JP2788985B2 - 超格子構造体 - Google Patents
超格子構造体Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エネルギー障壁を
人為的に制御し得る超格子構造体に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】半導体レーザや発光ダイオード等の半導
体発光デバイスにおいては、発光に寄与する注入電子又
はホールを活性領域に効率よく閉込める必要がある。こ
のため従来の半導体発光デバイスでは、第５図に示すよ
うにＰ形活性領域１の両側にｎ形クラッド領域２及びＰ
形クラッド領域３をそれぞれ形成したダブルヘテロ構造
を用い、Ｐ形活性領域１とＰ形クラッド領域３とをバン
ドギャップがΔＥだけ異なる半導体材料で構成されてい
る。この半導体発光デバイスにおいて閉じ込められた電
子又はホールに対するエネルギー障壁の高さは、バンド
ギャップΔＥとなり、このバンドギャップΔＥは活性領
域１及びＰ形クラッド領域３の半導体材料の固有の物理
定数によって規定される。 【０００３】一方、近年MBE 法やMOCVD 法等の結晶成長
技術の発展に伴ない、原子層オーダの極薄膜の結晶成長
が可能になり、量子効果を用いた半導体デバイスの物性
制御が行なわれている。例えば、活性層を数十オングス
トロームに薄膜化した量子井戸レーザでは、量子井戸中
の電子、ホールのエネルギー準位が離散化され、状態密
度関数の増大による低閾値電流化や発光波長の短波長化
が図られている。更に、ベース領域をバンドギャップの
異なる２種類の半導体材料を交互に周期をわずかに変え
ながら構成したCHIRP 超格子(Coherent Hetero Interf
ace for Reflection and Penetration) を電子デバイス
として利用する提案もなされている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】上述した従来の発光デ
バイスでは、高温で動作させると電子、ホールが熱的に
高エネルギーに励起されるため、これら電子、ホールが
障壁を乗り越えてしまい発光効率が著しく低下する不都
合があった。また、レーザに利用した場合閾値電流が増
大する不都合も生じていた。更に、1.5 μm 帯GaInAsP
レーザの場合オージェ過程により高エネルギー帯に散乱
されてしまい、特に高温動作が困難になる欠点があっ
た。これらの問題点は、いずれも電子、ホールに対する
エネルギー障壁が十分に確保されていないことに起因し
ている。 【０００５】一方、薄膜形成技術の発展に伴ない種々の
特性の超格子構造体が開発されており、この超格子構造
体を発光デバイスに利用することが期待されている。し
かし、上述した超格子構造体は電子デバイスとして利用
されており、超格子構造体を用いて電子、ホールを活性
領域に閉じ込める技術は未だ開発されていない。 【０００６】従って、本発明の目的はエネルギー障壁の
高さを人為的に制御でき、従って発光デバイスとして用
いた場合に電子又はホールを活性領域内に十分に効率よ
く閉じ込めることができるエネルギー障壁を形成できる
超格子構造体を提供するものである。 【０００７】 【課題を解決するための手段】本発明による超格子構造
体は、バンドギャップが互いに相異する第１及び第２の
半導体材料層を交互に積層した超格子構造体であって、
ｈをプランク定数とし、m1 * 及びm2 * をそれぞれ第１及
び第２半導体材料層における電子の有効質量とし、d1及
びd2をそれぞれ第１及び第２半導体材料層の厚さとし、
ΔＥC を第１半導体材料の伝導帯の底と第２半導体材料
の伝導帯の底との差とし、Ｅを超格子構造体に入射した
電子の、伝導帯の底が低い方の半導体材料の伝導帯の底
からのエネルギーとした場合に、前記第１及び第２の半
導体材料層の厚さを、式 【数２】 を満たすように設定したことを特徴とするものである。 【０００８】 【発明の実施の形態】バンドギャップが互いに相異する
第１及び第２の半導体材料層を交互に形成して超格子構
造体を構成する。第１の半導体材料の電子親和力を
χ1 、第２の半導体材料の電子親和力をχ2 とすると、
この超格子構造体の伝導帯の底はΔＥC ＝χ1 −χ2 の
振幅で周期的に変化する。一方、この超格子構造体にエ
ネルギーＥの電子が入射すると、第１半導体材料層と第
２半導体材料層の界面に形成されるポテンシャルの不連
