JP2968255B1 - 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、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。 【解決手段】 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。真性半導体ｉ層１５は、障壁層２１と量子井戸層２
２と障壁層２１と活性層２３とを順に形成してなる１周
期分の層を複数周期積層することにより形成されてな
る。また、量子井戸層２２の量子化準位Γ１と、それに
隣接する活性層２３の量子化準位Ｌ１及びΓ１とが実質
的に同一のエネルギーレベルとなるように、量子井戸層
２２及び活性層２３の各厚さが設定され、量子井戸層２
２の量子化準位Γ１に存在する電子を、それに隣接する
活性層２３の量子化準位Ｌ１及びΓ１に遷移させた後、
当該活性層２３の量子化準位Γ２からその量子化準位Γ
１に遷移させて発光を得る。
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。 【解決手段】 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。真性半導体ｉ層１５は、障壁層２１と量子井戸層２
２と障壁層２１と活性層２３とを順に形成してなる１周
期分の層を複数周期積層することにより形成されてな
る。また、量子井戸層２２の量子化準位Γ１と、それに
隣接する活性層２３の量子化準位Ｌ１及びΓ１とが実質
的に同一のエネルギーレベルとなるように、量子井戸層
２２及び活性層２３の各厚さが設定され、量子井戸層２
２の量子化準位Γ１に存在する電子を、それに隣接する
活性層２３の量子化準位Ｌ１及びΓ１に遷移させた後、
当該活性層２３の量子化準位Γ２からその量子化準位Γ
１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、上記し
た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
に、超格子の周期が一定でない特殊な周期構造の超格子
を作製する必要があり、素子の設計及び成長が難しく、
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、発光効率が低いという問題
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。
た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
に、超格子の周期が一定でない特殊な周期構造の超格子
を作製する必要があり、素子の設計及び成長が難しく、
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、発光効率が低いという問題
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。
【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、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
されてなる超格子半導体素子において、上記真性半導体
層は、第１の障壁層と量子井戸層と第２の障壁層と活性
層とを順に形成してなる１周期分の層を複数周期積層す
ることにより形成されてなり、上記量子井戸層の量子化
準位Γ１と、それに隣接する上記活性層の量子化準位Ｌ
１及びΓ２とが実質的に同一のエネルギーレベルとなる
ように、上記量子井戸層及び上記活性層の各厚さ又は各
組成比が設定され、上記量子井戸層の量子化準位Γ１に
存在する電子を、それに隣接する上記活性層の量子化準
位Ｌ１及びΓ２に遷移させた後、当該活性層の量子化準
位Γ２からその量子化準位Γ１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、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
されてなる超格子半導体素子において、上記真性半導体
層は、第１の障壁層と量子井戸層と第２の障壁層と活性
層とを順に形成してなる１周期分の層を複数周期積層す
ることにより形成されてなり、上記量子井戸層の量子化
準位Γ１と、それに隣接する上記活性層の量子化準位Ｌ
１及びΓ２とが実質的に同一のエネルギーレベルとなる
ように、上記量子井戸層及び上記活性層の各厚さ又は各
組成比が設定され、上記量子井戸層の量子化準位Γ１に
存在する電子を、それに隣接する上記活性層の量子化準
位Ｌ１及びΓ２に遷移させた後、当該活性層の量子化準
位Γ２からその量子化準位Γ１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層を挟設する第１のｎ型半導体層と第２の
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層を挟設する第１のｎ型半導体層と第２の
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】またさらに、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、超格子構造
を有する超格子半導体層を備え、バイアス電圧が印加さ
れてなる超格子半導体素子において、上記超格子半導体
層は、第１の障壁層と量子井戸層と第２の障壁層と活性
層とを順に形成してなる１周期分の層を複数周期積層す
ることにより形成されてなり、上記量子井戸層の量子化
準位Γ１と、それに隣接する上記活性層の量子化準位Ｌ
１及びΓ２とが実質的に同一のエネルギーレベルとなる
ように、上記量子井戸層及び上記活性層の各厚さ又は各
組成比が設定され、かつ上記量子井戸層に所定の不純物
を１×１０16乃至１×１０18／ｃｍ3だけドープしてｎ
型半導体層とし、上記量子井戸層の量子化準位Γ１に存
在する電子を、それに隣接する上記活性層の量子化準位
