(57)【要約】【課題】タイプII量子井戸構造を有する半導体発光素子の発光効率を高める。【解決手段】この半導体レーザ素子の活性層は、交互に積層された第１の半導体層３１ａ及び第２の半導体層３１ｂを各々含む複数の半導体積層部と、該複数の半導体積層部の間に挟まれた分離層３２とを有する。第１の半導体層３１ａの伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ１は、第２の半導体層３１ｂの伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ２より低い。第２の半導体層３１ｂの価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ２は、第１の半導体層３１ａの価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ１より高い。分離層３２は第２の半導体層３１ｂより厚い。分離層３２と第１の半導体層３１ａとが互いに接しており、分離層３２の伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ３は、エネルギー準位Ｅｃ１より高い。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交互に積層された第１及び第２の半導体層を各々含む複数の半導体積層部と、該複数の半導体積層部の間に挟まれた第３の半導体層とを有する活性層を備え、
前記第１の半導体層の伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ１は、前記第２の半導体層の伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ２より低く、
前記第２の半導体層の価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ２は、前記第１の半導体層の価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ１より高く、
前記第３の半導体層は前記第２の半導体層より厚く、
前記第３の半導体層と前記第１の半導体層とが互いに接しており、前記第３の半導体層の伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ３が前記エネルギー準位Ｅｃ１より高いことを特徴とする、半導体発光素子。
【請求項２】
各半導体積層部が有する前記第１の半導体層の層数が偶数であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
交互に積層された第１及び第２の半導体層を各々含む複数の半導体積層部と、該複数の半導体積層部の間に挟まれた第３の半導体層とを有する活性層を備え、
前記第１の半導体層の伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ１は、前記第２の半導体層の伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ２より低く、
前記第２の半導体層の価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ２は、前記第１の半導体層の価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ１より高く、
前記第３の半導体層は前記第１の半導体層より厚く、
前記第３の半導体層と前記第２の半導体層とが互いに接しており、前記第３の半導体層の価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ３が前記エネルギー準位Ｅｖ２より低いことを特徴とする、半導体発光素子。
【請求項４】
各半導体積層部が有する前記第２の半導体層の層数が偶数であることを特徴とする、請求項１に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ものである。
【背景技術】
【０００２】
波長が１．６μｍより長い赤外光は、ガス分析等に用いられる分光分析システムや、赤外イメージングシステム、光通信システム等に応用できる。このような長波長の赤外光を半導体素子によって得る為に、従来より様々な工夫がなされている。
【０００３】
例えば、ＧａＳｂからなる基板上に、バンドギャップが極めて小さいＧａＩｎＡｓＳｂやＡｌＧａＡｓＳｂといった半導体材料からなる活性層を成長させることにより、２μｍ〜２．８μｍといった長波長の赤外光を実現する試みがなされている。しかし、これらの半導体材料には、良好な結晶性を得ることが難しいという問題がある。
