(57)【要約】【課題】  改善された特性温度及び微分量子効率を有する発光素子を提供する。【解決手段】  本発明の発光素子は、ガリウム砒素（GaAs）を含む第１の障壁層（202、302、402）及び第２の障壁層（201、301、401）と、第１と第２の障壁層の間に挟まれ、インジウムガリウム砒素窒素（InGaAsN）からなる量子井戸層（205、305、406）と、量子井戸層と第１の障壁層の間に挟まれ、GaAs及び他の元素を含む材料からなる第１の層（203、303、404）とを含み、第１の層の材料が、第１の障壁層のバンドギャップエネルギーと量子井戸層のバンドギャップエネルギーの間のバンドギャップエネルギーを有することを特徴とする。【選択図】  図２Ａ
2004320038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれガリウム砒素（GaAs）を含む第１の障壁層（202、302、402）及び第２の障壁層（201、301、401）と、
前記第１と第２の障壁層の間に挟まれ、インジウムガリウム砒素窒素（InGaAsN）からなる量子井戸層（205、305、406）と、
前記量子井戸層と前記第１の障壁層の間に挟まれ、GaAs及び他の元素を含む材料からなる第１の層（203、303、404）とを含み、この第１の層の前記材料が、前記第１の障壁層のバンドギャップエネルギーと前記量子井戸層のバンドギャップエネルギーの間のバンドギャップエネルギーを有する発光素子（100）。
【請求項２】
さらに、前記量子井戸層に対して協働するように配置されているキャリヤ捕獲要素（505、608、711、890）を含み、このキャリヤ捕獲要素と前記量子井戸層との組み合わせにより、前記量子井戸層単独で捕獲するより多くのキャリヤが捕獲される請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記キャリヤ捕獲要素が、前記量子井戸層に近接した付加的な量子井戸層（505、608、711）を含み、この付加的な量子井戸層の基底状態エネルギーが、前記量子井戸層の非基底状態エネルギーと実質上調整され、前記付加的な量子井戸層から前記量子井戸層へのキャリヤの共鳴トンネリングがもたらされる請求項２に記載の発光素子。
【請求項４】
前記キャリヤ捕獲要素が、前記量子井戸層に近接したキャリヤ反射器（890）を含み、このキャリヤ反射器が、前記量子井戸層によって捕獲されなかったキャリヤを反射して、前記量子井戸層に向けて戻す請求項２に記載の発光素子。
【請求項５】
量子井戸を画定する量子井戸構造（592、694、796、891）と、
前記量子井戸に隣接して配置され、前記量子井戸の有効キャリヤ捕獲断面積を増大させるキャリヤ捕獲要素（590、691、792、890）とからなる発光素子（100）。
【請求項６】
前記キャリヤ捕獲要素が、第１の付加的な量子井戸（540、641、742）を含み、この第１の付加的な量子井戸の基底状態エネルギーが、前記量子井戸の非基底状態エネルギーと実質上調整され、前記第１の付加的な量子井戸から前記量子井戸へのキャリヤの共鳴トンネリングがもたらされる請求項５に記載の発光素子。
【請求項７】
さらに、前記量子井戸の前記第１の付加的な量子井戸とは反対側に配置されている第２の付加的な量子井戸（541、642、743）を含み、この第２の付加的な量子井戸の基底状態エネルギーが、前記量子井戸の非基底状態エネルギーと実質上調整され、前記第２の付加的な量子井戸から前記量子井戸へのキャリヤの共鳴トンネリングがもたらされる請求項６に記載の発光素子。
【請求項８】
さらに、前記量子井戸の前記第１の付加的な量子井戸と同じ側に配置されている第２の付加的な量子井戸（640、741）を含み、この第２の付加的な量子井戸の基底状態エネルギーが、前記第１の付加的な量子井戸の非基底状態エネルギーと実質上調整され、前記第２の付加的な量子井戸から前記第１の付加的な量子井戸へのキャリヤの共鳴トンネリングがもたらされる請求項６に記載の発光素子。
【請求項９】
前記キャリヤ捕獲要素がキャリヤ反射器（890）を含み、このキャリヤ反射器が、前記量子井戸層によって捕獲されなかったキャリヤを反射して、前記量子井戸に向けて戻す請求項５に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記量子井戸構造が、第１の障壁層（202、302、402）と第２の障壁層（201、301、401）の間に挟まれているインジウムガリウム砒素窒素（InGaAsN）からなる量子井戸層（205、305、406）を含み、前記第１及び第２の障壁層が、ガリウム砒素（GaAs）からなり、さらに前記量子井戸層と前記第１の障壁層の間に配置されている層（203、303、404）を有し、この層にGaAs及び他の元素が含まれている請求項５に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して発光素子に関する。より詳細には、本発明は改善された特性温度及び微分量子効率を有する発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直共振器面発光レーザ（VCSEL）のような発光素子は、当該技術において公知である。一般に、VCSELでは、１つ又はそれ以上の量子井戸を利用して、キャリヤ（電子又は正孔）が捕獲され、閉じ込められ、その後キャリヤは、放射再結合し、光が発生する。
【０００３】
最新のVCSELは、約850〜980ナノメートル（nm）の範囲の波長の光を発生する。より波長の長い光を発生することのできる性能は、とりわけ光通信において有利であり、1200 nm又はそれ以上の波長の光を発生するVCSELの開発が進行中である。より長い波長のVCSELの１つの形式には、インジウムガリウム砒素窒素（InGaAsN）からなる１つ又はそれ以上の量子井戸層、及び対応する数の、ガリウム砒素（GaAs）からなる障壁層から構成されている量子井戸構造を組み込んだ活性領域が含まれている。この量子井戸構造によって画定される量子井戸は、深さがほぼ300 meV（ミリ電子ボルト）ほどである。
【０００４】
上記説明したより波長の長いVCSELに関連する問題は、特性温度（T0）及び微分量子効率（η）が、特に多量のキャリヤ注入条件下において、また特にその量子井戸の深さを考慮すると、期待値よりも低くなるという点にある。
【０００５】
したがって、特性温度及び微分量子効率を高める解決法が求められている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施態様は発光素子に関する。発光素子の一例では、第１の障壁層及び第２の障壁層と、第１の障壁層と第２の障壁層の間に配置されている量子井戸層とが含まれている。第１及び第２の障壁層の材料にはガリウム砒素が含まれ、量子井戸層の材料にはインジウムガリウム砒素窒素が含まれている。量子井戸層と第１の障壁層の間には、第１の層が挟まれている。第１の層の材料は、第１の障壁層のバンドギャップエネルギーと量子井戸層のバンドギャップエネルギーの間のバンドギャップエネルギーを有している。
【０００７】
発光素子の他の例には、量子井戸と、この量子井戸に隣接して配置されているキャリヤ捕獲要素が含まれている。キャリヤ捕獲要素によって、量子井戸の有効キャリヤ捕獲断面積が増大する。１つの実施態様では、キャリヤ捕獲要素に付加的な量子井戸が含まれている。付加的な量子井戸層の基底状態エネルギーは、実質上、量子井戸層の非基底状態エネルギーと調整され、付加的な量子井戸層から量子井戸層へのキャリヤの共鳴トンネリングがもたらされる。他の実施態様では、キャリヤ捕獲要素にキャリヤ反射器（リフレクタ）が含まれている。キャリヤ反射器は、量子井戸によって捕獲されなかったキャリヤを反射して、量子井戸に向けて戻す。
【０００８】
発光素子におけるキャリヤ捕獲を改善するための方法についても明らかにする。本発明の方法によれば、発光素子の量子井戸において、多数のキャリヤが捕獲される。上述のようなキャリヤ捕獲要素を利用することによって、付加的なキャリヤを量子井戸に閉じ込めることができる。
【０００９】
本明細書に組み込まれて、その一部を形成する添付の図面は、本発明の実施態様を例示し、本発明の説明と共に、本発明の原理を明らかにするように機能する。本説明において参照する図面は、特に注記のない限り、一定の比率で描かれたものと理解すべきではない。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は発光素子に関する。本発明の発光素子（100）の一例には、第１の障壁層（202、302、402）及び第２の障壁層（201、301、401）と、第１及び第２の障壁層の間に配置されている量子井戸層（205、305、405）が含まれる。第１及び第２の障壁層はガリウム砒素からなり、量子井戸層はインジウムガリウム砒素窒素からなる。第１の層（203、303、403）が、量子井戸層と第１の障壁層の間に配置されている。第１の層のバンドギャップエネルギーは、第１の障壁層のバンドギャップエネルギーと量子井戸層のバンドギャップエネルギーの間にある。本発明の発光素子の他の例では、量子井戸（592、694、796、891）と、この量子井戸に隣接するキャリア捕獲要素（590、691、792、890）が含まれる。キャリア捕獲要素は、量子井戸の有効キャリア捕獲断面積を増大させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
