(57)【要約】【課題】  電流注入による発光動作が可能な、ポラリトンを利用した半導体発光素子を提供する。【解決手段】  半導体基板と、基板上に設けられ、発光層１７及び注入層１８からなる単位積層体１６が多段に積層されたカスケード構造を有する活性層とを備えて半導体発光素子を構成する。また、単位積層体１６は、発光層１７内の第１上位準位Ｌ３、第２上位準位Ｌ４、及び下位準位Ｌ２と、注入層１８内の注入準位Ｌ１とを有し、準位Ｌ３、Ｌ４のエネルギー間隔がＬＯフォノンのエネルギーよりも小さく設定され、抽出障壁層の層厚が注入障壁層の層厚に対して７０％以上１５０％以下の範囲内で設定され、発光層１７内での発光遷移によって光が生成されるとともに、発光遷移を経た電子が、準位Ｌ２から準位Ｌ１を介して後段の発光層の準位Ｌ４へと注入されるように構成される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで前記量子井戸発光層と前記注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、
前記活性層に含まれる前記単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、前記量子井戸発光層内に形成される第１上位準位、前記第１上位準位よりも高いエネルギー準位である第２上位準位、及び下位準位と、前記注入層内に形成される注入準位とを有し、
前記量子井戸発光層は、前段の単位積層体側から順に第１〜第ｎ障壁層（ｎは２以上の整数）及び第１〜第ｎ井戸層を有し、その第１障壁層は、前段の注入層から前記量子井戸発光層への電子に対する注入障壁層として構成され、
前記注入層は、前記量子井戸発光層側から順に第１〜第ｍ障壁層（ｍは２以上の整数）及び第１〜第ｍ井戸層を有し、その第１障壁層は、前記量子井戸発光層から前記注入層への電子に対する抽出障壁層として構成され、
前記第１上位準位と前記第２上位準位とのエネルギー間隔は、縦光学フォノンのエネルギーよりも小さく設定されるとともに、前記抽出障壁層の層厚は、前記注入障壁層の層厚に対して７０％以上１５０％以下の範囲内で設定され、
前記量子井戸発光層内での前記第１上位準位、前記第２上位準位、及び前記下位準位によるサブバンド準位構造を利用した発光遷移によって光が生成され、前記発光遷移を経た電子は、前記下位準位から前記注入層内の前記注入準位を介して、後段の量子井戸発光層の前記第２上位準位へと注入されることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記量子井戸発光層内における前記発光遷移では、前記第２上位準位に注入された電子と、前記下位準位に存在する電子との間の電子−電子相互作用によって４−２ポラリトンが生成され、この４−２ポラリトンが、ＬＯフォノンによるポラリトン間遷移で前記第１上位準位が介在する３−２ポラリトンへと緩和することによって、光が生成され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】
前記抽出障壁層の層厚は、前記量子井戸発光層内の前記下位準位から前記注入層内の前記注入準位への電子のトンネル時間が、前記量子井戸発光層内での前記第１上位準位から前記下位準位への電子の緩和時間よりも長くなるように設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記注入層は、そのキャリア密度が５×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の範囲内となるようにドーピングされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記活性層の一方の面上に形成されたガイド層と、
前記ガイド層の前記活性層とは反対側の面上に形成され、前記ガイド層との界面に回折格子が形成されたクラッド層とを備え、
前記回折格子による分布帰還型の共振器構造を有するレーザ素子として構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子井戸構造におけるサブバンド準位構造を利用した発光遷移によって光を生成する半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体レーザにおいて、その低閾値化、あるいは低消費電力化の限界は、一般にレーザ発振に必要な反転分布を形成するためのキャリアの注入レートによって決まっている。この限界を突破する方法の１つとして、共振器中のポラリトン（Polariton）を利用して発光素子を構成する方法が考えられる。ポラリトンを利用した発光素子では、ボーズ−アインシュタイン凝縮（ＢＥＣ）によって、反転分布を形成することなく非常に少ない注入キャリアでコヒーレント光を生成することができる。
【０００３】
ここで、ポラリトンとは、物質内において電子系と光子系との強い結合によって形成される連成波を量子化したもの（準粒子）をいう。例えば、物質に光が入射して共鳴状態にあるとき、電子と光子とは結合してポラリトンとして物質中を伝搬する。また、このポラリトンは、物質内を伝搬して物質表面に到達すると、同じ周波数の光子に転換されて外部へと放出される。また、ポラリトンは、光子と同様にボーズ−アインシュタイン統計に従うボーズ粒子であり、したがって、ある状態を占有する粒子数は、非常に大きい数をとることが可能である（例えば、特許文献１、非特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２９０３０１７号公報
【特許文献２】米国特許第５４５７７０９号公報
【特許文献３】米国特許第５７４５５１６号公報
【特許文献４】米国特許第６７５１２４４号公報
【特許文献５】米国特許第６９２２４２７号公報
【特許文献６】特開平８−２７９６４７号公報
【特許文献７】特開２００８−１７７３６６号公報
【特許文献８】特開２００８−６０３９６号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】R. Huang et al., "Experimental Evidence of StimulatedScattering of Excitons into Microcavity Polaritons", Phys. Rev. B Vol.61(2000) pp.R7854-R7857
【非特許文献２】G. Christmann et al., "Room Temperature Polariton Lasing in aGaN/AlGaN Multiple Quantum Well Microcavity", Appl. Phys. Lett. Vol.93(2008) pp.051102-1-051102-3
