JPH0632340B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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- JPH0632340B2 JPH0632340B2 JP2245285A JP2245285A JPH0632340B2 JP H0632340 B2 JPH0632340 B2 JP H0632340B2 JP 2245285 A JP2245285 A JP 2245285A JP 2245285 A JP2245285 A JP 2245285A JP H0632340 B2 JPH0632340 B2 JP H0632340B2
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- Led Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は光通信や情報処理等で使用される半導体発光素
子に関する。
子に関する。
（従来技術とその問題点） ＩnＰやＧaＡs又はこれらの多元混晶を用いた発光素子
としては、半導体レーザ、発光ダイオードがある。これ
ら発光素子の基本構造は、ｎ型およびｐ型クラッド層が
これらクラッド層よりエネルギーギャップの小さい活性
層を挾み込んだダブルヘテロ構造である。ところが近
年、活性層とクラッド層との間の伝導帯下端のエネルギ
ー不連続量が発光素子の発光温度特性や特に半導体レー
ザの発振閾値電流密度に影響を与えることが分ってき
た。この対策として、活性層とクラッド層との間にクラ
ッド層よりエネルギーギャップが大きい半導体層を挿入
することが提案された。他方、格子定数の異なる２つの
半導体層を交互に配した歪超格子や格子定数の異なるヘ
テロエピタキシーの研究も進められている。クラッド層
に比べエネルギーギャップが大きく、格子定数の異なる
歪超薄膜を有した化合物半導体発光素子も特願昭５７−
１０４７５６のように提案されている。
としては、半導体レーザ、発光ダイオードがある。これ
ら発光素子の基本構造は、ｎ型およびｐ型クラッド層が
これらクラッド層よりエネルギーギャップの小さい活性
層を挾み込んだダブルヘテロ構造である。ところが近
年、活性層とクラッド層との間の伝導帯下端のエネルギ
ー不連続量が発光素子の発光温度特性や特に半導体レー
ザの発振閾値電流密度に影響を与えることが分ってき
た。この対策として、活性層とクラッド層との間にクラ
ッド層よりエネルギーギャップが大きい半導体層を挿入
することが提案された。他方、格子定数の異なる２つの
半導体層を交互に配した歪超格子や格子定数の異なるヘ
テロエピタキシーの研究も進められている。クラッド層
に比べエネルギーギャップが大きく、格子定数の異なる
歪超薄膜を有した化合物半導体発光素子も特願昭５７−
１０４７５６のように提案されている。
第２図は従来の歪超薄膜を有する発光素子の断面模式図
である。図において、１１，１５はそれぞれｎ型および
ｐ型クラッド層、２１，２２はそれぞれクラッド層より
エネルギーギャップが大きく、格子定数が小さい歪超薄
膜、１４は活性層である。従来の歪超薄膜２１，２２
は、活性層１４に隣接して配置されており、ｎ型クラッ
ド層１１に注入された電子は、歪超薄膜（半導体層）２
１の低いエネルギーバリアを越え、活性層１４に注入さ
れる。ところが活性層１４に注入された電子は歪超薄膜
２２の高いバリアのため、ｐ型クラッド層１５に到達で
きない。他方、同時にｐ型クラッド層１５に注入された
正孔も逆方向に注入され、活性層１４に注入される。こ
の活性層１４に注入される。この活性層１４に注入され
たキャリアは、活性層１４にとどまり、有効に発光に寄
与する。ところが、従来の歪超薄膜（２１，２２）を有
する発光素子では、歪超薄膜の歪が活性層１４に及ぶた
め、キャリアの注入効率の上昇に比べ発光強度があまり
改善されない上、素子の寿命が短く、高温動作時は熱に
よる歪が加わり、発光特性が低下するという問題があっ
た。
である。図において、１１，１５はそれぞれｎ型および
ｐ型クラッド層、２１，２２はそれぞれクラッド層より
エネルギーギャップが大きく、格子定数が小さい歪超薄
膜、１４は活性層である。従来の歪超薄膜２１，２２
は、活性層１４に隣接して配置されており、ｎ型クラッ
ド層１１に注入された電子は、歪超薄膜（半導体層）２
１の低いエネルギーバリアを越え、活性層１４に注入さ
れる。ところが活性層１４に注入された電子は歪超薄膜
２２の高いバリアのため、ｐ型クラッド層１５に到達で
きない。他方、同時にｐ型クラッド層１５に注入された
