(57)【要約】【課題】酸化物半導体超格子構造において障壁層からのアルカリ金属の拡散を抑制した急峻な界面を有するヘテロ超格子構造を提供し、これを用いた効率の高いサブバンド間遷移デバイスを提供する。【解決手段】本発明にかかる酸化物半導体超格子は、酸化亜鉛系半導体井戸層（たとえばＺｎＯ井戸層１１）とＩＡ族アルカリ金属を含有する酸化物障壁層（たとえばＬｉＧａＯ２障壁層１２）を含むものであり、該酸化亜鉛系半導体井戸層中にリン、ホウ素の少なくともいずれかが添加されていることを特徴とする。また、本発明にかかる酸化物半導体超格子は、上記酸化亜鉛系半導体井戸層と上記酸化物障壁層の間にリン酸化物層またはホウ素酸化物層が形成されていることを特徴とする。【選択図】　　　　図１
2004047607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化亜鉛系半導体井戸層と、ＩＡ族アルカリ金属を含有する酸化物障壁層を含む酸化物半導体超格子であって、該酸化亜鉛系半導体井戸層中にリン、ホウ素の少なくともいずれかが添加されていることを特徴とする酸化物半導体超格子。
【請求項２】
添加されているリンとホウ素を加えた濃度が１×１０１５個／ｃｍ３以上１×１０２０個／ｃｍ３以下である請求項１に記載の酸化物半導体超格子。
【請求項３】
酸化亜鉛系半導体井戸層と、ＩＡ族アルカリ金属を含有する酸化物障壁層を含む酸化物半導体超格子であって、該酸化亜鉛系半導体井戸層と該酸化物障壁層の間にリン酸化物層またはホウ素酸化物層が形成されていることを特徴とする酸化物半導体超格子。
【請求項４】
リン酸化物層を構成するリン酸化物が、Ｐ２Ｏ５なる組成を有する請求項３記載の酸化物半導体超格子。
【請求項５】
ホウ素酸化物層を構成するホウ素酸化物が、Ｂ２Ｏ３なる組成を有する請求項３記載の酸化物半導体超格子。
【請求項６】
リン酸化物層またはホウ素酸化物層の厚みが、１分子層以上１０ｎｍ以下である請求項３〜請求項５のいずれかに記載の酸化物半導体超格子。
【請求項７】
リン、ホウ素の少なくともいずれかが添加されている酸化亜鉛系半導体井戸層と、ＩＡ族アルカリ金属を含有する酸化物障壁層を含む酸化物半導体超格子構造によって形成されるキャリア注入層および発光層を具備し、該キャリア注入層に形成されるミニバンドから該発光層内の第２サブバンドへキャリアを注入し、該キャリアが該発光層内中の第１サブバンドへ緩和することによって発光を得ることを特徴とするデバイス。
【請求項８】
酸化亜鉛系半導体井戸層と、ＩＡ族アルカリ金属を含有する酸化物障壁層と、該酸化亜鉛系井戸層と該酸化物障壁層の間に形成されるリン酸化物層またはホウ素酸化物層を含む酸化物半導体超格子構造によって形成されるキャリア層および発光層を具備し、前記キャリア注入層に形成されるミニバンドから該発光層内の第２サブバンドへキャリアを注入し、該キャリアが該発光層内中の第１サブバンドへ緩和することによって発光を得ることを特徴とするデバイス。
【請求項９】
リン、ホウ素の少なくともいずれかが添加されている酸化亜鉛系半導体井戸層と、ＩＡ族アルカリ金属を含有する酸化物障壁層を含む酸化物半導体超格子構造によって形成されるキャリア注入層および受光層を具備し、該キャリア注入層に形成されるミニバンドから該受光層内の第１サブバンドへキャリアを注入し、該キャリアが該受光層内で光吸収により第２サブバンドへ励起することによって光電流を誘起することを特徴とするデバイス。
【請求項１０】
酸化亜鉛系半導体井戸層と、ＩＡ族アルカリ金属を含有する酸化物障壁層と、該酸化亜鉛系井戸層と該酸化物障壁層の間に形成されるリン酸化物層またはホウ素酸化物層を含む酸化物半導体超格子構造によって形成されるキャリア層および受光層を具備し、該キャリア注入層に形成されるミニバンドから該受光層内の第１サブバンドへキャリアを注入し、該キャリアが該受光層内で光吸収により第２サブバンドへ励起することによって光電流を誘起することを特徴とするデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物で形成される井戸層および障壁層を含む半導体超格子およびそれを用いたデバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、量子井戸のサブバンド間遷移を利用した新しい半導体レーザについて多くの研究がされている。サブバンド間遷移レーザは、理論的に光学利得および特性温度が非常に大きいことから、波長変動および線幅の増大が抑制できる等の利点を有し、従来のバンド間遷移レーザの限界を超える可能性を秘めており、産業利用への期待が大きい。