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記したポラリトンを利用した発光素子に関し、近年、微小共振器中に生成される励起子ポラリトン（Exciton-Polariton）を利用して、反転分布を形成することなしに超低閾値でレーザ発振を起こさせることが、極低温での光励起の実験によって示されている。例えば、非特許文献１（R. Huang et al.,Phys. Rev. B Vol.61 (2000) R7854）では、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系微小共振器を４．８Ｋの極低温で光励起することによって、励起子ポラリトン由来の発光が観測されている。また、非特許文献２（G. Christmann et al., Appl. Phys. Lett. Vol.93 (2008) 051102）では、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ系微小共振器を光励起することによって、室温で励起子ポラリトン由来の発光が観測されている。
【０００７】
しかしながら、上記した従来のポラリトンを利用した発光素子は、いずれも微小共振器構造で光励起を利用したものであり、実用的なデバイスであるとは言えない。特に、実用的な発光素子としては、光励起ではなく、電流注入による発光動作が不可欠であると考えられる。しかしながら、微小共振器構造では、電流注入の実現は非常に難しい。
【０００８】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、電流注入による発光動作が可能な、ポラリトンを利用した半導体発光素子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】
【０００９】
本願発明者は、量子井戸構造でのサブバンド間遷移を利用した半導体発光素子として、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum Cascade Laser）の開発を行っている（量子カスケードレーザについては、例えば、特許文献２〜８参照）。量子カスケードレーザは、半導体量子井戸構造中に形成されるサブバンドによる準位構造を利用し、サブバンド間での電子遷移によって光を生成するモノポーラタイプのレーザ素子であり、量子井戸構造の発光層を注入層を介して多段にカスケード結合することによって、高効率、高出力動作を実現している。
【００１０】
本願発明者は、このような量子カスケードレーザの構造の検討において、その量子井戸構造、及びサブバンド準位構造を設計する際に、通常の量子カスケードレーザでは用いられない特殊な設計条件を適用することにより、ポラリトンを利用した、常温、電流注入での動作が可能な新型の半導体発光素子を実現することが可能であることを見出し、本発明に到達した。
【００１１】
すなわち、本発明による半導体発光素子は、（１）半導体基板と、（２）半導体基板上に設けられ、量子井戸発光層及び注入層からなる単位積層体が多段に積層されることで、量子井戸発光層と注入層とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、（３）活性層に含まれる単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、量子井戸発光層内に形成される第１上位準位、第１上位準位よりも高いエネルギー準位である第２上位準位、及び下位準位と、注入層内に形成される注入準位とを有し、（４）量子井戸発光層は、前段の単位積層体側から順に第１〜第ｎ障壁層（ｎは２以上の整数）及び第１〜第ｎ井戸層を有し、その第１障壁層は、前段の注入層から量子井戸発光層への電子に対する注入障壁層として構成され、（５）注入層は、量子井戸発光層側から順に第１〜第ｍ障壁層（ｍは２以上の整数）及び第１〜第ｍ井戸層を有し、その第１障壁層は、量子井戸発光層から注入層への電子に対する抽出障壁層として構成され、（６）第１上位準位と第２上位準位とのエネルギー間隔は、縦光学フォノンのエネルギーよりも小さく設定されるとともに、抽出障壁層の層厚は、注入障壁層の層厚に対して７０％以上１５０％以下の範囲内で設定され、（７）量子井戸発光層内での第１上位準位、第２上位準位、及び下位準位によるサブバンド準位構造を利用した発光遷移によって光が生成され、発光遷移を経た電子は、下位準位から注入層内の注入準位を介して、後段の量子井戸発光層の第２上位準位へと注入されることを特徴とする。
【００１２】
上記した半導体発光素子では、その活性層の基本構造として、それぞれ複数の量子障壁層、井戸層を含む発光層及び注入層から構成される単位積層体を多段に積層したカスケード構造を採用している。そして、単位積層体でのサブバンド準位構造において、発光層に第１上位準位（準位３）、第１上位準位よりも高エネルギーの第２上位準位（準位４）、及び下位準位（準位２）を設け、また、注入層に注入準位（準位１）を設ける。これにより、発光層内での第１、第２上位準位、及び下位準位を利用した発光遷移によって光を生成するとともに、注入層内の注入準位によって、発光層での発光遷移を経た電子を次周期の発光層へと注入することができる。
【００１３】
また、このような準位構造において、第１上位準位と第２上位準位とのエネルギー間隔を、縦光学（ＬＯ：Longitudinal Optical）フォノンのエネルギーよりも小さく設定している。これにより、第２上位準位に注入された電子が第１上位準位へとＬＯフォノン散乱によって高速で緩和することが禁止される。さらに、発光層から注入層への抽出障壁層について、その層厚を、注入障壁層の層厚に対して７０％以上１５０％以下の範囲内となるように設定する。このように、抽出障壁層の層厚を通常よりも厚くすることにより、発光層内の下位準位から注入層内の注入準位への電子のトンネル時間が長くなり、電子が下位準位に高密度で存在することとなる。
【００１４】
このとき、高速緩和が禁止された第２上位準位にある電子と、注入層へのトンネル時間が長く設定された下位準位にある電子との間の電子−電子相互作用によって、ポラリトン（４−２ポラリトン）が生成される。そして、このポラリトンの他のポラリトン状態への遷移等の現象が、サブバンド準位構造での発光遷移として作用することで、発光層において光が生成される。また、このときの発光エネルギーは、第１上位準位と下位準位とのエネルギー間隔に応じたエネルギーとなる。
【００１５】
以上の構成により、電流注入による発光動作が可能な、ポラリトンを利用した新型の半導体発光素子が実現される。このような発光素子は、例えばＬＥＤなどと同様の発光素子として利用することが可能である。あるいは、共振器構造を設けることで、半導体レーザ素子として構成しても良い。
【００１６】
ここで、量子井戸発光層内における発光遷移では、具体的には、第２上位準位に注入された電子と、下位準位に存在する電子との間の電子−電子相互作用によって４−２ポラリトンが生成され、この４−２ポラリトンが、ＬＯフォノンによるポラリトン間遷移で第１上位準位が介在する３−２ポラリトンへと緩和することによって、光が生成されることが好ましい。これにより、活性層内でのポラリトンの生成及び遷移による光の生成を、好適に実現することができる。
【００１７】