Ｌ１及びΓ２に遷移させた後、当該活性層の量子化準位
Γ２からその量子化準位Γ１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は、２つの電極間に、超格子構造
を有する超格子半導体層を備え、バイアス電圧が印加さ
れてなる超格子半導体素子において、上記超格子半導体
層は、第１の障壁層と量子井戸層と第２の障壁層と活性
層とを順に形成してなる１周期分の層を複数周期積層す
ることにより形成されてなり、上記量子井戸層の量子化
準位Γ１と、それに隣接する上記活性層の量子化準位Ｌ
１及びΓ２とが実質的に同一のエネルギーレベルとなる
ように、上記量子井戸層及び上記活性層の各厚さ又は各
組成比が設定され、かつ上記量子井戸層に所定の不純物
を１×１０16乃至１×１０18／ｃｍ3だけドープしてｎ
型半導体層とし、上記量子井戸層の量子化準位Γ１に存
在する電子を、それに隣接する上記活性層の量子化準位
Ｌ１及びΓ２に遷移させた後、当該活性層の量子化準位
Γ２からその量子化準位Γ１に遷移させることにより発
光を得ることを特徴とする。
【００１０】また、請求項５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層を挟設しかつ、所定の不純物を１×１０16乃
至５×１０18／ｃｍ3の所定の高濃度でドープしてなる
第１のｎ+型半導体層と第２の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ｎ+ｉｎ+型半導体素子
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層を挟設しかつ、所定の不純物を１×１０16乃
至５×１０18／ｃｍ3の所定の高濃度でドープしてなる
第１のｎ+型半導体層と第２の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ｎ+ｉｎ+型半導体素子
であることを特徴とする。
【００１１】さらに、請求項６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ｐ型半導体層を介して真性半導体ｉ層に光が入
射されたときに、光が入射された量子井戸層の荷電子帯
の電子を、当該量子井戸層以外の量子井戸層の量子化準
位Γ１に遷移させ、その後、それに隣接する上記活性層
の量子化準位Ｌ１及びΓ２に遷移させた後、当該活性層
の量子化準位Γ２からその量子化準位Γ１に遷移させる
ことにより発光を得ることを特徴とする。
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ｐ型半導体層を介して真性半導体ｉ層に光が入
射されたときに、光が入射された量子井戸層の荷電子帯
の電子を、当該量子井戸層以外の量子井戸層の量子化準
位Γ１に遷移させ、その後、それに隣接する上記活性層
の量子化準位Ｌ１及びΓ２に遷移させた後、当該活性層
の量子化準位Γ２からその量子化準位Γ１に遷移させる
ことにより発光を得ることを特徴とする。
【００１２】また、請求項７記載の超格子半導体発光素
子は、請求項１、２、３、５又は６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、２、３、５又は６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。
【００１３】さらに、請求項８記載の超格子半導体発光
素子は、請求項１、２、３、５又は６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。また、請求項９記載の超格子半導体発光素子
は、請求項４記載の超格子半導体発光素子において、上
記超格子半導体層を挟設し、上記超格子半導体層で発光
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。さらに、請求項
１０記載の超格子半導体発光素子は、請求項４記載の超
格子半導体発光素子において、上記超格子半導体層は結
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、上記超格子半導体層を挟設し、上記超格子半導体層
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、上記超
格子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つの層を上記超格子
半導体層を挟設するように形成し、上記超格子半導体層
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、２、３、５又は６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。また、請求項９記載の超格子半導体発光素子
は、請求項４記載の超格子半導体発光素子において、上
記超格子半導体層を挟設し、上記超格子半導体層で発光
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。さらに、請求項
１０記載の超格子半導体発光素子は、請求項４記載の超
格子半導体発光素子において、上記超格子半導体層は結
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、上記超格子半導体層を挟設し、上記超格子半導体層
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、上記超
格子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つの層を上記超格子
半導体層を挟設するように形成し、上記超格子半導体層
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。
【００１４】
【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。
