JPH0745904A - 励起子レーザ - Google Patents

励起子レーザ

Info

Publication number
JPH0745904A
JPH0745904A JP18614893A JP18614893A JPH0745904A JP H0745904 A JPH0745904 A JP H0745904A JP 18614893 A JP18614893 A JP 18614893A JP 18614893 A JP18614893 A JP 18614893A JP H0745904 A JPH0745904 A JP H0745904A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
exciton
gaas
optical gain
quantum wire
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP18614893A
Other languages
English (en)
Inventor
Shunji Nojima
俊司 野嶋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP18614893A priority Critical patent/JPH0745904A/ja
Publication of JPH0745904A publication Critical patent/JPH0745904A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 励起子による光利得を利用し、量子細線中の
励起子による光利得の特徴を引き出す励起子レーザを提
供することを目的とする。 【構成】 化合物半導体基板上に形成された化合物半導
体の障壁層内に量子細線からなる井戸層を埋め込み、外
部から注入される電流により量子細線内部で形成された
励起子が、フォノンを放出して遷移することにより生じ
た最大利得スペクトラムの発光を用いる構成を特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、励起子による光利得を
利用した励起子レーザに関する。
【0002】
【従来の技術】従来の半導体レーザは、電子および正孔
の高濃度注入により伝導帯中の電子数が価電子帯中の電
子数を凌駕(電子の反転分布を形成)した結果、光の増
幅が起こること(光利得の発生)を利用している。通
常、半導体レーザでは、注入された電子および正孔は互
いに独立な粒子として振る舞うとされる。したがって、
発光は伝導帯内の電子と価電子帯内の正孔の直接的な再
結合(バンド間再結合)により起こると見なされてい
る。しかし、現実には電子と正孔との間にはクーロン引
力が働くので、両粒子は互いに独立に振る舞うことはで
きない。
【0003】ところが、バルク結晶を用いたレーザの場
合には、このクーロン引力は多数の電子・正孔プラズマ
により遮閉されるので、事実上無視しても構わない。す
なわち、バルクレーザの光利得は、電子・正孔のバンド
間再結合により起こるとしても支障はなかった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、電子および正
孔が存在する領域の次元が3次元(バルク)から2次元
に、さらに1次元と下がってくると事情は変わってく
る。
【0005】低次元(特に1次元)構造では、遮閉粒子
が低次元の狭い領域に閉じ込められるので、多数の遮閉
粒子が存在したとしてもクーロン引力に対する遮閉効果
は著しく弱まる。すなわち、低次元構造では、電子と正
孔との間のクーロン引力が無視できなくなる。このため
に電子と正孔はクーロン引力によって結合して励起子を
形成し、バンド間再結合による発光ではなく励起子の消
滅による発光が支配的になる。したがって、光の利得も
励起子発光による利得が支配的となる。
【0006】これまでは、このような低次元半導体レー
ザにおいても光利得は電子・正孔のバンド間再結合の立
場で解釈され、その結果、励起子発光の効果は無視され
てきた。すなわち、励起子発光に特徴的な光利得の利用
を見逃してきた。
【0007】本発明は、この点に着目し、低次元構造
(量子細線)中の励起子による光利得の特徴を引き出す
励起子レーザを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の励起子
レーザは、化合物半導体基板上に形成された化合物半導
体の障壁層内に量子細線からなる井戸層を埋め込み、外
部から注入される電流により量子細線内部で形成された
励起子が、フォノンを放出して遷移することにより生じ
た最大利得スペクトラムの発光を用いる構成を特徴とす
る。
【0009】請求項2に記載の励起子レーザは、請求項
1に記載の励起子レーザにおいて、化合物半導体基板を
GaAs基板とし、障壁層をAlGaAs 層とし、井戸層を
断面形状が矩形で一辺が5〜7nmのGaAs量子細線と
する。
【0010】請求項3に記載の励起子レーザは、請求項
1に記載の励起子レーザにおいて、化合物半導体基板を
InP 基板とし、障壁層をInP 層とし、井戸層を断面
形状が矩形で一辺が4〜9nmのInGaAs 量子細線と
する。
【0011】請求項4に記載の励起子レーザは、請求項
1に記載の励起子レーザにおいて、化合物半導体基板を
ZnSe基板とし、障壁層をZnSe層とし、井戸層を断面
形状が矩形で一辺が7〜11nmのZnCdSe 量子細線と
する。
【0012】
【作用】図2は、量子細線中の励起子の分散関係を示
す。縦軸Eは励起子エネルギ、横軸Kは励起子の重心運
動の波数を表す。なお、量子細線中の励起子の運動は1
次元であるのでKはスカラ量である。「0」,「1」,
「2」,…は、それぞれ基底状態,第1励起状態,第2
励起状態,…を表す。
【0013】光の運動量は非常に小さいので、発光・光
吸収に伴う励起子の消滅・生成はK=0で起こる。ただ
し、この直接的な(1次の)光過程に伴う光の増幅率
は、光子数をN、励起子数をNexとすると、 (N+1)Nex−N(Nex+1)=Nex−N に比例する。この式から、Nに関係した光増幅率が負で
あることがわかる。すなわち、正味の過程としては光吸
収しか存在せず、この過程そのものに伴う光の利得は存
