JP4119158B2 - 傾斜状多重量子バリアを用いた半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子に関し、特に、高温・高速動作が要求される光通信用半導体レーザの発光素子において、傾斜状の多重量子バリア（Multi Quantum Barrier）を設けることにより、キャリアが活性層から流失することを抑制し、温度特性を改善した半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報通信機器の高性能化に伴う膨大なデータ通信量に対応するために、光ファイバを用いた光通信網の普及が不可欠となっている。光通信網は幹線系のみならず加入者系まで拡大敷設されることは必至であり、そのキーデバイスとして半導体レーザ等の半導体発光素子が使用される。半導体レーザとしては、莫大なデータを取扱うことができるとともに、低コストでかつ高信頼性という観点から、冷却装置等の付加的な装置を必要としない高速・高温動作が可能な半導体発光素子が要求されている。
【０００３】
高速変調処理時には半導体発光素子自体の発熱が温度上昇の大きな要因となり、このような温度上昇に伴って電子（キャリア）は熱的なエネルギーをもつ。このため、半導体発光素子の発光領域である活性層からエネルギー障壁を超えてオーバーフロー（流失）しやすくなり、発光効率が低下する。ここで発光効率とは、発光過程において、発光素子に入力吸収されたエネルギーが発光エネルギーに変換される割合のことを意味する。
【０００４】
半導体レーザを効率よく発振させるためには、半導体内へのキャリア閉じ込めと、光閉じ込めの最適化が重要であり、レーザ媒質になる半導体活性層の両側を、それよりバンド間エネルギーが大きく、かつ屈折率の小さい半導体（クラッド層）で挟み、キャリアと光の閉じ込めを効率よくできるようにしたヘテロ構造がよく用いられている。
【０００５】
半導体材料としては、光の直接遷移が得られる化合物半導体が一般的に用いられ、発光波長に応じて、ＧａＮ，ＧａＡｓ，ＧａＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＡｌＧａＳｂなどが用いられている。活性層の媒質構造としては量子井戸活性層などがよく用いられている。
【０００６】
以下、従来の半導体レーザを例として、その基本構成および動作について図８および図９を参照して説明する。図８は従来の半導体レーザの基本構造の一例を示す概略斜視図であり、図９は基本的な半導体レーザのエネルギーバンドギャップを説明するための模式図である。
【０００７】
図８に示すように、半導体レーザ８０の基本構造は、光を発生する活性層８１が、光を閉じ込める役割のクラッド層８２ａ，８２ｂによってサンドイッチ状に挟みこまれた構成となっている。活性層８１は、一般に、エネルギーバンドギャップの大きな材料のバリア（障壁）層８３と、エネルギーバンドギャップの小さな材料でできた薄膜の量子井戸層（「ウェル層」ともよぶ）８４とが交互に挟みこまれた構造（以後、「量子井戸構造」とよぶ）を数組重ねた多重量子井戸構造（Multi Quantum Well）（以後、「ＭＱＷ」と略記する）となっている。
【０００８】
量子井戸構造は一つの方向にキャリアが閉じ込められている人工的な構造であり、キャリアは一つの次元については波動性を示すが、他の二つの次元については自由電子として振舞う。ここで述べる半導体レーザは量子井戸レーザを例に説明したもので、電子と正孔は狭い量子井戸層内に閉じ込められて、効率良くレーザ発振を起こす。
【０００９】
図８において、各バリア層８３、量子井戸層８４の厚みはそれぞれ、例えば、１０〜２０ｎｍ、５〜１０ｎｍ程度である。電子ｅやホール（正孔）ｈのキャリアはエネルギーバンドギャップの小さい領域（量子井戸層、即ち、ウェル層）に閉じ込められ、光は屈折率の大きい領域に閉じ込められる。エネルギーバンドギャップと屈折率には相関があり、エネルギーバンドギャップの小さな材料は大きな屈折率を持つ。したがって、図９に示した模式例では、キャリア（ｅ，ｈ）と光はともに活性層を中心に分布している。
【００１０】
