JPH08236854A - ユニポーラ半導体レーザ - Google Patents
ユニポーラ半導体レーザInfo
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- JPH08236854A JPH08236854A JP3867095A JP3867095A JPH08236854A JP H08236854 A JPH08236854 A JP H08236854A JP 3867095 A JP3867095 A JP 3867095A JP 3867095 A JP3867095 A JP 3867095A JP H08236854 A JPH08236854 A JP H08236854A
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- barrier layer
- quantum well
- coupled quantum
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- 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
-
- 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
- H01S5/3401—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 having no PN junction, e.g. unipolar lasers, intersubband lasers, quantum cascade lasers
- H01S5/3402—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 having no PN junction, e.g. unipolar lasers, intersubband lasers, quantum cascade lasers intersubband lasers, e.g. transitions within the conduction or valence bands
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- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 発振波長が２μｍ以下でかつ低駆動電圧・低
発振閾値特性を有するユニポーラ半導体レーザを提供す
る。 【構成】 ＩｎＰに格子整合したＩｎＧａＡｓ井戸層
１，２を、ＩｎＰに格子整合したＡｌＡｓＳｂ障壁層
３，４，５を介して結合して結合量子井戸を構成し、こ
れに電子または正孔のいずれか一方を注入し、この結
果、生ずる結合量子井戸中の伝導帯または価電子帯のサ
ブバンド間遷移により発光を行う。
発振閾値特性を有するユニポーラ半導体レーザを提供す
る。 【構成】 ＩｎＰに格子整合したＩｎＧａＡｓ井戸層
１，２を、ＩｎＰに格子整合したＡｌＡｓＳｂ障壁層
３，４，５を介して結合して結合量子井戸を構成し、こ
れに電子または正孔のいずれか一方を注入し、この結
果、生ずる結合量子井戸中の伝導帯または価電子帯のサ
ブバンド間遷移により発光を行う。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電子または正孔のいず
れか一方をレーザの活性層となる結合量子井戸に注入
し、伝導帯または価電子帯のサブバンド間遷移による発
光を利用するユニポーラ半導体レーザに関するものであ
る。
れか一方をレーザの活性層となる結合量子井戸に注入
し、伝導帯または価電子帯のサブバンド間遷移による発
光を利用するユニポーラ半導体レーザに関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】この種のレーザは、１９９４年に初めて
レーザ発振に成功した。この際、ＩｎＰ基板に格子整合
がとれた、３個のＩｎＧａＡｓ井戸層と４個のＩｎＡｌ
Ａｓ障壁層とからなる結合量子井戸を活性層として用い
ている。レーザ発振時の印加電界は約１００ｋＶ／ｃｍ
である。これまで広く用いられてきた電子・正孔を同時
に活性層に注入して再結合させるタイプの半導体レーザ
ダイオードとは動作原理が異なるので、以下、詳しく説
明する。なお、本明細書では混乱を避けるために独立し
た（結合前の）量子井戸の量子準位を小文字のｎ（ｎ＝
１，２）で、また、結合量子井戸の量子準位を大文字の
Ｎ（Ｎ＝１，２，３）で表すものとする。
レーザ発振に成功した。この際、ＩｎＰ基板に格子整合
がとれた、３個のＩｎＧａＡｓ井戸層と４個のＩｎＡｌ
Ａｓ障壁層とからなる結合量子井戸を活性層として用い
ている。レーザ発振時の印加電界は約１００ｋＶ／ｃｍ
である。これまで広く用いられてきた電子・正孔を同時
に活性層に注入して再結合させるタイプの半導体レーザ
ダイオードとは動作原理が異なるので、以下、詳しく説
明する。なお、本明細書では混乱を避けるために独立し
た（結合前の）量子井戸の量子準位を小文字のｎ（ｎ＝
１，２）で、また、結合量子井戸の量子準位を大文字の
Ｎ（Ｎ＝１，２，３）で表すものとする。
【０００３】図１は初めて発振に成功したＩｎＧａＡｓ
／ＩｎＡｌＡｓユニポーラ半導体レーザの伝導帯のエネ
ルギーバンド図である。３個のＩｎＧａＡｓ井戸層と４
個のＩｎＡｌＡｓ障壁層は、全てＩｎＰ基板に格子整合
している。各層の厚さは、左から８Å（ＩｎＧａＡｓ）
／３５Å（ＩｎＡｌＡｓ）／３５Å（ＩｎＧａＡｓ）／
３０Å（ＩｎＡｌＡｓ）／２８Å（ＩｎＧａＡｓ）であ
る。これらの層を積層させると障壁層が薄いため、各々
の井戸層が結合した状態、いわゆる結合量子井戸と呼ば
れる構造ができる。
／ＩｎＡｌＡｓユニポーラ半導体レーザの伝導帯のエネ
ルギーバンド図である。３個のＩｎＧａＡｓ井戸層と４
個のＩｎＡｌＡｓ障壁層は、全てＩｎＰ基板に格子整合
している。各層の厚さは、左から８Å（ＩｎＧａＡｓ）
／３５Å（ＩｎＡｌＡｓ）／３５Å（ＩｎＧａＡｓ）／
３０Å（ＩｎＡｌＡｓ）／２８Å（ＩｎＧａＡｓ）であ
る。これらの層を積層させると障壁層が薄いため、各々
の井戸層が結合した状態、いわゆる結合量子井戸と呼ば
れる構造ができる。
【０００４】この結合量子井戸中のサブバンド間遷移を
利用してレーザ発振をさせる。まず、電子は左側からＮ
＝３のサブバンド準位にトンネル注入され、この電子が
Ｎ＝２の準位に遷移する際の発光を利用する。Ｎ＝２か
らＮ＝１への遷移は非発光遷移で、Ｎ＝１の基底準位に
落ちた電子はＩｎＡｌＡｓ障壁層をトンネルし、結合量
子井戸から速やかに掃き出される。この結合量子井戸の
右側に同じ結合量子井戸を設けると、再び同様の過程で
遷移が起こる。即ち、一個の注入電子が何回かの発光過
程に寄与するので、原理的には量子効率が１以上になる
こともある。
利用してレーザ発振をさせる。まず、電子は左側からＮ
＝３のサブバンド準位にトンネル注入され、この電子が
Ｎ＝２の準位に遷移する際の発光を利用する。Ｎ＝２か
らＮ＝１への遷移は非発光遷移で、Ｎ＝１の基底準位に
落ちた電子はＩｎＡｌＡｓ障壁層をトンネルし、結合量
子井戸から速やかに掃き出される。この結合量子井戸の
右側に同じ結合量子井戸を設けると、再び同様の過程で
遷移が起こる。即ち、一個の注入電子が何回かの発光過
程に寄与するので、原理的には量子効率が１以上になる
こともある。
【０００５】次に、サブバンド間遷移の内容を図２を用
いて詳しく説明する。図２は結合量子井戸（活性層）の
Ｎ＝１，２，３のサブバンド準位のエネルギー（Ｅ1 ，
Ｅ2，Ｅ3 ）と発光・非発光遷移の様子を模式的に示し
たものである。Ｎ＝３の準位にトンネル注入された電子
