JP2950810B1 - 超格子半導体発光素子 - Google Patents
超格子半導体発光素子Info
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Abstract
【要約】
【課題】 従来例に比較して簡単でかつ低価格に製造す
ることができ、室温で安定に連続動作することができる
超格子半導体発光素子を提供する。 【解決手段】 ２つの電極間１１，１２に、障壁層２１
と量子井戸層２２，２３とが交互に複数周期積層されて
なる超格子構造を有する真性半導体ｉ層１５を備え、逆
バイアス電圧が印加されなる。各量子井戸層２２，２３
は、障壁層２１を挟設し互いに対向する第１と第２の量
子井戸層２２，２３を備え、第１の量子井戸層２２中の
電子の有効質量が第２の量子井戸層２３のそれよりも高
くなるように第１と第２の量子井戸層２２，２３の材料
を選択して第１と第２の量子井戸層２２，２３中の自由
電子の各移動度に差を生じさせて反転分布を実現し、第
２の量子井戸層２３の伝導帯中のエネルギーレベルのよ
り高い準位に存在する電子を、第１の量子井戸層２２の
伝導帯中のエネルギーレベルのより低い準位に遷移させ
て発光を得る。
ることができ、室温で安定に連続動作することができる
超格子半導体発光素子を提供する。 【解決手段】 ２つの電極間１１，１２に、障壁層２１
と量子井戸層２２，２３とが交互に複数周期積層されて
なる超格子構造を有する真性半導体ｉ層１５を備え、逆
バイアス電圧が印加されなる。各量子井戸層２２，２３
は、障壁層２１を挟設し互いに対向する第１と第２の量
子井戸層２２，２３を備え、第１の量子井戸層２２中の
電子の有効質量が第２の量子井戸層２３のそれよりも高
くなるように第１と第２の量子井戸層２２，２３の材料
を選択して第１と第２の量子井戸層２２，２３中の自由
電子の各移動度に差を生じさせて反転分布を実現し、第
２の量子井戸層２３の伝導帯中のエネルギーレベルのよ
り高い準位に存在する電子を、第１の量子井戸層２２の
伝導帯中のエネルギーレベルのより低い準位に遷移させ
て発光を得る。
Description
【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。
る超格子半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】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「納富ほ
か、“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，ｐｐ．６７４−６７７，１９９
５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ー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。
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「納富ほ
か、“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，ｐｐ．６７４−６７７，１９９
５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ー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。
【０００３】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の量子化準位（第２の準
位Γ２点）の電子を第１の量子化準位（第１の準位Γ１
点）に緩和させて発光させるためには、第２の量子化準
位の電子の数を第１の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ことが必要である。こ
の従来例の量子カスケードレーザーでは、量子井戸層の
第２の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の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の量子化準位
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の量子化準位に遷移させて発光させてい
る。
体の量子井戸層において、第２の量子化準位（第２の準
位Γ２点）の電子を第１の量子化準位（第１の準位Γ１
点）に緩和させて発光させるためには、第２の量子化準
位の電子の数を第１の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ことが必要である。こ
の従来例の量子カスケードレーザーでは、量子井戸層の
第２の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の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の量子化準位
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の量子化準位に遷移させて発光させてい
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例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層を
製造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。さらに、この従来例の量子カスケードレー
ザーは、その反転分布が不安定であるため、連続的に動
作させるには極低温に冷却する必要があり、実用的では
ないという問題点があった。
来例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層を
製造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。さらに、この従来例の量子カスケードレー
ザーは、その反転分布が不安定であるため、連続的に動
作させるには極低温に冷却する必要があり、実用的では
ないという問題点があった。
【０００５】本発明の目的は上記の問題点を解決し、従
来例に比較して簡単でかつ低価格に製造することがで
き、しかも室温で安定に連続動作することができる超格
子半導体発光素子を提供することにある。
来例に比較して簡単でかつ低価格に製造することがで
き、しかも室温で安定に連続動作することができる超格
子半導体発光素子を提供することにある。
【０００６】
【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複数周期積層されてなる超格子
構造を有する真性半導体層を備え、バイアス電圧が印加
されなる超格子半導体素子において、上記各量子井戸層
は、上記障壁層を挟設し互いに対向する第１と第２の量
子井戸層を備え、上記第１の量子井戸層中の電子の移動
度が、上記第２の量子井戸層の電子の移動度よりも高く
なるように、上記第１と第２の量子井戸層の材料を選択
し、上記バイアス電圧を上記超格子半導体素子に印加し
たときに、障壁層を挟んで互いに隣接する第１と第２の
量子井戸層の各量子化準位のエネルギーレベルが実質的
に等しくなるように上記バイアス電圧が設定され、上記
バイアス電圧を上記超格子半導体素子に印加することに
より電子を第１の量子井戸層の伝導帯中の所定の量子化
準位に注入し、当該第１の量子井戸層の伝導帯中の所定
の量子化準位から、障壁層を介して、当該第１の量子井
戸層の伝導帯中の所定の量子化準位と実質的に等しいエ
ネルギーレベルを有する第２の量子井戸層の伝導帯中の
所定の第２の量子化準位に遷移させた後、さらに別の障
壁層を介して、上記第２の量子化準位よりも低いエネル
ギーレベルを有する、別の第１の量子井戸層の伝導帯中
の所定の第１の量子化準位に遷移させることにより発光
を得ることを特徴とする。
