JPS63302581A - 発光素子 - Google Patents
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- JPS63302581A JPS63302581A JP62138127A JP13812787A JPS63302581A JP S63302581 A JPS63302581 A JP S63302581A JP 62138127 A JP62138127 A JP 62138127A JP 13812787 A JP13812787 A JP 13812787A JP S63302581 A JPS63302581 A JP S63302581A
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Links
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Landscapes
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- Led Devices (AREA)
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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。
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、電流注入で動作する小型固体レーザもしくは
１発光素子に係り、特に、ジョセフソン素子を用いた回
路や、コンピュータ等と接続に適した高速・低消費電力
レーザとして用いて好適な発光素子に関する。
１発光素子に係り、特に、ジョセフソン素子を用いた回
路や、コンピュータ等と接続に適した高速・低消費電力
レーザとして用いて好適な発光素子に関する。
従来の半導体レーザは、半導体のバンドギャップをなす
伝導電子帯と１価電子帯に、電子と正孔を注入し、それ
らの再結合発光を光共振器中で誘導放出発光として増幅
し、レーザ発振に至らしめている。レーザ発振に必要な
反転分布は、材料及び材料の形状に依存した状態密度と
、フェルミ分布とからきまるキャリアのエネルギー分布
で決定される。
伝導電子帯と１価電子帯に、電子と正孔を注入し、それ
らの再結合発光を光共振器中で誘導放出発光として増幅
し、レーザ発振に至らしめている。レーザ発振に必要な
反転分布は、材料及び材料の形状に依存した状態密度と
、フェルミ分布とからきまるキャリアのエネルギー分布
で決定される。
レーザ発振を低いしきい値で、効率良く起させるために
は、キャリアのエネルギー分布の形状を。
は、キャリアのエネルギー分布の形状を。
バンドギャップに近いところで、大きくする必要がある
。
。
しかしながら、従来の半導体レーザでは、半導体バルク
もしくは、量子井戸構造を用いている。
もしくは、量子井戸構造を用いている。
バルクの場合と、量子井戸構造の場合について。
同一の量の電子を励起した場合の、電子と正孔のエネル
ギー分布について考察する。第５図−は、バルクの場合
の状態密度、第６図は量子井戸の場合の状態密度を模式
的に表わしたものである。２８゜３２は、伝導電子帯の
状態密度で、３０．３４は。
ギー分布について考察する。第５図−は、バルクの場合
の状態密度、第６図は量子井戸の場合の状態密度を模式
的に表わしたものである。２８゜３２は、伝導電子帯の
状態密度で、３０．３４は。
電子のエネルギー分布を示し、２９．３３は、価電子帯
の状態密度、３１．３５は正孔のエネルギー分布を示す
。バルクから超格子（量子井戸構造）へと構造が変った
ことで、電子と正孔のエネルギー分布が変化し、超格子
の方が、バンドギャップ付近の分布が多くなっている。
の状態密度、３１．３５は正孔のエネルギー分布を示す
。バルクから超格子（量子井戸構造）へと構造が変った
ことで、電子と正孔のエネルギー分布が変化し、超格子
の方が、バンドギャップ付近の分布が多くなっている。
このことは、超格子を用いた半導体レーザの発振のしき
い値が低いことの説明となる。これらに関して、実例も
含めて、岡本らにより、詳細に報告されている。（岡本
紘 他、応用物理 第５２巻、８４３〜８５１頁（１９
８３年）） 上記報告によれば、キャリアのエネルギー分布の幅は、
バルクから超格子へ変ることで、ｋＴの１．８倍からｋ
Ｔの０．７倍へと変化している。
い値が低いことの説明となる。これらに関して、実例も
含めて、岡本らにより、詳細に報告されている。（岡本
紘 他、応用物理 第５２巻、８４３〜８５１頁（１９
８３年）） 上記報告によれば、キャリアのエネルギー分布の幅は、
