JPH0474486A - 光半導体素子 - Google Patents

光半導体素子

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JPH0474486A
JPH0474486A JP2187241A JP18724190A JPH0474486A JP H0474486 A JPH0474486 A JP H0474486A JP 2187241 A JP2187241 A JP 2187241A JP 18724190 A JP18724190 A JP 18724190A JP H0474486 A JPH0474486 A JP H0474486A
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quantum well
well layer
superlattice
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、超格子構造を用いた新しい原理による光半導
体素子に係り、特に長波長の発光または受光に適した光
半導体素子に関する。
（従来の技術） 第９図は従来の量子井戸レーザの原理説明図である。図
に示すように従来の量子井戸レーザにおいては、ｐｎ接
合の順方向動作を利用して、伝導帯の量子井戸に電子が
入り、価電子帯の量子井戸に正孔が入った反転分布状態
を形成し、伝導帯の電子か価電子帯に遷移する際の発光
を利用している。この場合、光のエネルギーはバンドギ
ヤ、ツブより大きく、通常１，５ｅＶとなっている。
ところで従来の半導体レーザにおいては、量子井戸レー
ザに限らず、発光波長は活性層のノ〈ントギャップによ
り一義的に決まる。したかって用いる材料か決まれば発
光波長は決まり、同じ半導体材料を用いて任意の発振波
長を得るということはできない。受光素子についても同
様である。また、遠赤外〜ミリ波という長波長用の発光
素子や受光素子も望まれなから、これまで適当な材料か
乏しく、十分満足できるものは実現されていない。
（発明か解決しようとする課題） 以上のように従来半導体発光素子や半導体受光素子は、
用いる材料によって波長か決まり、また特に遠赤外〜ミ
リ波という長波長用素子か得難いという問題かあった。
本発明は、幾何学的形状の選択によって任意の波長領域
の発光および受光を可能とした光半導体素子を提供する
ことを目的とする。
本発明はまた、遠赤外〜ミリ波という長波長用の光半導
体素子を提供することを目的とする。
［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明に係る光半導体素子は、基板上に、異なる厚みの
量子井戸層を持つ第１の超格子構造部と第２の超格子構
造部が隣接してそれらの量子井戸層が連続するように形
成され、かつ第１．第２の超格子構造部を挾んで量子井
戸層に接続される電極が設けられた構成を基本とする。
この様な基本構成において、第１．第２の超格子構造部
は、それぞれにおいて量子化されるエネルギー準位に関
して、第１の超格子構造部での基底準位が第２の超格子
構造部の励起準位とほぼ一致するように、それぞれの量
子井戸層の厚みか設定される。
（作用） 本発明の素子においては、量子井戸内に形成される所謂
サブバンド間の遷移により発光、受光が行われる。いま
キャリアとして電子を考え、第１の超格子構造部の量子
井戸層から第２の超格子構造部の量子井戸層に電子が流
れるように電極間にバイアスを与えたとき、次のように
して発光が生じる。すなわち運動領域が制限された第１
の超格子構造部の量子井戸層での基底準位にある電子は
、同様に運動領域が制限された第２の超格子構造部では
第１の超格子構造部での基底準位と等しいエネルギーレ
ベルである励起準位に入る。第２の超格子構造部で励起
