JPH07202260A - 歪超格子発光素子 - Google Patents

歪超格子発光素子

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JPH07202260A
JPH07202260A JP35072293A JP35072293A JPH07202260A JP H07202260 A JPH07202260 A JP H07202260A JP 35072293 A JP35072293 A JP 35072293A JP 35072293 A JP35072293 A JP 35072293A JP H07202260 A JPH07202260 A JP H07202260A
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strained superlattice
light emitting
strained
emitting device
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Masanori Irikawa
理徳 入川
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Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ０．８５μｍ帯で発光し、出力特性が、注入
電流やキャリア密度にかかわらず、偏波無依存性である
もの、あるいは、ＴＥモードもしくはＴＭモードの偏波
モードの発光強度が通常のバルク活性層の場合よりも極
めて大きい歪超格子発光素子を提供する。 【構成】 ＩｎＰ基板１上に、該基板１に格子整合する
第１および第２の導電型のＡｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層から
なる一対のクラッド層２、６と、該クラッド層２、６の
間にはさまれ、歪超格子構造を含む活性層４を設けた歪
超格子発光素子において、活性層４の井戸層４ａ、４ｂ
が基板１に対して０．３〜３％の面内引張り歪みを有す
るＧａＩｎＡｓＰ層と、０．３〜１％の面内圧縮歪みを
有するＧａＩｎＡｓＰ層からなり、障壁層４ｃはＡｌＧ
ａＩｎＡｓ層からなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、歪超格子発光素子に関
し、特に偏波面を制御した０．８μｍ波長帯のスーパー
ルミネッセントダイオードに関する。
【０００２】
【従来技術】近年、半導体レーザ素子と発光ダイオード
の中間に位置づけられるスーパールミネッセントダイオ
ード（以下、ＳＬＤと称す）が注目されている。この発
光素子は、発光ダイオードのようなインコヒーレントな
広い発光スペクトルを持ちながら、半導体レーザ素子に
近い高出力で指向性のよい光を出射することができる。
このＳＬＤを利用する上で、その出力特性における偏波
依存性を制御することが必要になる。１．３〜１．５５
μｍの長波長帯においては、歪超格子技術を応用して偏
波特性を制御することが検討されている。この技術は、
超格子構造に両軸性歪みを加えると、バンド構造が変化
することを利用したもので、圧縮歪みにおいては、重い
正孔にかかわるＴＥモードの利得が相対的に増加し、一
方、引張り歪みにおいては、軽い正孔にかかわるＴＭモ
ードが相対的に増加する。
【０００３】ところで、ＳＬＤや半導体光増幅器の出力
特性が偏波無依存となる技術としては、以下の例があ
る。即ち、 １）活性層を多重量子井戸構造とし、井戸層に無歪Ｇａ
ＩｎＡｓ、障壁層に面内引張り歪みを有するＧａＩｎＡ
ｓを用いる（文献１参照）。 この例では、偏波無依存となるメカニズムは、次のよう
に説明されている。即ち、約２％の引張り歪みを有する
障壁層では、価電子帯レベルが無歪みの井戸層の価電子
帯レベルよりも、正孔に対して低エネルギー側にある。
従って、正孔の障壁層内の密度が大きくなり、この正孔
が軽正孔の性質を持つため、ＴＭモード発光に寄与する
電子・軽正孔の再結合の割合が大きくなる。一方、井戸
層内の正孔は、重正孔として振る舞うため、主としてＴ
Ｅモード発光に寄与する。これらの発光のバランスによ
り、出力特性の偏波無依存性を実現することができる。
【０００４】２）半導体光増幅器の多重量子井戸構造に
おいて、井戸層に適量の引張り歪みを持たせる（文献２
参照）。 この例では、偏波無依存となるメカニズムは、次のよう
に説明されている。即ち、無歪みの井戸層では、通常、
正孔は重正孔帯に存在し、主としてＴＥモード発光に寄
与する。引張り歪みが井戸層に加わると、軽正孔のエネ
ルギー準位が低くなり、軽正孔帯に分布する正孔濃度が
増大する。軽正孔は主としてＴＭモード発光に寄与する
ため、引張り歪み量を適量にすることにより、ＴＥモー
ド発光とＴＭモード発光の強度を等しくし、出力特性の
偏波無依存性を実現することができる。 文献１：IEEE J. Quantum Electron., vol27,pp.1463,
1991. 文献２：Optical Fiber Topical Meeting FA3, 1992.
