JPH07249833A - 発光素子 - Google Patents
発光素子Info
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- JPH07249833A JPH07249833A JP4005694A JP4005694A JPH07249833A JP H07249833 A JPH07249833 A JP H07249833A JP 4005694 A JP4005694 A JP 4005694A JP 4005694 A JP4005694 A JP 4005694A JP H07249833 A JPH07249833 A JP H07249833A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 低コストで、環境汚染がなく、しかも、既存
のＳｉを基とした電子素子に組み込んだ場合にも種々の
問題が生じない発光素子を提供する。 【構成】 厚みが同じ両シリコン薄膜６と、両シリコン
薄膜６間に配設されるシリコンゲルマニウム混晶薄膜量
子井戸５とからなる活性層２の上下両側に、シリコン薄
膜７とシリコンゲルマニウム混晶薄膜８を交互に多層積
重してなるブラッグ反射器３，４を設け、上記活性層２
のシリコン薄膜６の厚みｄ1 と屈折率ｎ1および量子井
戸５の厚みｄ2 と屈折率ｎ2 が下記の式（１）を満たす
値に設定され、上記両ブラッグ反射器３，４の各薄膜
７，８の厚みがλ／４ｎ3 （λ：量子井戸５の発光波
長、ｎ3 ：各薄膜７，８の屈折率）に設定されている。 ２ｄ1 ×ｎ1 ＋ｄ2 ×ｎ2 ＝λ／２
のＳｉを基とした電子素子に組み込んだ場合にも種々の
問題が生じない発光素子を提供する。 【構成】 厚みが同じ両シリコン薄膜６と、両シリコン
薄膜６間に配設されるシリコンゲルマニウム混晶薄膜量
子井戸５とからなる活性層２の上下両側に、シリコン薄
膜７とシリコンゲルマニウム混晶薄膜８を交互に多層積
重してなるブラッグ反射器３，４を設け、上記活性層２
のシリコン薄膜６の厚みｄ1 と屈折率ｎ1および量子井
戸５の厚みｄ2 と屈折率ｎ2 が下記の式（１）を満たす
値に設定され、上記両ブラッグ反射器３，４の各薄膜
７，８の厚みがλ／４ｎ3 （λ：量子井戸５の発光波
長、ｎ3 ：各薄膜７，８の屈折率）に設定されている。 ２ｄ1 ×ｎ1 ＋ｄ2 ×ｎ2 ＝λ／２
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、活性層に間接遷移型
半導体を用いた発光効率の高い発光素子に関するもので
ある。
半導体を用いた発光効率の高い発光素子に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】従来、発光素子は発光効率の高い直接遷
移型半導体（ＧａＡｓ，ＩｎＰ等）を用いて作製されて
いる。また、最近、発光素子と電子素子を組み合わせた
ＯＥＩＣ（光・電子集積回路）が種々開発されている
が、このようなＯＥＩＣも、発光素子として直接遷移型
半導体を用いていることから、図４に示すように、直接
遷移型半導体を基にして作製されている。このＯＥＩＣ
は、ＩｎＰ基板３１に、ＩｎＰ埋込層３２，３３、活性
層３４、クラッド層３５，ポリイミド分離層３６等から
なるレーザダイオード（ＬＤ）と、ＩｎＰ分離層３７、
ＩｎＰコレクタ層３８、ＩｎＧａＡｓＰベース層３９、
ＩｎＰエミッタ層４０、基板電極４１等からなるヘテロ
接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を組み込んだも
のである。図において、４２はＩｎＰバッファ層であ
る。これに対し、Ｓｉ，Ｇｅ等の間接遷移型半導体は、
発光効率が非常に悪いことから、発光素子には不向きと
されており、発光素子に用いられていないのが実情であ
る。
移型半導体（ＧａＡｓ，ＩｎＰ等）を用いて作製されて
いる。また、最近、発光素子と電子素子を組み合わせた
ＯＥＩＣ（光・電子集積回路）が種々開発されている
が、このようなＯＥＩＣも、発光素子として直接遷移型
半導体を用いていることから、図４に示すように、直接
遷移型半導体を基にして作製されている。このＯＥＩＣ
は、ＩｎＰ基板３１に、ＩｎＰ埋込層３２，３３、活性
層３４、クラッド層３５，ポリイミド分離層３６等から
なるレーザダイオード（ＬＤ）と、ＩｎＰ分離層３７、
ＩｎＰコレクタ層３８、ＩｎＧａＡｓＰベース層３９、
ＩｎＰエミッタ層４０、基板電極４１等からなるヘテロ
接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を組み込んだも
のである。図において、４２はＩｎＰバッファ層であ
る。これに対し、Ｓｉ，Ｇｅ等の間接遷移型半導体は、
発光効率が非常に悪いことから、発光素子には不向きと
されており、発光素子に用いられていないのが実情であ
