JP2012038976A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】量子カスケード構造を有する半導体発光素子において、光学遷移ダイポールモーメントを大きくし、利得を大きくする。
【解決手段】量子カスケードレーザ素子は、量子井戸層およびバリア層が交互に積層された多重量子井戸構造を有し、活性領域および注入領域からなる複数の単位構造が積層方向に配置された量子カスケード構造部を備える。活性領域は、３層の量子井戸層１６ａ〜１６ｃを含む。該３層の量子井戸層１６ａ〜１６ｃのうち中央に位置する量子井戸層１６ｂは、他の２層の量子井戸層１６ａ，１６ｃより薄い。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体発光素子に関するものである。

波長が３μｍより長い赤外光は、ガス分析等に用いられる分光分析システムや、赤外イメージングシステム、光通信システム等に応用できる。このような長波長の赤外光を半導体素子によって得る為に、従来より様々な工夫がなされている。

その工夫の一つに、量子カスケード構造を有する発光素子がある。この発光素子は、量子井戸構造におけるサブバンド間の電子の遷移によって光を発生させるしくみの発光素子であり、量子井戸構造を有する活性領域が多段にカスケード結合されて成る。このような発光素子によれば、高効率、高出力且つ長波長の発光素子を実現できる（例えば、特許文献１を参照）。

特許第３３３８２２８号公報

量子カスケード構造を有する発光素子では、量子井戸構造をそれぞれ含む注入領域（緩和領域とも呼ばれる）と活性領域とからなる単位構造が多数（例えば数十周期）繰り返されている。このような発光素子は、伝導帯において次に述べる３準位レーザ動作を実現する。まず、注入領域から活性領域の上位準位へトンネリングにより電子が注入される。この電子は、活性領域の上位準位から下位準位に遷移する。このとき、遷移エネルギーに相当する波長の光が放出される。下位準位に遷移した電子は、短い緩和時間でもって基底準位に非発光遷移する。これにより、活性領域において反転分布が実現される。基底準位に緩和した電子は、所定の電界によって次段の注入領域の上位準位へ移動する。以降、同様の動作を例えば数十周期にわたって繰り返すことにより、レーザ発振に必要な利得が得られる。

図５は、従来の量子カスケード構造の一例として、３ＱＷ（Quantum Well）構造を有する活性領域の伝導帯バンド構造を示す図である。図５において、縦軸は電子のエネルギーを表し、横軸は厚さ方向の位置を表している。また、実線Ｇａは活性領域の伝導帯を示しており、実線Ｇｂ〜Ｇｄは、それぞれ電子の基底準位、下位準位、及び上位準位のエネルギーを基準として上下方向に波動関数の振幅を示している。なお、図５において、印加電界は８０ｋＶ／ｃｍである。また、注入領域の図示を省略している。

この図に示されるように、活性領域は、３つの量子井戸層１０１ａ〜１０１ｃと、バリア層１０２ａ及び１０２ｂとを有している。これらの層は、量子井戸層１０１ａ、バリア層１０２ａ、量子井戸層１０１ｂ、バリア層１０２ｂ、及び量子井戸層１０１ｃの順で積層されている。これらの層の構成材料および厚さは以下の通りである。
量子井戸層１０１ａ：ＧａＩｎＡｓ、１．０ｎｍ
バリア層１０２ａ：ＡｌＩｎＡｓ、２．０ｎｍ
量子井戸層１０１ｂ：ＧａＩｎＡｓ、５．１ｎｍ
バリア層１０２ｂ：ＡｌＩｎＡｓ、１．９ｎｍ
及び量子井戸層１０１ｃ：ＧａＩｎＡｓ、３．９ｎｍ
また、上位準位と下位準位との間の遷移エネルギー差により定まる発光波長は５μｍであり、下位準位と基底準位とのエネルギー差は３３ｍｅＶである。