また、上記した半導体発光素子において、抽出障壁層の層厚は、量子井戸発光層内の下位準位から注入層内の注入準位への電子のトンネル時間が、量子井戸発光層内での第１上位準位から下位準位への電子の緩和時間よりも長くなるように設定されていることが好ましい。これにより、下位準位に存在する電子が充分に高密度となり、第２上位準位の電子と下位準位の電子との相互作用によるポラリトンの生成、及びそれに続く発光遷移の効率を向上することが可能となる。
【００１８】
また、発光層及び注入層からなる単位積層体において、注入層は、そのキャリア密度が５×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の範囲内となるようにドーピングされていることが好ましい。これにより、活性層の量子井戸構造に対して、キャリアとなる電子を充分に供給して、電子−電子相互作用によるポラリトンの生成、及びそれに続く発光遷移の効率をさらに向上することができる。
【００１９】
また、上記した半導体発光素子は、活性層の一方の面上に形成されたガイド層と、ガイド層の活性層とは反対側の面上に形成され、ガイド層との界面に回折格子が形成されたクラッド層とを備え、回折格子による分布帰還型の共振器構造を有するレーザ素子として構成されていることとしても良い。上記構成の発光素子をレーザ素子として構成する場合、その共振器構造としては、このような分布帰還（ＤＦＢ）型の構造を好適に用いることができる。あるいは、発光素子の共振器構造としては、例えばファブリペロー（ＦＰ）型の共振器構造など、他の構造を用いても良い。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の半導体発光素子によれば、発光層及び注入層から構成される単位積層体を多段に積層したカスケード構造を用い、単位積層体でのサブバンド準位構造において、発光層に第１上位準位、第２上位準位、及び下位準位を設け、注入層に注入準位を設け、発光層内での第１、第２上位準位、及び下位準位を利用した発光遷移によって光を生成し、注入層内の注入準位によって、発光遷移を経た電子を次周期の発光層へと注入するとともに、第１上位準位と第２上位準位とのエネルギー間隔を、ＬＯフォノンのエネルギーよりも小さく設定し、かつ、発光層から注入層への抽出障壁層の層厚を、注入障壁層の層厚に対して７０％以上１５０％以下の範囲内となるように設定することにより、電流注入による発光動作が可能な、ポラリトンを利用した新型の発光素子が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】半導体発光素子の基本構成を概略的に示す図である。
【図２】図１に示した半導体発光素子の活性層におけるサブバンド準位構造について示す図である。
【図３】従来の半導体発光素子の活性層におけるサブバンド準位構造について示す図である。
【図４】発光層から注入層への電子のトンネル時間の抽出障壁層厚依存性を示すグラフである。
【図５】半導体発光素子の活性層におけるポラリトンを利用した発光遷移について示す模式図である。
【図６】ポラリトンの分散曲線を示すグラフである。
【図７】光子に対するHopfield係数αの波数依存性を示すグラフである。
【図８】電子励起に対するHopfield係数βの波数依存性を示すグラフである。
【図９】半導体発光素子の構成の一例を示す図である。
【図１０】活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。
【図１１】活性層における１周期分の単位積層体の構造の一例を示す図表である。
【図１２】半導体発光素子で得られる発光スペクトルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面とともに本発明による半導体発光素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２３】
図１は、本発明による半導体発光素子の基本構成を概略的に示す図である。本実施形態による半導体発光素子１Ａは、半導体量子井戸構造におけるサブバンド準位構造を利用した発光遷移によって光を生成するモノポーラタイプの発光素子である。特に、この発光素子１Ａは、ポラリトンを利用した新型の半導体発光素子として構成されたものであり、その発光構造は、ポラリトンの高効率での生成構造と、ポラリトンの凝集を生じさせるための基底状態を作り出す構造によって特徴付けられる。
【００２４】
図１に示す半導体発光素子１Ａは、半導体基板１０と、半導体基板１０上に形成された活性層１５とを備えて構成されている。活性層１５は、光の生成に用いられる量子井戸発光層と、発光層への電子の注入に用いられる電子注入層とが、交互かつ多段に積層されたカスケード構造を有する。
【００２５】
具体的には、量子井戸発光層及び注入層からなる半導体積層構造を１周期分の単位積層体１６とし、この単位積層体１６が多段に積層されることで、カスケード構造を有する活性層１５が構成されている。量子井戸発光層及び注入層を含む単位積層体１６の積層数は適宜設定されるが、例えば数１００程度である。また、活性層１５は、半導体基板１０上に直接に、あるいは他の半導体層を介して形成される。
【００２６】
図２は、図１に示した半導体発光素子の活性層におけるサブバンド準位構造について示す図である。図２に示すように、活性層１５に含まれる複数の単位積層体１６のそれぞれは、量子井戸発光層１７と、電子注入層１８とによって構成されている。これらの発光層１７及び注入層１８は、それぞれ量子井戸層及び量子障壁層を含む所定の量子井戸構造を有して形成される。これにより、単位積層体１６中においては、量子井戸構造によるエネルギー準位構造であるサブバンド準位構造が形成される。
【００２７】
具体的には、発光層１７は、前段の単位積層体の注入層１８ａ側から順に第１〜第ｎ障壁層（ｎは２以上の整数）及び第１〜第ｎ井戸層を有し、最も注入層１８ａ側の層を第１障壁層として、障壁層と井戸層とが交互に積層されて構成されている。また、量子井戸発光層１７における第１障壁層は、前段の注入層１８ａから発光層１７へと注入される電子に対する注入障壁層として構成されている。
【００２８】
また、注入層１８は、同じ段の発光層１７側から順に第１〜第ｍ障壁層（ｍは２以上の整数）及び第１〜第ｍ井戸層を有し、最も発光層１７側の層を第１障壁層として、障壁層と井戸層とが交互に積層されて構成されている。また、電子注入層１８における第１障壁層は、発光層１７から注入層１８へと抽出される電子に対する抽出障壁層として構成されている。
【００２９】
本実施形態による発光素子１Ａにおいて活性層１５を構成している単位積層体１６は、図２に示すように、そのサブバンド準位構造において、発光層１７内に形成されて発光に関わる準位として、第１上位準位Ｌ３と、第１上位準位よりも高いエネルギー準位である第２上位準位Ｌ４と、第１上位準位よりも低いエネルギー準位である下位準位Ｌ２とを有している。また、注入層１８内に形成される準位として、注入準位Ｌ１を有している。
【００３０】
注入層１８内の注入準位Ｌ１は、下位準位Ｌ２から抽出障壁層を介してトンネル抽出された電子を輸送して、後段の発光層１７ｂの第２上位準位Ｌ４へと注入するための準位である。このため、注入準位Ｌ１は、発光層１７内の下位準位Ｌ２とほとんど一致するエネルギーに設定される。また、この注入準位Ｌ１については、単一の準位であっても良く、あるいは、複数の準位を注入準位として用いる構成としても良い。
