(57)【要約】【課題】効率の良いレーザ動作を実現することが可能な半導体光素子を提供する。【解決手段】半導体光素子１は、活性層４０と第１反射層３０とを含む半導体積層３と、半導体積層３の活性層４０側の主面３ａから離間して配置された第２反射層６０と、を備える。活性層４０は、キャリヤ励起層４１及びキャリヤ励起層４１に挟まれた井戸層５０を有する。キャリヤ励起層４１はIV−VI族化合物半導体及びII−VI族化合物半導体を含んだ複数の半導体層からなると共に、キャリヤ励起層のバンドギャップは井戸層５０に近づくに従って減少する。井戸層５０は、IV−VI族化合物半導体及びII−VI族化合物半導体を含んだ短周期超格子構造を有する第１の層及びIV−VI族化合物半導体を含む第２の層を備える。【選択図】図１
2013004533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と第１反射層とを含む半導体積層と、
前記半導体積層の前記活性層側の主面から離間して配置された第２反射層と、
を備え、
前記活性層は、キャリヤ励起層及び前記キャリヤ励起層に挟まれた井戸層を有し、
前記キャリヤ励起層はIV−VI族化合物半導体及びII−VI族化合物半導体を含んだ短周期超格子構造を有する複数の半導体層からなると共に、前記キャリヤ励起層のバンドギャップは前記井戸層に近づくに従って減少し、
前記井戸層は、IV−VI族化合物半導体及びII−VI族化合物半導体を含む第１の層と、IV−VI族化合物半導体を含む第２の層とを有する、ことを特徴とする半導体光素子。
【請求項２】
前記第２反射層と対向する前記半導体積層の前記主面は凹面の形状を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
【請求項３】
前記第１反射層は、IV−VI族化合物半導体を含む第３の層とII−VI族化合物半導体を含む第４の層とを有する、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体光素子。
【請求項４】
前記第２反射層は、II−VI族化合物半導体及びIV−VI族化合物半導体のうち何れか一方を含む第５の層と、ＢａＦ２を含む第６の層とを有する、ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の半導体光素子。
【請求項５】
前記第２反射層は、IV−VI族化合物半導体を含む第５の層と、II−VI族化合物半導体を含む第６の層とを有する、ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の半導体光素子。
【請求項６】
前記キャリヤ励起層の前記バンドギャップは前記井戸層に近づくに従って段階的に減少する、ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の半導体光素子。
【請求項７】
前記キャリヤ励起層の前記バンドギャップは前記井戸層に近づくに従って連続的に減少する、ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の半導体光素子。
【請求項８】
第１光電変換層と、前記第１光電変換層の上に形成された第２光電変換層と、を含み、
前記第１光電変換層はIV−VI族化合物半導体及びII−VI族化合物半導体を含んだ短周期超格子構造を有し、
前記第２光電変換層はシリコンを含む半導体層を有する、ことを特徴とする半導体光素子。
【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】
２．５〜２５μｍの波長を有する光を発生する半導体光素子は、分子の基本振動モードに基づく光吸収を利用したガス分析に用いることができる。また、波長が調整可能な半導体光素子は、医療用の計測分野における機器への応用が可能である。そのため、２．５〜２５μｍの範囲において波長が調整可能な半導体光素子の重要性が増している。特許文献１には、オージェ再結合の確率が小さく、比較的高い温度で動作するIV−VI族半導体を用いた半導体光素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−３７３３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現存する２．５〜２５μｍの波長を有する光を発生する半導体光素子は、動作温度を低くする必要があると共に、発生するレーザ光の出力パワーが小さいという問題がある。波長が調整可能な半導体素子には、例えばIII−V族半導体の量子井戸における伝導帯内サブバンド間の遷移を利用する量子カスケードレーザがある。しかしながら、量子カスケードレーザは広い波長調整域を得ることができない。
