半導体発光素子
【課題】活性層を量子効果が抑制される構造とすることにより、特性が向上される半導体発光素子の提供。
【解決手段】所定のエネルギー値のバンドギャップを有するとともに引張り歪が導入される１以上の井戸層と、前記所定のエネルギー値より大きいエネルギー値のバンドギャップを有するとともに前記井戸層と交互に配置される２以上の障壁層と、隣り合う前記井戸層と前記障壁層の間にそれぞれ配置されるとともに、前記井戸層側の端から前記障壁層側へ、前記所定のエネルギー値から連続的に増加するバンドギャップを有する２以上の中間層とを、基板の上方にそれぞれ備える。
【解決手段】所定のエネルギー値のバンドギャップを有するとともに引張り歪が導入される１以上の井戸層と、前記所定のエネルギー値より大きいエネルギー値のバンドギャップを有するとともに前記井戸層と交互に配置される２以上の障壁層と、隣り合う前記井戸層と前記障壁層の間にそれぞれ配置されるとともに、前記井戸層側の端から前記障壁層側へ、前記所定のエネルギー値から連続的に増加するバンドギャップを有する２以上の中間層とを、基板の上方にそれぞれ備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に関する。量子効果を抑制することにより特性が向上される半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な量子半導体発光素子の構造は、基板上に、下側光ガイド層、活性層、上側光ガイド層が、順に、形成されている構造となっている。通常、この活性層には、互いに大小の関係をもつバンドギャップの異なる半導体薄膜が交互に積層化されている。すなわち、いわゆる単一量子井戸（Single-Quantum Well：以下、ＳＱＷと記す）構造、もしくは、多重量子井戸（Multiple-Quantum Well：以下、ＭＱＷと記す）構造となっている。なお、本明細書において、ＭＱＷとは、通常のＭＱＷに加えて、ＳＱＷをも含むものとする。ＭＱＷ構造において、バンドギャップの大きい半導体薄膜が障壁層となり、バンドギャップの小さい半導体膜が井戸層となる。障壁層によって、井戸層にキャリアが閉じ込められ、そのキャリアである電子とホールが結合することで、発光がなされる。
【０００３】
図６は、従来技術に係る量子半導体発光素子のＭＱＷ構造を示す図である。図６（Ａ）に示すＭＱＷ構造において、井戸層５ａの両側に、障壁層５ｂが配置されている。価電子帯及び伝導帯それぞれにおいて、井戸層５ａのバンド端と、障壁層５ｂのバンド端との間に、バンドオフセットΔＥが生じる。
【０００４】
さらに、量子半導体発光素子の特性を向上させるために、井戸層に歪を導入するのが、一般的である。歪のない井戸層の価電子帯のバンド端のバンド構造が、ライトホール（以下、ＬＨと記す）とヘビーホール（以下、ＨＨと記す）によってバンド混成しており、井戸層に歪を導入することにより、これらバンド混成を解くことが出来る。井戸層に圧縮歪を導入するとＨＨバンドが発振に寄与し、井戸層に引張り歪を導入するとＬＨバンドが発振に寄与する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−０７３５８４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】J. Cryst. Growth 27, (1974)p118, Matthews et. al.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
歪が適切に井戸層へ導入された量子半導体発光素子の特性は、閾値の軽減、効率の増加、緩和振動周波数の増加など、歪のない井戸層を有する量子半導体発光素子の特性と比較して、改善される。一般に、歪が大きいほど特性の改善も大きくなる。
【０００８】
また、ＨＨバンドとＬＨバンドでは、キャリアの有効質量が異なっており、井戸層に引張り歪を導入する場合、量子効果が大きくなると、バンド混成を分離する効果が悪くなる。これは、井戸層に圧縮歪を導入する場合、量子効果が大きくなると、バンド混成を分離する効果が良くなることと対照的である。一般に、ＭＱＷの量子効果を抑制する場合、井戸層をなるべく厚くすることが望ましい。
【０００９】
従って、井戸層に引張り歪を導入する場合、引張り歪の歪量の絶対値をより大きく、かつ、井戸層の膜厚をより大きくするのが望ましいが、歪量の絶対値の大きい引張り歪が導入される井戸層の層厚が臨界値より大きくなると、結晶性が悪化し、むしろ、良好な特性が得られなくなる。
【００１０】
そこで、井戸層に導入する歪の歪量の絶対値を大きくしつつ、井戸層の膜厚をより大きくするために、井戸層に導入する引張り歪とは逆の圧縮歪を、障壁層に導入するのが一般的である。障壁層に圧縮歪を導入することにより、活性層全体の平均歪を軽減することが出来る。しかし、井戸層と障壁層との界面の歪差が２％を超えると、井戸層と障壁層との界面に起因して、結晶性が悪化し、その結果、良好な特性が得られなくなる。
【００１１】
井戸層と障壁層との界面に起因して生じる結晶性の悪化を抑制するＭＱＷ構造が、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載のＭＱＷ構造の一例は、図６（Ｂ）に示すＭＱＷ構造であって、井戸層５ａと、井戸層５ａの両側にそれぞれ配置される障壁層５ｂとの間に、それぞれ、歪緩衝層５ｇが配置されている。歪緩衝層５ｇに導入される歪は、井戸層５ａに導入される引張り歪と、障壁層５ｂに導入される圧縮歪との間の、歪である。
【００１２】
それゆえ、井戸層５ａと歪緩衝層５ｇとの界面、及び、障壁層５ｂと歪緩衝層５ｇとの界面は、ともに、歪緩衝層５ｇを配置しない場合における井戸層５ａと障壁層５ｂとの界面よりも、界面の歪差が小さくなっている。その結果、界面の歪差に起因する結晶性の悪化が抑制されている。なお、このＭＱＷ構造におけるバンドオフセットΔＥは、井戸層５ａのバンド端と、歪緩衝層５ｇのバンド端とのエネルギー差となっている。
【００１３】
また、特許文献１に記載のＭＱＷ構造の他の一例は、図６（Ｃ）に示すＭＱＷ構造であって、図６（Ｂ）に示すＭＱＷ構造と同様に、歪緩衝層５ｇが配置されている。図６（Ｃ）に示すＭＱＷ構造の歪緩衝層５ｇに導入される歪は、同様に、井戸層５ａに導入される引張り歪と、障壁層５ｂに導入される圧縮歪の間の、歪であるが、その歪量は、歪緩衝層５ｇの途中から障壁層５ｂ側にかけて連続的に変化して、歪緩衝層５ｇの障壁層５ｂ側の端においては、障壁層５ｂの歪量と等しくなっている。それゆえ、井戸層５ａと歪緩衝層５ｇとの界面の歪差は、図６（Ｂ）に示す場合と同様に小さくなっており、障壁層５ｂと歪緩衝層５ｇとの界面の歪差は、図６（Ｂ）に示す場合よりさらに小さくなっており、歪差は無視出来るほどに小さい。
【００１４】
図６（Ｂ）又は図６（Ｃ）に示すＭＱＷ構造において、井戸層５ａと歪緩衝層５ｇとの界面において、バンド端のエネルギー準位は不連続に変化している。これは、ＭＱＷとは、図６（Ａ）に示すような井戸型ポテンシャルによる量子効果を利用したものであり、図６（Ａ）に示す場合と比べて、歪緩衝層５ｇの存在によってバンドオフセットΔＥは小さくなっているものの、バンドオフセットΔＥによって量子効果を確保している。井戸層５ａと歪緩衝層５ｇの界面において、バンド端のエネルギー準位を不連続に変化させるためには、例えば、組成を不連続に形成すればよい。特許文献１において、井戸層５ａをＧａＩｎＮＡｓによって、歪緩衝層５ｇをＧａＡｓＮによって、それぞれ形成している。
【００１５】
他に、歪緩衝層５ｇに対応する層のバンド端のエネルギー準位が連続的に変化している構造は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ（Graded Index Waveguide Separate-Confinement Heterostructure）型単一量子井戸を有する発光素子にも見られるが、この場合も、井戸層の両端においてエネルギー準位が不連続に変化しており、同様に、量子井戸の量子効果を確保している。
【００１６】
前述の通り、井戸層に引張り歪を導入する場合、量子効果を抑制するためには、井戸層を厚くするのが望ましい。具体的には、１個の井戸層５ａの層厚ｄｗを大きくし、また、ＭＱＷの井戸層の層数Ｎｗを大きくすることにより、井戸層５ａの層厚の合計である総層厚Ｄｗ（＝Ｎｗ・ｄｗ）を大きくすることが出来、量子効果を抑制することが出来る。しかし、前述の通り、井戸層の総層厚Ｄｗを無制限に大きくすることは出来ず、発光素子の特性向上には限界がある。
