(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＮ井戸層及びＩｎＮ井戸層を有する井戸層と、
前記井戸層を挟む一対のＡｌＧａＮ障壁層を有する超格子層を含む半導体素子。
【請求項２】
前記井戸層における前記ＩｎＮ井戸層の厚さは、２分子厚以下である請求項１記載の半導体素子。
【請求項３】
前記井戸層における前記ＩｎＮ井戸層の厚さは、０．６ｎｍ以下である請求項１記載の半導体素子。
【請求項４】
前記井戸層は、複数のＧａＮ井戸層を有し、前記ＩｎＮ井戸層は、前記複数のＧａＮ井戸層の間に挟まれている請求項１記載の半導体素子。
【請求項５】
前記井戸層は、ＧａＮ井戸層と前記ＩｎＮ井戸層を同数有する請求項１記載の半導体素子。
【請求項６】
前記井戸層と、前記井戸層を挟む一対のＡｌＧａＮ障壁層を一周期の量子井戸構造とし、該量子井戸構造における前記ＡｌＧａＮ障壁層を共通して複数の前記量子井戸構造が積層されている請求項１記載の半導体素子。
【請求項７】
前記井戸層と、前記井戸層を挟む一対のＡｌＧａＮ障壁層を一周期の量子井戸構造とし、スペーサー層を介して複数の前記量子井戸構造が積層されている請求項１記載の半導体素子。
【請求項８】
基板、バッファ層、クラッド層、超格子層、キャップ層と、を順に積層してなる光スイッチング素子であって、
前記超格子層は、ＧａＮ井戸層及びＩｎＮ井戸層を有する井戸層と、前記井戸層を挟む一対のＡｌＧａＮ障壁層と、を有する光スイッチング素子。
【請求項９】
前記井戸層中にサブバンドを有し、前記サブバンド間隔におけるエネルギーに相当する光波長が２μｍ以下である請求項１記載の半導体素子。
【請求項１０】
前記井戸層中にサブバンドを有し、前記サブバンド間隔における光吸収遷移と電子−フォノン相互作用を介した高速緩和過程を利用した請求項１記載の光半導体素子。
【請求項１１】
基板、バッファ層、第一のコンタクト層、第一のクラッド層、超格子層、第二のクラッド層、第二のコンタクト層、を有する量子カスケードレーザ素子であって、
前記超格子層は、ＧａＮ井戸層及びＩｎＮ井戸層を有する井戸層と、前記井戸層を挟む一対のＡｌＧａＮ障壁層と、を有する量子カスケードレーザ素子。
【請求項１２】
前記井戸層中にサブバンドを有し、前記超格子層の前記井戸層及び前記ＡｌＧａＮ障壁層の周期を調整することで、前記超格子層は電子注入層及び発光層として機能する請求項１記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子、光スイッチング素子及び量子カスケードレーザに関し、特にサブバンド間遷移を利用したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子において形成される量子井戸構造や超格子構造などの井戸層内には離散化したエネルギー準位が存在し、この準位間でも光吸収・電子遷移が起こる。これを一般にサブバンド間遷移と呼ぶ。【０００３】
サブバンド間遷移（以下「ＩＳＢＴ」という。）は、伝導帯−価電子帯間のバンド遷移とは異なるいくつかの特徴を有している。一つは量子井戸や超格子構造によってＩＳＢＴの遷移エネルギーが可変であること。もう一つは遷移した電子の緩和速度がバンド間遷移の場合に比べて非常に速いことである。【０００４】
通常のバンド間遷移の場合、緩和速度は〜ｎｓｅｃオーダーであるが、ＩＳＢＴの緩和速度は〜ｐｓｅｃからｆｓｅｃオーダーと非常に速く、将来的なテラビット級の超高速光スイッチへの応用が期待されている。【０００５】
ＩＳＢＴを用いた超高速光スイッチの基本構造としては現在まで代表的なものとして３つ上げられる。ＧａＮ／ＡｌＮ系、ＣｄＳ／ＢｅＴｅ系、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓ系である。中でも窒化物系のＩＳＢＴ構造であるＧａＮ／ＡｌＮ系超格子はこの３つの中でも最も大きい伝導帯バンドオフセットを有し（〜２ｅＶ）、かつ最も速い緩和速度（ｆｓｅｃオーダー）を有することが報告されており（例えば特許文献１及び２、非特許文献１参照）、特に下記非特許文献１では、現在まででもっとも短いＩＳＢＴ波長が報告されている。この論文ではＧａＮ１ｎｍ／ＡｌＮ４ｎｍ超格子１００周期を分子線エピタキシー（以後「ＭＢＥ」という。）法を用いて成長し、１．０８μｍのＩＳＢＴ波長を観測している。【０００６】
一方、ＩＳＢＴは上述したように量子井戸幅や超格子の周期構造を変化させるだけで容易に遷移波長を制御できる。このようなサブバンド間の発光を利用したデバイスとしては、例えば量子カスケードレーザがある。通常の半導体レーザは伝導帯と価電子帯間の反転分布によりレーザ発振を起こすが、カスケードレーザは量子井戸の伝導帯中の離散化された準位間に反転分布を形成してレーザ発振を起こす。前述したように量子カスケードレーザは量子井戸構造を変化させるだけで、レーザ発振波長が制御可能であるが、その範囲は量子井戸のバンドオフセット量で制限される。つまり、バンドオフセット量よりも大きいエネルギーのレーザ発振を得るのは不可能である。ちなみに、現在までに３．４〜２４μｍの発振波長が得られている。【０００７】
つまり、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子は現在もっとも高速な電子緩和速度を有し、最も大きな伝導帯バンドオフセット量が実現可能であると考えられるため、超高速光スイッチやまた量子カスケードレーザデバイスの基本構造、サブバンド間遷移波長の更なる短波長化の可能性を有する非常に有望な構造であるといえる。【０００８】
【特許文献１】特開平８−１７９３８７号公報
