JPH06103774B2 - 半導体光機能発光素子 - Google Patents
半導体光機能発光素子Info
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光通信や光情報処理に用いられる半導体光機
能発光素子に関するものである。
能発光素子に関するものである。
（従来の技術） 半導体発光素子は光通信や光情報処理に用いられるキー
デバイスの一つであり、その性能と機能の向上が期待さ
れている。その中でもAlGaAs/GaAs系半導体発光素子は
現在コンパクトディスクや光ディスク装置等の単なる光
源素子として使われているが、光情報の処理の広大な需
要のために光の入力で制御できる半導体光機能発光素子
の実現が期待されている。更に、これらの光情報処理の
大容量化のために出力光はより短波長の方が望ましく、
また入力光による出力光のオンオフ機能や入力光の波長
変換機能のある素子の実現が望まれた。
デバイスの一つであり、その性能と機能の向上が期待さ
れている。その中でもAlGaAs/GaAs系半導体発光素子は
現在コンパクトディスクや光ディスク装置等の単なる光
源素子として使われているが、光情報の処理の広大な需
要のために光の入力で制御できる半導体光機能発光素子
の実現が期待されている。更に、これらの光情報処理の
大容量化のために出力光はより短波長の方が望ましく、
また入力光による出力光のオンオフ機能や入力光の波長
変換機能のある素子の実現が望まれた。
これに対し、光入力による出力光のオンオフ機能をもつ
発光素子を実現する試みは、例えばジャーナル・オブ・
アプライド・フィジックス1986年59巻596頁（G.W.Taylo
r et al.,J.Appl.Phys.59,596（1986））に記載されて
いる。この例では、吸収層および発光層はGaAs層であ
り、光吸収層に光を入射できる構造になっている。
発光素子を実現する試みは、例えばジャーナル・オブ・
アプライド・フィジックス1986年59巻596頁（G.W.Taylo
r et al.,J.Appl.Phys.59,596（1986））に記載されて
いる。この例では、吸収層および発光層はGaAs層であ
り、光吸収層に光を入射できる構造になっている。
（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、より禁制帯幅の大きな発光層（AlGaAs
層）を用いて発光波長の短波長化を追求するには次のよ
うな問題点があった。すなわちGaAsに比べ禁制帯の大き
い混晶AlGaAsは、よく知られているように一定の禁制帯
幅を越えると（Al組成比が0.45を越えると）直接遷移型
から間接遷移型となり発光素子が実現できない問題があ
った。また、従来、吸収は発光層もしくは隣接層で行な
われていたが発光層の禁制帯幅は隣接層の禁制帯幅より
も大きくないから、入射光の吸収波長に比べ発光波長は
等しいか又は長波長側のものしか得られない問題があっ
た。
層）を用いて発光波長の短波長化を追求するには次のよ
うな問題点があった。すなわちGaAsに比べ禁制帯の大き
い混晶AlGaAsは、よく知られているように一定の禁制帯
幅を越えると（Al組成比が0.45を越えると）直接遷移型
から間接遷移型となり発光素子が実現できない問題があ
った。また、従来、吸収は発光層もしくは隣接層で行な
われていたが発光層の禁制帯幅は隣接層の禁制帯幅より
も大きくないから、入射光の吸収波長に比べ発光波長は
等しいか又は長波長側のものしか得られない問題があっ
た。
そこで、本発明の目的は、上記の従来の問題点を改善
し、従来AlGaAs系素子では困難であった領域の短波長発
光素子を実現するとともに、入力波長よりも短波長の光
出力も可能な半導体光機能発光素子を提供することであ
る。
し、従来AlGaAs系素子では困難であった領域の短波長発
光素子を実現するとともに、入力波長よりも短波長の光
出力も可能な半導体光機能発光素子を提供することであ
る。
（問題点を解決するための手段） 本発明は、活性層が２層のクラッド層で挟まれてなるダ
ブルヘテロ構造を備え、前記クラッド層のうちの少なく
とも一方のクラッド層は複数の半導体層を積層してなる
多層構造でなり、この多層構造は、禁制帯幅が所望波長
の入射光のエネルギーより小さく、光吸収層となる第１
の材料の半導体層と、この第１の材料の半導体層を両側
から挟む層であり、禁制帯幅が前記第１の材料の半導体
層の禁制帯幅より大きい第２の材料の半導体層とでな
