JP3014339B2 - 量子波干渉層を有した半導体素子 - Google Patents

量子波干渉層を有した半導体素子

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電子又は正孔から成
るキャリアを効率良く反射させるための量子波干渉層に
関する。特に、レーザ、発光ダイオード等の発光素子に
おいて、キャリアを活性層に効率良く閉じ込め、発光効
率を向上させるために用いることができる。又、他のＦ
ＥＴ、太陽電池等の半導体素子において、キャリアを反
射させ、キャリアの効率の良い利用を可能とする素子に
応用することができる。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体レーザに関して、活性層を
ｎ形クラッド層とｐ形クラッド層とで挟んだダブルヘテ
ロ接合構造が知られている。このレーザでは、電子及び
正孔が活性層に対して電位障壁を形成するクラッド層に
より効率良く閉じ込められる。しかしながら、クラッド
層の電位障壁を越えてキャリアがオーバーフローするた
め、発光効率を充分に向上できないという問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このために、ＪＪＡＰ
Letters Vol.29,No.11(1990 年) L1977-L1980 に記載
されたように、クラッド層に多重量子井戸構造を設ける
ことが提案されている。しかし、この文献では、キャリ
アの運動エネルギをどのような値とするかは示唆がな
く、この文献によって指摘された第１層と第２層との最
適な厚さは、本発明者らが最適とする厚さに対して１／
４〜１／６である。この結果、活性層にキャリアを十分
に蓄積することができず、発光強度が十分に向上しない
という課題がある。
【０００４】そこで、本発明者らは、バンド幅の異なる
多重層構造を光の多重反射における誘電体多層膜に対応
させて、キャリアの量子波が多重層構造により多重反射
されると考えた。そして、この反射によりキャリアの効
果的な閉じ込めが可能となると考え、量子波干渉層の最
適構造を創作した。従って、本発明の目的は、高反射率
を有するキャリアの反射層として機能する量子波干渉層
を提供することである。又、他の発明の目的は、バンド
幅の異なる多重層構造に新規な層構造を加えることで、
さらに、量子波の反射率を向上させることである。さら
に、他の発明の目的は、量子波を反射することができる
他の構造の量子波干渉層を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、第１層と第１層よりもバンド幅の広い第２層とを多
重周期で積層した量子波干渉層を有する半導体素子にお
いて、第１層と前記第２層の厚さをその第２層の最低エ
ネルギレベル付近にあるキャリアの各層における量子波
の波長の４分の１の奇数倍に設定したことを特徴とす
る。
【０００６】請求項２に記載の発明は、第１層と第１層
よりもバンド幅の広い第２層とを多重周期で積層した量
子波干渉層を有する半導体素子において、第１層と第２
層の厚さをキャリアの各層における量子波の波長の４分
の１の奇数倍に設定し、第１層と第２層との境界には、
第１層と第２層の厚さに比べて充分に薄く、エネルギバ
ンドを急変させるδ層が設けられていることを特徴とす
る。
【０００７】請求項３に記載の発明は、第１層の厚さＤ
W と第２層の厚さＤB を次のように設定したことを特徴
とする。
【数１】 ＤW ＝ｎW λW ／４＝ｎW ｈ/ ４ [２ｍw （Ｅ＋Ｖ) ]1/2 …（１）
【数２】 ＤB ＝ｎB λB ／４＝ｎB ｈ/ ４ (２ｍB Ｅ)1/2 …（２） 但し、ｈはプランク定数、ｍw は第１層におけるキャリ
アの有効質量、ｍB は第２層におけるキャリアの有効質
量、Ｅは第２層に流入された、第２層の最低エネルギレ
ベル付近におけるキャリアの運動エネルギ、Ｖは第１層
に対する第２層のバンド電位差、ｎW 、ｎB は奇数であ