【特許文献２】特開２００１−１０８９５０号公報
【非特許文献１】Ｋ．Ｋｉｓｈｉｎｏ  ｅｔ  ａｌ．、ＡＰＬ．、ｖｏｌ．８１、１２３４−１２３６（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＧａＮ／ＡｌＮ超格子構造は非常に大きな伝導帯バンドオフセット量を有しておりＩＳＢＴの短波長化には適しているが、ＧａＮ／ＡｌＮ間の格子不整合度が−２．４％と大きく多数層の積層は困難である。ＧａＮにコヒーレントに成長すると仮定した場合、ＡｌＮ障壁層は引っ張り歪を受ける。この引っ張り歪はＡｌＮ層におけるクラックの発生をもたらし、結晶品質の維持を困難とさせる。【００１０】
また、ＩＳＢＴを用いた量子カスケードレーザなどの光素子への応用を考えた場合、ＩＳＢＴ波長の短波長化も非常に重要な意味をもつ。ＧａＮ／ＡｌＮ超格子では１．０８μｍのＩＳＢＴ吸収を観測しているがこれより更に短波長させるにはＧａＮ井戸層厚をさらに小さくする必要がある。しかし、この場合超格子全体のＡｌＮ層比率が増加するため、よりクラックが発生しやすい状態となり、結晶品質を維持するのが困難となる。またＧａＮ井戸層厚も１ｎｍ以下となり、制御が難しくなる。つまり１μｍ以下の短波長化は現状のＧａＮ／ＡｌＮ超格子構造のままでは困難である。【００１１】
ところで、一般に、超高速光スイッチや量子カスケードレーザ構造は量子井戸構造を多数積層した光素子構造となっている。例えばＩＳＢＴ超高速光スイッチは、スイッチングに必要な光エネルギーを最小限に抑え、ＩＳＢＴ領域の光吸収量を高めるため１００周期程度の量子井戸構造を積層する。ＧａＮ／ＡｌＮ超格子構造は非常に大きな伝導帯バンドオフセット量を有しておりＩＳＢＴの短波長化には適しているが、上記の通りＧａＮ／ＡｌＮ間の格子不整合度が−２．４％と大きく、多数の積層は困難である。そしてＧａＮにコヒーレントに成長すると仮定した場合、ＡｌＮ障壁層は引っ張り歪を受ける。超格子における周期数を増やすと容易にクラックが発生し、結晶品質が急激に悪化し、ＩＳＢＴ吸収が観測できなくなるといった課題がある。【００１２】
なお、周期数を減らせば、クラック発生を抑制し結晶品質を保つことは可能であるが、吸収量が減少してしまうため光スイッチングに必要なＯＮ／ＯＦＦ比を得ることが困難となるため好ましくない。また量子カスケードレーザ構造を作製・デザインする場合、多段の発光層及び電子注入層を設ける必要があるため同様な問題が起こり、超格子の周期数の制限は構造設計上大きなデメリットである。【００１３】
そこで、本発明は、上記課題を鑑み、新規な半導体素子、これを用いた光スイッチング素子、量子カスケードレーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者らは、上記課題について鋭意検討を行ったところ、井戸層に、ＡｌＧａＮ障壁層が受ける引っ張り歪を解消する圧縮歪を発生させる層を導入することで、ＡｌＧａＮ障壁層のクラック発生を防止することができ、しかもこの層にＩｎＮからなる層を採用すると、ＩＳＢＴ波長の短波長化ができる点に想到し、本発明を完成させるに至った。【００１５】
即ち、本発明の一手段に係る半導体素子は、ＧａＮ井戸層及びＩｎＮ井戸層を有する井戸層と、この井戸層を挟む一対のＡｌＧａＮ障壁層を有する超格子層を含む。従来のＧａＮ／ＡｌＮ超格子ＩＳＢＴ構造では、ＡｌＮ層（ＡｌＧａＮ層）の引っ張り応力に起因したクラックの発生が問題となり、周期数の増加が困難であるが、上記手段によるとこの問題を根本から解決することができる。つまり、ＡｌＧａＮ障壁層には引っ張り応力がかかるが、ＩｎＮ層を設けることでＩｎＮ層には圧縮応力がかかるため（ＩｎＮ／ＧａＮ間の格子不整合度は約＋１１％である）、ＩｎＮ層をＧａＮ層中に設けることでＡｌＮ層における引っ張り歪を相殺する歪補償構造を形成することが可能であり、周期を多くしてもクラック発生を抑制することができるのである。【００１６】
さらにＩｎＮ井戸層は、窒化物半導体の中で最も小さいバンドギャップエネルギー（約０．６３ｅＶ）を有しており、ＧａＮとの伝導帯バンドオフセット量は約１．７ｅＶ、ＡｌＮとの差は約３．５ｅＶであると見積もることができる。つまり、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子の伝導帯バンドオフセット量に比べて倍程度の値を本半導体素子では実現することができ、サブバンド間遷移波長の更なる短波長化（１μｍ以下）が可能となる。このような大きなバンドオフセット量を実現できるのは窒化物半導体、特にＩｎＮを用いることで実現可能である。【００１７】
また、この手段において、限定されるわけではないが、井戸層におけるＩｎＮ井戸層の厚さは、２分子厚以下であること、０．６ｎｍ以下であることの少なくともいずれかであることが好ましく、１分子厚以下又は０．３ｎｍ以下であることが発明の効果を確実にすることができる点においてより好ましい。ここで「１分子厚」とは、成長方向の結晶単位格子１辺の半分の長さを指す。限定されるわけではないが、例えばＣ軸方向の窒化物半導体結晶の成長においてはＣ軸長の１／２の長さとなる。つまりＩｎＮの場合は２．９Å、ＧａＮの場合２．６Åに相当する。ＩｎＮ／ＧａＮへテロ構造においてＩｎＮの臨界膜厚は1〜２分子厚であることが我々の実験によりわかっている。つまりＧａＮ／ＡｌＮ超格子層を成長する際、ＧａＮ井戸層中にＩｎＮ２分子厚以下、より望ましくは１分子厚を成長すれば、ＩｎＮ／ＧａＮ間の格子不整合度による格子緩和を防ぎＩｎＮ超薄膜層がコヒーレントにＧａＮ井戸層内に成長する。さらにこの１分子厚ＩｎＮ／ＧａＮ井戸層はＩｎＮにより圧縮歪を有し、ＡｌＮ障壁層とは逆の歪となるため歪補償構造を形成することが可能となり、上述の問題である層数増加による歪の蓄積、クラックの発生を防ぎ、結晶品質の悪化を防ぐことができる。なお、例えば簡単な見積りによると、ＧａＮの格子を基準に考えた１分子厚ＩｎＮ／ＧａＮ／ＡｌＮ超格子の場合、ＡｌＮ層厚を約１．３ｎｍとすることで歪補償構造を形成することが可能である。【００１８】