【００１５】＜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、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
は、障壁層２１と量子井戸層２２と障壁層２１（以下、
２つの障壁層を障壁層２１という。）と活性層２３とを
順に形成してなる１周期分の層を複数周期積層すること
により形成されてなる。また、量子井戸層２２の量子化
準位Γ１と、それに隣接する活性層２３の量子化準位Ｌ
１及びΓ２とが実質的に同一のエネルギーレベルとなる
ように、量子井戸層２２及び活性層２３の各厚さが設定
され、量子井戸層２２の量子化準位Γ１に存在する電子
を、それに隣接する活性層２３の量子化準位Ｌ１及びΓ
２に遷移させた後、当該活性層２３の量子化準位Γ２か
らその量子化準位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、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
は、障壁層２１と量子井戸層２２と障壁層２１（以下、
２つの障壁層を障壁層２１という。）と活性層２３とを
順に形成してなる１周期分の層を複数周期積層すること
により形成されてなる。また、量子井戸層２２の量子化
準位Γ１と、それに隣接する活性層２３の量子化準位Ｌ
１及びΓ２とが実質的に同一のエネルギーレベルとなる
ように、量子井戸層２２及び活性層２３の各厚さが設定
され、量子井戸層２２の量子化準位Γ１に存在する電子
を、それに隣接する活性層２３の量子化準位Ｌ１及びΓ
２に遷移させた後、当該活性層２３の量子化準位Γ２か
らその量子化準位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。
【００１６】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。
【００１７】（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
（１，１，１）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
アンモニア系エッチング溶液（アンモニア：過酸化水素
水：水＝２：１：９６（質量比））で５分間エッチング
処理を行うと、０．５乃至０．５μｍ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
（１，１，１）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
アンモニア系エッチング溶液（アンモニア：過酸化水素
水：水＝２：１：９６（質量比））で５分間エッチング
処理を行うと、０．５乃至０．５μｍ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。
【００１８】（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
５×１０17／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、第１の障壁層２
１と量子井戸層２２と第２の障壁層２１と活性層２３と
を順に形成してなる１周期分の層を、例えば１５乃至１
００周期などの複数周期積層することにより形成されて
なり、ここで、真性半導体ｉ層１５は、障壁層２１と量
子井戸層２２又は活性層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、障壁層２１は
４５Åの厚さを有するＡｌＡｓにてなり、量子井戸層２
２は４０Åの厚さを有するＧａＡｓにてなり、活性層２
３は５５Åの厚さを有するＧａＡｓにてなる。真性半導
体ｉ層１５は、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（ベリリウム）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Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓにてなる厚さ２０００Åのｐ型キ
ャップ層１３。
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
５×１０17／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、第１の障壁層２
１と量子井戸層２２と第２の障壁層２１と活性層２３と
を順に形成してなる１周期分の層を、例えば１５乃至１
００周期などの複数周期積層することにより形成されて
なり、ここで、真性半導体ｉ層１５は、障壁層２１と量
子井戸層２２又は活性層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、障壁層２１は
４５Åの厚さを有するＡｌＡｓにてなり、量子井戸層２
２は４０Åの厚さを有するＧａＡｓにてなり、活性層２
３は５５Åの厚さを有するＧａＡｓにてなる。真性半導
体ｉ層１５は、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（ベリリウム）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Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓにてなる厚さ２０００Åのｐ型キ
ャップ層１３。
【００１９】（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。
【００２０】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。
【００２１】以上のように構成された超格子半導体発光
素子１０においては、逆バイアス電圧を電極１１，１２
間に印加したときに、量子井戸層２２の量子化準位Γ１
と、それに隣接する活性層２３の量子化準位Ｌ１及びΓ
２とが実質的に同一のエネルギーレベルとなるように、
量子井戸層２２及び活性層２３の各厚さが設定され、量
