JP3029833B2 - 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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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超格子半導体層を
備えた超格子半導体発光素子に関する。
備えた超格子半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、光信号を用いた記憶メディアの容
量を増大するための開発が盛んに行われている。読み込
みや書き込みを行うレーザー光の波長を短くすること
で、容易に記憶容量が増大できることは良く知られてい
る。
量を増大するための開発が盛んに行われている。読み込
みや書き込みを行うレーザー光の波長を短くすること
で、容易に記憶容量が増大できることは良く知られてい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、短波長
のレーザー光源を作製することは容易でなく、実際の記
憶装置には用いられていない。その理由は短波長レーザ
ー光源作製の材料として、主にＧａＮ、ＺｎＳｅ、Ｃｄ
Ｓｅなどが用いられているが格子整合する基板が無く、
良質な結晶を得ることが困難なためである。さらに、格
子定数が比較的近い基板は劈開性が無く、このためレー
ザー素子に必要な反射膜を別途作り込む必要があり、レ
ーザー発振をさせることは極めて困難であるからであ
る。
のレーザー光源を作製することは容易でなく、実際の記
憶装置には用いられていない。その理由は短波長レーザ
ー光源作製の材料として、主にＧａＮ、ＺｎＳｅ、Ｃｄ
Ｓｅなどが用いられているが格子整合する基板が無く、
良質な結晶を得ることが困難なためである。さらに、格
子定数が比較的近い基板は劈開性が無く、このためレー
ザー素子に必要な反射膜を別途作り込む必要があり、レ
ーザー発振をさせることは極めて困難であるからであ
る。
【０００４】例えば、第２高調波を利用する光−光変換
素子（以下、ＳＨＧ素子という。ここで、ＳＨＧは、Se
cond-Harmonic Generatorの略である。）は、２分の１
波長の光を取り出すことができるため、短波長レーザー
として有望であり盛んに研究が行われている（例えば、
従来技術文献１「Neil D. Whitbread et al.,"Theoreti
cal Analysis of Passive Visible Surface-Emitting S
econd-Harmonic Generators", IEEE Journal of Quantu
m Electronics, Vol. 30, No. 1, 1994年１月」参
照。）。しかしながら、この従来例のＳＨＧ素子は、あ
る発振波長を持つ半導体レーザーと第２高調波を取り出
すための素子がそれぞれ必要であり、構造が複雑のみな
らず、素子間の光軸調整に精度が要求され作製が困難で
あった。また、記憶装置の読み込み書き込み用のレーザ
ー光源としてはサイズが大きく、記憶装置に実用化する
ことがきわめて困難であった。
素子（以下、ＳＨＧ素子という。ここで、ＳＨＧは、Se
cond-Harmonic Generatorの略である。）は、２分の１
波長の光を取り出すことができるため、短波長レーザー
として有望であり盛んに研究が行われている（例えば、
従来技術文献１「Neil D. Whitbread et al.,"Theoreti
cal Analysis of Passive Visible Surface-Emitting S
econd-Harmonic Generators", IEEE Journal of Quantu
m Electronics, Vol. 30, No. 1, 1994年１月」参
照。）。しかしながら、この従来例のＳＨＧ素子は、あ
る発振波長を持つ半導体レーザーと第２高調波を取り出
すための素子がそれぞれ必要であり、構造が複雑のみな
らず、素子間の光軸調整に精度が要求され作製が困難で
あった。また、記憶装置の読み込み書き込み用のレーザ
ー光源としてはサイズが大きく、記憶装置に実用化する
ことがきわめて困難であった。
【０００５】本発明の目的は上記の問題点を解決して、
従来例に比較して構造が簡単であってサイズが小さく、
単独の素子で短波長の第２高調波成分の光を発生させる
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。
従来例に比較して構造が簡単であってサイズが小さく、
単独の素子で短波長の第２高調波成分の光を発生させる
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、所定の傾斜面を有する半
導体基板上に、横方向のｐ−ｎ接合を有する量子井戸層
と、障壁層とが交互に少なくとも複数周期積層されてな
る超格子半導体層を備えた超格子半導体発光素子であっ
て、上記横方向のｐ−ｎ接合の方向に対して実質的に直
交する方向で、上記超格子半導体層を挟設するように形
成され、発光された光を反射する１対の反射膜を備える
ことによりレーザー発振させ、上記量子井戸層の材料の
非線形特性による第２高調波発生効果により３５０乃至
５００ｎｍの波長を有する第２高調波成分の光を発生さ
せて上記半導体基板に対して垂直な方向に放出すること
を特徴とする。
載の超格子半導体発光素子は、所定の傾斜面を有する半
導体基板上に、横方向のｐ−ｎ接合を有する量子井戸層
と、障壁層とが交互に少なくとも複数周期積層されてな
る超格子半導体層を備えた超格子半導体発光素子であっ
て、上記横方向のｐ−ｎ接合の方向に対して実質的に直