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
出力特性の偏波無依存性を実現する技術には、次のよう
な問題点があった。即ち、 １）第１の技術では、ＧａＡｓ基板上の０．８５μｍ帯
に適用しようとすると、無歪みＧａＡｓ井戸層の発光波
長が量子閉じ込め効果により短波長へシフトして、同じ
波長での発光を実現することが困難になる。このこと
は、カップラの分岐特性を変化させるため、問題にな
る。 ２）第２の技術では、電流注入量或いは注入キャリア密
度が所定の範囲を越えると、重正孔と軽正孔の分布が変
化するため、ＴＥモード発光とＴＭモード発光の強度の
バランスがくずれ、出力特性の偏波依存性が大きくな
る。 本発明は、上記問題点を解決し、０．８５μｍ帯で発光
するＳＬＤであって、出力特性が、注入電流やキャリア
密度にかかわらず、偏波無依存性であるもの、あるい
は、ＴＥモードもしくはＴＭモードの偏波モードの発光
強度が通常のバルク活性層の場合よりも極めて大きいも
のを提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を解
決した歪超格子発光素子を提供するもので、ＩｎＰ基板
上に、該基板に格子整合する第１および第２の導電型の
Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層からなる一対のクラッド層と、
該クラッド層の間にはさまれ、歪超格子構造を含む活性
層を有する歪超格子発光素子において、歪超格子構造の
井戸層は基板に対して０．３〜３％の面内引張り歪みを
有するＧａＩｎＡｓＰ層と、０．３〜１％の面内圧縮歪
みを有するＧａＩｎＡｓＰ層からなり、歪超格子構造の
障壁層はＡｌＧａＩｎＡｓ層からなることを第１発明と
し、歪超格子構造の井戸層は基板に対して０〜３％の面
内引張り歪みもしくは、０．３〜１％の面内圧縮歪みを
有するＧａＩｎＡｓＰ層からなり、歪超格子構造の障壁
層は０〜０．４％の面内引張り歪みまたは圧縮歪みを有
するＡｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層からなることを第２発明と
するものである。
【０００７】また、ＧａＡｓ基板上に、該基板に格子整
合する第１および第２の導電型のＧａＩｎ（Ａｓ）Ｐ層
からなる一対のクラッド層と、該クラッド層の間にはさ
まれ、歪超格子構造を含む活性層を有する歪超格子発光
素子において、歪超格子構造の井戸層は基板に対して面
内圧縮歪みを有するＩｎＧａＡｓ（Ｐ）層からなり、歪
超格子構造の障壁層は面内引張り歪みを有するＧａ（Ｉ
ｎ）ＡｓＰ層からなることを第３発明とするものであ
る。なお、本発明において、材質組成中、（ ）内の元
素は、含有される場合と、含有されない場合があること
を意味している。
【０００８】
【作用】第１発明では、活性層の井戸層は、ＩｎＰ基板
に対して０．３〜３％の面内引張り歪みを有するＧａＩ
ｎＡｓＰ層の第１井戸層と、０．３〜１％の面内圧縮歪
みを有するＧａＩｎＡｓＰ層の第２井戸層からなるた
め、第１井戸層では主としてＴＥモードで発光し、第２
井戸層では主としてＴＭモードで発光し、全体として
は、偏波面に依存しない発光が得られる。
【０００９】また、第２発明では、活性層の井戸層がＩ
ｎＰ基板に対して０〜３％の面内引張り歪み、もしくは
０．３〜１％の面内圧縮歪みを有するＧａＩｎＡｓＰ層
からなり、障壁層は０〜０．４％の面内引張り歪みまた
は圧縮歪みを有するＡｌＧａＩｎＡｓ層からなるため、
