(57)【要約】【課題】より発光量の優れる量子閉じ込め構造を備える半導体発光素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板上に半導体量子井戸構造を備える半導体発光素子であり、キャリア寿命が４ｎｓ以上６ｎｓ以下の発光効率を有し、かつスピン変換効率が０.２５以上で０.５以下である。半導体基板は、III−Ｖ族化合物半導体基板の(１１０)面方位基板であり、半導体量子井戸構造は、(１１０)面方位の、ＧａＡｓ量子閉じ込め井戸層及びＡｌxＧａ1-xＡｓ(ｘ＝０.１以上０.４以下)バリア層を少なくとも１組備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に半導体量子井戸構造を備え、キャリア寿命が４ｎｓ以上６ｎｓ以下の発光効率を有し、かつスピン変換効率が０.２５以上で０.５以下であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記半導体基板は、III−Ｖ族化合物半導体基板の(１１０)面方位基板であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記半導体量子井戸構造は、(１１０)面方位の、ＧａＡｓ量子閉じ込め井戸層及びＡｌxＧａ1-xＡｓ(ｘ＝０.１以上０.４以下)バリア層を少なくとも１組備えることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記半導体基板は、ＧａＡｓ(１１０)面方位基板であり、前記半導体量子井戸構造は、厚さ１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下のＧａＡｓ量子閉じ込め井戸層、及び厚さ６ｎｍ以上５００ｎｍ以下のＡｌxＧａ1-xＡｓ(ｘ＝０.１以上０.４以下)バリア層を少なくとも１組備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記半導体基板上に、前記半導体量子井戸構造を、成長温度を５００℃以上５３０℃以下、成長速度を[１μｍ以上２μｍ以下]／ｈで、分子線エピタキシー法により製造することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光効率の高い、半導体基板上に量子井戸構造を備える半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発光装置の代表例である発光ダイオード(ＬＥＤ)において、発光層の電子のスピン方向を揃えることで円偏光を出力する「スピンＬＥＤ」に関する研究開発が行われている。円偏光は、最近ではセンシング等の分野においてニーズが高まっており、スピンＬＥＤは、その円偏光光源として期待されている。
【０００３】
また、スピン保持機能を有する量子閉じ込め構造に関する研究開発が進められている。従来、半導体基板として(１００)面方位の基板が一般的に用いられていた。非特許文献１では、一般的に使用されているＧａＡｓ(１００)面方位基板上のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸の、室温におけるキャリア(電子)寿命、及び、電子のスピン方向の保持時間であるスピン緩和時間が報告されている。これらの時定数は発光の過渡応答特性から評価できる。スピン緩和時間の測定では、量子井戸からの左円偏光と右円偏光の発光量の差が、電子集団のスピン方向の揃い度合を反映することを、利用している。
【０００４】
また、非特許文献２では、面方位を(１１０)面としたＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸の、室温におけるキャリア寿命とスピン緩和時間が報告されている。これらの時定数の測定方法は非特許文献１と同様である。
【０００５】
先行技術文献を調査したところ、次のような文献があった。特許文献１では、面方位が(１００)の半導体材料基板上に量子閉じ込め構造を形成した場合、スピン寿命(緩和時間)が数から数１００ピコ秒と短いために、スピンを記憶し保持する機能を実現するのが困難になることが問題とされた。そこで、量子井戸中の電子のスピン方向の保持時間を長くして、スピンを記憶保持する量子閉じ込め構造を有する素子が提案された。特許文献１では、(１１０)面方位のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸の、室温におけるスピン緩和時間が示されている。なお、特許文献１では、量子井戸に左円偏光と右円偏光を照射し、その透過光量の差が電子集団のスピン方向の揃い度合を反映することを利用した偏光透過法により、スピン偏極を調べた結果が報告されている。しかし、当該文献においては室温における発光は示されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２６９４４２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】J. Appl. Phys. 118, 083901 (2015).