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複数周期積層されてなる超格子
構造を有する真性半導体層を備え、バイアス電圧が印加
されなる超格子半導体素子において、上記各量子井戸層
は、上記障壁層を挟設し互いに対向する第１と第２の量
子井戸層を備え、上記第１の量子井戸層中の電子の移動
度が、上記第２の量子井戸層の電子の移動度よりも高く
なるように、上記第１と第２の量子井戸層の材料を選択
し、上記バイアス電圧を上記超格子半導体素子に印加し
たときに、障壁層を挟んで互いに隣接する第１と第２の
量子井戸層の各量子化準位のエネルギーレベルが実質的
に等しくなるように上記バイアス電圧が設定され、上記
バイアス電圧を上記超格子半導体素子に印加することに
より電子を第１の量子井戸層の伝導帯中の所定の量子化
準位に注入し、当該第１の量子井戸層の伝導帯中の所定
の量子化準位から、障壁層を介して、当該第１の量子井
戸層の伝導帯中の所定の量子化準位と実質的に等しいエ
ネルギーレベルを有する第２の量子井戸層の伝導帯中の
所定の第２の量子化準位に遷移させた後、さらに別の障
壁層を介して、上記第２の量子化準位よりも低いエネル
ギーレベルを有する、別の第１の量子井戸層の伝導帯中
の所定の第１の量子化準位に遷移させることにより発光
を得ることを特徴とする。
【０００７】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、
上記真性半導体層は、真性半導体ｉ層であり、上記超格
子半導体発光素子は、上記２つの電極の間に、上記真性
半導体ｉ層を挟設するｐ型半導体層とｎ型半導体層をさ
らに備え、上記超格子半導体発光素子はｐｉｎ型ダイオ
ード素子であり、上記バイアス電圧は逆バイアス電圧で
あることを特徴とする。
子は、請求項１記載の超格子半導体発光素子において、
上記真性半導体層は、真性半導体ｉ層であり、上記超格
子半導体発光素子は、上記２つの電極の間に、上記真性
半導体ｉ層を挟設するｐ型半導体層とｎ型半導体層をさ
らに備え、上記超格子半導体発光素子はｐｉｎ型ダイオ
ード素子であり、上記バイアス電圧は逆バイアス電圧で
あることを特徴とする。
【０００８】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記載の超格子半導体発光素子におい
て、上記真性半導体層は、真性半導体ｉ層であり、上記
超格子半導体発光素子は、上記２つの電極の間に、上記
真性半導体ｉ層を挟設するｎ型半導体層とｎ型半導体層
をさらに備え、上記超格子半導体発光素子はｎｉｎ型半
導体素子であることを特徴とする。
素子は、請求項１記載の超格子半導体発光素子におい
て、上記真性半導体層は、真性半導体ｉ層であり、上記
超格子半導体発光素子は、上記２つの電極の間に、上記
真性半導体ｉ層を挟設するｎ型半導体層とｎ型半導体層
をさらに備え、上記超格子半導体発光素子はｎｉｎ型半
導体素子であることを特徴とする。
【０００９】また、請求項４記載の超格子半導体発光素
子は、請求項１乃至３のうちの１つに記載の超格子半導
体発光素子において、上記真性半導体層を挟設し、上記
真性半導体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つの反射
面を備えることによりレーザー発振することを特徴とす
る。
子は、請求項１乃至３のうちの１つに記載の超格子半導
体発光素子において、上記真性半導体層を挟設し、上記
真性半導体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つの反射
面を備えることによりレーザー発振することを特徴とす
る。
【００１０】さらに、請求項５記載の超格子半導体発光
素子は、請求項１乃至３のうちの１つに記載の超格子半
導体発光素子において、上記真性半導体層は結晶成長法
を用いて形成され、上記超格子半導体発光素子は、上記
真性半導体層を挟設し、上記真性半導体層で発光した光
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つの反射面を備えることによりレー
ザー発振し、上記２つの反射面は、上記真性半導体層を
結晶成長法を用いて形成されるときに、ＡｌＧａＡｓ層
又はＡｌＡｓ層の２つの層を上記真性半導体層を挟設す
るように形成し、上記真性半導体層を形成した後、上記
超格子半導体発光素子に対して酸化処理してＡｌ2Ｏ3か
らなる高反射膜を形成することにより形成されたことを
特徴とする。
素子は、請求項１乃至３のうちの１つに記載の超格子半
導体発光素子において、上記真性半導体層は結晶成長法
を用いて形成され、上記超格子半導体発光素子は、上記
真性半導体層を挟設し、上記真性半導体層で発光した光
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つの反射面を備えることによりレー
ザー発振し、上記２つの反射面は、上記真性半導体層を
結晶成長法を用いて形成されるときに、ＡｌＧａＡｓ層
又はＡｌＡｓ層の２つの層を上記真性半導体層を挟設す
るように形成し、上記真性半導体層を形成した後、上記
超格子半導体発光素子に対して酸化処理してＡｌ2Ｏ3か
らなる高反射膜を形成することにより形成されたことを
特徴とする。
【００１１】
【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。
る実施形態について説明する。
【００１２】＜実施形態＞ 図１は、本発明に係る一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。本実施形態の超格子半
導体発光素子は、図１に示すように、障壁層２１と第１
又は第２の量子井戸層２２又は２３とが交互に繰り返し
て複数の周期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
導体素子であり、ここで、真性半導体ｉ層１５におい
て、障壁層２１と第１の量子井戸層２２と障壁層２１と
第２の量子井戸層２３とで１周期を構成する。ここで、
本実施形態の超格子半導体発光素子１０は、２つの電極
間１１，１２に、障壁層２１と量子井戸層２２，２３と
が交互に複数周期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、逆バイアス電圧が印加されな
る超格子半導体素子において、各量子井戸層２２，２３
は、障壁層２１を挟設し互いに対向する第１と第２の量
子井戸層２２，２３を備え、第１の量子井戸層１１中の
電子の移動度が、第２の量子井戸層２３の電子の移動度
よりも高くなるように、第１と第２の量子井戸層２２，
２３の材料を選択することにより、第１と第２の量子井
戸層２２，２３中の自由電子の各移動度に差を生じさせ
て反転分布を実現し、かつ障壁層２１を挟んで隣接する
第１と第２の量子井戸層２２，２３の各量子化準位Γ１
を実質的に等しくなるように逆バイアス電圧を設定し、
第２の量子井戸層２３の伝導帯中の所定の第２の量子化
準位（図２においてΓ１）に存在する電子を、上記第２
の量子化準位よりも低いエネルギーレベルを有する、第
１の量子井戸層２２の伝導帯中の所定の第１の量子化準
位（図２においてΓ１）に遷移させることにより発光を
得ることを特徴としている。
光素子１０を示す断面図である。本実施形態の超格子半
導体発光素子は、図１に示すように、障壁層２１と第１
又は第２の量子井戸層２２又は２３とが交互に繰り返し
て複数の周期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
導体素子であり、ここで、真性半導体ｉ層１５におい
て、障壁層２１と第１の量子井戸層２２と障壁層２１と
第２の量子井戸層２３とで１周期を構成する。ここで、
本実施形態の超格子半導体発光素子１０は、２つの電極
間１１，１２に、障壁層２１と量子井戸層２２，２３と
が交互に複数周期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、逆バイアス電圧が印加されな
