(57)【要約】【課題】注入層となる量子障壁層において高い電流密度で電子注入を行うことが可能な半導体積層体、及びそれを用いた量子カスケードレーザを提供する。【解決手段】発光層となる半導体超格子層１００、１１０、１２０、…と、注入層となる多重障壁層２００、２１０、…とを交互に積層することにより、量子カスケードレーザの活性層として適用可能なカスケード構造を有する半導体積層体を構成する。超格子層１００は、ＡｌＮ２原子層からなる障壁層１０１、及びＧａＮ４原子層からなる井戸層１０６が交互に積層された５周期の超格子構造を有する。また、多重障壁層２００は、ＡｌＮ９原子層からなる障壁層２０１、ＧａＮ２原子層からなる井戸層２０６、及びＡｌＮ９原子層からなる障壁層２０２が順に積層された構造を有する。【選択図】  図１
2004311466.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ１原子層のＡｌＮ層またはＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０＜ｘ＜１）からなるｍ−１層の障壁層、及びｎ２原子層のＧａＮ層からなるｍ層の井戸層が交互に積層された半導体超格子層と、
ＡｌＮ層またはＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（０＜ｙ＜１）からなる２層の障壁層、及びＧａＮ層またはＡｌｚＧａ１−ｚＮ層（０＜ｚ＜０．５）からなる１層の井戸層を少なくとも有する多重障壁層とを備え、
原子層数ｎ１、ｎ２、及び層数ｍは、条件
ｎ１＜３
ｎ２≧１
ｍ＞１（ｍは自然数）
を満たすことを特徴とする光機能性の半導体積層体。
【請求項２】
前記半導体超格子層において、前記井戸層は前記ＧａＮ層に代えて、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐ、またはＳｂの少なくとも１つと、Ｇａ及びＮとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなることを特徴とする請求項１記載の半導体積層体。
【請求項３】
請求項１または２記載の半導体積層体から構成され、前記半導体超格子層からなる発光層と、前記多重障壁層からなる注入層とが交互に積層されたカスケード構造を有し、キャリアの注入に応じて光を発生する活性層と、
前記活性層で発生した光からレーザ光を得るための光共振構造とを備えることを特徴とする量子カスケードレーザ。
【請求項４】
前記注入層は、２層の前記障壁層、及び１層の前記井戸層が交互に積層された２重障壁構造を有し、前記井戸層は、ｎ３原子層のＧａＮ層またはＡｌｚＧａ１−ｚＮ層（０＜ｚ＜０．５）からなり、原子層数ｎ３は条件
１≦ｎ３＜１１
を満たすことを特徴とする請求項３記載の量子カスケードレーザ。
【請求項５】
前記注入層は、３層の前記障壁層、及び２層の前記井戸層が交互に積層された３重障壁構造を有し、２層の前記井戸層は順に、２原子層、３原子層のＧａＮ層またはＡｌｚＧａ１−ｚＮ層（０＜ｚ＜０．５）からなることを特徴とする請求項３記載の量子カスケードレーザ。
【請求項６】
前記注入層は、４層の前記障壁層、及び３層の前記井戸層が交互に積層された４重障壁構造を有し、３層の前記井戸層は順に、１原子層、２原子層、３原子層のＧａＮ層またはＡｌｚＧａ１−ｚＮ層（０＜ｚ＜０．５）からなることを特徴とする請求項３記載の量子カスケードレーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光機能性の半導体積層体、及びそれを用いた量子カスケードレーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
赤外領域の光を発生するレーザとしては、波長０．８μｍ付近のＧａＡｓ系レーザ、１．３μｍ、１．５５μｍ波長帯での光通信用レーザ、波長５μｍまでのＩｎＧａＡｓＳｂ系レーザなど、様々なレーザがある。例えば、近赤外領域のレーザとしては、ＡｌＧａＡｓＰ系レーザやＩｎＧａＡｓ系レーザ、光通信用レーザまで高出力、高性能なレーザが作製され、通信や計測などの様々な用途に用いられている。
【０００３】
一方、このような赤外領域の半導体レーザの動作温度は、レーザの長波長化に伴って急激に低下する。これに対して、近年、このような波長領域の半導体レーザとして、量子カスケードレーザの開発が進められている。量子カスケードレーザは、量子井戸構造の伝導帯内でのサブバンド間電子遷移を利用して光を生成するレーザ光源である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