【０００５】
２．５〜２５μｍの範囲において波長が調整可能な半導体光素子として有望視されている半導体光素子として、IV−VI族半導体を用いた面発光型の半導体光素子がある。このIV−VI族半導体を用いた半導体光素子において、効率の良いレーザ動作を実現するためには、少ない励起光の強度で反転分布を実現することが望まれる。また、自由キャリヤ吸収に起因する光損失を低減させることにより、少ない光利得であってもレーザ動作を実現できるようにすることが必要である。近赤外光により励起され効率の良いレーザ動作を実現する半導体光素子には、活性層の体積が小さい面発光型の構造が適している。このような構造を有する半導体光素子には、励起光である近赤外光は透過し、該半導体光素子が発生する光の９９％以上は反射する反射層が必要である。
【０００６】
本発明は、効率の良いレーザ動作を実現す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】
【０００７】
本発明の半導体光素子は、活性層と第１反射層とを含む半導体積層と、半導体積層の活性層側の主面から離間して配置された第２反射層と、を備え、活性層は、キャリヤ励起層及びキャリヤ励起層に挟まれた井戸層を有し、キャリヤ励起層はIV−VI族化合物半導体及びII−VI族化合物半導体を含んだ短周期超格子構造を有する複数の半導体層からなると共に、キャリヤ励起層のバンドギャップは井戸層に近づくに従って減少し、井戸層は、IV−VI族化合物半導体及びII−VI族化合物半導体を含む第１の層と、IV−VI族化合物半導体を含む第２の層とを有する。
【０００８】
本発明の半導体光素子は、活性層がキャリヤ励起層と井戸層とを有する。キャリヤ励起層はIV−VI族化合物半導体及びII−VI族化合物半導体を含んだ短周期超格子構造を有するので、キャリヤ移動度が増加する。キャリヤ移動度が増加するとキャリヤ拡散係数が増大するので、キャリヤ励起層において発生したキャリヤが速やかに井戸層に流れ込む。これ故、キャリヤ励起層におけるキャリヤ濃度が低減される。また、キャリヤ励起層のバンドギャップは井戸層に近づくに従って減少する。これ故、キャリヤ励起層において発生したキャリヤを速やかに井戸層に導くことができるので、レーザ動作時においてキャリヤ励起層のキャリヤ濃度をさらに低減できる。自由キャリヤ吸収による光損失はキャリヤ濃度に比例するが、自由キャリヤ吸収による光損失係数がキャリヤ移動度に反比例するので、キャリヤ励起層のキャリヤ移動度が増加するとキャリヤ移動度の二乗に反比例してキャリヤ励起層の自由キャリヤ吸収損失が低減される。さらに、井戸層は、IV−VI族化合物半導体及びII−VI族化合物半導体を含む第１の層と、IV−VI族化合物半導体を含む第２の層とを有する。このような構成によれば、注入キャリヤ濃度を増すことによりバンド間遷移発光した光が井戸層を通過する間に光が増幅される利得を、活性層、第１反射層及び第２反射層において失う光損失よりも大きくできる。これ故、所定の光損失があってもレーザ発振させることができる。室温付近（高温）でのレーザ動作には、上述のキャリヤ励起層における自由キャリヤ吸収損失の低減が重要になる。この光損失の低減により、低光利得においてもレーザ動作が可能になるため、光利得領域である井戸層の厚さを薄くすることができ、反転分布に必要なキャリヤ励起量を大幅に低減できる。従って、本発明に係る半導体光素子は小さな励起光強度で反転分布を発生させて効率の良いレーザ動作を実現できる。
【０００９】
また、本発明の半導体光素子は、第２反射層と対向する半導体積層の主面が凹面の形状を有する。このような構成によれば、キャビティ内でのレーザ光の横方向の広がりを抑えることができるので、励起光のスポット径を小さくし、小さな励起光強度でレーザ動作を生じさせることができる。
【００１０】
また、本発明の半導体光素子は、第１反射層が、IV−VI族化合物半導体を含む第３の層とII−VI族化合物半導体を含む第４の層とを有する。また、本発明に係る半導体光素子は、第２反射層が、ＢａＦ２を含む第６の層と、II−VI族化合物半導体及びIV−VI族化合物半導体のうち何れか一方を含む第５の層とを有する。また、本発明に係る半導体光素子は、第２反射層が、II−VI族化合物半導体を含む第６の層と、IV−VI族化合物半導体を含む第５の層とを有する。このような構成によれば、活性層において発生された中赤外光の波長を有するレーザ光を効率よく反射することができる。さらに、活性層を励起する近赤外光を効率よく透過させることができる。従って、近赤外光により励起され中赤外光を効率よく出射する半導体光素子を得ることができる。
