JP2877750B2 - 超格子半導体発光素子 - 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に関する。

【０００２】近年、光通信、計測用の光源及び光集積回
路等に用いることのできる発光素子の検討が活発に行わ
れている。最近では、例えば、従来技術文献「納富他，
“量子井戸層サブバンド間遷移レーザー”，応用物理，
第６４巻，第７号，ｐｐ６７４−６７７，１９９５年」
において解説されているように、現在広く用いられてい
る半導体レーザとは異なる構造を有する半導体レーザー
が提案されている。上記従来技術文献で示された半導体
レーザーは、量子カスケードレーザーと呼ばれ、超格子
半導体の量子井戸のサブバンド間遷移を用いてレーザー
発振を実現している。このような超格子構造を有する超
格子半導体の量子井戸層において、第２量子化準位（第
２準位Γ２点）の電子を第１量子化準位（第１準位Γ１
点）に緩和させて発光させるためには、第２量子化準位
の電子の数を第１量子化準位の電子の数より多くする、
いわゆる反転分布を実現する必要がある。この従来の量
子カスケードレーザーでは、量子井戸層の第２量子化準
位の電子を、当該量子井戸層とは異なる空間的に離れた
量子井戸層の第１量子化準位に遷移させるように、超格
子の周期が一定でない特殊な構造にして、反転分布を実
現し、量子井戸層の第２量子化準位の電子を、当該量子
井戸層とは異なる空間的に離れた量子井戸層の第１量子
化準位に遷移させて発光させている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のサブバンド間遷移を用いた量子カスケードレー
ザーでは、有効なサブバンド間の反転分布を得るため
の、超格子の周期が一定でない特殊な周期構造の超格子
半導体を作成することが非常に難しく、高価格になると
いう問題点があった。また、量子井戸層の第２量子化準
位の電子を、当該量子井戸層とは異なる空間的に離れた
量子井戸層の第１量子化準位に遷移させて発光させてい
るので、第２量子化準位と第１量子化準位間の遷移確率
が低くなり、発光効率が悪いという問題点があった。ま
た発光に寄与しない電子は素子の温度を上昇させるた
め、素子を破壊することがあり信頼性が悪いという問題
点があった。

【０００４】本発明の目的は、以上の問題点を解決し
て、簡単でかつ低価格に作成することができ、しかも発
光効率がよく信頼性の高い超格子半導体発光素子を提供
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２つのｎ
型半導体層を備え、かつ上記２つのｎ型半導体層の間に
該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層を備えた超格子半導体発光
素子であって、所定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１次のΓ点の準位
とが互いに共鳴するように、かつ当該障壁層の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
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、上記バイ
アス電圧を上記２つの電極間に印加することにより、上
記一方の側に隣接する量子井戸層の１次のΓ点の準位の
電子を上記他方の側に隣接する量子井戸層の２次のΓ点
の準位に注入して、注入された電子を上記他方の側に隣
接する量子井戸層の１次のΓ点の準位に遷移させて発光
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さ
らに、上記超格子半導体発光素子が、下面に上記２つの
電極のうちの一方の電極が形成されたｎ型半導体基板上
に、上記２つのｎ型半導体層と、該２つのｎ型半導体層
の間に位置する上記真性半導体ｉ層とを備えて構成され
てい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１又は２記載の超格子半導体発光素子に
おいて、上記真性半導体ｉ層はさらに、上記真性半導体
ｉ層で発光した光のうちの少なくとも一部の光を反射す
るように互いに対向して設けられた２つの面を有し、レ
ーザー発振することを特徴とする。

【０００８】

【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。

【０００９】＜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、所定の逆バイア
ス電圧Ｖｂ２を電極１１，１２の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１準位Γ１点と
が実質的に一致して障壁層２１−ｎの第１準位Ｘ１点と
量子井戸層２２−（ｎ−１）の第１準位Γ１点とが互い
に共鳴するように、かつ障壁層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２
２−ｎ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、量子井戸層２２−ｎにおいて後述する反転分布を実
現して、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の第１準位Γ点に遷移させて発光さ
せることを特徴とする。

【００１０】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
例えばドープ量１０¹⁸／ｃｍ³だけドープされたｎ型Ｇ
ａＡｓ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ドープ量
５×１０¹⁷／ｃｍ³だけドープされたｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ
_0.6Ａｓにてなる厚さ１μｍのｎ型バッファ層１７； （ｂ）ｉ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓにてなる厚さ５００Åの
ｉ型クラッド層１６； （ｃ）超格子構造を有する厚さ約１．０μｍの真性半導
体ｉ層（ｉ−ＳＬ）１５； （ｄ）ｉ型ＧａＡｓにてなる厚さ５００Å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ドープ量
１×１０¹⁸／ｃｍ³だけドープされたｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ
_0.6Ａｓにてなる厚さ２０００Åのｐ型キャップ層１
３；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。