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＧａＡ
ｓに代表される直接遷移型半導体は、Ｓｉに代表される
間接遷移型半導体に比べ、基板および材料費が高いた
め、従来の発光素子やＯＥＩＣのコストが高くなるとい
う問題がある。しかも、ＧａＡｓ等は、原材料により環
境汚染を引き起こすという問題もある。また、電子素子
は、現在Ｓｉを基にしたものが主流となっていること、
および既存プロセス技術の活用という観点から、ＯＥＩ
ＣにもＳｉを基とした電子素子を用いることが望まれて
いる。しかしながら、このものでは上記Ｓｉを基とした
電子素子にＩＩＩ−Ｖ族半導体やＩＩ−ＶＩ族半導体を
組み込むことになる。ところが、ＩＩ，ＩＩＩ，Ｖ，Ｖ
Ｉ族の元素はＩＶ族のＳｉ内に混入すると電気的不純物
となるため、電子素子の性能劣化の原因になるととも
に、生産ラインを汚染してしまう可能性がある。また、
同一基板上にＩＶ族の元素からなる素子と他族の元素か
らなる素子とを一緒に組み込むことは、格子定数の違い
および熱膨張係数の違い等により結晶性が悪くなるた
め、困難である。このように、従来の、直接遷移型半導
体を用いた発光素子には種々の問題があり、これらの問
題が解消された発光素子の実現が強く要望されている。
ｓに代表される直接遷移型半導体は、Ｓｉに代表される
間接遷移型半導体に比べ、基板および材料費が高いた
め、従来の発光素子やＯＥＩＣのコストが高くなるとい
う問題がある。しかも、ＧａＡｓ等は、原材料により環
境汚染を引き起こすという問題もある。また、電子素子
は、現在Ｓｉを基にしたものが主流となっていること、
および既存プロセス技術の活用という観点から、ＯＥＩ
ＣにもＳｉを基とした電子素子を用いることが望まれて
いる。しかしながら、このものでは上記Ｓｉを基とした
電子素子にＩＩＩ−Ｖ族半導体やＩＩ−ＶＩ族半導体を
組み込むことになる。ところが、ＩＩ，ＩＩＩ，Ｖ，Ｖ
Ｉ族の元素はＩＶ族のＳｉ内に混入すると電気的不純物
となるため、電子素子の性能劣化の原因になるととも
に、生産ラインを汚染してしまう可能性がある。また、
同一基板上にＩＶ族の元素からなる素子と他族の元素か
らなる素子とを一緒に組み込むことは、格子定数の違い
および熱膨張係数の違い等により結晶性が悪くなるた
め、困難である。このように、従来の、直接遷移型半導
体を用いた発光素子には種々の問題があり、これらの問
題が解消された発光素子の実現が強く要望されている。
【０００４】この発明は、このような事情に鑑みなされ
たもので、低コストで、環境汚染がなく、しかも、既存
のＳｉを基とした電子素子に組み込んだ場合にも種々の
問題が生じない発光素子の提供をその目的とする。
たもので、低コストで、環境汚染がなく、しかも、既存
のＳｉを基とした電子素子に組み込んだ場合にも種々の
問題が生じない発光素子の提供をその目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、この発明の発光素子は、第１のシリコン薄膜、シリ
コンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸および上記第１のシ
リコン薄膜と同じ厚みの第２のシリコン薄膜が上記の順
に積層されてなる活性層の上下両側に、シリコンもしく
はシリコン含有組成物で構成された屈折率の異なる２種
類の薄膜を交互に多層積重してなるブラッグ反射器を設
け、上記活性層のシリコン薄膜の厚みと屈折率およびシ
リコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸の厚みと屈折率が
下記の式（１）を満たす値に設定され、上記両ブラッグ
反射器を構成する各薄膜の厚みがシリコンゲルマニウム
混晶薄膜量子井戸の発光波長の１／（４ｎ3 ）（ｎ3 ：
シリコン薄膜もしくはシリコン含有組成物で構成される
薄膜の屈折率）であるという構成をとる。 ２ｄ1 ×ｎ1 ＋ｄ2 ×ｎ2 ＝λ／２ …（１） λ：シリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸の発光波長 ｄ1 ：活性層のシリコン薄膜の厚み ｄ2 ：活性層のシリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸
の厚み ｎ1 ：活性層のシリコン薄膜の屈折率 ｎ2 ：活性層のシリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸
の屈折率
め、この発明の発光素子は、第１のシリコン薄膜、シリ
コンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸および上記第１のシ
リコン薄膜と同じ厚みの第２のシリコン薄膜が上記の順
に積層されてなる活性層の上下両側に、シリコンもしく
