(57)【要約】【課題】希土類元素による発光強度が強く、かつ、発光波長が温度により変動しない、発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を提供する。【解決手段】キャリア拡散長程度の膜厚を持つ活性層２と光ガイド層３とを有する構造の両側に光ガイド層３よりも禁制帯幅の大きいｐ型とｎ型のクラッド層４，５を積層した分離閉じ込め構造であって、活性層２に希土類元素または希土類元素と酸素が添加された発光素子用希土類元素添加半導体積層構造１である。活性層２はキャリア拡散長程度の膜厚のまま光ガイド層の中央に配置するか、活性層を分割して配置してもよい。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャリア拡散長程度の膜厚を持つ活性層の両側に、該活性層と同程度の禁制帯幅の光ガイド層を積層し、該光ガイド層の該活性層側とは反対の両側に該活性層より禁制帯幅が大きいｐ型とｎ型のクラッド層が積層された分離閉じ込め構造であって、上記活性層に希土類元素、又は希土類元素と酸素が添加されたことを特徴とする、発光素子用希土類元素添加半導体積層構造。
【請求項２】
活性層と光ガイド層の層厚の合計が１μm以上であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造。
【請求項３】
活性層を光ガイド層内に分割して配置したことを特徴とする請求１又は２に記載の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造。
【請求項４】
前記活性層と前記光ガイド層、ｐ型とｎ型のクラッド層が格子整合されていることを特徴とする、請求項１から３の何れかに記載の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造。
【請求項５】
前記活性層に添加される希土類元素が、エルビウム（Ｅｒ）であることを特徴とする、請求項１から４の何れかに記載の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造。
【請求項６】
前記活性層はＧａＡｓであり、前記光ガイド層はＧａＡｓであり、前記ｐ型とｎ型のクラッド層はＧａｘ  Ｉｎｙ  Ｐ（ここで、ｘ＋ｙ＝１）であることを特徴とする、請求項１から５の何れかに記載の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造。
【請求項７】
前記ＧａＡｓ活性層へのＥｒの添加密度が、１×１０１７ｃｍ−３〜８×１０１９ｃｍ−３であることを特徴とする、請求項６に記載の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造。
【請求項８】
請求項１から７の何れかに記載された発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いた発光ダイオード。
【請求項９】
請求項１から７の何れかに記載された発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いた半導体レーザダイオード。
【請求項１０】
請求項１から７の何れかに記載された発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いた半導体光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子用希土類元素添加半導体積層構造、それを用いた発光ダイオード、半導体レーザダイオード及び半導体光増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
希土類元素を絶縁体や半導体に不純物として添加すると、発光波長の温度依存性が極めて小さく、かつ鋭い発光スペクトルが得られる。なかでも、Ｅｒは石英系光ファイバの最低伝送損失域である１．５μｍ 帯で発光することから、光通信用発光デバイスへの応用が可能である。これまでに、ＧａＡｓにＥｒを添加したＧａＡｓエピタキシャル成長層が、有機金属ガスによるＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：以下、ＭＯＣＶＤ法と称する）により得られ、ホモ接合ＬＥＤからの発光が観測されている（非特許文献１参照。）。さらに、図１に示すように、ＧａＡｓにＥｒとＯ（酸素）を同時に添加（以下、Ｅｒ，Ｏ共添加と称する）することにより、Ｅｒの発光の単一性が改善され、発光強度が強くなることが観測されている。このＥｒ，Ｏ共添加ＧａＡｓからの発光は、図２に示すように、Ｅｒと２個の酸素が結合して生起するので、Ｅｒ−２Ｏ発光と呼ばれている（例えば、非特許文献２参照。）。Ｅｒ,Ｏ共添加ＧａＡｓを活性層、Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐをクラッド層としたダブルへテロ構造から、順バイアス方向下の室温において電流注入によるEr発光が得られている（例えば、特許文献１参照。）。また、ＳｉやＧａＰを母体に用いたＬＥＤからもＥｒの発光が観測されている（非特許文献３，４参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１０３９３１号公報（第２頁、図１）
