JP6834626B2 - 発光ダイオード - Google Patents

Description

本発明は、非干渉性の光を発生する半導体発光素子、特に発光ダイオードに関する。

特許文献１は、量子カスケードレーザを開示する。

特開平８−２７９６４７号公報

量子カスケードレーザの発光は、多段に配列された発光層を利用した光学カスケーディング（単極性キャリアの縦続的な光学遷移）を利用する。縦続的な光学遷移を可能にするために、縦続的に配列された発光層のエネルギー準位は、外部電圧の印加を利用して隣接した発光層間において合わされる。このような縦続的な光学遷移の利用は、サブバンド遷移の波長領域において光学利得を高めることができる。

ｐｎ接合を有するレーザダイオードは、レーザ発振を引き起こすしきい値電流未満における動作において、非干渉性の弱い光、いわゆる自然放出光を発生する。発明者の知見によれば、量子カスケードレーザの発光波長帯において非干渉性の光源、換言すれば、非干渉性の光を発生する半導体発光素子は、有用である。発明者の検討によれば、多段の発光層は、大きな光学利得を提供できる一方で、縦続的に配列された発光層のエネルギー準位を外部電圧により整合させることは、大きな外部印加電圧を必要とする。このような多段の発光層の縦続接続は、自然放出光の発生には不便である。

本発明の一側面は、単極性のキャリアの光学遷移を用いて非干渉性の光を発生する、発光ダイオードといった半導体発光素子を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る発光ダイオードは、第１軸の方向に配列された複数の量子井戸構造を含み、側面、上面及び下面を有する発光領域と、前記発光領域の前記側面、前記上面及び前記下面の少なくともいずれか一面上に設けられた第１導電型半導体を含むエミッタ領域と、前記発光領域の前記側面に接続されたコレクタと、を備え、前記発光領域及び前記コレクタは、前記第１軸に交差する基準面に沿って配列されており、前記量子井戸構造は、第１導電型キャリアのためのサブバンド構造を有する。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明の一側面をよれば、単極性のキャリアの光学遷移を用いて非干渉性の光を発生する、発光ダイオードといった半導体発光素子を提供できる。

図１は、本実施形態に係る発光ダイオードを模式的に示す図面である。 図２は、本実施形態に係る発光ダイオードを模式的に示す図面である。 図３は、本実施形態に係る発光ダイオードのための発光領域の構造を示す図面である。 図４は、実施例１に係る量子井戸構造におけるエネルギーレベル及び層構造を模式的に示す図面である。 図５は、実施例２に係る量子井戸構造におけるエネルギーレベル及び層構造を模式的に示す図面である。 図６は、本実施形態に係る発光ダイオードのエミッタ領域から発光領域の上面へのキャリアの供給を模式的に示す図面である。 図７は、本実施形態に係る発光ダイオードのエミッタ領域から発光領域の上面へのキャリアの供給を模式的に示す図面である。 図８は、本実施形態に係る発光ダイオードのエミッタ領域から発光領域の側面へのキャリアの供給を模式的に示す図面である。 図９は、本実施形態に係る発光ダイオードの発光領域の側面からコレクタ領域へのキャリアの供給を模式的に示す図面である。 図１０は、本実施形態に係る発光ダイオードのための量子フィルタを示す図面である。 図１１は、本実施形態に係る発光ダイオードを模式的に示す図面である。 図１２は、本実施形態に係る発光ダイオードのための量子フィルタを示す図面である。 図１３は、本実施形態に係る発光ダイオードのためのレンズ構造を模式的に示す図面である。 図１４は、本実施形態に係る発光ダイオードを製造する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。 図１５は、本実施形態に係る発光ダイオードを製造する方法における主要な工程を模式的に示す図面である。

いくつかの具体例を説明する。

具体例に係る発光ダイオードは、（ａ）第１軸の方向に配列された複数の量子井戸構造を含み、側面、上面及び下面を有する発光領域と、（ｂ）前記発光領域の前記側面、前記上面及び前記下面の少なくともいずれか一面上に設けられた第１導電型半導体を含むエミッタ領域と、（ｃ）前記発光領域の前記側面に接続されたコレクタと、を備え、前記発光領域及び前記コレクタは、前記第１軸に交差する基準面に沿って配列されており、前記量子井戸構造は、第１導電型キャリアのためのサブバンド構造を有する。

発光ダイオードによれば、エミッタ領域は、第１導電型の半導体領域を有しており、エミッタ領域は、発光領域の側面、上面及び下面のいずれか一面を介して発光領域にキャリアを提供する。発光領域は電子・正孔の再結合による発光ではなく、電子及び正孔の一方である単極性キャリアのサブバンド間の遷移を利用して光を生成する。また、発光領域の側面は第１軸の方向に延在すると共に、量子井戸構造は第１軸の方向に配列される。コレクタは、発光領域内の量子井戸構造に並列に接続されて、発光領域の側面を介して発光領域からキャリアを受ける。個々の量子井戸構造内のキャリアは、量子井戸構造内の移動中に光学遷移により光を生成できる。遷移したキャリアは、発光領域の側面を介してコレクタに流れ込む。発光ダイオードは、光共振器を含まないので、可干渉性の光を生成できず、非干渉性の光を提供する。

具体例に係る発光ダイオードでは、前記量子井戸構造は、第１井戸層、第２井戸層、第１障壁層、及び第２障壁層を含み、前記第１障壁層は前記第１井戸層を前記第２井戸層から隔てており、前記第１井戸層は前記第１障壁層を前記第２障壁層から隔てている。

この発光ダイオードによれば、この量子井戸構造は、上位のエネルギー準位、及び下位のエネルギー準位を単一極性のキャリアに提供することを容易にする。また、この量子井戸構造が、緩和のためのエネルギー準位を更に提供できるときには、緩和のためのエネルギー準位は、上位のエネルギー準位から下位のエネルギー準位に遷移した単極性キャリアが上位のエネルギー準位の緩和時間より小さい時間で緩和することを促進する。

具体例に係る発光ダイオードでは、前記発光領域は、前記第１軸の方向に配列された複数の第１単位セルを含み、前記第１単位セルは、前記第１井戸層、前記第２井戸層、前記第１障壁層、及び前記第２障壁層を含み、前記第１障壁層の厚さは前記第２障壁層の厚さより小さい。

この発光ダイオードによれば、第１障壁層の厚さは第２障壁層の厚さより小さいので、単位セル内の第１井戸層及び第２井戸層が、当該単位セル内の第２障壁層により隔てられる他の井戸層に比べてより密に結合する。

具体例に係る発光ダイオードでは、前記量子井戸構造は、前記第１軸の方向に交差する平面に沿って延在する障壁層を含み、前記障壁層の一部又は全部に、ドーパントが添加されている。