量子カスケードレーザの進歩は著しく、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ系レーザやＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系レーザにより、波長４〜１０μｍの波長域で室温、高出力パルス動作が実現されている。現在では、波長３．４〜７０μｍまでのレーザ動作が報告されており、波長９μｍ付近ではレーザ素子構造を工夫することにより、室温連続動作も報告されている。このような波長域のレーザとしては、これまでのＩＶ−ＶＩ族半導体やＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いたバンド間遷移レーザに比べ、高温動作、高出力動作などの点でサブバンド間遷移レーザである量子カスケードレーザの方が優れている。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｊ．Ｆａｉｓｔ，  Ｆ．Ｃａｐａｓｓｏ，  Ｄ．Ｌ．Ｓｉｖｃｏ，  Ｃ．Ｓｉｒｔｏｒｉ，  Ａ．Ｌ．Ｈｕｔｃｈｉｎｓｏｎ，  ａｎｄ  Ａ．Ｙ．Ｃｈｏ，  ”Ｑｕａｎｔｕｍ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒ”，  Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｖｏｌ．２６４，  ｐ．５５３  （１９９４）．
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
量子カスケードレーザは、通常のバンド間遷移レーザに比べて、発振波長の温度依存性がはるかに小さい。このため、量子カスケードレーザで１．５μｍ帯での光通信用レーザが実現できれば、光多重通信や長距離光通信に有用である。また、１．５μｍ帯をはじめとする近赤外領域の量子カスケードレーザを作製するには、大きな伝導帯バンド不連続を有するヘテロ接合材料が必要であり、その候補としてＡｌＧａＮ／ＧａＮ系材料が提案されている。
【０００７】
ここで、近赤外領域の量子カスケードレーザを実現するには、量子障壁層からなる注入層を共鳴トンネル構造として、伝導帯第１サブバンドから第２サブバンドへと電子を高い電流密度で注入する必要がある。中・遠赤外領域の量子カスケードレーザでは、この電子注入の際に電子を持ち上げるエネルギーが小さいので、レーザへの電圧印加時に量子井戸のエネルギー準位を合わせることは比較的容易である。しかしながら、近赤外領域になると、注入層において電子を持ち上げるエネルギーが１ｅＶ程度あるいはそれ以上に大きくなる。このため、高い電流密度で電子注入を行うことが難しいという問題がある。
【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、注入層となる量子障壁層において高い電流密度で電子注入を行うことが可能な半導体積層体、及びそれを用いた量子カスケードレーザ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】
このような目的を達成するために、本発明による光機能性の半導体積層体は、（１）ｎ１原子層のＡｌＮ層またはＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０＜ｘ＜１）からなるｍ−１層の障壁層、及びｎ２原子層のＧａＮ層からなるｍ層の井戸層が交互に積層された半導体超格子層と、（２）ＡｌＮ層またはＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（０＜ｙ＜１）からなる２層の障壁層、及びＧａＮ層またはＡｌｚＧａ１−ｚＮ層（０＜ｚ＜０．５）からなる１層の井戸層を少なくとも有する多重障壁層とを備え、（３）原子層数ｎ１、ｎ２、及び層数ｍは、条件
ｎ１＜３
ｎ２≧１
ｍ＞１（ｍは自然数）
を満たすことを特徴とする。
【００１０】