準位に入った電子は基底準位に空きかできると、励起準
位から基底準位へとサブハンド間遷移をし、そのサブバ
ンド間のエネルギーに相当する波長の発光か得られる。
受光の原理は、発光と逆である。すなわち第１゜第２の
超格子構造部の電極間には発光の場合と逆のバイアスか
与えられる。この状態で第２の超格子構造部にそのサブ
バンドのエネルギーに相当する光か入ると、基底準位の
電子が励起されて上位の励起準位に入り、これが第１の
超格子構造部に流れて、電流として検出される。
この様な原理による本発明の素子では、上述したサブバ
ンド・ギャップが量子井戸層の厚みにより決定される。
したがって第１．第２の超格子構造部の量子井戸層の厚
みを選択することによって、発光波長、受光波長を任意
に設定することができる。また、量子井戸のサブバンド
間遷移を利用しているため、従来にない長波長の発光お
よび受光が可能である。
（実施例） 以下、本発明の詳細な説明する。
第１図は一実施例の半導体レーザを示す断面図であり、
第２図はその平面図である。
ＧａＡｓ基板１上にＡｇ３．３　Ｇ　ａ　Ｏ，７Ａ　Ｓ
障壁層２、この上にｎ型ＧａＡｓ量子井戸層３、さらに
Ａｆｆ　Ｏ，３Ｇ　ａ　ｏ、７　Ａ　ｓ障壁層４が順次
積層形成されている。量子井戸層３は、途中で厚みが変
化している。すなわち第１の超格子構造部Ｉでの量子井
戸層３１は厚みが８１であり、第２の超格子構造部■で
の量子井戸層３．の厚みはａｌｌであり、この様な超格
子構造部Ｉ、ＩＩか隣接して形成された状態になってい
る。たとえば、第１の超格子構造部Ｉでの量子井戸厚み
ａ、と第２の超格子構造部■での量子井戸厚みａ、の比
はおよそ、ａ　ｌ　／　ａ　Ｉ　”　１　／　２に選ば
れる。これは後に詳細に説明するように、第１の超格子
構造部Ｉての量子化されたエネルギー・レベルの基底準
位が、第２の超格子構造部■ての量子化されたエネルギ
ー・レベルの励起準位とは等しくなるようにするためで
ある。
これら第１．第２の超格子構造部Ｉ、　Ｉ［を挟んで両
側に量子井戸層３を露出させて、ここに電極５および６
が設けられている。また基板面に平行でかつ、電極５．
６を結ぶ方向と直交する方向の第２の超格子構造部Ｈの
端面であるへき開面７８を反射面として、光共振器が構
成されている。
このように構成された半導体レーザの動作を次に説明す
る。キャリアは電子の場合を考える。電極５，６間に、
電極６が正となるバイアスを与えると、電極５から第１
の超格子構造部ｌの量子井戸層３に電子が注入される。
第１の超格子構造部Ｉの量子井戸層３．に注入された電
子は量子効果によって取り得るエネルギーが制限されお
り、いまの場合基底準位しかとり得ない。電子が第１の
超格子構造部Ｉから第２の超格子構造部■の量子井戸層
３．に入ると、ここでは励起準位に入る。
第２の超格子構造部■の電子エネルギーの励起準位が第
１の超格子構造部Ｉでの基底準位と等しく設定されてい
るからである。第２の超格子構造部■の基底準位にある
電子が電極６側に流れてそこに空きができると、第１の
超格子構造部Ｉから注入されて励起準位に入っている電
子は基底準位に遷移し、そのエネルギー・ギャップに相
当する波長の光が放出される。そしてこの光は光共振器
により増幅され、あるしきい値を越えるとレーザ発振し
てレーザ光として取り出されることになる。
以上の動作を、第３図、第４図を用いてより詳細に説明
すれば、次の通りである。実施例の素子の厚み方向（Ｘ
方向）にみた電子のエネルギーバンド構造は、第３図に
示すようになり、量子井戸層３内に量子化されたレベル
Ｅ、、Ｅ２．・・を作る。前述のように量子井戸層３の
厚みを、第１゜第２の超格子構造部Ｉ、ＩＩでそれぞれ
ａ＋、ａｕとしたとき、第１．第２の超格子構造部Ｉ、
ＩＩての量子化レベルＥ。（Ｉ）、Ｅゎ　（ｎ）はそれ
ぞれ、次のように表される。