【０００３】
サブバンド間遷移レーザは、井戸幅が遷移エネルギーを決める重要な因子となるため、厳密な層厚みの制御に有利な分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法により作製されることが多い。また、構成材料としては、微細な超格子構造作製手法が確立しているＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、たとえば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ等が用いられる。
【０００４】
しかし、これらＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で構成された超格子構造は、井戸層と障壁層のバンドギャップ差および伝導帯バンドオフセット（ΔＥｃ）が小さいため、遷移エネルギーを大きくとれず発振波長は数μｍの中〜長赤外領域に限られてきた。これに対し、ＩＩＩ族窒化物半導体は、ＩｎＮ（１．８９ｅＶ）からＡｌＮ（６．２ｅＶ）まで組成比によってバンドギャップが大きく変化し、またＧａＮ／ＡｌＮのヘテロ接合ではΔＥｃ＝０．７３ｅＶと大きいため、可視光波長領域のサブバンド間遷移レーザが実現できる。ところが、障壁層としてＡｌＮ混晶を用いた場合、Ａｌの酸化されやすさおよび結晶成長の困難さから結晶性の良好な超格子構造を形成することは難しい。
【０００５】
一方、ＩＩ−ＶＩ族酸化物半導体である酸化亜鉛（ＺｎＯ）は、ＧａＮと同じく紫外領域に相当するバンドギャップ（約３．２ｅＶ）を有する直接遷移型半導体であり、励起子結合エネルギーが６０ｍｅＶと極めて高く、ＧａＮを超える高効率かつ低消費電力の発光デバイスを実現できる。
【０００６】
我々は、上述したＧａＮ系サブバンド間遷移レーザの問題を解決すべく、ＺｎＯ、Ｍｇ１−ｘＺｎｘＯまたはＣｄ１−ｘＺｎｘＯ等の酸化亜鉛系半導体に格子整合する絶縁体障壁材料としてＡＢＯ２なる構成の斜方晶構造を有する酸化物絶縁体が有効であることを見出し、ＺｎＯ上にＬｉＧａＯ２単結晶薄膜をエピタキシャル成長させることに成功した（廣瀬他、第６２回応用物理学会学術講演会予稿集　１１ａ−Ｐ１−２９）。ここで、元素ＡはＬｉ、ＮａまたはＫの少なくともいずれかを含有し、かつ、元素ＢはＡｌまたはＧａの少なくともいずれかを含有する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のＡＢＯ２絶縁体に構成元素として含まれるＩＡ族アルカリ金属は、イオン半径が小さく酸化亜鉛中での拡散係数が大きいため、結晶成長中に酸化亜鉛系井戸層中に拡散しやすいという問題を有する。特に、超格子構造においては井戸層厚みが小さいため、上記アルカリ金属の拡散によってヘテロ界面の急峻性が損なわれ、量子効果の低減、絶縁性の劣化または超格子構造の無秩序化等が問題となっていた。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、酸化亜鉛（ＺｎＯ）系超格子構造において障壁層からのアルカリ金属の拡散を抑制した急峻な界面を有するヘテロ超格子構造を提供し、これを用いた効率の高いサブバンド間遷移デバイスを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる第１の酸化物半導体超格子は、酸化亜鉛系半導体井戸層と、ＩＡ族アルカリ金属を含有する酸化物障壁層を含む酸化物半導体超格子であって、該酸化亜鉛系井戸層中にリン、ホウ素の少なくともいずれかが添加されていることを特徴とする。