バルクから超格子へ変ることで、ｋＴの１．８倍からｋ
Ｔの０．７倍へと変化している。
しかしながら、より低いレーザ発振のしきい値で発振さ
せるためには、このキャリアのエネルギー分布を、より
狭くする必要があり、上記従来技術では限界があった。
せるためには、このキャリアのエネルギー分布を、より
狭くする必要があり、上記従来技術では限界があった。
更に、バンドギャップ近傍におけるキャリアのエネルギ
ー分布も第５図や第６図に示す如く少ないため、発振効
率にも限界が存在した。
ー分布も第５図や第６図に示す如く少ないため、発振効
率にも限界が存在した。
本発明は、上記従来技術の有していた問題点を解決し、
キャリア注入型レーザにおいて、従来の半導体レーザと
比べ、極めて狭いエネルギー分布を持つ電子と正孔を形
成し、低いしきい値で効率良くレーザ発振することが可
能な発光素子を提供することを目的とする。
キャリア注入型レーザにおいて、従来の半導体レーザと
比べ、極めて狭いエネルギー分布を持つ電子と正孔を形
成し、低いしきい値で効率良くレーザ発振することが可
能な発光素子を提供することを目的とする。
上記目的は、例えば第４図に示す如く、電流注入型の発
光素子において、超伝導体に電子と正孔とを注入する手
段と注入された電子と正孔の再結合発光を外部に取り出
す手段とを設けることにより達成される。
光素子において、超伝導体に電子と正孔とを注入する手
段と注入された電子と正孔の再結合発光を外部に取り出
す手段とを設けることにより達成される。
超伝導体の状態密度は、第２図に示す様に、エネルギー
ギャップ ２Δの近傍でデルタ関数的になっており、準
粒子を注入すれば、この状態密度を反映したエネルギー
分布をとる。従って、電子と正孔を注入することで、極
めて狭いエネルギー分布を持つ電子と正孔を超伝導体の
中に生じさせることが可能である。
ギャップ ２Δの近傍でデルタ関数的になっており、準
粒子を注入すれば、この状態密度を反映したエネルギー
分布をとる。従って、電子と正孔を注入することで、極
めて狭いエネルギー分布を持つ電子と正孔を超伝導体の
中に生じさせることが可能である。
キャリアの注入方法について、第１図を用いて説明する
。
。
第１図において１はｎ側電極、２は超伝導材料、３はｐ
側電極、４及び５はトンネル障壁である。
側電極、４及び５はトンネル障壁である。
エネルギー・ギャップ２Δの中心にフェルミ・レベル
ＥＦ２が存在する。今、１と２の間に■〉Δ／ｅである
ような電位差６を与え、１のフェルミ・レベル ＥＦｌ
が、２のエネルギー・ギャップを越えるようにすること
で、電子が１から２に注入され、第２図における電子の
エネルギー分布１０が得られる。
ＥＦ２が存在する。今、１と２の間に■〉Δ／ｅである
ような電位差６を与え、１のフェルミ・レベル ＥＦｌ
が、２のエネルギー・ギャップを越えるようにすること
で、電子が１から２に注入され、第２図における電子の
エネルギー分布１０が得られる。
さらに２と３の間に一■くΔ／ｅであるような電位差７
を与えることで、３のフェルミ・レベルＥ 、 ３が、
２の価電子帯の中に入る様にすることで、正孔が３から
２に注入され。第２図の正孔のエネルギー分布１１が得
られる。
を与えることで、３のフェルミ・レベルＥ 、 ３が、
２の価電子帯の中に入る様にすることで、正孔が３から
２に注入され。第２図の正孔のエネルギー分布１１が得
られる。
ｌＯと１１は、再結合することにより、２Δに相当する
光を放射する。この光を光共振器でフィードバックする
ことで、レーザ発振が生じる。
光を放射する。この光を光共振器でフィードバックする
ことで、レーザ発振が生じる。
以下１本発明の実施例を図面を用いて説明する。
実施例１゜
第４図に本発明の１実施例を示す。
ＹＸＢａｔ −ｘｃｕｏｙ単結晶２５の１００面上及び
その裏面に、ＡＱ２０３のトンネル障壁（厚さ２０人）
をスパッタ法で形成し、２２．２４とする。その上に、
ｙＸＢａ、−ｘＣｕｏ、２１ｔ２５をそれぞれ、スパッ
タ法で被着し、２５と２３及び、２３と２１の間に、電
源２７と２６を図の様に接続する。接続用の電極は、省
略しである。
その裏面に、ＡＱ２０３のトンネル障壁（厚さ２０人）
をスパッタ法で形成し、２２．２４とする。その上に、
ｙＸＢａ、−ｘＣｕｏ、２１ｔ２５をそれぞれ、スパッ
タ法で被着し、２５と２３及び、２３と２１の間に、電
源２７と２６を図の様に接続する。接続用の電極は、省
略しである。
７７Ｋに冷却した素子に印加する２７と２６の電圧を適
当に選ぶことにより、第３図に示す様な。
当に選ぶことにより、第３図に示す様な。
超伝導体間のトンネル接合のエネルギー・バンド図が得
られる。第３図と第４図の間で、２１と１２．２２と１