【００３１】
注入準位Ｌ１からの電子ｅ−は、注入障壁層での共鳴トンネル効果により、発光層１７の第２上位準位Ｌ４へとトンネル注入される。発光層１７では、第２上位準位Ｌ４、第１上位準位Ｌ３、及び下位準位Ｌ２によるサブバンド準位構造を利用した発光遷移によって光が生成される。また、発光遷移を経た電子は、下位準位Ｌ２から注入層１８内の注入準位Ｌ１を介して、後段の発光層１７ｂの第２上位準位Ｌ４へと注入される。特に、本実施形態による発光素子１Ａは、この発光層１７内での発光遷移が、活性層１５内でのポラリトンの生成及び遷移によって実現されるように構成されている。
【００３２】
具体的には、図２に示した準位構造において、第１上位準位Ｌ３と第２上位準位Ｌ４とのエネルギー間隔ΔＥ４３は、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯよりも小さくなるように設定（ΔＥ４３＜ＥＬＯ）されている。これにより、準位Ｌ４から準位Ｌ３へのＬＯフォノン散乱による電子の超高速緩和が禁止されることとなり、準位Ｌ４に注入された電子が、発光遷移のためのポラリトンの生成に寄与せずに準位Ｌ３に緩和してしまうことを抑制することができる。ここで、例えば量子井戸構造をＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによって構成した場合、ＬＯフォノンのエネルギーはＥＬＯ＝３４ｍｅＶである。
【００３３】
また、本実施形態の発光素子１Ａでは、詳しくは後述するように、第２上位準位Ｌ４に注入された電子と、下位準位Ｌ２に存在する電子との間の電子−電子相互作用によってポラリトンを生成するとともに、このポラリトンの状態遷移を利用して反転分布を形成すること無く光の生成を実現する。このため、そのような電子−電子相互作用が容易に起こるように、発光層１７内の下位準位Ｌ２に電子を高密度で存在させる必要がある。
【００３４】
これに対して、本発光素子１Ａでは、発光層１７の出口側にある抽出障壁層を厚く形成する。具体的には、抽出障壁層の層厚Ｄ２を、注入障壁層の層厚Ｄ１に対して７０％以上１５０％以下の範囲内で設定（Ｄ１×０．７≦Ｄ２≦Ｄ１×１．５）する。これにより、抽出障壁層を介しての発光層１７から注入層１８への電子のトンネル時間τｔｕｎが長くなり、したがって、下位準位Ｌ２に電子が高密度で存在する条件を実現することができる。このとき、上記の電子−電子相互作用によってポラリトン（準位Ｌ４、Ｌ２による４−２ポラリトン）が生成される。さらに、そのポラリトンの状態の遷移が発光遷移として機能することによって、光が生成される。
【００３５】
このような電子の注入、電子−電子相互作用によるポラリトンの生成、及び発光遷移を活性層１５の複数の単位積層体１６で繰り返すことにより、活性層１５においてカスケード的な光の生成が起こる。すなわち、発光層１７及び注入層１８を多数交互に積層することにより、電子は積層体１６をカスケード的に次々に移動するとともに、各積層体１６での発光遷移の際に光ｈνが生成される。また、発光素子１Ａが共振器構造を有するレーザ素子として構成されている場合には、上記のように生成された光が光共振器において共振されることにより、所定波長のレーザ光が生成される。
【００３６】
本実施形態による半導体発光素子１Ａの効果について説明する。
【００３７】
図１及び図２に示した半導体発光素子１Ａでは、活性層１５の基本構造として、それぞれ複数の量子障壁層、井戸層を含む発光層１７及び注入層１８から構成される単位積層体１６を多段に積層したカスケード構造を採用している。このようなカスケード構造は、従来、量子カスケードレーザにおいて用いられているものである。
【００３８】
本発光素子１Ａでは、このような活性層１５の単位積層体１６でのサブバンド準位構造において、図２に示すように、発光層１７に第１上位準位Ｌ３、第１上位準位よりも高エネルギーの第２上位準位Ｌ４、及び下位準位Ｌ２を設け、さらに、注入層１８に注入準位Ｌ１を設ける。これにより、発光層１７内での第１、第２上位準位Ｌ３、Ｌ４、及び下位準位Ｌ２を利用した発光遷移によって光を生成するとともに、注入層１８内の注入準位Ｌ１を介して、発光層１７での発光遷移を経た電子を次周期の発光層１７ｂへと注入する構成を実現することができる。
【００３９】
また、このような準位構造において、第１上位準位Ｌ３と第２上位準位Ｌ４とのエネルギー間隔ΔＥ４３を、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯよりも小さく設定している。これにより、前段の注入準位Ｌ１から第２上位準位Ｌ４に注入された電子ｅ−が、ポラリトン生成、及びそれに続く発光遷移に寄与することなく、第１上位準位Ｌ３へとＬＯフォノン散乱によって高速で緩和することが禁止される。
【００４０】
さらに、発光層１７から注入層１８への抽出障壁層について、その層厚Ｄ２を、注入障壁層の層厚Ｄ１に対して７０％以上１５０％以下の範囲内となるように設定している。このように、抽出障壁層の層厚を、例えば通常の量子カスケードレーザの構成等と比べて厚くすることにより、発光層内の下位準位Ｌ２から注入層内の注入準位Ｌ１への電子のトンネル時間τｔｕｎが長くなり、電子が下位準位Ｌ２に高密度で存在することとなる。
【００４１】
このとき、高速緩和が禁止された第２上位準位Ｌ４にある電子と、注入層へのトンネル時間が長く設定された下位準位Ｌ２にある電子との間の電子−電子相互作用によって、ポラリトンが生成される。そして、このポラリトンの他のポラリトン状態への遷移等の現象が、発光層１７内のサブバンド準位構造における発光遷移として作用することで、上位準位と下位準位との間で反転分布を形成すること無く、ポラリトンを利用した発光現象によって、発光層１７において光が生成される。以上の構成及び作用により、電流注入による発光動作が可能な、ポラリトンを利用した半導体発光素子１Ａが実現される。
【００４２】
ここで、図３は、従来の半導体発光素子である量子カスケードレーザの活性層におけるサブバンド準位構造について示す図である。図３に示す構造では、単位積層体１６のサブバンド準位構造において、発光に関わる上位準位Ｌ８及び下位準位Ｌ７と、電子の緩和に用いられる緩和準位Ｌ６とが設けられている。このような準位構造では、上位準位Ｌ８から下位準位Ｌ７へのサブバンド間遷移によって光が生成される。
【００４３】
また、発光層１７から注入層１８への抽出障壁層は、その層厚が注入障壁層の層厚に比べて充分に薄く設定されている。このとき、サブバンド間の発光遷移を経た電子は、下位準位Ｌ７からＬＯフォノン散乱などの緩和過程によって緩和準位Ｌ６へと緩和し、注入層１８を介して次周期の発光層１７ｂへと注入される。このような構成では、上位準位Ｌ８と下位準位Ｌ７との間で反転分布が形成される一方、ポラリトンは生成されない。
【００４４】