【０００４】
また、これとは別に、ＩｎＰ基板上にいわゆるタイプII量子井戸構造を作製する試みがなされている。図１０は、タイプII量子井戸構造を実現するためのバンド構造の一例を示す図である。図１０には、タイプII量子井戸構造を有する活性層１１０と、該活性層１１０の上下に配置された上部光閉じ込め層１１１および下部光閉じ込め層１１２と、上部クラッド層１１３および下部クラッド層１１４とが含まれている。図１０に示されるように、活性層１１０は、電子ｅにとっての井戸となり、正孔ｈにとっての障壁となる半導体層１０１と、正孔ｈにとっての井戸となり、電子ｅにとっての障壁となる半導体層１０２とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する。このような活性層１１０においては、半導体層１０１に閉じ込められた電子ｅと半導体層１０２に閉じ込められた正孔ｈとが再結合することにより、光が発生する。また、半導体層１０１の伝導帯の最も低いエネルギー準位と、半導体層１０２の価電子帯の最も高いエネルギー準位との差（バンドギャップ）は、半導体層１０１（又は１０２）単体でのバンドギャップより小さくなる。従って、半導体層１０１（又は１０２）の半導体材料を従来の井戸層として用いる場合と比較して、より長い波長の赤外光を発生させることができる。なお、このようなタイプII量子井戸構造は、例えば非特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】M. Peter et al.，‘Light-emitting diodes and laser diodes based on a GaInAs/GaAsSb typeII superlattice on InP substrate’，Applied physics letters，American Institute of Physics，Volume 74，Number 14，pp.1951-1953，(1999)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
タイプII量子井戸構造では、電子を閉じ込める量子井戸と正孔を閉じ込める量子井戸とが交互に配置される。従って、電子及び正孔の量子井戸の位置が一致している従来の量子井戸構造と比較して、電子の波動関数と正孔の波動関数との重なりが十分ではなく、発光強度が小さいという課題がある。
【０００７】
なお、上述した非特許文献１には、このような課題を解決するために短周期の（つまり層厚が薄い）ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂ系超格子構造を採用し、電子及び正孔の各波動関数を空間的に広く分布させている。すなわち、非特許文献１では、半導体層１０１として厚さ３．７ｎｍのＧａＩｎＡｓ層を採用し、半導体層１０２として厚さ２．２ｎｍのＧａＡｓＳｂ層を採用している。しかしながら、このような構造を備えるレーザダイオードでは、その発光効率の低さによって閾値電流が室温で０．３Ａと大きくなっている。
【０００８】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、タイプII量子井戸構造を有する半導体発光素子の発光効率を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明による第１の半導体発光素子は、交互に積層された第１及び第２の半導体層を各々含む複数の半導体積層部と、該複数の半導体積層部の間に挟まれた第３の半導体層とを有する活性層を備え、第１の半導体層の伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ１は、第２の半導体層の伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ２より低く、第２の半導体層の価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ２は、第１の半導体層の価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ１より高く、第３の半導体層は第２の半導体層より厚く、第３の半導体層と第１の半導体層とが互いに接しており、第３の半導体層の伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ３がエネルギー準位Ｅｃ１より高いことを特徴とする。
【００１０】