り、前記活性層はGaAs2原子層とAlAs2原子層とを少なく
ともそれぞれ１個づつ以上組み合わせて積層した超格子
構造でなることを特徴とする。
ブルヘテロ構造を備え、前記クラッド層のうちの少なく
とも一方のクラッド層は複数の半導体層を積層してなる
多層構造でなり、この多層構造は、禁制帯幅が所望波長
の入射光のエネルギーより小さく、光吸収層となる第１
の材料の半導体層と、この第１の材料の半導体層を両側
から挟む層であり、禁制帯幅が前記第１の材料の半導体
層の禁制帯幅より大きい第２の材料の半導体層とでな
り、前記活性層はGaAs2原子層とAlAs2原子層とを少なく
ともそれぞれ１個づつ以上組み合わせて積層した超格子
構造でなることを特徴とする。
（発明の作用・原理） 本発明の半導体光機能発光素子の概略的な構造を斜視図
で第１図に示す。この発光素子は、通常の発光素子のよ
うに基板11の上に、クラッド層13,15で活性層14を挟ん
でなるダブルヘテロ構造を有している。但し、そのクラ
ッド層13は内部に光吸収層12を備えており、入射光18を
入力すると、活性層14からの出力光19を制御できる構造
になっている。この構造が本発明の特徴である。第２図
は従来例のバンド構造を示す概念図であり、第３図は本
発明の半導体発光素子のバンド構造を示す概念図であ
り、20は価電子帯上端、21は伝導帯のΓ点（実線）、22
はＸ点（破線）位置を示す。第２図で示されるように、
従来のAlGaAs系素子の場合、活性層14の禁制帯幅を増加
して発光波長の短波長化を図ろうとすると、AlGaAsのAl
組成比が0.45を越える場合に伝導帯のΓ点21（実線）は
Ｘ点22（破線）より高く位置し、直接遷移発光素子を得
ることが出来なかった。
で第１図に示す。この発光素子は、通常の発光素子のよ
うに基板11の上に、クラッド層13,15で活性層14を挟ん
でなるダブルヘテロ構造を有している。但し、そのクラ
ッド層13は内部に光吸収層12を備えており、入射光18を
入力すると、活性層14からの出力光19を制御できる構造
になっている。この構造が本発明の特徴である。第２図
は従来例のバンド構造を示す概念図であり、第３図は本
発明の半導体発光素子のバンド構造を示す概念図であ
り、20は価電子帯上端、21は伝導帯のΓ点（実線）、22
はＸ点（破線）位置を示す。第２図で示されるように、
従来のAlGaAs系素子の場合、活性層14の禁制帯幅を増加
して発光波長の短波長化を図ろうとすると、AlGaAsのAl
組成比が0.45を越える場合に伝導帯のΓ点21（実線）は
Ｘ点22（破線）より高く位置し、直接遷移発光素子を得
ることが出来なかった。
これに対し、本発明ではアプライド・フィジックス・レ
ターズ1976年29巻327頁（A.C.Gassardet al.,Appl.Phy
s.Lett.29,323（1976））に記載されている短周期原子
層成分変調の方法を更におし進め、最近可能になった原
子層成長技術を用いて、次のような結晶構造の活性層を
形成する。すなわち、GaAs2原子層とAlAs2原子層とを少
なくともそれぞれ１層以上交互に積層してなる活性層を
形成する。この構造の結晶層では、第４図に示すよう
に、平均Al組成比に対して伝導帯Γ点位置（○印）とＸ
点位置（△印）とを比較すると、Al組成比の大部分の領
域（平均組成比約0.7以下）でΓ点位置をＸ点位置より
低くできる。すなわち、従来のAlGaAs混晶の場合のΓ点
位置（実線）とＸ点位置（破線）の関係に比べ、平均Al
組成比のより広い領域で直接遷移が可能となる。本発明
では上記のような結晶構造上の特性を利用して活性層か
らの波長の短波長化を実現する。
ターズ1976年29巻327頁（A.C.Gassardet al.,Appl.Phy
s.Lett.29,323（1976））に記載されている短周期原子
層成分変調の方法を更におし進め、最近可能になった原
子層成長技術を用いて、次のような結晶構造の活性層を
形成する。すなわち、GaAs2原子層とAlAs2原子層とを少
なくともそれぞれ１層以上交互に積層してなる活性層を
形成する。この構造の結晶層では、第４図に示すよう
に、平均Al組成比に対して伝導帯Γ点位置（○印）とＸ
点位置（△印）とを比較すると、Al組成比の大部分の領
域（平均組成比約0.7以下）でΓ点位置をＸ点位置より
低くできる。すなわち、従来のAlGaAs混晶の場合のΓ点
位置（実線）とＸ点位置（破線）の関係に比べ、平均Al
