JPH02125670A - 発光素子 - Google Patents
発光素子Info
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- JPH02125670A JPH02125670A JP63279861A JP27986188A JPH02125670A JP H02125670 A JPH02125670 A JP H02125670A JP 63279861 A JP63279861 A JP 63279861A JP 27986188 A JP27986188 A JP 27986188A JP H02125670 A JPH02125670 A JP H02125670A
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Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は固体、特に半導体を利用した高効率の発光デバ
イスに関する。
イスに関する。
（従来の技術）
近年、光コンピュータの実現を目標とした光デバイスの
集積化の動向とともに、発光デバイスにおいては低消費
パワー化が強く要求されるようになっできている。この
要請の中で、従来のレーザと異なりすべての発光エネル
ギーを光共振器の共振波長に一致する波長の光としてと
りだすという方法が注目を浴びている。その１つとして
発光体を波長サイズの球状または直方体状の３次元間共
振器内に配置するという提案がなされている。また、こ
れとは別に異なる組成の２つの材料が１７２波長の周期
で３次元的に配置された３次元分布帰還形共振器とも呼
べる構造が提案されている前者の提案については、小林
らによる、昭和５７年第４３回応用物理学会学術講演会
予稿集２９ａ−Ｂ−６中に記載がなされている。この中
では共振器中の発光現象の定性的説明と、この現象を利
用したいくつかの新しい発光機能素子の提案がなされて
いる。また、後者の提案については、ヤブロノピッチ（
Ｅ、 Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ）によるフィジカルレ
ピューレターズ（Ｐｈｙｓ、 Ｒｅｖ、 Ｌｅｔｔ、
）の１９８７年第５８巻お２０５９頁〜２０６２頁にわ
たって掲載された論文の中に詳しい説明がある。この論
文中では、前者の微小な３次元閉共振器構造に代えて３
次元的に１／２波長の周期で組成の異なる材料を配置し
た構造により、超低閾値の半導体レーザを実現すること
を提案している。
集積化の動向とともに、発光デバイスにおいては低消費
パワー化が強く要求されるようになっできている。この
要請の中で、従来のレーザと異なりすべての発光エネル
ギーを光共振器の共振波長に一致する波長の光としてと
りだすという方法が注目を浴びている。その１つとして
発光体を波長サイズの球状または直方体状の３次元間共
振器内に配置するという提案がなされている。また、こ
れとは別に異なる組成の２つの材料が１７２波長の周期
で３次元的に配置された３次元分布帰還形共振器とも呼
べる構造が提案されている前者の提案については、小林
らによる、昭和５７年第４３回応用物理学会学術講演会
予稿集２９ａ−Ｂ−６中に記載がなされている。この中
では共振器中の発光現象の定性的説明と、この現象を利
用したいくつかの新しい発光機能素子の提案がなされて
いる。また、後者の提案については、ヤブロノピッチ（
Ｅ、 Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ）によるフィジカルレ
ピューレターズ（Ｐｈｙｓ、 Ｒｅｖ、 Ｌｅｔｔ、
）の１９８７年第５８巻お２０５９頁〜２０６２頁にわ
たって掲載された論文の中に詳しい説明がある。この論
文中では、前者の微小な３次元閉共振器構造に代えて３
次元的に１／２波長の周期で組成の異なる材料を配置し
た構造により、超低閾値の半導体レーザを実現すること
を提案している。
（発明が解決しようとする問題点）
上述した提案における大きな問題点は、現実の固体材料
を用いた場合に、提案されている構造を実際に作製し、
また動作させるのが非常に困難なことである。例えば、
３次元閉共振器構造を半導体材料を用いて作ることを考
えた場合、現存のドライプロセス技術を利用すれば所定
の形状に加工することはできるが、半導体表面のキャリ
アの非発光再結合中心の数の体積に対する割合が大きく
なり、発光効率が著しく劣化することが予想される。ま
た他の固体レーザ材料等を用いた場合には、所定の形状