【００１１】
また、本発明の半導体光素子は、キャリヤ励起層のバンドギャップが井戸層に近づくに従って段階的に減少してもよい。また、キャリヤ励起層のバンドギャップが井戸層に近づくに従って連続的に減少してもよい。このように構成することにより、キャリヤ励起層において発生したキャリヤを速やかに井戸層に導くことができるので、レーザ動作時においてキャリヤ励起層に存在するキャリヤ濃度が低減される。従って、本発明に係る半導体光素子は小さな励起光強度で反転分布を発生させて効率の良いレーザ動作を実現できる。
【００１２】
本発明の半導体光素子は、第１光電変換層と、第１光電変換層の上に形成された第２光電変換層とを含み、第１光電変換層はIV−VI族化合物半導体及びII−VI族化合物半導体を含んだ短周期超格子構造を有し、第２光電変換層はシリコンを含む半導体層を有する。
【００１３】
本発明の半導体光素子では、第１の光電変換層がIV−VI族化合物半導体及びII−VI族化合物半導体を含む半導体層を有しているので、シリコンを含む半導体層を有する第２の光電変換層と異なる波長域の光を光電変換することができる。また、第１光電変換層がIV−VI族化合物半導体及びII−VI族化合物半導体を含んだ短周期超格子構造を有しているので、高いキャリヤ移動度を実現することができると共にキャリヤ寿命を伸ばすことができる。従って、本発明に係る半導体光素子は、効率よく光電変換を行うことができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、効率の良いレーザ動作を実現する半導体光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態に係る半導体光素子の構成を説明するための図である。
【図２】井戸層の構成を説明するための図である。
【図３】キャリヤ励起層の構成を説明するための図である。
【図４】活性層におけるバンドギャップを説明するための図である。
【図５】キャリヤ励起層の構成を説明するための図である。
【図６】第１反射層の構成を説明するための図である。
【図７】活性層における励起キャリヤ濃度を説明するための図である。
【図８】第１反射層及び第２反射層の特性を説明するための図である。
【図９】半導体光素子の特性を説明するための図である。
【図１０】半導体光素子の特性を説明するための図である。
【図１１】第２実施形態に係る半導体光素子の構成を説明するための図である。
【図１２】第３実施形態に係る半導体光素子の構成を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体光素子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の要素には同一の符号を付す。
【００１７】
図１は本実施形態の半導体光素子１の構成を説明するための図である。図１を参照すると、半導体光素子１には、レンズ４を介して励起光Ｌ１が入射される。半導体光素子１は、基板２、半導体積層３及び第２反射層６０を含んでいる。半導体積層３は活性層４０及び第１反射層３０を含んでおり、基板２の裏面２ｂ上にこの順で積層されて構成されている。即ち、半導体積層３の主面３ａの上には、基板２が設けられている。活性層４０の主面４０ａの反対側にある裏面４０ｂの上には、第１反射層３０が設けられている。
【００１８】
第２反射層６０は、半導体積層３の活性層４０側の主面３ａから離間して配置されている。基板２の裏面２ｂの反対側にある主面２ａ側には、空隙を介して第２反射層６０が主面２ａに近接して略平行に配置されている。基板２の主面２ａと第２反射層６０の主面６０ａとの間の距離Ｄ１は、例えば１ｃｍである。基板２として、例えば厚さＤ２が０．５ｍｍのＢａＦ２（フッ化バリウム）を用いることができる。また、基板２は、シリコンを含む半導体基板であってもよい。
【００１９】
活性層４０は、基板２の厚さ方向にキャリヤ励起層４１、井戸層５０及びキャリヤ励起層４１を有する。キャリヤ励起層４１、井戸層５０及びキャリヤ励起層４１は、この順に基板２の裏面２ｂの上に積層されている。活性層４０の厚さＤ３は、活性層４０に入射される励起光Ｌ１の波長をλとし、屈折率をｎとすると、次式（１）により求まる。本実施形態では、例えばλ／ｎ＝７００ｎｍである。
Ｄ３＝λ／ｎ…（１）
【００２０】
第１反射層３０は、複数の半導体層を有する多層ミラーであり、例えば第１反射層３０の厚さＤ４は２７００ｎｍである。第１反射層３０の詳細は後述する。
【００２１】