正孔も逆方向に注入され、活性層１４に注入される。こ
の活性層１４に注入される。この活性層１４に注入され
たキャリアは、活性層１４にとどまり、有効に発光に寄
与する。ところが、従来の歪超薄膜（２１，２２）を有
する発光素子では、歪超薄膜の歪が活性層１４に及ぶた
め、キャリアの注入効率の上昇に比べ発光強度があまり
改善されない上、素子の寿命が短く、高温動作時は熱に
よる歪が加わり、発光特性が低下するという問題があっ
た。
（発明の目的） 本発明の目的は、このような問題を解決し、キャリア注
入効率が高く、低電流動作、高温動作に優れた半導体発
光素子を提供することにある。
入効率が高く、低電流動作、高温動作に優れた半導体発
光素子を提供することにある。
（発明の構成） 本発明の構成は、発光領域となる単層あるいは多層の活
性層が、この活性層に比べエネルギーギャップの大きい
クラッド層で挾み込まれた構造の半導体発光素子におい
て、前記クラッド層よりエネルギーギャップが大きくか
つ格子定数が小さい第１の歪超薄膜と前記クラッド層よ
り格子定数が大きい第２の歪超薄膜とを交互に積層した
歪超格子層を、前記クラッド層と前記活性層の間の少な
くとも一方に有することを特徴とし、前記格子定数の異
なる層を交互に積層した歪超格子層の膜厚で平均化した
格子定数が、活性層の格子定数の０．９９５から１．０
０５倍の範囲にあるものが好ましい。
性層が、この活性層に比べエネルギーギャップの大きい
クラッド層で挾み込まれた構造の半導体発光素子におい
て、前記クラッド層よりエネルギーギャップが大きくか
つ格子定数が小さい第１の歪超薄膜と前記クラッド層よ
り格子定数が大きい第２の歪超薄膜とを交互に積層した
歪超格子層を、前記クラッド層と前記活性層の間の少な
くとも一方に有することを特徴とし、前記格子定数の異
なる層を交互に積層した歪超格子層の膜厚で平均化した
格子定数が、活性層の格子定数の０．９９５から１．０
０５倍の範囲にあるものが好ましい。
（発明の作用） 半導体レーザは、一般に格子歪により導入される欠陥を
嫌うために格子整合系で製作されるが、ｎ側クラッド層
から注入された電子が活性層を超えてｐ側クラッド層に
到達し、同様にｐ側クラッド層から注入された正孔が活
性層を超えてｎ側クラッド層に到達する、いわゆるキャ
リアオーバフロー現象が存在する。このキャリアオーバ
フロー現象はレーザ発光に寄与しない電流であるため、
半導体レーザの発振閾値電流や温度特性に悪影響を与え
る。
嫌うために格子整合系で製作されるが、ｎ側クラッド層
から注入された電子が活性層を超えてｐ側クラッド層に
到達し、同様にｐ側クラッド層から注入された正孔が活
性層を超えてｎ側クラッド層に到達する、いわゆるキャ
リアオーバフロー現象が存在する。このキャリアオーバ
フロー現象はレーザ発光に寄与しない電流であるため、
半導体レーザの発振閾値電流や温度特性に悪影響を与え
る。
そこで本発明では、活性層の両側あるいは一方に、クラ
ッド層よりバンドギャップの大きな半導体層を挿入する
ことによりこの問題を解決している。つまり格子整合系
ではレーザ特性に限界があるが、さらに特性の優れたレ
ーザを得るには、必然的にクラッド層とは異なる材料
系、つまりバンドギャップが大きくかつ格子不整合系の
材料を用いることになる。本発明では、さらにその格子
不整合系の材料を用いることにより生ずる歪による欠陥
の発生を除去するために、格子定数が異なる半導体から
なる歪超格子を用いている。つまり、歪超格子の平均の
格子定数をクラッド層や活性層の格子定数に近づけるこ
とにより、半導体レーザ全体としては格子整合系にして
いる。従って通常の超格子でなく歪超格子が必要とな
る。
ッド層よりバンドギャップの大きな半導体層を挿入する
ことによりこの問題を解決している。つまり格子整合系
ではレーザ特性に限界があるが、さらに特性の優れたレ
ーザを得るには、必然的にクラッド層とは異なる材料
系、つまりバンドギャップが大きくかつ格子不整合系の
材料を用いることになる。本発明では、さらにその格子
不整合系の材料を用いることにより生ずる歪による欠陥
の発生を除去するために、格子定数が異なる半導体から
なる歪超格子を用いている。つまり、歪超格子の平均の
格子定数をクラッド層や活性層の格子定数に近づけるこ
とにより、半導体レーザ全体としては格子整合系にして
いる。従って通常の超格子でなく歪超格子が必要とな
る。
本発明の構成によれば、クラッド層よりエネルギーギャ
ッブの大きい歪超薄膜層をこのクラッド層と活性層との
間に配置することにより、キャリアの漏れ電流を防止す
る機能は失わず、かつその歪超薄膜層を格子定数の長い
層と短い層とを交互に積層することにより、歪を積層さ