に加工すること自体が難しい。−方、３次元的分布帰還
形共振器構造についても、現在のところ、提案されてい
る構造を可能にするプロセス技術、結晶成長技術はまだ
ない。
を用いた場合に、提案されている構造を実際に作製し、
また動作させるのが非常に困難なことである。例えば、
３次元閉共振器構造を半導体材料を用いて作ることを考
えた場合、現存のドライプロセス技術を利用すれば所定
の形状に加工することはできるが、半導体表面のキャリ
アの非発光再結合中心の数の体積に対する割合が大きく
なり、発光効率が著しく劣化することが予想される。ま
た他の固体レーザ材料等を用いた場合には、所定の形状
に加工すること自体が難しい。−方、３次元的分布帰還
形共振器構造についても、現在のところ、提案されてい
る構造を可能にするプロセス技術、結晶成長技術はまだ
ない。
（問題点を解決するための手段）
前述の問題点を解決するために本発明が提供する発光素
子は、発光材料からなる層構造において、該発光材料の
発光波長幅内の少なくとも一部分の波長に対して反射特
性を有する周期構造が層に平行な方向に２次元的に形成
され、かつこの２次元的な周期構造を有する発光材料の
層が一対の反射体によってはさみこまれていることを特
徴としている。
子は、発光材料からなる層構造において、該発光材料の
発光波長幅内の少なくとも一部分の波長に対して反射特
性を有する周期構造が層に平行な方向に２次元的に形成
され、かつこの２次元的な周期構造を有する発光材料の
層が一対の反射体によってはさみこまれていることを特
徴としている。
（作用）
本発明では、発光材料の層に垂直方向に一対の反射体に
よって構成された光共振器とともに、層に平行方向に設
けた周期好悪ずによって実質的な３次元光共振器を形成
し、すべての発光エネルギーをこの共振器構造によって
決まる共振波長で取り出すことを利用する。例えば半導
体でこの構造を形成する場合、一対の反射体は１／４波
長の実効膜厚を持つ半導体層の多層膜を発光層をはさみ
こむ形状でエピタキシャル成長で形成することができる
。また、発光層に平行な方向への周期構造は、発光層の
成長後に通常のフォトリングラフィと加工精度の高いド
ライエツチングを組み合せることによって製作すること
ができる。このような構造では、球状または直方体状の
微小閉共振器構造と比べると、発光層における表面積と
体積比が小さくしかも発光層は異なる組成の半導体によ
って埋め込まれるのでキャリアの非発光再結合の割合を
大きく現象させることが可能となる。
よって構成された光共振器とともに、層に平行方向に設
けた周期好悪ずによって実質的な３次元光共振器を形成
し、すべての発光エネルギーをこの共振器構造によって
決まる共振波長で取り出すことを利用する。例えば半導
体でこの構造を形成する場合、一対の反射体は１／４波
長の実効膜厚を持つ半導体層の多層膜を発光層をはさみ
こむ形状でエピタキシャル成長で形成することができる
。また、発光層に平行な方向への周期構造は、発光層の
成長後に通常のフォトリングラフィと加工精度の高いド
ライエツチングを組み合せることによって製作すること
ができる。このような構造では、球状または直方体状の
微小閉共振器構造と比べると、発光層における表面積と
体積比が小さくしかも発光層は異なる組成の半導体によ
って埋め込まれるのでキャリアの非発光再結合の割合を
大きく現象させることが可能となる。
（実施例）
この発明の実施例について図面を参照しながら詳細な説
明を行う。
明を行う。
第１図は、本発明を適用した発光素子の一実施例の模式
的構成を示している。ＧａＡｓ基板１１の上に実効長が
１／４波長のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ１２とＡｌｙＧａｌ
−ｙＡｓ１３の交互の層を数周期ないし数十周期積層し
Ａ１２Ｇａ□−ｘＡｓ発光層１４からの発光に対する反
射体を形成する。ＡｌｚＧａｌ−２Ａｓ発光層１４の積
層後ドライエツチングを利用したフォトリソグラフィに
よってこの層に対し層に平行な方向に２次元の周期構造
を形成し、さらにその後Ａ１□Ｇａｌ−２Ａｓ発光層１
４の周期構造をＡｌｙＧａｌ−ｙＡｓ１埋込層１５によ
って埋めこみ、続いて、再び１／４波長ＡｌｘＧａ１−
ｘＡｓ１２と１／４波長ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ１３を数
周期から数十周期積層してもう一方の反射体形成する。
的構成を示している。ＧａＡｓ基板１１の上に実効長が