用語及び概要
図１Ａは、本発明による発光素子100の実施態様の一部を示す断面図である。図１において、発光素子100は、垂直共振器面発光レーザ（VCSEL）である。より詳細には発光素子100は、波長が1200ナノメートル（nm）又はそれ以上の波長の光を発生する長波長VCSELである。
【００１２】
発光素子100には、第１の反射器110及び第２の反射器111が含まれている。反射器110及び111はミラーとも呼ばれる。一般に、第１及び第２の反射器110及び111は、分布型ブラッグ反射器（DBR）である。
【００１３】
第１の反射器110及び第２の反射器111は、全体として光共振器130を画定している。光共振器130内には、活性領域132が配置されている。活性領域132は、ｎ型層134とｐ型層136の間に挟まれている量子井戸構造120から構成されている。一般に、量子井戸構造は、１〜５個の範囲の量子井戸を画定する。しかし本発明は、その数の量子井戸を画定する量子井戸構造に制限されない。
【００１４】
ｎ型層134及びｐ型層136はそれぞれ、量子井戸構造120に電子及び正孔（「キャリヤ」と総称される）を注入する。正孔は電子の欠落した結合部位である。正孔は、半導体材料内を移動することが可能であるが、一般に電子よりも移動度が低い。キャリヤは、量子井戸構造120によって画定される１つ又はそれ以上の量子井戸によって捕獲され、閉じ込められる。量子井戸に閉じ込められた電子と正孔は、放射再結合して、光を発生する。
【００１５】
上述したVCSELは、本発明による発光素子の一例である。しかしながら本発明は、VCSELに制限されない。本発明の実施態様は、制限するわけではないが、端面発光型レーザ及び、電気的にポンピングされる半導体外部共振器レーザの光学利得媒体のような、他の様式の発光素子にも適用可能である。
【００１６】
上述のように、半導体レーザのような発光素子の活性領域には、多数の量子井戸を画定する量子井戸構造が含まれている。図１Ｂは、発光素子の従来の量子井戸構造10を示す断面図である。量子井戸構造10は、バンドギャップエネルギーの高い材料からなる対応する数の障壁層間に挟み込まれているバンドギャップエネルギーの低い材料からなる１つ又はそれ以上の量子井戸層から構成されている。Ｎ個の量子井戸層から構成されている量子井戸構造は、Ｎ＋１個の障壁層を備えている。図１Ｂに示す例の場合、量子井戸構造10は、単一量子井戸12を画定し、障壁層16と18の間に挟まれている量子井戸層14から構成されている。上述のように、典型的な量子井戸構造は、１〜５個の範囲の量子井戸を画定するが、５個よりも多い数の量子井戸を画定する量子井戸構造も知られている。量子井戸構造10は、ｎ型層20とｐ型層22の間に挟まれている。
【００１７】
図１Ｃは、図１Ｂの量子井戸構造10の伝導帯のプロファイルを示す。図１Ｃの伝導帯のプロファイルは、厚み方向における距離によって変化する伝導帯エネルギーを示す。量子井戸14の材料は、障壁層16及び18の材料よりも低いバンドギャップエネルギーを有する。図示の例の場合、量子井戸層の材料の伝導帯エネルギーは、障壁層の材料の伝導帯エネルギーよりも低い。障壁層16及び18よりも伝導帯エネルギーの低い量子井戸14によって、量子井戸12が画定される。図示の例の場合、伝導帯エネルギーは、量子井戸層14の障壁層16及び18との界面において急激に変化する。
【００１８】
量子井戸構造10を組み込んだ発光素子の動作中、電子及び正孔がそれぞれ、ｎ型層20及びｐ型層22から量子井戸構造に注入される。量子井戸構造10に注入されるキャリヤの一部は、量子井戸12によって捕獲され、量子井戸12に閉じ込められる。量子井戸12に閉じ込められた電子及び正孔は、再結合して、光を発生する。この再結合によって生じる光は、発光素子によって放出される。
【００１９】
本発明は、従来の長波長の発光素子において、特性温度（T0）が低く、及び微分量子効率（η）が低いのは、おそらくキャリヤ捕獲断面積が不十分な従来の量子井戸構造に起因しているという本願発明者の認識に基づくものである。結果として、従来の量子井戸構造では、そこに注入されるキャリヤの捕獲率が予想されるよりも低くなる。本発明の実施態様は、発光素子の量子井戸におけるキャリヤの捕獲を増大させることに向けられている。量子井戸におけるキャリヤ捕獲が増大すると、発光素子のT0及びηが増し、しきい値電流が低下することになる。
【００２０】
本発明の実施態様の中には、量子井戸層と隣接障壁層の少なくとも１つの間に配置されている付加的な層によって、量子井戸の有効キャリヤ捕獲断面積を増大させるものがある。付加的な層の材料には、障壁層の材料と同じ元素が含まれるが、一般に、障壁層に対して付加的な層のバンドギャップエネルギーを低下させる付加的な元素も含まれている。このような実施態様については、図２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂに関連してさらに述べる。
【００２１】
他の実施態様には、本明細書において主量子井戸と呼ぶことのある量子井戸の片側又は両側に配置されている１つ又はそれ以上の付加的な量子井戸によって、量子井戸の有効キャリヤ捕獲断面積を増すものもある。付加的な量子井戸によって捕獲されたキャリヤは、共鳴トンネル効果（共鳴トンネリング）によって主量子井戸に移送される。このような実施態様については、図５Ａ、５Ｂ、６Ａ、６Ｂ、７Ａ、７Ｂに関連してさらに述べる。
【００２２】
さらに他の実施態様には、量子井戸の一方の側又はもう一方の側に配置されているキャリヤ反射器によって、量子井戸の有効キャリヤ捕獲断面積を増すものもある。キャリヤ反射器は、量子井戸によって捕獲されなかったキャリヤを反射して、量子井戸に向けて戻す。このような実施態様については、図８Ａ、８Ｂ、９Ａ、９Ｂ、９Ｃに関連してさらに述べる。さらに他の実施態様には、上述の実施態様を組み合わせて利用するものもある。
【００２３】
量子井戸層と障壁層の間に層を有する実施態様
上述のように、本発明の実施態様の中には、量子井戸層と隣接障壁層の少なくとも１つの間に配置されている付加的な層によって、量子井戸の有効キャリヤ捕獲断面積を増すものがある。付加的な層の材料には、障壁層の材料と同じ元素が含まれるが、一般に、障壁層に対して付加的な層のバンドギャップエネルギーを低下させる付加的な元素も含まれる。
【００２４】
図２Ａは、本発明の発光素子の量子井戸構造290の第１の実施態様を示す断面図である。図２Ｂは、図２Ａに示す量子井戸構造の伝導帯のプロファイル220を示すグラフである。
【００２５】
まず図２Ａを参照すると、量子井戸構造290は、順番に、障壁層201、組成傾斜層203、量子井戸層205、組成傾斜層204、障壁層202から構成されている。量子井戸層205は、比較的低いバンドギャップエネルギーを有する半導体材料からなる層である。障壁層201及び202はそれぞれ、半導体材料の層であり、バンドギャップエネルギーは量子井戸205のバンドギャップエネルギーよりも高い。
【００２６】
組成傾斜層203及び204はそれぞれ、その組成が層厚全体にわたって均一ではない半導体材料からなる層である。組成傾斜層203及び204はそれぞれ、Ｄ１及びＤ２の厚みを有する。厚みＤ１と厚みＤ２を実質上等しくすることもでき又は、異なるようにすることも可能である。
【００２７】
傾斜層203及び204と、障壁層201及び202とのそれぞれの界面において、組成傾斜層203及び204の材料の最大バンドギャップエネルギーは、隣接する障壁層の材料のバンドギャップエネルギーと同様である。組成傾斜層203及び204の材料のバンドギャップエネルギーは、量子井戸層205からの距離が短くなるにつれて、漸減する。組成傾斜層203及び204の材料のバンドギャップエネルギーが、これらの組成傾斜層と量子井戸層205とのそれぞれの界面において最小値に達する。一方の界面における最小バンドギャップエネルギーともう一方の界面における最小バンドギャップエネルギーが、異なる可能性があるという点に留意されたい。すなわち、組成傾斜層203と量子井戸層205の界面における最小バンドギャップエネルギーと組成傾斜層204と量子井戸層205の界面における最小バンドギャップエネルギーとが、異なる可能性がある。
【００２８】
組成傾斜層203及び204の材料には、障壁層201及び202の材料と同じ元素が含まれるが、障壁層201及び202に対して組成傾斜層203及び204のバンドギャップエネルギーを低下させる他の元素が含まれている。本実施態様の場合、組成傾斜層203及び204における付加的な元素の割合は、量子井戸層205に向かう方向において漸増し、その結果、量子井戸層205までの距離が短くなるにつれて、組成傾斜層203及び204のバンドギャップエネルギーが低下することになる。
【００２９】
