(57)【要約】【課題】電子のオーバーフローを抑制することができる半導体光素子を提供する。【解決手段】半導体光素子１０は、井戸層３１及びバリア層３２を含み量子井戸構造を有する活性層１５と、バリア層３２上に設けられIII−Ｖ族化合物半導体材料からなるオフセット層３５（第１のクラッド層）と、オフセット層３５上に設けられｐ型不純物を含む電子ストッパー層１７と、電子ストッパー層１７上に設けられオフセット層３５と同一材料からなり、電子ストッパー層１７のｐ型不純物濃度よりも低い濃度のｐ型不純物を含む第２のクラッド層１８とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
井戸層及びバリア層を含み量子井戸構造を有する活性層と、
前記バリア層上に設けられIII−Ｖ族化合物半導体材料からなる第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に設けられｐ型不純物を含む電子ストッパー層と、
前記電子ストッパー層上に設けられ前記第１のクラッド層と同一材料からなり、前記電子ストッパー層のｐ型不純物濃度よりも低い濃度のｐ型不純物を含む第２のクラッド層と、
を備える、半導体光素子。
【請求項２】
前記バリア層と前記第１のクラッド層との間に設けられた光閉じ込め層を更に備え、
前記光閉じ込め層のバンドギャップエネルギーは、前記バリア層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、かつ、前記第１のクラッド層のバンドギャップエネルギーよりも小さい、請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項３】
前記第１のクラッドがｐ型不純物を含み、
前記光閉じ込め層がｐ型不純物を含み、
前記第１のクラッドのｐ型不純物濃度は、前記光閉じ込め層のｐ型不純物濃度よりも高く、かつ、前記電子ストッパー層のｐ型不純物濃度よりも低い、請求項２に記載の半導体光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信に用いる半導体レーザ素子は、波長が１．２５μｍ〜１．６５μｍのレーザ光を生成する。このようなレーザ素子では、主にＧａＩｎＡｓＰ系の４元混晶材料を用いた量子井戸構造が活性層として用いられ、またＩｎＰがクラッド層の材料として用いられる。
【０００３】
半導体レーザ素子の高温時の電流−光出力特性を劣化させる要因の一つとして、電子のオーバーフローがある。これは、ｎ型クラッド層から活性層に注入された電子がｐ型クラッド層に抜け、あるいは活性層や光閉じ込め層の電子が熱的に励起されてｐ型クラッド層に漏れてしまい、活性層での再結合による発光に寄与しなくなる現象である。
【０００４】
電子のオーバーフローを防ぐためには、活性層とｐ型クラッド層との間に電子ストッパー層を設けることが考えられる。
【０００５】
下記の非特許文献１及び２には、活性層とｐ型クラッド層の間に挿入された電子ストッパー層が開示されている。電子ストッパー層の材料としては、ＩｎＰよりもバンドギャップエネルギーが大きいＧａＩｎＰやＡｌＧａＩｎＡｓ等の材料が用いられている。
【非特許文献１】Hiroshi Wada他４名、「１．３μｍＡｌＧａＩｎＡｓ−ＩｎＰ量子井戸レーザの温度特性に井戸数が及ぼす影響（Effectsof well Number on Temperature Characteristics in 1.3-μmAlGaInAs-InPQuantum-Well Lasers）」、IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics、第５巻、第３号、４２０−４２７頁、１９９９年
【非特許文献２】Piprek J.他２名、「量子井戸再結合損失が多重量子井戸レーザの内部微分効率に及ぼす影響（Effectsof Quantum Well Recombination Losses on the InternalDifferential Efficiency ofMulti-Quantum-Well Lasers）」、Conference Digest. ISLC1998 NARA. 1998 IEEE 16th International Semiconductor LaserConference、１６７−１６８頁、１９９８年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、本発明者は、ｐ型クラッド層の活性層側にｐ型不純物を高濃度にドープすると、電子の注入効率を上げることができ、電子ストッパー層としての効果があることを見出した。