【非特許文献２】Appl. Phys. Lett. 97, 081111 (2010).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
スピンＬＥＤの発光層に対する性能パラメータとして以下の２つが挙げられる。一つは、発光層に注入された電子から光子への変換効率を表す発光効率である。もう一つは、電子集団のスピン方向の揃っている度合(スピン偏極度)を円偏光へ変換する効率を表すスピン変換効率である。スピン変換効率ηは、キャリア寿命τcおよびスピン方向の保持時間であるスピン緩和時間τsを用いて、次の式１で表される。
(式１)      η＝τs／(τs＋２τc)
【０００９】
上述のように、スピンＬＥＤの発光層に対して、発光効率とスピン変換効率の両者が同時に達成される必要がある。
【００１０】
ところで、発光効率の指標として、室温におけるキャリア寿命が使用される。一般にＧａＡｓ系量子井戸では、室温におけるキャリア寿命は結晶欠陥密度に依存している。従って、試料の結晶欠陥が少ない場合、欠陥に補足される電子が減少し、キャリア寿命が長くなる。また、欠陥に補足される電子が減少することから、電子から光子への変換に資する電子数が増えるため発光効率が向上する。
【００１１】
しかし、スピン緩和時間が一定である場合、前記式１により、スピン変換効率ηは、キャリア寿命が増加するにつれて減少していくという問題がある。実際、非特許文献１において、ＧａＡｓ(１００)面方位上のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸を用いた場合、測定されたスピン緩和時間が約０.１ｎｓで一定であるため、キャリア寿命が約５ｎｓの試料ではスピン変換効率が０.０１まで減少している。これは量子井戸内の電子集団のスピン方向が１００％揃っている場合であっても、発光の円偏光度は１％にしかならないことを意味している。
【００１２】
特許文献１では、ＧａＡｓの面方位を(１００)面から(１１０)面へと変えることで、室温におけるスピン緩和時間が約２ｎｓまで増加することが示されている。また、非特許文献２では、(１１０)面方位のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸において、スピン緩和時間が約１.９ｎｓであることが示されている。非特許文献２では、キャリア寿命は約３.２ｎｓであることから、スピン変換効率は０.２３であり、非特許文献１に比べて大幅に改善されている。しかし、実用的なスピンＬＥＤとしては、さらに高性能のものが望まれる。
【００１３】
本発明は、これらの問題を解決しようとするものであり、優れた発光特性を有する、量子井戸構造を備える半導体発光素子、及びその製造方法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】
本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有する。
（１）半導体基板上に半導体量子井戸構造を備え、キャリア寿命が４ｎｓ以上６ｎｓ以下の発光効率を有し、かつスピン変換効率が０.２５以上で０.５以下であることを特徴とする半導体発光素子。
（２）前記半導体基板は、III−Ｖ族化合物半導体基板の(１１０)面方位基板であることを特徴とする前記(１)記載の半導体発光素子。
（３）前記半導体量子井戸構造は、(１１０)面方位の、ＧａＡｓ量子閉じ込め井戸層及びＡｌxＧａ1-xＡｓ(ｘ＝０.１以上０.４以下)バリア層を少なくとも１組備えることを特徴とする前記(１)又は(２)記載の半導体発光素子。
（４）前記半導体基板は、ＧａＡｓ(１１０)面方位基板であり、前記半導体量子井戸構造は、厚さ１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下のＧａＡｓ量子閉じ込め井戸層、及び厚さ６ｎｍ以上５００ｎｍ以下のＡｌxＧａ1-xＡｓ(ｘ＝０.１以上０.４以下)バリア層を少なくとも１組備えることを特徴とする前記(１)乃至(３)のいずれか１項記載の半導体発光素子。
（５）前記半導体基板上に、前記半導体量子井戸構造を、成長温度を５００℃以上５３０℃以下、成長速度を[１μｍ以上２μｍ以下]／ｈで、分子線エピタキシー法により製造することを特徴とする前記(１)乃至(４)のいずれか１項記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、室温において優れた発光量を示す半導体発光素子を実現することができる。本発明によれば、キャリア寿命及びスピン緩和時間が優れ、その結果スピン変換効率が従来に比べて増加した半導体発光素子を実現できる。