はシリコン含有組成物で構成された屈折率の異なる２種
類の薄膜を交互に多層積重してなるブラッグ反射器を設
け、上記活性層のシリコン薄膜の厚みと屈折率およびシ
リコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸の厚みと屈折率が
下記の式（１）を満たす値に設定され、上記両ブラッグ
反射器を構成する各薄膜の厚みがシリコンゲルマニウム
混晶薄膜量子井戸の発光波長の１／（４ｎ3 ）（ｎ3 ：
シリコン薄膜もしくはシリコン含有組成物で構成される
薄膜の屈折率）であるという構成をとる。 ２ｄ1 ×ｎ1 ＋ｄ2 ×ｎ2 ＝λ／２ …（１） λ：シリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸の発光波長 ｄ1 ：活性層のシリコン薄膜の厚み ｄ2 ：活性層のシリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸
の厚み ｎ1 ：活性層のシリコン薄膜の屈折率 ｎ2 ：活性層のシリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸
の屈折率
【０００６】
【作用】すなわち、この発明者は、従来発光素子には不
向きとされていた間接遷移型半導体を用いて発光効率の
高い発光素子を作製することが可能であるならば、低コ
ストで、環境汚染がなく、しかも、既存のＳｉを基とし
た電子素子に組み込んだ場合にも種々の問題が生じない
発光素子を作製することができることを想起し、一連の
研究を行った。その結果、活性層を、第１のシリコン薄
膜、シリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸および上記
第１のシリコン薄膜と同じ厚みの第２のシリコン薄膜を
上記の順に積層したもので構成し、この活性層の上下両
側に設けるブラッグ反射器を、シリコンもしくはシリコ
ン含有組成物で構成された屈折率の異なる２種類の薄膜
を交互に多層積重してなるもので構成し、上記活性層の
シリコン薄膜の厚みと屈折率およびシリコンゲルマニウ
ム混晶薄膜量子井戸の厚みと屈折率を上記の式（１）を
満たす値に設定するとともに、上記両ブラッグ反射器を
構成する各薄膜の厚みをシリコンゲルマニウム混晶薄膜
量子井戸の発光波長の１／（４ｎ3 ）（ｎ3 ：シリコン
薄膜もしくはシリコン含有組成物で構成される薄膜の屈
折率）に設定する場合には、シリコンゲルマニウム混晶
薄膜量子井戸からランダムな方向に発光した光（シリコ
ンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸内で励起された電子が
正孔と再結合する際に生じる光）が、両ブラッグ反射器
で反射され両ブラッグ反射器間を往来する間に、特定方
向（ブラッグ反射器の最外側の薄膜表面から外部に出て
ゆく方向）に集約されるようになり、このとき、下記の
式（２）で与えられる発光効率ＥのτR を約１〜５ｎｓ
にまで低減することができる（すなわち、発光効率が直
接遷移型半導体と同程度に高くなる）ことを突き止め、
この発明に到達した。
向きとされていた間接遷移型半導体を用いて発光効率の
高い発光素子を作製することが可能であるならば、低コ
ストで、環境汚染がなく、しかも、既存のＳｉを基とし
た電子素子に組み込んだ場合にも種々の問題が生じない
発光素子を作製することができることを想起し、一連の
研究を行った。その結果、活性層を、第１のシリコン薄
膜、シリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸および上記
第１のシリコン薄膜と同じ厚みの第２のシリコン薄膜を
上記の順に積層したもので構成し、この活性層の上下両
側に設けるブラッグ反射器を、シリコンもしくはシリコ
ン含有組成物で構成された屈折率の異なる２種類の薄膜
を交互に多層積重してなるもので構成し、上記活性層の
シリコン薄膜の厚みと屈折率およびシリコンゲルマニウ
ム混晶薄膜量子井戸の厚みと屈折率を上記の式（１）を
満たす値に設定するとともに、上記両ブラッグ反射器を
構成する各薄膜の厚みをシリコンゲルマニウム混晶薄膜
量子井戸の発光波長の１／（４ｎ3 ）（ｎ3 ：シリコン
薄膜もしくはシリコン含有組成物で構成される薄膜の屈
折率）に設定する場合には、シリコンゲルマニウム混晶
薄膜量子井戸からランダムな方向に発光した光（シリコ
ンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸内で励起された電子が
正孔と再結合する際に生じる光）が、両ブラッグ反射器
で反射され両ブラッグ反射器間を往来する間に、特定方
向（ブラッグ反射器の最外側の薄膜表面から外部に出て
ゆく方向）に集約されるようになり、このとき、下記の
式（２）で与えられる発光効率ＥのτR を約１〜５ｎｓ