組成傾斜層203及び204によって、量子井戸構造290の有効キャリヤ捕獲断面積が増大することになる。量子井戸におけるキャリヤの捕獲には、障壁層201及び202におけるそのエネルギーから、図２Ｂの線分260により示されている量子井戸層205の基底状態エネルギーまで、キャリヤのエネルギーを緩和することが必要になる。この緩和には、それぞれ、キャリヤエネルギーの低下を伴う複数のステップが必要である。深い量子井戸の場合には、より多くのステップが必要である。組成傾斜層203及び204において付加的な元素が漸変することによって、キャリヤエネルギーをさらに漸進的に緩和することが可能になり、その結果キャリヤ捕獲の確率が増大する。
【００３０】
引き続き図２Ａを参照すると、実施態様の１つでは、量子井戸層205の材料は、インジウムガリウム砒素窒素（InGaAsN）であり、障壁層201及び202のそれぞれの材料は、ガリウム砒素（GaAs）である。第１の例の場合、組成傾斜層203及び204のそれぞれの材料は、ガリウム砒素窒素（GaAs1-xNx）であり、ここで窒素の割合（分率）ｘは層の厚み全体にわたって変化する。すなわち、窒素の割合ｘは、量子井戸層205からの距離が長くなるにつれて漸減する。１つの例において、窒素の割合は、組成傾斜層203と障壁層201の界面、及び組成傾斜層204と障壁層202の界面において約０（零）である。窒素の割合は、障壁層から遠ざかるにつれ、量子井戸層に近づくにつれ漸増し、組成傾斜層203及び204と量子井戸層205のそれぞれの界面において約１パーセントになる。本発明では、これ以降、付加的な元素（この例では窒素）の割合（分率）は、材料中における窒素原子の濃度と材料中におけるＶ族元素の全ての原子（窒素、燐、砒素、アンチモン等）の濃度の比である。例えば窒素の割合が１パーセントであるということは、材料中のＶ族の元素の全ての原子100に対して、平均して１つの窒素原子が存在するということを意味している。GaAs0.99N0.01（窒素の割合（分率）が0.01で、砒素の割合（分率）が0.99のGaAsN）の場合、材料中のＶ族の元素の全ての原子（この場合には窒素と砒素）100に対して、平均で１個の窒素原子と、99個の砒素原子が存在する。
【００３１】
窒素に代わる元素を使用して、組成傾斜層203及び204のバンドギャップエネルギーを変化させることが可能である。他の例では、組成傾斜層203及び204の材料は、インジウムガリウム砒素（InyGa1-yAs）であり、この場合には、インジウムの割合（分率）ｙが、障壁層201及び202における最小値から量子井戸層205に向かって漸増する。ある例では、インジウムの割合は、組成傾斜層203と障壁層201の界面、及び組成傾斜層204と障壁層202の界面において約０（零）である。インジウムの割合は、障壁層から遠ざかるにつれ、量子井戸層に近づくにつれ漸増し、組成傾斜層203及び204と量子井戸層205のそれぞれの界面において約10〜20パーセントの範囲内となる。
【００３２】
組成傾斜層203及び204においてInGaAsの代わりにGaAsNを使用することによってもたらされる利点は、GaASnは引張歪みを生じるが、量子井戸層205のInGaAsNは圧縮歪を生じるという点にある。組成傾斜層203及び204の材料としてGaAsNを利用すると、量子井戸層205と障壁層201及び202の間で歪が解放される。組成傾斜層203及び204の厚みＤ１及びＤ２がそれぞれ、窒素の最大割合又はインジウムの最大割合と相俟って、組成傾斜層によってもたらされる歪みの解放量に影響を及ぼすことになる。Ｄ１及びＤ２の大きさは、量子井戸構造290の有効キャリヤ捕獲断面積にも影響を及ぼす。Ｄ１及びＤ２が増大すると、量子井戸構造290の有効キャリヤ捕獲断面積が増すが、Ｄ１及びＤ２が大きくなりすぎると、結果として量子井戸層205における材料の緩和が大きくなりすぎる。有効キャリヤ捕獲断面積は、達成される歪みの平衡の度合いによって有効に制限され、またその逆も同様である。Ｄ１及びＤ２の大きさは、一般に実験に基づき、経験的に導き出されるが、これは設計選択の問題である。実施態様の１つでは、Ｄ１及びＤ２は、10〜20 nmの範囲内である。しかしながら本発明はそのような範囲に制限されるものではなく、10〜20 nmの範囲外の厚みを利用することも可能である。
【００３３】
窒素の割合（分率）ｘ及びインジウムの割合（分率）ｙを上述した値よりも大きくすることが可能である。すなわち、例えば0.01を超える割合の窒素を利用することが可能であり、0.10〜0.20を超える割合のインジウムを利用することが可能である。ある均一な組成層における最大の割合は、別の均一な組成層の最大の割合と異なる可能性がある。また割合（分率）ｘ又はｙを、量子井戸層205からの距離の関数として線形に又は非線形に変化させることができる。
【００３４】
次に、図２Ｂに示す伝導帯のプロファイル220を参照すると、実施態様の１つでは、キャリヤ250は電子である。電子に関して解説するが、この議論及び例証は、より効率の良い正孔捕獲のための類似した構造にまで拡張することが可能である。図２Ａも参照すると、量子井戸構造290の伝導帯エネルギーは、障壁層201及び202の厚み全体にわたって相対的に高い一定値を維持し、組成傾斜層203及び204の厚み全体にわたって漸減し、次に量子井戸層205において相対的に低い一定の最小値にまで低下する。量子井戸層205の材料は、基底状態エネルギー260によって特徴付けられる。記述する例では、量子井戸構造290によって、全体の「深さ」が約300 mV（ミリ電子ボルト）の量子井戸が画定される。この深さは、図１Ｂ及び１Ｃに関連して上記した従来の量子井戸構造の深さと同様である。しかしながら、上述の本発明の実施態様によれば、量子井戸構造290には、組成傾斜層203及び204が組み込まれ、キャリヤ捕獲が増大する。
【００３５】
量子井戸構造290の伝導帯のプロファイル220は、量子井戸層205を中心として本質的に対称な形状を有している。伝導帯のプロファイル220の対称性は、組成傾斜層203及び204の組成（組成傾斜）が対称であることに基づく。図２Ａ及び２Ｂに示す例の場合、窒素の割合ｘ又はインジウムの割合ｙは、組成傾斜層203及び204における量子井戸層205からの距離に応じて直線的に変化し、線形の変化を示し、Ｄ１及びＤ２はほぼ同様である。しかしながら、上述のように、本発明はこの例に制限されるものではない。代替的に、組成傾斜層における窒素又はインジウムの割合が量子井戸層からの距離に応じて非線形の変化を示し、かつＤ１及びＤ２の大きさが異なるか、あるいはそのいずれかであるとすることも可能である。組成傾斜層の伝導帯のプロファイルの形状は、窒素又はインジウムの割合が、組成傾斜層203及び204における量子井戸層205からの距離に応じてどのように変化するかによって決まる。組成傾斜層203及び204の全体にわたる伝導帯のプロファイルの「傾斜（傾き）」は、少なくとも部分的には、Ｄ１及びＤ２の大きさ、及び層203及び204の組成によって決まる。
【００３６】
量子井戸構造290は、単一量子井戸を画定する例に関連して上述したとおりである。しかしながら、これは、本発明にとって重要なことではない。１つ又はそれ以上の構造を例示した量子井戸構造の上に積層させ、それぞれ、１つ又はそれ以上の付加的な量子井戸を画定することもできる。それぞれの追加された構造は、順番に、付加的な組成傾斜層、付加的な量子井戸層、付加的な組成傾斜層、付加的な障壁層からなる。隣接する量子井戸構造が、障壁層を共有しているので、それぞれの追加された構造が隣接する構造の障壁層から開始されているという点に留意されたい。
【００３７】
次に、本発明による発光素子の量子井戸構造390の第２の実施態様を示す断面図である図３Ａについて検討する。図３Ｂは、図３Ａに示す量子井戸構造の伝導帯のプロファイル320を示すグラフである。
【００３８】
まず図３Ａを参照すると、量子井戸構造390は、順番に、障壁層301、中間組成層303、量子井戸層305、中間組成層304、障壁層302から構成されている。量子井戸層305は、バンドギャップエネルギーが相対的に低い半導体材料からなる層である。障壁層301及び302はそれぞれ、半導体材料の層であり、バンドギャップエネルギーが量子井戸層305よりも高い。
【００３９】
中間組成層303及び304はそれぞれ、その層の深さ方向（層厚方向）全体にわたって比較的一定の組成を有する半導体材料からなる層である。中間組成層303及び304の材料のバンドギャップエネルギーは、量子井戸層305のバンドギャップエネルギーと障壁層301及び302のバンドギャップエネルギーの間の値を有する。中間組成層303及び304はそれぞれ、厚みがＤ３及びＤ４である。厚みＤ３及びＤ４を実質上等しくすることもでき、又は異なるようにすることも可能である。
【００４０】
中間組成層303及び304の材料には、障壁層301及び302の材料と同じ元素が含まれるが、障壁層301及び302に対して中間組成層303及び304のバンドギャップエネルギーを低下させるような他の元素も含まれる。本実施態様では、中間組成層303及び304における付加的な元素の割合は比較的一定している。中間組成層303及び304に含まれる付加的な元素の濃度は、深さ方向に対して実質上一定である。
【００４１】
