JPH0712100B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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- JPH0712100B2 JPH0712100B2 JP60058397A JP5839785A JPH0712100B2 JP H0712100 B2 JPH0712100 B2 JP H0712100B2 JP 60058397 A JP60058397 A JP 60058397A JP 5839785 A JP5839785 A JP 5839785A JP H0712100 B2 JPH0712100 B2 JP H0712100B2
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- semiconductor
- emitting device
- light emitting
- semiconductor light
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は波長、位相の良くそろつた光を発光せしめ得る
半導体発光素子に関する。
半導体発光素子に関する。
第１図は、従来の半導体レーザで用いられているダブル
ヘテロ構造（レーザ活性層10、ｎ型クラツド層４、ｐ型
クラツド層５）に対し、順方向にバイアスを印加した場
合のエネルギー・バンド・ダイアグラムである。クラツ
ド層４から注入された電子６と、クラツド層５から注入
された正孔７とが、活性層領域10で再結合し、光11が放
射される。この系においては、電子及び正孔は、フエル
ミ粒子であり、バンド内のキヤリアの分布は、状態密度
と、フエルミ分布により決められる。なお、バンド構造
図において８は伝導帯の底を、９は価電子帯の上端を示
している。この分布が拡がつていれば、レーザ発振の閾
電流値が大きくなる。レーザの活性層を量子井戸構造と
すると、状態密度が、対物線状から、階段状に変り、量
子準位ができる。従つて、その発光スペクトルも狭くな
り、レーザ発振の閾値も1/2〜1/3程度に下る。しかしな
がら、この場合でも、キヤリアは、フエルミ粒子であ
る。したがつて、個々の電子及び正孔は、まつたく独立
であり、完全に位相をそろえ集団運動をすることもな
い。したがつて、信号をレーザ光で伝達する場合には、
全体の平均値を変動させる必要があり、多くのキヤリア
を変調しなければならない。
ヘテロ構造（レーザ活性層10、ｎ型クラツド層４、ｐ型
クラツド層５）に対し、順方向にバイアスを印加した場
合のエネルギー・バンド・ダイアグラムである。クラツ
ド層４から注入された電子６と、クラツド層５から注入
された正孔７とが、活性層領域10で再結合し、光11が放
射される。この系においては、電子及び正孔は、フエル
ミ粒子であり、バンド内のキヤリアの分布は、状態密度
と、フエルミ分布により決められる。なお、バンド構造
図において８は伝導帯の底を、９は価電子帯の上端を示
している。この分布が拡がつていれば、レーザ発振の閾
電流値が大きくなる。レーザの活性層を量子井戸構造と
すると、状態密度が、対物線状から、階段状に変り、量
子準位ができる。従つて、その発光スペクトルも狭くな
り、レーザ発振の閾値も1/2〜1/3程度に下る。しかしな
がら、この場合でも、キヤリアは、フエルミ粒子であ
る。したがつて、個々の電子及び正孔は、まつたく独立
であり、完全に位相をそろえ集団運動をすることもな
い。したがつて、信号をレーザ光で伝達する場合には、
全体の平均値を変動させる必要があり、多くのキヤリア
を変調しなければならない。
本発明の目的は、位相及び波長の良くそろつた発光せし
め得る半導体発光素子を提供するにある。
め得る半導体発光素子を提供するにある。
本発明は電子及び正孔をボーズ粒子化し、冷却しながら
粒子の濃度を増大させることで、ボーズ凝縮させ、完全
に位相のそろつた系を実現せしめる。こうした系の発光