また、本発明にかかる第２の酸化物半導体超格子は、酸化亜鉛系半導体井戸層と、ＩＡ族アルカリ金属を含有する酸化物障壁層を含む酸化物半導体超格子であって、該酸化亜鉛系井戸層と該酸化物障壁層の間にリン酸化物層またはホウ素酸化物層が形成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、上記目的を達成するため、本発明にかかる第１の酸化物半導体超格子または第２の酸化物半導体超格子を用いた第１または第２のデバイスは、第１の酸化物半導体超格子構造または第２の酸化物半導体超格子構造によって形成されるキャリア注入層および発光層を具備し、該キャリア注入層に形成されるミニバンドから該発光層内の第２サブバンドへキャリアを注入し、該キャリアが該発光層内中の第１サブバンドへ緩和することによって発光を得ることを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明にかかる第１の酸化物半導体超格子または第２の酸化物半導体超格子を用いた第３または第４のデバイスは、第１の酸化物半導体超格子構造または第２の酸化物半導体超格子構造によって形成されるキャリア注入層および受光層を具備し、該キャリア注入層に形成されるミニバンドから該受光層内の第１サブバンドへキャリアを注入し、該キャリアが該受光層内で光吸収により第２サブバンドへ励起することによって光電流を誘起することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる第１の酸化物半導体超格子は、酸化亜鉛系半導体井戸層と、ＩＡ族アルカリ金属を含有する酸化物障壁層を含む酸化物半導体超格子であって、該酸化亜鉛系井戸層中にリンまたはホウ素の少なくともいずれかが添加されている。ここで、超格子とは、２種類の半導体をキャリア（たとえば電子）の位相コヒーレント距離（〜１０ｎｍ）以下の厚さで交互に並べた多数の量子井戸によって形成される人工的な構造をいう。電子に対して位相コヒーレント距離以下の閉じ込めを行なうと、電子はバルク半導体に比較してエネルギー順位が離散化し、状態密度に変化が生じる等量子効果を示す。
【００１３】
該酸化亜鉛系井戸層に添加されたリンまたはホウ素の酸化物がアルカリ金属の拡散を抑制するため、ヘテロ超格子構造の界面が急峻になる。なお、リンはＶ族元素であるが、酸化亜鉛半導体中では自己補償効果のためにｐ型伝導を示さず、アルカリ金属拡散を抑制することにのみ寄与する。この点で、価電子制御のためのアクセプタ不純物とは異なる。
【００１４】
また、井戸層に添加されているリンとホウ素を加えた濃度が１×１０１５個／ｃｍ３以上１×１０２０個／ｃｍ３以下であることが好ましい。添加濃度がかかる範囲内であれば、アルカリ金属の拡散を抑制するのに十分であり、かつ、ＺｎＯ系半導体井戸層の結晶性を損なわないからである。
【００１５】
井戸層へのリンまたはホウ素の添加の方法については、特に制限がないが、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法において原料ターゲットとしてＺｎＯ単結晶とリンまたはホウ素の燒結体を用いて一定比でアブレーションさせることにより、井戸層の形成と同時に添加していくことが好ましい。均一に添加でき、かつ、井戸層の結晶性を損なわないからである。
【００１６】
本発明にかかる第２の酸化物超格子は、酸化亜鉛系半導体井戸層と、ＩＡ族アルカリ金属を含有する酸化物障壁層を含む酸化物半導体超格子であって、該酸化亜鉛系井戸層と該酸化物障壁層の間にリン酸化物層またはホウ素酸化物層が形成されている。第２の酸化物超格子は、アルカリ金属の拡散を抑制するリン酸化物またはホウ素酸化物が井戸層の界面にのみ形成されているので、均一添加された第１の酸化物超格子に比べさらに井戸層の結晶性が損なわれない。
【００１７】
上記第２の酸化物超格子において、リン酸化物層を構成するリン酸化物がＰ２Ｏ５なる組成を有すること、または、ホウ素酸化物層を構成するホウ素酸化物がＢ２Ｏ３なる組成を有することは好ましい形態である。Ｐ２Ｏ５は三方晶系、Ｂ２Ｏ３は六方晶系、またＺｎＯは六方晶系の結晶構造をとるため、ＺｎＯ系半導体井戸層および酸化物障壁層との親和性に優れるからである。
【００１８】