中間組成層303及び304によって、量子井戸構造390の有効キャリヤ捕獲断面積が増大する。量子井戸におけるキャリヤ捕獲は、障壁層301及び302におけるエネルギーから、図３Ｂの線分360により示す量子井戸層305の基底状態エネルギーまで、キャリヤのエネルギーを緩和することを含む。中間組成層303及び304における付加的な元素によって、キャリヤエネルギーの緩和が増進し、その結果キャリヤ捕獲の確率が増すことになる。
【００４２】
引き続き図３Ａを参照すると、実施態様の１つでは、量子井戸層305の材料はInGaAsNであり、障壁層301及び302のそれぞれの材料はGaAsである。第１の例の場合、中間組成層303及び304のそれぞれの材料は、GaAs1-xNxであり、ここで窒素の割合（分率）ｘは、中間組成層303及び304の全体にわたって比較的一定に保たれている。ある例では、窒素の割合は約１パーセントであり、従って中間組成層303及び304の材料は、GaAs0.99N0.01になる。しかしながら窒素の割合ｘは、中間組成層303と中間組成層304の両方において同様である必要はない。すなわち、中間組成層303における窒素の割合は、中間組成層304における窒素の割合と異なることも可能である。
【００４３】
窒素以外の元素を利用して、中間組成層303と304の間のバンドギャップエネルギーを変化させることが可能である。他の例では、中間組成層303及び304の材料はInyGa1-yAsであり、ここでインジウムの割合（分率）ｙは、中間組成層303及び304の全体にわたって比較的一定に保たれている。ある例では、インジウムの割合は、約10〜20パーセントの範囲内にある。
【００４４】
窒素の割合ｘ及びインジウムの割合ｙは、上述の値を超えることが可能である。すなわち、例えば0.01を超える窒素の割合を利用することが可能であり、0.10〜0.20を超えるインジウムの割合を利用することが可能である。
【００４５】
次に、図３Ｂに示す伝導帯のプロファイル320を参照し、図３Ａも参照すると、量子井戸構造390の伝導帯エネルギーは、障壁層301及び302の深さ方向全体にわたって、相対的に高い一定の値を保ち、中間組成層303及び304の深さ方向全体にわたって比較的一定のままのより低い値まで低下し、さらに量子井戸層305において比較的一定の最小値にまで低下する。量子井戸層305の材料は、基底状態エネルギー360によって特徴付けられる。記述する例では、量子井戸構造390によって、全体の深さが約300 meVの量子井戸が画定される。この深さは、図１Ｂ及び１Ｃに関連して上述した従来の量子井戸構造の深さと同様である。しかしながら上述の本発明の実施態様によれば、量子井戸構造390には、中間組成層303及び304が組み込まれ、キャリヤ捕獲が増大する。
【００４６】
量子井戸構造390の伝導帯のプロファイル320は、量子井戸層305を中心として本質的に対称な形状を有する。この伝動帯のプロファイル320の対称性は、中間組成層303及び304の組成における対称性に基づく。図３Ａ及び３Ｂに示す例では、窒素の割合（分率）ｘ又はインジウムの割合（分率）ｙは中間組成層303及び304において同様であり、その厚みＤ３及びＤ４もほぼ同様である。しかしながら上述のとおり、本発明はこの例に制限されない。
【００４７】
量子井戸構造390について、単一量子井戸を画定する例に関連して上述した。しかしながら、これは、本発明にとって重要なことではない。上記と同様のやり方で、１つ又はそれ以上の構造を、例示した量子井戸構造の上に積層させ、それぞれ、１つ又はそれ以上の付加的な量子井戸を画定することも可能である。
【００４８】
次に図４Ａを参照するが、この図は、本発明による発光素子の量子井戸構造400の第３の実施態様を示す断面図である。図４Ｂは、図４Ａに示す量子井戸構造の伝導帯のプロファイル420を示すグラフである。
【００４９】
まず図４Ａを参照すると、量子井戸構造400は、量子井戸構造490及び491によって画定される２つの量子井戸を形成している。しかしながら本発明を、２つよりも多い、又は２つよりも少ない量子井戸に利用することも可能である。量子井戸構造490は、順番に、障壁層401、量子井戸層406、組成傾斜層404、障壁層402から構成されている。量子井戸層491は、順番に、障壁層402、量子井戸層407、組成傾斜層405、障壁層403から構成されている。量子井戸490及び491は連続しているので、量子井戸490及び491は障壁層404を共有している。組成傾斜層404及び405はそれぞれ、厚みがＤ５及びＤ６である。厚みＤ５及びＤ６を実質上等しくすることも、又は異なるようにすることも可能である。
【００５０】
簡潔にするため、以下の議論は、主に、量子井戸構造490に焦点を絞る。しかしながら、この議論は、量子井戸構造491にも拡張することが可能である。量子井戸層406は、バンドギャップエネルギーが相対的に低い半導体材料からなる層である。障壁層401及び402はそれぞれ、バンドギャップエネルギーが量子井戸層406よりも高い半導体材料からなる層である。
【００５１】
本実施態様では、組成傾斜層404は、その層の深さ方向全体（層厚全体）にわたって組成が均一ではない、組成が不均一である半導体材料からなる層である。組成傾斜層404と障壁層402の界面において、組成傾斜層404の材料の最大バンドギャップエネルギーは、隣接する障壁層の材料のバンドギャップエネルギーと同様である。組成傾斜層404の材料のバンドギャップエネルギーは、量子井戸層406からの距離が短くなるにつれて漸減する。組成傾斜層404の材料のバンドギャップエネルギーは、組成傾斜層404と量子井戸層406の界面において最小値に達する。
【００５２】
組成傾斜層404の材料には、障壁層402の材料と同じ元素が含まれるが、障壁層402に対して組成傾斜層404のバンドギャップエネルギーを低下させる他の元素も追加される。本実施態様の場合、組成傾斜層404における付加的な元素の割合（分率）は、量子井戸層406に向かう方向において漸増し、その結果、量子井戸層406までの距離が短くなるにつれて、組成傾斜層404のバンドギャップエネルギーが低下することになる。組成傾斜層404によって、図２Ａに関連して上述したのと同様に、量子井戸構造490の有効キャリヤ捕獲断面が増大する。
【００５３】
ある実施態様では、量子井戸層406の材料はInGaAsNであり、障壁層401及び402のそれぞれの材料は、GaAsである。第１の例の場合、組成傾斜層404の材料はGaAs1-xNxであり、ここで窒素の割合（分率）ｘは層の厚み全体にわたって変化する。すなわち窒素の割合ｘは、量子井戸層406からの距離が長くなるにつれて漸減する。ある例において、窒素の割合は、組成傾斜層404と障壁層402の界面において約０（零）である。窒素の割合（分率）は、深さ方向（厚み方向）で障壁層402からの距離が長くなるにつれて、量子井戸層406との距離が短くなるにつれて漸増し、組成傾斜層404と量子井戸層406の界面において約１パーセントになる。
【００５４】
窒素以外の元素を利用して、組成傾斜層404のバンドギャップエネルギーを変化させることが可能である。他の例では、組成傾斜層404の材料はInyGa1-yAsであり、ここでインジウムの割合（分率）ｙは、障壁層402から量子井戸層406に向かって、最小値から漸増する。ある例では、インジウムの割合は、組成傾斜層404と障壁層402の界面において約０（零）である。インジウムの割合は、深さ方向（厚み方向）で障壁層402からの距離が長くなるにつれて、量子井戸層406との距離が短くなるにつれて漸増し、組成傾斜層404と量子井戸層406の界面において約10〜20パーセントの範囲内になる。
【００５５】
窒素の割合ｘ及びインジウムの割合ｙを、上述の値よりも大きくすることが可能である。すなわち、例えば、0.01を超える割合（分率）の窒素を利用することが可能であり、0.10〜0.20を超える割合（分率）のインジウムを利用することが可能である。さらに、組成傾斜層404における窒素又はインジウムの最大の割合を、組成傾斜層405の割合と異なるようにすることも可能である。
【００５６】
従って、図２Ａ及び３Ａの実施態様と異なり、量子井戸層の片側のみにおいて、窒素又はインジウムが障壁層に組み込まれている。ある実施例では、組成傾斜層404は、量子井戸層406の一方の側にあり、捕獲を増大しようとするキャリアの型のそのキャリヤ源に面している。すなわち、電子の捕獲を増大しようとする場合、組成傾斜層404は、量子井戸層406の一方の側に配置され、例えばｎ型材料の領域134（図１Ａ参照）である電子源に面している。正孔の捕獲を増大しようとする場合、組成傾斜層404は、量子井戸層406の一方の側に配置され、例えばｐ型材料の領域136（図１Ａ参照）である正孔源に面している。
【００５７】
次に図４Ｂを参照し、図４Ａも参照すると、量子井戸構造490の伝導帯のプロファイル420は、量子井戸層406を中心として非対称の形状をなしている。この非対称性は、上記したばかりであるが、量子井戸層406に隣接した層（例えば組成傾斜層404及び障壁層401）の組成が異なることに基づく。
【００５８】