る。
【０００８】請求項４の発明は、第１層と第１層よりも
バンド幅の広い第２層との多重周期から成る量子波干渉
層を次のように形成したことを特徴とする。第１層、第
２層を、それぞれ、厚さＤWk，Ｄ Bk で任意周期Ｔk だけ
繰り返して部分量子波干渉層Ｉk とする。但し、
【数３】 ＤWk＝ｎWkλWk／４＝ｎWkｈ/ ４ [２ｍwk（Ｅk ＋Ｖ) ]1/2 …（３）
【数４】 ＤBk＝ｎBkλBk／４＝ｎBkｈ/ ４ (２ｍBkＥk )1/2 …（４） ここで、Ｅk は第２層に流入されるキャリアの運動エネ
ルギの複数の異なる値、ｍwkは第１層における運動エネ
ルギＥk ＋Ｖを有するキャリアの有効質量、ｍBkは第２
層における運動エネルギＥ k を有するキャリアの有効質
量、ｎWk、ｎBkは任意の奇数である。このように形成さ
れた部分量子波干渉層Ｉk をＩ1,…, Ｉj と、ｋの最大
値ｊだけ直列接続して量子波干渉層が形成される。
【０００９】請求項５の発明は、（３），（４）式で決
定される厚さ（ＤBk，ＤWk）の（第２層，第１層）を、
（ＤB1，ＤW1），…，（ＤBk，ＤWk），…，（ＤBj，Ｄ
Wj）と積層し、部分量子波干渉層とする。この部分量子
波干渉層を任意周期繰り返して量子波干渉層が形成され
る。
【００１０】請求項６の発明は、上記のように形成され
た第１層と第２層との境界に、第１層と第２層の厚さに
比べて充分に薄く、エネルギバンドを急変させるδ層を
設けたことを特徴とする。
【００１１】請求項７の発明は、バンド幅の異なる異種
半導体を多重周期で接合した半導体素子において、繰り
返し幅に比べて充分に薄く、エネルギバンドを急変させ
るδ層を、伝導するキャリアの量子波の波長の４分の１
の奇数倍の間隔で複数配設した量子波干渉層を有するこ
とを特徴とする。この間隔はキャリアの運動エネルギを
１つの値とすると（２）式のＤB で得られ、δ層は等間
隔で設けられる。又、キャリアの運動エネルギＥk を複
数の値に設定すると、間隔は（４）式のＤBkで与えられ
る。この場合には、間隔ＤBkでＴk 周期繰り返した部分
量子波干渉層Ｉk をＩ1,…, Ｉj と直列接続して量子波
干渉層を形成することができる。又、ＤB1，…，ＤBk，
…，ＤBjと積層し、部分量子波干渉層とする。この部分
量子波干渉層を任意周期繰り返して量子波干渉層を形成
することもできる。
【００１２】請求項８の発明は、量子波干渉層をキャリ
アを反射させる反射層として作用させることを特徴とす
る。請求項９の発明は、量子波干渉層の量子波の入射端
はキャリアのトンネル伝導を禁止するに十分な厚さの第
２層が形成されていることを特徴とする。
【００１３】請求項１０の発明は、活性層をｎ伝導形層
とｐ伝導形層で挟んだ構造の発光素子において、ｎ伝導
形層及びｐ伝導形層の少なくとも一方の層において、上
記構造の量子波干渉層（請求項１乃至請求項９）を形成
したことを特徴とする。
【００１４】請求項１１の発明は、活性層とｎ伝導形層
又はｐ伝導形層はヘテロ接合され、ｎ伝導形層をｎ形ク
ラッド層とし、ｐ伝導形層をｐ形クラッド層とし、量子
波干渉層によりキャリアを反射させて活性層に閉じ込め
ることを特徴とする。
【００１５】請求項１２の発明は、電界効果トランジス
タにおいて、チャネルに隣接して上記構造の量子波干渉
層（請求項１乃至請求項９）を形成したことを特徴とす
る。又、請求項１３の発明は、ｐｎ接合を有した光電気
変換素子において、ｐ層又はｎ層に少数キャリアを反射
させるための量子波干渉層（請求項１乃至請求項９）を
形成したことを特徴とする。
【００１６】
【発明の作用及び効果】
〔請求項１、３の発明〕本発明にかかる量子波干渉層の
原理を次に説明する。図１は、バンド幅の異なる多重層
構造の伝導帯を示している。電子が図上左から右方向に
伝導するとする。伝導に寄与する電子は、バンド幅の広
い第２層の伝導帯の底付近に存在する電子と考えられ
る。この電子の運動エネルギをＥとする。すると、第２
層Ｂからバンド幅の狭い第１層Ｗに伝導する電子は第２