この発光ダイオードによれば、ドープされた障壁層は、井戸層への注入のために有用である。

具体例に係る発光ダイオードでは、前記コレクタは、前記発光領域の前記側面に接触を成す半導体を備える。

この発光ダイオードによれば、コレクタの半導体領域は、エミッタ領域からのキャリアを発光領域の側面から受ける。

具体例に係る発光ダイオードでは、前記コレクタは、前記発光領域の前記側面に接触を成す金属電極を備える。

この発光ダイオードによれば、コレクタの金属電極は、エミッタ領域からのキャリアを発光領域の側面から受ける。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、非干渉性の光を発生する半導体発光素子、特に発光ダイオードに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施形態に係る半導体発光素子を模式的に示す一部破断斜視図である。図２は、本実施形態に係る半導体発光素子を模式的に示す一部破断斜視図である。図３は、本実施形態に係る半導体発光素子のための量子井戸構造及びエネルギー準位を模式的に示す図面である。縦方向の座標軸（縦軸）は、キャリアのエネルギーレベルを示し、残り２つの座標軸（横軸）は、空間座標のためのＸ軸及びＺ軸並びにＹ軸を示す。図３を参照した説明は、電子のキャリアについて行われるけれども、この説明は、半導体物理に係る知見に基づき正孔のキャリアに読み替えできる。

非干渉性の光を発生する半導体発光素子１１を説明する。引き続く説明から理解されるように、半導体発光素子１１は、ｐｎ接合を含まず、これ故にホールと電子との再結合による発光を利用せずに単極性キャリアを利用する。半導体発光素子１１が非干渉性の光を発生するという点で、ｐｎ接合を含む半導体光素子に係る技術分野において、可干渉性の光を生成する光素子をレーザダイオードと呼び、非干渉性の光を発生する光素子を「発光ダイオード」と呼ぶ用法に従って、以下の説明では、半導体発光素子１１を「発光ダイオード」として参照する。半導体発光素子１１は、光共振器を含まず、非干渉性の光を発生する。

図１及び図２を参照すると、発光ダイオード１１ａ、１１ｂは、発光領域１５と、エミッタ領域１７と、コレクタ１９とを備える。発光領域１５、エミッタ領域１７、及びコレクタ１９は、基板１３の主面１３ａ上に設けられる。発光領域１５及びコレクタ１９は、第１軸Ａｘ１に交差する基準面に沿って配列されており、或いは、発光領域１５、エミッタ領域１７、及びコレクタ１９は、第１軸Ａｘ１に交差する基準面に沿って配列されていてもよい。

発光領域１５は、第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、上面１５ｄ、下面１５ｅ、第３側面１５ｆ及び第４側面１５ｇを有する。第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、第３側面１５ｆ及び第４側面１５ｇは、第１軸Ａｘ１の方向に延在し、上面１５ｄ及び下面１５ｅの各々は、第１軸Ａｘ１に交差する基準面に沿って延在する。第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃは、第１軸Ａｘ１に交差する第２軸Ａｘ２の方向に延在する。第３側面１５ｆ及び第４側面１５ｇは、第１軸Ａｘ１及び第２軸Ａｘ２に交差する第３軸Ａｘ３の方向に延在する。

基板１３の主面１３ａは、第１エリア１３ｂ及び第２エリア１３ｃを含み、半導体メサＭＳは、第１エリア１３ｂ上に設けられる。半導体メサＭＳは、発光領域１５を含む。本実施例では、第２エリア１３ｃは第１エリア１３ｂを囲む。

発光領域１５は、複数の量子井戸構造２１を含み、図３に示されるように、量子井戸構造２１の各々は、第１導電型キャリアのためのサブバンド構造を有する。各量子井戸構造２１は、基板１３の主面１３ａ上に設けられる。発光領域１５の発光領域１５は、第１軸Ａｘ１の方向に配列される複数の単位セル１５ａを有する。具体的には、量子井戸構造２１は、井戸層及び障壁層といった複数の半導体層（２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ）を有する。これらの半導体層（２１ａ〜２１ｄ）は、主面１３ａに交差する第１軸Ａｘ１の方向に配列される。単位セル１５ａは、３つのエネルギー準位（Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３を有する。

エミッタ領域１７は、第１導電型半導体を含み、第１導電型半導体は、発光領域１５の上面１５ｄ、下面１５ｅ、及び側面の少なくともいずれか一面上に設けられる。側面は、第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、第３側面１５ｆ及び第４側面１５ｇの少なくともいずれかの面を含むことができる。具体的には、エミッタ領域１７は、発光領域１５の上面１５ｄ上に設けられ、更に第１側面１５ｂ及び／又は第２側面１５ｃ上に設けられることができる。或いは、エミッタ領域１７は、側面（第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、第３側面１５ｆ及び第４側面１５ｇの少なくともいずれかの面）上に設けられる。

コレクタ１９は、発光領域１５の側面に接続されて、発光領域１５からの第１導電型キャリアを受ける。コレクタ１９は、エミッタ領域１７から離れており、半導体メサＭＳの発光領域１５の側面上に設けられる。具体的には、コレクタ１９は、発光領域１５の第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、第３側面１５ｆ及び第４側面１５ｇの少なくともいずれか一つ上に設けられることができる。本実施例では、コレクタ１９は、第２エリア１３ｃ上において発光領域１５の側面上に配置され、具体的には、第２エリア１３ｃ上において発光領域１５を囲むように第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、第３側面１５ｆ及び第４側面１５ｇ上に設けられ、これらの側面に接触を成す。コレクタ１９は、金属及び／又は半導体を備えることができる。半導体は、第１導電型半導体又は量子フィルタ構造を備えることができる。

発光ダイオード１１ａ、１１ｂによれば、エミッタ領域１７は、第１半導体領域２３を有しており、エミッタ領域１７は、発光領域１５の上面１５ｄ、下面１５ｅ及び側面のいずれか一面を介して発光領域１５にキャリアを提供する。発光領域１５は電子・正孔の再結合による発光ではなく、電子及び正孔の一方である単極性キャリアのサブバンド間の遷移（例えば、中赤外及び遠赤外の波長帯、具体的には、２〜１５マイクロメートルの波長）を利用して光を生成する。また、発光領域１５の側面は第１軸Ａｘ１の方向に延在すると共に、量子井戸構造２１は第１軸Ａｘ１の方向に配列される。コレクタ１９は、発光領域１５内の量子井戸構造２１に並列に接続されて、発光領域１５の側面を介して発光領域１５からキャリアを受ける。個々の量子井戸構造２１内のキャリアは、量子井戸構造２１内の移動中に光学遷移により光を生成できる。遷移したキャリアは、発光領域１５の側面を介してコレクタ１９に流れ込む。発光ダイオード１１ａ、１１ｂは、光共振器を含まないので、可干渉性の光を生成できず、非干渉性の光を提供する。

エミッタ領域１７は、一又は複数の半導体を備えることができる。本実施例では、エミッタ領域１７の第１半導体領域２３は、上面１５ｄに沿って延在する。具体的には、第１半導体領域２３は、発光領域１５の側面の上縁から離れている。エミッタ領域１７は、発光領域１５に第１導電型キャリアを与える。エミッタ領域１７及びコレクタ１９は、互いに電気的に分離されて、エミッタ領域１７からのキャリアは発光領域１５を流れてコレクタ１９に到達する。

発光ダイオード１１ａ、１１ｂは、エミッタ領域１７上に設けられた第１電極３１ａと、コレクタ１９に接続される第２電極３１ｂとを備える。第１電極３１ａ及び第２電極３１ｂは、それぞれ、エミッタ領域１７及びコレクタ１９に電気的に接続されている。エミッタ領域１７は、コンタクト層２８ａを搭載すると共に、発光領域１５の上面に接触を成す。第１電極３１ａは、エミッタ領域１７の第１導電型半導体又はコンタクト層２８ａの第１導電型半導体にオーミック接触を成す。

