JPS61218192A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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- JPS61218192A JPS61218192A JP60058397A JP5839785A JPS61218192A JP S61218192 A JPS61218192 A JP S61218192A JP 60058397 A JP60058397 A JP 60058397A JP 5839785 A JP5839785 A JP 5839785A JP S61218192 A JPS61218192 A JP S61218192A
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- JP
- Japan
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- semiconductor
- emitting device
- light emitting
- holes
- electrons
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
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- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は波長、位相の良くそろつ次光を発光せしめ得る
半導体発光素子に関する。
半導体発光素子に関する。
第１図は、従来の半導体レーザで用いられているダブル
へテロ構造（Ｖ−ザ活性層１０．ｎ型クラッド層４、ｐ
型クラッド層５）に対し、順方向にバイアスを印加した
場合のエネルギー−バンド・ダイアグラムである。クラ
ッド層４から注入され九電子６と、クラッド層５から注
入され九正孔７とが、活性層領域１０で再結合し、光１
１が放射される。この系においては、電子及び正孔は、
フェルミ粒子であり、バンド内のキャリアの分布は、状
態密度と、フェルミ分布により決められる。
へテロ構造（Ｖ−ザ活性層１０．ｎ型クラッド層４、ｐ
型クラッド層５）に対し、順方向にバイアスを印加した
場合のエネルギー−バンド・ダイアグラムである。クラ
ッド層４から注入され九電子６と、クラッド層５から注
入され九正孔７とが、活性層領域１０で再結合し、光１
１が放射される。この系においては、電子及び正孔は、
フェルミ粒子であり、バンド内のキャリアの分布は、状
態密度と、フェルミ分布により決められる。
なお、バンド構造図において８は伝導帯の底を、９は価
電子帯の上端を示している。この分布が拡がっていれば
、レーザ発振の閾電流値が大きくなる。Ｖ−ザの活性層
を量子井戸構造とすると、状態密度が、対物線状から、
階段状に変り、量子準位ができる。従って、その発光ス
ペクトルも狭くなり、Ｖ−ザ発振の閾値も１／２〜１／
３程度に下る。しかしながら、この場合でも、キャリア
は、７工ルミ粒子である。し友がって、個々の電子及び
正孔は、まつ九く独立であり、完全に位相をそろえて集
団運動をすることもない。したがって、信号をＶ−ザ光
で伝達する場合には、全体の平均値を変動させる必要が
あシ、多くのキャリアを変調しなければならない。
電子帯の上端を示している。この分布が拡がっていれば
、レーザ発振の閾電流値が大きくなる。Ｖ−ザの活性層
を量子井戸構造とすると、状態密度が、対物線状から、
階段状に変り、量子準位ができる。従って、その発光ス
ペクトルも狭くなり、Ｖ−ザ発振の閾値も１／２〜１／
３程度に下る。しかしながら、この場合でも、キャリア
は、７工ルミ粒子である。し友がって、個々の電子及び
正孔は、まつ九く独立であり、完全に位相をそろえて集
団運動をすることもない。したがって、信号をＶ−ザ光
で伝達する場合には、全体の平均値を変動させる必要が
あシ、多くのキャリアを変調しなければならない。
本発明の目的は、位相及び波長の良くそろつｔ発光せし
め得る半導体発光素子を提供するにある。
め得る半導体発光素子を提供するにある。
本発明は電子及び正孔をポーズ粒子化し、冷却しながら
粒子の濃度を増大させることで、ポーズ凝縮させ、完全
に位相のそろつｔ系を実現せしめる。こうしｔ系の発光
は波長９位相とも極めて良くそろった光となる。
粒子の濃度を増大させることで、ポーズ凝縮させ、完全
に位相のそろつｔ系を実現せしめる。こうしｔ系の発光
は波長９位相とも極めて良くそろった光となる。
５ｇ２図は、ポーズ凝縮を起させる九めに必要な半導体
レーザのエネルギー会バンドΦダイアグラムである。伝
導帯８と、価電子帯９の、厚さ方向の変化を、順方向に
バイアス電圧を印加し次状態で示しである。図中で、半