上記した構成を有する半導体積層体では、半導体超格子層においてそれぞれ所定のバンド幅を有する複数のサブバンドが形成される。したがって、これらのサブバンドのバンド幅及びサブバンド間のエネルギーギャップを利用することにより、サブバンド間電子遷移を利用した優れた特性の半導体光素子を開発することが可能となる。また、各層の原子層数を適宜調整することにより様々な光学特性を有する超格子層が得られるので、所望の特性を有する半導体光素子を実現することができる。
【００１１】
特に、超格子構造として（ＡｌＮ）ｎ１／（ＧａＮ）ｎ２、あるいは（ＡｌＧａＮ）ｎ１／（ＧａＮ）ｎ２短周期超格子を用い、かつ、超格子層間にある量子障壁層に発生するピエゾ電圧を利用することにより、量子井戸のエネルギー準位を合わせて、障壁層で電子注入を行うための共鳴トンネル構造を実現することができる。また、量子障壁層を多重障壁層とすることにより、高い電流密度で電子注入を行うことが可能となる。
【００１２】
あるいは、半導体積層体は、半導体超格子層において、井戸層がＧａＮ層に代えて、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐ、またはＳｂの少なくとも１つと、Ｇａ及びＮとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなることを特徴としても良い。これにより、準位を合わせることが容易になる。
【００１３】
本発明による量子カスケードレーザは、（ａ）上記した半導体積層体から構成され、半導体超格子層からなる発光層と、多重障壁層からなる注入層とが交互に積層されたカスケード構造を有し、キャリアの注入に応じて光を発生する活性層と、（ｂ）活性層で発生した光からレーザ光を得るための光共振構造とを備えることを特徴とする。
【００１４】
このような量子カスケードレーザによれば、上記構成の半導体積層体を活性層に適用することにより、サブバンド間電子遷移を利用した優れた特性のレーザ素子が得られる。また、活性層での各層の原子層数を適宜調整することにより、所望の特性を有するレーザ素子を実現することができる。
【００１５】
特に、発光層での超格子構造として（ＡｌＮ）ｎ１／（ＧａＮ）ｎ２、あるいは（ＡｌＧａＮ）ｎ１／（ＧａＮ）ｎ２短周期超格子を用いることにより、動作時における発光層でのバンド構造、及び各層に印加される電界を単純化することができる。そして、注入層に発生するピエゾ電圧を利用することにより、量子井戸のエネルギー準位を容易に合わせることができ、共鳴トンネル構造によって電子注入を行うことが可能な量子カスケードレーザが実現される。また、注入層となる量子障壁層を多重障壁層として構成することにより、共鳴トンネル構造による電子注入を高い電流密度で実現して、高出力動作が可能なレーザ素子を得ることができる。
【００１６】
ここで、具体的な注入層としては、２層の障壁層、及び１層の井戸層が交互に積層された２重障壁構造を有し、井戸層は、ｎ３原子層のＧａＮ層またはＡｌｚＧａ１−ｚＮ層（０＜ｚ＜０．５）からなり、原子層数ｎ３は条件
１≦ｎ３＜１１
を満たす構成を用いることが好ましい。
【００１７】
あるいは、注入層としては、３層の障壁層、及び２層の井戸層が交互に積層された３重障壁構造を有し、２層の井戸層は順に、２原子層、３原子層のＧａＮ層またはＡｌｚＧａ１−ｚＮ層（０＜ｚ＜０．５）からなる構成を用いることが好ましい。
【００１８】
あるいは、注入層としては、４層の障壁層、及び３層の井戸層が交互に積層された４重障壁構造を有し、３層の井戸層は順に、１原子層、２原子層、３原子層のＧａＮ層またはＡｌｚＧａ１−ｚＮ層（０＜ｚ＜０．５）からなる構成を用いることが好ましい。
【００１９】
これらの構成を有する注入層を用いることにより、ピエゾ電圧を利用して量子井戸間でエネルギー準位を合わせ、多重障壁構造を用いた共鳴トンネル構造によって高い電流密度で電子注入を行う量子カスケードレーザを好適に実現することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による半導体積層体、及びそれを用いた量子カスケードレーザ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。
【００２１】
図１は、本発明による半導体積層体の第１実施形態の構成を示す図である。図１では、半導体積層体のバンド構造を示すグラフによって、積層体の構成を示している。また、以下に示す各グラフにおいて、横軸は、積層体での厚さ方向の位置（ｎｍ）、縦軸は、伝導帯エネルギー（ｅＶ、１ｅＶ＝１．６０２×１０−１９Ｊ）である。また、このグラフは、後述する量子カスケードレーザの動作時に相当する所定の外部電圧を印加したときのバンド構造を示している。