にまで低減することができる（すなわち、発光効率が直
接遷移型半導体と同程度に高くなる）ことを突き止め、
この発明に到達した。
【０００７】 Ｅ＝（１／τR ）／（１／τNR＋１／τR ） …（２）
【０００８】この式で、Ｅは半導体中で励起された電子
が正孔と再結合する際に、これが発光に寄与する効率で
あり、τNRは発光に寄与する再結合の寿命であり、τR
は格子振動（熱）に寄与する再結合の寿命である。そし
て、従来では、Ｓｉの場合、τNRは約１ｎｓであり、τ
R は通常の状態で約１０００ｎｓであるため、発光効率
Ｅは０．００１となり、発光効率が非常に悪いとされて
いた。しかしながら、この発明の発光素子では、上記し
たように、τR を約１〜５ｎｓにまで低減することがで
きるため、発光効率Ｅが０．１〜０．５となり、従来の
約１００〜５００倍となる。したがって、発光効率が非
常に高くなり（直接遷移型半導体と同程度になり）、発
光素子として使用できるようになる。
が正孔と再結合する際に、これが発光に寄与する効率で
あり、τNRは発光に寄与する再結合の寿命であり、τR
は格子振動（熱）に寄与する再結合の寿命である。そし
て、従来では、Ｓｉの場合、τNRは約１ｎｓであり、τ
R は通常の状態で約１０００ｎｓであるため、発光効率
Ｅは０．００１となり、発光効率が非常に悪いとされて
いた。しかしながら、この発明の発光素子では、上記し
たように、τR を約１〜５ｎｓにまで低減することがで
きるため、発光効率Ｅが０．１〜０．５となり、従来の
約１００〜５００倍となる。したがって、発光効率が非
常に高くなり（直接遷移型半導体と同程度になり）、発
光素子として使用できるようになる。
【０００９】つぎに、この発明について詳細に説明す
る。
る。
【００１０】この発明の発光素子は、活性層と、この活
性層の両側に設けられるブラッグ反射器とを備えてい
る。
性層の両側に設けられるブラッグ反射器とを備えてい
る。
【００１１】上記活性層は、シリコンゲルマニウム（Ｓ
ｉ1-X ＧｅX ）混晶薄膜量子井戸の上下両側に、厚みが
同じシリコン（Ｓｉ）薄膜を設けたものからなり、上記
シリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸が活性層の中央
に位置している。上記シリコンゲルマニウム混晶薄膜量
子井戸の発光波長λは、シリコンとゲルマニウムとの混
合比を制御する（すなわち、組成Ｘを制御する）ことに
より、広い範囲で変化させることができる。また、シリ
コン薄膜の屈折率ｎ1 は３．５であり、シリコンゲルマ
ニウム混晶薄膜量子井戸の屈折率ｎ2 は、組成Ｘ（＝０
〜１）の値によって変わり、３．５（Ｘ＝０のとき）〜
４．０（Ｘ＝１のとき）の間で連続的に変化する。そし
て、シリコン薄膜の厚みｄ1 と屈折率ｎ1 （＝３．５）
およびシリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸の厚みｄ
2 と屈折率ｎ2 （＝３．５〜４．０）が上記の式（１）
を満たす値に設定されている。
ｉ1-X ＧｅX ）混晶薄膜量子井戸の上下両側に、厚みが
同じシリコン（Ｓｉ）薄膜を設けたものからなり、上記
シリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸が活性層の中央
に位置している。上記シリコンゲルマニウム混晶薄膜量
子井戸の発光波長λは、シリコンとゲルマニウムとの混
合比を制御する（すなわち、組成Ｘを制御する）ことに
より、広い範囲で変化させることができる。また、シリ
コン薄膜の屈折率ｎ1 は３．５であり、シリコンゲルマ
ニウム混晶薄膜量子井戸の屈折率ｎ2 は、組成Ｘ（＝０
〜１）の値によって変わり、３．５（Ｘ＝０のとき）〜
４．０（Ｘ＝１のとき）の間で連続的に変化する。そし
て、シリコン薄膜の厚みｄ1 と屈折率ｎ1 （＝３．５）
およびシリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸の厚みｄ
2 と屈折率ｎ2 （＝３．５〜４．０）が上記の式（１）
を満たす値に設定されている。
【００１２】上記両ブラッグ反射器は、屈折率の異なる
２種類の薄膜（シリコンもしくはシリコン含有組成物か
らなる）を交互に多層積重したもので構成されている。
ここで、シリコン含有組成物とは、ＳｉＯ2 等のシリコ
ン化合物、および混晶であるシリコンゲルマニウム等、
シリコンが含有されているすべての組成物を指す。上記
ブラッグ反射器を構成する２種類の薄膜としては、シリ
コン薄膜（屈折率３．５）とシリコンゲルマニウム混晶
薄膜（屈折率３．５〜４．０）との組合わせ、もしくは
二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）薄膜（屈折率１．４５５）とシ
リコン薄膜（屈折率３．５）との組合わせが、好適に用
