JP2658291B2 - 発光素子 - Google Patents
発光素子Info
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- JP2658291B2 JP2658291B2 JP27986188A JP27986188A JP2658291B2 JP 2658291 B2 JP2658291 B2 JP 2658291B2 JP 27986188 A JP27986188 A JP 27986188A JP 27986188 A JP27986188 A JP 27986188A JP 2658291 B2 JP2658291 B2 JP 2658291B2
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は固体、特に半導体を利用した高効率の発光デ
バイスに関する。
バイスに関する。
（従来の技術） 近年、光コンピュータの実現を目標とした光デバイス
の集積化の動向とともに、発光デバイスにおいては低消
費パワー化が強く要求されるようになってきている。こ
の要請の中で、従来のレーザと異なりすべての発光エネ
ルギーを光共振器の共振波長に一致する波長の光として
とりだすという方法が注目を浴びている。その１つとし
て発光体を波長サイズの球状または直方体状の３次元間
共振器内に配置するという提案がなされている。また、
これとは別に異なる組成の２つの材料が1/2波長の周期
で３次元的に配置された３次元分布帰還形共振器とも呼
べる構造が提案されている前者の提案については、小林
らによる、昭和57年第43回応用物理学会学術講演会予稿
集29a−Ｂ−６中に記載がなされている。この中では共
振器中の発光現象の定性的説明と、この現象を利用した
いくつかの新しい発光機能素子の提案がなされている。
また、後者の提案については、ヤブロノビッチ（Ｅ・Ya
blonovitch）によるフィジカルレビューレターズ（Phy
s.Rev.Lett.）の1987年第58巻お2059頁〜2062頁にわた
って掲載された論文の中に詳しい説明がある。この論文
中では、前者の微小な３次元閉共振器構造に代えて３次
元的に1/2波長の周期で組成の異なる材料を配置した構
造により、超低閾値の半導体レーザを実現することを提
案している。
の集積化の動向とともに、発光デバイスにおいては低消
費パワー化が強く要求されるようになってきている。こ
の要請の中で、従来のレーザと異なりすべての発光エネ
ルギーを光共振器の共振波長に一致する波長の光として
とりだすという方法が注目を浴びている。その１つとし
て発光体を波長サイズの球状または直方体状の３次元間
共振器内に配置するという提案がなされている。また、
これとは別に異なる組成の２つの材料が1/2波長の周期
で３次元的に配置された３次元分布帰還形共振器とも呼
べる構造が提案されている前者の提案については、小林
らによる、昭和57年第43回応用物理学会学術講演会予稿
集29a−Ｂ−６中に記載がなされている。この中では共
振器中の発光現象の定性的説明と、この現象を利用した
いくつかの新しい発光機能素子の提案がなされている。
また、後者の提案については、ヤブロノビッチ（Ｅ・Ya
blonovitch）によるフィジカルレビューレターズ（Phy
s.Rev.Lett.）の1987年第58巻お2059頁〜2062頁にわた
って掲載された論文の中に詳しい説明がある。この論文
中では、前者の微小な３次元閉共振器構造に代えて３次
元的に1/2波長の周期で組成の異なる材料を配置した構
造により、超低閾値の半導体レーザを実現することを提
案している。
（発明が解決しようとする問題点） 上述した提案における大きな問題点は、現実の固体材
料を用いた場合に、提案されている構造を実際に作製
し、また動作させるのが非常に困難なことである。例え
ば、３次元閉共振器構造を半導体材料を用いて作ること
を考えた場合、現在のドライプロセス技術を利用すれば
所定の形状に加工することはできるが、半導体表面のキ
ャリアの非発光再結合中心の数の体積に対する割合が大
きくなり、発光効率が著しく劣化することが予想され
る。また他の固体レーザ材料等を用いた場合には、所定
の形状に加工すること自体が難しい。一方、３次元的分
布帰還形共振器構造についても、現在のところ、提案さ
れている構造を可能にするプロセス技術、結晶成長技術
はまだない。
料を用いた場合に、提案されている構造を実際に作製
し、また動作させるのが非常に困難なことである。例え
ば、３次元閉共振器構造を半導体材料を用いて作ること
を考えた場合、現在のドライプロセス技術を利用すれば
所定の形状に加工することはできるが、半導体表面のキ
ャリアの非発光再結合中心の数の体積に対する割合が大
きくなり、発光効率が著しく劣化することが予想され
る。また他の固体レーザ材料等を用いた場合には、所定