なお一方で、一般的には、ＧａＮに対してＡｌＮは−２．４％（引っ張り歪）の格子不整合度を有しているが、ＩｎＮはＧａＮに対して＋１１％（圧縮歪）、ＡｌＮに対しては１３％以上とさらに大きい格子不整合度を有するため、現実的には良質な超格子構造の作製が困難と考えられる。そして更に、ＩｎＮは他の窒化物半導体に比べ熱的に不安定であり、最適成長温度がＧａＮやＡｌＮに比べて大きく異なるといった課題もある。具体的にはＩｎＮ単結晶の高温側臨界成長温度は約５００℃であるのに対し、ＧａＮ、ＡｌＮは通常６５０℃から１０００℃以上という高温で結晶成長が行われるため、一般的にこれらのヘテロ構造や量子井戸構造、超格子構造の形成は困難といった課題もある。しかしながら、我々は、超薄膜ＩｎＮ層成長ではその熱的性質がバルクＩｎＮと異なることを実験的に確認している。通常、バルクＩｎＮ結晶成長では成長温度が５００℃以上の場合（この場合ＩＩＩ族極性面上成長を仮定）、ＩｎＮの熱的不安定性・解離が要因となり結晶成長が殆ど起きない。しかし、超薄膜ＩｎＮ層の場合、ＩｎＮ層は２分子厚以下であるため、熱的安定性がバルクの場合と異なり、より高温でもＩｎＮ超薄膜の熱分解が起きず形成が可能であると考えられる。現在までの我々の検討結果では６５０℃まで擬似格子整合性を有するＩｎＮ超薄膜層／ＧａＮ多重量子井戸構造の形成が実現可能であることがわかっており、７００℃までであれば成長速度やＶ／ＩＩＩ族原料供給比を制御することにより形成が可能であると予測している。つまり、これによれば、６５０〜７００℃といった高温での２分子厚以下のＩｎＮを導入したＧａＮ／ＡｌＮ超格子ＩＳＢＴ構造が作製可能であり、この構造ではクラック発生が抑制され、１μｍ以下の短波長域でのサブバンド間遷移を実現することが可能である。なお、この手段において、ＩｎＮ井戸層の厚さの一つの形態としては２分子厚以下であることが好ましいが、分数分子厚とすることもできる。「分数分子厚」とはＩｎＮ層が面状均一に存在するのではなく、厚さ１分子厚程度のＩｎＮが島状に分散して形成されている状態を指す。このようなＩｎＮ分数分子厚／ＧａＮ井戸層／ＡｌＧａＮ障壁層においても、上述したサブバンド間遷移波長の短波長化や歪補償構造の形成が可能である。【００１９】
また、この手段において、限定されるわけではないが、井戸層は、複数のＧａＮ井戸層を有し、ＩｎＮ井戸層は、複数のＧａＮ井戸層の間に挟まれていることが好ましい。このようにすることでＡｌＧａＮ障壁層とＩｎＮ井戸層との間にＧａＮ井戸層を配置した状態となり、上記の引っ張り応力と圧縮応力とを相殺することが確実にできるようになる。【００２０】
また、この手段において、限定されるわけではないが、井戸層は、ＧａＮ井戸層とＩｎＮ井戸層を同数有することも可能である。この場合、ＡｌＧａＮ障壁層とＩｎＮ井戸層とが隣接して積層されることとなるが、他方のＡｌＧａＮ障壁層とＩｎＮ井戸層との間にはＧａＮが存在することができ、本手段における効果を達成できる。【００２１】
また、この手段において、限定されるわけではないが、井戸層と、井戸層を挟む一対のＡｌＧａＮ障壁層を一周期の量子井戸構造とし、この量子井戸構造におけるＡｌＧａＮ障壁層を共通して複数の量子井戸構造が積層されていることも好ましい。このようにすることで、半導体素子製造の工程数を減少させることができるとともに、設計が容易となるという利点を有する。【００２２】
また、この手段において、井戸層と、井戸層を挟む一対のＡｌＧａＮ障壁層を一周期の量子井戸構造とし、スペーサー層を介して複数の量子井戸構造が積層されていることも好ましい。このようにすることでＡｌＧａＮ障壁層における歪エネルギーの蓄積を防ぎ、クラック発生をより容易に抑制することができる。【００２３】
また、この手段において、限定されるわけではないが、井戸層中にサブバンドを有し、このサブバンド間隔におけるエネルギーに相当する光波長を２μｍ以下に制御できる。【００２４】
また、この手段において、限定されるわけではないが、井戸層中にサブバンドを有し、サブバンド間隔における光吸収遷移と電子−フォノン相互作用を介した高速緩和過程を利用することで超高速光スイッチとして機能させることも好ましい。【００２５】
また、この手段において、限定されるわけではないが、井戸層中にサブバンドを有し、超格子層の井戸層及びＡｌＧａＮ障壁層の周期を調整することで、超格子層を電子注入層及び発光層を設け量子カスケードレーザとして機能させることも好ましい。【００２６】
また、本発明の他の一手段に係る光スイッチング素子は、基板、バッファ層、クラッド層、超格子層、キャップ層と、を順に積層してなり、かつ、超格子層は、ＧａＮ井戸層及びＩｎＮ井戸層を有する井戸層と、井戸層を挟む一対のＡｌＧａＮ障壁層と、を有することとする。従来のＧａＮ／ＡｌＮ超格子ＩＳＢＴ構造では、ＡｌＮ層（ＡｌＧａＮ層）の引っ張り応力に起因したクラックの発生が問題となり、周期数の増加が困難であるが、上記手段によるとこの問題を根本から解決することができる。つまり、ＡｌＧａＮ障壁層には引っ張り応力がかかるが、ＩｎＮ層を設けることでＩｎＮ層には圧縮応力がかかるため（ＩｎＮ／ＧａＮ間の格子不整合度は約＋１１％である）、ＩｎＮ層をＧａＮ層中に設けることでＡｌＮ層における引っ張り歪を相殺する歪補償構造を形成することが可能であり、周期を多くしてもクラック発生を抑制することができる。【００２７】