導体層２及び３は、半導体層４及び５よりもバンド・ギ
ャップが小さいＶ−ザ活性層である。導゛鑞型は、（１
）半導体層２゜３ともにアンドーグ、（２）一方のみア
ンドープで、もう一方は、それに接するクラッド層４又
は５と同じ導電量、（３）半導体層２と４及び半導体層
３と５が、それぞれ同じ導電量の場合が可能である。
レーザのエネルギー会バンドΦダイアグラムである。伝
導帯８と、価電子帯９の、厚さ方向の変化を、順方向に
バイアス電圧を印加し次状態で示しである。図中で、半
導体層２及び３は、半導体層４及び５よりもバンド・ギ
ャップが小さいＶ−ザ活性層である。導゛鑞型は、（１
）半導体層２゜３ともにアンドーグ、（２）一方のみア
ンドープで、もう一方は、それに接するクラッド層４又
は５と同じ導電量、（３）半導体層２と４及び半導体層
３と５が、それぞれ同じ導電量の場合が可能である。
なお、図において、４はｎ４クラッド層、５はｐ型クラ
ッド層である。
ッド層である。
従来の半導体レーザと異なる点は、レーザ活性！−の内
に、電子６と正孔７を空間的に分離するバリア層１を設
けていることである。
に、電子６と正孔７を空間的に分離するバリア層１を設
けていることである。
この系で、ポーズ凝縮が生じる過程を以下に説明する。
バリア層を介して対向した電子と正孔がポーズ凝縮を起
す条件の理論的検討は、１９７５年にユ・イー・ロゴビ
ク（Ｙｕ、 Ｅｂ Ｌｏｚｏｖｉｋ）達により行なわれ
ている（九とえばソビエト・フィツクス（ＪＥＴＰ、
Ｌｅ ｔ ｔ、 ）第２２巻２７４頁１９７５年）。
す条件の理論的検討は、１９７５年にユ・イー・ロゴビ
ク（Ｙｕ、 Ｅｂ Ｌｏｚｏｖｉｋ）達により行なわれ
ている（九とえばソビエト・フィツクス（ＪＥＴＰ、
Ｌｅ ｔ ｔ、 ）第２２巻２７４頁１９７５年）。
第３図に示し、一様なバリア層１２をはさんで相対して
いる′１子と正孔（層１３，１４は超伝導薄膜）は、層
１２の厚さｄが薄い場合には、クーロン力で互に引き金
つ几まま、層１２の面内を運動する一種の励起子状態１
５．１６となる。これは、ポーズ粒子であるため、低温
にし、励起子の一度を高めることで、ポーズ凝縮をおこ
す。励起子間の距離をｔとすると、バリアの厚さｄとｔ
とが、１００人程鹿の場合、トンネル効果によるキャリ
アの再結合の確率は１ｘ１０−”程度で事実上無視でき
凝縮を起す温度が１００に程度になると、ロゴビク（Ｌ
ｏｚｏｖｉｋ）達は、見積っている。
いる′１子と正孔（層１３，１４は超伝導薄膜）は、層
１２の厚さｄが薄い場合には、クーロン力で互に引き金
つ几まま、層１２の面内を運動する一種の励起子状態１
５．１６となる。これは、ポーズ粒子であるため、低温
にし、励起子の一度を高めることで、ポーズ凝縮をおこ
す。励起子間の距離をｔとすると、バリアの厚さｄとｔ
とが、１００人程鹿の場合、トンネル効果によるキャリ
アの再結合の確率は１ｘ１０−”程度で事実上無視でき
凝縮を起す温度が１００に程度になると、ロゴビク（Ｌ
ｏｚｏｖｉｋ）達は、見積っている。
なお、彼達の意図し几ことは、ポーズ凝縮を起し次系に
おける超伝導の実現でちつ九ｔめ、バリア層の厚さを電
子と正孔がトンネル効果により再結合しないように厚く
選んでいる。この点は本発明と本質的に異なっている。
おける超伝導の実現でちつ九ｔめ、バリア層の厚さを電
子と正孔がトンネル効果により再結合しないように厚く
選んでいる。この点は本発明と本質的に異なっている。
即ち、本発明は、ポーズ凝縮を起こす原理的過程は前述
のロゴビク等の理論と同様であるが、バリア層の厚さｄ
を薄くして、適度のトンネル効果による電子と正孔の再
結合過程をうながしておシ、ロゴビク（ＬｏＺｏｖｉｋ
）違の系と異なる。
のロゴビク等の理論と同様であるが、バリア層の厚さｄ
を薄くして、適度のトンネル効果による電子と正孔の再
結合過程をうながしておシ、ロゴビク（ＬｏＺｏｖｉｋ
）違の系と異なる。
ロゴビク（ＬｐＺｏｖｉｋ）達の系では、超伝導のみを
興味の対象としている究め、トンネル効果による電子と
正孔の再結合過程は、不要な経路であり、バリア層の厚
みを厚くすることで再結合過程を抑制している。一方、
バリア層のポテンシャル障壁を低くしすぎ比シバリア層
の厚みを薄くしすぎたシ、電子と正孔は、次々とトンネ
ル効果により再結合してしまい、ポーズ凝縮を起すのに
充分な電子・正孔対の濃度が得られない。本発明の主眼
点は、このバリア層の厚みを最適化することで、励起子
のポーズ凝縮と、再結合発光過程を時系列的に起させる
ことにある。第２図において、活性層２に注入され次電
子６と、活性層３に注入されｔ正孔７の内、バリア層１
に近いものは、クーロン力により、互に引き合い励起子
となる。低温に冷却し、ポーズ凝縮を起させれば、バリ
ア近傍の電子と正孔は、次々と対をつくって高い面密度
でかつ、位相のそろつｔ励起子からの発光が得られる。
興味の対象としている究め、トンネル効果による電子と
