JP2877747B2 - 超格子半導体発光素子とその発光をオン・オフする方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超格子構造を有す
る超格子半導体発光素子とその発光をオン・オフする方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から光通信等に多く使用されている
発光ダイオードは、半導体における電子とホールとの発
光再結合現象を利用している。最近では、発光特性に優
れた半導体結晶が開発され、また、発光領域で発生した
光を効率よく取り出す工夫も種々なされて、優れた発光
ダイオードを容易に入手することができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
発光ダイオードは、伝導帯と価電子帯との間の直接遷移
を利用する直接遷移型と、禁制帯内の不純物準位を経由
する間接遷移を利用する間接遷移型とがあるが、いずれ
の場合でも、発光のエネルギーは、半導体結晶の禁制帯
幅をこえることはなく、大きいエネルギーを有する光、
すなわち、波長の短い光を発生することができないとい
う問題点があった。

【０００４】本発明の目的は、以上の問題点を解決し
て、従来の発光ダイオードに比較して波長の短い光を発
生することができる超格子半導体発光素子とその発光を
オン，オフする方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項１記
載の超格子半導体発光素子は、２つの電極間に、障壁層
と量子井戸層とが交互に積層されてなる超格子構造を有
する真性半導体ｉ層を挟設してなるｐｉｎ型ダイオード
素子を備えた発光素子であって、所定の第１の逆バイア
ス電圧を上記２つの電極間に印加したときに、上記障壁
層のＸ点の準位と当該障壁層の一方の側に隣接する量子
井戸層のΓ点の準位とが互いに共鳴して当該Γ点の準位
の電子が当該Ｘ点の準位にトラップされるように、かつ
上記第１の逆バイアス電圧より高い所定の第２の逆バイ
アス電圧を上記２つの電極間に印加したときに、当該Ｘ
点の準位と当該障壁層の他方の側に隣接する量子井戸層
の２次以上のΓ点の準位とが、互いに共鳴するように、
上記各障壁層の厚さと上記各量子井戸層の厚さとを設定
し、上記２つの電極間に上記第２の逆バイアス電圧以上
の逆バイアス電圧を印加することにより、上記量子井戸
層の２次以上のΓ点の準位に電子を注入して、当該電子
を当該量子井戸層の価電子帯の正孔と再結合させて発光
させることを特徴とする。

【０００６】また、請求項２記載の超格子半導体発光素
子は、請求項１記載の超格子半導体発光素子において、
上記ｐｉｎ型ダイオード素子のｐ層側から光が入射され
たときに、光が入射された量子井戸層の価電子帯の電子
を、当該量子井戸層の１次のΓ点の準位及び２次以上の
Γ点の準位のうちの少なくとも１つの準位に遷移させる
ことにより、当該量子井戸層以外の量子井戸層の２次以
上のΓ点の準位に電子を注入して発光することを特徴と
する。

【０００７】さらに、請求項３記載の超格子半導体発光
素子は、請求項２記載の超格子半導体発光素子におい
て、上記光が入射された量子井戸層の価電子帯の電子
を、当該量子井戸層の１次のΓ点の準位に遷移させるこ
とにより、当該量子井戸層以外の上記量子井戸層の２次
以上のΓ点の準位に電子を注入して発光することを特徴
とする。

【０００８】本発明に係る請求項４記載の超格子半導体
発光素子は、２つの電極間に、障壁層と量子井戸層とが
交互に積層されてなる超格子構造を有する真性半導体ｉ
層を挟設してなるｐｉｎ型ダイオード素子を備えた発光
素子であって、所定の順方向の第１のバイアス電圧を上
記２つの電極間に印加したときに、上記障壁層のＸ点の
準位と当該障壁層の一方の側に隣接する量子井戸層のΓ
点の準位とが互いに共鳴して当該Γ点の準位の電子が当
該Ｘ点の準位にトラップされるように、かつ上記第１の
バイアス電圧より高い所定の順方向の第２のバイアス電
圧を上記２つの電極間に印加したときに、当該Ｘ点の準
位と当該障壁層の他方の側に隣接する量子井戸層の２次
以上のΓ点の準位とが、互いに共鳴するように、上記各
障壁層の厚さと上記各量子井戸層の厚さとを設定し、上
記２つの電極間に上記第２のバイアス電圧以上の順方向
のバイアス電圧を印加することにより、上記量子井戸層
の２次以上のΓ点の準位に電子を注入して、当該電子を
当該量子井戸層の価電子帯の正孔と再結合させて発光さ
せることを特徴とする。

【０００９】本発明に係る請求項５記載の超格子半導体
発光素子の発光をオン・オフする方法は、請求項１乃至
４のうちの１つに記載の超格子半導体発光素子の発光を
オン・オフする方法であって、上記２つの電極に印加さ
れる逆バイアス電圧又はバイアス電圧を変化することに
より、上記超格子半導体発光素子の発光をオン・オフさ
せることを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
る実施形態について説明する。