層から第１層へのバンド電位差Ｖにより加速されて、第
１層Ｗにおける運動エネルギはＥ＋Ｖとなる。又、第１
層Ｗから第２層Ｂへ伝導する電子は第１層から第２層へ
のバンド電位差Ｖにより減速されて、第２層Ｂにおける
電子の運動エネルギはＥに戻る。伝導電子の運動エネル
ギは、多重層構造のポテンシャルエネルギによりこのよ
うな変調を受ける。
【００１７】一方、第１層と第２層の厚さが電子の量子
波長と同程度となると、電子は波動として振る舞う。電
子の量子波は電子の運動エネルギを用いて、（１）、
（２）式により求められる。さらに、波の反射率Ｒは第
２層Ｂ、第１層Ｗにおける量子波の波数ベクトルを
ＫB ，ＫW とする時、次式で求められる。
【数５】 Ｒ＝（｜ＫW ｜−｜ＫB ｜）／（｜ＫW ｜＋｜ＫB ｜） ＝([ｍw ( Ｅ＋Ｖ)]1/2-[ ｍB Ｅ]1/2)/([ｍw ( Ｅ＋Ｖ)]1/2+[ ｍB Ｅ]1/2) ＝[1- ( ｍB Ｅ/ ｍw ( Ｅ＋Ｖ))1/2]/[1+ (ｍB Ｅ/ ｍw ( Ｅ＋Ｖ))1/2] …（５） 又、ｍB ＝ｍw と仮定すれば、反射率は次式で表され
る。
【数６】 Ｒ＝[1- ( Ｅ/ ( Ｅ＋Ｖ))1/2]/[1+ (Ｅ/ ( Ｅ＋Ｖ))1/2] …（６） Ｅ/ ( Ｅ＋Ｖ) ＝ｘとおけば、（６）式は次式のように
変形できる。
【数７】 Ｒ＝（１−ｘ1/2 ）／（１＋ｘ1/2 ） …（７） この反射率Ｒのｘに対する特性は図２のようになる。
【００１８】又、第２層Ｂと第１層ＷがそれぞれＳ層多
重化された場合の量子波の入射端面での反射率ＲS は次
式で与えられる。
【数８】 ＲS ＝〔（１−ｘS ）／（１＋ｘS ）]2 …（８） ｘ≦１／１０の時Ｒ≧０．５２となり、そのためのＥ，
Ｖの関係は
【数９】 Ｅ≦Ｖ／９ …（９） となる。第２層Ｂにおける伝導電子の運動エネルギＥは
伝導帯の底付近であることから、（９）式の関係が満足
され、第２層Ｂと第１層Ｗとの境界での反射率Ｒは５２
％以上となる。このようなバンド幅の異なる多重層構造
により、量子波を効率良く反射させることができる。
【００１９】又、ｘを用いて第２層Ｂの厚さの第１層Ｗ
の厚さに対する比ＤB ／ＤW は次式で求められる。
【数１０】 ＤB ／ＤW ＝〔ｍw ／（ｍB ｘ）〕1/2 …（１０）
【００２０】又、価電子帯においても、バンドの底のエ
ネルギレベルが周期的に変動するが、バンド電位差Ｖが
伝導帯のバンド電位差と異なること、第１層、第２層に
おける正孔の有効質量が電子の有効質量と異なること等
のため、電子に対して反射率を高くするように設定され
た第１層と第２層の幅の設定値は正孔に対する高反射率
が得られる条件にはならない。よって、上記の構造の量
子波干渉層は、電子だけを反射させ正孔を反射させない
ようにすることができる。又、逆に、価電子帯のバンド
電位差、正孔の有効質量を用いて、第１層、第２層の厚
さを設計することで、量子波干渉層を正孔を反射させ電
子を透過させる層とすることもできる。
【００２１】〔請求項４の発明〕図３に示すように、複
数の運動エネルギＥk のそれぞれに対して部分量子波干
渉層Ｉk を形成しても良い。各部分量子波干渉層Ｉk は
（３）、（４）式で決定される厚さの第１層Ｗと第２層
Ｂとを（ＤWk, ＤBk）を１組としてＴk 周期分多重化し
て形成される。この部分量子波干渉層Ｉk をＩ1 〜Ｉj
まで、設定した電子の運動エネルギの数だけ直列に設け
て量子波干渉層を形成しても良い。図３に示すように、
各運動エネルギＥk を有する電子は、各部分量子波干渉
層Ｉk で反射されることになり、運動エネルギがＥ1 〜
Ｅj の範囲にある電子を効率良く反射させることができ
る。運動エネルギの間隔を細かく設定すれば、各部分量
子波干渉層Ｉk における第１層Ｗ又は第２層Ｂの厚さ
（ＤWk, ＤBk）はｋに対してほぼ連続して変化すること
になる。
【００２２】〔請求項５の発明〕図４に示すように、
（３）、（４）式で決定される厚さ（ＤWk, ＤBk）に関