また、上記第２の酸化物超格子において、リン酸化物層またはホウ素酸化物層の厚みが、１分子層以上１０ｎｍ以下であることが好ましい形態である。アルカリ金属の拡散の抑制に十分な厚みであるとともに、エピタキシャル成長されるＺｎＯ系半導体井戸層の結晶性を損なうことが無いからである。
【００１９】
本発明にかかる第１の酸化物半導体超格子または第２の酸化物半導体超格子を用いた第１または第２のデバイスは、第１の酸化物半導体超格子構造または第２の酸化物半導体超格子構造によって形成されるキャリア注入層および発光層を具備し、該キャリア注入層に形成されるミニバンドから該発光層内の第２サブバンドへキャリアを注入し、該キャリアが該発光層内中の第１サブバンドへ緩和することによって発光を得る。かかる構成により、第１デバイスは、井戸層中に添加されたリンまたはホウ素の酸化物がアルカリ金属の拡散を抑制することによるヘテロ超格子構造の界面の急峻化によって特性の優れたサブバンド間遷移レーザとなり、第２デバイスは、アルカリ金属の拡散を抑制するリン酸化物またはホウ素酸化物が井戸層の表面にのみ形成されているので、井戸層の特性を損なわない界面急峻性に優れたサブバンド間遷移レーザとなる。
【００２０】
本発明にかかる第１の酸化物半導体超格子または第２の酸化物半導体超格子を用いた第３または第４のデバイスは、第１の酸化物半導体超格子構造または第２の酸化物半導体超格子構造によって形成されるキャリア注入層および受光層を具備し、該キャリア注入層に形成されるミニバンドから該受光層内の第１サブバンドへキャリアを注入し、該キャリアが該受光層内で光吸収により第２サブバンドへ励起することによって光電流を誘起する。第３デバイスは、井戸層中に添加されたリンまたはホウ素の酸化物、第４デバイスは井戸層の表面に形成されたリン酸化物層またはホウ素酸化物のアルカリ金属の拡散抑制により、界面急峻性に優れた受光素子となる。
【００２１】
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。
（実施形態１）
第１の酸化物半導体超格子の１実施形態の超格子構造（ａ）と伝導帯バンドダイヤグラム（ｂ）を図１に示す。本実施形態におけるＺｎＯ／ＬｉＧａＯ２超格子１０は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ井戸層１１と、厚さ５ｎｍのＬｉＧａＯ２障壁層１２とが交互に積層され、ＺｎＯ井戸層１１には、リンが１×１０１６個／ｃｍ３の濃度で均一に添加されている。
【００２２】
かかる超格子構造は、レーザ分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法によって作製した。図２に、本実施形態において用いたレーザ分子線エピタキシ装置の概略図を示す。超高真空に排気可能な成長室２０１の上部に基板ホルダー２０２が設置され、該基板ホルダー２０２に基板２０３が固定されている。基板ホルダー２０２の上部に設置されたヒータ２０４により基板ホルダー２の裏面が加熱され、その熱伝導により基板２０３が加熱される。基板ホルダー直下には適当な距離を置いてターゲットテーブル２０５が配置され、該ターゲットテーブル２０５上には原料ターゲット２０６が複数配置できる。
【００２３】
当該原料ターゲット２０６の表面は、ビューポート２０７を通じ照射されるパルスレーザ光２０８によりアブレーションされ、瞬時に蒸発した原料ターゲット２０６の原料が基板２０３上に堆積することにより薄膜が成長する。該ターゲットテーブル２０５は、回転機構を有し、パルスレーザ光２０８の照射シーケンスに同期して回転を制御することにより、異なるターゲット原料を薄膜上に積層することが可能となる。成長室２０１には、複数のガスを導入できるようガス導入管２１０が複数設けられ、ラジカル源２０９によって活性化された原子状ビーム（たとえば、Ｏラジカル等）を基板に照射することも可能である。
【００２４】