続点で量子力学的に反射されることになる。従って、各
不連続点での電子の反射波の位相を制御し得るように半
導体材料１及び２の物理量を適切に設定すれば、入射電
子に対するエネルギー障壁を人為的に制御できることに
なる。本発明では、超格子構造体を構成する第１及び第
２の半導体材料層１及び２の厚さd1及びd2並びに電気的
特性を次式を満足するように設定する。 【数３】【０００９】ここで、m1 * 及びm2 * は半導体材料１及び
２における電子の有効質量、ｈはプランク定数、Ｅは入
射電子のエネルギーである。(1) 式を満足するように、
すなわち電子の反射波の位相差がπの奇数倍となるよう
に半導体１及び２の各物理量を設定すれば、各不連続点
において電子の反射波の位相が強め合い、入射電子は超
格子によって強く反射され、従って電子に対するエネル
ギー障壁が等価的に高められることになる。尚、ここで
は伝導帯の電子について説明したが、価電子帯のホール
についても成立する。 【００１０】 【実施例】図１ａ及びｂは本発明による超格子構造体の
一実施例の構成を示すものであり、図１ａは構造図、図
１ｂは伝導帯の構造を示す線図である。本例ではバンド
ギャップの大きい第１の半導体材料層10として厚さ28.3
Åから17.0Åまで変化するAlAs層を用い、第２の半導体
材料層11として厚さ56ÅのGaAs層を用いる。そしてAlAs
層10とGaAs層11とを交互に組み合せて超格子構造体を
構成する。この超格子構造体は、例えばMBE 法等の結晶
成長技術によって作成することができる。本例では第１
半導体材料層10の厚さを変化させることにより、第１及
び第２半導体材料層10及び11の周期を変化させ複数対組
み合せているから、異なったエネルギーを有する複数の
電子を同時に強く反射することができる。この超格子に
入射した電子の反射率の計算例を図２に示す。横軸は電
子のエネルギーを示し、縦軸は反射率を示す。図２から
明らかなように、 AlAs のバルクの障壁よりも、更に約
0.3eV だけ高いエネルギーを有する電子も反射されるこ
とが理解できる。このように本発明による超格子構造体
を用いることにより半導体レーザにおける注入キャリヤ
を効率よく空間的に閉じ込めることができる。 【００１１】図３ａ及びｂは本発明による超格子構造体
を波長1.5 μm 帯のGaInAsP/InP 半導体レーザに応用し
た例を示し、図３ａは構造図、図３ｂはバンド構造を示
す線図である。1.55μm 組成のＮ形にドーピングしたGa
InAsP 活性層20の一方の側にｎ形のInP クラッド層21を
形成すると共に他方の側に本発明による多重超格子22を
形成する。更に、多重超格子22の他方の側にＰ形InP ク
ラッド層23を形成する。多重超格子22はGaInAsP 層24と
InP 層25とを交互に組み合せた構成とする。このように
Ｎ形活性層20とＰ形クラッド層23との間に多重超格子22
を形成すれば、図３ｂに示すように障壁の高さをδＥだ
け増大させることができ、注入電子を一層効率よく活性
層に閉じ込めることができる。特に、斯る波長帯の半導
体レーザでは、オージェ過程により高エネルギー側に散
乱された電子が二重ヘテロ構造の障壁を乗り越えて漏れ
てしまい温度特性が悪化する不具合が指摘されていた
が、本発明の超格子構造体を利用することにより障壁の
高さがδＥだけ増大でき、従って閾値電流の温度特性を
改善することができる。 【００１２】本発明は上述の実施例だけに限定されるも
のではなく種々の変形が可能である。例えば上述した実
施例では Ga1-xAlx Asを用いて説明したが、InGaAsP や
GaAlAsSb 等の種々の混晶材料も用いることができる。 【００１３】更に、上述した実施例では２層構造体を用
いて説明したが、３種以上の結晶を交互に組み合せた超
格子構造体も用いることができる。 【００１４】 【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、バ
ンドギャップの異なる結晶を交互に組み合せて超格子構
造体を構成し、これら結晶の物理量を入射電子又はホー
ルの反射波に対して位相を強め合うように構成している
ので、エネルギー障壁の高さを人為的に高めることがで
きる。この結果、半導体レーザに利用すれば、注入キャ
リヤの閉じ込め効率を一層向上させることができる。更
に、周期を変えて複数対組み合せることにより、異なる
エネルギーを有する複数の電子を同時に強く反射するこ
とができる。