して、厚さ（ＤW1, ＤB1）, …, （ＤWk, ＤBk）, …
（ＤWj, ＤBj) で多重化した部分量子波干渉層を任意個
数分だけ直列接続しても良い。このように配列しても、
運動エネルギがＥ1 〜Ｅj の範囲にある電子を効率良く
反射させることができる。運動エネルギの間隔を細かく
設定すれば、各第１層又は各第２層の厚さはほぼ連続し
て変化することになる。
【００２３】〔請求項２、６の発明〕図８に示すよう
に、第１層Ｗと第２層Ｂとの境界において、エネルギバ
ンドを急変させる厚さが第１層Ｗ、第２層Ｂに比べて十
分に薄いδ層を設けても良い。境界での反射率は（７）
式で得られるが、境界にδ層を設けることで、バンド電
位差Ｖを大きくすることができｘ値が小さくなる。ｘ値
が小さいことから反射率Ｒが大きくなる。このδ層は、
図８（ａ）に示すように、各第１層Ｗの両側の境界に設
けられているが、片側の境界だけに設けても良い。又、
δ層は、図８（ａ）に示すように、境界に第２層Ｂのバ
ンドの底の電位よりもさらに高いバンド電位が形成され
るように設けているが、図８（ｂ）に示すように、境界
に第１層のバンドの底よりもさらに低いエネルギレベル
を有するように形成しても良い。さらに、図８（ｃ）に
示すように、境界に第２層Ｂよりも高いエネルギレベル
を有し第１層Ｗよりも低いエネルギレベルを有する２つ
のδ層を形成しても良い。このようにすることで、第１
層Ｗと第２層Ｂとの境界での量子波の反射率を大きくす
ることができ、多重層に形成した場合に全体での量子波
の反射率を大きくすることができる。
【００２４】〔請求項７の発明〕請求項７の発明は、δ
層を図５、図６のように配列したものである。これは、
第２層Ｂの中にエネルギレベルの高いδ層又はエネルギ
レベルの低いδ層を（２）式で決定されるＤB の間隔で
複数個形成したものである。又、電子の運動エネルギを
複数の値に設定した場合には、この間隔ＤB は図３、図
４の配列における第２層Ｂの厚さＤBkに対応する。従っ
て、δ層を間隔ＤBkでＴk 個繰り返した部分量子波干渉
層Ｉk を、設定した電子の運動エネルギの個数ｊだけ繰
り返して配列して量子波干渉層を形成しても良い。又、
δ層を間隔ＤB1，…，ＤBjで配列した部分量子波干渉層
を任意個数だけ直列接続して量子波干渉層を形成しても
良い。
【００２５】〔請求項８の発明〕量子波干渉層をキャリ
アを反射させる反射層として用いるもので、キャリアを
効率良く反射層の前に閉じ込めることができる。尚、上
述したように、この量子波干渉層は電子又は正孔の一方
のキャリアのみ反射層として機能し、他のキャリアには
反射層として機能しないため、一方のキャリアだけを蓄
積することができる。
【００２６】〔請求項９の発明〕量子波干渉層の入射端
面側の１つの第２層Ｂ0 だけを厚く形成することで、共
鳴トンネル伝導を防止し、キャリアの反射を効果的に行
うことができる。 〔請求項１０、１１の発明〕発光素子の活性層を挟むｐ
伝導層又はｎ伝導層の少なくとも一方に上記の量子波干
渉層を形成することで、キャリアを効果的に活性層に閉
じ込めることができ、光出力を増大させることができ
る。
【００２７】〔請求項１２の発明〕電界効果トランジス
タにおいて、チャネルに隣接して量子波干渉層を形成す
ることで、チャネルを伝導するキャリアをチャネル内に
効果的に閉じ込めることができるので、トランジスタの
増幅率、Ｓ／Ｎ比が向上する。 〔請求項１３の発明〕ｐｎ接合を有した光電気変換素子
において、ｐ層又はｎ層に少数キャリアを反射させるた
めの量子波干渉層を形成したので、接合付近で発生する
キャリアの逆方向へのドリフトを防止することができ
る。よって、光電気変換効率が高くなる。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、本発明を具体的な実施例に
基づいて説明する。なお本発明は下記実施例に限定され
るものではない。 〔第１実施例〕図９は量子波干渉層をｐ形クラッド層に
形成した発光ダイオードの断面図である。GaAsから成る