第２反射層６０は、基板２の主面２ａに対して凹状の形状を有する。第２反射層６０は、互いに異なる複数の層を有する多層ミラーである。第２反射層６０は、II−VI族化合物半導体及びIV−VI族化合物半導体のうち何れか一方を含む第５の層６２と、ＢａＦ２を含む第６の層６１とを有する。第２反射層６０は、例えば厚さＤ５が１３０ｎｍである希土類元素を含んだIV−VI族化合物半導体である例えばＰｂＥｕＴｅからなる第５の層６２と、例えば厚さＤ６が５００ｎｍであるＢａＦ２からなる第６の層６１と、が交互に積層された構造を有する。また、第５の層６２は、II−VI族化合物半導体である例えばＳｒＳからなることができる。本実施形態では、第６の層６１が第５の層６２に挟まれている。第２反射層６０の厚さＤ７は、例えば１２６０ｎｍである。第２反射層６０には、第２反射層６０の厚さ方向に第２反射層６０を移動させる駆動部６３が設けられている。駆動部６３には、例えば圧電素子であるピエゾ素子を用いることができる。第２反射層６０は、例えばホットウォールエピタキシ法や分子線エピタキシー法により形成することができる。
【００２２】
図２は、井戸層５０の構成を説明するための図である。井戸層５０は、キャリヤ励起層４１が設けられる主面５０ａ及び裏面５０ｂを有する。即ち、井戸層５０は二層のキャリヤ励起層４１に両面から挟まれている。井戸層５０は、IV−VI族化合物半導体及びII−VI族化合物半導体を含んだ短周期超格子構造を有する第１の層５２と、IV−VI族化合物半導体を含む第２の層５１とを備えている。井戸層５０は、例えば１１２ｎｍの厚さを有する。
【００２３】
井戸層５０は、６つの第１の層５１と、５つの第２の層５２とを備えている。第１の層５１と第２の層５２とは、井戸層５０の厚さ方向に交互に積層されて、複数の量子井戸構造を形成する。井戸層５０とキャリヤ励起層４１とは第１の層５１を介して接続されている。第１の層５１と第２の層５２とが積層された部分を１周期として、５周期分の構成が設けられている。即ち本実施形態の井戸層５０は、５つの井戸層を備えている。
【００２４】
第１の層５１は、IV−VI族化合物半導体である例えばＰｂＳ（硫化鉛）からなる半導体層と、II−VI族化合物半導体である例えばＳｒＳ（硫化ストロンチウム）からなる半導体層により構成された短周期超格子構造を有する。例えば、第１の層５１の厚さＤ８は１２ｎｍである。第２の層５２は、IV−VI族化合物半導体であるＰｂＳからなる半導体層である。例えば、第２の層５２の厚さＤ９は８ｎｍである。井戸層５０は、例えばホットウォールエピタキシ法や分子線エピタキシー法により形成することができる。
【００２５】
図３は、キャリヤ励起層４１の構成を説明するための図である。キャリヤ励起層４１は、励起光Ｌ１を吸収してキャリヤを生成する。キャリヤ励起層４１は、井戸層５０の主面５０ａ上と、主面５０ａの反対側にある裏面５０ｂ上に設けられている。キャリヤ励起層４１は、例えば３００ｎｍの厚さを有する。キャリヤ励起層４１はIV−VI族化合物半導体及びII−VI族化合物半導体を含んだ短周期超格子構造を有する複数の半導体層４２ａ〜４２ｄを含んでいる。半導体層４２ａ〜４２ｄは、主面５０ａ或いは裏面５０ｂ上にこの順で積層されている。キャリヤ励起層４１は、例えばホットウォールエピタキシ法や分子線エピタキシー法により形成することができる。
【００２６】
図４（ａ）は、キャリヤ励起層４１を含む活性層４０が有するエネルギーバンドを示す図である。複数の半導体層４２ａ〜４２ｄは互いに異なるバンドギャップＥ１〜Ｅ４を有している。このキャリヤ励起層４１のバンドギャップＥ１〜Ｅ４は、井戸層５０に近づくに従って段階的に減少するように構成されている。なお、キャリヤ励起層４１のバンドギャップＥ１〜Ｅ４は、図４（ｂ）に示されるように井戸層５０に近づくに従って連続的に減少してもよい。
【００２７】
井戸層５０の主面５０ａに隣接している半導体層４２ａが有するバンドギャップＥ１は例えば５５０ｍｅＶ（ミリエレクトロンボルト）であり、この半導体層４２ａに隣接する半導体層４２ｂが有するバンドギャップＥ２は例えば６２０ｍｅＶである。さらに、半導体層４２ｂに隣接する半導体層４２ｃが有するバンドギャップＥ３は例えば７４０ｍｅＶであり、この半導体層４２ｃに隣接する半導体層４２ｄが有するバンドギャップＥ４は８６０ｍｅＶである。
【００２８】
再び図３を参照すると、例えば、半導体層４２ａは、IV−VI族化合物半導体であるＰｂＳからなる半導体層４３とII−VI族化合物半導体であるＳｒＳからなる半導体層４４とが交互に積層された構成を有する。半導体層４２ａが有するバンドギャップＥ１は、半導体層４３の厚さと周期により制御される。なお、半導体層４４の厚さは、１分子層程度であることが好ましい。