がＮ＝２の準位に遷移する過程は、発光に寄与する遷移
と、ＬＯフォノン等へエネルギーを与える非発光遷移
（遷移時間をτ32とする。）との２つある。
いて詳しく説明する。図２は結合量子井戸（活性層）の
Ｎ＝１，２，３のサブバンド準位のエネルギー（Ｅ1 ，
Ｅ2，Ｅ3 ）と発光・非発光遷移の様子を模式的に示し
たものである。Ｎ＝３の準位にトンネル注入された電子
がＮ＝２の準位に遷移する過程は、発光に寄与する遷移
と、ＬＯフォノン等へエネルギーを与える非発光遷移
（遷移時間をτ32とする。）との２つある。
【０００６】ここで、発光の遷移時間は１０-12 秒オー
ダであるので、高い発光効率を得るには非発光遷移時間
τ32を１０-11 秒以上にする必要がある。Ｎ＝２の準位
からＮ＝１の準位への遷移はＬＯフォノン等との結合に
よる非発光遷移で、Ｎ＝２の準位を常に空にしておくた
めにこの遷移時間（τ21）はできるだけ短い方が望まし
く、通常１０-13 秒オーダにしている。さらに、Ｎ＝１
の電子を結合量子井戸からトンネルで取り出す時間も短
い方が望ましく、やはり１０-13 秒オーダに設定してい
る。
ダであるので、高い発光効率を得るには非発光遷移時間
τ32を１０-11 秒以上にする必要がある。Ｎ＝２の準位
からＮ＝１の準位への遷移はＬＯフォノン等との結合に
よる非発光遷移で、Ｎ＝２の準位を常に空にしておくた
めにこの遷移時間（τ21）はできるだけ短い方が望まし
く、通常１０-13 秒オーダにしている。さらに、Ｎ＝１
の電子を結合量子井戸からトンネルで取り出す時間も短
い方が望ましく、やはり１０-13 秒オーダに設定してい
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来のこの種のレーザ
には以下のような問題点があった。即ち、 （１）ＩｎＧａＡｓ井戸層とＩｎＡｌＡｓ障壁層との伝
導帯の障壁高さ（ΔＥｃ）が０．５２ｅＶと低いため、
(a) レーザ発振波長は４μｍ以上となる、(b) 外部から
第１の井戸層のＮ＝３の準位に注入された電子がこの準
位に留まらず、再びトンネルにより井戸層を抜け出す確
率が高く、従って、Ｎ＝２の準位への遷移確率が低い、 （２）３個のＩｎＧａＡｓ井戸層を用いているため、構
造が複雑で製造が困難である。
には以下のような問題点があった。即ち、 （１）ＩｎＧａＡｓ井戸層とＩｎＡｌＡｓ障壁層との伝
導帯の障壁高さ（ΔＥｃ）が０．５２ｅＶと低いため、
(a) レーザ発振波長は４μｍ以上となる、(b) 外部から
第１の井戸層のＮ＝３の準位に注入された電子がこの準
位に留まらず、再びトンネルにより井戸層を抜け出す確
率が高く、従って、Ｎ＝２の準位への遷移確率が低い、 （２）３個のＩｎＧａＡｓ井戸層を用いているため、構
造が複雑で製造が困難である。
【０００８】本発明の目的は、発振波長が２μｍ以下で
かつ低駆動電圧・低発振閾値特性を有するユニポーラ半
導体レーザを提供することにある。
かつ低駆動電圧・低発振閾値特性を有するユニポーラ半
導体レーザを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、バンド
ギャップの異なる２種以上の半導体材料を接合させて形
成される井戸層を少なくとも２個、バンドギャップの大
きな障壁層を介して結合した結合量子井戸に電子または
正孔のいずれか一方を注入し、この結果、生ずる結合量
子井戸中の伝導帯または価電子帯のサブバンド間遷移に
よる発光を利用するユニポーラ半導体レーザにおいて、
ＩｎＡｌＡｓ障壁層の代わりにＩｎＰ基板に格子整合し
たＡｌＡｓＳｂ障壁層を用いることにより伝導帯の障壁
高さ（ΔＥｃ）をこれまでの０．５２ｅＶから１．７５
ｅＶに上げることである。
ギャップの異なる２種以上の半導体材料を接合させて形
成される井戸層を少なくとも２個、バンドギャップの大
きな障壁層を介して結合した結合量子井戸に電子または
正孔のいずれか一方を注入し、この結果、生ずる結合量
子井戸中の伝導帯または価電子帯のサブバンド間遷移に
よる発光を利用するユニポーラ半導体レーザにおいて、
ＩｎＡｌＡｓ障壁層の代わりにＩｎＰ基板に格子整合し
たＡｌＡｓＳｂ障壁層を用いることにより伝導帯の障壁
高さ（ΔＥｃ）をこれまでの０．５２ｅＶから１．７５
ｅＶに上げることである。
【００１０】
【作用】この結果、以下の改善を図ることができる。即
ち、(i) サブバンド間隔を大きくできるため、レーザ発
振波長を光通信等で利用される波長帯２μｍ以下にで
き、(ii)障壁層が高くなるため、外部から第１の井戸層
のＮ＝３のサブバンド準位に注入された電子が再びトン
ネルで抜け出す確率を低くでき、これによって低注入電
子密度でも反転分布が実現でき、発振閾値が下げられ、
さらに、(iii) ＧａＡｓＳｂ等を用いて電子の出射側の
ΔＥｃを１．３〜１．７ｅＶに下げると、基底状態（Ｎ
＝１）の電子が速やかに結合量子井戸（活性層）から掃
き出せるため、Ｎ＝２の準位とＮ＝３の準位との間の反
転分布が得易くなり、低発振閾値化が図れる。
ち、(i) サブバンド間隔を大きくできるため、レーザ発
振波長を光通信等で利用される波長帯２μｍ以下にで
き、(ii)障壁層が高くなるため、外部から第１の井戸層
のＮ＝３のサブバンド準位に注入された電子が再びトン
ネルで抜け出す確率を低くでき、これによって低注入電
子密度でも反転分布が実現でき、発振閾値が下げられ、
さらに、(iii) ＧａＡｓＳｂ等を用いて電子の出射側の
ΔＥｃを１．３〜１．７ｅＶに下げると、基底状態（Ｎ
＝１）の電子が速やかに結合量子井戸（活性層）から掃
き出せるため、Ｎ＝２の準位とＮ＝３の準位との間の反
転分布が得易くなり、低発振閾値化が図れる。
【００１１】また、前記改善に加え、以下の改善を図る
こともできる。即ち、 (I) 井戸層が２個の場合 (イ) 電子の出射側の障壁層のΔＥｃを１．３〜１．７ｅ
Ｖに下げることにより、動作電圧を下げるとともにさら
なる短波長化を可能とし、また、(ロ) 井戸層を３個から
２個へ減らすことにより構造の簡素化を図り、素子製造
を容易にする、 (II)井戸層が３個の場合 (ハ) 一番狭い井戸層を除く２つの井戸層の幅を等しくす
ることにより、動作電界を下げ、また、(ニ) ３個の井戸
層を用いることによって２個の井戸層より電界による波
長シフト量を大きくする。
こともできる。即ち、 (I) 井戸層が２個の場合 (イ) 電子の出射側の障壁層のΔＥｃを１．３〜１．７ｅ
Ｖに下げることにより、動作電圧を下げるとともにさら
なる短波長化を可能とし、また、(ロ) 井戸層を３個から
２個へ減らすことにより構造の簡素化を図り、素子製造
を容易にする、 (II)井戸層が３個の場合 (ハ) 一番狭い井戸層を除く２つの井戸層の幅を等しくす
ることにより、動作電界を下げ、また、(ニ) ３個の井戸
層を用いることによって２個の井戸層より電界による波
長シフト量を大きくする。
【００１２】
【実施例】この種の新型レーザの設計法はまだない。従
って、ここでは実施例に上げる井戸幅や障壁層厚・高さ
等の構造パラメータの設定根拠について詳しく説明す
る。また、説明は全て電子について行うが、正孔につい
ても同様のことが成り立つ。
って、ここでは実施例に上げる井戸幅や障壁層厚・高さ
等の構造パラメータの設定根拠について詳しく説明す
る。また、説明は全て電子について行うが、正孔につい
ても同様のことが成り立つ。
【００１３】（実施例１）図３はＩｎＰ基板に格子整合
された２個のＩｎＧａＡｓ井戸層と３個のＡｌＡｓＳｂ
障壁層とからなる結合量子井戸（活性層）を有する本発
明の第１の実施例を示す。図中，１，２は第１，第２の
井戸層、３，４，５は障壁層である。
された２個のＩｎＧａＡｓ井戸層と３個のＡｌＡｓＳｂ
障壁層とからなる結合量子井戸（活性層）を有する本発
