JP2015023214A - Semiconductor light emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、量子井戸構造におけるサブバンド準位構造を利用した発光遷移によって光を生成する半導体発光素子に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device that generates light by light emission transition using a subband level structure in a quantum well structure.
近年、半導体微小共振器中で生成したポラリトン(Polariton、物質と光子の相互作用状態)のボーズ−アインシュタイン凝縮(BEC)によって、反転分布を形成することなく、極めて少ない電子の注入でレーザ発振を実現する可能性が示され、励起子を用いたポラリトンの生成と凝集の試み等が精力的に行われている。 In recent years, Bola-Einstein condensation (BEC) of polariton (material-photon interaction state) generated in a semiconductor microresonator realizes laser oscillation with very few electron injections without forming an inversion distribution. The possibility of this is shown, and attempts to generate and agglomerate polaritons using excitons have been energetically performed.
また、半導体量子井戸構造中に形成されたサブバンド間(Intersubband:ISB)の集団的な電子励起によるISBポラリトンの生成も実験的に確認され、電流注入によるポラリトンを介した発光現象が観測されている(例えば、非特許文献1:Phys. Rev. Lett. Vol.100 (2008) 136806参照)。 In addition, generation of ISB polaritons by collective electronic excitation between intersubbands (ISBs) formed in a semiconductor quantum well structure has been experimentally confirmed, and light emission phenomenon via polaritons by current injection has been observed. (For example, see Non-Patent Document 1: Phys. Rev. Lett. Vol. 100 (2008) 136806).
共振器中におけるポラリトンは、共振器中の光子(電磁波)と、電気的な偏りを持つ物質(分極波)との相互作用によって生成される。ポラリトン状態とは、上記のような電磁波と分極波との相互作用状態を量子化したものであり、相互作用ハミルトニアン(ここでは、光子系と電子系との相互作用ハミルトニアン)から導かれる固有状態を占有する。このようなポラリトン状態は、例えば、2準位系では2つの固有状態を有し、3準位系では3つの固有状態を有する。 Polaritons in the resonator are generated by the interaction between photons (electromagnetic waves) in the resonator and substances having electric bias (polarization waves). The polariton state is obtained by quantizing the interaction state between the electromagnetic wave and the polarized wave as described above, and represents the eigenstate derived from the interaction Hamiltonian (here, the interaction Hamiltonian between the photon system and the electron system). Occupy. Such a polariton state has, for example, two eigenstates in a two-level system and three eigenstates in a three-level system.
共振器中において生成されたポラリトンは、ボゾンの性質を持つ準粒子となり、複数のポラリトン準位のうちで下位ポラリトン準位にポラリトンを凝集させることができる。この場合、これらの巨視的な数のポラリトン準粒子が一斉に励起と緩和とを繰り返して振動することによって、高コヒーレンスな強い発光を得ることができる。また、このような発光過程においては、反転分布を必要とせず、わずかな注入電流による、消費電力が極めて小さい半導体発光素子の実現が可能である。 Polaritons generated in the resonator become quasiparticles having a boson property, and the polaritons can be aggregated in the lower polariton level among the plurality of polariton levels. In this case, strong emission with high coherence can be obtained by oscillating these macroscopic numbers of polariton quasiparticles by repeating excitation and relaxation all at once. Further, in such a light emission process, it is possible to realize a semiconductor light emitting element that does not require an inversion distribution and consumes a very small amount of power with a small injection current.
しかしながら、上述したサブバンド間での発光現象では、TMモードで発光が起こり、吸収もまたTMモードの光に対して起こる。半導体積層方向(成長方向)に対して垂直な面内方向への光の閉じ込めが必要なTMモードにおいては、例えば分布ブラッグ反射(DBR:Distributed Bragg Reflector)型の共振器などの既存の技術を用いることができない。したがって、効果的な共振器を構成することが困難となり、ISBポラリトンの効率的な生成、凝集を実現することも難しい。 However, in the above-described light emission phenomenon between subbands, light emission occurs in the TM mode, and absorption also occurs for light in the TM mode. In the TM mode that requires light confinement in the in-plane direction perpendicular to the semiconductor stacking direction (growth direction), for example, an existing technology such as a distributed Bragg reflector (DBR) type resonator is used. I can't. Therefore, it is difficult to construct an effective resonator, and it is difficult to realize efficient generation and aggregation of ISB polaritons.
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、ISBポラリトンの生成、凝集、及びそれによる発光動作を、高効率で実現することが可能な半導体発光素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a semiconductor light-emitting device capable of realizing the generation and aggregation of ISB polaritons and the light emission operation thereby by high efficiency. Objective.
このような目的を達成するために、本発明による半導体発光素子は、(1)少なくとも1個の量子井戸層を含む発光層、及び発光層の前段に設けられ発光層への電子の注入に用いられる注入層を有する活性層と、(2)活性層に対して半導体積層方向の一方側に設けられた第1金属層と、(3)活性層に対して半導体積層方向の他方側に設けられ、第1金属層とともにプラズモン共振器構造を形成する第2金属層とを備え、(4)発光層は、そのサブバンド準位構造において、上位準位、及び下位準位を少なくとも有するとともに、サブバンド準位構造に起因して、上位ポラリトン準位、及び下位ポラリトン準位を含むポラリトン準位構造が形成されて、下位ポラリトン準位から下位準位への遷移によって光が生成され、(5)プラズモン共振器構造において、半導体積層方向での共振器厚さTは、共振器中での光の波長λe以下(T≦λe)に設定されるとともに、共振器幅Wは、上位準位及び下位準位のエネルギー間隔と、共振器中での光のカットオフエネルギーとが一致するときの共振器幅をWcとして、Wc以上1.15×Wc以下の範囲内(Wc≦W≦1.15×Wc)で設定されることを特徴とする。 In order to achieve such an object, the semiconductor light emitting device according to the present invention is used for (1) a light emitting layer including at least one quantum well layer, and an electron injection provided in the light emitting layer provided in the preceding stage of the light emitting layer. An active layer having an injection layer, (2) a first metal layer provided on one side of the semiconductor stacking direction with respect to the active layer, and (3) provided on the other side of the active layer with respect to the semiconductor stacking direction. And a second metal layer that forms a plasmon resonator structure with the first metal layer, and (4) the light emitting layer has at least an upper level and a lower level in the subband level structure, Due to the band level structure, a polariton level structure including an upper polariton level and a lower polariton level is formed, and light is generated by transition from the lower polariton level to the lower level, (5) Both plasmons In vessel structure, cavity thickness T of the semiconductor stacking direction, while being set to less than the wavelength lambda e of light in the resonator (T ≦ lambda e), the resonator width W, the upper level and lower and energy gap of level, as the resonator width W c of when the light cut-off energy in the resonator are matched, or W c 1.15 × W c within the range (W c ≦ W ≦ 1.15 × W c ).
上記した半導体発光素子では、量子井戸層を含む発光層と、その前段に設けられた注入層とによって活性層を構成する。そして、発光層において、上位準位(上位電子準位)、及び下位準位(下位電子準位)を含むサブバンド電子準位構造と、サブバンド準位構造に起因するISBポラリトンによる上位ポラリトン準位、及び下位ポラリトン準位を含むポラリトン準位構造とが形成され、下位ポラリトン準位から下位電子準位への遷移によって光が生成される構成としている。これにより、活性層におけるISBポラリトンを用いた発光動作を好適に実現することができる。 In the semiconductor light emitting device described above, an active layer is constituted by a light emitting layer including a quantum well layer and an injection layer provided in the preceding stage. In the light-emitting layer, a subband electron level structure including an upper level (upper electron level) and a lower level (lower electron level), and an upper polariton level by ISB polariton resulting from the subband level structure. And a polariton level structure including a lower polariton level, and light is generated by a transition from the lower polariton level to the lower electron level. Thereby, the light emission operation using ISB polaritons in the active layer can be suitably realized.
また、このような構成において、活性層に対して半導体積層方向(厚さ方向)の両側に第1、第2金属層をそれぞれ設け、量子井戸活性層構造を上下の金属層で挟み込むことでプラズモン共振器構造を構成している。また、このプラズモン共振器構造において、具体的に、共振器厚さ(第1、第2金属層で挟み込まれる活性層の厚さ)Tを、共振器中での光の波長(活性層を構成する物質中での光の実効的な波長)λe以下に設定している。このような構成では、詳しくは後述するように、共振器内部では電磁波が定在波として存在することとなり、共振器の幅方向(面内方向)への光の閉じ込め、及び効率的なISBポラリトンの生成、凝集が可能となる。 Further, in such a configuration, the first and second metal layers are respectively provided on both sides of the active layer in the semiconductor stacking direction (thickness direction), and the quantum well active layer structure is sandwiched between the upper and lower metal layers, thereby plasmon A resonator structure is configured. Further, in this plasmon resonator structure, specifically, the resonator thickness (thickness of the active layer sandwiched between the first and second metal layers) T is set to the wavelength of light in the resonator (constituting the active layer). The effective wavelength of light in the substance to be emitted) is set to λ e or less. In such a configuration, as will be described in detail later, electromagnetic waves exist as standing waves inside the resonator, so that light is confined in the width direction (in-plane direction) of the resonator, and efficient ISB polaritons. Can be produced and agglomerated.
さらに、上記したプラズモン共振器構造において、共振器幅Wを、発光層のサブバンド準位構造での上位準位及び下位準位のエネルギー間隔と、共振器中での光のカットオフエネルギーとが一致するときの共振器幅をWcとして、Wc以上1.15×Wc以下の範囲内となるように設定している。このような構成によれば、サブバンド電子準位構造、及びポラリトン準位構造により、下位ポラリトン準位から下位電子準位への遷移による発光動作を好適に高効率で実現することが可能となる。 Further, in the plasmon resonator structure described above, the resonator width W is determined by the energy interval between the upper level and the lower level in the subband level structure of the light emitting layer, and the cutoff energy of light in the resonator. the resonator width when matching as W c, is set to be within a range of W c or 1.15 × W c. According to such a configuration, the subband electronic level structure and the polariton level structure can suitably realize a light emission operation by a transition from the lower polariton level to the lower electron level with high efficiency. .
ここで、共振器厚さTについては、より具体的には、プラズモン共振器構造において、共振器厚さTは、60nm以上共振器中での光の波長λeの1/4以下の範囲内(60nm≦T≦λe/4)で設定されることが好ましい。このような構成によれば、共振器の厚さ方向については電磁波が定在波として存在できないこととなり、厚さ方向への光の閉じ込めに対する光のカットオフエネルギーを確実になくすことができる。 Here, the resonator thickness T, more specifically, in the plasmon resonator structure, the resonator thickness T is in the range of 1/4 or less of the light wavelength lambda e in the 60nm or more resonators in It is preferable to set (60 nm ≦ T ≦ λ e / 4). According to such a configuration, electromagnetic waves cannot exist as standing waves in the thickness direction of the resonator, and it is possible to reliably eliminate light cut-off energy for light confinement in the thickness direction.