組成比のより広い領域で直接遷移が可能となる。本発明
では上記のような結晶構造上の特性を利用して活性層か
らの波長の短波長化を実現する。
次に光入力と発光出力との関係を説明する。先に説明し
た従来例は、pnpnサイリスタ層構造を持ち、動作原理は
光を入射しない段階でｐ型AlGaAsベース層と接するｎ型
GaAs層中に生じたキャリヤ空乏層に、光を吸収させキャ
リヤを注入して、吸収層と発光層を兼ねるGaAs層から光
を出力するものであった。
た従来例は、pnpnサイリスタ層構造を持ち、動作原理は
光を入射しない段階でｐ型AlGaAsベース層と接するｎ型
GaAs層中に生じたキャリヤ空乏層に、光を吸収させキャ
リヤを注入して、吸収層と発光層を兼ねるGaAs層から光
を出力するものであった。
本発明は従来のpnpn構造とは異なった第３図のような層
構造を設けている。その動作の原理は、第３図（ｂ）の
ように光を入射しない段階で、急峻組成変化のヘテロ界
面においてAl組成比増加とともに顕著となるポテンシャ
ルバリア（スパイク）31,32と空乏領域33のために活性
層14の領域に印加される電圧を十分大きく出来ないから
発光電流は殆ど流れない性質を先ず用いる。次に、光吸
収層12に光を入射すると、空乏層領域33にキャリヤが注
入され、そのキャリヤが空乏層領域33の電界で加速され
瞬時に微小電流が流れ、第３図（ａ）ようにポテンシャ
ルバリアが低下するに従って活性層電流が増加して活性
層14部分で発光し、遂にはレーザ発振にまで到る。
構造を設けている。その動作の原理は、第３図（ｂ）の
ように光を入射しない段階で、急峻組成変化のヘテロ界
面においてAl組成比増加とともに顕著となるポテンシャ
ルバリア（スパイク）31,32と空乏領域33のために活性
層14の領域に印加される電圧を十分大きく出来ないから
発光電流は殆ど流れない性質を先ず用いる。次に、光吸
収層12に光を入射すると、空乏層領域33にキャリヤが注
入され、そのキャリヤが空乏層領域33の電界で加速され
瞬時に微小電流が流れ、第３図（ａ）ようにポテンシャ
ルバリアが低下するに従って活性層電流が増加して活性
層14部分で発光し、遂にはレーザ発振にまで到る。
ここで、光吸収層として間接遷移型のAlGaAs混晶層を用
い、かつ光吸収層の禁制帯幅を活性層の禁制帯幅よりも
小さくとった場合でも、上記のメカニズムにより、光吸
収層で発光することなく、活性層へのキャリヤ注入に寄
与することができる。すなわち、発光波長よりも長波長
光でポンピングしてレーザ発光するようなことも可能で
ある。すなわち、より短波長側をも含めた波長変換素子
や光増幅素子およびスイッチ、変調素子にも本発明の素
子は適する。
い、かつ光吸収層の禁制帯幅を活性層の禁制帯幅よりも
小さくとった場合でも、上記のメカニズムにより、光吸
収層で発光することなく、活性層へのキャリヤ注入に寄
与することができる。すなわち、発光波長よりも長波長
光でポンピングしてレーザ発光するようなことも可能で
ある。すなわち、より短波長側をも含めた波長変換素子
や光増幅素子およびスイッチ、変調素子にも本発明の素
子は適する。
以下、本発明の実施例について更に詳しく説明する。
（実施例１） 第１図は本発明の一実施例を示す斜視図、第３図はこの
実施例のバンド構造を示す概念図である。第１図に示す
ように、本実施例は、ｎ型GaAs基板11上にｎ型AlGaAsク
ラッド層13、AlAs2原子層およびGaAs2原子層を交互に積
層してなる活性層14、ｐ型AlGaAsクラッド層15、電流ブ
ロック層16、電極10,17を備え、ｎ型クラッド層13の基
板側には禁制帯幅がより狭いAlGaAs光吸収層12を内部に
含んでいる。活性層14の結晶成長方法としては、単原子
層結晶成長の一方法である有機金属気相エピタキシー
（MOVPE）法を用いた。本実施例では、一例として［（G
aAs）２（AlAs）２（AlAs）２］からなる周期的構成要
素を50周期繰返した構造の活性層（平均Al組成比0.66）
を成長した。この成長層はフォトルミネッセンス測定に
より、直接遷移型の発光を示すことが確かめられた。ま
た禁制帯幅はGaAsの1.4eVに比べ十分大きな約2eVの値を
示した。
実施例のバンド構造を示す概念図である。第１図に示す
ように、本実施例は、ｎ型GaAs基板11上にｎ型AlGaAsク
ラッド層13、AlAs2原子層およびGaAs2原子層を交互に積
層してなる活性層14、ｐ型AlGaAsクラッド層15、電流ブ