５．２３と１３．２４と１６．２５と１４が、それぞれ
対応している。電子と正孔を注入して、第２図のｌＯ及
び１１のキャリアのエネルギー分布が得られる。印加電
圧１７゜１８を、それぞれ−１３０ｍＶ及び−５０ｍＶ
としたとき、波長３９．２μｍで１μｍのレーザ光出力
が得られた。
られる。第３図と第４図の間で、２１と１２．２２と１
５．２３と１３．２４と１６．２５と１４が、それぞれ
対応している。電子と正孔を注入して、第２図のｌＯ及
び１１のキャリアのエネルギー分布が得られる。印加電
圧１７゜１８を、それぞれ−１３０ｍＶ及び−５０ｍＶ
としたとき、波長３９．２μｍで１μｍのレーザ光出力
が得られた。
実施例２゜
第７図に本発明の他の実施例を示す。
チタン酸ストロンチウムの基板（１００面）３６上にＹ
１−ＸＢａｘＣｕＯ４ｍ３９、Ａ Ｑ ２０３ トン
ネル障壁４０、 （Ｌａ１−ｘ５ｒｘ）ｚｃｕ０４膜４１をスパッタ法で
形成し、それぞれの高温超伝導材料に、電極４２．４３
．４４を接続し、液体水素温度に冷却して、電圧を印加
し、波長１８．５μｍのレーザ光を発振させた。３７，
３９．４１の膜厚は、それぞれ、１０μｍとし、４１の
ストライプ幅は、３０μｍ、長さは１ｍｍとした。
１−ＸＢａｘＣｕＯ４ｍ３９、Ａ Ｑ ２０３ トン
ネル障壁４０、 （Ｌａ１−ｘ５ｒｘ）ｚｃｕ０４膜４１をスパッタ法で
形成し、それぞれの高温超伝導材料に、電極４２．４３
．４４を接続し、液体水素温度に冷却して、電圧を印加
し、波長１８．５μｍのレーザ光を発振させた。３７，
３９．４１の膜厚は、それぞれ、１０μｍとし、４１の
ストライプ幅は、３０μｍ、長さは１ｍｍとした。
実施例３゜
第８図に本発明の更に他の実施例を示す。
チタン酸ストロンチウムの基板（１００面）５１上に１
分子線エピタキシ法を用いて、Ｙ ｚ −ｘＢ ａ ｘ
Ｃｕ Ｏ４ＩＩＩを形成する。分子線源は、すべて、
ガスソースを用いる。基板回転は、行なわない＊ Ｙ
ｔ −ｘ Ｂ ａ ）ｃ Ｃｕ○４を２６０λ形成する
ごとにＢａのガスソースを停止し、シリコン基板に、ス
トライプ状の穴をあけたマスクを用いて、領域５３のみ
にＢａビームが照射されない層を形成する。再び、シリ
コンのマスクを除去し、Ｂａのガスソースも照射する。
分子線エピタキシ法を用いて、Ｙ ｚ −ｘＢ ａ ｘ
Ｃｕ Ｏ４ＩＩＩを形成する。分子線源は、すべて、
ガスソースを用いる。基板回転は、行なわない＊ Ｙ
ｔ −ｘ Ｂ ａ ）ｃ Ｃｕ○４を２６０λ形成する
ごとにＢａのガスソースを停止し、シリコン基板に、ス
トライプ状の穴をあけたマスクを用いて、領域５３のみ
にＢａビームが照射されない層を形成する。再び、シリ
コンのマスクを除去し、Ｂａのガスソースも照射する。
この操作を繰返すことで、領域５０と、領域５３との銅
酸化物の組成比を変えることができる。領域５０は、い
つも一定の組成、領域５３は、組成の変調がかかる。
酸化物の組成比を変えることができる。領域５０は、い
つも一定の組成、領域５３は、組成の変調がかかる。
この時、ガスソースの各元素の照射の割合を調節し、領
域５０が、臨界温度Ｔｃが１５０にの超伝導体、領域５
３が超伝導体となる領域からずれて絶縁体となるように
する。厚さが０．５μｍまで、上記の操作を行なう。
域５０が、臨界温度Ｔｃが１５０にの超伝導体、領域５
３が超伝導体となる領域からずれて絶縁体となるように
する。厚さが０．５μｍまで、上記の操作を行なう。
次いで、ＡＱ２ｏ３の酸化膜５１を３０人形成し、トン
ネル障壁とする。
ネル障壁とする。
さらに、Ｙ、Ｂａ、Ｃｕ、Ｏのガスソースを基板に照射
し、前に述べたＳｉのマスクと別のパターンを有するマ
スクを用いて、Ｂａの少ない領域５３を作る。
し、前に述べたＳｉのマスクと別のパターンを有するマ
スクを用いて、Ｂａの少ない領域５３を作る。
今回は、領域５２のみが、Ｔｃ＝１５０にの超伝導体と
なり、領域５３が絶縁体となるようにする。厚さは、１
μｍとする。
なり、領域５３が絶縁体となるようにする。厚さは、１
μｍとする。
再び八〇、ｏ３のトンネル障壁を形成後、上記の方法を
用いて、領域５４のみが、Ｔｃ＝１５０にの超伝導体と
なるように、 ’ｌ １−ＸＢａ）（ＣｕＯ４を０．５μｍ形成する。
用いて、領域５４のみが、Ｔｃ＝１５０にの超伝導体と
なるように、 ’ｌ １−ＸＢａ）（ＣｕＯ４を０．５μｍ形成する。
これらの操作を順次繰返すことで、第３図に示した超伝
導体のトンネル接合が、２０層積層された構造体が得ら
れる。
導体のトンネル接合が、２０層積層された構造体が得ら
れる。
領域５２のストライプ幅は、５０μｍ、長さは３■糟で
ある。ストライプの長手方向は、結晶を管間し、誘電体
多層膜による領域５２の両側に、コンタクト用の穴をあ