【非特許文献１】Ｋ．  Ｔａｋｅｈｅｉ  他３名，「Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ  ｏｆ  ｉｎｔｒａ−４ｆ−ｓｈｅｌｌｐｈｏｔｏ−ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ  ｓｐｅｃｔｒａ  ｆｏｒ  ｅｒｂｉｕｍ  ｄｏｐｅｄ  ＧａＡｓ」，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，（米国），Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９８９年２月１日，Ｖｏｌ．６５，Ｎｏ．３，ｐ．１２５７−１２６０
【非特許文献２】Ｋ．Ｔａｋｅｈｅｉ  他３名，「Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｎ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｅｒ−Ｏ  ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ  ｃｅｎｔｅｒ  ｉｎ  ＧａＡｓ  ｂｙ  ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｕｎｄｅｒ  ａｎ  ａｔｏｍｏｓｐｈｅｒｅ  ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ  ｏｘｙｇｅｎ  」，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，（米国），Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９９３年８月１日，Ｖｏｌ．７４，Ｎｏ．３，ｐ．１９７９−１９８２
【非特許文献３】Ｓ．  Ｃｏｆｆａ  他２名，「Ｈｉｇｈ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ａｎｄ  ｆａｓｔ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｅｒ−ｄｏｐｅｄ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｓｉ  ｄｉｏｄｅｓ」，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，（米国），Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９９６年，Ｖｏｌ．６９，Ｎｏ．１４，ｐ．２０７７−２０７９
【非特許文献４】Ｇ．  Ｍ．  Ｆｏｒｄ  他１名，「Ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ  ｆｒｏｍ  ｆｏｒｗａｒｄ−ｂａｉａｓｅｄ  Ｅｒ−ｄｏｐｅｄ  ＧａＰ  ｐ−ｎ  ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ  ａｔ  ｒｏｏｍ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ」，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，（米国），Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９９６年，Ｖｏｌ．６８，Ｎｏ．８，ｐ．１１２６−１１２８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
希土類元素添加による半導体発光素子を用いることで、温度によって発光波長の変動しないＬＥＤやＬＤのような実用に耐え得る半導体装置の実現が望まれている。
【０００５】
ところが、上記特許文献１、非特許文献３、４において、ＧａＡｓやＳｉ，ＧａＰなどにＥｒを添加したホモ接合のｐｎダイオード、ダブルへテロ接合ダイオードなどは、いずれも発光強度が弱く、実用的な発光強度が得られていないという課題がある。
【０００６】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、希土類元素による発光強度が強く、かつ、発光波長が温度により変動しない、発光素子用希土類元素添加半導体積層構造及びそれを用いた発光ダイオード、半導体レーザダイオード、半導体光増幅器を提供することにある。                                        
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは種々の検討の結果、発光強度が弱い原因の一つとして、活性層中のキャリア拡散長が短く、活性層の両側から注入された電子と正孔の発光性再結合の効率が低いことを突き止めた。そこで、キャリア拡散長が短い場合でもキャリアが効率よく再結合させるため、活性層厚をキャリアの拡散長程度まで薄くすることに着想した。ところが、通常、活性層は同時に光ガイド層としても働いている。そのため、単純に活性層厚を薄くするだけでは光閉じ込め係数が低下してしまい、逆に発光強度減少の要因となってしまう。そこで、活性層と光ガイド層の厚さの和をそのままに活性層の厚さをキャリアの拡散長程度まで薄くした分離閉じ込め構造を採用した。
【０００８】
