(57)【要約】【課題】広い発光波長域が実現可能な半導体発光素子を提供すること。【解決手段】本発明は、基板１０上に設けられた下部クラッド層１２と、下部クラッド層１２上に設けられ、量子井戸層２４と、量子井戸層２４との間に第２障壁層２２ｂを挟んで配置された複数の量子ドット２８と、を含む活性層部２０と、活性層部２０上に設けられた上部クラッド層１４と、を備え、量子井戸層２４と複数の量子ドット２８との間隔Ｄは、複数の量子ドット２８それぞれの中心間の間隔Ｘの平均値よりも小さい半導体発光素子である。【選択図】図２
2015141951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に設けられ、量子井戸層と、前記量子井戸層との間に障壁層を挟んで配置された複数の量子ドットと、を含む活性層部と、
前記活性層部上に設けられた上部クラッド層と、を備え、
前記量子井戸層と前記複数の量子ドットとの間隔は、前記複数の量子ドットそれぞれの中心間の間隔の平均値よりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記量子井戸層と前記複数の量子ドットとの間隔は、前記複数の量子ドットそれぞれの中心間の間隔の平均値の１／３以上且つ２／３以下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】
前記量子井戸層と前記複数の量子ドットとの間の前記障壁層の厚さは、前記量子井戸層と前記複数の量子ドットとの間でトンネル電流が流れない厚さであ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】
前記量子井戸層は、前記基板の上面に平行な方向において、前記複数の量子ドットによる歪み場の影響によって、バンドギャップエネルギーが変調されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記量子井戸層及び前記量子ドットはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層であり、前記量子井戸層及び前記量子ドットの少なくとも一方はＩＩＩ族元素としてＩｎを含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記量子井戸層はＩｎＧａＡｓ層で、前記量子ドットはＩｎＡｓであることを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記量子井戸層はＧａＡｓ層で、前記量子ドットはＡｌＩｎＡｓであることを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記量子井戸層及び前記量子ドットの少なくとも一方はＶ族元素として窒素を含むことを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記活性層部は複数の前記量子井戸層を含み、
前記複数の量子井戸層の厚さは、互いに異なることを特徴とする請求項１から８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、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えばＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）等の光センシングに向けて、発光波長域の広い発光素子が求められている。例えば、量子井戸−量子ドットのハイブリッド構造の半導体発光素子が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。このハイブリッド構造の半導体発光素子は、量子井戸及び量子ドットからの互いに波長が異なる発光によって、広い発光波長域を実現している。また、自己形成された量子ドットの周辺に歪み場が形成され、この歪み場の影響が量子井戸層に及ぶと、量子井戸層のバンドギャップエネルギーが変化することが知られている（例えば、非特許文献２〜４参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Siming Chen、外７名、“Hybrid Quantum Well/Quantum Dot Structure for Broad Spectral Bandwidth Emitters”、IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS、2013年、第19巻、第4号