この第１の半導体発光素子においては、各半導体積層部の第１の半導体層の伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ１が第２の半導体層の伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ２より低いので、第１の半導体層は電子にとっての井戸層となることができ、第２の半導体層は電子にとっての障壁層となることができる。また、第２の半導体層の価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ２が第１の半導体層の伝導帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ１より高いので、第２の半導体層は正孔にとっての井戸層となることができ、第１の半導体層は正孔にとっての障壁層となることができる。従って、複数の半導体積層部のそれぞれにおいてタイプII量子井戸構造が好適に実現される。
【００１１】
また、活性層は、複数の半導体積層部の間に挟まれた第３の半導体層を有する。この第３の半導体層は第１の半導体層と接しており、第３の半導体層の伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ３がエネルギー準位Ｅｃ１より高い。従って、第３の半導体層は、電子にとっての障壁層となることができる。更に、この第３の半導体層は、電子にとっての障壁層である第２の半導体層より厚い。このように厚い第３の半導体層が半導体積層部間に介在することによって、隣り合う半導体積層部相互間の電子の波動関数の結合が弱まるので、各半導体積層部内での電子の波動関数の偏りを抑えて均一な（上下対称な）形状に近づけることができる。そして、電子の波動関数がこのような形状に近づくことによって、光学遷移の選択則に基づき発光効率が高まる。すなわち、この第１の半導体発光素子によれば、タイプII量子井戸構造を有する活性層の発光効率を高めることができる。
【００１２】
本発明による第２の半導体発光素子は、交互に積層された第１及び第２の半導体層を各々含む複数の半導体積層部と、該複数の半導体積層部の間に挟まれた第３の半導体層とを有する活性層を備え、第１の半導体層の伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ１は、第２の半導体層の伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ２より低く、第２の半導体層の価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ２は、第１の半導体層の価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ１より高く、第３の半導体層は第１の半導体層より厚く、第３の半導体層と第２の半導体層とが互いに接しており、第３の半導体層の価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ３がエネルギー準位Ｅｖ２より低いことを特徴とする。
【００１３】
上記第２の半導体発光素子においては、各半導体積層部の第１の半導体層の伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ１が第２の半導体層の伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ２より低いので、第１の半導体層は電子にとっての井戸層となることができ、第２の半導体層は電子にとっての障壁層となることができる。また、第２の半導体層の価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ２が第１の半導体層の伝導帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ１より高いので、第２の半導体層は正孔にとっての井戸層となることができ、第１の半導体層は正孔にとっての障壁層となることができる。従って、複数の半導体積層部のそれぞれにおいてタイプII量子井戸構造が好適に実現される。
【００１４】
また、活性層は、複数の半導体積層部の間に挟まれた第３の半導体層を有する。この第３の半導体層は第２の半導体層と接しており、第３の半導体層の価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ３がエネルギー準位Ｅｖ２より低い。従って、第３の半導体層は、正孔にとっての障壁層となることができる。更に、この第３の半導体層は、正孔にとっての障壁層である第１の半導体層より厚い。このように厚い第３の半導体層が半導体積層部間に介在することによって、隣り合う半導体積層部相互間の正孔の波動関数の結合が弱まるので、各半導体積層部内での正孔の波動関数の偏りを抑えて均一な（上下対称な）形状に近づけることができる。そして、正孔の波動関数がこのような形状に近づくことによって、光学遷移の選択則に基づき発光効率が高まる。すなわち、この第２の半導体発光素子によれば、タイプII量子井戸構造を有する活性層の発光効率を高めることができる。