子井戸層２２の量子化準位Γ１に存在する電子を、それ
に隣接する活性層２３の量子化準位Ｌ１及びΓ２に遷移
させた後、当該活性層２３の量子化準位Γ２からその量
子化準位Γ１に遷移させることにより発光を得る。さら
には、真性半導体ｉ層１５では、複数周期積層されてい
るので、周期分にわたって発光が生じ、大きな発光強度
を有する発光を得ることができる。ここで、放出される
光は、活性層２３の量子化準位Γ２から量子化準位Γ１
に遷移したときの差のエネルギーに対応した波長を有す
る光である。
素子１０においては、逆バイアス電圧を電極１１，１２
間に印加したときに、量子井戸層２２の量子化準位Γ１
と、それに隣接する活性層２３の量子化準位Ｌ１及びΓ
２とが実質的に同一のエネルギーレベルとなるように、
量子井戸層２２及び活性層２３の各厚さが設定され、量
子井戸層２２の量子化準位Γ１に存在する電子を、それ
に隣接する活性層２３の量子化準位Ｌ１及びΓ２に遷移
させた後、当該活性層２３の量子化準位Γ２からその量
子化準位Γ１に遷移させることにより発光を得る。さら
には、真性半導体ｉ層１５では、複数周期積層されてい
るので、周期分にわたって発光が生じ、大きな発光強度
を有する発光を得ることができる。ここで、放出される
光は、活性層２３の量子化準位Γ２から量子化準位Γ１
に遷移したときの差のエネルギーに対応した波長を有す
る光である。
【００２２】ここで、量子化準位Ｌ１と量子化準位Γ１
との違いは、公知の通り、波長ベクトルに対する、価電
子帯上端よりもエネルギーを表した例えばＧａＡｓのエ
ネルギー構造図から予め決定される準位点である。
との違いは、公知の通り、波長ベクトルに対する、価電
子帯上端よりもエネルギーを表した例えばＧａＡｓのエ
ネルギー構造図から予め決定される準位点である。
【００２３】すなわち、逆バイアス電圧を電極間１１，
１２に印加したときに、超格子半導体層である真性半導
体ｉ層１５に流れ込んだ電子は、通常量子井戸層２２の
最低準位である第１の量子化準位Γ１にあるが、印加さ
れた逆バイアス電圧に従って隣接する活性層２３に遷移
する際に、上記第１の量子化準位Γ１のエネルギーと遷
移先の活性層２３の第１の量子化準位Ｌ１のエネルギー
とがほぼ等しい場合に、これら２つのサブバンドが共鳴
しあい、電子が容易に第１の量子化準位Ｌ１に遷移す
る。遷移先の第１の量子化準位Ｌ１は、当該量子井戸層
の第２の量子化準位Γ２と共鳴しており、電子はこの第
１の量子化準位Ｌ１と第２の量子化準位Γ２を自由に行
き来することができる。ここで，量子井戸層２２の量子
化準位Γ１とそれに隣接する活性層２３の量子化準位Ｌ
１とを共鳴させ、かつ活性層２３の量子化準位Ｌ１とΓ
２を共鳴させる電界を容易に得る方法として、本実施形
態では、量子井戸層２２及び活性層２３の各厚さを変え
ることで、これらの３つの量子化準位を共鳴させる。後
者では、Ｌ点とΓ点とでは電子の有効質量が異なるため
に活性層２３の厚さを薄くしていったときの量子サイズ
効果によるサブバンド準位の上昇に差が生じるために、
同一の活性層２３のＬ１点とΓ２点を共鳴させることが
可能となる。
１２に印加したときに、超格子半導体層である真性半導
体ｉ層１５に流れ込んだ電子は、通常量子井戸層２２の
最低準位である第１の量子化準位Γ１にあるが、印加さ
れた逆バイアス電圧に従って隣接する活性層２３に遷移
する際に、上記第１の量子化準位Γ１のエネルギーと遷
移先の活性層２３の第１の量子化準位Ｌ１のエネルギー
とがほぼ等しい場合に、これら２つのサブバンドが共鳴
しあい、電子が容易に第１の量子化準位Ｌ１に遷移す
る。遷移先の第１の量子化準位Ｌ１は、当該量子井戸層
の第２の量子化準位Γ２と共鳴しており、電子はこの第
１の量子化準位Ｌ１と第２の量子化準位Γ２を自由に行
き来することができる。ここで，量子井戸層２２の量子
化準位Γ１とそれに隣接する活性層２３の量子化準位Ｌ
１とを共鳴させ、かつ活性層２３の量子化準位Ｌ１とΓ
２を共鳴させる電界を容易に得る方法として、本実施形
態では、量子井戸層２２及び活性層２３の各厚さを変え
ることで、これらの３つの量子化準位を共鳴させる。後
者では、Ｌ点とΓ点とでは電子の有効質量が異なるため
に活性層２３の厚さを薄くしていったときの量子サイズ
効果によるサブバンド準位の上昇に差が生じるために、
同一の活性層２３のＬ１点とΓ２点を共鳴させることが
可能となる。
【００２４】なお、上記３つの量子化準位を共鳴させる
ための方法として、本発明はこれに限らず、量子井戸層
２２及び活性層２３の材料組成を、これらの３つの量子
化準位がほぼ同準位になるよう変化させてもよい。この
場合、量子井戸層２２の組成をＧａＡｓとし、発光層と
なる活性層２３の組成をＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ＜
０．４）とする。ここで、量子井戸層２２と活性層２３
は同一の６０Åの厚さを有する。
ための方法として、本発明はこれに限らず、量子井戸層
２２及び活性層２３の材料組成を、これらの３つの量子
化準位がほぼ同準位になるよう変化させてもよい。この
場合、量子井戸層２２の組成をＧａＡｓとし、発光層と
なる活性層２３の組成をＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ＜
０．４）とする。ここで、量子井戸層２２と活性層２３
は同一の６０Åの厚さを有する。
【００２５】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中で電子の移動が起こると、Ｌ点
での電子の有効質量が大きく状態密度が大きいために電
子をたくさん溜めることができる。通常電子は、フォノ
ン散乱が起こり、Ｌ1点から直ちに低準位である第１の
量子化準位Γ１点に遷移するが、レーザー発振時にはフ
ォノン散乱による低準位への遷移は抑制されるので、Ｌ
１点と共鳴するΓ２点からΓ１点への遷移となり光放出
による直接遷移となる。
る真性半導体ｉ層１５中で電子の移動が起こると、Ｌ点
での電子の有効質量が大きく状態密度が大きいために電
子をたくさん溜めることができる。通常電子は、フォノ