電子は、注入領域（図の左側）からトンネリング作用によって量子井戸層１０１ａに注入される。実線Ｇｄで示されるように、上位準位の波動関数は、主に量子井戸層１０１ａから量子井戸層１０１ｂにかけて広がっている。そして、主に量子井戸層１０１ｂの上位準位から下位準位への電子の遷移（図中の矢印Ａ３）によって、光が発生する（図中の矢印Ａ４）。

また、各量子井戸層１０１ａ〜１０１ｃおよび各バリア層１０２ａ及び１０２ｂの組成および厚さは、下位準位と基底準位との間のエネルギー差が縦光学（ＬＯ：Longitudinal Optical）フォノンエネルギーとほぼ一致するように設計されている。従って、下位準位の電子は、ＬＯフォノン共鳴によって短い緩和時間でもって基底準位に緩和する。これにより、レーザ発振に必要な反転分布が形成される。

ここで、量子井戸層１０１ｂにおける下位準位の波動関数の振幅形状が偶関数的である場合、光学遷移の選択則に基づき上位準位の波動関数は奇関数的であることが望ましい。図５に示されるように、従来の活性領域においては、上位準位の波動関数は奇関数的ではあるものの、該波動関数が量子井戸層１０１ａへ拡がっているので、量子井戸層１０１ｂにおける上位準位の波動関数の振幅の重なりが比較的小さくなってしまう。その結果、光学遷移のダイポールモーメントが小さくなるので、利得が小さくなり、閾値電流が大きくなるという問題がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、量子カスケード構造を有する半導体発光素子において、光学遷移ダイポールモーメントを大きくし、利得を大きくすることを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明による半導体発光素子は、量子井戸層およびバリア層が交互に積層された多重量子井戸構造を有し、活性領域および注入領域からなる複数の単位構造が積層方向に配置された量子カスケード構造部を備え、活性領域が３層の量子井戸層を含み、該３層の量子井戸層のうち中央に位置する量子井戸層が、他の２層の量子井戸層より薄いことを特徴とする。

この半導体発光素子によれば、３層の量子井戸層のうち中央に位置する量子井戸層が他の２層の量子井戸層より薄いことによって、伝導帯における上位準位の波動関数の形状は、活性領域の厚さ方向における中心面を基準にしてほぼ上下対称な形状（すなわち偶関数的形状）に固定される。従って、活性領域全体における波動関数の振幅が、安定な偶奇性（この場合は偶関数的形状）を有することができる。これにより、光学遷移ダイポールモーメントが印加電界によらず安定する。また、下位準位の波動関数の振幅が奇関数形状となるので、光学遷移ダイポールモーメントを大きくすることができる。以上のことから、本発明に係る半導体発光素子によれば、光学遷移ダイポールモーメントを大きくし、利得を大きくすることができる。

なお、本発明において、波動関数の振幅形状が偶関数的であるとは、活性領域の厚さ方向において、量子井戸層の中心面を基準として波動関数の振幅形状が上下対称に近い形状であることを意味する。また、波動関数の振幅形状が奇関数的であるとは、活性領域の厚さ方向において、量子井戸層の中心面から或る距離Ｚだけ離れた位置での波動関数の振幅と、距離−Ｚだけ離れた位置での波動関数の振幅との和が、中心面における波動関数の振幅の値に近いことを意味する。

つまり、量子井戸層の中心面を原点として、波動関数の振幅をΨ（ｚ）とすると、波動関数の振幅形状が偶関数的とは、Ψ（ｚ）＝Ψ（−ｚ）であり、奇関数的とは、Ψ（ｚ）＝−Ψ（−ｚ）であることを意味する。

また、上述した半導体発光素子においては、３層の量子井戸層が、互いに結合した波動関数を有することを特徴としてもよい。これにより、波動関数の振幅および上位準位、下位準位のエネルギーを調整して、より大きな光学遷移ダイポールモーメントを得ることができる。