【０００７】
しかしながら、図６に示されるように、ｐ型不純物の濃度が高いと、熱平衡状態において、電子ストッパー層１１７中のｐ型不純物から電離した正孔が活性層側に移動してしまうことが判明した。これは、活性層側に位置する例えば光閉じ込め層１１６の価電子帯１２６の正孔エネルギーが電子ストッパー層１１７の価電子帯１２６の正孔エネルギーよりも顕著に低いことが原因と考えられる。なお、図６は、電子ストッパー層にｐ型不純物が高濃度にドープされた半導体光素子のバンド図である。
【０００８】
電子ストッパー層１１７中の正孔が光閉じ込め層１１６に移動すると、光閉じ込め層１１６に正電荷が生じる。一方、移動した正孔の電荷量に対応する負電荷が電子ストッパー層１１７に生じる。その結果、光閉じ込め層１１６から電子ストッパー層１１７にかけて電界が生じる。この電界の強さに応じて、電子ストッパー層１１７における光閉じ込め層１１６側の部分のバンド（伝導帯１２７及び価電子帯１２６）が、図６に示すように、電子エネルギーが低くなる方向に曲がってしまう。これにより、より多くの電子が電子ストッパー層１１７を通過してしまう。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、電子のオーバーフローを抑制することができる半導体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】
【００１０】
上述の課題を解決するため、本発明の半導体光素子は、井戸層及びバリア層を含み量子井戸構造を有する活性層と、前記バリア層上に設けられIII−Ｖ族化合物半導体材料からなる第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に設けられｐ型不純物を含む電子ストッパー層と、前記電子ストッパー層上に設けられ前記第１のクラッド層と同一材料からなり、前記電子ストッパー層のｐ型不純物濃度よりも低い濃度のｐ型不純物を含む第２のクラッド層とを備える。
【００１１】
本発明の半導体光素子では、第１のクラッド層が設けられていない場合に比べて、熱平衡状態において、電子ストッパー層中の正孔のうちバリア層側に移動する正孔の数が少なくなる。その理由としては、（１）第１のクラッド層の価電子帯の正孔エネルギーが比較的大きくなっていること、（２）第１のクラッド層によって電子ストッパー層がバリア層から離されていること等が挙げられる。電子ストッパー層からバリア層側に移動する正孔の数が少ないと、電子ストッパー層の電荷の変化が小さくなるので、電子ストッパー層とバリア層との間に印加される電界が小さくなる。よって、電子ストッパー層の伝導帯の曲がりも小さくなるので、電子のオーバーフローを抑制することができる。
【００１２】
また、上記半導体光素子は、前記バリア層と前記第１のクラッド層との間に設けられた光閉じ込め層を更に備え、前記光閉じ込め層のバンドギャップエネルギーは、前記バリア層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、かつ、前記第１のクラッド層のバンドギャップエネルギーよりも小さいことが好ましい。
【００１３】
この場合、第１のクラッド層によって、電子ストッパー層中の正孔のうち光閉じ込め層に移動する正孔の数が少なくなる。また、光閉じ込め層によって光を活性層に閉じ込め易くなるので、光が電子ストッパー層に到達して電子ストッパー層により吸収されることを抑制できる。
【００１４】
また、前記第１のクラッドがｐ型不純物を含み、前記光閉じ込め層がｐ型不純物を含み、前記第１のクラッドのｐ型不純物濃度は、前記光閉じ込め層のｐ型不純物濃度よりも高く、かつ、前記電子ストッパー層のｐ型不純物濃度よりも低いことが好ましい。
【００１５】