ン散乱が起こり、Ｌ1点から直ちに低準位である第１の
量子化準位Γ１点に遷移するが、レーザー発振時にはフ
ォノン散乱による低準位への遷移は抑制されるので、Ｌ
１点と共鳴するΓ２点からΓ１点への遷移となり光放出
による直接遷移となる。
【００２６】以上の実施形態では、逆バイアス電圧の印
加による電子を利用して発光させているが，本発明はこ
れに限らず、光出力孔１１ｂを介して所定の強度を有す
る光を入射し、光が入射された量子井戸層２２の荷電子
帯の電子を、当該量子井戸層２２以外の量子井戸層２２
の量子化準位Γ１に遷移させ、その後、それに隣接する
上記活性層の量子化準位Ｌ１及びΓ２に遷移させた後、
当該活性層の量子化準位Γ２からその量子化準位Γ１に
遷移させることにより発光を得るようにしてもよい。す
なわち、電極１１，１２の間に所定の逆バイアス電圧を
印加して、かつ図１に示すように電極１１の孔１１ｂか
らｐ型キャップ層１３及び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の第１の量子化準位Γ１点に遷移する。これに
よって、量子井戸層２２の第１の量子化準位Γ１点に電
子であるキャリアが生成される。量子井戸層２２の第１
の量子化準位Γ１点に励起された電子は、上述と同様
に、それに隣接する活性層２３の量子化準位Ｌ１及びΓ
２に遷移させた後、当該活性層２３の量子化準位Γ２か
らその量子化準位Γ１に遷移させることにより発光を得
る。
加による電子を利用して発光させているが，本発明はこ
れに限らず、光出力孔１１ｂを介して所定の強度を有す
る光を入射し、光が入射された量子井戸層２２の荷電子
帯の電子を、当該量子井戸層２２以外の量子井戸層２２
の量子化準位Γ１に遷移させ、その後、それに隣接する
上記活性層の量子化準位Ｌ１及びΓ２に遷移させた後、
当該活性層の量子化準位Γ２からその量子化準位Γ１に
遷移させることにより発光を得るようにしてもよい。す
なわち、電極１１，１２の間に所定の逆バイアス電圧を
印加して、かつ図１に示すように電極１１の孔１１ｂか
らｐ型キャップ層１３及び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の第１の量子化準位Γ１点に遷移する。これに
よって、量子井戸層２２の第１の量子化準位Γ１点に電
子であるキャリアが生成される。量子井戸層２２の第１
の量子化準位Γ１点に励起された電子は、上述と同様
に、それに隣接する活性層２３の量子化準位Ｌ１及びΓ
２に遷移させた後、当該活性層２３の量子化準位Γ２か
らその量子化準位Γ１に遷移させることにより発光を得
る。
【００２７】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。
【００２８】＜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。
【００２９】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。
【００３０】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、すなわち大きな強度でレーザ
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、すなわち大きな強度でレーザ
ー発振させることができる。
【００３１】＜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。
【００３２】＜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。
【００３３】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。
【００３４】また、上記ｎｉｎ型半導体素子において、
ｎ型キャップ層１３及びｎ型バッファ層１７の代わり
に、ｎ型キャップ層１３及びｎ型バッファ層１７に対し
て所定の不純物を１×１０16乃至５×１０18／ｃｍ3の
所定の高濃度でドープしてなる第１のｎ+型半導体層と
第２のｎ+型半導体層を備えることにより、ｎ+ｉｎ+型
半導体素子で構成してもよい。
ｎ型キャップ層１３及びｎ型バッファ層１７の代わり
に、ｎ型キャップ層１３及びｎ型バッファ層１７に対し
て所定の不純物を１×１０16乃至５×１０18／ｃｍ3の
所定の高濃度でドープしてなる第１のｎ+型半導体層と
第２のｎ+型半導体層を備えることにより、ｎ+ｉｎ+型
半導体素子で構成してもよい。
【００３５】＜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及び活性層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、活性層２３の第２と第１の量子化準位
Γ２，Γ１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、実施形態の
超格子半導体発光素子においては、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、安価に作製することができ
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及び活性層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、活性層２３の第２と第１の量子化準位
Γ２，Γ１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、実施形態の
超格子半導体発光素子においては、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、安価に作製することができ
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発振も
可能である。
【００３６】
【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る超格子