明の第１の実施例を示す。図中，１，２は第１，第２の
井戸層、３，４，５は障壁層である。
【００１４】第１の井戸層１のＮ＝３の量子準位に外部
からトンネル注入される電子は、第１の井戸層１と第２
の井戸層２との間の障壁層４の高さが従来のＩｎＡｌＡ
ｓ障壁層と比較して１．７５ｅＶと高いため、再びトン
ネルで抜け出す確率は低く、効率良くＮ＝３の準位に蓄
えられる。このため、低注入電子密度でも反転分布が得
られ、発振閾値が低くなる。また、Ｎ＝３の準位に外部
から注入された電子は、井戸層１内でＮ＝２の準位に発
光遷移し、さらにＮ＝１の準位に非発光遷移してからＡ
ｌＡｓＳｂ障壁層４をトンネンルし、結合量子井戸（活
性層）から出ていく。
からトンネル注入される電子は、第１の井戸層１と第２
の井戸層２との間の障壁層４の高さが従来のＩｎＡｌＡ
ｓ障壁層と比較して１．７５ｅＶと高いため、再びトン
ネルで抜け出す確率は低く、効率良くＮ＝３の準位に蓄
えられる。このため、低注入電子密度でも反転分布が得
られ、発振閾値が低くなる。また、Ｎ＝３の準位に外部
から注入された電子は、井戸層１内でＮ＝２の準位に発
光遷移し、さらにＮ＝１の準位に非発光遷移してからＡ
ｌＡｓＳｂ障壁層４をトンネンルし、結合量子井戸（活
性層）から出ていく。
【００１５】この際、重要なことは基底状態（Ｎ＝１）
のみが井戸層２に存在し（厳密に言えば、井戸層１中の
Ｎ＝１の電子の存在確率は零ではない。）、Ｎ＝２，３
の準位の電子は主に井戸層１に存在することである。も
し、Ｎ＝２，３の準位の電子が井戸層２に存在すれば、
これらの電子はＮ＝１の準位の電子よりエネルギー準位
が高いため、結合量子井戸（活性層）から抜け出すトン
ネル確率が大きくなり、従って、活性層に閉じ込められ
なくなり、Ｎ＝３の準位とＮ＝２の準位との間の発光遷
移は起こらなくなる。
のみが井戸層２に存在し（厳密に言えば、井戸層１中の
Ｎ＝１の電子の存在確率は零ではない。）、Ｎ＝２，３
の準位の電子は主に井戸層１に存在することである。も
し、Ｎ＝２，３の準位の電子が井戸層２に存在すれば、
これらの電子はＮ＝１の準位の電子よりエネルギー準位
が高いため、結合量子井戸（活性層）から抜け出すトン
ネル確率が大きくなり、従って、活性層に閉じ込められ
なくなり、Ｎ＝３の準位とＮ＝２の準位との間の発光遷
移は起こらなくなる。
【００１６】そこで、まず、動作電界でＮ＝２，３の準
位の電子が主に井戸層１に存在するための条件（井戸
幅、障壁層厚）について説明する。
位の電子が主に井戸層１に存在するための条件（井戸
幅、障壁層厚）について説明する。
【００１７】図４にＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂユニポ
ーラ半導体レーザの伝導帯のエネルギーバンド図を示
す。図中、(a) は独立した量子井戸、(b) 及び(c) は厚
さＬbの障壁層で結合された結合量子井戸の場合をそれ
ぞれ示す。ここで、Ｆは電界である。図中のｎ＝１，２
の記号は独立した第１の井戸層（井戸幅Ｌw1）、第２の
井戸層（井戸幅Ｌw2）のエネルギー準位である。
ーラ半導体レーザの伝導帯のエネルギーバンド図を示
す。図中、(a) は独立した量子井戸、(b) 及び(c) は厚
さＬbの障壁層で結合された結合量子井戸の場合をそれ
ぞれ示す。ここで、Ｆは電界である。図中のｎ＝１，２
の記号は独立した第１の井戸層（井戸幅Ｌw1）、第２の
井戸層（井戸幅Ｌw2）のエネルギー準位である。
【００１８】図４(a) において、厚さＬb の障壁層で２
つの井戸層を結合させた場合、即ち結合量子井戸を形成
した場合、エネルギーの低い順に第１の井戸層のｎ＝１
の準位が結合量子井戸のＮ＝１の準位になって主に第１
の井戸層に存在し、第２の井戸層のｎ＝１の準位は結合
量子井戸のＮ＝２の準位になって主に第２の井戸層に存
在する。さらに、第１の井戸層のｎ＝２の準位の電子は
結合量子井戸のＮ＝３の準位となって主に第１の井戸層
に存在する。
つの井戸層を結合させた場合、即ち結合量子井戸を形成
した場合、エネルギーの低い順に第１の井戸層のｎ＝１
の準位が結合量子井戸のＮ＝１の準位になって主に第１
の井戸層に存在し、第２の井戸層のｎ＝１の準位は結合
量子井戸のＮ＝２の準位になって主に第２の井戸層に存
在する。さらに、第１の井戸層のｎ＝２の準位の電子は
結合量子井戸のＮ＝３の準位となって主に第１の井戸層
に存在する。
【００１９】ここで、Ｌw1＞Ｌw2とすると、結合量子井
戸に対して電界を図４(b) に示す方向で増加させた場
合、第１の井戸層、第２の井戸層のｎ＝１の準位が一致
する電界（Ｆmin と定義する。）が存在する。
戸に対して電界を図４(b) に示す方向で増加させた場
合、第１の井戸層、第２の井戸層のｎ＝１の準位が一致
する電界（Ｆmin と定義する。）が存在する。
【００２０】Ｆmin 以上の電界では第２の井戸層のｎ＝
１の電子が第１の井戸層のｎ＝１の準位より低エネルギ
ー側にあるため、結合量子井戸のＮ＝１の準位の電子が
主に第２の井戸層に存在することになる。このような状
態でも第１の井戸層のｎ＝２のエネルギー準位が第２の
井戸層のｎ＝２のエネルギー準位より低いから、結合量
子井戸のＮ＝３の準位の電子は主に第１の井戸層側に存
在することになる。
１の電子が第１の井戸層のｎ＝１の準位より低エネルギ
ー側にあるため、結合量子井戸のＮ＝１の準位の電子が
主に第２の井戸層に存在することになる。このような状
態でも第１の井戸層のｎ＝２のエネルギー準位が第２の
井戸層のｎ＝２のエネルギー準位より低いから、結合量
子井戸のＮ＝３の準位の電子は主に第１の井戸層側に存
在することになる。
【００２１】従って、Ｆ＞Ｆmin で図３のエネルギーバ
ンドの状態が実現される。さらに電界を増すと結合量子
井戸のＮ＝３の準位の電子が第１の井戸層から第２の井
戸層に移動し、図３の状態が壊されてレーザ発振が不能
になる。図４(c) に示すように第１の井戸層と第２の井
戸層のｎ＝２の準位が一致すると（この時の電界をＦma
x と定義する。）、このような移動が起こる。
ンドの状態が実現される。さらに電界を増すと結合量子
井戸のＮ＝３の準位の電子が第１の井戸層から第２の井
戸層に移動し、図３の状態が壊されてレーザ発振が不能
になる。図４(c) に示すように第１の井戸層と第２の井
戸層のｎ＝２の準位が一致すると（この時の電界をＦma
x と定義する。）、このような移動が起こる。
【００２２】もし、Ｌw1≦Ｌw2ならば、結合量子井戸の
Ｎ＝３の準位の電子が第２の井戸層側に常に存在するの
で、図３の状態は実現できない。
Ｎ＝３の準位の電子が第２の井戸層側に常に存在するの
で、図３の状態は実現できない。
【００２３】次に、井戸幅Ｌw1，Ｌw2、障壁層厚Ｌb 及
び電界Ｆmin ，Ｆmax の関係を具体的に図５に示す。こ
こでは簡単のため、障壁層厚Ｌb ＝Ｌw1とした。なお、
Ｌbの決め方は後述する。素子の動作電界の範囲は斜線
に示すが、井戸幅Ｌw2に大きく依存し、また、Ｌw1が大
きいほど動作電界は低く設定できる。所望の発振波長の
許容する範囲内でＬw1をできるだけ大きくする方が低動
作電界になる。なお、波長とＬw1との関係についても後
述する。
び電界Ｆmin ，Ｆmax の関係を具体的に図５に示す。こ
こでは簡単のため、障壁層厚Ｌb ＝Ｌw1とした。なお、
Ｌbの決め方は後述する。素子の動作電界の範囲は斜線
に示すが、井戸幅Ｌw2に大きく依存し、また、Ｌw1が大
きいほど動作電界は低く設定できる。所望の発振波長の
許容する範囲内でＬw1をできるだけ大きくする方が低動
作電界になる。なお、波長とＬw1との関係についても後
述する。
【００２４】障壁層厚Ｌb により非発光遷移時間を変え
ることができる。これは結合量子井戸のＬb を零から少
しずつ増加させると、Ｅ2 とＥ3 とのエネルギー間隔が