【００１１】＜第１の実施形態＞図１は、本発明に係る
第１の実施形態である超格子半導体発光素子１０を示す
断面図である。この超格子半導体発光素子１０は、図１
に示すように、障壁層２１−０乃至２１−Ｎ（以下、総
称する場合は２１と示す。）と量子井戸層２２−０乃至
２２−Ｎ（以下、総称する場合は２２と示す。）とが交
互に繰り返して積層されてなる超格子構造を有する真性
半導体ｉ層１５を備えたヘテロ接合ｐｉｎ型ダイオード
半導体素子である。ここで、当該超格子半導体発光素子
１０においては、所定の第１の逆バイアス電圧Ｖｂ１を
電極１１，１２の間に印加したときに、量子井戸層２２
−ｎの第１準位Γ１点と隣接する障壁層２１−（ｎ＋
１）の第１準位Ｘ１点とが共鳴するように、かつ第１の
逆バイアス電圧Ｖｂ１より高い所定の第２の逆バイアス
電圧Ｖｂ２を２つの電極１１，１２間に印加したとき
に、障壁層２１ー（ｎ＋１）の第１準位Ｘ１点と障壁層
２１−（ｎ＋１）に隣接する量子井戸層２２−（ｎ＋
１）の第２準位Γ２点とが互いに共鳴するように、各障
壁層２１の厚さと各量子井戸層２２の厚さとを設定し、
量子井戸層２２−ｎの第２準位Γ２点の電子を量子井戸
層２２−ｎの価電子帯の正孔と再結合させて発光させる
ことを特徴とする。

【００１２】本実施形態の超格子半導体発光素子１０
は、図１に示すように、裏面に平板形状のＡｕからなる
電極１２が形成され、Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが
例えば注入量１０¹⁸／ｃｍ³だけ注入されたｎ−ＧａＡ
ｓにてなる厚さ３００μｍのｎ型半導体基板２０上に、
以下の各層が順次、ｎ型半導体基板２０から近接した側
から積層されて形成される。 （ａ）Ｓｉにてなるｎ型不純物イオンが例えば注入量２
×１０¹⁸／ｃｍ³だけ注入されたｎ−ＧａＡｓにてなる
厚さ０．８μｍのｎ型バッファ層１７； （ｂ）ｉ−ＧａＡｓにてなる厚さ１０ｎｍのｉ型クラッ
ド層１６； （ｃ）超格子構造を有する厚さ約１．１μｍの真性半導
体ｉ層（ｉ−ＳＬ）１５； （ｄ）ｉ−ＧａＡｓにてなる厚さ１０ｎｍのｉ型クラッ
ド層１４； （ｅ）Ｂｅにてなるｐ型不純物イオンが例えば注入量５
×１０¹⁸／ｃｍ³だけ注入されたｐ−ＧａＡｓにてなる
厚さ５０ｎｍのｐ型キャップ層１３；並びに、 （ｆ）厚さ方向に貫通する孔が中央部に形成されたリン
グ形状のＡｕからなる電極１１。

【００１３】なお、電極１１をリング形状にするのは、
上記の積層を行った後に所定のエッチング方法により行
われる。また、上記真性半導体ｉ層１５は、量子井戸層
２２−Ｎがｉ型クラッド層１６に隣接するように、Ｇａ
Ａｓにてなり２２原子層の厚さ約６２Åの量子井戸層２
２と、ＡｌＡｓにてなり１８原子層の厚さ約５０Åの障
壁層２１とを交互に、例えば１００周期（すなわち１０
０対）で積層されて形成される。そして、電極１１は逆
バイアス電圧Ｖｂの可変直流電源３０の負極に接続さ
れ、電極１２は可変直流電源３０の正極に接続されるこ
とによって、超格子半導体発光素子１０の電極１１，１
２間に所定の電界が印加されることになる。

【００１４】ところで、本実施形態のように、超格子構
造を有する真性半導体ｉ層１５の部分でその障壁層２１
の厚みが非常に薄いと、電界によって加速された電子は
トンネリング現象によって隣り合う離れた障壁層２１中
のＸ点準位に遷移できる。これに対して、超格子構造で
はなく、総て単一組成のバルク型半導体である場合に
は、このＸ点は空間的に連続して存在するため、一旦Ｘ
点に入った電子はＸ点の中を流れることができる。とこ
ろが、超格子構造を有する真性半導体ｉ層１５において
は、障壁層２１と量子井戸層２２の組成が異なるためそ
のＸ点のエネルギー準位も大きく異なっており、障壁層
２１中のＸ点の電子は量子井戸層２２へは流れ込めず、
障壁層２１中に局在する。一旦障壁層２１中のＸ点に捕
われた電子は一般的にその緩和時間が非常に長いため、
障壁層２１中のＸ点に捕われたままになる。しかし、超
格子構造を以下のようなある特殊な構造にすることによ
り、障壁層２１中のＸ点に捕われた電子を再びΓ点の準
位に戻すことができるようになる。

【００１５】まず、第１の実施形態の超格子半導体発光
素子１０における真性半導体ｉ層１５のエネルギーバン
ド構造について説明する。真性半導体ｉ層１５は、各障
壁層２１の厚さが各量子井戸層２２の厚さに比較して薄
い半導体超格子構造を有しており、図２は、真性半導体
ｉ層１５の逆バイアス電圧Ｖｂに対するエネルギーバン
ド図であり、図３は、真性半導体ｉ層１５の厚さ方向の
位置に対するエネルギーバンド図である。