エミッタ領域１７から発光領域１５に提供されるキャリアの導電型は、発光領域１５からコレクタ１９に提供されるキャリアの導電型と同じであり、発光ダイオード１１ａ、１１ｂは、単極性キャリアを利用する。

本実施例では、発光ダイオード１１ａ、１１ｂでは、発光領域１５及びエミッタ領域１７は、第１軸Ａｘ１の方向に配列されると共に、第１エリア１３ｂ上の発光領域１５並びに第２エリア１３ｃ上のコレクタ１９は、第１軸Ａｘ１に交差する第２軸Ａｘ２及び／又は第３軸Ａｘ３の方向に配列される。第１半導体領域２３は、発光領域１５の側面の上縁から離れており、この隔置により、第１半導体領域２３から発光領域１５を介してコレクタ１９に至る経路を提供する。第１半導体領域２３から発光領域１５の量子井戸構造２１にわたって単極性キャリアが供給され、これらの単極性キャリアは、発光領域１５の量子井戸構造２１におけるサブバンドの上位のエネルギー準位から下位のエネルギー準位への光学遷移により発光に寄与する。発光領域１５における光遷移により下位のエネルギー準位の単極性キャリアはコレクタ１９に流れ込む。エミッタ領域１７からの単極性キャリアは、コレクタ１９に流れ込む単極性キャリアと同じ導電型を有する。この発光ダイオード１１ａ、１１ｂは、発光に際して、単極キャリアの光学遷移を利用すると共に、エミッタ領域１７、発光領域１５及びコレクタ１９の配列は、発光に際して、単極キャリアのカスケーディング（縦続的な光学遷移）を必要としない。縦続的な光学遷移を避けて、非干渉性の光を生成できる半導体発光素子１１の動作電圧を低減可能である。

発光ダイオード１１ａ、１１ｂの具体的な構造を説明する。

（第１構造）
図１を参照しながら、発光ダイオード１１ａ（１１）を説明する。発光ダイオード１１ａでは、半導体メサＭＳが、基板１３の主面１３ａから第１軸Ａｘ１の方向に延在する。コレクタ１９は、第１導電型の第２半導体領域２５を備え、第２半導体領域２５は、発光領域１５の第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、第３側面１５ｆ及び第４側面１５ｇ上に設けられる。発光領域１５の第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、第３側面１５ｆ及び第４側面１５ｇを覆うコレクタ１９の第２半導体領域２５は、第２エリア１３ｃ上において第１軸Ａｘ１の方向に延在する。第２半導体領域２５の導電型は、第１半導体領域２３の導電型と同じである。本実施例では、第２半導体領域２５は、第２エリア１３ｃ上に設けられて、発光領域１５の第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、第３側面１５ｆ及び第４側面１５ｇに接触を成す。第２半導体領域２５は、一又は複数の半導体層を含むことができる。

半導体メサＭＳの発光領域１５の上面１５ｄ上において、第１半導体領域２３及びコンタクト層２８ａは発光領域１５の側面の上縁から離れて、アイランド構造２７を形成する。第１電極３１ａは、第１アイランド２７ａ上に設けられて、発光領域１５からの光を反射できる。第１アイランド２７ａは、分離溝２７ｃにより第２アイランド２７ｂ（発光領域１５の側面におけるコレクタ１９の第２半導体領域２５）から隔離される。また、発光領域１５の側面におけるコレクタ１９の第２半導体領域２５は、発光領域１５の上面１５ｄから第２電極３１ｂを隔置できる。第２電極３１ｂは、第１エリア１３ｂと第２エリア１３ｃとの境界から離れており、第１電極３１ａは、発光領域１５の上面１５ｄの全体を覆うように設けられることができる。

発光ダイオード１１ａは、エミッタ領域のために設けられた第１電極３１ａと、コレクタ１９の第２半導体領域２５上に設けられた第２電極３１ｂとを備え、第１電極３１ａ及び第２電極３１ｂは、それぞれ、エミッタ領域１７の第１導電型半導体及びコレクタ１９の第１導電型半導体にオーミック接触を成す。

絶縁性被覆膜３７が、発光領域１５の上面、第１半導体領域２３及び第２半導体領域２５の側面及び上面、コンタクト層２８ａの側面、並びに分離溝２７ｃの側面及び底面を覆うと共に、第１アイランド２７ａの上面に第１開口３７ａを有し、コレクタ１９の第２半導体領域２５の上面上に第２開口３７ｂを有する。第１電極３１ａが、第１開口３７ａを通して第１半導体領域２３に電気的に接続され、具体的には、第１半導体領域２３上のコンタクト層２８ａに接触を成す。また、第２電極３１ｂが、第２開口３７ｂを通して第２半導体領域２５に電気的に接続され、第２半導体領域２５に接触を成す。

（第２構造）
図２を参照しながら、発光ダイオード１１ｂ（１１）を説明する。発光ダイオード１１ｂでは、半導体メサＭＳが、基板１３の主面１３ａから第１軸Ａｘ１の方向に延在する。コレクタ１９は、金属電極３３を備え、金属電極３３は、第１半導体領域２３からのキャリアを発光領域１５を介して受ける。金属電極３３は、第２エリア１３ｃ上において発光領域１５の側面上を第１軸Ａｘ１の方向に延在する。本実施例では、金属電極３３は、発光領域１５の第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、第３側面１５ｆ及び第４側面１５ｇ上において第１軸Ａｘ１の方向に延在して、発光領域１５の上面１５ｄ上において終端する。この延在により、単位セル１５ａの並列接続が可能になる。金属電極３３の端部は、発光領域１５の上面１５ｄ上において、エミッタ領域１７の第１半導体領域２３及びコンタクト層２８ａから離れている。具体的には、コレクタ１９の金属電極３３は、第２エリア１３ｃ上に設けられて、発光領域１５の第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、第３側面１５ｆ及び第４側面１５ｇに接触を成す。

半導体メサＭＳの発光領域１５の上面１５ｄ上において、第１半導体領域２３及びコンタクト層２８ａは発光領域１５の側面の上縁から離れて、第１アイランド２７ａを形成する。第１アイランド２７ａは、発光領域１５の上面上の金属電極３３の端部から隔置される。

第１電極３１ａは、第１アイランド２７ａ上に設けられて、発光領域１５からの光を反射できる。また、第１電極３１ａは、第１アイランド２７ａの外側にも設けられることができ、発光領域１５の上面１５ｄの全体を覆うように設けられてもよい。発光領域１５の側面の金属電極３３及び半導体メサＭＳの上面上の金属電極３３は、同様に、発光領域１５からの光を反射できる。発光領域１５の側面の金属電極３３は、第２エリア１３ｃ上の第２電極３１ｂに接続される。