【００１１】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２３原子層の厚さ約６４Åの量子井戸層２
２と、ＡｌＡｓにてなり１２原子層の厚さ約３４Å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。

【００１２】ところで、電界によって加速された電子
は、一般にΓ点準位からＸ点準位に遷移できる。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のＸ点の電子を量子井戸層２２の
第２準位Γ２点に移動させて、かつ当該量子井戸層２２
の第１準位Γ１点の電子を障壁層２１の第１準位Ｘ１点
に高速で移動させることにより、当該量子井戸層２２に
おいて第２準位Γ２点の電子の数が第１準位Γ１点の準
位の電子の数に比べて多くなる、いわゆる反転分布を実
現することができ、これによって、第２準位Γ２点の電
子を第１準位Γ１点に直接遷移させて発光させることが
できる。

【００１３】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チャ
ート図であり、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。

【００１４】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（３／２）は、量子
井戸層２２−１と量子井戸層２２−２との間の障壁層２
１−２におけるＸ１点を示し、以下同様である。

【００１５】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Ｖｂ２（＝２５
Ｖ）の所定の値において、量子井戸層２２−０の第１準
位Γ１（０）と、量子井戸層２２−０に隣接する障壁層
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）とを実質的に一致させて共鳴
させている。これによって、量子井戸層２２−０の第１
準位Γ１（０）の電子を、量子井戸層２２−０に隣接す
る障壁層２１−１の第１準位Ｘ１（１／２）に移動さ
せ、さらに障壁層２１−１の第１準位Ｘ１（１／２）に
移動した電子を量子井戸層２２−１の第２準位Γ２
（１）に移動させている。

【００１６】図２においては、量子井戸層２２−０、障
壁層２１−１及び量子井戸層２２−１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、障
壁層２１−（ｎ＋１）及び量子井戸層２２−（ｎ＋１）
について一般的に成り立つ。ここで、ｎ＝１，２，３，
…，Ｎ−１である。すなわち、第１の実施形態では、所
定の逆バイアス電圧Ｖｂ２＝２５Ｖにおいて、以下の
（１）及び（２）の条件を満足するように、真性半導体
ｉ層１５の量子井戸層２２の各厚さと障壁層２１の各厚
さとを設定する。 （１）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
共鳴する。 （２）かつ障壁層２１−（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点とが共鳴する。 ここで、ｎ＝０，１，２，…，Ｎ−１である。また、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、及び障壁層２１−（ｎ＋１）
の第１準位Ｘ１点と量子井戸層２２−（ｎ＋１）の第２
準位Γ２点とはそれぞれ、各準位間の差が±２０ｍｅＶ
以内になるように実質的に一致させればよい。

【００１７】第１の実施形態の超格子半導体発光素子１
０は、以上のように構成することによって、電極１１，
１２間に所定の逆バイアス電圧Ｖｂ２を印加したとき
に、量子井戸層２２において第２準位Γ２点の電子の数
が第１準位Γ１点の電子の数に比べて多くなる反転分布
を実現して、第２準位Γ２（１）点の電子を第１準位Γ
１（１）点に遷移させて発光させるものである。

【００１８】次に、本実施形態において上述の反転分布
が実現できる理由を説明する。まず、反転分布を実現す
るためには、量子井戸層２２の第２準位Γ２点に選択的
に電子を注入する必要がある。しかし、一般的に、超格
子構造の真性半導体ｉ層１５において、量子井戸層２２
の第２準位Γ２点の電子は、縦波の光学フォノンである
ＬＯ（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｏｐｔｉｃａｌ）フ
ォノンを放出して量子井戸層２２の第１準位Γ１点に高
速で遷移し、かつ遷移した電子が量子井戸層２２の第１
準位Γ１点に留どまる時間は比較的長いので、選択的に
量子井戸層２２の第２準位Γ２点に電子を注入してもこ
れだけでは反転分布は起こらない。ここで、ＬＯフォノ
ンを放出する量子井戸層２２の第２準位Γ２点から第１
準位Γ１点への電子の遷移は、量子井戸層２２を構成す
る格子に振動エネルギーを与える遷移であって、光の放
出のない非発光遷移である。