これに対して、図２に示したサブバンド準位構造では、発光層１７において第２上位準位Ｌ４、第１上位準位Ｌ３、及び下位準位Ｌ２を設け、注入層１８において注入準位Ｌ１を設けるとともに、準位Ｌ４、Ｌ３間のエネルギー間隔ΔＥ４３を小さくし、かつ、注入障壁層の層厚Ｄ１に対して、抽出障壁層の層厚Ｄ２を通常よりも厚く設定している。これにより、上述したように、ポラリトンを利用した発光動作が可能となる。このような発光素子では、反転分布の形成を必要としないために、低閾値、低消費電力で動作するレーザ素子を実現することが可能である。このようなレーザ素子は、ポータブルな計測機器への実装によるフィールド計測への応用などの素子の応用面においても有効である。
【００４５】
なお、上記のようなサブバンド準位構造は、活性層１５を構成する単位積層体１６での量子井戸構造の設計によって制御することが可能である。また、ポラリトンを利用した発光遷移において、その発光エネルギーｈνは、第１上位準位Ｌ３と下位準位Ｌ２とのエネルギー間隔に応じたエネルギーとなる。通常は、発光エネルギーは、第１上位準位Ｌ３と下位準位Ｌ２とのエネルギー間隔よりもわずかに小さいエネルギーとなる。したがって、ポラリトンを利用した発光素子１Ａにおいても、準位Ｌ３、Ｌ２のエネルギー間隔を調整することによって、発光エネルギー（発光波長）を制御することが可能である。
【００４６】
上記構成の発光素子１Ａにおいて、量子井戸発光層１７内における発光遷移では、具体的には、第２上位準位Ｌ４に注入された電子と、下位準位Ｌ２に存在する電子との間の電子−電子相互作用によって４−２ポラリトン（準位Ｌ４、Ｌ２によるポラリトン、暗いポラリトン）が生成され、この４−２ポラリトンが、ＬＯフォノンによるポラリトン間遷移で第１上位準位Ｌ３が介在する３−２ポラリトン（準位Ｌ３、Ｌ２によるポラリトン、明るいポラリトン）へと緩和することによって、光が生成されることが好ましい。
【００４７】
このようなポラリトン間遷移を利用した発光過程によれば、活性層１５内でのポラリトンの生成及び遷移による光の生成を、好適に実現することができる。また、このようにして生成された明るい３−２ポラリトンは、発光素子１Ａの半導体積層構造内を伝搬して素子表面に到達することにより、同じ周波数の光子に転換されて外部へと放出される。
【００４８】
また、単位積層体１６の積層構造において抽出障壁層を厚くする構成については、より具体的には、抽出障壁層の層厚Ｄ２は、発光層１７内の下位準位Ｌ２から注入層１８内の注入準位Ｌ１への電子のトンネル時間τｔｕｎが、発光層１７内での第１上位準位Ｌ３から下位準位Ｌ２への電子の緩和時間τ３２よりも長くなるように設定（τ３２＜τｔｕｎ）されていることが好ましい。これにより、下位準位に存在する電子が充分に高密度となり、第２上位準位Ｌ４の電子と下位準位Ｌ２の電子との相互作用によるポラリトンの生成、及びそれに続く発光遷移の効率を向上することが可能となる。
【００４９】
図４は、発光層１７から注入層１８への電子のトンネル時間の抽出障壁層厚依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は抽出障壁層の層厚Ｄ２（ｎｍ）を示し、縦軸は抽出障壁層を介した電子のトンネル時間τｔｕｎ（ｐｓ）を示している。なお、この計算例では、活性層の積層構造については、後述する図１０、図１１に示す構成を仮定している。この構成例では、注入障壁層の層厚はＤ１＝４．５ｎｍである。
【００５０】
図４のグラフに示すように、抽出障壁層を厚くすることにより、トンネル時間τｔｕｎは長くなる。例えば、抽出障壁層厚がＤ２＝３．６ｎｍ（Ｄ２／Ｄ１＝８０％）の場合、トンネル時間は約２．６ｐｓである。また、抽出障壁層厚Ｄ２を厚くしていくと、トンネル時間τｔｕｎは急激に増大し、層厚がＤ２＝４．５ｎｍでトンネル時間は約１４ｐｓ、Ｄ２＝６．０ｎｍで約２００ｐｓである。
【００５１】
ここで、通常の量子カスケードレーザにおいては、多くの場合、注入障壁層の層厚Ｄ１に対して、抽出障壁層の層厚Ｄ２は３０〜５０％程度（τｔｕｎ＜１ｐｓ）である。これに対して、発光遷移においてポラリトンを利用する上記の発光素子１Ａでは、抽出障壁層の層厚Ｄ２が注入障壁層の層厚Ｄ１に対して７０％以上あれば、トンネル時間が上記した条件τ３２＜τｔｕｎを満たすか、もしくはそれに近い動作条件が得られる。一方、抽出障壁層の層厚Ｄ２の上限については、発光動作に必要な電流が流れる範囲であることが必要となる。図４に示したデータ等を考慮すると、この抽出障壁層の層厚Ｄ２については、注入障壁層の層厚Ｄ１に対して１５０％以下であることが好ましく、１００％以下であることが特に好ましい。
【００５２】
また、発光層１７及び注入層１８からなる単位積層体１６において、注入層１８は、そのキャリア密度が５×１０１７ｃｍ−３以上１×１０１９ｃｍ−３以下の範囲内となるようにｎ型不純物によってドーピングされていることが好ましい。このように、注入層１８でのキャリア密度を高く設定することにより、活性層１５の半導体量子井戸構造に対して、キャリアとなる電子を充分に供給して、電子−電子相互作用によるポラリトンの生成、及びそれに続く発光遷移の効率をさらに向上することができる。このような構成の一例としては、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓに対して、ｎ型不純物であるＳｉをキャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３でドープする構成がある。
【００５３】
上記構成によるポラリトンを利用した発光素子１Ａは、例えばＬＥＤなどと同様の発光素子として利用することが可能である。上記した発光素子１ＡをＬＥＤモードで用いる場合、ポラリトンを凝集させる必要はなく、ポラリトンの緩和時間と同程度、あるいはそれ以下の光子寿命となるような共振器（例えば共振器長が数１００μｍ以下の短共振器）を用いれば良い。
【００５４】
あるいは、上記の発光素子１Ａは、光共振器構造を設けることで、コヒーレント光を出力する半導体レーザ素子（ポラリトンレーザ）として構成しても良い。このようにコヒーレント光を取り出す場合には、コヒーレントなポラリトンが凝集する基底状態を用意する必要がある。従来のバンド間遷移を用いた励起子ポラリトンの場合は、光のＴＥモードに応答するため、上述した面発光型の微小共振器構造によって基底状態を用意することができる。一方、サブバンド間遷移を用いた構成では、光のＴＭモードに応答するため、従来のような微小共振器構造を用いることはできない。
【００５５】
このようなサブバンド間遷移を用いた発光素子での共振器構造については、発光素子１Ａは、活性層の一方の面上に形成されたガイド層と、ガイド層の活性層とは反対側の面上に形成され、ガイド層との界面に回折格子が形成されたクラッド層とを備え、回折格子による分布帰還（ＤＦＢ）型の共振器構造を有するレーザ素子として構成することが可能である。上記構成の発光素子１Ａをレーザ素子として構成する場合、その共振器構造としては、このような分布帰還（ＤＦＢ）型の構造を好適に用いることができる。
【００５６】