は波長，位相とも極めて良くそろつた光となる。
粒子の濃度を増大させることで、ボーズ凝縮させ、完全
に位相のそろつた系を実現せしめる。こうした系の発光
は波長，位相とも極めて良くそろつた光となる。
第２図は、ボーズ凝縮を起させるために必要な半導体レ
ーザのエネルギー・バンド・ダイアグラムである。伝導
帯８と、価電子帯９の、厚さ方向の変化を、順方向にバ
イアス電圧を印加した状態で示してある。図中で、半導
体層２及び３は、半導体層４及び５よりもバンド・ギヤ
ツプが小さいレーザ活性層である。導電型は、（１）半
導体層2,3ともにアンドープ、（２）一方のみアンドー
プで、もう一方は、それに接するクラツド層４又は５と
同じ導電型、（３）半導体層２と４及び半導体層３と５
が、それぞれ同じ導電型の場合が可能である。
ーザのエネルギー・バンド・ダイアグラムである。伝導
帯８と、価電子帯９の、厚さ方向の変化を、順方向にバ
イアス電圧を印加した状態で示してある。図中で、半導
体層２及び３は、半導体層４及び５よりもバンド・ギヤ
ツプが小さいレーザ活性層である。導電型は、（１）半
導体層2,3ともにアンドープ、（２）一方のみアンドー
プで、もう一方は、それに接するクラツド層４又は５と
同じ導電型、（３）半導体層２と４及び半導体層３と５
が、それぞれ同じ導電型の場合が可能である。
なお、図において、４はｎ型クラツド層、５はｐ型クラ
ツド層である。
ツド層である。
従来の半導体レーザと異なる点は、レーザ活性層の内
に、電子６と正孔７を空間的に分離するバリア層１を設
けていることである。
に、電子６と正孔７を空間的に分離するバリア層１を設
けていることである。
この系で、ボーズ凝縮が生じる過程を以下に説明する。
バリア層を介して対向した電子と正孔がボーズ凝縮を起
す条件の論理的検討は、1975年にユ・イー・ロゴビク
（Yu.E.Lozovik）達により行なわれている（たとえばソ
ビエト・フイジクス（JETP.Lett.）第22巻274頁1975
年）。
バリア層を介して対向した電子と正孔がボーズ凝縮を起
す条件の論理的検討は、1975年にユ・イー・ロゴビク
（Yu.E.Lozovik）達により行なわれている（たとえばソ
ビエト・フイジクス（JETP.Lett.）第22巻274頁1975
年）。
第３図に示した様なバリア層12をはさんで相対している
電子と正孔（層13,14は超伝導薄膜）は、層12の厚さｄ
が薄い場合には、クーロン力で互に引き合つたまま、層
12の面内を運動する一種の励起子状態15,16となる。こ
れは、ボーズ粒子であるため、低温にし、励起子の濃度
を高めることで、ボーズ凝縮をおこす。励起子間の距離
をｌとすると、バリアの厚さｄとｌとが、100Å程度の
場合、トンネル効果によるキヤリアの再結合の確率は１
×10-26程度で事実上無視でき凝縮を起す温度100K程度
になると、ロゴビク（Lozovik）達は、見積つている。
電子と正孔（層13,14は超伝導薄膜）は、層12の厚さｄ
が薄い場合には、クーロン力で互に引き合つたまま、層
12の面内を運動する一種の励起子状態15,16となる。こ
れは、ボーズ粒子であるため、低温にし、励起子の濃度
を高めることで、ボーズ凝縮をおこす。励起子間の距離
をｌとすると、バリアの厚さｄとｌとが、100Å程度の
場合、トンネル効果によるキヤリアの再結合の確率は１
×10-26程度で事実上無視でき凝縮を起す温度100K程度
になると、ロゴビク（Lozovik）達は、見積つている。
なお、彼達の意図したことは、ボーズ凝縮を起した系に
おける超伝導の実現であつたため、バリア層の厚さを電
子と正孔がトンネル効果により再結合しないように厚く
選んでいる。この点は本発明と本質的に異なつている。
即ち、本発明は、ボーズ凝縮を起こす原理的過程は前述
のロゴビク等の論理と同様であるが、バリア層の厚さｄ
を薄くして、適度のトンネル効果による電子と正孔の再
結合過程をうながしており、ロゴビク（Lozovik）達の
系と異なる。
おける超伝導の実現であつたため、バリア層の厚さを電