【００２２】
本半導体積層体は、半導体超格子層１００、１１０、１２０、…と、多重障壁層２００、２１０、…とが超格子層１００、障壁層２００、超格子層１１０、障壁層２１０、超格子層１２０、…の順で交互に積層されることにより、超格子層が多段に設けられたカスケード構造に構成されている。
【００２３】
超格子層１００は、４層の障壁層１０１、及び５層の井戸層１０６が交互に積層された５周期の超格子構造を有している。障壁層１０１、井戸層１０６は、それぞれ２原子層のＡｌＮ層、４原子層のＧａＮ層からなる。これにより、［（ＡｌＮ）２／（ＧａＮ）４］５超格子層１００が構成されている。また、他の超格子層１１０、１２０等は、超格子層１００と同様に構成されている。
【００２４】
図１に示したバンド構造では、半導体積層体に対し、超格子層１００内での平均的な電界がゼロになるように外部電圧が印加されている。この状態において、［（ＡｌＮ）２／（ＧａＮ）４］５超格子層１００では、図１中に示すように、局在化された量子準位からサブバンドが生成される。
【００２５】
本実施形態においては、量子準位ｎ＝１の第１サブバンドＢ１は、伝導帯の底から０．４ｅＶ〜０．７ｅＶのエネルギー範囲にあり、そのバンド幅は０．３ｅＶとなっている。また、量子準位ｎ＝２の第２サブバンドＢ２は、そのエネルギー範囲の底が伝導帯の底から１．５ｅＶ付近にある。このとき、第１サブバンドＢ１と第２サブバンドＢ２とのエネルギーギャップは０．８ｅＶ程度である。したがって、この半導体積層体を量子カスケードレーザに適用した場合、図１中に電子の流れ及びそれによる発光過程を模式的に示すように、サブバンドＢ１、Ｂ２間の電子遷移により、エネルギーｈν＝０．８ｅＶ、波長λ＝１．５μｍの発光が期待できる。
【００２６】
多重障壁層２００は、半導体超格子層１００側から順に、障壁層２０１、井戸層２０６、及び障壁層２０２が積層された２重障壁構造を有している。障壁層２０１、２０２は、いずれも９原子層のＡｌＮ層からなる。井戸層２０６は、２原子層のＧａＮ層からなる。また、他の多重障壁層２１０等は、多重障壁層２００と同様に構成されている。
【００２７】
この半導体超格子層１００及び多重障壁層２００からなる半導体積層体は、量子カスケードレーザでの活性層として適用することができる。このとき、超格子層１００からなる発光層と、多重障壁層２００からなる注入層とが交互に積層されたカスケード構造を有する活性層を備える量子カスケードレーザが得られる。このような構成において、電子は注入層を介して発光層をカスケード的に次々に移動するとともに、各発光層でのサブバンド間遷移の際に光ｈνが生成される。
【００２８】
このような構成は、例えばサファイア（Ａｌ２Ｏ３）基板の（０００１）面上に形成することができる。この場合、ＡｌＮの格子定数はＧａＮよりも小さく、ＡｌＮとＧａＮとの間には成長面内で２．４％程度の格子不整合がある。このため、図１に示した積層体での超格子層及び多重障壁層においては、ＡｌＮ層からなる障壁層には２次元的な引張り応力が働き、また、ＧａＮ層からなる井戸層には２次元的な圧縮応力が働き、それらの釣り合いによって成長面内での各層の格子定数が等しくなる。
【００２９】
すなわち、ＡｌＮ障壁層には、面内格子定数がバルクのＡｌＮ層よりも大きくなるように格子歪が生じ、ＧａＮ井戸層には、面内格子定数がバルクのＧａＮ井戸層よりも小さくなるように格子歪が生じる。このようにして生じる格子歪により、各層内にはピエゾ電圧が発生する。
【００３０】
発光層となる超格子層１００は、ＡｌＮ２原子層及びＧａＮ４原子層によって構成されているので、動作時においてＧａＮ井戸層１０６に加わる電界はＡｌＮ障壁層１０１に加わる電界の半分で、その方向は逆向きである。また、ＡｌＮ層１０１とＧａＮ層１０６とに加わる電界の差は、ほぼピエゾ電界の差で与えられ１原子層あたり０．１２Ｖ程度となる。したがって、動作時にＡｌＮ障壁層１０１、ＧａＮ井戸層１０６に加わる電界は、それぞれ１原子層あたり０．０８Ｖ、０．０４Ｖである。
【００３１】
また、超格子層１００における第１サブバンドＢ１の底と第２サブバンドＢ２の底とでは、１．３ｅＶ程度のエネルギー差がある。このため、超格子層１００及び超格子層１１０に挟まれた位置にある注入層である多重障壁層２００では、超格子層１１０の第１サブバンドから、超格子層１００の第２サブバンドへと電子を注入するため、電子を１．３ｅＶだけ持ち上げる必要がある。図１の構成においては、ＡｌＮ９原子層２０１、ＧａＮ２原子層２０６、及びＡｌＮ９原子層２０２からなる２重障壁構造により、そのような構成を実現している。