半導体発光素子によれば、２つの電極間に、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
てなる超格子半導体素子において、上記真性半導体層
は、第１の障壁層と量子井戸層と第２の障壁層と活性層
とを順に形成してなる１周期分の層を複数周期積層する
ことにより形成されてなり、上記量子井戸層の量子化準
位Γ１と、それに隣接する上記活性層の量子化準位Ｌ１
及びΓ２とが実質的に同一のエネルギーレベルとなるよ
うに、上記量子井戸層及び上記活性層の各厚さ又は各組
成比が設定され、上記量子井戸層の量子化準位Γ１に存
在する電子を、それに隣接する上記活性層の量子化準位
Ｌ１及びΓ２に遷移させた後、当該活性層の量子化準位
Γ２からその量子化準位Γ１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種類の量
子井戸層及び活性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、活性層の第２と第１の量子化準位Γ２，Γ１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、実施形態の超格子半導体発光
素子においては、超格子の周期が一定の簡単な周期構造
の真性半導体層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、安価に作製することができる。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発振も可能である。
半導体発光素子によれば、２つの電極間に、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
てなる超格子半導体素子において、上記真性半導体層
は、第１の障壁層と量子井戸層と第２の障壁層と活性層
とを順に形成してなる１周期分の層を複数周期積層する
ことにより形成されてなり、上記量子井戸層の量子化準
位Γ１と、それに隣接する上記活性層の量子化準位Ｌ１
及びΓ２とが実質的に同一のエネルギーレベルとなるよ
うに、上記量子井戸層及び上記活性層の各厚さ又は各組
成比が設定され、上記量子井戸層の量子化準位Γ１に存
在する電子を、それに隣接する上記活性層の量子化準位
Ｌ１及びΓ２に遷移させた後、当該活性層の量子化準位
Γ２からその量子化準位Γ１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種類の量
子井戸層及び活性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、活性層の第２と第１の量子化準位Γ２，Γ１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、実施形態の超格子半導体発光
素子においては、超格子の周期が一定の簡単な周期構造
の真性半導体層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、安価に作製することができる。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発振も可能である。
【００３７】また、上記超格子半導体発光素子におい
て、上記超格子半導体発光素子は、上記ｐ型半導体層を
介して真性半導体ｉ層に光が入射されたときに、光が入
射された量子井戸層の荷電子帯の電子を、当該量子井戸
層以外の量子井戸層の量子化準位Γ１に遷移させ、その
後、それに隣接する上記活性層の量子化準位Ｌ１及びΓ
２に遷移させた後、当該活性層の量子化準位Γ２からそ
の量子化準位Γ１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種類の量子井戸層及
び活性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、活性層の
第２と第１の量子化準位Γ２，Γ１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、実施形態の超格子半導体発光素子において
は、超格子の周期が一定の簡単な周期構造の真性半導体
層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
製することができる。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
子では室温発振も可能である。
て、上記超格子半導体発光素子は、上記ｐ型半導体層を
介して真性半導体ｉ層に光が入射されたときに、光が入
射された量子井戸層の荷電子帯の電子を、当該量子井戸
層以外の量子井戸層の量子化準位Γ１に遷移させ、その
後、それに隣接する上記活性層の量子化準位Ｌ１及びΓ
２に遷移させた後、当該活性層の量子化準位Γ２からそ
の量子化準位Γ１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種類の量子井戸層及
び活性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、活性層の
第２と第１の量子化準位Γ２，Γ１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、実施形態の超格子半導体発光素子において
は、超格子の周期が一定の簡単な周期構造の真性半導体
層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
製することができる。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
子では室温発振も可能である。
【００３８】さらに、上記超格子半導体発光素子におい
て、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。
従って、電子の有効質量が異なる２種類の量子井戸層及
び活性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、活性層
