(57)【要約】【課題】  ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＩｎＡｓ構造の長波長帯域の光素子を提供する。【解決手段】  量子ウェル構造を有して光を生成するＧａＩｎＮＡｓ活性層と、活性層の上下部に蒸着されて前記活性層より高い伝導帯のエネルギーと低い価電子帯エネルギーとを有するＧａＩｎＡｓ障壁層とを備え、１．３μｍ以上の長波長帯域の優秀な発光特性を有する。【選択図】            図２
2004235630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ウェル構造を有し、光を生成するＧａＩｎＮＡｓ活性層と、
前記活性層の上下部に蒸着され、前記活性層より高い伝導帯のエネルギーと低い価電子帯エネルギーとを有するＧａＩｎＡｓ障壁層とを備えることを特徴とする光素子。
【請求項２】
前記活性層はＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）の化合物より形成されることを特徴とする請求項１に記載の光素子。
【請求項３】
前記障壁層はＧａｘＩｎ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）の化合物より形成されることを特徴とする請求項１に記載の光素子。
【請求項４】
前記活性層の下部にＧａＡｓ基板を備えることを特徴とする請求項１に記載の光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＧａＩｎＮＡｓを活性層に有する光素子に係り、一層詳細には発光波長を長波長に拡張させられるＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＩｎＡｓ光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、光通信システム及びデータリンク用に１．３μｍ以上の長波長帯域の光を放出するレーザが開発されている。１．３μｍ帯域の長波長レーザは分散が最小化された光フアィーバで作動するために高速通信用に適し、１．５μｍ帯域の長波長レーザは最小の吸収率で光を伝送するのでさらに遠距離の通信に適している。長波長レーザは低い駆動電圧を有するので、高集積密度のＳｉ基盤回路に適している。
【０００３】
現在、ＧａＡｓ基板を使用する近距離光通信用の長波長レーザには、１．３μｍ以上の波長を得るために活性層にＧａＩｎＮＡｓ物質を、活性層の障壁層にＧａＡｓまたはＧａＮＡｓを主に利用している。ＧａＡｓは低廉な基板コスト、単純な結晶成長技術、高い反射率の鏡面が得られるなどの側面で長所があるが、一方では、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓまたはＧａＮＡｓを障壁層として積層してその間にＧａＩｎＮＡｓ活性層を介在させる場合、光学的特性が劣化してしまうという短所がある。
【０００４】
ＧａＩｎＡｓ活性層にＮを結合させれば、ＧａＩｎＮＡｓ（別名、Ｇｕｉｎｎｅｓｓ）が形成されることになって波長が増幅されるが、高いＩｎ組成ではＮの結合程度が低調になり長波長への波長移動が容易ではなく、長波長を達成するために結合される窒素の量が増加するほど光素子の発光特性が顕著に低下するという傾向がある。従来、光素子のＮ結合による発光特性を向上させるために熱処理法を利用するが、熱処理時にＩｎ放出が起きて短波長側に波長帯域がある程度移動してしまう現象が起こり、このため長波長帯域のＧａＩｎＮＡｓ活性層を有する高性能の光素子を具現するのが困難になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明がなそうとする技術的課題は前述の従来技術の問題点を改善するためのものであり、長波長帯域の高性能光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記技術的課題を達成するために本発明は、量子ウェル構造を有し、光を生成するＧａＩｎＮＡｓ活性層と、前記活性層の上下部に蒸着されて前記活性層より高い伝導帯ＣＤ（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｂａｎｄ）エネルギーと低い価電子帯エネルギーとを有するＧａＩｎＡｓ障壁層達とを備えることを特徴とする光素子を提供する。
【０００７】
前記活性層はＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（０≦ｘ＜１、０≦ｙ＜１）の化合物より形成される。
【０００８】
前記障壁層はＧａｘＩｎ１−ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）の化合物より形成される。
【０００９】
前記ＧａＩｎＮＡｓ活性層の下部にＧａＡｓ基板を備える。
【００１０】