【００１７】
本発明は、係る事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、活性層を量子効果が抑制される構造とすることにより、特性が向上される半導体発光素子の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
（１）上記課題を解決するために、本発明に係る半導体発光素子は、所定のエネルギー値のバンドギャップを有するとともに引張り歪が導入される１以上の井戸層と、前記所定のエネルギー値より大きいエネルギー値のバンドギャップを有するとともに前記井戸層と交互に配置される２以上の障壁層と、隣り合う前記井戸層と前記障壁層の間にそれぞれ配置されるとともに、前記井戸層側の端から前記障壁層側へ、前記所定のエネルギー値から連続的に増加するバンドギャップを有する２以上の中間層とを、基板の上方にそれぞれ備える。
【００１９】
（２）上記（１）に記載の半導体発光素子であって、前記中間層のバンドギャップが、前記障壁側の端から前記井戸層側へ、前記所定のエネルギー値より大きいエネルギー値から連続的に減少してもよい。
【００２０】
（３）上記（１）に記載の半導体発光素子であって、前記中間層の組成が、前記井戸層側の端から前記障壁側へ、前記井戸層の組成から連続的に変化してもよい。
【００２１】
（４）上記（２）に記載の半導体発光素子であって、前記中間層の組成が、前記井戸層側の端から前記障壁層側の端に対して、前記井戸層の組成から前記障壁層の組成に、連続的に変化してもよい。
【００２２】
（５）上記（４）に記載の半導体発光素子であって、前記各井戸層、前記各障壁層、及び、前記各中間層の組成が、Ｉｎ１−ｙ（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）ｙＡｓであってもよい。
【００２３】
（６）上記（１）に記載の半導体発光素子であって、前記各障壁層に、圧縮歪が導入されていてもよい。
【００２４】
（７）上記（１）に記載の半導体発光素子であって、前記各井戸層に導入される引張り歪の歪量が−１．５％以下であり、前記１以上の井戸層の層厚の合計が５０ｎｍ以上であってもよい。
【００２５】
（８）上記（１）に記載の半導体発光素子であって、測定されるホトルミネッセンスのスペクトルにおいて、強度ピークが複数あり、１番目に大きい強度ピークに対応するバンドギャップのエネルギー値と、２番目に大きい強度ピークに対するバンドギャップのエネルギー値と、の差が、０．１ｅＶ以上であってもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明により、活性層を量子効果が抑制される構造とすることにより、特性が向上される半導体発光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子の全体斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子主要部の断面図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子のＭＮＱＷ活性層のエネルギーバンド構造を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子のＭＮＱＷ活性層に導入される歪の歪量を示す図である。
【図４】バンドギャップと井戸層の層厚の関係を示す図である。
【図５Ａ】井戸層の歪量に対して、理論上得られる活性層全体の層厚の臨界値の計算結果を示す図である。
【図５Ｂ】井戸層の歪量に対して、理論上得られる井戸層の総層厚の臨界値の計算結果を示す図である。
【図６】従来技術に係る量子半導体発光素子のＭＱＷ構造を示す図である。
【図７】本発明の実施形態の比較例に係る量子半導体レーザ素子主要部の断面図である。
【図８Ａ】本発明の実施形態の比較例に係る量子半導体レーザ素子のＭＱＷ活性層のエネルギーバンド構造を示す図である。
【図８Ｂ】本発明の実施形態の比較例に係る量子半導体レーザ素子のＭＱＷ活性層に導入される歪の歪量を示す図である。
【図９Ａ】本発明の実施形態の比較例に係る量子半導体レーザ素子について測定されるホトルミネッセンスのスペクトルを示す図である。
【図９Ｂ】本発明の実施形態の比較例に係る量子半導体レーザ素子について測定されるホトルミネッセンスのスペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明に係る実施形態について、以下に、詳細な説明をする。ただし、以下に示す図は、あくまで、各実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【００２９】
本発明の実施形態に係る半導体発光素子は、リッジストライプ構造を有する１．３μｍ帯半導体レーザ素子１である。本発明に係る半導体発光素子の特徴は、活性層の構造にあり、量子効果が抑制される多重井戸構造をしている。この構造を、量子効果が確保されているＭＱＷ構造と区別し、非量子化多重井戸（Multiple-Non-Quantum Well：以下、ＭＮＱＷ）構造とする。なお、本明細書において、ＭＮＱＷとは、ＭＱＷと同様に、複数の井戸層を含む非量子化多重井戸のみならず、非量子化単一井戸をも含むものとする。
【００３０】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子１の全体斜視図である。後述する通りｎ型ＩｎＰ基板２上に多層構造が形成されており、ｎ型ＩｎＰ基板２の下面には、ｎ型電極１３が、多層構造の上面の一部には、ｐ型電極１２が形成されている。
【００３１】
図２は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子１主要部の断面図である。当該断面図は、光の出射方向に対して垂直な断面である。
【００３２】
図２に示す通り、ｎ型ＩｎＰ基板２上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層３、ｎ型下側光ガイド層４、ＭＮＱＷ活性層５、ｐ型上側光ガイド層６、ｐ型クラッド層７、エッチング停止層８、ｐ型第２クラッド層９、ｐ型コンタクト層１０が、順に積層されており、多層構造をとっている。ｐ型第２クラッド層９及びｐ型コンタクト層１０のうち、ＭＮＱＷ活性層５の光導波路領域の上方に位置する領域の両側がエッチングにより除去されており、リッジストライプ構造となっている。リッジストライプ構造のリッジの両側と、エッチング停止層８のうち上方にリッジが配置されていない領域の上面とには、パッシベーション膜１１が形成されている。
【００３３】
図２の右側には、ＭＮＱＷ活性層５の拡大図が示されている。図に示すＭＮＱＷ活性層５は、井戸層５ａの層数Ｎｗが３であるＭＮＱＷ構造である。各井戸層５ａの図中上側及び下側にはそれぞれ、中間層となる非量子化層５ｄ，５ｅが井戸層５ａに接して形成されている。そして、隣り合う井戸層５ａの間それぞれには、図中上側の井戸層５ａに接して形成される非量子化層５ｄと、図中下側の井戸層５ａに接して形成される非量子化層５ｅとに、それぞれ接して障壁層５ｂが形成されている。ＭＮＱＷ活性層５のうち、図中最上層となる井戸層５ａの上側に接して形成される非量子化層５ｄのさらに上側に接して、また、図中最下層となる井戸層５ａの下側に接して形成される非量子化層５ｅのさらに下側に接して、それぞれ、障壁層５ｂが形成されている。
【００３４】
ここで、井戸層５ａには引張り歪が導入されており、障壁層５ｂには圧縮歪が導入されている。なお、引張り歪とは、当該層の格子定数が基板の格子定数よりも小さいことをいい、圧縮歪とは、当該層の格子定数が基板の格子定数より大きいことをいう。歪の歪量εは、基板の格子定数に対する、当該層の格子定数の基板の格子定数からの差の比で定義され、圧縮歪の場合、歪量εは正、引張り歪の場合、歪量εは負の値をとる。
【００３５】
図３Ａは、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１のＭＮＱＷ活性層５のエネルギーバンド構造を示す図である。図の横軸は、図２縦方向の位置である高さを示しており、図の左側から右側にかけて、高さが低くなっている。図の縦軸はエネルギーであり、図には、価電子帯のバンド端のエネルギー準位Ｅｖと、伝導帯のバンド端のエネルギー準位Ｅｃとが示されている。ＭＮＱＷ活性層５の組成が、図２の縦方向に対して連続的に変化しており、ＭＮＱＷ活性層５のバンド端のエネルギー準位も、図２の縦方向に対して、連続的に変化している。図３Ａに示す通り、ＭＮＱＷ活性層５の価電子帯のバンド端のエネルギー準位Ｅｖも、伝導帯のバンド端のエネルギー準位Ｅｃも、連続的に変化している。よって、伝導帯のバンド端と価電子帯のバンド端とのエネルギー差であるバンドギャップも、連続的に変化している。
