JP2003332695A - ひずみ補償長波長半導体発光素子 - Google Patents
ひずみ補償長波長半導体発光素子Info
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- JP2003332695A JP2003332695A JP2002170688A JP2002170688A JP2003332695A JP 2003332695 A JP2003332695 A JP 2003332695A JP 2002170688 A JP2002170688 A JP 2002170688A JP 2002170688 A JP2002170688 A JP 2002170688A JP 2003332695 A JP2003332695 A JP 2003332695A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】従来より各種の発光素子が光通信用として開発
されているが,1.5ミクロン帯の波長領域では,発光
強度が環境温度によって変化する等の問題があった。そ
のため発光素子の温度制御が不可欠となり,コスト面か
ら課題となっていた。この課題を解決する有力な方法
は,量子ドットと呼ばれる半導体島構造を形成すること
であるが,その形成に必要な圧縮ひずみが内部に残留
し,1.3ミクロンより長波長での発光が困難という制
限があった。 【解決手段】この発明は,上記の課題を解決するものと
して,インジウムと砒素を含む化合物半導体からなる島
構造を形成し,これに接するように窒素を含む化合物半
導体層を積層してなることを特徴とする半導体発光素子
を提供する。またこの発明においては,前記インジウム
と砒素を含む化合物半導体島構造とこれに接するように
積層した窒素を含む化合物半導体層を挟む上下の化合物
半導体層でpn接合を形成することをその一つの態様と
もしている。
されているが,1.5ミクロン帯の波長領域では,発光
強度が環境温度によって変化する等の問題があった。そ
のため発光素子の温度制御が不可欠となり,コスト面か
ら課題となっていた。この課題を解決する有力な方法
は,量子ドットと呼ばれる半導体島構造を形成すること
であるが,その形成に必要な圧縮ひずみが内部に残留
し,1.3ミクロンより長波長での発光が困難という制
限があった。 【解決手段】この発明は,上記の課題を解決するものと
して,インジウムと砒素を含む化合物半導体からなる島
構造を形成し,これに接するように窒素を含む化合物半
導体層を積層してなることを特徴とする半導体発光素子
を提供する。またこの発明においては,前記インジウム
と砒素を含む化合物半導体島構造とこれに接するように
積層した窒素を含む化合物半導体層を挟む上下の化合物
半導体層でpn接合を形成することをその一つの態様と
もしている。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は,半導体発光素子
に関するものである。さらに詳しくは,この発明は,光
通信で用いられる赤外波長で発光させることのできる新
規化合物半導体発光素子に関するものである。
に関するものである。さらに詳しくは,この発明は,光
通信で用いられる赤外波長で発光させることのできる新
規化合物半導体発光素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より,各種の発光素子が光通信用と
して開発されてきている。しかし特に1.5ミクロン帯
の波長領域では,発光強度が環境温度によって大きく変
化してしまう等の問題があった。そのため発光素子の温
度制御が不可欠となり,温度制御に係わるコストの面か
ら応用範囲を広げるための課題となっていた。
して開発されてきている。しかし特に1.5ミクロン帯
の波長領域では,発光強度が環境温度によって大きく変
化してしまう等の問題があった。そのため発光素子の温
度制御が不可欠となり,温度制御に係わるコストの面か
ら応用範囲を広げるための課題となっていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このような課題を解決
する有力な方法は,量子ドットと呼ばれる半導体島構造
を形成し,温度変化の原因とされるオージェ再結合が起
こりにくい半導体構造を作製することである。しかし半
導体島構造の形成に必要な圧縮ひずみが内部に残留し,
1.3ミクロンより長波長での発光が困難という制限が
あった。この発明は,以上の現状に鑑みてなされたもの
であり,発光層にインジウムと砒素を含む化合物半導体
島構造を用い,1.5ミクロン帯で発光する新しい光通
信用半導体発光素子を提供することを目的としている。
する有力な方法は,量子ドットと呼ばれる半導体島構造
を形成し,温度変化の原因とされるオージェ再結合が起