Ｅｎ　　（１）＝　（π’　Ｋ２７２ｍ”　ａ、’　）
ｎ２（ｎ−１，２，・・・） Ｅｎ　　（ＩＩ）−（π２％２／２ｍ’　ａｎ　２）ｎ
２（ｒｒｌ、２．・・・） 一方、第１．第２の超格子構造部■、■の量子井戸層３
内の運動に対する電子のエネルギーε。。
（Ｉ）、ε、、、（ＩＩ）は、不変に保たれる第１図の
紙面に垂直な奉公（２方向）の運動エネルギーを除くと
、Ｘ方向の波数をｋとしてそれぞれ、εｆｉｋ（１）−
Ｅ。（Ｉ）　十（−１′ｉ２／２ｍ’　）　ｋ２ε。ｈ
　（ＩＩ）−Ｅｎ　（ＩＩ）＋　（ｆ２／　２ｍ”　）
ｋ２と表される。
そしてこの実施例では、第４図に示すように、第１の超
格子構造部Ｉでの基底準位ε１．　（Ｉ　）が、第２の
超格子構造部■での励起準位ε２−（ｎ）と等しくなる
ように各量子井戸層３．，３．の厚みａ　Ｉ　ｒ　　”
　Ｍが設定されている。したがって、第１の超格子構造
部１で状態Ａにあった電子は、第２の超格子構造部■で
は状態Ｂ１またはＢ２に移る。
一方、第２の超格子構造部■で基底準位の状態Ｂ３にあ
った電子は電極６側に流れてここに空きができるから、
ここに励起準位の状態Ｂ２の電子がエネルギーを放出し
て遷移することができる。
このとき出す光のエネルギーは、 （ｘω−３ｙｒ２（ｉ２／２ｍ”　ａ、２となり、波数
ｋによらない。すなわち一定波長の光を放出する。放出
される光の強さは流す電流に略比例する。
具体的に例えば、第１図において、ｎ型ＧａＡｓｔ子井
戸層３１．３ｕの厚みをそれぞれ、ａ＋〜７５人、ａ、
〜１５０人に設定した場合、得られる光のエネルギーは
およそ７５ｍｅＶ（波長１６．５μｍ）であり、遠赤外
領域に属する。
この実施例においては上述のように、量子井戸内の所謂
サブバンド遷移を利用している。したがって光エネルギ
ーは小さく、従来にない長波長の発光が得られる。また
以上の動作原理から明らかなように、発光波長は第２の
超格子構造部■の量子井戸層厚みにより決定される。す
なわち幾何学的形状を選択することによって、任意の発
光波長を得ることができる。
上記実施例では、光共振器を構成して誘導放出によるレ
ーサ発振をさせているか、自然放出光のみでＬＥＤとし
て動作させることもできる。もちろんこの場合には、共
振器は要らない。
上記実施例の素子は、そのまま受光素子ないし光検出器
として用いることができる。受光の動作を第５図を用い
て説明する。受光の場合には、電極５，６間に発光の場
合とは逆のバイアスを与える。光が入射せす、第２の超
格子構造部■の励起準位ε２ｋに電子かない状態では１
．電極５．６間に電流は流れ得ない。第２の超格子構造
部Ｈの量子井戸層３ｊに電子が注入されても、第１の超
格子構造部１には第２の超格子構造部■の基底準位に相
当するエネルギーレベルがないため、第１の超格子構造
部■の量子井戸層３１にはその電子が流れ込むことはで
きないからである。第２の超格子構造部■に所定のエネ
ルギーの光が入射すると、第５図に示すように基底準位
ε１．（ＩＩ）の状態Ｃ１にある電子が励起されて、上
位の励起準位ε２．（ＩＩ）の状態Ｃ２に入る。この状
態の電子は、第１の超格子構造部■での基底準位と１．
　（Ｉ　）の状態りに移り得る。すなわち第２の超格子
構造部■から第１の超格子構造部Ｉに電子か流れること
ができる。したがって電極５，６間の電流を検出するこ
とによって、光検出ができる。
第６図は、特性を改善した実施例の素子の要部構造を示
す。図に示すようにこの実施例では、第１の超格子構造
部１に隣接して第２の超格子構造部■を形成し、さらに
第２の超格子構造部Ｈに隣接して第３の超格子構造部■
を形成している。第１、第２の超格子構造部Ｉ、■の量
子井戸層３３、の厚みａＩ　＋　　ａ　ｌは、先の実施
例と同様の関係に設定される。第３の超格子構造部■の
量子井戸層３□の厚みａｌは、ａ、＜ａ、＜ａ、を満た
