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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