子と正孔がトンネル効果により再結合しないように厚く
選んでいる。この点は本発明と本質的に異なつている。
即ち、本発明は、ボーズ凝縮を起こす原理的過程は前述
のロゴビク等の論理と同様であるが、バリア層の厚さｄ
を薄くして、適度のトンネル効果による電子と正孔の再
結合過程をうながしており、ロゴビク（Lozovik）達の
系と異なる。
ロゴビク（Lozovik）達の系では、超伝導のみを興味の
対象としているため、トンネル効果による電子と正孔の
再結合過程は、不要な経路であり、バリア層の厚みを厚
くすることで再結合過程を抑制している。一方、バリア
層のポテンシヤル障壁を低くしすぎたりバリア層の厚み
を薄くしすぎたり、電子と正孔は、次々とトンネル効果
により再結合してしまい、ポーズ凝縮を起すのに充分な
電子・正孔対の濃度が得られない。本発明の主眼点は、
このバリア層の厚みを最適化することで、励起子のボー
ズ凝縮と、再結合発光過程を時系列的に起させることに
ある。第２図において、活性層２に注入された電子６
と、活性層３に注入された正孔７の内、バリア層１に近
いものは、クーロン力により、互に引き合い励起子とな
る。低温に冷却し、ボーズ凝縮を起させれば、バリア近
傍の電子と正孔は、次々と対をつくつて高い面密度でか
つ、位相のそろつた励起子からの発光が得られる。
対象としているため、トンネル効果による電子と正孔の
再結合過程は、不要な経路であり、バリア層の厚みを厚
くすることで再結合過程を抑制している。一方、バリア
層のポテンシヤル障壁を低くしすぎたりバリア層の厚み
を薄くしすぎたり、電子と正孔は、次々とトンネル効果
により再結合してしまい、ポーズ凝縮を起すのに充分な
電子・正孔対の濃度が得られない。本発明の主眼点は、
このバリア層の厚みを最適化することで、励起子のボー
ズ凝縮と、再結合発光過程を時系列的に起させることに
ある。第２図において、活性層２に注入された電子６
と、活性層３に注入された正孔７の内、バリア層１に近
いものは、クーロン力により、互に引き合い励起子とな
る。低温に冷却し、ボーズ凝縮を起させれば、バリア近
傍の電子と正孔は、次々と対をつくつて高い面密度でか
つ、位相のそろつた励起子からの発光が得られる。
本発明の骨子をまとめると次の通りである。
1.半導体又は絶縁体からなる薄膜（バリア層となる）を
はさんで相対し、かつその禁制帯エネルギ・ギヤツプが
前記薄膜よりも小さい第１の半導体層及び第２の半導体
層を有するヘテロ構造を有し、このヘテロ構造は同一の
半導体層中に含まれる電子と正孔がトンネル再結合に基
づいた発光が主となる如く構成され、かつ外部から電場
を印加することで、このトンネル再結合発光過程の確率
を制御せしめる手段を有することを特徴とする半導体発
光素子である。
はさんで相対し、かつその禁制帯エネルギ・ギヤツプが
前記薄膜よりも小さい第１の半導体層及び第２の半導体
層を有するヘテロ構造を有し、このヘテロ構造は同一の
半導体層中に含まれる電子と正孔がトンネル再結合に基
づいた発光が主となる如く構成され、かつ外部から電場
を印加することで、このトンネル再結合発光過程の確率
を制御せしめる手段を有することを特徴とする半導体発
光素子である。
前述のトンネル再結合発光は電子と正孔がクーロン力に
より形成された励起子の再結合発光となつている。
より形成された励起子の再結合発光となつている。
又、当該半導体発光素子を150K以下に冷却した時、前述
の再結合発光は、ボーズ凝縮を起こした励起子からの超
輻射（Super-radiance）となつている。
の再結合発光は、ボーズ凝縮を起こした励起子からの超
輻射（Super-radiance）となつている。
前述のバリア層を介して電子を正孔がトンネル結合する
確率は0.6から１×10-5の範囲が通例である。
確率は0.6から１×10-5の範囲が通例である。
前記薄膜の厚さは150Å以下、好ましくは単原子層から1
00Åの範囲となすのが通例である。
00Åの範囲となすのが通例である。
また、前記第１および第２の半導体層の厚さが200Å以