また、活性層の具体的な構成については、発光層は、最も注入層側に形成された注入障壁層を含み、発光層の後段には、最も発光層側に形成された抽出障壁層を含む抽出層が設けられ、抽出障壁層の厚さは、注入障壁層の厚さに対して70%以上150%以下の範囲内で設定される構成としても良い。このように、抽出障壁層の層厚を厚く設定することにより、発光層内の下位準位から抽出層内の準位への電子のトンネル時間が長くなり、ISBポラリトンを用いた発光動作に必要な電子が、発光層内の下位電子準位に高密度で存在することとなる。 In addition, regarding a specific configuration of the active layer, the light emitting layer includes an injection barrier layer formed closest to the injection layer, and a downstream of the light emitting layer includes an extraction barrier layer formed closest to the light emitting layer. An extraction layer may be provided, and the thickness of the extraction barrier layer may be set within a range of 70% to 150% with respect to the thickness of the injection barrier layer. Thus, by setting the layer thickness of the extraction barrier layer to be thick, the tunneling time of electrons from the lower level in the light emitting layer to the level in the extraction layer becomes longer, which is necessary for light emitting operation using ISB polaritons. Electrons are present at a high density in the lower electron level in the light emitting layer.
また、発光層の前段の注入層については、注入層は、そのキャリア密度が3×1017cm−3以上1×1019cm−3以下の範囲内となるようにドーピングされていることが好ましい。これにより、活性層の量子井戸構造に対して、キャリアとなる電子を充分に供給して、共振器中でのISBポラリトンの生成、及びそれを用いた発光動作の効率をさらに向上することができる。また、発光層の後段に抽出層が設けられている場合には、抽出層についても同様に、そのキャリア密度が3×1017cm−3以上1×1019cm−3以下の範囲内となるようにドーピングされていることが好ましい。 In addition, for the injection layer before the light emitting layer, the injection layer is preferably doped so that the carrier density is in the range of 3 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 19 cm −3 or less. . Thereby, electrons serving as carriers can be sufficiently supplied to the quantum well structure of the active layer, and the generation of ISB polaritons in the resonator and the efficiency of the light emission operation using the ISB can be further improved. . Further, when an extraction layer is provided after the light emitting layer, the carrier density of the extraction layer is similarly in the range of 3 × 10 17 cm −3 or more and 1 × 10 19 cm −3 or less. It is preferable that doping is performed.
また、動作電圧を印加していない状態において、発光層内の下位準位が、注入層内の基底準位よりも5meV以上低いエネルギー準位であることが好ましい。これにより、発光層内の基底準位である下位電子準位にキャリアとなる電子を集中させて、ポラリトン状態の生成を安定的に実現することが可能となる。 In a state where no operating voltage is applied, the lower level in the light emitting layer is preferably an energy level that is lower by 5 meV or more than the ground level in the injection layer. This makes it possible to stably generate the polariton state by concentrating electrons serving as carriers on the lower electron level, which is the ground level in the light emitting layer.
また、活性層は、注入層と発光層とが複数交互に積層されたカスケード構造を有する構成としても良い。このような構成によっても、活性層におけるISBポラリトンを用いた発光動作を好適に実現することができる。 The active layer may have a cascade structure in which a plurality of injection layers and light emitting layers are alternately stacked. Even with such a configuration, a light emitting operation using ISB polaritons in the active layer can be suitably realized.
また、発光層における準位構造については、発光層は、サブバンド準位構造において、上位準位よりも高いエネルギー準位である第2上位準位を有し、第2上位準位において生成されたポラリトンを下位ポラリトン準位に注入するように構成されているとともに、第2上位準位は、下位ポラリトン準位の極小点に対して縦光学(LO:Longitudinal Optical)フォノンのエネルギーだけ高いエネルギー準位である構成としても良い。このような構成によれば、発光に関わる下位ポラリトン準位に対して、第2上位準位を介して効率的にポラリトンを供給することができる。 As for the level structure in the light-emitting layer, the light-emitting layer has a second upper level, which is an energy level higher than the upper level in the subband level structure, and is generated in the second upper level. The second upper level is an energy level that is higher than the minimum point of the lower polariton level by the energy of longitudinal optic (LO) phonons. It is good also as a structure which is a rank. According to such a configuration, polaritons can be efficiently supplied to the lower polariton levels related to light emission via the second upper level.
また、この場合、第2上位準位及び(第1)上位準位のエネルギー間隔は、縦光学フォノンのエネルギーよりも小さく設定されていることが好ましい。これにより、第2上位準位から第1上位準位への電子の高速な緩和を禁止して、上記した下位ポラリトン準位へのポラリトンの供給を好適に実現することができる。 In this case, the energy interval between the second upper level and the (first) upper level is preferably set smaller than the energy of the longitudinal optical phonon. Thereby, fast relaxation of electrons from the second upper level to the first upper level is prohibited, and the supply of polaritons to the lower polariton level can be preferably realized.
本発明の半導体発光素子によれば、量子井戸層を含む発光層と、その前段の注入層とによって活性層を構成し、発光層において、上位準位、及び下位準位を含むサブバンド準位構造と、サブバンド準位構造に起因する上位ポラリトン準位、及び下位ポラリトン準位を含むポラリトン準位構造とが形成されて、下位ポラリトン準位から下位電子準位への遷移によって光が生成される構成とし、さらに、活性層に対して厚さ方向の両側に第1、第2金属層をそれぞれ設けることでプラズモン共振器構造を構成し、共振器厚さTを、共振器中での光の波長以下に設定するとともに、共振器幅Wを、上位準位及び下位準位のエネルギー間隔と、共振器中での光のカットオフエネルギーとが一致するときの共振器幅をWcとして、Wc以上1.15×Wc以下の範囲内で設定することにより、ISBポラリトンを用いた発光動作を、高効率で実現することが可能となる。 According to the semiconductor light emitting device of the present invention, an active layer is constituted by a light emitting layer including a quantum well layer and an injection layer preceding the quantum well layer, and in the light emitting layer, a subband level including an upper level and a lower level. The structure and the polariton level structure including the upper polariton level and the lower polariton level due to the subband level structure are formed, and light is generated by the transition from the lower polariton level to the lower electron level. In addition, a plasmon resonator structure is configured by providing first and second metal layers on both sides of the active layer in the thickness direction, and the resonator thickness T is determined by the light in the resonator. And the resonator width W when the energy interval between the upper level and the lower level and the cutoff energy of light in the resonator coincide with each other, W c Wc or more 1.15 × W By setting within the range of c or less, it is possible to realize a light emission operation using ISB polaritons with high efficiency.
以下、図面とともに本発明による半導体発光素子の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。 Hereinafter, embodiments of a semiconductor light emitting device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
図1は、本発明による半導体発光素子における素子構造の一例を概略的に示す斜視図である。本実施形態による半導体発光素子1Aは、半導体量子井戸構造におけるサブバンド準位構造を利用した発光遷移によって光を生成するモノポーラタイプの発光素子である。特に、この発光素子1Aは、上述したISB(Intersubband)ポラリトンを用いて光を生成する半導体発光素子として構成されている。 FIG. 1 is a perspective view schematically showing an example of an element structure in a semiconductor light emitting element according to the present invention. The semiconductor light emitting device 1A according to the present embodiment is a monopolar type light emitting device that generates light by light emission transition using a subband level structure in a semiconductor quantum well structure. In particular, the light emitting element 1A is configured as a semiconductor light emitting element that generates light using the above-described ISB (Intersubband) polaritons.
図1に示す半導体発光素子1Aは、半導体基板10と、半導体量子井戸構造を有する活性層20とを備えて構成されている。半導体基板10としては、例えば、InP基板を用いることができる。また、活性層20は、基板10上において、メサ型の構造を有して設けられている。ここで、以下においては、図1にxyz直交座標系を示すように、活性層20における半導体積層方向(厚さ方向)をz軸方向、メサ形状の幅方向をx軸方向、長さ方向をy軸方向とする。
A semiconductor light emitting device 1A shown in FIG. 1 includes a
活性層20に対して半導体積層方向の一方側(図中の上側)には、第1金属層11が設けられている。また、活性層20に対して半導体積層方向の他方側(図中の下側)で、活性層20と基板10との間には、第2金属層12が設けられている。これらの第1、第2金属層11、12は、例えば、金(Au)、銅(Cu)などの金属材料によって形成される。また、第2金属層12は、メサ形状の活性層20よりも幅方向に広い基板10に対して、その上面全体に形成されている。
A
以上の構成において、活性層20を挟み込む第1、第2金属層11、12によって、プラズモン共振器(プラズモンキャビティ)構造が形成されている。また、基板10の第2金属層12とは反対側には、基板10の下面全体に、例えば金属からなる下部電極層13が形成されている。なお、プラズモン共振器構造は、面内方向への光の閉じ込めを行うための、プラズモン効果を利用した微小共振器であり、その詳細については後述する。
In the above configuration, a plasmon resonator (plasmon cavity) structure is formed by the first and second metal layers 11 and 12 sandwiching the
図2は、図1に示した半導体発光素子1Aの活性層20の半導体積層構造、及び活性層20におけるサブバンド準位構造の第1の例を示す図である。ここで、図2(a)は、半導体発光素子1Aに対して動作電圧を印加した状態(バイアス印加状態)でのサブバンド準位構造を示している。また、図2(b)は、動作電圧を印加していない状態(無バイアス状態)でのサブバンド準位構造を示している。