上記の課題を解決するために用いた本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造は、キャリア拡散長程度の膜厚を持つ活性層２と光ガイド層３とを有する構造の両側に光ガイド層３よりも禁制帯幅の大きいｐ型とｎ型のクラッド層４，５を積層した分離閉じ込め構造であって、活性層２に希土類元素または希土類元素と酸素が添加されていることを特徴とする。上記構成において、活性層２と光ガイド層厚３の合計膜厚は、光閉じ込め係数が９７％となる１μｍ以上が望ましく、活性層２はキャリア拡散長程度の膜厚のまま光ガイド層の中央に配置するか、活性層を分割して配置してもよい。上記構成において、活性層と前記ｐ型とｎ型のクラッド層が格子整合されていればよい。活性層はＧａＡｓとし、添加される希土類元素は、エルビウム（Ｅｒ）であれば好ましい。また、光ガイド層はＧａＡｓであり、ｐ型とｎ型のクラッド層はＧａｘ  Ｉｎｙ  Ｐ（ここで、ｘ＋ｙ＝１）であればよい。また、ＧａＡｓ活性層へのＥｒの添加密度が、１×１０１７ｃｍ−３〜８×１０１９ｃｍ−３であればよい。
【発明の効果】
【０００９】
この構成によれば、活性層で効率的なキャリア再結合が可能となる一方で、光ガイド層で光閉じ込めが効率よく行われることにより、希土類元素の内殻の遷移に起因した発光強度が強い発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を得ることができる。
【００１０】
また、本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いた発光ダイオードは、希土類元素からの発光強度の強い発光を得ることができると共に、希土類元素による発光であるので発光波長の温度依存性がない。
【００１１】
さらに、本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いた半導体レーザダイオードは、希土類元素からの発光強度の強い発光を得ることができると共に、発振波長の温度依存性がないレーザ光を得ることができる。
【００１２】
さらに、本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いた半導体光増幅器は、増幅度の大きい半導体光増幅器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の第1の実施形態を図３〜図６に基づいて説明する。
【００１４】
図３は、本発明に係る第１の実施の形態による発光素子用希土類元素添加半導体積層構造の断面を示す模式図である。本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造１は、希土類元素が添加された半導体層である希土類元素添加活性層２がキャリア拡散長程度の膜厚であり、それとは別に光ガイド層３を設け、活性層を光ガイド層の中央に配置する。上記構造において、光ガイド層内に活性層を分割して配置してもよい。上記構造は、活性層よりも禁制帯幅の大きいｎ型半導体を用いたｎ型クラッド層４及びｐ型半導体を用いたｐ型クラッド層５の間に挿入された分離閉じ込め構造を有している。発光素子用希土類元素添加半導体積層構造１は、ｎ型半導体基板上に、禁制帯幅の大きいｎ型クラッド層４、禁制帯幅が活性層と同程度の光ガイド層３、希土類元素を添加した禁制帯幅の小さい希土類元素添加活性層２、禁制帯幅が活性層と同程度の光ガイド層３、禁制帯幅の大きいｐ型クラッド層４を、順次エピタキシャル成長させることで製作することができる。
【００１５】
次に、上記構成の実施の形態１の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造の作用を説明する。図４は、本発明の実施の形態１の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を有する分離閉じ込め構造において、バンドのエネルギー差、屈折率分布を示している。図において、（Ａ）はヘテロ接合近傍の禁制帯の差、即ちバンドギャップエネルギー差、（Ｂ）は屈折率変化、それぞれ示している。図において、左側がｎ型クラッド層４である。
【００１６】
図４（Ａ）において、希土類元素添加活性層２の伝導帯及び価電子帯と、ｎ型クラッド層４またはｐ型クラッド層５の伝導帯及び価電子帯とのエネルギー差を、それぞれ、ΔＥｃ  、ΔＥｖ  とする。ここで、希土類元素添加活性層２がＧａＡｓ、光ガイド層がＧａＡｓ、クラッド層４、５がＧａｘ  Ｉｎｙ  Ｐの場合に、おおよそ格子整合できる組成であるＧａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐのときには、ΔＥｃは、０．１０８ｅＶ〜０．１９８ｅＶであり、ΔＥｖは、０．２９から０．３０ｅＶである。ＧａＡｓとＧａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐの禁制帯幅は、それぞれ、１．４２ｅＶ、１．８３〜１．９１６ｅＶであるので、バンドギャップエネルギー差ΔＥｇは、約０．４ｅＶである。
【００１７】
図４（Ｂ）は、ダブルヘテロ接合の屈折率分布を示し、希土類元素添加活性層２及び光ガイド層３の屈折率が、クラッド層４、５よりも屈折率差がΔｎ大きいことから、光の閉じ込め作用が生じる。ＧａＡｓとＧａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐの屈折率は、それぞれ、３．３７、３．１９であるので、Δｎ＝０．１８である。