また、本発明の他の一手段に係る量子カスケードレーザ素子は、基板、バッファ層、第一のコンタクト層、第一のクラッド層、超格子層、第二のクラッド層、第二のコンタクト層、順に積層してなり、かつ、超格子層は、ＧａＮ井戸層及びＩｎＮ井戸層を有する井戸層と、井戸層を挟む一対のＡｌＧａＮ障壁層と、を有することとする。
【発明の効果】
【００２８】
以上本発明により、新規な半導体素子、これを用いた光スイッチング素子、量子カスケードレーザを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は多くの異なる実施の形態、実施例として表すことができ、本実施形態、実施例に狭く限定されることはない。【００３０】
図１は、本実施形態に係る半導体素子（ＩＳＢＴ光スイッチ）の概略図である。本実施形態に係る半導体光素子１は、図１に示すとおり、基板２上にバッファ層３、クラッド層４、超格子層５、キャップ層６を順次積層して構成されている。なお、本実施形態に係る半導体素子は、光スイッチング素子として利用可能である。【００３１】
基板２は、バッファ層３、クラッド層４、超格子層５等を成長させる基礎となるものであって、限定されるわけではないが例えばサファイア基板やＳｉＣ基板、ＧａＮバルク、ＡｌＮバルク基板を用いることができ、また、その他の基板にハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ）、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）などによりＧａＮ、ＡｌＮ結晶からなる層を積層させたものも用いることができる。なお、基板２の表面の極性や表面処理（窒化処理）によりこの上に積層されていく層の極性が決定されていくが、表面の極性としてはＩＩＩ族極性面、Ｖ族極性面のいずれであってもよく、限定されない。また基板２は、内部電場の影響を小さくするためにＲ面サファイア基板やＡ面やＭ面方向に成長したＧａＮ、選択成長手法などにより形成した（１１−２２）面や（１−１０１）面ＧａＮ膜を用いることができる。【００３２】
バッファ層３は、結晶品質の良い超格子層５を成長させるためのものであって、上記機能を奏する限りにおいて限定されることなく種々のものを採用することができるが、例えばＧａＮ結晶やＡｌＮ結晶、ＡｌＧａＮ混晶などを好適に用いることができる。【００３３】
クラッド層４は、電子を効率よく超格子層５に閉じ込め、光スイッチングに必要な光パワーを最低限に抑えるものであって、限定されることなく種々のものを採用することができるが、例えばＡｌＧａＮ混晶やＧａＮ結晶、ＡｌＮ結晶などを好適に用いることができる。【００３４】
超格子層５は、一対のＧａＮ井戸層５１１ａ、ｂ及びこの一対のＧａＮ井戸層の間に挟まれたＩｎＮ井戸層５１２を有する井戸層５１と、井戸層５１を挟む一対のＡｌＧａＮ障壁層５２ａ、ｂと、からなる量子井戸構造５３を一周期とし、これをスペーサー層５４を介して複数繰り返して構成されている。図２に本実施形態に係る超格子層５の断面概略図を示す。【００３５】
一対のＧａＮ井戸層５１１ａ、ｂは、Ｓｉ等の不純物がドープされたＧａＮ結晶を含む層である。ＧａＮ井戸層５１１ａ、ｂの組成はＧａＮのみからなる層であってもよく、他のＩＩＩ族元素、例えばＩｎやＡｌを含んでもよい。ただし、この場合Ｇａ以外に含まれる元素の割合としてはＩＩＩ族元素全量に対し、０．５より少ないことが好ましい。ＧａＮ井戸層５１１ａ、ｂの厚さは、限定されるわけではないが、例えば０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが好ましく、０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下であることがより好ましい。なお、本実施形態に係る半導体素子においては、一対のＧａＮ井戸層５１１ａ、ｂ及びＩｎＮ井戸層５１２の厚さの合計（一対のＡｌＧａＮ障壁層５２ａ、ｂの間の距離）を変えることでサブバンド間のエネルギーを制御することが可能であり、限定されるわけではないが、合計１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内にあることが好ましく、１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることがより好ましい。なお、サブバンド間遷移ではサブバンドの第１準位から第２準位へと電子が遷移することで吸収が起こるため、ｎ型半導体層とすることで第１準位に多数の電子を存在させサブバンド間吸収を可能とする。よってＳｉ等の不純物をｎ型半導体制御のためにドープする。【００３６】