増加し、逆にＥ2 とＥ1 とのエネルギー間隔が減少する
のに伴い、τ32が増加しτ21が減少するからである。図
２で説明したが、準位Ｎ＝２，３間の非発光遷移時間τ
32はできるだけ長く１０-11 秒オーダ、準位Ｎ＝２，１
間の非発光遷移時間τ21はできるだけ短く１０-13 秒オ
ーダが望ましい。
ることができる。これは結合量子井戸のＬb を零から少
しずつ増加させると、Ｅ2 とＥ3 とのエネルギー間隔が
増加し、逆にＥ2 とＥ1 とのエネルギー間隔が減少する
のに伴い、τ32が増加しτ21が減少するからである。図
２で説明したが、準位Ｎ＝２，３間の非発光遷移時間τ
32はできるだけ長く１０-11 秒オーダ、準位Ｎ＝２，１
間の非発光遷移時間τ21はできるだけ短く１０-13 秒オ
ーダが望ましい。
【００２５】Ｌw1＝２１Å、Ｌw2＝１８Åの結合量子井
戸を例として電界Ｆmin 及びＦmaxにおける非発光遷移
時間と障壁層厚Ｌb との関係を図６に示す。ここで、低
動作電界化のためには、Ｌw2はＬw2＜Ｌw1の関係を満足
する範囲でできるだけＬw1に近い方が良いので、Ｌw1よ
り約１原子層分（３Å）薄くした。この図から、(1)τ
32をできるだけ大きく、τ21をできるだけ小さくするに
は最適なＬb の厚さ（Ｌboptと表す。）が存在するこ
と、(2) 電界が大きくなるにつれてτ32が減少し、τ21
が増加するという特性劣化があることが明かである。他
のＬw1についても同様の傾向がある。Ｌbopt付近ではτ
32、τ21ともにＬb に対して緩やかに変化するため、実
際のＬb はＬboptから±３Å程度の変動が許される。
戸を例として電界Ｆmin 及びＦmaxにおける非発光遷移
時間と障壁層厚Ｌb との関係を図６に示す。ここで、低
動作電界化のためには、Ｌw2はＬw2＜Ｌw1の関係を満足
する範囲でできるだけＬw1に近い方が良いので、Ｌw1よ
り約１原子層分（３Å）薄くした。この図から、(1)τ
32をできるだけ大きく、τ21をできるだけ小さくするに
は最適なＬb の厚さ（Ｌboptと表す。）が存在するこ
と、(2) 電界が大きくなるにつれてτ32が減少し、τ21
が増加するという特性劣化があることが明かである。他
のＬw1についても同様の傾向がある。Ｌbopt付近ではτ
32、τ21ともにＬb に対して緩やかに変化するため、実
際のＬb はＬboptから±３Å程度の変動が許される。
【００２６】図７に非発光遷移時間を最適にする障壁層
厚Ｌbopt及び電界Ｆmin とＬw1との関係をまとめた。低
電圧化のためにＬw2＝Ｌw1−３（Å）としている。図７
においても図６と同様、Ｌb はＬboptより±３Å程度の
変動は許されるが、７〜１９Åの範囲にある。
厚Ｌbopt及び電界Ｆmin とＬw1との関係をまとめた。低
電圧化のためにＬw2＝Ｌw1−３（Å）としている。図７
においても図６と同様、Ｌb はＬboptより±３Å程度の
変動は許されるが、７〜１９Åの範囲にある。
【００２７】図８は電界Ｆmin 及びＦmax におけるレー
ザ発振波長とＬw1との関係並びにＦmin とＬw1との関係
を示すものである。ここでも低動作電圧化のためにＬw2
＝Ｌw1−３（Å）としている。Ｌw1が２７Å以下で波長
２μｍより短い波長が得られる。また、動作電界は１３
０ｋＶ／ｃｍである。
ザ発振波長とＬw1との関係並びにＦmin とＬw1との関係
を示すものである。ここでも低動作電圧化のためにＬw2
＝Ｌw1−３（Å）としている。Ｌw1が２７Å以下で波長
２μｍより短い波長が得られる。また、動作電界は１３
０ｋＶ／ｃｍである。
【００２８】これまで、基底状態（Ｎ＝１）の電子の取
り出し（出射）側の障壁層をＡｌＡｓＳｂ（ΔＥｃ＝
１．７５ｅＶ）としてきた。ＧａＡｓＳｂ等を用いて、
このΔＥｃを下げると動作電界強度を低減できる。その
例を図９に示す。Ｌw1＝２０Å，２１Åの２種類の結合
量子井戸における電子の出射側のΔＥｃを下げた時の電
界Ｆmax 及びＦmin を図示したもので、ΔＥｃの減少に
伴ってＦmin 及びＦmaxがともに減少する。これは第２
の井戸層のＥ1 （ｎ＝１），Ｅ2 （ｎ＝２）が減少する
ためであり、ΔＥｃをさらに下げるとＦmax 及びＦmin
の値が逆転する。従って、電子の出射側のΔＥｃを下げ
ると動作電界範囲は狭くなるものの、動作電界は下げる
ことができる。例えば、Ｌw1＝２０Åの井戸層で障壁層
のΔＥｃを１．５ｅＶに下げると、Ｆmin ＝２３５（Ｌ
bopt＝１５Å）から１７７ｋＶ／ｃｍ（Ｌbopt＝１７
Å）に低減できる。
り出し（出射）側の障壁層をＡｌＡｓＳｂ（ΔＥｃ＝
１．７５ｅＶ）としてきた。ＧａＡｓＳｂ等を用いて、
このΔＥｃを下げると動作電界強度を低減できる。その
例を図９に示す。Ｌw1＝２０Å，２１Åの２種類の結合
量子井戸における電子の出射側のΔＥｃを下げた時の電
界Ｆmax 及びＦmin を図示したもので、ΔＥｃの減少に
伴ってＦmin 及びＦmaxがともに減少する。これは第２
の井戸層のＥ1 （ｎ＝１），Ｅ2 （ｎ＝２）が減少する
ためであり、ΔＥｃをさらに下げるとＦmax 及びＦmin
の値が逆転する。従って、電子の出射側のΔＥｃを下げ
ると動作電界範囲は狭くなるものの、動作電界は下げる
ことができる。例えば、Ｌw1＝２０Åの井戸層で障壁層
のΔＥｃを１．５ｅＶに下げると、Ｆmin ＝２３５（Ｌ
bopt＝１５Å）から１７７ｋＶ／ｃｍ（Ｌbopt＝１７
Å）に低減できる。
【００２９】電子の出射側の障壁層のΔＥｃを低くした
場合における、結合量子井戸のＥ3（Ｎ＝３），Ｅ2
（Ｎ＝２）サブバンド間遷移による発光波長の電界依存
性を図１０に示す（但し、全ての電界でレーザ発振条件
が満たされているわけではない。）。例としてＬw1＝２
０Å、Ｌw2＝１７ÅでΔＥｃ＝１．７５ｅＶ及び１．５
０ｅＶの２種類の井戸層について示す。
場合における、結合量子井戸のＥ3（Ｎ＝３），Ｅ2
（Ｎ＝２）サブバンド間遷移による発光波長の電界依存
性を図１０に示す（但し、全ての電界でレーザ発振条件
が満たされているわけではない。）。例としてＬw1＝２
０Å、Ｌw2＝１７ÅでΔＥｃ＝１．７５ｅＶ及び１．５
０ｅＶの２種類の井戸層について示す。
【００３０】図から明らかなようにΔＥｃを小さくする
と、発光波長は短波長側にシフトする利点がある。これ
は図６の場合と同様の非発光遷移時間とＬb との関係か
らΔＥｃ＝１．５０ｅＶに対する最適障壁層厚Ｌboptは
１７Åと求まり、ΔＥｃ＝１．７５ｅＶの１５Åと比べ
て厚くなり、この結果、Ｅ2 （Ｎ＝２），Ｅ3 （Ｎ＝
３）間のエネルギー間隔が広くなったためである。他の
Ｌw1に対しても同様な傾向が見られる。また、図１０で
は発光波長は電界の増加とともに短波長側にシフトして
いる。これは本構造のレーザが電界によりレーザ発振波
長を変えることができる波長可変レーザであることを示
している。
と、発光波長は短波長側にシフトする利点がある。これ
は図６の場合と同様の非発光遷移時間とＬb との関係か
らΔＥｃ＝１．５０ｅＶに対する最適障壁層厚Ｌboptは
１７Åと求まり、ΔＥｃ＝１．７５ｅＶの１５Åと比べ
て厚くなり、この結果、Ｅ2 （Ｎ＝２），Ｅ3 （Ｎ＝
３）間のエネルギー間隔が広くなったためである。他の
Ｌw1に対しても同様な傾向が見られる。また、図１０で
は発光波長は電界の増加とともに短波長側にシフトして
いる。これは本構造のレーザが電界によりレーザ発振波
長を変えることができる波長可変レーザであることを示
している。
【００３１】電子の出射側のΔＥｃを下げると、さらに
もう１つの利点が現れる。図１１はＬw1＝２０Å、Ｌw2
＝１７Åの結合量子井戸における基底状態（Ｎ＝１）の
電子が結合量子井戸から取り出される脱出時間と障壁層