絶縁性被覆膜３７が、発光領域１５の側面上の金属電極３３を覆う、第１半導体領域２３の側面、コンタクト層２８ａの側面及び上面、並びに発光領域１５の上面１５ｄを覆うと共に、第１アイランド２７ａの上面に第１開口３７ａを有し、基板１３の第２エリア１３ｃの上面上に第２開口３７ｂを有する。第１電極３１ａが、第１開口３７ａを通して第１半導体領域２３に電気的に接続され、具体的には、第１半導体領域２３上のコンタクト層２８ａに接触を成す。また、第２電極３１ｂが、第２開口３７ｂを通して金属電極３３に電気的に接続され、金属電極３３に接触を成す。

第１構造及び第２構造のための半導体発光素子１１の構造。
基板１３：ＩｎＰ。
発光領域１５：アンドープＡｌｌｎＡｓ／アンドープＩｎＧａＡｓ／アンドープＡｌｌｎＡｓ／アンドープＩｎＧａＡｓの４層を単位ユニットとした５０周期の超格子構造。
第１半導体領域２３：ＳｉドープＩｎＰ／アンドープＡｌＩｎＡｓ、あるいは、ＳｉドープＩｎＰ／ＳｉドープＡｌＧａＩｎＡｓ／アンドープＡｌＩｎＡｓ、あるいは、ＳｉドープＩｎＰ／アンドープＡｌＧａＰＳｂの積層構造。
半導体メサＭＳのサイズ：１５マイクロメートル。
半導体メサＭＳの厚さ：１．０マイクロメートル。
発光領域１５の厚さ：０．８マイクロメートル。
第１半導体領域２３のサイズ：１０マイクロメートル。
第１半導体領域２３の厚さ：０．２マイクロメートル。
第２半導体領域２５：ＳｉドープＩｎＰ／ＳｉドープＧａＩｎＡｓ、あるいは、ＳｉドープＩｎＰ／ＳｉドープＧａＩｎＡｓＰ／ＳｉドープＧａＩｎＡｓの積層構造。
第２半導体領域２５の厚さ：１．０マイクロメートル。
コンタクト層２８ａ：ＳｉドープＩｎＧａＡｓ、０．１マイクロメートル。
金属電極３３：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ。

発光ダイオード１１ｂは、エミッタ領域のための第１電極３１ａと、コレクタ１９のための第２電極３１ｂとを備え、第１電極３１ａ及び金属電極３３は、それぞれ、エミッタ領域１７の第１導電型半導体及び発光領域１５の第１導電型半導体にオーミック接触を成す。金属電極３３は、第２電極３１ｂに接続される。

（実施例１）
図４を参照しながら、量子井戸構造の構造を説明する。引き続く説明では、電子がキャリアとして利用されるが、同様に、正孔をキャリアとして利用されることができる。上位エネルギー準位Ｅ３から下位エネルギー準位Ｅ２への遷移確率を高めるために、キャリアの引き抜きにより下位エネルギー準位Ｅ２上のキャリア密度を下げることが好適である。量子井戸構造２１の一例は、複数（例えば２つ）の井戸層（２１ａ、２１ｂ）と、これらの井戸層を隔てる一又は複数の障壁層とを備えることが良い。障壁層（２１ｃ）は、障壁層（２１ｄ）に比べて薄くして、井戸層（２１ａ、２１ｂ）内の電子の波動関数がそれぞれ障壁層（２１ｃ）を介して井戸層（２１ｂ、２１ａ）に浸みだして互いに結合する。この構造を「結合量子井戸」として参照する。結合量子井戸は、障壁層（２１ｃ）の中心線（厚み方向の中心）を基準にして左右に対称な井戸構造を有する。このような構造では、下位エネルギー準位Ｅ２よりＬＯフォノンエネルギーと同程度に低い緩和エネルギー準位Ｅ１を形成することができ、上位エネルギー準位Ｅ３から下位エネルギー準位Ｅ２に発光遷移した電子を速やかにフォノン散乱（共鳴）によって緩和エネルギー準位Ｅ１に遷移させることができる。また、結合量子井戸は、上位エネルギー準位Ｅ３の波動関数と下位エネルギー準位Ｅ２の波動関数との重なりを大きくして、発光遷移確率を増加させ、これにより光学利得を増大できる。
結合量子井戸の具体例。
井戸層／障壁層：アンドープＩｎＧａＡｓ／アンドープＡｌｌｎＡｓ。
井戸層（２１ａ）厚：４ｎｍ。
内側の障壁層（２１ｄ）厚：２ｎｍ。
井戸層（２１ｂ）厚：４ｎｍ。
外側の障壁層（２１ｃ）厚：１０ｎｍ。
発振に係るエネルギー差（上位エネルギー準位Ｅ３と下位エネルギー準位Ｅ２との差）：２７０ｍｅＶ（発振波長：４．６マイクロメートル）。
光学利得：９６ｃｍ^−１／ｐｅｒｉｏｄ。
Ｅｐｏｐ（下位エネルギー準位Ｅ２と緩和エネルギー準位Ｅ１との差）：３５．６ｍｅＶ。
基板１３：ＩｎＰ基板。
また、発光領域が、量子カスケード半導体レーザにおける注入層を必須である構造を必要としない。これ故に、量子井戸構造の設計の自由度が大きい。また、例えば外側の障壁層のＡｌＩｎＡｓの厚さも含めた４層の設計において、障壁層には引っ張りの応力を導入しまた井戸層には圧縮の応力を導入する格子の不整合を利用すると共に、引っ張りと圧縮の応力を量子井戸構造の全体として実質的に相殺することによって、良好な結晶性を保ちながら、大きな導電帯バンドギャップ差（深い量子井戸の形成）を形成することができる。これによって、キャリヤの漏洩を抑制することによる温度特性の改善、及び発振波長範囲の拡大を提供できる。

（実施例２）
図５に示されるように、量子井戸構造の障壁層の少なくとも一部に、キャリアの極性と同じ極性のドーパントを添加することができる。この添加により、両井戸層への注入効率を改善できる。例えば、１０ｎｍ厚のＡｌＩｎＡｓ障壁層において、井戸層に接する薄層領域２１ｃａ、２１ｃｃをアンドープにすると共に、これらの間にドーパント添加の薄層領域２１ｃｂを設けることができる。ドーピング濃度は自由キャリア吸収による損失を低減するために１０^１７ｃｍ^−３程度又はそれ以下であることが良い。このドーパント添加の薄層領域は、発光領域の半導体積層における面内方向の導電性を高めることができ、エミッタ領域から面内の方向に離れた位置において井戸層にキャリアを提供できる。