【００１５】
また、第１の半導体発光素子において、各半導体積層部が有する第１の半導体層の層数は偶数であることが好ましい。また、第２の半導体発光素子において、各半導体積層部が有する第２の半導体層の層数は偶数であることが好ましい。本発明者らの研究によれば、第１の半導体発光素子における電子にとっての井戸層（すなわち第１の半導体層）、及び第２の半導体発光素子における正孔にとっての井戸層（すなわち第２の半導体層）の層数がそれぞれ偶数であることによって、上述した作用効果が顕著となり発光効率を更に高めることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、タイプII量子井戸構造を有する半導体発光素子の発光効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図２】図２は、活性層の内部構造を示す断面図である。
【図３】図３は、活性層付近のバンド構造を示す図である。
【図４】図４は、活性層の伝導帯と禁止帯との境界線の形状、及び電子の波動関数を示す図である。
【図５】図５は、比較のため、従来のタイプII量子井戸構造における伝導帯と禁止帯との境界線の形状、及び電子の波動関数を示す図である。
【図６】図６は、分離層の厚さが互いに同一ではない場合における、活性層の伝導帯と禁止帯との境界線の形状、及び電子の波動関数を示している。
【図７】図７は、第２実施形態の半導体レーザ素子が備える活性層の断面構造を示す図である。
【図８】図８は、活性層付近のバンド構造を示す図である。
【図９】図９は、井戸層の層数とΔＷｐとの関係について算出した結果を示すグラフである。
【図１０】図１０は、タイプII量子井戸構造を実現するための従来のバンド構造の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体発光素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ素子１０の構造を示す断面図である。図１は、半導体レーザ素子１０のレーザ共振方向に対して垂直な断面を示している。半導体レーザ素子１０は、基板１１と、基板１１上に設けられたメサ部１２と、メサ部１２の両側面を埋め込むように基板１１上に設けられた埋込部１３ａ及び１３ｂと、クラッド層２５と、コンタクト層２６と、絶縁膜１８と、アノード電極１６及びカソード電極１７とを備える。
【００２０】
基板１１は主面１１ａを有する。本実施形態の基板１１は第１導電型のIII−Ｖ族化合物半導体からなり、一実施例では基板１１はｎ型ＩｎＰからなる。基板１１は下部クラッド層として働き、基板１１のバンドギャップは、後述するメサ部１２の下部光閉じ込め層２２及び活性層２３のバンドギャップより大きい。基板１１のキャリア濃度は例えば２×１０１７ｃｍ−３〜７×１０１７ｃｍ−３である。
【００２１】
メサ部１２は、その平面形状がストライプ状であり、半導体レーザ素子１０のレーザ共振方向に延びている。メサ部１２は、該レーザ共振方向に沿った一対の側面１２ａ及び１２ｂを有する。メサ部１２は、基板１１の主面１１ａ上に形成されている。メサ部１２は、基板１１の主面１１ａ上に順に成長した下部光閉じ込め層２２、活性層２３、上部光閉じ込め層２４、クラッド層２５、及びコンタクト層２６を含む。
【００２２】
下部光閉じ込め層２２は基板１１の主面１１ａ上に設けられている。下部光閉じ込め層２２はIII−Ｖ族化合物半導体からなり、一例ではアンドープＧａＩｎＡｓＰからなる。下部光閉じ込め層２２の厚さは例えば１０ｎｍ〜４００ｎｍである。下部光閉じ込め層２２のバンドギャップ波長は例えば１．３μｍである。
【００２３】
活性層２３は、III−Ｖ族化合物半導体からなり、下部光閉じ込め層２２上に設けられている。この活性層２３の内部構造については後に詳しく述べる。
【００２４】
上部光閉じ込め層２４は活性層２３上に設けられている。上部光閉じ込め層２４はIII−Ｖ族化合物半導体からなり、一例ではアンドープＧａＩｎＡｓＰからなる。上部光閉じ込め層２４の厚さは例えば１０ｎｍ〜４００ｎｍである。上部光閉じ込め層２４のバンドギャップ波長は例えば１．３μｍである。
【００２５】
クラッド層２５は、メサ部１２上に設けられている。クラッド層２５は上部クラッド層として働き、クラッド層２５のバンドギャップはメサ部１２の上部光閉じ込め層２４及び活性層２３のバンドギャップより大きい。クラッド層２５は第２導電型のIII−Ｖ族化合物半導体からなり、一実施例ではクラッド層２５はｐ型ＩｎＰからなる。クラッド層２５のキャリア濃度は例えば２×１０１７ｃｍ−３〜７×１０１７ｃｍ−３であり、クラッド層２５の厚さは例えば１μｍ〜２μｍである。