る超格子半導体素子において、各量子井戸層２２，２３
は、障壁層２１を挟設し互いに対向する第１と第２の量
子井戸層２２，２３を備え、第１の量子井戸層１１中の
電子の移動度が、第２の量子井戸層２３の電子の移動度
よりも高くなるように、第１と第２の量子井戸層２２，
２３の材料を選択することにより、第１と第２の量子井
戸層２２，２３中の自由電子の各移動度に差を生じさせ
て反転分布を実現し、かつ障壁層２１を挟んで隣接する
第１と第２の量子井戸層２２，２３の各量子化準位Γ１
を実質的に等しくなるように逆バイアス電圧を設定し、
第２の量子井戸層２３の伝導帯中の所定の第２の量子化
準位（図２においてΓ１）に存在する電子を、上記第２
の量子化準位よりも低いエネルギーレベルを有する、第
１の量子井戸層２２の伝導帯中の所定の第１の量子化準
位（図２においてΓ１）に遷移させることにより発光を
得ることを特徴としている。
【００１３】図３乃至図８は図１の超格子半導体発光素
子１０の製造工程を示す断面図であり、本実施形態の超
格子半導体発光素子１０の製造工程について、図３乃至
図８を参照して以下に説明する。
子１０の製造工程を示す断面図であり、本実施形態の超
格子半導体発光素子１０の製造工程について、図３乃至
図８を参照して以下に説明する。
【００１４】（１）図３に示すように、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にてなり上下面の面方位
（１，０，０）を有する厚さ３００μｍのｎ型半導体基
板をアセトン溶液中で超音波洗浄を行い、表面に付着し
た有機不純物層２０ａを除去した。 （２）上記洗浄の後、図４に示すように、一旦完全に表
面を乾かした後、半導体基板２０の表面を、２５°Ｃの
硫酸系エッチング溶液（硫酸：過酸化水素水：水＝５：
１：１（質量比））で１分間エッチング処理を行うと、
１乃至２μｍの表面層が除去され、基板表面処理（ミラ
ー処理）時に生じたストレス・転位を有する層を除去で
き、良好な結晶成長が可能となる。
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にてなり上下面の面方位
（１，０，０）を有する厚さ３００μｍのｎ型半導体基
板をアセトン溶液中で超音波洗浄を行い、表面に付着し
た有機不純物層２０ａを除去した。 （２）上記洗浄の後、図４に示すように、一旦完全に表
面を乾かした後、半導体基板２０の表面を、２５°Ｃの
硫酸系エッチング溶液（硫酸：過酸化水素水：水＝５：
１：１（質量比））で１分間エッチング処理を行うと、
１乃至２μｍの表面層が除去され、基板表面処理（ミラ
ー処理）時に生じたストレス・転位を有する層を除去で
き、良好な結晶成長が可能となる。
【００１５】（３）真空中で６５０°Ｃの熱処理を行
い、表面酸化層を完全に除去した後、図１及び図５に示
すように、下記の各層を順次結晶成長することにより形
成した。 （ａ）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Ａｌ0.4Ｇａ
0.6Ａｓにてなる厚さ１μｍのｎ型バッファ層１７。 （ｂ）ｉ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ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１μｍの真性半導体ｉ層
１５。ここで、真性半導体ｉ層１５は、障壁層２１と第
１又は第２の量子井戸層２２又は２３とが交互に繰り返
して複数の周期積層されてなる超格子構造を有し、ｄ１
＝４３Åの厚さを有する障壁層２１と、ｄ２＝６５Åの
厚さを有する第１の量子井戸層２２と、ｄ１＝４３Åの
厚さを有する障壁層２１と、ｄ３＝６５Åの厚さを有す
る第２の量子井戸層２３とで１周期を構成する。好まし
い実施形態においては、１５乃至１００周期だけ形成さ
れ、より好ましい実施形態においては、５０周期だけ形
成される。 （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Ａｌ0.4Ｇａ
0.6Ａｓにてなる厚さ２０００Åのｐ型キャップ層１
３。
い、表面酸化層を完全に除去した後、図１及び図５に示
すように、下記の各層を順次結晶成長することにより形
成した。 （ａ）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Ａｌ0.4Ｇａ
0.6Ａｓにてなる厚さ１μｍのｎ型バッファ層１７。 （ｂ）ｉ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ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１μｍの真性半導体ｉ層
１５。ここで、真性半導体ｉ層１５は、障壁層２１と第
１又は第２の量子井戸層２２又は２３とが交互に繰り返
して複数の周期積層されてなる超格子構造を有し、ｄ１
＝４３Åの厚さを有する障壁層２１と、ｄ２＝６５Åの
厚さを有する第１の量子井戸層２２と、ｄ１＝４３Åの
厚さを有する障壁層２１と、ｄ３＝６５Åの厚さを有す
る第２の量子井戸層２３とで１周期を構成する。好まし
い実施形態においては、１５乃至１００周期だけ形成さ
れ、より好ましい実施形態においては、５０周期だけ形
成される。 （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Ａｌ0.4Ｇａ
0.6Ａｓにてなる厚さ２０００Åのｐ型キャップ層１
３。
【００１６】（４）図６に示すように、最上面のｐ型キ
ャップ層１３の上面にＭｎ／Ａｕ（１０００Å／１５０
０Å）からなる電極１１を形成した。ここで、電極１１
は感光性有機薄膜（レジストパターン）１８を用いたリ
フトオフ法を用いて電極材料１１ａを形成し、電極１１
の厚さ方向に貫通する光出力孔１１ｂをその中央部に形
成して、電極１１がリング形状になるように形成した。
次いで、図７に示すように、リング形状の電極材料１１
ａをレジストで覆い、複数の素子の電極間の接続を絶つ
ためにメサエッチングを行い、素子分離を行った。 （５）さらに、図８に示すように、ｎ型半導体基板２０
の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ（＝１０００Å／３００
Å／１５００Å）からなる電極１２を形成した。 （６）最後に、電極１２が形成された素子に対して、４
００°Ｃで１．５分間の熱処理を行い、電極１１及び１
２においてオーミック接続を得た。以上の製造工程によ
り、超格子半導体発光素子１０を得る。
ャップ層１３の上面にＭｎ／Ａｕ（１０００Å／１５０
０Å）からなる電極１１を形成した。ここで、電極１１
は感光性有機薄膜（レジストパターン）１８を用いたリ
フトオフ法を用いて電極材料１１ａを形成し、電極１１
の厚さ方向に貫通する光出力孔１１ｂをその中央部に形
成して、電極１１がリング形状になるように形成した。
次いで、図７に示すように、リング形状の電極材料１１
ａをレジストで覆い、複数の素子の電極間の接続を絶つ
ためにメサエッチングを行い、素子分離を行った。 （５）さらに、図８に示すように、ｎ型半導体基板２０
の裏面にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ（＝１０００Å／３００
Å／１５００Å）からなる電極１２を形成した。 （６）最後に、電極１２が形成された素子に対して、４
００°Ｃで１．５分間の熱処理を行い、電極１１及び１
２においてオーミック接続を得た。以上の製造工程によ
り、超格子半導体発光素子１０を得る。
【００１７】そして、図１に示すように、電圧可変直流
電源３０の正極を電極１２に接続する一方、直流電源３
０の負極を電極１１に接続することにより、当該超格子
半導体発光素子１０に対して逆バイアス電圧を印加す
る。
電源３０の正極を電極１２に接続する一方、直流電源３
０の負極を電極１１に接続することにより、当該超格子
半導体発光素子１０に対して逆バイアス電圧を印加す