交する方向で、上記超格子半導体層を挟設するように形
成され、発光された光を反射する１対の反射膜を備える
ことによりレーザー発振させ、上記量子井戸層の材料の
非線形特性による第２高調波発生効果により３５０乃至
５００ｎｍの波長を有する第２高調波成分の光を発生さ
せて上記半導体基板に対して垂直な方向に放出すること
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、
上記超格子半導体層は、上記量子井戸層と上記障壁層と
が交互に２．５周期積層されてな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、
上記超格子半導体層は、上記量子井戸層と上記障壁層と
が交互に２．５周期積層されてな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又は記載の超格子半導体発光素子にお
いて、上記超格子半導体発光素子は、上記半導体基板上
に、結晶成長法を用いて上記超格子半導体層を形成する
ことを特徴とする。
素子は、請求項１又は記載の超格子半導体発光素子にお
いて、上記超格子半導体発光素子は、上記半導体基板上
に、結晶成長法を用いて上記超格子半導体層を形成する
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、上記半導体基板に対して垂直な方
向で、上記超格子半導体層を挟設するように形成され、
上記超格子半導体層の屈折率よりも大きな屈折率を有す
る材料にてなる１対のバッファ層及びクラッド層をさら
に備えたことを特徴とする。
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、上記半導体基板に対して垂直な方
向で、上記超格子半導体層を挟設するように形成され、
上記超格子半導体層の屈折率よりも大きな屈折率を有す
る材料にてなる１対のバッファ層及びクラッド層をさら
に備えたことを特徴とする。
【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４のうちの１つに記載の超格子半
導体発光素子において、上記半導体基板と上記超格子半
導体層との間、又は上記半導体基板と上記バッファ層と
の間に形成され、上記第２高調波成分の光を上記半導体
基板に対して垂直な方向に反射する別の反射膜をさらに
備えたことを特徴とする。
素子は、請求項１乃至４のうちの１つに記載の超格子半
導体発光素子において、上記半導体基板と上記超格子半
導体層との間、又は上記半導体基板と上記バッファ層と
の間に形成され、上記第２高調波成分の光を上記半導体
基板に対して垂直な方向に反射する別の反射膜をさらに
備え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】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の構造を示す、第１の断面に沿
った断面図であり、図２は、図１の超格子半導体発光素
子１０の構造を示す、第１の断面に直交する第２の断面
に沿った断面図である。ここで、第１の断面は、当該超
格子半導体発光素子１０で形成される横方向のｐ−ｎ接
合の横方向に対して平行な縦断面であり、第２の断面
は、当該超格子半導体発光素子１０においてクラッド層
１５及びキャップ層１６まで形成された部位において上
記第１の断面に対して直交する縦断面である。
格子半導体発光素子１０の構造を示す、第１の断面に沿
った断面図であり、図２は、図１の超格子半導体発光素
子１０の構造を示す、第１の断面に直交する第２の断面
に沿った断面図である。ここで、第１の断面は、当該超
格子半導体発光素子１０で形成される横方向のｐ−ｎ接
合の横方向に対して平行な縦断面であり、第２の断面
は、当該超格子半導体発光素子１０においてクラッド層
１５及びキャップ層１６まで形成された部位において上
記第１の断面に対して直交する縦断面である。
【００１３】本実施形態の超格子半導体発光素子１０
は、図１及び図２に示すように、（１，１，１）Ａ面に
対して所定の傾斜角θ（９０°＞θ≧３３°）の傾斜面
を有する半導体基板２０上に、横方向のｐ−ｎ接合を有
する量子井戸層２２と、障壁層２１とが交互に２．５周
期積層されてなる超格子半導体層１４を、例えばエピタ
キシャル成長法などの結晶成長法を用いて形成したヘテ
ロ接合型ｐ−ｎダイオード素子を備えた超格子半導体発
光素子１０であり、ここで、上記横方向のｐ−ｎ接合の
方向に対して実質的に直交する方向で、超格子半導体層
１４を挟設するように形成され、発光された光を反射す
る１対の反射膜４１，４２を備えることによりレーザー
発振させ、超格子半導体層１４のうちの量子井戸層２２
の材料ＧａＡｓの非線形特性による第２高調波発生効果
により３５０乃至５００ｎｍの波長を有する第２高調波
成分の光を発生させて半導体基板２０に対して垂直な方
向に放出することを特徴としている。また、上記半導体
基板に対して垂直な方向で、超格子半導体層１４を挟設
するように形成され、上記超格子半導体層の屈折率より
も低い屈折率を有する材料にてなる１対のバッファ層１
３及びクラッド層１５をさらに備えることにより、上記
レーザー発振した光を１対のバッファ層１３及びクラッ
ド層１５間に閉じ込め効率的に第２高調波成分の光を発
生させることを特徴としている。
は、図１及び図２に示すように、（１，１，１）Ａ面に
対して所定の傾斜角θ（９０°＞θ≧３３°）の傾斜面
を有する半導体基板２０上に、横方向のｐ−ｎ接合を有
する量子井戸層２２と、障壁層２１とが交互に２．５周
期積層されてなる超格子半導体層１４を、例えばエピタ
キシャル成長法などの結晶成長法を用いて形成したヘテ