【００３２】
図２は、図１に示した半導体積層体を用いた量子カスケードレーザの構成の一例を示す斜視図である。量子カスケードレーザ１は、サファイア基板２の（０００１）面上に、バッファ層３、ｎ型コンタクト層４、クラッド層５、光ガイド層６、活性層７、光ガイド層８、クラッド層９、及びｎ型コンタクト層１０が順次積層されて構成されている。また、コンタクト層４、１０に対して、それぞれ電極１１、１２が設けられている。
【００３３】
バッファ層３はアンドープＧａＮから形成される。コンタクト層４は、Ｓｉが添加されたＧａＮから形成され、その電子濃度は１×１０１８ｃｍ−３とすることができる。クラッド層５は、Ｓｉが添加されたｎ型のＡｌＧａＮから形成されてよく、その電子濃度は５×１０１７ｃｍ−３とすることができる。活性層７は、図１に示した半導体積層体から構成され、キャリアの注入に応じて光を発生する。この活性層７においては、例えば、発光層である超格子層１００と、注入層である多重障壁層２００とが交互に数１０層から１００層程度積層される。また、活性層７はアンドープで、その電子濃度は１×１０１７ｃｍ−３程度とすることができる。
【００３４】
光ガイド層８は、アンドープｎ型のＧａＮから形成される。クラッド層９は、Ｓｉが添加されたｎ型のＡｌＧａＮから形成され、その正孔濃度は５×１０１７ｃｍ−３とすることができる。ｎ型コンタクト層１０は、Ｓｉが添加されたｎ型ＧａＮから形成され、その正孔濃度は１×１０１８ｃｍ−３とすることができる。また、本量子カスケードレーザ１は、活性層７で発生した光からレーザ光を得るための光共振構造を備えている。すなわち、量子カスケードレーザ１における対となる端面に、光共振器としてのミラー面７ａ、７ｂが形成されている。
【００３５】
量子カスケードレーザ１の動作について、図１及び図２を参照して説明する。図１において、左が基板側、右が成長表面側である。上記構成を有するレーザ１において、電極１１に対して電極１２が負電位となるように両電極１１、１２間に電圧を印加する。すると、電子が、電極１２、コンタクト層１０、クラッド層９、及び光ガイド層８を順次通過して、活性層７に到達する。
【００３６】
活性層７においては、図１に例示したように、超格子層１２０の第１サブバンドから超格子層１１０の第２サブバンドへと、多重障壁層２１０を介して電子が注入される。注入された電子は、超格子層１１０において第１サブバンドへと遷移する。このとき、サブバンド間のエネルギーギャップに相当するエネルギーが光ｈνとして放出される。
【００３７】
超格子層１１０の第１サブバンドに遷移した電子は、続いて、超格子層１００の第２サブバンドへと、多重障壁層２００を介して注入される。注入された電子は、超格子層１００において第１サブバンドへと遷移し、光ｈνが放出される。このようにして、電子は各超格子層を次々と移動していき、光ガイド層６へと到達する。以降、電子は、クラッド層５、及びコンタクト層４を順次通過し、電極１１を通って外部回路（図示していない）に至る。また、活性層７において、電子のサブバンド間遷移によって放出された光ｈνは、ミラー面７ａ、７ｂの間での共振によってレーザ発振し、レーザ光Ｌがミラー面７ｂを介して放射される。
【００３８】
上記実施形態による半導体積層体、及びそれを用いた量子カスケードレーザの効果について説明する。
【００３９】
図１に示した半導体積層体では、半導体超格子層１００において、それぞれ所定のバンド幅を有するサブバンドＢ１、Ｂ２が形成される。したがって、これらのサブバンドのバンド幅及びサブバンド間のエネルギーギャップを利用することにより、優れた特性の半導体光素子を開発することが可能となる。また、各層の原子層数を適宜調整することにより様々な光学特性を有する超格子層１００が得られるので、所望の特性を有する半導体光素子を実現することができる。
【００４０】
特に、超格子構造として（ＡｌＮ）２／（ＧａＮ）４短周期超格子を用いるとともに、超格子層間にある障壁層２００に発生するピエゾ電圧を利用することにより、量子井戸のエネルギー準位を合わせて、障壁層で電子注入を行うための共鳴トンネル構造を実現することができる。
【００４１】