る。
【００１８】ここで、当該超格子半導体発光素子におい
ては、障壁層２１を挟設して互いに向かい合う（対向す
る）２つの第１と第２の量子井戸層２２，２３が、異な
った材料系又は異なった材料比率を用いて形成し、自由
電子の有効質量を変化させことで、２つの量子井戸層２
２，２３内の自由電子の移動度に差を生じさせる。本実
施形態においては、ＧａＡｓからなる第１の量子井戸層
２２とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなる第２の量子井戸層２
３を用いて、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ中の電子の有効質量が
０．０９１９とＧａＡｓの０．０６７よりも大きいこと
を利用している。そして、第２図に示すように、当該素
子１０に対して逆バイアス電圧を印加したときに、第１
の量子井戸層２２のΓ１点の準位と、第２の量子井戸層
２３のΓ１点の準位とが実質的に等しくなるように設定
されている。
ては、障壁層２１を挟設して互いに向かい合う（対向す
る）２つの第１と第２の量子井戸層２２，２３が、異な
った材料系又は異なった材料比率を用いて形成し、自由
電子の有効質量を変化させことで、２つの量子井戸層２
２，２３内の自由電子の移動度に差を生じさせる。本実
施形態においては、ＧａＡｓからなる第１の量子井戸層
２２とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなる第２の量子井戸層２
３を用いて、Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ中の電子の有効質量が
０．０９１９とＧａＡｓの０．０６７よりも大きいこと
を利用している。そして、第２図に示すように、当該素
子１０に対して逆バイアス電圧を印加したときに、第１
の量子井戸層２２のΓ１点の準位と、第２の量子井戸層
２３のΓ１点の準位とが実質的に等しくなるように設定
されている。
【００１９】本実施形態においては、ＧａＡｓからなる
第１の量子井戸層２２とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなる第
２の量子井戸層２３を用いて構成しているが、本発明は
これに限らず、第２の量子井戸層２３は、ＡｌxＧａ1-x
Ａｓ（０＜ｘ＜１）からなる材料を用いてもよい。
第１の量子井戸層２２とＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなる第
２の量子井戸層２３を用いて構成しているが、本発明は
これに限らず、第２の量子井戸層２３は、ＡｌxＧａ1-x
Ａｓ（０＜ｘ＜１）からなる材料を用いてもよい。
【００２０】第１と第２の量子井戸層２２，２３の材料
としては、これに限らず、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳ
ｂ、ＧａＰ、ＧａＡｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、
ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅやまたそれら
の化合物でも可能である。従って、障壁層２１と、第１
と第２の量子井戸層２２，２３は、例えば、次の組み合
わせが可能である。 （ａ）障壁層２１の材料がＡｌＰのとき、第１の量子井
戸層２２の材料はＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｐであり、第２の量子
井戸層２３はＧａＰである。 （ｂ）障壁層２１の材料がＡｌＳｂのとき、第１の量子
井戸層２２の材料はＡｌ0.3Ｇａ0.2Ｓｂであり、第２の
量子井戸層２３はＧａＡｂである。 （ｃ）障壁層２１の材料がＺｎＳｅのとき、第１の量子
井戸層２２の材料はＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓであり、第２の
量子井戸層２３はＧｅである。
としては、これに限らず、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳ
ｂ、ＧａＰ、ＧａＡｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、
ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅやまたそれら
の化合物でも可能である。従って、障壁層２１と、第１
と第２の量子井戸層２２，２３は、例えば、次の組み合
わせが可能である。 （ａ）障壁層２１の材料がＡｌＰのとき、第１の量子井
戸層２２の材料はＡｌ0.3Ｇａ0.7Ｐであり、第２の量子
井戸層２３はＧａＰである。 （ｂ）障壁層２１の材料がＡｌＳｂのとき、第１の量子
井戸層２２の材料はＡｌ0.3Ｇａ0.2Ｓｂであり、第２の
量子井戸層２３はＧａＡｂである。 （ｃ）障壁層２１の材料がＺｎＳｅのとき、第１の量子
井戸層２２の材料はＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓであり、第２の
量子井戸層２３はＧｅである。
【００２１】逆バイアス電圧を電極１１，１２間に印加
したときに、超格子構造を有する真性半導体ｉ層１５に
流れ込んだ電子は、より高い移動度を有する第１の量子
井戸層２２では、短時間で通り抜けることが出来るが、
より低い移動度を有する第２の量子井戸層２３では、電
子の移動度が小さいために、自由電子の溜まりが生じ
る。従って、図２に示すように、第１の量子井戸層２２
を通過した電子は、第２の量子井戸層２３で停留した
後、次の第１の量子井戸層２２に遷移するときに、エネ
ルギー差により発光が生じ、その後、当該第１の量子井
戸層２２を通過した電子は、次の第２の量子井戸層２３
で停留して、この動作を真性半導体ｉ層１５内で繰り返
す。
したときに、超格子構造を有する真性半導体ｉ層１５に
流れ込んだ電子は、より高い移動度を有する第１の量子
井戸層２２では、短時間で通り抜けることが出来るが、
より低い移動度を有する第２の量子井戸層２３では、電
子の移動度が小さいために、自由電子の溜まりが生じ
る。従って、図２に示すように、第１の量子井戸層２２
を通過した電子は、第２の量子井戸層２３で停留した
後、次の第１の量子井戸層２２に遷移するときに、エネ
ルギー差により発光が生じ、その後、当該第１の量子井
戸層２２を通過した電子は、次の第２の量子井戸層２３
で停留して、この動作を真性半導体ｉ層１５内で繰り返
す。
【００２２】従って、上述のように超格子を数段連続し
て形成することにより、量子井戸層２２，２３において
反転分布を実現して、より低い移動度を有する第２の量
子井戸層２３の自由電子をより高移動度を有する第１の
量子井戸層２２の準位に遷移させて発光させることを特
徴とする。ここで、放出される光は、より低い移動度を
有する第２の量子井戸層２３の電子がより高い移動度を
有する量子準位に遷移したとき差のエネルギーに対応し
た波長を有する光である。
て形成することにより、量子井戸層２２，２３において
反転分布を実現して、より低い移動度を有する第２の量
子井戸層２３の自由電子をより高移動度を有する第１の
量子井戸層２２の準位に遷移させて発光させることを特
徴とする。ここで、放出される光は、より低い移動度を
有する第２の量子井戸層２３の電子がより高い移動度を
有する量子準位に遷移したとき差のエネルギーに対応し
た波長を有する光である。
【００２３】この真性半導体ｉ層１５で発光された光
は、本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の厚さ方向に対して平行な側面から、厚さ
方向に対して垂直な方向では出力するように構成してい
る。しかしながら、本発明はこれに限らず、真性半導体
ｉ層１５で発光された光を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に設けられた光出力