ロ接合型ｐ−ｎダイオード素子を備えた超格子半導体発
光素子１０であり、ここで、上記横方向のｐ−ｎ接合の
方向に対して実質的に直交する方向で、超格子半導体層
１４を挟設するように形成され、発光された光を反射す
る１対の反射膜４１，４２を備えることによりレーザー
発振させ、超格子半導体層１４のうちの量子井戸層２２
の材料ＧａＡｓの非線形特性による第２高調波発生効果
により３５０乃至５００ｎｍの波長を有する第２高調波
成分の光を発生させて半導体基板２０に対して垂直な方
向に放出することを特徴としている。また、上記半導体
基板に対して垂直な方向で、超格子半導体層１４を挟設
するように形成され、上記超格子半導体層の屈折率より
も低い屈折率を有する材料にてなる１対のバッファ層１
３及びクラッド層１５をさらに備えることにより、上記
レーザー発振した光を１対のバッファ層１３及びクラッ
ド層１５間に閉じ込め効率的に第２高調波成分の光を発
生させることを特徴としている。
【００１４】次いで、本実施形態の超格子半導体発光素
子１０の製造方法について以下に、図１及び図２を参照
して説明する。
子１０の製造方法について以下に、図１及び図２を参照
して説明する。
【００１５】まず、半絶縁性半導体基板であるＧａＡｓ
にてなる半導体基板２０の上面２０ａである（１，１，
１）Ａ面に対して、所定の傾斜角θ（９０°＞θ≧３３
°）を有する例えば、面方位（３，１，１）Ａ（傾斜角
θ＝３３°のとき）を有する傾斜面２０ｃが形成される
ようにウエットエッチング法によって段差加工を行い、
これによって、当該傾斜面２０ｃの両側に面方位（１，
１，１）Ａを有する平坦部２０ａ，２０ｂが形成され
る。次いで、当該段差を有する半導体基板２０上に、分
子線エピタキシャル成長法によって以下の結晶成長を行
った。
にてなる半導体基板２０の上面２０ａである（１，１，
１）Ａ面に対して、所定の傾斜角θ（９０°＞θ≧３３
°）を有する例えば、面方位（３，１，１）Ａ（傾斜角
θ＝３３°のとき）を有する傾斜面２０ｃが形成される
ようにウエットエッチング法によって段差加工を行い、
これによって、当該傾斜面２０ｃの両側に面方位（１，
１，１）Ａを有する平坦部２０ａ，２０ｂが形成され
る。次いで、当該段差を有する半導体基板２０上に、分
子線エピタキシャル成長法によって以下の結晶成長を行
った。
【００１６】まず、厚さ１５２０ｎｍのＡｌＡｓバッフ
ァ層１３を成長した。次いで、厚さ６４ｎｍのＧａＡｓ
量子化井戸層２２と厚さ７６ｎｍのＡｌＡｓ障壁層２１
とを交互に２．５周期だけ積層した。このとき、ＧａＡ
ｓ量子井戸層２２のみ、Ｓｉを約１×１０18乃至１×１
０19／ｃｍ3程度の不純物濃度でドーピングした。両性
不純物であるＳｉは、結晶成長条件の基板面方位により
アクセプターにもドナーにもなる。そこで、段差を有す
るＧａＡｓ半導体基板２０にＳｉドーパントが（１，
１，１）Ａ面の平坦部２０ａ，２０ｂでアクセプターと
なりかつ、面方位（３，１，１）Ａ面の傾斜面２０ｃで
ドナーとなる成長条件で結晶成長を行った。すなわち、
平坦部２０ａ上の量子井戸層２２はｐ型となる一方、傾
斜面２０ｃ上の量子井戸層２２はｎ型となり、各量子井
戸層２２において横方向のｐ−ｎ接合のダイオードが形
成される。最後に、厚さ６０８ｎｍのＡｌＧａＡｓクラ
ッド層１５と、ＡｌＧａＡｓクラッド層１５が表面にあ
ると空気中で容易に酸化されてしまうので、ＡｌＧａＡ
ｓクラッド層１５上にＧａＡｓキャップ層１６を結晶成
長した。
ァ層１３を成長した。次いで、厚さ６４ｎｍのＧａＡｓ
量子化井戸層２２と厚さ７６ｎｍのＡｌＡｓ障壁層２１
とを交互に２．５周期だけ積層した。このとき、ＧａＡ
ｓ量子井戸層２２のみ、Ｓｉを約１×１０18乃至１×１
０19／ｃｍ3程度の不純物濃度でドーピングした。両性
不純物であるＳｉは、結晶成長条件の基板面方位により
アクセプターにもドナーにもなる。そこで、段差を有す
るＧａＡｓ半導体基板２０にＳｉドーパントが（１，
１，１）Ａ面の平坦部２０ａ，２０ｂでアクセプターと
なりかつ、面方位（３，１，１）Ａ面の傾斜面２０ｃで
ドナーとなる成長条件で結晶成長を行った。すなわち、
平坦部２０ａ上の量子井戸層２２はｐ型となる一方、傾
斜面２０ｃ上の量子井戸層２２はｎ型となり、各量子井
戸層２２において横方向のｐ−ｎ接合のダイオードが形
成される。最後に、厚さ６０８ｎｍのＡｌＧａＡｓクラ
ッド層１５と、ＡｌＧａＡｓクラッド層１５が表面にあ
ると空気中で容易に酸化されてしまうので、ＡｌＧａＡ
ｓクラッド層１５上にＧａＡｓキャップ層１６を結晶成
長した。
【００１７】さらに、電極１１，１２を形成するため
に、当該超格子半導体発光素子１０の両端部を選択エッ
チングして、キャップ層１６及びクラッド層１５の一部
を除去し、除去した部分において、ｐ型及びｎ型半導体
層である最上層の量子井戸層２２と電気的な導通を得る
ための電極１１，１２を形成した。このとき、抵抗加熱
式蒸着装置を用いて、ｐ型半導体層の量子井戸層２２に
はＺｎ／Ａｕ（＝２００／２０００Å）からなる電極１
１の金属を形成し、ｎ型半導体層の量子井戸層２２には
ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ（＝１０００／３００／１５００
Å）の金属を形成した。その後、４００℃で１．５分間
の熱処理を行い、オーミック接続を得ることにより、電
極１１，１２を形成した。
に、当該超格子半導体発光素子１０の両端部を選択エッ
チングして、キャップ層１６及びクラッド層１５の一部
を除去し、除去した部分において、ｐ型及びｎ型半導体
層である最上層の量子井戸層２２と電気的な導通を得る
ための電極１１，１２を形成した。このとき、抵抗加熱
式蒸着装置を用いて、ｐ型半導体層の量子井戸層２２に
はＺｎ／Ａｕ（＝２００／２０００Å）からなる電極１