上（好ましくは400Å以上）であり、結晶組成或いは結
晶中の不純物組成或いはその両者により生じる凝似ポテ
ンシヤル又は外部電界或いは凝似ポテンシヤルと外部電
界の両者によつて電子及び正孔をそれぞれの前記各半導
体層の反対側に押しつけることで、同一半導体中におけ
る電子と正孔の波動函数の重なり部分と比べ前記薄層を
介した電子の波動函数と正孔の波動函数の重なりの方が
大きくせしめるのが好ましい。
上（好ましくは400Å以上）であり、結晶組成或いは結
晶中の不純物組成或いはその両者により生じる凝似ポテ
ンシヤル又は外部電界或いは凝似ポテンシヤルと外部電
界の両者によつて電子及び正孔をそれぞれの前記各半導
体層の反対側に押しつけることで、同一半導体中におけ
る電子と正孔の波動函数の重なり部分と比べ前記薄層を
介した電子の波動函数と正孔の波動函数の重なりの方が
大きくせしめるのが好ましい。
更に下記の如き形態も好ましいものである。
前記薄膜をはさんで相対する前記半導体層に、前記薄膜
に対して垂直な向きに電場を印加することで、前記薄膜
と半導体の界面の一方に電子を、もう一方に正孔を集め
る手段を有する半導体発光素子。
に対して垂直な向きに電場を印加することで、前記薄膜
と半導体の界面の一方に電子を、もう一方に正孔を集め
る手段を有する半導体発光素子。
前記第１および第２の半導体層の一方又は両者の半導体
の組成或いは不純物濃度のいずれか一方又は両者を前記
薄膜の厚さ方向に対し一様でなくすることにより、電子
及び正孔を前記膜の近傍に集めたことを特徴とする半導
体発光素子。
の組成或いは不純物濃度のいずれか一方又は両者を前記
薄膜の厚さ方向に対し一様でなくすることにより、電子
及び正孔を前記膜の近傍に集めたことを特徴とする半導
体発光素子。
前記第１の半導体層及び前記第２の半導体層よりも禁制
帯エネルギー・ギヤツプが大きくかつ導電型の互に相異
なる第３および第４の半導体層で少なくとも前記薄膜、
第１および第２の半導体層を含む積層構造体をはさんだ
ことを特徴とする半導体発光素子。
帯エネルギー・ギヤツプが大きくかつ導電型の互に相異
なる第３および第４の半導体層で少なくとも前記薄膜、
第１および第２の半導体層を含む積層構造体をはさんだ
ことを特徴とする半導体発光素子。
前記薄膜がGa1-xAlxAs前記第１の半導体層が Ga1-yAlyAs前記第２の半導体層が Ga1-zAlzAs;x＞y,z;1≧ｘ＞0.1;0.4＞y,z≧０なること
を特徴とする半導体発光素子。
を特徴とする半導体発光素子。
前記薄膜がGaxIn1-xPyAs1-y（ｘ＝0,y＝０を含む）前記
第1;第２の半導体層が GamIn1-mPXAs1-xであることを特徴とする半導体発光素
子。
第1;第２の半導体層が GamIn1-mPXAs1-xであることを特徴とする半導体発光素
子。
以下、本発明の実施例にそつて説明する。
実施例１ 第４図は本発明の実施例における素子の伝導帯の底17、
及び価電子帯の上端18のバンド・ギヤツプの厚さ方向の
変化を模式的に示したものである。第９図は本例の半導
体発光素子の放射される光に対して垂直な面での断面図
である。この状態は次の方法によつて実現する。ｎ型Ga
As基板40上に、分子線エピタキシ法を用いて、ｎ型GaAs
バツフア層41 0.5μｍを成長し、さらにアンドープGa0.
7Al0.3Asクラツド層22（２μｍ）、アンドープGaAs層20
（0.1μｍ）、アンドープGa0.5Al0.5Asバリア層19（厚
さ20Å）、アンドープGaAs層21（0.1μｍ）、アンドー
プGa0.7Al0.3Asクラツド層23（２μｍ）、キヤツプ層と
してｐ型GaAs層42（0.2μｍ）を順次成長させた。
及び価電子帯の上端18のバンド・ギヤツプの厚さ方向の
変化を模式的に示したものである。第９図は本例の半導
体発光素子の放射される光に対して垂直な面での断面図
である。この状態は次の方法によつて実現する。ｎ型Ga
As基板40上に、分子線エピタキシ法を用いて、ｎ型GaAs
バツフア層41 0.5μｍを成長し、さらにアンドープGa0.