孔１１ｈから光を出力するようにしてもよいし、もしく
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１
６と、ｎ型バッファ層２７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と同様に光出力孔（図示せず。）を形成し
て、当該孔から、発生した光を出力する。
は、本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の厚さ方向に対して平行な側面から、厚さ
方向に対して垂直な方向では出力するように構成してい
る。しかしながら、本発明はこれに限らず、真性半導体
ｉ層１５で発光された光を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に設けられた光出力
孔１１ｈから光を出力するようにしてもよいし、もしく
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１
６と、ｎ型バッファ層２７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と同様に光出力孔（図示せず。）を形成し
て、当該孔から、発生した光を出力する。
【００２４】＜変形例＞次いで、超格子半導体発光素子
１０を用いたレーザーダイオードの変形例について以下
に説明する。当該変形例では、上記実施形態に比較して
さらに、真性半導体ｉ層１５における厚さ方向に平行な
２つの側面にそれぞれ、第１と第２の鏡面層（図示せ
ず。）を形成したことを特徴としている。ここで、第１
と第２の鏡面層は、真性半導体ｉ層１５を挟設して対向
して形成されており、それぞれ公知のファブリ・ペロー
鏡面を構成する。
１０を用いたレーザーダイオードの変形例について以下
に説明する。当該変形例では、上記実施形態に比較して
さらに、真性半導体ｉ層１５における厚さ方向に平行な
２つの側面にそれぞれ、第１と第２の鏡面層（図示せ
ず。）を形成したことを特徴としている。ここで、第１
と第２の鏡面層は、真性半導体ｉ層１５を挟設して対向
して形成されており、それぞれ公知のファブリ・ペロー
鏡面を構成する。
【００２５】ここで、ファブリ・ぺロー鏡面とは、例え
ば、真性半導体ｉ層１５で発生する光に対して例えば３
０％の所定の反射率を有する面であって、当該変形例で
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そのものをファブ
リ・ぺロー鏡面として利用した。この場合、ファブリ・
ぺ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、当該変形例では、真性半導体ｉ層
１５の２つの側面の間隔は、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
層の２つの側面の間隔は、１００μｍでもよいし、５０
０μｍでもよい、すなわち当該間隔は、ファブリ・ぺロ
ー共振器を形成するように、任意に設定することができ
る。
ば、真性半導体ｉ層１５で発生する光に対して例えば３
０％の所定の反射率を有する面であって、当該変形例で
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そのものをファブ
リ・ぺロー鏡面として利用した。この場合、ファブリ・
ぺ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、当該変形例では、真性半導体ｉ層
１５の２つの側面の間隔は、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
層の２つの側面の間隔は、１００μｍでもよいし、５０
０μｍでもよい、すなわち当該間隔は、ファブリ・ぺロ
ー共振器を形成するように、任意に設定することができ
る。
【００２６】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つの側面からなるファブリ・ぺロー共振器を形成する
ことができるので、真性半導体ｉ層１５で発生された光
はその内部のファブリ・ぺロー共振器で反射を繰り返し
て共振し、超格子半導体発光素子１０においてレーザー
モードで発振を生じさせ、すなわちレーザー発振させる
ことができる。
子半導体発光素子１０において、真性半導体ｉ層１５に
２つの側面からなるファブリ・ぺロー共振器を形成する
ことができるので、真性半導体ｉ層１５で発生された光
はその内部のファブリ・ぺロー共振器で反射を繰り返し
て共振し、超格子半導体発光素子１０においてレーザー
モードで発振を生じさせ、すなわちレーザー発振させる
ことができる。
【００２７】＜別の変形例＞また、通常面発光レーザー
を形成する場合は、多層膜構造により反射膜を形成する
が、量子サブバンド間遷移レーザーでは、発光波長が数
μｍと長波長であることから、多層反射膜の場合には膜
厚が数１０μｍにも及び、結晶成長時に形成することは
極めて困難であった。上述の変形例における上述した反
射面の代わりに、超格子構造の真性半導体ｉ層１５を結
晶成長法によって形成すると同時に、真性半導体ｉ層１
５とクラッド層１６との間、及び真性半導体ｉ層１５と
クラッド層１４との間に、ＡｌＧａＡｓ層又はＡｌＡｓ
層を形成し、その後、酸化雰囲気中で熱処理することで
Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）膜を形成することにより、真性半
導体ｉ層１５の上下面にそれぞれ、アルミナにてなる高
い反射率を有する反射膜を形成するようにしてもよい。
このとき、従来例に比較して容易に、反射膜を形成する
ことができるという利点がある。
を形成する場合は、多層膜構造により反射膜を形成する
が、量子サブバンド間遷移レーザーでは、発光波長が数
μｍと長波長であることから、多層反射膜の場合には膜
厚が数１０μｍにも及び、結晶成長時に形成することは
極めて困難であった。上述の変形例における上述した反
射面の代わりに、超格子構造の真性半導体ｉ層１５を結
晶成長法によって形成すると同時に、真性半導体ｉ層１
５とクラッド層１６との間、及び真性半導体ｉ層１５と
クラッド層１４との間に、ＡｌＧａＡｓ層又はＡｌＡｓ
層を形成し、その後、酸化雰囲気中で熱処理することで
Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）膜を形成することにより、真性半
導体ｉ層１５の上下面にそれぞれ、アルミナにてなる高
い反射率を有する反射膜を形成するようにしてもよい。
このとき、従来例に比較して容易に、反射膜を形成する
ことができるという利点がある。
【００２８】＜さらなる変形例＞以上の実施形態及び変
形例において、真性半導体ｉ層１５における各上下両端
の層は、量子井戸層２２，２３であってもよいし、障壁
層２１であってもよい。
形例において、真性半導体ｉ層１５における各上下両端
の層は、量子井戸層２２，２３であってもよいし、障壁
層２１であってもよい。
【００２９】以上の実施形態及び変形例において、超格
子半導体発光素子１０は、ｐｉｎ型ダイオード素子にて
なるが、本発明はこれに限らず、ｐ型キャップ層１３に
代えて、ｎ型キャップ層１３を備えてｎｉｎ型半導体素
子で構成してもよい。このとき、例えば、ｎ型キャップ
層１３の材料は、シリコンを１×１０18／ｃｍ3の濃度
でドーピングしたＧａＡｓであり、ｉ型クラッド層１４
の材料は、ＡｌＧａＡｓであり、真性半導体ｉ層１５の
材料、ｉ型クラッド層１６の材料、及びｎ型バッファ層
１７の材料は上記と同様である。
子半導体発光素子１０は、ｐｉｎ型ダイオード素子にて
なるが、本発明はこれに限らず、ｐ型キャップ層１３に
代えて、ｎ型キャップ層１３を備えてｎｉｎ型半導体素
子で構成してもよい。このとき、例えば、ｎ型キャップ
層１３の材料は、シリコンを１×１０18／ｃｍ3の濃度
でドーピングしたＧａＡｓであり、ｉ型クラッド層１４
の材料は、ＡｌＧａＡｓであり、真性半導体ｉ層１５の