いられる。また、上記２種類の薄膜の組み合わせは、屈
折率の差が大きいものを選択するほど、ブラッグ反射器
の反射効率が良くなる。このような薄膜の厚みは、シリ
コンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸の発光波長λの１／
（４ｎ3 ）（ｎ3 ：シリコン薄膜もしくはシリコン含有
組成物で構成される薄膜の屈折率）に設定されている。
すなわち、上記各厚みは、シリコン薄膜の場合には、λ
／１４（ｎ3 ＝３．５）に設定され、シリコンゲルマニ
ウム混晶薄膜の場合には、λ／（４ｎ3 ）（ｎ3 ＝３．
５〜４．０）に設定され、二酸化珪素薄膜の場合には、
λ／５．８２（ｎ3 ＝１．４５５）に設定されている。
このようなブラッグ反射器を、シリコン薄膜と、屈折率
３．６５５（組成Ｘ＝０．３１）のシリコンゲルマニウ
ム（Ｓｉ0.69Ｇｅ0.31）混晶薄膜とを交互に２０〜２５
層ずつ積層したもので構成した場合には、その反射率は
８０％程度になり、シリコン薄膜と二酸化珪素薄膜とを
交互に５〜１０層ずつ積層したもので構成した場合に
は、その反射率は９０〜９９．９％になる。
２種類の薄膜（シリコンもしくはシリコン含有組成物か
らなる）を交互に多層積重したもので構成されている。
ここで、シリコン含有組成物とは、ＳｉＯ2 等のシリコ
ン化合物、および混晶であるシリコンゲルマニウム等、
シリコンが含有されているすべての組成物を指す。上記
ブラッグ反射器を構成する２種類の薄膜としては、シリ
コン薄膜（屈折率３．５）とシリコンゲルマニウム混晶
薄膜（屈折率３．５〜４．０）との組合わせ、もしくは
二酸化珪素（ＳｉＯ2 ）薄膜（屈折率１．４５５）とシ
リコン薄膜（屈折率３．５）との組合わせが、好適に用
いられる。また、上記２種類の薄膜の組み合わせは、屈
折率の差が大きいものを選択するほど、ブラッグ反射器
の反射効率が良くなる。このような薄膜の厚みは、シリ
コンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸の発光波長λの１／
（４ｎ3 ）（ｎ3 ：シリコン薄膜もしくはシリコン含有
組成物で構成される薄膜の屈折率）に設定されている。
すなわち、上記各厚みは、シリコン薄膜の場合には、λ
／１４（ｎ3 ＝３．５）に設定され、シリコンゲルマニ
ウム混晶薄膜の場合には、λ／（４ｎ3 ）（ｎ3 ＝３．
５〜４．０）に設定され、二酸化珪素薄膜の場合には、
λ／５．８２（ｎ3 ＝１．４５５）に設定されている。
このようなブラッグ反射器を、シリコン薄膜と、屈折率
３．６５５（組成Ｘ＝０．３１）のシリコンゲルマニウ
ム（Ｓｉ0.69Ｇｅ0.31）混晶薄膜とを交互に２０〜２５
層ずつ積層したもので構成した場合には、その反射率は
８０％程度になり、シリコン薄膜と二酸化珪素薄膜とを
交互に５〜１０層ずつ積層したもので構成した場合に
は、その反射率は９０〜９９．９％になる。
【００１３】上記構成の発光素子において、シリコン薄
膜とシリコンゲルマニウム混晶薄膜とを積層したもので
ブラッグ反射器を構成した場合には、光を入射したり、
ｐｎ接合を形成してそこに外部から電流注入したりする
ことにより、シリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸か
ら発光させることができ、また、シリコン薄膜と酸化シ
リコン薄膜とを積層したものでブラッグ反射器を構成し
た場合には、光を入射することにより、シリコンゲルマ
ニウム混晶薄膜量子井戸から発光させることができる。
また、一方のブラッグ反射器の薄膜の層数を他方のブラ
ッグ反射器の薄膜の層数より多くすることにより、他方
のブラッグ反射器の最外側の薄膜表面からのみ光を連続
放出させることができるようになる。
膜とシリコンゲルマニウム混晶薄膜とを積層したもので
ブラッグ反射器を構成した場合には、光を入射したり、
ｐｎ接合を形成してそこに外部から電流注入したりする
ことにより、シリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸か
ら発光させることができ、また、シリコン薄膜と酸化シ
リコン薄膜とを積層したものでブラッグ反射器を構成し
た場合には、光を入射することにより、シリコンゲルマ
ニウム混晶薄膜量子井戸から発光させることができる。
また、一方のブラッグ反射器の薄膜の層数を他方のブラ
ッグ反射器の薄膜の層数より多くすることにより、他方
のブラッグ反射器の最外側の薄膜表面からのみ光を連続
放出させることができるようになる。
【００１４】つぎに、実施例について説明する。
【００１５】図１は、この発明の一実施例を示してい
る。図において、１はシリコン基板であり、この上側に
活性層２、上下のブラッグ反射器３，４およびバッファ
層９が積層されている。上記活性層２は、シリコンゲル