ＩｎＮ井戸層５１２は、伝導帯バンドオフセット量の増大とＡｌＧａＮ障壁層５１１とは逆の圧縮歪を有することによる歪補償効果を得ることができる層である。ＩｎＮ井戸層５１２の組成はＩｎＮのみからなる層であってもよく、他のＩＩＩ族元素、例えばＧａを含んでもよい。ただし、この場合Ｉｎ以外に含まれる元素の割合としてはＩＩＩ族元素全量に対し、０．１より少ないことが好ましい。ＩｎＮ井戸層の厚さとしては、限定されるわけではないが２分子厚以下であることが好ましく、１分子厚以下であることがより好ましい。これは、通常ＩｎＮ結晶とＧａＮ結晶は約１１％の格子不整合度を有しているものの、ＩｎＮ井戸層５３の厚さを十分に薄くすることで格子緩和を起こさず成長させることが可能となると考えられるためである。ここで「分子厚」とは、Ｉｎ原子とＮ原子とで形成する分子の長さを意味する。限定されるわけではないが、例えばｃ軸方向に成長する結晶の場合は結晶格子におけるｃ軸の長さの半分を意味する。上述したようにＧａＮ上に成長したＩｎＮの格子緩和を起こさない最大厚さ（以下「臨界膜厚」という。）は１〜２分子厚であり、このような厚さ以下の膜厚制御が実現できれば格子緩和による欠陥発生を防ぎ、結晶品質の高い超格子層の実現が可能となる。逆に言えば、これ以上の厚さでＩｎＮ層成長を行うと結晶中にはミスフィット転位が発生し、結晶品質の大幅な悪化が懸念される。なお、ここにおいて、ＩｎＮ井戸層の厚さを分数分子厚とすることもできる。「分数分子厚」とはＩｎＮ層が面状均一に存在するのではなく、厚さ１分子厚程度のＩｎＮが島状に分散して形成されている状態を指す。このようなＩｎＮ分数分子厚／ＧａＮ井戸層／ＡｌＧａＮ障壁層においても、上述したサブバンド間遷移波長の短波長化や歪補償構造の形成が可能である。【００３７】
一対のＡｌＧａＮ障壁層５１１ａ、５１１ｂは、ＡｌＮ結晶とＧａＮ結晶との混晶層である。ＡｌＧａＮ障壁層の組成は具体的にはＡｌｘＧａ１−ｘＮと表すことができ、ｘは０より大きく１以下の値をとるが、好ましくは０．５以上１以下である。一対のＡｌＧａＮ障壁層５１１ａ、５１１ｂの厚さとしては、限定されるわけではないが、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることがより好ましい。【００３８】
スペーサー層５４は、超格子周期数増加に伴うクラック発生を防止する機能を有する層であって、限定されるわけではないが、例えばＧａＮで構成されることが好ましい。またこの厚さとしては、上記機能を奏する限り限定されるわけではないが、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましい。このようにすることで、歪の蓄積を防ぎ、超格子周期数増加に伴うクラック発生が起きにくくなり、吸収量の高いＩＳＢＴ構造の実現、１μｍ以下のＩＳＢＴ波長がより容易に実現可能となる。なおスペーサー層５６を介して積層される数は、限定されるわけではないが１０周期以上あることが好ましい。周期数が増加することにより総層厚増加による吸収量増加が期待されるが、層厚増加に伴いクラックの発生が懸念される点は考慮すべきである。【００３９】
キャップ層６は超格子層５内に電子を効率よく閉じ込め、結晶品質を保持させる機能を有する層であって、限定されることなく種々のものを採用することができるが、例えばＡｌＧａＮやＧａＮ、ＡｌＮなどを好適に用いることができる。【００４０】
ここで半導体光機能素子におけるエネルギーバンドの模式図を図３に示す。図３（ａ）は、ＩｎＮ層を含まないＧａＮ／ＡｌＮ超格子におけるＩＳＢＴ構造のバンド図であり、図３（ｂ）は本実施形態に係るＩｎＮ／ＧａＮ／ＡｌＮ超格子におけるＩＳＢＴ構造のバンド図である。なお図中におけるバンドの傾きは、Ｃ軸方向の成長を仮定した際のピエゾ効果や自発分極による内部電場の影響を考慮した結果である。【００４１】
図３（ａ）、（ｂ）から明らかなように、ＧａＮ／ＡｌＮ構造では１．８ｅＶ程度のバンドオフセット量であるのに対し、ＩｎＮ層を挿入したＩｎＮ／ＧａＮ／ＡｌＮ構造ではより大きな伝導帯バンドオフセット量（〜３．５ｅＶ）を得ることができる。ＩｎＮ井戸層は非常に薄膜ではあるが、サブバンド間準位エネルギーに大きく影響し、特に第１準位を大きく下側にシフトさせることができ、ＩＳＢＴ波長をより短波長化させることができると考えられる。特に、可視光域から近赤外域までＩＳＢＴ吸収を起こさせることまでも可能となる。【００４２】
また、ＩｎＮ井戸層を挿入することで伝導帯バンドオフセット量を十分大きくとれる（〜３．５ｅＶ）ため、本実施形態に係る半導体光機能素子によるとＩＳＢＴ超格子の層厚制御を容易にすることができる。例えば有機金属気相成長法で作製した窒化物系ＩＳＢＴ構造ではＭＢＥ法に比べ、厳密な膜厚制御が難しく、１．５５μｍ帯をカバーすることができず、最短波長は現在２μｍ程度である。よって、１．５５μｍ帯をカバーする窒化物系ＩＳＢＴ構造はすべてＭＢＥ法によって形成せざるを得ないが、本実施形態に係る構造によるとＧａＮ井戸層は〜３ｎｍで１．５５μｍ帯をカバーでき、ＩｎＮ層を挿入しない場合（２ｎｍ以下）に比べて層厚制御の厳密性が緩和され、有機金属気相成長法でも１．５５μｍ帯をカバーする窒化物系ＩＳＢＴ構造を実現できるという利点がある。【００４３】
またここでＧａＮ／ＡｌＮ超格子、ＩｎＮ／ＧａＮ／ＡｌＮ超格子それぞれのＩＳＢＴ波長のＧａＮ井戸層厚依存性を理論計算により求めた。この結果を図４に示す。なお図中、横軸はＧａＮ井戸層の厚さを、縦軸はサブバンド間遷移エネルギーをそれぞれ示している。また本計算においてはＩｎＮ井戸層の厚さは１分子厚とし、かつＧａＮ井戸層の中心にあると仮定して計算している。【００４４】
図４で示すとおり、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子、ＩｎＮ／ＧａＮ／ＡｌＮ超格子いずれにおいてもＧａＮ井戸層厚が減少するに伴いＩＳＢＴ波長は短波長となっていくが、同じＧａＮ井戸層厚の場合、ＩｎＮ／ＧａＮ／ＡｌＮ超格子の方がサブバンド間遷移エネルギーが大きく、より短波長となっている。特に、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子ではＧａＮ井戸層厚が１．５ｎｍである場合約１．２μｍ（１．０５ｅＶ）程度のＩＳＢＴ波長となるがＩｎＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子では６５０ｎｍ（１．９ｅＶ）程度のＩＳＢＴ波長を得ることができる。即ち、本実施形態に係る半導体光素子によると、可視光領域でのＩＳＢＴ波長まで短波長化ができることがわかる。これは本発明で提案する構造が、現在まで主に３μｍ以上の長波長側で研究が盛んであった量子カスケードレーザの動作波長を更に短波長化（１．５５μｍ帯や可視光域まで拡張）する上で非常に有望であることを示している。【００４５】