【００１８】
分離閉じ込め構造による発光強度増大のメカニズムについて説明する。図５に、キャリアを順方向で電流注入したときの活性層厚減少に伴うキャリア再結合の模式図を示す。図において、（Ａ）は希土類元素添加活性層２の厚さがキャリアの拡散長がより厚い場合、（Ｂ）希土類元素添加活性層２の厚さがキャリアの拡散長程度の場合（Ｃ）は希土類元素添加活性層２の厚さがキャリアの拡散長がより薄い場合をそれぞれ示している。図において、左側がｎ型クラッド層４である。
【００１９】
ｎ型クラッド層４から注入された電子と、ｐ型クラッド層５から注入された正孔は、光ガイド層３を通過し希土類元素添加活性層２で再結合する。
そして、図５（Ａ）の希土類元素添加活性層２の厚さがキャリアの拡散長がより厚い場合、電子と正孔が空間的に分離してしまい、キャリアは発光性再結合をしにくい。一方、図５（Ｂ）の希土類元素添加活性層２の厚さをキャリアの拡散長程度まで薄くした場合、電子と正孔のキャリア密度の高い部分が空間的に近接するようになる。それにより、キャリアが効率的に再結合できるようになり、Ｅｒからの発光強度が増大する。しかし、図５（Ｃ）の希土類元素添加活性層２の厚さがキャリアの拡散長がより薄い場合、活性層を通過するキャリアが現れるため発光効率が低下してしまう。
【００２０】
さて、ダブルへテロ構造においては、図４（Ｂ）のような屈折率分布を有するため、光は光ガイド層３に閉じ込められて伝播する。光閉じ込め係数は、全光エネルギーに対する、光ガイド層３中の光エネルギーの割合で与えられる。図６にＧａＡｓ層をＧａＩｎＰで挟んだダブルへテロ構造における１．５５μｍの光に対する希土類元素添加活性層２と光ガイド層３の厚さの和と光閉じ込め係数の関係を示す。この計算においてＧａＩｎＰの屈折率は３．１９、ＧａＡｓの屈折率は３．３７を用いた。希土類元素添加活性層２と光ガイド層３の厚さの和が増加するほど光閉じ込め係数が増加し、厚さが１μｍのとき光閉じ込め係数が９７％となる。つまり、効率的な光閉じ込めを行うには希土類元素添加活性層２と光ガイド層３の厚さの和は1 μｍ以上が望ましい。
【００２１】
このように、活性層をキャリアの拡散長程度にしつつ、活性層と光ガイド層の厚さの和を、十分な光閉じ込めが実現できるように設定することが、本発明の最も特徴的な点である。
【００２２】
なお、クラッド層４、５と希土類元素添加活性層２からなる分離閉じ込め構造のバンド構造において、希土類元素添加活性層２に比べてクラッド層４、５の伝導帯のエネルギー差が大きく、かつ、価電子帯（充満帯）のエネルギー差が小さいという組み合わせが好ましい。
【００２３】
特に、クラッド層４、５となる半導体層は、希土類元素添加活性層２よりも禁制帯幅が大きく、禁制帯幅の差ΔＥｇが、おおよそ０．３ｅＶ以上形成できる材料がよい。また、クラッド層４、５の屈折率は希土類元素添加活性層２よりも小さく、屈折率の差Δｎがおおよそ、０．１５以上（希土類元素添加活性層２の屈折率の５％以上）であることが、光閉じ込めのために好ましい。
【００２４】
さらに、分離閉じ込め構造の希土類元素添加活性層２と光ガイド層３、及びクラッド層４、５は、格子定数が同じであること、即ち格子整合がとれていることが好ましい。少なくとも格子不整合は１％以内とすればよい。
【００２５】
ここで、希土類元素添加活性層２に添加する希土類元素は、ＥｒやＹｂのほかに、Ｃｅ（セリウム）、Ｐｒ（プラセオジム）、Ｎｄ（ネオジム）、Ｐｍ（プロメチウム）、Ｓｍ（サマリウム）、Ｅｕ（ユウロピウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｌｕ（ルテチウム）が使用でき、また、希土類元素と他の元素、例えば、酸素を共添加させてもよい。希土類元素または希土類元素と他の元素を共添加した発光は、エネルギー的には、希土類元素添加活性層２の禁制帯幅よりも小さければ発光可能である。
【００２６】
ＥｒまたはＥｒとＯをＧａＡｓに添加すれば、発振波長は、１．５４μｍである。これを（Ｅｒ：１．５４μｍ＠ＧａＡｓ）として表記する。Ｅｒ以外の希土類元素を添加した半導体の発光波長としては、（Ｎｄ：１．０６μｍ＠ＧａＡｓ，ＧａＰ）、（Ｅｕ：０．６２μｍ＠ＧａＮ）、（Ｄｙ：１．１μｍ、１．３μｍ、１．７μｍ、２．８μｍ＠ＧａＡｓ，ＩｎＰ）、（０．４８−０．５０μｍ、０．５８−０．５９μｍ、０．６７−０．６８μｍ、０．７６−０．７７μｍ、０．８５−０．８６μｍ＠ＧａＮ）、（Ｔｍ：１．２μｍ、１．９μｍ＠ＧａＡｓ）、（Ｔｍ：０．４６−０．４８μｍ、０．５３−０．６２μｍ、０．７８−０．８４μｍ＠ＧａＮ）、（Ｙｂ：１．０μｍ＠ＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ）などがある。
【００２７】
また、希土類元素添加活性層２の半導体は、ＧａＡｓのほかに、Ｓｉ、Ｇｅ、ダイヤモンドなどの単元素半導体、ＳｉＣ、ＧａＰ、ＧａＮ、ＩｎＰのような化合物半導体が使用できる。また、これらの化合物半導体の混晶でもよい。
【００２８】
ここで、希土類元素による発光は、希土類元素の内殻の遷移に起因した発光であるので、温度変動があっても発光波長の変化がなく極めて安定である。
【００２９】
また、希土類元素添加活性層２の電子及び正孔の励起は、本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造１または５へ外部から光を照射することにより、または、電子ビームを照射することにより行うことができる。