本実施形態においては、基板２０３としてＺｎＯと格子整合するＳｃＡｌＭｇＯ４を用いた。基板加熱はヒータ２０４としてＮｄ：ＹＡＧレーザ（波長：１０６４ｎｍ）を用い、基板ホルダー２０２裏面でのスポット径および照射位置を制御して、基板２０３全体を均一に加熱し、４００℃にした。薄膜形成中には、１．３３×１０−３Ｐａとなるように導入した。また、ＺｎＯ井戸層１１は、リンをＰ２Ｏ５の形で０．１原子％添加したＺｎＯ燒結体（純度９９．９９％）および水熱合成法により作製された市販のノンドープＺｎＯ単結晶（純度９９．９９９９％）を原料ターゲットとして用いた。以下、前者を燒結体ターゲット、後者を単結晶ターゲットという。
【００２５】
本実施形態においては、原料ターゲットの溶発（アブレーション；ａｂｌａｔｉｏｎ）を行なうパルスレーザにはＫｒＦエキシマレーザ（波長：２４８ｎｍ、パルス数：１０Ｈｚ、出力：０．９ｍＪ／ｃｍ２）を用い、回転機構によるターゲットテーブルの駆動周期とＫｒＦエキシマレーザのパルス照射周期を外部制御装置（図示せず）によって同期させ、燒結体ターゲットおよび単結晶ターゲットを交互にアブレーションした。
【００２６】
図３に、本実施形態の原料供給シーケンスの一例を示す。（ａ）はノンドープＺｎＯ単結晶ターゲットのアブレーションシーケンスを示し、（ｂ）はＰ２Ｏ５を添加したＺｎＯ燒結体ターゲットのアブレーションシーケンスを示している。ＺｎＯを１分子層が成長するアブレーション周期内にリン燒結体添加ターゲットを１度以上アブレーションするようにアブレーション比を設定すれば、リンは薄膜内に均一添加される。本実施形態においては、ＺｎＯ堆積速度はエキシマレーザ１パルス当たり０．０１ｎｍであった。したがって、ＺｎＯ単位セル高さは約０．５ｎｍであることから、１シーケンス当たりのアブレーション比が４９以下であれば、ＺｎＯ単位分子層中にはかならずリンが含まれる。
【００２７】
一方、ＬｉＧａＯ２障壁層１２については、ＬｉＧａＯ２単結晶を原料ターゲットとして用いた。
【００２８】
図４に、調製した１０周期のＺｎＯ／ＬｉＧａＯ２超格子１０のフォトルミネッセンス（Ｐｈｏｔｏ　Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ；以下ＰＬと略記する）励起スペクトルならびに、比較例としてリンを添加しないＺｎＯ井戸層を用いたＺｎＯ／ＬｉＧａＯ２超格子のＰＬ励起スペクトルを図示した。比較例のＰＬ励起スペクトルがブロードで発光強度も弱い。これは、ＬｉＧａＯ２障壁層からＬｉ原子がＺｎＯ井戸層中に拡散し、ヘテロ超格子構造の急峻性が損なわれたためと考えられる。これに対し、本実施形態のＰＬ励起スペクトルでは、伝導帯−価電子帯量子準位間の遷移に対応する急峻な発光が見られた。これは、ＺｎＯ井戸層中に均一添加したリンが、ＬｉＧａＯ２障壁層からのＬｉ原子拡散を抑制し、急峻なヘテロ超格子界面を保ったためと考えられる。
【００２９】
ＺｎＯ井戸層内におけるリンの存在形態は定かではないが、恐らくリン酸化物の形で存在しているものと思われる。また、リンはＶ族元素であるが、ＺｎＯ井戸層のｐ型化は認められなかった。
【００３０】
なお、リンをホウ素に変えて同様の検討を行なったところ、実施形態１と同様にＬｉの拡散抑止効果が認められた。
【００３１】
（実施形態２）
第２の酸化物半導体超格子の１実施形態の超格子構造を図５に示す。本実施形態における（Ｐ２Ｏ５／）ＺｎＯ／（Ｐ２Ｏ５／）ＬｉＧａＯ２超格子５０は、厚さ５ｎｍのＺｎＯ井戸層５１と、厚さ５ｎｍのＬｉＧａＯ２障壁層５２とが交互に積層され、その間に厚さ０．５ｎｍのＰ２Ｏ５層５３が形成されている。
【００３２】
本実施形態の超格子構造は、実施形態１と同様にレーザ分子線エピタキシ（ＭＢＥ）装置によって調製した。Ｐ２Ｏ５層５３は、Ｐ２Ｏ５燒結体を原料ターゲットとして用いた。
【００３３】
本実施形態の１０周期の（Ｐ２Ｏ５／）ＺｎＯ／（Ｐ２Ｏ５／）ＬｉＧａＯ２超格子５０のＰＬ励起スペクトルの発光特性は、実施形態１と同様に急峻な伝導帯−価電子帯量子準位間に対応する発光となったが、その発光強度は実施形態１に比べて２倍となった。これは、アルカリ金属の拡散を抑制するリン酸化物がＺｎＯ井戸層の界面のみに形成されているため、より効果的にＬｉＧａＯ２障壁層からのＬｉの拡散を防止できること、また均一ドープに比べＺｎＯ井戸層の特性を損なわないことに由来するものと考えられる。
【００３４】
（実施形態３）