ＴＭモードもしくはＴＥモードのいずれか片方が強めら
れた偏波特性が得られる。
【００１０】さらに、第３発明では、活性層の井戸層が
ＧａＡｓ基板に対して面内圧縮歪みを有するＩｎＧａＡ
ｓ（Ｐ）層からなり、障壁層は面内引張り歪みを有する
Ｇａ（Ｉｎ）ＡｓＰ層からなるため、ＴＥモードが強調
された偏波依存特性が得られる。なお、上記発明におけ
る歪みの数値限界は、超格子構造の臨界膜厚による制限
からくるものである。また、発光波長を所望の範囲に入
れるためには、３−５族化合物半導体の格子定数とエネ
ルギーギャップの関係について知られている図４を考慮
して、超格子構造の井戸層の材質を定める。
【００１１】
【実施例】以下、図面に示した実施例に基づいて本発明
を詳細に説明する。 実施例１ 図１は、本発明にかかる歪超格子ＳＬＤの一実施例の断
面図である。本実施例は、図１に示すように、ｎ−Ｉｎ
Ｐ基板１上に、前記基板１に格子整合したｎ−ＡｌＩｎ
Ａｓからなるクラッド層２、ｎ−ＡｌＧａＩｎＡｓから
なる光閉じ込め層３、多重量子井戸構造４、ｐ−ＡｌＧ
ａＩｎＡｓからなる光閉じ込め層５、ｐ−ＡｌＩｎＡｓ
からなるクラッド層６およびｐ−ＧａＩｎＡｓキャップ
層７を順次積層したものである。前記多重量子井戸構造
４は、０．３％圧縮歪みを持つＧａＩｎＡｓＰ井戸層４
ａ（Ｅg ＝１．２ｅＶ）と、０．６％の引張り歪みを持
つＧａＩｎＡｓＰ井戸層４ｂ（Ｅg ＝１．３５ｅＶ）の
２種類の井戸層と、０．３％引張り歪みを持つＡｌＧａ
ＩｎＡｓ障壁層４ｃ（Ｅg ＝１．６ｅＶ）から構成され
ている。
【００１２】本実施例では、井戸層４ａは主としてＴＥ
モードで発光し、井戸層４ｂはＴＭモードで発光するた
め、全体としては偏波面依存性のない発光が得られる。
また、井戸層４ａは圧縮歪みを持ち、井戸層４ｂは引張
り歪みをもつため、井戸層４ａ、４ｂの歪み応力は相互
に打ち消しあい、圧縮または引張りのいずれか一方の歪
みを持つ井戸層からなる場合よりも、本実施例では厚い
歪み超格子を形成することができので、より大きい発光
出力を得ることができる。本実施例で、井戸層４ａの幅
を４０Å、井戸層４ｂの幅を１００Å付近にすると、波
長０．８５μｍの発光が得られる。なお、井戸層４ａ、
４ｂの幅を意図的にずらせると、より広い発光スペクト
ル幅を実現することができ、ＳＬＤの特徴を出すことが
できる。
【００１３】なお、本実施例では、発光波長を０．８５
帯に入れるためには、井戸層４ａは、０．３〜１．０％
（望ましくは、０．３〜０．６％）の圧縮歪みを持つＧ
ａＩｎＡｓＰ（Ｅg ＝１．０〜１．２ｅＶ）であればよ
い。また、井戸層４ｂは０．３〜３．０％の引張り歪み
を持つＧａＩｎＡｓＰ（Ｅg ＝１．３０〜１．３５ｅ
Ｖ）であればよい。障壁層４ｃについては、この場合、
Ｅg ≧１．６ｅＶであることが望ましい。さらに、上記
格子定数とＥg が上記条件を満たすＡｌＧａＡｓＳｂの
系、およびＡｌＧａＩｎＡｓ系の材料で井戸層４ａ、４
ｂおよび障壁層４ｃを構成してもよい。
【００１４】実施例２ 図２は、本発明にかかる歪超格子ＳＬＤの他の実施例の
断面図である。図２に示すように、本実施例は多重量子
井戸構造１４以外は前記実施例と同様である。多重量子
井戸構造１４は、０〜３．０％の引張り歪みを持つＧａ
ＩｎＡｓＰ井戸層１４ａ（Ｅg ＝１．３〜１．３５ｅ
Ｖ）と、−０．４〜＋０．３％の引張りまたは圧縮歪み
を持つＡｌＧａＩｎＡｓ障壁層１４ｂ（Ｅg ＝１．４７
〜１．６ｅＶ）から構成されている。本実施例では、Ｇ
ａＩｎＡｓＰ井戸層１４ａが引張り歪みを持つので、Ｔ