【非特許文献２】John H. Davies、“Quantum dots induced by strain from buried and surface stressors”、APPLIED PHYSICS LETTERS、1999年、第75巻、第26号、p. 4141-4144
【非特許文献３】M. Sopanen、外２名、“Strain-induced quantum dots by self-organized stressors”、APPLIED PHYSICS LETTERS、1995年、第66巻、第18号、p. 2363-2366
【非特許文献４】H. Lipsanen、外２名、“Luminescence from excited states in strain-induced InxGa1-xAs quantum dots”、PHYSICAL REVIEW B、1995年、第51巻、第19号、p. 13868-13871
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１に記載の半導体発光素子では、量子井戸及び量子ドットそれぞれの発光を重ね合わせて、広い発光波長域を実現している。したがって、量子井戸及び量子ドットそれぞれからの発光が求められるため、例えば量子ドットからの発光が得られない波長域では発光波長域を広げられない等、改善の余地が残されている。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、広い発光波長域が実現可能な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】
【０００６】
本発明は、基板上に設けられた下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に設けられ、量子井戸層と、前記量子井戸層との間に障壁層を挟んで配置された複数の量子ドットと、を含む活性層部と、前記活性層部上に設けられた上部クラッド層と、を備え、前記量子井戸層と前記複数の量子ドットとの間隔は、前記複数の量子ドットそれぞれの中心間の間隔の平均値よりも小さいことを特徴とする半導体発光素子である。本発明によれば、広い発光波長域を実現することができる。
【０００７】
上記構成において、前記量子井戸層と前記複数の量子ドットとの間隔は、前記複数の量子ドットそれぞれの中心間の間隔の平均値の１／３以上且つ２／３以下である構成とすることができる。
【０００８】
上記構成において、前記量子井戸層と前記複数の量子ドットとの間の前記障壁層の厚さは、前記量子井戸層と前記複数の量子ドットとの間でトンネル電流が流れない厚さである構成とすることができる。
【０００９】
上記構成において、前記量子井戸層は、前記基板の上面に平行な方向において、前記複数の量子ドットによる歪み場の影響によって、バンドギャップエネルギーが変調されている構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記量子井戸層及び前記量子ドットはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層であり、前記量子井戸層及び前記量子ドットの少なくとも一方はＩＩＩ族元素としてＩｎを含む構成とすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記量子井戸層はＩｎＧａＡｓ層で、前記量子ドットはＩｎＡｓである構成とすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記量子井戸層はＧａＡｓ層で、前記量子ドットはＡｌＩｎＡｓである構成とすることができる。
【００１３】
上記構成において、前記量子井戸層及び前記量子ドットの少なくとも一方はＶ族元素として窒素を含む構成とすることができる。
【００１４】
上記構成において、前記活性層部は複数の前記量子井戸層を含み、前記複数の量子井戸層の厚さは、互いに異なる構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、広い発光波長域を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１（ａ）は、実施例１に係る発光ダイオードの端面に平行な方向の断面図であり、図１（ｂ）は、側面に平行な方向の断面図である。