【００２９】
図５は、半導体層４２ａ〜４２ｄが有するバンドギャップと、半導体層４２ａ〜４２ｄに含まれたＰｂＳからなる半導体層４３の厚さとの関係を示す図である。図５の点Ｐ１を参照すると、半導体層４２ａのバンドギャップＥ１を５５０ｍｅＶに設定するためには、半導体層４２ａに含まれる半導体層４３の厚さを約４ｎｍにすればよいことがわかる。そして、半導体層４３と半導体層４４とにより構成される積層を１周期として、周期の数を２５周期とすることにより、半導体層４２ａが形成される。
【００３０】
図５の点Ｐ２を参照すると、半導体層４２ｂのバンドギャップＥ２を６２０ｍｅＶに設定するためには、半導体層４２ｂに含まれるＰｂＳからなる半導体層の厚さを約３ｎｍにすればよいことがわかる。そして、ＰｂＳからなる半導体層とＳｒＳからなる半導体層とにより構成される積層を１周期として、周期の数を３０周期とすることにより、半導体層４２ｂが形成される。
【００３１】
また、図５の点Ｐ３を参照すると、半導体層４２ｃのバンドギャップＥ３を７４０ｍｅＶに設定するためには、半導体層４２ｃに含まれるＰｂＳからなる半導体層の厚さを約２ｎｍにすればよいことがわかる。そして、ＰｂＳからなる半導体層とＳｒＳからなる半導体層とにより構成される積層を１周期として、周期の数を２２周期とすることにより、半導体層４２ｃが形成される。
【００３２】
そして、図５の点Ｐ４を参照すると、半導体層４２ｄのバンドギャップＥ４を８６０ｍｅＶに設定するためには、半導体層４２ｄに含まれるＰｂＳからなる半導体層の厚さを約１．５ｎｍにすればよいことがわかる。そして、ＰｂＳからなる半導体層とＳｒＳからなる半導体層とにより構成される積層を１周期として、周期の数を３０周期とすることにより、半導体層４２ｄが形成される。
【００３３】
図６は、第１反射層３０の構成を説明するための図である。第１反射層３０は活性層４０の裏面４０ｂの上に設けられている。第１反射層３０は、IV−VI族化合物半導体を含んだ短周期超格子構造を有する第３の層３１とII−VI族化合物半導体を含む第４の層３２とを有する。第３の層３１と第４の層３２とにより構成された積層を１周期として、周期の数を５周期とすることにより、第１反射層３０が形成される。第１反射層３０は、例えばホットウォールエピタキシ法や分子線エピタキシー法により形成することができる。
【００３４】
第３の層３１は、発光させる中赤外レーザ光を吸収しない十分なバンドギャップを有することが必要である。また、近赤外励起光も吸収しない０．８ｅＶ以上のバンドギャップを有することが好ましい。第３の層３１は、IV−VI族化合物半導体であるＰｂＳからなる半導体層３４と、II−VI族化合物半導体であるＳｒＳからなる半導体層３３とを有している。半導体層３４は４分子層の厚さを有し、半導体層３３は１分子層の厚さを有する。第３の層３１の厚さＤ１０は、例えば１７０ｎｍである。第３の層３１では、半導体層３３と半導体層３４とにより構成される積層を１周期として、周期の数を１００周期とすることにより短周期超格子構造が形成される。
【００３５】
第４の層３２は、II−VI族化合物半導体であるＳｒＳからなる。第４の層３２の厚さＤ１１は、例えば３５０ｎｍである。
【００３６】
なお、第３の層３１は、ＰｂＳからなる半導体層３４とＳｒＳからなる半導体層３３とを含んだ短周期超格子構造を備えた構成に変えて、IV−VI族化合物半導体の金属元素の一部をアルカリ土類元素又は希土類元素で置き換えた半導体からなる構成であってもよい。例えば、第３の層３１は、IV−VI族化合物半導体の金属元素の一部をアルカリ土類元素であるＳｒ（ストロンチウム）で置き換えたＰｂ（１−ｘ）ＳｒｘＳ（ｘ＞０．０６）からなる半導体層であってもよい。また、第３の層３１は、IV−VI族化合物半導体の金属元素の一部を希土類元素であるＥｕ（ユーロピウム）で置き換えたＰｂ（１−ｘ）ＥｕｘＳ（ｘ＞０．１０）からなる半導体層であってもよい。
【００３７】
なお、上述した第２反射層６０は、第１反射層３０と同様の構成であってもよい。即ち、第２反射層６０は、IV−VI族化合物半導体を含んだ短周期超格子構造を有する第５の層６２と、II−VI族化合物半導体を含む第６の層６１とを有する。第５の層６２は、例えばIV−VI族化合物半導体であるＰｂＳからなる半導体層と、II−VI族化合物半導体であるＳｒＳからなる半導体層とを有している。この第５の層６２は、Ｐｂ（１−ｘ）ＳｒｘＳ（ｘ＞０．０６）或いはＰｂ（１−ｘ）ＥｕｘＳ（ｘ＞０．１０）からなる半導体層であってもよい。第６の層６１は、例えばII−VI族化合物半導体であるＳｒＳからなる。