材料、ｉ型クラッド層１６の材料、及びｎ型バッファ層
１７の材料は上記と同様である。
【００３０】＜実施形態及び変形例の効果＞以上、詳述
したように、実施形態及び変形例の超格子半導体発光素
子によれば、電子の有効質量が異なる２種類の量子井戸
層２２，２３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、所定の逆バイアス電圧が印加された
ときに、２種類の量子井戸層２２，２３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すること
ができる。また、実施形態及び変形例の超格子半導体発
光素子は、超格子の周期が一定の簡単な周期構造の真性
半導体を用いて構成しているので、従来例のサブバンド
間遷移を用いた量子カスケードレーザーに比較して、安
価に形成することができる。さらに室温においても、安
定な反転分布が得られるので、反射面を有するレーザー
構造素子では、室温で連続的な発振も可能である。
したように、実施形態及び変形例の超格子半導体発光素
子によれば、電子の有効質量が異なる２種類の量子井戸
層２２，２３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、所定の逆バイアス電圧が印加された
ときに、２種類の量子井戸層２２，２３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すること
ができる。また、実施形態及び変形例の超格子半導体発
光素子は、超格子の周期が一定の簡単な周期構造の真性
半導体を用いて構成しているので、従来例のサブバンド
間遷移を用いた量子カスケードレーザーに比較して、安
価に形成することができる。さらに室温においても、安
定な反転分布が得られるので、反射面を有するレーザー
構造素子では、室温で連続的な発振も可能である。
【００３１】
【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る請求項
１記載の超格子半導体発光素子によれば、２つの電極間
に、障壁層と量子井戸層とが交互に複数周期積層されて
なる超格子構造を有する真性半導体層を備え、バイアス
電圧が印加されなる超格子半導体素子において、上記各
量子井戸層は、上記障壁層を挟設し互いに対向する第１
と第２の量子井戸層を備え、上記第１の量子井戸層中の
電子の移動度が、上記第２の量子井戸層の電子の移動度
よりも高くなるように、上記第１と第２の量子井戸層の
材料を選択し、上記バイアス電圧を上記超格子半導体素
子に印加したときに、障壁層を挟んで互いに隣接する第
１と第２の量子井戸層の各量子化準位のエネルギーレベ
ルが実質的に等しくなるように上記バイアス電圧が設定
され、上記バイアス電圧を上記超格子半導体素子に印加
することにより電子を第１の量子井戸層の伝導帯中の所
定の量子化準位に注入し、当該第１の量子井戸層の伝導
帯中の所定の量子化準位から、障壁層を介して、当該第
１の量子井戸層の伝導帯中の所定の量子化準位と実質的
に等しいエネルギーレベルを有する第２の量子井戸層の
伝導帯中の所定の第２の量子化準位に遷移させた後、さ
らに別の障壁層を介して、上記第２の量子化準位よりも
低いエネルギーレベルを有する、別の第１の量子井戸層
の伝導帯中の所定の第１の量子化準位に遷移させること
により発光を得る。従って、電子の有効質量が異なる２
種類の第１と第２の量子井戸層と障壁層とが積層されて
なる真性半導体層を備え、所定のバイアス電圧が印加さ
れたときに、２種類の第１と第２の量子井戸層間の差の
エネルギーに対応する波長を有する光を発生して出力す
ることができる。また、超格子の周期が一定の簡単な周
期構造の真性半導体を用いて構成しているので、従来例
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、安価に形成することができる。さらに室温に
おいても、安定な反転分布が得られるので、反射面を有
するレーザー構造素子では、室温で連続的な発振も可能
である。
１記載の超格子半導体発光素子によれば、２つの電極間
に、障壁層と量子井戸層とが交互に複数周期積層されて
なる超格子構造を有する真性半導体層を備え、バイアス
電圧が印加されなる超格子半導体素子において、上記各
量子井戸層は、上記障壁層を挟設し互いに対向する第１
と第２の量子井戸層を備え、上記第１の量子井戸層中の
電子の移動度が、上記第２の量子井戸層の電子の移動度
よりも高くなるように、上記第１と第２の量子井戸層の
材料を選択し、上記バイアス電圧を上記超格子半導体素
子に印加したときに、障壁層を挟んで互いに隣接する第
１と第２の量子井戸層の各量子化準位のエネルギーレベ
ルが実質的に等しくなるように上記バイアス電圧が設定
され、上記バイアス電圧を上記超格子半導体素子に印加
することにより電子を第１の量子井戸層の伝導帯中の所
定の量子化準位に注入し、当該第１の量子井戸層の伝導
帯中の所定の量子化準位から、障壁層を介して、当該第
１の量子井戸層の伝導帯中の所定の量子化準位と実質的
に等しいエネルギーレベルを有する第２の量子井戸層の
伝導帯中の所定の第２の量子化準位に遷移させた後、さ
らに別の障壁層を介して、上記第２の量子化準位よりも
低いエネルギーレベルを有する、別の第１の量子井戸層
の伝導帯中の所定の第１の量子化準位に遷移させること
により発光を得る。従って、電子の有効質量が異なる２
種類の第１と第２の量子井戸層と障壁層とが積層されて
なる真性半導体層を備え、所定のバイアス電圧が印加さ
れたときに、２種類の第１と第２の量子井戸層間の差の
エネルギーに対応する波長を有する光を発生して出力す
ることができる。また、超格子の周期が一定の簡単な周
期構造の真性半導体を用いて構成しているので、従来例
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、安価に形成することができる。さらに室温に
おいても、安定な反転分布が得られるので、反射面を有
するレーザー構造素子では、室温で連続的な発振も可能
である。
【００３２】また、請求項２記載の超格子半導体発光素
子によれば、請求項１記載の超格子半導体発光素子にお
いて、上記真性半導体層は、真性半導体ｉ層であり、上
記超格子半導体発光素子は、上記２つの電極の間に、上
記真性半導体ｉ層を挟設するｐ型半導体層とｎ型半導体
層をさらに備え、上記超格子半導体発光素子はｐｉｎ型
ダイオード素子であり、上記バイアス電圧は逆バイアス
電圧である。従って、電子の有効質量が異なる２種類の
第１と第２の量子井戸層と障壁層とが積層されてなる真
性半導体層を備え、所定の逆バイアス電圧が印加された
ときに、２種類の第１と第２の量子井戸層間の差のエネ
ルギーに対応する波長を有する光を発生して出力するこ
とができる。また、超格子の周期が一定の簡単な周期構
造の真性半導体を用いて構成しているので、従来例のサ
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、安価に形成することができる。さらに室温におい
ても、安定な反転分布が得られるので、反射面を有する
レーザー構造素子では、室温で連続的な発振も可能であ
る。
子によれば、請求項１記載の超格子半導体発光素子にお
いて、上記真性半導体層は、真性半導体ｉ層であり、上
記超格子半導体発光素子は、上記２つの電極の間に、上
記真性半導体ｉ層を挟設するｐ型半導体層とｎ型半導体
層をさらに備え、上記超格子半導体発光素子はｐｉｎ型
ダイオード素子であり、上記バイアス電圧は逆バイアス
電圧である。従って、電子の有効質量が異なる２種類の
第１と第２の量子井戸層と障壁層とが積層されてなる真
性半導体層を備え、所定の逆バイアス電圧が印加された
ときに、２種類の第１と第２の量子井戸層間の差のエネ
ルギーに対応する波長を有する光を発生して出力するこ
とができる。また、超格子の周期が一定の簡単な周期構
造の真性半導体を用いて構成しているので、従来例のサ