【００２６】
コンタクト層２６は、クラッド層２５上に設けられている。コンタクト層２６は高濃度の第２導電型III−Ｖ族化合物半導体からなり、一実施例ではコンタクト層２６はｐ型ＩｎＧａＡｓからなる。
【００２７】
埋込部１３ａ及び１３ｂは、メサ部１２の両側面１２ａ及び１２ｂをそれぞれ埋め込むように、主面１１ａにおけるメサ部１２が設けられた領域を除く領域上に設けられている。埋込部１３ａ及び１３ｂは、例えばＦｅドープＩｎＰといった半絶縁性のIII−Ｖ族化合物半導体からなる。埋込部１３ａ及び１３ｂの上には、例えばＳｉＮ等からなる絶縁膜１８が設けられている。
【００２８】
アノード電極１６は、コンタクト層２６上に設けられ、コンタクト層２６とオーミック接触を成している。カソード電極１７は、基板１１の裏面１１ｂ上に設けられ、基板１１とオーミック接触を成している。アノード電極１６及びカソード電極１７は、メサ部１２の活性層２３に電流を供給するための電極である。アノード電極１６は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを含んで構成される。カソード電極１７は、例えばＡｕＧｅを含んで構成される。
【００２９】
ここで、活性層２３の内部構造について詳細に説明する。図２は、活性層２３の内部構造を示す断面図である。また、図３は、活性層２３付近のバンド構造を示す図である。図２に示されるように、活性層２３は、主面１１ａに垂直な方向に積層されたＮ個（Ｎは２以上の整数。図２にはＮ＝５の場合が示されている。）の半導体積層部３１と、該Ｎ個の半導体積層部３１の間にそれぞれ挟まれたＮ−１層の分離層３２とを有する。
【００３０】
各半導体積層部３１は、タイプII量子井戸構造を有する。具体的には、各半導体積層部３１は、交互に積層された第１の半導体層３１ａ及び第２の半導体層３１ｂを含む。第１の半導体層３１ａはＭ層（Ｍは２以上の整数であり、好ましくは偶数である。図２にはＭ＝２の場合が示されている。）設けられ、第２の半導体層３１ｂはＭ−１層設けられる。図３に示されるように、第１の半導体層３１ａの伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ１は、第２の半導体層３１ｂの伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ２より低い。また、第２の半導体層３１ｂの価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ２は、第１の半導体層３１ａの価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ１より高い。
【００３１】
このように、エネルギー準位Ｅｃ１がエネルギー準位Ｅｃ２より低いので、第１の半導体層３１ａは電子ｅにとっての井戸層となることができ、第２の半導体層３１ｂは電子ｅにとっての障壁層となることができる。また、エネルギー準位Ｅｖ２がエネルギー準位Ｅｖ１より高いので、第２の半導体層３１ｂは正孔ｈにとっての井戸層となることができ、第１の半導体層３１ａは正孔ｈにとっての障壁層となることができる。そして、第１の半導体層３１ａに閉じ込められた電子と、第２の半導体層３１ｂに閉じ込められた正孔とが互いに結合することにより、そのエネルギー差に相当する波長の光が放出される。なお、電子ｅにとっての量子井戸層（第１の半導体層３１ａ）のエネルギー準位Ｅｃ１と、正孔ｈにとっての量子井戸層（第２の半導体層３１ｂ）のエネルギー準位Ｅｖ２との差（バンドギャップ）は、波長２．０μｍ以上といった長波長の赤外光を発生させるために、０．６２ｅＶ以下であることが好ましい。
【００３２】
第１の半導体層３１ａの厚さは例えば５ｎｍであり、第２の半導体層３１ｂの厚さは例えば３ｎｍである。一実施例では、第１の半導体層３１ａはＧａｘＩｎ１−ｘＡｓからなり、第２の半導体層３１ｂはＧａＡｓｙＳｂ１−ｙからなる。組成比ｘ、ｙの値は、活性層２３が基板１１（ｎ型ＩｎＰ）との格子整合系である場合は例えばｘ＝０．４６８，ｙ＝０．５１４であり、或いは歪み補償系である場合は例えばｘ＝０．３〜０．６，ｙ＝０．４〜０．７である。
【００３３】
