JPH048956B2 - - Google Patents

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JPH048956B2
JPH048956B2 JP59067779A JP6777984A JPH048956B2 JP H048956 B2 JPH048956 B2 JP H048956B2 JP 59067779 A JP59067779 A JP 59067779A JP 6777984 A JP6777984 A JP 6777984A JP H048956 B2 JPH048956 B2 JP H048956B2
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    • H10H20/812—Bodies having quantum effect structures or superlattices, e.g. tunnel junctions within the light-emitting regions, e.g. having quantum confinement structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • H—ELECTRICITY
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、層状半導体領域において電磁放射線
を発生する半導体装置であつて、前記活性領域
を、ほぼ等しい厚さを有する第１半導体材料の活
性層を、同様にほぼ等しい厚さを有しかつ第１半
導体材料より大きいエネルギーギヤツプを有する
第２半導体材料の障壁層の間に配設し、かつ障壁
層によつて分離する層構体で構成し、活性層およ
び障壁層が化学量論的−半導体化合物から成
り、かつ活性層および障壁層が相俟つて超格子構
造を構成した半導体装置に関する。
従来技術 かかる半導体装置は1982年11月11日出願の国際
（PCT）特許出願WO 82−03946号から既知であ
る。
電磁放射線を発生する半導体装置は種々の分野
で使用され、２つの形式の半導体装置、即ち非コ
ヒーレント放射線を発生する半導体装置と、コヒ
ーレント放射線を発生する半導体装置が既知であ
る。前者の半導体装置は主にLED（発光ダイオー
ド）として用いられ、一方、後者の半導体装置は
レーザとして用いられる。発生する放射線の波長
は可視スペクトル域に位置させることができるだ
けでなく、例えば、赤外域又は紫外域にも位置さ
せることができる。
従来主として使用されるpn半導体レーザは、
砒化ガリウム又は砒化アルミニウム・ガリウムの
層状活性領域を、この活性領域より大きいエネル
ギーギヤツプを有する（アルミニウムの含有量が
多いため）反対導電形の砒化アルミニウム・ガリ
ウムの２個のクラツド層の間に配置して成るいわ
ゆるダブルヘテロ接合（DH）レーザである。そ
の場合使用される砒化アルミニウム・ガリウムは
組成AlxGa1-xAsを有し、ここでｘ0.45である。
この原子組成比ｘに対する区間では材料はいわゆ
る直接ギヤツプ半導体であり、これがレーザ増幅
動作発生のための要件である。
上記半導体レーザによつて発生する放射線は約
800nmの波長（空気中）を有し、従つて赤外域に
ある。しかし、一層短い波長の放射線、例えば、
緑、橙又は可視赤域（620nm）の放射線を発生す
るレーザ及び発光ダイオードが特に要望されてい
る。この要望は、レーザをデイスク上に情報を光
学的に記録するのに使用し（“デイジタル光記録”
すなわちDOR）、従つてレーザビームにより反射
層に小孔を焼成する場合に顕著である。その場
合、畜積情報に関して達成可能な密度は使用する
放射線の波長の二乗に逆比例して増大する。従つ
て、例えば波長を800nmから600nmに低減する
と、書込むことができる情報の密度や約２倍にな
る。
前記国際特許出願WO82−03946号には、砒化
ガリウムの如き直接バンド・ギヤツプを有する化
学量論的半導体化学物から成る比較的多数の活性
層を、砒化アルミニウムの如き間接バンド・ギヤ
ツプを有する化学量論的半導体化合物から成る障
壁層の間に配置し、かつ障壁層によつて分離して
構成した層状活性領域を有するレーザ構造が記載
されている。これら活性層及び障壁層は相まつ
て、CaAsの有効エネルギーギヤツプ（1.35eV）