（実施例３）
本実施形態に係る発光ダイオード１１ａ、１１ｂは、発光領域１５内の複数の量子井戸構造２１にエミッタ領域１７から第１軸Ａｘ１の方向にキャリアを注入して、各量子井戸構造２１内にキャリアを提供する。量子井戸構造２１内のキャリアが量子井戸層の面内方向と平行な方向に輸送される。
このような構造のデバイスに電子を注入した場合、発光領域内の電子分布をシミュレーションにより見積もる。
面内方向のキャリア輸送を見積もるために、シミュレーションによる数値実験を行うデバイスモデルを以下に示す。
メサ構造内の発光領域上のエミッタ領域の開口の中心からメサ上面の上縁の一方までのメサ片幅：１０マイクロメートル。
メサ構造内の発光領域上のエミッタ領域の開口の中心からメサ上面の上縁の他方までのメサ片幅が１０、２０、５０及び１００マイクロメートル。
電子は、エミッタ領域の開口から電界によりドリフトし発光領域に注入される。
発光領域：ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ多重量子井戸構造。
モデル名、 縦方向の電気伝導率、 横方向の電気伝導率、 縦／横電気伝導率比。
第１モデル、 ４．３Ｅ−５、 １．７Ｅ−２、 ２．５３Ｅ−３。
第２モデル、 １．５Ｅ−５、 １．７Ｅ−２、 ８．７４Ｅ−４。
第３モデル、 １．７Ｅ−６、 １．７Ｅ−２、 ９．８４Ｅ−５。
記法「２．５３Ｅ−３」は、２．５３×１０^−３を示す。
縦／横電気伝導率比は、縦方向の電気伝導率を横方向の電気伝導率で割った値である。
横方向の電流密度について。
１００マイクロメートルのメサ幅を有するモデルの計算結果によれば、横方向の電子流密度分布は、量子井戸の縦方向と横方向の電気伝導率比が大きいほど大きくなる。また、２０マイクロメートルのメサ幅を有するモデルの計算結果によれば、３桁程度の電気伝導率比では、コレクタ電極での電子流密度は、深さ方向に大きな違いはない。
縦方向の電流密度について。
１００マイクロメートルのメサ幅を有するモデルの計算結果によれば、縦方向の電子流密度分布は、エミッタ電極直下辺りに分布している。また、２０マイクロメートルのメサ幅を有するモデルの計算結果によれば、量子井戸の縦方向と横方向の電気伝導率比が大きいほど下方への分布が少なくなるが、３ケタ程度の電気伝導率比でも十分に下方まで電子は分布する。

本実施形態に係る発光ダイオード１１ａ、１１ｂは、量子井戸構造２１内のキャリアが量子井戸層の面内方向と平行な方向に輸送される点で量子カスケード半導体レーザとは異なっており、量子カスケード半導体レーザに内在するヘテロ障壁を備えない。ヘテロ障壁がないことにより、本実施形態に係る発光ダイオードは、低電圧で駆動可能であって、量子井戸構造２１を多層化することに起因して動作電圧が上昇することなく、並列に接続された量子井戸構造２１によって大きな光学利得を得ることができる。また、本実施形態に係る発光ダイオードは、量子カスケード半導体レーザにおけるトンネル輸送による損失の発生無い。

本実施形態の構造は、電流が流れる方向に量子カスケード半導体レーザのように多段の量子井戸間にカスケードのために設けられる注入層を備えないので、電流注入側（エミッタ）と引き抜き側（コレクタ）の２つの電極間での電圧降下は、発振波長のエネルギーに係る電圧降下と当該素子の直列抵抗による電圧降下との和になる。光学利得を高めるために、発光領域内の量子井戸構造の単位セルは多重に積層する構造を採用するけれども、この積層の数と共に増大する電圧上昇は、本実施形態の構造における動作機構上発生せず、半導体発光素子１１の動作電圧が大幅に低減される。

量子カスケード半導体レーザは、発光のための単位セルの縦続的な積層とこの積層方向へのキャリア注入とを用いるので、量子カスケード半導体レーザにおけるキャリア注入層におけるキャリア損失が生じる。一方、本実施形態に係る素子構造はキャリア注入層を必要とせずに、キャリア注入層におけるキャリア損失が生じない。本実施形態に係る素子構造では、発光層の積層構造に係る設計自由度が大きくなって、デバイスの特性の改善、具体的には閾値電流、動作電圧及び消費電力の低減が可能となると共に、大きな段差のないプレーナデバイスとしてウエハ上面から電極を構成できることから、他のデバイスとの集積化やアレー化などといった機能の拡大も可能となる。さらに、キャリア注入層がないために、発光層のエピ層厚を低減できると共に、エピ成長後にフォトルミネッセンスなどによる非破壊の光学特性の評価が可能となるために、製造時間の短縮、コストの低減にも寄与する。

図６を参照しながら、エミッタ領域から発光領域の上面へのキャリアの供給を説明する。図６の（ａ）部は、エミッタ領域１７及び発光領域１５における無バイアス下のバンド構造を模式的に示す図面である。図６の（ｂ）部は、エミッタ領域１７及び発光領域１５における順方向の外部バイアス下のバンド構造を模式的に示す図面である。図６の（ａ）部及び（ｂ）部では、発光領域１５が超格子構造を有することを示すために、単位セル１５ａの配列が描かれている。単位セル１５ａは、図６の（ｃ）部に示される。図６の（ａ）部及び（ｂ）部において、「Ｅｆ１」はフェルミ準位又は偽フェルミ準位を示し、「Ｅｃ１」は伝導帯を示す。第１半導体層３３ａの伝導帯のレベルは、第２半導体層３３ｂの伝導帯のレベルより高い。
エミッタ領域の構造。
第１半導体層３３ａ：アンドープＡｌＧａＰＳｂ、厚さ２０ｎｍ。
第２半導体層３３ｂ：ＳｉドープＩｎＰ、厚さ２００ｎｍ。

図６の（ｂ）部に示されるように、外部バイアスを発光ダイオードに印加して、第１半導体層３３ａと第２半導体層３３ｂとの間のヘテロ障壁を小さくする。ヘテロ障壁の低下に応答して、高いエネルギーのキャリアＣ（電子）が熱キャリア放出によってヘテロ障壁を越えてエミッタ領域１７から発光領域１５の超格子構造に注入される。注入されたキャリアは、個々のキャリアのエネルギーに応じた伝導帯内のレベルにおいて、電界に引かれて発光領域１５をドリフト又は拡散しながらエネルギーを失って、様々な単位セル内に落ち込む。単位セル内をコレクタ領域にドリフトしながら高いエネルギー準位（Ｅ３）から低いエネルギー準位（Ｅ２）への光学遷移により光を生成する。エネルギー準位（Ｅ２）のキャリアは、更に低いエネルギー準位（Ｅ１）に速やかに緩和する。

図７を参照しながら、エミッタ領域から発光領域の上面へのキャリアの供給を説明する。図７の（ａ）部は、エミッタ領域１７及び発光領域１５における無バイアス下のバンド構造を模式的に示す図面である。図７の（ｂ）部は、エミッタ領域２２及び発光領域１５における順方向の外部バイアス下のバンド構造を模式的に示す図面である。図７では、発光領域１５が単位セル１５ａの配列を超格子構造を有することを示すために、周期的に井戸層及びバリア層の繰り返し配列が描かれている。単位セル１５ａ及び発光領域１５における準位Ｅ４は、図７の（ｃ）部に示される。図７の（ａ）部及び（ｂ）部において、「Ｅｆ１」はフェルミ準位又は偽フェルミ準位を示し、「Ｅｃ１」は伝導帯を示す。エミッタ領域２２は、発光領域１５の上面に接したトンネリング構造３２を含む第１半導体層３２ａを備える。
エミッタ領域１８の構造。
第１半導体層３２ａ：アンドープＡｌＧａＰＳｂ／ＧａＩｎＡｓ。
第２半導体層３２ｂ：ＳｉドープＩｎＰ、厚さ２００ｎｍ。
トンネリング構造３２は、例えば以下の構造を有する。
ＡｌＧａＰＳｂ（厚さ５ｎｍ）／ＧａＩｎＡｓ（厚さ２ｎｍ）／ＡｌＧａＰＳｂ（厚さ５ｎｍ）。