この半導体超格子層の構成としては、一般には、ｎ１＜３を満たすｎ１原子層のＡｌＮ層からなる障壁層、及びｎ２≧１を満たすｎ２原子層のＧａＮ層からなる井戸層を交互に積層した構成を用いることができる。また、超格子周期数をｍ（ｍは自然数、ｍ＞１）とすれば、ｍ−１層のＡｌＮ障壁層と、ｍ層のＧａＮ井戸層とを交互に積層することによって超格子層が構成される。
【００４２】
また、このような半導体積層体を活性層７に適用した図２に示した量子カスケードレーザ１によれば、サブバンド間電子遷移を利用した優れた特性のレーザ素子が得られる。また、活性層７での各層の原子層数を適宜調整することにより、所望の特性を有するレーザ素子を実現することができる。特に、発光層の超格子層１００での上記した超格子構造によれば、動作時における発光層でのバンド構造、及び各層に印加される電界を単純化することができる。そして、注入層でのピエゾ電圧を利用して、共鳴トンネル構造によって電子注入を行うことが可能な量子カスケードレーザが実現される。
【００４３】
また、上記した半導体積層体及び量子カスケードレーザでは、注入層となる量子障壁層を、２層のＡｌＮ障壁層及び１層のＧａＮ井戸層を少なくとも有する多重障壁層として構成している。これにより、共鳴トンネル構造による電子注入を高い電流密度で実現して、高出力動作が可能なレーザ素子を得ることができる。
【００４４】
すなわち、多重障壁層２００では、上記したように、超格子層１１０の第１サブバンドから、超格子層１００の第２サブバンドへと電子を注入するため、電子を１．３ｅＶだけ持ち上げる必要がある。一方、ＡｌＮ層での電界は１原子層あたり０．０８Ｖであるので、このような注入層を単一障壁層で構成した場合、１６原子層程度のＡｌＮ層が必要となる。このようにＡｌＮ層が厚くなると、電子のトンネル確率が減少することによって注入電流が減少する。
【００４５】
これに対して、図１に示した障壁層２００では、ＡｌＮ障壁層２０１、２０２の間にＧａＮ井戸層２０６を設けた２重障壁構造を採用している。このように単一障壁層ではなく、障壁層を複数層に分けた多重障壁層を用いることにより、障壁層が厚くなることによるトンネル確率の減少を抑制して、共鳴トンネル構造による電子注入を高い電流密度で実現することができる。
【００４６】
このような構成では、電圧を印加した動作時において、図１に示すように超格子層１００での第２サブバンドの底、多重障壁層２００での量子準位、及び超格子層１１０での第１サブバンドの底のエネルギーを合わせる必要がある。このようなエネルギー準位の調整は、１原子層あたり０．０８Ｖ程度の電界が加わっているＡｌＮ層の厚さを調整することによって行うことができる。図１に示した構成では、ＡｌＮ障壁層２０１、２０２のそれぞれの原子層数を調整すれば良い。
【００４７】
また、上記のようにｎ１原子層のＡｌＮ層、及びｎ２原子層のＧａＮ層を交互に積層することによって超格子層が構成されている場合、多重障壁層でＡｌＮ層の両端に加わる電位差Ｖｐは、ＡｌＮ層とＧａＮ層とに加わるピエゾ電界の差をＥＰ、ＡｌＮ層の厚さをｄＡｌＮ、ＡｌＮ層、ＧａＮ層の誘電率をε１、ε２とすると、Ｖｐ＝ＥＰｄＡｌＮ×ｎ２ε１／（ｎ１ε２＋ｎ２ε１）〜ＥＰｄＡｌＮ×ｎ２／（ｎ１＋ｎ２）となる。ＡｌＮ障壁層の原子層数は、この電位差を参照して決めることができる。
【００４８】
また、多重障壁層を上記のように２重障壁構造とする場合、一般には、井戸層を１≦ｎ３＜１１を満たすｎ３原子層のＧａＮ層、またはＡｌｚＧａ１−ｚＮ層（０＜ｚ＜０．５）から構成することが、電子注入を高い電流密度で実現する上で好ましい。
【００４９】
図３は、本発明による半導体積層体の第２実施形態の構成を示す図である。図３では、図１と同様に、外部電圧を印加したときの半導体積層体のバンド構造を示すグラフによって、積層体の構成を示している。
【００５０】
本半導体積層体は、半導体超格子層１００、１１０、１２０、…と、多重障壁層３００、３１０、…とが超格子層１００、障壁層３００、超格子層１１０、障壁層３１０、超格子層１２０、…の順で交互に積層されることにより、超格子層が多段に設けられたカスケード構造に構成されている。これらの各層のうち、超格子層１００、１１０、１２０の構成は、図１に示した構成と同様である。
【００５１】
多重障壁層３００は、半導体超格子層１００側から順に、障壁層３０１、井戸層３０６、障壁層３０２、井戸層３０７、及び障壁層３０３が積層された３重障壁構造を有している。障壁層３０１、３０２、３０３は、それぞれ９原子層、５原子層、５原子層のＡｌＮ層からなる。井戸層３０６、３０７は、それぞれ２原子層、３原子層のＧａＮ層からなる。また、他の多重障壁層３１０等は、多重障壁層３００と同様に構成されている。