１の金属を形成し、ｎ型半導体層の量子井戸層２２には
ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ（＝１０００／３００／１５００
Å）の金属を形成した。その後、４００℃で１．５分間
の熱処理を行い、オーミック接続を得ることにより、電
極１１，１２を形成した。
【００１８】成長したＧａＡｓ量子井戸層２２内部でレ
ーザー発振させるために、反射膜が必要である。そこ
で、図２に示すように、半導体基板２０の厚さ方向と平
行な方向に、すなわち平坦部２０ａ，２０ｂに対して垂
直方向に当該超格子半導体発光素子１０の半導体基板２
０及び各層１３，１４，１５，１６を劈開し、劈開面に
電子ビーム蒸着装置を用いてＳｉＯ2膜とＴｉＯ膜を交
互に積層することにより、横方向のｐ−ｎ接合における
横方向に対して直交しかつ平坦部２０ａに対して平行な
方向で，超格子半導体層１４を挟設するように反射膜４
１，４２を形成した。ここで、ＳｉＯ2の膜厚は１４
２．２ｎｍでＴｉＯの膜厚は８６．５ｎｍである。
ーザー発振させるために、反射膜が必要である。そこ
で、図２に示すように、半導体基板２０の厚さ方向と平
行な方向に、すなわち平坦部２０ａ，２０ｂに対して垂
直方向に当該超格子半導体発光素子１０の半導体基板２
０及び各層１３，１４，１５，１６を劈開し、劈開面に
電子ビーム蒸着装置を用いてＳｉＯ2膜とＴｉＯ膜を交
互に積層することにより、横方向のｐ−ｎ接合における
横方向に対して直交しかつ平坦部２０ａに対して平行な
方向で，超格子半導体層１４を挟設するように反射膜４
１，４２を形成した。ここで、ＳｉＯ2の膜厚は１４
２．２ｎｍでＴｉＯの膜厚は８６．５ｎｍである。
【００１９】さらに、電極１１に可変電圧直流電源３０
の正極を接続する一方、電極１２にその電源３０の負極
を接続することにより、当該超格子半導体発光素子１０
に対して順方向の所定のバイアス電圧を印加する。この
とき、各量子井戸層２２の横方向のｐ−ｎ接合におい
て、ｎ型半導体層からｐ型半導体層に電子が流れる。ｐ
型半導体層に流れ込んだ電子はホールと結合し光を放出
する。特に、ＧａＡｓやＩｎＰに代表される直接遷移型
半導体では光としてエネルギーが放出される。少なくと
も１対の向かい合う反射膜４１，４２を形成することに
より、放出した光が反射膜４１，４２間で共振しエネル
ギーが誘導放出するために位相が整ったレーザー発振が
起こる。さらに、量子井戸層２２の材料ＧａＡｓが有す
る非線形特性による第２高調波発生効果により、レーザ
ー発振によって発生された光の第２高調波成分を有する
光を発生することができ、反射膜４１，４２とは垂直な
方向であって半導体基板２０の面に対して垂直な方向に
第２高調波成分の光を放出することができる。これによ
り、容易に短波長光源を作製することができる。この第
２高調波成分の光は超格子半導体層２０内で発振するレ
ーザー光の半分の波長を有しているので、容易に短波長
レーザーを実現することができる。
の正極を接続する一方、電極１２にその電源３０の負極
を接続することにより、当該超格子半導体発光素子１０
に対して順方向の所定のバイアス電圧を印加する。この
とき、各量子井戸層２２の横方向のｐ−ｎ接合におい
て、ｎ型半導体層からｐ型半導体層に電子が流れる。ｐ
型半導体層に流れ込んだ電子はホールと結合し光を放出
する。特に、ＧａＡｓやＩｎＰに代表される直接遷移型
半導体では光としてエネルギーが放出される。少なくと
も１対の向かい合う反射膜４１，４２を形成することに
より、放出した光が反射膜４１，４２間で共振しエネル
ギーが誘導放出するために位相が整ったレーザー発振が
起こる。さらに、量子井戸層２２の材料ＧａＡｓが有す
る非線形特性による第２高調波発生効果により、レーザ
ー発振によって発生された光の第２高調波成分を有する
光を発生することができ、反射膜４１，４２とは垂直な
方向であって半導体基板２０の面に対して垂直な方向に
第２高調波成分の光を放出することができる。これによ
り、容易に短波長光源を作製することができる。この第
２高調波成分の光は超格子半導体層２０内で発振するレ
ーザー光の半分の波長を有しているので、容易に短波長
レーザーを実現することができる。
【００２０】
【実施例】図４は、図１の超格子半導体発光素子１０に
おいて横型ｐ−ｎ接合に電流を注入することで放出され
る光の強度の波長依存性を示すグラフである。この本実
施例では、ＧａＡｓ量子井戸層２２を発光部となる活性
層に用いたので、図４に示すように、波長は約８７０ｎ
ｍを中心とした光である。劈開面に積層形成したＳｉＯ
2／ＴｉＯの反射膜４１，４２はこの光をほぼ１００％
反射するように，反射膜４１，４２の間隔及び材料を選
択して設計しており、この光は内部で共振し光の誘導放
出が起こりレーザー発振する。ここで、内部に閉じ込め
られた光は、活性層である量子井戸層２２を有する超格
子半導体層１４の上下に屈折率が大きなＡｌＡｓバッフ
ァ層１３及びＡｌＧａＡｓクラッド層１５があるために
上下方向に漏れ出ることもできない。従って、閉じ込め
られた光がレーザー発振すると、上述のように、第２高
調波効果から第２高調波成分の光が顕著に表れて発生
し、レーザー発振の波長（以下、基本波長という。）の
２分の１波長（４３５ｎｍ）を持つ光（ＳＨＧ素子の
光、すなわち、ＳＨＧ光）が放出されるようになる。こ
の波長４３５ｎｍのＳＨＧ光に対してはＡｌＡｓバッフ
ァ層１３は吸収が少なく（なお、ＡｌＡｓバッファ層１
３のバンドギャップ波長は５７０ｎｍ程度であるが、こ
こでの吸収の度合いは、当該バッファ層１３の厚さに依
存して決定され、本実施例においてはＳＨＧ光に対して
吸収は比較的少ない。）、ＳＨＧ光は、半導体基板２０
の面に対して垂直な方向で外部に放射される。すなわ