基板１０の上に、n-GaAsから成る厚さ0.3 μm 、電子濃
度 2×1018/cm3のバッファ層１２が形成され、その上に
n-Ga0.51In0.49P から成る厚さ0.3 μm 、電子濃度 2×
1018/cm3のｎ形コンタクト層１４が形成されている。ｎ
形コンタクト層１４の上には、n-Al0.51In0.49P から成
る厚さ 1μm 、電子濃度1×1018/cm3のｎ形クラッド層
１６が形成され、その上にはGa0.51In0.49P から成る不
純物無添加の厚さ14nmの発光層１８が形成されている。
さらに、その発光層１８の上に量子波干渉層である電子
反射層２０が形成されており、その電子反射層２０の上
にp-Al0.51In0.49P から成る厚さ 1μm 、正孔濃度 1×
1018/cm3のｐ形クラッド層２２が形成されている。そし
て、その層２２の上にp-Ga0.51In0.49P から成る厚さ0.
2 μm 、正孔濃度 2×1018/cm3の第２ｐ形コンタクト層
２４とp-GaAsから成る厚さ0.1 μm の第１ｐ形コンタク
ト層２６が形成されている。さらに、基板１０の裏面に
は厚さ0.2 μm のAu/Ge から成る電極２８が形成され、
第１ｐ形コンタクト層２６の上には厚さ0.2 μm のAu/Z
n から成る電極３０が形成されている。尚、基板１０
は、２インチ径の大きさであり、基板の主面は面方位(1
00) に対して15°方位[011] 方向にオフセットしてい
る。
【００２９】この発光ダイオードは、ガスソースＭＢＥ
法により製造された。ガスソースＭＢＥ法は、結晶のエ
レメント材料全てを固体ソースから供給する従来形のＭ
ＢＥ法とは異なり、Ｖ族元素(As,P)等をガス状原料(AsH
3,PH3)の熱分解により供給し、III 族エレメント(In,G
a,Al)は固体ソースから供給する超高真空下の分子線結
晶成長法である。
【００３０】電子反射層（量子波干渉層）２０は、図１
０に示すように、第１層Ｗにp-Ga0.51In0.49P 、第２層
Ｂにp-Al0.51In0.49P を用いた１５周期の多重量子構造
であり、第１層Ｗと第２層Ｂの境界にp-Al0.33Ga0.33In
0.33P から成るδ層が形成されている。厚さの条件は上
記した（１）、（２）式で決定され、最初の第２層Ｂ0
の厚さはキャリアのトンネル伝導を防止できる程の厚さ
に設計されている。又、δ層の厚さは、1.3nm である。
図１０のエネルギダイヤグラムでは、ｎ形クラッド層１
６と発光層１８と電子反射層２０が図示されている。図
１０（ａ）は電圧が印加されていない状態を示し、
（ｂ）は電圧Ｖが印加された状態を示している。このよ
うな構造とすることで、ｎ形クラッド層１６から発光層
１８に注入された電子は電子反射層２０により効果的に
反射され、発光層１８に閉じ込められる。又、価電子帯
においても、多重量子井戸構造が形成されるが、この構
造では電子が効果的に反射されるように第１層Ｗと第２
層Ｂの厚さの条件が決定されているので、正孔はこの多
重量子井戸構造では反射されない。よって、ｐ形クラッ
ド層２２からの正孔はこの電子反射層２０を通過して、
発光層１８に容易に達し、ｎ形クラッド層１６により発
光層１８に閉じ込められる。
【００３１】第１層Ｗと第２層Ｂの厚さを各種変化させ
て発光出力を測定した。第２層Ｂの厚さを７nmにして、
第１層Ｗの厚さを各種変化させて発光出力を測定した。
その結果を図１３に示す。この測定結果からも理解され
るように、第１層Ｗの厚さが５nmの時に発光出力は最大
となることが分かる。次に、第１層Ｗの厚さを５nmにし
て、第２層Ｂの厚さを各種変化させて発光出力を測定し
た。その結果を図１４に示す。第２層Ｂの厚さが７nmの
時に発光出力が最大となることが分かる。このように、
電子反射層２０は第１層Ｗの厚さを５nm、第２層Ｂの厚
さを７nmにする時に発光出力が最大となることが分か
る。この出力は、電子反射層２０がない場合に比べて約
８倍となった。