【００３６】
すなわち、中間層である非量子化層５ｄ（５ｅ）は、井戸層５ａ側の端から障壁層５ｂ側へ、井戸層５ａのバンドギャップのエネルギー値（所定のエネルギー値）から連続的に増加している。これにより、量子効果が抑制される多重井戸構造となっている。さらに、中間層である非量子化層５ｄ（５ｅ）は、障壁層５ｂ側の端から井戸層５ａ側へ、障壁層５ｂのバンドギャップのエネルギー値（所定のエネルギー値より大きいエネルギー値）から連続的に減少している。
【００３７】
ＭＮＱＷ活性層５は、ＩｎＧａＡｌＡｓ系材料によって形成されており、ＭＮＱＷ活性層５の組成はＩｎ１−ｙ（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）ｙＡｓと表すことができる。ＭＮＱＷ活性層５に含まれる各井戸層５ａにおいて、ｘ＝０．１４０，ｙ＝０．５９８であり、歪量εｗ＝−１．６０％であり、層厚ｄｗ＝１０ｎｍである。各障壁層５ｂにおいて、ｘ＝１．０００，ｙ＝０．２６７であり、歪量εｂ＝＋１．４０％であり、層厚ｄｂ＝６ｎｍである。各非量子化層５ｄ，５ｅの層厚ｄｉ＝２ｎｍである。さらに、非量子化層５ｄは、図２に示す上側の端から下側の端にかけて、組成はそれぞれ、ｘが１．０００から０．１４０へ、ｙが０．２６７から０．５９８へ直線的に変化しており、歪量εが＋１．４０％から−１．６０％へ直線的に変化している。同様に、非量子化層５ｅは、図２に示す上側の端から下側の端にかけて、組成はそれぞれ、ｘが０．１４０から１．０００へ、ｙが０．５９８から０．２６７へ直線的に変化しており、歪量εが−１．６０％から＋１．４０％へ直線的に変化している。
【００３８】
すなわち、中間層となる非量子化層５ｄ（５ｅ）の組成は、井戸層５ａ側から障壁層５ｂ側に対して、井戸層５ａの組成から障壁層５ｂの組成に、連続的に変化している。とくに、井戸層５ａ側の端において、井戸層５ａの組成と同じく、ｘ＝０．１４０，ｙ＝０．５９８であり、井戸層５ａ側の端から障壁層５ｂ側へ連続的に変化している。
【００３９】
図３Ｂは、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１のＭＮＱＷ活性層５に導入される歪の歪量εを示す図である。図３Ａと同様に、図の横軸は、図２縦方向の位置である高さを示している。図の縦軸は、歪量εを示している。前述の通り、ＭＮＱＷ活性層５において、歪量εは連続的に変化している。
【００４０】
当該実施形態に係る半導体レーザ素子１の比較例として、従来技術に係る量子半導体レーザ素子を示す。量子半導体レーザ素子の基本的な構造は、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１と同じであるが、活性層の構造が異なっており、ＭＱＷ活性層１０５となっている。
【００４１】
図７は、当該実施形態の比較例に係る量子半導体レーザ素子主要部の断面図である。図２に示す当該実施形態に係る半導体レーザ素子１と異なり、ＭＱＷ活性層１０５が、図７には示されている。ＭＱＷ活性層１０５は、井戸層５ａの層数Ｎｗが３であるＭＱＷ構造であり、隣り合う井戸層５ａの間それぞれと、両側に配置される２個の井戸層５ａの外側それぞれとに、障壁層５ｂが井戸層５ａに接して配置される。すなわち、中間層は設けられていない。
【００４２】
図８Ａ及び図８Ｂは、当該実施形態の比較例に係る量子半導体レーザ素子のＭＱＷ活性層１０５のエネルギーバンド構造及びＭＱＷ活性層１０５に導入される歪の歪量εを、それぞれ示す図である。図３Ａ及び図３Ｂとそれぞれ異なり、ＭＱＷ活性層１０５において、バンドギャップのエネルギー値及び導入される歪の歪量εは、ともに、井戸層５ａと障壁層５ｂの界面で不連続に変化している。なお、図８Ａ及び図８Ｂは、ＭＱＷ活性層１０５が以下の構成をする場合について、示している。各井戸層５ａの歪量εｗ＝−１．２０％であり、層厚ｄｗ＝１０ｎｍである。各障壁層５ｂの歪量εｂ＝＋０．６０％であり、層厚ｄｂ＝１０ｎｍである。すなわち、井戸層５ａと障壁層５ｂとの界面の歪差は１．８％である。
【００４３】
図４は、バンドギャップＥｇと井戸層の層厚ｄｗの関係を示す図である。図の横軸が、当該実施形態の比較例に係る量子半導体レーザ素子のＭＱＷ活性層１０５の井戸層５ａの層厚ｄｗであり、図の縦軸は、バンドギャップＥｇである。前述の通り、価電子帯のバンド端にはＨＨとＬＨが発生しており、ＨＨと伝導帯のバンド端とのバンドギャップＥｇの計算結果がシンボル○で、ＬＨと伝導帯のバンド端とのバンドギャップＥｇの計算結果がシンボル△で、図に示されている。ここで、井戸層５ａの引張り歪の歪量εｗ＝−１．５０％として計算を行っている。
【００４４】
前述の通り、井戸層５ａに引張り歪を導入する場合、井戸層５ａの層厚ｄｗを大きくすることにより、ＭＱＷの量子効果が抑制され、バンド混成の分離する効果が大きくなる。図４に示す通り、ＨＨのバンドギャップＥｇ（○）も、ＬＨのバンドギャップＥｇ（△）も、層厚ｄｗの増加に伴い、ともに低下するとともに、そのエネルギー差ΔＥｇは大きくなってる。図に示す通り、層厚ｄｗ＝２０ｎｍ付近やそれ以上において、エネルギー差ΔＥｇが、０．１ｅＶに収束している。
【００４５】
これに対して、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１のＭＮＱＷ活性層５において、量子効果は抑制されているので、井戸層５ａの層厚ｄｗにほとんど依存せず、ＨＨ及びＬＨのバンドギャップＥｇはそれぞれ一定であり、エネルギー差ΔＥｇも、０．１ｅＶと一定になると考えられる。すなわち、当該比較例に係る量子半導体レーザ素子において、井戸層５ａの層厚ｄｗを２０ｎｍまで大きくしないと得られない特性が、当該実施形態に係る半導体レーザ素子においては、井戸層５ａの層厚ｄｗが２０ｎｍより小さい領域においても得られる。
【００４６】
図９Ａ及び図９Ｂは、当該実施形態の比較例に係る量子半導体レーザ素子について測定されるホトルミネッセンス（Photoluminescence）のスペクトルを示す図である。図の横軸は、光の波長を示しており、図の縦軸は、ホトルミネッセンスの強度を示している。
【００４７】
図９Ａは、井戸層５ａの層厚ｄｗが臨界値より小さく、結晶性が良好である場合について、示している。図９Ａに示すスペクトルにおいて、２個の強度ピークがある。長波長側にある１番目に大きい強度ピークの波長λは、ＬＨのバンドギャップＥｇに対応しており、短波長側にある２番目に大きい強度ピークの波長λは、ＨＨのバンドギャップＥｇに対応している。そのエネルギー差ΔＥｇが０．０５ｅＶとなっている。
【００４８】
図９Ｂは、井戸層５ａの層厚ｄｗが臨界値を超えて大きく、結晶性が悪化している場合について、示している。図９Ｂに示すスペクトルにおいて、層厚ｄｗが大きくなるのに伴い、エネルギー差ΔＥｇは、０．０７ｅＶと、図９Ａに示すスペクトルと比較して大きくなっているが、結晶性の悪化により、短波長側の強度ピークは不明確な形状となっている。前述の通り、当該比較例に係る量子半導体レーザ素子の場合、井戸層５ａの層厚ｄｗを大きくすると、結晶性が悪化するため、ＬＨとＨＨが十分に分離したときに得られるΔＥｇとなる層厚ｄｗにおいて、結晶性が悪化しており、発光素子として良好な特性は得られない。
【００４９】
これに対して、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１において、井戸層５ａの層厚ｄｗが小さく、良好な結晶性が確保出来ている場合においても、量子効果が抑制され、ＬＨとＨＨが十分に分離されており、エネルギー差ΔＥｇは、０．１ｅＶ又はそれ以上となる。よって、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１に対して測定されるホトルミネッセンスのスペクトルには、強度ピークが複数ある。そして、１番目に大きい強度ピークの波長λは、ＬＨのバンドギャップＥｇに対応しており、２番目に大きい強度ピークの波長λは、ＨＨのバンドギャップＥｇに対応しており、そのエネルギー差ΔＥｇが０．１ｅＶ以上となる。
【００５０】
以上、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１のＭＮＱＷ活性層５において、井戸層５ａと障壁層５ｂの間に、非量子化層５ｄ（５ｅ）が配置されることにより、量子効果が抑制され、井戸層５ａの層厚ｄｗが小さい場合においても、良好な特性が得られることを説明した。