FIG. 2 is a diagram showing a first example of the semiconductor stacked structure of the
本構成例における活性層20は、量子井戸発光層30と、発光層30の前段に設けられ発光層30への電子の注入に用いられる注入層31と、発光層30の後段に設けられ発光層30からの電子の抽出に用いられる抽出層35とを有して構成されている。これらのうち、発光層30は、本発光素子1AにおけるISBポラリトンの生成、及びそれを用いた発光動作に寄与する領域である。また、注入層31、抽出層35は、発光層30の前段、後段において電子の輸送に寄与する領域である。
The
これらの発光層30、注入層31、及び抽出層35は、それぞれ量子井戸層及び量子障壁層を含む所定の半導体量子井戸構造を有して形成される。これにより、活性層20の各半導体層30、31、35内においては、量子井戸構造によるエネルギー準位構造であるサブバンド準位構造が形成される。注入層31の発光層30とは反対側には、コンタクト層38が設けられている。また、抽出層35の発光層30とは反対側には、コンタクト層39が設けられている。
The
発光層30は、少なくとも1個の量子井戸層を含んで構成されている。また、発光層30の最も注入層31側には、注入層31から発光層30への電子に対する注入障壁層301が形成されている。また、抽出層35の最も発光層30側には、発光層30から抽出層35への電子に対する抽出障壁層351が形成されている。
The
発光層30は、そのサブバンド準位構造(電子準位構造)において、上位準位L2と、上位準位L2よりも低いエネルギー準位であって発光層30内の基底準位となる下位準位L1とを有している。また、この発光層30では、電子準位L2、L1によるサブバンド準位構造に起因して、上位ポラリトン準位と、下位ポラリトン準位とを含むポラリトン準位構造が形成されて、下位ポラリトン準位から下位電子準位L1への遷移によって光が生成される。このポラリトン準位−電子準位間の発光遷移において生成される光は、上位準位L2及び下位準位L1のエネルギー間隔ΔE21よりもやや小さいエネルギーの光となる。なお、図2においては、ポラリトン準位構造は図示していない。
The
注入層31は、そのサブバンド準位構造において、電子の輸送に用いられる単一または複数の注入準位Liを有している。また、抽出層35は、そのサブバンド準位構造において、電子の輸送に用いられる単一または複数の抽出準位Leを有している。なお、図2においては、説明の簡単のため、注入層31については複数の注入準位Liを示し、また、抽出層35については単一の抽出準位Leを示している。
The
図1に示した半導体発光素子1Aの素子構造は、例えば、基板10の半導体材料をInPとし、金属層11、12の金属材料をAuとして、以下のような方法でウエハボンディングによって作製することができる。具体的には、まず、InP基板上に活性層20を形成し、さらにその上にAu膜を蒸着した第1部材と、半導体基板10となるn型のInP基板上にAu膜を蒸着した第2部材とを用意し、それらの第1、第2部材を、Au膜を向い合せにした状態で、適切な圧力をかけて貼り合わせる。第1、第2部材の貼り合わせ部分に形成されるAu膜が、第2金属層12となる。
The element structure of the semiconductor light emitting element 1A shown in FIG. 1 can be manufactured by wafer bonding in the following manner, for example, with the semiconductor material of the
次に、活性層構造を成長させた第1部材のInP基板をエッチングによって除去し、基板が除去された活性層20の面上に第1金属層11となるAu膜を蒸着し、これにより、プラズモン共振器構造が形成される。最後に、第1金属層11とともに活性層20をエッチングし、x軸方向の共振器幅W、y軸方向の共振器長L、z軸方向の共振器厚さTとなるメサ型の活性層構造を作製する。
Next, the InP substrate of the first member on which the active layer structure has been grown is removed by etching, and an Au film serving as the
また、このような構成では、第1金属層11の幅に合わせて活性層20をエッチングしたメサ型構造において、共振器の効率を高めるため、エッチングによって形成された幅方向の両側面21、22上に、誘電体多層膜等による高反射膜を形成し、側面21、22での光の反射率を例えば90%以上とすることが好ましい。
In such a configuration, in the mesa structure in which the
本発光素子1Aは、図2に示したように、活性層20の上部及び下部にコンタクト層38、39を有し、活性層20への電流の注入が可能に構成されている。図1に示した構成では、素子1Aの下部電極層13は、充分なキャリア密度でドーピングされた半導体基板10を介して第2金属層12と電気的に接続されている。あるいは、基板10の下部に電極層13を設けず、金属層12を下部電極層として機能させても良い。また、素子1Aの上部については、第1金属層11が上部電極層として機能している。図1においては、第1金属層11と下部電極層13との間に電圧源15を接続した構成を図示している。
As illustrated in FIG. 2, the
金属層11、12に挟まれた活性層20による共振器構造において、本発光素子1AをLEDとして構成する場合には、光子寿命がポラリトンの緩和時間以下となるように、共振器長Lを100μm以下に設定することが好ましい。また、発光素子1Aをレーザ素子として構成する場合には、共振器長Lを100μm以上に設定することが好ましい。このような共振器構造での素子1Aの長さ方向の両端面23、24は、へき開、ドライエッチング等の方法によって形成することができる。また、素子1Aをレーザ素子として構成する場合には、素子の両端面23、24についても、側面21、22と同様に、誘電体多層膜または金属膜等による高反射膜を形成しても良い。
In the resonator structure formed by the
また、この半導体発光素子1Aでは、ISBポラリトンを用いた発光動作に必要な条件を確保するため、プラズモン共振器構造において、z軸方向の共振器厚さTを、共振器中での光の波長以下に設定している。また、x軸方向の共振器幅Wを、上位準位L2及び下位準位L1のエネルギー間隔と、共振器中での光のカットオフエネルギーとが一致するときの共振器幅をWcとして、Wc以上1.15×Wc以下の範囲内で設定している。 Further, in this semiconductor light emitting device 1A, in order to ensure the conditions necessary for the light emission operation using ISB polariton, in the plasmon resonator structure, the resonator thickness T in the z-axis direction is set to the wavelength of light in the resonator. The following are set. Further, the resonator width W in the x-axis direction is defined as W c where the resonator width when the energy interval between the upper level L2 and the lower level L1 matches the cutoff energy of light in the resonator is W c . W c is set within the range of more than 1.15 × W c.
本実施形態による半導体発光素子1Aの効果について説明する。 The effects of the semiconductor light emitting device 1A according to the present embodiment will be described.
図1及び図2に示した半導体発光素子1Aでは、量子井戸層を含む発光層30と、その前段に設けられた注入層31とを含んで活性層20を構成する。そして、発光層30において、上位準位L2、及び下位準位L1を含むサブバンド電子準位構造と、サブバンド準位構造に起因するISBポラリトンによる上位ポラリトン準位、及び下位ポラリトン準位を含むポラリトン準位構造とが形成され、下位ポラリトン準位から下位電子準位への遷移によって光が生成される構成としている。これにより、活性層20におけるISBポラリトンを用いた発光動作を好適に実現することができる。
In the semiconductor light emitting device 1A shown in FIGS. 1 and 2, the
また、このような構成において、活性層20に対してz軸方向の両側に第1、第2金属層11、12をそれぞれ設け、量子井戸活性層構造を上下の金属層11、12で挟み込むことで、プラズモン共振器構造を構成している。また、このプラズモン共振器構造において、具体的に、共振器厚さ(第1、第2金属層11、12で挟み込まれる活性層20の厚さ)Tを、共振器中での活性層20で生成される光の波長(活性層20を構成する物質中での光の実効的な波長)λe以下(T≦λe)に設定している。このような構成では、共振器内部では電磁波が定在波として存在することとなり、共振器のx軸方向への光の閉じ込め、及び効率的なISBポラリトンの生成、凝集が可能となる。
In such a configuration, the first and second metal layers 11 and 12 are provided on both sides of the
さらに、上記したプラズモン共振器構造において、共振器幅Wを、発光層30のサブバンド準位構造での上位準位L2及び下位準位L1のエネルギー間隔ΔE21と、共振器中での光のカットオフエネルギーEcとが一致するときの共振器幅をWcとして、Wc以上1.15×Wc以下の範囲内(Wc≦W≦1.15×Wc)で設定している。このような構成によれば、発光層のサブバンド電子準位構造、及びポラリトン準位構造により、下位ポラリトン準位から下位電子準位への遷移による発光動作を好適に高効率で実現することが可能となる。
Further, in the plasmon resonator structure described above, the resonator width W is set so that the energy interval ΔE 21 between the upper level L2 and the lower level L1 in the subband level structure of the
なお、現在、中〜遠赤外領域の有用な光源として、量子カスケードレーザ(QCL:QuantumCascade Laser)が知られている。QCLは、活性層において、量子井戸発光層を多段に積層することで、エネルギーが低い波長領域において充分な発光強度を確保することができる。一方、QCLでは、カスケード構造上の理由から、本質的に高い駆動電圧が必要となり、消費電力の高さが問題となる場合がある。これに対して、上記構成の半導体発光素子によれば、ポラリトンの効率的な生成、凝集を可能にし、中〜遠赤外領域における低消費電力、高輝度、高コヒーレンスな発光素子を実現することができる。例えば、BECを介したポラリトンレーザは、反転分布を必要としないため、極低閾値での発振が可能であり、高い駆動電力を要するQCLでは達成しえなかった、中〜遠赤外光源の低消費電力駆動が可能である。 Currently, a quantum cascade laser (QCL: Quantum Cascade Laser) is known as a useful light source in the middle to far infrared region. QCL can secure sufficient light emission intensity in a wavelength region with low energy by stacking quantum well light emitting layers in multiple layers in the active layer. On the other hand, in QCL, a high drive voltage is essentially required due to the cascade structure, and high power consumption may be a problem. On the other hand, according to the semiconductor light emitting device having the above configuration, it is possible to efficiently generate and agglomerate polaritons, and to realize a light emitting device with low power consumption, high luminance, and high coherence in the mid to far infrared region. Can do. For example, since a polariton laser via BEC does not require an inversion distribution, it can oscillate at an extremely low threshold and cannot be achieved with a QCL that requires high driving power. Power consumption drive is possible.
上記構成の半導体発光素子1Aの動作について、従来の半導体発光素子と比較しつつ、詳細に説明する。ISBポラリトンを用いた従来の半導体発光素子としては、例えば、非特許文献1:Phys. Rev. Lett. Vol.100 (2008) 136806に開示されているものがある。この発光素子では、量子カスケード(QC:Quantum Cascade)構造の活性層を用い、サブバンド間(ISB)における電子の集団的励起を利用したISBポラリトンを生成し、電流注入によってポラリトンを介した発光を観測している。 The operation of the semiconductor light emitting device 1A having the above configuration will be described in detail while comparing with a conventional semiconductor light emitting device. As a conventional semiconductor light emitting element using ISB polaritons, for example, there is one disclosed in Non-Patent Document 1: Phys. Rev. Lett. Vol.100 (2008) 136806. In this light emitting device, an active layer having a quantum cascade (QC) structure is used to generate ISB polaritons using collective excitation of electrons between subbands (ISB), and light emission through the polaritons is performed by current injection. Observing.
このような半導体発光素子では、ポラリトンによる高輝度、高コヒーレンスな発光を得るためには、下位ポラリトン準位でポラリトンを凝集(ボーズ−アインシュタイン凝縮:BEC)させて、巨視的な数のポラリトンを一斉に励起、緩和させる必要がある。しかしながら、上記文献に開示された従来構造では、このような現象を起こすことは極めて困難である。 In such a semiconductor light emitting device, in order to obtain light emission with high brightness and high coherence by polariton, polariton is aggregated at the lower polariton level (Bose-Einstein condensation: BEC), and a macroscopic number of polaritons are simultaneously produced. Must be excited and relaxed. However, it is very difficult to cause such a phenomenon in the conventional structure disclosed in the above document.