また、上述した半導体発光素子においては、他の２層の量子井戸層の厚さが互いに異なってもよい。

また、上述した半導体発光素子においては、中央に位置する量子井戸層の厚さが０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であることが好ましい。

本発明によれば、量子カスケード構造を有する半導体発光素子において、光学遷移ダイポールモーメントを大きくし、利得を大きくすることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る量子カスケードレーザ素子の構造を示す断面図である。 図２は、量子カスケードレーザ素子が備える量子カスケード構造部の構造を示す断面図である。 図３は、一つの単位構造における、伝導帯のバンド構造を示す図である。 図４は、活性領域の伝導帯バンド構造を拡大して示す図である。 図５は、従来の量子カスケード構造の一例として、３ＱＷ（Quantum Well）構造を有する活性領域の伝導帯バンド構造を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体発光素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る量子カスケードレーザ素子１０の構造を示す断面図である。また、図２は、量子カスケードレーザ素子１０が備える量子カスケード構造部１２の構造を示す断面図である。図１及び図２は、量子カスケードレーザ素子１０のレーザ共振方向に対して垂直な断面を示している。本実施形態の量子カスケードレーザ素子１０は、波長が３μｍより長い中赤外領域ないし遠赤外領域のレーザ光を出力する素子であり、ガス分析などの分光システム、赤外イメージングシステム、あるいは空間光通信に用いられるものである。

図１に示されるように、量子カスケードレーザ素子１０は、量子カスケード構造部１２に加えて、基板２２、下部クラッド層２４、上部クラッド層２６、コンタクト層２８、アノード電極３０及びカソード電極３２を備える。

基板２２は主面２２ａを有する。本実施形態の基板２２は第１導電型のIII−Ｖ族化合物半導体からなり、一実施例では基板２２はｎ型ＩｎＰからなる。基板２２のキャリア濃度は例えば２×１０^１７ｃｍ^−３〜７×１０^１７ｃｍ^−３である。

下部クラッド層２４は、基板２２上に設けられている。下部クラッド層２４のバンドギャップは後述する量子カスケード構造部１２のバンドギャップより大きい。下部クラッド層２４は第１導電型のIII−Ｖ族化合物半導体からなり、一実施例では下部クラッド層２４はｎ型ＩｎＰからなる。下部クラッド層２４のキャリア濃度は例えば２×１０^１７ｃｍ^−３〜７×１０^１７ｃｍ^−３であり、下部クラッド層２４の厚さは例えば１μｍ〜２μｍである。下部クラッド層２４上には、量子カスケード構造部１２が設けられる。

上部クラッド層２６は、量子カスケード構造部１２上に設けられている。上部クラッド層２６のバンドギャップは後述する量子カスケード構造部１２のバンドギャップより大きい。上部クラッド層２６は第１導電型のIII−Ｖ族化合物半導体からなり、一実施例では上部クラッド層２６はｎ型ＩｎＰからなる。上部クラッド層２６のキャリア濃度は例えば２×１０^１７ｃｍ^−３〜７×１０^１７ｃｍ^−３であり、上部クラッド層２６の厚さは例えば１μｍ〜２μｍである。

コンタクト層２８は、上部クラッド層２６上に設けられている。コンタクト層２８は高濃度の第１導電型III−Ｖ族化合物半導体からなり、一実施例ではコンタクト層２８はｎ型ＩｎＧａＡｓからなる。

アノード電極３０は、コンタクト層２８上に設けられ、コンタクト層２８とオーミック接触を成している。カソード電極３２は、基板２２の裏面２２ｂ上に設けられ、基板２２とオーミック接触を成している。アノード電極３０及びカソード電極３２は、量子カスケード構造部１２に電界を印加すると共に電流を供給するための電極である。アノード電極３０は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを含んで構成される。カソード電極３２は、例えばＡｕＧｅを含んで構成される。