本発明は既存のＧａＡｓ基板に基づいたＧａＩｎＮＡｓ活性層を備える光素子において、障壁層にＧａＩｎＡｓを採用する新しい構造を提示することによって１．３μｍ以上の長波長帯域の光素子を具現できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明はＧａＩｎＮＡｓ活性層を有する光素子にＧａＩｎＡｓ障壁層を上下部に形成させることによってエネルギーバンドギャップを減少させ、生成される光を長波長帯域に移動させて格子不整合による活性層と障壁層間の応力発生を減少させ、結晶構造から生じる発光特性の低下を防止して熱処理時にＩｎの放出を相殺させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態による光素子を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
図１は本発明の実施の形態による光素子の量子ウェル構造を簡略的に示した概念図である。
【００１４】
図１を参照すれば、ＧａＩｎＮＡｓ活性層は最低のＣＢエネルギーＥｃ１を有する量子ウェル構造を有し、ＧａＩｎＡｓ障壁層はＥｃ１より大きいＥｃ２のＣＢエネルギーを有する。ここで、点線で示されるＥｃ３のＣＢエネルギーはＧａＡｓ障壁層のＣＢエネルギーを示す。従来のＧａＩｎＮＡｓ活性層を備える光素子はＣＢエネルギーがＧａＩｎＡｓより大きいＧａＡｓを障壁層に使用した。
【００１５】
量子ウェル構造内にトラップされる電子はＧａＩｎＮＡｓ活性層にＧａＡｓ障壁層が積層される場合、Ｅ１の基底部エネルギーを有するが、ＧａＩｎＮＡｓ活性層にＧａＩｎＡｓ障壁層が積層される場合、Ｅ２の基底部エネルギーを有するように電子の基底部エネルギーが変化する。すなわち、障壁層がＧａＡｓからＧａＩｎＡｓに変われば、量子ウェルの基底部のエネルギーは減少し、これによりＥ１からＥ３に電子が遷移する場合、発散光のエネルギーよりＥ２からＥ３に電子が遷移する場合に発散光のエネルギーが小さくなる。光のエネルギーＥは数式１を満足するので、光のエネルギーＥが減少するほど波長λは長波長帯域に移動することが分かる。
【００１６】
【数１】
2004235630.tif 000003
【００１７】
ここで、ｈはプランク定数（６．６３×１０−３４Ｊ・Ｓ）、ｃは光速（３×１０８ｍ／ｓ）である。
【００１８】
本発明の実施の形態による光素子はＧａＩｎＮＡｓの活性層を有し、活性層の上下部にそれぞれＧａＩｎＡｓの障壁層を備えることを特徴とする。
【００１９】
図２は本発明の実施の形態による光素子の概略的な断面図である。
【００２０】
図２を参照すれば、本発明の実施の形態による光素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１と、ＧａＡｓ基板１上に順に積層されるＧａＡｓバッファ層２、ＡｌＧａＡｓ物質からなるｎ型クラッディング半導体層３、ＧａＩｎＡｓ第１障壁層４、ＧａＩｎＮＡｓ活性層５、ＧａＩｎＡｓ第２障壁層６及び、ＡｌＧａＡｓ物質からなるｐ型クラッディング半導体層７、ｐ型ＧａＡｓ接触層８を備え、ｎ型ＧａＡｓ基板の底面にｎ型電極９が形成され、ｐ型ＧａＡｓ接触層８の上面にｐ型電極１０が形成される。
【００２１】
図２に図示された本発明の実施の形態による光素子はＧａＩｎＮＡｓ活性層５の上下部にＧａＩｎＡｓからなる第１及び第２障壁層４，６を備えることによって活性層５の量子ウェル構造において基底部のエネルギーを減少させられる。ｎ型電極８から注入される電子とｐ型電極９から注入される正孔とはそれぞれ第１及び第２化合物半導体層３，７を通過した後で第１及び第２障壁層４，６をトンネリングする。第１及び第２障壁層４，６をトンネルリングした電子と正孔とは活性層５で結合しつつ光を放出するが、第１及び第２障壁層４，６のＣＢエネルギーが従来より減少することにより、電子の場合にエネルギーが減少して正孔の場合にエネルギーが微小に増加するので、エネルギーバンドギャップが減少して発光する波長は長波長帯域に移動する。
【００２２】
図３は本発明の実施の形態による光素子で応力圧縮による波長の移動原理を示した概念図である。
【００２３】
図３の（ａ）はＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ構造でＧａＡｓの格子整合により応力が全く発生しない場合、ＣＢと価電子帯の正孔（ＬＨ：Ｌｉｇｈｔ Ｈｏｌｅ、ＨＨ：Ｈｅａｖｙ Ｈｏｌｅ）の分布を示している。
【００２４】
一般的に使われるＧａＩｎＮＡｓ活性層は１．３μｍ以上の長波長を確保するために、ある程度高いＩｎ組成が要求され、それにより活性層は図３の（ｂ）に図示されたように、圧縮応力が印加された状態に置かれる。圧縮応力が印加された状態では、格子不整合が発生し、ＬＨとＨＨのエネルギー準位が低くなり、ＣＢと価電子帯間のエネルギーバンドギャップが増加する。
【００２５】