【００５２】
この半導体超格子層１００及び多重障壁層３００からなる半導体積層体は、量子カスケードレーザでの活性層として適用することができる。また、量子カスケードレーザの具体的な構成としては、例えば、図２に示した構成を用いることができる。
【００５３】
上記実施形態による半導体積層体、及びそれを用いた量子カスケードレーザの効果について説明する。
【００５４】
図３に示した半導体積層体では、図１と同様に、超格子層１００でのサブバンドを利用することにより、優れた特性の半導体光素子を実現することができる。また、多重障壁層３００でのピエゾ電圧を利用することにより、電子注入を行うための共鳴トンネル構造を実現することができる。また、このような半導体積層体を活性層に適用した量子カスケードレーザによれば、サブバンド間電子遷移を利用した優れた特性のレーザ素子が得られる。
【００５５】
また、本実施形態では、多重障壁層３００において、ＡｌＮ障壁層３０１、３０２、３０３の間にＧａＮ井戸層３０６、３０７を設けた３重障壁構造を採用している。これにより、共鳴トンネル構造による電子注入を高い電流密度で実現することができる。さらに、ＡｌＮ障壁層３０１、３０２、３０３のそれぞれの原子層数、あるいはさらに、ＧａＮ井戸層３０６、３０７のそれぞれの原子層数を調整することにより、必要なエネルギー準位を合わせることができる。
【００５６】
図４は、本発明による半導体積層体の第３実施形態の構成を示す図である。図４では、図１と同様に、外部電圧を印加したときの半導体積層体のバンド構造を示すグラフによって、積層体の構成を示している。
【００５７】
本半導体積層体は、半導体超格子層１００、１１０、１２０、…と、多重障壁層４００、４１０、…とが超格子層１００、障壁層４００、超格子層１１０、障壁層４１０、超格子層１２０、…の順で交互に積層されることにより、超格子層が多段に設けられたカスケード構造に構成されている。これらの各層のうち、超格子層１００、１１０、１２０の構成は、図１に示した構成と同様である。
【００５８】
多重障壁層４００は、半導体超格子層１００側から順に、障壁層４０１、井戸層４０６、障壁層４０２、井戸層４０７、障壁層４０３、井戸層４０８、及び障壁層４０４が積層された４重障壁構造を有している。障壁層４０１、４０２、４０３、４０４は、それぞれ２原子層、７原子層、５原子層、５原子層のＡｌＮ層からなる。井戸層４０６、４０７、４０８は、それぞれ１原子層、２原子層、３原子層のＧａＮ層からなる。また、他の多重障壁層４１０等は、多重障壁層４００と同様に構成されている。
【００５９】
この半導体超格子層１００及び多重障壁層４００からなる半導体積層体は、量子カスケードレーザでの活性層として適用することができる。また、量子カスケードレーザの具体的な構成としては、例えば、図２に示した構成を用いることができる。
【００６０】
上記実施形態による半導体積層体、及びそれを用いた量子カスケードレーザの効果について説明する。
【００６１】
図４に示した半導体積層体では、図１と同様に、超格子層１００でのサブバンドを利用することにより、優れた特性の半導体光素子を実現することができる。また、多重障壁層４００でのピエゾ電圧を利用することにより、電子注入を行うための共鳴トンネル構造を実現することができる。また、このような半導体積層体を活性層に適用した量子カスケードレーザによれば、サブバンド間電子遷移を利用した優れた特性のレーザ素子が得られる。
【００６２】
また、本実施形態では、多重障壁層４００において、ＡｌＮ障壁層４０１、４０２、４０３、４０４の間にＧａＮ井戸層４０６、４０７、４０８を設けた４重障壁構造を採用している。これにより、共鳴トンネル構造による電子注入を高い電流密度で実現することができる。さらに、ＡｌＮ障壁層４０１、４０２、４０３、４０４のそれぞれの原子層数、あるいはさらに、ＧａＮ井戸層４０６、４０７、４０８のそれぞれの原子層数を調整することにより、必要なエネルギー準位を合わせることができる。
【００６３】