こりにくい半導体構造を作製することである。しかし半
導体島構造の形成に必要な圧縮ひずみが内部に残留し,
1.3ミクロンより長波長での発光が困難という制限が
あった。この発明は,以上の現状に鑑みてなされたもの
であり,発光層にインジウムと砒素を含む化合物半導体
島構造を用い,1.5ミクロン帯で発光する新しい光通
信用半導体発光素子を提供することを目的としている。
【0004】
【課題を解決するための手段】この発明は,上記の課題
を解決するものとして,インジウムと砒素を含む化合物
半導体からなる島構造を形成し,これに接するように窒
素を含む化合物半導体層で積層してなることを特徴とす
る半導体発光素子を提供する。またこの発明において
は,前記インジウムと砒素を含む化合物半導体島構造と
これに接するように積層した窒素を含む化合物半導体層
を挟む上下の化合物半導体層でpn接合を形成すること
をその一つの態様ともしている。
を解決するものとして,インジウムと砒素を含む化合物
半導体からなる島構造を形成し,これに接するように窒
素を含む化合物半導体層で積層してなることを特徴とす
る半導体発光素子を提供する。またこの発明において
は,前記インジウムと砒素を含む化合物半導体島構造と
これに接するように積層した窒素を含む化合物半導体層
を挟む上下の化合物半導体層でpn接合を形成すること
をその一つの態様ともしている。
【0005】
【実施例1】以下,この発明の半導体発光素子について
図1に基づいて説明する。まずn型GaAs半導体基板
(1)の表面にn型AlGaAs化合物半導体層
(2),n型GaAs化合物半導体層(3),インジウ
ムと砒素を含むInGaAs半導体島構造(4),窒素
を含む化合物半導体層(5),p型GaAs化合物半導
体層(6),p型AlGaAs化合物半導体層(7),
p型GaAs化合物半導体層(8)を順次形成する。こ
のような積層構造の上下に各々p型電極(9)およびn
型電極(10)を配設する。これに順バイアスをかける
ことにより,電子が化合物半導体層(2)(3)から,
また正孔が化合物半導体層(7)(8)から,InGa
As半導体島構造(4)に注入される。発生した赤外発
光は化合物半導体層(3),(6)によって導かれてこ
れらの層に沿って進む。端面部分反射ミラー(11)の
反射率を高くすると赤外光はほとんど内部に反射され,
反射率を低くした端面部分反射ミラー(12)を通して
外部に出力される。電流注入を増すと光増幅によってレ
ーザ発振を開始し外部にレーザ光が出力される。
図1に基づいて説明する。まずn型GaAs半導体基板
(1)の表面にn型AlGaAs化合物半導体層
(2),n型GaAs化合物半導体層(3),インジウ
ムと砒素を含むInGaAs半導体島構造(4),窒素
を含む化合物半導体層(5),p型GaAs化合物半導
体層(6),p型AlGaAs化合物半導体層(7),
p型GaAs化合物半導体層(8)を順次形成する。こ
のような積層構造の上下に各々p型電極(9)およびn
型電極(10)を配設する。これに順バイアスをかける
ことにより,電子が化合物半導体層(2)(3)から,
また正孔が化合物半導体層(7)(8)から,InGa
As半導体島構造(4)に注入される。発生した赤外発
光は化合物半導体層(3),(6)によって導かれてこ
れらの層に沿って進む。端面部分反射ミラー(11)の
反射率を高くすると赤外光はほとんど内部に反射され,
反射率を低くした端面部分反射ミラー(12)を通して
外部に出力される。電流注入を増すと光増幅によってレ
ーザ発振を開始し外部にレーザ光が出力される。
【0006】この場合のInGaAs半導体島構造
(4)は内部に圧縮ひずみが残留しており,引っ張りひ
ずみを伴う窒素を含む化合物半導体層(5)を隣接させ
ることにより内部のひずみを減少させ,より長波長での
発光を得ることが出来る。図2に示す具体的な実施例で
は,InAs半導体島構造(4)にGaNAs化合物半
導体層(5)を隣接させ,その窒素組成を2.7%まで
増加することにより1.55μmの発光スペクトルが室
温で得られている。
(4)は内部に圧縮ひずみが残留しており,引っ張りひ
ずみを伴う窒素を含む化合物半導体層(5)を隣接させ
ることにより内部のひずみを減少させ,より長波長での
発光を得ることが出来る。図2に示す具体的な実施例で
は,InAs半導体島構造(4)にGaNAs化合物半
導体層(5)を隣接させ,その窒素組成を2.7%まで
増加することにより1.55μmの発光スペクトルが室
温で得られている。
【0007】また上記のダイオード構造では一周期のI
nGaAs半導体島構造(4)と窒素を含む化合物半導
体層(5)を発光層としているが,これを複数積層する
こともできる。この場合,一周期ごとにひずみが補償さ
れているので積層数を増やしても欠陥が生じないことが