【００１６】図２及び図３において、Γは、量子井戸層
２２において、波数ベクトルｋ＝０又は（０００）とな
るときの波数ベクトルｋ空間における伝導帯下端の点で
あり、Ｘは、障壁層２１において、波数ベクトルｋ＝
（１００）となるときの波数ベクトルｋ空間における伝
導帯下端の点である。また、障壁層２１がバルク型半導
体でないときの１次の第１準位、２次の第２準位、…の
Ｘ点をそれぞれＸ１点、Ｘ２点、…と示す一方、量子井
戸層２２がバルク型半導体でないときの１次の第１準
位、２次の第２準位、…のΓ点をそれぞれΓ１点、Γ２
点、…と示している。さらに、図２及び図３において、
Γ２（０）は量子井戸層２２−０におけるΓ２点を示
し、Γ２（１）は量子井戸層２２−１におけるΓ２点を
示し、以下同様である。また、Ｘ１（１／２）は、量子
井戸層２２−０と量子井戸層２２−１との間の障壁層２
１−１におけるＸ１点を示し、Ｘ１（１・１／２）は、
量子井戸層２２−１と量子井戸層２２−２との間の障壁
層２１−２におけるＸ１点を示し、以下同様である。

【００１７】図２から明らかなように、逆バイアス電圧
Ｖｂを高くすることにより、各層２１，２２における閉
じ込め効果は弱くなり、各Ｘ点及び各Γ点における準位
エネルギーは低下してくることがわかる。また、図２の
グラフからさらに、次のことがわかる。すなわち、第１
の実施形態では、逆バイアス電圧Ｖｂ≒１７Ｖ（第１の
逆バイアス電圧Ｖｂ１）の所定の値において、量子井戸
層２２−１の第１準位Γ１（１）と、量子井戸層２２−
１に隣接する障壁層２１−２の第１準位Ｘ１（１・１／
２）とを実質的に一致させ、量子井戸層２２−１の第１
準位Γ１（１）と障壁層２１−２の第１準位Ｘ１（１・
１／２）とを共鳴させている。また、逆バイアス電圧Ｖ
ｂ≒３４Ｖ（第２の逆バイアス電圧Ｖｂ２）の所定の値
において、障壁層２１−１の第１準位Ｘ１（１／２）
と、障壁層２１−１に隣接する量子井戸層２２−１の第
２準位Γ２（１）とを実質的に一致させ、障壁層２１−
１の第１準位Ｘ１（１／２）と量子井戸層２２−１の第
２準位Γ２（１）とを共鳴させている。

【００１８】図２においては、量子井戸層２２−１及び
障壁層２１−１，２１−２のエネルギー準位を用いて説
明したが、真性半導体ｉ層１５は量子井戸層２２と障壁
層２１とが交互に積層された周期構造を有するので、上
述した共鳴関係は、量子井戸層２２−ｎ及び障壁層２１
−ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）について一般的に成り立
つ。すなわち、第１の実施形態において、真性半導体ｉ
層１５の量子井戸層２２と障壁層２１の各厚さは、以下
の（１）及び（２）の条件を満足するように設定する。 （１）所定の第１の逆バイアス電圧Ｖｂ１において、量
子井戸層２２−ｎの第１準位Γ１点と、量子井戸層２２
−ｎに隣接する障壁層２１−（ｎ＋１）の第１準位Ｘ１
点とが実質的に一致し、量子井戸層２２−ｎの第１準位
Γ１点と障壁層２１−（ｎ＋１）の第１準位Ｘ１点とが
共鳴（以下、第１の共鳴という。）する。ここで、ｎ＝
０，１，２，…，Ｎ−１である。 （２）第１の逆バイアス電圧Ｖｂ１より高い所定の第２
の逆バイアス電圧Ｖｂ２において、障壁層２１−ｎの第
１準位Ｘ１点と、障壁層２１−ｎに隣接する量子井戸層
２２−ｎの第２準位Γ２点とが実質的に一致し、障壁層
２１−ｎの第１準位Ｘ１点と量子井戸層２２−ｎの第２
準位Γ２点とが共鳴（以下、第２の共鳴という。）す
る。ここで、ｎ＝０，１，２，…，Ｎである。

【００１９】以上のように構成された超格子構造を有す
る真性半導体ｉ層１５においては、まず、図１に示すよ
うに、電極１１の孔からｐ型キャップ層１３とｉ型クラ
ッド層１４を介して、真性半導体ｉ層１５の量子井戸層
２２−０に光を入射する。これによって、量子井戸層２
２−０の価電子帯の電子を量子井戸層２２−０の第１準
位Γ１点に遷移させて、当該第１準位Γ１点に電子であ
るキャリアを生成する。以上の状態で、印加する逆バイ
アス電圧Ｖｂを増加させていくと以下のような動作をす
る。すなわち、印加する逆バイアス電圧が比較的低い場
合には、量子井戸層２２−０の第１準位Γ１点の電子
は、連続したトンネル効果によって、順次、量子井戸層
２２−ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ−１）の第１準位Γ点か
ら量子井戸層２２−（ｎ＋１）の第１準位Γ点へ効率よ
く電子が伝導されて電流が流れる。このとき、量子井戸
層２２の第１準位Γ１点の電子の一部は、当該量子井戸
層２２の価電子帯における正孔準位ｈｈ１の正孔と再結
合して、第１の光を発生する。ここで、第１の光は、量
子井戸層２２の第１準位Γ１点と当該量子井戸層２２の
価電子帯における正孔準位ｈｈ１との間のエネルギー差
に対応したエネルギーを有し、比較的長い波長を有す
る。また、価電子帯における正孔準位ｈｈ１は、いわゆ
る重い正孔の正孔準位であって、外部から注入された正
孔のうち多くの正孔が正孔準位ｈｈ１に分布する。