ここで、量子カスケード構造部１２の内部構成について詳細に説明する。図２に示されるように、量子カスケード構造部１２は、複数の単位構造１４を有する。複数の単位構造１４は、積層方向に並んで配置されており、隣り合う単位構造１４同士が互いに接している。各単位構造１４は、量子井戸層およびバリア層が交互に積層された多重量子井戸構造を有する。また、各単位構造１４は、一つの活性領域１６と、一つの注入領域１８とから成る。活性領域１６及び注入領域１８は層状に構成され、上記積層方向において互いに積層されている。単位構造１４の数は、例えば数十であり、好適には２０〜４０であり、一実施例では３０である。

図３は、一つの単位構造１４における、伝導帯のバンド構造を示す図である。図３において、縦軸はエネルギー値（ｅＶ）を示し、横軸は厚さ方向位置（ｎｍ）を示している。上述したように、一つの単位構造１４は、一つの活性領域１６と、一つの注入領域１８とから成る。なお、図３において、注入領域１８のバンド構造は省略されている。

活性領域１６は、３層の量子井戸層１６ａ、１６ｂ及び１６ｃを含む。また、活性領域１６は、２層のバリア層１６ｄ及び１６ｅを含む。これらの層は、量子井戸層１６ａ、バリア層１６ｄ、量子井戸層１６ｂ、バリア層１６ｅ、及び量子井戸層１６ｃの順で積層されている。

量子井戸層１６ａ〜１６ｃのバンドギャップは、バリア層１６ｄ及び１６ｅのバンドギャップより小さい。また、３層の量子井戸層１６ａ〜１６ｃのうち中央に位置する量子井戸層１６ｂは、他の２層の量子井戸層１６ａ及び１６ｂより薄い。好適には、量子井戸層１６ｂの厚さは０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下である。一実施例では、これらの層１６ａ〜１６ｅの構成材料および厚さは以下の通りである。
量子井戸層１６ａ：ＧａＩｎＡｓ、４．２ｎｍ
バリア層１６ｄ：ＡｌＩｎＡｓ、１．２ｎｍ
量子井戸層１６ｂ：ＧａＩｎＡｓ、０．９ｎｍ
バリア層１６ｅ：ＡｌＩｎＡｓ、１．２ｎｍ
及び量子井戸層１６ｃ：ＧａＩｎＡｓ、３．４ｎｍ
なお、このように、中央に位置する量子井戸層１６ｂを除く他の２層の量子井戸層１６ａ，１６ｃの厚さは互いに異なっていてもよい。

注入領域１８は、量子井戸層とバリア層とが交互に積層された多重量子井戸構造によって好適に構成される。注入領域１８の量子井戸層は例えばＧａＩｎＡｓから成り、注入領域１８のバリア層は例えばＡｌＩｎＡｓから成る。なお、活性領域１６及び注入領域１８における量子井戸層（Ｇａ_ｘ１Ｉｎ_１−ｘ１Ａｓ）、バリア層（Ａｌ_ｘ２Ｉｎ_１−ｘ２Ａｓ）の組成比ｘ１及びｘ２は、ＩｎＰとの格子整合系ではｘ１＝０．４６８、ｘ２＝０．４７６が好適値であり、歪み補償系ではｘ１＝０．３〜０．６、ｘ２＝０．２〜０．７が好適値である。

図４は、活性領域１６の伝導帯バンド構造を拡大して示す図である。図４において、縦軸はエネルギー準位を表し、横軸は厚さ方向の位置を表している。また、実線Ｇ１は活性領域の伝導帯と禁止帯との境界を示しており、実線Ｇ２〜Ｇ４は、それぞれ電子の基底準位、下位準位、及び上位準位の波動関数の振幅を示している。なお、図４において、印加電界は８０ｋＶ／ｃｍである。また、上位準位（Ｇ４）と下位準位（Ｇ３）との間の遷移エネルギー差により定まる発光波長は５μｍであり、下位準位（Ｇ３）と基底準位（Ｇ２）とのエネルギー差ΔＥは３３ｍｅＶである。