【００３０】
次に、本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いたＬＥＤに係る第２の実施の形態を示す。図７は、本発明に係る第２の実施の形態による発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いたＬＥＤの断面を示す図である。図において、本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いたＬＥＤ１１は、ｎ型半導体基板１２上に、バッファ層１３を堆積し、その上に本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造１が積層され、さらに、ｐ型クラッド層５上に、ｐ＋  型半導体層１４が、順次積層されている。ｎ型半導体基板１２とｐ＋  型半導体層１４には、それぞれ、ｎ層オーミック電極１５とｐ層オーミック電極１６が形成されている。
【００３１】
ここで、ｎ型半導体基板１２、バッファ層１３、ｐ＋  型半導体層１４は、本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造１の希土類元素添加活性層２と同じ半導体層でよい。希土類元素添加活性層２には、希土類元素と共に酸素を添加してもよい。また、ｎ型半導体基板１２上に、良好なｎ型クラッド層４が形成できる場合には、バッファ層１３は設けなくてもよい。
【００３２】
上記ＬＥＤ１１の積層構造は、例えば、厚さが３５０μｍで不純物密度が１×１０１８〜１×１０１９ｃｍ−３のｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、バッファ層１３として不純物密度が１×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＡｓを０．０１μｍ〜２μｍ、ｎ型クラッド層４として不純物密度が１×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３のｎ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐを０．５〜３μｍ成長する。さらに、不純物を添加しない光ガイド層３としてＧａＡｓを成長し、希土類元素添加活性層２としてＧａＡｓにＥｒ、Ｏ共添加したＧａＡｓを０．０１μｍ〜０．２μｍを成長した後、再び不純物を添加しない光ガイド層３としてＧａＡｓを成長する。このとき、希土類元素添加活性層２と光ガイド層３の層厚の合計を１μｍ以上とする。その後、ｐ型クラッド層５として１×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３のｐ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐを０．５〜３μｍ、ｐ＋  型半導体層１４として１×１０１８〜５×１０１９ｃｍ−３のｐ型ＧａＡｓを０．５μｍ〜２μｍ、順次エピタキシャル成長させることにより形成することができる。ここで、希土類元素添加活性層２となるＧａＡｓへのＥｒの添加密度を、１×１０１７〜８×１０１９ｃｍ−３とし、酸素の添加密度は、Ｅｒの添加密度の２倍程度がよい。
【００３３】
ここで、本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いたＬＥＤ１１の動作について説明する。本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いたＬＥＤ１１は、順方向電流の注入により、電子と正孔が希土類元素添加活性層２に注入され、電子の遷移が希土類元素を励起することにより、希土類元素添加活性層２に添加された希土類元素から発光強度の強いＬＥＤ発光１７が生起する。このＬＥＤ発光１７は、希土類元素によるので、発光波長の温度依存性がない。
【００３４】
上記ＬＥＤ１１の光学的特性について説明する。図８は、ＬＥＤ１１の室温における発光スペクトルを示す図である。図において、横軸は、発光波長（ｎｍ）であり、縦軸は規格化発光強度を示している。発光波長の幅を示している記号（−ＩＩ−）は、発光波長の分解能を示している。このＬＥＤ１１の希土類元素添加活性層２の厚さは１００ｎｍであり、ＬＥＤ１１の面積は０．３ｍｍ×１ｍｍであり、厚さは０．１ｍｍである。図８（Ａ）は、ＬＥＤをパルス駆動し、順方向電流０．５  ｋＡ／ｃｍ２のときの発光スペクトルであり、このときのパルス波形は、繰返し周波数が５０Ｈｚで、デューティ５０％である。
【００３５】
また、図８（Ｂ）は、比較のために、ＧａＡｓ基板上に成長したＥｒ、Ｏ共添加ＧａＡｓ層にレーザ光を照射するフォトルミネッセンス法で測定した発光スペクトルである。図示するように、↓で示す波長は、Ｅｒ−２Ｏ発光中心を介した発光であり、発光ダイオードによる発光波長とＰＬによる発光波長が同一のスペクトルを有していることが分かる。また、発光スペクトルは、ＧａＡｓとＧａＡｌＡｓのダブルヘテロ構造のＬＥＤやスーパールミネセンスダイオード（ＳＬＤ）に比較してもスペクトル幅が狭いことが分かる。
【００３６】