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、安価に形成することができる。さらに室温におい
ても、安定な反転分布が得られるので、反射面を有する
レーザー構造素子では、室温で連続的な発振も可能であ
る。
【００３３】さらに、請求項３記載の超格子半導体発光
素子によれば、請求項１記載の超格子半導体発光素子に
おいて、上記真性半導体層は、真性半導体ｉ層であり、
上記超格子半導体発光素子は、上記２つの電極の間に、
上記真性半導体ｉ層を挟設するｎ型半導体層とｎ型半導
体層をさらに備え、上記超格子半導体発光素子はｎｉｎ
型半導体素子である。従って、電子の有効質量が異なる
２種類の第１と第２の量子井戸層と障壁層とが積層され
てなる真性半導体層を備え、所定の逆バイアス電圧が印
加されたときに、２種類の第１と第２の量子井戸層間の
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
力することができる。また、超格子の周期が一定の簡単
な周期構造の真性半導体を用いて構成しているので、従
来例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、安価に形成することができる。さらに室
温においても、安定な反転分布が得られるので、反射面
を有するレーザー構造素子では、室温で連続的な発振も
可能である。
素子によれば、請求項１記載の超格子半導体発光素子に
おいて、上記真性半導体層は、真性半導体ｉ層であり、
上記超格子半導体発光素子は、上記２つの電極の間に、
上記真性半導体ｉ層を挟設するｎ型半導体層とｎ型半導
体層をさらに備え、上記超格子半導体発光素子はｎｉｎ
型半導体素子である。従って、電子の有効質量が異なる
２種類の第１と第２の量子井戸層と障壁層とが積層され
てなる真性半導体層を備え、所定の逆バイアス電圧が印
加されたときに、２種類の第１と第２の量子井戸層間の
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
力することができる。また、超格子の周期が一定の簡単
な周期構造の真性半導体を用いて構成しているので、従
来例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、安価に形成することができる。さらに室
温においても、安定な反転分布が得られるので、反射面
を有するレーザー構造素子では、室温で連続的な発振も
可能である。
【００３４】また、請求項４記載の超格子半導体発光素
子によれば、請求項１乃至３のうちの１つに記載の超格
子半導体発光素子において、上記真性半導体層を挟設
し、上記真性半導体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
つの反射面を備えることによりレーザー発振する。従っ
て、電子の有効質量が異なる２種類の第１と第２の量子
井戸層と障壁層とが積層されてなる真性半導体層を備
え、所定の逆バイアス電圧が印加されたときに、２種類
の第１と第２の量子井戸層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することができる。ま
た、超格子の周期が一定の簡単な周期構造の真性半導体
を用いて構成しているので、従来例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、容易にか
つ安価に形成することができる。さらに室温において
も、安定な反転分布が得られるので、反射面を有するレ
ーザー構造素子では、室温で連続的な発振も可能であ
る。
子によれば、請求項１乃至３のうちの１つに記載の超格
子半導体発光素子において、上記真性半導体層を挟設
し、上記真性半導体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
つの反射面を備えることによりレーザー発振する。従っ
て、電子の有効質量が異なる２種類の第１と第２の量子
井戸層と障壁層とが積層されてなる真性半導体層を備
え、所定の逆バイアス電圧が印加されたときに、２種類
の第１と第２の量子井戸層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することができる。ま
た、超格子の周期が一定の簡単な周期構造の真性半導体
を用いて構成しているので、従来例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、容易にか
つ安価に形成することができる。さらに室温において
も、安定な反転分布が得られるので、反射面を有するレ
ーザー構造素子では、室温で連続的な発振も可能であ
る。
【００３５】さらに、請求項５記載の超格子半導体発光
素子によれば、請求項１乃至３のうちの１つに記載の超
格子半導体発光素子において、上記真性半導体層は結晶
成長法を用いて形成され、上記超格子半導体発光素子
は、上記真性半導体層を挟設し、上記真性半導体層で発
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つの反射面を備えることに
よりレーザー発振し、上記２つの反射面は、上記真性半
導体層を結晶成長法を用いて形成されるときに、ＡｌＧ
ａＡｓ層又はＡｌＡｓ層の２つの層を上記真性半導体層
を挟設するように形成し、上記真性半導体層を形成した
後、上記超格子半導体発光素子に対して酸化処理してＡ
ｌ2Ｏ3からなる高反射膜を形成することにより形成され
る。従って、電子の有効質量が異なる２種類の第１と第
２の量子井戸層と障壁層とが積層されてなる真性半導体
層を備え、所定の逆バイアス電圧が印加されたときに、
２種類の第１と第２の量子井戸層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することができ
る。また、超格子の周期が一定の簡単な周期構造の真性
半導体を用いて構成しているので、従来例のサブバンド
間遷移を用いた量子カスケードレーザーに比較して、容
易にかつ安価に形成することができる。さらに室温にお
いても、安定な反転分布が得られるので、反射面を有す
るレーザー構造素子では、室温で連続的な発振も可能で
ある。
素子によれば、請求項１乃至３のうちの１つに記載の超
格子半導体発光素子において、上記真性半導体層は結晶
成長法を用いて形成され、上記超格子半導体発光素子
は、上記真性半導体層を挟設し、上記真性半導体層で発
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つの反射面を備えることに
よりレーザー発振し、上記２つの反射面は、上記真性半
導体層を結晶成長法を用いて形成されるときに、ＡｌＧ
ａＡｓ層又はＡｌＡｓ層の２つの層を上記真性半導体層
を挟設するように形成し、上記真性半導体層を形成した
後、上記超格子半導体発光素子に対して酸化処理してＡ
ｌ2Ｏ3からなる高反射膜を形成することにより形成され
る。従って、電子の有効質量が異なる２種類の第１と第
２の量子井戸層と障壁層とが積層されてなる真性半導体
層を備え、所定の逆バイアス電圧が印加されたときに、
２種類の第１と第２の量子井戸層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することができ
る。また、超格子の周期が一定の簡単な周期構造の真性
半導体を用いて構成しているので、従来例のサブバンド
間遷移を用いた量子カスケードレーザーに比較して、容
易にかつ安価に形成することができる。さらに室温にお
いても、安定な反転分布が得られるので、反射面を有す
るレーザー構造素子では、室温で連続的な発振も可能で
ある。
【図１】 本発明に係る一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。
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。
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３】 図１の超格子半導体発光素子１０の製造工程