7Al0.3Asクラツド層22（２μｍ）、アンドープGaAs層20
（0.1μｍ）、アンドープGa0.5Al0.5Asバリア層19（厚
さ20Å）、アンドープGaAs層21（0.1μｍ）、アンドー
プGa0.7Al0.3Asクラツド層23（２μｍ）、キヤツプ層と
してｐ型GaAs層42（0.2μｍ）を順次成長させた。
ｎ型基板を裏面研磨及び化学エツチングした後ｎ側電極
43を形成する。更にｐ側電極44を、幅10μｍのストライ
プ状に被着し、電極をマスクとして、前記のエピタキシ
層を23から22層までエツチング除去した。
43を形成する。更にｐ側電極44を、幅10μｍのストライ
プ状に被着し、電極をマスクとして、前記のエピタキシ
層を23から22層までエツチング除去した。
さらにレーサの共振器長が300μｍとなるように劈開し
た。
た。
型の上では、メサストライプ型半導体レーザと同一であ
る。
る。
得られたチツプをサブマウントにボンテイングし、室温
から10Kまで冷却できるクライオスタツト中に固定す
る。Krイオンレーザの647〜676nm帯のレーザ光を、メサ
ストライプの横方向から照射した。この成長の光は、半
導体層20及び半導体層21に吸収され、それぞれの層に、
電子24と正孔25を生じさせる。この様子は第２図に示し
たものである。このままの状態では、電子と正孔の分離
はなされず、GaAs層20及び21において再結合し、発光す
る。励起光を増加させることで、通常のレーザ発振が起
る。
から10Kまで冷却できるクライオスタツト中に固定す
る。Krイオンレーザの647〜676nm帯のレーザ光を、メサ
ストライプの横方向から照射した。この成長の光は、半
導体層20及び半導体層21に吸収され、それぞれの層に、
電子24と正孔25を生じさせる。この様子は第２図に示し
たものである。このままの状態では、電子と正孔の分離
はなされず、GaAs層20及び21において再結合し、発光す
る。励起光を増加させることで、通常のレーザ発振が起
る。
今、光励起を行なつた状態で、ｐ側及びｎ側の電極に対
し、逆方向となるよう電場をかけた場合のバンド・ギヤ
ツプの変化を第５図に示す。
し、逆方向となるよう電場をかけた場合のバンド・ギヤ
ツプの変化を第５図に示す。
GaAs層20及び21のそれぞれの端に、電子と正孔が押しつ
けられている。それぞれの層は、厚さが0.1μｍあるた
め、同一層中にある電子と正孔（26と29及び27と28）
は、互に再結合することができない。しかしながら、電
子26と正孔28は、厚さ20Åのバリア層が間に存在するの
みであるため、クーロン力により電子・正孔対となる。
けられている。それぞれの層は、厚さが0.1μｍあるた
め、同一層中にある電子と正孔（26と29及び27と28）
は、互に再結合することができない。しかしながら、電
子26と正孔28は、厚さ20Åのバリア層が間に存在するの
みであるため、クーロン力により電子・正孔対となる。
電場を印加した状態で励起光の強度を変え、レーザから
の出力光の変化を、素子温度をパラメータとして測定し
たものを第６図に示す。低温に冷却するにつれ、レーザ
発振のしきい値は減少していくが、100Kよりも低温にな
つた場合に、レーザの閾値が飛躍的減少し、発光効率の
増加が生じている。この温度でポーズ凝縮が生じ、励起
子の位相がそろつた状態からのレーザ発振が観測され
た。この光のスペクトル幅は、従来の半導体レーザ光の
スペクトル幅の1/10であつた。
の出力光の変化を、素子温度をパラメータとして測定し
たものを第６図に示す。低温に冷却するにつれ、レーザ
発振のしきい値は減少していくが、100Kよりも低温にな
つた場合に、レーザの閾値が飛躍的減少し、発光効率の
増加が生じている。この温度でポーズ凝縮が生じ、励起
子の位相がそろつた状態からのレーザ発振が観測され
た。この光のスペクトル幅は、従来の半導体レーザ光の
スペクトル幅の1/10であつた。
第10図は発光せしめるための半導体積層体の両側を更に
半導体層45で埋め込んだ状態を示している。通常のBH
（Buried Hetero-structure）型レーザの場合と同様の
考え方を採用した列である。図の符号は第９図と同一部
位を示している。
半導体層45で埋め込んだ状態を示している。通常のBH
（Buried Hetero-structure）型レーザの場合と同様の
考え方を採用した列である。図の符号は第９図と同一部
位を示している。
実施例２ 第７図に示した構造の半導体レーザをMO-CVD法（Metal-
Organic Chemical-Vapour Deposition）で作製した。ｎ
型GaAs基板32上に、ｎ型GaAs/Ga0.7Al0.3As超格子バツ
フア層33を１μｍ成長後、ｎ型Ga0.7Al0.3Asクラツド層
４を２μｍ、アンドープGaAs活性層２（厚さ0.1μ
ｍ）、アンドープAlAsバリア層１（厚さ30Å）、アンド
ープGaAs活性層３（厚さ0.1μｍ）、ｐ型Ga0.7Al0.3As
クラツド層５（厚さ1.5μｍ）、ｐ型GaAsキヤツプ層34
（厚さ0.2μｍ）を順次成長する。前述の超格子バツフ
ア層33は通常の超格子層で十分である。
Organic Chemical-Vapour Deposition）で作製した。ｎ
型GaAs基板32上に、ｎ型GaAs/Ga0.7Al0.3As超格子バツ
フア層33を１μｍ成長後、ｎ型Ga0.7Al0.3Asクラツド層
４を２μｍ、アンドープGaAs活性層２（厚さ0.1μ
ｍ）、アンドープAlAsバリア層１（厚さ30Å）、アンド
ープGaAs活性層３（厚さ0.1μｍ）、ｐ型Ga0.7Al0.3As
クラツド層５（厚さ1.5μｍ）、ｐ型GaAsキヤツプ層34
（厚さ0.2μｍ）を順次成長する。前述の超格子バツフ
ア層33は通常の超格子層で十分である。