透過電子顕微鏡観察から確認されている。
nGaAs半導体島構造(4)と窒素を含む化合物半導
体層(5)を発光層としているが,これを複数積層する
こともできる。この場合,一周期ごとにひずみが補償さ
れているので積層数を増やしても欠陥が生じないことが
透過電子顕微鏡観察から確認されている。
【0008】InGaAs半導体島構造(4)は,通常
高さ1−10nm,直径10−30nmの大きさとな
り,材料の供給量と成長条件で大きさが決まる。これに
隣接する化合物半導体層(5)の厚みは,InGaAs
半導体島構造(4)の歪みを補償する条件で決まり,窒
素組成によって5−50nmの厚さが必要である。化合
物半導体層(3),(6)の厚さは光をこれらの化合物
半導体層に閉じこめ導く条件から決まり,通常0.05
−0.3μmの厚さが必要である。また化合物半導体層
(2),(7)の厚みは,光が基板(1)や化合物半導
体層(8),電極(9)などにしみ出して光損失が大き
くならないための条件から決まり,通常0.5−1.5
μmの厚さが必要である。そしてこれらの化合物半導体
層(2),(3),(4),(5),(6),(7),
(8)の形成には,従来公知の各種の方法が採用でき,
例えば MOCVD,MBE,MOMBE等の広範な技
術が適宜に採用される。
高さ1−10nm,直径10−30nmの大きさとな
り,材料の供給量と成長条件で大きさが決まる。これに
隣接する化合物半導体層(5)の厚みは,InGaAs
半導体島構造(4)の歪みを補償する条件で決まり,窒
素組成によって5−50nmの厚さが必要である。化合
物半導体層(3),(6)の厚さは光をこれらの化合物
半導体層に閉じこめ導く条件から決まり,通常0.05
−0.3μmの厚さが必要である。また化合物半導体層
(2),(7)の厚みは,光が基板(1)や化合物半導
体層(8),電極(9)などにしみ出して光損失が大き
くならないための条件から決まり,通常0.5−1.5
μmの厚さが必要である。そしてこれらの化合物半導体
層(2),(3),(4),(5),(6),(7),
(8)の形成には,従来公知の各種の方法が採用でき,
例えば MOCVD,MBE,MOMBE等の広範な技
術が適宜に採用される。
【0009】また,上記のダイオード構造で,半導体基
板(1),化合物半導体層(2),(3)をp型,化合
物半導体層(6),(7),(8)をn型とすることも
可能である。この場合には,p型化合物半導体層から正
孔が,n型化合物半導体層から電子が半導体島構造
(4)に注入され,赤外発光が端面部分反射ミラーから
取り出される。もちろん,この発明においては,さらに
多様な態様が可能であることは言うまでもない。
板(1),化合物半導体層(2),(3)をp型,化合
物半導体層(6),(7),(8)をn型とすることも
可能である。この場合には,p型化合物半導体層から正
孔が,n型化合物半導体層から電子が半導体島構造
(4)に注入され,赤外発光が端面部分反射ミラーから
取り出される。もちろん,この発明においては,さらに
多様な態様が可能であることは言うまでもない。
【0010】
【実施例2】図3に基づいて説明する。まずn型GaA
s半導体基板(1)の表面にn型AlGaAs化合物半
導体層とGaAs化合物半導体層からなる周期的な積層
構造(13),n型GaAs化合物半導体層(3),イ
ンジウムと砒素を含むInGaAs半導体島構造
(4),窒素を含む化合物半導体層(5),p型GaA
s化合物半導体層(6),p型AlGaAs化合物半導
体層とGaAs化合物半導体層からなる周期的な積層構
造(14),p型GaAs化合物半導体層(8)を順次
形成する。このような積層構造の上下に各々p型電極
(9)およびn型電極(10)を配設する。p型電極
(9)とp型GaAs化合物半導体層(8)との間には
絶縁層(15)を挿入し,正孔を注入する部分のみ絶縁
層(15)を除いてp型電極(9)とp型GaAs化合
物半導体層(8)が隣接するようにする。これに順バイ
アスをかけることにより,電子が化合物半導体層(2)
(3)から,また正孔が化合物半導体層(7)(8)か
ら,InGaAs半導体島構造(4)に注入される。発
生した赤外発光はn型電極(10)に設けた窓(16)
を通して外部に出力される。電流注入を増すと,分布反
射ミラーとして働くn型AlGaAs化合物半導体層と
GaAs化合物半導体層からなる周期的な積層構造
(2)とp型AlGaAs化合物半導体層とGaAs化
合物半導体層からなる周期的な積層構造(14)による
分布帰還による光増幅によってレーザ発振を開始し,半
導体層に垂直に外部にレーザ光が出力される。
s半導体基板(1)の表面にn型AlGaAs化合物半
導体層とGaAs化合物半導体層からなる周期的な積層
構造(13),n型GaAs化合物半導体層(3),イ