【００２０】さらに、逆バイアス電圧Ｖｂを上昇させ
て、逆バイアス電圧Ｖｂが１７Ｖ以上になると、第１の
共鳴により、量子井戸層２２−ｎの第１準位Γ１点の電
子は、図３において矢印２０１，２０３で示すように、
障壁層２１−（ｎ＋１）の第１準位Ｘ１点にトラップさ
れるようになる。これによって、量子井戸層２２−ｎに
おいて、第１準位Γ１点と正孔準位ｈｈ１との間で再結
合することにより発光に寄与していた電子は、再結合す
る前に障壁層２１−（ｎ＋１）の第１準位Ｘ１点にトラ
ップされるようになり、第１の光の発光は急激に減少す
るようになる。さらに逆バイアス電圧Ｖｂを増加させる
と３４Ｖ前後から、第２の共鳴により、障壁層２１−ｎ
の第１準位Ｘ１点の電子は、図３において矢印２０２，
２０４で示すように、量子井戸層２２−ｎの第２準位Γ
２点の準位に急激に掃き出されるようになり、量子井戸
層２２−ｎの第２準位Γ２点の準位に電子であるキャリ
アを注入できる。

【００２１】量子井戸層２２−ｎの第２準位Γ２点の準
位に注入された電子のうち多くの電子は、障壁層２１−
ｎの第１準位Ｘ１点と量子井戸層２２−ｎの第２準位Γ
２点のエネルギー差が小さいときには、すなわち、第２
の共鳴の共鳴点付近では、当該第１準位Ｘ１点と当該第
２準位Γ２点との間を行き来して、比較的長い時間当該
第１準位Ｘ１点及び当該第２準位Γ２点に留どまる。ま
た、量子井戸層２２−ｎの第２準位Γ２点の準位に注入
された電子のうちの一部の電子は、図３において矢印３
０２，３０４に示すように、量子井戸層２２−ｎの第１
準位Γ１点に緩和するが、緩和した電子は障壁層２１−
（ｎ＋１）の第１準位Ｘ１点を介して、量子井戸層２２
−（ｎ＋１）の第２準位Γ２点に注入される。これは、
量子井戸層２２−ｎの第１準位Γ１点から障壁層２１−
（ｎ＋１）の第１準位Ｘ１点への緩和時間は数１００フ
ェムト秒と非常に短く、量子井戸層２２−ｎの第１準位
Γ１点から障壁層２１−（ｎ＋１）の第１準位Ｘ１点へ
の散乱確率が非常に高いからである。

【００２２】以上のようにして、逆バイアス電圧Ｖｂ≒
３４Ｖ（第２の逆バイアス電圧Ｖｂ２）において、量子
井戸層２２−ｎの第２準位Γ２点の電子の数を、量子井
戸層２２−ｎの第１準位Γ１点の電子の数に比較して、
大きくすることができる。そしてさらに逆バイアス電圧
Ｖｂを高くすると、量子井戸層２２−ｎの第２準位Γ２
点に注入された電子は、図３において矢印３０１，３０
３で示すように、価電子帯の正孔準位ｈｈ１の正孔と再
結合して、当該第２準位Γ２点と価電子帯の正孔準位ｈ
ｈ１との間のエネルギー差に対応したエネルギーを有す
る第２の光を発光する。ここで、量子井戸層２２−ｎの
第２準位Γ２点と、正孔準位ｈｈ１との間のエネルギー
差は、量子井戸層２２−ｎの第１準位Γ１点と、正孔準
位ｈｈ１との間のエネルギー差に比較して大きいので、
第２の光は、第１の光のエネルギーより大きいエネルギ
ーを有し、第２の光の波長は、第１の光の波長より短く
なる。

【００２３】この真性半導体ｉ層１５で発生された第２
の光は、第１の実施形態においては、図１に示すよう
に、真性半導体ｉ層１５から直接、出力するように構成
する。具体的には、例えば、通常のストライプ型レーザ
ダイオード又は発光ダイオードにおける構成と同様に、
超格子半導体発光素子１０の側方から光を出力させる。
しかしながら、本発明はこれに限らず、ｉ型クラッド層
１４とｐ型キャップ層１３とを介して、電極１１に設け
られた孔から第２の光を出力するようにしてもよいし、
ｉ型クラッド層１６とｎ型バッファ層１７とｎ型半導体
基板２０とを介して、ｎ型半導体基板２０側から出力す
るように構成してもよい。ｎ型半導体基板２０側から出
力するように構成した場合には、ｉ型クラッド層１６と
ｎ型バッファ層１７とｎ型半導体基板２０とをそれぞ
れ、光を透過するように薄く形成し、かつ電極１２に電
極１１と同様に孔を形成して、当該孔から発生した光を
出力する。