在しないと言える。
【0014】一方、発光・光吸収は必ずK=0で起こる
が、K=0にある励起子のみがこの過程に関与するもの
ではなく、他から供給されてもよい。ここに2次の光過
程による光利得発生の可能性が生ずる。
【0015】図3は、LOフォノンを介した発光過程を
示す。なお、(a),(b) は、それぞれ基底状態、第1励起
状態にある励起子がLOフォノンを放出してK=0の基
底状態に遷移し、その後発光する過程を示している。こ
れに伴う光の増幅率は、LOフォノン数をNphとする
と、 Nex(N+1)(Nph+1)−(Nex+1)N・Nph =Nex(Nph+1)+(Nex−Nph)N に比例する。この式から、Nに関係した光増幅率は(N
ex−Nph)に比例することがわかる。すなわち、Nex>
Nphのときに光の利得が生じる。
【0016】図4は、GaAs量子細線の光利得スペクト
ラムの例を示す。横軸は光子エネルギ(eV)、縦軸は
光利得(×103 cm-1)を表す。GaAs量子細線の断面
寸法は6nm×6nmの正方形とした。励起子密度は2
×106 cm-1である。
【0017】図に示すように、比較的ブロードなスペク
トラムに重畳するようにシャープなスペクトラムが観測
される。前者は、図3(a) に示した基底状態内の励起子
遷移に付随する光利得であり、後者は図3(b) に示した
第1励起状態から基底状態への励起子遷移に付随する光
利得である。後者が鋭い光利得スペクトラムを示すの
は、第1励起状態のK=0付近から基底状態のK=0へ
の散乱が大きな遷移確率を有することによる(S.Nojim
a,Phys.Rev.B46,2303(1992)) 。このような特異な光利
得スペクトラムは、電子・正孔のバンド間再結合におい
てはみられない。この著しく大きな光利得が励起子発光
の特徴であり、これを利用することにより低発振閾値の
励起子レーザを実現することができる。
【0018】
【実施例】図1は、本発明の励起子レーザの実施例構成
を示す図である。図において、n型GaAs基板1上に、
n型Al0.3Ga0.7As 層2を結晶成長させる。さらに、
その上にGaAs活性層を成長させ、電子線リソグラフィ
とエッチングによりアレイ構造のGaAs量子細線3を形
成する。さらに、このアレイ構造のGaAs量子細線3の
間に高いポテンシャルを有するAlAs層4を埋め込み、
その上にp型Al0.3Ga0.7As 層5を成長させる。さら
に電極6を形成し、その後へき開によりレーザダイオー
ドチップを切り出す。符号7はへき開面である。
【0019】ここで、AlAs層4は、アレイ構造になっ
ているGaAs量子細線3の間の領域に電流が流れるのを
防ぐための電流ブロック層になっており、また量子細線
の障壁層にもなっている。n型Al0.3Ga0.7As 層2お
よびp型Al0.3Ga0.7As 層5は、量子細線の障壁層で
あるとともに、光を導波させるためのクラッド層であ
る。
【0020】このような構造の励起子レーザでは、電流
注入により発生した電子および正孔はGaAs量子細線3
中に溜まり、励起子を形成する。この励起子は、上述し
た原理に基づいて、第1励起状態から基底状態へ遷移す
ることにより大きな光利得を生じる。
【0021】本実施例構成による光利得スペクトラムは
図4に示すようになる。ただし、その鋭いピークの最大
値は、図5に示すように、GaAs量子細線3の断面寸法
に依存する。図5において、横軸はGaAs量子細線3の
断面を正方形としたときの一辺の長さL(nm)、縦軸
は光利得(×103 cm-1)を表す。励起子密度は2×10
6 cm-1である。
【0022】光利得は、L=6nm付近において極大を
示す。これは以下の事情による。Lを大きくすると、量
子細線内の励起子密度が減少するために光利得が小さく
なる。一方、Lを小さくすると第一励起状態のエネルギ
が上昇し、そこに分布する励起子の数が減少するために
光利得が小さくなる。両者が釣り合ったところで光利得
は極大を示す。このように、GaAs量子細線3の断面寸
法を最適化すれば、最大の光利得を生じさせることがで
きる。
【0023】また、他の励起子レーザとして、InP 基
板上に形成されるInP 層を障壁層とし、InGaAs 量
子細線を井戸層とする構造としてもよい。この構造にお
けるInGaAs 量子細線の断面寸法と光利得スペクトラ
ムの最大値との関係を図6に示す。横軸はInGaAs 量
子細線の断面を正方形としたときの一辺の長さL(n
m)、縦軸は光利得(×103 cm-1)を表す。光利得
は、L=6nm付近において極大を示す。
【0024】また、他の励起子レーザとして、ZnSe基
板上に形成されるZnSe層を障壁層とし、ZnCdSe 量
子細線を井戸層とする構造としてもよい。この構造にお
けるZnCdSe 量子細線の断面寸法と光利得スペクトラ
ムの最大値との関係を図7に示す。横軸はZnCdSe 量
子細線の断面を正方形としたときの一辺の長さL(n
m)、縦軸は光利得(×103 cm-1)を表す。光利得
は、L=8nm付近において極大を示す。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の励起子レ
ーザは、量子細線の内部に形成される励起子がその第1
励起状態から基底状態へ散乱されることにより生じる光
利得が著しく大きくなることを利用したものである。し
たがって、この光利得を利用すれば、発振閾値の低い半
導体レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の励起子レーザの実施例構成を示す図。
【図2】量子細線中の励起子の分散関係を示す図。
【図3】LOフォノンを介した発光過程を示す図。
【図4】GaAs量子細線の光利得スペクトラムの例を示
す図。
【図5】GaAs量子細線の断面寸法と光利得スペクトラ
ムの最大値との関係を示す図。
【図6】InGaAs 量子細線の断面寸法と光利得スペク
トラムの最大値との関係を示す図。
【図7】ZnCdSe 量子細線の断面寸法と光利得スペク
トラムの最大値との関係を示す図。
【符号の説明】
1 n型GaAs基板 2 n型Al0.3Ga0.7As 層 3 GaAs量子細線 4 AlAs層 5 p型Al0.3Ga0.7As 層 6 電極 7 へき開面