【００１９】従って、この反転分布を実現するために
は、量子井戸層２２の第２準位Γ２点に電子を注入し、
かつ量子井戸層２２の第２準位Γ２点の電子がＬＯフォ
ノンを放出して第１準位Γ１点に緩和する第１の緩和時
間より短い時間で、量子井戸層２２の第１準位Γ１点の
電子を掃き出させる必要がある。本発明者らは、検討の
結果、超格子構造の真性半導体ｉ層１５において、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点とが略等しいエネルギーレベルを有すると
き、当該第１準位Ｘ１点の電子は当該第２準位Γ２点に
移動し、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点とが略等しいエネル
ギーレベルを有するとき、量子井戸層２２−ｎの第１準
位Γ１点の電子は障壁層２１−（ｎ＋１）の第１準位Ｘ
１点に高速で移動することを見いだした。本発明はこの
現象を利用したものである。

【００２０】ここで、我々の検討によると、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点とが略一致したときの、量子井戸層２２
−ｎの第１準位Γ１点の電子が障壁層２１−（ｎ＋１）
の第１準位Ｘ１点へ遷移する第２の緩和時間は、数百ｆ
ｓｅｃ（ここで、ｆｓｅｃは、１０^-15秒である。）で
ある。これに対して、量子井戸層２２−ｎにおいて、第
２準位Γ２点の電子がＬＯフォノンを放出して第１準位
Γ１点に緩和する第１の緩和時間は、我々の検討による
と数ｐｓｅｃ（ここで、ｐｓｅｃは、１０^-12秒であ
る。）から数１０ｐｓｅｃである。

【００２１】従って、量子井戸層２２−ｎにおいて、第
２準位Γ２（１）点の電子がＬＯフォノンを放出して第
１準位Γ１点に緩和する第１の緩和時間に比べて、量子
井戸層２２−ｎの第１準位Γ１点の電子が障壁層２１−
（ｎ＋１）の第１準位Ｘ１点へ遷移する第２の緩和時間
は十分短いので、量子井戸層２２−ｎにおいて、第２準
位Γ２点に電子を注入することにより、反転分布を実現
することができる。そして、このような反転分布が実現
されると、量子井戸層２２−ｎにおいて、第２準位Γ２
点の電子が、第２準位Γ２点と第１準位Γ１点との差の
エネルギーに対応するエネルギーを有する光を放出して
第１準位Γ１点に直接遷移する。

【００２２】以上のように構成された超格子半導体発光
素子１０において、電極１１，１２の間に所定の逆バイ
アス電圧Ｖｂ２（＝２５Ｖ）を印加して、かつ図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とを介して、真性半導体ｉ層１５の量子井
戸層２２−０に光を入射すると、超格子構造を有する真
性半導体ｉ層１５は、以下のような動作をする。すなわ
ち、量子井戸層２２−０の価電子帯の電子は、入射され
た光によって励起されて量子井戸層２２−０の第１準位
Γ１（０）点に遷移する。これによって、量子井戸層２
２−０の第１準位Γ１（０）点に電子であるキャリアが
生成される。量子井戸層２２−０の第１準位Γ１（０）
点に励起された電子は、所定の逆バイアス電圧Ｖｂ２が
印加されて量子井戸層２２−０の第１準位Γ１（０）点
と障壁層２１−１の第１準位Ｘ１（１／２）点とが共鳴
しているので、図３の矢印１０１で示すように、障壁層
２１−１の第１準位Ｘ１（１／２）点に移動する。障壁
層２１−１の第１準位Ｘ１（１／２）点に移動した電子
は、障壁層２１−１の第１準位Ｘ１（１／２）点と量子
井戸層２２−１の第２準位Γ２（１）点の準位とが共鳴
しているので、図３の矢印１０２で示すように、量子井
戸層２２−１の第２準位Γ２（１）点に移動する。

【００２３】ここで、量子井戸層２２−１において電子
が反転分布していて、かつ量子井戸層２２−１の第２準
位Γ２（１）点が隣接する障壁層２１−２のＸ点の準位
と大きく異なっているので、量子井戸層２２−１の第２
準位Γ２（１）点の電子は、障壁層２１−２を通過する
ことができない。これによって、量子井戸層２２−１の
第２準位Γ２（１）点に移動した電子は、図３の矢印２
０１で示すように量子井戸層２２−１の第１準位Γ１
（１）点に遷移して発光する。

