド側に7クセブタ
ーを部分的に添加することを特徴とする多重量子井戸発
光素子によって上述の問題を解決する。あるいは、前記
活性層全体にドナーを添加することを特徴とする多重量
子井戸発光素子によって上述の問題を解決する。
〔作用〕
先述の問題を解決するためには、キャリアの均一注入を
行うためにバリア層の厚さを薄くして、トンネル効果に
より、各量子井戸に均一にキャリアを注入することが考
えられる。しかし、これでは量子井戸間における電子の
波動関数の結合が無視できなくなり、その結果多くのサ
ブバンドを形成する。これにより、ゲインカーブの幅が
広がることによって、利得が低下してしまい量子井戸レ
ーザの優れた特性を引き出すことはできない。
本発明は各量子井戸においてキャリア密度が不均一に分
布している多重量子井戸レーザに対し、あらかじめ量子
井戸活性層に不純物を添加することによって、これによ
る特性の劣化を少なくするものである。
第3図(a)では量子井戸活性層に不純物の添加を行っ
ていない通常の多重量子井戸レーザのポテンシャルの例
を示した。図のように、レーザ発振時においては、各量
子井戸のキャリア密度が相当不均一になっていることが
予想される。ここで、電子とホールは逆方向から注入さ
れることから、多重量子井戸活性層の中央付近では、電
子、ホールの両方が量子井戸に注入され、利得を持つこ
とができる。しかし、前述の活性層の中央から離れた量
子井戸活性層の両端近傍では電子密度の高い部分ではホ
ール密度が低く、ホール密度の高い部分では、電子密度
が低くなる分布となり、これが内部損失増大の原因とな
る。
そこで例えば量子井戸活性層内のpクラッド層に近い側
に7クセブタ、nクラッド層に近い側にドナーを添加し
ておくことにより、あらかじめ活性層内に逆のキャリア
分布をもたせておけば電流注入時のキャリア分布の均一
性を向上することができる。それによって、キャリアの
不均一分布から生じる内部損失の増大が避けられ、しき
い値電流が小さく、特性の優れた多重量子井戸発光素子
を提供することができる。
また、量子井戸において、損失の増大は、電子密度の減
少の方がホール密度の減少よりも約10倍大きいことが
論理解析により明かになっているので、前記活性層全体
にわたりドナーを添加することも活性層での損失増大に
対して極めて有効な手段である。ホール密度に関しては
キャリアの不均一性が生じうるがこれによる損失は少な
い。
方、電子密度に関してはノンドープ活性層の場合と比べ
て密度の減少は避けられるため、損失の増大を防ぐこと
ができ、特性の優れた多重量子井戸発光素子を得ること
ができる。
〔実施例〕
以下に、実施例を示す図面を参照して本発明をより詳細
に説明する。本発明による実施例を第1図、第2図に示
す。
第1の実施例である第1図(a)は断面構造図、第1図
(b)は伝導帯のエネルギーバンド図、第1図(C)は
ドナー不純物の分布、第1図(d)はアクセプタ不純物
の分布、第1図(e)、 (f)はレーザ発振時におけ
る電子、ホール分布を示す。この実施例の作製において
は、InP基板l上にn−InPバッファ層2を厚さ0
.5.um、InGaAsウェル層4.InPバリア層
5から成る多重量子井戸活性層3を厚さ0.245.u
m、p−InPクラッド層6を厚さ0.5μmにて順次
積層したのち、p−InPクラッド層6と基板裏面にそ
れぞれp電極7.n電極8を付ける構成とする。また、
多重量子井戸活性層3はI n G a A sウェル
層4を70人として15層、InPバリア層5を100
人として14層、交互に順次積層した構成とする。
この実施例は、多重量子井戸活性層3にp−InPクラ
ッド層6近傍にはドナーを最大8Xl□itam−3n
−InPバッファ層7近傍にはアクセプターを最大8 
X 1017an−”添加する。この不純物添加の様子
を第1図(c)、 (d)に示す。
上述した不純物添加を行うことにより、レーザ発振時に
おけるキャリア密度の積層方向の不均一性は減少し、電
子、ホール密度の極端に低い部分が存在しなくなる。こ
のレーザ発振時におケル電極の構成として、しきい値電
流密度を測定したところ800 A/cJ程度のものが
得られた。これは通常のDEIレーザの1.2−1.5
 K A/dに比べ50コロ0%低い値である。さらに
、この積層構造をストライプ状に加工し、LPE法によ
りストライプ状の積層構造の両側に半導体層を形成して
埋め込み構造としたところ、室温CWでの発振°しきい
値電流10”20mA、片面あたりの微分量子効率的2
5%の多重量子井戸レーザが得られた。
また、レーザの特性温度T0は90=100にと通常の
DB構造レーザに比べ大幅に改善される。
しきい値におけるキャリアライフタイムの温度依存性も
DH構造と比べてその変化率が小さく、さらに多重量子
井戸構造による階段状の状態密度を反映してパルス変調