この場合、電子ストッパー層と第１のクラッド層とのｐ型不純物濃度の差が小さくなるため電子ストッパー層からの正孔の拡散移動が少なくなり、バンドの曲がりが小さくなる。また、第１のクラッド層の伝導帯の電子エネルギーが比較的大きくなる。よって、第１のクラッド層が電子に対して障壁となるため、電子が光閉じ込め層から第１のクラッド層に移動することが抑制される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、電子のオーバーフローを抑制することができる半導体光素子が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。図１に示される半導体光素子１０としては、例えば半導体レーザ、半導体増幅器等が挙げられる。半導体光素子１０は、ｎ型の半導体基板１２と、半導体基板１２上に設けられたｎ型のクラッド層１３と、クラッド層１３上に設けられたｎ型（又はノンドープ）の光閉じ込め層（ＳＣＨ層ともいう。）１４と、光閉じ込め層１４上に設けられた活性層１５と、活性層１５上に設けられたｐ型（又はノンドープ）の光閉じ込め層１６と、光閉じ込め層１６上に設けられたオフセット層３５（第１のクラッド層）と、オフセット層３５上に設けられたｐ型の電子ストッパー層１７と、電子ストッパー層１７上に設けられたｐ型のクラッド層１８（第２のクラッド層）とを備える。半導体基板１２の裏面上には、ｎ電極２２が設けられている。ｎ電極２２は例えば半導体基板１２の裏面全体に形成される。クラッド層１８上にはｐ電極２１が設けられている。ｐ電極２１は、例えばストライプ状に形成される。あるいは、ストライプ状にエッチングした活性層の両側を電流ブロック層で埋め込んだ電流狭窄構造上にｐ電極２１が形成されてもよい。半導体基板１２とクラッド層１３とは一体であってもよい。また、半導体光素子１０は、光閉じ込め層１４，１６を備えなくてもよい。
【００１９】
半導体基板１２は、例えばＩｎＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体材料からなる。クラッド層１３，１８は例えばＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体材料からなる。活性層１５は、複数の井戸層３１と複数のバリア層３２とが交互に積層された量子井戸構造を有する（多重量子井戸構造）。活性層１５の最外層には、バリア層３２が配置される。よって、光閉じ込め層１４は、クラッド層１３とバリア層３２との間に配置される。また、光閉じ込め層１６は、オフセット層３５とバリア層３２との間に配置される。活性層１５は、１つの井戸層３１を有してもよい（単一量子井戸構造）。井戸層３１は、例えばＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体材料からなる。バリア層３２は、例えばＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体材料からなる。半導体光素子１０から出力される光の波長は、例えば１．２５〜１．６５μｍである。
【００２０】
光閉じ込め層１４，１６は、例えばＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体材料からなる。オフセット層３５は、例えばＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＩｎＧａＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体材料からなる。オフセット層３５はｐ型不純物を含んでもよいし、含まなくてもよい。オフセット層３５がｐ型不純物を含む場合、オフセット層３５のｐ型不純物濃度は、例えば１×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３である。オフセット層３５は、電子ストッパー層１７のｐ型不純物濃度よりも低い濃度のｐ型不純物を含むことが好ましい。オフセット層３５の厚みは、１０〜５００ｎｍであることが好ましい。
【００２１】
電子ストッパー層１７は、例えばＩｎＰ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体材料からなる。電子ストッパー層１７には、高濃度のｐ型不純物がドープされている。電子ストッパー層１７のｐ型不純物濃度は、例えば７×１０１７〜２×１０１９ｃｍ−３である。電子ストッパー層１７の厚みは、２〜１００ｎｍであることが好ましい。
【００２２】