第１の酸化物半導体超格子を用いた第１のデバイスの一実施形態である量子カスケードレーザの構造概略（ａ）およびその主要部の作動時の伝導帯バンドダイヤグラム（ｂ）を図６に示す。本実施形態における量子カスケードレーザは、ＳｃＡｌＭｇＯ４基板６００上に、第１クラッド層６０１、活性領域６０２、および第２クラッド層６０３が形成され、前記ＳｃＡｌＭｇＯ４基板６００の下面と第２クラッド層６０３の上面にオーミック電極６０４および６０５が形成されている。
【００３５】
ここで、第２クラッド層６０３上面に形成したオーミック電極６０５は、幅５μｍのストライプ状に形成されている。第１クラッド層６０１および第２クラッド層６０３は、Ｇａを３×１０１７個／ｃｍ３ドープしたＭｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ（バンドギャップ３．７ｅＶ）を用いた。活性領域６０２は、ＺｎＯ／ＬｉＧａＯ２ヘテロ超格子構造よりなるキャリア注入層６１０およびＺｎＯ／ＬｉＧａＯ２よりなる３重量子井戸活性層６１１によって構成され、該キャリア注入層６１０と該３重量子井戸活性層６１１の積層構造が２０周期繰り返し積層されている。２周期以降のキャリア注入層６１０は、前周期の３重量子井戸活性層６１１のキャリア抜き出し層を兼ねており、積層構造の最後として、２０周期目の３重量子井戸活性層６１１の後ろにキャリア抜き出し層が付加されている。
【００３６】
各ＺｎＯ井戸層の厚み設定により、所定のバイアス電圧印加時において、キャリア注入層６１０内に形成される伝導帯ミニバンド６２１の下端が３重量子井戸層６１１における１番目の量子井戸層６６１のサブバンド６３１に共鳴し、該サブバンド６３１が２番目の量子井戸層６６２の量子準位が高いサブバンド（以下、第２サブバンドという）６４２に共鳴し、２番目の量子井戸層６６２の量子準位が低いサブバンド（以下、第１サブバンドという）６４１が３番目の量子井戸層サブバンド６５１に共鳴し、３番目の量子井戸層６６３のサブバンド６５１が次に続くキャリア注入層６１０のミニバンド６２２上端と共鳴するように設計する。このようにして、２０周期全てのサブバンドが上記構成のトンネル共鳴で接続される。
【００３７】
また、１番目の量子井戸層幅よび３番目の量子井戸層幅は、第１サブバンドのみでカットオフされ、２番目の量子井戸幅は、第１サブバンドおよび第２サブバンドを形成するように、２番目の量子井戸における第１サブバンド６４１と第２サブバンド６４２とのエネルギー準位差が０．８ｅＶ（１．５５μｍの波長に相当）となるように設定した。なお、すべてのＺｎＯ量子井戸層にはリンを１×１０１６個／ｃｍ３添加した。
【００３８】
上記積層構造体を導波波長が５５０μｍとなるように加工し、端面に共振器ミラーを形成してオーミック電極６０４およびオーミック電極６０５の間に電流を流したところ、キャリア注入層６１０内のミニバンド６２１から３重量子井戸層６１１に注入されたキャリアが、２番目の量子井戸層６６２の第２サブバンド６４２にトンネリングした後、第１サブバンド６４１へ緩和し、波長１．５５μｍの誘導放出光が得られた。一方、比較例として調製したリンを添加しないＺｎＯ井戸層を用いた量子カスケードレーザでは、誘導放出光は得られなかった。
【００３９】
本実施形態は、超格子構造によって形成されるミニバンドからキャリアを注入し、３重量子井戸層中の２つのサブバンド間でのキャリア緩和についてのものであるが、キャリアの注入手法、サブバンドの選択および緩和過程はこれに限定されるものでなく、ＺｎＯ井戸層にリンまたはリン酸化物を添加することにより、障壁層からのアルカリ金属の拡散を抑制するので、急峻なヘテロ界面を有する特性に優れたサブバンド間遷移レーザを調製できる。なお、本発明にかかるヘテロ超格子構造を用いたデバイスは、本実施形態の量子カスケードレーザのみならず、受光素子や光−光スイッチ等へ適用することができる。
【００４０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。
【００４１】
【発明の効果】