【００５１】
さらに、ＭＮＱＷ活性層５において、非量子化層５ｄ（５ｅ）に導入される歪の歪量εが、井戸層５ａ側から障壁層５ｂにかけて、井戸層５ａの歪量εｗから障壁層５ｂの歪量εｂへ連続的に変化していることにより、井戸層５ａと非量子化層５ｄ（５ｅ）との界面、及び、障壁層５ｂと非量子化層５ｄ（５ｅ）との界面、それぞれにおいて、界面の歪差は、当該比較例と比較して、無視出来るほどに小さくなっている。それゆえ、当該比較例に係る量子半導体レーザ素子と比較して、界面の歪差に起因する結晶性の悪化が抑制されるので、結晶性が向上され、より良好な特性を得ることができる。また、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１のＭＮＱＷ活性層５に備えられる各障壁層５ｂには、引張り歪と逆の歪である圧縮歪が導入されており、ＭＮＱＷ活性層５全体の平均歪を軽減することが出来ている。それゆえ、さらに結晶性が向上され、さらにより良好な特性を得ることができる。
【００５２】
図５Ａは、井戸層５ａの歪量εｗに対して、理論上得られる活性層全体の層厚Ｄｃの臨界値の計算結果を示す図である。図５Ｂは、井戸層５ａの歪量εｗに対して、理論上得られる井戸層５ａの総層厚Ｄｗの臨界値の計算結果を示す図である。ともに、図の横軸は、井戸層５ａの歪量εｗであり、図の縦軸は、層厚の臨界値である。
【００５３】
当該実施形態に係る半導体レーザ素子１については、井戸層５ａの層厚ｄｗ＝１０ｎｍと、障壁層５ｂの層厚ｄｂ＝６ｎｍ、歪量εｂ＝＋１．５％と、非量子化層５ｄ，５ｅの層厚ｄｉ＝２ｎｍとして、井戸層５ａの歪量εｗが異なる値をとるそれぞれの場合について計算を行っており、計算結果をシンボル●で示している。
【００５４】
当該比較例に係る量子半導体レーザ素子については、井戸層５ａの層厚ｄｗ＝１０ｎｍと、障壁層５ｂの層厚ｄｂ＝１０ｎｍとしており、障壁層５ｂの歪量εｂは、井戸層５ａの歪量εｗとの差が１．８％となるように変化させ、井戸層５ａの歪量εｗが異なる値をとるそれぞれの場合について計算を行っており、計算結果をシンボル◆で示している。
【００５５】
図５Ａ及び図５Ｂに示される通り、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１の活性層全体の層厚Ｄｃの臨界値及び井戸層５ａの総層厚Ｄｗの臨界値は、ともに、当該比較例に係る量子半導体レーザ素子と比較して、大幅に大きくなっている。これにより、井戸層５ａの導入する引張り歪により大きな歪を導入することが可能となる。すなわち、歪量εの絶対値を大きくすることが可能となる。
【００５６】
さらに、障壁層５ｂに導入する圧縮歪により大きな歪を導入したり、井戸層５ａの層厚ｄｗを大きくしたり層数Ｎｗを大きくしたりすることが出来、結晶性を良好に維持しつつ、素子設計の自由度が増す。これにより、より良好な特性を得ることが出来る。
【００５７】
なお、活性層全体の層厚Ｄｃの臨界値及び井戸層５ａの総層厚Ｄｗの臨界値については、非特許文献１に詳細が記載されている。また、図５Ｂに示す当該比較例に係る総層厚Ｄｗの臨界値が、歪量εｗ＝−１．５０％と、歪量εｗ＝−１．６０％とで、同じ値をとっているのは、活性層全体の層厚Ｄｃの臨界値以下で取り得る層数Ｎｗの最大値が同じためである。当該比較例に係る量子半導体レーザ素子の場合、ε＝−１．５０％のとき、層数Ｎｗは４以下となり、井戸層５ａの総層厚Ｄｗは４０ｎｍ以下にしなければならず、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１の井戸層５ａの総層厚Ｄｗの臨界値は１３０ｎｍと、大幅に大きくなっている。
【００５８】
以上、ＭＮＱＷ活性層５の組成が、Ｉｎ１−ｙ（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）ｙＡｓとなる場合について、説明したが、これに限定されることはない。また、非量子化層５ｄ（５ｅ）のバンドギャップが、井戸層５ａ側の端から障壁層５ｂ側の端にへ、井戸層５ａのバンドギャップのエネルギー値から障壁層５ｂのバンドギャップのエネルギー値へ連続的に変化している場合について説明しているが、これに限定されることはない。井戸層５ａ側の端から障壁層側へ、バンドギャップが連続的に変化していれば、量子効果は抑制されるので、障壁層５ｂと非量子化層５ｄ（５ｅ）との界面において、バンドギャップが不連続に変化していてもよい。この場合、非量子化層５ｄ（５ｅ）の組成が、井戸層５ａ側の端において、井戸層５ａの組成と等しく、井戸層５ａ側の端から連続的に変化していればよい。
【００５９】
なお、多重井戸構造において、各井戸層の層厚や組成が同じ場合もあるし、違う場合もある。また、１つの井戸層の組成も、結晶成長方向に対して均一なものもあるし、変化するものもある。しかし、井戸層と非量子化層（中間層）との界面において、バンドギャップが連続的に変化していれば、本発明を適用することが出来る。非量子化層のバンドギャップが井戸層側の端から連続的に変化しているため、井戸層と非量子化層の界面を厳密に定義することは実際には困難である。しかし、井戸層から、障壁層側へ向けて、バンドギャップが連続的に変化していればよく、界面の定義が困難なことにとらわれない。
【００６０】
さらに、本発明にかかる半導体発光素子は、リッジストライプ構造を有する半導体レーザ素子に限定されることはなく、引張り歪が導入される井戸層を有する他の半導体発光素子であってもよい。例えば、埋込型レーザ（Buried Heterostructureレーザ）などであってもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１ 半導体レーザ素子、２ ｎ型ＩｎＰ基板、３ ｎ型ＩｎＰバッファ層、４ ｎ側下側光ガイド層、５ ＭＮＱＷ層、５ａ 井戸層、５ｂ 障壁層、５ｄ，５ｅ 非量子化層、５ｇ 歪緩衝層、６ ｐ側上側光ガイド層、７ ｐ型クラッド層、８ エッチング停止層、９ ｐ型第２クラッド層、１０ ｐ型コンタクト層、１１ パッシベーション膜、１２ ｐ型電極、１３ ｎ型電極、１０５ ＭＱＷ活性層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に関する。量子効果を抑制することにより特性が向上される半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な量子半導体発光素子の構造は、基板上に、下側光ガイド層、活性層、上側光ガイド層が、順に、形成されている構造となっている。通常、この活性層には、互いに大小の関係をもつバンドギャップの異なる半導体薄膜が交互に積層化されている。すなわち、いわゆる単一量子井戸（Single-Quantum Well：以下、ＳＱＷと記す）構造、もしくは、多重量子井戸（Multiple-Quantum Well：以下、ＭＱＷと記す）構造となっている。なお、本明細書において、ＭＱＷとは、通常のＭＱＷに加えて、ＳＱＷをも含むものとする。ＭＱＷ構造において、バンドギャップの大きい半導体薄膜が障壁層となり、バンドギャップの小さい半導体膜が井戸層となる。障壁層によって、井戸層にキャリアが閉じ込められ、そのキャリアである電子とホールが結合することで、発光がなされる。
【０００３】
図６は、従来技術に係る量子半導体発光素子のＭＱＷ構造を示す図である。図６（Ａ）に示すＭＱＷ構造において、井戸層５ａの両側に、障壁層５ｂが配置されている。価電子帯及び伝導帯それぞれにおいて、井戸層５ａのバンド端と、障壁層５ｂのバンド端との間に、バンドオフセットΔＥが生じる。
【０００４】
さらに、量子半導体発光素子の特性を向上させるために、井戸層に歪を導入するのが、一般的である。歪のない井戸層の価電子帯のバンド端のバンド構造が、ライトホール（以下、ＬＨと記す）とヘビーホール（以下、ＨＨと記す）によってバンド混成しており、井戸層に歪を導入することにより、これらバンド混成を解くことが出来る。井戸層に圧縮歪を導入するとＨＨバンドが発振に寄与し、井戸層に引張り歪を導入するとＬＨバンドが発振に寄与する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−０７３５８４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】J. Cryst. Growth 27, (1974)p118, Matthews et. al.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