電子は、注入領域１８（図の左側）からトンネリング作用によって量子井戸層１６ａに注入される。そして、主に量子井戸層１６ｂの上位準位から下位準位への電子の遷移（図中の矢印Ａ１）によって、光が発生する（図中の矢印Ａ２）。

本実施形態においては、実線Ｇ３及びＧ４に示されるように、３層の量子井戸層１６ａ〜１６ｃが、互いに結合した波動関数（上位準位の波動関数および下位準位の波動関数）を有する。そして、上位準位（Ｇ４）の波動関数の形状が、活性領域１６の厚さ方向における中心面（図中の一点鎖線Ｂ）を基準にしてほぼ上下対称（図では左右対称）な形状、すなわち偶関数的形状に固定されている。これは、３層の量子井戸層１６ａ〜１６ｃのうち中央に位置する量子井戸層１６ｂが他の２層の量子井戸層１６ａ，１６ｃより薄いことに起因する。従って、活性領域１６全体における波動関数の振幅が、安定な偶奇性（本実施形態では偶関数的形状）を有することができる。これにより、光学遷移ダイポールモーメントが印加電界によらず安定する。また、下位準位（Ｇ３）の波動関数の振幅が奇関数形状となるので、光学遷移ダイポールモーメントを大きくすることができる。以上のことから、本実施形態の量子カスケードレーザ素子１０によれば、光学遷移ダイポールモーメントを大きくし、利得を大きくすることができる。

ここで、本実施形態における上記作用効果について更に詳述する。本実施形態では、３層の量子井戸層１６ａ〜１６ｃのうち中央に位置する量子井戸層１６ｂが他の２層の量子井戸層１６ａ，１６ｃより薄い。この点に関し、図５に示された従来の量子カスケード構造では、最初に電子が注入される量子井戸層１０１ａが最も薄くなっている。このような構成では、上位準位の波動関数は奇関数的ではあるものの、該波動関数が量子井戸層１０１ａへ拡がっているので、量子井戸層１０１ｂにおける上位準位の波動関数の振幅が比較的小さくなってしまう。その結果、上位準位の波動関数と下位準位の波動関数との重なりが小さくなり、発光効率が抑えられてしまう。

そこで、本発明者は、上位準位の波動関数と下位準位の波動関数との重なりが大きくなるように、上位準位の波動関数を偶関数的形状とすることを考えた。しかし、そうすると上位準位と基底準位との間の散乱時間（すなわち非発光遷移時間）が短くなり、利得が逆に低下することも予想される。

ここで、本実施形態の量子カスケードレーザ素子１０の散乱時間（＝１／遷移確率）と、図５に示された従来の量子カスケードレーザ素子の散乱時間との比較について説明する。上位準位（レーザ励起準位）と下位準位との間の散乱時間をτ_３２、上位準位（レーザ励起準位）と基底準位との間の散乱時間をτ_３１とすると、上位準位（レーザ励起準位）の散乱時間τ_３は、次の数式（１）によって表される。

また、下位準位と基底準位との間の散乱時間をτ_２１、上位準位（レーザ励起準位）と下位準位との間の光学遷移ダイポールモーメントをｚとすると、ＱＣＬレーザ利得ｇは、次の数式（２）によって表される。

そして、本実施形態の量子カスケードレーザ素子１０における各数値は以下のようになる。
τ_３１＝２．４４ｐｓ
τ_３２＝３．０５ｐｓ
τ_２１＝０．３７ｐｓ
ｚ＝１．８０ｎｍ
一方、図５に示された従来の量子カスケードレーザ素子における各数値は以下のようになる。
τ_３１＝２．８３ｐｓ
τ_３２＝２．３３ｐｓ
τ_２１＝０．２６ｐｓ
ｚ＝１．５３ｎｍ