マニウム（Ｓｉ1-X ＧｅX ）混晶薄膜量子井戸５の上下
両側にシリコン（Ｓｉ）薄膜６を設けたもので構成され
ている。また、上記両ブラッグ反射器３，４は、シリコ
ン（Ｓｉ）薄膜７とシリコンゲルマニウム（Ｓｉ1-X Ｇ
ｅX ）混晶薄膜８とをそれぞれ交互に積層したもので構
成されており、下側のブラッグ反射器３には４８層（２
４層×２）の薄膜が積層され、上側のブラッグ反射器４
には４０層（２０層×２）の薄膜が積層されている。そ
して、上記活性層２の両シリコン薄膜６の厚みは８９４
Åに、シリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸５の厚み
は１２０Åにそれぞれ設定されているとともに、シリコ
ンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸５の組成Ｘが０．３１
に設定され、これにより、シリコンゲルマニウム混晶薄
膜量子井戸５の発光波長が１．３４μｍに、屈折率が
３．６５５に設定されている。また、両ブラッグ反射器
３，４の各シリコン薄膜７の厚みは９５７Åに、各シリ
コンゲルマニウム混晶薄膜８の厚みは９３３Åにそれぞ
れ設定されているとともに、シリコンゲルマニウム混晶
薄膜８の組成Ｘが０．１７７に設定され、これにより、
シリコンゲルマニウム混晶薄膜８の屈折率が３．５９に
設定されている。また、上記バッファ層９はシリコンで
構成されている。この実施例の発光素子では、後述する
光の強さの測定が行えるよう、シリコン基板１にＰ型基
板を用い、最上層にキャップ層１０として、リン（Ｐ）
をドープしたＮ型シリコンを設けるようにしている。
る。図において、１はシリコン基板であり、この上側に
活性層２、上下のブラッグ反射器３，４およびバッファ
層９が積層されている。上記活性層２は、シリコンゲル
マニウム（Ｓｉ1-X ＧｅX ）混晶薄膜量子井戸５の上下
両側にシリコン（Ｓｉ）薄膜６を設けたもので構成され
ている。また、上記両ブラッグ反射器３，４は、シリコ
ン（Ｓｉ）薄膜７とシリコンゲルマニウム（Ｓｉ1-X Ｇ
ｅX ）混晶薄膜８とをそれぞれ交互に積層したもので構
成されており、下側のブラッグ反射器３には４８層（２
４層×２）の薄膜が積層され、上側のブラッグ反射器４
には４０層（２０層×２）の薄膜が積層されている。そ
して、上記活性層２の両シリコン薄膜６の厚みは８９４
Åに、シリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸５の厚み
は１２０Åにそれぞれ設定されているとともに、シリコ
ンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸５の組成Ｘが０．３１
に設定され、これにより、シリコンゲルマニウム混晶薄
膜量子井戸５の発光波長が１．３４μｍに、屈折率が
３．６５５に設定されている。また、両ブラッグ反射器
３，４の各シリコン薄膜７の厚みは９５７Åに、各シリ
コンゲルマニウム混晶薄膜８の厚みは９３３Åにそれぞ
れ設定されているとともに、シリコンゲルマニウム混晶
薄膜８の組成Ｘが０．１７７に設定され、これにより、
シリコンゲルマニウム混晶薄膜８の屈折率が３．５９に
設定されている。また、上記バッファ層９はシリコンで
構成されている。この実施例の発光素子では、後述する
光の強さの測定が行えるよう、シリコン基板１にＰ型基
板を用い、最上層にキャップ層１０として、リン（Ｐ）
をドープしたＮ型シリコンを設けるようにしている。
【００１６】上記の発光素子は、図２に示すような装置
を用いて製造される。この装置は、ガスソース分子線エ
ピタキシー装置であり、真空室１１を上下に仕切る仕切
板１２の中央丸穴１２ａの上側大径部にシリコン製均熱
板１３が載置されており、これにより、下側の加熱空間
１４と上側の結晶成長空間１５に仕切られている。上記
加熱空間１４には、上記均熱板１３の下側にヒータ１６
が配設されている。また、上記結晶成長空間１５には、
上記仕切板１２の上面にボルト止めされた４つの基板保
持台１７（図には２つの基板保持台１７しか示されてい
ない）の先端部上面に、円錐状の凸部１７ａが設けられ
ており、これら４つの凸部１７ａ上にシリコン基板１８
が載置されている。上記結晶成長空間１５には、原料ガ
ス供給管１９ａが延びており、マニホールド１９を介し
て上記結晶成長空間１５内に原料ガスを供給できるよう
にしている。これら両空間１４，１５の壁面には、真空
ポンプ（図示せず）から延びる真空排気配管１１ａ，１
１ｂが連通しており、これにより、上記両空間１４，１
５をそれぞれ異なる真空度に設定できるようにしてい
る。
を用いて製造される。この装置は、ガスソース分子線エ
ピタキシー装置であり、真空室１１を上下に仕切る仕切
板１２の中央丸穴１２ａの上側大径部にシリコン製均熱
板１３が載置されており、これにより、下側の加熱空間