ロック層16、電極10,17を備え、ｎ型クラッド層13の基
板側には禁制帯幅がより狭いAlGaAs光吸収層12を内部に
含んでいる。活性層14の結晶成長方法としては、単原子
層結晶成長の一方法である有機金属気相エピタキシー
（MOVPE）法を用いた。本実施例では、一例として［（G
aAs）２（AlAs）２（AlAs）２］からなる周期的構成要
素を50周期繰返した構造の活性層（平均Al組成比0.66）
を成長した。この成長層はフォトルミネッセンス測定に
より、直接遷移型の発光を示すことが確かめられた。ま
た禁制帯幅はGaAsの1.4eVに比べ十分大きな約2eVの値を
示した。
活性層に隣接するクラッド層13,15には禁制帯幅が2eVよ
り大きいAl組成比0.8のAlGaAs混晶層を用い、通常のレ
ーザ素子のようにｎ型とｐ型にドーピングを行った。光
吸収層領域12には、第３図のように約300Å周期で幅200
Å,Al組成比0.5のAlGaAs混晶層を10周期設けた。以上の
層成長を行なった後、第１図のように電流狭窄のために
活性層を含むメサ構造の両側に半絶縁性の電流ブロック
層16を通常のレーザ作製プロセスに従って形成した。
り大きいAl組成比0.8のAlGaAs混晶層を用い、通常のレ
ーザ素子のようにｎ型とｐ型にドーピングを行った。光
吸収層領域12には、第３図のように約300Å周期で幅200
Å,Al組成比0.5のAlGaAs混晶層を10周期設けた。以上の
層成長を行なった後、第１図のように電流狭窄のために
活性層を含むメサ構造の両側に半絶縁性の電流ブロック
層16を通常のレーザ作製プロセスに従って形成した。
このような素子に対し、約1.6Vの電圧を印加し、約0.62
μｍの光を入射すると素子電流が急激に流れ、活性層か
ら約0.60μｍの波長のレーザ発光が観測された。
μｍの光を入射すると素子電流が急激に流れ、活性層か
ら約0.60μｍの波長のレーザ発光が観測された。
（実施例２） 実施例１の素子の初期印加電圧を変化させることによ
り、入力光の吸収端波長を変化できた。原理は、光吸収
層（量子井戸）の吸収端が、フランツ・ケルディシュ
（Franz-Keldish）型のシフトすなわち電界による長波
長側へのシフトによるものである。従って本実施例は多
波長の入力光を処理する発光スイッチ素子、短波長化を
含む波長変換素子、光増幅素子に適用できる。
り、入力光の吸収端波長を変化できた。原理は、光吸収
層（量子井戸）の吸収端が、フランツ・ケルディシュ
（Franz-Keldish）型のシフトすなわち電界による長波
長側へのシフトによるものである。従って本実施例は多
波長の入力光を処理する発光スイッチ素子、短波長化を
含む波長変換素子、光増幅素子に適用できる。
（実施例３） 実施例１における［（GaAs）２（AlAs）２（AlAs）２］
構造の活性層のかわりに［（GaAs）２（AlAs）２］（平
均Al組成比0.5）構造や［（AlAs）２（GaAs）２（AlA
s）２（GaAs）２（AlAs）２］（平均Al組成比0.6）構造
の活性層を用いても、従来のAlGaAs混晶では得られなか
った短波長の発光が得られた。
構造の活性層のかわりに［（GaAs）２（AlAs）２］（平
均Al組成比0.5）構造や［（AlAs）２（GaAs）２（AlA
s）２（GaAs）２（AlAs）２］（平均Al組成比0.6）構造
の活性層を用いても、従来のAlGaAs混晶では得られなか
った短波長の発光が得られた。
（実施例４） 上記実施例において活性層隣接層に回折格子を設け、更
に狭線幅のレーザ発光が得られた。また２次の回折を用
いることにより、上記実施例の面型入力面内出力光素意
に限らず、面型入力面型出力光素子として機能できる。
に狭線幅のレーザ発光が得られた。また２次の回折を用
いることにより、上記実施例の面型入力面内出力光素意
に限らず、面型入力面型出力光素子として機能できる。
なお、上記実施例ではｎ型GaAs基板を用いたが素子全体
の上下を反転し最上層をｎ型キャップ層とし最下層をｐ
型GaAs基板としてもよい。
の上下を反転し最上層をｎ型キャップ層とし最下層をｐ
型GaAs基板としてもよい。
（発明の効果） 以上に説明したように、本発明の半導体発光素子は、従
来のAlGaAs系発光素子では、困難であった領域の短波長
発光が可能で、そのうえ入力光を吸収させて発光電流制
御ができ、光スイッチ発光素子、多波長入力制御、短波
長化を含む波長変換素子、光増幅素子、等の種々の光情
報処理素子に適する。
来のAlGaAs系発光素子では、困難であった領域の短波長