図3は、ISBポラリトンを用いた従来の半導体発光素子の素子構造を概略的に示す斜視図である。この半導体発光素子80では、ポラリトンを生成するためのQC構造を有する活性層85を、金属層86と低屈折率層87とによって構成した共振器で挟み、z軸方向への光の閉じ込めを可能としている。
FIG. 3 is a perspective view schematically showing an element structure of a conventional semiconductor light emitting element using ISB polaritons. In this semiconductor
図4は、図3に示した半導体発光素子80の活性層85における光子のエネルギー及び電子のエネルギーの波数依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は面内方向の波数k//を示し、縦軸はエネルギーEを示している。また、図4において、グラフG0は、光子のエネルギーの波数依存性を示している。また、グラフG2は、エネルギーE2の上位準位L2に対応する電子のエネルギーの波数依存性を示している。また、グラフの横軸は、下位準位L1のエネルギーE1に対応している。
FIG. 4 is a graph showing the wave number dependence of photon energy and electron energy in the
また、図5は、図3に示した半導体発光素子80の活性層85におけるポラリトンの分散曲線を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は面内方向の波数k//を示し、縦軸はエネルギーEを示している。また、図5において、P1は、準位L2、L1からなるサブバンド電子準位構造に起因して形成されるポラリトン準位構造における下位ポラリトン(Lower Polariton)準位を示し、P2は、上位ポラリトン(UpperPolariton)準位を示している。なお、グラフG0、G2については、図4と同様である。
FIG. 5 is a graph showing a polariton dispersion curve in the
図4、図5に示す分散関係においては、光子系と電子系とが交わる点(図5中に破線の円で囲った領域R)で相互作用が最も強くなり、光子系と電子系との寄与がほぼ同程度となるポラリトンが生成される。しかしながら、このような共鳴領域Rで生成されたポラリトンは、図5中に下位ポラリトン準位P1のグラフに沿って実線矢印で示すように、この分散曲線に沿って低エネルギー側に緩和しやすい。このため、このような準位構造では、共鳴点付近にポラリトンを凝集させることができず、BECによる発光素子を実現することは極めて困難である。共鳴点から離れるにしたがって、ポラリトンは光子か電子の一方の性質に近づくとともに、他方の性質を失い、BECによる巨視的な数の粒子の励起、緩和の高速な振動を起こすことができなくなる。 In the dispersion relationship shown in FIGS. 4 and 5, the interaction is strongest at the point where the photon system and the electron system intersect (region R surrounded by a broken-line circle in FIG. 5). Polaritons with almost the same contribution are generated. However, the polaritons generated in such a resonance region R are easy to relax toward the low energy side along this dispersion curve, as shown by the solid arrow along the graph of the lower polariton level P1 in FIG. For this reason, in such a level structure, polaritons cannot be aggregated in the vicinity of the resonance point, and it is extremely difficult to realize a light emitting element using BEC. As the distance from the resonance point increases, the polariton approaches one of the properties of a photon or an electron and loses the other property, and cannot excite a macroscopic number of particles by BEC, and cause fast oscillation of relaxation.
このような問題は、ISBにおける選択則により、電子がTMモードの光(z軸方向に沿って振動する電場)としか相互作用しないことに由来している。TMモードでは、z軸方向へは光が伝播しないため、z軸方向への光の閉じ込めでは共振器中の光子の相互作用エネルギーを制御することができない。したがって、図3に示す構成でx軸方向あるいはy軸方向に対する効果的な光の閉じ込めができない以上、共振器中の光子のエネルギーの制御ができず、ISBポラリトンの効率的な生成、凝集を実現することは難しい。 Such a problem stems from the fact that electrons only interact with TM mode light (an electric field oscillating along the z-axis direction) according to the selection rule in ISB. In the TM mode, since light does not propagate in the z-axis direction, the confinement of light in the z-axis direction cannot control the interaction energy of photons in the resonator. Therefore, since the configuration shown in FIG. 3 cannot effectively confine light in the x-axis direction or the y-axis direction, the energy of photons in the resonator cannot be controlled, and ISB polaritons are efficiently generated and aggregated. Difficult to do.
これに対して、図1に示した半導体発光素子1Aは、図6に模式的に示すように、量子井戸構造を有する活性層20を第1、第2金属層11、12で挟み込んだプラズモン共振器構造によってx軸方向(面内方向)への光の閉じ込めを行うことで、共振器中の光子のエネルギーを上昇させ、発光動作に用いられるポラリトンの生成、凝集に有利な分散関係の形成を可能にするものである。
In contrast, the semiconductor light emitting device 1A shown in FIG. 1 has a plasmon resonance in which an
金属層11、12によって構成される共振器に光を入射させると、金属中の自由電子がその電場に付随して金属内を動き、振動する。このとき、金属層と、共振器内部の活性層の媒質との界面では、プラズモン効果によって、入射光に比べて著しく増強された電場が発生する。また、金属界面から共振器中に染み出す増強された電場は、およそ入射した光の波長程度の範囲に局在している。 When light is incident on the resonator constituted by the metal layers 11 and 12, free electrons in the metal move in the metal accompanying the electric field and vibrate. At this time, at the interface between the metal layer and the medium of the active layer inside the resonator, an electric field remarkably enhanced as compared with incident light is generated due to the plasmon effect. Further, the enhanced electric field that oozes out from the metal interface into the resonator is localized in a range of approximately the wavelength of the incident light.
したがって、上記のように共振器厚さTを共振器中での光の波長以下に設定し、共振器を構成する金属層11、12同士を増強された電場が局在する範囲内に近づけると、互いに相互作用し、図6中に矢印Fによって共振器内での増強された電場を示すように、強力な電場が誘起される。このような電場によって、共振器内部では、電磁波が定在波Sとして存在し、その波長(プラズモン波長:λp)は、共振器の構造によって決まる。 Accordingly, when the resonator thickness T is set to be equal to or less than the wavelength of light in the resonator as described above, the metal layers 11 and 12 constituting the resonator are brought close to the range where the enhanced electric field is localized. A strong electric field is induced, interacting with each other and showing the enhanced electric field in the resonator by arrows F in FIG. Due to such an electric field, an electromagnetic wave exists as a standing wave S inside the resonator, and its wavelength (plasmon wavelength: λ p ) is determined by the structure of the resonator.
このようなプラズモン共振器構造を用いれば、x軸方向あるいはy軸方向への光の閉じ込めが可能になることに加え、相互作用に必要な厚さ方向に振動する強い電場を創出することができる。したがって、上記のように共振器厚さTが設定された第1、第2金属層11、12によるプラズモン共振器構造内に量子井戸活性層20を挿入して、面内方向での光の閉じ込めを行い、かつ、共振器幅Wを適切に設定することにより、ポラリトンの適切な分散関係が形成され、増強された電場による効率的なポラリトンの生成、凝集を実現することが可能となる。なお、共振器幅Wの設定については、さらに後述する。
By using such a plasmon resonator structure, light can be confined in the x-axis direction or the y-axis direction, and a strong electric field that vibrates in the thickness direction necessary for interaction can be created. . Therefore, the quantum well
図7は、図1、図6に示した半導体発光素子1Aの活性層20における光子のエネルギー及び電子のエネルギーの波数依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はy軸方向の波数kyを示し、縦軸はエネルギーEを示している。また、図7において、図4と同様に、グラフG0は、光子のエネルギーの波数依存性を示している。また、グラフG2は、エネルギーE2の上位準位L2に対応する電子のエネルギーの波数依存性を示している。また、グラフの横軸は、下位準位L1のエネルギーE1に対応している。
FIG. 7 is a graph showing the wave number dependence of photon energy and electron energy in the
ここでは、分散関係の好適な構成の例として、プラズモン共振器構造によるx軸方向での光の閉じ込めにより、上位準位L2及び下位準位L1のエネルギー間隔ΔE21と、共振器中での光のカットオフエネルギーEcとが一致している場合を示している。 Here, as an example of a preferable configuration of the dispersion relationship, the energy interval ΔE 21 between the upper level L2 and the lower level L1 and the light in the resonator by the confinement of light in the x-axis direction by the plasmon resonator structure. This shows a case where the cut-off energy E c of the two coincides.
また、図8は、図1、図6に示した半導体発光素子1Aの活性層20におけるポラリトンの分散曲線を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はy軸方向の波数kyを示し、縦軸はエネルギーEを示している。また、図8において、P1は、準位L2、L1からなるサブバンド電子準位構造に起因して形成されるポラリトン準位構造における下位ポラリトン準位を示し、P2は、上位ポラリトン準位を示している。なお、グラフG0、G2については、図7と同様である。
FIG. 8 is a graph showing polariton dispersion curves in the
図7、図8に示す分散関係においては、上記したように、x軸方向での光の閉じ込めにより、準位L2、L1のエネルギー間隔ΔE21と、共振器中での光のカットオフエネルギーEcとが一致し、光子系と電子系とが交わって相互作用が最も強くなる共鳴領域Rがky=0に位置している。また、このとき、ポラリトンの固有エネルギーの分裂の概念図は図8のようになり、下位ポラリトン準位P1は、光とISB遷移との相互作用が最も強くなるky=0において、エネルギーEの極小点を持つ。 In the dispersion relations shown in FIGS. 7 and 8, as described above, the energy interval ΔE 21 between the levels L2 and L1 and the light cutoff energy E in the resonator due to light confinement in the x-axis direction. The resonance region R where c and the photon system intersect with the electron system and the interaction is the strongest is located at k y = 0. Further, at this time, the conceptual diagram of the splitting of the intrinsic energy of the polariton is as shown in FIG. 8, and the lower polariton level P1 has the energy E at k y = 0 where the interaction between the light and the ISB transition is strongest. Has a minimum point.
このような構成では、電流注入によって生成されたポラリトンを、そのままポラリトン準位のエネルギーの底(極小点)にためることができる。これにより、ポラリトンの密度を上げることでボーズ−アインシュタイン凝縮(BEC)を発現させ、下位ポラリトン準位P1から下位電子準位L1への発光遷移によって、巨視的な数のポラリトンの振動による高輝度な発光を得ることができる。 In such a configuration, polaritons generated by current injection can be accumulated as they are at the bottom (minimum point) of the polariton level energy. Thereby, Bose-Einstein condensation (BEC) is expressed by increasing the density of polaritons, and high luminance due to oscillation of macroscopic number of polaritons due to emission transition from the lower polariton level P1 to the lower electron level L1. Luminescence can be obtained.