歪が適切に井戸層へ導入された量子半導体発光素子の特性は、閾値の軽減、効率の増加、緩和振動周波数の増加など、歪のない井戸層を有する量子半導体発光素子の特性と比較して、改善される。一般に、歪が大きいほど特性の改善も大きくなる。
【０００８】
また、ＨＨバンドとＬＨバンドでは、キャリアの有効質量が異なっており、井戸層に引張り歪を導入する場合、量子効果が大きくなると、バンド混成を分離する効果が悪くなる。これは、井戸層に圧縮歪を導入する場合、量子効果が大きくなると、バンド混成を分離する効果が良くなることと対照的である。一般に、ＭＱＷの量子効果を抑制する場合、井戸層をなるべく厚くすることが望ましい。
【０００９】
従って、井戸層に引張り歪を導入する場合、引張り歪の歪量の絶対値をより大きく、かつ、井戸層の膜厚をより大きくするのが望ましいが、歪量の絶対値の大きい引張り歪が導入される井戸層の層厚が臨界値より大きくなると、結晶性が悪化し、むしろ、良好な特性が得られなくなる。
【００１０】
そこで、井戸層に導入する歪の歪量の絶対値を大きくしつつ、井戸層の膜厚をより大きくするために、井戸層に導入する引張り歪とは逆の圧縮歪を、障壁層に導入するのが一般的である。障壁層に圧縮歪を導入することにより、活性層全体の平均歪を軽減することが出来る。しかし、井戸層と障壁層との界面の歪差が２％を超えると、井戸層と障壁層との界面に起因して、結晶性が悪化し、その結果、良好な特性が得られなくなる。
【００１１】
井戸層と障壁層との界面に起因して生じる結晶性の悪化を抑制するＭＱＷ構造が、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載のＭＱＷ構造の一例は、図６（Ｂ）に示すＭＱＷ構造であって、井戸層５ａと、井戸層５ａの両側にそれぞれ配置される障壁層５ｂとの間に、それぞれ、歪緩衝層５ｇが配置されている。歪緩衝層５ｇに導入される歪は、井戸層５ａに導入される引張り歪と、障壁層５ｂに導入される圧縮歪との間の、歪である。
【００１２】
それゆえ、井戸層５ａと歪緩衝層５ｇとの界面、及び、障壁層５ｂと歪緩衝層５ｇとの界面は、ともに、歪緩衝層５ｇを配置しない場合における井戸層５ａと障壁層５ｂとの界面よりも、界面の歪差が小さくなっている。その結果、界面の歪差に起因する結晶性の悪化が抑制されている。なお、このＭＱＷ構造におけるバンドオフセットΔＥは、井戸層５ａのバンド端と、歪緩衝層５ｇのバンド端とのエネルギー差となっている。
【００１３】
また、特許文献１に記載のＭＱＷ構造の他の一例は、図６（Ｃ）に示すＭＱＷ構造であって、図６（Ｂ）に示すＭＱＷ構造と同様に、歪緩衝層５ｇが配置されている。図６（Ｃ）に示すＭＱＷ構造の歪緩衝層５ｇに導入される歪は、同様に、井戸層５ａに導入される引張り歪と、障壁層５ｂに導入される圧縮歪の間の、歪であるが、その歪量は、歪緩衝層５ｇの途中から障壁層５ｂ側にかけて連続的に変化して、歪緩衝層５ｇの障壁層５ｂ側の端においては、障壁層５ｂの歪量と等しくなっている。それゆえ、井戸層５ａと歪緩衝層５ｇとの界面の歪差は、図６（Ｂ）に示す場合と同様に小さくなっており、障壁層５ｂと歪緩衝層５ｇとの界面の歪差は、図６（Ｂ）に示す場合よりさらに小さくなっており、歪差は無視出来るほどに小さい。
【００１４】
図６（Ｂ）又は図６（Ｃ）に示すＭＱＷ構造において、井戸層５ａと歪緩衝層５ｇとの界面において、バンド端のエネルギー準位は不連続に変化している。これは、ＭＱＷとは、図６（Ａ）に示すような井戸型ポテンシャルによる量子効果を利用したものであり、図６（Ａ）に示す場合と比べて、歪緩衝層５ｇの存在によってバンドオフセットΔＥは小さくなっているものの、バンドオフセットΔＥによって量子効果を確保している。井戸層５ａと歪緩衝層５ｇの界面において、バンド端のエネルギー準位を不連続に変化させるためには、例えば、組成を不連続に形成すればよい。特許文献１において、井戸層５ａをＧａＩｎＮＡｓによって、歪緩衝層５ｇをＧａＡｓＮによって、それぞれ形成している。
【００１５】
他に、歪緩衝層５ｇに対応する層のバンド端のエネルギー準位が連続的に変化している構造は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ（Graded Index Waveguide Separate-Confinement Heterostructure）型単一量子井戸を有する発光素子にも見られるが、この場合も、井戸層の両端においてエネルギー準位が不連続に変化しており、同様に、量子井戸の量子効果を確保している。
【００１６】
前述の通り、井戸層に引張り歪を導入する場合、量子効果を抑制するためには、井戸層を厚くするのが望ましい。具体的には、１個の井戸層５ａの層厚ｄｗを大きくし、また、ＭＱＷの井戸層の層数Ｎｗを大きくすることにより、井戸層５ａの層厚の合計である総層厚Ｄｗ（＝Ｎｗ・ｄｗ）を大きくすることが出来、量子効果を抑制することが出来る。しかし、前述の通り、井戸層の総層厚Ｄｗを無制限に大きくすることは出来ず、発光素子の特性向上には限界がある。
【００１７】
本発明は、係る事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、活性層を量子効果が抑制される構造とすることにより、特性が向上される半導体発光素子の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
（１）上記課題を解決するために、本発明に係る半導体発光素子は、所定のエネルギー値のバンドギャップを有するとともに引張り歪が導入される１以上の井戸層と、前記所定のエネルギー値より大きいエネルギー値のバンドギャップを有するとともに前記井戸層と交互に配置される２以上の障壁層と、隣り合う前記井戸層と前記障壁層の間にそれぞれ配置されるとともに、前記井戸層側の端から前記障壁層側へ、前記所定のエネルギー値から連続的に増加するバンドギャップを有する２以上の中間層とを、基板の上方にそれぞれ備える。
【００１９】
（２）上記（１）に記載の半導体発光素子であって、前記中間層のバンドギャップが、前記障壁側の端から前記井戸層側へ、前記所定のエネルギー値より大きいエネルギー値から連続的に減少してもよい。
【００２０】
（３）上記（１）に記載の半導体発光素子であって、前記中間層の組成が、前記井戸層側の端から前記障壁側へ、前記井戸層の組成から連続的に変化してもよい。
【００２１】
（４）上記（２）に記載の半導体発光素子であって、前記中間層の組成が、前記井戸層側の端から前記障壁層側の端に対して、前記井戸層の組成から前記障壁層の組成に、連続的に変化してもよい。
【００２２】
（５）上記（４）に記載の半導体発光素子であって、前記各井戸層、前記各障壁層、及び、前記各中間層の組成が、Ｉｎ１−ｙ（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）ｙＡｓであってもよい。
【００２３】
（６）上記（１）に記載の半導体発光素子であって、前記各障壁層に、圧縮歪が導入されていてもよい。
【００２４】
（７）上記（１）に記載の半導体発光素子であって、前記各井戸層に導入される引張り歪の歪量が−１．５％以下であり、前記１以上の井戸層の層厚の合計が５０ｎｍ以上であってもよい。
【００２５】
（８）上記（１）に記載の半導体発光素子であって、測定されるホトルミネッセンスのスペクトルにおいて、強度ピークが複数あり、１番目に大きい強度ピークに対応するバンドギャップのエネルギー値と、２番目に大きい強度ピークに対するバンドギャップのエネルギー値と、の差が、０．１ｅＶ以上であってもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明により、活性層を量子効果が抑制される構造とすることにより、特性が向上される半導体発光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子の全体斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子主要部の断面図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子のＭＮＱＷ活性層のエネルギーバンド構造を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子のＭＮＱＷ活性層に導入される歪の歪量を示す図である。