の形状に加工すること自体が難しい。一方、３次元的分
布帰還形共振器構造についても、現在のところ、提案さ
れている構造を可能にするプロセス技術、結晶成長技術
はまだない。
（問題点を解決するための手段） 前述の問題点を解決するために本発明が提供する発光
素子は、発光材料からなる層構造において、該発光材料
の発光波長幅内の少なくとも一部分の波長に対して反射
特性を有する周期構造が層に平行な方向に２次元的に形
成され、かつこの２次元的な周期構造を有する発光材料
の層を一対の反射体によってはさみ３次元共振構造とす
ることを特徴としている。
素子は、発光材料からなる層構造において、該発光材料
の発光波長幅内の少なくとも一部分の波長に対して反射
特性を有する周期構造が層に平行な方向に２次元的に形
成され、かつこの２次元的な周期構造を有する発光材料
の層を一対の反射体によってはさみ３次元共振構造とす
ることを特徴としている。
（作用） 本発明では、発光材料の層に垂直方向に一対の反射体
によって構成された光共振器とともに、層に平行方向に
設けた周期構造によって実質的な３次元光共振器を形成
し、すべての発光エネルギーをこの共振器構造によって
決まる共振波長で取り出すことを利用する。例えば半導
体でこの構造を形成する場合、一対の反射体は1/4波長
の実効膜厚を持つ半導体層の多層膜を発光層をはさみこ
む形状でエピタキシャル成長で形成することができる。
また、発光層に平行な方向への周期構造は、発光層の成
長後に通常のフォトリソグラフィと加工精度の高いドラ
イエッチングを組み合せることによって製作することが
できる。このような構造では、球状または直方体状の微
小閉共振器構造と比べると、発光層における表面積と体
積比が小さくしかも発光層は異なる組成の半導体によっ
て埋め込まれるのでキャリアの非発光再結合の割合を大
きく現象させることが可能となる。
によって構成された光共振器とともに、層に平行方向に
設けた周期構造によって実質的な３次元光共振器を形成
し、すべての発光エネルギーをこの共振器構造によって
決まる共振波長で取り出すことを利用する。例えば半導
体でこの構造を形成する場合、一対の反射体は1/4波長
の実効膜厚を持つ半導体層の多層膜を発光層をはさみこ
む形状でエピタキシャル成長で形成することができる。
また、発光層に平行な方向への周期構造は、発光層の成
長後に通常のフォトリソグラフィと加工精度の高いドラ
イエッチングを組み合せることによって製作することが
できる。このような構造では、球状または直方体状の微
小閉共振器構造と比べると、発光層における表面積と体
積比が小さくしかも発光層は異なる組成の半導体によっ
て埋め込まれるのでキャリアの非発光再結合の割合を大
きく現象させることが可能となる。
（実施例） この発明の実施例について図面を参照しながら詳細な
説明を行う。
説明を行う。
第１図は、本発明を適用した発光素子の一実施例の模
式的構成を示している。GaAs基板11の上に実効長1/4波
長のAlxGa1-xAs12とAlyGa1-yAs13の交互の層を数周期な
いし数十周期積層しAlzGa1-xAs発光層14からの発光に対
る反射体を形成する。AlzGa1-zAa発光層14の積層後ドラ
イエッチングを利用したフォトリソグラフィによってこ
の層に対し層に平行な方向に２次元の周期構造を形成
し、さらにその後AlzGa1-zAs発光層14の周期構造をAlyG
a1-yAs1埋込層15によって埋めこみ、続いて、再び1/4波
長AlxGa1-xAs12と1/4波長AlyGa1-yAs13を数周期から数
十周期積層してもう一方の反射体形成する。これによっ
て全積層構造は３次元光閉じこめ半導体光共振器構造16
を形成する。
式的構成を示している。GaAs基板11の上に実効長1/4波
長のAlxGa1-xAs12とAlyGa1-yAs13の交互の層を数周期な
いし数十周期積層しAlzGa1-xAs発光層14からの発光に対
る反射体を形成する。AlzGa1-zAa発光層14の積層後ドラ
イエッチングを利用したフォトリソグラフィによってこ
の層に対し層に平行な方向に２次元の周期構造を形成
し、さらにその後AlzGa1-zAs発光層14の周期構造をAlyG
a1-yAs1埋込層15によって埋めこみ、続いて、再び1/4波
長AlxGa1-xAs12と1/4波長AlyGa1-yAs13を数周期から数
十周期積層してもう一方の反射体形成する。これによっ
て全積層構造は３次元光閉じこめ半導体光共振器構造16
を形成する。
この場合に、AlzGa1-zAs発光層14に形成された２次元
周期構造としては、第２図の（ａ），（ｂ）に示す周期
同心円パタン21または周期長方形パタン22のような形状
とした。この２つのパタンの断面図は（ｃ）に示す周期
パタン段23のようになる。（ａ），（ｂ）においてパタ