なお、上記した金属層11、12を用いたプラズモン共振器構造は、例えば、非特許文献3:Appl. Phys. Lett. Vol.83 (2003) pp.2124-2126に開示されたテラヘルツ帯の量子カスケードレーザで活用される、いわゆる金属導波路とは、機能や構成が異なる。すなわち、金属導波路は、活性層全域を金属層で挟むことで活性層内への光の閉じ込めを強め、基板等への光の染み出しによる損失を防止し、閾値の低下や出力の向上を実現している。これに対して、上記構成の半導体発光素子1Aは、金属層11、12によって活性層20を挟み、共振器の厚さT、幅Wを適切に設定することで、活性層20の面内方向への光の閉じ込めを実現するものである。
The plasmon resonator structure using the metal layers 11 and 12 described above is, for example, a terahertz band quantum disclosed in Non-Patent Document 3: Appl. Phys. Lett. Vol. 83 (2003) pp. 2124-2126. It differs in function and configuration from a so-called metal waveguide utilized in cascade lasers. In other words, the metal waveguide enhances the confinement of light in the active layer by sandwiching the entire active layer with the metal layer, prevents loss due to light leaking into the substrate, etc., and lowers the threshold and improves the output. Realized. On the other hand, in the semiconductor light emitting device 1A having the above configuration, the
ここで、図1に示した半導体発光素子1Aにおいて、プラズモン共振器構造における共振器厚さTについては、より具体的には、60nm以上共振器中での光の波長λeの1/4以下の範囲内(60nm≦T≦λe/4)で設定されることが好ましい。このような構成によれば、共振器の厚さ方向(半導体積層方向)については電磁波が定在波として存在できないこととなり、厚さ方向への光の閉じ込めに対する光のカットオフエネルギーを確実になくすことができる。 Here, in the semiconductor light emitting device 1A shown in FIG. 1, for the resonator thickness T of the plasmon resonator structure, more specifically, 1/4 or less of the light wavelength lambda e in the 60nm or more resonators in (60 nm ≦ T ≦ λ e / 4). According to such a configuration, the electromagnetic wave cannot exist as a standing wave in the thickness direction (semiconductor stacking direction) of the resonator, and the light cut-off energy for the light confinement in the thickness direction is surely eliminated. be able to.
また、活性層20の具体的な構成については、図2に示したように、発光層30は、最も注入層31側に形成された注入障壁層301を含み、発光層30の後段には、最も発光層30側に形成された抽出障壁層351を含む抽出層35が設けられていることが好ましい。ただし、抽出層35については、不要であれば設けない構成としても良い。
As for the specific configuration of the
また、上記のように抽出層35を有する構成において、抽出障壁層351の厚さは、注入障壁層301の厚さに対して70%以上150%以下の範囲内で設定される構成としても良い。このように、抽出障壁層351の層厚を、例えば量子カスケードレーザ等における通常の層厚よりも厚く設定することにより、発光層30内の下位準位L1から抽出層35内の準位Leへの電子のトンネル時間が長くなる。このとき、ISBポラリトンを用いた発光動作に必要な電子が発光層30内の下位電子準位L1に高密度で存在することとなり、また、反転分布の形成を防止することができる。
In the configuration having the
また、発光層30の前段の注入層31については、注入層31は、そのキャリア密度が3×1017cm−3以上1×1019cm−3以下の範囲内となるようにドーピングされていることが好ましい。これにより、活性層20の量子井戸構造に対して、キャリアとなる電子を充分に供給して、共振器中でのISBポラリトンの生成、及びそれを用いた発光動作の効率をさらに向上することができる。また、図2に示したように、発光層30の後段に抽出層35が設けられている場合には、抽出層35についても同様に、そのキャリア密度が3×1017cm−3以上1×1019cm−3以下の範囲内となるようにドーピングされていることが好ましい。
In addition, with respect to the
また、活性層20でのサブバンド準位構造について、図2(b)に示すように、動作電圧を印加していない無バイアス状態において、発光層30内の下位準位L1が、注入層31内の基底準位Liよりも5meV以上低いエネルギー準位(図2(b)に示すエネルギー間隔ΔE01を参照)であることが好ましい。これにより、発光層30内の基底準位である下位電子準位L1にキャリアとなる電子を集中させて、ポラリトン状態の生成を安定的に実現することが可能となる。
As for the subband level structure in the
図1に示した半導体発光素子1Aでの量子井戸構造、及び発光動作のための準位構造等について、その具体例とともにさらに説明する。 The quantum well structure in the semiconductor light emitting device 1A shown in FIG. 1, the level structure for light emission operation, and the like will be further described together with specific examples thereof.
図9は、半導体発光素子1Aの活性層20における半導体積層構造の第1の例を示す図表である。本構成例では、活性層20を構成する各半導体層のうち、量子井戸層は、InGaAs層によって構成され、注入障壁層及び抽出障壁層を含む量子障壁層は、InAlAs層によって構成されている。また、各半導体層の厚さ、及び各層におけるドーピング濃度(ドーピングによるキャリア密度)は、それぞれ図9に示す通りである。
FIG. 9 is a chart showing a first example of a semiconductor stacked structure in the
図10は、図9に示した活性層20における無バイアス状態(0kV/cm)でのサブバンド準位構造(図2(b)参照)を示す図である。図10においては、活性層20のうちで注入層31、及び発光層30に注目して、その量子井戸構造及びサブバンド準位構造を示している。本構成例では、発光層30は、注入障壁層301、及び井戸層302によって構成されており、井戸層302において、サブバンド電子準位である上位準位L2、及び下位準位L1が形成されている。
FIG. 10 is a diagram showing a subband level structure (see FIG. 2B) in an unbiased state (0 kV / cm) in the
図9に示した活性層20の構造は、例として上位準位L2と下位準位L1とのエネルギー差ΔE21を160meV(波長7.8μm)に設定したものである。ただし、上記構成の半導体発光素子1Aは、例えば、中赤外領域(波長4〜12μm)、及び遠赤外領域(テラヘルツ領域)等においても適用可能であり、上記で例示した波長のみに限定されるものではない。また、図9の半導体積層構造は、例えば、InP基板上に、分子線エピタキシー法(MBE:Molecular Beam Epitaxy)、有機金属気相成長法(MOCVD:MetalOrganic Chemical Vapor Deposition)などの方法によって、InGaAs層及びInAlAs層を結晶成長することで、作製することができる。
The structure of the
活性層20において、ポラリトンを効率的に生成するためには、下位準位L1に大量に電子を分布させるとともに、反転分布の形成を防止する必要がある。このような状況を作り出すために、図9の構成では、注入層31、及び抽出層35を構成する一部の半導体層において、5×1017/cm3のキャリア密度となるようにドーピングを行っている。また、準位L1、L2における反転分布が形成されにくくなるように、抽出障壁層351の厚さを、注入障壁層301の厚さに対して111%に設定している。
In order to efficiently generate polaritons in the
さらに、発光層30の基底準位である下位準位L1にキャリア分布を集中させるため、無バイアス状態では、この準位L1が他の全ての準位よりも低いエネルギー準位となるように設定する。また、発光層30内の下位準位L1を、注入層31内の基底準位Liよりも5meV以上低いエネルギー準位とする。図10に示す準位構造では、下位準位L1と注入層の基底準位Liとのエネルギー差を21.8meVに設定している。
Furthermore, in order to concentrate the carrier distribution on the lower level L1, which is the ground level of the
図11は、図9、図10に示した活性層におけるキャリア分布(電子分布)を示す図である。この図11のグラフに示すように、本構成例では、キャリアの大部分が発光層30の井戸層302における下位準位L1に集中しており、これによって、安定したポラリトン状態の生成が可能となる。
FIG. 11 is a diagram showing a carrier distribution (electron distribution) in the active layer shown in FIGS. 9 and 10. As shown in the graph of FIG. 11, in this configuration example, most of the carriers are concentrated in the lower level L1 in the
図12は、図9に示した活性層20におけるバイアス印加状態(45kV/cm)でのサブバンド準位構造(図2(a)参照)を示す図である。このような構成において、キャリアの一部はポラリトンとなって、上位準位L2よりも低エネルギーの位置に形成される下位ポラリトン準位P1(図8参照)に注入され、この下位ポラリトン準位P1から下位電子準位L1への遷移によって、発光を得ることができる。
FIG. 12 is a diagram showing a subband level structure (see FIG. 2A) in the bias application state (45 kV / cm) in the
このように、上記構成の半導体発光素子1Aでは、上位準位L2から下位準位L1への発光遷移ではなく、上位準位L2よりも低エネルギーの下位ポラリトン準位P1から下位準位L1への発光遷移を利用する。上記したような反転分布の形成を防ぐための構造は、上位準位L2から下位準位L1への発光遷移を利用してレーザ発振を実現する通常の量子カスケードレーザなどにおける構造とは全く異なっている。また、図9に示すように、活性層20の最下層、及び最上層には、高ドープされたInGaAs層によるコンタクト層が設けられている。
As described above, in the semiconductor light emitting device 1A having the above-described configuration, the light emission transition from the upper level L2 to the lower level L1 is not performed, but the lower polariton level P1 having lower energy than the upper level L2 is changed to the lower level L1. Utilize luminescence transition. The structure for preventing the formation of the inversion distribution as described above is completely different from the structure in a normal quantum cascade laser or the like that realizes laser oscillation by using an emission transition from the upper level L2 to the lower level L1. Yes. Further, as shown in FIG. 9, a contact layer made of a highly doped InGaAs layer is provided in the lowermost layer and the uppermost layer of the
次に、ISBポラリトンを用いた半導体発光素子1Aにおけるプラズモン共振器構造の設計について説明する。図1に示した半導体発光素子1Aでの共振器の設計において、共振器系に影響を与えるパラメータは、z軸方向の共振器厚さT、及びメサ形状におけるx軸方向の共振器幅W(x軸方向の共振器長)である。 Next, the design of the plasmon resonator structure in the semiconductor light emitting device 1A using ISB polaritons will be described. In the design of the resonator in the semiconductor light emitting device 1A shown in FIG. 1, the parameters affecting the resonator system are the resonator thickness T in the z-axis direction and the resonator width W in the x-axis direction in the mesa shape ( (resonator length in the x-axis direction).
まず、共振器幅Wの設定について説明する。図1、図6に示したプラズモン共振器構造では、x軸方向(幅方向)への光の閉じ込めによる、共振器中での光のカットオフエネルギーEcは、下記の式(1)、式(2)によって表される。
ここで、h−barはプランク定数、cは真空中の光速、nは活性層の実効的な屈折率、kxは波数ベクトルのx成分である。
First, the setting of the resonator width W will be described. In the plasmon resonator structure shown in FIGS. 1 and 6, the light cutoff energy E c in the resonator due to light confinement in the x-axis direction (width direction) is expressed by the following equations (1) and (1): It is represented by (2).
Here, h-bar is the Planck constant, c is the speed of light in vacuum, n is the effective refractive index of the active layer, and k x is the x component of the wave vector.
したがって、上記の式における共振器幅Wを適切に設定することによって、適切な波数kxを創出し、光のカットオフエネルギーEcを準位L2、L1のエネルギー間隔ΔE21と一致させることで、図7、図8に関して上述したように、ポラリトンの理想的な分散関係を形成することができる。このように条件Ec=ΔE21が成立するときの共振器幅をWcとすると、共振器幅Wcは下記の式(3)によって表される。
図9では、ΔE21を160meVとした構成を例示したが、この数値を式(3)に代入し、また、活性層20の屈折率をn=3.3とすると、条件Ec=ΔE21が成立するときの共振器幅はWc=1.17μmとなる。このとき、プラズモンの効果によって、共振器幅Wの2倍を波長とする定在波として、プラズモン共振器構造中に光を閉じ込めることができる。
Therefore, by appropriately setting the resonator width W in the above formula, an appropriate wave number k x is created, and the light cut-off energy E c is matched with the energy interval ΔE 21 between the levels L2 and L1. As described above with reference to FIGS. 7 and 8, an ideal dispersion relation of polaritons can be formed. Assuming that the resonator width when the condition E c = ΔE 21 is satisfied is W c , the resonator width W c is expressed by the following equation (3).