しかし、図３の（ｃ）に図示されたように、このような状態のＧａＩｎＮＡｓ活性層の障壁層にＧａＩｎＮＡｓ物質を使用する場合、ＧａＩｎＡｓはＧａＡｓまたはＧａＮＡｓより格子定数が大きく、ＧａＩｎＮＡｓ活性層に印加された圧縮応力を弱化させ、ＧａＡｓまたはＧａＮＡｓ障壁層を使用する場合よりエネルギーバンドギャップが減少する。従って、ＧａＩｎＡｓ障壁層／ＧａＩｎＮＡｓ活性層の構造から放出される光の波長は長波長帯域に移動する。
【００２６】
図４は本発明の実施の形態による量子ウェル構造を有する光素子で障壁層のＩｎ組成比の増加によるピーク波長の移動を示したグラフである。励起光としてはＨｅ−Ｎｅレーザが使われ、図示されたグラフはＰＬ（Ｐｈｏｔｏ ｌｕｍｉｎａｎｃｅ）測定波長を示す。
【００２７】
図４を参照すれば、量子ウェル構造の障壁としてＧａＡｓを使用した場合、ピーク波長は１，２２３ｎｍであり、Ｉｎの組成比が５％程度上昇した場合、ピーク波長は１，２３４ｎｍ、Ｉｎの組成比が１０％ほどの場合にピーク波長は１，２３７ｎｍほどであり、Ｉｎの組成比が２０％ほどに上昇すれば、ピーク波長は１，２４３ｎｍほどに増加する。すなわち、障壁のＩｎ組成比の上昇により、ＧａＡｓ障壁を使用した場合よりピーク波長が約２０ｎｍほど長波長帯域に移動することが分かる。
【００２８】
図５は本発明の実施の形態による光素子の製造工程のうち熱処理時におけるＩｎの補償効果を示した概念図である。
【００２９】
従来のＧａＩｎＮＡｓ活性層を備える光素子を製造する過程で、Ｎの注入によって低下する発光効率を向上させるために熱処理を実行するが、高温アニーリングを実行する間にＧａＩｎＮＡｓ活性層内のＩｎ及びＮの放出が起きて発光波長帯域を短波長に移動させる主要な原因として作用した。しかし、本発明の実施の形態による光素子のように、ＧａＩｎＡｓ障壁層を使用する場合に熱処理時活性層だけではなく障壁層でもＩｎの内部拡散が起きて活性層でのＩｎ放出を互いに相殺させることができるという効果を示す。図５を参照すれば、熱処理時にＧａＩｎＮＡｓ活性層でＩｎとＮとがＧａＩｎＡｓ障壁層に放出される時、ＧａＩｎＡｓ障壁層でもＩｎがＧａＩｎＮＡｓ活性層に移動し、互いに相殺される効果が示されることが分かる。
【００３０】
図６は本発明の実施の形態による光素子で、熱処理後にＧａＩｎＡｓ障壁層に含まれるＩｎの組成比によってピーク波長が短波長に移動する程度を示すグラフである。本試料は熱処理され、Ｈｅ−Ｎｅレーザを励起光として常温で測定されたＰＬ測定波長から熱処理前後の短波長移動量を示す。
【００３１】
図６を参照すれば、Ｉｎの組成比が０％である時に短波長移動量は５２ｎｍであるが、Ｉｎの組成比が５％ほど含まれている場合に短波長移動量は４８ｎｍほどと減少し、またＩｎの組成比が１０％ほどになれば、短波長移動量は４４ｎｍほどに減少する。すなわち、熱処理時にＩｎの組成比が高まるほど短波長移動量が減少して長波長を具現するのに一層有利である。
【００３２】
前記の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは発明の範囲を限定するものと見るより、望ましい実施の形態の例示として解釈されねばならない。本発明の範囲は説明された実施の形態によって定められるのではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想により定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の光素子は、例えば光通信システムに効果的に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態による光素子の量子ウェル構造を簡略に示した概念図である。
【図２】本発明の実施の形態による光素子を簡略的に示した断面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は本発明の実施の形態による光素子において圧縮応力の変化を示した概念図である。
【図４】本発明の実施の形態による光素子のピーク波長の増加を示したグラフである。
【図５】本発明の実施の形態による光素子のＩｎ放出の相殺効果を示した概念図である。
【図６】本発明の実施の形態による光素子の熱処理後Ｉｎの組成比によってピーク波長の短波長移動量を示したグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１    ｎ型ＧｓＡｓ基板
２    ａＡｓバッファ層
３    ｎ型クラッディング半導体層
４    ＧａＩｎＡｓ第１障壁層
５    ＧａＩｎＡｓ第１活性層
６    ＧａＩｎＡｓ第２障壁層
７    ｐ型クラッディング半導体層
８    ｐ型ＧｓＡｓ接触層
９    ｎ型電極
１０    ｐ型電極
【図１】
2004235630.tif 000004
【図２】
2004235630.tif 000005
【図３】
2004235630.tif 000006
【図４】
2004235630.tif 000007
【図５】
2004235630.tif 000008
【図６】
2004235630.tif 000009