【００２４】量子井戸層２２−１の第１準位Γ１（１）
点に遷移した電子は、所定の逆バイアス電圧Ｖｂ２が印
加されて量子井戸層２２−１の第１準位Γ１（１）点と
障壁層２１−２の第１準位Ｘ１（３／２）点とが共鳴し
ているので、図３の矢印１０３で示すように、障壁層２
１−２の第１準位Ｘ１（３／２）点に高速で移動する。
障壁層２１−２の第１準位Ｘ１（３／２）点に移動した
電子は、障壁層２１−２の第１準位Ｘ１（３／２）点と
量子井戸層２２−２の第２準位Γ２（２）点の準位とが
共鳴しているので、図３の矢印１０４で示すように、量
子井戸層２２−２の第２準位Γ２（２）点の準位に移動
する。そして、量子井戸層２２−２の第２準位Γ２
（２）点の準位に移動した電子は、量子井戸層２２−２
において、図３の矢印２０２で示すように、第２準位Γ
２（２）点から第１準位Γ１（２）点に遷移して光を発
生する。

【００２５】量子井戸層２２−２の第１準位Γ１（２）
点に遷移した電子は、以下、同様にして量子井戸層２２
−ｎ（ｎ＝３，４，…，Ｎ）の第２準位Γ２点に移動し
て、量子井戸層２２−ｎにおいて、第２準位Γ２点から
第１準位Γ１点に遷移して光を発生する。以上のように
して、各量子井戸層２２−ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）に
おいて、第２準位Γ２点から第１準位Γ１点に電子が遷
移して光を発生する。

【００２６】以上のようにして、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
２（＝２５Ｖ）を印加して、かつ電極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に光を入射すること
により、真性半導体ｉ層１５は、量子井戸層２２の第２
準位Γ点と第１準位Γ１点との差のエネルギーに対応し
た波長を有する光を発生して出力することができる。

【００２７】この真性半導体ｉ層１５で発生された光
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の厚さ方向に平行な側面１１５ａから
出力するように構成する。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。

【００２８】以上、詳述したように、第１の実施形態の
超格子半導体発光素子１０は、量子井戸層２２と障壁層
２１とが積層されてなる真性半導体ｉ層１５を備え、当
該量子井戸層２２の各厚さと当該障壁層２１の各厚さと
を、所定の逆バイアス電圧Ｖｂ２が印加されたときに、
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点とが互いに共鳴するよう
に、かつ障壁層２１−（ｎ＋１）の第１準位Ｘ１点と量
子井戸層２２−（ｎ＋１）の第２準位Γ２点とが互いに
共鳴するように設定している。これによって、量子井戸
層２２−ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）において第２準位Γ
２点の電子の数を第１準位Γ１の電子の数に比べて多く
して、第２準位Γ２点の電子を第１準位Γ１に遷移させ
ることができるので、第２準位Γ２点と第１準位Γ１点
との間の差のエネルギーに対応する波長を有する光を発
生して出力できる。

【００２９】また、第１の実施形態の超格子半導体発光
素子１０は、超格子の周期が一定の簡単な周期構造の真
性半導体ｉ層１５を用いて構成しているので、従来のサ
ブバンド間遷移を用いた量子カスケードレーザーに比較
して、安価に作成することができる。

【００３０】さらに、第１の実施形態の超格子半導体発
光素子１０は、真性半導体ｉ層１５において、量子井戸
層２２−ｎの第２準位Γ点の電子を、当該量子井戸層２
２−ｎの第１準位Γ点に遷移させて発光させているの
で、従来のサブバンド間遷移を用いた量子カスケードレ
ーザーに比較して、第２準位Γ２点の電子の第１準位Γ
１点への遷移確率を大きくでき、発光効率をよくでき
る。

【００３１】またさらに、第１の実施形態の超格子半導
体発光素子１０は、上述のように発光効率をよくできる
ので、発光に寄与しない電子による真性半導体ｉ層１５
の温度の上昇を小さくでき、従来例に比較して、超格子
半導体発光素子１０の信頼性を高くすることができる。