【００１６】
本発明の量子井戸構造として、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸構造を用いることが好ましく、キャリア寿命が４ｎｓ以上６ｎｓ以下を実現できた。また、本発明では、井戸層の厚さの調整等により、スピン緩和時間が４ｎｓ以上６ｎｓ以下を実現でき、その結果、スピン変換係数は０.２５以上０.５以下を実現できる。
【００１７】
本発明の製造方法によれば、結晶欠陥を低減することができ、その結果、キャリア寿命を改善でき、発光量の増加を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態の、半導体発光素子の断面図である。
【図２】本実施形態の(１１０)面方位の半導体発光素子と、比較例の(１００)面方位の半導体発光素子の発光量を示す図である。
【図３】本実施形態の半導体発光素子における、パルス注入時の規格化発光量の時間波形を示す図である。
【図４】本実施形態の半導体発光素子における、パルス注入時の発光の規格化円偏光度の時間波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施形態について以下説明する。
【００２０】
本発明の実施形態の半導体発光素子は、半導体基板上に半導体量子井戸構造を備え、キャリア寿命が４ｎｓ以上６ｎｓ以下の発光効率を有し、かつスピン変換効率が０.２５以上で０.５以下である。より具体的には、半導体基板は、(１１０)面方位基板であり、ＧａＡｓやＩｎＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体基板が好ましい。半導体量子井戸構造は、(１１０)面方位の、ＧａＡｓ量子閉じ込め井戸層及びＡｌＧａＡｓバリア層を少なくとも１組備えることが好ましい。
【００２１】
(第１の実施形態)
本実施形態を図１を参照して以下説明する。図１は、本実施形態の、量子閉じ込め構造を有する半導体発光素素子を模式的に説明する断面図である。III−Ｖ族化合物半導体基板の(１１０)面方位基板１の上に、量子井戸構造(２、３、４)を備える。
【００２２】
III−Ｖ族化合物半導体基板１は、ＧａＡｓ(１１０)面方位基板であることが好ましい。基板１は半絶縁性としてもよいし、ｐ型もしくはｎ型ドーピングによる伝導性基板でもよい。
【００２３】
量子井戸構造は、半導体中のキャリアである電子および正孔に対する量子閉じ込め井戸層(井戸層とも呼ぶ)３と、量子閉じ込めバリア層(バリア層とも呼ぶ)２及び４とを備える。本図では、量子井戸構造が１組だけであるが、これを繰り返した多層の周期構造としてもよい。繰り返しの周期は、１以上１００以下程度が好ましい。
【００２４】
量子閉じ込め井戸層３の材料は、ＧａＡｓであることが好ましく、厚さは１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下が好ましい。厚さが１０ｎｍ未満であるとスピン緩和時間が２ｎｓ程度まで短くなるためスピン変換効率が減少する。また、厚さが１５ｎｍを超えると、量子閉じ込め効果が弱くなってしまうため発光効率が低下する。
【００２５】
量子閉じ込めバリア層２および４の材料は、ＡｌxＧａ1-xＡｓ(ｘ＝０.１以上０.４以下)が好ましく、厚さは６ｎｍ以上５００ｎｍ以下が好ましい。厚さが６ｎｍ未満であると量子閉じ込め効果が弱くなってしまうため発光効率が低下する。また、厚さが５００ｎｍを超えると、下地のＧａＡｓ層との格子歪が顕著になり結晶性が低下する。
【００２６】
また、本実施形態の半導体発光素子は、ＧａＡｓ(１１０)面方位基板に換えて、ＩｎＰ(１１０)面方位基板上に形成することもできる。また、本実施形態の半導体素子において、井戸層を、ＧａＡｓに換えて、ＩｎＧａＡｓとしてもよい。
【００２７】
本実施形態の量子閉じ込め構造を有する半導体発光素子の製造方法について説明する。量子井戸構造は、分子線エピタキシー法を用いて、半導体基板上に、成長温度を５００℃以上５３０℃以下とし、成長速度を[１μｍ以上２μｍ以下]／ｈとして作製する。なお、前記成長温度や前記成長速度は、量子井戸構造全体の成長を通しての温度及び速度である。
【００２８】
実施例として、半導体発光素子を作製し、特性を測定した。ＧａＡｓ(１１０)面方位基板上に、ＧａＡｓ量子閉じ込め井戸層の厚さ１０ｎｍ、バリア層Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓの厚さ２０ｎｍ、周期２０、成長温度５００℃、成長速度１.２μｍ／ｈで、半導体発光素子を作製した。