通常の半導体レーザのプロセスと同様のプロセスを用い
て、ｐ側及びｎ側の電極35,36を形成し、共振器の反対
面を劈開、電極へのボンデイング等を行なう。
て、ｐ側及びｎ側の電極35,36を形成し、共振器の反対
面を劈開、電極へのボンデイング等を行なう。
得られた半導体レーザ素子にpn接合に対し、順方向にバ
イアスをかけ、キヤリアを注入した場合のエネルギー・
バンド・ダイアグラムは第２図で示したものである。素
子を低温に冷却しながら、注入電流を変化させ特性を調
べた。92Kにおいて、半導体レーザの発振しきい値が、
１μＡのものが得られた。
イアスをかけ、キヤリアを注入した場合のエネルギー・
バンド・ダイアグラムは第２図で示したものである。素
子を低温に冷却しながら、注入電流を変化させ特性を調
べた。92Kにおいて、半導体レーザの発振しきい値が、
１μＡのものが得られた。
実施例３ 実施例２で述べた半導体レーザにおいて、絶縁膜１の両
側にあるレーザ活性層２及び３のバンドギヤツプをGa1-
xAlxAsのAl混晶比ｘと、不純物の濃度を結晶の厚さ方向
に変化させることで、第８図の様にバリア側を小さくす
ることができる。伝導帯と、価電子帯を傾けることによ
り生じる電場により、キヤリアは、バリア側におしつけ
られ、励起子を形成する確率が増大する。第８図ではpn
接合に対し順方向にバイアスを印加している。
側にあるレーザ活性層２及び３のバンドギヤツプをGa1-
xAlxAsのAl混晶比ｘと、不純物の濃度を結晶の厚さ方向
に変化させることで、第８図の様にバリア側を小さくす
ることができる。伝導帯と、価電子帯を傾けることによ
り生じる電場により、キヤリアは、バリア側におしつけ
られ、励起子を形成する確率が増大する。第８図ではpn
接合に対し順方向にバイアスを印加している。
本発明は新しい原理に基づいて、波長、位相のよくそろ
つた発光を得ることが出来る。
つた発光を得ることが出来る。
本発明は、発光デバイスにおいて、信号の発生を、ボー
ズ凝縮を起した系で行なつているため、きわめて少ない
フオトン数で情報を伝達することができる。ボーズ凝縮
を起した励起子の超輻射（Superradiance）は、スペク
トル幅が従来の半導体レーザの1/10でレーザ発振のしき
い電流値は、1/10000であり、半導体レーザの性能を飛
躍的に向上させている。しかも、薄膜バリア層を介した
励起子のボーズ凝縮であるため、 100Kという高温（通常の超伝導状態の得られる温度は約
１ケタ）低い程度である）で凝縮が起る点も、実用上有
利である。バリア層を有しない場合の励起子の凝縮は、
いくら低温にして、高密度励起しても起らない。電子、
正孔液滴になるか、励起子分子になつてしまうからであ
る。励起子分子自身は、数度Ｋの極低温で、ポーズ凝縮
するが、励起子分子の発光の過程で励起子に解離し、か
つ、両者の発光が波長的に異なるため、これまでに、レ
ーザ発振した報告はない。
ズ凝縮を起した系で行なつているため、きわめて少ない
フオトン数で情報を伝達することができる。ボーズ凝縮
を起した励起子の超輻射（Superradiance）は、スペク
トル幅が従来の半導体レーザの1/10でレーザ発振のしき
い電流値は、1/10000であり、半導体レーザの性能を飛
躍的に向上させている。しかも、薄膜バリア層を介した
励起子のボーズ凝縮であるため、 100Kという高温（通常の超伝導状態の得られる温度は約
１ケタ）低い程度である）で凝縮が起る点も、実用上有
利である。バリア層を有しない場合の励起子の凝縮は、
いくら低温にして、高密度励起しても起らない。電子、
正孔液滴になるか、励起子分子になつてしまうからであ
る。励起子分子自身は、数度Ｋの極低温で、ポーズ凝縮
するが、励起子分子の発光の過程で励起子に解離し、か
つ、両者の発光が波長的に異なるため、これまでに、レ
ーザ発振した報告はない。
以上をまとめると、本発明は、電子と正孔をバリア層を
介して、人為的にコントロールしながら再結合させるこ
とで、狭いスペクトル幅を持つ半導体発光素子を提供出
来る。更に低しきい値の実現も可能となし得る。
介して、人為的にコントロールしながら再結合させるこ
とで、狭いスペクトル幅を持つ半導体発光素子を提供出
来る。更に低しきい値の実現も可能となし得る。
第１図は従来の半導体レーザのエネルギー・バンド・ダ
イアグラム、第２図は本発明による電子、正孔分離型半
導体レーザのエネルギー・バンド・ダイアグラム、第３
図は電子と正孔をバリアを介して励起子化した場合に、
ボーズ凝縮を起すことを説明するための図、第４図及び
第５図は本発明の実施例による半導体発光素子の動作原
理を説明する図、第６図は第４図で述べたレーザ発振の
温度特性を示す図、第７図は第９図および第10図は各々
本発明の半導体発光素子の断面図、第８図は電子と正孔
のバリア側への押しつけ効果を持つ半導体発光素子のエ
ネルギー・バンド・ダイアグラムである。 １…バリア層、2,3…アンドープ半導体層、4,5…クラツ
ド層、６…電子、７…正孔、８…伝導帯の下端、９…価
電子帯の上端。
イアグラム、第２図は本発明による電子、正孔分離型半
導体レーザのエネルギー・バンド・ダイアグラム、第３
図は電子と正孔をバリアを介して励起子化した場合に、
ボーズ凝縮を起すことを説明するための図、第４図及び
第５図は本発明の実施例による半導体発光素子の動作原
理を説明する図、第６図は第４図で述べたレーザ発振の
温度特性を示す図、第７図は第９図および第10図は各々
本発明の半導体発光素子の断面図、第８図は電子と正孔
のバリア側への押しつけ効果を持つ半導体発光素子のエ
ネルギー・バンド・ダイアグラムである。 １…バリア層、2,3…アンドープ半導体層、4,5…クラツ
ド層、６…電子、７…正孔、８…伝導帯の下端、９…価
電子帯の上端。
Claims (11)
- 【請求項１】半導体又は絶縁体からなる薄膜をはさんで