正孔の再結合過程は、不要な経路であり、バリア層の厚
みを厚くすることで再結合過程を抑制している。一方、
バリア層のポテンシャル障壁を低くしすぎ比シバリア層
の厚みを薄くしすぎたシ、電子と正孔は、次々とトンネ
ル効果により再結合してしまい、ポーズ凝縮を起すのに
充分な電子・正孔対の濃度が得られない。本発明の主眼
点は、このバリア層の厚みを最適化することで、励起子
のポーズ凝縮と、再結合発光過程を時系列的に起させる
ことにある。第２図において、活性層２に注入され次電
子６と、活性層３に注入されｔ正孔７の内、バリア層１
に近いものは、クーロン力により、互に引き合い励起子
となる。低温に冷却し、ポーズ凝縮を起させれば、バリ
ア近傍の電子と正孔は、次々と対をつくって高い面密度
でかつ、位相のそろつｔ励起子からの発光が得られる。
本発明の骨子をまとめると次の通シである。
１、半導体又は絶縁体からなる薄膜（バリア層となる）
をはさんで相対し、かつその禁制帯エネルギ・ギャップ
が前記薄膜よりも小さい１１ｇ１の半導体層及び第２の
半導体層を有するヘテロ構造を有し、このヘテロ構造は
同一の半導体層中に含まれる電子と正孔がトンネル再結
合に基づいた発光が主となる如く構成され、かつ外部か
ら電場を印加することで、このトンネル再結合発光過程
の確率を制御せしめる手段を有することを特徴とする半
導体発光素子である。
をはさんで相対し、かつその禁制帯エネルギ・ギャップ
が前記薄膜よりも小さい１１ｇ１の半導体層及び第２の
半導体層を有するヘテロ構造を有し、このヘテロ構造は
同一の半導体層中に含まれる電子と正孔がトンネル再結
合に基づいた発光が主となる如く構成され、かつ外部か
ら電場を印加することで、このトンネル再結合発光過程
の確率を制御せしめる手段を有することを特徴とする半
導体発光素子である。
前述のトンネル再結合発光は電子と正孔がクーロン力に
より形成され次励起子の再結合発光となっている。
より形成され次励起子の再結合発光となっている。
又、当該半導体発光素子を１５０に以下に冷却した時、
前述の再結合発光は、ポーズ凝縮を起こし次励起子から
の超輻射（５ｕｐｅｒ−ｒａｄｉａｎｃｅ）となってい
る。
前述の再結合発光は、ポーズ凝縮を起こし次励起子から
の超輻射（５ｕｐｅｒ−ｒａｄｉａｎｃｅ）となってい
る。
前述のバリア層を介して電子を正孔がトンネル結合する
確率は０．６からｌＸｌ０−’ の範囲が通例である
。
確率は０．６からｌＸｌ０−’ の範囲が通例である
。
前記薄膜の厚さは１５０Å以下、好ましくは単原子層か
ら１００人の範囲となすのが通例である。
ら１００人の範囲となすのが通例である。
また、前記第１および第２の半導体層の厚さが２００λ
以上（好ましくは４００Å以上）でアシ、結晶組成或い
は結晶中の不純物組成或いはその両者により生じる疑似
ポテンシャル又は外部°成界或いは疑似ポテンシャルと
外部電界の両者によって電子及び正孔をそれぞれの前記
各半導体層の反対側に押しつけることで、同一半導体中
における電子と正孔の波動函数の重なシ部分と比べ前記
薄層を介した１子の波動函数と正孔の波動函数の重なり
の方が大きくせしめるのが好ましい。
以上（好ましくは４００Å以上）でアシ、結晶組成或い
は結晶中の不純物組成或いはその両者により生じる疑似
ポテンシャル又は外部°成界或いは疑似ポテンシャルと
外部電界の両者によって電子及び正孔をそれぞれの前記
各半導体層の反対側に押しつけることで、同一半導体中
における電子と正孔の波動函数の重なシ部分と比べ前記
薄層を介した１子の波動函数と正孔の波動函数の重なり
の方が大きくせしめるのが好ましい。
更に下記の如き形態も好ましいものである。
前記薄膜をはさんで相対する前記半導体層に、前記薄膜
に対して垂直な向きに電場を印加することで、前記薄膜
と半導体の界面の一方に電子を、もう一方に正孔を集め
る手段を有する半導体発光素子。
に対して垂直な向きに電場を印加することで、前記薄膜
と半導体の界面の一方に電子を、もう一方に正孔を集め
る手段を有する半導体発光素子。
前記第１および第２の半導体層の一方又は両者の半導体
の組成或いは不純物濃度のいずれか一方又は両者を前記
薄膜の厚さ方向に対し一様でなくすることにより、電子
及び正孔を前記膜の近傍に集め九ことを特徴とする半導
体発光素子。
の組成或いは不純物濃度のいずれか一方又は両者を前記
薄膜の厚さ方向に対し一様でなくすることにより、電子
及び正孔を前記膜の近傍に集め九ことを特徴とする半導
体発光素子。
前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層よりも禁制
帯エネルギーギャップが大きくかつ導電量の互に相異な
る第３および第４の半導体層で少なくとも前記薄膜、第
１および第２の半導体層を含む積層構造体をはさんだこ
とを特徴とする半導Ｑａｌ 、アＡｔ、Ａｌｌ前記第２