【００３２】〔第２実施例〕図１１に示すように、ｎ形
クラッド層１６にも正孔反射層３２が発光層１８に隣接
して設けられている。この正孔反射層３２も電子反射層
２０と構造的には同一である。この構造のエネルギダイ
ヤグラムは図１２に示す通りである。但し、正孔を効果
的に反射させるために、第１層Ｗの厚さは1.0nm であ
り、第２層Ｂの厚さは1.2nm である。このように電子反
射層２０と正孔反射層３２とを形成することで、電子反
射層２０と正孔反射層３２が形成されていない発光素子
に比べて、約１６倍の出力が得られた。
【００３３】〔第３実施例〕次に、図１０と同じ構造
で、電子反射層２０のδ層の厚さを変化させて、発光出
力を測定した結果を図１５に示す。図１５では、第１層
Ｗの厚さは5.6nm であり、第２層Ｂの厚さは7.5nm であ
るので、最適値ではないが、δ層の厚さが約、1.3nm の
時に最大出力が得られ、δ層が存在しない場合に比べて
約1.5 倍の出力が得られることが分かる。
【００３４】〔第４実施例〕ＭＯＳＦＥＴは絶縁膜直下
に反転層のチャネルを形成して少数キャリアを伝導させ
る素子である。ゲート電圧が大きくなるとこの反転層に
おけるキャリアがオーバフローしＳ／Ｎ比が低下する。
そこで、図１６に示すように、チャネルの下側にSiの第
２層ＢとGeの第１層Ｗの多重周期から成る上記構造の量
子波干渉層を設けることで、キャリアを狭いチャネルに
閉じ込めることができる。この結果、チャネルにおける
キャリアのオーバフローを防止することができ、Ｓ／Ｎ
比の向上、応答速度の向上、駆動電力の低下を実現する
ことができる。ＦＥＴにおいてｎチャネルで電子をキャ
リアとする場合には、第２層Ｂの最適厚さは6.8nm 、第
１層Ｗの最適厚さは2.0nm である。
【００３５】〔第５実施例〕図１７に示すように、ｐｎ
接合の光電気変換半導体素子に上記構造の量子波干渉層
を設けることができる。ｐ層には電子を反射させる電子
反射層をｎ層には正孔を反射させる正孔反射層を形成す
る。ｐｎ接合部分に光が入射すると電子・正孔対が生成
される。この時、電子はｎ層へバンド電位差により加速
されるが、一部の電子はｐ層側へドリフトし光電変換に
寄与しない。入射光強度が大きくなる程、このｐ層への
電子のオーバフローが大きくなる。そこで、上記構造の
電子を反射させる量子波干渉層をｐ層に形成すること
で、電子のｐ層側へのドリフトを防止することができ、
ｎ層側へ電子を伝導させることができる。又、正孔につ
いても同様に、光電変換に寄与しないｎ層側へのドリフ
トがある。上記構造の量子波干渉層をｎ層に設けること
で正孔を反射させることができる。この構造により漏れ
電流が無くなり、光電気の変換効率が向上する。
【００３６】本発明は発光ダイオードに量子波干渉層を
設けた実施例を示したが、半導体レーザに量子波干渉層
を設けても良い。又、上記実施例では、量子波干渉層を
Ga0.51In0.49P とAl0.51In0.49P との多重層で構成した
が、４元系のAlxGayIn1-x-yP(0≦x,y ≦1 の任意の値)
で組成比を異にして形成しても良い。さらに、量子波干
渉層は、他のIII 族-V族化合物半導体、II族-VI 族化合
物半導体、Si/Ge 、その他の異種半導体の多重接合で構
成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の概念を説明するための説明図。
【図２】第２層におけるキャリアの運動エネルギの第１
層における運動エネルギに対する比ｘに対する反射率Ｒ
の関係を示した特性図。
【図３】本発明の概念を説明するための説明図。
【図４】本発明の概念を説明するための説明図。
【図５】本発明の概念を説明するための説明図。
【図６】本発明の概念を説明するための説明図。
【図７】本発明の概念を説明するための説明図。
【図８】本発明の概念を説明するための説明図。
【図９】本発明の具体的な一実施例に係る発光素子の構
造を示した断面図。
【図１０】その実施例に係る発光素子のエネルギダイヤ
