JPH0496389A - 発光素子 - Google Patents

発光素子

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JPH0496389A JP2214812A JP21481290A JPH0496389A JP H0496389 A JPH0496389 A JP H0496389A JP 2214812 A JP2214812 A JP 2214812A JP 21481290 A JP21481290 A JP 21481290A JP H0496389 A JPH0496389 A JP H0496389A
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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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光通信、特に電気回路素子間の並列・大容量
光伝送などに用いられるのに適した極めて発光効率が高
（且つ非常に大きな変調度が期待できる発光素子に関す
る。
［従来の技術］ 光によって電気回路間の配線を行なう技術は、ＬＳＩ等
における電気配線による信号の配線容量遅延を克服する
技術として期待されている。従来、この様な目的のため
の発光素子としては、半導体レーザが用いられていた。
しかしながら、半導体レーザは原理上極めて大きな注入
電流密度を必要とすることから、多数個同一基板上に集
積することは、素子の発熱の問題や素子の信頼性の問題
が生じるので、近接した電気回路間の光伝送用の発光素
子としては適していないと考えられる。
これに対して、量子井戸電界効果型の発光素子が提案さ
れている（ＪＪＡＰ、、ｖｏｌ、２２゜ｐｐ、Ｌ２２−
Ｌ２４　（１９８２）参照）、この素子は、出力光の変
調を行なうのに、従来の光素子の基本原理であるキャリ
ア数の変調は一切行なわず、これに代わって、量子井戸
活性層への垂直電界印加効果により電子とホールを空間
的に分離して発光レートそのものを変調している。従っ
て、従来の発光素子のスイッチング時間を制限していた
キャリアの再結合寿命時間とは無関係な、高速のスイッ
チ動作が実現される。
よって、この素子を前述の光配線用の発光素子として用
いれば、極めて低い注入電流密度でありながら、１０ｐ
ｓｅｃオーダーの極めて高速の光信号のスイッチングが
可能である。例えば、この様な発光素子を同一基板上に
多数個並べたときには、発熱量が小さくなる上に、発光
量の均一性や素子の信頼性に関して、半導体レーザに比
べて格段に優れた特性になると期待できる。
［発明が解決しようとする課題］ しかし、この従来の量子井戸電界効果型発光素子におい
ては、発光量の変調深さは、発光時と非発光時の発光再
結合時間の比によって決まる為、精々１０対１から２０
対１程度であった。
また、この様な自然放出光を発光するデバイス共通の欠
点として、内部量子効率（注入した電子数と発生した光
子数の比）は極めて高くても、穀に発光活性層となる半
導体の屈折率が比較的大きいことが多い為１通常の構造
では全反射が生じて外部に効率よ（光を取り出すことが
できないという欠点がある。
従って、本発明の目的は、上記の課題に鑑み、従来の量
子井戸電界効果型発光素子の変調深さないしオン・オフ
比を大きくでき更に外部に取り出せる光強度を太き（で
きる構成を持つ発光素子をを提供することにある。
［課題を解決する為の手段］ 上記目的を達成する本発明による発光素子においては、
量子井戸或は量子細線或は量子箱によって構成された発
光活性層および該発光活性層に電界を印加する手段が設
けられると共に、該活性層を取り囲む様に、ここで発光
した光（上記電界印加手段により波長が変えられる）に
対して高い反射率を持つ反射器が配設されて、１次元或