ンの中心の領域では円の直径または長方形の一辺が発光
波長の半波長の整数値の実効長となるようにしている。
２次元周期構造としては、さらに第３図に示す２次元周
期格子パタン31のような形状も用いた。
周期構造としては、第２図の（ａ），（ｂ）に示す周期
同心円パタン21または周期長方形パタン22のような形状
とした。この２つのパタンの断面図は（ｃ）に示す周期
パタン段23のようになる。（ａ），（ｂ）においてパタ
ンの中心の領域では円の直径または長方形の一辺が発光
波長の半波長の整数値の実効長となるようにしている。
２次元周期構造としては、さらに第３図に示す２次元周
期格子パタン31のような形状も用いた。
実施例では有機金属気相成長法（MOVPE）を半導体の
積層構造を形成するのに用い、1/4波長AlxGa1-xAs12の
層は、ｘ＝１即ちAlAsの組成で厚み72mmとした。また1/
4波長AlyGa1-yAs13およびAlyGa1-yAs埋込層はｙ＝0.3即
ちAl0.3Ga0.7Asの組成とし、1/4波長AlyGa1-yAs13の厚
みおよびAlyGa1-yAs埋込層15の最も薄い部分の厚みを63
nmとした。AlzGa1-zAs発光層14の組成はｚ＝０即ちGaAs
としその厚みは96nmとし２次元周期構造の深さは60nmと
した。また２次元周期構造を周期同心円パタン21とした
場合には中心の円の直径を955nmとし、周期長方形パタ
ン22の場合には中心の形状を一辺が955nmの正方形とし
た。そして周期同心円パタン21、周期長方形パタン22、
周期２次元格子パタン31のいずれの場合にも周期構造の
周期は191nmとした。これらの２次元的周期構造は、お
よび10μｍ平行の面積にわたり形成した。さらにAlzGa
1-zAs発光層14の下方の積層構造の周期数を20、また上
方の積層構造の周期数を15とした。
積層構造を形成するのに用い、1/4波長AlxGa1-xAs12の
層は、ｘ＝１即ちAlAsの組成で厚み72mmとした。また1/
4波長AlyGa1-yAs13およびAlyGa1-yAs埋込層はｙ＝0.3即
ちAl0.3Ga0.7Asの組成とし、1/4波長AlyGa1-yAs13の厚
みおよびAlyGa1-yAs埋込層15の最も薄い部分の厚みを63
nmとした。AlzGa1-zAs発光層14の組成はｚ＝０即ちGaAs
としその厚みは96nmとし２次元周期構造の深さは60nmと
した。また２次元周期構造を周期同心円パタン21とした
場合には中心の円の直径を955nmとし、周期長方形パタ
ン22の場合には中心の形状を一辺が955nmの正方形とし
た。そして周期同心円パタン21、周期長方形パタン22、
周期２次元格子パタン31のいずれの場合にも周期構造の
周期は191nmとした。これらの２次元的周期構造は、お
よび10μｍ平行の面積にわたり形成した。さらにAlzGa
1-zAs発光層14の下方の積層構造の周期数を20、また上
方の積層構造の周期数を15とした。
また、発光層を光励起で発光させる場合にはいずれの
層にもドーピングを行わなかったが、電流励起で発光さ
せる場合には、ｎ型基板を用いてAlzGa1-zAs発光層14は
ノンドープとし、その下方の積層構造はキャリア濃度10
18/cm3のｎ型、上方の積層構造はキャリア濃度108/cm3
のｐ型とし、最上層にさらに同じキャリア濃度のGaAs層
を成長させた後基板を50μｍ程度のあつさまで研磨しさ
らに上下両側への金属蒸着により電極を形成した。この
時上方から光を取り出す際にはフォトリソグラフィによ
り最上層のGaAs層を円形状に除去してリング型電極構造
とした。
層にもドーピングを行わなかったが、電流励起で発光さ
せる場合には、ｎ型基板を用いてAlzGa1-zAs発光層14は
ノンドープとし、その下方の積層構造はキャリア濃度10
18/cm3のｎ型、上方の積層構造はキャリア濃度108/cm3
のｐ型とし、最上層にさらに同じキャリア濃度のGaAs層
を成長させた後基板を50μｍ程度のあつさまで研磨しさ
らに上下両側への金属蒸着により電極を形成した。この
時上方から光を取り出す際にはフォトリソグラフィによ
り最上層のGaAs層を円形状に除去してリング型電極構造
とした。
発光を測定する際には発光素子を約20μｍ平方に切り
出しすべての端面に反射防止膜を施した。
出しすべての端面に反射防止膜を施した。
以上のような構造を用いることによって、光励起およ
び電流励起いずれの方法によっても、端面ならびに上向
きの方向に中心波長約860nm、波長幅約2nmの狭帯域の発
光出力をとり出すことができた。またこのような光出力
の発生には通常のレーザと異なり励起入力の閾値が存在
しないことが確認された。
び電流励起いずれの方法によっても、端面ならびに上向
きの方向に中心波長約860nm、波長幅約2nmの狭帯域の発
光出力をとり出すことができた。またこのような光出力