【図４】バンドギャップと井戸層の層厚の関係を示す図である。
【図５Ａ】井戸層の歪量に対して、理論上得られる活性層全体の層厚の臨界値の計算結果を示す図である。
【図５Ｂ】井戸層の歪量に対して、理論上得られる井戸層の総層厚の臨界値の計算結果を示す図である。
【図６】従来技術に係る量子半導体発光素子のＭＱＷ構造を示す図である。
【図７】本発明の実施形態の比較例に係る量子半導体レーザ素子主要部の断面図である。
【図８Ａ】本発明の実施形態の比較例に係る量子半導体レーザ素子のＭＱＷ活性層のエネルギーバンド構造を示す図である。
【図８Ｂ】本発明の実施形態の比較例に係る量子半導体レーザ素子のＭＱＷ活性層に導入される歪の歪量を示す図である。
【図９Ａ】本発明の実施形態の比較例に係る量子半導体レーザ素子について測定されるホトルミネッセンスのスペクトルを示す図である。
【図９Ｂ】本発明の実施形態の比較例に係る量子半導体レーザ素子について測定されるホトルミネッセンスのスペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明に係る実施形態について、以下に、詳細な説明をする。ただし、以下に示す図は、あくまで、各実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【００２９】
本発明の実施形態に係る半導体発光素子は、リッジストライプ構造を有する１．３μｍ帯半導体レーザ素子１である。本発明に係る半導体発光素子の特徴は、活性層の構造にあり、量子効果が抑制される多重井戸構造をしている。この構造を、量子効果が確保されているＭＱＷ構造と区別し、非量子化多重井戸（Multiple-Non-Quantum Well：以下、ＭＮＱＷ）構造とする。なお、本明細書において、ＭＮＱＷとは、ＭＱＷと同様に、複数の井戸層を含む非量子化多重井戸のみならず、非量子化単一井戸をも含むものとする。
【００３０】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子１の全体斜視図である。後述する通りｎ型ＩｎＰ基板２上に多層構造が形成されており、ｎ型ＩｎＰ基板２の下面には、ｎ型電極１３が、多層構造の上面の一部には、ｐ型電極１２が形成されている。
【００３１】
図２は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子１主要部の断面図である。当該断面図は、光の出射方向に対して垂直な断面である。
【００３２】
図２に示す通り、ｎ型ＩｎＰ基板２上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層３、ｎ型下側光ガイド層４、ＭＮＱＷ活性層５、ｐ型上側光ガイド層６、ｐ型クラッド層７、エッチング停止層８、ｐ型第２クラッド層９、ｐ型コンタクト層１０が、順に積層されており、多層構造をとっている。ｐ型第２クラッド層９及びｐ型コンタクト層１０のうち、ＭＮＱＷ活性層５の光導波路領域の上方に位置する領域の両側がエッチングにより除去されており、リッジストライプ構造となっている。リッジストライプ構造のリッジの両側と、エッチング停止層８のうち上方にリッジが配置されていない領域の上面とには、パッシベーション膜１１が形成されている。
【００３３】
図２の右側には、ＭＮＱＷ活性層５の拡大図が示されている。図に示すＭＮＱＷ活性層５は、井戸層５ａの層数Ｎｗが３であるＭＮＱＷ構造である。各井戸層５ａの図中上側及び下側にはそれぞれ、中間層となる非量子化層５ｄ，５ｅが井戸層５ａに接して形成されている。そして、隣り合う井戸層５ａの間それぞれには、図中上側の井戸層５ａに接して形成される非量子化層５ｄと、図中下側の井戸層５ａに接して形成される非量子化層５ｅとに、それぞれ接して障壁層５ｂが形成されている。ＭＮＱＷ活性層５のうち、図中最上層となる井戸層５ａの上側に接して形成される非量子化層５ｄのさらに上側に接して、また、図中最下層となる井戸層５ａの下側に接して形成される非量子化層５ｅのさらに下側に接して、それぞれ、障壁層５ｂが形成されている。
【００３４】
ここで、井戸層５ａには引張り歪が導入されており、障壁層５ｂには圧縮歪が導入されている。なお、引張り歪とは、当該層の格子定数が基板の格子定数よりも小さいことをいい、圧縮歪とは、当該層の格子定数が基板の格子定数より大きいことをいう。歪の歪量εは、基板の格子定数に対する、当該層の格子定数の基板の格子定数からの差の比で定義され、圧縮歪の場合、歪量εは正、引張り歪の場合、歪量εは負の値をとる。
【００３５】
図３Ａは、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１のＭＮＱＷ活性層５のエネルギーバンド構造を示す図である。図の横軸は、図２縦方向の位置である高さを示しており、図の左側から右側にかけて、高さが低くなっている。図の縦軸はエネルギーであり、図には、価電子帯のバンド端のエネルギー準位Ｅｖと、伝導帯のバンド端のエネルギー準位Ｅｃとが示されている。ＭＮＱＷ活性層５の組成が、図２の縦方向に対して連続的に変化しており、ＭＮＱＷ活性層５のバンド端のエネルギー準位も、図２の縦方向に対して、連続的に変化している。図３Ａに示す通り、ＭＮＱＷ活性層５の価電子帯のバンド端のエネルギー準位Ｅｖも、伝導帯のバンド端のエネルギー準位Ｅｃも、連続的に変化している。よって、伝導帯のバンド端と価電子帯のバンド端とのエネルギー差であるバンドギャップも、連続的に変化している。
【００３６】
すなわち、中間層である非量子化層５ｄ（５ｅ）は、井戸層５ａ側の端から障壁層５ｂ側へ、井戸層５ａのバンドギャップのエネルギー値（所定のエネルギー値）から連続的に増加している。これにより、量子効果が抑制される多重井戸構造となっている。さらに、中間層である非量子化層５ｄ（５ｅ）は、障壁層５ｂ側の端から井戸層５ａ側へ、障壁層５ｂのバンドギャップのエネルギー値（所定のエネルギー値より大きいエネルギー値）から連続的に減少している。
【００３７】
ＭＮＱＷ活性層５は、ＩｎＧａＡｌＡｓ系材料によって形成されており、ＭＮＱＷ活性層５の組成はＩｎ１−ｙ（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）ｙＡｓと表すことができる。ＭＮＱＷ活性層５に含まれる各井戸層５ａにおいて、ｘ＝０．１４０，ｙ＝０．５９８であり、歪量εｗ＝−１．６０％であり、層厚ｄｗ＝１０ｎｍである。各障壁層５ｂにおいて、ｘ＝１．０００，ｙ＝０．２６７であり、歪量εｂ＝＋１．４０％であり、層厚ｄｂ＝６ｎｍである。各非量子化層５ｄ，５ｅの層厚ｄｉ＝２ｎｍである。さらに、非量子化層５ｄは、図２に示す上側の端から下側の端にかけて、組成はそれぞれ、ｘが１．０００から０．１４０へ、ｙが０．２６７から０．５９８へ直線的に変化しており、歪量εが＋１．４０％から−１．６０％へ直線的に変化している。同様に、非量子化層５ｅは、図２に示す上側の端から下側の端にかけて、組成はそれぞれ、ｘが０．１４０から１．０００へ、ｙが０．５９８から０．２６７へ直線的に変化しており、歪量εが−１．６０％から＋１．４０％へ直線的に変化している。
【００３８】
すなわち、中間層となる非量子化層５ｄ（５ｅ）の組成は、井戸層５ａ側から障壁層５ｂ側に対して、井戸層５ａの組成から障壁層５ｂの組成に、連続的に変化している。とくに、井戸層５ａ側の端において、井戸層５ａの組成と同じく、ｘ＝０．１４０，ｙ＝０．５９８であり、井戸層５ａ側の端から障壁層５ｂ側へ連続的に変化している。
【００３９】
図３Ｂは、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１のＭＮＱＷ活性層５に導入される歪の歪量εを示す図である。図３Ａと同様に、図の横軸は、図２縦方向の位置である高さを示している。図の縦軸は、歪量εを示している。前述の通り、ＭＮＱＷ活性層５において、歪量εは連続的に変化している。
【００４０】
当該実施形態に係る半導体レーザ素子１の比較例として、従来技術に係る量子半導体レーザ素子を示す。量子半導体レーザ素子の基本的な構造は、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１と同じであるが、活性層の構造が異なっており、ＭＱＷ活性層１０５となっている。
【００４１】
図７は、当該実施形態の比較例に係る量子半導体レーザ素子主要部の断面図である。図２に示す当該実施形態に係る半導体レーザ素子１と異なり、ＭＱＷ活性層１０５が、図７には示されている。ＭＱＷ活性層１０５は、井戸層５ａの層数Ｎｗが３であるＭＱＷ構造であり、隣り合う井戸層５ａの間それぞれと、両側に配置される２個の井戸層５ａの外側それぞれとに、障壁層５ｂが井戸層５ａに接して配置される。すなわち、中間層は設けられていない。