【００２４】本発明者らは、上述した動作を確認するた
めに、図２に示したエネルギー準位を有する真性半導体
ｉ層１５を試作して、その発光特性を評価した。その結
果を図４のグラフに示す。ここで、真性半導体ｉ層１５
は、２２原子層のＧａＡｓにてなる量子井戸層２２と、
１８原子層のＡｌＡｓにてなる障壁層２１とを交互に、
１００周期（すなわち１００対）で積層して形成した。
図４のグラフでは、逆バイアス電圧Ｖｂを３０Ｖから４
４Ｖの間において１Ｖのステップで変化させ、それぞれ
の逆バイアス電圧Ｖｂにおける真性半導体ｉ層１５の発
光特性を示している。図４から明らかなように、印加す
る逆バイアス電圧Ｖｂが３５Ｖ以上の時に、波長が６７
０ｎｍから６８０ｎｍの比較的波長の短い光が観測され
ている。この真性半導体ｉ層１５の量子井戸層２２にお
ける第１準位Γ１と正孔準位ｈｈ１との間の遷移による
第１の光の波長は、７６５ｎｍであることが確認されて
おり、図４に示した、６７０ｎｍから６８０ｎｍの間の
比較的短い波長を有する光は、量子井戸層２２における
第２準位Γ２点と正孔準位ｈｈ１の間の遷移による第２
の光であることがわかる。すなわち、第１の実施形態で
は、電極１１，１２の間に、第２の共鳴の共鳴点におけ
る第２の逆バイアス電圧Ｖｂ２以上の所定の逆バイアス
電圧Ｖｂを印加することにより、６７０ｎｍから６８０
ｎｍの間の比較的短い波長を有する光を発生することが
できる。

【００２５】以上のように、第１の実施形態の超格子半
導体発光素子１０は、所定の第１の逆バイアス電圧Ｖｂ
１を電極１１，１２の間に印加したときに、量子井戸層
２２−ｎの第１準位Γ１点と隣接する障壁層２１−（ｎ
＋１）の第１準位Ｘ１点とが共鳴するように、かつ第１
の逆バイアス電圧Ｖｂ１より高い所定の第２の逆バイア
ス電圧Ｖｂ２を２つの電極１１，１２間に印加したとき
に、障壁層２１ー（ｎ＋１）の第１準位Ｘ１点と障壁層
２１−（ｎ＋１）に隣接する量子井戸層２２−（ｎ＋
１）の第２準位Γ２点とが互いに共鳴するように、各障
壁層２１の厚さと各量子井戸層２２の厚さとを設定して
いる。これによって、所定の第２の逆バイアス電圧Ｖｂ
２以上の逆バイアス電圧Ｖｂを電極１１，１２の間に印
加することにより、量子井戸層２２−ｎの第２準位Γ２
点の電子を量子井戸層２２−ｎの正孔準位ｈｈ１の正孔
と再結合させることができ、量子井戸層２２−ｎの第２
準位Γ２と量子井戸層２２−ｎの正孔準位ｈｈ１との間
のエネルギー差に対応したエネルギーを有する、第１の
光に比べて波長の短い第２の光を発生することができ
る。

【００２６】また、第１の実施形態の超格子半導体発光
素子１０において、例えば、第２の光に対して大きな反
射率を有する誘電体材料からなる反射膜を、真性半導体
ｉ層１５の厚さ方向と垂直な２つの側面に設けることに
より、発光効率を高めて誘導放出を誘因することにより
レーザ発光を行うことができる。

【００２７】さらに、第１の実施形態の超格子半導体発
光素子１０において、電極１１の孔からｐ型キャップ層
１３とｉ型クラッド層１４とを介して、量子井戸層２２
−０に所定の波長の光を照射して、量子井戸層２２−０
の価電子帯の電子を量子井戸層２２−０の第１準位Γ１
点に遷移させ、かつ超格子半導体発光素子１０の電極１
１，１２の間に、第２の逆バイアス電圧Ｖｂ２以上の所
定の逆バイアス電圧Ｖｂを印加することにより、量子井
戸層２２−ｎの第２準位Γ２点と量子井戸層２２−ｎの
正孔準位ｈｈ１との差のエネルギー差に対応したエネル
ギーを有する第２の光を発生させることができる。この
場合、量子井戸層２２−０に照射する光は、量子井戸層
２２−０の正孔準位ｈｈ１と第１準位Γ１点との差より
大きいエネルギーを有していれば、第２の光の波長より
長い波長の光でよい。すなわち、第１の実施形態の超格
子半導体発光素子１０は、所定の波長の光を照射して照
射した光の波長に比べて短い波長を有する第２の光を発
生することができ、光の領域における一種のアップコン
バータとして使用できる。

【００２８】以上の第１の実施形態において、真性半導
体ｉ層１５の量子井戸層２２と障壁層２１の各厚さは、
電極１１，１２の間に所定の第１の逆バイアス電圧Ｖｂ
１を印加したときに、量子井戸層２２−ｎの第１準位Γ
１点と障壁層２１−（ｎ＋１）の第１準位Ｘ１点とが共
鳴するように、かつ電極１１，１２の間に所定の第２の
逆バイアス電圧Ｖｂ２を印加したときに、障壁層２１−
ｎの第１準位Ｘ１点と量子井戸層２２−ｎの第２準位Γ
２点とが共鳴するように、設定している。これによっ
て、上述したように、逆バイアス電圧Ｖｂを１７Ｖ前後
の所定の電圧に設定したとき、第１の共鳴によって、第
１の光の発光を急激に減少させて実質的に発光を停止さ
せることができ、一方、逆バイアス電圧Ｖｂを３４Ｖ以
上の所定の値に設定することにより、第２の共鳴によ
り、第２の光を発光させることができる。すなわち、第
１の実施形態の超格子半導体発光素子１０は、電極１
１，１２の間に印加する逆バイアス電圧Ｖｂを変化させ
ることにより、超格子半導体発光素子１０の発光をオン
・オフさせることができる。