け、電極５５と５６を形成した。
ある。ストライプの長手方向は、結晶を管間し、誘電体
多層膜による領域５２の両側に、コンタクト用の穴をあ
け、電極５５と５６を形成した。
５５は、超伝導体５０と接続され、５６は、超伝導体５
４に接続されている。液体窒素温度に冷却した素子の電
極５５と５６の間に、電圧を印加することで、波長２２
．３μｍのレーザ発振が得られた。
４に接続されている。液体窒素温度に冷却した素子の電
極５５と５６の間に、電圧を印加することで、波長２２
．３μｍのレーザ発振が得られた。
この時のしきい値は、６２０μＡであった。
上述した実施例では一部の超伝導体についてのみ述べた
が、これらの超伝導体は。
が、これらの超伝導体は。
（Ｌａ １− Ｘ Ｍ Ｘ） ２ ＣｕＯ４あるいはＲ
ＥＢａ２Ｃｕ３０７−２等の組成式で表されるペロブス
カイト若しくはＫ ２ Ｎ ｉ Ｆ ４型構造又はこれ
らの類似した１１！！造の酸化物であって良い、ここで
ＲＥはＬｕ、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ。
ＥＢａ２Ｃｕ３０７−２等の組成式で表されるペロブス
カイト若しくはＫ ２ Ｎ ｉ Ｆ ４型構造又はこれ
らの類似した１１！！造の酸化物であって良い、ここで
ＲＥはＬｕ、Ｙ、Ｓｃ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ。
Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ等の元素、ＭはＧｄ、Ｔｂ。
Ｂａ、Ｓｒ、Ｃａ、に等の元素を表わす。
本発明によれば、従来の半導体発光素子では得られなか
った数ｌＯμｍａｉｌの赤外光を得ることができ、更に
低しきい値で効率の良い発光素子を得ることができる。
った数ｌＯμｍａｉｌの赤外光を得ることができ、更に
低しきい値で効率の良い発光素子を得ることができる。
又、１０μｍ近傍のレーザー光を発振する炭配ガスレー
ザーと比較しても極めて小型でありかつその発振出力の
制御が容易な発光素子を得ることができる。更に本発明
によれば、再結合発光のための電子と正孔とが注入され
るため、出力の大きな発光素子を得ることができる。
ザーと比較しても極めて小型でありかつその発振出力の
制御が容易な発光素子を得ることができる。更に本発明
によれば、再結合発光のための電子と正孔とが注入され
るため、出力の大きな発光素子を得ることができる。
第１図、第３図は、エネルギー・バンド・ダイアグラム
、第２図、第５図、第６図は、状態密度とキャリアのエ
ネルギー分布、第４図は、本発明に係る発光素子の原理
的構成例を示す図、第７図。 第８図は、本発明に係る発光素子の実施例の断面図であ
る。 ５、符号の説明 １．３・・・金属、２，１２，１３．１４・・・超伝導
体、４，５・・・トンネル障壁。 ６．７，１７．１８・・・電位差、 ８．２８．３２・・・電子の状態密度、９．２９，３３
・・・正孔の状態密度。 １０．３０，３４・・・電子のエネルギー分布。 １１．３１，３５・・・正孔のエネルギー分布、２６．
２７・・・電源、３６．５１・・・基板、２３．３９．
５２・・・レーザ活性層となる超伝導体。 第１同 第２目 第３因 第４目 第ｒ図 第２図 仄麩僅泉ｆ （Ｅ） 久方グ友ｆ（θ第７目 第、５−」
、第２図、第５図、第６図は、状態密度とキャリアのエ
ネルギー分布、第４図は、本発明に係る発光素子の原理
的構成例を示す図、第７図。 第８図は、本発明に係る発光素子の実施例の断面図であ
る。 ５、符号の説明 １．３・・・金属、２，１２，１３．１４・・・超伝導
体、４，５・・・トンネル障壁。 ６．７，１７．１８・・・電位差、 ８．２８．３２・・・電子の状態密度、９．２９，３３
・・・正孔の状態密度。 １０．３０，３４・・・電子のエネルギー分布。 １１．３１，３５・・・正孔のエネルギー分布、２６．
２７・・・電源、３６．５１・・・基板、２３．３９．
５２・・・レーザ活性層となる超伝導体。 第１同 第２目 第３因 第４目 第ｒ図 第２図 仄麩僅泉ｆ （Ｅ） 久方グ友ｆ（θ第７目 第、５−」
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、超伝導体よりなる発光部と、この発光部に電子を注
入するための第１の手段と、正孔を注入するための第２
の手段とを有することを特徴とする発光素子。 ２、特許請求の範囲第１項記載の発光素子において、前
記第１の手段および／若しくは前記第２の手段は、前記
発光部とトンネル障壁形成部とこのトンネル障壁形成部
を介した金属体、若しくは超伝導体よりなることを特徴
とする発光素子。 ３、特許請求の範囲第１項、若しくは第２項記載の発光