ンジウムと砒素を含むInGaAs半導体島構造
(4),窒素を含む化合物半導体層(5),p型GaA
s化合物半導体層(6),p型AlGaAs化合物半導
体層とGaAs化合物半導体層からなる周期的な積層構
造(14),p型GaAs化合物半導体層(8)を順次
形成する。このような積層構造の上下に各々p型電極
(9)およびn型電極(10)を配設する。p型電極
(9)とp型GaAs化合物半導体層(8)との間には
絶縁層(15)を挿入し,正孔を注入する部分のみ絶縁
層(15)を除いてp型電極(9)とp型GaAs化合
物半導体層(8)が隣接するようにする。これに順バイ
アスをかけることにより,電子が化合物半導体層(2)
(3)から,また正孔が化合物半導体層(7)(8)か
ら,InGaAs半導体島構造(4)に注入される。発
生した赤外発光はn型電極(10)に設けた窓(16)
を通して外部に出力される。電流注入を増すと,分布反
射ミラーとして働くn型AlGaAs化合物半導体層と
GaAs化合物半導体層からなる周期的な積層構造
(2)とp型AlGaAs化合物半導体層とGaAs化
合物半導体層からなる周期的な積層構造(14)による
分布帰還による光増幅によってレーザ発振を開始し,半
導体層に垂直に外部にレーザ光が出力される。
【0011】AlGaAs化合物半導体層とGaAs化
合物半導体層からなる周期的な積層構造(13)と(1
4)において,各層の厚さは半導体内における発光波長
の1/4の厚さを持つように設定され,発光波長によっ
て50−150nmの厚さが必要である。また周期数と
しては20−40周期が必要である。さらに十分な光学
利得を得るためにInGaAs半導体島構造(4)と窒
素を含む化合物半導体層(5)を積層した発光層を用い
る必要があり,2−10層程度積層する必要がある。こ
の場合,一周期ごとにひずみが補償されているので積層
数を増やしても欠陥が生じない。またn型GaAs化合
物半導体層(3)とp型GaAs化合物半導体層(6)
は,InGaAs半導体島構造(4)と窒素を含む化合
物半導体層(5)の積層部分を含めたその全厚さが半導
体内における発光波長の一波長の厚さになるように設定
される。
合物半導体層からなる周期的な積層構造(13)と(1
4)において,各層の厚さは半導体内における発光波長
の1/4の厚さを持つように設定され,発光波長によっ
て50−150nmの厚さが必要である。また周期数と
しては20−40周期が必要である。さらに十分な光学
利得を得るためにInGaAs半導体島構造(4)と窒
素を含む化合物半導体層(5)を積層した発光層を用い
る必要があり,2−10層程度積層する必要がある。こ
の場合,一周期ごとにひずみが補償されているので積層
数を増やしても欠陥が生じない。またn型GaAs化合
物半導体層(3)とp型GaAs化合物半導体層(6)
は,InGaAs半導体島構造(4)と窒素を含む化合
物半導体層(5)の積層部分を含めたその全厚さが半導
体内における発光波長の一波長の厚さになるように設定
される。
【0012】また上記のダイオード構造で,レーザ光を
取り出す効率を上げるためにn型電極(10)に設けた
窓(16)の部分の半導体基板(1)を除去することも
可能である。もちろん,この発明においては,さらに多
様な態様が可能であることは言うまでもない。
取り出す効率を上げるためにn型電極(10)に設けた
窓(16)の部分の半導体基板(1)を除去することも
可能である。もちろん,この発明においては,さらに多
様な態様が可能であることは言うまでもない。
【0013】
【発明の効果】この発明により,以上詳しく説明したと
おり,1.5ミクロン帯の波長領域で温度安定性の良い
通信用光源など,光通信の基盤技術が提供される。
おり,1.5ミクロン帯の波長領域で温度安定性の良い
通信用光源など,光通信の基盤技術が提供される。
【図1】この発明の発光素子を例示した断面図である。
【図2】GaNAs化合物半導体層(5)における窒素
組成とInAs半導体島構造(4)からの発光波長の関
係を示す図である。
組成とInAs半導体島構造(4)からの発光波長の関
係を示す図である。
【図3】この発明の別の実施例を示す発光素子の断面図
である。
である。
1 n型GaAs半導体基板
2 n型AlGaAs化合物半導体層
3 n型GaAs化合物半導体層
4 InGaAs半導体島構造
5 窒素を含む化合物半導体層
6 p型GaAs化合物半導体層
7 p型AlGaAs化合物半導体層
8 p型GaAs化合物半導体層
9 p型電極
10 n型電極
11 端面部分反射ミラー
12 端面部分反射ミラー
13 n型AlGaAs化合物半導体層とGaAs化合
物半導体層からなる周期的な積層構造 14 p型AlGaAs化合物半導体層とGaAs化合
物半導体層からなる周期的な積層構造 15 絶縁層 16 n型電極(10)に設けた窓