【００４２】
図８Ａ及び図８Ｂは、当該実施形態の比較例に係る量子半導体レーザ素子のＭＱＷ活性層１０５のエネルギーバンド構造及びＭＱＷ活性層１０５に導入される歪の歪量εを、それぞれ示す図である。図３Ａ及び図３Ｂとそれぞれ異なり、ＭＱＷ活性層１０５において、バンドギャップのエネルギー値及び導入される歪の歪量εは、ともに、井戸層５ａと障壁層５ｂの界面で不連続に変化している。なお、図８Ａ及び図８Ｂは、ＭＱＷ活性層１０５が以下の構成をする場合について、示している。各井戸層５ａの歪量εｗ＝−１．２０％であり、層厚ｄｗ＝１０ｎｍである。各障壁層５ｂの歪量εｂ＝＋０．６０％であり、層厚ｄｂ＝１０ｎｍである。すなわち、井戸層５ａと障壁層５ｂとの界面の歪差は１．８％である。
【００４３】
図４は、バンドギャップＥｇと井戸層の層厚ｄｗの関係を示す図である。図の横軸が、当該実施形態の比較例に係る量子半導体レーザ素子のＭＱＷ活性層１０５の井戸層５ａの層厚ｄｗであり、図の縦軸は、バンドギャップＥｇである。前述の通り、価電子帯のバンド端にはＨＨとＬＨが発生しており、ＨＨと伝導帯のバンド端とのバンドギャップＥｇの計算結果がシンボル○で、ＬＨと伝導帯のバンド端とのバンドギャップＥｇの計算結果がシンボル△で、図に示されている。ここで、井戸層５ａの引張り歪の歪量εｗ＝−１．５０％として計算を行っている。
【００４４】
前述の通り、井戸層５ａに引張り歪を導入する場合、井戸層５ａの層厚ｄｗを大きくすることにより、ＭＱＷの量子効果が抑制され、バンド混成の分離する効果が大きくなる。図４に示す通り、ＨＨのバンドギャップＥｇ（○）も、ＬＨのバンドギャップＥｇ（△）も、層厚ｄｗの増加に伴い、ともに低下するとともに、そのエネルギー差ΔＥｇは大きくなってる。図に示す通り、層厚ｄｗ＝２０ｎｍ付近やそれ以上において、エネルギー差ΔＥｇが、０．１ｅＶに収束している。
【００４５】
これに対して、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１のＭＮＱＷ活性層５において、量子効果は抑制されているので、井戸層５ａの層厚ｄｗにほとんど依存せず、ＨＨ及びＬＨのバンドギャップＥｇはそれぞれ一定であり、エネルギー差ΔＥｇも、０．１ｅＶと一定になると考えられる。すなわち、当該比較例に係る量子半導体レーザ素子において、井戸層５ａの層厚ｄｗを２０ｎｍまで大きくしないと得られない特性が、当該実施形態に係る半導体レーザ素子においては、井戸層５ａの層厚ｄｗが２０ｎｍより小さい領域においても得られる。
【００４６】
図９Ａ及び図９Ｂは、当該実施形態の比較例に係る量子半導体レーザ素子について測定されるホトルミネッセンス（Photoluminescence）のスペクトルを示す図である。図の横軸は、光の波長を示しており、図の縦軸は、ホトルミネッセンスの強度を示している。
【００４７】
図９Ａは、井戸層５ａの層厚ｄｗが臨界値より小さく、結晶性が良好である場合について、示している。図９Ａに示すスペクトルにおいて、２個の強度ピークがある。長波長側にある１番目に大きい強度ピークの波長λは、ＬＨのバンドギャップＥｇに対応しており、短波長側にある２番目に大きい強度ピークの波長λは、ＨＨのバンドギャップＥｇに対応している。そのエネルギー差ΔＥｇが０．０５ｅＶとなっている。
【００４８】
図９Ｂは、井戸層５ａの層厚ｄｗが臨界値を超えて大きく、結晶性が悪化している場合について、示している。図９Ｂに示すスペクトルにおいて、層厚ｄｗが大きくなるのに伴い、エネルギー差ΔＥｇは、０．０７ｅＶと、図９Ａに示すスペクトルと比較して大きくなっているが、結晶性の悪化により、短波長側の強度ピークは不明確な形状となっている。前述の通り、当該比較例に係る量子半導体レーザ素子の場合、井戸層５ａの層厚ｄｗを大きくすると、結晶性が悪化するため、ＬＨとＨＨが十分に分離したときに得られるΔＥｇとなる層厚ｄｗにおいて、結晶性が悪化しており、発光素子として良好な特性は得られない。
【００４９】
これに対して、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１において、井戸層５ａの層厚ｄｗが小さく、良好な結晶性が確保出来ている場合においても、量子効果が抑制され、ＬＨとＨＨが十分に分離されており、エネルギー差ΔＥｇは、０．１ｅＶ又はそれ以上となる。よって、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１に対して測定されるホトルミネッセンスのスペクトルには、強度ピークが複数ある。そして、１番目に大きい強度ピークの波長λは、ＬＨのバンドギャップＥｇに対応しており、２番目に大きい強度ピークの波長λは、ＨＨのバンドギャップＥｇに対応しており、そのエネルギー差ΔＥｇが０．１ｅＶ以上となる。
【００５０】
以上、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１のＭＮＱＷ活性層５において、井戸層５ａと障壁層５ｂの間に、非量子化層５ｄ（５ｅ）が配置されることにより、量子効果が抑制され、井戸層５ａの層厚ｄｗが小さい場合においても、良好な特性が得られることを説明した。
【００５１】
さらに、ＭＮＱＷ活性層５において、非量子化層５ｄ（５ｅ）に導入される歪の歪量εが、井戸層５ａ側から障壁層５ｂにかけて、井戸層５ａの歪量εｗから障壁層５ｂの歪量εｂへ連続的に変化していることにより、井戸層５ａと非量子化層５ｄ（５ｅ）との界面、及び、障壁層５ｂと非量子化層５ｄ（５ｅ）との界面、それぞれにおいて、界面の歪差は、当該比較例と比較して、無視出来るほどに小さくなっている。それゆえ、当該比較例に係る量子半導体レーザ素子と比較して、界面の歪差に起因する結晶性の悪化が抑制されるので、結晶性が向上され、より良好な特性を得ることができる。また、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１のＭＮＱＷ活性層５に備えられる各障壁層５ｂには、引張り歪と逆の歪である圧縮歪が導入されており、ＭＮＱＷ活性層５全体の平均歪を軽減することが出来ている。それゆえ、さらに結晶性が向上され、さらにより良好な特性を得ることができる。
【００５２】
図５Ａは、井戸層５ａの歪量εｗに対して、理論上得られる活性層全体の層厚Ｄｃの臨界値の計算結果を示す図である。図５Ｂは、井戸層５ａの歪量εｗに対して、理論上得られる井戸層５ａの総層厚Ｄｗの臨界値の計算結果を示す図である。ともに、図の横軸は、井戸層５ａの歪量εｗであり、図の縦軸は、層厚の臨界値である。
【００５３】
当該実施形態に係る半導体レーザ素子１については、井戸層５ａの層厚ｄｗ＝１０ｎｍと、障壁層５ｂの層厚ｄｂ＝６ｎｍ、歪量εｂ＝＋１．５％と、非量子化層５ｄ，５ｅの層厚ｄｉ＝２ｎｍとして、井戸層５ａの歪量εｗが異なる値をとるそれぞれの場合について計算を行っており、計算結果をシンボル●で示している。
【００５４】
当該比較例に係る量子半導体レーザ素子については、井戸層５ａの層厚ｄｗ＝１０ｎｍと、障壁層５ｂの層厚ｄｂ＝１０ｎｍとしており、障壁層５ｂの歪量εｂは、井戸層５ａの歪量εｗとの差が１．８％となるように変化させ、井戸層５ａの歪量εｗが異なる値をとるそれぞれの場合について計算を行っており、計算結果をシンボル◆で示している。
【００５５】
図５Ａ及び図５Ｂに示される通り、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１の活性層全体の層厚Ｄｃの臨界値及び井戸層５ａの総層厚Ｄｗの臨界値は、ともに、当該比較例に係る量子半導体レーザ素子と比較して、大幅に大きくなっている。これにより、井戸層５ａの導入する引張り歪により大きな歪を導入することが可能となる。すなわち、歪量εの絶対値を大きくすることが可能となる。
【００５６】
さらに、障壁層５ｂに導入する圧縮歪により大きな歪を導入したり、井戸層５ａの層厚ｄｗを大きくしたり層数Ｎｗを大きくしたりすることが出来、結晶性を良好に維持しつつ、素子設計の自由度が増す。これにより、より良好な特性を得ることが出来る。
【００５７】