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 化合物半導体基板上に形成された化合物
    半導体の障壁層内に量子細線からなる井戸層を埋め込
    み、外部から注入される電流により量子細線内部で形成
    された励起子が、フォノンを放出して遷移することによ
    り生じた最大利得スペクトラムの発光を用いる構成を特
    徴とする励起子レーザ。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の励起子レーザにおい
    て、 化合物半導体基板をGaAs基板とし、障壁層をAlGaA
    s 層とし、井戸層を断面形状が矩形で一辺が5〜7nm
    のGaAs量子細線とすることを特徴とする励起子レー
    ザ。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の励起子レーザにおい
    て、 化合物半導体基板をInP 基板とし、障壁層をInP 層
    とし、井戸層を断面形状が矩形で一辺が4〜9nmのI
    nGaAs 量子細線とすることを特徴とする励起子レー
    ザ。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載の励起子レーザにおい
    て、 化合物半導体基板をZnSe基板とし、障壁層をZnSe層
    とし、井戸層を断面形状が矩形で一辺が7〜11nmのZ
    nCdSe 量子細線とすることを特徴とする励起子レー
    ザ。
JP18614893A 1993-07-28 1993-07-28 励起子レーザ Pending JPH0745904A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP18614893A JPH0745904A (ja) 1993-07-28 1993-07-28 励起子レーザ