FIG. 9 illustrates a configuration in which ΔE 21 is set to 160 meV. However, if this numerical value is substituted into Equation (3) and the refractive index of the
次に、共振器厚さTの設定について説明する。図1の半導体発光素子1Aでは、上記したようにx軸方向の光の閉じ込めによって、共振器中の光のエネルギーを制御する。すなわち、プラズモン共振器構造におけるx軸方向(幅方向)への光の閉じ込めによって光のカットオフエネルギーEcを調整し、それによってISBポラリトンの効率的な生成、凝集が可能な準位構造を実現する。 Next, the setting of the resonator thickness T will be described. In the semiconductor light emitting device 1A of FIG. 1, the energy of light in the resonator is controlled by confining light in the x-axis direction as described above. That is, by adjusting the cutoff energy E c of the optical confinement of light in the x-axis direction (width direction) of the plasmon resonator structure, whereby efficient production of ISB polariton, realized level structure capable of aggregation To do.
上記の構成において、z軸方向(厚さ方向)への光の閉じ込めによる光のカットオフエネルギーが存在すると、2方向への閉じ込めによって共振器中の光子のエネルギーが高くなり過ぎてしまい、電子の遷移エネルギーとのずれが大きくなって相互作用ができなくなる。このような状況を回避するためには、共振器厚さTを、共振器中での光の波長に対して充分に小さくすれば良い。 In the above configuration, if there is light cut-off energy due to light confinement in the z-axis direction (thickness direction), the energy of photons in the resonator becomes too high due to confinement in two directions. The deviation from the transition energy becomes large and the interaction becomes impossible. In order to avoid such a situation, the resonator thickness T may be made sufficiently small with respect to the wavelength of light in the resonator.
具体的には、上記したように共振器厚さTを共振器中での光の波長以下に設定し、さらに、より好ましくは、共振器厚さTを共振器中での光の波長の1/4以下に設定することで、z軸方向に対して定在波が存在できない構成とする。これにより、z軸方向への閉じ込めに対する光のカットオフエネルギーが無くなり、共振器中の光のエネルギーは、面内方向への波数にのみ依存することとなる。 Specifically, as described above, the resonator thickness T is set to be equal to or less than the wavelength of light in the resonator, and more preferably, the resonator thickness T is set to 1 of the wavelength of light in the resonator. By setting it to / 4 or less, a standing wave cannot exist in the z-axis direction. This eliminates the light cut-off energy for confinement in the z-axis direction, and the light energy in the resonator depends only on the wave number in the in-plane direction.
共振器厚さTに対するこのような構成条件は、プラズモン共振器構造を構成する第1、第2金属層11、12の間での相互作用を強くすることができるという観点からも重要である。すなわち、共振器中の光の波長に対して共振器厚さTが充分に小さければ、共振器を構成するAu層などの金属層11、12の間で相互作用が起こり、プラズモン効果によって生成されたz軸方向に振動する電場を、より強くすることができる。上記構成例の場合、設定波長7.8μm、活性層の屈折率n=3.3を用いて算出される、共振器中での光の波長の1/4となる共振器厚さTの値は、T=590nmとなる。 Such a configuration condition with respect to the resonator thickness T is important from the viewpoint that the interaction between the first and second metal layers 11 and 12 constituting the plasmon resonator structure can be strengthened. That is, if the resonator thickness T is sufficiently small with respect to the wavelength of light in the resonator, an interaction occurs between the metal layers 11 and 12 such as an Au layer constituting the resonator and is generated by the plasmon effect. Further, the electric field oscillating in the z-axis direction can be made stronger. In the case of the above configuration example, the value of the resonator thickness T which is calculated by using the setting wavelength 7.8 μm and the refractive index n of the active layer n = 3.3, which is ¼ of the wavelength of light in the resonator. T = 590 nm.
一方、共振器厚さTと、共振器中でのプラズモン波長λpとの関係は、下記の式(4)のようになる。
ここで、σは金属表皮深さであり、例えば金(Au)の場合、波長〜7.8μmに対する表皮深さは7.09nmとなる。
On the other hand, the relationship between the resonator thickness T and the plasmon wavelength λ p in the resonator is expressed by the following equation (4).
Here, σ is the metal skin depth. For example, in the case of gold (Au), the skin depth for a wavelength of ˜7.8 μm is 7.09 nm.
上記の式(4)は、共振器厚さTが小さくなるにしたがって、プラズモン波長λpが小さくなることを示している。ただし、半導体発光素子1Aにおける現実的な活性層構造の厚さを考えた場合には、共振器幅Wは、プラズモン波長λpの1/2に対応するとみなして良い。また、共振器厚さTの下限としては、例えば60nmとすれば良い。上記の例では、共振器厚さTが60nmのとき、算出される共振器中での実効的な屈折率(式(4)における分母の値)は、1.2nとなる。注入層、発光層、抽出層、及びコンタクト層を含む図9に示した活性層構造では、活性層厚さTは102.1nmとなる。 Equation (4), in accordance with the resonator thickness T becomes smaller, indicating that the plasmon wavelength lambda p decreases. However, when considering the thickness of the realistic active layer structure in a semiconductor light emitting device 1A, the resonator width W, may be regarded as corresponding to 1/2 of the plasmon wavelength lambda p. The lower limit of the resonator thickness T may be set to 60 nm, for example. In the above example, when the resonator thickness T is 60 nm, the effective refractive index calculated in the resonator (the value of the denominator in Equation (4)) is 1.2n. In the active layer structure shown in FIG. 9 including the injection layer, the light emitting layer, the extraction layer, and the contact layer, the active layer thickness T is 102.1 nm.
次に、プラズモン共振器構造における共振器幅Wの許容される値の範囲について説明する。上述した相互作用状態での分散関係は、下記の式(5)〜(7)に示す相互作用ハミルトニアンの固有状態として求めることができる。
ここで、上記式において、E1、E2は電子のエネルギー、h−barωは光子のエネルギー、c†、cは電子の生成消滅演算子、a†、aは光子の生成消滅演算子、Ωはラビ振動周波数である。
Next, the allowable range of the resonator width W in the plasmon resonator structure will be described. The dispersion relationship in the interaction state described above can be obtained as the eigenstate of the interaction Hamiltonian represented by the following equations (5) to (7).
In the above equation, E 1 and E 2 are electron energies, h-barω is photon energy, c † and c are electron production / annihilation operators, a † and a are photon production / annihilation operators, Ω Is the Rabi vibration frequency.
式(6)は、ポラリトンの基底状態を表す状態ベクトルであり、α、βは、それぞれ光子、電子励起に対するHopfield係数を表す(特許文献1:特開2011−35138号公報参照)。また、式(7)を整理すると、下記の固有値方程式が得られる。
この方程式を解き、光子のエネルギーを波数に変換することによって、分散曲線を得ることができる。また、式(6)のHopfield係数α、βは、以下の式
によって求めることができる。
Equation (6) is a state vector representing the ground state of polaritons, and α and β represent Hopfield coefficients for photon and electronic excitation, respectively (see Patent Document 1: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-35138). Further, when the equation (7) is arranged, the following eigenvalue equation is obtained.
By solving this equation and converting the photon energy into wavenumbers, a dispersion curve can be obtained. In addition, the Hopfield coefficients α and β in the equation (6) are as follows:
Can be obtained.
条件Ec=ΔE21が成立する共振器幅Wc=1.17μmでの分散関係、及びHopfield係数α、βを図13〜15に示す。図13は、共振器幅Wc=1.17μmの場合の活性層におけるポラリトンの分散曲線を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はy軸方向の波数ky(cm−1)を示し、縦軸はエネルギーE(meV)を示している。なお、図13において、光子のエネルギーのグラフG0、上位準位L2に対応する電子のエネルギーのグラフG2、上位ポラリトン準位P2、及び下位ポラリトン準位P1については、図8と同様である。 13 to 15 show the dispersion relation and the Hopfield coefficients α and β when the resonator width W c = 1.17 μm where the condition E c = ΔE 21 is satisfied. FIG. 13 is a graph showing a dispersion curve of polaritons in the active layer when the resonator width W c is 1.17 μm. In this graph, the horizontal axis represents the wave number k y (cm −1 ) in the y-axis direction, and the vertical axis represents energy E (meV). 13, the photon energy graph G0, the electron energy graph G2, the upper polariton level P2, and the lower polariton level P1 corresponding to the upper level L2 are the same as those in FIG.
図14は、光子に対するHopfield係数αの絶対値の2乗|α|2の波数依存性を示すグラフである。また、図15は、電子に対するHopfield係数βの絶対値の2乗|β|2の波数依存性を示すグラフである。これらの図14、15において、実線で示すグラフA2、A4は、それぞれ上位ポラリトン準位P2に対応するHopfield係数の値を示している。また、破線で示すグラフA1、A3は、それぞれ下位ポラリトン準位P1に対応するHopfield係数の値を示している。 FIG. 14 is a graph showing the wave number dependence of the square | α | 2 of the absolute value of the Hopfield coefficient α for a photon. FIG. 15 is a graph showing the wave number dependency of the square | β | 2 of the absolute value of the Hopfield coefficient β for electrons. In FIGS. 14 and 15, graphs A2 and A4 indicated by solid lines indicate Hopfield coefficient values corresponding to the upper polariton level P2. In addition, graphs A1 and A3 indicated by broken lines indicate Hopfield coefficient values corresponding to the lower polariton level P1, respectively.
図13の分散関係において、y軸方向への波数kyの絶対値が大きい領域では、上位ポラリトン準位P2は光子のエネルギーに、また、下位ポラリトン準位P1は電子のエネルギーに、それぞれ漸近している。このため、図14に示すように、上位ポラリトン準位P2では、波数kyの絶対値が大きい領域で|α|2がほぼ1になっており、ほとんど光子として存在しており、一方、下位ポラリトン準位P1では、同じ波数領域で|α|2がほぼ0になっており、光子としての成分をほとんど有していない。このような関係は、図15に示す|β|2についても同様である。 In the dispersion relation of FIG. 13, in a region having a large absolute value of the wave number k y in the y-axis direction, the upper polariton level P2 is the energy of the photon, also lower polariton level P1 is the electron energy, asymptotic respectively ing. Therefore, as shown in FIG. 14, the upper polariton level P2, the region having a larger absolute value of the wave number k y | α | has a two approximately 1, and most exist as photons, whereas the lower In the polariton level P1, | α | 2 is almost 0 in the same wavenumber region, and has almost no component as a photon. This relationship is the same for | β | 2 shown in FIG.