上の数式（１）、（２）にこれらの値を適用すると、本実施形態の量子カスケードレーザ素子１０の利得ｇ_１と、図５に示された従来の量子カスケードレーザ素子の利得ｇ_２との利得比ｇ_１／ｇ_２は１．４５となり、本実施形態の量子カスケードレーザ素子１０は従来のものより格段に利得が増していることがわかる。これは、３層の量子井戸層１６ａ〜１６ｃのうち中央に位置する量子井戸層１６ｂが他の２層の量子井戸層１６ａ，１６ｃより薄いことによる、非発光遷移時間τ_３１が短くなるというデメリットに対し、光学遷移ダイポールモーメントｚが大きくなるというメリットの方がより大きいことが主因であると考えられる。このように、本実施形態の量子カスケードレーザ素子１０においては、非発光遷移時間が短くなるという影響と比して上位準位の波動関数と下位準位の波動関数との重なりが大きくなったことによる効果が勝るので、利得を効果的に大きくすることが可能となる。

また、本実施形態の量子カスケードレーザ素子１０によれば、図４に示されたように、発光に関わる光学遷移が、従来の量子カスケードレーザ素子と比較して活性領域のより広い領域にわたって広がるので、大きな光閉じ込め係数を得ることができる。

また、各量子井戸層１６ａ〜１６ｃおよび各バリア層１６ｄ及び１６ｅの組成および厚さは、下位準位（Ｇ３）と基底準位（Ｇ２）との間のエネルギー差ΔＥがＬＯフォノンエネルギーとほぼ一致するように設定されるとよい。これにより、下位準位（Ｇ３）の電子が、ＬＯフォノン共鳴によって短い緩和時間でもって基底準位（Ｇ２）に緩和するので、レーザ発振に必要な反転分布を好適に形成できる。

また、本実施形態のように、３層の量子井戸層１６ａ〜１６ｃは、互いに結合した波動関数を有することが好ましい。これにより、波動関数の振幅および上位準位、下位準位のエネルギーを調整して、より大きな光学遷移ダイポールモーメントを得ることができる。

本発明による半導体発光素子は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した実施形態では半導体発光素子としてレーザ素子を例示したが、本発明は、量子カスケード構造を有する様々な半導体発光素子（例えばＬＥＤ（Light-emitting Diode）やＳＬＤ（Super luminescentDiode）など）に適用可能である。また、上述した実施形態では、ＩｎＰ基板上にＧａＩｎＡｓ量子井戸層およびＡｌＩｎＡｓバリア層を有する量子カスケード構造を設けた構造を例示したが、ＧａＡｓ量子井戸層およびＡｌＧａＡｓバリア層を有する量子カスケード構造や、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層およびＡｌＡｓＳｂバリア層を有する量子カスケード構造であってもよい。

１０…量子カスケードレーザ素子、１２…量子カスケード構造部、１４…単位構造、１６…活性領域、１６ａ〜１６ｃ…量子井戸層、１６ｄ，１６ｅ…バリア層、１８…注入領域、２２…基板、２２ａ…主面、２２ｂ…裏面、２４…下部クラッド層、２６…上部クラッド層、２８…コンタクト層、３０…アノード電極、３２…カソード電極。

Claims (4)

1. 量子井戸層およびバリア層が交互に積層された多重量子井戸構造を有し、活性領域および注入領域からなる複数の単位構造が積層方向に配置された量子カスケード構造部を備え、
   前記活性領域が３層の前記量子井戸層を含み、該３層の量子井戸層のうち中央に位置する前記量子井戸層が、他の２層の前記量子井戸層より薄いことを特徴とする、半導体発光素子。
2. 前記３層の量子井戸層が、互いに結合した波動関数を有することを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記他の２層の量子井戸層の厚さが互いに異なることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
4. 前記中央に位置する量子井戸層の厚さが０．５ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。

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