JPS63302581A - 発光素子 - Google Patents

発光素子

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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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JP
Japan
Prior art keywords
light emitting
superconductor
holes
electrons
energy distribution
Prior art date
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Pending
Application number
JP62138127A
Other languages
English (en)
Inventor
Tadashi Fukuzawa
董 福沢
Eizaburo Yamada
山田 栄三郎
Naoki Kayane
茅根 直樹
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.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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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。

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。
〔従来の技術〕
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。
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。
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。
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。
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。
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。
〔発明が解決しようとする問題点〕
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。
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。
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。
〔問題点を解決するための手段〕
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。
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。
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。
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。
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。
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。
【実施例〕
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
次いで、AQ2o3の酸化膜51を30人形成し、トン
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
Nd、Sm、Eu等の元素、MはGd、Tb。
Ba、Sr、Ca、に等の元素を表わす。
〔発明の効果〕
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。
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。
【図面の簡単な説明】
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−」

Claims (1)

  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。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

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