量子井戸構造490の伝導帯バンドエネルギーは、障壁層402の厚み全体、深さ方向全体にわたって、相対的に高い一定の値を維持し、組成傾斜層404の厚み全体、深さ方向全体にわたって漸減し、さらに量子井戸層406において比較的一定の最小値にまで低下する。量子井戸層406の材料は、基底状態エネルギー460により特徴付けられる。記述した例では、量子井戸構造490によって、全体の「深さ」が約300ミリ電子ボルトの量子井戸が画定される。この深さは、図１Ｂ及び１Ｃに関連して上述した従来の量子井戸構造の深さと同様である。しかしながら上述のように、量子井戸構造490には、均一な組成層404が組み込まれ、キャリヤ捕獲が増大する。
【００５９】
上記の図４Ａの量子井戸構造490及び491については、組成傾斜層404において窒素の割合又はインジウムの割合が漸変、傾斜する例に関連して記述した。代替的に、図３Ａに関連して上述したのと同様のやり方で、組成傾斜層404及び405の一方又は両方に、均一な割合の窒素又はインジウムが含まれる。
【００６０】
さらに、上述のさまざまな実施態様の特徴を、単独で利用することも、又はそれらを組み合わせて利用することも可能である。例えば、本発明による発光素子には、図２Ａ、図３Ａ、図４Ａに関連して記述した量子井戸構造をさまざまに組み合わせて利用することが可能である。
【００６１】
１つ又はそれ以上の付加的な量子井戸を含むキャリヤ捕獲要素を備えている実施態様
本発明の実施態様の中には、本明細書において主量子井戸と呼ばれることのある量子井戸の一方の側又は両側に配置されている１つ又はそれ以上の付加的な量子井戸によって、量子井戸の有効キャリヤ捕捉断面を増大することがある。付加的な量子井戸によって捕獲されるキャリヤは、共鳴トンネル効果（共鳴トンネリング）によって主量子井戸に移送される。
【００６２】
図５Ａは、本発明による発光素子に付加的な量子井戸を含む量子井戸構造500の第１の実施態様を示す断面図である。図５Ｂは、図５Ａに示す量子井戸構造50の伝導帯のプロファイル520を示すグラフである。
【００６３】
まず図５Ａを参照すると、量子井戸構造500には、順番に、量子井戸構造590によって画定されている量子井戸540、量子井戸構造592によって画定されている量子井戸542、量子井戸構造591によって画定されている量子井戸541が含まれている。以下の議論を分りやすくするため、量子井戸構造590及び591を「付加的な量子井戸構造」と呼び、量子井戸構造592を「主量子井戸構造」と呼ぶ。同様に、量子井戸540及び542を「付加的な量子井戸」、量子井戸541を「主量子井戸」と呼ぶ。付加的な量子井戸構造又は付加的な量子井戸は、本明細書において、キャリヤ捕獲要素とも呼ばれる。付加的な量子井戸によって捕獲されるキャリヤは、共鳴トンネル効果（共鳴トンネリング）によって主量子井戸に移送される。
【００６４】
付加的な量子井戸構造590は、順番に、障壁層501、付加的な量子井戸層505、障壁層502から構成されている。付加的な量子井戸構造591は、順番に、障壁層503、付加的な量子井戸層506、障壁層504から構成されている。主量子井戸構造592は、順番に、障壁層502、主量子井戸層507、障壁層503から構成されている。
【００６５】
主量子井戸層507は、バンドギャップエネルギーが相対的に低い半導体材料からなる層である。障壁層501、502、503、504はそれぞれ、付加的な量子井戸層505、506及び、主量子井戸層507よりもバンドギャップエネルギーが高い半導体材料からなる層である。付加的な量子井戸層505及び506はそれぞれ、障壁層501のバンドギャップエネルギーと主量子井戸層507のバンドギャップエネルギーの間のバンドギャップエネルギーを有する半導体材料からなる層である。
【００６６】
実施態様の１つでは、障壁層501、502、503、504の材料はGaAsであり、主量子井戸層507の材料はInGaAsNである。第１の例では、付加的な量子井戸層505及び506の材料はGaAsNである。他の例では、付加的な量子井戸層505及び506の材料はInGaAsである。しかしながら付加的な量子井戸層505及び506の材料が同じである必要はない。付加的な量子井戸層505及び506に異なる材料を利用することが可能である、すなわち、例えば、付加的な量子井戸層505に窒素を利用し、付加的な量子井戸層506にインジウムを利用することができる。また付加的な量子井戸層505及び506に、異なる割合（分率）の窒素又はインジウムを含ませることが可能であり、すなわち、例えば、窒素を含む場合、付加的な量子井戸層505には、第１の割合（分率）の窒素が含まれ、付加的な量子井戸層506には、異なる割合（分率）の窒素を含むことが可能である。従って、図１Ａのｐ型層136に面した、主量子井戸592のｐ側の付加的な量子井戸は、正孔のトンネル効果を促進するように構成可能であり、図１Ａのｎ型層134に面した、主量子井戸592のｎ側の付加的な量子井戸は、電子のトンネル効果を促進するように構成可能である。
【００６７】
付加的な量子井戸層にInGaAsの代わりにGaAsNを利用することによって、上記した歪み平衡化手段がもたらされる。GaAsNによって、歪みの補償だけではなく、他の利点も得られる。例えば、GaAsN量子井戸では正孔の閉じ込め状態が生じないので、電子のトンネリングの確率が増大する。すなわち、GaAsNの付加的な量子井戸に捕獲される電子は、付加的な量子井戸において再結合する代わりに、トンネル効果によって、図５Ａの主量子井戸592に送り込まれる確率が増大する。
【００６８】
次に、図５Ｂの伝導帯のプロファイル520を参照し、図５Ａについても参照する。簡潔に表現するため、以下の議論では、付加的な量子井戸構造590及び主量子井戸構造592に焦点を絞る。しかしながらこの議論は、付加的な量子井戸構造591にも拡張することが可能である。
【００６９】
付加的な量子井戸層505の材料は、主量子井戸層507の材料のより高い非基底状態エネルギー530に実質上調整されている基底状態エネルギー510によって特徴付けられる。本明細書において使用される限りにおいて、「調整されている」という用語は、「共鳴する」及び「縮退する」と同義である。非基底状態エネルギー530は、主量子井戸層507の材料の基底状態エネルギー532よりも高いエネルギー状態にある。換言すれば、付加的な量子井戸540の基底状態エネルギー510は、主量子井戸542の非基底状態エネルギー530と共鳴し、主量子井戸542の基底状態エネルギー532よりも高い。
【００７０】
説明した例の場合、主量子井戸構造592によって、全体の深さが約300 meVの主量子井戸542が画定され、付加的な量子井戸構造590によって、全体の深さが300 meVよりも浅い付加的な量子井戸540が画定される。
【００７１】
エネルギー状態510及び530の調整（アライメント）がとれると、付加的な量子井戸540から主量子井戸542への共鳴トンネル効果（共鳴トンネリング）535が生じる。従って、付加的な量子井戸540によって捕獲されたキャリヤ250のようなキャリヤが、付加的な量子井戸540から主量子井戸542に効率よく移送される。特にキャリヤは、付加的な量子井戸層505から主量子井戸層507に移送される。同様にして、キャリヤは、付加的な量子井戸541から主量子井戸542にも効率よく移送される。
【００７２】
従って、付加的な量子井戸540及び541によって捕獲されるキャリヤは、本質的に、主量子井戸542によって捕獲されるキャリヤに追加される。このため、主量子井戸542の有効キャリヤ捕獲断面積が増大する。付加的な量子井戸540及び541は、主量子井戸542と協働して機能し、主量子井戸542の有効キャリヤ捕獲断面積を増大する。従って、付加的な量子井戸540及び541は、主量子井戸542に対して「協働配置（cooperatively disposed）」されているといわれる。
【００７３】
次に、図６Ａを参照する。図６Ａは、本発明による発光素子に付加的な量子井戸を組み込んだ量子井戸構造600の第２の実施態様を示す断面図である。図６Ｂは、図６Ａに示す量子井戸構造600の伝導帯のプロファイル620を示すグラフである。
【００７４】
まず図６Ａを参照すると、量子井戸構造600には、順番に、付加的な量子井戸構造690によって画定されている付加的な量子井戸640、付加的な量子井戸構造691によって画定されている付加的な量子井戸641、主量子井戸構造694によって画定されている主量子井戸644、付加的な量子井戸構造692によって画定されている付加的な量子井戸642、付加的な量子井戸構造693によって画定されている付加的な量子井戸643が含まれている。
【００７５】
付加的な量子井戸構造690は、順番に、障壁層601、付加的な量子井戸層607、障壁層602から構成されている。付加的な量子井戸構造691は、順番に、障壁層602、付加的な量子井戸層608、障壁層603から構成されている。付加的な量子井戸構造692は、順番に、障壁層604、付加的な量子井戸層609、障壁層605から構成されている。付加的な量子井戸構造693は、順番に、障壁層605、付加的な量子井戸層610、障壁層606から構成されている。主量子井戸構造694は、順番に、障壁層603、主量子井戸層611、障壁層604から構成されている。
【００７６】