なお図４では本実施形態に係る積層構造すなわちＩｎＮ井戸層５１２がＧａＮ井戸層５１１ａ、ｂの間、より具体的にはその中心においた場合のＩＳＢＴ波長を計算したものであるが、ＧａＮ井戸層５１１ａ、ｂ中のＩｎＮ井戸層５１２の位置によってサブバンド内の電子の波動関数は変化し、ＩＳＢＴ波長、遷移確率の制御が可能である。つまり、ＩｎＮ井戸層５１２の位置はＧａＮ井戸層５１１ａ、ｂの中心以外でも配置することが可能であり、その位置によりさらなる遷移波長制御、波動関数制御が可能となる。例えば図５で示すように、ＩｎＮ井戸層５１２がＧａＮ井戸層に挟まれていない構造も可能ではある。また、ＩｎＮ井戸層も一対のＡｌＧａＮ層の間に複数配置された構成も可能である。【００４６】
図６はＩｎＮ／ＧａＮ／ＡｌＮ超格子におけるＩｎＮ井戸層５１２の位置による波動関数の変化の理論的予測を示す。図では伝導帯、価電子帯のポテンシャル中にできる波動関数（｜Ψ２｜）の計算結果を示す。ここでＧａＮ井戸層５１１の厚さは８分子厚とし、ＡｌＮ層厚は４ｎｍとした。ＩｎＮ井戸層の位置により伝導帯中のサブバンド内の波動関数および価電子帯中の波動関数が大きく変化することがわかる。ＩｎＮ井戸層の位置によりサブバンド間遷移波長が変化し、さらに電子―ホールの遷移確率も変化し、ＩｎＮ井戸層を挿入していない超格子に比べ、中心位置よりずらしてＩｎＮ井戸層を挿入した構造では遷移確率が大きく改善することがわかる。つまりこれは伝導帯と価電子帯間の遷移確率の飛躍的改善においてもＩｎＮ／ＧａＮ／ＡｌＮ超格子が効果的であることが予測される。【００４７】
以上、本実施形態に係る半導体素子は、ＩＳＢＴ波長をより短波長化でき、歪補償構造を形成することにより製造しやすいという効果を奏する。【００４８】
次に、本実施形態に係る半導体光機能素子の製造工程について説明する。本実施形態に係る半導体光機能素子の製造工程は、少なくとも、基板２上にバッファ層３を形成する工程、クラッド層４を形成する工程、超格子層５を形成する工程、キャップ層６を形成する工程、を有して構成されている。【００４９】
バッファ層３を形成する工程は、限定されるわけではないが例えば有機金属成長法、ＭＢＥ法又はパルスレーザー堆積法を用いることができる。なお、基板１としてＧａＮバルク、ＡｌＮバルク基板やＧａＮ、ＡｌＮ層を形成した基板を用いる場合、本工程は省略可能である。【００５０】
クラッド層４を形成する工程としては、限定されるわけではないが、有機金属気相成長法、ＭＢＥ法、パルスレーザー堆積法を用いることができる。ＭＢＥ法で形成する場合、基板温度は形成する層の材料によって異なるため適宜調整が可能であるが、例えばクラッド層４としてＧａＮを用いる場合、６００℃以上８００℃以下であることが好ましい。またＭＢＥ法で形成する場合、クラッド層形成の前に有機洗浄、熱処理を行っておくことも好ましい。この熱処理の温度も形成する層の材料によって異なるが、ＧａＮ層を形成する場合は８００℃以上１０００℃以下が好ましい範囲である。【００５１】
超格子層５を形成する工程は、更にＡｌＧａＮ障壁層５１１を形成する工程、ＧａＮ井戸層５１２を形成する工程、ＩｎＮ井戸層５１３を形成する工程、スペーサー層５２を形成する工程、を有している。【００５２】
ＡｌＧａＮ障壁層５２ａ、ｂを形成する工程としては、限定されるわけではないが、有機金属気相成長法、ＭＢＥ法、パルスレーザー堆積法を用いることができる。ＭＢＥ法で形成する場合、材料等により条件は適宜調整可能であり限定されるわけではないが、６００℃以上９００℃以下であることが好ましく、６００℃以上７００℃以下であることがより好ましい。【００５３】
ＧａＮ井戸層５１１ａ、ｂを形成する工程は、限定されるわけではないが有機金属気相成長法、ＭＢＥ法、パルスレーザー堆積法を用いることができる。ＭＢＥ法で形成する場合、材料等により条件は適宜調整可能であり限定されるわけではないが、６００℃以上９００℃以下であることが好ましく、６００℃以上７００℃以下であることがより好ましい。【００５４】
ＩｎＮ井戸層５１２を形成する工程は、限定されるわけではないが、ＭＢＥ法、パルスレーザー堆積法を用いることができる。ＭＢＥ法で形成する場合、材料等により条件は適宜調整可能であり限定されるわけではないが、６００℃以上７００℃以下であることが好ましい。本実施形態に係るＩｎＮ井戸層５１２の成長温度はＩｎ極性ＩｎＮ単膜の成長限界温度よりも１５０℃以上高い。ＩｎＮ層厚が２分子厚以下と非常に薄膜の場合、バルクＩｎＮと違ってより高温でも成長が可能である。なおＩｎＮ井戸層５１２を形成する工程は、原子・分子レベルの超薄膜制御において課題を残すが窒化物半導体素子の成長に一般的に使われている有機金属気相成長法でも可能である。【００５５】
スペーサー層５４を形成する工程は、限定されるわけではないが、有機金属気相成長法、ＭＢＥ法、パルスレーザー堆積法を用いることができる。ＭＢＥ法で形成する場合、基板温度は形成する層の材料によって異なるため適宜調整が可能であるが、例えばクラッド層４としてＧａＮを用いる場合、６００℃以上８００℃以下であることが好ましい。【００５６】