及びAlAsの有効エネルギーギヤツプ（2.30eV）
の間の有効エネルギーギヤツプ即ち1.57eVを有
するいわゆる超格子構造を構成し、従つて発生す
る放射線は、砒化ガリウムだけから成る活性層を
使用する場合に比べかなり短い波長を有する。こ
の効果は活性領域における“量子井戸”効果及び
“ゾーン・フオールデイング（zone folding）”効
果が発生することによつて得られる。
“量子井戸”効果は、第１半導体材料の極めて
薄い層を、第１半導体材料より大きいエネルギー
ギヤツプを有する第２半導体材料から成る２個の
層の間に配設した場合に起る。その結果、第１半
導体材料の極めて薄い層における有効エネルギー
ギヤツプが大きくなり従つて発生する放射線の波
長が短くなる。“ゾーン・フオールデイング”効
果は超格子構造に起因して起り、その結果“間
接”半導体材料は電荷キヤリアのバンド遷移につ
き効果的に“直接”半導体材料に変換される。こ
れにより電荷キヤリアの放射線発生遷移確率が増
大するので、高い放射線密度を達成することがで
きる。“量子井戸”効果については、Holonyak
他著の論文、IEEE Journal of Quantum
Electronics，Vol.QE 16，1980，第170〜184頁
に記載されている。
“ゾーン・フオールデイング”効果について
は、例えば、Osbourn他著の論文、Applied
Physics Letters，Vol.41，（1982），第172〜174
頁に記載されている。
前記国際特許出願WO 82−03946号による超格
子構造は、1nm及び20nmの間の厚さを有する
Al、ｓの障壁層によつて互に分離された2nm及
び50nmの間の厚さを有するGaAsの活性層から
成つている。しかし、これらの層のこの厚さの組
合せは“量子井戸”効果及び“ゾーン・フオール
デイング”効果の最適な組合せを得るためには適
当でない。
発明の目的と解決手段 本発明の目的は、既知のpn半導体レーザに比
べ所定電流に対し高い放射線密度で波長の短い放
射線を発生するレーザ又は発光ダイオード用超格
子構造半導体装置を提供するにある。
かかる目的を達成するため本発明の半導体装置
は、特許請求の範囲に規定する条件を満足する如
く構成したことを特徴とする。
本発明は特に、“量子井戸”効果及び“ゾー
ン・フオールデイング”効果の最適な組合せを得
るためには活性層及び障壁層の双方を極めて薄く
する必要があることを認識し、これを基礎として
成し得たものである。
本発明により限定した最小の個数である２個の
単一層の最小許容厚さは、活性層における陽イオ
ン原子の少なくとも一部及び障壁層における陽イ
オン原子の少なくとも一部が隣接陽イオン原子と
してそれ自体の原子だけを有し、従つてこれらの
層の特性を対応する“バルク”材料の特性にほぼ
等しくならしめる最小の厚さである。
また本発明により限定した最大の個数である７
個の単一層の最大厚さは、活性層については活性
層が依然として強い“量子井戸”効果を呈するに
充分な薄さの最大値とし、一方、障壁層について
は、所定の“ゾーン・フオールデイング”効果を
生ぜしめるための活性層が互に他の活性層を充分
見る（see）ということを保障するに充分な薄さ
の最大値とする。
条件ｎ＋ｍ12は、ｎ＋ｍ＞12の場合には隣接
する量子井戸における電子の波動関数は個々の量
子井戸だけが得られるに充分な範囲までは中間の
障壁層内で互にオーバーラツプせず、“量子井戸”
効果及び“ゾーン・フオールデイング”効果の間
の所望の共同動作が生じなくなるということの考
察を基礎としている。
上記目的に好適なA〓B〓半導体化合物に対して
は上記条件により一般に、活性層及び障壁層は双
方共厚さが最小で0.6nmであり、最大で1.7nmで
ある。
本発明は半導体レーザに限定されるものではな
く、非コヒーレント放射線を発生する発光ダイオ
ードにおいても使用することができる。この場
合、層状活性領域は大きいエネルギーギヤツプを
有するクラツド層の間に間挿する必要はない。
しかし本発明は、層状活性領域を、この活性領
域の有効エネルギーギヤツプより大きいエネルギ
ーギヤツプを有する２個の半導体層の間に配設す
る半導体レーザに特に好適である。放射線を活性
領域に制限するよう作動するこれら半導体層即ち
クラツド層は大部分のレーザ構造において反対導
電形であるが、これはすべてのレーザには適用さ