１４と上側の結晶成長空間１５に仕切られている。上記
加熱空間１４には、上記均熱板１３の下側にヒータ１６
が配設されている。また、上記結晶成長空間１５には、
上記仕切板１２の上面にボルト止めされた４つの基板保
持台１７（図には２つの基板保持台１７しか示されてい
ない）の先端部上面に、円錐状の凸部１７ａが設けられ
ており、これら４つの凸部１７ａ上にシリコン基板１８
が載置されている。上記結晶成長空間１５には、原料ガ
ス供給管１９ａが延びており、マニホールド１９を介し
て上記結晶成長空間１５内に原料ガスを供給できるよう
にしている。これら両空間１４，１５の壁面には、真空
ポンプ（図示せず）から延びる真空排気配管１１ａ，１
１ｂが連通しており、これにより、上記両空間１４，１
５をそれぞれ異なる真空度に設定できるようにしてい
る。
【００１７】上記装置を用い、公知の方法により、上記
シリコン基板１８の上面に、バッファ層９、下側のブラ
ッグ反射器３、活性層２、上側のブラッグ反射器４およ
びキャップ層１０を順次成長させていき、上記の発光素
子を製造する。
シリコン基板１８の上面に、バッファ層９、下側のブラ
ッグ反射器３、活性層２、上側のブラッグ反射器４およ
びキャップ層１０を順次成長させていき、上記の発光素
子を製造する。
【００１８】このようにして製造された発光素子の上下
に、図３に示すように、電極を設け、電流を流したとこ
ろ、従来の（直接遷移型半導体を用いた）発光素子と同
程度の光の強さを有する光が、矢印に示す方向に放出さ
れるのが観測された。
に、図３に示すように、電極を設け、電流を流したとこ
ろ、従来の（直接遷移型半導体を用いた）発光素子と同
程度の光の強さを有する光が、矢印に示す方向に放出さ
れるのが観測された。
【００１９】
【発明の効果】以上のように、この発明の発光素子によ
れば、活性層のシリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸
からランダムな方向に発光した光を、上記活性層の上下
両側に設けた両ブラッグ反射器により、特定方向に集約
して放出することができるようになるとともに、このと
きの発光効率を直接遷移型半導体と同程度に高くするこ
とができるようになる。そして、このような発光素子
が、Ｓｉ，Ｇｅ等の間接遷移型半導体を用いて作製され
ているため、低コストであり、環境汚染がなく、しか
も、既存のＳｉを基とした電子素子に組み込んだ場合に
も種々の問題が生じなくなる。
れば、活性層のシリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸
からランダムな方向に発光した光を、上記活性層の上下
両側に設けた両ブラッグ反射器により、特定方向に集約
して放出することができるようになるとともに、このと
きの発光効率を直接遷移型半導体と同程度に高くするこ
とができるようになる。そして、このような発光素子
が、Ｓｉ，Ｇｅ等の間接遷移型半導体を用いて作製され
ているため、低コストであり、環境汚染がなく、しか
も、既存のＳｉを基とした電子素子に組み込んだ場合に
も種々の問題が生じなくなる。
【図１】この発明の一実施例を示す発光素子の説明図で
ある。
ある。
【図２】上記発光素子を製造する際に用いる装置の説明
図である。
図である。
【図３】上記発光素子の光の強さを計測している状態を
示す説明図である。
示す説明図である。
【図４】従来のＯＥＩＣの説明図である。
１ シリコン基板 ２ 活性層 ３，４ ブラッグ反射器 ５ シリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸 ６，７ シリコン薄膜 ８ シリコンゲルマニウム混晶薄膜 ９ シリコンバッファ層 １０ キャップ層
Claims (2)
- 【請求項１】 第１のシリコン薄膜、シリコンゲルマニ
ウム混晶薄膜量子井戸および上記第１のシリコン薄膜と
同じ厚みの第２のシリコン薄膜が上記の順に積層されて
なる活性層の上下両側に、シリコンもしくはシリコン含
有組成物で構成された屈折率の異なる２種類の薄膜を交
互に多層積重してなるブラッグ反射器を設け、上記活性
層のシリコン薄膜の厚みと屈折率およびシリコンゲルマ
ニウム混晶薄膜量子井戸の厚みと屈折率が下記の式
（１）を満たす値に設定され、上記両ブラッグ反射器を
構成する各薄膜の厚みが上記シリコンゲルマニウム混晶
薄膜量子井戸の発光波長の１／（４ｎ3 ）（ｎ3 ：シリ
コン薄膜もしくはシリコン含有組成物で構成される薄膜
の屈折率）に設定されていることを特徴とする発光素
子。 ２ｄ1 ×ｎ1 ＋ｄ2 ×ｎ2 ＝λ／２ …（１） λ：シリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸の発光波長 ｄ1 ：活性層のシリコン薄膜の厚み ｄ2 ：活性層のシリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸
の厚み ｎ1 ：活性層のシリコン薄膜の屈折率 ｎ2 ：活性層のシリコンゲルマニウム混晶薄膜量子井戸
の屈折率 - 【請求項２】 両ブラッグ反射器に薄膜が数層から数十
層設けられている請求項１記載の発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4005694A JPH07249833A (ja) | 1994-03-10 | 1994-03-10 | 発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4005694A JPH07249833A (ja) | 1994-03-10 | 1994-03-10 | 発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07249833A true JPH07249833A (ja) | 1995-09-26 |
Family
ID=12570268
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4005694A Pending JPH07249833A (ja) | 1994-03-10 | 1994-03-10 | 発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07249833A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000315807A (ja) * | 1999-03-31 | 2000-11-14 | Fr Telecom | プレーナ・ヘテロ構造の製造方法 |
| JP2008085090A (ja) * | 2006-09-28 | 2008-04-10 | Fujitsu Ltd | 半導体レーザ装置及びその製造方法 |
| US7596158B2 (en) * | 2005-10-28 | 2009-09-29 | Massachusetts Institute Of Technology | Method and structure of germanium laser on silicon |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0555713A (ja) * | 1991-02-04 | 1993-03-05 | Toshiba Corp | 半導体発光素子 |
| JPH05211346A (ja) * | 1991-01-21 | 1993-08-20 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 面形発光素子 |
| JPH05275739A (ja) * | 1991-12-27 | 1993-10-22 | American Teleph & Telegr Co <Att> | 改善された発光ダイオード |
-
1994
- 1994-03-10 JP JP4005694A patent/JPH07249833A/ja active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05211346A (ja) * | 1991-01-21 | 1993-08-20 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 面形発光素子 |
| JPH0555713A (ja) * | 1991-02-04 | 1993-03-05 | Toshiba Corp | 半導体発光素子 |
| JPH05275739A (ja) * | 1991-12-27 | 1993-10-22 | American Teleph & Telegr Co <Att> | 改善された発光ダイオード |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2000315807A (ja) * | 1999-03-31 | 2000-11-14 | Fr Telecom | プレーナ・ヘテロ構造の製造方法 |
| US7596158B2 (en) * | 2005-10-28 | 2009-09-29 | Massachusetts Institute Of Technology | Method and structure of germanium laser on silicon |
| JP2008085090A (ja) * | 2006-09-28 | 2008-04-10 | Fujitsu Ltd | 半導体レーザ装置及びその製造方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20030617 |