なお、図１、図３、及び図４に示した半導体積層体、及びそれを用いた量子カスケードレーザで得られるレーザ光の波長を調整するには、発光層となる超格子層において、ＡｌＮ層に代えてＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０＜ｘ＜１）を用い、その組成比ｘを適宜設定すれば良い。また、注入層となる多重障壁層において、ＡｌＮ層に代えてＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（０＜ｙ＜１）を用いれば、多重障壁層でのピエゾ電界を細かく制御することができる。また、ＧａＮ層に代えて、ＡｌｚＧａ１−ｚＮ層（０＜ｚ＜０．５）を用いても良い。この場合、注入の際の準位を合わせることが容易となる。
【００６４】
また、多重障壁層の構成としては、上記した２重障壁構造、３重障壁構造、４重障壁構造など、様々な構成を用いることができる。一般には、多重障壁層による注入電流は、個々のＡｌＮ障壁層を薄くすることによって増加させることができるので、その点から言えば、ＡｌＮ障壁層を細かく分けた３重、４重障壁構造を用いることが好ましい。
【００６５】
また、発光層となる超格子層において、ＧａＮ層に代えて、Ａｌ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐ、またはＳｂの少なくとも１つと、Ｇａ及びＮとを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を用いても良い。この場合、準位を合わせることが容易になる。
【００６６】
本発明による半導体積層体、及びそれを用いた量子カスケードレーザは、上記した実施形態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、上記の各実施形態の構造は光通信用の波長域を焦点として設計したものであり、その具体的な構造は波長域に応じて適宜変更することができる。
【００６７】
【発明の効果】
本発明による半導体積層体、及びそれを用いた量子カスケードレーザは、以上詳細に説明したように、次のような効果を得る。すなわち、ｎ１＜３を満たすｎ１原子層のＡｌＮ層またはＡｌＧａＮ層からなる障壁層、及びｎ２≧１を満たすｎ２原子層のＧａＮ層からなる井戸層が交互に積層された半導体超格子層と、ＡｌＮ層またはＡｌＧａＮ層からなる２層の障壁層、及びＧａＮ層またはＡｌＧａＮ層からなる１層の井戸層を少なくとも有する多重障壁層とを備える半導体積層体によれば、優れた特性の半導体光素子を開発することが可能となる。また、各層の原子層数を適宜調整することにより様々な光学特性を有する超格子層が得られるので、所望の特性を有する半導体光素子を実現することができる。
【００６８】
特に、超格子構造として（ＡｌＮ）ｎ１／（ＧａＮ）ｎ２、あるいは（ＡｌＧａＮ）ｎ１／（ＧａＮ）ｎ２短周期超格子を用い、かつ、超格子層間にある量子障壁層に発生するピエゾ電圧を利用することにより、量子井戸のエネルギー準位を合わせて、障壁層で電子注入を行うための共鳴トンネル構造を実現することができる。また、量子障壁層を多重障壁層とすることにより、高い電流密度で電子注入を行うことが可能となる。
【００６９】
また、このような半導体積層体を活性層に適用した量子カスケードレーザによれば、サブバンド間電子遷移を利用した優れた特性のレーザ素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体積層体の第１実施形態の構成を示す図である。
【図２】図１に示した半導体積層体を用いた量子カスケードレーザの構成の一例を示す斜視図である。
【図３】半導体積層体の第２実施形態の構成を示す図である。
【図４】半導体積層体の第３実施形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
１００…半導体超格子層、１０１…ＡｌＮ障壁層、１０６…ＧａＮ井戸層、２００…多重障壁層、２０１、２０２…ＡｌＮ障壁層、２０６…ＧａＮ井戸層、３００…多重障壁層、３０１〜３０３…ＡｌＮ障壁層、３０６、３０７…ＧａＮ井戸層、４００…多重障壁層、４０１〜４０４…ＡｌＮ障壁層、４０６〜４０８…ＧａＮ井戸層、
１…量子カスケードレーザ、２…サファイア基板、３…バッファ層、４…ｎ型コンタクト層、５…クラッド層、６…光ガイド層、７…活性層、７ａ、７ｂ…ミラー面、８…光ガイド層、９…クラッド層、１０…ｎ型コンタクト層、１１、１２…電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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