【００２９】以上の第１の実施形態において、真性半導
体ｉ層１５における各両端の層は、量子井戸層２１であ
ってもよいし、障壁層２２でもあってもよい。

【００３０】＜第２の実施形態＞図５は第２の実施形態
の超格子半導体発光素子１０ａの構成を示す縦断面図で
ある。図５の超格子半導体発光素子１０ａは、以下の
（１）（２）以外は、図１の超格子半導体発光素子１０
と同様に構成される。 （１）図１の超格子半導体発光素子１０の電極１１に代
えて中央部に孔のない電極１１ａを形成する。 （２）そして、電極１１ａは可変直流電源３０の正極に
接続され、電極１２は可変直流電源３０の負極に接続さ
れることによって、超格子半導体発光素子１０ａの電極
１１ａ，１２間に所定の順方向のバイアス電圧が印加さ
れる。

【００３１】以上のように構成された超格子半導体発光
素子１０ａに順方向のバイアス電圧を印加すると、真性
半導体ｉ層１５には、図３とは逆の傾斜を有する井戸型
ポテンシャルが形成されて、電子は量子井戸層２２−Ｎ
から量子井戸層２２−０の方向に流れるようになる。こ
の場合、真性半導体ｉ層１５においては、第１の逆バイ
アス電圧Ｖｂ１と等しい大きさの所定の順方向のバイア
ス電圧を電極１１ａ，１２の間に印加したときに、量子
井戸層２２−ｎの第１準位Γ１点と隣接する障壁層２１
−ｎの第１準位Ｘ１点とが共鳴し、かつ第２の逆バイア
ス電圧Ｖｂ２と等しい大きさの所定の順方向のバイアス
電圧を２つの電極１１ａ，１２間に印加したときに、障
壁層２１−ｎの第１準位Ｘ１点と障壁層２１−ｎに隣接
する量子井戸層２２−（ｎ−１）の第２準位Γ２点とが
互いに共鳴する。

【００３２】従って、可変直流電源３０によって、所定
の順方向のバイアス電圧を電極１１，１２に印加する一
方、ｐ型キャップ層１３とｉ型クラッド層１４とを介し
て、真性半導体ｉ層１５に電流を注入することにより、
第１の実施形態と同様に、量子井戸層２２−ｎの第２準
位Γ２点の電子を量子井戸層２２−ｎの正孔準位ｈｈ１
の正孔と再結合させることができ、量子井戸層２２−ｎ
の第２準位Γ２点と量子井戸層２２−ｎの正孔準位ｈｈ
１との間のエネルギー差に対応したエネルギーを有する
第２の光を発生することができる。また、第１の実施形
態と同様に、電極１１ａ，１２の間に印加するバイアス
電圧を変化させることにより、超格子半導体発光素子１
０ａの発光をオン・オフさせることができる。

【００３３】以上の第２の実施形態は、第１の実施形態
と同様の効果を有するとともに、光を照射することな
く、量子井戸層２２−ｎの第２準位Γ２点と量子井戸層
２２−ｎの正孔準位ｈｈ１との間のエネルギー差に対応
したエネルギーを有する第２の光を発生することができ
る。

【００３４】＜変形例＞以上の第１と第２の実施形態で
は、上述したように、ＧａＡｓを用いて超格子半導体発
光素子１０を形成したが、本発明はこれに限らず、Ｇａ
Ａｓに比較して禁制帯幅の大きいＡｌＧａＩｎＰ等の他
の化合物半導体材料を用いて超格子半導体発光素子を構
成してもよい。以上のように構成しても、第１と第２の
実施形態と同様の効果を有するとともに、第１と第２の
実施形態に比較して、波長の短い光を発生して出力する
ことができる。

【００３５】以上の第１の実施形態では、第１の共鳴に
おける第１の逆バイアス電圧Ｖｂ１を約１７Ｖに設定
し、第２の共鳴における第２の逆バイアス電圧Ｖｂ２を
約３４Ｖに設定したが、本発明はこれに限定されるもの
ではなく、第１の逆バイアス電圧Ｖｂ１＜第２の逆バイ
アス電圧Ｖｂ２を満足するように任意の値に設定でき
る。また、第１の逆バイアス電圧Ｖｂ１と第２の逆バイ
アス電圧Ｖｂ２とを比較的離れた値になるように設定し
ているが、本発明はこれに限らず、互いに近接するよう
に設定してもよい。このことは、第２の実施形態につい
ても同様である。以上のように構成しても第１と第２の
実施形態と同様の効果を有する。

【００３６】以上の第１と第２の実施形態では、所定の
第２の逆バイアス電圧Ｖｂ２又は所定のバイアス電圧を
印加したときに、障壁層２１−ｎの第１準位Ｘ１点と量
子井戸層２２−ｎの第２準位Γ２点とが共鳴するよう
に、障壁層２１の厚さと量子井戸層２２の厚さとを設定
した。しかしながら、本発明はこれに限らず、所定の逆
バイアス電圧Ｖｂ又は所定のバイアス電圧を印加したと
きに、障壁層２１−ｎの第１準位Ｘ１点と量子井戸層２
２−ｎの３次以上のΓ点の準位とが共鳴するように、障
壁層２１の厚さと量子井戸層２２の厚さとを設定しても
よい。以上のように構成することにより、第１と第２の
実施形態の第２の光に比べて波長の短い、量子井戸層２
２−ｎの３次以上のΓ点の準位と当該量子井戸層２２−
ｎの正孔準位ｈｈ１とのエネルギー差に対応したエネル
ギーを有する光を発生させることができる。