発光が可能で、そのうえ入力光を吸収させて発光電流制
御ができ、光スイッチ発光素子、多波長入力制御、短波
長化を含む波長変換素子、光増幅素子、等の種々の光情
報処理素子に適する。
第１図は本発明の一実施例の概略の構造を示す斜視図、
第２図は従来の半導体発光素子のバンド構造を示す概念
図、第３図は第１図実施例のバンド構造を示す概念図、
第４図は本発明の活性層材料特性を示す図である。 10……電極、11……基板、12……光吸収層、13……クラ
ッド層、14……活性層、15……クラッド層、16……電流
ブロック層、17……電極、18……入力光、19……出力
光、20……価電子帯、21……伝導帯Γ点、22……伝導帯
Ｘ点、31,32……ポテンシャルバリア、33……空乏層領
域。
第２図は従来の半導体発光素子のバンド構造を示す概念
図、第３図は第１図実施例のバンド構造を示す概念図、
第４図は本発明の活性層材料特性を示す図である。 10……電極、11……基板、12……光吸収層、13……クラ
ッド層、14……活性層、15……クラッド層、16……電流
ブロック層、17……電極、18……入力光、19……出力
光、20……価電子帯、21……伝導帯Γ点、22……伝導帯
Ｘ点、31,32……ポテンシャルバリア、33……空乏層領
域。
Claims (1)
- 【請求項１】活性層が２層のクラッド層で挟まれてなる
ダブルヘテロ構造を備え、前記クラッド層のうちの少な
くとも一方のクラッド層は複数の半導体層を積層してな
る多層構造でなり、この多層構造は、禁制帯幅が所望波
長の入射光のエネルギーより小さく、光吸収層となる第
１の材料の半導体層と、この第１の材料の半導体層を両
側から挟む層であり、禁制帯幅が前記第１の材料の半導
体層の禁制帯幅より大きい第２の材料の半導体層とでな
り、前記活性層はGaAs2原子層とAlAs2原子層とを少なく
ともそれぞれ１個づつ以上組み合わせて積層した超格子
構造でなることを特徴とする半導体光機能発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18984087A JPH06103774B2 (ja) | 1987-07-28 | 1987-07-28 | 半導体光機能発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18984087A JPH06103774B2 (ja) | 1987-07-28 | 1987-07-28 | 半導体光機能発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6432693A JPS6432693A (en) | 1989-02-02 |
| JPH06103774B2 true JPH06103774B2 (ja) | 1994-12-14 |
Family
ID=16248084
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18984087A Expired - Lifetime JPH06103774B2 (ja) | 1987-07-28 | 1987-07-28 | 半導体光機能発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06103774B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3445653B2 (ja) | 1994-03-23 | 2003-09-08 | 士郎 酒井 | 発光素子 |
| JP2007208062A (ja) * | 2006-02-02 | 2007-08-16 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体レーザ素子 |
| JP6319881B2 (ja) * | 2014-02-14 | 2018-05-09 | 国立研究開発法人物質・材料研究機構 | 量子井戸太陽電池 |
-
1987
- 1987-07-28 JP JP18984087A patent/JPH06103774B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6432693A (en) | 1989-02-02 |
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