相対し、かつその禁制帯エネルギー・ギヤツプが、前記
薄膜よりも小さい第１の半導体層及び第２の半導体層を
有するヘテロ構造を有し、このヘテロ構造は同一の半導
体層中に含まれる電子と正孔の再結合発光よりも、薄膜
を介して対向した電子と正孔がトンネル効果による再結
合に基づいた発光が主となる如く構成され、かつ外部か
ら電場を印加することで、このトンネル再結合発光過程
の確率を制御せしむる手段を有することを特徴とする半
導体発光素子。 - 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の半導体発光素
子において、前記薄膜が構成するバリアを介して電子と
正孔がトンネル結合する確率が、0.6から、１×10-5の
範囲であることを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項３】特許請求の範囲第１項又は第２項記載の半
導体発光素子において前記第１および第２の半導体層の
厚さが200Å以上（好ましくは400Å以上）であり、結晶
組成或いは結晶中の不純物組成或いはその両者により生
じる凝似ポテンシヤル又は外部電界或いは凝似ポテンシ
ヤルと外部電界の両者によつて電子及び正孔をそれぞれ
の前記各半導体層の反対側に押しつけることで、同一半
導体中における電子と正孔の波動函数の重なり部分と比
べ前記薄層を介した電子の波動函数と正孔の波動函数の
重なりの方が大きいことを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項４】特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれか
に記載の半導体発光素子において、前記薄層が直接遷移
型の半導体であることを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項５】特許請求の範囲第１項〜第４項のいずれか
に記載の半導体発光素子において、前記薄層の厚さが、
単原子層から、100Åであることを特徴とする半導体発
光素子。 - 【請求項６】特許請求の範囲第１項記載の半導体発光素
子において、前記薄膜の厚さが、150Å以下であること
を特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項７】特許請求の範囲第１項又は第５項記載の半
導体発光素子において、前記薄膜をはさんで相対する前
記半導体層に、前記薄膜に対して垂直な向きに電場を印
加することで、前記薄膜と半導体の界面の一方に電子
を、もう一方に正孔を集める手段を有する半導体発光素
子。 - 【請求項８】特許請求の範囲第１項〜第７項のいずれか
に記載の半導体発光素子において、前記第１および第２
の半導体層の一方又は両者の半導体の組成或いは不純物
濃度のいずれか一方又は両者を前記薄膜の厚さ方向に対
し一様でなくすることにより、電子及び正孔を前記膜の
近傍に集めたことを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項９】特許請求の範囲第１項〜第８項のいずれか
に記載の半導体発光素子において、前記第１の半導体層
及び前記第２の半導体層よりも禁制帯エネルギーギヤツ
プが大きくかつ導電型の互に相異なる第３および第４の
半導体層で少なくとも前記薄膜、第１および第２の半導
体層を含む積層構造体をはさんだことを特徴とする半導
体発光素子。 - 【請求項１０】特許請求の範囲第１項〜第９項のいずれ
かに記載の半導体発光素子において、前記薄膜がGa1-xA
lxAs前記第１の半導体層が Ga1-yAlyAs前記第２の半導体層が Ga1-zAlzAs;x＞y,z;1≧ｘ＞0.1;0.4＞y,z≧０なること
を特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項１１】特許請求の範囲第１項〜第10項のいずれ
かに記載の半導体発光素子において、前記薄膜がGaxIn
1-xPyAs1-y（ｘ＝0,y＝０を含む）前記第1;第２の半導
体層が GamIn1-mPXAs1-xであることを特徴とする半導体発光素
子。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60058397A JPH0712100B2 (ja) | 1985-03-25 | 1985-03-25 | 半導体発光素子 |
| PCT/JP1986/000051 WO1986005925A1 (en) | 1985-03-25 | 1986-02-07 | Luminescent semiconductor element |
| DE8686901137T DE3688490T2 (de) | 1985-03-25 | 1986-02-07 | Lumineszentes halbleiterelement. |
| EP86901137A EP0215125B1 (en) | 1985-03-25 | 1986-02-07 | Luminescent semiconductor element |
| US07/309,929 US4933728A (en) | 1985-03-25 | 1989-02-13 | Semiconductor optical device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60058397A JPH0712100B2 (ja) | 1985-03-25 | 1985-03-25 | 半導体発光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61218192A JPS61218192A (ja) | 1986-09-27 |