分離層３２は、本実施形態における第３の半導体層である。分離層３２は、隣接する半導体積層部３１の第１の半導体層３１ａと接している。また、分離層３２の伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ３は、第１の半導体層３１ａの伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ１より高い。従って、分離層３２は、電子ｅにとっての障壁層となることができる。なお、分離層３２の価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ３は、第１の半導体層３１ａの価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ１より高い。従って、分離層３２は、正孔ｈにとっての井戸層となることができる。一実施例では、分離層３２はＧａＡｓＳｂからなる。
【００３４】
また、分離層３２の厚さは、隣接する半導体積層部３１の第２の半導体層３１ｂより十分厚い。より好ましくは、分離層３２の厚さは、隣接する半導体積層部３１の第１及び第２の半導体層３１ａ、３１ｂの双方より十分厚い。一実施例では、分離層３２の厚さは８ｎｍである。
【００３５】
以上の構成を備える半導体レーザ素子１０の作用および効果について説明する。タイプII量子井戸構造においては、図３に示されたように、伝導帯における量子井戸の位置と価電子帯における量子井戸の位置とが互いにずれている。従って、電子ｅの波動関数と正孔ｈの波動関数との重なりは、電子ｅの波動関数が価電子帯の量子井戸へ、また正孔ｈの波動関数が伝導帯の量子井戸へそれぞれ浸み出した共通部分において生じる。電子の有効質量は正孔の有効質量より小さいので、伝導帯と価電子帯とで量子井戸の深さ（エネルギー障壁）が同程度である場合、電子の波動関数の浸み出し（広がり）は、正孔の波動関数の浸み出しと比べて大きい。
【００３６】
そこで、伝導帯における電子の波動関数に注目する。図４は、活性層２３の伝導帯と禁止帯との境界線の形状（グラフＧ１１）及び電子の波動関数（グラフＧ１２）を示す図である。また、図５は、比較のため、従来のタイプII量子井戸構造における伝導帯と禁止帯との境界線の形状（グラフＧ２１）及び電子の波動関数（グラフＧ２２）を示す図である。図４及び図５において、縦軸はエネルギー準位（単位：ｅＶ）を表しており、横軸は厚さ方向位置（単位：ｎｍ）を表している。
【００３７】
図５に示されるように、電子にとっての井戸層及び障壁層がそれぞれ一定の厚さで交互に積層された従来のタイプII量子井戸構造では、各量子井戸の波動関数が結合した結果、波動関数の形状が、エネルギーが高い方向に緩やかな凸状を呈する包絡線に沿った形状となり、個々の量子井戸で見た場合、不均一で上下（グラフでは左右）非対称な形状となってしまう。
【００３８】
すなわち、一つの量子井戸構造が単独で存在する場合には波動関数が上下対称な偶関数的形状となるが、図５のように波動関数が結合すると、或る一つの量子井戸構造において活性層の中心に近い側の波動関数値が高くなってしまい、偶関数的形状が崩れて上下非対称な形状となってしまう。その結果、光学遷移が生じる選択則から外れてしまう場合が多くなり、発光効率が低下する。従って、レーザ発振の閾値電流が大きくなってしまう。
【００３９】
これに対し、タイプII量子井戸構造を有する複数の半導体積層部３１と、複数の半導体積層部３１の間に配置された分離層３２とを有する本実施形態の活性層２３においては、図４に示されるように、隣り合う半導体積層部３１同士の波動関数の結合が、厚い分離層３２によって小さく抑えられる。一方、各半導体積層部３１の中の２つの量子井戸（第１の半導体層３１ａ）の波動関数は、比較的薄い障壁（第２の半導体層３１ｂ）を隔てて互いに十分に結合している。これにより、個々の量子井戸構造において波動関数の形状の偏りを抑え、上下対称で均一な偶関数的形状を保つことができ、また波動関数を電子にとっての井戸層（第１の半導体層３１ａ）から障壁層（第２の半導体層３１ｂ）へ好適な形で広げることができる。従って、伝導帯における電子の波動関数と、価電子帯における正孔の波動関数との重なりを大きくすることができるので、光学遷移の選択則に従い発光効率を高めることができる。従って、レーザ発振の閾値電流を小さくすることができる。
【００４０】
なお、分離層３２の厚さは、その上下に配置される量子井戸（第１の半導体層３１ａ）同士の波動関数の重なりが小さくなるように或る程度厚いことが好ましい。一方、活性層２３に含まれるＮ個の半導体積層部３１の全てに電子を略均一に注入できる程度に厚過ぎないことが好ましい。すなわち、分離層３２の厚さは、半導体積層部３１の厚さ（第１及び第２の半導体層３１ａ、３１ｂの厚さ及び層数）にもよるが、７ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることが好適である。
【００４１】