【００３８】
本実施形態に係る半導体光素子１は、活性層４０がキャリヤ励起層４１と井戸層５０とを有する。キャリヤ励起層４１は、IV−VI族化合物半導体であるＰｂＳからなる半導体層とII−VI族化合物半導体であるＳｒＳからなる半導体層とにより構成された短周期超格子構造を有するので、キャリヤ移動度が増加する。キャリヤ移動度が増大するとキャリヤ拡散係数が増大するので、キャリヤ励起層４１において発生したキャリヤが速やかに井戸層５０に流れ込む。これ故、キャリヤ励起層４１におけるキャリヤ濃度が低減される。また、キャリヤ励起層４１のバンドギャップＥ１〜Ｅ４は井戸層５０に近づくに従って減少する。これ故、キャリヤ励起層４１において発生したキャリヤを速やかに井戸層５０に導くことができるので、レーザ動作時においてキャリヤ励起層４１のキャリヤ濃度が大幅に低減される。自由キャリヤ吸収による光損失はキャリヤ濃度に比例するが、自由キャリヤ吸収による光損失係数もキャリヤ移動度に反比例するので、キャリヤ励起層４１のキャリヤ移動度が増加するとキャリヤ移動度の二乗に反比例してキャリヤ励起層４１の自由キャリヤ吸収損失が低減される。さらに、井戸層５０は、IV−VI族化合物半導体であるＰｂＳからなる半導体層と、II−VI族化合物半導体であるＳｒＳからなる半導体層とを含む第１の層５１を有する。また、井戸層５０は、IV−VI族化合物半導体であるＰｂＳからなる第２の層５２を有する。このような構成によれば、注入キャリヤ濃度を増すことによりバンド間遷移発光した光が井戸層を通過する間に光が増幅される利得を、活性層４０、第１反射層３０、及び第２反射層６０において失う光損失よりも大きくできる。これ故、所定の光損失があってもレーザ発振させることができる。室温付近（高温）でのレーザ動作には、上述のキャリヤ励起層４１における自由キャリヤ吸収損失の低減が重要になる。この光損失の低減により、低光利得においてもレーザ動作が可能になるため、光利得領域である井戸層５０の厚さを薄くすることができ、反転分布に必要なキャリヤ励起量を大幅に低減できる。従って、本発明に係る半導体光素子は小さな励起光強度で反転分布を発生させて効率の良いレーザ動作を実現できる。
【００３９】
また、半導体光素子１は、第１反射層３０が、IV−VI族化合物半導体であるＰｂＳからなる半導体層３４と、II−VI族化合物半導体であるＳｒＳからなる半導体層３３とにより構成された短周期超格子構造を有する第３の層３１と、II−VI族化合物半導体であるＳｒＳからなる第４の層３２とを有する。このような構成によれば、活性層４０において発生された中赤外光の波長を有するレーザ光Ｌ２を効率よく反射することができる。
【００４０】
また、半導体光素子１は、第１反射層３０の第３の層３１が、IV−VI族化合物半導体であるＰｂＳからなる半導体層３４と、II−VI族化合物半導体であるＳｒＳからなる半導体層３３とにより構成された短周期超格子構造を有している。このように構成することにより、第３の層３１を構成する半導体層３４の組成比及び第３の層３１を構成する半導体層３３と半導体層３４の周期を調整して、第１反射層３０において光を透過する波長領域を励起光Ｌ１が有する波長である１．５５μｍを含む領域に設定することができる。また、第１反射層３０において光を反射する波長領域を活性層４０において発生されたレーザ光が有する波長である２．７〜３．３μｍの波長を含む領域に設定することができる。レーザ光が有する波長は、半導体光素子１の温度により発振波長は異なる。例えば、半導体光素子１を３００Ｋ（ケルビン）にしたときは２．７μｍであり、半導体光素子１を液体窒素温度（−１９６℃）にしたときは３．３μｍである。
【００４１】
上述した活性層４０の励起キャリヤ濃度の分布を確認した。図７は、活性層の励起キャリヤ濃度の分布を示す図である。比較例である図７（ａ）は、キャリヤ励起層のバンドギャップが一定の値である場合の活性層における励起キャリヤ濃度の分布を示す図であり、図７（ｂ）は本実施形態の活性層４０における励起キャリヤ濃度の分布を示す図である。図７（ａ）及び図７（ｂ）において、範囲Ｓ１、Ｓ３は井戸層の領域を示し、範囲Ｓ２、Ｓ４はキャリヤ励起層の領域を示す。図７（ａ）と図７（ｂ）とを対比すると、図７（ｂ）の範囲Ｓ４に示される励起キャリヤ濃度が、図７（ａ）の範囲Ｓ２に示される励起キャリヤ濃度よりも低減されていることがわかった。即ち、キャリヤ励起層４１で発生したキャリヤがキャリヤ励起層４１に残留することなく、速やかに井戸層５０に移動していることが確認された。
【００４２】