一方、図14、15に示す|α|2、|β|2ともに、y軸方向への波数kyが0の近傍では、互いに0.5に近い値をとる。これは、波数kyがゼロのときに相互作用が最も強くなり、光子系と電子系の寄与がともに同程度となっていることを示している。このような状況では、ポラリトンとしての性質が強く現れるため、下位ポラリトン準位P1のエネルギーの極小点に、生成されたポラリトンを凝集させることが可能となる。 On the other hand, the illustrated FIG. 14,15 | α | 2, | β | 2 together, in the vicinity of the wave number k y in the y-axis direction is 0 takes a value close to 0.5 to each other. This indicates that the wave number k y interaction at zero is the strongest, the photon system and contribution of the electronic system are both the same level. In such a situation, since the property as a polariton appears strongly, the generated polariton can be aggregated at the minimum point of the energy of the lower polariton level P1.
また、相互作用が最も強く現れる共鳴点から大きく外れた波数領域では、上記したように下位ポラリトン準位P1は光子の性質を失って電子の性質に近づき、同一のエネルギー状態へのポラリトンの凝集が不可能となる。このような点を考慮すると、y軸方向の波数ky=0における下位ポラリトン準位P1、及び上位ポラリトン準位P2に対する光子系または電子系のHopfield係数の絶対値の2乗|α|2、|β|2が、0.5を中心として少なくとも0.2以上0.8以下であることが好ましい。 Also, in the wave number region that is greatly deviated from the resonance point at which the interaction is the strongest, the lower polariton level P1 loses the property of the photon and approaches the property of the electron as described above, and the aggregation of the polariton to the same energy state is caused. It becomes impossible. Considering this point, the square of the absolute value of the Hopfield coefficient of the photon system or the electron system for the lower polariton level P1 and the upper polariton level P2 at the wave number k y = 0 in the y -axis direction | α | 2 , | Β | 2 is preferably at least 0.2 and at most 0.8 with 0.5 as the center.
共振器幅Wを大きくすると、共振器中の光子のエネルギーは減少し、光子系と電子系との共鳴点は、波数ky=0の位置からkyの大きな領域へと移動する。このため、波数ky=0にある下位ポラリトン準位P1のエネルギーの極小点と、共鳴点とが離れていく。このとき、Hopfield係数の値を上記した範囲内とするための共振器幅Wの上限を計算によって求めると、条件Ec=ΔE21が成立するときの共振器幅Wcに対し、共振器幅を15%増加させた場合が上限となり、したがって、共振器幅Wは、Wc以上1.15×Wc以下の範囲内で設定することが好ましい。 When the resonator width W is increased, the energy of the photons in the resonator decreases, and the resonance point between the photon system and the electron system moves from the position of wave number k y = 0 to a region with a large k y . For this reason, the minimum point of the energy of the lower polariton level P1 at the wave number k y = 0 is away from the resonance point. At this time, when the upper limit of the resonator width W for making the value of the Hopfield coefficient within the above range is obtained by calculation, the resonator width with respect to the resonator width W c when the condition E c = ΔE 21 is satisfied. If the increased 15% is the upper limit, therefore, the resonator width W is preferably set within 1.15 × W c below the range of W c.
具体的には例えば、Wc=1.17μmの上記した例では、1.15×Wc=1.35μmである。また、このとき、共振器中の光子のエネルギーは145meVである。このときの分散関係、及びHopfield係数α、βを図16〜18に示す。図16は、共振器幅W=1.15×Wc=1.35μmの場合の活性層におけるポラリトンの分散曲線を示すグラフである。 Specifically, for example, in the above-described example where W c = 1.17 μm, 1.15 × W c = 1.35 μm. At this time, the energy of the photon in the resonator is 145 meV. The dispersion relation and the Hopfield coefficients α and β at this time are shown in FIGS. FIG. 16 is a graph showing a dispersion curve of polaritons in the active layer when the resonator width W = 1.15 × W c = 1.35 μm.
図17は、光子に対するHopfield係数αの絶対値の2乗|α|2の波数依存性を示すグラフである。また、図18は、電子に対するHopfield係数βの絶対値の2乗|β|2の波数依存性を示すグラフである。これらの図17、18において、実線で示すグラフB2、B4は、それぞれ上位ポラリトン準位P2に対応するHopfield係数の値を示している。また、破線で示すグラフB1、B3は、それぞれ下位ポラリトン準位P1に対応するHopfield係数の値を示している。 FIG. 17 is a graph showing the wave number dependency of the square | α | 2 of the absolute value of the Hopfield coefficient α with respect to photons. FIG. 18 is a graph showing the wave number dependence of the square | β | 2 of the absolute value of the Hopfield coefficient β for electrons. In FIGS. 17 and 18, graphs B2 and B4 indicated by solid lines indicate Hopfield coefficient values corresponding to the upper polariton level P2. Further, graphs B1 and B3 indicated by broken lines indicate Hopfield coefficient values corresponding to the lower polariton level P1, respectively.
なお、半導体発光素子1Aにおいて、プラズモン共振器構造の共振器幅Wを、条件Ec=ΔE21が成立する共振器幅Wcよりも小さい幅とすると、光子系と電子系とが交差しなくなり、反交差による大きな分裂エネルギーを得ることができなくなる。したがって、共振器幅Wの下限は、上記した共振器幅Wcとなる。 In the semiconductor light emitting device 1A, if the resonator width W of the plasmon resonator structure is smaller than the resonator width W c where the condition E c = ΔE 21 is satisfied, the photon system and the electron system do not cross each other. , You will not be able to obtain large splitting energy due to anti-crossing. Therefore, the lower limit of the resonator width W, the resonator width W c described above.
ここで、ISBポラリトンを用いた半導体発光素子1Aにおける具体的な活性層構造、及び活性層における準位構造等については、上記した構成例以外にも、様々な構成を用いることができる。例えば、活性層は、注入層と発光層とが複数交互に積層されたカスケード構造を有する構成としても良い。このような構成によっても、活性層におけるISBポラリトンを用いた発光動作を好適に実現することができる。なお、このような構成の活性層については、例えば量子カスケードレーザを参照することができる。 Here, regarding the specific active layer structure in the semiconductor light emitting element 1A using ISB polaritons, the level structure in the active layer, and the like, various configurations other than the above configuration examples can be used. For example, the active layer may be configured to have a cascade structure in which a plurality of injection layers and light emitting layers are alternately stacked. Even with such a configuration, a light emitting operation using ISB polaritons in the active layer can be suitably realized. For the active layer having such a configuration, for example, a quantum cascade laser can be referred to.
また、発光層における準位構造については、発光層は、サブバンド準位構造において、上位準位よりも高いエネルギー準位である第2上位準位を有し、第2上位準位において生成されたポラリトンを下位ポラリトン準位に注入するように構成されているとともに、第2上位準位は、下位ポラリトン準位の極小点に対して縦光学(LO:Longitudinal Optical)フォノンのエネルギーだけ高いエネルギー準位である構成としても良い。このような構成によれば、発光に関わる下位ポラリトン準位に対して、第2上位準位を介して効率的にポラリトンを供給することができる。 As for the level structure in the light-emitting layer, the light-emitting layer has a second upper level, which is an energy level higher than the upper level in the subband level structure, and is generated in the second upper level. The second upper level is an energy level that is higher than the minimum point of the lower polariton level by the energy of longitudinal optic (LO) phonons. It is good also as a structure which is a rank. According to such a configuration, polaritons can be efficiently supplied to the lower polariton levels related to light emission via the second upper level.
また、この場合、第2上位準位及び(第1)上位準位のエネルギー間隔は、縦光学フォノンのエネルギーよりも小さく設定されていることが好ましい。これにより、第2上位準位から第1上位準位への電子の高速な緩和を禁止して、上記した下位ポラリトン準位へのポラリトンの供給を好適に実現することができる。以下、半導体発光素子1Aにおける活性層、及び活性層での準位構造等の他の構成例について説明する。 In this case, the energy interval between the second upper level and the (first) upper level is preferably set smaller than the energy of the longitudinal optical phonon. Thereby, fast relaxation of electrons from the second upper level to the first upper level is prohibited, and the supply of polaritons to the lower polariton level can be preferably realized. Hereinafter, other configuration examples such as an active layer and a level structure in the active layer in the semiconductor light emitting device 1A will be described.
図19は、図1に示した半導体発光素子1Aの活性層20の半導体積層構造、及び活性層20におけるサブバンド準位構造の第2の例を示す図である。ここでは、半導体発光素子1Aに対して動作電圧を印加した状態(バイアス印加状態)でのサブバンド準位構造を示している。
FIG. 19 is a diagram illustrating a second example of the semiconductor stacked structure of the
本構成例における活性層20は、図2と同様の発光層30と、発光層30の前段の注入層31と、発光層30の後段の抽出層35と、コンタクト層38、39とを有するとともに、それらに加え、(第1)発光層30と抽出層35との間に、さらに、抽出障壁層331を含む第2注入層33と、注入障壁層321を含む第2発光層32とを有して構成されている。すなわち、図19に示す活性層20は、注入層31、33と発光層30、32とが2層交互に積層されたカスケード構造を有し、その最終段に抽出層35が設けられた構成となっている。
The
図20は、半導体発光素子1Aの活性層20における半導体積層構造の第2の例を示す図表であり、図19に示した構成に対応した例を示している。この構成例における活性層厚さTは144nmであり、第1の例と同様に、共振器中での光の波長の1/4となる共振器厚さT=590nm以下となっている。また、共振器幅Wについては、第1の例と同様に1.17μmとすれば良い。このような構成によれば、活性層20をカスケード構造(QC構造)とすることにより、発光強度を増加させることができる。
FIG. 20 is a chart showing a second example of the semiconductor stacked structure in the
図21は、図1に示した半導体発光素子1Aの活性層20の半導体積層構造、及び活性層20におけるサブバンド準位構造の第3の例を示す図である。ここでは、半導体発光素子1Aに対して動作電圧を印加した状態(バイアス印加状態)でのサブバンド準位構造を示している。
FIG. 21 is a diagram showing a third example of the semiconductor stacked structure of the
本構成例における活性層20は、発光層30と、発光層30の前段の注入層31と、発光層30の後段の抽出層35と、コンタクト層38、39とを有して構成されている。発光層30は、そのサブバンド準位構造において、(第1)上位準位L2と、下位準位L1と、上位準位L2よりも高いエネルギー準位である第2上位準位L3とを有しており、後述するように、第2上位準位L3において生成されたポラリトンを下位ポラリトン準位P1に注入するように構成されている。第2上位準位L3は、下位ポラリトン準位P1の極小点に対してLOフォノンのエネルギーだけ高いエネルギー準位である。また、第2上位準位L3及び第1上位準位L2のエネルギー間隔ΔE32は、好ましくは、LOフォノンのエネルギーよりも小さく設定される。
The
図22は、半導体発光素子1Aの活性層20における半導体積層構造の第3の例を示す図表であり、図21に示した構成に対応した例を示している。また、図23は、図22に示した活性層20におけるバイアス印加状態(70kV/cm)でのサブバンド準位構造を示す図である。本構成例では、発光層30は、注入層31側から順に、注入障壁層301、井戸層304、障壁層305、及び井戸層306によって構成されており、井戸層304において、第2上位準位L3が形成されており、また、井戸層306において、第1上位準位L2、及び下位準位L1が形成されている。
FIG. 22 is a chart showing a third example of the semiconductor stacked structure in the
図24は、半導体発光素子1Aの本構成例の活性層20におけるポラリトンの分散曲線を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸はy軸方向の波数kyを示し、縦軸はエネルギーEを示している。また、図24において、グラフG0は、光子のエネルギーの波数依存性を示している。また、グラフG2は、エネルギーE2の第1上位準位L2に対応する電子のエネルギーの波数依存性を示している。また、グラフG3は、エネルギーE3の第2上位準位L3に対応する電子のエネルギーの波数依存性を示している。また、グラフの横軸は、下位準位L1のエネルギーE1に対応している。
FIG. 24 is a graph showing a polariton dispersion curve in the
また、図24において、P1は、準位L3〜L1からなるサブバンド電子準位構造に起因して形成されるポラリトン準位構造における下位ポラリトン準位を示し、P2は、第1上位ポラリトン準位を示し、P3は、第2上位ポラリトン準位を示している。 In FIG. 24, P1 represents a lower polariton level in a polariton level structure formed due to a subband electron level structure composed of levels L3 to L1, and P2 represents a first upper polariton level. P3 represents the second upper polariton level.