図７の（ｂ）部に示されるように、外部バイアスを発光ダイオードに印加して、第１半導体層３２ａと第２半導体層３２ｂとの間のヘテロ障壁を小さくする。第２半導体層３２ｂの伝導帯のレベルが、発光領域１５における離散的なエネルギー準位（Ｅ４）付近になると、トンネリング構造３２を通して第２半導体層３２ｂの伝導帯から発光領域１５の超格子構造のエネルギー準位（Ｅ４）にキャリアＣがトンネリングＴにより注入される。注入されたキャリアは、個々のキャリアのエネルギーに応じた伝導帯内のレベル（例えば、準位Ｅ４）において、電界に引かれて発光領域１５をドリフト又は拡散しながらエネルギーを失って、様々な単位セル内に落ち込む。単位セル１５ａ内をコレクタ領域にドリフトしながら高いエネルギー準位（Ｅ３）から低いエネルギー準位（Ｅ２）への光学遷移により光を生成する。エネルギー準位（Ｅ２）のキャリアは、更に低いエネルギー準位（Ｅ１）に速やかに緩和する。

エミッタ領域１７から発光領域１５の側面へのキャリアの供給を説明する。必要な場合には、第１構造及び第２構造においては、エミッタ領域１７の第１半導体領域２３は、発光領域１５の上面１５ｄ（更には第１側面１５ｂ及び第２側面１５ｃ）に接触を成す第１半導体層３３ａと、第１半導体層３３ａ上に設けられた第２半導体層３３ｂを備えることができる。第１半導体層３３ａは、図８に示されるように、上位エネルギー準位Ｅ３に等しい又は高い（キャリア極性に応じた電位の向きに高い）伝導バンドエネルギー（Ｅ１７）を有する半導体を有する。第２半導体層３３ｂは、発光領域１５の等価的な屈折率よりも小さい屈折率を有する半導体を備える。第１半導体層３３ａの伝導バンドエネルギーレベルは、大きな外部印加電圧を必要とせずに、エミッタ領域１７から発光領域１５の上位エネルギー準位Ｅ３へのキャリア注入を可能にする。

発光領域１５からコレクタ１９の第２半導体領域２５へのキャリアの供給を説明する。必要な場合には、第１構造においては、コレクタ１９の第２半導体領域２５は、発光領域１５の側面（第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、第３側面１５ｆ及び第４側面１５ｇ）に接触を成す第３半導体層３５ａと、第３半導体層３５ａ上に設けられた第４半導体層３５ｂとを備える。第３半導体層３５ａは、図９に示されるように、下位エネルギー準位Ｅ２、好ましく緩和エネルギー準位Ｅ１に等しいか又は低い伝導バンドエネルギー（Ｅ１９）を有する半導体を有する。第４半導体層３５ｂは、発光領域１５の等価的な屈折率よりも小さい屈折率を有する半導体を備える。第３半導体層３５ａの伝導バンドエネルギーレベルは、大きな外部印加電圧を必要とせずに、発光領域１５のエネルギー準位からコレクタ１９へのキャリア引き抜きを可能にする。

図１０は、本実施形態に係る半導体発光素子のための量子フィルタ構造を示す図面である。コレクタ１９は、発光領域１５の第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、第３側面１５ｆ及び第４側面１５ｇの少なくともいずれか一面上に設けられた量子フィルタ構造２９を含み、量子フィルタ構造２９は、複数の半導体を備えることができる。コレクタ１９の量子フィルタ構造２９は、発光領域１５の第１側面１５ｂ、第２側面１５ｃ、第３側面１５ｆ及び第４側面１５ｇの少なくともいずれか一面に沿って第１軸Ａｘ１の方向に延在すると共に発光領域１５の該側面に接触を成して、複数の量子井戸構造２１に並列に接続される。コレクタ１９の量子フィルタ構造２９は、下位エネルギー準位のキャリアを選択的に透過可能である。図１０に示されるように、コレクタ１９の量子フィルタ構造２９は、量子井戸構造２１の低エネルギー準位（例えば、Ｅ１）における透過率が量子井戸構造２１の高エネルギー準位（例えば、Ｅ３）における透過率より大きいフィルタ特性を有する超格子構造を有する。また、量子フィルタ構造２９は、量子井戸構造２１の低エネルギー準位（例えば、Ｅ１、Ｅ２）における透過率が量子井戸構造２１の高エネルギー準位（例えば、Ｅ３）における透過率より大きいフィルタ特性を提供するように構成されることができる。更には、量子フィルタ構造２９は、量子井戸構造２１の低エネルギー準位（例えば、Ｅ２）における透過率が量子井戸構造２１の高エネルギー準位（例えば、Ｅ３）における透過率より大きいフィルタ特性を提供するように構成されることができる。量子井戸構造２１における並列接続は、縦続的な光学遷移を避けることを可能にする。個々の量子井戸構造２１におけるキャリアは、第１軸Ａｘ１の方向に交差する軸（第２軸Ａｘ２及び第３軸Ａｘ３）方向にコレクタ１９に向けてドリフトする。

図１０を参照すると、量子フィルタ構造２９の超格子構造は、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウムを含む複数の第１半導体層２９ａと、ＩＩＩ族構成元素としてＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含む複数の第２半導体層２９ｂとを含む。第１半導体層２９ａは、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウムを含む三元又は四元（例えば、三元以上）のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体バリア、例えばＡｌＩｎＡｓを含み、第２半導体層２９ｂは、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含む三元又は四元（例えば、三元以上）のＩＩＩ−Ｖ化合物半導体井戸、例えばＧａＩｎＡｓを含む。量子フィルタ構造２９の超格子構造は、例えば交互に配列された３つの井戸及び４つのバリアを含む。

量子フィルタ構造２９の超格子構造の第１例。
ＡｌＩｎＡｓ障壁層：２ｎｍ、４層。
ＧａＩｎＡｓ井戸層：４．２５ｎｍ、３層。
図１０に示される量子フィルタ透過特性は、緩和エネルギー準位Ｅ１、（例えば０．１４エレクトロンボルト）に相当するエネルギーを有するキャリアを容易に通過させることができ、上位エネルギー準位Ｅ３、（例えば０．４５エレクトロンボルト）に相当するエネルギーを有するキャリアを通過し難くすることができる。

量子フィルタ構造２９の超格子構造の第２例。
ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ系において、第１例に比べて、井戸及び障壁の層数が少なく、及び／又は膜厚が異なるように構成してもよい。具体的には、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ系は、井戸及び障壁の総数が３つからなる半導体積層を含むことができ、或いは井戸及び障壁の総数が５つからなる半導体積層を含むことができる。