物半導体層からなる周期的な積層構造 14 p型AlGaAs化合物半導体層とGaAs化合
物半導体層からなる周期的な積層構造 15 絶縁層 16 n型電極(10)に設けた窓
Claims (2)
- 【請求項1】 インジウムと砒素を含む化合物半導
体島構造に,窒素を含む化合物半導体層をこれに接する
ように積層してなることを特徴とする長波長半導体発光
素子。 - 【請求項2】 上下の化合物半導体層でpn接合を
形成してなる請求項1の長波長半導体発光素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002170688A JP2003332695A (ja) | 2002-05-07 | 2002-05-07 | ひずみ補償長波長半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002170688A JP2003332695A (ja) | 2002-05-07 | 2002-05-07 | ひずみ補償長波長半導体発光素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003332695A true JP2003332695A (ja) | 2003-11-21 |
Family
ID=29706897
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002170688A Pending JP2003332695A (ja) | 2002-05-07 | 2002-05-07 | ひずみ補償長波長半導体発光素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2003332695A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7768032B2 (en) | 2008-03-19 | 2010-08-03 | Hiroshima University | Light-emitting device with enhanced luminous efficiency and method of producing the same |
JP2010177316A (ja) * | 2009-01-28 | 2010-08-12 | Hokkaido Univ | 半導体発光素子 |
US8044382B2 (en) | 2008-03-26 | 2011-10-25 | Hiroshima University | Light-emitting device and method for manufacturing the same |
US8368046B2 (en) | 2008-02-18 | 2013-02-05 | Hiroshima University | Light-emitting element |
-
2002
- 2002-05-07 JP JP2002170688A patent/JP2003332695A/ja active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8368046B2 (en) | 2008-02-18 | 2013-02-05 | Hiroshima University | Light-emitting element |
US8980658B2 (en) | 2008-02-18 | 2015-03-17 | Hiroshima University | Light-emitting element |
US7768032B2 (en) | 2008-03-19 | 2010-08-03 | Hiroshima University | Light-emitting device with enhanced luminous efficiency and method of producing the same |
US8044382B2 (en) | 2008-03-26 | 2011-10-25 | Hiroshima University | Light-emitting device and method for manufacturing the same |
US8330141B2 (en) | 2008-03-26 | 2012-12-11 | Hiroshima University | Light-emitting device |
JP2010177316A (ja) * | 2009-01-28 | 2010-08-12 | Hokkaido Univ | 半導体発光素子 |
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