厚との関係をプロットしたものである。障壁層の高さが
高いので、この脱出時間は障壁層のトンネル時間（熱電
子放出時間は約１桁大きい）で決まる。
もう１つの利点が現れる。図１１はＬw1＝２０Å、Ｌw2
＝１７Åの結合量子井戸における基底状態（Ｎ＝１）の
電子が結合量子井戸から取り出される脱出時間と障壁層
厚との関係をプロットしたものである。障壁層の高さが
高いので、この脱出時間は障壁層のトンネル時間（熱電
子放出時間は約１桁大きい）で決まる。
【００３２】一般に、反転分布を容易に得るため、レー
ザ発振に関与する下の準位を常に空にしておくことが望
ましい。このため、Ｎ＝１の準位の電子を速やかに取り
出す必要がある。図から明らかなように、ΔＥｃ＝１．
７５ｅＶ（Ｌb ＝１５Å）から１．５０ｅＶ（Ｌb ＝１
７Å）に下げると脱出時間が数分の１に低減できるの
で、τ21を十分小さくすれば低注入電子密度で反転分布
が得られ、発振閾値が低減できる。
ザ発振に関与する下の準位を常に空にしておくことが望
ましい。このため、Ｎ＝１の準位の電子を速やかに取り
出す必要がある。図から明らかなように、ΔＥｃ＝１．
７５ｅＶ（Ｌb ＝１５Å）から１．５０ｅＶ（Ｌb ＝１
７Å）に下げると脱出時間が数分の１に低減できるの
で、τ21を十分小さくすれば低注入電子密度で反転分布
が得られ、発振閾値が低減できる。
【００３３】（実施例２）第１の実施例における２個の
ＩｎＧａＡｓ井戸層にもう１個加えると、最小動作電界
を大幅に低減できる。さらに、電子の出射側のΔＥｃを
下げると零バイアスでも図３に示した電子分布を実現す
ることが可能になる。以下、この構造を有する第２の実
施例について詳しく説明する。
ＩｎＧａＡｓ井戸層にもう１個加えると、最小動作電界
を大幅に低減できる。さらに、電子の出射側のΔＥｃを
下げると零バイアスでも図３に示した電子分布を実現す
ることが可能になる。以下、この構造を有する第２の実
施例について詳しく説明する。
【００３４】図１２はＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ結合
量子井戸を構成する井戸幅Ｌw1，Ｌw2，Ｌw3の３個のＩ
ｎＧａＡｓ井戸層の伝導帯のエネルギーバンドを示す。
これらは結合前の各々独立した井戸であり、量子準位ｎ
＝１，２は独立した（結合前の）井戸層に対するもので
ある。２個の井戸層の場合と同様にＡｌＡｓＳｂ障壁層
を用いると、外部から第１の井戸層のＮ＝３の量子準位
に注入された電子は第１の井戸層と第２の井戸層との間
の障壁層が高いため、再びトンネルで抜け出す確率は低
く、効率良く第１の井戸層のＮ＝３の準位に蓄えられ
る。このため、低注入電子密度でも反転分布が得られ、
発振閾値を低くできる。
量子井戸を構成する井戸幅Ｌw1，Ｌw2，Ｌw3の３個のＩ
ｎＧａＡｓ井戸層の伝導帯のエネルギーバンドを示す。
これらは結合前の各々独立した井戸であり、量子準位ｎ
＝１，２は独立した（結合前の）井戸層に対するもので
ある。２個の井戸層の場合と同様にＡｌＡｓＳｂ障壁層
を用いると、外部から第１の井戸層のＮ＝３の量子準位
に注入された電子は第１の井戸層と第２の井戸層との間
の障壁層が高いため、再びトンネルで抜け出す確率は低
く、効率良く第１の井戸層のＮ＝３の準位に蓄えられ
る。このため、低注入電子密度でも反転分布が得られ、
発振閾値を低くできる。
【００３５】図１のような３個の井戸層からなる結合量
子井戸に対するＮ＝１，２，３の準位の電子分布（個々
の井戸層の準位ｎ＝１，２ではない。）を実現するため
の設計上の考え方は第１の実施例の場合と同様である。
即ち、結合量子井戸の準位Ｎ＝２，３の主な電子分布は
電子の出射側の第３の井戸層にあってはならない。この
条件はＬw3＝Ｌw2とし、さらにＬw1をＬw2より十分狭く
すれば、わずかな電界を印加するだけで満足される。
子井戸に対するＮ＝１，２，３の準位の電子分布（個々
の井戸層の準位ｎ＝１，２ではない。）を実現するため
の設計上の考え方は第１の実施例の場合と同様である。
即ち、結合量子井戸の準位Ｎ＝２，３の主な電子分布は
電子の出射側の第３の井戸層にあってはならない。この
条件はＬw3＝Ｌw2とし、さらにＬw1をＬw2より十分狭く
すれば、わずかな電界を印加するだけで満足される。
【００３６】この理由は中央の第２の井戸層は左右の第
１の井戸層及び第３の井戸層に囲まれているのでｎ＝１
の電子準位が一番低く、右端の第３の井戸層は右側がＡ
ｌＡｓＳｂ障壁層なので、中央の第２の井戸層より基底
準位（ｎ＝１）がごくわずか高いため（しかし差が小さ
い）、小さな電界を印加するだけで第２の井戸層のＮ＝
１の電子が第３の井戸層に移動し、第３の井戸層のＮ＝
２の電子が第２の井戸層に移動する。
１の井戸層及び第３の井戸層に囲まれているのでｎ＝１
の電子準位が一番低く、右端の第３の井戸層は右側がＡ
ｌＡｓＳｂ障壁層なので、中央の第２の井戸層より基底
準位（ｎ＝１）がごくわずか高いため（しかし差が小さ
い）、小さな電界を印加するだけで第２の井戸層のＮ＝
１の電子が第３の井戸層に移動し、第３の井戸層のＮ＝
２の電子が第２の井戸層に移動する。
【００３７】例えば、Ｌw3＝Ｌw2＝２０Å、Ｌb ＝１７
Åの結合量子井戸では、Ｆmin ＝５．５ｋＶ／ｃｍとい
う低電圧が実現できる。なお、本実施例では簡単のた
め、第１の井戸層と第２の井戸層との間及び第２の井戸
層と第３の井戸層との間の２つの障壁層の厚さは等しい
ものとする。もちろん、Ｌw3＝Ｌw2とすれば、他のＬw2
の値に対してもＦmin は小さい値になる。これは井戸層
が２個の場合にない利点である。
Åの結合量子井戸では、Ｆmin ＝５．５ｋＶ／ｃｍとい
う低電圧が実現できる。なお、本実施例では簡単のた
め、第１の井戸層と第２の井戸層との間及び第２の井戸
層と第３の井戸層との間の２つの障壁層の厚さは等しい
ものとする。もちろん、Ｌw3＝Ｌw2とすれば、他のＬw2
の値に対してもＦmin は小さい値になる。これは井戸層
が２個の場合にない利点である。
【００３８】次に、最大印加電圧Ｆmax は左端の幅が一
番狭い第１の井戸層に主に存在するＮ＝３の電子が第２
及び第３の井戸層に移動する時の電圧である。これは、
図４(c) を拡張して考えて、孤立した（結合前の）第２
の井戸層と第３の井戸層のｎ＝２の準位と、孤立した第
１の井戸層のｎ＝１の準位とが等しくなる電界で決ま
る。２つの障壁層厚をＬb とした時のＦmax とＬw2との
関係を図１３に示す。できるだけ短波長の発光を得るた
め、Ｌw1は薄い方が良い。ここではほぼ２原子層と３原
子層に相当する厚さ６Åと９Åについての結果を示す。
Ｌb は５〜３５Åまで変えた。
番狭い第１の井戸層に主に存在するＮ＝３の電子が第２
及び第３の井戸層に移動する時の電圧である。これは、
図４(c) を拡張して考えて、孤立した（結合前の）第２
の井戸層と第３の井戸層のｎ＝２の準位と、孤立した第
１の井戸層のｎ＝１の準位とが等しくなる電界で決ま
る。２つの障壁層厚をＬb とした時のＦmax とＬw2との
関係を図１３に示す。できるだけ短波長の発光を得るた
め、Ｌw1は薄い方が良い。ここではほぼ２原子層と３原
子層に相当する厚さ６Åと９Åについての結果を示す。
Ｌb は５〜３５Åまで変えた。
【００３９】短波長化のためにはＬw2（＝Ｌw3）はでき
るだけ広い方が良い。しかし、図から明らかなようにＬ
w2を大きくするとＦmax が小さくなり、最後には零にな
るのでＬb とＬw1の大きさにより異なるがＬw2には上限
がある。概ね、Ｌw1＝６Åに対してＬw2≦２２．５Å、
Ｌw1＝９Åに対してＬw2≦２９Åである。
るだけ広い方が良い。しかし、図から明らかなようにＬ
w2を大きくするとＦmax が小さくなり、最後には零にな
るのでＬb とＬw1の大きさにより異なるがＬw2には上限