Ｍモードが強められた偏波特性が得られる。ここで、Ｇ
ａＩｎＡｓＰ井戸層１４ａが圧縮歪みを持つ場合には、
ＴＥモードが強められた偏波依存特性が得られる。
【００１５】実施例３ 図３は、本発明にかかる歪超格子ＳＬＤのさらなる他の
実施例の断面図である。本実施例は、図３に示すよう
に、ｎ−ＧａＡｓ基板板２１上に、前記基板２１に格子
整合したｎ−ＧａＩｎＰからなるクラッド層２２、ｎ−
ＧａＩｎＡｓＰからなる光閉じ込め層２３、多重量子井
戸構造２４、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰからなる光閉じ込め層
２５、ｐ−ＧａＩｎＰからなるクラッド層２６およびｐ
−ＧａＡｓキャップ層２７を順次積層したものである。
前記多重量子井戸構造２４は、０．７％圧縮歪みを持つ
ＩｎＧａＡｓ井戸層２４ａ（Ｅg ＝１．３ｅＶ）と、
０．６％の引張り歪みを持つＧａＡｓＰ障壁層２４ｂ
（Ｅg ＝１．６ｅＶ）から構成されている。
【００１６】本実施例では、井戸層２４ａが圧縮歪みを
持つので、ＴＥモードがＴＭモードに対して、通常のバ
ルク活性層の場合よりも強調された偏波依存特性が得ら
れる。また、井戸層２４ａは圧縮歪みを持ち、障壁層２
４ｂは引張り歪みをもつため、井戸層２４ａ、障壁層２
４ｂの歪み応力は相互に打ち消しあい、厚い歪み超格子
を形成することができので、より大きい発光出力を得る
ことができることは、実施例１と同様である。
【００１７】なお、本実施例では、井戸層２４ａは、Ｅ
g ＝１．１〜１．３ｅＶであれば、ＩｎＧａＡｓに限定
されず、ＩｎＧａＡｓＰでもよい。また、障壁層２４ｂ
は、Ｅg ≧１．６ｅＶであれば、０〜１．０％の引張り
歪みを持つＩｎＧａＡｓＰであってもよい。さらに、光
閉じ込め層２３、２５は、ＧａＡｓに格子整合するＥ g
≧１．６ｅＶのＩｎＧａＡｓＰでもよい。なお、上記各
実施例では井戸層はノンドープとしたが、５×１０17〜
１×１０18ｃｍ-3程度のｐまたはｎのドーピングを行っ
てもよい。なお、以上は０．８５μｍ帯で発光する場合
について説明したが、本発明構造は他の波長帯にも用い
ることができる。
【００１８】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、超
格子構造を含む活性層を設けた歪超格子発光素子、特に
０．８５μｍ波長帯のスーパールミネッセントダイオー
ドにおいて、出力特性の偏波依存性を制御できるので、
以下のような優れた効果が得られる。即ち、 １）偏波無依存性とすることで、デポラライザと組み合
わて使用する系では、デポラライザが不要になる。 ２）ＴＥもしくはＴＭ偏波成分の出力強度をこれに垂直
方向の偏波成分より著しく強くできるので、偏光子と組
み合わて使用する系では、出力光の無効成分を低減し、
低消費電力化を実現できる。また、次のような効果もあ
る。即ち、 ３）活性層を多重量子井戸構造とし、井戸層の幅をわず
かに変えることにより、スペクトル幅を大きくすること
ができる。 ４）量子井戸構造を歪量子構造とし、圧縮歪みと引張り
歪みを組み合わせることにより、活性層のトータル膜厚
を厚くできるので、高出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る歪超格子スーパールミネッセント
ダイオードの一実施例の断面図である。
【図２】本発明に係る歪超格子スーパールミネッセント
ダイオードの他の実施例の断面図である。
【図３】本発明に係る歪超格子スーパールミネッセント
ダイオードのさらなる他の実施例の断面図である。