上位準位と下位準位とが波数ベクトルに対して平行な分散関係を持つISB遷移では、光子と結合せずに発光に寄与しない、電子−電子散乱による暗いポラリトンが多く生成される。ISBにおいては、このような暗いポラリトンの方が光子と結合する明るいポラリトンに比べて多く存在し、このことは、高効率な発光素子の実現を阻害する要因となる可能性がある。 In the ISB transition in which the upper level and the lower level have a dispersion relationship parallel to the wave vector, many dark polaritons are generated by electron-electron scattering that do not contribute to light emission because they are not coupled with photons. In ISB, such dark polaritons are more present than bright polaritons that combine with photons, which may be a factor that impedes the realization of a highly efficient light-emitting element.
そこで、図24に示すように、下位ポラリトン準位P1の極小点からLOフォノンのエネルギーELOだけ高い位置に、第2上位準位L3を用意する。これにより、電子−電子散乱によって生成された準位L3付近に存在する暗いポラリトンを、LOフォノン散乱によって高速に下位ポラリトン準位P1の明るいポラリトンに緩和、凝集させることができる。なお、例えば量子井戸構造をInGaAs/InAlAsによって構成した場合、LOフォノンのエネルギーはELO=34meVである。 Therefore, as shown in FIG. 24, the second upper level L3 is prepared at a position higher by the LO phonon energy E LO than the minimum point of the lower polariton level P1. As a result, the dark polariton existing in the vicinity of the level L3 generated by electron-electron scattering can be relaxed and aggregated at high speed into the bright polariton of the lower polariton level P1 by LO phonon scattering. For example, when the quantum well structure is composed of InGaAs / InAlAs, the energy of LO phonon is E LO = 34 meV.
この場合、前段の注入層31からの電子は、新たに用意した第2上位準位L3に注入されるように、サブバンド準位構造を設計することが好ましい。また、このとき、上記したように、準位L3、L2のエネルギー間隔ΔE32を、LOフォノンのエネルギーELOよりも小さく設定し、準位L3から準位L2へのLOフォノン散乱による高速な遷移を禁止しておくことが重要である。これにより、準位L3付近で生成される暗いポラリトンを、効率的に下位ポラリトン準位P1のエネルギーの極小点へと緩和させ、高効率にポラリトンを凝集させることができる。なお、LOフォノンを介して暗いポラリトンから明るいポラリトンへと緩和させる構成については、特許文献1を参照することができる。プラズモン共振器構造内に、このような構造の活性層を導入することで、より効率的に、強く相互作用したポラリトンを凝集させることができる。
In this case, it is preferable to design the subband level structure so that electrons from the
図25は、半導体発光素子における素子構造の他の例を概略的に示す斜視図である。図25に示す半導体発光素子1Bは、その基本的な構成は図1に示した半導体発光素子1Aと同様であるが、基板10上に設けられるメサ型の活性層構造として、単一の活性層20に代えて、同一の構成を有する3個の活性層20a、20b、20cがx軸方向に並んで配置されている点で、素子1Aとは異なる。また、活性層20a、20b、20cの上側には、それぞれ第1金属層11a、11b、11cが設けられている。なお、第2金属層12は、3個の活性層に共通の金属層として設けられている。このような構成によれば、半導体発光素子1Bの全体としての発光輝度を増大させることができる。なお、図25に示した構成では、同様の構造を有する複数個の活性層構造をx軸方向に周期的に配列しているが、非周期的に配列しても良い。
FIG. 25 is a perspective view schematically showing another example of the element structure in the semiconductor light emitting element. The semiconductor
本発明による半導体発光素子は、上記した実施形態、及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した構成例では、半導体基板としてInP基板を用い、活性層をInGaAs/InAlAsによって構成した例を示したが、上記した半導体積層構造、準位構造、及び発光動作を実現可能なものであれば、具体的には様々な構成を用いて良い。 The semiconductor light emitting device according to the present invention is not limited to the above-described embodiments and configuration examples, and various modifications are possible. For example, in the above configuration example, an InP substrate is used as the semiconductor substrate and the active layer is configured by InGaAs / InAlAs. However, the above semiconductor stacked structure, level structure, and light emitting operation can be realized. Specifically, various configurations may be used.
このような半導体材料系については、上記したInGaAs/InAlAs以外にも、例えばGaAs/AlGaAs、InAs/AlSb、GaN/AlGaN、SiGe/Siなど、様々な材料系を用いることが可能である。また、半導体の結晶成長方法についても、様々な方法を用いて良い。また、プラズモン共振器構造を構成する第1、第2金属層についても、上記した構成例ではAu層を例示したが、このような金属層の材料については、Au以外の金属材料を用いても良い。 As such a semiconductor material system, various material systems such as GaAs / AlGaAs, InAs / AlSb, GaN / AlGaN, and SiGe / Si can be used in addition to the above InGaAs / InAlAs. Various methods may be used for the semiconductor crystal growth method. Further, the first and second metal layers constituting the plasmon resonator structure are also exemplified by the Au layer in the above-described configuration example. However, for such a metal layer, a metal material other than Au may be used. good.
本発明は、ISBポラリトンの生成、凝集、及びそれによる発光動作を、高効率で実現することが可能な半導体発光素子として利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as a semiconductor light emitting device capable of realizing ISB polariton generation, aggregation, and light emission operation thereby with high efficiency.
1A、1B…半導体発光素子、10…基板、11、11a〜11c…第1金属層、12…第2金属層、13…下部金属電極層、15…電圧源、20、20a〜20c…活性層、21、22…幅方向の側面、23、24…長さ方向の端面、
30、32…量子井戸発光層、31、33…注入層、35…抽出層、38、39…コンタクト層、301、321…注入障壁層、305…量子障壁層、302、304、306…量子井戸層、331、351…抽出障壁層、
L1…下位準位、L2…上位準位、L3…第2上位準位、Li…注入準位、Le…抽出準位、P1…下位ポラリトン準位、P2…上位ポラリトン準位、P3…第2上位ポラリトン準位。
DESCRIPTION OF
30, 32 ... Quantum well light emitting layer, 31, 33 ... Injection layer, 35 ... Extraction layer, 38, 39 ... Contact layer, 301, 321 ... Injection barrier layer, 305 ... Quantum barrier layer, 302, 304, 306 ... Quantum well Layers, 331, 351 ... extraction barrier layers,
L1 ... lower level, L2 ... upper level, L3 ... second upper level, Li ... injection level, Le ... extraction level, P1 ... lower polariton level, P2 ... upper polariton level, P3 ... second Upper polariton level.
Claims (8)
前記活性層に対して半導体積層方向の一方側に設けられた第1金属層と、
前記活性層に対して前記半導体積層方向の他方側に設けられ、前記第1金属層とともにプラズモン共振器構造を形成する第2金属層とを備え、
前記発光層は、そのサブバンド準位構造において、上位準位、及び下位準位を少なくとも有するとともに、前記サブバンド準位構造に起因して、上位ポラリトン準位、及び下位ポラリトン準位を含むポラリトン準位構造が形成されて、前記下位ポラリトン準位から前記下位準位への遷移によって光が生成され、
前記プラズモン共振器構造において、前記半導体積層方向での共振器厚さTは、共振器中での光の波長以下に設定されるとともに、共振器幅Wは、前記上位準位及び前記下位準位のエネルギー間隔と、共振器中での光のカットオフエネルギーとが一致するときの共振器幅をWcとして、Wc以上1.15×Wc以下の範囲内で設定されることを特徴とする半導体発光素子。 An active layer having a light emitting layer including at least one quantum well layer, and an injection layer provided in a preceding stage of the light emitting layer and used for injecting electrons into the light emitting layer;
A first metal layer provided on one side in the semiconductor stacking direction with respect to the active layer;
A second metal layer provided on the other side of the semiconductor lamination direction with respect to the active layer and forming a plasmon resonator structure together with the first metal layer;
The light emitting layer has at least an upper level and a lower level in its subband level structure, and a polariton including an upper polariton level and a lower polariton level due to the subband level structure. A level structure is formed, and light is generated by the transition from the lower polariton level to the lower level,
In the plasmon resonator structure, the resonator thickness T in the semiconductor stacking direction is set to be equal to or less than the wavelength of light in the resonator, and the resonator width W is set to the upper level and the lower level. and energy intervals, and characterized in that the resonator width when the light cut-off energy in the resonator is matched as W c, is set within the range of W c or 1.15 × W c A semiconductor light emitting device.
前記抽出障壁層の厚さは、前記注入障壁層の厚さに対して70%以上150%以下の範囲内で設定されることを特徴とする請求項1または2記載の半導体発光素子。 The light emitting layer includes an injection barrier layer formed closest to the injection layer, and an extraction layer including an extraction barrier layer formed closest to the light emitting layer is provided at a subsequent stage of the light emitting layer,
3. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a thickness of the extraction barrier layer is set in a range of 70% to 150% with respect to a thickness of the injection barrier layer.
前記第2上位準位は、前記下位ポラリトン準位の極小点に対して縦光学フォノンのエネルギーだけ高いエネルギー準位であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項記載の半導体発光素子。 The light emitting layer has a second upper level which is an energy level higher than the upper level in the subband level structure, and polariton generated at the second upper level is converted to the lower polariton level. Configured to inject
7. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the second upper level is an energy level higher than a minimum point of the lower polariton level by an energy of a longitudinal optical phonon. element.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2013151714A JP2015023214A (en) | 2013-07-22 | 2013-07-22 | Semiconductor light emitting element |
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