なお、活性層全体の層厚Ｄｃの臨界値及び井戸層５ａの総層厚Ｄｗの臨界値については、非特許文献１に詳細が記載されている。また、図５Ｂに示す当該比較例に係る総層厚Ｄｗの臨界値が、歪量εｗ＝−１．５０％と、歪量εｗ＝−１．６０％とで、同じ値をとっているのは、活性層全体の層厚Ｄｃの臨界値以下で取り得る層数Ｎｗの最大値が同じためである。当該比較例に係る量子半導体レーザ素子の場合、ε＝−１．５０％のとき、層数Ｎｗは４以下となり、井戸層５ａの総層厚Ｄｗは４０ｎｍ以下にしなければならず、当該実施形態に係る半導体レーザ素子１の井戸層５ａの総層厚Ｄｗの臨界値は１３０ｎｍと、大幅に大きくなっている。
【００５８】
以上、ＭＮＱＷ活性層５の組成が、Ｉｎ１−ｙ（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）ｙＡｓとなる場合について、説明したが、これに限定されることはない。また、非量子化層５ｄ（５ｅ）のバンドギャップが、井戸層５ａ側の端から障壁層５ｂ側の端にへ、井戸層５ａのバンドギャップのエネルギー値から障壁層５ｂのバンドギャップのエネルギー値へ連続的に変化している場合について説明しているが、これに限定されることはない。井戸層５ａ側の端から障壁層側へ、バンドギャップが連続的に変化していれば、量子効果は抑制されるので、障壁層５ｂと非量子化層５ｄ（５ｅ）との界面において、バンドギャップが不連続に変化していてもよい。この場合、非量子化層５ｄ（５ｅ）の組成が、井戸層５ａ側の端において、井戸層５ａの組成と等しく、井戸層５ａ側の端から連続的に変化していればよい。
【００５９】
なお、多重井戸構造において、各井戸層の層厚や組成が同じ場合もあるし、違う場合もある。また、１つの井戸層の組成も、結晶成長方向に対して均一なものもあるし、変化するものもある。しかし、井戸層と非量子化層（中間層）との界面において、バンドギャップが連続的に変化していれば、本発明を適用することが出来る。非量子化層のバンドギャップが井戸層側の端から連続的に変化しているため、井戸層と非量子化層の界面を厳密に定義することは実際には困難である。しかし、井戸層から、障壁層側へ向けて、バンドギャップが連続的に変化していればよく、界面の定義が困難なことにとらわれない。
【００６０】
さらに、本発明にかかる半導体発光素子は、リッジストライプ構造を有する半導体レーザ素子に限定されることはなく、引張り歪が導入される井戸層を有する他の半導体発光素子であってもよい。例えば、埋込型レーザ（Buried Heterostructureレーザ）などであってもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１ 半導体レーザ素子、２ ｎ型ＩｎＰ基板、３ ｎ型ＩｎＰバッファ層、４ ｎ側下側光ガイド層、５ ＭＮＱＷ層、５ａ 井戸層、５ｂ 障壁層、５ｄ，５ｅ 非量子化層、５ｇ 歪緩衝層、６ ｐ側上側光ガイド層、７ ｐ型クラッド層、８ エッチング停止層、９ ｐ型第２クラッド層、１０ ｐ型コンタクト層、１１ パッシベーション膜、１２ ｐ型電極、１３ ｎ型電極、１０５ ＭＱＷ活性層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のエネルギー値のバンドギャップを有するとともに引張り歪が導入される１以上の井戸層と、
前記所定のエネルギー値より大きいエネルギー値のバンドギャップを有するとともに前記井戸層と交互に配置される２以上の障壁層と、
隣り合う前記井戸層と前記障壁層の間にそれぞれ配置されるとともに、前記井戸層側の端から前記障壁層側へ、前記所定のエネルギー値から連続的に増加するバンドギャップを有する２以上の中間層とを、
基板の上方にそれぞれ備える半導体発光素子。
【請求項２】
前記中間層のバンドギャップが、前記障壁側の端から前記井戸層側へ、前記所定のエネルギー値より大きいエネルギー値から連続的に減少する、
ことを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記中間層の組成が、前記井戸層側の端から前記障壁側へ、前記井戸層の組成から連続的に変化する、
ことを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記中間層の組成が、前記井戸層側の端から前記障壁層側の端に対して、前記井戸層の組成から前記障壁層の組成に、連続的に変化する、
ことを特徴とする、請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記各井戸層、前記各障壁層、及び、前記各中間層の組成が、Ｉｎ１−ｙ（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）ｙＡｓである、
ことを特徴とする、請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記各障壁層に、圧縮歪が導入される、
ことを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記各井戸層に導入される引張り歪の歪量が−１．５％以下であり、前記１以上の井戸層の層厚の合計が５０ｎｍ以上である、
ことを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
測定されるホトルミネッセンスのスペクトルにおいて、強度ピークが複数あり、１番目に大きい強度ピークに対応するバンドギャップのエネルギー値と、２番目に大きい強度ピークに対するバンドギャップのエネルギー値と、の差が、０．１ｅＶ以上である、
ことを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１】
所定のエネルギー値のバンドギャップを有するとともに引張り歪が導入される１以上の井戸層と、
前記所定のエネルギー値より大きいエネルギー値のバンドギャップを有するとともに前記井戸層と交互に配置される２以上の障壁層と、
隣り合う前記井戸層と前記障壁層の間にそれぞれ配置されるとともに、前記井戸層側の端から前記障壁層側へ、前記所定のエネルギー値から連続的に増加するバンドギャップを有する２以上の中間層とを、
基板の上方にそれぞれ備える半導体発光素子。
【請求項２】
前記中間層のバンドギャップが、前記障壁側の端から前記井戸層側へ、前記所定のエネルギー値より大きいエネルギー値から連続的に減少する、
ことを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記中間層の組成が、前記井戸層側の端から前記障壁側へ、前記井戸層の組成から連続的に変化する、
ことを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記中間層の組成が、前記井戸層側の端から前記障壁層側の端に対して、前記井戸層の組成から前記障壁層の組成に、連続的に変化する、
ことを特徴とする、請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記各井戸層、前記各障壁層、及び、前記各中間層の組成が、Ｉｎ１−ｙ（Ｇａ１−ｘＡｌｘ）ｙＡｓである、
ことを特徴とする、請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記各障壁層に、圧縮歪が導入される、
ことを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記各井戸層に導入される引張り歪の歪量が−１．５％以下であり、前記１以上の井戸層の層厚の合計が５０ｎｍ以上である、
ことを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
測定されるホトルミネッセンスのスペクトルにおいて、強度ピークが複数あり、１番目に大きい強度ピークに対応するバンドギャップのエネルギー値と、２番目に大きい強度ピークに対するバンドギャップのエネルギー値と、の差が、０．１ｅＶ以上である、
ことを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【公開番号】特開２０１２−１１９４５６（Ｐ２０１２−１１９４５６Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６７１９５（Ｐ２０１０−２６７１９５）
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（３０１００５３７１）日本オプネクスト株式会社 (311)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（３０１００５３７１）日本オプネクスト株式会社 (311)
【Ｆターム（参考）】
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