がある。概ね、Ｌw1＝６Åに対してＬw2≦２２．５Å、
Ｌw1＝９Åに対してＬw2≦２９Åである。
【００４０】障壁層厚Ｌb の値は第１の実施例の場合と
同様に、非発光遷移時間τ32が１０-11 秒オーダ、τ21
が１０-13 秒オーダになるように決める。図１４に電界
をパラメータとした非発光遷移時間と障壁層厚Ｌb との
関係の一例を示す。Ｌw1＝６Å、Ｌw2＝Ｌw3＝２０Åと
した。τ32のＬb 依存性は図６に示した井戸層が２個の
場合と少し異なり単調増加するが、前記条件を満たすＬ
b が存在する。τ21の最小値を与えるＬb はＦの大きさ
により少し変わるが、動作電界が低いほど前記条件を満
たすＬb の範囲が広がる。例えば、Ｆ＝１００ｋＶ／ｃ
ｍではＬb が１２〜２１Åの範囲で前記条件を満足す
る。
同様に、非発光遷移時間τ32が１０-11 秒オーダ、τ21
が１０-13 秒オーダになるように決める。図１４に電界
をパラメータとした非発光遷移時間と障壁層厚Ｌb との
関係の一例を示す。Ｌw1＝６Å、Ｌw2＝Ｌw3＝２０Åと
した。τ32のＬb 依存性は図６に示した井戸層が２個の
場合と少し異なり単調増加するが、前記条件を満たすＬ
b が存在する。τ21の最小値を与えるＬb はＦの大きさ
により少し変わるが、動作電界が低いほど前記条件を満
たすＬb の範囲が広がる。例えば、Ｆ＝１００ｋＶ／ｃ
ｍではＬb が１２〜２１Åの範囲で前記条件を満足す
る。
【００４１】種々のＬw2の値に対する最適な障壁層厚Ｌ
boptの例を図１５に示す。ここで、Ｌw1＝６Å、電界は
Ｆ＝１００ｋＶ／ｃｍである。図１４で述べたようにＬ
b の許容範囲はＦが小さいほど大きいが、ほぼ１０〜２
５Åの範囲に入っている。図に発光波長（白丸で表示）
も併せて載せた。Ｌw2を１６Å以上にすると波長は２μ
ｍ以下になる。
boptの例を図１５に示す。ここで、Ｌw1＝６Å、電界は
Ｆ＝１００ｋＶ／ｃｍである。図１４で述べたようにＬ
b の許容範囲はＦが小さいほど大きいが、ほぼ１０〜２
５Åの範囲に入っている。図に発光波長（白丸で表示）
も併せて載せた。Ｌw2を１６Å以上にすると波長は２μ
ｍ以下になる。
【００４２】本実施例の３個の井戸層を備えた構造で
は,これまで説明したようにＬw3＝Ｌw2とすることによ
り１０ｋＶ／ｃｍ以下の低動作電界が実現されており、
基底状態（Ｎ＝１）の電子の出射側の障壁層の高さを下
げる利点はこの点では薄い。しかし、例えばＬw1＝６
Å、Ｌw2＝Ｌw3＝２０Å、Ｌb ＝１５ÅでΔＥｃを１．
５ｅＶに下げた構造では零バイアスで既に図１のような
電子の波動関数分布が実現されている。
は,これまで説明したようにＬw3＝Ｌw2とすることによ
り１０ｋＶ／ｃｍ以下の低動作電界が実現されており、
基底状態（Ｎ＝１）の電子の出射側の障壁層の高さを下
げる利点はこの点では薄い。しかし、例えばＬw1＝６
Å、Ｌw2＝Ｌw3＝２０Å、Ｌb ＝１５ÅでΔＥｃを１．
５ｅＶに下げた構造では零バイアスで既に図１のような
電子の波動関数分布が実現されている。
【００４３】図１６にＦmax 及びＦmin とΔＥｃとの関
係の一例を示す。この例ではＬw1＝６Å、Ｌw2＝２０
Å、Ｌb ＝１７Åであるが、Ｆmax はΔＥｃの減少とと
もに減少している。しかし、ΔＥｃ＝１．３〜１．７ｅ
Ｖの範囲でＦmax が１００ｋＶ／ｃｍ以上とれる。一
方、Ｆmin はΔＥｃ＝１．７５ｅＶで５．５ｋＶ／ｃｍ
であるが、それ以下では零になる。即ち、零バイアスで
既に図１のような分布が実現されているので、特に低動
作電圧を望む応用には有利である。
係の一例を示す。この例ではＬw1＝６Å、Ｌw2＝２０
Å、Ｌb ＝１７Åであるが、Ｆmax はΔＥｃの減少とと
もに減少している。しかし、ΔＥｃ＝１．３〜１．７ｅ
Ｖの範囲でＦmax が１００ｋＶ／ｃｍ以上とれる。一
方、Ｆmin はΔＥｃ＝１．７５ｅＶで５．５ｋＶ／ｃｍ
であるが、それ以下では零になる。即ち、零バイアスで
既に図１のような分布が実現されているので、特に低動
作電圧を望む応用には有利である。
【００４４】障壁層の高さΔＥｃを下げた時の最適障壁
層厚Ｌboptは、図６及び図１４で説明した場合と同様
に、非発光遷移時間τ32、τ21が適切な値になるように
決める。例としてＬw1＝６Å、Ｌw2＝２０Åの時のＬbo
ptの値を図１７の挿入図に数値で示す。これらのＬbopt
はいずれもほぼτ32＞１０-11 秒、τ21＜１０-12 秒の
条件を満たす。
層厚Ｌboptは、図６及び図１４で説明した場合と同様
に、非発光遷移時間τ32、τ21が適切な値になるように
決める。例としてＬw1＝６Å、Ｌw2＝２０Åの時のＬbo
ptの値を図１７の挿入図に数値で示す。これらのＬbopt
はいずれもほぼτ32＞１０-11 秒、τ21＜１０-12 秒の
条件を満たす。
【００４５】第１の実施例（ＩｎＧａＡｓ井戸層が２
個）の時とは逆にΔＥｃが減少するとともにＬboptが小
さくなっている。Ｌw1＝６Å、Ｌw2＝２０Åの時のＬbo
ptを用い、ΔＥｃをパラメータとしてＬw2を変化させた
時のτ32及びτ21を図１７に示す（Ｆ＝１００ｋＶ／ｃ
ｍ）。ΔＥｃ＝１．３０〜１．７５ｅＶに対してＬw2＜
２２Åの範囲でほぼτ32＞１０-11 秒、τ21＜１０-12
秒の条件を満たしていることが分かる。もちろん、これ
までと同様、実際のＬb はＬboptから±３Å程度の許容
範囲がある。
個）の時とは逆にΔＥｃが減少するとともにＬboptが小
さくなっている。Ｌw1＝６Å、Ｌw2＝２０Åの時のＬbo
ptを用い、ΔＥｃをパラメータとしてＬw2を変化させた
時のτ32及びτ21を図１７に示す（Ｆ＝１００ｋＶ／ｃ
ｍ）。ΔＥｃ＝１．３０〜１．７５ｅＶに対してＬw2＜
２２Åの範囲でほぼτ32＞１０-11 秒、τ21＜１０-12
秒の条件を満たしていることが分かる。もちろん、これ
までと同様、実際のＬb はＬboptから±３Å程度の許容
範囲がある。
【００４６】図１７の挿入図に示したように、ΔＥｃを
低下させると井戸層が２個の場合とは逆にＬboptが薄く
なる。従って、結合量子井戸のＥ2 （Ｎ＝２）とＥ3
（Ｎ＝３）の間隔が狭まるため、発光波長が長波長側に
シフトする。図１７に示したＬboptを用いた時、ΔＥｃ
をパラメータとした発光波長とＬw2との関係を図１８に
示す（Ｆ＝１００ｋＶ／ｃｍ）。波長を２μｍ以下とす
るにはΔＥｃの大きさにもよるが、Ｌw2を１６〜１７Å
以上にすれば良いことが分かる。
低下させると井戸層が２個の場合とは逆にＬboptが薄く
なる。従って、結合量子井戸のＥ2 （Ｎ＝２）とＥ3
（Ｎ＝３）の間隔が狭まるため、発光波長が長波長側に
シフトする。図１７に示したＬboptを用いた時、ΔＥｃ
をパラメータとした発光波長とＬw2との関係を図１８に
示す（Ｆ＝１００ｋＶ／ｃｍ）。波長を２μｍ以下とす
るにはΔＥｃの大きさにもよるが、Ｌw2を１６〜１７Å
以上にすれば良いことが分かる。
【００４７】ΔＥｃ＝１．７５ｅＶ及び１．５０ｅＶの
結合量子井戸における発光波長と電界との関係の一例を
図１９に示す。ここで、Ｌw1＝６Å、Ｌw2＝２０Åであ
る。電界Ｆを増すと波長は短波長側にシフトする。これ
は電界によりレーザ発振波長が変わる、いわゆる波長可
変レーザが得られることを示す。図８と図１０との比較
から、ＩｎＧａＡｓ井戸層が２個の場合より３個の場合
の方が電界による波長シフト量が大きいことが明らかで
ある。低動作電圧化が可能であることとともに、この大
きな波長シフト量が３個のＩｎＧａＡｓ井戸層を用いる
利点である。
結合量子井戸における発光波長と電界との関係の一例を
図１９に示す。ここで、Ｌw1＝６Å、Ｌw2＝２０Åであ
る。電界Ｆを増すと波長は短波長側にシフトする。これ
は電界によりレーザ発振波長が変わる、いわゆる波長可