の半導体層がＧａ１−１ＡムＡ８：Ｘ＞）’、Ｚ ：
１≧Ｘ＞０．１：０．４ ） ｙ ＊ ｚ≧０なること
を特徴とする半導体発光素子。
帯エネルギーギャップが大きくかつ導電量の互に相異な
る第３および第４の半導体層で少なくとも前記薄膜、第
１および第２の半導体層を含む積層構造体をはさんだこ
とを特徴とする半導Ｑａｌ 、アＡｔ、Ａｌｌ前記第２
の半導体層がＧａ１−１ＡムＡ８：Ｘ＞）’、Ｚ ：
１≧Ｘ＞０．１：０．４ ） ｙ ＊ ｚ≧０なること
を特徴とする半導体発光素子。
前記薄膜がＯａｔ Ｉｎｌ −＊ ＰｙＡ８１−ｙ （
Ｘ＝０ ＋ ’ｊ＝０を含む）前記第１；第２の半導体
層がＧａｓ Ｉｎｔ ＋ｌｌＩ Ｐｇ Ａｓｓ 、ｘで
あることを特徴とする半導体発光素子。
Ｘ＝０ ＋ ’ｊ＝０を含む）前記第１；第２の半導体
層がＧａｓ Ｉｎｔ ＋ｌｌＩ Ｐｇ Ａｓｓ 、ｘで
あることを特徴とする半導体発光素子。
以下、本発明の実施例にそって説明する。
実施例１
第４図は本発明の実施例における素子の伝導帯の底１７
、及び価電子帯の上端１８のバンド・ギャップの厚さ方
向の変化を模式的に示したものである。第９図は本例の
半導体発光素子の放射される光に対して垂直な面での断
面図でおる。この状態は次の方法によって実現する。ｎ
型ＧａＡｓ基板４０上に、分子線エピタキシ法を用いて
、ｎ型ＧａＡｓバッファ層４１０．５μｍを成長し、さ
らにアンドープＧａｏ、ｙ Ａｌ１． ｓ Ａｓクラッ
ド層２２（２μｍ）、アンドープＧ ａ Ａ ｓ層２０
（０，１ｐｍ）、アンドープＧａ、、、 Ａｓ４ 、Ｈ
Ａｓ バリア層１９（厚さ２０人ン、アンドープＧａＡ
３層２１（０，１μｍ入アンドープＧａｏ、ｙＡム、３
Ａｓクラツド１ｉｉ２３（２μｍ）、キャップ層として
ｐ型ＧａＡｓ層４２（０，’２μｍ）を順次成長させ九
〇 ｎｍ基板を裏面研磨及び化学エツチングし几後ｎ側成極
４３を形成する。更にｐ側電極４４を、幅１０μｍのス
トライプ状に被着し、電極をマスクとして、前記のエビ
タキ７層を２３から２２層までエツチング除去した。
、及び価電子帯の上端１８のバンド・ギャップの厚さ方
向の変化を模式的に示したものである。第９図は本例の
半導体発光素子の放射される光に対して垂直な面での断
面図でおる。この状態は次の方法によって実現する。ｎ
型ＧａＡｓ基板４０上に、分子線エピタキシ法を用いて
、ｎ型ＧａＡｓバッファ層４１０．５μｍを成長し、さ
らにアンドープＧａｏ、ｙ Ａｌ１． ｓ Ａｓクラッ
ド層２２（２μｍ）、アンドープＧ ａ Ａ ｓ層２０
（０，１ｐｍ）、アンドープＧａ、、、 Ａｓ４ 、Ｈ
Ａｓ バリア層１９（厚さ２０人ン、アンドープＧａＡ
３層２１（０，１μｍ入アンドープＧａｏ、ｙＡム、３
Ａｓクラツド１ｉｉ２３（２μｍ）、キャップ層として
ｐ型ＧａＡｓ層４２（０，’２μｍ）を順次成長させ九
〇 ｎｍ基板を裏面研磨及び化学エツチングし几後ｎ側成極
４３を形成する。更にｐ側電極４４を、幅１０μｍのス
トライプ状に被着し、電極をマスクとして、前記のエビ
タキ７層を２３から２２層までエツチング除去した。
さらにＶ−サの共振器長が３００μｍとなるように伸開
した。
した。
型の上では、メサストライプ型半導体レーザと同一であ
る。
る。
得られ次チップをサブマウントにボンディングし、室温
からＩＯＫまで冷却できるクライオスタット中に固定す
る。ＫｒイオンＶ−ザの６４７〜６７６ｎｍ帯のＶ−ザ
光を、メサストライプの横方向から照射しｔ、との波長
の光は、半導体層２０及び半導体層２１に吸収され、そ
れぞれの層に、電子２４と正孔２５を生じさせる。この
様子は第２図に示−したものでおる。このままの状態で
は、電子と正孔の分離はなされず、ＧａＡｓ層２０及び
２１において再結合し、発光する。励起光を増加させる
ことで、通常のレーザ発振が起る。
からＩＯＫまで冷却できるクライオスタット中に固定す
る。ＫｒイオンＶ−ザの６４７〜６７６ｎｍ帯のＶ−ザ
光を、メサストライプの横方向から照射しｔ、との波長
の光は、半導体層２０及び半導体層２１に吸収され、そ
れぞれの層に、電子２４と正孔２５を生じさせる。この
様子は第２図に示−したものでおる。このままの状態で
は、電子と正孔の分離はなされず、ＧａＡｓ層２０及び
２１において再結合し、発光する。励起光を増加させる
ことで、通常のレーザ発振が起る。
今、光励起を行なつ次状態で、ｐ側及びｎ側の電極に対
し、逆方向となるよう電場をかけｔ場合のバンド拳ギャ
ップの変化を第５図に示す。
し、逆方向となるよう電場をかけｔ場合のバンド拳ギャ
ップの変化を第５図に示す。
Ｇ ａ Ａ ｓ層２０及び２１のそれぞれの端に、電子
と正孔が押しつけられている。それぞれの層線、厚さが
０．１μｍある次め、同一層中にある電子と正孔（２６
と２９及び２７と２８）は、互に再結合することができ
ない。しかしながら、電子２６と正孔２８は、厚さ２０