れた歪超格子層に集中させ、歪がクラッド層や活性層に
及ばないようにした。このため得られた素子の内部歪は
緩和され、素子の寿命、温度特性が改善される。また、
格子定数の長い層と短い層とを交互に積層した歪超格子
層の膜厚で平均化した格子定数が活性層の格子定数の
０．９９５から１．００５倍の範囲（格子整合度±０．
５％以内）にすることにより、素子の結晶成長も容易と
なり歪が活性層に及ばなくなり、活性層の発光強度も上
昇するという効果がある。
ッブの大きい歪超薄膜層をこのクラッド層と活性層との
間に配置することにより、キャリアの漏れ電流を防止す
る機能は失わず、かつその歪超薄膜層を格子定数の長い
層と短い層とを交互に積層することにより、歪を積層さ
れた歪超格子層に集中させ、歪がクラッド層や活性層に
及ばないようにした。このため得られた素子の内部歪は
緩和され、素子の寿命、温度特性が改善される。また、
格子定数の長い層と短い層とを交互に積層した歪超格子
層の膜厚で平均化した格子定数が活性層の格子定数の
０．９９５から１．００５倍の範囲（格子整合度±０．
５％以内）にすることにより、素子の結晶成長も容易と
なり歪が活性層に及ばなくなり、活性層の発光強度も上
昇するという効果がある。
（実施例） 次に図面により本発明を詳細に説明する。
第１図は本発明の一実施例の素子の断面模式図である。
本実施例の構造は、ｎ型クラッド層１１，ｐ型クラッド
層１５にそれぞれＳドープＩn0.48Ｇa0.52Ｐ層、Ｚｎド
ープＩn0.48Ｇa0.52Ｐ層を、活性層１４にＩn0.21Ｇa
0.79Ａs0.57Ｐ0.43層を、クラッド層よりエネルギーギ
ャップが大きく格子定数が小さい第１の歪超薄膜１２に
ＧaＰ層、クラッド層より格子定数の小さい第２の歪超
薄膜１３にＩnＰ層を用いて構成される。ＧaＰ層１２と
ＩnＰ層１３との膜厚は、それぞれ２５Åと２０Åと
し、各層数はそれぞれ３層と２層とした。このような構
成のため活性層１４にある電子は歪超格子層のＧa層１
２のエネルギーバリアをトンネルすることが出来ず、エ
ネルギーバリアとして働く。又、ＩnＰ層１３を２０Å
とすることにより、ＩnＰ層１３での量子化された電子
準位は、ＧaＰ層１２バリア導電帯下端のすぐ下に位置
するため、ｎ側クラッド層１１にある電子はＩnＰ層１
３にトラップされずに容易に通過する。
本実施例の構造は、ｎ型クラッド層１１，ｐ型クラッド
層１５にそれぞれＳドープＩn0.48Ｇa0.52Ｐ層、Ｚｎド
ープＩn0.48Ｇa0.52Ｐ層を、活性層１４にＩn0.21Ｇa
0.79Ａs0.57Ｐ0.43層を、クラッド層よりエネルギーギ
ャップが大きく格子定数が小さい第１の歪超薄膜１２に
ＧaＰ層、クラッド層より格子定数の小さい第２の歪超
薄膜１３にＩnＰ層を用いて構成される。ＧaＰ層１２と
ＩnＰ層１３との膜厚は、それぞれ２５Åと２０Åと
し、各層数はそれぞれ３層と２層とした。このような構
成のため活性層１４にある電子は歪超格子層のＧa層１
２のエネルギーバリアをトンネルすることが出来ず、エ
ネルギーバリアとして働く。又、ＩnＰ層１３を２０Å
とすることにより、ＩnＰ層１３での量子化された電子
準位は、ＧaＰ層１２バリア導電帯下端のすぐ下に位置
するため、ｎ側クラッド層１１にある電子はＩnＰ層１
３にトラップされずに容易に通過する。
本実施例と従来の歪超薄膜とを有する発光素子とを製作
してストライプ電極型半導体レーザとして比較した。従
来の歪超薄膜とを有する発光素子は、本実施例と同様な
クラッド層と活性層とから構成され、歪超薄膜として４
０オングストロームのＧａＰ層をｎ側クラッド層と活性
層との間およびｐ型クラッド層と活性層との間にそれぞ
れ配置し、さらにストライプ電極構造としては、２０μ
ｍ幅の開口部を設けたＳｉＯ２マスクを用いてクラッド
層にＺｎを拡散した後、ＡｕＺｎ電極ストライプ構造に
している。この場合の測定は、いずれもパルス幅２００
ｎｓｅｃ、繰返し周期１０μｓｅｃのパルス、で行っ
た。
してストライプ電極型半導体レーザとして比較した。従
来の歪超薄膜とを有する発光素子は、本実施例と同様な
クラッド層と活性層とから構成され、歪超薄膜として４
０オングストロームのＧａＰ層をｎ側クラッド層と活性
層との間およびｐ型クラッド層と活性層との間にそれぞ
れ配置し、さらにストライプ電極構造としては、２０μ
ｍ幅の開口部を設けたＳｉＯ２マスクを用いてクラッド
層にＺｎを拡散した後、ＡｕＺｎ電極ストライプ構造に
している。この場合の測定は、いずれもパルス幅２００
ｎｓｅｃ、繰返し周期１０μｓｅｃのパルス、で行っ
た。
本実施例のレーザは、従来例に比べて外部微分量子効率
に優れ、室温における同一駆動電流（２５０ｍＡ）にお