主量子井戸層611は、バンドギャップエネルギーが相対的に低い半導体材料からなる層である。障壁層601〜606はそれぞれ、付加的な量子井戸層607〜610及び主量子井戸層611よりもバンドギャップエネルギーが高い半導体材料からなる層である。付加的な量子井戸層607は、障壁層601及び602のバンドギャップエネルギーと付加的な量子井戸層608のバンドギャップエネルギーの間のバンドギャップエネルギーを有する半導体材料からなる層である。付加的な量子井戸層610は、障壁層605及び606のバンドギャップエネルギーと付加的な量子井戸層609のバンドギャップエネルギーの間のバンドギャップエネルギーを有する半導体材料からなる層である。付加的な量子井戸層608及び609はそれぞれ、主量子井戸層611のバンドギャップエネルギーより高いバンドギャップエネルギーを有する半導体材料からなる層である。
【００７７】
実施態様の１つでは、障壁層601〜606の材料はGaAsであり、主量子井戸層611の材料はInGaAsNである。第１の例では、付加的な量子井戸層607〜610の材料は、窒素の割合（分率）が異なるGaAsNである。他の例では、付加的な量子井戸層607〜610の材料は、インジウムの割合（分率）が異なるInGaAsである。付加的な量子井戸層640〜643のバンドギャップエネルギーの相対的な大きさは、例えば、それぞれの付加的な量子井戸層607〜610に異なる割合の窒素又はインジウムを使用することにより確立される。付加的な量子井戸層607〜610の材料が同じである必要はない。すなわち、付加的な量子井戸層によって、窒素を利用することが可能なものもあれば、インジウムを利用することが可能なものもある。
【００７８】
次に、図６Ｂの伝導帯のプロファイル620を参照し、図６Ａについても参照する。表現を簡潔にするため、以下の議論では、主に、付加的な量子井戸構造690及び691と、主量子井戸構造694に焦点を絞る。しかしながら、この議論は、付加的な量子井戸構造692及び693にも拡張することができる。
【００７９】
付加的な量子井戸層607の材料は、付加的な量子井戸層608の材料よりも高い非基底状態エネルギー660と実質上調整されている基底状態エネルギー650によって特徴付けられる。付加的な量子井戸層608の材料は、主量子井戸層611の材料よりも高い非基底状態エネルギー680と実質上調整されている基底状態エネルギー670によって特徴付けられている。非基底状態エネルギー680は、主量子井戸層611の材料の基底状態エネルギー682よりもエネルギーが高い。
【００８０】
説明した例の場合、主量子井戸構造694によって、全体の深さが約300 meVの主量子井戸644が画定され、付加的な量子井戸構造690及び691によって、それぞれ全体の深さが300 meVよりも小さな付加的な量子井戸640及び641が画定される。さらに、付加的な量子井戸構造690によって、全体の深さが付加的な量子井戸641の全体深さよりも小さな付加的な量子井戸640が画定される。
【００８１】
エネルギー状態650及び660の調整（アライメント）がとれると、付加的な量子井戸640から付加的な量子井戸641への共鳴トンネル効果635が生じる。エネルギー状態660及び680の調整（アライメント）がとれると、付加的な量子井戸641から主量子井戸644への共鳴トンネル効果635も生じる。従って、付加的な量子井戸640によって捕獲されるキャリヤ250のようなキャリヤは、付加的な量子井戸640から付加的な量子井戸641に効率よく移送され、またキャリヤは、付加的な量子井戸641から主量子井戸644にも効率よく移送される。
【００８２】
したがって付加的な量子井戸640によって捕獲されるキャリヤは、共鳴トンネル効果（共鳴トンネリング）によって付加的な量子井戸641に移送される。これらのキャリヤ、並びに付加的な量子井戸641によって捕獲されるキャリヤは、さらに共鳴トンネル効果によって主量子井戸644に移送される。付加的な量子井戸642及び643は、同様に機能する。付加的な量子井戸640〜643によって捕獲されるキャリヤは、事実上、主量子井戸644によって捕獲され、閉じ込められるキャリヤに追加される。このようにして、主量子井戸644の有効キャリヤ捕獲断面積が増大する。
【００８３】
次に図７Ａを参照する。図７Ａは、本発明による発光素子に付加的な量子井戸を組み込んだ量子井戸構造700の第３の実施態様を示す断面図である。図７Ｂは、図７Ａに示す量子井戸構造700の伝導帯のプロファイル720を示すグラフである。
【００８４】
まず、図７Ａを参照すると、量子井戸構造700には、順番に、付加的な量子井戸構造790によって画定されている付加的な量子井戸740、付加的な量子井戸構造791によって画定されている付加的な量子井戸741、付加的な量子井戸構造792によって画定されている付加的な量子井戸742、主量子井戸構造796によって画定されている主量子井戸746、付加的な量子井戸構造793によって画定されている付加的な量子井戸743、付加的な量子井戸構造794によって画定されている付加的な量子井戸744、付加的な量子井戸構造795によって画定されている付加的な量子井戸745が含まれている。
【００８５】
付加的な量子井戸構造790は、順番に、障壁層701、付加的な量子井戸層709、障壁層702から構成されている。付加的な量子井戸構造791は、順番に、障壁層702、付加的な量子井戸層710、障壁層703から構成されている。付加的な量子井戸構造792は、順番に、障壁層703、付加的な量子井戸層711、障壁層704から構成されている。付加的な量子井戸構造793は、順番に、障壁層705、付加的な量子井戸層712、障壁層706から構成されている。付加的な量子井戸構造794は、順番に、障壁層706、付加的な量子井戸層713、障壁層707から構成されている。付加的な量子井戸構造795は、順番に、障壁層707、付加的な量子井戸層714、障壁層708から構成されている。主量子井戸構造796は、順番に、障壁層704、主量子井戸層715、障壁層705から構成されている。
【００８６】
主量子井戸層715は、バンドギャップエネルギーが相対的に低い半導体材料からなる層である。障壁層701〜708はそれぞれ、付加的な量子井戸層709〜714及び主量子井戸層715よりもバンドギャップエネルギーが高い半導体材料からなる層である。付加的な量子井戸層709は、障壁層701のバンドギャップエネルギーと付加的な量子井戸層710のバンドギャップエネルギーの間のバンドギャップエネルギーを有する半導体材料からなる層であり、付加的な量子井戸層714は、障壁層708のバンドギャップエネルギー付加的な量子井戸層713のバンドギャップエネルギーの間のバンドギャップエネルギーを有する半導体材料からなる層である。付加的な量子井戸層710は、付加的な量子井戸層711のバンドギャップエネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有する半導体材料からなる層であり、付加的な量子井戸層713は、付加的な量子井戸層712のバンドギャップエネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有する半導体材料からなる層である。付加的な量子井戸層711及び712はそれぞれ、主量子井戸層715のバンドギャップエネルギーよりも高いバンドギャップエネルギーを有する半導体材料からなる層である。
【００８７】
実施態様の１つでは、障壁層701〜708の材料はGaAsであり、主量子井戸層715の材料はInGaAsNである。第１の例では、付加的な量子井戸層709〜714の材料は、窒素の割合（分率）の異なるGaAsNである。他の例では、付加的な量子井戸層709〜714の材料は、インジウムの割合（分率）の異なるInGaAsである。付加的な量子井戸層740〜745のバンドギャップエネルギーの相対的な大きさは、例えば、それぞれの付加的な量子井戸層709〜714に異なる割合（分率）の窒素又はインジウムを利用することによって確立される。付加的な量子井戸層709〜714の材料が同じである必要はない。すなわち、付加的な量子井戸層によって、窒素を利用することが可能なものもあれば、インジウムを利用することが可能なものもある。
【００８８】
さらに、図７Ａによって示す例の場合、付加的な量子井戸層709及び714に含まれる窒素又はインジウムの割合（分率）は漸変し、図２Ａに関連して上述したのと同様に、窒素又はインジウムの割合（分率）は主量子井戸796に向かって増大する。例えば、上記した例の場合、付加的な量子井戸709及び714は、GaAsN又はInGaAsから構成されているものとして記述されている。図２Ａに関連して上述したように、窒素又はインジウムの割合（分率）は、付加的な量子井戸層709及び714内で漸変させることが可能である。
【００８９】
次に、図７Ｂの伝導帯のプロファイル720を参照し、図７Ａについても参照する。表現を簡潔にするために、以下の議論では、付加的な量子井戸構造790〜792と主量子井戸構造796に焦点を絞る。しかしながら、この議論は、付加的な量子井戸構造793〜795にも拡張することができる。
【００９０】