量子フィルタ構造２９の超格子構造の第３例。
障壁層がＡｌＩｎＡｓを備える。井戸層が、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含む。井戸層は、井戸層のバンドギャップがＧａＩｎＡｓとほぼ同じになるような組成を備えることが好ましい。
ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂ （障壁層／井戸層）
障壁層がＡｌＩｎＡｓを備える。井戸層が、ＩＩＩ族構成元素としてガリウム及びインジウムを含む。
ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ （障壁層／井戸層）
ＡｌＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
障壁層がＡｌＩｎＡｓを備える。井戸層が、ＩＩＩ族構成元素としてガリウムを含むと共にＶ族構成元素としてアンチモンを含む。
ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂ （障壁層／井戸層）
ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＧａＳｂ （障壁層／井戸層）
障壁層がＡｌＩｎＡｓを備える。井戸層が、ＩＩＩ族構成元素としてガリウム及びインジウムを含むと共にＶ族構成元素としてヒ素を含む。
ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
ＡｌＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）

量子フィルタ構造２９の超格子構造の第４例。
井戸層がＧａＩｎＡｓを備える。障壁層が、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウム及びガリウムを含む。障壁層は、障壁層のバンドギャップがＡｌＩｎＡｓより大きくなる組成を備えることが好ましい。
ＡｌＧａＰＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
井戸層がＧａＩｎＡｓを備える。障壁層が、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウム及びインジウムを含む。
ＡｌＩｎＰＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
ＡｌＩｎＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
井戸層がＧａＩｎＡｓを備える。障壁層が、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウムを含むと共にＶ族構成元素としてアンチモンを含む。
ＡｌＧａＰＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
ＡｌＩｎＰＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
ＡｌＩｎＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
井戸層がＧａＩｎＡｓを備える。障壁層が、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウムを含むと共にＶ族構成元素としてアンチモン及びヒ素を含む。
ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
ＡｌＩｎＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
井戸層がＧａＩｎＡｓを備える。障壁層が、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウムを含むと共にＶ族構成元素としてアンチモン及びリンを含む。
ＡｌＧａＰＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
ＡｌＩｎＰＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）
井戸層がＧａＩｎＡｓを備える。障壁層が、ＩＩＩ族構成元素としてアルミニウムを含むと共にＶ族構成元素としてアンチモン、ヒ素及びリンを含む。
ＡｌＰＡｓＳｂ／ＧａＩｎＡｓ （障壁層／井戸層）

量子フィルタ構造２９の超格子構造の第５例。
超格子構造は、第１例から第４例におけるいずれかの材料の井戸層と第１例から第４例におけるいずれかの材料の障壁層とを含む。第１例から第５例において、材料の組み合わせにおける井戸と障壁との格子定数は、格子不整合に起因する結晶欠陥を引き起こさない程度の格子定数差に収める。

図１１は、本実施形態に係る発光ダイオードを模式的に示す図面である。図１２は、本実施形態に係る発光ダイオードのための量子フィルタを示す図面である。図１１に示されるように、発光ダイオード１１ｃは、基板１３の裏面１３ｅに第３電極３１ｄを備えることができ、量子フィルタ構造２９に効率的に電圧を印加するために、第３電極３１ｄは、例えば裏面１３ｅにおける第２エリア１３ｃの反対側のエリア上に設けられることができ、開口３１ｅを有する。開口３１ｅのサイズは、下面１５ｅのサイズより大きい。コレクタ１９は、発光領域１５の側面に接触を成す量子フィルタ構造２９を備える。図１２の（ａ）部に示されるように、発光領域１５は複数の基本構造１５ａａ、１５ａｂ、１５ａｃを含み、基本構造１５ａａ、１５ａｂ、１５ａｃは、単一の光学遷移を提供できる単位セル１５ａと同様に、第１軸Ａｘ１の方向に配列される。基本構造１５ａａ、１５ａｂ、１５ａｃは、量子力学的に互いの独立した量子準位（サブバンド構造）を有する。具体的には、各基本構造１５ａａは、３つの準位（Ｅａ１、Ｅａ２、Ｅａ３、ここでＥａ１＞Ｅａ２＞Ｅａ３）を有し、各基本構造１５ａｂは、３つの準位（Ｅｂ１、Ｅｂ２、Ｅｂ３、ここでＥｂ１＞Ｅｂ２＞Ｅｂ３）を有し、各基本構造１５ａｃは、３つの準位（Ｅｃ１、Ｅｃ２、Ｅｃ３、ここでＥｃ１＞Ｅｃ２＞Ｅｃ３）を有する。準位（Ｅａ１、Ｅａ２、Ｅａ３、Ｅｂ１、Ｅｂ２、Ｅｂ３、Ｅｃ１、Ｅｃ２、Ｅｃ３）は互いに異なる。基本構造１５ａａ、１５ａｂ、１５ａｃは、それぞれ光学遷移を提供できる。具体的には、図１２の（ａ）部に示されるように、基本構造１５ａａは、光学遷移可能なサブバンドギャップＤＥａを有し、基本構造１５ａｂは、光学遷移可能なサブバンドギャップＤＥｂを有し、基本構造１５ａｃは、光学遷移可能なサブバンドギャップＤＥｃを有する。サブバンドギャップＤＥａ、ＤＥｂ、及びＤＥｃは、互いに異なる。コレクタ１９の量子フィルタ構造２９は、発光領域１５内の基本構造１５ａａ、１５ａｂ、１５ａｃに並列に接続される。量子フィルタ構造２９の透過特性は、基本構造１５ａａ、１５ａｂ、１５ａｃのいずれを活性にすべきか決定する。この決定は、第２電極３１ｂと第３電極３１ｄとの間の電位差に依る。具体的には、図１２の（ｂ）部、（ｃ）部及び（ｄ）部に示されるように、量子フィルタ構造２９の透過特性は、第２電極３１ｂと第３電極３１ｄとの間の電位差（基準電位ＧＮＤに対する電位差Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ）に応じて変更される。活性化された基本構造（１５ａａ、１５ａｂ及び１５ａｃのいずれか一つ）が発光に寄与できる。活性化された基本構造では、下位準位のキャリアが量子フィルタ構造２９を介して引き抜かれて、サブバンド間の遷移による発光が促進される。活性化されない基本構造（１５ａａ、１５ａｂ及び１５ａｃの残り）では、下位準位のキャリアが量子フィルタ構造２９を介して引き抜かれずに、サブバンド間の遷移による発光が生じない。活性化されない基本構造は、発光に寄与できない。基本構造１５ａａ、１５ａｂ、１５ａｃは、それぞれ、第２電極３１ｂと第３電極３１ｄとの間に電圧差（例えば、Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ）が印加されることに応じて、活性化される。本実施例では、図１２の（ｂ）部を参照すると、電位差（Ｖａ）の印加により、レベル（Ｅａ１）からのキャリアが引き抜かれる。図１２の（ｃ）部を参照すると、電位差（Ｖｂ）の印加により、レベル（Ｅｂ１）からのキャリアが引き抜かれる。図１２の（ｄ）部を参照すると、電位差（Ｖｃ）の印加により、レベル（Ｅｃ１）からのキャリアが引き抜かれる。本実施例では、量子フィルタ構造２９の透過特性は、第２電極３１ｂと第３電極３１ｄとの間の電位差ゼロにおいてレベル（Ｅａ１）からのキャリアが引き抜かれるように設計されている。