いて従来例のレーザでは３ｍＷに対し、本実施例では
９．５ｍＷと約３倍の光出力が得られた。また最高発振
温度では従来のレーザが６０℃に対し、本実施例が１０
０℃と４０℃も優れていた。さらに５０℃，５ｍＷの自
動出力制御動作（ＡＰＣ）寿命試験を行った結果、従来
のレーザの寿命が４０〜１２０時間であったに対し、本
実施例のレーザでは、測定した全ての素子で６００時間
を超え、１０００時間を超えても安定動作するものもあ
り、劣化率が１桁以上も改善され長寿命が確認された。
に優れ、室温における同一駆動電流（２５０ｍＡ）にお
いて従来例のレーザでは３ｍＷに対し、本実施例では
９．５ｍＷと約３倍の光出力が得られた。また最高発振
温度では従来のレーザが６０℃に対し、本実施例が１０
０℃と４０℃も優れていた。さらに５０℃，５ｍＷの自
動出力制御動作（ＡＰＣ）寿命試験を行った結果、従来
のレーザの寿命が４０〜１２０時間であったに対し、本
実施例のレーザでは、測定した全ての素子で６００時間
を超え、１０００時間を超えても安定動作するものもあ
り、劣化率が１桁以上も改善され長寿命が確認された。
又、第１の歪超薄膜１２と第２の歪超薄膜１３との各膜
厚を変えて素子を製作し、その素子の歪超格子層の膜厚
で平均化した格子定数と活性層のフォトルミネッセンス
強度（ＰＬ強度）の関係を調べた。その結果、歪超格子
層の平均の格子定数が活性層１４のそれと差が大きくな
る程、ＰＬ強度は減少することが分った。しかし、歪超
格子層の平均定数が活性層のそれの０．９９５〜１．０
０５倍の範囲内ではＰＬ強度がほぼ一定であり、この範
囲内であれば強い発光強度の素子が得られ、さらにこの
範囲内では再現性よく素子が得られ、素子製作上有利と
なることが確認できた。
厚を変えて素子を製作し、その素子の歪超格子層の膜厚
で平均化した格子定数と活性層のフォトルミネッセンス
強度（ＰＬ強度）の関係を調べた。その結果、歪超格子
層の平均の格子定数が活性層１４のそれと差が大きくな
る程、ＰＬ強度は減少することが分った。しかし、歪超
格子層の平均定数が活性層のそれの０．９９５〜１．０
０５倍の範囲内ではＰＬ強度がほぼ一定であり、この範
囲内であれば強い発光強度の素子が得られ、さらにこの
範囲内では再現性よく素子が得られ、素子製作上有利と
なることが確認できた。
なお、本実施例においては、ＩnＧaＡsＰ／ＩnＧaＰ系
発光素子とし、歪超格子層をＧaＰ層とＩnＰ層で構成し
たが、これら化合物半導体に限定されず、ＩnＧaＡsＰ
／ＩnＰ系、ＡlＧaＳb／ＧaＳb系、II／VI族化合物半導
体でも良く、又、歪超格子層も化合物半導体やＳi，Ｇe
等の元素半導体でも良い。また、歪超格子層を活性層の
両側に配したが、片側だけでも良く、歪超格子層の組成
および層数を活性層に対して対称としたが対称と限定す
ることはなく非対称でも良い。また、発光領域となる活
性層を１層で構成したが、多重量子井戸構造としても本
発明の効果は十分に発揮できる。
発光素子とし、歪超格子層をＧaＰ層とＩnＰ層で構成し
たが、これら化合物半導体に限定されず、ＩnＧaＡsＰ
／ＩnＰ系、ＡlＧaＳb／ＧaＳb系、II／VI族化合物半導
体でも良く、又、歪超格子層も化合物半導体やＳi，Ｇe
等の元素半導体でも良い。また、歪超格子層を活性層の
両側に配したが、片側だけでも良く、歪超格子層の組成
および層数を活性層に対して対称としたが対称と限定す
ることはなく非対称でも良い。また、発光領域となる活
性層を１層で構成したが、多重量子井戸構造としても本
発明の効果は十分に発揮できる。
（発明の効果） 以上詳細に述べた通り、本発明によれば、従来の歪等薄
膜を有する発光素子の特徴であるキャリアの注入効率を
維持すると共に、発光効率の改善、発光温度特性の改
善、長寿命が実現できる。さらに歪超格子層の膜厚で平
均した格子定数が活性層の格子定数の０．９９５〜１．
００５倍の範囲にすれば、さらに高い発光効率の特性改
善が実現できる一方、素子製作も容易となる効果があ
る。
膜を有する発光素子の特徴であるキャリアの注入効率を
維持すると共に、発光効率の改善、発光温度特性の改
善、長寿命が実現できる。さらに歪超格子層の膜厚で平
均した格子定数が活性層の格子定数の０．９９５〜１．
００５倍の範囲にすれば、さらに高い発光効率の特性改
善が実現できる一方、素子製作も容易となる効果があ
る。
第１図は本発明の一実施例の模式的断面図、第２図は従
来の発光素子を説明する模式的断面図である。図におい
て、 １１……ｎ型クラッド層、１２……第１の歪超薄膜、１
３……第２の歪超薄膜層、１４……活性層、１５……ｐ
型クラッド層、２１，２２……歪超薄膜である。