【図２】図２は、実施例１に係る発光ダイオードの活性層部を示す断面図である。
【図３】図３は、量子ドットを示す上面図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、比較例１及び比較例２に係る発光ダイオードの活性層部を示す断面図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、比較例１及び比較例２の発光ダイオードのエレクトロルミネッセンス測定の測定結果を示す図である。
【図６】図６は、ハイブリッド構造の発光ダイオードの発光スペクトルを示す模式図である。
【図７】図７（ａ）及び図７（ｂ）は、実施例１の発光ダイオードのエレクトロルミネッセンス測定の測定結果を示す図である。
【図８】図８は、発光波長幅が広がった理由を説明するための活性層部の断面図である。
【図９】図９は、実施例１の変形例１に係る発光ダイオードの活性層部を示す断面図である。
【図１０】図１０は、実施例１の変形例２に係る発光ダイオードの活性層部を示す断面図である。
【図１１】図１１は、実施例１の変形例３に係る発光ダイオードの活性層部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１（ａ）は、実施例１に係る発光ダイオードの端面に平行な方向の断面図であり、図１（ｂ）は、側面に平行な方向の断面図である。図１（ａ）及び図１（ｂ）のように、実施例１の発光ダイオード１００は、基板１０上に下部クラッド層１２が設けられている。基板１０は、例えばｎ型ＧａＡｓ基板である。下部クラッド層１２は、例えばｎ型ＡｌＧａＡｓ層である。なお、基板１０と下部クラッド層１２との間に、例えばｎ型ＧａＡｓ層であるバッファ層が設けられていてもよい。
【００１９】
下部クラッド層１２上に活性層部２０が設けられている。活性層部２０の詳細については後述する。活性層部２０上に上部クラッド層１４が設けられている。上部クラッド層１４は孤立した突起形状をしている。上部クラッド層１４は、例えばｐ型ＡｌＧａＡｓ層である。上部クラッド層１４上にｐ電極１６が設けられ、基板１０下にｎ電極１８が設けられている。ｐ電極１６は、例えば上部クラッド層１４側からＡｕ、Ｚｎ、Ａｕが積層された金属膜である。ｎ電極１８は、例えば基板１０側からＩｎＧｅ、Ａｕが積層された金属膜である。なお、上部クラッド層１４とｐ電極１６との間に、例えばｐ型ＧａＡｓ層であるコンタクト層が設けられていてもよい。
【００２０】
図２は、実施例１に係る発光ダイオードの活性層部を示す断面図である。図２のように、活性層部２０は、第１障壁層２２ａ〜第３障壁層２２ｃと量子井戸層２４とＩｎＧａＡｓ層２６と濡れ層２７と複数の量子ドット２８とを含む。第１障壁層２２ａ上に量子井戸層２４が設けられ、量子井戸層２４上に第２障壁層２２ｂが設けられている。第２障壁層２２ｂ上に複数の量子ドット２８が設けられ、複数の量子ドット２８と同じ材料の濡れ層２７上にＩｎＧａＡｓ層２６が設けられている。これら複数の量子ドット２８及びＩｎＧａＡｓ層２６上に、第３障壁層２２ｃが設けられている。量子井戸層２４と複数の量子ドット２８との間隔Ｄ（即ち、量子井戸層２４の上面と複数の量子ドット２８の下端との間隔）は、複数の量子ドット２８それぞれの中心間の間隔Ｘの平均値よりも小さくなっている。
【００２１】
第１障壁層２２ａ〜第３障壁層２２ｃは、量子井戸層２４よりもバンドギャップエネルギーの大きな材料からなり、例えばＧａＡｓ層である。量子井戸層２４は、例えばＩｎＧａＡｓ層である。複数の量子ドット２８は、第１障壁層２２ａ〜第３障壁層２２ｃよりもバンドギャップエネルギーの小さい材料からなり、例えばＩｎＡｓからなる。濡れ層２７は、複数の量子ドット２８と同じ材料からなるため、例えばＩｎＡｓからなる。複数の量子ドット２８は、Ｓ−Ｋ（Stranski-Krastanov）成長モードを基礎とした自己形成成長法によって形成されている。つまり、基板１０と異なる格子定数の材料（例えばＩｎＡｓ）を第２障壁層２２ｂ上にエピタキシャル成長させることで、初めは２次元的な層状成長が起こり、成長量を増やしていくと格子定数差を起因とする歪みエネルギーの増大を抑制するように３次元成長へと遷移して複数の量子ドット２８が形成される。