ち、第２高調波の光の波長として、紫外線から青色光を
介して緑色光までの、波長３５０ｎｍ乃至５００ｎｍの
光を発生できる。
おいて横型ｐ−ｎ接合に電流を注入することで放出され
る光の強度の波長依存性を示すグラフである。この本実
施例では、ＧａＡｓ量子井戸層２２を発光部となる活性
層に用いたので、図４に示すように、波長は約８７０ｎ
ｍを中心とした光である。劈開面に積層形成したＳｉＯ
2／ＴｉＯの反射膜４１，４２はこの光をほぼ１００％
反射するように，反射膜４１，４２の間隔及び材料を選
択して設計しており、この光は内部で共振し光の誘導放
出が起こりレーザー発振する。ここで、内部に閉じ込め
られた光は、活性層である量子井戸層２２を有する超格
子半導体層１４の上下に屈折率が大きなＡｌＡｓバッフ
ァ層１３及びＡｌＧａＡｓクラッド層１５があるために
上下方向に漏れ出ることもできない。従って、閉じ込め
られた光がレーザー発振すると、上述のように、第２高
調波効果から第２高調波成分の光が顕著に表れて発生
し、レーザー発振の波長（以下、基本波長という。）の
２分の１波長（４３５ｎｍ）を持つ光（ＳＨＧ素子の
光、すなわち、ＳＨＧ光）が放出されるようになる。こ
の波長４３５ｎｍのＳＨＧ光に対してはＡｌＡｓバッフ
ァ層１３は吸収が少なく（なお、ＡｌＡｓバッファ層１
３のバンドギャップ波長は５７０ｎｍ程度であるが、こ
こでの吸収の度合いは、当該バッファ層１３の厚さに依
存して決定され、本実施例においてはＳＨＧ光に対して
吸収は比較的少ない。）、ＳＨＧ光は、半導体基板２０
の面に対して垂直な方向で外部に放射される。すなわ
ち、第２高調波の光の波長として、紫外線から青色光を
介して緑色光までの、波長３５０ｎｍ乃至５００ｎｍの
光を発生できる。
【００２１】ここで、ＳＨＧ光が発生するメカニズムに
ついて詳細に説明する。図２の反射膜４１，４２の間に
おいて半導体基板２０の面と平行な方向で、互いに逆方
向の２つの伝搬する基本波長の光波が存在し、定在波を
発生する。従って、半導体基板２０の面と平行な方向で
のこれら２つの基本波長の光波の合計運動量はゼロであ
る。このように発生された基本波長の光波の強度が大き
い領域では、ＴＥモードによる定在波とＴＭモードによ
る定在波との間の相互作用に基づいて、量子井戸層２２
の材料ＧａＡｓの非線形特性により、例えば、上述の従
来技術文献１や従来技術文献２「D. Vakhshoori et a
l., "Surface-emitting second-harmonicgenerator for
waveguide study", Applied Physics Letters, Vol. 5
2, No. 6,1998年２月８日」において説明されているよ
うに、半導体基板２０の面に対して垂直な方向、すなわ
ち基本波長の光波とは直交する方向で、互いに逆方向の
２つの伝搬する第２高調波の光波が発生される。この第
２高調波の光波もまた合計ゼロの運動量を有する。な
お、基本波長と高調波の各光波が互いに平行な方向で発
生する従来のＳＨＧ素子における伝搬波において必要
な、同一の方向での位相整合条件は必要がない。しかし
ながら、第２高調波の光波が、定在波領域を離れて伝搬
すると、異なるポイントから発射された光波と干渉す
る。従って、半導体基板２０の面に対して垂直方向にあ
るこの干渉の効果を最小にして第２高調波の発生効率を
高くするためには、周期が第２高調波の波長の２分の１
である多層構造が使用される。なお、位相整合条件の考
慮については、例えば、従来技術文献２の４２４頁左欄
１行目から２０行目までに記載されている。
ついて詳細に説明する。図２の反射膜４１，４２の間に
おいて半導体基板２０の面と平行な方向で、互いに逆方
向の２つの伝搬する基本波長の光波が存在し、定在波を
発生する。従って、半導体基板２０の面と平行な方向で
のこれら２つの基本波長の光波の合計運動量はゼロであ
る。このように発生された基本波長の光波の強度が大き
い領域では、ＴＥモードによる定在波とＴＭモードによ
る定在波との間の相互作用に基づいて、量子井戸層２２
の材料ＧａＡｓの非線形特性により、例えば、上述の従
来技術文献１や従来技術文献２「D. Vakhshoori et a
l., "Surface-emitting second-harmonicgenerator for
waveguide study", Applied Physics Letters, Vol. 5
2, No. 6,1998年２月８日」において説明されているよ
うに、半導体基板２０の面に対して垂直な方向、すなわ
ち基本波長の光波とは直交する方向で、互いに逆方向の
２つの伝搬する第２高調波の光波が発生される。この第
２高調波の光波もまた合計ゼロの運動量を有する。な
お、基本波長と高調波の各光波が互いに平行な方向で発
生する従来のＳＨＧ素子における伝搬波において必要
な、同一の方向での位相整合条件は必要がない。しかし
ながら、第２高調波の光波が、定在波領域を離れて伝搬
すると、異なるポイントから発射された光波と干渉す
る。従って、半導体基板２０の面に対して垂直方向にあ
るこの干渉の効果を最小にして第２高調波の発生効率を
高くするためには、周期が第２高調波の波長の２分の１
である多層構造が使用される。なお、位相整合条件の考
慮については、例えば、従来技術文献２の４２４頁左欄
１行目から２０行目までに記載されている。
【００２２】さらに、本実施形態において横方向のｐ−
ｎ接合を用いた理由は、作製が容易であることのほか
に、上下方向に光を閉じ込めるＡｌＡｓバッファ層１３
及びＡｌＧａＡｓクラッド層１５が電流を流しにくいこ
とが上げられる。横方向から電流を活性層である量子井
戸層２２に注入できるのでＡｌＡｓバッファ層１３及び
ＡｌＧａＡｓクラッド層１５の伝導性を無視することが