図９は、ＬＥＤ１１の、発光強度の希土類元素添加活性層２の厚さ依存性を示したものである。測定時の注入電流は、電流密度１．６  ｋＡ／ｃｍ２、周波数５０Ｈｚ，デューティ５０％とした。試料からの発光強度の検出はアンリツ製のＧｅディテクタとパワーメータを用い、ＧａＡｓからの発光や外部からの迷光を除去するためにディテクタ直前にＳｉフィルタを設置した。そのため、本発明で扱う発光強度とは、ピーク強度ではなく、Ｅｒに起因する１．５ μm帯の発光の積分値である。また、全ての測定は室温にて行った。
【００３７】
すべての試料において、１０ｎＷ以上の強度が得られている。特許文献１に記載されている従来の構造では、発光強度はせいぜい数ｎＷ程度である。したがって、希土類元素添加活性層２の厚さを薄くしつつ、希土類元素添加活性層２と光ガイド層３によって十分な光閉じ込めをすることで、従来のＧａＡｓ：Ｅｒ，ＯをＧａＩｎＰで挟んだだけのダブルへテロ構造と比べて、発光強度を増大させることに成功した。さらに、活性層厚をキャリアの拡散長程度である１００ｎｍまで薄くしたとき、発光強度が最大になり、従来の構造と比べて、約３倍の発光強度が得られた。しかし、Ｅｒ、Ｏ共添加ＧａＡｓ活性層厚を１００ｎｍより厚くしていくと、発光強度が弱くなっていった。
【００３８】
このような傾向は、図５に示したとおり、拡散長より活性層厚が厚いときには、電子と正孔のキャリア分布が空間的に離れ、注入されたキャリアのほとんどがＥｒの発光に寄与する前に非発光性再結合を起こしてしまうためと考えられる。また、逆に活性層膜厚をキャリアの拡散長より薄くしてしまうと発光強度が低下してしまう。これは、再結合せずに活性層を通過してしまうキャリアが現れ、発光効率が低下してしまうためと考えられる。
【００３９】
次に、本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いたＬＤに係る第３の実施の形態を示す。図１０は、本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いたＬＤ２１の断面を示す概略図であり、図１１は図１０のＡ−Ａ線に沿う概略断面図である。図において、本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いたＬＤ２１は、ｎ型半導体基板１２上に、バッファ層１３を堆積し、その上にｎ型クラッド層４、希土類元素添加活性層２、ｐ型クラッド層５からなる本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造１が積層され、さらに、ｐ型クラッド層５上に、ｐ＋  型半導体層１４が、順次積層された構造で成っている。ｎ型半導体基板１２とｐ＋  型半導体層１４には、それぞれ、ｎ層オーミック電極１５と、ｐ層オーミック電極となるストライプ電極２３とが形成され、ストライプ電極２３は、ｐ＋  型半導体層１４上に堆積された絶縁膜２２を開口して形成されている。
【００４０】
ここで、ｎ型半導体基板１２、バッファ層１３、ｐ＋  型半導体層１４は、本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造１の希土類元素添加活性層２と同じ半導体層でよい。希土類元素添加活性層２には、希土類元素と共に酸素を添加してもよい。また、ｎ型半導体基板１２上に、良好なｎ型クラッド層３が形成できる場合には、バッファ層１３は設けなくてもよい。
【００４１】
本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いたＬＤ２１が、ＬＥＤ１１と異なるのは、希土類元素添加活性層２に電流を集中して流せるように、ｐ＋  型半導体層１４のオーミック電極をストライプ電極２３とした点と、レーザ発振を生起させるために、ファブリペロー共振器を形成するための反射面となる端面２４、２５を設けていることである。
【００４２】
上記ＬＤ２１の積層構造は、例えば、厚さが３５０μｍで不純物密度が１×１０１８〜１×１０１９ｃｍ−３のｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、バッファ層１３として不純物密度が１×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＡｓを０．０１μｍ〜２μｍ、ｎ型クラッド層４として不純物密度が１×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３のｎ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐを０．５〜３μｍ成長する。さらに、不純物を添加しない光ガイド層３としてＧａＡｓを成長し、希土類元素添加活性層２としてＧａＡｓにＥｒ、Ｏ共添加したＧａＡｓを０．０１μｍ〜０．２μｍを成長した後、再び不純物を添加しない光ガイド層３としてＧａＡｓを成長する。このとき、希土類元素添加活性層２と光ガイド層３の層厚の合計を１μｍ以上とする。その後、ｐ型クラッド層５として１×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３のｐ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐを０．５〜３μｍ、ｐ＋  型半導体層１４として１×１０１８〜５×１０１９ｃｍ−３のｐ型ＧａＡｓを０．５μｍ〜２μｍ、順次エピタキシャル成長させることにより形成することができる。ここで、希土類元素添加活性層２となるＧａＡｓへのＥｒの添加密度を、１×１０１７〜８×１０１９ｃｍ−３とし、酸素の添加密度は、Ｅｒの添加密度の２倍程度がよい。