キャップ層６を形成する工程は、限定されるわけではないが、有機金属気相成長法、ＭＢＥ法、パルスレーザー堆積法を用いることができる。ＭＢＥ法で形成する場合、材料等により条件は適宜調整可能であり限定されるわけではないが、６００℃以上９００℃以下であることが好ましく、６００℃以上７００℃以下であることがより好ましい。【００５７】
以上の工程により、本実施形態に係る半導体素子を製造することができる。【００５８】
（実施形態２）
本実施形態は、超格子層５において実施形態１と異なるものの、それ以外は実施形態１と同様の構成である。図７に本実施形態に係る半導体光機能素子の超格子層５の断面概略図を示す。本実施形態では異なる超格子層５の構成について説明し、その他の構成については同様の構成であるため、説明を省略する。【００５９】
本実施形態に係る超格子層５は、ＧａＮ井戸層５１１ａ、ｂ及びＩｎＮ井戸層を有する井戸層５１と、この井戸層５１を挟む一対のＡｌＧａＮ障壁層５２ａ、ｂと、を有する量子井戸構造５３を一周期としている点において共通しているが、実施形態１とは異なりスペーサー層５２を介さず、隣り合う量子井戸構造におけるＡｌＧａＮ障壁層を共通のものとして形成されている。【００６０】
本実施形態によると、スペーサー層を用いないため成長時間の大幅な短縮という効果を奏することができる。なお、本実施形態における半導体光機能素子は、スペーサー層を形成する工程を省略することで製造することができる。【００６１】
以上により、本実施形態によっても新規な半導体光機能素子を提供することができる。【００６２】
（実施形態３）
本実施形態は、量子カスケードレーザ素子についての実施形態であり、超格子層５に電子を注入するための手段を設けた以外は実施形態１と同様の構成である。図８に本実施形態に係る量子カスケードレーザ素子の断面概略図を示す。なお、ここでは異なる構成についてのみ説明し、その他の構成については同様の構成であるため、説明を省略する。【００６３】
本実施形態に係る量子カスケードレーザ素子１１は、図８に示すとおり、基板２上にバッファ層３、コンタクト層７ａ、クラッド層４ａ、超格子層５、クラッド層４ｂ、コンタクト層７ｂを順次積層して構成されている。また、コンタクト層７ａ、７ｂのそれぞれは第一の電極８ａ、第二の電極８ｂにそれぞれ接続されている。【００６４】
コンタクト層７ａ及び７ｂは、第一および二の電極８ａ、ｂとの電気的な接続を確保することができる層であり、限定されるわけではないが、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ又はＡｌＧａＮにＳｉ等を不純物として注入した層を好適に用いることができる。【００６５】
第一、二の電極８ａおよびｂは、導電性を有する限りにおいて限定されるわけではないが、例えばアルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）等から構成される電極材料を用いることができる。【００６６】
本実施形態に係る量子カスケードレーザ素子は、以上の構成において、超格子周期を変化させ伝導帯内のサブバンド準位位置を制御し電子注入層と発光層を設けることにより、サブバンド準位間に反転分布を形成することでレーザ発光することができる。しかも、本実施形態に係る量子カスケードレーザ素子によると、発光に寄与した電子は再度発光に寄与することができるので高外部量子効率、高出力化に適しており、レーザ発振波長は超格子の周期を変化させるだけで容易に制御でき、長波長域（例えばテラヘルツ域）などへのレーザ発振波長の長波長化は材料的な制約はなく設計が可能である。【００６７】
以上により、本実施形態によっても新規な量子カスケードレーザ素子を提供することができる。
【実施例】
【００６８】
以上の実施形態に係る半導体素子の効果を確認すべく、実際にＩｎＮ／ＧａＮ／ＡｌＮ超格子構造を作成し、ＩＳＢＴ吸収を確認した。以下に説明する。【００６９】
（サンプル１の製造）
まず、ＧａＮ井戸層中のＩｎＮ井戸層の形成について構造をＭＢＥ法により作製し評価した。本サンプルではＩｎＮ層形成の確認のための実験であってＡｌＧａＮ障壁層形成は省略した。図９に６００℃で成長した１分子厚ＩｎＮ／ＧａＮ超格子構造の断面ＴＥＭ像を示す。本断面ＴＥＭ像によると、原子層レベルで急峻な界面粗さを持つ１分子厚ＩｎＮ層が実現できていること、１４ｎｍのＧａＮ層が実現できていることがわかった。またここでは新たな欠陥の発生などは見られず、非常に高品質な超格子構造が形成されていることが確認できた。このような超平坦・超薄膜ＩｎＮ層厚制御は厳密な膜厚・供給速度制御により実現されており、これらの技術を用いることで１分子厚ＩｎＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ超格子構造の作製ができる可能性を確認した。【００７０】
（サンプル２の製造）
次に成長温度を６００℃から６５０℃に昇温した構造のＧａＮ井戸層中のＩｎＮ井戸層の形成について評価した。なおこのサンプルではＩｎＮ層形成の確認のための実験としＡｌＧａＮ障壁層は形成しなかった。図１０に６５０℃で成長した１分子厚ＩｎＮ／ＧａＮ超格子構造の断面ＴＥＭ像を示す。本実施例のサンプルではＩｎＮ層が面状均一に存在するのではなく、厚さ１分子厚程度のＩｎＮが島状に分散したＩｎＮ層が形成されていることがわかる。つまり分数分子厚のＩｎＮの形成が確認された。６００℃で成長したサンプル１の場合と比べてＩｎＮ井戸層の形成が大きく異なるのは成長温度の差に起因すると考えられる。ＩＩＩ族極性ＩｎＮバルクの高温側臨界成長温度が５００℃であることを考慮すると、６５０℃の高温では成長とともにＩｎ原子やＩｎＮの熱的分解・熱的脱離も起こっていると考えられる。本断面ＴＥＭ像によると、図９の場合と同様、超格子領域での新たな欠陥の発生などは見られず、非常に高品質な超格子構造が形成されていることが確認できた。以上の結果から６５０℃という比較的高温成長条件下でも超薄膜のＩｎＮ井戸層の導入が可能であり、これらの技術を用いることでサンプル３のようにＩｎＮ／ＧａＮ／ＡｌＮ超格子の作製ができる可能性が確認できた。【００７１】