本発明にかかる第１の酸化物半導体超格子は、酸化亜鉛系半導体井戸層と、ＩＡ族アルカリ金属を含有する酸化物障壁層を含む酸化物半導体超格子であって、該酸化亜鉛系井戸層中にリン、ホウ素の少なくともいずれかが添加されているため、障壁層からのアルカリ金属の拡散を抑制でき、ヘテロ超格子構造の界面を急峻に保ち電気特性に優れた素子が調製できる。
【００４２】
また、本発明にかかる第２の酸化物半導体超格子は、酸化亜鉛系半導体井戸層と、ＩＡ族アルカリ金属を含有する酸化物障壁層を含む酸化物半導体超格子であって、該酸化亜鉛系井戸層と該酸化物障壁層の間にリン酸化物層またはホウ素酸化物層が形成されているため、障壁層からのアルカリ金属の拡散を抑制でき、ヘテロ超格子構造の界面を急峻に保つとともに、上記第１の酸化物半導体超格子に比べ酸化亜鉛系井戸層の特性を損なわないことから、より電気特性に優れた素子が調製できる。
【００４３】
また、本発明にかかる第１の酸化物半導体超格子または第２の酸化物半導体超格子を用いた第１または第２のデバイスは、第１の酸化物半導体超格子構造または第２の酸化物半導体超格子構造によって形成されるキャリア注入層および発光層を具備し、該キャリア注入層に形成されるミニバンドから該発光層内の第２サブバンドへキャリアを注入し、該キャリアが該発光層内中の第１サブバンドへ緩和することによって発光を得るため、ヘテロ超格子構造の界面急峻性に優れたサブバンド間遷移レーザを調製できる。
【００４４】
さらに、本発明にかかる第１の酸化物半導体超格子または第２の酸化物半導体超格子を用いた第３または第４のデバイスは、第１の酸化物半導体超格子構造または第２の酸化物半導体超格子構造によって形成されるキャリア注入層および受光層を具備し、該キャリア注入層に形成されるミニバンドから該受光層内の第１サブバンドへキャリアを注入し、該キャリアが該受光層内で光吸収により第２サブバンドへ励起することによって光電流を誘起するため、ヘテロ超格子構造の界面急峻性に優れた受光素子が調製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる酸化物半導体超格子の一実施形態の超格子構造図（ａ）と伝導帯バンドダイヤグラム図（ｂ）である。
【図２】本発明にかかる酸化物半導体超格子を調製するためのレーザ分子線エピタキシ装置の概略図である。
【図３】本発明にかかる酸化物半導体超格子の一実施形態における原料供給シーケンスの一例図である。
【図４】本発明にかかる酸化物半導体超格子の一実施形態のＰＬスペクトル図である。
【図５】本発明にかかる酸化物半導体超格子の別の一実施形態の超格子構造図である。
【図６】本発明にかかるデバイスの一実施形態である発光素子の素子構造図（ａ）およびその主要部の作動時の伝導帯バンドダイヤグラム図（ｂ）である。
【符号の説明】
１０　ＺｎＯ／ＬｉＧａＯ２超格子、１１　ＺｎＯ井戸層、１２　ＬｉＧａＯ２障壁層、１３　リン添加領域、３１　ターゲットテーブル回転時間、５０　（Ｐ２Ｏ５／）ＺｎＯ／（Ｐ２Ｏ５／）ＬｉＧａＯ２超格子、５１　ＺｎＯ井戸層、５２ＬｉＧａＯ２障壁層、５３　Ｐ２Ｏ５層、２０１　成長室、２０２　基板ホルダー、２０３　基板、２０４　ヒータ、２０５　ターゲットテーブル、２０６　原料ターゲット、２０７　ビューポート、２０８　パルスレーザ光、２０９　ラジカル源、２１０　ガス導入管、６００　ＳｃＡｌＭｇＯ４基板、６０１　Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ第１クラッド層、６０２　活性領域、６０３　Ｍｇ０．２Ｚｎ０．８Ｏ第２クラッド層、６０４　オーミック電極、６０５　オーミック電極、６１０　キャリア注入層、６１１　量子井戸活性層、６２１　ミニバンド、６２２　ミニバンド、６３１　サブバンド、６４１　第１サブバンド、６４２　第２サブバンド、６５１　サブバンド、６６１　第１量子井戸層、６６２　第２量子井戸層、６６３　第３量子井戸層。
【図１】
2004047607.tif 000003
【図２】
2004047607.tif 000004
【図３】
2004047607.tif 000005
【図４】
2004047607.tif 000006
【図５】
2004047607.tif 000007
【図６】
2004047607.tif 000008