は２次元或は３次元的に光を閉じ込めている。
より具体的には、上記反射器は分布ブラッグ反射器やチ
ャープ分布反射器や低損失な金属ミラーなどであり、上
記発光活性層は、ｐｎｐ　トランジスタ構造やｎｐｎト
ランジスタ構造などで電流を注入されて発光キャリアが
生じさせられたり、光によるボンピングで発光キャリア
が生じさせられる。
本発明は、発光活性層における自然放出の確率な印加電
界によって大きく変化させることをその基本原理として
いる。一般に、自然放出確率はフェルミの黄金律と呼ば
れる次の式によって記述される。
ｇ　（ν）ｄν ここでＭ（ν）は電気双極子相互作用ハミルトニアンの
行列要素、Ｄ（υ）は電磁場（光）の状態（モード）密
度、ｇ（ν）は励起された電子系のスペクトル形状であ
る。また、Ｍ（ν）は電子の励起状態から基底状態への
遷移の双極子モーメントと真空場の揺らぎの積に比例し
た関数である。前述した従来例の量子井戸電界効果型発
光素子は、自然放出確率Ｓを変える手段として、Ｍ（ν
）のうちの電子の遷移の双極子モーメントを変えていた
。これに対して、本発明では、活性層での発光光に対し
て微小な共振器を構成し、光の電磁場を量子化すること
によって、Ｍ（ν）のうちの真空場の揺らぎをも変える
と共にＤ（ν）を成る周波数に集中させ、更に活性層へ
の電界印加に起因するＱＣ３Ｅ（量子閉じ込めシュタル
ク効果）によって周波数軸上でｇ（ν）をシフトさせ、
その結果、Ｍ（ν）、Ｄ（ν）とｇ（ν）との重なり具
合を変化させて自然放出確率Ｓを太き（変化させること
が基本原理となっている（これについては電子情報通信
学会誌９／’　８９．ｐｐ、１０１４〜１０２０参照）
。
［実施例］ 第１図は本発明の第１実施例の概略構成を示す、同図に
おいて、１は発光活性層となる量子井戸（１００人厚人
厚ａＡｓで構成される）で、その外側は、夫々、１００
人厚人厚　（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）−ＡＩＡｓｊＬｆｌ
　１　（高いポテンシャル障壁となる、第２図参照）／
１０５０人厚の１人厚ｌｏ、ｔ　Ｇ　ａｏ、ａ　Ａ　Ｓ
層３、及び１１３５人厚のｎ−Ａ１゜２　Ｇ　ａ　ｏ、
　ｓ　Ａ　ｓ層２によって囲まれているこうした量子井
戸構造の外側は、夫々、２０周期の６９０人厚人厚ｌＡ
ｓ　（障壁層となる）７５７１人厚のＧａＡｓ（井戸と
なる）から成る層４．５によって囲まれている。この層
４．５は共にｐドープされている。
また、第１図において、６はキャップ層上に形成された
エミッタ電極、７はエツチングして露出された１層３上
に形成されたベース電極、８は基板９の裏面上に形成さ
れたコレクタ電極である。
この素子の製造は、通常用いられるＭＢＥ法などを用い
て行なわれる。
次に、第１実施例の動作を説明する。！！光活性層ｌ付
近のバンド構造は第２図（ａ）の様になっている。エミ
ッタ電極６とベース電極７の間を順バイアスすることに
よってｎ−Ａｌｏ、宜Ｇａｏ、ｓＡｓ層３に注入された
ホールはポテンシャルの低い（第２図（ａ）において、
ホールにとってポテンシャルの低い方向は上方向）量子
井戸層ｌに捕獲され電子と再結合して発光する。一方、
量子井戸層１に印加される電界は、ベース電極７とコレ
クタ電極８の間の電圧を変化させることによって変調可
能である６層３は、発光層１に近接する部分に高いポテ
ンシャル障壁１１を持っているので、量子井戸層１に高
い電圧を印加しても注入されたホールは層３の方へリー
クすることはない。
この素子を液体ヘリウム温度において発光させた。この
とき、量子井戸層ｌから発光した光は、ベース７・コレ
クタ８間に電圧を印加しないとき、約８２０ｎｍの波長
であり、発光半値幅は約２ｎｍであった。この発光波長
（え）に対して、層４及び層５はえ／４の多層膜によっ
て分布ブラッグ反射器を形成しているので、非常に高い