【００２２】
図３は、量子ドットを示す上面図である。なお、ＩｎＧａＡｓ層２６及び濡れ層２７については図示を省略している。図３のように、第２障壁層２２ｂ上に、複数の量子ドット２８が点在している。複数の量子ドット２８の面密度は、例えば１×１０９〜１×１０１１ｃｍ−２である。複数の量子ドット２８の面密度は、成長条件によって制御することができ、一般的な成長条件では、上記の範囲となる。また、一般的な成長条件では、量子ドット２８の高さは例えば４〜１２ｎｍ、量子ドット２８の直径は例えば２０〜３０ｎｍ、複数の量子ドット２８それぞれの中心間の間隔Ｘの平均値は例えば２５ｎｍ〜３００ｎｍとなる。複数の量子ドット２８それぞれの中心間の間隔Ｘの平均値は、例えば複数の量子ドット２８の面密度の逆数の平方根を計算することで求めることができる。
【００２３】
ここで、発明者が行った実験について説明する。まず、比較例１及び比較例２に係る発光ダイオードに対して行った実験について説明する。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、比較例１及び比較例２に係る発光ダイオードの活性層部を示す断面図である。図４（ａ）のように、比較例１の発光ダイオードの活性層部８０は、第１障壁層８２ａと第２障壁層８２ｂとの間に量子井戸層８４が挟まれた構造をしている。比較例１の発光ダイオードのその他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。このように、比較例１は、量子井戸構造を有する発光ダイオードである。図４（ｂ）のように、比較例２の発光ダイオードの活性層部９０は、第１障壁層９２ａ上に複数の量子ドット９８が設けられ、複数の量子ドット９８と同じ材料の濡れ層９７上にＩｎＧａＡｓ層９６が設けられている。そして、これら複数の量子ドット９８及びＩｎＧａＡｓ層９６上に、第２障壁層９２ｂが設けられた構造をしている。比較例２の発光ダイオードのその他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。このように、比較例２は、量子ドット構造を有する発光ダイオードである。
【００２４】
発明者は、比較例１及び比較例２の発光ダイオードを作製し、エレクトロルミネッセンス測定を行った。作製した比較例１の発光ダイオードの具体的構成を表１に示し、作製した比較例２の発光ダイオードの具体的構成を表２に示す。
【００２５】
【表１】
2015141951.tif 000003
表１のように、作製した比較例１の発光ダイオードは、基板１０にｎ型ＧａＡｓ基板を用い、基板１０と下部クラッド層１２との間に膜厚２００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層からなるバッファ層を設けた。下部クラッド層１２には膜厚４００ｎｍのｎ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層を用いた。活性層部８０を構成する第１障壁層８２ａは膜厚７６．５ｎｍのＧａＡｓ層とし、量子井戸層８４は膜厚７．０ｎｍのＩｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ層とし、第２障壁層８２ｂは膜厚１００ｎｍのＧａＡｓ層とした。上部クラッド層１４には膜厚４００ｎｍのｐ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層を用いた。また、上部クラッド層１４上に膜厚１００ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層からなるコンタクト層を設けた。
【００２６】
【表２】
2015141951.tif 000004
表２のように、作製した比較例２の発光ダイオードは、活性層部９０を構成する第１障壁層９２ａを膜厚７６．５ｎｍのＧａＡｓ層とし、複数の量子ドット９８を供給量０．７ｎｍ厚分のＩｎＡｓとして、その高さを５ｎｍ程度とし、ＩｎＧａＡｓ層９６を膜厚１．０ｎｍのＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ａｓ層とし、第２障壁層９２ｂを膜厚１００ｎｍのＧａＡｓ層とした。また、複数の量子ドット９８の面密度は、２×１０１０ｃｍ−２であった。その他については、表１に示す比較例１の発光ダイオードと同じにした。