人為的に制御し得る超格子構造体に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】半導体レーザや発光ダイオード等の半導
体発光デバイスにおいては、発光に寄与する注入電子又
はホールを活性領域に効率よく閉込める必要がある。こ
のため従来の半導体発光デバイスでは、第５図に示すよ
うにＰ形活性領域１の両側にｎ形クラッド領域２及びＰ
形クラッド領域３をそれぞれ形成したダブルヘテロ構造
を用い、Ｐ形活性領域１とＰ形クラッド領域３とをバン
ドギャップがΔＥだけ異なる半導体材料で構成されてい
る。この半導体発光デバイスにおいて閉じ込められた電
子又はホールに対するエネルギー障壁の高さは、バンド
ギャップΔＥとなり、このバンドギャップΔＥは活性領
域１及びＰ形クラッド領域３の半導体材料の固有の物理
定数によって規定される。 【０００３】一方、近年MBE 法やMOCVD 法等の結晶成長
技術の発展に伴ない、原子層オーダの極薄膜の結晶成長
が可能になり、量子効果を用いた半導体デバイスの物性
制御が行なわれている。例えば、活性層を数十オングス
トロームに薄膜化した量子井戸レーザでは、量子井戸中
の電子、ホールのエネルギー準位が離散化され、状態密
度関数の増大による低閾値電流化や発光波長の短波長化
が図られている。更に、ベース領域をバンドギャップの
異なる２種類の半導体材料を交互に周期をわずかに変え
ながら構成したCHIRP 超格子(Coherent Hetero Interf
ace for Reflection and Penetration) を電子デバイス
として利用する提案もなされている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】上述した従来の発光デ
バイスでは、高温で動作させると電子、ホールが熱的に
高エネルギーに励起されるため、これら電子、ホールが
障壁を乗り越えてしまい発光効率が著しく低下する不都
合があった。また、レーザに利用した場合閾値電流が増
大する不都合も生じていた。更に、1.5 μm 帯GaInAsP
レーザの場合オージェ過程により高エネルギー帯に散乱
されてしまい、特に高温動作が困難になる欠点があっ
た。これらの問題点は、いずれも電子、ホールに対する
エネルギー障壁が十分に確保されていないことに起因し
ている。 【０００５】一方、薄膜形成技術の発展に伴ない種々の
特性の超格子構造体が開発されており、この超格子構造
体を発光デバイスに利用することが期待されている。し
かし、上述した超格子構造体は電子デバイスとして利用
されており、超格子構造体を用いて電子、ホールを活性
領域に閉じ込める技術は未だ開発されていない。 【０００６】従って、本発明の目的はエネルギー障壁の
高さを人為的に制御でき、従って発光デバイスとして用
いた場合に電子又はホールを活性領域内に十分に効率よ
く閉じ込めることができるエネルギー障壁を形成できる
超格子構造体を提供するものである。 【０００７】 【課題を解決するための手段】本発明による超格子構造
体は、バンドギャップが互いに相異する第１及び第２の
半導体材料層を交互に積層した超格子構造体であって、
ｈをプランク定数とし、m1 * 及びm2 * をそれぞれ第１及
び第２半導体材料層における電子の有効質量とし、d1及
びd2をそれぞれ第１及び第２半導体材料層の厚さとし、
ΔＥC を第１半導体材料の伝導帯の底と第２半導体材料
の伝導帯の底との差とし、Ｅを超格子構造体に入射した
電子の、伝導帯の底が低い方の半導体材料の伝導帯の底
からのエネルギーとした場合に、前記第１及び第２の半
導体材料層の厚さを、式 【数２】 を満たすように設定したことを特徴とするものである。 【０００８】 【発明の実施の形態】バンドギャップが互いに相異する
第１及び第２の半導体材料層を交互に形成して超格子構
造体を構成する。第１の半導体材料の電子親和力を
χ1 、第２の半導体材料の電子親和力をχ2 とすると、
この超格子構造体の伝導帯の底はΔＥC ＝χ1 −χ2 の
振幅で周期的に変化する。一方、この超格子構造体にエ
ネルギーＥの電子が入射すると、第１半導体材料層と第
２半導体材料層の界面に形成されるポテンシャルの不連
続点で量子力学的に反射されることになる。従って、各
不連続点での電子の反射波の位相を制御し得るように半
導体材料１及び２の物理量を適切に設定すれば、入射電
子に対するエネルギー障壁を人為的に制御できることに