| JPH0712100B2 true JPH0712100B2 (ja) | 1995-02-08 |
Family
ID=13083216
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60058397A Expired - Lifetime JPH0712100B2 (ja) | 1985-03-25 | 1985-03-25 | 半導体発光素子 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4933728A (ja) |
| EP (1) | EP0215125B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0712100B2 (ja) |
| DE (1) | DE3688490T2 (ja) |
| WO (1) | WO1986005925A1 (ja) |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3840717A1 (de) * | 1988-12-02 | 1990-06-07 | Max Planck Gesellschaft | Lichtemittierendes bauelement aus verbindungs-halbleiter |
| JPH0327578A (ja) * | 1989-06-23 | 1991-02-05 | Eastman Kodatsuku Japan Kk | 発光ダイオ―ドアレイ |
| EP0413333A3 (en) * | 1989-08-18 | 1991-07-24 | Hitachi, Ltd. | A superconductized semiconductor device |
| US5051804A (en) * | 1989-12-01 | 1991-09-24 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Photodetector having high speed and sensitivity |
| US5079601A (en) * | 1989-12-20 | 1992-01-07 | International Business Machines Corporation | Optoelectronic devices based on intraband transitions in combinations of type i and type ii tunnel junctions |
| US5005176A (en) * | 1990-04-04 | 1991-04-02 | Hughes Aircraft Company | Method and apparatus for Q-switching a laser |
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| US10162120B2 (en) * | 2013-03-22 | 2018-12-25 | Canadian Microelectronics Corporation | Wafer-level fiber to coupler connector |
| CN113161454B (zh) * | 2021-03-23 | 2022-09-06 | 北京创盈光电医疗科技有限公司 | 一种光疗用红黄光芯片的外延结构及制备方法 |
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1985
- 1985-03-25 JP JP60058397A patent/JPH0712100B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1986
- 1986-02-07 WO PCT/JP1986/000051 patent/WO1986005925A1/ja active IP Right Grant
- 1986-02-07 DE DE8686901137T patent/DE3688490T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1986-02-07 EP EP86901137A patent/EP0215125B1/en not_active Expired - Lifetime
-
1989
- 1989-02-13 US US07/309,929 patent/US4933728A/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Also Published As
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| DE3688490D1 (de) | 1993-07-01 |
| EP0215125A4 (en) | 1988-07-11 |
| JPS61218192A (ja) | 1986-09-27 |
| US4933728A (en) | 1990-06-12 |
| EP0215125B1 (en) | 1993-05-26 |
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| WO1986005925A1 (en) | 1986-10-09 |
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|---|---|---|---|
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