来の発光素子を説明する模式的断面図である。図におい
て、 １１……ｎ型クラッド層、１２……第１の歪超薄膜、１
３……第２の歪超薄膜層、１４……活性層、１５……ｐ
型クラッド層、２１，２２……歪超薄膜である。
Claims (2)
- 【請求項１】発光領域となる単層あるいは多層の活性層
が、この活性層に比べエネルギーギャップの大きいクラ
ッド層で挾み込まれた構造の半導体発光素子において、
前記クラッド層よりエネルギーギャップが大きくかつ格
子定数が小さい第１の歪超薄膜と前記クラッド層より格
子定数が大きい第２の歪超薄膜とを交互に積層した歪超
格子層を、前記クラッド層と前記活性層との間の少なく
とも一方に有することを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項２】格子定数の異なる層を交互に積層した歪超
格子層の膜厚で平均化した格子定数が、活性層の格子定
数の０．９９５から１．００５倍の範囲にあることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2245285A JPH0632340B2 (ja) | 1985-02-07 | 1985-02-07 | 半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2245285A JPH0632340B2 (ja) | 1985-02-07 | 1985-02-07 | 半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61181185A JPS61181185A (ja) | 1986-08-13 |
| JPH0632340B2 true JPH0632340B2 (ja) | 1994-04-27 |
Family
ID=12083102
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2245285A Expired - Lifetime JPH0632340B2 (ja) | 1985-02-07 | 1985-02-07 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0632340B2 (ja) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0746745B2 (ja) * | 1986-06-17 | 1995-05-17 | 松下電器産業株式会社 | 半導体レ−ザ装置 |
| JPH0793471B2 (ja) * | 1987-06-29 | 1995-10-09 | 日本電気株式会社 | 半導体量子井戸レ−ザ |
| JP2724827B2 (ja) * | 1987-07-02 | 1998-03-09 | 国際電信電話株式会社 | 赤外発光素子 |
| JPH0821761B2 (ja) * | 1987-11-25 | 1996-03-04 | 三菱電機株式会社 | 半導体発光装置 |
| JP2658291B2 (ja) * | 1988-11-04 | 1997-09-30 | 日本電気株式会社 | 発光素子 |
| JP2669139B2 (ja) * | 1990-10-24 | 1997-10-27 | 日本電気株式会社 | 半導体レーザ |
| JPH07120424B2 (ja) * | 1991-02-07 | 1995-12-20 | 松下電工株式会社 | 印字検査方法 |
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Family Cites Families (1)
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| JPS57152178A (en) * | 1981-03-17 | 1982-09-20 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Semiconductor light emitting device with super lattice structure |
-
1985
- 1985-02-07 JP JP2245285A patent/JPH0632340B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61181185A (ja) | 1986-08-13 |
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