なる。本発明では、超格子構造体を構成する第１及び第
２の半導体材料層１及び２の厚さd1及びd2並びに電気的
特性を次式を満足するように設定する。 【数３】【０００９】ここで、m1 * 及びm2 * は半導体材料１及び
２における電子の有効質量、ｈはプランク定数、Ｅは入
射電子のエネルギーである。(1) 式を満足するように、
すなわち電子の反射波の位相差がπの奇数倍となるよう
に半導体１及び２の各物理量を設定すれば、各不連続点
において電子の反射波の位相が強め合い、入射電子は超
格子によって強く反射され、従って電子に対するエネル
ギー障壁が等価的に高められることになる。尚、ここで
は伝導帯の電子について説明したが、価電子帯のホール
についても成立する。 【００１０】 【実施例】図１ａ及びｂは本発明による超格子構造体の
一実施例の構成を示すものであり、図１ａは構造図、図
１ｂは伝導帯の構造を示す線図である。本例ではバンド
ギャップの大きい第１の半導体材料層10として厚さ28.3
Åから17.0Åまで変化するAlAs層を用い、第２の半導体
材料層11として厚さ56ÅのGaAs層を用いる。そしてAlAs
層10とGaAs層11とを交互に組み合せて超格子構造体を
構成する。この超格子構造体は、例えばMBE 法等の結晶
成長技術によって作成することができる。本例では第１
半導体材料層10の厚さを変化させることにより、第１及
び第２半導体材料層10及び11の周期を変化させ複数対組
み合せているから、異なったエネルギーを有する複数の
電子を同時に強く反射することができる。この超格子に
入射した電子の反射率の計算例を図２に示す。横軸は電
子のエネルギーを示し、縦軸は反射率を示す。図２から
明らかなように、 AlAs のバルクの障壁よりも、更に約
0.3eV だけ高いエネルギーを有する電子も反射されるこ
とが理解できる。このように本発明による超格子構造体
を用いることにより半導体レーザにおける注入キャリヤ
を効率よく空間的に閉じ込めることができる。 【００１１】図３ａ及びｂは本発明による超格子構造体
を波長1.5 μm 帯のGaInAsP/InP 半導体レーザに応用し
た例を示し、図３ａは構造図、図３ｂはバンド構造を示
す線図である。1.55μm 組成のＮ形にドーピングしたGa
InAsP 活性層20の一方の側にｎ形のInP クラッド層21を
形成すると共に他方の側に本発明による多重超格子22を
形成する。更に、多重超格子22の他方の側にＰ形InP ク
ラッド層23を形成する。多重超格子22はGaInAsP 層24と
InP 層25とを交互に組み合せた構成とする。このように
Ｎ形活性層20とＰ形クラッド層23との間に多重超格子22
を形成すれば、図３ｂに示すように障壁の高さをδＥだ
け増大させることができ、注入電子を一層効率よく活性
層に閉じ込めることができる。特に、斯る波長帯の半導
体レーザでは、オージェ過程により高エネルギー側に散
乱された電子が二重ヘテロ構造の障壁を乗り越えて漏れ
てしまい温度特性が悪化する不具合が指摘されていた
が、本発明の超格子構造体を利用することにより障壁の
高さがδＥだけ増大でき、従って閾値電流の温度特性を
改善することができる。 【００１２】本発明は上述の実施例だけに限定されるも
のではなく種々の変形が可能である。例えば上述した実
施例では Ga1-xAlx Asを用いて説明したが、InGaAsP や
GaAlAsSb 等の種々の混晶材料も用いることができる。 【００１３】更に、上述した実施例では２層構造体を用
いて説明したが、３種以上の結晶を交互に組み合せた超
格子構造体も用いることができる。 【００１４】 【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、バ
ンドギャップの異なる結晶を交互に組み合せて超格子構
造体を構成し、これら結晶の物理量を入射電子又はホー
ルの反射波に対して位相を強め合うように構成している
ので、エネルギー障壁の高さを人為的に高めることがで
きる。この結果、半導体レーザに利用すれば、注入キャ
リヤの閉じ込め効率を一層向上させることができる。更
に、周期を変えて複数対組み合せることにより、異なる
エネルギーを有する複数の電子を同時に強く反射するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１ａ及びｂは本発明による超格子構造体の一
例の構成を示す構造図及びバンド構造図、 【図２】図２は図１に示す超格子構造体の入射電子のエ