クラッド層１８は、オフセット層３５と同一材料からなる。クラッド層１８は、電子ストッパー層１７のｐ型不純物濃度よりも低い濃度のｐ型不純物を含む。クラッド層１８のｐ型不純物濃度は、例えば１×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３である。
【００２３】
図２は、第１実施形態に係る半導体光素子のバンド図である。図２に示される２６は価電子、２７は伝導帯、黒丸は電子、白丸は正孔を表す。矢印２８及び２９は、それぞれ半導体光素子１０に注入される正孔及び電子の向きを示す。矢印２５は、活性層１５での誘導放出に伴う電子の遷移を示している。
【００２４】
図２に示されるように、井戸層３１のバンドギャップエネルギーは、バリア層３２のバンドギャップエネルギーよりも小さい。光閉じ込め層１４，１６のバンドギャップエネルギーは、バリア層３２のバンドギャップエネルギーよりも大きく、かつ、オフセット層３５のバンドギャップエネルギーよりも小さい。クラッド層１３，１８及び電子ストッパー層１７のバンドギャップエネルギーは、光閉じ込め層１４，１６のバンドギャップエネルギーよりも大きい。電子ストッパー層１７は、電子に対するポテンシャル障壁を形成している。電子ストッパー層１７の伝導帯下端は、オフセット層３５及びクラッド層１８の伝導帯下端よりも高い。電子ストッパー層１７の価電子帯上端は、オフセット層３５及びクラッド層１８の価電子帯上端よりも高い。なお、電子ストッパー層１７の価電子帯上端は、オフセット層３５及びクラッド層１８の価電子帯上端より低くてもよい。
【００２５】
本実施形態の半導体光素子１０では、オフセット層３５が設けられていない場合に比べて、熱平衡状態において、電子ストッパー層１７中の正孔のうち光閉じ込め層１６側に拡散等により移動する正孔の数が少なくなる。その理由としては、（１）オフセット層３５の価電子帯の正孔エネルギーが比較的大きくなっていること、（２）オフセット層３５によって電子ストッパー層１７が光閉じ込め層１６から離されていること等が挙げられる。電子ストッパー層１７から光閉じ込め層１６側に移動する正孔の数が少ないと、電子ストッパー層１７の電荷の変化が小さくなるので、電子ストッパー層１７と光閉じ込め層１６との間に印加される電界が小さくなる。よって、電子ストッパー層１７の伝導帯の曲がりも小さくなるので、電子のオーバーフローを抑制することができる。さらに、電子ストッパー層１７の価電子帯が正孔エネルギーの大きな方向へ曲がることを抑制できるので、活性層１５への正孔の注入効率を向上させることができる。したがって、半導体光素子１０が発光素子の場合には、半導体光素子１０の光出力を大きくすることができる。半導体光素子１０の光出力は、８５℃といった高温環境下においても低下し難い。
【００２６】
また、半導体光素子１０が光閉じ込め層１４，１６を備える場合、光閉じ込め層１４，１６によって光を活性層１５に閉じ込め易くなるので、光が電子ストッパー層１７に到達して電子ストッパー層１７により吸収されることを抑制できる。
【００２７】
また、オフセット層３５がｐ型不純物を含み、オフセット層３５のｐ型不純物濃度が光閉じ込め層１６のｐ型不純物濃度よりも高く、かつ、電子ストッパー層１７のｐ型不純物濃度よりも低いことが好ましい。この場合、電子ストッパー層１７とオフセット層３５とのｐ型不純物濃度の差が小さくなるため電子ストッパー層１７からの正孔の拡散移動が少なくなり、バンドの曲がりが小さくなる。また、オフセット層３５がノンドープの場合に比べて、オフセット層３５の伝導帯の電子エネルギーが比較的大きくなる。よって、オフセット層３５が電子に対して障壁となるため、電子が光閉じ込め層１６からオフセット層３５に移動することが抑制される。
【００２８】
また、オフセット層３５の厚みは、１０〜５００ｎｍであることが好ましい。オフセット層３５の厚みが１０ｎｍ未満であると、電子ストッパー層１７中の正孔が光閉じ込め層１６に移動し易くなることによって、電子ストッパー層１７の伝導帯の曲がりが大きくなる傾向にある。一方、オフセット層３５の厚みが５００ｎｍを超えると、オフセット層３５中においてキャリアの再結合が生じることによって、半導体光素子１０の発光効率が低下する傾向にある。
【００２９】
図３は、第１実施形態に係る半導体光素子の電流−光出力特性（ＩＬ特性）の一例を模式的に示すグラフである。図３中、縦軸は光出力を表し、横軸は電流を表す。図３中、実線Ｇ１は、半導体光素子１０のＩＬ特性を示す。実践Ｇ２は、オフセット層３５を備えないこと以外は半導体光素子１０と同様の構成を有する半導体光素子のＩＬ特性を示す。図３に示されるように、レーザ発振の閾値電流Ｉｔｈより大きい電流において、オフセット層３５を備えることによって半導体光素子の光出力が大きくなることが分かる。