１／４波長のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ１２とＡｌｙＧａｌ
−ｙＡｓ１３の交互の層を数周期ないし数十周期積層し
Ａ１２Ｇａ□−ｘＡｓ発光層１４からの発光に対する反
射体を形成する。ＡｌｚＧａｌ−２Ａｓ発光層１４の積
層後ドライエツチングを利用したフォトリソグラフィに
よってこの層に対し層に平行な方向に２次元の周期構造
を形成し、さらにその後Ａ１□Ｇａｌ−２Ａｓ発光層１
４の周期構造をＡｌｙＧａｌ−ｙＡｓ１埋込層１５によ
って埋めこみ、続いて、再び１／４波長ＡｌｘＧａ１−
ｘＡｓ１２と１／４波長ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ１３を数
周期から数十周期積層してもう一方の反射体形成する。
これによって全積層構造は３次元光閉じこめ半導体光共
振器構造１６を形成する。
振器構造１６を形成する。
この場合に、Ａ１２Ｇａｌ−２Ａｓ発光層１４に形成さ
れた２次元周期構造としては、愛２ずの（ａ）、 （ｂ
）に示す周期同心円パタン２１または周期長方形パタン
２２のような形状とした。この２つのパタンの断面図は
（Ｃ）に示す周期バタン断２３のようになる。（ａ）、
（ｂ）においてパタンの中心の領域では円の直径また
は長方形の一辺が発光波長の半波長の整数値の実効長と
なるようにしている。２次元周期構造としては、さらに
第３図に示す２次元周期格子パタン３１のような形状も
用いた。
れた２次元周期構造としては、愛２ずの（ａ）、 （ｂ
）に示す周期同心円パタン２１または周期長方形パタン
２２のような形状とした。この２つのパタンの断面図は
（Ｃ）に示す周期バタン断２３のようになる。（ａ）、
（ｂ）においてパタンの中心の領域では円の直径また
は長方形の一辺が発光波長の半波長の整数値の実効長と
なるようにしている。２次元周期構造としては、さらに
第３図に示す２次元周期格子パタン３１のような形状も
用いた。
実施例では有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）を半導体
の積層構造を形成するのに用い、１／４波長ＡｌｘＧａ
１−ｘＡｓ１２の層は、ｘ＝１即ちＡｌＡｓの組成で厚
み７２ｍｍとした。また１／４波長ＡＩ、Ｇａ１−、Ａ
ｓ１３のおよびＡｌｙＧａｌ−ｙＡｓ埋込層はｙ＝Ｑ、
３即ちＡＩ□、３Ｇａ□、７Ａｓの組成とし、１７４波
長Ａ１ｙＧａ１−ｙＡｓ１３の厚みおよびＡＩ、Ｇａ１
、Ａｓ埋込層１５の最も薄い部分の厚みを６３ｎｍと
した。Ａ１２Ｇａｌ−２Ａｓ発光層１４の組成はｚ＝０
即ちＧａＡｓとしその厚みは９６ｎｍとし２次元周期構
造の深さは６０ｎｍとした。また２次元周期構造を周期
同心円バタン２１とした場合には中心の円の直径を９５
５ｎｍとし、周期長方形バタン２２の場合には中心の形
状を一辺が９５５ｎｍの正方形とした。そして周期同心
円パタン２１、周期長方形バタン２２、周期２次元格子
バタン３１のいずれの場合にも周期構造の周期は１９１
ｎｍとした。これらの２次元的周期構造は、および１０
ｐｍ平方の面積にわたり形成した。さらに、Ａ１２Ｇａ
１−２Ａｓ発光層１４の下方の積層構造の周期数を２０
、また上方の積層構造の周期数を１５とした。
の積層構造を形成するのに用い、１／４波長ＡｌｘＧａ
１−ｘＡｓ１２の層は、ｘ＝１即ちＡｌＡｓの組成で厚
み７２ｍｍとした。また１／４波長ＡＩ、Ｇａ１−、Ａ
ｓ１３のおよびＡｌｙＧａｌ−ｙＡｓ埋込層はｙ＝Ｑ、
３即ちＡＩ□、３Ｇａ□、７Ａｓの組成とし、１７４波
長Ａ１ｙＧａ１−ｙＡｓ１３の厚みおよびＡＩ、Ｇａ１
、Ａｓ埋込層１５の最も薄い部分の厚みを６３ｎｍと
した。Ａ１２Ｇａｌ−２Ａｓ発光層１４の組成はｚ＝０
即ちＧａＡｓとしその厚みは９６ｎｍとし２次元周期構
造の深さは６０ｎｍとした。また２次元周期構造を周期
同心円バタン２１とした場合には中心の円の直径を９５
５ｎｍとし、周期長方形バタン２２の場合には中心の形
状を一辺が９５５ｎｍの正方形とした。そして周期同心
円パタン２１、周期長方形バタン２２、周期２次元格子
バタン３１のいずれの場合にも周期構造の周期は１９１
ｎｍとした。これらの２次元的周期構造は、および１０
ｐｍ平方の面積にわたり形成した。さらに、Ａ１２Ｇａ
１−２Ａｓ発光層１４の下方の積層構造の周期数を２０
、また上方の積層構造の周期数を１５とした。
また、発光層を光励起で発光させる場合にはいずれの層
にもドーピングを行わなかったが、電流励起で発光させ
る場合には、ｎ型基板を用いてＡ１２Ｇａ１−２Ａｓ発
光層１４はノンドープとし、その下方の積層構造はキャ
リア濃度１ｏ１８／ｃｍ３のｎ型、上方の積層構造はキ
ャリア濃度１ｏ１８１ｃｍ３のｐ型とし、最上層にさら
に同じキャリアｊ農度のＧａＡｓ層を成長させた後基板
を５０ｐｍ程度のあっさまで研磨しさらに上下両側への
金属蒸着により電極を形成した。この時上方から光を取
り出す際にはフォトリングラフィにより最上層のＧａＡ
ｓ層を円形状に除去してリング型電極構成とした。
にもドーピングを行わなかったが、電流励起で発光させ
る場合には、ｎ型基板を用いてＡ１２Ｇａ１−２Ａｓ発
光層１４はノンドープとし、その下方の積層構造はキャ
リア濃度１ｏ１８／ｃｍ３のｎ型、上方の積層構造はキ
ャリア濃度１ｏ１８１ｃｍ３のｐ型とし、最上層にさら
に同じキャリアｊ農度のＧａＡｓ層を成長させた後基板
を５０ｐｍ程度のあっさまで研磨しさらに上下両側への
金属蒸着により電極を形成した。この時上方から光を取
り出す際にはフォトリングラフィにより最上層のＧａＡ
ｓ層を円形状に除去してリング型電極構成とした。
発光を測定する際には発光素子を約２０ｐｍ平方に切り
出しすべての端面に反射防止膜を施した。
出しすべての端面に反射防止膜を施した。
以上のような構造を用いることによって、光励起および
電流励起いずれの方法によっても、端面ならびに上向き
の方向に中心波長的８６０ｎｍ、波長幅約２ｎｍの狭帯
域の発光出力をとり出すことができた。またこのような
光出力の発生には通常のレーザと異なり励起人力の閾値
が存在しないことが確認された。
電流励起いずれの方法によっても、端面ならびに上向き
の方向に中心波長的８６０ｎｍ、波長幅約２ｎｍの狭帯
域の発光出力をとり出すことができた。またこのような
光出力の発生には通常のレーザと異なり励起人力の閾値
が存在しないことが確認された。
本実施例では、波長が０．８μｍ帯の光を得るためにＡ
ｌＧａＡｓ系半導体材料を用いたが、本発明は特定の材
料系に限定されるものではないことは明らかである。使
用する半導体材料からの発光波長に対応したサイズの周
期構造および積層構造を形成することで、ＩｎＡｌＧａ
Ａｓ系、ＩｎＡＩＧａｐ系、ＩｎＡｌＧａＳｂ系等の多
種多様な材料を用いて同じ原理に基づく発光素子を実現
することが可能である。また本発明における発光素子に
おいても発光材料として半導体量子井戸を用いることに
より発光効率を改善することができる。
ｌＧａＡｓ系半導体材料を用いたが、本発明は特定の材
料系に限定されるものではないことは明らかである。使
用する半導体材料からの発光波長に対応したサイズの周
期構造および積層構造を形成することで、ＩｎＡｌＧａ
Ａｓ系、ＩｎＡＩＧａｐ系、ＩｎＡｌＧａＳｂ系等の多
種多様な材料を用いて同じ原理に基づく発光素子を実現
することが可能である。また本発明における発光素子に
おいても発光材料として半導体量子井戸を用いることに
より発光効率を改善することができる。
さらに、本発明による発光素子は半導体材料を用いる場
合に限定されるものではなく、光励起壁の発光素子とし
て見れば半導体以外の多くの無機および有機固体薄膜発
光体を用いて実現可能である。例えば発光体として有機
色素をドープしたプラスチック薄膜や金属イオンをドー
プしたガラス薄膜を用いることができる。この場合には
発光体をはさむ一対の反射体は蒸着による金属薄膜や誘
電体多層膜で構成することができる。また、発光体の薄
膜は蒸着またはスピンコード法等で形成することができ
る。
合に限定されるものではなく、光励起壁の発光素子とし
て見れば半導体以外の多くの無機および有機固体薄膜発
光体を用いて実現可能である。例えば発光体として有機
色素をドープしたプラスチック薄膜や金属イオンをドー
プしたガラス薄膜を用いることができる。この場合には
発光体をはさむ一対の反射体は蒸着による金属薄膜や誘
電体多層膜で構成することができる。また、発光体の薄
膜は蒸着またはスピンコード法等で形成することができ
る。
（発明の効果）
以上に述べたように、本発明によれば、層に平行方向に
設けた周期構造によって実質的に３次元光共振器が形成
できる。このため３次元的な先兵振器構造によって決ま
る共振波長でのみ発光する、高効率の固体材料による発
光素子を実現することが可能となる。
設けた周期構造によって実質的に３次元光共振器が形成
できる。このため３次元的な先兵振器構造によって決ま
る共振波長でのみ発光する、高効率の固体材料による発
光素子を実現することが可能となる。
第１図は本発明による発光素子の一実施例の模式的構成
を示す図である。第２図および第３図は、発光素子の発
光層に形成する２次元の周期バタンを示す図である。 Ｈ−−・ＧａＡｓ基板１．１２・・・１１４波長Ａｌｘ
Ｇａ１−ｚＡｓ。 １３・・・１１４波長ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ、１４・・
・Ａ１２Ｇａ１−ｚＡｓ発光層・１５１０．ＡｌｙＧａ
１ ＋＋ ｙＡｓ埋込層、１６・・・３次元光閉じこめ
半導体先兵揚器構造、２１・・・周期同心円パタン、 ２２・・・周期長方形バタン、 ２３、・・周期バタン断面、 ３１・・・２次元周期格子バタン
を示す図である。第２図および第３図は、発光素子の発
光層に形成する２次元の周期バタンを示す図である。 Ｈ−−・ＧａＡｓ基板１．１２・・・１１４波長Ａｌｘ
Ｇａ１−ｚＡｓ。 １３・・・１１４波長ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ、１４・・
・Ａ１２Ｇａ１−ｚＡｓ発光層・１５１０．ＡｌｙＧａ
１ ＋＋ ｙＡｓ埋込層、１６・・・３次元光閉じこめ
半導体先兵揚器構造、２１・・・周期同心円パタン、 ２２・・・周期長方形バタン、 ２３、・・周期バタン断面、 ３１・・・２次元周期格子バタン
Claims (1)
- 基板上に発光材料が積層されてなる層構造において、該
発光材料の発光波長幅内の少なくとも一部分の波長に対
して反射特性を有する周期構造が層に平行な面内で２次
元的な周期構造を持って形成され、かつこの２次元的な
周期構造を有する発光材料の層が一対の反射体によって
はさみこまれていることを特徴とする発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27986188A JP2658291B2 (ja) | 1988-11-04 | 1988-11-04 | 発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27986188A JP2658291B2 (ja) | 1988-11-04 | 1988-11-04 | 発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02125670A true JPH02125670A (ja) | 1990-05-14 |
| JP2658291B2 JP2658291B2 (ja) | 1997-09-30 |
Family
ID=17616967
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27986188A Expired - Fee Related JP2658291B2 (ja) | 1988-11-04 | 1988-11-04 | 発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2658291B2 (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04280479A (ja) * | 1991-03-08 | 1992-10-06 | Nec Corp | 発光素子およびその作製方法 |
| US5253262A (en) * | 1990-10-31 | 1993-10-12 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor laser device with multi-directional reflector arranged therein |
| US5289018A (en) * | 1990-08-14 | 1994-02-22 | Canon Kabushiki Kaisha | Light emitting device utilizing cavity quantum electrodynamics |
| JPH07245423A (ja) * | 1991-03-04 | 1995-09-19 | Nec Corp | シリコンゲルマニウム混晶を用いた発光素子およびその作製方法 |
| US5537433A (en) * | 1993-07-22 | 1996-07-16 | Sharp Kabushiki Kaisha | Semiconductor light emitter |
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| JP2658291B2 (ja) | 1997-09-30 |
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