できる。また、電極１１，１２は、ＳＨＧ光の放出を防
ぐ位置になく、効率よく外部に取り出すことができる。
ｎ接合を用いた理由は、作製が容易であることのほか
に、上下方向に光を閉じ込めるＡｌＡｓバッファ層１３
及びＡｌＧａＡｓクラッド層１５が電流を流しにくいこ
とが上げられる。横方向から電流を活性層である量子井
戸層２２に注入できるのでＡｌＡｓバッファ層１３及び
ＡｌＧａＡｓクラッド層１５の伝導性を無視することが
できる。また、電極１１，１２は、ＳＨＧ光の放出を防
ぐ位置になく、効率よく外部に取り出すことができる。
【００２３】図３は、図１の超格子半導体発光素子１０
においてＳｉをドーピングしたＧａＡｓ結晶の導電型の
面方位及び結晶成長中のＶ／III比の依存性を示すグラ
フである。本実施形態では（１，１，１）Ａ面と（３，
１，１）Ａ面とを有する段差を有する半導体基板２０を
用いたが、平坦部２０ａの面として、（１，０，０）、
（２，１，１）、（４，１，１）、（５，１，１）など
の他の面方位を用いることも可能である。他の面方位を
用いた場合には図３のような関係があり、ＧａＡｓ結晶
の成長中のＶ／III比を設定することで、本実施例のよ
うに同一平面内で横方向のｐ−ｎ接合を有する量子井戸
層２２の半導体層を形成することができる。図３から明
らかなように、例えば、傾斜角θ＝２９．５°を有する
（３，１，１）Ａ面の傾斜面２０ｃを形成するときは、
Ｖ／III比として３乃至５を選択することにより、横方
向のｐ−ｎ接合を形成することができる。
においてＳｉをドーピングしたＧａＡｓ結晶の導電型の
面方位及び結晶成長中のＶ／III比の依存性を示すグラ
フである。本実施形態では（１，１，１）Ａ面と（３，
１，１）Ａ面とを有する段差を有する半導体基板２０を
用いたが、平坦部２０ａの面として、（１，０，０）、
（２，１，１）、（４，１，１）、（５，１，１）など
の他の面方位を用いることも可能である。他の面方位を
用いた場合には図３のような関係があり、ＧａＡｓ結晶
の成長中のＶ／III比を設定することで、本実施例のよ
うに同一平面内で横方向のｐ−ｎ接合を有する量子井戸
層２２の半導体層を形成することができる。図３から明
らかなように、例えば、傾斜角θ＝２９．５°を有する
（３，１，１）Ａ面の傾斜面２０ｃを形成するときは、
Ｖ／III比として３乃至５を選択することにより、横方
向のｐ−ｎ接合を形成することができる。
【００２４】＜変形例＞以上の実施形態において、最も
好ましくは、２．５周期の超格子半導体層１４を設けて
いるが、本発明はこれに限らず、少なくとも複数周期の
超格子半導体層１４を形成すればよい。なお、２．５周
期の超格子半導体層１４は、本発明者の実験によれば、
最大の光強度を有するＳＨＧ光を発生するために最適化
された周期数である。より好ましくは、１．５周期又は
３．５周期であってもよい。
好ましくは、２．５周期の超格子半導体層１４を設けて
いるが、本発明はこれに限らず、少なくとも複数周期の
超格子半導体層１４を形成すればよい。なお、２．５周
期の超格子半導体層１４は、本発明者の実験によれば、
最大の光強度を有するＳＨＧ光を発生するために最適化
された周期数である。より好ましくは、１．５周期又は
３．５周期であってもよい。
【００２５】図１及び図２の超格子半導体発光素子１０
において、半導体基板２０とＡｌＡｓバッファ層１３と
の間に、ＳＨＧ光を反射するＤＢＲ（分布ブラッグ反射
器）である別の反射膜（図示せず。）を形成してもよ
い。これによって、半導体基板２０側に放出され半導体
基板２０に吸収される光を半導体基板２０に対して垂直
な方向で、図１では、上方向に放出させることができ
る。
において、半導体基板２０とＡｌＡｓバッファ層１３と
の間に、ＳＨＧ光を反射するＤＢＲ（分布ブラッグ反射
器）である別の反射膜（図示せず。）を形成してもよ
い。これによって、半導体基板２０側に放出され半導体
基板２０に吸収される光を半導体基板２０に対して垂直
な方向で、図１では、上方向に放出させることができ
る。
【００２６】以上の実施形態においては、ＡｌＧａＡｓ
クラッド層１５を用いているが、本発明はこれに限ら
ず、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０．５＜ｘ＜１）を形成しても
よい。
クラッド層１５を用いているが、本発明はこれに限ら
ず、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０．５＜ｘ＜１）を形成しても
よい。
【００２７】＜実施形態及び変形例の効果＞以上説明し
たように、本実施形態及び変形例の超格子半導体発光素
子によれば、横方向のｐ−ｎ接合の方向に対して実質的
に直交する方向で、超格子半導体層１４を挟設するよう
に形成され、発光された光を反射する１対の反射膜４
１，４２を備えることによりレーザー発振させ、量子井
戸層２２の材料ＧａＡｓが有する非線形特性による第２
高調波発生効果により３５０乃至５００ｎｍの波長を有
する第２高調波成分の光を発生させて半導体基板２０に
対して垂直な方向に放出することができる。従って、従
来例のＳＨＧ素子のように外部のレーザ装置を必要とせ
ずにＳＨＧ光を発生することができるので、従来例に比
較して構造が簡単であってサイズが小さく、単独の素子
で短波長の第２高調波成分の光を発生させることができ
る。また、超格子半導体層１４を挟設するように、Ａｌ
Ａｓバッファ層１３及びＡｌＧａＡｓクラッド層１５を
形成しているので、レーザー発振した光を閉じ込めてよ
り高い効率で第２高調波の光を発生させることができ
る。さらに、変形例のように、別の反射膜を形成するこ
とにより、上記発生する第２高調波成分の光を半導体基
板２０に対して垂直な方向に効率よく放出することがで
きる。