【００２７】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、比較例１及び比較例２の発光ダイオードのエレクトロルミネッセンス測定の測定結果を示す図である。なお、エレクトロルミネッセンス測定は、２０℃の環境温度の下で行い、比較例１の発光ダイオードに対しては、注入電流を０ｍＡから４０ｍＡ刻みで４００ｍＡまで上げて発光スペクトルを測定し、比較例２の発光ダイオードに対しては、０ｍＡから２０ｍＡ刻みで２００ｍＡまで上げて発光スペクトルを測定した。図５（ａ）のように、量子井戸構造を有する発光ダイオードである比較例１は、１０８０ｎｍ付近に発光ピーク波長を有している。図５（ｂ）のように、量子ドット構造を有する発光ダイオードである比較例２は、１１９０ｎｍ付近と１２９０ｎｍ付近に発光ピーク波長を有している。１２９０ｎｍ付近にピークを有する発光は基底状態からの発光であり、１１９０ｎｍ付近にピークを有する発光は第１励起状態からの発光である。
【００２８】
ここで、非特許文献１のハイブリッド構造の発光ダイオードにおいて、量子井戸からの発光波長が量子ドットよりも短い場合での発光スペクトルについて説明する。図６は、ハイブリッド構造の発光ダイオードの発光スペクトルを示す模式図である。図６のように、量子井戸からの発光と量子ドットからの発光とがそれぞれ生じ、量子井戸及び量子ドットそれぞれからの発光を重ね合わせることで広い発光波長域を得ることができる。しかしながら、この場合では、量子井戸及び量子ドットそれぞれからの発光が求められるため、例えば量子ドットからの発光が得られない波長域では発光波長域を広げられない等の課題がある。
【００２９】
次に、実施例１に係る発光ダイオードに対して行った実験について説明する。発明者は、活性層部２０を構成する第１障壁層２２ａと第２障壁層２２ｂとの膜厚を異ならせた２つのサンプル（サンプル１及びサンプル２）を作製し、エレクトロルミネッセンス測定を行った。作成した実施例１の発光ダイオード（サンプル１及びサンプル２）の具体的構成を表３に示す。
【００３０】
【表３】
2015141951.tif 000005
表３のように、作製したサンプル１は、活性層部２０を構成する第１障壁層２２ａを膜厚５６．５ｎｍのＧａＡｓ層とし、量子井戸層２４を膜厚７ｎｍのＩｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ層とした。第２障壁層２２ｂを膜厚３５．５ｎｍのＧａＡｓ層とし、複数の量子ドット２８を供給量０．７ｎｍ厚分のＩｎＡｓとして、その高さを５ｎｍ程度とし、ＩｎＧａＡｓ層２６を膜厚１．０ｎｍのＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ａｓ層とし、第３障壁層２２ｃを膜厚１００ｎｍのＧａＡｓ層とした。また、複数の量子ドット２８の面密度は、２×１０１０ｃｍ−２であった。即ち、複数の量子ドット２８それぞれの中心間の間隔の平均値は７０ｎｍであった。その他については、表１に示す比較例１の発光ダイオードと同じにした。
【００３１】
作製したサンプル２は、活性層部２０を構成する第１障壁層２２ａを膜厚７６．５ｎｍのＧａＡｓ層とし、量子井戸層２４を膜厚７ｎｍのＩｎ０．３４Ｇａ０．６６Ａｓ層とした。第２障壁層２２ｂを膜厚１５．５ｎｍのＧａＡｓ層とし、複数の量子ドット２８を供給量０．７ｎｍ厚分のＩｎＡｓとして、その高さを５ｎｍ程度とし、ＩｎＧａＡｓ層２６を膜厚１．０ｎｍのＩｎ０．１８Ｇａ０．８２Ａｓ層とし、第３障壁層２２ｃを膜厚１００ｎｍのＧａＡｓ層とした。また、複数の量子ドット２８の面密度は、５×１０１０ｃｍ−２であった。即ち、複数の量子ドット２８それぞれの中心間の間隔の平均値は４５ｎｍであった。その他については、表１に示す比較例１の発光ダイオードと同じにした。
【００３２】