また、本実施形態ではＮ個の半導体積層部３１の構成が互いに同一である場合を例示したが、Ｎ個の半導体積層部の構成は互いに異なっていてもよい。分離層３２に関しても、本実施形態ではＮ−１層の分離層３２の構成（厚さおよび組成）が互いに同一である場合を例示したが、Ｎ−１層の分離層３２の構成は互いに異なっていてもよい。図６は、分離層３２の厚さが互いに同一ではない場合における、活性層の伝導帯と禁止帯との境界線の形状（グラフＧ３１）及び電子の波動関数（グラフＧ３２）を示している。同図において、分離層３２の厚さは、最下端に位置する分離層３２から順に、７ｎｍ、８ｎｍ、８ｎｍ、及び７ｎｍとなっている。なお、第１及び第２の半導体層３１ａ、３１ｂの層数、組成及び厚さ、並びに分離層３２の組成は本実施形態と同じである。所望の波動関数の形状を得るために、このように複数の分離層３２の厚さや組成を適宜変更することができる。これにより、各量子井戸での波動関数の形状の均一性が増し、活性層２３の発光効率を更に高めることができる。
【００４２】
また、図２に示した活性層２３では各半導体積層部３１が第１の半導体層３１ａを２層含んでいるが、３層や４層含んでもよい。また、図２に示した活性層２３では半導体積層部３１の数Ｎが５である場合を例示したが、半導体積層部３１の数Ｎはこれに限られず、例えば２〜２０程度が好適である。
【００４３】
（第２の実施の形態）
続いて、本発明の第２実施形態に係る半導体レーザ素子について説明する。図７は、本実施形態の半導体レーザ素子が備える活性層３３の断面構造を示す図である。また、図８は、活性層３３付近のバンド構造を示す図である。なお、本実施形態の半導体レーザ素子は、活性層３３を除き、第１実施形態の半導体レーザ素子１０と同様の構成を備える。
【００４４】
図７に示されるように、活性層３３は、基板の主面に垂直な方向に積層されたＮ個（図７ではＮ＝５）の半導体積層部３５と、該Ｎ個の半導体積層部３５の間にそれぞれ挟まれたＮ−１層の分離層３６とを有する。
【００４５】
各半導体積層部３５は、タイプII量子井戸構造を有する。具体的には、各半導体積層部３５は、交互に積層された第１の半導体層３５ａ及び第２の半導体層３５ｂを含む。第１の半導体層３５ａはＭ−１層（Ｍは２以上の整数であり、好ましくは偶数である。図２にはＭ＝２の場合が示されている。）設けられ、第２の半導体層３５ｂはＭ層設けられる。図８に示されるように、第１の半導体層３５ａの伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ１は、第２の半導体層３５ｂの伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ２より低い。また、第２の半導体層３５ｂの価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ２は、第１の半導体層３５ａの価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ１より高い。
【００４６】
このように、エネルギー準位Ｅｃ１がエネルギー準位Ｅｃ２より低いので、第１の半導体層３５ａは電子ｅにとっての井戸層となることができ、第２の半導体層３５ｂは電子ｅにとっての障壁層となることができる。また、エネルギー準位Ｅｖ２がエネルギー準位Ｅｖ１より高いので、第２の半導体層３５ｂは正孔ｈにとっての井戸層となることができ、第１の半導体層３５ａは正孔ｈにとっての障壁層となることができる。そして、第１の半導体層３５ａに閉じ込められた電子と、第２の半導体層３５ｂに閉じ込められた正孔とが互いに結合することにより、そのエネルギー差に相当する波長の光が放出される。なお、第１の半導体層３５ａ及び第２の半導体層３５ｂの厚さ及び組成の好適例は、第１実施形態の第１の半導体層３１ａ及び第２の半導体層３１ｂと同様である。
【００４７】
分離層３６は、本実施形態における第３の半導体層である。分離層３６は、隣接する半導体積層部３５の第２の半導体層３５ｂと接している。また、分離層３６の価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ３は、第２の半導体層３５ｂの価電子帯の最も高いエネルギー準位Ｅｖ２より低い。従って、分離層３６は、正孔ｈにとっての障壁層となることができる。なお、分離層３６の伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ３は、第２の半導体層３５ｂの伝導帯の最も低いエネルギー準位Ｅｃ２より低い。従って、分離層３６は、電子ｅにとっての井戸層となることができる。一実施例では、分離層３６はＧａＩｎＡｓからなる。
【００４８】