たように、本実施形態及び変形例の超格子半導体発光素
子によれば、横方向のｐ−ｎ接合の方向に対して実質的
に直交する方向で、超格子半導体層１４を挟設するよう
に形成され、発光された光を反射する１対の反射膜４
１，４２を備えることによりレーザー発振させ、量子井
戸層２２の材料ＧａＡｓが有する非線形特性による第２
高調波発生効果により３５０乃至５００ｎｍの波長を有
する第２高調波成分の光を発生させて半導体基板２０に
対して垂直な方向に放出することができる。従って、従
来例のＳＨＧ素子のように外部のレーザ装置を必要とせ
ずにＳＨＧ光を発生することができるので、従来例に比
較して構造が簡単であってサイズが小さく、単独の素子
で短波長の第２高調波成分の光を発生させることができ
る。また、超格子半導体層１４を挟設するように、Ａｌ
Ａｓバッファ層１３及びＡｌＧａＡｓクラッド層１５を
形成しているので、レーザー発振した光を閉じ込めてよ
り高い効率で第２高調波の光を発生させることができ
る。さらに、変形例のように、別の反射膜を形成するこ
とにより、上記発生する第２高調波成分の光を半導体基
板２０に対して垂直な方向に効率よく放出することがで
きる。
【００２８】
【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、所定の傾斜面を有する半導体
基板上に、横方向のｐ−ｎ接合を有する量子井戸層と、
障壁層とが交互に少なくとも複数周期積層されてなる超
格子半導体層を備えた超格子半導体発光素子であって、
上記横方向のｐ−ｎ接合の方向に対して実質的に直交す
る方向で、上記超格子半導体層を挟設するように形成さ
れ、発光された光を反射する１対の反射膜を備えること
によりレーザー発振させ、上記量子井戸層の材料の非線
形特性による第２高調波発生効果により３５０乃至５０
０ｎｍの波長を有する第２高調波成分の光を発生させて
上記半導体基板に対して垂直な方向に放出する。従っ
て、従来例のＳＨＧ素子のように外部のレーザ装置を必
要とせずにＳＨＧ光を発生することができるので、従来
例に比較して構造が簡単であってサイズが小さく、単独
の素子で短波長の第２高調波成分の光を発生させること
ができる。
半導体発光素子によれば、所定の傾斜面を有する半導体
基板上に、横方向のｐ−ｎ接合を有する量子井戸層と、
障壁層とが交互に少なくとも複数周期積層されてなる超
格子半導体層を備えた超格子半導体発光素子であって、
上記横方向のｐ−ｎ接合の方向に対して実質的に直交す
る方向で、上記超格子半導体層を挟設するように形成さ
れ、発光された光を反射する１対の反射膜を備えること
によりレーザー発振させ、上記量子井戸層の材料の非線
形特性による第２高調波発生効果により３５０乃至５０
０ｎｍの波長を有する第２高調波成分の光を発生させて
上記半導体基板に対して垂直な方向に放出する。従っ
て、従来例のＳＨＧ素子のように外部のレーザ装置を必
要とせずにＳＨＧ光を発生することができるので、従来
例に比較して構造が簡単であってサイズが小さく、単独
の素子で短波長の第２高調波成分の光を発生させること
ができる。
【００２９】また、上記超格子半導体発光素子におい
て、上記超格子半導体層は、上記量子井戸層と上記障壁
層とが交互に２．５周期積層されてなる。これにより、
最大の光強度を有するＳＨＧ光を発生することができ
る。
て、上記超格子半導体層は、上記量子井戸層と上記障壁
層とが交互に２．５周期積層されてなる。これにより、
最大の光強度を有するＳＨＧ光を発生することができ
る。
【００３０】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、上記半導体基板上
に、結晶成長法を用いて上記超格子半導体層を形成す
る。これにより、当該超格子半導体発光素子を製造する
プロセスが容易であって、製造コストを低下させること
ができる。
て、上記超格子半導体発光素子は、上記半導体基板上
に、結晶成長法を用いて上記超格子半導体層を形成す
る。これにより、当該超格子半導体発光素子を製造する
プロセスが容易であって、製造コストを低下させること
ができる。
【００３１】また、上記超格子半導体発光素子におい
て、上記半導体基板に対して垂直な方向で、上記超格子
半導体層を挟設するように形成され、上記超格子半導体
層の屈折率よりも大きな屈折率を有する材料にてなる１
対のバッファ層及びクラッド層をさらに備える。これに
より、レーザー発振した光を閉じ込めてより高い効率で
第２高調波の光を発生させることができる。
て、上記半導体基板に対して垂直な方向で、上記超格子
半導体層を挟設するように形成され、上記超格子半導体
層の屈折率よりも大きな屈折率を有する材料にてなる１
対のバッファ層及びクラッド層をさらに備える。これに
より、レーザー発振した光を閉じ込めてより高い効率で
第２高調波の光を発生させることができる。
【００３２】さらに、上記超格子半導体発光素子におい
て、上記半導体基板と上記超格子半導体層との間、又は
上記半導体基板と上記バッファ層との間に形成され、上
記第２高調波成分の光を上記半導体基板に対して垂直な
方向に反射する別の反射膜をさらに備える。これによ
り、上記発生する第２高調波成分の光を半導体基板に対
して垂直な方向に効率よく放出することができる。
て、上記半導体基板と上記超格子半導体層との間、又は
上記半導体基板と上記バッファ層との間に形成され、上
記第２高調波成分の光を上記半導体基板に対して垂直な
方向に反射する別の反射膜をさらに備える。これによ
り、上記発生する第２高調波成分の光を半導体基板に対
して垂直な方向に効率よく放出することができる。
【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の構造を示す、第１の断面に沿った断面図