【００３２】また、上述した第１の実施形態の超格子半
導体発光素子１０を用いたレーザーダイオードは、例え
ば、真性半導体ｉ層１５の互いに平行な２つの側面１１
５ａ，１１５ｂに、ファブリ・ペロー鏡面を形成するこ
とによって構成される。ここで、ファブリ・ペロー鏡面
とは、例えば、真性半導体ｉ層１５で発生する光に対し
て３０％の所定の反射率を有する面であって、第１の実
施形態では、ｎ型半導体基板２０の結晶の方位を所定の
方向に設定して、真性半導体ｉ層１５の２つの側面１１
５ａ，１１５ｂがそれぞれ所定のへき開面になるように
真性半導体ｉ層１５を形成した後、へき開することによ
り当該側面１１５ａ，１１５ｂそのものをファブリ・ペ
ロー鏡面として利用した。この場合、ファブリ・ペロー
鏡面として利用した真性半導体ｉ層１５の２つの側面１
１５ａ，１１５ｂの反射率は３０％に限定されず、少な
くとも真性半導体ｉ層１５で発生する光の一部分を反射
するように構成すればよい。また、第１の実施形態で
は、真性半導体ｉ層１５の２つの側面１１５ａ，１１５
ｂの間隔は、３００μｍに設定した。しかしながら、本
発明はこれに限定されず、真性半導体ｉ層１５の２つの
側面１１５ａ，１１５ｂの間隔は、１００μｍでもよい
し５００μｍでもよい、すなわち当該間隔は任意に設定
することができる。

【００３３】以上のように構成することによって、超格
子半導体発光素子１０において、真性半導体ｉ層１５に
２つの側面１１５ａ，１１５ｂからなるファブリ・ペロ
ー共振器を形成することができるので、超格子半導体発
光素子１０をレーザー発振させることができる。

【００３４】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。

【００３５】＜第２の実施形態＞ 図４は、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４０を示す断面図である。この超格子半導体
発光素子４０は、可変直流電源３０により所定のバイア
ス電圧Ｖｂが印加された電極４１と電極４２との間に、
ｎ⁺型半導体層４３と真性半導体ｉ層１５とｎ⁺型半導体
層４５と、ｎ型半導体基板４６とを挟設してなるダイオ
ード素子であって、真性半導体ｉ層１５は、第１の実施
形態と同様に構成される。以下、第１の実施形態との相
違点について説明する。

【００３６】この第２の実施形態においては、Ｓｉにて
なるｎ型不純物イオンが例えばドープ量１０¹⁸／ｃｍ³
だけドープされたｎ型ＧａＡｓにてなる厚さ３００μｍ
のｎ型半導体基板４６上に、以下の各層が順次、ｎ型半
導体基板４６から近接した側から積層されて形成され
る。 （ａ）ｎ⁺型半導体層４５は、Ｓｉにてなるｎ型不純物
イオンが例えばドープ量１×１０¹⁸／ｃｍ³だけドープ
されたｎ⁺型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓにてなり、厚さ０．４
μｍを有するように形成される。 （ｂ）真性半導体ｉ層（ｎ^-−ＳＬ）１５は、第１の実
施形態と同様の障壁層２１と量子井戸層２２とが繰り返
し交互に積層された超格子構造を有し、厚さ約１．０μ
ｍを有する。 （ｃ）ｎ⁺型半導体層４３は、Ｓｉにてなるｎ型不純物
イオンが例えばドープ量１×１０¹⁸／ｃｍ³だけドープ
されたｎ⁺型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓにてなり、厚さ０．４
μｍを有するように形成される。

【００３７】ここで、超格子構造を有する真性半導体ｉ
層１５は、当該量子井戸層２２の各厚さと当該障壁層２
１の各厚さとを、２５Ｖの所定のバイアス電圧が印加さ
れたときに、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点とが互いに共鳴
するように、かつ障壁層２１−（ｎ＋１）の第１準位Ｘ
１点と量子井戸層２２−（ｎ＋１）の第２準位Γ２点と
が互いに共鳴するように設定している。

【００３８】以上のように構成された第２の実施形態の
超格子半導体発光素子４０においては、第１の実施形態
と同様に、超格子構造を有する真性半導体ｉ層１５の各
層２１，２２の厚さを所定の値に設定しかつバイアス電
圧Ｖｂを所定のバイアス電圧を設定する一方、可変直流
電源３０によりｎ+型半導体層４５にキャリアを注入す
る。これによって、第１の実施形態と同様に、量子井戸
層２２−ｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）において第２準位Γ
２点の電子の数を第１準位Γ１の電子の数に比べて多く
でき、当該量子井戸層２２−ｎにおいて第２準位Γ２点
の電子を第１準位Γ１に遷移させることができるので、
第２準位Γ２点と第１準位Γ１点との間の差のエネルギ
ーに対応する波長を有する光を発生して出力できる。