ネルギーに対する反射率の計算例を示すグラフ、 【図３】図３ａ及びｂは本発明による超格子構造体を半
導体レーザに応用した例を示す構造図及びバンド構造
図、 【図４】図４は従来の半導体レーザのバンドギャップ構
造図である。 【符号の説明】 10 AlAs 層 11 GaAs層 20 Ｐ形GaInAsP 活性層 21 ｎ形InP クラッド層 22 多重超格子 23 Ｐ形InP クラッド層 24 Ｐ形GaInAsP 層 25 InP 層
例の構成を示す構造図及びバンド構造図、 【図２】図２は図１に示す超格子構造体の入射電子のエ
ネルギーに対する反射率の計算例を示すグラフ、 【図３】図３ａ及びｂは本発明による超格子構造体を半
導体レーザに応用した例を示す構造図及びバンド構造
図、 【図４】図４は従来の半導体レーザのバンドギャップ構
造図である。 【符号の説明】 10 AlAs 層 11 GaAs層 20 Ｐ形GaInAsP 活性層 21 ｎ形InP クラッド層 22 多重超格子 23 Ｐ形InP クラッド層 24 Ｐ形GaInAsP 層 25 InP 層
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．バンドギャップが互いに相異する第１及び第２の半
導体材料層を交互に積層した超格子構造体であって、 ｈをプランク定数とし、m1 * 及びm2 * をそれぞれ第１及
び第２半導体材料層中における電子の有効質量とし、d1
及びd2をそれぞれ第１及び第２半導体材料層の厚さと
し、ΔＥC を第１半導体材料の伝導帯の底と第２半導体
材料の伝導帯の底との差とし、Ｅを超格子構造体に入射
した電子の、伝導帯の底が低い方の半導体材料の伝導帯
の底からのエネルギーとした場合に、前記第１及び第２
の半導体材料層の厚さを、式 【数１】 を満たすように設定したことを特徴とする超格子構造
体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13500697A JP2788985B2 (ja) | 1997-05-26 | 1997-05-26 | 超格子構造体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13500697A JP2788985B2 (ja) | 1997-05-26 | 1997-05-26 | 超格子構造体 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18962386A Division JPH0666519B2 (ja) | 1986-08-14 | 1986-08-14 | 超格子構造体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1051080A JPH1051080A (ja) | 1998-02-20 |
| JP2788985B2 true JP2788985B2 (ja) | 1998-08-20 |
Family
ID=15141735
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13500697A Expired - Lifetime JP2788985B2 (ja) | 1997-05-26 | 1997-05-26 | 超格子構造体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2788985B2 (ja) |
-
1997
- 1997-05-26 JP JP13500697A patent/JP2788985B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH1051080A (ja) | 1998-02-20 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19980428 |
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| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
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| EXPY | Cancellation because of completion of term |