人のバリアＩ−が間に存在するのみであるため、クーロ
ン力により゛電子−正孔対となる。
と正孔が押しつけられている。それぞれの層線、厚さが
０．１μｍある次め、同一層中にある電子と正孔（２６
と２９及び２７と２８）は、互に再結合することができ
ない。しかしながら、電子２６と正孔２８は、厚さ２０
人のバリアＩ−が間に存在するのみであるため、クーロ
ン力により゛電子−正孔対となる。
電場を印加した状態で励起光の強度を変え、レーザから
の出力光の変化を、素子温度をパラメータとして測定し
たものを第６図に示す。低温に冷却するにつれ、レーザ
発振のしきい値は減少していくが、１００によりも低温
になつ九場合に、レーザの閾値が飛躍的減少し、発光効
率の増加が生じている。この温度でポーズ凝縮が生じ、
励起子の位相がそろつ次状態からのレーザ発振が観測さ
れ友。この光のスペクトル幅は、従来の半導体レーザ光
のスペクトル幅の１／１０であつ几。
の出力光の変化を、素子温度をパラメータとして測定し
たものを第６図に示す。低温に冷却するにつれ、レーザ
発振のしきい値は減少していくが、１００によりも低温
になつ九場合に、レーザの閾値が飛躍的減少し、発光効
率の増加が生じている。この温度でポーズ凝縮が生じ、
励起子の位相がそろつ次状態からのレーザ発振が観測さ
れ友。この光のスペクトル幅は、従来の半導体レーザ光
のスペクトル幅の１／１０であつ几。
第１０図は発光せしめる友めの半導体積層体の両側を更
に半導体層４５で埋め込んだ状態を示している。通常の
ｆ３１（（Ｂｕｒｉｅｄ （４ｅｔｅｒ６−＋３ｉｒｕ
ＣｉＬＬｒｅ）型Ｖ−ザの場合と同様の考え方を採用し
比例である。図の符号は第９図と同一部位を示している
。
に半導体層４５で埋め込んだ状態を示している。通常の
ｆ３１（（Ｂｕｒｉｅｄ （４ｅｔｅｒ６−＋３ｉｒｕ
ＣｉＬＬｒｅ）型Ｖ−ザの場合と同様の考え方を採用し
比例である。図の符号は第９図と同一部位を示している
。
実施例２
第７図に示し几構造の半導体Ｖ−ザを１１０−ＣＶＤ法
（Ｍｅｌａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ −
Ｖｌｌｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔ１０ｎ）で作製し几。
（Ｍｅｌａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ −
Ｖｌｌｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔ１０ｎ）で作製し几。
ｎ型ＧａＡｓ基板３２上に、ｎ型Ｇ ａ Ａ ｓ ／Ｇ
ａｏ、ｙ人、１！４４ Ａｓ超格子バッファ層３３を１
／Ａｍ成長後、ｎ型ｏａＯ，７Ａ４．３Ａ４クラッド層
４を２μｍ１アンドープＧ ａ Ａ ｓ活性層２（厚さ
ｏ、 ｌａ ｍ ）、アンドープＡｔＡｓバリア層１（
厚さ３０人）、アンドープＧ ａ Ａ ｓ活性層３（厚
さ０．１ ｐ ｍ ）、ｐ！Ｇａｓ 、ｔ Ａ１４．ｓ
人Ｓり２ツドノ−５（厚さ１．５μ”） 、ｐｍＣ）ａ
ＡＢキャップ層３４（厚さ０．２μｍ）を順次成長する
。前述の超格子バッフ７層３３は通常の超格子層で十分
である。
ａｏ、ｙ人、１！４４ Ａｓ超格子バッファ層３３を１
／Ａｍ成長後、ｎ型ｏａＯ，７Ａ４．３Ａ４クラッド層
４を２μｍ１アンドープＧ ａ Ａ ｓ活性層２（厚さ
ｏ、 ｌａ ｍ ）、アンドープＡｔＡｓバリア層１（
厚さ３０人）、アンドープＧ ａ Ａ ｓ活性層３（厚
さ０．１ ｐ ｍ ）、ｐ！Ｇａｓ 、ｔ Ａ１４．ｓ
人Ｓり２ツドノ−５（厚さ１．５μ”） 、ｐｍＣ）ａ
ＡＢキャップ層３４（厚さ０．２μｍ）を順次成長する
。前述の超格子バッフ７層３３は通常の超格子層で十分
である。
通常の半導体Ｖ−ザのプロセスと同様のプロセスを用い
て、ｐ側及びｎ側の゛成極３５，３６を形成し、共振器
の反対面を防御、成極へのボンディング等を行なう。
て、ｐ側及びｎ側の゛成極３５，３６を形成し、共振器
の反対面を防御、成極へのボンディング等を行なう。
得られ次半導体Ｖ−ザ素子に９層接合に対し、順方向に
バイアスをかけ、キャリアを注入した場合のエネルギー
・バンド・ダイアグラムは第２図で示したものである。
バイアスをかけ、キャリアを注入した場合のエネルギー
・バンド・ダイアグラムは第２図で示したものである。
素子を低温に冷却しながら、注入電流を変化させ特性を
調ベア’？、９２Ｋにおいて、半導体レーザの発振しき
い値が、１μ人のものが得られた。
調ベア’？、９２Ｋにおいて、半導体レーザの発振しき
い値が、１μ人のものが得られた。
実施例３
実施例２で述べ友半導体Ｖ−ザにおいて、絶縁膜１の両
側にあるＶ−ザ活性層２及び３のバンドギャップをＧａ
ｔ−！Ａ４Ａｓ のＡｔ混混晶比色、不純物の濃度を
結晶の厚さ方向に変化させることで、第８図の様にバリ