【００２９】
比較例として、実施例で作製した半導体発光素子と、各層の材料及び膜厚は同一とし、面方位のみ異なる(１００)量子閉じ込め素子を作製した。図２に、実施例の半導体発光素子と比較例の素子の、フォトルミネセンス測定における発光量を比較した結果を示す。なお、(１００)量子閉じ込め素子の製造において、成長温度は(１００)として最適な条件で実施した。本図に示されるように、応用上重要な室温において、(１１０)量子閉じ込め素子は、比較例の(１００)量子閉じ込め素子に対して、約３倍高い発光量を示した。
【００３０】
図３に、作製した実施例の半導体発光素子の、室温における規格化発光量の時間波形を示す。測定においては、時間幅２ｐｓのパルスレーザを試料に照射することで量子閉じ込め井戸層３に電子集団を生成し、再結合による発光量の時間変化を観測している。本図のグラフの傾きが、キャリア寿命を表しており、その値は４.４ｎｓである。
【００３１】
図４に、作製した前記半導体発光素子の、発光の規格化円偏光度の時間波形を示す。本図の測定では、円偏光のパルスレーザを試料に照射することで量子閉じ込め井戸層３にスピン方向が揃った電子集団を生成している。再結合過程においては各電子のスピン方向と発生する光子の偏光方向が１対１対応している。本図では、左右円偏光成分の発光量から円偏光度、即ち、電子のスピン偏極の時間波形を導出している。本図のグラフの傾きが、スピン緩和時間を表しており、その値は３.４ｎｓである。
【００３２】
従って、これらの観測された値から(式１)により求まるスピン変換効率は０.２８である。
【００３３】
本実施形態で作製された発光素子は、上述のように、優れたキャリア寿命、長いスピン緩和時間、及び高いスピン変換効率を示した。前述の非特許文献２で示されている量子井戸構造のものと対比して説明する。非特許文献２によると、発光層であるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸の作製では分子線エピタキシー法を使用している。その際の、結晶成長条件の主要なパラメータである成長温度は、４８０℃と低く、かつ、成長速度は０.５μｍ／ｈと遅い。一方、本実施形態では、成長温度を５００℃以上５３０℃以下とし、成長速度を[１μｍ以上２μｍ以下]／ｈとして製造し、その結果、結晶欠陥の少ないＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸を提供することが可能となったと考えられる。結晶欠陥が低減されることにより、本実施形態のように、キャリア寿命が４ｎｓ以上６ｎｓ以下の特性が得られると考えられる。また、量子効果を維持しつつスピン緩和時間を長くするために、井戸層であるＧａＡｓの厚みを非特許文献２に記載されている９ｎｍより広げて１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下とすることが好ましい。本実施形態では、優れたキャリア寿命、及び井戸層を適切に広げることによりスピン緩和時間が４ｎｓ以上６ｎｓ以下を実現でき、その結果スピン変換効率は０.２５以上０.５以下を実現できた。
【００３４】
量子井戸中に電子集団を生成する方法は２つある。１つは電極から電流を流しこむ方法であり、他の１つは光を照射する方法である。図１の構造では電流を注入せず、光を照射することによって量子井戸中に電子集団を生成した。それらが正孔と再結合することによって発光する。特に、スピン偏極した電子集団を生成するためには、電気的な方法では電極として磁性体、また、光学的な手法では円偏光を使用すればよい。本実施形態では、円偏光の光を照射することで量子閉じ込め井戸層内にスピン偏極状態を生成したが、量子井戸構造の上または下に磁性電極を設け、発光装置に電圧を印加することで磁性電極内のスピン偏極した電子集団を量子閉じ込め井戸層内に輸送・注入し、スピン偏極状態を生成してもよい。
【００３５】
上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の半導体発光素子は、従来のスピンＬＥＤに比べて、発光量を大きく改善できるので、照明、３Ｄイメージング、光学活性のセンシング等に広く適用でき、産業上有用である。
【符号の説明】
【００３７】
１          (１１０)面方位基板
２、４      量子閉じ込めバリア層
３          量子閉じ込め井戸層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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