付加的な量子井戸層709の材料は、付加的な量子井戸層710の材料のより高い非基底状態エネルギー760と実質上調整されている基底状態エネルギー750によって特徴付けられる。付加的な量子井戸層710の材料は、付加的な量子井戸層711の材料のより高い非基底状態エネルギー780と実質上調整されている基底状態エネルギー770によって特徴付けられる。付加的な量子井戸層711の材料は、主量子井戸層715の材料のより高い非基底状態エネルギー784と実質上調整されている基底状態エネルギー782によって特徴付けられる。エネルギー状態784は、主量子井戸層715の材料の基底状態エネルギー786よりも高いエネルギー状態にある。
【００９１】
記述した例の場合、主量子井戸構造796によって、全体の深さが約300 meVの主量子井戸746が画定され、付加的な量子井戸構造790〜792によってそれぞれ、全体の深さが300 meVよりも小さい付加的な量子井戸740〜742が画定される。すなわち、主量子井戸746が最大の深さを有している。付加的な量子井戸742の全体の深さは主量子井戸746の全体の深さよりも浅く、小さく、付加的な量子井戸741の深さは付加的な量子井戸742の深さよりも浅く、小さく、付加的な量子井戸740の深さは付加的な量子井戸741の深さよりもあさく、小さい。
【００９２】
付加的な量子井戸層709を漸変させることによって、その量子井戸の有効キャリヤ捕獲断面積が増大する。エネルギー状態750及び760の調整（アライメント）がとれると、付加的な量子井戸740から付加的な量子井戸741への共鳴トンネル効果（共鳴トンネリング）735が生じる。エネルギー状態770及び780の調整（アライメント）がとれると、付加的な量子井戸741から付加的な量子井戸742への共鳴トンネル効果735も生じる。さらに、エネルギー状態782及び784の調整（アライメント）がとれると、付加的な量子井戸742から主量子井戸746への共鳴トンネル効果735も生じる。従って、キャリヤは、付加的な量子井戸層740から付加的な量子井戸層741に、付加的な量子井戸層741から付加的な量子井戸742に、さらに付加的な量子井戸742から主量子井戸層746へと効率よく移送される。
【００９３】
したがって、付加的な量子井戸740によって捕獲されるキャリヤは、共鳴トンネル効果（共鳴トンネリング）によって付加的な量子井戸741に移送される。これらのキャリヤ、並びに付加的な量子井戸741によって捕獲されるキャリヤは、さらに共鳴トンネル効果によって付加的な量子井戸742に移送される。これらのキャリヤ、並びに付加的な量子井戸742によって捕獲されるキャリヤは、さらに共鳴トンネル効果によって主量子井戸746に移送される。付加的な量子井戸743〜745は同様に機能する。付加的な量子井戸740〜745によって捕獲されるキャリヤは、事実上、主量子井戸746によって捕獲され、閉じ込められるキャリヤに追加される。このようにして、主量子井戸746の有効キャリヤ捕獲断面積が増大する。
【００９４】
図５Ａ、６Ａ、７Ａに従って記述した量子井戸構造500、600、700はそれぞれ、図２Ａ、３Ａ、４Ａに関連して記述した量子井戸構造の特徴又は特徴の組合せを取り入れることが可能である。例えば、図２Ａ、３Ａ、４Ａに関連して記述したような組成傾斜層又は中間組成層を、図５Ａ、６Ａ、７Ａにおいて記述した主量子井戸層及び付加的な量子井戸層の任意のいずれかに又は全てに隣接して、その片側に又は両側に取り入れることが可能である。
【００９５】
図５Ａ、６Ａ、７Ａの量子井戸構造500、600、700は、主量子井戸のそれぞれの側に同じ数の付加的な量子井戸が配置されているものとして記述されている。本発明は、このような対称的な構成に制限されない。すなわち、付加的な量子井戸を、主量子井戸を中心にして対称に配置する必要はない。例えば、実施態様の１つでは、付加的な量子井戸は主量子井戸の片側だけに配置される。他の実施態様では、ある数の付加的な量子井戸が、主量子井戸の一方の側に配置され、異なる数の付加的な量子井戸が、主量子井戸のもう一方の側に配置される。隣接する量子井戸層間の距離は、隣接する量子井戸間の効率の良い共鳴トンネル効果を可能とするように選択される。従って、隣接する量子井戸対の間の距離は均一である必要はない。
【００９６】
キャリヤ反射器を含むキャリヤ捕獲要素を備えた実施態様
本発明の実施態様には、量子井戸の片側又は両側に配置されているキャリヤ反射器によって、量子井戸の有効キャリヤ捕獲断面積を増大するものもある。キャリヤ反射器は、量子井戸によって捕獲されなかったキャリヤを反射して、量子井戸に向けて戻す。
【００９７】
図８Ａは、本発明による量子井戸構造891に近接したキャリヤ反射器構造890の実施態様を示す断面図である。図８Ｂは、図８Ａに示す構造800の伝導帯のプロファイルを示すグラフである。
【００９８】
まず、図８Ａを参照すると、量子井戸構造891には、順番に、障壁層802、量子井戸層805、障壁層803が含まれている。量子井戸層805は、バンドギャップエネルギーが相対的に低い半導体材料からなる層であり、障壁層802及び803はそれぞれ、バンドギャップエネルギーが量子井戸層805よりも高い半導体材料からなる層である。
【００９９】
障壁層802に隣接して、キャリヤ反射器構造890が設けられている。キャリヤ反射器構造890には、順番に、障壁層801及び反射器層804が含まれている。障壁層801は、バンドギャップエネルギーが相対的に高い半導体材料からなる層である。反射器層804には、一方のバンドギャップエネルギーがもう一方のバンドギャップよりもより高い、第１の半導体材料と第２の半導体材料が交互に繰り返される交互層が含まれている。
【０１００】
本明細書において、キャリヤ反射器構造890はキャリヤ捕獲要素とも呼ばれる。キャリヤ反射器構造890は、図１Ａの光反射器110及び111に追加されるものである。
【０１０１】
反射器構造890は、キャリヤを反射して、量子井戸構造891に向けて戻す。電子反射器として機能させるために、反射器構造890は、量子井戸構造891の、例えば図１Ａのｐ型層136のようなｐ型材料がドープされている領域に面した側に配置される。正孔反射器として機能させるために、反射器構造890は、量子井戸構造891の、例えば図１Ａのｎ型層134のようなｎ型材料がドープされている領域に面した側に配置される。正孔と電子を対比すると、価電子帯におけるバンドギャップ（オフセット）及び有効質量が異なることが認められる。従って、正孔反射器は、電子反射器とは異なる寸法を有する。反射器構造890は、量子井戸構造891の両側に配置させることが可能である。
【０１０２】
反射器構造890は、量子井戸構造891から反射器構造890へのキャリヤのトンネリングを阻止するのに十分な距離だけ、量子井戸構造891から離隔される。反射器構造890の寸法は、その全体の厚みＤ７が、キャリヤ波が反射器構造890全体にわたってコヒーレンスを維持するのに十分なほど小さくなるように決められている。反射器層804を構成する複数層のそれぞれの厚みは、図９Ａ、９Ｂ、９Ｃに関連してさらに詳述するように、それぞれのキャリヤに対して反射器構造890の反射率を高めるように選択される。
【０１０３】
キャリヤ反射器として、図８Ａの反射器構造890は、キャリヤを反射して、量子井戸構造891に向けてキャリアを戻す。例えば、キャリヤ250である一部のキャリヤは、量子井戸構造891によって捕獲される。例えば、キャリヤ251である量子井戸構造891によって捕獲されなかった一部のキャリヤは、反射器構造890によって反射されて、量子井戸構造に向けて戻される。これによって、量子井戸構造891が反射されたキャリヤを捕獲して、閉じ込める別の機会がもたらされる。
【０１０４】
従って、反射器構造890は、量子井戸構造891と協働して機能して、キャリヤの捕獲確率を高め、量子井戸構造891の有効キャリヤ捕獲断面積が増大する。従って、反射器構造890は、量子井戸構造891に対して協働するように配置されているものとして記述される。
【０１０５】
ある例では、障壁層801、802、803はGaAsから構成され、量子井戸層805はInGaAsNから構成されている。この例の場合、反射器構造890の反射器層804は、GaAs0.99N0.01（バンドギャップエネルギーの低い半導体材料）とGaAs（バンドギャップエネルギーの高い半導体材料）が交互に繰り返される交互層である。窒素の割合を0.01以外とすることも可能である。また本明細書において前述したように、窒素の代わりにインジウムを使用することもできる。
【０１０６】
図８Ａの構造800には、図２Ａ、３Ａ、４Ａ、５Ａ、６Ａ、７Ａに関連して記述した量子井戸構造の特徴又は特徴の組合せを取り入れることも可能である。
【０１０７】
次に、図８Ｂの伝導帯のプロファイル820を参照すると、量子井戸構造891によって、全体の深さが300 meVの量子井戸が画定される。反射器構造890には、バンドギャップエネルギーの高い半導体材料とバンドギャップエネルギーの低い半導体材料からなる交互層が含まれている。本実施態様の場合、反射器構造890におけるバンドギャップエネルギーの高い半導体材料の層とバンドギャップエネルギーの低い半導体材料の層との間に、200 meVの伝導帯バンドギャップエネルギーが存在する。
【０１０８】