変レーザが得られることを示す。図８と図１０との比較
から、ＩｎＧａＡｓ井戸層が２個の場合より３個の場合
の方が電界による波長シフト量が大きいことが明らかで
ある。低動作電圧化が可能であることとともに、この大
きな波長シフト量が３個のＩｎＧａＡｓ井戸層を用いる
利点である。
【００４８】３個のＩｎＧａＡｓ井戸層を備えた構造で
は、これまで説明した項目については電子の出射側のΔ
Ｅｃを下げる利点があまりなかった。しかし、遷移が終
わった基底状態（Ｎ＝１）の電子を結合量子井戸からで
きるだけ速やかに引き出すことが重要であることを説明
したが、井戸層が２個の場合と同様に、井戸層が３個の
構造でもΔＥｃを下げると脱出時間（主にトンネル時間
で決まる。）を低減できる利点がある。
は、これまで説明した項目については電子の出射側のΔ
Ｅｃを下げる利点があまりなかった。しかし、遷移が終
わった基底状態（Ｎ＝１）の電子を結合量子井戸からで
きるだけ速やかに引き出すことが重要であることを説明
したが、井戸層が２個の場合と同様に、井戸層が３個の
構造でもΔＥｃを下げると脱出時間（主にトンネル時間
で決まる。）を低減できる利点がある。
【００４９】具体例として、ΔＥｃをパラメータとした
電子の出射側の障壁層厚Ｌbarrと脱出時間との関係を図
２０に示す（Ｆ＝１００ｋＶ／ｃｍ）。ここで、Ｌw1＝
６Å、Ｌw2＝２０Å、Ｌb は図１７の挿入図に数値で示
した各ΔＥｃに対する最適障壁層厚である。ΔＥｃを
１．７５ｅＶから低下させると脱出時間が数分の１に低
減できる。即ち、Ｎ＝１とＮ＝２の準位が常に空になっ
ている確率が高い（τ21は十分小さいとする。）ので、
Ｎ＝３とＮ＝２の間の反転分布が低密度の電子注入で得
られ、低閾値化に結びつく利点がある。
電子の出射側の障壁層厚Ｌbarrと脱出時間との関係を図
２０に示す（Ｆ＝１００ｋＶ／ｃｍ）。ここで、Ｌw1＝
６Å、Ｌw2＝２０Å、Ｌb は図１７の挿入図に数値で示
した各ΔＥｃに対する最適障壁層厚である。ΔＥｃを
１．７５ｅＶから低下させると脱出時間が数分の１に低
減できる。即ち、Ｎ＝１とＮ＝２の準位が常に空になっ
ている確率が高い（τ21は十分小さいとする。）ので、
Ｎ＝３とＮ＝２の間の反転分布が低密度の電子注入で得
られ、低閾値化に結びつく利点がある。
【００５０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
障壁層の材料としてＡｌＡｓＳｂを用いて障壁層の高さ
をこれまでのＩｎＡｌＡｓの０．５２ｅＶから１．７５
ｅＶまで上げたため、(i) サブバンド間間隔を広げるこ
とができ、２μｍ以下のレーザ発振波長が得られ、(ii)
外部から第１の井戸層のＮ＝３の量子準位に注入された
電子は、第１及び第２の井戸層間の障壁層の高さが高い
ため、再びトンネルで抜け出す確率がＩｎＡｌＡｓ障壁
層の場合に比して低く、効率良くＮ＝３の準位に蓄えら
れる。このため、低注入電子密度でも反転分布が得ら
れ、発振閾値が低減でき、さらに、(iii) 電子の出射側
の障壁層の高さをＧａＡｓＳｂ等を用いて１．７５ｅＶ
から１．３〜１．７ｅＶに下げることにより、基底準位
（Ｎ＝１）の電子を速やかに結合量子井戸（活性層）か
ら取り出せるため、低閾値化が可能である、という利点
がある。
障壁層の材料としてＡｌＡｓＳｂを用いて障壁層の高さ
をこれまでのＩｎＡｌＡｓの０．５２ｅＶから１．７５
ｅＶまで上げたため、(i) サブバンド間間隔を広げるこ
とができ、２μｍ以下のレーザ発振波長が得られ、(ii)
外部から第１の井戸層のＮ＝３の量子準位に注入された
電子は、第１及び第２の井戸層間の障壁層の高さが高い
ため、再びトンネルで抜け出す確率がＩｎＡｌＡｓ障壁
層の場合に比して低く、効率良くＮ＝３の準位に蓄えら
れる。このため、低注入電子密度でも反転分布が得ら
れ、発振閾値が低減でき、さらに、(iii) 電子の出射側
の障壁層の高さをＧａＡｓＳｂ等を用いて１．７５ｅＶ
から１．３〜１．７ｅＶに下げることにより、基底準位
（Ｎ＝１）の電子を速やかに結合量子井戸（活性層）か
ら取り出せるため、低閾値化が可能である、という利点
がある。
【００５１】また、前記利点に加えて、さらに (I) 井戸層が２個の場合 (イ) 電子の出射側の障壁層のΔＥｃを下げることによ
り、動作電圧を下げることができるとともに、さらに発
振波長の短波長化が可能であり、また、(ロ) 従来のこの
種のレーザの井戸層は３個であったが、２個に減らすこ
とにより構造が簡単になり、製造上の困難さが軽減され
る、 (II)井戸層が３個の場合 (ハ) 幅が一番狭い井戸層以外の２つの井戸層の幅を等し
くすることにより、レーザ発振の動作電界を１０ｋＶ／
ｃｍ以下にすることができ、電子の出射側の障壁層の高
さΔＥｃを１．３〜１．７ｅＶにすると零バイアスでも
発振に必要なＮ＝１，２，３の準位の電子の空間分布が
得られ、また、(ニ) ３個の井戸層を用いることによって
２個の井戸層より電界による発振波長のシフト量を大き
くできる、という利点がある。
り、動作電圧を下げることができるとともに、さらに発
振波長の短波長化が可能であり、また、(ロ) 従来のこの
種のレーザの井戸層は３個であったが、２個に減らすこ
とにより構造が簡単になり、製造上の困難さが軽減され
る、 (II)井戸層が３個の場合 (ハ) 幅が一番狭い井戸層以外の２つの井戸層の幅を等し
くすることにより、レーザ発振の動作電界を１０ｋＶ／
ｃｍ以下にすることができ、電子の出射側の障壁層の高
さΔＥｃを１．３〜１．７ｅＶにすると零バイアスでも
発振に必要なＮ＝１，２，３の準位の電子の空間分布が
得られ、また、(ニ) ３個の井戸層を用いることによって
２個の井戸層より電界による発振波長のシフト量を大き
くできる、という利点がある。
【図１】従来のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓユニポーラ
半導体レーザの伝導帯のエネルギーバンド図
半導体レーザの伝導帯のエネルギーバンド図
【図２】結合量子井戸のＮ＝１，２，３のサブバンド準
位のエネルギー（Ｅ1 ，Ｅ2 ，Ｅ3 ）と発光・非発光遷
移の様子を示す図
位のエネルギー（Ｅ1 ，Ｅ2 ，Ｅ3 ）と発光・非発光遷
移の様子を示す図
【図３】本発明の第１の実施例を示す井戸層が２個の場
合のＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂユニポーラ半導体レー
ザの伝導帯のエネルギーバンド図
合のＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂユニポーラ半導体レー
ザの伝導帯のエネルギーバンド図
【図４】ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂユニポーラ半導体
レーザの伝導帯のエネルギーバンド図
レーザの伝導帯のエネルギーバンド図
【図５】Ｌw1，Ｌw2、Ｌb 及びＦmax ，Ｆmin の関係を
示す図
示す図
【図６】Ｆmax 及びＦmin における非発光遷移時間とＬ
b との関係を示す図
b との関係を示す図
【図７】非発光遷移時間を最適にするＬbopt及びＦmin
とＬw1との関係を示す図
とＬw1との関係を示す図
【図８】Ｆmin 及びＦmax におけるレーザ発振波長とＬ
w1並びにＦmin とＬw1との関係を示す図
w1並びにＦmin とＬw1との関係を示す図
【図９】Ｌw1＝２０，２１ÅにおけるΔＥｃとＦmax 及
びＦmin との関係を示す図
びＦmin との関係を示す図
【図１０】ΔＥｃ＝１．７５ｅＶ及び１．５０ｅＶの結
合量子井戸のＥ3 ，Ｅ2 サブバンド間遷移による発光波
長の電界依存性を示す図
合量子井戸のＥ3 ，Ｅ2 サブバンド間遷移による発光波
長の電界依存性を示す図