上述した第１反射層３０及び第２反射層６０の反射特性を確認した。図８は、第１反射層３０及び第２反射層６０の反射特性を示す図である。図８のグラフＧ１は、第１反射層３０の反射特性を示す。グラフＧ１を参照すると、第１反射層３０は、２．３〜３．３μｍの波長域で９９％以上の反射率が得られていることがわかった。また、本実施形態における励起光Ｌ１である波長１．５５μｍの光は、５０％以上が透過されることがわかった。図８のグラフＧ２は、第２反射層６０の反射特性を示す。グラフＧ２を参照すると、第２反射層６０は２．３〜３．３μｍの波長域で９８％以上の反射率が得られていることがわかった。従って、本実施形態に係る第２反射層６０は、活性層４０において発生された中赤外光の波長を有するレーザ光を効率よく反射することができることが確認された。なお、上述のようにグラフＧ２における中赤外レーザ光の反射率をグラフＧ１に比べて下げることにより、レーザ光を第２反射層６０側に出力することができる。
【００４３】
上述した井戸層５０の光利得注入キャリヤ濃度依存性を確認した。図９は、井戸層５０の光利得注入キャリヤ濃度依存性を示す図である。図９を参照すると、活性層４０、第１反射層３０及び第２反射層６０において往復４％程度の光損失があっても、量子井戸を光が通過する間に３％（往復６％）の光増幅が可能であるのでレーザ動作が可能であることがわかった。さらに、本実施形態の活性層４０が有する構造により、キャリヤ励起層４１にとどまるキャリヤ数を低減できるので、より好適なレーザ動作が実現できることが確認された。
【００４４】
上述した半導体光素子１の入出力特性を確認した。図１０は、半導体光素子１に入射する励起光Ｌ１が有するエネルギーと半導体光素子１から出射されるレーザ光Ｌ２が有するエネルギーとの関係を示す図である。本実施例では、半導体光素子１の動作温度は摂氏マイナス７０度に設定された。励起光Ｌ１には、周期が１０ｋＨｚであり、波長が１．５５μｍの近赤外線レーザが用いられた。図１０を参照すると、半導体光素子１が発振を開始する励起光Ｌ１の閾値エネルギーは、２．２Ｗであった。この閾値エネルギーは１平方センチメートル当り７ｋＷのエネルギーに相当する。出力レーザ光Ｌ２の最大エネルギーは、１７００ｍＷであった。また、例えば５Ｗのエネルギーを有する励起光Ｌ１を入射したとき、出力されたレーザ光Ｌ２のエネルギーは８００ｍＷであった。これは、半導体光素子１が３０％の外部量子効率を有することを示している。
【００４５】
＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る半導体光素子について説明する。図１１は、第２実施形態に係る半導体光素子１Ａの構成を示す図面である。半導体光素子１Ａは、基板７９、半導体積層８０及び第２反射層８３を有する。半導体積層８０は、第１反射層８１と活性層８２とを有する。活性層８２の主面８２ａの上に第１反射層８１が積層されている。活性層８２の主面８２ａの反対側にある裏面８２ｂから活性層８２の厚さ方向に離間して、第２反射層８３が近接して配置されている。
【００４６】
半導体光素子１Ａは、第１反射層８１及び第２反射層８３を構成する半導体層の組成と、励起光Ｌ３の入射方向とが第１実施形態に係る半導体光素子１と異なる。また、第２反射層８３と対向する半導体積層８０の主面８２ｂは凹面の形状を有する点において第１実施形態に係る半導体光素子１と異なる。
【００４７】
第１反射層８１は、第７の層８６と第８の層８７とが交互に積層された構造を有する。第７の層８６は例えばII−VI族半導体であるＺｎＴｅ（テルル化亜鉛）からなる。第８の層８７は、第１実施形態の第１反射層３０における第３の層３１と同様の構成を有する。
【００４８】
第２反射層８３は、第９の層８４と第１０の層８５とが交互に積層された構造を有する。第９の層８４は例えばＺｎＴｅからなる。第１０の層８５は例えばＢａＦ２からなる。第２反射層８３は、第９の層８４と第１０の層８５とを１周期として、５周期分の構成にさらに第９の層８４を１層加えた構成を有する。この構成により、例えば２．７〜３．４μｍの波長を有する光を９９％以上反射させることができる。
【００４９】