の発生には通常のレーザと異なり励起入力の閾値が存在
しないことが確認された。
本実施例では、波長が0.8μｍ帯の光を得るためにAlG
aAs系半導体材料を用いたが、本発明は特定の材料系に
限定されるものではないことは明らかである。使用する
半導体材料からの発光波長に対応したサイズの周期構造
および積層構造を形成することで、InAlGaAs系、InAlGa
p系、InAlGaSb系等の多種多様な材料を用いて同じ原理
に基づく発光素子を実現することが可能である。また本
発明における発光素子においても発光材料として半導体
量子井戸を用いることにより発光効率を改善することが
できる。
aAs系半導体材料を用いたが、本発明は特定の材料系に
限定されるものではないことは明らかである。使用する
半導体材料からの発光波長に対応したサイズの周期構造
および積層構造を形成することで、InAlGaAs系、InAlGa
p系、InAlGaSb系等の多種多様な材料を用いて同じ原理
に基づく発光素子を実現することが可能である。また本
発明における発光素子においても発光材料として半導体
量子井戸を用いることにより発光効率を改善することが
できる。
さらに、本発明による発光素子は半導体材料を用いる
場合に限定されるものではなく、光励起型の発光素子と
して見れば半導体以外の多くの無機および有機固体薄膜
発光体を用いて実現可能である。例えば発光体として有
機色素をドープしたプラスチック薄膜や金属イオンをド
ープしたガラス薄膜を用いることができる。この場合に
は発光体をはさむ一対の反射体は蒸着による金属薄膜や
誘電体多層膜で構成することができる。また、発光体の
薄膜は蒸着またはスピンコート法等で形成することがで
きる。
場合に限定されるものではなく、光励起型の発光素子と
して見れば半導体以外の多くの無機および有機固体薄膜
発光体を用いて実現可能である。例えば発光体として有
機色素をドープしたプラスチック薄膜や金属イオンをド
ープしたガラス薄膜を用いることができる。この場合に
は発光体をはさむ一対の反射体は蒸着による金属薄膜や
誘電体多層膜で構成することができる。また、発光体の
薄膜は蒸着またはスピンコート法等で形成することがで
きる。
（発明の効果） 以上に述べたように、本発明によれば、層に平行方向
に設けた周期構造によって実質的に３次元光共振器が形
成できる。このため３次元的な光共振器構造によって決
まる共振波長でのみ発光する、高効率の固体材料による
発光素子を実現することが可能となる。
に設けた周期構造によって実質的に３次元光共振器が形
成できる。このため３次元的な光共振器構造によって決
まる共振波長でのみ発光する、高効率の固体材料による
発光素子を実現することが可能となる。
第１図は本発明による発光素子の一実施例の模式的構成
を示す図である。第２図および第３図は、発光素子の発
光層に形成する２次元の周期パタンを示す図である。 11……GaAs基板、、12……1/4波長AlxGa1-xAs、 13……1/4波長AlyGa1-yAs、 14……AlzGa1-zAs発光層、 15……AlyGa1-yAs埋込層、 16……３次元光閉じこめ半導体光共振器構造、 21……周期同心円パタン、 22……周期長方形パタン、 23……周期パタン断面、 31……２次元周期格子パタン
を示す図である。第２図および第３図は、発光素子の発
光層に形成する２次元の周期パタンを示す図である。 11……GaAs基板、、12……1/4波長AlxGa1-xAs、 13……1/4波長AlyGa1-yAs、 14……AlzGa1-zAs発光層、 15……AlyGa1-yAs埋込層、 16……３次元光閉じこめ半導体光共振器構造、 21……周期同心円パタン、 22……周期長方形パタン、 23……周期パタン断面、 31……２次元周期格子パタン
Claims (1)
- 【請求項１】基板上に発光材料が積層されてなる層構造
において、該発光材料の発光波長幅内の少なくとも一部
分の波長に対して反射特性を有する周期構造が層に平行
な平面内で２次元的な周期構造を持って形成され、かつ
この２次元的な周期構造を有する発光層を一対の反射体
によってはさみ３次元共振構造とすることを特徴とする
発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27986188A JP2658291B2 (ja) | 1988-11-04 | 1988-11-04 | 発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27986188A JP2658291B2 (ja) | 1988-11-04 | 1988-11-04 | 発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02125670A JPH02125670A (ja) | 1990-05-14 |