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、実施例１の発光ダイオードのエレクトロルミネッセンス測定の測定結果を示す図である。なお、エレクトロルミネッセンス測定は、２０℃の環境温度の下で行い、サンプル１に対しては、注入電流を０ｍＡから２０ｍＡ刻みで３００ｍＡまで上げて発光スペクトルを測定し、サンプル２に対しては、０ｍＡから１０ｍＡ刻みで１００ｍＡまで上げて発光スペクトルを測定した。図７（ａ）及び図７（ｂ）のように、１０８０ｎｍ付近に発光ピーク波長を有する量子井戸からの発光に関して、実施例１の発光ダイオード（サンプル１及びサンプル２）は、図５（ａ）に示す比較例１の発光ダイオードに比べて、発光波長幅が広がっていることが分かる。実施例１の発光ダイオードにおける量子井戸からの発光波長幅（例えば３ｄＢバンド幅）は、比較例１に比べて、例えば２倍程度となっている。なお、図７（ｂ）において、９８０ｎｍ付近にも発光のピークがあるが、これが何による発光なのかは不明である。
【００３３】
このように、実施例１では、比較例１に比べて、量子井戸からの発光波長幅が広がっているが、これは以下の理由によるものと考えられる。図８は、発光波長幅が広がった理由を説明するための活性層部の断面図である。なお、図８では、図の明瞭化のためにハッチを省略している。図８のように、Ｓ−Ｋモードによる自己形成成長法によって形成された量子ドット２８は、その周辺に歪み場（破線）を形成する。量子井戸層２４と複数の量子ドット２８との間隔Ｄが、複数の量子ドット２８それぞれの中心間の間隔Ｘの平均値よりも小さいため、量子ドット２８による歪み場の影響は、量子井戸層２４のうちの量子ドット２８下の領域３０では大きいが、近接する量子ドット２８の中央部下の領域３２では小さい。非特許文献２〜４に記載されているように、量子ドット２８による歪み場は、量子井戸層２４のバンドギャップエネルギーを小さくする。したがって、量子井戸層２４のうちの量子ドット２８下の領域３０のバンドギャップエネルギーは、近接する量子ドット２８の中央部下の領域３２よりも小さくなる。つまり、量子井戸層２４のバンドギャップエネルギーは、基板１０の上面に平行な方向において、変調されることとなる。これにより、図７（ａ）及び図７（ｂ）のように、量子井戸からの発光波長幅が広がったものと考えられる。
【００３４】
実施例１によれば、活性層部２０は、量子井戸層２４と、量子井戸層２４との間に第２障壁層２２ｂを挟んで配置された複数の量子ドット２８と、を含む。そして、量子井戸層２４と複数の量子ドット２８との間隔Ｄは、複数の量子ドット２８それぞれの中心間の間隔Ｘの平均値よりも小さくなっている。このため、図８で説明したように、量子井戸層２４は、基板１０の上面に平行な方向において、複数の量子ドット２８による歪み場の影響によって、バンドギャップエネルギーが変調される。これにより、図７（ａ）及び図７（ｂ）のように、量子井戸からの発光波長幅を広げることができ、その結果、広い発光波長域を実現することができる。
【００３５】
非特許文献１に記載の発光ダイオードでは、量子井戸及び量子ドットそれぞれからの発光が得られる波長域でないと発光波長域を広げることが難しかったのに対し、実施例１では、量子井戸からの発光さえ得られれば、発光波長域を広げることが可能となる。したがって、例えば量子井戸層２４にＧａＡｓ層を用いた場合での発光波長域を広げることもでき、眼のＯＣＴに用いられる８００〜９００ｎｍにおいて広い発光波長域を実現することが可能となる。また、量子井戸からの発光さえ得られればよいことから、複数の量子ドット２８から発光が生じない場合、例えば複数の量子ドット２８が発光しない材料からなる場合でもよい。この場合、注入電流による量子井戸からの発光強度を強めることができる。勿論、複数の量子ドット２８からも発光させることで、より広い発光波長域を実現するようにしてもよい。
【００３６】
量子井戸層２４と複数の量子ドット２８との間隔Ｄが短すぎると、量子井戸層２４のうち複数の量子ドット２８による歪み場の影響が大きい領域と小さい領域とのサイズバランスが悪くなってしまう。反対に、量子井戸層２４と複数の量子ドット２８の間隔Ｄが長すぎると、複数の量子ドット２８による歪み場の影響を量子井戸層２４の全領域で一様に受けるようになってしまう。このようなことを踏まえると、量子井戸層２４のバンドギャップエネルギーを適切に変調させる観点から、量子井戸層２４と複数の量子ドット２８との間隔Ｄは、複数の量子ドット２８それぞれの中心間の間隔Ｘの平均値の１／４以上且つ３／４以下である場合が好ましく、１／３以上且つ２／３以下である場合がより好ましく、２／５以上且つ３／５以下であることがさらに好ましく、１／２である場合がもっと好ましい。
【００３７】
また、量子井戸層２４と複数の量子ドット２８との間の第２障壁層２２ｂの厚さは、量子井戸層２４と複数の量子ドット２８との間でトンネル電流が流れない厚さである場合が好ましい。これにより、量子井戸からの発光強度を高めることができる。
【００３８】
量子井戸層２４及び量子ドット２８はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層で、量子井戸層２４及び量子ドット２８の少なくとも一方はＩＩＩ族元素としてＩｎを含む構成とすることができる。例えば、実施例１のように、基板１０がＧａＡｓ層、量子井戸層２４がＩｎＧａＡｓ層、第１〜第３障壁層２２ａ〜２２ｃがＧａＡｓ層、複数の量子ドット２８がＩｎＡｓからなり、量子井戸から１０００ｎｍ〜１２００ｎｍの範囲で発光がなされる構成とすることができる。また、上述したように、量子井戸層２４がＧａＡｓ層からなる場合でもよく、この場合、複数の量子ドット２８として例えばＡｌＩｎＡｓを用いることができる。
【００３９】
また、例えば、基板１０がＧａＡｓ基板、量子井戸層２４がＡｌＧａＩｎＰ層、第１〜第３障壁層２２ａ〜２２ｃがＡｌＧａＩｎＰ層、複数の量子ドット２８がＩｎＰからなり、量子井戸から６３０ｎｍ〜８５０ｎｍの範囲で発光がなされる場合でもよい。例えば、基板１０がＩｎＰ基板、量子井戸層２４がＩｎＧａＡｓＰ層とＡｌＩｎＧａＡｓ層、第１〜第３障壁層２２ａ〜２２ｃがＩｎＧａＡｓＰ層とＡｌＧａＩｎＧａＡｓ層、複数の量子ドット２８がＩｎＡｓからなり、量子井戸から１２００ｎｍ〜１７００ｎｍの発光がなされる場合でもよい。例えば、量子井戸層２４及び量子ドット２８の少なくとも一方がＶ族元素として窒素（Ｎ）を含む場合でもよく、基板１０がＧａＮ基板、量子井戸層２４がＩｎＧａＮ層、第１〜第３障壁層２２ａ〜２２ｃがＡｌＧａＮ層、複数の量子ドット２８がＩｎＮからなり、量子井戸から３００ｎｍ〜６００ｎｍの発光がなされる場合でもよい。
【００４０】
図９は、実施例１の変形例１に係る発光ダイオードの活性層部を示す断面図である。図９のように、実施例１の変形例１の発光ダイオードの活性層部４０は、実施例１と比較して、量子井戸層４４と複数の量子ドット４８の位置が反対となっている。つまり、第１障壁層４２ａ上に複数の量子ドット４８が設けられ、複数の量子ドット４８と同じ材料の濡れ層４７上にＩｎＧａＡｓ層４６が設けられている。これら複数の量子ドット４８及びＩｎＧａＡｓ層４６上に、第２障壁層４２ｂが設けられている。第２障壁層４２ｂ上に量子井戸層４４が設けられ、量子井戸層４４上に第３障壁層４２ｃが設けられている。実施例１の変形例１の発光ダイオードのその他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。
【００４１】
実施例１の変形例１の場合でも、量子井戸層４４と複数の量子ドット４８との間隔Ｄ（即ち、量子井戸層４４の下面と複数の量子ドット４８の上端との間隔）を、複数の量子ドット４８それぞれの中心間の間隔の平均値よりも小さくすることで、量子井戸からの発光波長幅を広げることができ、広い発光波長域を実現することができる。
【００４２】
図１０は、実施例１の変形例２に係る発光ダイオードの活性層部を示す断面図である。図１０のように、実施例１の変形例２の発光ダイオードの活性層部５０は、実施例１の発光ダイオードの活性層部２０と実施例１の変形例１の発光ダイオードの活性層部４０とを組み合わせたような構造をしている。つまり、第１障壁層５２ａ上に第１量子井戸層５４ａが設けられ、第１量子井戸層５４ａ上に第２障壁層５２ｂが設けられている。第２障壁層５２ｂ上に複数の量子ドット５８が設けられ、複数の量子ドット５８と同じ材料の濡れ層５７上にＩｎＧａＡｓ層５６が設けられている。これら複数の量子ドット５８及びＩｎＧａＡｓ層５６上に、第３障壁層５２ｃが設けられている。第３障壁層５２ｃ上に第２量子井戸層５４ｂが設けられ、第２量子井戸層５４ｂ上に第４障壁層５２ｄが設けられている。実施例１の変形例２の発光ダイオードのその他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。
【００４３】
実施例１の変形例２の場合でも、第１量子井戸層５４ａと複数の量子ドット５８との間隔Ｄ１及び第２量子井戸層５４ｂと複数の量子ドット５８との間隔Ｄ２を、複数の量子ドット５８それぞれの中心間の間隔の平均値よりも小さくする。これにより、量子井戸からの発光波長幅を広げることができ、広い発光波長域を実現することができる。
【００４４】
また、活性層部５０が複数の量子井戸層（第１量子井戸層５４ａと第２量子井戸層５４ｂ）を含む場合、第１量子井戸層５４ａと第２量子井戸層５４ｂの厚さは互いに異なる場合が好ましい。これにより、より広い発光波長域を実現することができる。
【００４５】
図１１は、実施例１の変形例３に係る発光ダイオードの活性層部を示す断面図である。図１１のように、実施例１の変形例３の発光ダイオードの活性層部６０は、実施例１の変形例２の発光ダイオードの活性層部５０の上側及び下側に、さらに複数の量子ドットを設けたような構造をしている。つまり、第１障壁層６２ａ上に複数の第１量子ドット６８ａが設けられ、複数の第１量子ドット６８ａと同じ材料の第１濡れ層６７ａ上に第１ＩｎＧａＡｓ層６６ａが設けられている。これら複数の第１量子ドット６８ａ及び第１ＩｎＧａＡｓ層６６ａ上に、第２障壁層６２ｂが設けられている。第２障壁層６２ｂ上に第１量子井戸層６４ａが設けられ、第１量子井戸層６４ａ上に第３障壁層６２ｃが設けられている。第３障壁層６２ｃ上に複数の第２量子ドット６８ｂが設けられ、複数の第２量子ドット６８ｂと同じ材料の第２濡れ層６７ｂ上に第２ＩｎＧａＡｓ層６６ｂが設けられている。これら複数の第２量子ドット６８ｂ及び第２ＩｎＧａＡｓ層６６ｂ上に、第４障壁層６２ｄが設けられている。第４障壁層６２ｄ上に第２量子井戸層６４ｂが設けられ、第２量子井戸層６４ｂ上に第５障壁層６２ｅが設けられている。第５障壁層６２ｅ上に複数の第３量子ドット６８ｃが設けられ、複数の第３量子ドット６８ｃと同じ材料の第３濡れ層６７ｃ上に第３ＩｎＧａＡｓ層６６ｃが設けられている。これら複数の第３量子ドット６８ｃ及び第３ＩｎＧａＡｓ層６６ｃ上に、第６障壁層６２ｆが設けられている。
【００４６】
実施例１の変形例３の場合でも、第１量子井戸層６４ａと複数の第１量子ドット６８ａとの間隔Ｄ１を、複数の第１量子ドット６８ａそれぞれの中心間の間隔の平均値よりも小さくする。第１量子井戸層６４ａと複数の第２量子ドット６８ｂとの間隔Ｄ２及び第２量子井戸層６４ｂと複数の第２量子ドット６８ｂとの間隔Ｄ３を、複数の第２量子ドット６８ｂそれぞれの中心間の間隔の平均値よりも小さくする。第２量子井戸層６４ｂと複数の第３量子ドット６８ｃとの間隔Ｄ４を、複数の第３量子ドット６８ｃそれぞれの中心間の間隔の平均値よりも小さくする。これにより、量子井戸からの発光波長幅を広げることができ、広い発光波長域を実現することができる。また、第１量子井戸層６４ａと第２量子井戸層６４ｂの厚さを互いに異ならせることで、より広い発光波長域を実現することができる。
【００４７】
実施例１では、下部クラッド層がｎ型半導体で、上部クラッド層がｐ型半導体の場合を例に示したが、反対の場合、即ち下部クラッド層がｐ型半導体で、上部クラッド層がｎ型半導体の場合でもよい。
【００４８】
以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１０  基板
１２  下部クラッド層
１４  上部クラッド層
１６  ｐ電極
１８  ｎ電極
２０、４０、５０、６０  活性層部
２２ａ、４２ａ、５２ａ、６２ａ  第１障壁層
２２ｂ、４２ｂ、５２ｂ、６２ｂ  第２障壁層
２２ｃ、４２ｃ、５２ｃ、６２ｃ  第３障壁層
５２ｄ、６２ｄ  第４障壁層
６２ｅ  第５障壁層
６２ｆ  第６障壁層
２４、４４  量子井戸層
５４ａ、６４ａ  第１量子井戸層
５４ｂ、６４ｂ  第２量子井戸層
２８、４８、５８  量子ドット
２７、４７、５７  濡れ層
６８ａ〜６８ｃ  第１〜第３量子ドット
２６、４６、５６  ＩｎＧａＡｓ層
６６ａ〜６６ｃ  第１〜第３ＩｎＧａＡｓ層
６７ａ〜６７ｃ  第１〜第３濡れ層
３０  量子ドット下の領域
３２  近接する量子ドットの中央部下の領域
【図１】
2015141951.tif 000006
【図２】
2015141951.tif 000007
【図３】
2015141951.tif 000008
【図４】
2015141951.tif 000009
【図５】
2015141951.tif 000010
【図６】
2015141951.tif 000011
【図７】
2015141951.tif 000012
【図８】
2015141951.tif 000013
【図９】
2015141951.tif 000014
【図１０】
2015141951.tif 000015
【図１１】
2015141951.tif 000016