【００４３】
ここで、本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いたＬＤ２１の動作について説明する。本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いたＬＤ２１は、希土類元素添加活性層２の両端面２４、２５の劈開面で形成されるミラーによりファブリペロー共振器を構成している。順方向電流注入により、電子と正孔が希土類元素添加活性層２に注入され、電子が希土類元素を励起することにより、希土類元素から発生した光が、希土類元素添加活性層２を進むと、次々に光の位相をそろえて誘導放出され、希土類元素添加活性層２の両端で何回も反射されることによってレーザ発振が生起する。さらに、ＬＤ２１に流す電流を増加させると、光出力は増加し、かつ、スペクトルの半値幅が狭くなり、レーザ発振２６を開始する。
【００４４】
次に、上記構成の実施の形態３のＬＤの特徴を説明する。本発明のＬＤは、希土類元素又は希土類元素に酸素を添加したときの希土類元素からの発光による誘導放出光であるので、発振波長の温度依存性が殆どない。これにより、本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いたＬＤによれば、ＬＤの駆動電流や、周囲温度の変動に対して発振波長が変動しないので、ＬＤを一定温度に保持する温調器や発振波長を一定にするフィードバック制御装置などが不要となり、小型で軽量なＬＤ応用装置が実現できる。
【００４５】
次に、本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いた半導体光増幅器に係る第４の実施の形態を示す。図１２は、本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いた半導体光増幅器の断面を示す概略図であり、図１３は図８のＢ−Ｂ線に沿う概略断面図である。図において、本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いた半導体光増幅器３１は、図１０で示したＬＤ２１と同じ積層構造を有している。
【００４６】
本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いた半導体光増幅器３１が、ＬＤ２１と異なるのは、レーザ発振しないで増幅器として動作させる構造を有していることである。図１３に示すように、ｐ＋  半導体層１３への電極３３は、絶縁膜３２を開口して形成する。電極３３は、電流を注入してもレーザ発振しないように、入射光３６及び増幅光３７の光軸方向に対して斜めに、そして、部分的に設けている。さらに、光軸方向の対向端面には、反射防止膜３４、３５を設けることで、対向端面で、入射光３６及び増幅光３７が反射しないようにして、対向端面間でファブリペロー共振器を形成しないようにしている。
【００４７】
上記半導体光増幅器３１の積層構造は、例えば、厚さが３５０μｍで不純物密度が１×１０１８〜１×１０１９ｃｍ−３のｎ型ＧａＡｓ基板１２上に、バッファ層１３として不純物密度が１×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＡｓを０．０１μｍ〜２μｍ、ｎ型クラッド層４として不純物密度が１×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３のｎ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐを０．５〜３μｍ成長する。さらに、不純物を添加しない光ガイド層３としてＧａＡｓを成長し、希土類元素添加活性層２としてＧａＡｓにＥｒ、Ｏ共添加したＧａＡｓを０．０１μｍ〜０．１μｍを成長した後、再び不純物を添加しない光ガイド層３としてＧａＡｓを成長する。このとき、活性層２と光ガイド層３の層厚の合計を１μｍ以上とする。その後、ｐ型クラッド層５として１×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３のｐ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐを０．５〜３μｍ、ｐ＋  型半導体層１４として１×１０１８〜５×１０１９ｃｍ−３のｐ型ＧａＡｓを０．５μｍ〜２μｍ、順次エピタキシャル成長させることにより形成することができる。ここで、希土類元素添加活性層２となるＧａＡｓへのＥｒの添加密度を、１×１０１７〜８×１０１９ｃｍ−３とし、酸素の添加密度は、Ｅｒの添加密度の２倍程度がよい。
【００４８】
次に、本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いた半導体光増幅器３１の動作について説明する。本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いた半導体光増幅器３１は、順方向電流の注入により、希土類元素添加活性層２に添加された希土類元素が励起状態にされる。この状態で、希土類元素の発光波長よりもエネルギーの低い、即ちより長波長の入射光３６を入射させると、入射光３６は、本発明の半導体光増幅器３１の内部を通過することで増幅され、増幅光３７が、外部へ放出されることで半導体光増幅器として動作する。
【００４９】