時の発振スペクトル拡がりもDH構造レーザと比べて1
/2−1/3に低減された。
第2の実施例のエネルギーバンド図を第2図(a)に、
ドナーの分布を第2図(b)に、アクセプタの分布を第
2図(c)に、レーザ発振時における電子、ホール分布
を第2図(d)、 (e)に示す。多重量子井戸レーザ
の断面構造は第1の実施例と同一とした。
第2の実施例においては多重量子井戸活性層3全体にド
ナーを最大8 X 10 ”cm−’添加した。この不
純物添加の様子を第2図(b)、 (c)に示す。第2
の実施例においても第1の実施例とほぼ同程度優れた特
性の多重量子井戸レーザな得ることが期待される。
〔発明の効果〕
以上のように本発明においては多重量子井戸レーザにお
いて多重量子井戸活性層に不純物を添加することによっ
て注入キャリア分布の均一性が向上した優れた特性の多
重量子井戸レーザと提供することができる。
なお実施例においてはInP、 InGaAs系の半導
体材料を用いたが本発明傘≠≠*尖オ弄に用いる材料系
はもちろんこれに限るものではなく、GaAs、AlG
aAs系等他の材料を用いても何ら差しつかえない。ま
た、以上は半導体レーザについて説明したものだが、本
発明の構造は発光ダイオードについても有効である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例を示し、同図(a)は断
面構造図、同図(b)は活性層周辺のエネルギーバンド
図、同図(c)、 (d)は不純物添加の様子を示す図
、同図(e)、 (r)はレーザ発振時における電子、
ホール分布を示す図である。第2図は本発明の第2の実
施例を示し、同図(a)は活性層Jffi辺のエネルギ
ーバンド図、同図(b)、 (c)は不純物添加の様子
を示す図、同図(d)、 (e)はレーザ発振時におけ
る電子、ホール分布を示す図である。第3図は活性層に
不純物を添加していない従来の多重1子井戸レーザに関
して示したものであり、同図(a)は活性層周辺のエネ
ルギーバンド図、同図(b)、 (c)はレーザ発振時
における電子、ホール分布を示す。 図中、1はn−InP基板、2はn−工nPバッファ層
、3は多重量子井戸活性層、4はInGaAsウェル層
、5はInPバリア層、6はp−InPクラッド層、7
はp電極、8はn電極を示す。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)半導体多層薄膜で成る多重量子井戸構造の活性層
    をp型クラッド層とn型クラッド層で挟んだ積層構造を
    少くとも備えている多重量子井戸発光素子において、前
    記活性層を構成する半導体薄膜のpクラッド側にドナー
    、nクラッド側にアクセプターを部分的に添加したこと
    を特徴とする多重量子井戸発光素子。
  2. (2)半導体多層薄膜で成る多重量子井戸構造の活性層
    をp型クラッド層とn型クラッド層で挟んだ積層構造を
    少くとも備えている多重量子井戸発光素子において、前
    記活性層全体にドナーを添加したことを特徴とする多重
    量子井戸発光素子。
JP1167549A 1989-06-28 1989-06-28 多重量子井戸発光素子 Pending JPH0330486A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
USRE42008E1 (en) 1999-06-07 2010-12-28 Nichia Corporation Nitride semiconductor device
JP2019197868A (ja) * 2018-05-11 2019-11-14 Dowaエレクトロニクス株式会社 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法

Cited By (3)

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USRE42008E1 (en) 1999-06-07 2010-12-28 Nichia Corporation Nitride semiconductor device
USRE45672E1 (en) 1999-06-07 2015-09-22 Nichia Corporation Nitride semiconductor device
JP2019197868A (ja) * 2018-05-11 2019-11-14 Dowaエレクトロニクス株式会社 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法

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