のうちの第１の工程を示す断面図である。
のうちの第１の工程を示す断面図である。
【図４】 図１の超格子半導体発光素子１０の製造工程
のうちの第２の工程を示す断面図である。
のうちの第２の工程を示す断面図である。
【図５】 図１の超格子半導体発光素子１０の製造工程
のうちの第３の工程を示す断面図である。
のうちの第３の工程を示す断面図である。
【図６】 図１の超格子半導体発光素子１０の製造工程
のうちの第４の工程を示す断面図である。
のうちの第４の工程を示す断面図である。
【図７】 図１の超格子半導体発光素子１０の製造工程
のうちの第５の工程を示す断面図である。
のうちの第５の工程を示す断面図である。
【図８】 図１の超格子半導体発光素子１０の製造工程
のうちの第６の工程を示す断面図である。
のうちの第６の工程を示す断面図である。
１０…超格子半導体発光素子、 １１，１２…電極、 １１ｈ…光出力孔、 １３…キャップ層、 １４…クラッド層、 １５…真性半導体ｉ層、 １６…クラッド層、 １７…バッファ層、 ２０…半導体基板、 ２１…障壁層、 ２２…第１の量子井戸層、 ２３…第２の量子井戸層、 ３０…電圧可変直流電源。
フロントページの続き (72)発明者 江上 典文 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・アール環 境適応通信研究所内 (56)参考文献 特開 平８−236854（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−102653（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−275956（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 3/18 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (5)
- 【請求項１】 ２つの電極間に、障壁層と量子井戸層と
が交互に複数周期積層されてなる超格子構造を有する真
性半導体層を備え、バイアス電圧が印加されなる超格子
半導体素子において、 上記各量子井戸層は、上記障壁層を挟設し互いに対向す
る第１と第２の量子井戸層を備え、上記第１の量子井戸
層中の電子の移動度が、上記第２の量子井戸層の電子の
移動度よりも高くなるように、上記第１と第２の量子井
戸層の材料を選択し、 上記バイアス電圧を上記超格子半導体素子に印加したと
きに、障壁層を挟んで互いに隣接する第１と第２の量子
井戸層の各量子化準位のエネルギーレベルが実質的に等
しくなるように上記バイアス電圧が設定され、 上記バイアス電圧を上記超格子半導体素子に印加するこ
とにより電子を第１の量子井戸層の伝導帯中の所定の量
子化準位に注入し、当該第１の量子井戸層の伝導帯中の
所定の量子化準位から、障壁層を介して、当該第１の量
子井戸層の伝導帯中の所定の量子化準位と実質的に等し
いエネルギーレベルを有する第２の量子井戸層の伝導帯
中の所定の第２の量子化準位に遷移させた後、さらに別
の障壁層を介して、上記第２の量子化準位よりも低いエ
ネルギーレベルを有する、別の第１の量子井戸層の伝導
帯中の所定の第１の量子化準位に遷移させることにより
発光を得ることを特徴とする超格子半導体発光素子。 - 【請求項２】 上記真性半導体層は、真性半導体ｉ層で
あり、 上記超格子半導体発光素子は、上記２つの電極の間に、
上記真性半導体ｉ層を挟設するｐ型半導体層とｎ型半導
体層をさらに備え、 上記超格子半導体発光素子はｐｉｎ型ダイオード素子で
あり、 上記バイアス電圧は逆バイアス電圧であることを特徴と
する請求項１記載の超格子半導体発光素子。 - 【請求項３】 上記真性半導体層は、真性半導体ｉ層で
あり、 上記超格子半導体発光素子は、上記２つの電極の間に、
上記真性半導体ｉ層を挟設するｎ型半導体層とｎ型半導
体層をさらに備え、 上記超格子半導体発光素子はｎｉｎ型半導体素子である
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。 - 【請求項４】 上記超格子半導体発光素子は、上記真性
半導体層を挟設し、上記真性半導体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つの反射面を備えることによりレーザー
発振することを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つ
に記載の超格子半導体発光素子。 - 【請求項５】 上記真性半導体層は結晶成長法を用いて
形成され、 上記超格子半導体発光素子は、上記真性半導体層を挟設
し、上記真性半導体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
つの反射面を備えることによりレーザー発振し、 上記２つの反射面は、上記真性半導体層を結晶成長法を
用いて形成されるときに、ＡｌＧａＡｓ層又はＡｌＡｓ
層の２つの層を上記真性半導体層を挟設するように形成
し、上記真性半導体層を形成した後、上記超格子半導体
発光素子に対して酸化処理してＡｌ2Ｏ3からなる高反射
膜を形成することにより形成されたことを特徴とする請
求項１乃至３のうちの１つに記載の超格子半導体発光素
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12886898A JP2950810B1 (ja) | 1998-05-12 | 1998-05-12 | 超格子半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12886898A JP2950810B1 (ja) | 1998-05-12 | 1998-05-12 | 超格子半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2950810B1 true JP2950810B1 (ja) | 1999-09-20 |
| JPH11330542A JPH11330542A (ja) | 1999-11-30 |
Family
ID=14995356
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12886898A Expired - Fee Related JP2950810B1 (ja) | 1998-05-12 | 1998-05-12 | 超格子半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2950810B1 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7558305B2 (en) * | 2003-12-31 | 2009-07-07 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Intersubband mid-infrared electroluminescent semiconductor devices |
| JP2013171842A (ja) * | 2012-02-17 | 2013-09-02 | National Institute Of Information & Communication Technology | 量子カスケードレーザ |
| JP6627309B2 (ja) * | 2014-08-14 | 2020-01-08 | 国立研究開発法人理化学研究所 | 窒化物半導体量子カスケードレーザー |
-
1998
- 1998-05-12 JP JP12886898A patent/JP2950810B1/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11330542A (ja) | 1999-11-30 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |