JPH03109788A - Superconducting semiconductor optical element - Google Patents

Superconducting semiconductor optical element

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JPH03109788A
JPH03109788A JP1246281A JP24628189A JPH03109788A JP H03109788 A JPH03109788 A JP H03109788A JP 1246281 A JP1246281 A JP 1246281A JP 24628189 A JP24628189 A JP 24628189A JP H03109788 A JPH03109788 A JP H03109788A
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semiconductor
superconducting
optical device
region
superconductor
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JP1246281A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshiyuki Usagawa
利幸 宇佐川
Masashi Kawasaki
雅司 川崎
Kensuke Ogawa
憲介 小川
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

PURPOSE:To realize an optical element excellent in light receiving and emitting characteristics by utilizing a phenomenon that a semiconductor behaves like a superconductor due to a proximity effect of the superconductor. CONSTITUTION:A structure having a junction system of a superconductor region and a semiconductor region wherein the junction system soaks a Cooper pair in the superconductor region into the semiconductor region by using a proximity effect and a structure for injecting the cooper pair into the semiconductor region are provided. Within soaked length xsiS and injected length xsi1, a conductor part of the semiconductor region is transferred to be a superconductor, wherein a junction structure is provided and a take-out electrode is provided. Thus a light emitting device can be formed by using the semiconductor as well as an effect due to its being the superconductor can be realized.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

[〜産業上の利用分野] 本発明は、発光及び/若しくは受光機能を有する光素子
に係り、特に光フアイバ通信システム、光情報処理シス
テム等に用いて好適な超伝導化半導体光素子に関する。
[-Industrial Application Field] The present invention relates to an optical device having a light emitting and/or light receiving function, and particularly to a superconducting semiconductor optical device suitable for use in optical fiber communication systems, optical information processing systems, etc.

【従来の技術】[Conventional technology]

従来の発光ダイオードは、半導体のpn接合に順方向に
電流を流し、半導体の価電子帯に正孔を、伝導帯に電子
を注入し、それらを直接又は発光中心を介して再結合せ
しめ光を放射させている。したがって、半導体発光ダイ
オードから放射される光のエネルギーは、活性層領域の
半導体材料のバンドギャップ(Eg)に相当するエネル
ギー程度かそれより低いものとなる。 この事情は半導体レーザの場合も同じである。 半導体レーザでは、直接遷移型半導体のpn接合に順方
向に電流を流し、半導体の価電子帯に正孔を、伝導帯に
電子を注入し、反転分布を形成し、それらの再結合光を
光共振器内で誘導放出光として増幅し、レーザ発振に至
らしめている。したがって半導体レーザから放射される
光のエネルギーは、活性層領域の半導体材料のバンドギ
ャップ(Eg)程度に限定される。 従来の■−■族半導体材料を用いたレーザでは半導体材
料の選択およびそれらの混晶化によるバンドギャプの制
御により、ある程度の波長の選択はできるが、放射され
る光のエネルギーは0.3から2.5eV程度であった
。 次に、従来の発光、受光素子の問題点をいくつか列挙す
る。まず第一は、高い光エネルギーのレーザ光に関する
ものである。従来、より高いエネルギーのレーザ光を実
現するために、つぎの2つの方法が試みられている。 その一つは、よりバンドギャップの大きな半導体材料を
使用する方法である。これらの材料には具体的には、I
I−VI族半導体(CdTeやZn5e−ZnS等)や
■族生導体(SiCやダイヤモンド等)が挙げられる。 これらの一部の材料では、電子線励起法によりレーザ発
振が確認されているものの、電子線発生用の高電圧源や
真空雰囲気が必要であり実用的でない。半導体発光ダイ
オードや半導体レーザに用いるに耐える品質の結晶を得
るプロセスは未だ開発されておらず、ドーピングの方法
も確立されていない。これらの材料を用いた発光ダイオ
ードの作成例はあるものの。 発光効率が低く実用的でない。(たとえば、藤田茂夫、
応用物理 第54巻、40−47頁、1985年を参照
)。 もう一つは、半導体レーザからの光を非線形光学結晶に
照射し、非線形光学効果により高調波を発生せしめる方
法である。この方法では、半導体レーザと非線形光学結
晶の複数の部品を用いるため、装置の小型化が不可能な
上、高調波の発生効率が低いため、大きいレーザパワー
得ることができない。これらに関しては佐々木により詳
細に報告されている(佐々木孝友、応用物理 第58巻
。 895−903頁、1989年を参照)。 従来の発光・受光素子の問題点の第二は、レーザ発振の
しきい値電流低減にある。 レーザ発振を低しきい値電流で効率良く起こし、発光波
長のスペクトル幅を狭くするために、一般にキャリアの
エネルギー分布の形状をバンドギャップに近いところで
大きくする必要がある。例えば従来の半導体レーザでは
、活性層として半導体バルク結晶のかわりに量子井戸構
造を用いて、しきい値電流の低下とスペクトル幅の減少
が達成されている。 まず、この原理について説明する。バルクの場合と量子
井戸構造の場合について、同一量の電子を励起した場合
の電子と正孔の分布状態について考察する。第2図(、
)と(b)に、それぞれ、バルク半導体と量子井戸構造
半導体の状態密度(横軸)のエネルギー(縦軸)依存性
を示す。 101は伝導帯の状態密度、102は価電子帯の状態密
度を示し、103は電子のエネルギー分布を、104は
、正孔のエネルギー分布を示す。バルクから量子井戸構
造へと構造が変わったおかげで、電子と正孔のエネルギ
ー分布が変化し、量子井戸構造のほうが、バンドギャッ
プ付近の分布が大きくなっている。このことは、量子井
戸構造を用いた半導体レーザの発振のしきい値が低いこ
との説明となる。 これらに関して、実例も含めて、岡本らにより詳細に報
告されている(例えば、岡本 他、応用物理 第52巻
、843−851頁(1983年)を参照)。 他に、状態密度のエネルギー依存性を変化させる方法と
して、強磁場中でのキャリアのサイクロトロン運動の量
子化を利用する方法が知られている(例えば、特開昭6
4−68994、岡本 他、応用物理 第52巻、84
3−851頁(1983年))。第2図(a)に示した
バルク半導体の状態密度は、強磁場中では第2図(c)
に示すようなランダウ準位に分裂する。この場合も状態
密度がバンド端で急便に立ち上がり、量子井戸構造の場
合と同様な効果が明らかにされている。しかしながら、
超伝導マグネット等の磁場発生源と共存させねばならず
、装置の小型化に対する障害や、磁場の他の装置に与え
る悪影響等を考慮にいれると現実的ではない。 以上のような量子構造や磁場印加により状態密度分布を
変化させた例では、バンド端での状態密度のエネルギー
依存性を急峻にしているものの、注入されたキャリア濃
度によって決まる高エネルギー側のキャリア密度分布を
急峻にすることはできない。 以上に挙げた例に対して根本的に性質の異なる例として
、励起子のポーズ凝縮系からの発光を利用したレーザが
提案されている(例えば、特開昭6l−218192)
。この原理を簡単に説明する。ペテロ接合半導体中に形
成したトンネル障壁層の両側に、二次元状に電子と正孔
をそれぞれ蓄積する。 この状態での、バンド図をキャリアの分布状態を第2図
(d)に示す。バンドギャップの広い半4体111,1
12に囲まれたバンドギャップの狭い半導体113,1
14中に障壁層115をへだてて存在する電子116と
正孔117はクーロン相互作用により励起子を形成する
。トンネル障壁層115の膜厚を最適化すると、障壁層
をトンネルして、電子と正孔は発光再結合する。この発
光を光共振器で誘導増幅することにより、レーザ発振が
可能になるという提案である。もし、低温で、励起子系
がポーズ凝縮をおこせば、超輻射レーザが実現する。こ
のレーザでは、従来の半導体レーザに比べて光のスペク
トル幅は1/10に、レーザ発振のしきい値電流は1/
10000となる。しかし、この超輻射レーザでは、再
結合すべき電子と正孔が空間的に分離されており、トン
ネル障壁層での波導関数の重なりにより再結合確率が支
配されるため、原理的に発光強度を大きくできない。更
に、より本質的にはこの励起子系は高濃度にすることが
できず、実用的な温度(大略10に程度以上の温度)で
ポーズ凝縮を起こさない。 同様に、ポーズ凝縮した電子系として超伝導体を利用し
たレーザが知られている。このタイプのレーザの動作原
理には2種類ある。そのひとつでは、ギャップがΔであ
る超伝導体に電子準粒子と正孔準粒子を注入し、それら
が再結合するときに放射される2Δの光をレーザ発振せ
しめる(例えば、特開昭63−302581、特開昭6
3−263783に示されている。)。この発明では、
超伝導体において、基底状態よりクーパー対が壊れた2
Δだけエネルギーの高い準粒子を反転分布させるという
アイデアに基づいている。しかしながら電子、正孔を注
入することで、超伝導状態を保ったままで基底状態と準
粒子状態を反転分布させることは原理的に困難であり、
かりにレーザー発振したとしても現在知られている超伝
導体ではギャップエネルギーは数meVから大きくても
50meV以下であるため、レーザから放出される光は
マイクロ波から赤外線に限られるという問題点が生じる
。他の動作原理のレーザでは、超伝導体と透光性の絶縁
膜と積層化することによりジョセフソン接合を形成し、
絶縁膜で分けられた超伝導体間に電位差δVを印加し、
2qδ■のエネルギーをもつフォトンを放射せしめるも
のがある(例えば、特開昭63−316493.63−
262882に示されている。)。しかしながら、超伝
導体−緒録体一超伝導体構造において、絶縁体の同一場
所でクーパー対の波導関数を重ねることができず、現実
には極めて微弱な発光しか得られない。また、超薄膜(
1−3nm)絶縁層を良質な単結晶で均一に形成するこ
とは極めて難しく、絶縁層内のトラップなどを介した非
発光遷移が支配的になり、現実の問題として発光素子と
しては実用化されていない。 問題点の第3は、緩和振動周波数(f、)が低いことで
ある。超高速の光通信では大きなf、が不可欠であるが
、従来量も高速に動作する変調ドープ多重量子井戸レー
ザ(例えば、魚見和久 応用物理 第57巻、708−
713 (1988) ’)でも40GHzであり1通
常のDHレーザでは10 G Hzである。 又、従来コヒーレントな電子系からの発光・受光過程を
実験的に実証した例はなく、発光・受光の基本プロセス
に関しては、不明な点が多い。
Conventional light emitting diodes pass current through the pn junction of a semiconductor in the forward direction, injecting holes into the valence band and electrons into the conduction band of the semiconductor, and recombining them directly or through a luminescent center to emit light. It is radiating. Therefore, the energy of the light emitted from the semiconductor light emitting diode is approximately equal to or lower than the band gap (Eg) of the semiconductor material of the active layer region. This situation is the same in the case of semiconductor lasers. In a semiconductor laser, a current is passed in the forward direction through the pn junction of a direct transition semiconductor, injecting holes into the valence band and electrons into the conduction band of the semiconductor, forming population inversion, and converting their recombined light into light. This is amplified as stimulated emission light within the resonator, leading to laser oscillation. Therefore, the energy of light emitted from the semiconductor laser is limited to about the band gap (Eg) of the semiconductor material of the active layer region. In conventional lasers using ■-■ group semiconductor materials, the wavelength can be selected to a certain extent by selecting the semiconductor materials and controlling the bandgap by mixing them, but the energy of the emitted light is between 0.3 and 2. It was about .5 eV. Next, some problems with conventional light emitting and light receiving elements will be listed. The first one concerns laser light with high optical energy. Conventionally, the following two methods have been attempted in order to realize higher energy laser light. One method is to use a semiconductor material with a larger band gap. Specifically, these materials include I
Examples include I-VI group semiconductors (CdTe, Zn5e-ZnS, etc.) and group II raw conductors (SiC, diamond, etc.). Although laser oscillation by electron beam excitation has been confirmed with some of these materials, it is not practical because it requires a high voltage source for electron beam generation and a vacuum atmosphere. A process for obtaining crystals of a quality suitable for use in semiconductor light emitting diodes and semiconductor lasers has not yet been developed, and a doping method has not yet been established. Although there are examples of creating light emitting diodes using these materials. Luminous efficiency is low and impractical. (For example, Shigeo Fujita,
(See Applied Physics Vol. 54, pp. 40-47, 1985). The other method is to irradiate a nonlinear optical crystal with light from a semiconductor laser to generate harmonics due to the nonlinear optical effect. This method uses a plurality of components including a semiconductor laser and a nonlinear optical crystal, so it is not possible to miniaturize the device, and the harmonic generation efficiency is low, making it impossible to obtain large laser power. These have been reported in detail by Sasaki (see Takatomo Sasaki, Applied Physics Vol. 58, pp. 895-903, 1989). The second problem with conventional light-emitting/light-receiving elements is the reduction in threshold current for laser oscillation. In order to efficiently cause laser oscillation with a low threshold current and to narrow the spectral width of the emission wavelength, it is generally necessary to increase the shape of the carrier energy distribution near the band gap. For example, in conventional semiconductor lasers, a quantum well structure is used instead of a semiconductor bulk crystal as an active layer to achieve lower threshold current and spectral width. First, this principle will be explained. We will discuss the distribution of electrons and holes when the same amount of electrons are excited in the bulk case and in the case of a quantum well structure. Figure 2 (,
) and (b) show the dependence of the density of states (horizontal axis) on the energy (vertical axis) of a bulk semiconductor and a quantum well structure semiconductor, respectively. 101 shows the density of states in the conduction band, 102 shows the density of states in the valence band, 103 shows the energy distribution of electrons, and 104 shows the energy distribution of holes. Thanks to the change in structure from the bulk to the quantum well structure, the energy distribution of electrons and holes changes, and the quantum well structure has a larger distribution near the band gap. This explains why the threshold for oscillation of a semiconductor laser using a quantum well structure is low. These have been reported in detail by Okamoto et al., including actual examples (for example, see Okamoto et al., Applied Physics Vol. 52, pp. 843-851 (1983)). Another known method for changing the energy dependence of the density of states is to utilize quantization of the cyclotron motion of carriers in a strong magnetic field (for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 6
4-68994, Okamoto et al., Applied Physics Vol. 52, 84
3-851 (1983)). The density of states of the bulk semiconductor shown in Figure 2(a) is as shown in Figure 2(c) in a strong magnetic field.
It splits into Landau levels as shown in . In this case as well, the density of states rapidly rises at the band edge, and an effect similar to that of the quantum well structure has been revealed. however,
It must coexist with a magnetic field generation source such as a superconducting magnet, which is not realistic when considering the obstacles to miniaturization of the device and the adverse effects of the magnetic field on other devices. In the above examples in which the density of states distribution is changed by applying a quantum structure or a magnetic field, although the energy dependence of the density of states at the band edge becomes steep, the carrier density on the high energy side determined by the injected carrier concentration It is not possible to make the distribution steep. As an example with fundamentally different properties from the examples listed above, a laser that utilizes light emission from a pose condensed system of excitons has been proposed (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-218192).
. This principle will be briefly explained. Electrons and holes are accumulated two-dimensionally on both sides of a tunnel barrier layer formed in a Peter junction semiconductor. The band diagram and carrier distribution state in this state are shown in FIG. 2(d). Wide bandgap half-4 body 111,1
A narrow bandgap semiconductor 113,1 surrounded by 12
Electrons 116 and holes 117, which exist in the barrier layer 115 in the barrier layer 115, form excitons through Coulomb interaction. When the thickness of the tunnel barrier layer 115 is optimized, electrons and holes tunnel through the barrier layer and are recombined by light emission. The proposal is that laser oscillation becomes possible by stimulating and amplifying this light emission using an optical resonator. If the exciton system undergoes pause condensation at low temperatures, a superradiant laser will be realized. In this laser, the optical spectral width is 1/10 and the threshold current for laser oscillation is 1/10 that of conventional semiconductor lasers.
It becomes 10,000. However, in this superradiant laser, the electrons and holes to be recombined are spatially separated, and the recombination probability is controlled by the overlap of wave derivatives in the tunnel barrier layer. I can't make it bigger. Furthermore, more essentially this exciton system cannot be made highly concentrated and does not undergo pause condensation at practical temperatures (temperatures of approximately 10°C or higher). Similarly, lasers using superconductors as pose-condensed electron systems are known. There are two operating principles for this type of laser. One method involves injecting electron quasiparticles and hole quasiparticles into a superconductor with a gap of Δ, and emitting 2Δ light when they recombine to cause laser oscillation. 302581, Japanese Patent Publication No. 6
3-263783. ). In this invention,
In superconductors, Cooper pairs are broken from the ground state 2
It is based on the idea of population inversion of quasiparticles with higher energy by Δ. However, it is difficult in principle to invert the ground state and quasiparticle state by injecting electrons and holes while maintaining the superconducting state.
Even if a laser oscillates, the gap energy of currently known superconductors is from several meV to 50 meV or less at most, so the problem arises that the light emitted from the laser is limited to microwaves to infrared rays. In lasers with other operating principles, a Josephson junction is formed by laminating a superconductor and a transparent insulating film.
Applying a potential difference δV between superconductors separated by an insulating film,
There are some that emit photons with an energy of 2qδ■ (for example, JP-A-63-316493.63-
262882. ). However, in the superconductor-body-superconductor structure, the wave derivatives of the Cooper pair cannot be superimposed at the same location in the insulator, and in reality only extremely weak light emission can be obtained. In addition, ultra-thin films (
1-3 nm) It is extremely difficult to uniformly form an insulating layer with a high-quality single crystal, and non-emissive transitions via traps in the insulating layer become dominant, making it impossible to put it into practical use as a light-emitting device. Not yet. The third problem is that the relaxation oscillation frequency (f,) is low. A large f is essential for ultra-high-speed optical communications, but conventional modulation-doped multiple quantum well lasers that operate at high speed (for example, Kazuhisa Uomi Applied Physics Vol. 57, 708-
713 (1988) '), the frequency is 40 GHz, and a normal DH laser has a frequency of 10 GHz. Furthermore, there has been no experimental demonstration of the process of emitting and receiving light from a coherent electronic system, and there are many unknowns regarding the basic process of emitting and receiving light.

【発明が解決しようとする課題】[Problem to be solved by the invention]

本発明が解決しようとする課題は、従来の半導体及び超
伝導体発光・受光素子では実現できない、1、バンドギ
ャップより高いエネルギーの光を効率良く発光・受光、 2、量子井戸構造を用いても実現できないような、擬フ
エルミ準位におけるキャリア濃度のエネルギー依存性を
急峻にでき、そのため非常に低いしきい値で発振するレ
ーザ、 3、大略100GHzを超える緩和振動周波数f、を有
する半導体光素子、 4、コヒーレントな電子系が有しているコヒーレント因
子φ(超伝導体の場合1位相φに対応する)を反映した
発生受光プロセスを特徴とする半導体発光素子、 5、非常に帯域の広い受光素子、 を以下に説明する超伝導体/半導体の近接効果を利用し
た新しい原理の発光受光素子をもちいて実現することに
ある。
The problems that the present invention aims to solve are: 1. Efficiently emit and receive light with energy higher than the band gap, which cannot be achieved with conventional semiconductor and superconductor light-emitting/light-receiving devices; 2. Even when using a quantum well structure. 3. A semiconductor optical device having a relaxation oscillation frequency f approximately exceeding 100 GHz; 4. Semiconductor light-emitting device characterized by a generation and reception process that reflects the coherence factor φ possessed by a coherent electronic system (corresponding to one phase φ in the case of a superconductor); 5. Light-receiving device with an extremely wide band The purpose of the present invention is to realize the following using a light-emitting and light-receiving element based on a new principle that utilizes the proximity effect of superconductors/semiconductors as described below.

【課題を解決するための手段】[Means to solve the problem]

最近、超伝導体と半導体の近接効果の研究が進み、クー
パー対の半導体中へのしみだし機構が明らかになりつつ
ある(例えば、固体物理Vo1.23No、3 pp1
53−1621988年;超伝導近接効果;田仲、塚田
、及びその参考文献を参照)。ところがこれらの研究成
果は、金属の超伝導体と半導体との近接効果であり、転
移温度Tcが数十度にの高温超伝導体/半導体接合での
近接効果についての研究は報告されていない。 発明者等は、転移温度下cが90 Kの高温超伝導体(
YBCO:酸化物高温超伝導体Y B a 2 Cu3
0 tの略号で以下YBCOと記述する。)/Au(5
0nm) /M o (10nm) /W (40nm
) / n型半導体;GaAs(或いはP型半導体;G
aAs)接合でのクーパー対の半導体側へのしみだし距
離ξSと半導体中での超伝導ギャップΔ1を測定し次の
ような結果を得た。実験結果を表1に示す。 この結果を要約すると、 表1 1、しみだし距離ξSは300nmから500nm、2
.しみだしクーパー対の超伝導ギャップΔ□の平均的大
きさΔavは、20meVから30meV、である。 ここで、高温超伝導体とG a A sの間にバッファ
ーメタル(A u / M o / W )を挿入して
いる理由は、酸素雰囲気中で、GaAsの上に酸化物超
伝導体をつけるとG a A sが酸化され、絶縁膜が
はさまったり、Asがぬけたり、酸化物超伝導体が超伝
導性をしめさなっかたりするため、酸化されにくいAu
の上に酸化物超伝導体を形成した。 ところが、周知の、様に、Auは直接GaAs上に安定
に被着することはできない。また、A、 uとG a 
A sは470°Cで反応しはじめ、AuがGaAs中
に拡散する。更に、YBCOを被着させる過程で、40
0 ’Cから550℃で基板温度を設定するため、Ga
Asとバッファーメタルが反応しない様に、さらに、A
uの拡散を防ぐ目的で、Auと反応しにくい高耐熱金属
、Wをバッファーメタルに用いた。更に、W上に、A、
 +iを接着性よく形成することは難しく、接着性をあ
げる目的でMoを挿入させた。この様なバッファーメタ
ルを挿入した理由は、高温超伝導体をG a A s 
(半導体)に対しオーミックに接触させたいためで、金
属超伝導体N b 、 P b 、 N b 、 G 
e 、 N b 3S n等の場合には、バッファーメ
タルは必要ないことは言うまでもない。 発明者らは、この実肋を更に推し進め高温超伝導体/バ
ッファーメタル/半導体接合でのクーパー対の半導体側
へのしみだし距離ξSと半導体中での超伝導ギャップΔ
、を系統的に測定した。n型GaAs、n型GaAsの
複数のドーピングレヴエルにおける実験結果を第4図に
示す。但し、比接触抵抗ρCはバッファーメタルと半導
体の界面の比接触抵抗で、膜厚30nmの濃度を変化さ
せた半導体層を挿入している。図中No、NAは夫々し
みだし半導体層のドナー、アクセプタ濃度である。 No= 101g/cm 、 NA: 10”/cm’
の夫々S’n、BeドープG a A sに対するしみ
だし距離ξSと半導体中での超伝導ギャップΔ、の温度
変化を調べたのが第5図である。第4図、第5図で実線
はn型G a A sを破線はn型GaAsを示す。測
定結果から次のような一般的結論を得た。 1、しみだし距離ξSはOnmから最大700n+nま
で制御できる。 2、しみだし距離ξSは極めて敏感にドーピングレヴエ
ルに依存する。 3、しみだし距離ξSはバッファーメタルと半導体の界
面の比接触抵抗ρCにあまり依存しない。 4、しみだしクーパー対の超伝導ギャップΔ1の平均的
大きさΔavは、比接触抵抗ρCとドーピングレヴエル
に大きく依存する。特に、オーミック特性の程度を表す
ρCには大きな制限が付く。 5、しみだし距離ξSとしみだしクーパー対の超伝導ギ
ャップΔ、の平均的大きさΔavは、Tc(今の場合、
90K)の半分以下の温度では、あまり大きく、変化し
ない。 6、半導体が縮退していないと、しみだし距離ξSは2
nm以下になる。 次にこの近接系の物理的イメージを説明する。 第1図(a)に、界面でのクーパー対ボテンシ図をしめ
す。 超伝導体中でのバルクのクーパー対ポテンシャル空乏層
を介してクーパー対が半導体側にしみだす体側へのしみ
だし距離をξSとし、平均クーパー対の大きさをΔav
とする。この様にして、この接合系をクーパー対供給層
と超伝導化半導体層に分けることができる。 半導体がn型の場合、超伝導化した縮退半導体の伝導帯
(Conduction Band)付近のエネルギー
バンド図と対応する状態密度の様子を第1図(b)に示
す。伝導帯端EcからqVcの位置にフエルミレヴエル
EFが位置し、超伝導ギャップ2Δが開く。図中、伝導
帯端Ecから斜線の部分がクーパー対の凝縮した領域で
ある。対応した状態密度のエネルギーEに対する概念図
では、超伝導ギャツブ2Δの間には状態がなくなり、元
々あった状態はその上下に分配される。半導体がp型の
場合、超伝導化した縮退半導体の価電子帯(Valen
ceBand)付近のエネルギーバンド図と対応する状
態密度の様子を第1図(c)に示す。価電子帯端Evか
らqVvの位置にフェルミレヴエルEpが位置し、超伝
導ギャップ2Δが開く。図中、価電子帯端Evから斜線
の部分がクーパー対の凝縮した領域である。対応した状
態密度のエネルギーEに対する概念図では、超伝導ギャ
ップ2Δの間には、状態がなくなり1元々あった状態は
その上下に分配される。P型半導体へのクーパー対のし
みだしは、直感的には理解しすらいが、電子がフェルミ
レヴエルまでつまって、価電子帯端Evからフェルミレ
ヴエルまで電子にとっての空席が存在すると考えれば、
理解しやすい。 又、この様な描像は、通常の金属超伝導体(Nbやpb
など)とn (p)型G a A sやSiなどの縮退
半導体との接合における近接効果においても超伝導ギャ
ップの値が異なるだけで、物理的描像は同じである。 この様な実験事実から、超伝導体/半導体接合では、大
略、クーパー対の半導体側へのしみたし距離ξS内では
半導体自身が超伝導ギャップΔの超伝導体に変化し、超
伝導体を半導体へのクーパー対供給層とみなすことがで
きる。 さらに、発明者らは、クーパー対の注入について以下に
説明するような知見を得た。G a A sのnip接
合とpin接合のエビウェハー上に、前述と同様のバッ
ファメタル層と超伝導体膜を形成し、nまたはpiにし
みだしたクーパ〒対を、更にi層に注入させる実験を行
った。以下に、n層からクーパー対を注入した例につい
て説明する。 熱平衡状態でのバンドダイアグラムを第1図(d)に示
す。バッファーメタル2/n−GaAs3界面からni
界面の空乏層までの距離はξSより十分短い。即ちn型
G a A s 3中は、バイアスをかけていない時に
は全て超伝導化されている。即ち。 クーパー対はn型G a A s中いたる所に存在する
。 このnip接合に順バイアスをかけたときのバンドダイ
アグラムを第1図(e)に示す。クーパー対のi層への
注入距離ξIは、バンドがフラットになる順バイアス電
圧Vaまで、 ξ1=ξ5oexP  (’1  (V  Va)/k
T)で表されることがわかった。このように、Vaまで
順バイアスした状態で、i層でクーパー対のしみだして
る領域の状態密度とキャリアの分布状態を第1図(f)
に示す。価電子帯にはpmから注入された正孔密度によ
って決まる正孔擬フエルミ準位(Erh)が、伝導帯に
はn層から注入された電子密度によって決まる電子擬フ
エルミ準位(Ere)が形成される。但し、電子の擬フ
エルミ準位の付近では、クーパー対のしみだしによって
i層半導体が超伝導体化され、ギャップ2Δ2が開き、
元来ギャップ内にあるはずの準位はギャップの上下に配
分される。iff中への注入距にξ■0と平均的なギャ
ップの大きさΔ2avの接触抵抗ρCとドーピングレヴ
エルNoに対する依存性を調べた結果が第5図である。 測定結果から次の様な結論を得た。 1、注入距離ξIはOnmから最大1100nまで制御
できる。 2、注入距離ξ■は極めて敏感にドーピングレヴエルに
依存する 3、注入距離ξIはバッファーメタルと半導体の界面で
の比接触抵抗ρCにあまり依存しない。 4、注入クーパー対の超伝導ギャップΔ2の平均的大き
さΔ2avは、比接触抵抗ρCとドーピングレヴエルに
大きく依存する。特に、オーミック特性の程度を表すρ
Cには大きな制限が付く。 5、注入距離ξIと注入されたクーパー対の超伝導ギャ
ップΔ2の平均的大きさΔ2aVは、Tc(今の場合、
90K)の半分以下の温度では、あまり大きく変化しな
い。 超伝導体のギャップΔ。(T)はT≦0.8Tcでほぼ
Δ。(0)に等しくなり、かつΔ。(0)はkTcの数
倍程度なので、2Δ、はT≦0.8TcにおいてkTと
同程度となる。この状態密度分布において準粒子電子と
準粒子正孔の統計分布は通常のフェルミ−デイラック統
計に従う。しかし、伝導帯全体をみたときの電子(クー
パー対も含む)密度のエネルギー依存性は、クーパー対
のしみたしのない場合に比べてはるかに急しゅんに変化
する。第2図(b)や第2図(c)の量子構造の導入や
強磁場の印加により状態密度を変化させる方法では、半
導体のバンド端側の状態密度分布が急しゅんになってい
るのと対照的である。 次に、注入されたクーパー対の緩和過程について述べる
。nilでは安定であったクーパー対が。 i層の伝導帯に注′入されたとき、i層中の価電子帯に
正孔が注入されていると、クーパー対を形成している電
子と、正孔とが再結合して緩和する。 再結合過程には次の3通りがある。 1、クーパー対が価電子帯に注入された正孔2個と同時
に再結合する。 2、クーパー対を形成している電子のうち1個が価電子
帯に注入された正孔1個と再結合する。 3、熱的に解難したクーパー対、すなわち、準粒子電子
が価電子帯に注入された正孔と再結合する。 再結合過程には、輻射再結合と非輻射再結合があるが、
ここでは輻射再結合のみを考える。第1の遷移過程では
、1つの光子が放射される場合と、2つの同じエネルギ
ーを持つ光子が放射される場合がある。 クーパー対と2個の正孔が1個の光子を放射して再結合
する場合、光子のエネルギーはバンドギャプEgの約2
倍になる。他の場合には光子のエネルギーはEgと同程
度である。ただし、2の過程で放出される光は、クーパ
ー対の束縛状態を反映して、3の過程で数比される光よ
り2Δ2だけ低いエネルギーとなる。 上記の例では半導体のnip接合の片側のみにクーパー
対供給層があるのにだいし、次に示す例ではnip接合
の両側にクーパー対供給層を設けた場合について説明す
る。前述と同様に、超伝導体からi層までの距離をそれ
ぞれξSより短くし欠場合、超伝導体/ n −G a
 A s / i −G a A s/ p −G a
 A s /超伝導体で表される構造の順方向バイアス
状態でのバンド図を第1図(g)に示す。i層の伝導帯
にはnlから電子が注入され、それに伴いクーパー対も
注入される。同様に、i層の価電子帯にはpmから正孔
が注入され、それの伴いクーパー対も注入される。クー
パー対注入状態でのi層の状態密度とキャリアの分布状
態を第11m (h)に示す、電子擬フエルミ準位と正
孔擬フエルミ準位の位置にそれぞれギャップΔ2とΔ、
が開く。 次に、注入されたクーパー対の緩和過程について述べる
。前例と同様にn層では安定であったクーパー対が、i
層の伝導帯に注入されたとき、i層中の同じ位置の価電
子帯に正孔が注入されていると、クーパー対を形成して
いる電子と正孔が再結合して緩和する。再結合過程には
次の3通りがある。 1、伝導帯のクーパー対が価電子帯に注入された正孔2
個と同時に再結合する。 2、伝導帯でクーパー対を形成している電子のうち1個
が価電子帯に注入された正孔1個または価電子帯の準粒
子正孔と再結合する。 3、伝導帯の準粒子電子が価電子帯に注入された正孔ま
たは価電子帯の準粒子正孔と再結合する。 本構造の場合も、クーパー対と2個の正孔が1個の光子
を放射して再結合する場合、光子のエネルギーはバンド
ギャプEgの約2倍になる。しかし、前述の構造の場合
と異なる点がある。価電子帯へのクーパー対の注入を反
映して、価電子帯に存在する正孔状態密度は、第1図(
h)のように変化しており、超伝導体特有の状態密度分
布になっている。この素子の順バイアス電流は1定電圧
に対し振動する。これに伴い、発光強度も同周期、同位
相で振動する。順バイアス電圧■、電流J、発光強度!
の関係は交流ジョセフソン効果と同様に J”Jcsin(φC−φh) 2qV=6d(φC−φh ) /dtIcI:J と表すことができる。ここで、φCとφhはそれぞれ、
伝導帯と価電子帯にしみだしたクーパー対の位相である
。土はブランク定数りを2πで割った値、qは電子の素
電荷である。一定電圧でこの素子を駆動した場合、電流
が νv=2qV/h の周波数で振動する。 素過程で放出される光のエネルギーは1層半導体のバン
ドギャップEgとその2倍の2Egであり、その周波数
を、νEgと2vEgとすると、それらの光の発光強度
がνVの周波数で変調を受けた場合、実効的に放出され
る光は基本周波数以外に、シEg−vl/、VEg+シ
v、 2シEg−シV。 2シEg+ヤVの周波数の光を含んでいるのと同等であ
る。これらのサテライト光の周波数は順ノくイアスミ圧
■によって変化させることができる。 本発明で発見した新しい発光現象は、交流ジョセフソン
効果とは本質的に異なる。交流ジョセフソン効果が絶縁
体障壁を介した二つの超伝導体間のトンネル効果に起因
するものであるのに対して、本発明で発見した発光現象
は近接効果により、超伝導体化されたn型p型半導体が
、半導体のバンドギャップを介してあたかもバンドギャ
ップが絶縁体のように振る舞う、n型p型半導体中のク
ーパー対の間の新しい発光物理現象である。特に発光ス
ペクトラムが超伝導体化された半導体の超伝導位相差φ
C−φhを反映し、超伝導電流と結合した光と電気の振
動が現れる点が本質的に新しい。 さらにi層に量子構造を適用した例について説明する。 i層に単一量子井戸を導入した場合、注入状態でのキャ
リアの分布状態は第1図(i)に示した様になる。第1
図(g)と異なる点は、発光半導体層4が第1図(i)
では、バンドギャップの大きい半導体401と403に
はさまれたバンドギャップの小さい半導体402からな
る量子井戸で形成されている点である。バンド端側では
量子構造により、擬フエルミ準位側では超伝導ギャップ
により、状態密度の変化が急しゅんになっている。 この構造での注入されたクーパー対の振舞は前記の場合
とほぼ同じである。 この様な現象を光デバイスへ応用するという視点からは
、しみだし距離ξS内と注入距離ξi内では半導体自身
が超伝導体とみなすことができ、半導体を用いた様々な
超伝導デバイス(即ち、超伝導化半導体光素子)を実現
できる道を開く。特に、しみだし距離ξSは半導体のキ
ャリヤ濃度をうまく選ぶことで、lnmから700nm
の範囲で制御でき、注入距離ξlは順バイアス電圧によ
って制御できるため、このクーパー対の半導体側へのし
みだし距離ξS内に様々な結晶構造を設計してやること
で従来の半導体光デバイスでは実現できなかった新しい
原理の超伝導化半導体光デバイスを実現できる。また、
従来の半導体光デバイスで実現されている現象や技術を
全て適用可能である。すなわち、この発光現象を用いて
、発光ダイオードやレーザダイオード、さらには受光素
子が実現可能であり、かつこれらの素子の高性能化のた
めに開発されている種々の技術も全て適用できる。 以上に説明した本発明の素子は、本来超伝導を示さない
半導体を超伝導体の近接効果を利用して、恰も、半導体
が超伝導体のように振る舞うことを利用した超伝導化半
導体光素子である。又、本発明が特開昭63−3025
8や特開昭63−262882に開示されている技術と
根本的に異なるのは、超伝導を示さない(温度で)半導
体を上記近接効果をもちいて超伝導に一部分を転化して
、光デバイスとして用いる点である(特開昭63−30
258や特開昭63−262882の発明は、超伝導体
のジョセフソン接合自身を用いている)。 特に、GaAs等の半導体結晶の結晶性は、他の材料(
上記超伝導を示す縮退半導体材料や、今までのJJ素子
に用いられてきた絶縁体材料)に比べて、材質(完全結
晶性、無欠陥性、無粒界性等)の面で格段に優れている
。更に、GaAsLSIに用いられてきた高品質のバッ
ファーメタル(A u / M o / W S iな
ど;通常超伝導性を示さないか、示しても超低温である
。)を介在させて半導体を超伝導化できるので、従来の
ジョセフソン接合レーザのように、絶縁層材料の粒界等
のために発光効率を下げることはない。また、素子作成
上今まで発展してきたGaAs  LSIのプロセス技
術、デバイス回路技術の多くの部分を活かすことができ
るという大きな長所を有する。 又、既存のGaAs (ヘテロ)デバイスとの複合化や
融合化を容易に実現できるという長所も存在する。 又、本発明はGaAs系半導体に限定される必要性は全
く無く、発光素子としては、直接遷移型の半導体InG
aAs、InGaAsP、GaSb、InP’、Zn5
e、ZnS、CdTeなどの通常の発光素子半導体材料
を用いても良いことは言うまでもない。受光素子として
は、直接遷移型の半導体だけでなく、非直接遷移型の半
導体Si、Geなどでも本発明は実現できる。 (作用1 この様に本発明の超伝導化半導体光素子では、結晶性が
極めて良く、膜厚、不純物濃度の極めて!lJN性の高
い半導体(G a A s等)をもちいて発光素子を形
成できるので、従来の高性能化技術をすべてv@襲でき
る上に、超伝導体化による効果も具現化する。このよう
な効果は本発明が機能する以下の作用に基づく。 1、半導体の伝導帯に注入されたクーパー対と価電子帯
に注入された2個の正孔が同時に再結合する過程で、全
エネルギーが1個の光子で放出される過程が存在する。 このとき、バンドギャップがEgの超伝導化半導体から
、エネルギーが2Egの光が放射される。 2、半導体(レーザ)ダイオードの動作状態においては
、伝導帯と価電子帯の両側にクーパー対を注入した場合
、一定電圧の動作状態で注入電流と発光強度が振動する
。この振動は交流ジョセフソン効果と同様な振舞をする
。 3、半導体のバンド内にクーパー対が注入されると、フ
ェルミ準位の位置に超伝導ギャップが開き、キャリアの
分布状態に制限をかけることができる。この効果として
、しきい値組流の低減やスペクトル幅の純化等が達成さ
れる。 4、状態密度の急峻性を反映して、緩和振動周波数が非
常に大きくなる。 5、半導体で構成される部分が、従来の半導体技術を原
理的にすべて継承することができる。従って好ましい任
意の構造を好ましい任意の方法で作成可能である。様々
なヘテロ接合や量子井戸構造、変調ドープ構造をMBE
(分子線エピタキシー)やMOCVD (有機金属熱分
解法)等の一原子層を制御できる結晶成長技術をもちい
て、極めて均一に正確な膜厚で再現性良く形成できる。 また、導波路や共振器の構成等、従来の半導体レーザで
用いるデバイス技術も適応可能である。例えば、分布帰
還型(DFB)レーザや埋込(BH)レーザ等の共振器
構成を応用できる。 6、本発明の超伝導化半導体光素子は、既存の半導体デ
バイス(GaAs  MESFET。 2DEGFET (二次元電子ガスFET:HEMT)
 、ヘテロ接合FET、ヘテロバイポーラトランジスタ
、2DEGHBT、等など)あるいは、光デバイス(半
導体レーザ、LED。 各種発光、受光素子)とモノリシックに同一基板上に形
成する事が容易である。更に2DEGHBT(たとえば
、T、Usagawa他6名:[EDM 87Tech
nical Digest pp78−81或いは、特
願昭60−164128、特願昭60−164126、
特願昭61−40244等)や共鳴トンネルFET(例
えば、A、R,Bonnefoi他2名; IEEE 
Trans、 Electron Devices、 
EDL−6(1985) 636)のように本発明の超
伝導化半導体ジョセフソン接合素子と既存の半導体デバ
イスとを同一素子内に組み入れる事も可能である。 この様な、半導体デバイスとの集積化は、半導体デバイ
スが、低温(例えば、液体窒素温度;超伝導体の熱的ゆ
らぎが、本質的に寄与しない程度の低温)でデバイス性
能が向上する2DEGHBT、2DEGFET、低温バ
イポーラ、低温Bi  CMO3等との複合化で特に著
しく、そのようなIC,LSIの性能向上に寄与がある
。 【実施例) 以下、本発明を実施例を通じて更に詳しく説明する。 実施例 1 超伝導化半導体発光ダイオードの一実施例を第3図(a
)に示す。Znを3 X 10”/cm3含有するp−
にaAs基板90上にMBE(分子線エピタキシー]を
用いて、BeをI X 10”/cm3含有するp+A
lxGa、−xAsJl 5 (x == 0 、15
 :通常0.1≦X≦0.45 の範囲で選ぶことが多
い)を500nm、アンドープ1−GaAs層4を10
nm、 Siを3 X 10”/cm3  含有するn
+GaAs層31  を4OnLIl、Snを9 X 
10”/cm” 含有するn+÷GaAs層32 を1
Snmを形成後、SiO□等の絶縁膜40を形成し、通
常のリソグラフィーとエツチング技術を用いて、電極パ
ターンを形成する。通常、ドーピングレベルにも強く依
存するが、n+GaAs層31とn++GaAs層32
の膜厚層相21Snmから70nmの範囲に選んでいる
。 また、発光層である1層4の膜厚はSnmから50nm
の範囲で選ぶことが多い。つぎに、バッファメタルとし
てW 54を30nm、 Mo 53を 10nm 、
 Au 52 を80nm、スパッタ法をもちいて被着
した。更に、反応性蒸着法により、YBCO膜1を40
0 nm形成した。この場合も、バッファメタルの全膜
厚は30nmから150nmの範囲で選ぶことが多い。 一般に、n型GaAsでは、ノンアロイオーミックをと
りにくい。そこで、オーミック接触をさらによくするた
めにSnドープ層32の代りに、例えば、(T、N1t
tono、他3名Japanese Journal 
of Applied Physics Vol。 27、N009、September、1988.  
 pp1718−1722 )に示すように、In組成
yが傾斜化したn÷InyGaよ−yAs層を挾んでも
よい。但し、T、N1ttonoの場合と異なり、 I
nGaAsの膜厚は、通常15nm程度に選んでいる。 即ち、In組成は、この15 nmの膜厚内で傾斜化さ
せている。この様にすることで、バッファメタルと半導
体層の比接触抵抗 ρCは5 X 10+9  Ωcm
2程度までさげることができ、より有効に、クーパー対
のしみこみ深さをj型GaAsまで届かすように、膜厚
を設計できる。次に、電極間の電気的分離、素子間分離
を行いダイオードの取りだし電極50 としてAuを3
00 nm形成した。ウェハの裏面にはリング状の通常
のp−GaAs用オーミックコンタクトCr/Au 5
1 を形成し、光取り出し用の窓をエツチングにより作
成した。本実施例では、p型GaAs基板90に選択エ
ツチングで容易に窓明けを行うためと、発光する光が吸
収されない様にp型AlxGa1−xAs 5を用いた
。 本発明の超伝導体化半導体発光ダイオードの液体窒素温
度(77K)で動作させた時の発光スペクトルを第3図
(b)に示す。注入電流Iiが60AICIl+2まで
は活性層半導体のバンドギャップ(Eg)にピークを持
つスペクトルの光が放射される。注入電流が8OA/c
m”以上にすると、2Egにピークを持つ光も放射さ九
、120A/cm”以上の注入電流では、2Egの光が
支配的になる。これは、注入電流が増えることで、il
へのクーパー対の注入密度が大きくなり、クーパー対と
2個のホールが同時に再結合する過程が支配的になるた
めである。駆動電流が12OA/am”の時の発光の外
部量子効率は、5%であった。 本宏流側では、超伝導体として、YBCOをもちい4?
X たが、原理的には、超伝導を示す材料なら何でもよい。 例えば、TI、Ba、Ca、Cu、01. (以下、T
BCCOと略記;Tc=125K)、Bi2Sr、 C
a、 Cu30□。(B5CC0と略記; Tc =1
15 K )、  Nd、s、Ceal、Cu04(N
CCOと略記;Tc=24K)等の高温超伝導体、或い
は、Nb、 Nb3Ge、Nb3Sn、 pb等の通常
の金属超伝導体薄膜でもよい、 GaAs系のpn接合
を例にしめしたが、InP系半導体、n−vr族半導体
等におけるp−n接合をもちいても同様なデバイスが実
現する事は、言うまでもない。たとえば、所望の発光波
長に応じて、CdTe、 Zn5e、 ZnS等のII
−VI族族基導体、GaP、GaN、 GaAsP、 
GaInAsP、InGaAs等のm−v族生導体を用
いても同様なデバイスを実現できる。以下の実施例では
、特定の材料による実施例を記述するが、ここでのコメ
ントは同様に適用できる。 又、高温超伝導体と化合物半導体とのバッファメタルと
して!j/Mo/Auの例をしめしたが、WSi/M。 /AuやAuの代りにAgを用いる事もできる。 実施例 2 超伝導化半導体LEDの他の一実施例を第3図(c)に
示す。実施例1との違いを主に説明する。 この構造の素子では、半導体pin接合の両側にクーパ
ー対供給層を設けた。半MA縁性GaAs基板91上に
MBE (分子線エピタキシー)を用いて、BeをI 
X 10”/cn+3 含有するp+AlxGa1−y
As層5を50 nm、アンドープ1−GaAs層4を
10 r+m、 SLを3 X 10”/cm’ 含有
するn+GaAs層31 を40 nm、Snを9X1
0”/crm”含有するn++GaAs層32を15止
、形成した。 本実施例では、p+AlxGa、−yAs層5のA1組
成はX=0.15にしたが、通常0.1≦X≦0.45
の範囲で選ぶことが多い。その後、実施例1と同様のプ
ロセスを経て、電極パターンを形成後、バッファメタル
層52.53.54と超伝導体層1とコンタクト電極層
50を形成した。裏面@極を形成するため、通常のエツ
チング技術を用いて、ウェハを裏面からストライプ状に
、p+A1xcaニーxAs層5までエツチングし、電
極パターンを形成後、バッファメタル層521.53′
、54′ と超伝導体層1′ とコンタクト電極層50
′ を形成したa WSx 54’ のこの様な濃度の
p+AlxGa1−xAsへの比接触抵抗 pcは3 
X to−’Ωcn12程度であり、液体窒素温度でも
液体ヘリウム温度でも変わらない。さらに、オーミック
接触をよくするには、MOMBE(ガスソースMBE)
などの方法で、ρ÷AlxGa1−xAs層5とバッフ
ァメタル54′ の間に、C(カーボン)ドープのP+
÷GaAs(ドーピングレヴエル;10”/cm3)を
10 nm挿入することで比接触抵抗をI X 10”
00m2まで下げられる(例えば、宇佐用ほか9名PN
p型2DEG−HBTのノンアロイエミッタ電極の検討
;僧堂技法ED88−134 pp87−pp92:1
989年1月19日)。この場合、p+AlxGa、−
yAs層5の膜厚は、10nm薄くする。 本発明の超伝導体化半導体発光ダイオードの液体窒素温
度(77K)で動作させた時の発光スペクトルを第3図
(d)に示す。この構造では、光は端面反射となり、注
入電流Iiが6OA/am2までは活性層半導体のバン
ドギャップ(Eg)にピークを持つスペクトルの光が放
射される。注入電流が80A/cm2以上にすると、2
層gにピークを持つ光も放射される。これは、注入電流
が増えることで、1層へのクーパー対の注入密度が大き
くなり、クーパー対と2個のホールが同時に再結合する
過程が支配的になるためである。120A/Cm”以上
の注入電流では、2層gの光が支配的になり、さらに、
順バイアス電圧がVのとき、 2層g+qV、2層g−
qV、  Eg+qV、Eg−qVのサテライト光の発
光もwt測された。これらのサテライト光は、元来、素
過程により放出される、Egと2層gのエネルギーの光
の強度が、2qV/hの振動数で変調されるために発生
する。 実施例 3 ダブルへテロ接合超伝導化半導体レーザの一実施例を第
3図(e)に示す。半M縁性GaAs基板91上にMB
E(分子線エピタキシー)を用いて、 Beを5X 1
01′/cm3 含有するp+AlxGa、−xAs!
 (x≧0.4)21を300 nm、 Beを5 X
 10”/cm3 含有するp−AlyGa、−yAs
層(y=0.2から0.3) 22を100 nm、ア
ンドープAlyGa、−yAs(z=oから0.1) 
23を3 nm、Siを5X10”/cm3 含有する
n−AlyGal−yAs 24を40 nm、 Si
を5×10”/amff含有するn−AlxGa、−x
As 25を40 nm、更に、SnをI X 102
0/cm3 含有するn++GaAsM26を10nm
、形成した。その後、レーザの共振器として用いる幅1
0μmのストライプを通常のりソグラフイとエツチング
技術を用いて残す。埋込用のノンドープ1−AlxGa
t−xAs(x≧0.5を用いることが多い)27を液
相エピ、N0CVD 、またはMOMBE4mより選択
成長する。実施例1と同様な手法を用いて、電極パター
ンを形成後、バッファメタル54.53.52と超伝導
層1、コンタクト電極50を形成した。 裏面電極を形成するため、ウェハをストライプ状エツチ
ングし、電極パターンを形成後、バッファメタル層54
′、53′、52′ と超伝導体層1′  とコンタク
ト電極層50′  を形成した。 このようにして作成
した超伝導体化半導体ダブルへテロBHレーザの液体窒
素温度(77K)におけるしきい値電流(Ith)はI
OA/cm”であった。この値は、従来のバルクDHレ
ーザで750A/cm”、MQljレーザで250A/
am”に比べると格段に低くなっている。第3図(g)
にこのレーザの注入電流と光出力の関係を示す。注入電
流値がIthからIthの約2倍まででレーザを動作さ
せているときは、活性層のバンドギャップEgに相当す
る862nmのレーザ光が放射される。さらに電流密度
をあげると、2Egに相当する光にたいしても実質的な
光学利得が上がり、431nmのレーザ光が放射される
。この時、Egに相当する光の発振は極めて低く押さえ
られる。 レーザ発振の変調時の緩和振動周波数は、100mWで
動作時において、DHレーザで4GHz、変調ドープ多
重量子井戸(MQld) レーザで20GHzであるの
にだいし、本発明の超伝導化半導体DHレーザでは、8
62nn+の光では100GHz、431nmの光では
50GHz、862nmの光と431nmの光の間の変
調では500GHzに達した。変調時の光スペクトルに
ついても、本発明のレーザの非常に限定された状態密度
分布を反映してまったく単一のモードで発振した。 さらに、2Eg光放射時には、光の強度が印加電圧に比
例した周波数で変調されており、実効的にEg−qV、
Eg+qV、2Eg−qv、2Eg+qVの光が放射さ
れる。これらのサテライト光の強度は基本発光ライン極
めて強いのであまり目立たないが、4桁程度弱い発光が
観測される。超伝導化半導体レーザの動作時にはqvは
、はとんどEgに等しくなるので、0、Eg、 2Eg
、3Egのサテライト光が放射され、実際に観測可能な
のは287nmの3Egに相当する光であった。 以上の実施例では、基板裏面から電極を取るデバイス構
造について説明したが、電極を表側からとることもでき
る。次に、その場合について説明する。 実施例 4 超伝導化半導体LEDのプレーナ構造の一実施例を第3
図(h)に示す。実施例2との違いを主に説明する。こ
の構造の素子では、ρ型半導体層5への超伝導電極をプ
レーナ構造にした点が、実施例2と異なる。半絶縁性G
aAs基板91上にMBE(分子線エピタキシー)を用
いて、BeをI X 10”/cm’含有するp+Al
xGa1−xAsAsO20nm、アンドープ1−Ga
A5J!f 4 を10 nm、 Siを3 X 10
18/cm” 含有するn+GaAs層31 を40 
nu、 Snを  9XIO1g/cI113含有する
n++GaAs層32を15 nm、形成した。 本実施例では、p+AlxGa1−xAsAsO21組
成はX=015にしたが、通常0.1≦X≦0.45の
範囲で選ぶことが多い。その後、実施例1と同様のプロ
セスを経て、電極パターンを形成後、バッファメタル層
52.53.54と超伝導体層1とコンタクト電極層5
0を形成した。この時1通常のエツチング技術を用いて
、半導体N4.31.32を選択的に除去し、バッファ
メタル層52’、 53’、54′ と超伝導体層1″
 とコンタクト電極層50′  を形成した。 この時、両者の電極は薄い絶RM 99 (膜厚し)を
挾んで絶縁されている。この時p型半導体層5に接続さ
れた超伝導体1′の近接効果によりtItAm層99(
層厚9)の膜厚に対応するp型半導体5は超伝導体化さ
れていることが望ましい。そのためには、クーパー対の
しみだし距離 ξLを絶縁層99の膜厚しより大きくす
ればよい。又、n型半導体層32.31にしみだすクー
パー対は、少なくとも利用する順バイアスを駆けたとき
には、p型半導体層5に到達するようにエビ構造を設計
する必要がある。この様なプレーナ構造は、実施例3の
レーザにも同様に適用できる。又、P型半導体層5への
オーミック特性の改善に関する技術も実施例2.3と同
様である。 なお、本発明を受光素子として利用する場合には、例え
ば実施例1.2に述べた第3図(a)、(C)の構造の
受光素子を実現することが出来る。このような本発明に
かかる受光素子によれば、半導体の一部分が超伝導体に
転化しているため、状態密度が極めて急峻であり、吸収
帯域の極めて狭い受光素子となる。即ち第3図(a)、
(c)の場合、接合部分に逆バイアスをかけることによ
り、帯域の狭い受光素子として動作可能である。 [発明の効果] 本発明では、従来の超伝導をそれ自身だけでは、示さな
い半導体(Si、 GaAs、InGaAsP、 In
GaAsなど)に、超伝導電極を形成するだけで、半導
体を超伝導状態に転化できるので、極めて発光・受光特
性の優れた光素子を実現できる。また、超伝導状態に転
化した半導体接合をもちいることで、発光スペクトラム
に超伝導体の位相差Δφを反映した超伝導電流と結合し
た新しい発光物理現象を見出した。又、本発明の光素子
は、容易に、従来の半導体デバイスをモノリシックに集
積できるという長所が存在する。 本発明は、転移温度Tcが液体窒素温度より高い高温超
伝導体を用いることで特に実用性が高くなることは言を
待たない。
Recently, research on the proximity effect between superconductors and semiconductors has progressed, and the mechanism by which Cooper pairs seep into semiconductors is becoming clear (for example, Solid State Physics Vol. 1.23 No. 3 pp1
53-162 1988; superconducting proximity effect; see Tanaka, Tsukada and references therein). However, these research results are related to the proximity effect between a metal superconductor and a semiconductor, and no research has been reported on the proximity effect in a high-temperature superconductor/semiconductor junction where the transition temperature Tc is several tens of degrees. The inventors have developed a high-temperature superconductor (with a transition temperature c of 90 K).
YBCO: Oxide high temperature superconductor YBa2Cu3
The abbreviation 0t is hereinafter written as YBCO. )/Au(5
0nm) /M o (10nm) /W (40nm
) / n-type semiconductor; GaAs (or p-type semiconductor; G
We measured the distance ξS of the Cooper pair at the aAs junction to the semiconductor side and the superconducting gap Δ1 in the semiconductor, and obtained the following results. The experimental results are shown in Table 1. To summarize the results, Table 1 1. The seepage distance ξS is from 300 nm to 500 nm, 2
.. The average size Δav of the superconducting gap Δ□ of the oozing Cooper pair is 20 meV to 30 meV. Here, the reason why a buffer metal (A u / M o / W) is inserted between the high temperature superconductor and GaAs is that the oxide superconductor is placed on top of GaAs in an oxygen atmosphere. Au and GaAs are oxidized, and the insulating film is sandwiched, As is removed, and the oxide superconductor does not exhibit superconductivity, so Au is difficult to oxidize.
An oxide superconductor was formed on top of the oxide superconductor. However, as is well known, Au cannot be stably deposited directly onto GaAs. Also, A, u and Ga
As starts to react at 470°C, Au diffuses into GaAs. Furthermore, in the process of depositing YBCO, 40
To set the substrate temperature from 0'C to 550°C, Ga
Furthermore, in order to prevent As from reacting with the buffer metal,
In order to prevent the diffusion of u, W, a highly heat-resistant metal that does not easily react with Au, was used as the buffer metal. Furthermore, on W, A,
It was difficult to form +i with good adhesiveness, so Mo was inserted in order to improve the adhesiveness. The reason for inserting such a buffer metal is that the high temperature superconductor is
This is because we want to make ohmic contact with the (semiconductor) metal superconductors N b , P b , N b , G
It goes without saying that a buffer metal is not required in cases such as e, Nb3Sn, etc. The inventors further advanced this idea and calculated the leakage distance ξS of the Cooper pair toward the semiconductor side at the high-temperature superconductor/buffer metal/semiconductor junction and the superconducting gap Δ in the semiconductor.
, was measured systematically. FIG. 4 shows experimental results for n-type GaAs and n-type GaAs at a plurality of doping levels. However, the specific contact resistance ρC is the specific contact resistance at the interface between the buffer metal and the semiconductor, and a semiconductor layer with a thickness of 30 nm and a varying concentration is inserted. In the figure, No and NA are the donor and acceptor concentrations of the oozing semiconductor layer, respectively. No= 101g/cm, NA: 10"/cm'
FIG. 5 shows the investigation of temperature changes in the seepage distance ξS and the superconducting gap Δ in the semiconductor for S'n, Be-doped GaAs, respectively. In FIGS. 4 and 5, the solid line indicates n-type GaAs, and the broken line indicates n-type GaAs. The following general conclusions were drawn from the measurement results. 1. The seepage distance ξS can be controlled from Onm to a maximum of 700n+n. 2. The seepage distance ξS depends very sensitively on the doping level. 3. The seepage distance ξS does not depend much on the specific contact resistance ρC at the interface between the buffer metal and the semiconductor. 4. The average size Δav of the superconducting gap Δ1 of the oozing Cooper pair largely depends on the specific contact resistance ρC and the doping level. In particular, there are large restrictions on ρC, which represents the degree of ohmic characteristics. 5. The average size Δav of the oozing distance ξS and the superconducting gap Δ of the oozing Cooper pair is Tc (in this case,
At temperatures below half of 90K), there is no significant change. 6. If the semiconductor is not degenerate, the seepage distance ξS is 2
It becomes less than nm. Next, the physical image of this close system will be explained. FIG. 1(a) shows a Cooper vs. potency diagram at the interface. Let ξS be the distance that Cooper pairs seep into the semiconductor side through the bulk Cooper pair potential depletion layer in the superconductor, and let Δav be the average Cooper pair size.
shall be. In this way, this junction system can be divided into a Cooper pair supply layer and a superconducting semiconductor layer. When the semiconductor is an n-type semiconductor, an energy band diagram near the conduction band of a degenerate semiconductor that has become superconducting and the corresponding state density are shown in FIG. 1(b). Fermi level EF is located at a position qVc from the conduction band edge Ec, and a superconducting gap 2Δ is opened. In the figure, the shaded area from the conduction band edge Ec is a condensed region of Cooper pairs. In the conceptual diagram for the energy E of the corresponding density of states, there is no state between the superconducting gaps 2Δ, and the originally existing states are distributed above and below it. When the semiconductor is p-type, the valence band of the degenerate semiconductor that has become superconducting
ceBand) and the corresponding density of states are shown in FIG. 1(c). Fermi level Ep is located at a position qVv from the valence band edge Ev, and a superconducting gap 2Δ is opened. In the figure, the shaded area from the valence band edge Ev is a condensed region of Cooper pairs. In the conceptual diagram for the energy E of the corresponding density of states, there are no states between the superconducting gaps 2Δ, and the originally existing states are distributed above and below it. The seepage of Cooper pairs into a P-type semiconductor is intuitively understandable, but if we consider that electrons are packed up to the Fermi Level and there is a vacant space for electrons from the valence band edge Ev to the Fermi Level. ,
easy to understand. Moreover, such a picture is similar to that of ordinary metal superconductors (Nb and Pb).
) and a degenerate semiconductor such as n(p) type GaAs or Si, the physical picture is the same, only the value of the superconducting gap is different. From these experimental facts, in a superconductor/semiconductor junction, the semiconductor itself changes into a superconductor with a superconducting gap Δ within the distance ξS where the Cooper pair penetrates toward the semiconductor side, and the superconductor becomes a superconductor. It can be considered as a Cooper pair supply layer to semiconductors. Furthermore, the inventors have obtained the following knowledge regarding the injection of Cooper pairs. A buffer metal layer and a superconductor film similar to those described above were formed on a GaAs nip junction and pin junction shrimp wafer, and an experiment was conducted in which the Cooper couple that seeped into the n or pi was further injected into the i layer. went. An example in which Cooper pairs are implanted from the n-layer will be described below. A band diagram in a state of thermal equilibrium is shown in FIG. 1(d). Ni from buffer metal 2/n-GaAs3 interface
The distance to the depletion layer at the interface is sufficiently shorter than ξS. That is, all of the n-type GaAs 3 is superconducting when no bias is applied. That is. Cooper pairs are ubiquitous in n-type GaAs. A band diagram when a forward bias is applied to this nip junction is shown in FIG. 1(e). The injection distance ξI of the Cooper pair into the i-layer up to the forward bias voltage Va at which the band becomes flat is ξ1=ξ5oexP ('1 (V Va)/k
It was found that it is expressed as T). In this way, with forward bias up to Va, the density of states and carrier distribution in the region where Cooper pairs seep out in the i layer are shown in Figure 1(f).
Shown below. A hole pseudo-Fermi level (Erh) determined by the hole density injected from the pm is formed in the valence band, and an electron pseudo-Fermi level (Ere) determined by the electron density injected from the n-layer is formed in the conduction band. be done. However, near the pseudo-Fermi level of electrons, the i-layer semiconductor becomes a superconductor due to the leakage of Cooper pairs, and the gap 2Δ2 opens.
Levels that should originally be within the gap are distributed above and below the gap. FIG. 5 shows the results of examining the dependence of the implantation distance into the IF on the contact resistance ρC and the doping level No. of the average gap size Δ2av. The following conclusions were drawn from the measurement results. 1. The implantation distance ξI can be controlled from Onm to a maximum of 1100n. 2. The implantation distance ξ■ depends very sensitively on the doping level. 3. The implantation distance ξI does not depend very much on the specific contact resistance ρC at the interface between the buffer metal and the semiconductor. 4. The average size Δ2av of the superconducting gap Δ2 of the implanted Cooper pair strongly depends on the specific contact resistance ρC and the doping level. In particular, ρ, which represents the degree of ohmic characteristics,
C has major limitations. 5. The injection distance ξI and the average size Δ2aV of the superconducting gap Δ2 of the injected Cooper pairs are Tc (in this case,
At temperatures below half of 90K), there is no significant change. Superconductor gap Δ. (T) is approximately Δ when T≦0.8Tc. (0) and Δ. Since (0) is about several times kTc, 2Δ is about the same as kT when T≦0.8Tc. In this state density distribution, the statistical distribution of quasiparticle electrons and quasiparticle holes follows the usual Fermi-Dirac statistics. However, when looking at the entire conduction band, the energy dependence of the density of electrons (including Cooper pairs) changes much more rapidly than in the case without Cooper pair speckles. In the method of changing the density of states by introducing a quantum structure or applying a strong magnetic field as shown in Figures 2(b) and 2(c), the density of states distribution on the band edge side of the semiconductor becomes sharp. It's a contrast. Next, we will discuss the relaxation process of the injected Cooper pair. The Cooper pair was stable at nil. When holes are injected into the conduction band of the i-layer, if the holes are injected into the valence band of the i-layer, the electrons forming Cooper pairs and the holes recombine and relax. . There are three types of recombination process: 1. A Cooper pair recombines with two holes injected into the valence band at the same time. 2. One of the electrons forming the Cooper pair recombines with one hole injected into the valence band. 3. A thermally resolved Cooper pair, that is, a quasiparticle electron, recombines with a hole injected into the valence band. The recombination process includes radiative recombination and non-radiative recombination.
Here we consider only radiative recombination. In the first transition process, one photon may be emitted, or two photons with the same energy may be emitted. When a Cooper pair and two holes recombine by emitting one photon, the energy of the photon is approximately 2 of the band gap Eg.
Double. In other cases, the energy of the photon is comparable to Eg. However, the light emitted in step 2 has an energy lower by 2Δ2 than the light that is numerically compared in step 3, reflecting the bound state of the Cooper pair. In the above example, the Cooper pair supply layer is provided only on one side of the semiconductor nip junction, but in the next example, a case will be described in which the Cooper pair supply layer is provided on both sides of the nip junction. Similarly to the above, if the distance from the superconductor to the i-layer is shorter than ξS, then superconductor / n - Ga
As/i-Ga As/p-Ga
The band diagram of the structure represented by A s /superconductor in a forward bias state is shown in FIG. 1(g). Electrons are injected from nl into the conduction band of the i-layer, and Cooper pairs are also injected accordingly. Similarly, holes are injected from pm into the valence band of the i-layer, and Cooper pairs are also injected along with the holes. The state density and carrier distribution state of the i-layer in the Cooper pair injection state are shown in the 11th m (h). There are gaps Δ2 and Δ at the positions of the electron pseudo-Fermi level and the hole pseudo-Fermi level, respectively.
opens. Next, we will discuss the relaxation process of the injected Cooper pair. As in the previous example, the Cooper pair, which was stable in the n layer, is
When holes are injected into the conduction band of the layer, if holes are injected into the valence band at the same position in the i-layer, the electrons and holes forming a Cooper pair recombine and relax. There are three types of recombination process: 1. A hole injected into the valence band by a Cooper pair in the conduction band 2
recombine at the same time. 2. One of the electrons forming a Cooper pair in the conduction band recombines with one hole injected into the valence band or with a quasiparticle hole in the valence band. 3. Quasiparticle electrons in the conduction band recombine with holes injected into the valence band or quasiparticle holes in the valence band. In the case of this structure as well, when a Cooper pair and two holes emit one photon and recombine, the energy of the photon becomes approximately twice the band gap Eg. However, there are some differences from the structure described above. Reflecting the injection of Cooper pairs into the valence band, the hole state density existing in the valence band is shown in Figure 1 (
h), resulting in a state density distribution unique to superconductors. The forward bias current of this element oscillates for one constant voltage. Along with this, the emission intensity also oscillates with the same period and the same phase. Forward bias voltage■, current J, emission intensity!
Similar to the AC Josephson effect, the relationship can be expressed as J"Jcsin(φC-φh) 2qV=6d(φC-φh)/dtIcI:J. Here, φC and φh are respectively,
This is the phase of Cooper pairs that seep into the conduction band and valence band. The value is the blank constant divided by 2π, and q is the elementary charge of the electron. When this element is driven with a constant voltage, the current oscillates at a frequency of νv=2qV/h. The energy of the light emitted during the elementary process is the band gap Eg of the single-layer semiconductor and 2Eg, which is twice that.If the frequencies are νEg and 2vEg, the emission intensity of the light is modulated at the frequency νV. In addition to the fundamental frequency, the effectively emitted light has the following frequencies: Eg-vl/, VEg+v, 2Eg-v. This is equivalent to containing light with a frequency of 2Eg+YV. The frequencies of these satellite lights can be changed in accordance with the Iasumi pressure. The new luminescence phenomenon discovered by the present invention is essentially different from the AC Josephson effect. While the AC Josephson effect is caused by a tunnel effect between two superconductors via an insulator barrier, the luminescence phenomenon discovered in this invention is caused by the proximity effect of n This is a new physical phenomenon of light emission between Cooper pairs in n-type and p-type semiconductors, in which a p-type semiconductor behaves as if the bandgap were an insulator through the band gap of the semiconductor. In particular, the superconducting phase difference φ of a semiconductor whose emission spectrum is made into a superconductor
It is essentially new in that optical and electrical vibrations combined with superconducting current appear, reflecting C-φh. Furthermore, an example in which a quantum structure is applied to the i-layer will be explained. When a single quantum well is introduced into the i-layer, the carrier distribution state in the injection state is as shown in FIG. 1(i). 1st
The difference from FIG. 1(g) is that the light emitting semiconductor layer 4 is as shown in FIG. 1(i).
The point here is that it is formed of a quantum well consisting of a semiconductor 402 with a small band gap sandwiched between semiconductors 401 and 403 with a large band gap. The density of states changes rapidly on the band edge side due to the quantum structure and on the quasi-Fermi level side due to the superconducting gap. The behavior of the injected Cooper pair in this structure is almost the same as in the previous case. From the perspective of applying this phenomenon to optical devices, the semiconductor itself can be regarded as a superconductor within the seepage distance ξS and the injection distance ξi, and various superconducting devices using semiconductors (i.e., This will pave the way for the realization of superconducting semiconductor optical devices. In particular, the seepage distance ξS can be increased from lnm to 700nm by carefully selecting the carrier concentration of the semiconductor.
Since the injection distance ξl can be controlled by the forward bias voltage, various crystal structures can be designed within the distance ξS of this Cooper pair to the semiconductor side, which cannot be achieved with conventional semiconductor optical devices. It is possible to realize a superconducting semiconductor optical device based on a new principle. Also,
All phenomena and technologies realized in conventional semiconductor optical devices can be applied. That is, by using this light emission phenomenon, light emitting diodes, laser diodes, and even light receiving elements can be realized, and various techniques that have been developed to improve the performance of these elements can all be applied. The device of the present invention described above is a superconducting semiconductor optical device that utilizes the proximity effect of a superconductor to transform a semiconductor that does not originally exhibit superconductivity into a superconducting semiconductor optical device that utilizes the fact that the semiconductor behaves like a superconductor. It is. Moreover, the present invention is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-3025.
8 and JP-A-63-262882, the technology is fundamentally different from the technology disclosed in JP-A No. 63-262882, in which a semiconductor that does not exhibit superconductivity (at high temperatures) is partially converted to superconductivity using the above-mentioned proximity effect, thereby creating an optical device. (Unexamined Japanese Patent Publication No. 63-30)
258 and the invention of JP-A-63-262882 use the superconductor Josephson junction itself). In particular, the crystallinity of semiconductor crystals such as GaAs is different from that of other materials (
Compared to the above-mentioned degenerate semiconductor materials that exhibit superconductivity and the insulating materials that have been used for JJ devices up until now, it is significantly superior in terms of material quality (perfect crystallinity, no defects, no grain boundaries, etc.). ing. Furthermore, it is possible to make the semiconductor superconducting by interposing high-quality buffer metals (such as Au / Mo / W Si; which usually do not exhibit superconductivity, or even if they do, the temperature is extremely low) that has been used in GaAs LSI. Therefore, unlike conventional Josephson junction lasers, there is no reduction in luminous efficiency due to grain boundaries of the insulating layer material. Furthermore, it has the great advantage of being able to utilize many parts of the GaAs LSI process technology and device circuit technology that have been developed up to now for device fabrication. Another advantage is that it can be easily combined or integrated with existing GaAs (hetero) devices. Furthermore, the present invention does not need to be limited to GaAs-based semiconductors; direct transition type semiconductor InG can be used as a light emitting element.
aAs, InGaAsP, GaSb, InP', Zn5
It goes without saying that ordinary light emitting device semiconductor materials such as E, ZnS, and CdTe may be used. As the light receiving element, the present invention can be realized not only by direct transition type semiconductors but also by non-direct transition type semiconductors such as Si and Ge. (Effect 1) As described above, in the superconducting semiconductor optical device of the present invention, a light-emitting device is formed using a semiconductor (GaAs, etc.) with extremely good crystallinity, extremely high film thickness, and extremely high impurity concentration. Therefore, not only can all conventional high-performance technologies be applied, but also the effects of superconducting can be realized.Such effects are based on the following effects of the present invention: 1. Semiconductor conduction There is a process in which a Cooper pair injected into the band and two holes injected into the valence band simultaneously recombine, and the entire energy is released in one photon.At this time, the band gap is Light with an energy of 2Eg is emitted from a superconducting semiconductor of Eg. 2. In the operating state of a semiconductor (laser) diode, when Cooper pairs are injected on both sides of the conduction band and valence band, In the operating state, the injected current and emission intensity oscillate. This oscillation behaves similar to the AC Josephson effect. 3. When a Cooper pair is injected into the band of a semiconductor, a superconducting gap is created at the Fermi level. 4. Reflecting the steepness of the density of states, relaxation can be applied. The vibration frequency becomes very large. 5. Parts made of semiconductors can inherit all conventional semiconductor technology in principle. Therefore, any desired structure can be created by any desired method. Various. MBE of heterojunctions, quantum well structures, and modulation doped structures
Using crystal growth techniques that can control monoatomic layers, such as molecular beam epitaxy (Molecular Beam Epitaxy) and MOCVD (Metalorganic Pyrolysis), it is possible to form extremely uniform and accurate film thicknesses with good reproducibility. Furthermore, device technologies used in conventional semiconductor lasers, such as waveguide and resonator configurations, are also applicable. For example, a resonator configuration such as a distributed feedback (DFB) laser or a buried (BH) laser can be applied. 6. The superconducting semiconductor optical device of the present invention is an existing semiconductor device (GaAs MESFET, 2DEGFET (two-dimensional electron gas FET: HEMT)
, heterojunction FET, heterobipolar transistor, 2DEGHBT, etc.) or optical devices (semiconductor laser, LED, various light emitting and light receiving elements) and can be easily formed monolithically on the same substrate. Furthermore, 2DEGHBT (for example, T, Usagawa and 6 others: [EDM 87Tech
nical Digest pp78-81 or Japanese Patent Application No. 60-164128, Japanese Patent Application No. 60-164126,
Patent Application No. 61-40244, etc.) and resonant tunnel FETs (e.g., A. R. Bonnefoi and 2 others; IEEE
Trans, Electron Devices,
It is also possible to incorporate the superconducting semiconductor Josephson junction element of the present invention and an existing semiconductor device into the same element as in EDL-6 (1985) 636). Such integration with a semiconductor device is a 2DEGHBT, which improves device performance at low temperatures (e.g. liquid nitrogen temperature; low temperature where thermal fluctuations of the superconductor do not essentially contribute). Especially when combined with 2DEGFET, low-temperature bipolar, low-temperature Bi CMO3, etc., it contributes to improving the performance of such ICs and LSIs. [Example] Hereinafter, the present invention will be explained in more detail through Examples. Example 1 An example of a superconducting semiconductor light emitting diode is shown in FIG.
). p- containing 3 x 10"/cm3 of Zn
Using MBE (molecular beam epitaxy) on the aAs substrate 90, p+A containing Be I x 10"/cm3 was formed.
lxGa, -xAsJl 5 (x == 0, 15
: Usually selected in the range of 0.1≦X≦0.45) is 500 nm, and the undoped 1-GaAs layer 4 is 10
nm, n containing 3 x 10"/cm3 of Si
+GaAs layer 31 4OnLIl, Sn 9X
10"/cm" containing n+÷GaAs layer 32 is 1
After forming the SNM, an insulating film 40 such as SiO□ is formed, and an electrode pattern is formed using ordinary lithography and etching techniques. Typically, the n+GaAs layer 31 and the n++GaAs layer 32, depending strongly on the doping level,
The film thickness is selected to be in the range of 21Snm to 70nm. In addition, the film thickness of layer 4, which is the light emitting layer, is from Snm to 50nm.
Often selected within the range. Next, as a buffer metal, 30 nm of W54, 10 nm of Mo53,
80 nm of Au 52 was deposited using a sputtering method. Furthermore, YBCO film 1 was deposited at 40% by reactive vapor deposition.
A thickness of 0 nm was formed. In this case as well, the total thickness of the buffer metal is often selected in the range of 30 nm to 150 nm. In general, n-type GaAs is difficult to achieve non-alloy ohmic properties. Therefore, in order to further improve the ohmic contact, instead of the Sn-doped layer 32, for example, (T, N1t
tono and 3 othersJapanese Journal
of Applied Physics Vol. 27, N009, September, 1988.
As shown in pp. 1718-1722), n÷InyGa−yAs layers may be sandwiched in which the In composition y is graded. However, unlike the case of T and N1ttono, I
The thickness of the nGaAs film is usually selected to be about 15 nm. That is, the In composition is graded within this 15 nm film thickness. By doing this, the specific contact resistance ρC between the buffer metal and the semiconductor layer is 5 x 10+9 Ωcm
The film thickness can be designed more effectively so that the penetration depth of the Cooper pair reaches up to J-type GaAs. Next, electrical isolation between the electrodes and isolation between the elements is performed, and 30% of Au is used as the lead-out electrode 50 of the diode.
00 nm was formed. On the back side of the wafer, there is a ring-shaped ordinary Cr/Au ohmic contact for p-GaAs.
1 was formed, and a window for light extraction was created by etching. In this embodiment, p-type AlxGa1-xAs5 was used in order to easily open a window in the p-type GaAs substrate 90 by selective etching and to prevent the emitted light from being absorbed. The emission spectrum of the superconducting semiconductor light emitting diode of the present invention when operated at liquid nitrogen temperature (77K) is shown in FIG. 3(b). When the injection current Ii reaches 60 AICI1+2, light having a spectrum having a peak at the band gap (Eg) of the active layer semiconductor is emitted. Injection current is 8OA/c
m" or more, light having a peak at 2Eg is also emitted. When the injection current is 120 A/cm" or more, the light of 2Eg becomes dominant. This is because the injection current increases,
This is because the injection density of Cooper pairs increases, and the process of simultaneous recombination of Cooper pairs and two holes becomes dominant. The external quantum efficiency of light emission when the driving current was 12 OA/am was 5%. On the Motohiro side, YBCO was used as a superconductor.
However, in principle, any material that exhibits superconductivity may be used. For example, TI, Ba, Ca, Cu, 01. (Hereinafter, T
Abbreviated as BCCO; Tc=125K), Bi2Sr, C
a, Cu30□. (abbreviated as B5CC0; Tc = 1
15K), Nd,s,Ceal,Cu04(N
A high-temperature superconductor such as CCO (abbreviated as Tc = 24K), or a thin film of a normal metal superconductor such as Nb, Nb3Ge, Nb3Sn, or pb may be used.Although a GaAs-based pn junction is shown as an example, an InP-based It goes without saying that a similar device can be realized by using a pn junction in a semiconductor, an n-vr group semiconductor, or the like. For example, depending on the desired emission wavelength, CdTe, Zn5e, ZnS, etc.
- VI group group group conductor, GaP, GaN, GaAsP,
Similar devices can be realized using m-v group raw conductors such as GaInAsP and InGaAs. The following examples describe examples with specific materials, but the comments herein are equally applicable. Also, as a buffer metal between high temperature superconductors and compound semiconductors! Although the example of j/Mo/Au was shown, WSi/M. /Au or Ag can also be used instead of Au. Example 2 Another example of a superconducting semiconductor LED is shown in FIG. 3(c). Differences from Example 1 will be mainly explained. In a device with this structure, Cooper pair supply layers were provided on both sides of the semiconductor pin junction. By using MBE (molecular beam epitaxy) on a semi-MA edge GaAs substrate 91, Be is
X 10”/cn+3 containing p+AlxGa1-y
As layer 5 of 50 nm, undoped 1-GaAs layer 4 of 10 r+m, n+GaAs layer 31 containing SL of 3 x 10"/cm' of 40 nm, Sn of 9 x 1
An n++ GaAs layer 32 containing 0''/crm was formed in 15 layers. In this example, the A1 composition of the p+AlxGa, -yAs layer 5 was set to X=0.15, but normally 0.1≦X≦0.45.
Often selected within the range. Thereafter, an electrode pattern was formed through the same process as in Example 1, and then buffer metal layers 52, 53, 54, superconductor layer 1, and contact electrode layer 50 were formed. In order to form the back side @ electrode, the wafer is etched from the back side in a stripe pattern down to the p+A1xca knee xAs layer 5 using a normal etching technique, and after forming the electrode pattern, the buffer metal layer 521.53' is etched.
, 54', superconductor layer 1' and contact electrode layer 50
The specific contact resistance pc of a WSx 54' formed with p+AlxGa1-xAs at such a concentration is 3
X to -'Ωcn is about 12, and does not change at liquid nitrogen temperature or liquid helium temperature. Furthermore, to improve ohmic contact, use MOMBE (gas source MBE).
A C (carbon)-doped P+
By inserting 10 nm of ÷GaAs (doping level: 10"/cm3), the specific contact resistance can be reduced to I x 10"
00m2 (for example, Usa use and 9 other PN)
Study on non-alloy emitter electrode of p-type 2DEG-HBT; Sodo Technique ED88-134 pp87-pp92:1
January 19, 989). In this case, p+AlxGa, -
The thickness of the yAs layer 5 is reduced by 10 nm. The emission spectrum of the superconducting semiconductor light emitting diode of the present invention when operated at liquid nitrogen temperature (77 K) is shown in FIG. 3(d). In this structure, light is reflected from the end face, and light with a spectrum having a peak at the band gap (Eg) of the active layer semiconductor is emitted until the injection current Ii reaches 6 OA/am2. When the injection current is 80A/cm2 or more, 2
Light having a peak in layer g is also emitted. This is because as the injection current increases, the injection density of Cooper pairs into one layer increases, and the process of simultaneous recombination of Cooper pairs and two holes becomes dominant. At an injection current of 120 A/Cm" or more, the light from the second layer g becomes dominant, and furthermore,
When the forward bias voltage is V, 2nd layer g+qV, 2nd layer g-
The emission of satellite light of qV, Eg+qV, and Eg-qV was also measured in wt. These satellite lights are originally generated because the intensity of the energy light of Eg and the second layer g, which is emitted by elementary processes, is modulated at a frequency of 2qV/h. Example 3 An example of a double heterojunction superconducting semiconductor laser is shown in FIG. 3(e). MB on a semi-M edge GaAs substrate 91
Using E (molecular beam epitaxy), Be is 5X 1
01'/cm3 Contains p+AlxGa, -xAs!
(x≧0.4) 21 at 300 nm, Be at 5X
p-AlyGa, -yAs containing 10”/cm3
Layer (y = 0.2 to 0.3) 22 to 100 nm, undoped AlyGa, -yAs (z = o to 0.1)
n-AlyGal-yAs containing 3 nm of 23 and 5X10”/cm3 of Si 40 nm of 24, Si
n-AlxGa, -x containing 5 x 10"/amff
As 25 at 40 nm, and Sn at I x 102
0/cm3 containing n++GaAsM26 of 10nm
, formed. After that, a width of 1 mm is used as a laser resonator.
A 0 μm stripe is left using conventional gluing and etching techniques. Non-doped 1-AlxGa for embedding
t-xAs (x≧0.5 is often used) 27 is selectively grown by liquid phase epitaxy, NOCVD, or MOMBE4m. After forming an electrode pattern using the same method as in Example 1, buffer metals 54, 53, 52, superconducting layer 1, and contact electrode 50 were formed. In order to form backside electrodes, the wafer is etched in stripes to form an electrode pattern, and then a buffer metal layer 54 is etched.
', 53', 52', superconductor layer 1', and contact electrode layer 50' were formed. The threshold current (Ith) of the superconducting semiconductor double hetero BH laser created in this way at liquid nitrogen temperature (77K) is I
OA/cm". This value was 750 A/cm" for the conventional bulk DH laser and 250 A/cm" for the MQlj laser.
am" is much lower than that. Figure 3 (g)
shows the relationship between the injection current and optical output of this laser. When the laser is operated at an injection current value of Ith to about twice Ith, a laser beam of 862 nm corresponding to the bandgap Eg of the active layer is emitted. When the current density is further increased, the substantial optical gain increases even for light corresponding to 2Eg, and a laser beam of 431 nm is emitted. At this time, the oscillation of light corresponding to Eg is suppressed to an extremely low level. The relaxation oscillation frequency during modulation of laser oscillation is 4 GHz for a DH laser and 20 GHz for a modulation doped multiple quantum well (MQld) laser when operating at 100 mW, but in the superconducting semiconductor DH laser of the present invention, 8
62nn+ light reached 100 GHz, 431 nm light reached 50 GHz, and modulation between 862 nm light and 431 nm light reached 500 GHz. The optical spectrum during modulation also oscillated in a completely single mode, reflecting the extremely limited state density distribution of the laser of the present invention. Furthermore, when emitting 2Eg light, the intensity of the light is modulated at a frequency proportional to the applied voltage, effectively Eg-qV,
Light of Eg+qV, 2Eg-qv, and 2Eg+qV is emitted. The intensity of these satellite lights is extremely strong at the basic emission line, so it is not very noticeable, but emission that is about four orders of magnitude weaker is observed. During operation of a superconducting semiconductor laser, qv is almost equal to Eg, so 0, Eg, 2Eg
, 3Eg satellite light was emitted, and what was actually observable was light corresponding to 3Eg at 287 nm. In the above embodiments, the device structure in which the electrodes are taken from the back side of the substrate has been described, but the electrodes can also be taken from the front side. Next, this case will be explained. Example 4 A third example of a planar structure of a superconducting semiconductor LED
Shown in Figure (h). Differences from Example 2 will be mainly explained. The element with this structure differs from Example 2 in that the superconducting electrode connected to the ρ-type semiconductor layer 5 has a planar structure. semi-insulating G
Using MBE (molecular beam epitaxy) on an aAs substrate 91, p+Al containing Be I x 10"/cm'
xGa1-xAsAsO20nm, undoped 1-Ga
A5J! f 4 is 10 nm, Si is 3×10
18/cm” n+GaAs layer 31 containing 40
A 15 nm thick n++ GaAs layer 32 containing 9XIO1 g/cI113 of Nu and Sn was formed. In this example, the p+AlxGa1-xAsAsO21 composition was set to X=015, but it is usually selected in the range of 0.1≦X≦0.45. Thereafter, through the same process as in Example 1, after forming an electrode pattern, the buffer metal layer 52, 53, 54, superconductor layer 1 and contact electrode layer 5 are formed.
0 was formed. At this time 1, the semiconductors N4, 31 and 32 are selectively removed using a normal etching technique, and the buffer metal layers 52', 53', 54' and the superconductor layer 1'' are removed.
A contact electrode layer 50' was then formed. At this time, both electrodes are insulated with a thin RM99 (thick film) in between. At this time, due to the proximity effect of the superconductor 1' connected to the p-type semiconductor layer 5, the tItAm layer 99 (
It is desirable that the p-type semiconductor 5 corresponding to the layer thickness 9) be made into a superconductor. To this end, the Cooper pair seepage distance ξL may be made larger than the thickness of the insulating layer 99. Further, it is necessary to design the shrimp structure so that the Cooper pair seeping into the n-type semiconductor layers 32 and 31 reaches the p-type semiconductor layer 5 at least when the forward bias to be used is applied. Such a planar structure can be similarly applied to the laser of the third embodiment. Further, the technique for improving the ohmic characteristics of the P-type semiconductor layer 5 is the same as in Example 2.3. In addition, when the present invention is utilized as a light receiving element, it is possible to realize a light receiving element having the structure shown in FIGS. 3(a) and 3(C) described in Example 1.2, for example. According to such a light receiving element according to the present invention, since a portion of the semiconductor is converted into a superconductor, the density of states is extremely steep and the absorption band is extremely narrow. That is, FIG. 3(a),
In the case of (c), by applying a reverse bias to the junction portion, it is possible to operate as a light receiving element with a narrow band. [Effects of the Invention] The present invention uses semiconductors that do not exhibit conventional superconductivity by themselves (Si, GaAs, InGaAsP, In
By simply forming a superconducting electrode on a semiconductor (such as GaAs), the semiconductor can be converted to a superconducting state, making it possible to realize an optical element with extremely excellent light-emitting and light-receiving characteristics. Furthermore, by using a semiconductor junction that has been converted to a superconducting state, we discovered a new physical phenomenon of light emission that is coupled to a superconducting current that reflects the phase difference Δφ of the superconductor in the light emission spectrum. Further, the optical device of the present invention has the advantage that conventional semiconductor devices can be easily integrated monolithically. It goes without saying that the present invention becomes particularly practical by using a high-temperature superconductor whose transition temperature Tc is higher than the liquid nitrogen temperature.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f
)、(g)、(h)、(i)及び(j)は本発明の原理
、及び原理を説明するためのエネルギーバンド図と状態
密度等を説明するための図、第2図(a)、(b)、C
,Q )及び(d)は従来の光素子の状態密度とエネル
ギーバンドを説明するための図、第3図(a)、(b)
 、(c)、(d)。 (e)、(f)、(g)及び(h)は本発明にかかる素
子を説明するための図、第4図及び第5図は高温超伝導
体/半導体近接効果の実験データをまとめたものである
。 符号の説明 l、1′・・・・・・酸化物高温超伝導体又は、超伝導
体、2.2′・・・・・・バッファメタル、4・・・・
・・ドーピングレヴエルの低い発光受光層、5・・・・
・n型縮退半導体(GaAs等)、3・・・・・n型縮
退半導体(GaAs等)、101.103・・・・・・
クーパー対のしみだしている領域での電子の状態密度で
、101は励起状態103は基底状態に対応、 102・・・・・・正孔の状態密度、 104・・・・・・縮退領域の正孔、 1021.104′・・・・・・クーパー対のしみだし
ている領域での正孔の状態密度で、104′は励起状態
102′は基底状態に対応、 401.403.111.112・・・・・・量子井戸
を形成するバンドギャップの大きい半導体層、 402.113.114・・・・・・量子井戸を形成す
るバンドギャップの小さい半導体層、 115・・・・・・量子井戸中の障壁層、54.52・
・・・・・バッファメタル、50.51・・・・・・A
u、 Ag等の一電極メタル、5.21□・・−p+A
lxGa1−xAs。 4・・・・・・アンドープ1−GaAs、90・・・・
・・p型GaAs基板、 22− ・=p+A1yGal−yAs、31−−n+
GaAs、 32.26−− n++GaAs又はn+InGaAs
、91・・・・・・半絶縁性GaAs基板、23・・・
・・・アンドープAlzGa1−zAs層、24.25
−−n−AlxGa1−xAs、27・・・・・・アン
ドープAIGaAsM。 茶1 図 (あ) 第1図(b) 寥 図((5) 1孔得゛イL−& 第 図(d、) 、f 番 図 Ce) 第1回 <D ィ人左! ’J N 箒1図<−/、) (大′友!牙尺 第1図(j) 答2田(0−) 寥20(b) 第2UA (d) 亭3図(b) Lty、  エ キルキー (ε〆) 卒3図(σ) 番3図 (品) 土のエキル!−(ev) 第3図(C) 第3回(「) 電流+!!ル <A/l:、犀) (A′2%) /L11I7 LiYfrA(=”E のB−、+/ −1’l ’:
AR1(叫W) S′り 立管つ丁イつ打−0(/−1 (A2w) /L17 1 >Qp妬ムイ七 のpj−
、+I−乙1丁り9(%4ν) s’(
Figure 1 (a), (b), (c), (d), (e), (f
), (g), (h), (i) and (j) are the principle of the present invention, and a diagram to explain the energy band diagram and density of states etc. for explaining the principle, Fig. 2 (a) ,(b),C
, Q) and (d) are diagrams for explaining the density of states and energy bands of conventional optical devices, and Figures 3 (a) and (b)
, (c), (d). (e), (f), (g) and (h) are diagrams for explaining the device according to the present invention, and Figures 4 and 5 summarize experimental data on high temperature superconductor/semiconductor proximity effect. It is something. Explanation of symbols l, 1'... Oxide high temperature superconductor or superconductor, 2.2'... Buffer metal, 4...
...Low doping level light-emitting and receiving layer, 5...
・N-type degenerate semiconductor (GaAs, etc.), 3...N-type degenerate semiconductor (GaAs, etc.), 101.103...
The density of states of electrons in the region where Cooper pairs seep out, 101 is the excited state 103 corresponding to the ground state, 102...Density of states of holes, 104...The density of states in the degenerate region Hole, 1021.104'...The density of states of the hole in the region where the Cooper pair seeps out, 104' is the excited state 102' corresponds to the ground state, 401.403.111.112 ... Semiconductor layer with a large band gap forming a quantum well, 402.113.114 ... Semiconductor layer with a small band gap forming a quantum well, 115 ... Quantum well Barrier layer inside, 54.52・
...Buffer metal, 50.51...A
u, one electrode metal such as Ag, 5.21□...-p+A
lxGa1-xAs. 4...Undoped 1-GaAs, 90...
・・p-type GaAs substrate, 22− ・=p+A1yGal-yAs, 31−−n+
GaAs, 32.26-- n++GaAs or n+InGaAs
, 91... semi-insulating GaAs substrate, 23...
...Undoped AlzGa1-zAs layer, 24.25
--n-AlxGa1-xAs, 27...Undoped AIGaAsM. Tea 1 Figure (a) Figure 1 (b) Figure ((5) 1 hole obtained L-& Figure (d,), f Figure Ce) 1st < D d person left! 'J N Broom 1 diagram <-/,) (O'tomo! Fangshaku 1 diagram (j) Answer 2 den (0-) Ba 20 (b) 2nd UA (d) Tei 3 diagram (b) Lty, E Kirkey (ε〆) Graduation 3 figure (σ) No. 3 figure (item) Ekiru of the earth! - (ev) Figure 3 (C) 3rd (") Current +!! le <A/l:, rhinoceros) (A'2%) /L11I7 LiYfrA (=B- of "E, +/ -1'l':
AR1 (Scream W) S' Ritachipipe Tsucho Hit -0 (/-1 (A2w) /L17 1 > Qp Envy Seven pj-
, +I-Otsu 1cho 9 (%4ν) s'(

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、超伝導体領域と半導体領域とを含む複数領域の接合
系を有し、この接合系は上記超伝導体領域中のクーパー
対を半導体領域に近接効果を用いてしみこむ構造と、そ
のクーパー対を上記半導体領域中に注入する構造とを含
んでおり、上記半導体領域中のしみこみ長ξ_Sおよび
注入長ξ_I内では、上記半導体領域の導体部分が超伝
導体に転化しており、上記半導体領域中への上記しみこ
み長ξ_S及び上記注入長ξ_I内に接合構造が配され
、かつ一個以上の取りだし電極を有することを特徴とす
る超伝導化半導体光素子。 2、特許請求の範囲第1項に記載の超伝導化半導体光素
子と通常の半導体素子とをモノリシックに形成したこと
を特徴とする超伝導化半導体光素子。 3、特許請求の範囲第1項若しくは第2項に記載の超伝
導化半導体光素子において、前記半導体領域が縮退した
半導体であることを特徴とする超伝導化半導体光素子。 4、特許請求の範囲第1項、第2項若しくは第3項に記
載の超伝導化半導体光素子において、前記超伝導体領域
と前記半導体領域とはバッファーメタルを介して接合さ
れていることを特徴とする超伝導化半導体光素子。 5、特許請求の範囲第1項に記載の超伝導化半導体光素
子において、前記バッファーメタルと前記半導体領域と
の接合がオーミック接合であることを特徴とする超伝導
化半導体光素子。 6、特許請求の範囲第1項、第2項若しくは第3項に記
載の超伝導化半導体光素子において、前記超伝導体領域
が酸化物高温超伝導体であることを特徴とする超伝導化
半導体光素子。 7、特許請求の範囲第4項に記載の超伝導化半導体光素
子において、前記超伝導体領域が酸化物高温超伝導体で
あり、前記バッファーメタルが前記半導体領域の保護膜
(超伝導体領域/バッファーメタルと半導体領域の総互
拡散のバリヤの役割をする)となる第1の金属と、上記
酸化物高温超伝導体が酸化されないか、若しくは、酸化
された物質が導伝体になる第2の金属上に形成された上
記第1及び第2の金属とを接着させるための第3の金属
とを有することを特徴とする超伝導化半導体光素子。 8、特許請求の範囲第1項に記載の超伝導化半導体光素
子において、前記超伝導体領域が金属超伝導体よりなり
、この超伝導体領域が前記半導体領域に直接形成され、
かつその接合がオーミック接合であることを特徴とする
超伝導化半導体光素子 9、特許請求の範囲第5項若しくは第8項に記載の超伝
導化半導体光素子において、前記オーミック接合の比接
触抵抗が5×10^−^6Ωcm^2以下に形成されて
いることを特徴とする超伝導化半導体光素子。 10、特許請求の範囲第1項から第9項のいずれかに記
載の超伝導化半導体光素子において、前記半導体領域が
縮退したp型半導体、縮退したn型半導体若しくは縮退
したp型半導体と縮退したn型半導体のいわゆるpn接
合により構成されており、前記超伝導体領域に少なくと
も一つの取りだし電極が形成され、前記半導体領域の前
記超伝導体領域から離れている側に、オーミック接続す
る他の電極が形成されていることを特徴とする超伝導化
半導体光素子。 11、特許請求の範囲第1項から第10項のいずれかに
記載の超伝導化半導体光素子において、前記半導体領域
は縮退した第1の半導体部分と、縮退した第2の半導体
部分と、これらの半導体部分の間にこれらの半導体より
電子親和力が大きいか、若しくは電子親和力とバンドギ
ャップの和が小さい、他の縮退してない第3の半導体部
分とを有することを特徴とする超伝導化半導体光素子。 12、特許請求の範囲第11項に記載の超伝導化半導体
光素子において、前記第3の半導体部分は実質的に不純
物を含まないことを特徴とする超伝導化半導体光素子。 13、特許請求の範囲第1項に記載の超伝導化半導体光
素子において、前記半導体層領域は一個以上の量子井戸
を有することを特徴とする超伝導化半導体光素子 14、特許請求の範囲第13項に記載の超伝導化半導体
光素子において、前記量子井戸は実質的に不純物を含ま
ないことを特徴とする超伝導化半導体光素子。 15、特許請求の範囲第13項に記載の超伝導化半導体
光素子において、前記量子井戸は選択的に不純物がドー
プされていることを特徴とする超伝導化半導体光素子 16、特許請求の範囲第1項から第10項のいずれかに
記載の超伝導化半導体光素子において、前記半導体領域
は縮退した第4の半導体部分と、縮退した第5の半導体
部分と、これらの半導体部分の間にこれらの半導体より
屈折率の大きい第6の半導体部分とを有することを特徴
とする超伝導化半導体光素子。 17、特許請求の範囲第16項に記載の超伝導化半導体
光素子において、前記第6の半導体部分は実質的に不純
物を含まないことを特徴とする超伝導化半導体光素子。 18、特許請求の範囲第1項から第17項のいずれかに
記載の超伝導化半導体光素子において、前記半導体領域
がGaAs、AlGaAs、AlAs、InGaAs、
InP及びInGaAsPよりなる化合物半導体群から
選択される少なくとも一つより形成されていることを特
徴とする超伝導化半導体光素子。 19、超伝導化された半導体領域と、この半導体領域の
クーパー対と電気的に接続された手段とを有し、上記半
導体領域においてクーパー対を構成する電子と上記半導
体領域の正孔との再結合若しくはこれらの粒子の生成を
生ぜしめることにより、発光若しくは受光を行なう超伝
導化半導体光素子。 20、請求項19に記載の超伝導化半導体光素子におい
て、前記半導体領域はp型領域とn型領域とを有する超
伝導化半導体光素子。 21、請求項19に記載の超伝導化半導体光素子におい
て、前記半導体領域はエネルギーギャップの大きい複数
の半導体領域とこれらの半導体領域の間に配設されたエ
ネルギーギャップの小さい半導体領域とを有する超伝導
化半導体光素子。 22、請求項19に記載の超伝導化半導体光素子が、前
記正孔と電気的に接続された手段を有する超伝導化半導
体光素子。 23、請求項19に記載の超伝導化半導体光素子におい
て、前記半導体領域は金属領域を介して超伝導体と接合
されている超伝導化半導体光素子。 24、請求項19に記載の超伝導化半導体光素子におい
て、前記半導体領域は複数の超伝導領域の間に配設され
ている超伝導化半導体光素子。 25、請求項23に記載の超伝導化半導体光素子におい
て、前記超伝導体は酸化物超伝導体である超伝導化半導
体光素子。 26、超伝導化した半導体内部に形成される超伝導ギャ
ップによる分布キャリアを用いて上記半導体内部で発光
若しくは受光を行なう超伝導化半導体光素子。
[Claims] 1. It has a junction system of multiple regions including a superconductor region and a semiconductor region, and this junction system infiltrates Cooper pairs in the superconductor region into the semiconductor region using a proximity effect. and a structure for implanting the Cooper pair into the semiconductor region, and within a penetration length ξ_S and an implantation length ξ_I in the semiconductor region, a conductor portion of the semiconductor region is converted to a superconductor. A superconducting semiconductor optical device characterized in that a junction structure is disposed within the penetration length ξ_S and the injection length ξ_I into the semiconductor region, and has one or more lead-out electrodes. 2. A superconducting semiconductor optical device characterized in that the superconducting semiconductor optical device according to claim 1 and a normal semiconductor device are monolithically formed. 3. A superconducting semiconductor optical device according to claim 1 or 2, wherein the semiconductor region is a degenerate semiconductor. 4. In the superconducting semiconductor optical device according to claim 1, 2, or 3, the superconductor region and the semiconductor region are bonded via a buffer metal. Features of superconducting semiconductor optical devices. 5. The superconducting semiconductor optical device according to claim 1, wherein the junction between the buffer metal and the semiconductor region is an ohmic junction. 6. A superconducting semiconductor optical device according to claim 1, 2, or 3, wherein the superconductor region is an oxide high-temperature superconductor. Semiconductor optical device. 7. In the superconducting semiconductor optical device according to claim 4, the superconductor region is an oxide high temperature superconductor, and the buffer metal is a protective film of the semiconductor region (superconductor region / a first metal that acts as a barrier for total interdiffusion between the buffer metal and the semiconductor region) and a first metal that becomes a conductor if the oxide high temperature superconductor is not oxidized or the oxidized material becomes a conductor. and a third metal for adhering the first and second metals formed on the second metal. 8. In the superconducting semiconductor optical device according to claim 1, the superconductor region is made of a metal superconductor, and the superconductor region is formed directly on the semiconductor region,
A superconducting semiconductor optical device 9 characterized in that the junction is an ohmic junction, and the superconducting semiconductor optical device according to claim 5 or 8, wherein the specific contact resistance of the ohmic junction is A superconducting semiconductor optical device characterized in that the superconducting semiconductor optical device is formed to have a resistance of 5×10^-^6 Ωcm^2 or less. 10. The superconducting semiconductor optical device according to any one of claims 1 to 9, in which the semiconductor region is a degenerate p-type semiconductor, a degenerate n-type semiconductor, or a degenerate p-type semiconductor. At least one lead-out electrode is formed in the superconductor region, and another ohmically connected electrode is formed on the side of the semiconductor region remote from the superconductor region. A superconducting semiconductor optical device characterized in that an electrode is formed. 11. In the superconducting semiconductor optical device according to any one of claims 1 to 10, the semiconductor region includes a degenerate first semiconductor portion, a degenerate second semiconductor portion, and A superconducting semiconductor characterized by having a non-degenerate third semiconductor portion having a larger electron affinity than these semiconductors or a smaller sum of electron affinity and band gap than these semiconductor portions. optical element. 12. The superconducting semiconductor optical device according to claim 11, wherein the third semiconductor portion does not substantially contain impurities. 13. A superconducting semiconductor optical device according to claim 1, wherein the semiconductor layer region has one or more quantum wells. 14. The superconducting semiconductor optical device according to item 13, wherein the quantum well does not substantially contain impurities. 15. A superconducting semiconductor optical device according to claim 13, wherein the quantum well is selectively doped with an impurity. In the superconducting semiconductor optical device according to any one of Items 1 to 10, the semiconductor region includes a degenerate fourth semiconductor portion, a degenerate fifth semiconductor portion, and a portion between these semiconductor portions. A superconducting semiconductor optical device comprising a sixth semiconductor portion having a refractive index higher than those of these semiconductors. 17. The superconducting semiconductor optical device according to claim 16, wherein the sixth semiconductor portion does not substantially contain impurities. 18. The superconducting semiconductor optical device according to any one of claims 1 to 17, wherein the semiconductor region is made of GaAs, AlGaAs, AlAs, InGaAs,
A superconducting semiconductor optical device characterized in that it is formed of at least one selected from the group of compound semiconductors consisting of InP and InGaAsP. 19. A superconducting semiconductor region and a means electrically connected to a Cooper pair in the semiconductor region, which allows electrons constituting the Cooper pair in the semiconductor region to regenerate with holes in the semiconductor region. A superconducting semiconductor optical device that emits or receives light by bonding or generating these particles. 20. The superconducting semiconductor optical device according to claim 19, wherein the semiconductor region has a p-type region and an n-type region. 21. The superconducting semiconductor optical device according to claim 19, wherein the semiconductor region has a plurality of semiconductor regions with a large energy gap and a semiconductor region with a small energy gap disposed between these semiconductor regions. Conductive semiconductor optical device. 22. A superconducting semiconductor optical device according to claim 19, wherein the superconducting semiconductor optical device has means electrically connected to the hole. 23. The superconducting semiconductor optical device according to claim 19, wherein the semiconductor region is joined to a superconductor via a metal region. 24. The superconducting semiconductor optical device according to claim 19, wherein the semiconductor region is arranged between a plurality of superconducting regions. 25. The superconducting semiconductor optical device according to claim 23, wherein the superconductor is an oxide superconductor. 26. A superconducting semiconductor optical device that emits or receives light inside a superconducting semiconductor using distributed carriers due to a superconducting gap formed inside the superconducting semiconductor.
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JP2015216189A (en) * 2014-05-09 2015-12-03 日本電信電話株式会社 Quantum entangled photon pair generating device, and quantum entangled photon pair generating method

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