【００３７】以上の第１の実施形態の超格子半導体発光
素子１０において、電極１１の孔からｐ型キャップ層１
３とｉ型クラッド層１４とを介して、量子井戸層２２−
０に所定の波長の光を照射して、量子井戸層２２−０の
価電子帯の電子を量子井戸層２２−０の第１準位Γ１点
に遷移させ、かつ超格子半導体発光素子１０の電極１
１，１２の間に、所定の逆バイアス電圧Ｖｂの電圧を印
加することにより、量子井戸層２２−ｎの第２準位Γ２
点と量子井戸層２２−ｎの正孔準位ｈｈ１との差のエネ
ルギー差に対応したエネルギーを有する第２の光を発生
させた。しかしながら、本発明はこれに限らず、量子井
戸層２２−０に所定の波長の光を照射して、量子井戸層
２２−０の価電子帯の電子を量子井戸層２２−０の２次
以上のΓ点に遷移させ、かつ超格子半導体発光素子１０
の電極１１，１２の間に、所定の逆バイアス電圧Ｖｂの
電圧を印加することにより、量子井戸層２２−ｎの第２
準位Γ２点と量子井戸層２２−ｎの正孔準位ｈｈ１との
差のエネルギー差に対応したエネルギーを有する第２の
光を発生させてもよい。以上のように構成しても、第１
の実施形態と同様の効果を有する。

【００３８】

【発明の効果】本発明に係る請求項１記載の超格子半導
体発光素子は、２つの電極間に、障壁層と量子井戸層と
が交互に積層されてなる超格子構造を有する真性半導体
ｉ層を挟設してなるｐｉｎ型ダイオード素子を備え、所
定の第１の逆バイアス電圧を上記２つの電極間に印加し
たときに、上記障壁層のＸ点の準位と当該障壁層の一方
の側に隣接する量子井戸層のΓ点の準位とが互いに共鳴
して当該Γ点の準位の電子が当該Ｘ点の準位にトラップ
されるように、かつ上記第１の逆バイアス電圧より高い
所定の第２の逆バイアス電圧を上記２つの電極間に印加
したときに、当該Ｘ点の準位と当該障壁層の他方の側に
隣接する量子井戸層の２次以上のΓ点の準位とが、互い
に共鳴するように、上記各障壁層の厚さと上記各量子井
戸層の厚さとを設定し、上記２つの電極間に上記第２の
逆バイアス電圧以上の逆バイアス電圧を印加することに
より、上記量子井戸層の２次以上のΓ点の準位に電子を
注入して、当該電子を当該量子井戸層の価電子帯の正孔
と再結合させて発光させている。これによって、禁制帯
幅以上のエネルギーを有する光を発生することができ、
従来の発光ダイオードに比較して波長の短い光を発生す
ることができる。

【００３９】また、請求項２記載の超格子半導体発光素
子は、上記ｐｉｎ型ダイオード素子のｐ層側から光が入
射されたときに、光が入射された量子井戸層の価電子帯
の電子を、当該量子井戸層の１次のΓ点の準位及び２次
以上のΓ点の準位のうちの少なくとも１つの準位に遷移
させているので、当該量子井戸層以外の量子井戸層の２
次以上のΓ点の準位に電子を注入することができ、上記
量子井戸層の２次以上のΓ点の準位にある電子を、当該
量子井戸層の価電子帯の正孔と再結合させて発光させる
ことができる。

【００４０】さらに、請求項３記載の超格子半導体発光
素子は、上記光が入射された量子井戸層の価電子帯の電
子を、当該量子井戸層の１次のΓ点の準位に遷移させる
ことにより、当該量子井戸層以外の上記量子井戸層の２
次以上のΓ点の準位に電子を注入して発光する。これに
よって、入射された光より短い波長を有する光を発生す
ることができる。

【００４１】本発明に係る請求項４記載の超格子半導体
発光素子は、２つの電極間に、障壁層と量子井戸層とが
交互に積層されてなる超格子構造を有する真性半導体ｉ
層を挟設してなるｐｉｎ型ダイオード素子を備え、所定
の順方向の第１のバイアス電圧を上記２つの電極間に印
加したときに、上記障壁層のＸ点の準位と当該障壁層の
一方の側に隣接する量子井戸層のΓ点の準位とが互いに
共鳴して当該Γ点の準位の電子が当該Ｘ点の準位にトラ
ップされるように、かつ上記第１のバイアス電圧より高
い所定の順方向の第２のバイアス電圧を上記２つの電極
間に印加したときに、当該Ｘ点の準位と当該障壁層の他
方の側に隣接する量子井戸層の２次以上のΓ点の準位と
が、互いに共鳴するように、上記各障壁層の厚さと上記
各量子井戸層の厚さとを設定し、上記２つの電極間に上
記第２のバイアス電圧以上の順方向のバイアス電圧を印
加することにより、上記量子井戸層の２次以上のΓ点の
準位に電子を注入して、当該電子を当該量子井戸層の価
電子帯の正孔と再結合させて発光させている。これによ
って、禁制帯幅以上のエネルギーを有する光を発生する
ことができ、従来の発光ダイオードに比較して波長の短
い光を発生することができる。

【００４２】本発明に係る請求項５記載の超格子半導体
発光素子の発光をオン・オフする方法は、請求項１乃至
４のうちの１つに記載の超格子半導体発光素子の発光を
オン・オフする方法であって、上記直流電源による上記
２つの電極に印加される逆バイアス電圧又はバイアス電
圧を変化することにより、上記超格子半導体発光素子の
発光をオン・オフさせる。これによって、比較的高速で
発光をオン・オフすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る第１の実施形態である超格子半
導体発光素子１０を示す断面図である。