半導体光素子１Ａでは、第２反射層８３の主面８３ａから励起光Ｌ３が入射される。励起光Ｌ３は、例えば８７０ｎｍの波長を有する近赤外光である。第２反射層８３を構成する材料のバンドギャップを１．５ｅＶ以上に設定すれば、この励起光Ｌ３を吸収しないので、この近赤外励起光Ｌ３を５０％以上透過するように設計できる。励起光Ｌ３は第２反射層８３を透過して活性層８２に到達し、活性層８２はレーザ光Ｌ４を発生する。第１反射層８１は、例えば２．７〜３．４μｍの波長を有する光を吸収することなく、２％程度透過する。即ち、９８％程度のレーザ光Ｌ４が反射される。そして反射を繰り返して増幅されたレーザ光Ｌ４の一部が第１反射層８１の裏面８１ｂから出射される。第２反射層８３と対向する活性層８２の主面８２ｂは、凹面の形状を有する。第２反射層８３と活性層８２の間の距離Ｄ１２を１００μｍ以下に近く配置し、励起光Ｌ３のスポット径Ｄ１３を大きく設定すれば、第１反射層８１及び第２反射層８３の両方を平面形状としてもレーザ動作が可能であるが、励起光Ｌ３のスポット径Ｄ１３を数十μｍ以下に小さくし、小さな励起光強度でレーザ動作を生じさせるためには、第２反射層８３或は活性層８２を含む半導体積層８０を凹面形状にし、レーザ光のキャビティ内での横方向の広がりを抑えることが必要となる。半導体素子１Ａでは、第１反射層８１及び活性層８２を（曲率半径８ｍｍの）凹面形状にして、低い励起光強度でのレーザ動作を実現している。
【００５０】
＜第３実施形態＞
図１２は、第３実施形態に係る半導体光素子７０の構成を示す図である。半導体光素子７０は、太陽光Ｓを光電変換するいわゆる太陽電池素子である。半導体光素子７０は、第１光電変換層７４と、第１光電変換層７４の上に形成された第２光電変換層７３とを備えている。第１光電変換層７４の裏面７４ｂの上には裏面電極７５が設けられている。第２光電変換層７３の主面７３ａには透明電極７２が設けられ、該透明電極７２の上には反射防止膜７１が設けられている。透明電極７２には電極７６が電気的に接続され、第２光電変換層７３の裏面７３ｂの上には中間電極７７が電気的に接続されている。電極７６と中間電極７７との間から、第２光電変換層７３において発生された電流が取り出される。裏面電極７５には電極７８が電気的に接続されている。中間電極７７と電極７８との間から、第１光電変換層７４において発生された電流が取り出される。
【００５１】
第１光電変換層７４はIV−VI族化合物半導体及びII−VI族化合物半導体を含んだ短周期超格子構造を有する。第１光電変換層７４は、例えば０．５〜２μｍの厚さを有する。本実施形態の第１光電変換層７４は、IV−VI族化合物半導体であるＰｂＳからなる半導体層と、II−VI族化合物半導体からなるＳｒＳからなる半導体層とにより構成される短周期超格子構造を有する。ＰｂＳからなる半導体層は、例えば１．５〜２ｎｍの厚さを有する。第１光電変換層７４は、主面７４ａ側からＢｉ（ビスマス）がドーピングされたｎ型の領域と裏面７４ｂ側からＴｌ（タリウム）がドーピングされたｐ型の領域とを有する。このように構成されることで、第１光電変換層７４はｐｉｎ接合構造を有する。なお、第１光電変換層７４は、０．５〜２μｍの厚さを有するＰｂ（１−ｘ）ＳｒｘＳからなる薄膜であってもよい。また、第１光電変換層７４に形成された接合形態は、ｐｎ接合であってもよい。
【００５２】
第２光電変換層７３はシリコン基板を含むシリコンからなる半導体層を有している。第２光電変換層７３には、例えばシリコンからなる光電変換層を有する単結晶シリコン型太陽電池素子、多結晶シリコン型太陽電池素子、薄膜シリコン型太陽電池素子及びＨＩＴ型太陽電池素子といった太陽電池素子の構造を用いることができる。
【００５３】
本実施形態の半導体光素子７０によれば、第１光電変換層７４がIV−VI族化合物半導体であるＰｂＳからなる半導体層とII−VI族化合物半導体であるＳｒＳからなる半導体層とにより構成される短周期超格子構造を有するので、シリコンを含む半導体層を有する第２光電変換層７３と異なる波長域である１．１〜１．５μｍの波長域の光を光電変換することができる。また、第１光電変換層７４がＰｂＳからなる半導体層とＳｒＳからなる半導体層とにより構成された短周期超格子構造を有しているので、高いキャリヤ移動度を実現することができると共に、キャリヤ寿命を伸ばすことができる。従って、本実施形態に係る半導体光素子７０は、効率よく光電変換を行うことができる。
【００５４】
また、本実施形態の半導体光素子７０によれば、第１光電変換層７４がＰｂＳからなる半導体層とＳｒＳからなる半導体層とにより構成された短周期超格子構造を有しているので、第１光電変換層７４において光電変換される光の波長域を調整することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１、１Ａ…半導体素子、２…基板、３…半導体積層、４０…活性層、４１…キャリヤ励起層、３０…第１反射層、５０…井戸層、６０…第２反射層。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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