すように設定される。第３の超格子構造部■には、第１
および第２の超格子構造部Ｉ、ＩＩとは異なる材料が用
いられる。電極は図では示していないが、第１の超格子
構造部Ｉの量子井戸層３１と第３の超格子構造部■の量
子井戸層３ｍにそれぞれコンタクトするように設けられ
る。
第７図は、この実施例の素子での各超格子構造部の電子
エネルギー・レベルの関係である。図に示すように、第
３の超格子構造部■の伝導帯の底のレベルか第２の超格
子構造部■のそれからΔＥｇたけすれている。この結果
、第２の超格子構造部■と第３の超格子構造部■の基底
準位ε、、（ＩＩ）とε、ｋ（ｍ）が略同じレベルにあ
り、それらの上位の励起準位ε２．（Ｕ）とＢ２−（Ｉ
ＩＩ）かすれた状態になっている。
この実施例の素子での発光動作は次の通りである。先の
実施例と同様にバイアスを与えたとき、第１の超格子構
造部Ｉの基底準位の状態へにある電子は、先の実施例と
同様に第２の超格子構造部■の励起準位の状態Ｂ１また
はＢ２に入る。しかし第３の超格子構造部■は第２の超
格子構造部■の状態Ｂｌ、Ｂ２に相当するエネルギーレ
ベルを持たないから、状態Ｂｌ、Ｂ２にある電子は第３
の超格子構造部■には移り得ない。第２の超格子構造部
■において状態Ｂ１から基底準位の状態Ｂ３に遷移した
電子は、これと同じエネルギーレベルを持つ第３の超格
子構造部■の基底準位の状！！！Ｅに移る事かできる。
こうしてこの実施例の素子では、第２の超格子構造部■
て励起準位にある電子はそのまま第３の超格子構造部■
には流れることができず、第２の超格子構造部Ｈに高密
度に蓄積される。すなわち第３の超格子構造部■を設け
ることによって、実質的に第２の超格子構造部■でキャ
リア閉込めの効果か得られ、レーザ発振に必要な高い電
子密度が容易に得られる。したがって先の実施例と同様
に光共振器を構成することにより、しきい値か低い、発
振効率の高いレーザが得られる。
この実施例の素子が、ＬＥＤとして用いられること、ま
た受光素子として用いられることは先の実施例の場合と
同様である。
第８図は、さらに他の実施例での第１．第２の超格子構
造部１．ＩＩの構成を示す。第８図（ａ）では、第１の
超格子構造部Ｉの量子井戸層３□が、第２の超格子構造
部■の量子井戸層３゜に対して、上下に段差か形成され
た状態でつながっている。
第８図（ｂ）においては、量子井戸層３．．３．の境界
か滑らかに変化している。この様な構成であっても、先
の実施例と同様の発光、受光の動作かできる。
上記実施例では、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系を用いたか
、他の材料を用いることもできる。
例えば、障壁層としてバンドギャップの大きい５１０２
等の絶縁膜を用い、量子井戸層のポテンシャル井戸をよ
り深くすれば、よりエネルギーの高い光の発光が可能で
ある。具体的に、障壁層としてＳｉＯ２膜を用い、量子
井戸層としてシリコンを用いた場合、量子井戸層のポテ
ンシャル深さは３ｅＶ以上になる。第１．第２の超格子
構造部１．ＩＩでの量子井戸層厚みａｌ＋ａｆｆｉを、
８１〜１５人、ａ、〜３０人程形成設定すると、０．６
３ｅＶ程度の光の発光、受光ができる素子が得られる。
この材料は、量産技術が確立されているシリコン集積回
路のそれと同じである。したかって、シリコン系のみを
用いた０ＥＩＣ等が容易に実現できる。
本発明はその他その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形し
て実施することができる。
［発明の効果コ 以上述べたように本発明によれば、量子効果を利用した
新しい原理により、これまでにない長波長領域の発光、
受光か可能であり、また形状の選択によって波長を任意