ア側を小さくすることができる。伝導帯と、価電子帯を
傾けることにより生じるに場により、キャリアは、バリ
ア側におしつけられ、励起子を形成する確率が増大する
。第８図ではｌ）ｎ接合に対し順方向にバイアスを印加
している。
側にあるＶ−ザ活性層２及び３のバンドギャップをＧａ
ｔ−！Ａ４Ａｓ のＡｔ混混晶比色、不純物の濃度を
結晶の厚さ方向に変化させることで、第８図の様にバリ
ア側を小さくすることができる。伝導帯と、価電子帯を
傾けることにより生じるに場により、キャリアは、バリ
ア側におしつけられ、励起子を形成する確率が増大する
。第８図ではｌ）ｎ接合に対し順方向にバイアスを印加
している。
本発明は新しい原理に基づいて、波長、位相のよくそろ
った発光を得ることが出来る。
った発光を得ることが出来る。
本発明は、発光デバイスにおいて、信号の発生を、ポー
ズ凝縮を起し次系で行なっている次め、きわめて少ない
フォトン数で情報を伝達することができる。ポーズ凝縮
を起し几励起子の超輻射（５ｕｐ６ｒｒａａｉａｆｉＣ
ｅ） は、スペクトル幅が従来の半導体Ｖ−ザの１／
ｌＯでＶ−ザ発振のしきい電流値は、１／１００００で
あり、半導体レーザの性能を飛躍的に向上させている。
ズ凝縮を起し次系で行なっている次め、きわめて少ない
フォトン数で情報を伝達することができる。ポーズ凝縮
を起し几励起子の超輻射（５ｕｐ６ｒｒａａｉａｆｉＣ
ｅ） は、スペクトル幅が従来の半導体Ｖ−ザの１／
ｌＯでＶ−ザ発振のしきい電流値は、１／１００００で
あり、半導体レーザの性能を飛躍的に向上させている。
しかも、薄膜バリア層を介し几励起子のポーズ凝縮であ
る九め、１００にという高温（通常の超伝導状態の得ら
れる温度は約１ケタ）低い程度である）で凝縮が起る点
も、実用上有利である。バリア層を有しない場合の励起
子の凝縮は、いくら低温にして、高密度励起しても起ら
ない。電子、正孔液滴になるか、励起子分子になってし
まうからである。励起子分子自身は、数置にの極低温で
、ポーズ凝縮するが、励起子分子の発光の過程で励起子
に解離し、かつ、両者の発光が波長的に異なる几め、こ
れまでに、レーザ発振した報告はない。
る九め、１００にという高温（通常の超伝導状態の得ら
れる温度は約１ケタ）低い程度である）で凝縮が起る点
も、実用上有利である。バリア層を有しない場合の励起
子の凝縮は、いくら低温にして、高密度励起しても起ら
ない。電子、正孔液滴になるか、励起子分子になってし
まうからである。励起子分子自身は、数置にの極低温で
、ポーズ凝縮するが、励起子分子の発光の過程で励起子
に解離し、かつ、両者の発光が波長的に異なる几め、こ
れまでに、レーザ発振した報告はない。
以上をまとめると、本発明は、電子と正孔をバリア層を
介して、人為的にコントロールしながら再結合させるこ
とで、狭いスペクトル幅を持つ半導体発光素子を提供出
来る。更に低しきい値の実現も可能となし得る。
介して、人為的にコントロールしながら再結合させるこ
とで、狭いスペクトル幅を持つ半導体発光素子を提供出
来る。更に低しきい値の実現も可能となし得る。
第１図は従来の半導体Ｖ−ザのエネルギー・バンド・ダ
イアグラム、第２図は本発明による電子、正孔分離型半
導体ンーザのエネルギー・バンド・ダイアグラム、第３
図は電子と正孔をバリアを介して励起子化し次場合に、
ポーズ凝縮を起すことを説明するｔめの図、第４図及び
第５図は本発明の実施例による半導体発光素子の動作原
理を説明する図、第６図は第４図で述ベア′ｌ：Ｖ−ザ
発振の温度特性を示す図、第７図は第９図および第１θ
図は各々本発明の半導体発光素子の断面図、第８図は電
子と正孔のバリア側への押しつけ効果を持つ半導体発光
素子のエネルギー・バンド−ダイアグラムである。 １・・・バリア層、２．３・・・アンドープ半導体層、
４．５・・・クラッド層、６・・・電子、７・・・正孔
、８・・・伝導帯の下端、９・・・価電子帯の上端。 冨 １ 記 ！ 万 Ｚ 図 冨４図 ｚ ５ 図 第 ６ 図 Ｉｘｊ まＩシ光ダ虫ノ１ （イ（：ｔ１イＩＬ〕冨
８ 回
イアグラム、第２図は本発明による電子、正孔分離型半
導体ンーザのエネルギー・バンド・ダイアグラム、第３
図は電子と正孔をバリアを介して励起子化し次場合に、
ポーズ凝縮を起すことを説明するｔめの図、第４図及び
第５図は本発明の実施例による半導体発光素子の動作原
理を説明する図、第６図は第４図で述ベア′ｌ：Ｖ−ザ
発振の温度特性を示す図、第７図は第９図および第１θ
図は各々本発明の半導体発光素子の断面図、第８図は電
子と正孔のバリア側への押しつけ効果を持つ半導体発光
素子のエネルギー・バンド−ダイアグラムである。 １・・・バリア層、２．３・・・アンドープ半導体層、
４．５・・・クラッド層、６・・・電子、７・・・正孔
、８・・・伝導帯の下端、９・・・価電子帯の上端。 冨 １ 記 ！ 万 Ｚ 図 冨４図 ｚ ５ 図 第 ６ 図 Ｉｘｊ まＩシ光ダ虫ノ１ （イ（：ｔ１イＩＬ〕冨