図９Ａ、９Ｂ、９Ｃは、本発明による反射器構造890（図８Ａ）の異なる実施態様に関する電子反射率スペクトルのグラフである。図８Ａも参照すると、図９Ａ〜９Ｃの反射率スペクトルは図８Ａの量子井戸構造891に基づくものであり、この量子井戸構造891は深さが300 meVであり、反射器構造890のGaAsN層及びGaAs層は、200 meVの伝導帯ギャップを有する。図９Ａ〜９Ｃの反射率スペクトルは、GaAsが0.067に対してGaAsNが0.10である電子有効質量比に基づいている。
【０１０９】
図９Ａは、GaAs0.99N0.01とGaAsの対が８対である交互層から構成されている反射器構造の実施態様に対する電子反射率スペクトルを示す。反射器構造の各層は、厚みが約1.5nmである。ここで、古典的な障壁の高さが、300 meVを超える電子エネルギー（meVを単位とするＥ）に対して反射率が急激に低下することによって示される。電子エネルギー値がおおよそ600＜Ｅ＜800である場合、電子反射器によって強い反射が生じる。
【０１１０】
図９Ｂは、各層の厚みが約２nmであり、GaAs0.99N0.01とGaAsの対が８対である交互層から構成されている反射器構造の実施態様の１つに対する電子反射率スペクトルを示す。ここでも、古典的な障壁の高さが、やはり300 meVを超える電子エネルギー（meVを単位とするＥ）に対して反射率が急激に低下することによって示されている。電子エネルギー値がおおよそ400＜Ｅ＜600の場合、電子反射器によって強い反射が生じる。
【０１１１】
図９Ｃは、GaAs0.99N0.01とGaAsの対が８対である交互層から構成されている反射器構造の実施態様の１つに対する電子反射率スペクトルを示すが、この場合、GaAs層の厚みは約3.2nmであり、一方GaAs0.99N0.01層の厚みは約２nmである。この場合には、反射率スペクトルがシフトし、障壁層の高さが、古典的な値の300 meVから有効な障壁高さである約450 meVまで効果的に増大している。
【０１１２】
キャリヤ捕獲を改良する方法
図１０は、本発明に実施態様の１つによる発光素子におけるキャリヤ捕獲を改良するための方法のフローチャート900を示す。フローチャート900には、特定の操作、工程を開示するが、そのような操作、工程は例示にすぎない。すなわち、本発明の実施態様は、他のさまざまな操作又はフローチャート900に列挙されている操作の変形により実施することにも適している。フローチャート900の操作、工程は、図９に示す順番とは異なる順番で実施することも可能であることを理解されたい。また実施態様によっては、フローチャート900の全ての操作を実施する必要がないこともある。
【０１１３】
本実施態様では、ブロック910において、多くのキャリヤを発光素子の量子井戸に捕獲する。ブロック920において、量子井戸と協働して、量子井戸の有効キャリヤ捕獲断面積を増大させるように機能するキャリヤ捕獲要素を利用して、さらなるキャリヤを量子井戸に捕獲する。
【０１１４】
実施態様の１つでは、キャリヤ捕獲要素には、量子井戸に近接した反射器が含まれる。反射器は、量子井戸によって捕獲されなかったキャリヤを反射して、量子井戸に向けて戻す。
【０１１５】
他の実施態様では、キャリヤ捕獲要素には、量子井戸に近接した付加的な量子井戸が含まれる。付加的な量子井戸は、付加的な量子井戸から量子井戸へのキャリヤの共鳴トンネル効果が生じるように、量子井戸のエネルギー状態と実質上調整された（アライメントのとれた）基底状態エネルギーを有する。
【０１１６】
さらに他の実施態様の場合、発光素子には、量子井戸に隣接した層が含まれ、この層には、量子井戸の有効キャリヤ捕獲断面積を増すための材料が含まれている。
【０１１７】
要するに、本発明は、さまざまな実施態様によって、発光素子の量子井戸におけるキャリヤ捕獲を促進する解決法を提供するものである。
【０１１８】
以上のように、本発明のさまざまな実施態様について記述してきた。本発明を特定の実施態様に関して説明したが、当然明らかなように、本発明はそのような実施態様によって制限されると解釈されるべきではなく、本発明の範囲は、付属の特許請求の範囲の記載に基づいて解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１Ａ】本発明による実施態様により実施される発光素子を例示した半導体レーザの一部を示す断面図である。
【図１Ｂ】発光素子の従来の量子井戸構造を示す断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｂに示す量子井戸構造の伝導帯のプロファイルを示すグラフである。
【図２Ａ】本発明による発光素子の量子井戸構造に関する第１の実施態様を示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示す量子井戸構造の伝導帯のプロファイルを示すグラフである。
【図３Ａ】本発明による発光素子の量子井戸構造に関する第２の実施態様を示す断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示す量子井戸構造の伝導帯のプロファイルを示すグラフである。
【図４Ａ】本発明による発光素子の量子井戸構造に関する第３の実施態様を示す断面図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示す量子井戸構造の伝導帯のプロファイルを示すグラフである。
【図５Ａ】本発明の発光素子における主量子井戸及び付加的な量子井戸を含む量子井戸構造に関する第１の実施態様を示す断面図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示す量子井戸構造の伝導帯のプロファイルを示すグラフである。
【図６Ａ】本発明の発光素子における主量子井戸及び付加的な量子井戸を含む量子井戸構造に関する第２の実施態様を示す断面図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示す量子井戸構造の伝導帯のプロファイルを示すグラフである。
【図７Ａ】本発明の発光素子における主量子井戸及び付加的な量子井戸を含む量子井戸構造に関する第３の実施態様を示す断面図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示す量子井戸構造の伝導帯のプロファイルを示すグラフである。
【図８Ａ】本発明による量子井戸構造に隣接したキャリヤ反射器を含む発光素子の実施態様に関する断面図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示す量子井戸構造の伝導帯のプロファイルを示すグラフである。
【図９Ａ】本発明の実施態様による異なる様式のうちの１つの反射器に関する反射率スペクトルを示すグラフである。
【図９Ｂ】本発明の実施態様による異なる様式のうちの１つの反射器に関する反射率スペクトルを示すグラフである。
【図９Ｃ】本発明の実施態様による異なる様式のうちの１つの反射器に関する反射率スペクトルを示すグラフである。
【図１０】本発明によるキャリヤ捕獲を増大するための典型的な方法を例示したフローチャートである。
【符号の説明】
【０１２０】
１００  発光素子
２０１  第２の障壁層
２０２  第１の障壁層
２０３  第１の層
２０５  量子井戸層
３０１  第２の障壁層
３０２  第１の障壁層
３０３  第１の層
３０５  量子井戸層
４０１  第２の障壁層
４０２  第１の障壁層
４０３  第１の層
４０６  量子井戸層
５０５  付加的な量子井戸層
５４０  第１の付加的な量子井戸層
５４１  第２の付加的な量子井戸層
５９２  キャリヤ捕獲要素
６０８  付加的な量子井戸層
６４１  第１の付加的な量子井戸層
６４２  第２の付加的な量子井戸層
６９１  キャリヤ捕獲要素
７１１  付加的な量子井戸層
７４２  第１の付加的な量子井戸層
７４３  第２の付加的な量子井戸層
７９２  キャリヤ捕獲要素
８９０  キャリヤ反射器
【図１Ａ】
2004320038.tif 000003
【図１Ｂ】
2004320038.tif 000004
【図１Ｃ】
2004320038.tif 000005
【図２Ａ】
2004320038.tif 000006
【図２Ｂ】
2004320038.tif 000007
【図３Ａ】
2004320038.tif 000008
【図３Ｂ】
2004320038.tif 000009
【図４Ａ】
2004320038.tif 000010
【図４Ｂ】
2004320038.tif 000011
【図５Ａ】
2004320038.tif 000012
【図５Ｂ】
2004320038.tif 000013
【図６Ａ】
2004320038.tif 000014
【図６Ｂ】
2004320038.tif 000015
【図７Ａ】
2004320038.tif 000016
【図７Ｂ】
2004320038.tif 000017
【図８Ａ】
2004320038.tif 000018
【図８Ｂ】
2004320038.tif 000019
【図９Ａ】
2004320038.tif 000020
【図９Ｂ】
2004320038.tif 000021
【図９Ｃ】
2004320038.tif 000022
【図１０】
2004320038.tif 000023