上記のようにＤＦＢ構造を用いる場合、効率的にポラリトンを凝集させるには、大きなストップバンド幅が必要となる。このため、通常のＤＦＢレーザに比べてはるかに大きい結合係数κ（例えばκ＞１００ｃｍ−１）を持ったＤＦＢ構造を設けることが好ましい。このようにＤＦＢ構造の結合係数κを大きくするためには、屈折率差を大きくとるために凹凸が深い回折格子を形成するか、もしくは、回折格子の形成領域を活性層に近接させる構成を用いることが可能である。
【００５７】
このように大きい結合係数κが要求されることは、微小共振器構造において高いＱ値が必要とされることと同等であると考えることができる。なお、上記構成の発光素子に適用される共振器構造としては、このようなＤＦＢ型の共振器構造に限らず、例えばファブリペロー（ＦＰ）型の共振器構造やリング型共振器構造など、他の構造を用いても良い。
【００５８】
上記構成による発光素子１Ａにおけるポラリトンを利用した発光遷移について、図５〜図８を参照して具体的に説明する。
【００５９】
図５は、半導体発光素子の活性層におけるポラリトンを利用した発光遷移について示す模式図である。ここで、図５のグラフ（ａ）は、横軸は波数ｋを、縦軸はエネルギーＥを示し、発光層１７においてポラリトンの生成に関与する第２上位準位Ｌ４、及び下位準位Ｌ２を示している。また、図５のグラフ（ｂ）は、同じく横軸は波数ｋを、縦軸はエネルギーＥを示し、ポラリトンの分散曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３、及び発光遷移として機能するポラリトン間遷移を模式的に示している。
【００６０】
図１及び図２に示した発光素子１Ａでは、上述したように、第２上位準位Ｌ４に注入された電子と、下位準位Ｌ２に存在する電子との間の電子−電子相互作用を通じた集団的高速散乱（集団的励起）によって、準位Ｌ４、Ｌ２による４−２ポラリトンを生成する。この電子−電子散乱による４−２ポラリトンの生成過程は、準位Ｌ４を初期状態、準位Ｌ２を終状態と考えると、図５（ａ）に示すように、準位Ｌ４、Ｌ２間の発光遷移によって放出される光子ｈνを吸収し、そのエネルギーをもらってポラリトン状態が生成されるものと解釈することができる。
【００６１】
ただし、このような過程では、実際に光子が放出されるレートは小さく、サブバンド内で高速で起こる電子−電子散乱が支配的である。このため、この過程で生成される４−２ポラリトンは、図５（ｂ）に示すように、電子励起成分が優勢な暗いポラリトン（dark polariton）である。また、この４−２ポラリトンについては、ＬＯフォノンを介したポラリトン間の遷移が量子力学的に許容される。すなわち、暗い４−２ポラリトンから、ＬＯフォノンを放出して、準位Ｌ３、Ｌ２による３−２ポラリトンへと遷移、緩和することが可能である。この遷移過程では、光子を抱え込むことで、光子成分が優勢で発光に寄与する明るいポラリトン（bright polariton）が生成される。
【００６２】
ここで、図５（ｂ）において、破線で示すグラフＧ０は、光子のエネルギーの波数依存性を示している。また、グラフＧ３は、第１上位準位Ｌ３に対応する電子のエネルギーの波数依存性を示している。また、グラフＧ４は、第２上位準位Ｌ４に対応する電子のエネルギーの波数依存性を示している。電子系と光子系との結合によって形成されるポラリトンは、Ａ１〜Ａ３で示す分散曲線上の状態を取り得るが、光子系のグラフＧ０から離れると、光子成分が減少して電子励起成分が増大する。また、電子系のグラフＧ３、Ｇ４から離れると、電子励起成分が減少して光子成分が増大する。
【００６３】
電子−電子散乱によって生成される４−２ポラリトンは、図中に黒丸によって模式的に示すように、光子系のグラフＧ０から離れて電子励起成分が優勢な領域において、暗いポラリトンとして生成される。そして、この暗い４−２ポラリトンは、ＬＯフォノンを放出して、３−２ポラリトンへと遷移する。
【００６４】
この３−２ポラリトンへのポラリトン間遷移では、図中に白丸によって示すように、４−２ポラリトンからＬＯフォノンのエネルギーだけ離れた領域であって、グラフＧ０に接近した光子成分が優勢な領域に遷移することが可能であり、これによって光を生成することができる。このようなポラリトンの遷移構造は、図２に示したようなサブバンド準位構造の設計によって制御することが可能である。また、このポラリトン間遷移の際にポラリトンが相互作用して抱え込む光子のエネルギー、すなわちポラリトン間遷移によって生成される光のエネルギーは、準位Ｌ３、Ｌ２間のエネルギー間隔ΔＥ３２よりも少し小さいエネルギーとなる。
【００６５】
図５に示したポラリトンの分散曲線、及び各曲線上でのポラリトンの状態について、具体的な計算例とともにさらに説明する。ここで、以下の説明において、添え字２、３、４は、それぞれ図２に示した準位構造における下位準位Ｌ２、第１上位準位Ｌ３、第２上位準位Ｌ４に対応している。
【００６６】
図２に示したサブバンド準位構造において、ハミルトニアンＨ＝Ｈ０＋Ｈｉｎｔは、下記式によって表される。
【数１】
2011035138.tif 000003
ここで、上記式において、
【数２】
2011035138.tif 000004
である。また、Ｈｉｎｔは、ハミルトニアンの相互作用項を示している。
【００６７】
また、ポラリトンの状態ベクトルＳは、
【数３】
2011035138.tif 000005
によって表される。この状態ベクトルＳでは、下位準位Ｌ２に電子が存在する状態が基底状態とされている。また、上記式において、αは光子に対するHopfield係数を示し、βは電子励起に対するHopfield係数を示している。
【００６８】
上記の状態ベクトルＳに対して、ハミルトニアンＨを作用させると、
【数４】
2011035138.tif 000006
となる。ここで、状態｜Ｓ＞はＨの固有状態であり、εはポラリトンの固有エネルギーである。また、これらを整理すると、下記の固有値方程式
【数５】
2011035138.tif 000007
が得られる。
【００６９】
この固有値方程式は、次のように表される。
【数６】
2011035138.tif 000008
この方程式は、εの３次方程式となっているため、ある光子のエネルギーに対して３つの解が存在する。
【００７０】
ここで、光速をＣ０、屈折率をｎ、波数をｋとすると、光子のエネルギーは
【数７】
2011035138.tif 000009
と表される。したがって、光子のエネルギーに対応する波数ｋのある値に対して、ポラリトンの固有エネルギーは３個存在する。
【００７１】
図６は、このようにして計算によって求められたポラリトンの分散曲線を示している。ここでは、横軸に波数ｋをとり、その各点で上記式によってエネルギーεを求めて得られる３本の分散曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３を示している。ここで、図５（ｂ）の模式図に関して上述したように、グラフＧ０は、相互作用をしていない孤立した光子のエネルギーを示している。また、グラフＧ３、Ｇ４は、準位Ｌ３、Ｌ４に相当する孤立した電子のエネルギーを示している。これに対して、分散曲線Ａ１〜Ａ３は、それぞれ電子系と光子系とが相互作用をした場合の波数ｋに対するポラリトンのエネルギーＥを示している。
【００７２】