| JP2658291B2 true JP2658291B2 (ja) | 1997-09-30 |
Family
ID=17616967
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27986188A Expired - Fee Related JP2658291B2 (ja) | 1988-11-04 | 1988-11-04 | 発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2658291B2 (ja) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5289018A (en) * | 1990-08-14 | 1994-02-22 | Canon Kabushiki Kaisha | Light emitting device utilizing cavity quantum electrodynamics |
| US5253262A (en) * | 1990-10-31 | 1993-10-12 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor laser device with multi-directional reflector arranged therein |
| JPH07245423A (ja) * | 1991-03-04 | 1995-09-19 | Nec Corp | シリコンゲルマニウム混晶を用いた発光素子およびその作製方法 |
| JP2792249B2 (ja) * | 1991-03-08 | 1998-09-03 | 日本電気株式会社 | 発光素子およびその作製方法 |
| US5537433A (en) * | 1993-07-22 | 1996-07-16 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor light emitter |
| CA2223167C (en) * | 1996-12-04 | 2004-04-27 | Hitachi, Ltd. | Organic light emitting element and producing method thereof |
| US6330265B1 (en) * | 1998-04-21 | 2001-12-11 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Optical functional element and transmission device |
| KR100472822B1 (ko) * | 2001-06-02 | 2005-03-08 | 전헌수 | 표면 발광 레이저 |
| JP2006005324A (ja) * | 2004-05-19 | 2006-01-05 | Ricoh Co Ltd | 面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよび光インターコネクションシステムおよび光通信システムおよび電子写真システムおよび光ディスクシステム |
| JP4594814B2 (ja) * | 2004-10-25 | 2010-12-08 | 株式会社リコー | フォトニック結晶レーザ、フォトニック結晶レーザの製造方法、面発光レーザアレイ、光伝送システム、及び書き込みシステム |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57130455U (ja) * | 1981-02-06 | 1982-08-14 | ||
| JPS5936988A (ja) * | 1982-08-26 | 1984-02-29 | Agency Of Ind Science & Technol | 垂直発振型半導体レ−ザ |
| JPH0632340B2 (ja) * | 1985-02-07 | 1994-04-27 | 日本電気株式会社 | 半導体発光素子 |
| JP2593845B2 (ja) * | 1985-08-30 | 1997-03-26 | ソニー株式会社 | 半導体発光装置 |
-
1988
- 1988-11-04 JP JP27986188A patent/JP2658291B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02125670A (ja) | 1990-05-14 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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