グラム。
【図１１】他の実施例に係る発光素子の構造を示した断
面図。
【図１２】その実施例に係る発光素子のエネルギダイヤ
グラム。
【図１３】第１層の厚さに対する光出力の関係を示した
測定図。
【図１４】第２層の厚さに対する光出力の関係を示した
測定図。
【図１５】δ層の厚さに対する光出力の関係を示した測
定図。
【図１６】その他の実施例に係るＭＯＳＦＥＴのエネル
ギダイヤグラム。
【図１７】その他の実施例に係る光電気変換半導体素子
のエネルギダイヤグラム。
【符号の説明】
１０…基板 １２…バッファ層 １４…ｎ形コンタクト層 １６…ｎ形クラッド層 １８…発光層 ２０…電子反射層 ２２…ｐ形クラッド層 ２４…第２ｐ形コンタクト層 ２６…第１ｐ形コンタクト層 ２８，３０…電極 ３２…正孔反射層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 33/00 Ｈ０１Ｌ 31/02 Ａ Ｈ０１Ｓ 5/30 31/04 Ａ (56)参考文献 Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃ ｓ，Ｖｏｌ．29，Ｎｏ．11，Ｎｏｖｅｍ ｂｅｒ，1990，ｐｐ．Ｌ1977−Ｌ1980 電子情報通信学会技術研究報告，Ｖｏ ｌ．91，Ｎｏ．２（ＯＱＥ91 １− 17），1991，ＰＰ．73−78 電子情報通信学会技術研究報告，Ｖｏ ｌ．91，Ｎｏ．15（ＥＤ91 １−７）, 1991，ＰＰ．15−21 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 29/861 H01L 29/864 - 29/87 H01L 29/88 - 29/96 H01L 29/06 H01L 29/78 H01L 31/02 H01L 31/04 H01L 33/00 H01S 5/30 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１層と第１層よりもバンド幅の広い第
    ２層とを多重周期で積層した量子波干渉層を有する半導
    体素子において、 前記第１層と前記第２層の厚さをその第２層の最低エネ
    ルギレベル付近にあるキャリアの各層における量子波の
    波長の４分の１の奇数倍に設定したことを特徴とする量
    子波干渉層を有した半導体素子。
  2. 【請求項２】 第１層と第１層よりもバンド幅の広い第
    ２層とを多重周期で積層した量子波干渉層を有する半導
    体素子において、 前記第１層と前記第２層の厚さをキャリアの各層におけ
    る量子波の波長の４分の１の奇数倍に設定し、 前記第１層と前記第２層との境界には、前記第１層と前
    記第２層の厚さに比べて充分に薄く、エネルギバンドを
    急変させるδ層が設けられていることを特徴とする半導
    体素子。
  3. 【請求項３】 前記第１層における前記量子波の波長λ
    W はλW ＝ｈ/[２ｍw（Ｅ＋Ｖ) ]1/2で決定され、前記
    第２層における前記量子波の波長λB はλB ＝ｈ/(２ｍ
    B Ｅ)1/2で決定され、前記第１層の厚さＤW はＤW ＝ｎ
    W λW ／４、前記第２層の厚さＤB はＤB ＝ｎB λB ／
    ４で決定される、但し、ｈはプランク定数、ｍw は第１
    層におけるキャリアの有効質量、ｍB は第２層における
    キャリアの有効質量、Ｅは第２層に流入された、第２層
    の最低エネルギレベル付近におけるキャリアの運動エネ
    ルギー、Ｖは第１層に対する第２層のバンド電位差、ｎ
    W、ｎB は奇数であることを特徴とする請求項１又は２
    に記載の量子波干渉層を有した半導体素子。
  4. 【請求項４】 第１層と第１層よりもバンド幅の広い第
    ２層とを多重周期で積層した量子波干渉層を有する半導
    体素子において、 前記第２層に流入されるキャリアの運動エネルギを複数