次に、上記構成の実施の形態４の半導体光増幅器の特徴について説明する。本発明の希土類元素添加活性層２の希土類元素の誘導放出断面積σは、希土類元素を添加した絶縁体よりも遥かに大きいので、例えば、現状の光情報通信で用いられているＥｒ添加ファイバ光増幅器に用いられているＥｒ添加光ファイバに比べて、５〜６桁高い値が容易に得られる。従って、本発明の半導体光増幅器の入射光方向の長さは０．１ｍｍから１ｍｍもあれば、従来のＥｒ添加光ファイバの約１０ｍから１００ｍに相当する増幅を容易に行うことができる。また、増幅度の大きい半導体光増幅器を、容易に得ることができる。これにより、本発明の半導体光増幅器によれば、従来のＥｒ添加ファイバ光増幅器よりも効率が良く、小型軽量な光増幅器を実現できる。
【００５０】
本発明は、上記各実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。例えば、上記実施の形態で説明したＬＤのストライプ電極については、例えば埋め込み型などで構成してもよい。また、ダブルヘテロ構造は、ＧａＡｓとＧａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐの組み合わせに限らず他の半導体に適用し得ることは勿論である。
【００５１】
以上の説明から理解されるように、本発明によれば、発光素子用希土類元素添加半導体積層構造において希土類元素から、発光強度が高く、かつ、発光波長の温度依存性がない発光を得ることができる。
【００５２】
また、本発明によれば、発光強度が高く、かつ、発光波長の温度依存性が殆どない発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を有する発光ダイオードと半導体レーザダイオードを提供することができる。
【００５３】
また、本発明によれば、効率が良く、小型軽量な発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いた半導体光増幅器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】Ｅｒ添加のＧａＡｓ結晶と、Ｅｒ、Ｏ共添加のＧａＡｓ結晶のフォトルミネセンスによる発光スペクトルを示した図である。
【図２】Ｅｒ、Ｏ共添加したＧａＡｓの閃亜鉛鉱構造を示す図である。
【図３】本発明に係る第１の実施の形態による発光素子用希土類元素添加半導体積層構造の断面を示す模式図である。
【図４】本発明に係る第１の実施の形態による発光素子用希土類元素添加半導体積層構造の有する分離閉じ込め構造のエネルギー差、屈折率分布を示す図である。
【図５】本発明に係る第１の実施の形態による発光素子用希土類元素添加半導体積層構造の有する分離閉じ込め構造における、活性層厚の違いによるキャリア再結合の模式図である。
【図６】本発明に係る第１の実施の形態による発光素子用希土類元素添加半導体積層構造の有する分離閉じ込め構造における光閉じ込め係数の光ガイド層厚依存性である。
【図７】本発明に係る第２の実施の形態による発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いたＬＥＤの断面の概略を示す図である。
【図８】本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いたＬＥＤの室温における発光スペクトルを示す図である。
【図９】本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いたＬＥＤの発光強度の活性層厚依存性を示す。
【図１０】本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いたＬＤの断面を示す概略図である。
【図１１】図１０のＡ−Ａ線に沿う断面の概略図である。
【図１２】本発明の発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いた半導体光増幅器の断面を示す概略図である。
【図１３】図１２のＢ−Ｂ線に沿う断面の概略図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  発光素子用希土類元素添加半導体積層構造
２  希土類元素添加活性層
３  光ガイド層  
４  ｎ型クラッド層
５  ｐ型クラッド層
１１  発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いたＬＥＤ
１２  ｎ型半導体基板
１３  バッファ層
１４  ｐ＋  型半導体層
１５  ｎ層オーミック電極
１６  ｐ層オーミック電極
１７  ＬＥＤの発光
２１  発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いたＬＤ
２２、３２  絶縁膜
２３  ＬＤのストライプ電極
２４、２５  端面
２６  レーザ光
３１  発光素子用希土類元素添加半導体積層構造を用いた半導体光増幅器
３３  半導体光増幅器の電極
３４、３５  反射防止膜
３６  入射光
３７  増幅光
【図１】
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【図２】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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