８ 回
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、半導体又は絶縁体からなる薄膜をはさんで相対し、
かつその禁制帯エネルギー・ギャップが、前記薄膜より
も小さい第１の半導体層及び第２の半導体層を有するヘ
テロ構造を有し、このヘテロ構造は同一の半導体層中に
含まれる電子と正孔の再結合発光よりも、薄膜を介して
対向した電子と正孔がトンネル効果による再結合に基づ
いた発光が主となる如く構成され、かつ外部から電場を
印加することで、このトンネル再結合発光過程の確率を
制御せしむる手段を有することを特徴とする半導体発光
素子。 ２、特許請求の範囲第１項記載の半導体発光素子におい
て、前記薄膜が構成するバリアを介して電子と正孔がト
ンネル結合する確率が、０．６から、１×１０＾−＾５
の範囲であることを特徴とする半導体発光素子。 ３、特許請求の範囲第１項又は第２項記載の半導体発光
素子において前記第１および第２の半導体層の厚さが２
００Å以上（好ましくは４００Å以上）であり、結晶組
成或いは結晶中の不純物組成或いはその両者により生じ
る凝似ポテンシャル又は外部電界或いは凝似ポテンシャ
ルと外部電界の両者によつて電子及び正孔をそれぞれの
前記各半導体層の反対側に押しつけることで、同一半導
体中における電子と正孔の波動函数の重なり部分と比べ
前記薄層を介した電子の波動函数と正孔の波動函数の重
なりの方が大きいことを特徴とする半導体発光素子。 ４、特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれかに記載の
半導体発光素子において、前記薄層が直接遷移型の半導
体であることを特徴とする半導体発光素子。 ５、特許請求の範囲第１項〜第４項のいずれかに記載の
半導体発光素子において、前記薄層の厚さが、単原子層
から、１００Åであることを特徴とする半導体発光素子
。 ６、特許請求の範囲第１項記載の半導体発光素子におい
て、前記薄膜の厚さが、１５０Å以下であることを特徴
とする半導体発光素子。 ７、特許請求の範囲第１項又は第５項記載の半導体発光
素子において、前記薄膜をはさんで相対する前記半導体
層に、前記薄膜に対して垂直な向きに電場を印加するこ
とで、前記薄膜と半導体の界面の一方に電子を、もう一
方に正孔を集める手段を有する半導体発光素子。 ８、特許請求の範囲第１項〜第７項のいずれかに記載の
半導体発光素子において、前記第１および第２の半導体
層の一方又は両者の半導体の組成或いは不純物濃度のい
ずれか一方又は両者を前記薄膜の厚さ方向に対し一様で
なくすることにより、電子及び正孔を前記膜の近傍に集
めたことを特徴とする半導体発光素子。 ９、特許請求の範囲第１項〜第８項のいずれかに記載の
半導体発光素子において、前記第１の半導体層及び前記
第２の半導体層よりも禁制帯エネルギーギャップが大き
くかつ導電量の互に相異なる第３および第４の半導体層
で少なくとも前記薄膜、第１および第２の半導体層を含
む積層構造体をはさんだことを特徴とする半導体発光素
子。 １０、特許請求の範囲第１項〜第９項のいずれかに記載
の半導体発光素子において、前記薄膜がＧａ＿１＿−＿
ｘＡｌ＿ｘＡｓ前記第１の半導体層がＧａ＿１＿−＿ｙ
Ａｌ＿ｙＡｓ前記第２の半導体層がＧａ＿１＿−＿ｘＡ
ｌ＿ｘＡｓ；ｘ＞ｙ、ｚ；１≧ｘ＞０．１；０．４＞ｙ
、ｚ≧０なることを特徴とする半導体発光素子。 １１、特許請求の範囲第１項〜第１０項のいずれかに記
載の半導体発光素子において、前記薄膜がＧａ＿ｘＩｎ
＿１＿−＿ｘＰ＿ｙＡｓ＿１＿−＿ｙ（ｘ＝０、ｙ＝０
を含む）前記第１；第２の半導体層が Ｇａ＿ｍＩｎ＿１＿−＿ｍＰ＿ｘＡｓ＿１＿−＿ｘであ
ることを特徴とする半導体発光素子。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60058397A JPH0712100B2 (ja) | 1985-03-25 | 1985-03-25 | 半導体発光素子 |
| DE8686901137T DE3688490T2 (de) | 1985-03-25 | 1986-02-07 | Lumineszentes halbleiterelement. |
| PCT/JP1986/000051 WO1986005925A1 (fr) | 1985-03-25 | 1986-02-07 | Element luminescent a semi-conducteurs |
| EP86901137A EP0215125B1 (en) | 1985-03-25 | 1986-02-07 | Luminescent semiconductor element |