【図４】３−５族化合物半導体の格子定数とエネルギー
ギャップの関係を示す図である。
【符号の説明】
１、２１ 基板 ２、６、２２、２６ クラッド層 ３、５、２３、２５ 光閉じ込め層 ４、１４、２４ 多重量子井戸構造 ４ａ、４ｂ、１４ａ、２４ａ井戸層 ４ｃ、１４ｂ、２４ｂ 障壁層 ７、２７ キャップ層

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＩｎＰ基板上に、該基板に格子整合する
    第１および第２の導電型のＡｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層から
    なる一対のクラッド層と、該クラッド層の間にはさま
    れ、歪超格子構造を含む活性層を有する歪超格子発光素
    子において、歪超格子構造の井戸層は基板に対して０．
    ３〜３％の面内引張り歪みを有するＧａＩｎＡｓＰ層
    と、０．３〜１％の面内圧縮歪みを有するＧａＩｎＡｓ
    Ｐ層からなり、歪超格子構造の障壁層はＡｌＧａＩｎＡ
    ｓ層からなることを特徴とする歪超格子発光素子。
  2. 【請求項２】 歪超格子構造の井戸層のバンドギャップ
    が、面内引張り歪みを有する場合には１．２〜１．３５
    ｅＶ（バルク値）であり、面内圧縮歪みを有する場合に
    は１．１〜１．２ｅＶ（バルク値）であることを特徴と
    する請求項１記載の歪超格子発光素子。
  3. 【請求項３】 ＩｎＰ基板上に、該基板に格子整合する
    第１および第２の導電型のＡｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層から
    なる一対のクラッド層と、該クラッド層の間にはさま
    れ、歪超格子構造を含む活性層を有する歪超格子発光素
    子において、歪超格子構造の井戸層は基板に対して０〜
    ３％の面内引張り歪みもしくは、０．３〜１％の面内圧
    縮歪みを有するＧａＩｎＡｓＰ層からなり、歪超格子構
    造の障壁層は０〜０．４％の面内引張り歪みまたは圧縮
    歪みを有するＡｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ層からなることを特
    徴とする歪超格子発光素子。
  4. 【請求項４】 歪超格子構造の井戸層のバンドギャップ
    が、面内引張り歪みを有する場合には１．２〜１．３５
    ｅＶ（バルク値）であり、面内圧縮歪みを有する場合に
    は１．１〜１．２ｅＶ（バルク値）であることを特徴と
    する請求項３記載の歪超格子発光素子。
  5. 【請求項５】 ＧａＡｓ基板上に、該基板に格子整合す
    る第１および第２の導電型のＧａＩｎ（Ａｓ）Ｐ層から
    なる一対のクラッド層と、該クラッド層の間にはさま
    れ、歪超格子構造を含む活性層を有する歪超格子発光素
    子において、歪超格子構造の井戸層は基板に対して面内
    圧縮歪みを有するＩｎＧａＡｓ（Ｐ）層からなり、歪超
    格子構造の障壁層は面内引張り歪みを有するＧａ（Ｉ
    ｎ）ＡｓＰ層からなることを特徴とする歪超格子発光素
    子。
  6. 【請求項６】 歪超格子構造の井戸層のバンドギャップ
    が、１．１〜１．２ｅＶ（バルク値）であることを特徴
    とする請求項５記載の歪超格子発光素子。
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