（サンプル３の製造）
本サンプルでは有機金属気相成長法によりＣ面サファイア上に成長したＧａ極性ＧａＮ膜を基板として用いた。このＧａＮ基板を有機洗浄した後、ＭＢＥ装置に導入し、８２０℃で熱処理後、６５０℃でＩｎＮ（１分子厚）／ＧａＮ（１ｎｍ）／ＡｌＮ（３ｎｍ）の超格子構造をＡｌＮ層を共通させつつ１００周期成長し、その上部にキャップ層としてＧａ極性ＧａＮ層を２０ｎｍ形成した。この超格子構造の模式図を図１１に示す。【００７２】
（サンプル３のＸ線回折測定結果）
ここで図１２に６５０℃で成長したサンプル３、ＩｎＮ（１分子厚）／ＧａＮ（１ｎｍ）／ＡｌＮ（３ｎｍ）超格子構造のＸ線回折測定結果を示す。なお、図１１に比較のためＩｎＮ（１分子厚）を挿入していない以外はサンプル３と同様の条件で形成したＧａＮ（１ｎｍ）／ＡｌＮ（３ｎｍ）超格子構造の結果も同時に示しておく。二つの構造を比べると、周期構造の形成を示すサテライトピークが明瞭に確認できる。またここではサテライトピークの半値幅が非常に狭いことから急峻な界面が形成されていることがわかる。ＩｎＮ（１分子厚）を導入していないサンプルに比べて、導入したサンプルにおいてはより強いサテライトピークが得られている。これは、ＩｎＮ井戸層（１分子厚）を導入したことによる歪補償効果により界面平坦性、結晶性が向上したことに起因していると考えられる。【００７３】
（吸収スペクトル測定結果）
図１３は、サンプル３の表面に対し６０度の角度をもって入射させたｐ偏光による吸収スペクトルを示す図である。なおここでも比較のためＩｎＮ（１分子厚）を挿入していないＧａＮ（１ｎｍ）／ＡｌＮ（３ｎｍ）超格子構造の吸収スペクトルも同時に示しておく。二つの構造から明瞭なＩＳＢＴ吸収を観測することができた。具体的には、ＧａＮ／ＡｌＮ超格子構造ではＩＳＢＴ吸収波長は１．４８μｍに観測されたが、ＩｎＮを挿入したＩｎＮ（１分子厚）／ＧａＮ（１ｎｍ）／ＡｌＮ（３ｎｍ）超格子では１．４９μｍ付近でＩＳＢＴ吸収を確認することができた。この結果はＩｎＮ（１分子厚）／ＧａＮ／ＡｌＮ超格子構造がＩＳＢＴ過程を利用した超高速光スイッチ、量子カスケードレーザなどへの応用が十分可能であることを示している。なおこの場合において、ＧａＮ（１ｎｍ）／ＡｌＮ（３ｎｍ）超格子に比べて短波長化されていないのは設計値に比べて実際の超格子の各層厚が厚いことや、１分子厚ＩｎＮ層制御（１分子厚ＩｎＮの位置など）に問題があるものと考えられる。ＩｎＮ層の供給速度などの成長条件を最適化し、１分子厚ＩｎＮ制御手法技術を向上させることにより短波長化が実現可能であると考えられる。【００７４】
以上の通り、本実施例により、上記実施形態に係る半導体光機能デバイスの効果を達成することができるのを確認することができ、１分子厚ＩｎＮ層を導入したＧａＮ／ＡｌＮ超格子ＩＳＢＴ構造を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
以上の通り、本発明は半導体光機能素子、超高速半導体光スイッチ、量子カスケードレーザとして産業上利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】実施形態１に係る半導体素子の断面概略図である。
【図２】実施形態１に係る半導体素子における超格子層の断面概略図である。
【図３】実施形態１に係る半導体素子のエネルギーバンド図である。
【図４】理論計算により求めた実施形態１に係る半導体光機能素子のサブバンド間遷移エネルギーの井戸層厚依存性を示す図である。
【図５】実施形態１に係る半導体素子における他の例の超格子構造の断面概略図である。
【図６】実施形態２に係る半導体素子における超格子層の断面概略図である。
【図７】実施形態３に係る量子カスケードレーザ素子における超格子層の断面概略図である。
【図８】実施例におけるサンプル１の超格子構造（６００℃）における断面ＴＥＭ像（図面代用）である。
【図９】実施例におけるサンプル２の半導体光機能素子における超格子構造（６５０℃）の断面ＴＥＭ像（図面代用）である。
【図１０】実施例におけるサンプル３の半導体光機能素子の断概略図である。
【図１１】サンプル３の半導体光機能素子における超格子構造のＸ線回折測定結果を示す図である。
【図１２】サンプル３に対する比較例のＸ線回折測定結果を示す図である。
【図１３】サンプル３の半導体素子の表面に対し６０度の角度をもって入射したｐ偏光による吸収スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
１…半導体素子、２…基板、３…バッファ層、４、４ａ、４ｂ…クラッド層、５…超格子層、６…キャップ層、７、７ａ、７ｂ…コンタクト層、８…電極、８ａ…第一の電極、８ｂ…第二の電極、５１…井戸層、５２、５２ａ、５２ｂ…ＡｌＧａＮ障壁層、５３…量子井戸構造、５４…スペーサー層、５１１、５１１ａ、５１１ｂ…ＧａＮ井戸層、５１２…ＩｎＮ井戸層
【図６】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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