【００３９】以上の第２の実施形態の超格子半導体発光
素子４０は、第１の実施形態と同様の効果を有するとと
もに、上述したｎ⁺ｉｎ⁺構造を有するので、光を照射す
ることなく、量子井戸層２２の第２準位Γ２点と第１準
位Γ１点との間の差のエネルギーに対応する波長を有す
る光を発生して出力できる。

【００４０】以上の第２の実施形態においては、ｎ型半
導体基板４６を設けているが、本発明はこれに限らず、
設けなくてもよい。

【００４１】＜変形例＞ 以上の第１と第２の実施形態では、２５Ｖの所定の逆バ
イアス電圧Ｖｂ又は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
−１）の第１準位Γ１点とが互いに共鳴するように、か
つ障壁層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の厚さとを設定した。しかしながら、本発明はこれ
に限らず、２５Ｖ以外の任意の逆バイアス電圧Ｖｂ又は
バイアス電圧を電極１１，１２又は電極４１，４２の間
に印加したときに、障壁層２１−ｎの第１準位Ｘ１点と
量子井戸層２２−（ｎ−１）の第１準位Γ１点とが互い
に共鳴するように、かつ障壁層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もよい。
例えば、各障壁層２１を７原子層の２０Å厚さに設定
し、各量子井戸層２２を２０原子層の５６Åの厚さに設
定することにより、２６Ｖの逆バイアス電圧Ｖｂ又はバ
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−１）の第１準位Γ１
点、及び障壁層２１ー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
を互いに共鳴させることができる。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。

【００４２】以上の第１と第２の実施形態において、真
性半導体ｉ層１５は、量子井戸層２２と障壁層２１とを
１００周期で積層したが、本発明はこれに限らず、他の
周期の積層数で構成してもよい。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。

【００４３】

【発明の効果】本発明に係る超格子半導体発光素子は、
２つの電極間に２つのｎ型半導体層を備え、かつ上記２
つのｎ型半導体層の間に該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
備えた超格子半導体発光素子であって、所定のバイアス
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１次のΓ点の準位とが互いに共鳴するように、か
つ当該障壁層の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、上記バイアス電圧を上記２つの電極間に
印加することにより、上記一方の側に隣接する量子井戸
層の１次のΓ点の準位の電子を上記他方の側に隣接する
量子井戸層の２次のΓ点の準位に注入して、注入された
電子を上記他方の側に隣接する量子井戸層の１次のΓ点
の準位に遷移させて発光させている。このようにする
と、ｎ型半導体層を介して上記真性半導体ｉ層にキャリ
アを注入することができ、量子井戸層の２次のΓ点の準
位と量子井戸層の１次のΓ点の準位との差のエネルギー
に対応する波長を有する光を発生することができる。こ
れによって、従来例に比較して、簡単でかつ低価格に作
成することができ、しかも発光効率がよく信頼性の高い
超格子半導体発光素子を提供できる。

【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を示す縦断面図である。

【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チャート図
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】 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４０を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１０，４０…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、１
５…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、４１，４２…
電極、４３，４５…ｎ⁺型半導体層、４６…ｎ型半導体
基板、１５１ａ，１５１ｂ…真性半導体ｉ層１５の側
面。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 冨永 浩司 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９−260723（ＪＰ，Ａ) 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) H01S 3/18 H01L 33/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つの電極間に２つのｎ型半導体層を備
   え、かつ上記２つのｎ型半導体層の間に該障壁層と量子
   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層を備えた超格子半導体発光素子であって、 所定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１次のΓ点の準位とが互いに共鳴
   するように、かつ当該障壁層の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、 上記バイアス電圧を上記２つの電極間に印加することに
   より、上記一方の側に隣接する量子井戸層の１次のΓ点
   の準位の電子を上記他方の側に隣接する量子井戸層の２
   次のΓ点の準位に注入して、注入された電子を上記他方
   の側に隣接する量子井戸層の１次のΓ点の準位に遷移さ
   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】 上記超格子半導体発光素子は、下面に上
   記２つの電極のうちの一方の電極が形成されたｎ型半導
   体基板上に、上記２つのｎ型半導体層と、該２つのｎ型
   半導体層の間に位置する上記真性半導体ｉ層とを備えて
   いる請求項１記載の超格子半導体発光素子。
3. 【請求項３】 上記真性半導体ｉ層はさらに、上記真性
   半導体ｉ層で発光した光のうちの少なくとも一部の光を
   反射するように互いに対向して設けられた２つの面を有
   し、レーザー発振することを特徴とする請求項１又は２
   記載の超格子半導体発光素子。