【図１１】ΔＥc ＝１．７５ｅＶ及び１．５０ｅＶの結
合量子井戸における基底状態（Ｎ＝１）の電子の脱出時
間と障壁層厚との関係を示す図
合量子井戸における基底状態（Ｎ＝１）の電子の脱出時
間と障壁層厚との関係を示す図
【図１２】本発明の第２の実施例を示す井戸層が３個の
場合のＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂユニポーラ半導体レ
ーザの伝導帯のエネルギーバンド図
場合のＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂユニポーラ半導体レ
ーザの伝導帯のエネルギーバンド図
【図１３】Ｆmax とＬw2との関係を示す図
【図１４】非発光遷移時間と障壁層厚Ｌb との関係を示
す図
す図
【図１５】最適障壁層厚Ｌbopt及び発光波長とＬw2との
関係を示す図
関係を示す図
【図１６】Ｆmax 及びＦmin とΔＥｃとの関係を示す図
【図１７】ΔＥｃをパラメータとした非発光遷移時間と
Ｌw2との関係を示す図
Ｌw2との関係を示す図
【図１８】ΔＥｃをパラメータとした発光波長とＬw2と
の関係を示す図
の関係を示す図
【図１９】ΔＥｃ＝１．７５ｅＶ及び１．５０ｅＶの結
合量子井戸における発光波長と電界との関係を示す図
合量子井戸における発光波長と電界との関係を示す図
【図２０】ΔＥｃをパラメータとした電子の出射側の障
壁層厚Ｌbarrと脱出時間との関係を示す図
壁層厚Ｌbarrと脱出時間との関係を示す図
１…第１の井戸層、２…第２の井戸層、３，４，５…障
壁層。
壁層。
Claims (3)
- 【請求項１】 バンドギャップの異なる２種以上の半導
体材料を接合させて形成される井戸層を少なくとも２
個、バンドギャップの大きな障壁層を介して結合した結
合量子井戸に電子または正孔のいずれか一方を注入し、
この結果、生ずる結合量子井戸中の伝導帯または価電子
帯のサブバンド間遷移による発光を利用するユニポーラ
半導体レーザにおいて、 障壁層をＩｎＰに格子整合したＡｌＡｓＳｂとし、井戸
層をＩｎＰに格子整合したＩｎＧａＡｓとしたことを特
徴とするユニポーラ半導体レーザ。 - 【請求項２】 電子または正孔が井戸層から出射される
側の障壁層の高さを、電子または正孔が入射される側の
障壁層の高さより低くする構造を備えたことを特徴とす
る請求項１記載のユニポーラ半導体レーザ。 - 【請求項３】 ３個の井戸層を含む結合量子井戸を備え
たユニポーラ半導体レーザにおいて、 幅が一番狭い井戸層を除く２個の井戸層の幅を等しくし
た結合量子井戸を活性層としたことを特徴とするユニポ
ーラ半導体レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3867095A JPH08236854A (ja) | 1995-02-27 | 1995-02-27 | ユニポーラ半導体レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3867095A JPH08236854A (ja) | 1995-02-27 | 1995-02-27 | ユニポーラ半導体レーザ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08236854A true JPH08236854A (ja) | 1996-09-13 |
Family
ID=12531714
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3867095A Pending JPH08236854A (ja) | 1995-02-27 | 1995-02-27 | ユニポーラ半導体レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08236854A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09102653A (ja) * | 1995-07-31 | 1997-04-15 | At & T Ipm Corp | 半導体レーザー |
| JPH1154833A (ja) * | 1997-08-06 | 1999-02-26 | Sanyo Electric Co Ltd | 半導体レーザ装置 |
| JP2001144382A (ja) * | 1999-09-03 | 2001-05-25 | Univ Tohoku | サブバンド間発光素子 |
| JP2001520808A (ja) * | 1997-06-05 | 2001-10-30 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | 光電半導体構成素子 |
| JP2002158404A (ja) * | 2000-11-08 | 2002-05-31 | Lucent Technol Inc | サブバンド間超格子光エミッタおよび量子カスケード超格子レーザ |
| JP2011054834A (ja) * | 2009-09-03 | 2011-03-17 | Sharp Corp | 窒化物半導体レーザ素子 |
| JP2018152430A (ja) * | 2017-03-10 | 2018-09-27 | 住友電気工業株式会社 | 半導体レーザ |
| JP2018152436A (ja) * | 2017-03-10 | 2018-09-27 | 住友電気工業株式会社 | 半導体レーザ |
-
1995
- 1995-02-27 JP JP3867095A patent/JPH08236854A/ja active Pending
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09102653A (ja) * | 1995-07-31 | 1997-04-15 | At & T Ipm Corp | 半導体レーザー |
| JP2001520808A (ja) * | 1997-06-05 | 2001-10-30 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | 光電半導体構成素子 |
| US6618410B1 (en) | 1997-06-05 | 2003-09-09 | Infineon Technologies Ag | Optoelectronic semiconductor component |
| JPH1154833A (ja) * | 1997-08-06 | 1999-02-26 | Sanyo Electric Co Ltd | 半導体レーザ装置 |
| JP2001144382A (ja) * | 1999-09-03 | 2001-05-25 | Univ Tohoku | サブバンド間発光素子 |
| JP2002158404A (ja) * | 2000-11-08 | 2002-05-31 | Lucent Technol Inc | サブバンド間超格子光エミッタおよび量子カスケード超格子レーザ |
| JP2011054834A (ja) * | 2009-09-03 | 2011-03-17 | Sharp Corp | 窒化物半導体レーザ素子 |
| JP2018152430A (ja) * | 2017-03-10 | 2018-09-27 | 住友電気工業株式会社 | 半導体レーザ |
| JP2018152436A (ja) * | 2017-03-10 | 2018-09-27 | 住友電気工業株式会社 | 半導体レーザ |
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