の第２と第１の量子化準位Γ２，Γ１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、実施形態の超格子半導体発光素子におい
ては、超格子の周期が一定の簡単な周期構造の真性半導
体層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
作製することができる。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
素子では室温発振も可能である。
て、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。
従って、電子の有効質量が異なる２種類の量子井戸層及
び活性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、活性層
の第２と第１の量子化準位Γ２，Γ１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、実施形態の超格子半導体発光素子におい
ては、超格子の周期が一定の簡単な周期構造の真性半導
体層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
作製することができる。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
素子では室温発振も可能である。
【００３９】またさらに、上記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る。従って、電子の有
効質量が異なる２種類の量子井戸層及び活性層と障壁層
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、活性層の第２と第１の量
子化準位Γ２，Γ１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
施形態の超格子半導体発光素子においては、超格子の周
期が一定の簡単な周期構造の真性半導体層を用いて構成
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、安価に作製することがで
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発振
も可能である。
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る。従って、電子の有
効質量が異なる２種類の量子井戸層及び活性層と障壁層
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、活性層の第２と第１の量
子化準位Γ２，Γ１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
施形態の超格子半導体発光素子においては、超格子の周
期が一定の簡単な周期構造の真性半導体層を用いて構成
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、安価に作製することがで
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…量子井戸層、 ２３…活性層、 ３０…可変電圧直流電源。
───────────────────────────────────────────────────── 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 (72)発明者 中山 正昭 大阪府大阪市住吉区杉本３丁目３番138 号 大阪市立大学工学部応用物理学教室 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) H01S 3/18 H01L 33/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (10)
- 【請求項１】 ２つの電極間に、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てなる超格
子半導体素子において、 上記真性半導体層は、第１の障壁層と量子井戸層と第２
の障壁層と活性層とを順に形成してなる１周期分の層を
複数周期積層することにより形成されてなり、 上記量子井戸層の量子化準位Γ１と、それに隣接する上
記活性層の量子化準位Ｌ１及びΓ２とが実質的に同一の
エネルギーレベルとなるように、上記量子井戸層及び上
記活性層の各厚さ又は各組成比が設定され、 上記量子井戸層の量子化準位Γ１に存在する電子を、そ
れに隣接する上記活性層の量子化準位Ｌ１及びΓ２に遷
移させた後、当該活性層の量子化準位Γ２からその量子
化準位Γ１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層を挟設する第１のｎ型半導体層と第
２の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】 ２つの電極間に、超格子構造を有する超
格子半導体層を備え、バイアス電圧が印加されてなる超
格子半導体素子において、 上記超格子半導体層は、第１の障壁層と量子井戸層と第
２の障壁層と活性層とを順に形成してなる１周期分の層
を複数周期積層することにより形成されてなり、 上記量子井戸層の量子化準位Γ１と、それに隣接する上
記活性層の量子化準位Ｌ１及びΓ２とが実質的に同一の
エネルギーレベルとなるように、上記量子井戸層及び上
記活性層の各厚さ又は各組成比が設定され、かつ上記量
子井戸層に所定の不純物を１×１０16乃至１×１０18／
ｃｍ3だけドープしてｎ型半導体層とし、 上記量子井戸層の量子化準位Γ１に存在する電子を、そ
れに隣接する上記活性層の量子化準位Ｌ１及びΓ２に遷
移させた後、当該活性層の量子化準位Γ２からその量子
化準位Γ１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５】 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層を挟設しかつ、所定の不純物を１×