反射率を示す。一方、層１．２．３によって構成される
部分は、Ｔ度１波長分の光路長を持っているので、この
結果、量子井戸層ｌから発光された光の電界振幅分布は
第２図（ｂ）の様になり１発光量子弁戸層ｌにおいて大
きな振幅分布を持つことになる。このため、励起状態に
ある原子と真空場の相互作用（Ｍ　（ν））が太き（な
り、自然放出の遷移確率（Ｓ）はこの条件において強調
されることになる。つまり発光ライフタイム（１／Ｓ）
は短（なる。実験では、ブラッグ反射器４．５を含まな
い発光素子に比べて略２程度度発光確率が増えたことが
確認された。
次に、本発光素子のコレクタ８・ベース間に逆バイアス
を印加したときの特性について述べる。
逆バイアスを印加すると、量子井戸層１に電界が印加さ
れる為、この層１のポテンシャルが傾き電子とホール（
正孔）が空間的に分離される。その結果、電子の遷移の
双極子モーメントが小さ（なって自然放出の遷移確率（
Ｓ）は減少し、発光再結合時間が大きくなる。それと同
時に、ＱＣ３Ｈによって、バンド間遷移の遷移エネルギ
は小さくなり、この為、発光波長は長波長側にシフトし
ようとする。しかし、この波長に対しては、第２図（ｂ
）に示した共振条件からずれるので、光の電界振幅分布
が発光活性層ｌの位置において極大値を持たなくなる。
その結果として、励起状態にある原子と真空場の相互作
用（Ｍ　（ν））が更に小さ（なり、光のキャビティ　
（ブラッグ反射器）がない場合に比べて自然放出光の遷
移確率は更に小さくなる。よって、発光再結合時間は、
逆バイアスを印加していない場合に比べて非常に大きく
なる。
実験では、ブラッグ反射器のない場合は、逆バイアスを
かけたとき、発光ライフタイムが逆バイアスをかけない
ときの１０倍程度になったのに対し、ブラッグ反射器を
含む本実施例の場合は、電界を印加したときの発光ライ
フタイムは電界を印加しないときのおよそ５０倍程度と
なった。
この様に、本実施例では、光および電子を１次元的に閉
じ込め、且つ電子系の励起状態をＱＣＳＥによって変え
ることにより、電子系と光（電磁場）の相互作用の大き
さを制御して、自然放出遷移確率を太き（変えることに
成功した。
これにより、発光素子の変調源さないしオン・オフ比を
大きくし、また外部に取り出せる光強度を大きくするこ
とが可能になった。
第１実施例では、ブラッグ反射器により光を１次元的に
閉じ込めていた。このブラッグ反射器は垂直方向から入
射した光に対しては、高い反射率を示すが、斜め方向か
らの光に対しては反射率は低くなってしまう、この為、
この斜め入射の光の自然放出は抑圧したり強調すること
は出来ないまた、一般に温度が高いと、量子井戸での電
子遷移のスペクトル形状ｇ（ν）は、１次元閉じ込めの
場合の電磁場のモード密度Ｄ（ν）よりも広（てなだら
かなピークを持つ様になるので、ＱＣＳＥによりｇ（ν
）をシフトさせてもＤ（ν）とｇ（ν）の重なり具合は
余り変化せず、発光確率すなわち自然放出遷移確率が殆
ど変化しなくなると考えられる。
そこで本発明の第２実施例はこの点を改善したものであ
り、第３図に示される。
第２実施例では、第１実施例と比較して、１次元のブラ
ッグ反射器４．５を３次元のブラッグ反射器２４．２５
に置き換え、活性層となっていた量子井戸層１を３次元
方向に電子や正孔を閉じ込める量子箱構造層２１に置き
換えている。
この結果、電磁場の状態密度関数Ｄ（ν）と電子系の励
起状態のスペクトル形状関数ｇ（ν）は共にデルタ関数
的となる。したがって、室温でも原則的には電子と光（
電磁場）双方の状態密度関数のスペクトルの広がりが殆
どゼロに等しいので、量子箱２１構造に電界（逆バイア
ス）を印加したときに生ずるＱＣＳＥによって電子系の
スペクトル関数ｇ（ν）をシフトしていったとき、電子
と光双方のスペクトル形状が一致した（ピークが重なっ
た）時には極めて高い発光確率で自然放出光が発光され