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP18614893A JPH0745904A (ja) 1993-07-28 1993-07-28 励起子レーザ

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH0745904A true JPH0745904A (ja) 1995-02-14

Family

ID=16183226

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP18614893A Pending JPH0745904A (ja) 1993-07-28 1993-07-28 励起子レーザ

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH0745904A (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10321965A (ja) * 1997-03-14 1998-12-04 Toshiba Corp 半導体発光素子
US6078062A (en) * 1996-09-26 2000-06-20 Nec Corporation II-VI compound semiconductor based light emitting device having recombination regions spatially arrayed in a planar direction of the active layer to prevent crack propagation
DE102004035635A1 (de) * 2004-07-22 2006-04-06 Philipps-Universität Marburg Erfindung betreffend Emitterelemente elektromagnetischer Strahlung sowie Verfahren zur Erzeugung von Besetzungsinversionen in solchen Emitterelementen

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6078062A (en) * 1996-09-26 2000-06-20 Nec Corporation II-VI compound semiconductor based light emitting device having recombination regions spatially arrayed in a planar direction of the active layer to prevent crack propagation
JPH10321965A (ja) * 1997-03-14 1998-12-04 Toshiba Corp 半導体発光素子
DE102004035635A1 (de) * 2004-07-22 2006-04-06 Philipps-Universität Marburg Erfindung betreffend Emitterelemente elektromagnetischer Strahlung sowie Verfahren zur Erzeugung von Besetzungsinversionen in solchen Emitterelementen

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2839077B2 (ja) 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
JP2003332694A (ja) 半導体レーザ
JPH0712100B2 (ja) 半導体発光素子
Che et al. Yellow-green ZnCdSe/BeZnTe II-VI laser diodes grown on InP substrates
Asryan et al. Modulation bandwidth of double tunneling-injection quantum dot lasers: Effect of out-tunneling leakage
JP2003506877A (ja) Iii族窒化物4元材料系を用いた半導体構造体
JP3515361B2 (ja) 半導体発光素子
JPH0745904A (ja) 励起子レーザ
JP3146710B2 (ja) 発光素子
JP4620007B2 (ja) アバランシェ量子サブバンド遷移半導体レーザ
JP5740865B2 (ja) 半導体発光素子
JPH11121870A (ja) 光半導体装置
JPH05160504A (ja) 半導体レーザ装置
JP2941270B1 (ja) 超格子半導体発光装置
JP3432968B2 (ja) 半導体発光素子
JP2005136371A (ja) ストレイン補償多重量子井戸を用いる単一モード型レーザダイオード及びその製造方法
JP2003519930A (ja) 相分離が抑制されたiii族窒化物半導体構造
CN216214799U (zh) 垂直共振腔面射型镭射磊晶结构
JP3223969B2 (ja) 半導体レーザ
JP2508649B2 (ja) 半導体発光装置
CN114336270B (zh) 硅基半导体激光器及其制作方法
JP2004111743A (ja) 半導体光素子
JP3255244B2 (ja) 半導体レーザ
JP2941285B2 (ja) 半導体レーザ装置
JP2877747B2 (ja) 超格子半導体発光素子とその発光をオン・オフする方法