れず、例えば、米国特許第3961996号に記載され
ているようにTJS（Transverse Junction Stripe）
形のレーザには適用されない。
実施例 次に図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。
なお図面は構造を明瞭にすることを主眼として
略図的に記載してあり、実施例の相対寸法を示す
ものではなく、特に厚さ方向の寸法を誇大に示し
てある。
図面において同一導電形式の半導体領域は同一
方向の斜線を施して示す。
本発明は発光ダイオードに使用することができ
る。次に一例として、約530nmの波長を有する非
コヒーレント放射線（緑）を発生するかかるダイ
オードを説明する。
第１図はかかる発光ダイオードの要部断面を示
す。本例において層状活性領域１は超格子構造で
ある。
本例では活性層は燐化ガリウム（GaP）で構成
し、障壁層は燐化アルミニウム（AlP）で構成す
る。各GaP活性層の単一層の数（ｎ）は４とし、
各AlP障壁層の単一層の数（ｍ）も４とする。
GaP単一層の厚さは0.236nmとし、AlP単一層の
厚さも0.236nmとする。この場合、条件２ｎ
７，２ｍ７及びｎ＋ｍ12は満足される。
GaPのエネルギーギヤツプは2.25eVであり、
AlPのエネルギーギヤツプは2.5eVである。活性
領域１の有効エネルギーギヤツプは2.34eVであ
る。活性層の総数は14であり、障壁層の総数は15
である。
光（緑）は関連するp+形環状接点区域２３と
共に環状電極（アノード）２４内に位置する上側
表面部分を介して矢印の方向にダイオードから発
射される。活性領域１は著しくドーピングされた
ｎ形燐化ガリウム・サブストレート２１と、約
1μmの厚さ及び約1017亜鉛原子／cm3のドーピング
濃度を有するｐ形燐化アルミニウム層２２との間
に配置する。サブストレート２１の下側には電極
層（カソード）２５を配設する。
本発明の範囲内で種々の変形が可能である。例
えば、活性層及び障壁層を構成する単一層の数は
本発明により設定された限界値内で変更すること
ができる。第１図に示した層構造は鏡面の次如し
た非コヒーレント放射線源として使用することも
できる。実施例において種々の層の導電形式は反
対導電形式に（同時に）置換えることができる。
発生する放射線の波長も変更できること勿論であ
る。所望の波長に応じて、上記パラメータｎ及び
ｍと、種々の層の半導体材料とは双方共、本発明
により設定された限界値内及び技術的に可能な範
囲内で変更することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明半導体装置の実施例を示す断面
図である。 １…活性領域、２１…ｎ形サブストレート、２
２…ｐ形AlP層、２３…p+形環状接点区域、２４
…環状電極、２５…電極層。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 層状半導体活性領域において電磁放射線を発
    生する半導体装置であつて、前記活性領域を、ほ
    ぼ等しい厚さを有する第１半導体材料の活性層
    を、同様にほぼ等しい厚さを有しかつ第１半導体
    材料より大きいエネルギーギヤツプを有する第２
    半導体材料の障壁層の間に配設し、かつ障壁層に
    よつて分離する層構体で構成し、活性層および障
    壁層が化学量論的−半導体化合物から成り、
    かつ活性層および障壁層が相俟つて超格子構造を
    構成した半導体装置において、 各活性層がｎ個の単一層を備えると共に燐化ガ
    リウムより成り、 かつ各障壁層がｍ個の単一層を備えると共に燐
    化アルミニウムより成り、 ここでｎおよびｍは整数であり、条件 ２≦ｎ≦７ ２≦ｍ≦７及び ｎ＋ｍ≦12 を満足する如く構成したことを特徴とする半導体
    装置。 ２ 活性層および障壁層は双方共厚さが最小で
    0.6nmであり、最大で1.7nmである特許請求の範
    囲第１項記載の半導体装置。 ３ 半導体装置が半導体レーザであり、前記活性
    領域有効エネルギーギヤツプより大きいエネルギ
    ーギヤツプを有する２個の半導体クラツド層の間
    に前記活性領域を配置した特許請求の範囲第１項
    または第２項記載の半導体装置。
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