【図２】 図１の超格子半導体発光素子１０に対して逆
バイアス電圧Ｖｂを印加したときの真性半導体ｉ層の各
点における準位エネルギーを示すエネルギーバンド図で
ある。

【図３】 図１の超格子半導体発光素子１０の真性半導
体ｉ層の厚さ方向の位置に対する準位エネルギーを示す
エネルギーバンド図である。

【図４】 図１の超格子半導体発光素子１０の発光特性
を示すグラフである。

【図５】 本発明に係る第２の実施形態である超格子半
導体発光素子１０ａを示す断面図である。

【符号の説明】

１０，１０ａ…超格子半導体発光素子、 １１，１２…電極、 １３…ｐ型キャップ層、 １４…ｉ型クラッド層、 １５…超格子構造を有する真性半導体ｉ層、 １６…ｉ型クラッド層、 １７…ｎ型バッファ層、 ２０…ｎ型半導体基板、 ２１−０乃至２１−Ｎ…障壁層、 ２２−０乃至２２−Ｎ…量子井戸層、 ３０…可変直流電源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三村 秀典 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷 ５番地 株式会社エイ・ティ・アール光 電波通信研究所内 (72)発明者 大谷 直毅 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷 ５番地 株式会社エイ・ティ・アール光 電波通信研究所内 (72)発明者 渡辺 敏英 京都府相楽郡精華町大字乾谷小字三平谷 ５番地 株式会社エイ・ティ・アール光 電波通信研究所内 (56)参考文献 特開 平５−218577（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−211188（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−164067（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 3/18

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つの電極間に、障壁層と量子井戸層と
   が交互に積層されてなる超格子構造を有する真性半導体
   ｉ層を挟設してなるｐｉｎ型ダイオード素子を備えた発
   光素子であって、 所定の第１の逆バイアス電圧を上記２つの電極間に印加
   したときに、上記障壁層のＸ点の準位と当該障壁層の一
   方の側に隣接する量子井戸層のΓ点の準位とが互いに共
   鳴して当該Γ点の準位の電子が当該Ｘ点の準位にトラッ
   プされるように、かつ上記第１の逆バイアス電圧より高
   い所定の第２の逆バイアス電圧を上記２つの電極間に印
   加したときに、当該Ｘ点の準位と当該障壁層の他方の側
   に隣接する量子井戸層の２次以上のΓ点の準位とが、互
   いに共鳴するように、上記各障壁層の厚さと上記各量子
   井戸層の厚さとを設定し、 上記２つの電極間に上記第２の逆バイアス電圧以上の逆
   バイアス電圧を印加することにより、上記量子井戸層の
   ２次以上のΓ点の準位に電子を注入して、当該電子を当
   該量子井戸層の価電子帯の正孔と再結合させて発光させ
   ることを特徴とする超格子半導体発光素子。
2. 【請求項２】 上記ｐｉｎ型ダイオード素子のｐ層側か
   ら光が入射されたときに、光が入射された量子井戸層の
   価電子帯の電子を、当該量子井戸層の１次のΓ点の準位
   及び２次以上のΓ点の準位のうちの少なくとも１つの準
   位に遷移させることにより、当該量子井戸層以外の量子
   井戸層の２次以上のΓ点の準位に電子を注入して発光す
   ることを特徴とする請求項１記載の超格子半導体発光素
   子。
3. 【請求項３】 上記光が入射された量子井戸層の価電子
   帯の電子を、当該量子井戸層の１次のΓ点の準位に遷移
   させることにより、当該量子井戸層以外の上記量子井戸
   層の２次以上のΓ点の準位に電子を注入して発光するこ
   とを特徴とする請求項２記載の超格子半導体発光素子。
4. 【請求項４】 ２つの電極間に、障壁層と量子井戸層と
   が交互に積層されてなる超格子構造を有する真性半導体
   ｉ層を挟設してなるｐｉｎ型ダイオード素子を備えた発
   光素子であって、 所定の順方向の第１のバイアス電圧を上記２つの電極間
   に印加したときに、上記障壁層のＸ点の準位と当該障壁
   層の一方の側に隣接する量子井戸層のΓ点の準位とが互
   いに共鳴して当該Γ点の準位の電子が当該Ｘ点の準位に
   トラップされるように、かつ上記第１のバイアス電圧よ
   り高い所定の順方向の第２のバイアス電圧を上記２つの
   電極間に印加したときに、当該Ｘ点の準位と当該障壁層
   の他方の側に隣接する量子井戸層の２次以上のΓ点の準
   位とが、互いに共鳴するように、上記各障壁層の厚さと
   上記各量子井戸層の厚さとを設定し、 上記２つの電極間に上記第２のバイアス電圧以上の順方
   向のバイアス電圧を印加することにより、上記量子井戸
   層の２次以上のΓ点の準位に電子を注入して、当該電子
   を当該量子井戸層の価電子帯の正孔と再結合させて発光
   させることを特徴とする超格子半導体発光素子。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のうちの１つに記載の超
   格子半導体発光素子の発光をオン・オフする方法であっ
   て、 上記２つの電極に印加される逆バイアス電圧又はバイア
   ス電圧を変化することにより、上記超格子半導体発光素
   子の発光をオン・オフさせることを特徴とする超格子半
   導体発光素子の発光をオン・オフする方法。