    の異なる値Ｅk 、前記第１層におけるその各運動エネル
    ギをＥk ＋Ｖとし、第２層、第１層の各エネルギに対応
    した各量子波長をλBk，λWkとする時、第２層、第１層
    をｎBkλBk／４、ｎWkλWk／４の厚さで、Ｔk 周期繰り
    返された部分量子波干渉層Ｉk が前記値Ｅk の数だけ繰
    り返し形成された、但し、ｎWk、ｎBkは奇数、量子波干
    渉層を有することを特徴とする半導体素子。
  5. 【請求項５】 第１層と第１層よりもバンド幅の広い第
    ２層とを多重周期で積層した量子波干渉層を有する半導
    体素子において、 前記第２層に流入されるキャリアの運動エネルギを複数
    の異なる値Ｅk 、前記第１層におけるその各運動エネル
    ギをＥk ＋Ｖとし、第２層、第１層の各エネルギに対応
    した各量子波長をλBk，λWkとする時、第２層、第１層
    を厚さ（ｎB1λB1／４，ｎW1λW1／４），…，（ｎBkλ
    Bk／４，ｎWkλWk／４），…，（ｎBjλBj／４，ｎWjλ
    Wj／４）で形成した部分量子波干渉層を任意周期繰り返
    して形成された、但し、ｎWk、ｎBkは奇数、量子波干渉
    層を有することを特徴とする半導体素子。
  6. 【請求項６】 前記第１層と前記第２層との境界には、
    前記第１層と前記第２層の厚さに比べて充分に薄く、エ
    ネルギバンドを急変させるδ層が設けられていることを
    特徴とする請求項１又は請求項３乃至請求項５のいずれ
    か１項に記載の半導体素子。
  7. 【請求項７】 バンド幅の異なる異種半導体を多重周期
    で接合した半導体素子において、 繰り返し幅に比べて充分に薄く、エネルギバンドを急変
    させるδ層を、伝導するキャリアの量子波の波長の４分
    の１の奇数倍の間隔で複数配設した量子波干渉層を有す
    ることを特徴とする半導体素子。
  8. 【請求項８】 前記量子波干渉層は前記キャリアを反射
    させる反射層として作用することを特徴とする請求項１
    乃至請求項７のいずれか１項に記載の量子波干渉層を有
    した半導体素子。
  9. 【請求項９】 前記量子波干渉層の量子波の入射端はキ
    ャリアのトンネル伝導を禁止するに十分な厚さの第２層
    が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項
    ６のいずれか１項又は請求項８に記載の半導体素子。
  10. 【請求項１０】 活性層をｎ伝導形層とｐ伝導形層で挟
    んだ構造の発光素子において、 前記ｎ伝導形層及び前記ｐ伝導形層の少なくとも一方の
    層において、 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の量子波干
    渉層を形成したことを特徴とする発光素子。
  11. 【請求項１１】 前記活性層と前記ｎ伝導形層又は前記
    ｐ伝導形層はヘテロ接合され、前記ｎ伝導形層をｎ形ク
    ラッド層とし、前記ｐ伝導形層をｐ形クラッド層とし、
    前記量子波干渉層によりキャリアを反射させて前記活性
    層に閉じ込めることを特徴とする請求項１０に記載の発
    光素子。
  12. 【請求項１２】 電界効果トランジスタにおいて、チャ
    ネルに隣接して請求項１乃至請求項９のいずれか１項に
    記載の量子波干渉層を形成したことを特徴とする電界効
    果トランジスタ。
  13. 【請求項１３】 ｐｎ接合を有した光電気変換素子にお
    いて、ｐ層又はｎ層に少数キャリアを反射させるための
    請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の量子波干
    渉層を形成したことを特徴とする光電気変換素子。
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