また、分離層３６の厚さは、隣接する半導体積層部３５の第１の半導体層３５ａより十分厚い。より好ましくは、分離層３６の厚さは、隣接する半導体積層部３５の第１及び第２の半導体層３５ａ、３５ｂの双方より十分厚い。一実施例では、分離層３６の厚さは８ｎｍである。
【００４９】
第１実施形態において電子の波動関数に関する課題を述べたが、正孔の波動関数に関しても同様の課題が存在する。すなわち、正孔にとっての井戸層及び障壁層がそれぞれ一定の厚さで交互に積層された従来のタイプII量子井戸構造では、各量子井戸の波動関数が結合した結果、波動関数の形状が、エネルギーが高い方向に緩やかな凸状を呈する包絡線に沿った形状となり、個々の量子井戸で見た場合、不均一で上下非対称な形状となってしまう。その結果、光学遷移が生じる選択則から外れてしまう場合が多くなり、発光効率が低下する。
【００５０】
本実施形態では、隣り合う半導体積層部３５同士の正孔の波動関数の結合が、厚い分離層３６によって小さく抑えられる。一方、各半導体積層部３５の中の２つの量子井戸（第２の半導体層３５ｂ）の波動関数は、比較的薄い障壁（第１の半導体層３５ａ）を隔てて互いに十分に結合する。これにより、個々の量子井戸構造において波動関数の形状の偏りを抑え、上下対称で均一な偶関数的形状を保つことができ、また波動関数を正孔にとっての井戸層（第２の半導体層３５ｂ）から障壁層（第１の半導体層３５ａ）へ好適な形で広げることができる。従って、伝導帯における電子の波動関数と、価電子帯における正孔の波動関数との重なりを大きくすることができるので、光学遷移の選択則に従い発光効率を高めることができる。
【００５１】
（実施例）
ここで、一つの半導体積層部に含まれる井戸層（第１実施形態では第１の半導体層３１ａ、第２実施形態では第２の半導体層３５ｂ）の好適な層数Ｍについて更に述べる。いま、次式により算出されるΔＷｐを考える。
ΔＷｐ＝（分離層が存在する場合の局所ピークの最大変動）／（分離層が存在しない場合の局所ピークの最大変動）
このΔＷｐの値が小さいほど、分離層による波動関数形状の改善効果が大きいことを表す。図９は、井戸層の層数Ｍと上記ΔＷｐとの関係について算出した結果を示すグラフである。図９において、縦軸はΔＷｐの値を示し、横軸は一つの半導体積層部に含まれる井戸層の層数Ｍを示している。また、図中のグラフＧ４１は電子についての計算結果（すなわち第１実施形態での結果）を示し、グラフＧ４２は正孔についての計算結果（すなわち第２実施形態での結果）を示している。
【００５２】
図９に示されるように、グラフＧ４１とグラフＧ４２とを比較すると、グラフＧ４１の方がΔＷｐの値が大きく、波動関数形状がより効果的に改善されていることがわかる。そして、一つの半導体積層部に含まれる井戸層の層数Ｍが２の場合に、最も効果的に波動関数形状が改善されている。また、層数Ｍが偶数の場合のほうが、奇数の場合と比較してより効果的に波動関数形状が改善されている。
【００５３】
このように、一つの半導体積層部に含まれる井戸層（第１実施形態では第１の半導体層３１ａ、第２実施形態では第２の半導体層３５ｂ）の層数Ｍは、偶数であることが好ましく、２であることが最も好ましい。これにより、波動関数形状をより効果的に改善し、活性層の発光効率を更に高めることができる。
【００５４】
本発明による半導体発光素子は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した各実施形態では半導体レーザ素子に本発明を適用した例を示したが、本発明は、活性層を有する半導体発光素子であれば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＳＬＤ（Super luminescentDiode）等の他の素子にも適用できる。また、上述した各実施形態では活性層の第１〜第３の半導体層がＧａＩｎＡｓやＧａＡｓＳｂといったIII族化合物半導体からなる場合を例示したが、本発明における第１〜第３の半導体層は、これ以外にも様々な組成の半導体からなることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０…半導体レーザ素子、１１…基板、１１ａ…主面、１１ｂ…裏面、１２…メサ部、１２ａ，１２ｂ…側面、１３ａ，１３ｂ…埋込部、１６…アノード電極、１７…カソード電極、１８…絶縁膜、２２…下部光閉じ込め層、２３，３３…活性層、２４…上部光閉じ込め層、２５…クラッド層、２６…コンタクト層、３１，３５…半導体積層部、３１ａ，３５ａ…第１の半導体層、３１ｂ，３５ｂ…第２の半導体層、３２，３６…分離層、ｅ…電子、ｈ…正孔。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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