に選ぶことのできる光半導体素子を提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例の半導体レーザを示す断面図
、 第２図はその半導体レーザの平面図、 第３図は同じくその量子効果を説明するための図、 第４図は同じく発光の動作原理を説明するための図、 第５図は同じく受光の動作原理を説明するための図、 第６図は他の実施例の半導体レーザの要部構造を示す断
面図、 第７図はその発光動作原理を説明するだめの図、第８図
（ａ）　（ｂ）は他の実施例の素子の要部構造を示す断
面図、 第９図は従来の量子井戸レーザの原理を説明するための
図である。 １−＝　に　ａ　Ａ　ｓ基板、２　、４−　Ａ　Ｄｏ、
　３Ｇ　ａｏ、　７Ａ　Ｓ障壁層、３　（３，，３１，
３１）・・・量子井戸層、５．６・・・電極、■・・・
第１の超格子構造部、■・・・第２の超格子構造部、■
・・・第３の超格子構造部。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第 図 ゝ８ 第 図 第 図 第 図 起格子檎止１ 起絡手構（且 第 図 第 図 産Ｂオ６ギトオＡ盪ＬＩ ｋε梧子木ＩＬｉＩＬ ｇｍ＋ａｔｉ 第 図 ｘ　−一十−ｎ 第 図 第 図

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）基板と、 この基板上に形成された所定厚みの量子井戸層を持つ第
    １の超格子構造部と、 前記基板上に前記第１の超格子構造部と隣接して形成さ
    れた、前記第１の超格子構造部の量子井戸層と連続した
    これとは厚みの異なる量子井戸層を持つ第２の超格子構
    造部と、 前記第１および第２の超格子構造部を挟んで前記量子井
    戸層に接続された第１および第２の電極と、 を備えたことを特徴とする光半導体素子。
  2. （２）前記第１の超格子構造部と第２の超格子構造部の
    それぞれにおいて量子化されるエネルギー準位に関して
    、第１の超格子構造部での基底準位が第２の超格子構造
    部の励起準位とほぼ一致するように、それぞれの量子井
    戸層の厚みが設定されていることを特徴とする請求項１
    記載の光半導体素子。
  3. （３）基板と、 この基板上に形成された所定厚みの量子井戸層を持つ第
    １の超格子構造部と、 前記基板上に前記第１の超格子構造部と隣接して形成さ
    れた、前記第１の超格子構造部の量子井戸層と連続した
    これとは厚みの異なる量子井戸層を持つ第２の超格子構
    造部と、 前記基板上に前記第２の超格子構造部と隣接して形成さ
    れて、前記第２の超格子構造部の量子井戸層と連続しか
    つその厚みが第１の超格子構造部の量子井戸層と第２の
    超格子構造部の量子井戸層の間に設定された量子井戸層
    を持つ第３の超格子構造部と、 前記第１ないし第３の超格子構造部を挟んで前記量子井
    戸層に接続された第１および第２の電極と、 を備えたことを特徴とする光半導体素子。
  4. （４）前記第１、第２および第３の超格子構造部のそれ
    ぞれにおいて量子化されるエネルギー準位に関して、第
    １の超格子構造部での基底準位が第２の超格子構造部の
    励起準位とほぼ一致し、第３の超格子構造部の励起準位
    が第２の超格子構造部のそれより上位にあるように、そ
    れぞれの材料と量子井戸層の厚みが設定されていること
    を特徴とする請求項３記載の光半導体素子。
  5. （５）前記基板面に平行で、かつ前記第１、第２の電極
    を結ぶ方向と直交する方向の端面を反射面として光共振
    器が構成されていることを特徴とする請求項１または３
    記載の光半導体素子。
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