１０16乃至５×１０18／ｃｍ3の所定の高濃度でドープ
してなる第１のｎ+型半導体層と第２の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ｎ+ｉｎ+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６】 上記超格子半導体発光素子は、上記ｐ型
半導体層を介して真性半導体ｉ層に光が入射されたとき
に、光が入射された量子井戸層の荷電子帯の電子を、当
該量子井戸層以外の量子井戸層の量子化準位Γ１に遷移
させ、その後、それに隣接する上記活性層の量子化準位
Ｌ１及びΓ２に遷移させた後、当該活性層の量子化準位
Γ２からその量子化準位Γ１に遷移させることにより発
光を得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。 - 【請求項７】 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、２、３、５又は６
記載の超格子半導体発光素子。 - 【請求項８】 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、２、３、５又は６記載の超格子半導体発光素
子。 - 【請求項９】 上記超格子半導体発光素子は、上記超格
子半導体層を挟設し、上記超格子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４記載の超格子半
導体発光素子。 - 【請求項１０】 上記超格子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、上記超格子半導体層を挟
設し、上記超格子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、上記超格子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ＡｌＡ
ｓ層の２つの層を上記超格子半導体層を挟設するように
形成し、上記超格子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４記載の超格子半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14703998A JP2968255B1 (ja) | 1998-05-28 | 1998-05-28 | 超格子半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14703998A JP2968255B1 (ja) | 1998-05-28 | 1998-05-28 | 超格子半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2968255B1 true JP2968255B1 (ja) | 1999-10-25 |
| JPH11340575A JPH11340575A (ja) | 1999-12-10 |
Family
ID=15421145
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14703998A Expired - Lifetime JP2968255B1 (ja) | 1998-05-28 | 1998-05-28 | 超格子半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2968255B1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015129668A1 (ja) * | 2014-02-28 | 2015-09-03 | 国立研究開発法人科学技術振興機構 | 熱輻射光源、及び該光源に用いる２次元フォトニック結晶 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002353569A (ja) * | 2001-05-23 | 2002-12-06 | Akihiro Ishida | 半導体レーザ素子、半導体レーザ装置 |
| US7558305B2 (en) * | 2003-12-31 | 2009-07-07 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Intersubband mid-infrared electroluminescent semiconductor devices |
-
1998
- 1998-05-28 JP JP14703998A patent/JP2968255B1/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015129668A1 (ja) * | 2014-02-28 | 2015-09-03 | 国立研究開発法人科学技術振興機構 | 熱輻射光源、及び該光源に用いる２次元フォトニック結晶 |
| JPWO2015129668A1 (ja) * | 2014-02-28 | 2017-03-30 | 国立研究開発法人科学技術振興機構 | 熱輻射光源、及び該光源に用いる２次元フォトニック結晶 |
| US9972970B2 (en) | 2014-02-28 | 2018-05-15 | Japan Science And Technology Agency | Thermal emission source and two-dimensional photonic crystal for use in the same emission source |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH11340575A (ja) | 1999-12-10 |
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