素子において、前記第１手段及び前記第２の手段は前記
発光部を介して、互いに対向していることを特徴とする
発光素子。４、特許請求の範囲第１項、第２項、若しく
は第３項記載の発光素子において、前記発光部は、超伝
導体の積層構造であることを特徴とする発光素子。 ５、特許請求の範囲第２項記載の発光素子において、前
記トンネル障壁形成部は金属酸化物であることを特徴と
する発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62138127A JPS63302581A (ja) | 1987-06-03 | 1987-06-03 | 発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62138127A JPS63302581A (ja) | 1987-06-03 | 1987-06-03 | 発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63302581A true JPS63302581A (ja) | 1988-12-09 |
Family
ID=15214608
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62138127A Pending JPS63302581A (ja) | 1987-06-03 | 1987-06-03 | 発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63302581A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0413333A2 (en) | 1989-08-18 | 1991-02-20 | Hitachi, Ltd. | A superconductized semiconductor device |
| DE4010489A1 (de) * | 1990-03-31 | 1991-10-02 | Dornier Luftfahrt | Supraleitendes element |
| WO2000077892A1 (fr) * | 1999-06-10 | 2000-12-21 | Japan Science And Technology Corporation | Oscillateur supraconducteur permettant de generer un rayonnement electromagnetique coherent et procede de fabrication correspondant |
| JP2015015590A (ja) * | 2013-07-04 | 2015-01-22 | 日本電信電話株式会社 | 光を用いた超伝導量子ビットの状態検出 |
-
1987
- 1987-06-03 JP JP62138127A patent/JPS63302581A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0413333A2 (en) | 1989-08-18 | 1991-02-20 | Hitachi, Ltd. | A superconductized semiconductor device |
| US5455451A (en) * | 1989-08-18 | 1995-10-03 | Hitachi, Ltd. | Superconductized semiconductor device using penetrating Cooper pairs |
| DE4010489A1 (de) * | 1990-03-31 | 1991-10-02 | Dornier Luftfahrt | Supraleitendes element |
| WO2000077892A1 (fr) * | 1999-06-10 | 2000-12-21 | Japan Science And Technology Corporation | Oscillateur supraconducteur permettant de generer un rayonnement electromagnetique coherent et procede de fabrication correspondant |
| JP2015015590A (ja) * | 2013-07-04 | 2015-01-22 | 日本電信電話株式会社 | 光を用いた超伝導量子ビットの状態検出 |
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