| US07/309,929 US4933728A (en) | 1985-03-25 | 1989-02-13 | Semiconductor optical device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60058397A JPH0712100B2 (ja) | 1985-03-25 | 1985-03-25 | 半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61218192A true JPS61218192A (ja) | 1986-09-27 |
| JPH0712100B2 JPH0712100B2 (ja) | 1995-02-08 |
Family
ID=13083216
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60058397A Expired - Lifetime JPH0712100B2 (ja) | 1985-03-25 | 1985-03-25 | 半導体発光素子 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4933728A (ja) |
| EP (1) | EP0215125B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0712100B2 (ja) |
| DE (1) | DE3688490T2 (ja) |
| WO (1) | WO1986005925A1 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US5455451A (en) * | 1989-08-18 | 1995-10-03 | Hitachi, Ltd. | Superconductized semiconductor device using penetrating Cooper pairs |
| JP2003092455A (ja) * | 2001-09-17 | 2003-03-28 | Japan Science & Technology Corp | 半導体レーザ |
| JP2005294782A (ja) * | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Takeshi Awaji | 半導体超伝導素子 |
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| DE3840717A1 (de) * | 1988-12-02 | 1990-06-07 | Max Planck Gesellschaft | Lichtemittierendes bauelement aus verbindungs-halbleiter |
| JPH0327578A (ja) * | 1989-06-23 | 1991-02-05 | Eastman Kodatsuku Japan Kk | 発光ダイオ―ドアレイ |
| US5051804A (en) * | 1989-12-01 | 1991-09-24 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Photodetector having high speed and sensitivity |
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1985
- 1985-03-25 JP JP60058397A patent/JPH0712100B2/ja not_active Expired - Lifetime
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1986
- 1986-02-07 EP EP86901137A patent/EP0215125B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1986-02-07 DE DE8686901137T patent/DE3688490T2/de not_active Expired - Fee Related
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- 1989-02-13 US US07/309,929 patent/US4933728A/en not_active Expired - Fee Related
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| JPH0712100B2 (ja) | 1995-02-08 |
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