また、図６のグラフにおいて、その横軸は波数ｋであり、これは光子のエネルギーＥ、及び波長λと１対１に対応している。したがって、横軸は発光波長と対応させて考えることができる。また、波数ｋが２００００〜２５０００ｃｍ−１は、波長λに換算するとおよそ８〜１０μｍに相当している。この波長範囲が、上記の構成例において想定されている発光素子の発光波長帯である。
【００７３】
また、上記のポラリトンの分散曲線において、光子に対するHopfield係数α、及び電子励起に対するHopfield係数β３２、β４２は、次のように求められる。
【数８】
2011035138.tif 000010
ここで、図７は、光子に対するHopfield係数αの波数依存性を示すグラフである。また、図８は、電子励起に対するHopfield係数βの波数依存性を示すグラフである。
【００７４】
図７のグラフは、光子に対するHopfield係数の絶対値の２乗｜α｜２の波数依存性を示している。また、図７において、グラフＢ１、Ｂ２、Ｂ３は、それぞれ分散曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３に対応する｜α｜２の値を示している。これらのグラフに示すように、分散曲線Ａ１（グラフＢ１）では、波数が小さい領域でα〜０、波数が大きい領域でα〜１となっている。このとき、分散曲線Ａ１は、図６に示すように、波数が小さい領域で電子のエネルギーの線Ｇ４に漸近して、光子成分の寄与が小さくなり、また、波数が大きい領域で光子のエネルギーの線Ｇ０に漸近して、光子成分の寄与が大きくなる。
【００７５】
一方、分散曲線Ａ３（グラフＢ３）では、分散曲線Ａ１とは逆に、波数が小さい領域でα〜１、波数が大きい領域でα〜０となっている。また、分散曲線Ａ２（グラフＢ２）については、分散曲線Ａ１、Ａ３の重ね合わせであるため、波数の中間領域でその値が最大（｜α｜２〜１／２）となっている。
【００７６】
図８のグラフ（ａ）は、電子励起に対するHopfield係数の絶対値の２乗｜β３２｜２の波数依存性を示している。また、図８（ａ）において、グラフＣ１、Ｃ２、Ｃ３は、それぞれ分散曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３に対応する｜β３２｜２の値を示している。このβ３２については、分散曲線Ａ１（グラフＣ１）に対する寄与は小さいものとなっている。分散曲線Ａ３（グラフＣ３）では、αとは逆に、波数が小さい領域でβ３２〜０（電子励起成分の寄与小）、波数が大きい領域でβ３２〜１（電子励起成分の寄与大）となっている。一方、分散曲線Ａ２（グラフＣ２）では、分散曲線Ａ３とは逆に、波数が小さい領域でβ３２〜１、波数が大きい領域でβ３２〜０となっている。
【００７７】
図８のグラフ（ｂ）は、電子励起に対するHopfield係数の絶対値の２乗｜β４２｜２の波数依存性を示している。また、図８（ｂ）において、グラフＤ１、Ｄ２、Ｄ３は、それぞれ分散曲線Ａ１、Ａ２、Ａ３に対応する｜β４２｜２の値を示している。このβ４２については、分散曲線Ａ３（グラフＤ３）に対する寄与はほとんど無い。分散曲線Ａ１（グラフＤ１）では、αとは逆に、波数が小さい領域でβ４２〜１、波数が大きい領域でβ４２〜０となっている。一方、分散曲線Ａ２（グラフＤ２）では、分散曲線Ａ１とは逆に、波数が小さい領域でβ４２〜０、波数が大きい領域でβ４２〜１となっている。
【００７８】
これらをまとめると、図６において、分散曲線Ａ２では、光子系（α）の寄与はクロスポイント付近で最大となり、そこから離れると、波数が小さい領域では準位Ｌ３、Ｌ２による電子系（β３２）の寄与が大きく、波数が大きい領域では準位Ｌ４、Ｌ２による電子系（β４２）の寄与が大きくなる。また、分散曲線Ａ１では、波数が小さい領域では準位Ｌ４、Ｌ２による電子系（β４２）の寄与が大きく、波数が大きい領域では光子系（α）の寄与が大きい。また、分散曲線Ａ３では、波数が小さい領域では光子系（α）の寄与が大きく、波数が大きい領域では準位Ｌ３、Ｌ２による電子系（β３２）の寄与が大きい。
【００７９】
以上より、第２上位準位Ｌ４に注入された電子は下位準位Ｌ２の電子と相互作用して、図５（ｂ）及び図６に示す分散曲線Ａ１、Ａ２のうちで、準位Ｌ４の電子系を示すグラフＧ４に近くβ４２成分が優勢な領域に、暗いポラリトンを形成する。そして、この状態からＬＯフォノンを放出して、準位Ｌ４からＬＯフォノンのエネルギー分だけ離れた分散曲線Ａ３上の領域へと緩和する。この領域では、α成分が優勢（α＞β３２、β４２〜０）な明るいポラリトンとなる。図７、図８のグラフをみると、分散曲線Ａ３上で、｜α｜２〜０．７、｜β３２｜２〜０．３、｜β４２｜２〜０で、光子成分と、電子励起成分とがおよそ７：３の領域に、発光に寄与する明るいポラリトンが生成されることがわかる。
【００８０】
本発明による半導体発光素子の構成について、活性層での量子井戸構造を含む素子構造の具体例とともにさらに説明する。図９は、半導体発光素子の具体的な構成の一例を示す図である。また、図１０は、図９に示した半導体発光素子における活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。
【００８１】
本構成例における活性層１５の量子井戸構造では、発光波長を約８μｍとして設計された例を示している。図１０においては、活性層１５での発光層１７及び注入層１８による多段の繰返し構造のうちの一部について、その量子井戸構造及びサブバンド準位構造を示している。また、図９及び図１０に示す素子構造は、例えば、固体ソースＭＢＥ法、ガスソースＭＢＥ法、またはＭＯＣＶＤ法などによる結晶成長で形成することができる。
【００８２】
図９に示す半導体発光素子１Ｂの半導体積層構造では、半導体基板１０としてｎ型ＩｎＰ単結晶基板５０を用いている。そして、このＩｎＰ基板５０上に、基板側から順に、厚さ３．５μｍのＳｉドープＩｎＰ下部クラッド層５２、厚さ０．２μｍのＳｉドープＩｎＧａＡｓ下部ガイド層５１、単位積層体１６が多段に積層された活性層１５、厚さ０．２μｍのＳｉドープＩｎＧａＡｓ上部ガイド層５６、厚さ３．５μｍのＳｉドープＩｎＰ上部クラッド層５７、及び厚さ０．０５μｍのＳｉドープＩｎＧａＡｓコンタクト層５８が順次積層されることで、半導体発光素子１Ｂの素子構造が形成されている。
【００８３】
このような積層構造において、活性層１５の単位積層体１６における量子井戸構造は、ＩｎＰ基板５０に格子整合するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸構造によって構成されている。また、上部ガイド層５６と上部クラッド層５７との界面には、ＤＦＢ型の共振器構造のための回折格子５５が形成されている。
【００８４】
回折格子５５の形成工程については、通常の半導体レーザと同様に、ウエットエッチング技術、あるいはドライエッチング技術等を用いて回折格子を形成することができる。また、共振器の端面ミラーは、へき開によって形成することができる。また、その共振器長は数１００μｍ以下が好適である。また、素子１Ｂの全体形状については、例えばリッジストライプ構造を用いることができる。
【００８５】
本構成例における活性層１５は、量子井戸発光層１７、及び電子注入層１８を含む単位積層体１６が３０周期で直列に積層されて構成されている。また、１周期分の単位積層体１６は、図１０に示すように、８個の量子井戸層１６１、１６２、１８１〜１８６、及び８個の量子障壁層１７１、１７２、１９１〜１９６が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。これらの半導体層のうち、量子井戸層はＩｎＧａＡｓ層によって、また、量子障壁層はＩｎＡｌＡｓ層によって、それぞれ構成されている。
【００８６】
また、このような単位積層体１６において、発光層１７と注入層１８とについては、図１０に示す積層構造において、２層の井戸層１６１、１６２、及び障壁層１７１、１７２からなる積層部分が、発光層１７として機能する部分となっている。また、６層の井戸層１８１〜１８６、及び障壁層１９１〜１９６からなる積層部分が、注入層１８として機能する部分となっている。
【００８７】
また、発光層１７の各半導体層のうちで、１段目の量子障壁層１７１が、前段の注入層と、発光層１７との間に位置し、前段の注入層から発光層１７への電子に対する注入障壁層となっている。同様に、注入層１８の各半導体層のうちで、１段目の量子障壁層１９１が、発光層１７と、注入層１８との間に位置し、発光層１７から注入層１８への電子に対する抽出障壁層となっている。図１１に、活性層１５における１周期分の単位積層体１６の具体的な構造の一例を示す。
【００８８】
このような構成において、単位積層体１６は、その図１０に示す動作状態でのサブバンド準位構造において、発光層１７内の第２上位準位Ｌ４、第１上位準位Ｌ３、下位準位Ｌ２、及び注入層１８内の注入準位Ｌ１を有している。なお、注入準位Ｌ１については、本構成例では、注入層１８内にある複数の準位が対応している。
【００８９】
前段の注入層からの電子の受け手となる第２上位準位Ｌ４は、他の準位へのリークを抑えるために、その波動関数が第１井戸層１６１の近傍に局在するように設計されている。第２上位準位Ｌ４と第１上位準位Ｌ３とのエネルギー間隔ΔＥ４３は約２０ｍｅＶで、ＬＯフォノンのエネルギーよりも小さくなるように設計されている。
【００９０】
第１上位準位Ｌ３と下位準位Ｌ２との間の遷移については、同一の井戸層１６２内での遷移としている。また、その出口側の抽出障壁層１９１の層厚を厚く設定し、電子のトンネル時間が条件τ３２＜τｔｕｎを満たして、４−２ポラリトンの生成に関わる下位準位Ｌ２に電子が溜まる構成としている。図１１の図表に示す構成では、注入障壁層１７１の層厚はＤ１＝４．５ｎｍ、抽出障壁層１９１の層厚はＤ２＝３．６ｎｍであり、その比率はＤ２／Ｄ１＝８０％である。このとき、図１０、図１１に示す構成では、τ３２＝１．６ｐｓ、τｔｕｎ＝２．６ｐｓであり、条件τ３２＜τｔｕｎを満たしている。
【００９１】
また、このような準位構造において、サブバンド準位間の遷移の双極子モーメントは、Ｚ４２＝０．７ｎｍ、Ｚ３２＝１．８ｎｍとなっている。また、注入層１８は、後段の発光層の第２上位準位Ｌ４に対して電子を効率的に注入できるように構成されている。具体的には、注入層１８は、後段の発光層に向かって波動関数が集中するように、井戸層１８１〜１８６の井戸幅が単調に減少する構成とされている。また、この注入層１８の中央付近には、キャリアとなる電子を充分に供給するために、ｎ型不純物を高密度でドーピングする。図１１に示す構成では、中央付近の井戸層１８３、障壁層１９４、及び井戸層１８４の３つの半導体層において、ｎ型不純物であるＳｉが１×１０１８ｃｍ−３のキャリア密度でドーピングされている。
【００９２】
図１２は、図９〜図１１に示した構成の半導体発光素子で得られる発光スペクトルの一例を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は発光エネルギー（ｍｅＶ）を示し、縦軸は発光強度（ａ．ｕ．）を示している。また、グラフＥ１、Ｅ２、Ｅ３は、動作温度２９５Ｋで、それぞれ電流０．５Ａ、１．０Ａ、１．５Ａで動作させたときの発光スペクトルを示している。これらのグラフに示すように、上記構成の発光素子において、ポラリトンを利用した発光が得られていることがわかる。
【００９３】
本発明による半導体発光素子は、上記した実施形態、及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した構成例では、半導体基板としてＩｎＰ基板を用い、活性層をＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによって構成した例を示したが、量子井戸構造でのポラリトンを利用した発光遷移が可能であって上記したサブバンド準位構造を実現可能なものであれば、具体的には様々な構成を用いて良い。
【００９４】
このような半導体材料系については、上記したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ以外にも、例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＳｉＧｅ／Ｓｉなど、様々な材料系を用いることが可能である。また、半導体の結晶成長方法についても、様々な方法を用いて良い。
【００９５】
また、半導体発光素子の活性層における積層構造、及び発光素子全体としての半導体積層構造については、図９〜図１１に示した構造以外にも様々な構造を用いて良い。一般には、半導体発光素子は、半導体基板と、半導体基板上に設けられた上記構成の活性層とを備えて構成されていれば良い。また、発光素子を構成する各半導体層の層厚、キャリア密度等については、素子の具体的な構成に応じて適宜、最適化してよい。また、上記構成例では、ＩｎＰ基板に対して格子整合する構成について説明したが、例えばＩｎＰ基板に対して格子不整合を導入した構成を用いることも可能である。この場合、素子設計の自由度の増大等が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明は、電流注入による発光動作が可能な、ポラリトンを利用した半導体発光素子として利用可能である。
【符号の説明】
【００９７】
１Ａ、１Ｂ…半導体発光素子、１０…半導体基板、１５…活性層、１６…単位積層体、１７…量子井戸発光層、１８…注入層、５０…ＩｎＰ基板、５１…ＩｎＧａＡｓ下部ガイド層、５２…ＩｎＰ下部クラッド層、５６…ＩｎＧａＡｓ上部ガイド層、５７…ＩｎＰ上部クラッド層、５８…ＩｎＧａＡｓコンタクト層、５５…回折格子、
Ｌ１…注入準位、Ｌ２…下位準位、Ｌ３…第１上位準位、Ｌ４…第２上位準位。
【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６】
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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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