図１３は、本実施形態に係る発光ダイオードを模式的に示す図面である。図１３の（ａ）部に示されるように、本実施形態に係る半導体発光素子１１（１１ｂ）は、基板１３の裏面にモノリシックレンズ４１を備えることができる。図１３の（ｂ）部に示されるように、本実施形態に係る半導体発光素子１１（１１ｂ）の基板１３の裏面は、マイクロレンズ４３を搭載することができる。半導体発光素子１１は、モノリシックレンズ４１及びマイクロレンズ４３と発光領域１５との間に設けられた半導体層４５を含み、この半導体層４５は、発光領域１５の平均屈折率より大きな屈折率を有する。

図１４及び図１５を参照しながら、第１構造を製造する方法の概要を説明する。工程Ｓ１０１では、図１４の（ａ）部に示されるように、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ基板６１を準備する。結晶成長は、例えばＭＢＥ法もしくはＭＯＣＶＤ法によって行われることができる。ＩｎＰ基板６１上に、例えば上記の４層構造を備える単位セルの積層を有する発光領域のための超格子構造６３を成長する。超格子構造６３上に、エミッタ及びコンタクトのためのＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層６５及びＳｉドープＧａＩｎＡｓ層６７を成長する。これの工程により、半導体積層６９が形成される。

工程Ｓ１０２では、図１４の（ｂ）部に示されるように、半導体積層６９の主面６９ａ上にストライプ及びコレクタ領域のための第１ＳｉＮマスク７１を形成すると共に、第１ＳｉＮマスク７１を用いて半導体積層６９をエッチングしてストライプ構造７３を形成する。ストライプ構造７３は、超格子構造６３ａ、発光領域６５ａ、ＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層６５ａ及びＳｉドープＧａＩｎＡｓ層６７ａを含む。

図１４の（ｃ）部に示されるように、工程Ｓ１０３では、第１ＳｉＮマスク７１を除去することなく、コレクタ領域のための選択成長を行う。コレクタ領域のために、ＳｉドープＧａＩｎＡｓ層７５ａを成長すると共に、ＳｉドープＧａＩｎＡｓ層７５ａ上にＳｉドープＩｎＰ層７５ｂを成長して、ストライプ構造７３を平坦に埋め込むコレクタ領域７５を形成する。ＳｉドープＧａＩｎＡｓ層７５ａは比較的薄く、例えば１０〜５０ｎｍの厚さで成長されることが良い。第２構造の形成では、選択成長を行うことなく第１ＳｉＮマスク７１を除去すると共に、金属電極のための金属膜を堆積する。量子フィルタ構造の形成では、ＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層７５ａの成長に先だって、量子フィルタ構造のための半導体薄膜をストライプ構造７３の側面、具体的には超格子構造６３ａの側面上に成長する。

図１５の（ａ）部に示されるように、工程Ｓ１０４では、第１ＳｉＮマスク７１を除去した後に、アイランド及び分離溝を形成するための第２ＳｉＮマスク７７を形成すると共に、第２ＳｉＮマスク７７を用いてストライプ構造７３をエッチングして、第１アイランド７９ａ、第２アイランド７９ｂ及び分離溝７９ｃを形成する。第１アイランド７９ａは、ＳｉドープＡｌＩｎＡｓ層６５ｂ及びＳｉドープＧａＩｎＡｓ層６７ｂを含む。第２アイランド７９ｂは、ＳｉドープＩｎＧａＡｓ層７５ａ上にＳｉドープＩｎＰ層７５ｂを含む。分離溝７９ｃは、発光領域１５に到達して、第１アイランド７９ａを第２アイランド７９ｂから隔置する。

図１５の（ｂ）部に示されるように、工程Ｓ１０５では、第２ＳｉＮマスク７７を除去した後に、第１アイランド７９ａ、第２アイランド７９ｂ及び分離溝７９ｃ上にパッシベーション膜８７を形成する。パッシベーション膜８７は、第１アイランド７９ａ、第２アイランド７９ｂ及び分離溝７９ｃを覆うと共に、第１アイランド７９ａ及び第２アイランド７９ｂ上にそれぞれ第１開口８７ａ及び第２開口８７ｂを有する。第１開口８７ａ及び第２開口８７ｂの形成のために、マスク８９を用いることができる。マスク８９は、第１アイランド７９ａ及び第２アイランド７９ｂ上にそれぞれ第１開口８９ａ及び第２開口８９ｂを有する。マスク８９を用いてパッシベーション膜８７のための絶縁膜をエッチングして、パッシベーション膜８７を得る。

図１５の（ｃ）部に示されるように、工程Ｓ１０６では、パッシベーション膜８７を形成した後に、第１開口８９ａ及び第２開口８９ｂ上にそれぞれ第１電極９１ａ及び第２電極９１ｂを形成する。第１電極９１ａ及び第２電極９１ｂの形成は、例えばリフトオフ法及びメッキ法を用いることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、単極性のキャリアの光学遷移を用いることを可能にする半導体発光素子を提供できる。また、上記の説明は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を例示しながら行われたが、光学遷移を可能にするサブバンド構造を提供できる発光領域は、これに限定されない。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

以上説明したように、本実施形態によれば、単極性のキャリアの光学遷移を用いて非干渉性の光を発生する、発光ダイオードを提供できる。

１１…半導体発光素子、１１ａ、１１ｂ…発光ダイオード、１３…基板、１３ｂ…第１エリア、１３ｃ…第２エリア、１５…発光領域、１５ａ…単位セル、１５ｂ…第１側面、１５ｃ…第２側面、１５ｄ…上面、１５ｅ…下面、１５ｆ…第３側面、１５ｇ…第４側面、１７…エミッタ領域、１９…コレクタ、２１…量子井戸構造、２３…第１半導体領域、２５…第２半導体領域、ＭＳ…半導体メサ、３３…金属電極。

Claims (4)

1. 発光ダイオードであって、
   第１軸の方向に配列された複数の量子井戸構造を含み、側面、上面及び下面を有する発光領域と、
   前記発光領域の前記側面、前記上面及び前記下面の少なくともいずれか一面上に設けられた第１導電型半導体を含むエミッタ領域と、
   前記発光領域の前記側面に接続されたコレクタと、
   を備え、
   前記発光領域及び前記コレクタは、前記第１軸に交差する基準面に沿って配列されており、
   前記量子井戸構造は、第１導電型キャリアのためのサブバンド構造を有し、
   前記コレクタは、前記発光領域の前記側面に接触を成す金属電極を備える、発光ダイオード。
2. 前記量子井戸構造は、第１井戸層、第２井戸層、第１障壁層、及び第２障壁層を含み、前記第１障壁層は前記第１井戸層を前記第２井戸層から隔てており、前記第１井戸層は前記第１障壁層を前記第２障壁層から隔てている、請求項１に記載された発光ダイオード。
3. 前記発光領域は、前記第１軸の方向に配列された複数の第１単位セルを含み、前記第１単位セルは、前記第１井戸層、前記第２井戸層、前記第１障壁層、及び前記第２障壁層を含み、前記第１障壁層の厚さは前記第２障壁層の厚さより小さい、請求項２に記載された発光ダイオード。
4. 前記量子井戸構造は、前記第１軸の方向に交差する平面に沿って延在する障壁層を含み、前記障壁層の一部又は全部に、ドーパントが添加されている、請求項２又は請求項３に記載された発光ダイオード。

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