【００３０】
本実施形態に係る半導体光素子の構成例１及び２を以下に示す。
【００３１】
（構成例１）
・クラッド層１８：ｐ−ＩｎＰ層
・電子ストッパー層１７：ｐ−ＩｎＰ層又はｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓ層
・オフセット層３５：ｐ−ＩｎＰ層
・光閉じ込め層１６：ｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓ層
・井戸層３１：ＡｌＧａＩｎＡｓ層
・バリア層３２：ＡｌＧａＩｎＡｓ層
・光閉じ込め層１４：ｎ−ＡｌＧａＩｎＡｓ層
・クラッド層１３：ｎ−ＩｎＰ層
・半導体基板１２：ｎ−ＩｎＰ基板
【００３２】
（構成例２）
・クラッド層１８：ｐ−ＩｎＰ層
・電子ストッパー層１７：ｐ−ＩｎＰ層
・オフセット層３５：ｐ−ＩｎＰ層
・光閉じ込め層１６：ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ層
・井戸層３１：ＧａＩｎＡｓＰ層
・バリア層３２：ＧａＩｎＡｓＰ層
・光閉じ込め層１４：ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ層
・クラッド層１３：ｎ−ＩｎＰ層
・半導体基板１２：ｎ−ＩｎＰ基板
【００３３】
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。図５は、第２実施形態に係る半導体光素子のバンド図である。図４に示される半導体光素子１０ａとしては、半導体光素子１０と同様のものが挙げられる。半導体光素子１０ａは、ｐ型の半導体基板１２ａと、半導体基板１２ａ上に設けられたｐ型のクラッド層１８（第２のクラッド層）と、クラッド層１８上に設けられたｐ型の電子ストッパー層１７と、電子ストッパー層１７上に設けられたオフセット層３５（第１のクラッド層）と、オフセット層３５上に設けられたｐ型（又はノンドープ）の光閉じ込め層１６と、光閉じ込め層１６上に設けられた活性層１５と、活性層１５上に設けられたｎ型（又はノンドープ）の光閉じ込め層１４と、光閉じ込め層１４上に設けられたｎ型のクラッド層１３とを備える。半導体基板１２ａの裏面上には、ｐ電極２１が設けられている。ｐ電極２１は例えば半導体基板１２ａの裏面全体に形成される。クラッド層１３上にはｎ電極２２が設けられている。ｎ電極２２は、例えばストライプ状に形成される。半導体基板１２ａとクラッド層１８とは一体であってもよい。また、半導体光素子１０ａは、光閉じ込め層１４，１６を備えなくてもよい。半導体基板１２ａは、例えばＩｎＰ等のIII−Ｖ族化合物半導体材料からなる。
【００３４】
本実施形態の半導体光素子１０ａでは、半導体光素子１０と同様の作用効果が得られる。よって、半導体光素子１０ａでは、電子のオーバーフローを抑制することができる。
【００３５】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】第１実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。
【図２】第１実施形態に係る半導体光素子のバンド図である。
【図３】第１実施形態に係る半導体光素子の電流−光出力特性（ＩＬ特性）の一例を模式的に示すグラフである。
【図４】第２実施形態に係る半導体光素子を模式的に示す断面図である。
【図５】第２実施形態に係る半導体光素子のバンド図である。
【図６】電子ストッパー層にｐ型不純物が高濃度にドープされた半導体光素子のバンド図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０，１０ａ…半導体光素子、１４，１６…光閉じ込め層、１５…活性層、１７…電子ストッパー層、１８…第２のクラッド層、３１…井戸層、３２…バリア層、３５…オフセット層（第１のクラッド層）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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