である。
発光素子１０の構造を示す、第１の断面に沿った断面図
である。
【図２】 図１の超格子半導体発光素子１０の構造を示
す、第１の断面に直交する第２の断面に沿った断面図で
ある。
す、第１の断面に直交する第２の断面に沿った断面図で
ある。
【図３】 図１の超格子半導体発光素子１０においてＳ
ｉをドーピングしたＧａＡｓ結晶の導電型の面方位及び
結晶成長中のＶ／III比の依存性を示すグラフである。
ｉをドーピングしたＧａＡｓ結晶の導電型の面方位及び
結晶成長中のＶ／III比の依存性を示すグラフである。
【図４】 図１の超格子半導体発光素子１０において横
型ｐ−ｎ接合に電流を注入することで放出される光の強
度の波長依存性を示すグラフである。
型ｐ−ｎ接合に電流を注入することで放出される光の強
度の波長依存性を示すグラフである。
１０…超格子半導体発光素子、 １１，１２…電極、 １３…バッファ層、 １４…超格子半導体層、 １５…クラッド層、 １６…キャップ層、 ２０…半導体基板、 ２１…障壁層、 ２２…量子井戸層、 ３０…可変電圧直流電源、 ４１，４２…反射膜。
───────────────────────────────────────────────────── 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10−308559（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−273399（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−116228（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−162072（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (5)
- 【請求項１】 所定の傾斜面を有する半導体基板上に、
横方向のｐ−ｎ接合を有する量子井戸層と、障壁層とが
交互に少なくとも複数周期積層されてなる超格子半導体
層を備えた超格子半導体発光素子であって、 上記横方向のｐ−ｎ接合の方向に対して実質的に直交す
る方向で、上記超格子半導体層を挟設するように形成さ
れ、発光された光を反射する１対の反射膜を備えること
によりレーザー発振させ、上記量子井戸層の材料の非線
形特性による第２高調波発生効果により３５０乃至５０
０ｎｍの波長を有する第２高調波成分の光を発生させて
上記半導体基板に対して垂直な方向に放出することを特
徴とする超格子半導体発光素子。 - 【請求項２】 上記超格子半導体層は、上記量子井戸層
と上記障壁層とが交互に２．５周期積層されてなること
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】 上記超格子半導体発光素子は、上記半導
体基板上に、結晶成長法を用いて上記超格子半導体層を
形成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。 - 【請求項４】 上記半導体基板に対して垂直な方向で、
上記超格子半導体層を挟設するように形成され、上記超
格子半導体層の屈折率よりも大きな屈折率を有する材料
にてなる１対のバッファ層及びクラッド層をさらに備え
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。 - 【請求項５】 上記半導体基板と上記超格子半導体層と
の間、又は上記半導体基板と上記バッファ層との間に形
成され、上記第２高調波成分の光を上記半導体基板に対
して垂直な方向に反射する別の反射膜をさらに備えたこ
とを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載の超
格子半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14159999A JP3029833B2 (ja) | 1998-05-28 | 1999-05-21 | 超格子半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14703798 | 1998-05-28 | ||
| JP10-147037 | 1998-05-28 | ||
| JP14159999A JP3029833B2 (ja) | 1998-05-28 | 1999-05-21 | 超格子半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000049421A JP2000049421A (ja) | 2000-02-18 |
| JP3029833B2 true JP3029833B2 (ja) | 2000-04-10 |
Family
ID=26473813
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14159999A Expired - Lifetime JP3029833B2 (ja) | 1998-05-28 | 1999-05-21 | 超格子半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3029833B2 (ja) |
-
1999
- 1999-05-21 JP JP14159999A patent/JP3029833B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2000049421A (ja) | 2000-02-18 |
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