る。一方、両者のスペクトル形状がずれたときには、は
ぼ完全に自然放出光は抑制される。
従って、量子箱２１に印加される電界を変化させること
により、自然放出レートを極めて大きな割合で変化させ
ることが可能になる。
ところで、上記実施例では、光と電子の閉じ込め構造と
して、１次元（量子井戸）と１次元（１次元のブラッグ
反射器）の組み合わせ及び３次元（量子箱）と３次元（
３次元のブラッグ反射器）の組み合わせで発光素子を構
成していたが、本発明の概念の適用範囲はこれらに限ら
れない、２次元的に閉じ込める構造を持つものの組み合
わせ（量子細線と２次元のブラッグ反射器）や、１．２
．３次元の閉じ込め構造を相互に適当に組み合わせたも
のであってもよい。
また、光の閉じ込め構造として、均一な周期のブラッグ
反射器を持つものを実施例としてあげたが、この構造も
、色々な角度で入射する光を全て全反射する様な各層の
厚さにチャーピングのかかったチャープ分布反射器や、
単なる低損失な金属ミラーでもよい。
更に、上記実施例では発光活性層となる量子閉じ込め構
造に電流を注入する構造として、ｐｎｐタイプのトラン
ジスタ構造を採用していたが、本発明の適用範囲はこれ
に限られるものではな（ｎｐｎタイプのトランジスタ構
造や、基板面内方向にｐｎ接合を設けて電流を注入し基
板垂直方向に設けられたｐｎ接合で電界を印加する構造
であっても差し支えない、単なるｐｎ接合で量子閉じ込
め構造に電界を印加し、発光キャリアは光によるポンピ
ングで生じさせるものでもよい。
［発明の効果］ 以上説明した様に、本発明によれば、発光活性層の電界
効果を利用し且つ発光した光に対して高い反射率を持つ
反射器を備えた発光素子となっているので、発光効率を
極めて高く出来るとともに非常に大きな変調度を期待で
きる。そして、これらの優れた特性は、非常に低い電流
密度或は励起レートで達成されるので、素子１個あたり
の消費電力を極めて小さくでき、こうした素子を多数個
積層化して短距離の光配線を構成することが可能になる
。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１実施例の概略構成図、第２図（ａ
）、（ｂ）は、夫々、第１実施例の発光活性層付近のバ
ンド構造と光の電界振幅分布の様子を示す図、第３図は
第２実施例の概略構成図である。 ■・・・発光活性層である量子井戸層、２−・−ｎ−Ａ
ｌｏ、ｚ　Ｇａｏ、ｓ　Ａｓ層、３　＝−Ｌ　−Ａ　１
　ｏ、ｚ　Ｇ　ａ。 ｓＡｓ層、４，５・・・１次元の分布ブラッグ反射器層
、６−・・エミッタ電極、７・・・ベース電極、８・・
・コレクタ電極、９・・・基板、１１・・・高ポテンシ
ャル層、２１・・・発光活性層である量子箱、２４．２
５・・・３次元のブラッグ反射器層

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、発光活性層及び該発光活性層に電界を印加する手段
    が設けられ、そして該発光活性層を取り囲む様に、該発
    光活性層で発光した光に対して高い反射率を持つ反射器
    が配置されていることを特徴とする発光素子。 ２、前記発光活性層が量子井戸により構成されている請
    求項１記載の発光素子。 ３、前記発光活性層が量子細線により構成されている請
    求項１記載の発光素子。 ４、前記発光活性層が量子箱により構成されている請求
    項１記載の発光素子。 ５、前記反射器が１次元分布ブラッグ反射器である請求
    項１記載の発光素子。 ６、前記反射器が２次元分布ブラッグ反射器である請求
    項１記載の発光素子。 ７、前記反射器が３次元分布ブラッグ反射器である請求
    項１記載の発光素子。 ８、前記反射器がチャープ分布反射器である請求項１記
    載の発光素子。
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