次に、分離閉じ込めヘテロ構造 (Separated Confinement Heterostructure) （以後、ＳＣＨと略記する）について、図１０を参照して説明する。図８においてＭＱＷ構造の活性層８１を薄くすると、発光効率および高速動作特性は向上するが、導波モードのカットオフの発生が問題となる。これを改善するために、活性層の外側に設けたｎ−クラッド層及びｐ−クラッド層の屈折率分布に変化をつけることにより、活性層で発生した光を染み出させ、キャリア（電子ｅ、ホールｈ）と光の閉じ込め領域を分離したＳＣＨによりカットオフを防止している。特に、クラッド層の屈折率分布が連続的に変化するものをＧＲＩＮ（Graded Refractive Index）といい、階段状に変化するものをＳＴＥＰとよぶ。図１０はＳＴＥＰ構造のクラッド層を持った半導体レーザのエネルギーバンドギャップを例示した模式図である。
【００１１】
なお、半導体レーザの製造工程において、ｐ型ドーピングの材料として、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、炭素（Ｃ）等が用いられている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１０に示すような上記従来のＳＴＥＰ状ヘテロ構造では、導波モードのカットオフが改善される反面、クラッド層の屈折率が連続的に変化することに伴いエネルギーバンドギャップも連続的に変化する。このため、活性層からキャリアが流失しやすいといった問題がある。
【００１３】
また、ｐ型ドーパントである亜鉛（Ｚｎ）は熱拡散が大きく、本来ノンドープ領域であるべき活性層まで亜鉛（Ｚｎ）が拡散することによりｐ型となってしまうため、活性層近傍のドーピングに亜鉛（Ｚｎ）を用いることができない。さらに、熱拡散の少ない他のドーパントは、ドーピング可能なキャリア濃度が小さく、半導体材料の製造過程で、入手が困難であるといった問題があった。
【００１４】
本発明者等によって、キャリアが活性層から流失することを防止するために、クラッド層に多重量子バリア（Multi Quantum Barrier）（以後、ＭＱＢと略記する）を設ける構成が考えられている。図１１は、このようなＭＱＢ構造をクラッド層に採用した半導体レーザのエネルギーバンドギャップの模式図を示す。同図に示す構成では、ＭＱＷ構造の活性層を挟むｎ−クラッド層８２ａ及びｐ−クラッド層８２ｂに上記ＭＱＢによる周期的なバリア障壁を設け、量子的な効果でエネルギー障壁を高くしたものである。これにより、キャリアが活性層からオーバーフローすることを効果的に防止している。
【００１５】
しかし、このようなクラッド層にＭＱＢ構造を採用した半導体レーザでは、導波モードのカットオフが問題となる。
【００１６】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、クラッド層のＳＴＥＰ構造にＭＱＢを導入し、多重量子井戸層（ＭＱＷ）である活性層からキャリアが流失することを抑制し、かつ、導波モードのカットオフを防止するとともに、素子抵抗の低減を図り、半導体レーザの温度特性を改善することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザの半導体発光素子は、光を発生する活性層と、活性層を挟みこんで光を閉じ込める一対のクラッド層を備え、活性層は、バリア層と量子井戸層とが交互に複数個配列した多重量子井戸構造を有する半導体発光素子であって、各クラッド層は、バリア層とウェル層とが交互に複数個配列した多重量子バリア構造を有し、各クラッド層の多重量子バリア構造において、各ウェル層のエネルギーバンドギャップが上記活性層の方向に向かう配列順に階段状に変化する構成である。
【００１８】
このように、傾斜状または階段状のＭＱＢ構造を、活性層を挟むクラッド層に設けたことより、導波モードのカットオフを防止するとともに、素子抵抗の低減、半導体発光素子の温度特性を改善を実現するものである。また、クラッド層の実効的なエネルギーバンドギャップは多重量子バリアの量子的な効果のため、キャリアが活性層からクラッド層へオーバーフローすることが抑制されることにより、半導体レーザの温度特性が更に改善される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の態様による半導体発光素子は、光を発生する活性層と、活性層を挟みこんで光を閉じ込める一対のクラッド層を備え、活性層は、バリア層と量子井戸層とが交互に複数個配列した多重量子井戸構造を有し、各クラッド層は、バリア層とウェル層とが交互に複数個配列した多重量子バリア構造を有し、各クラッド層の多重量子バリアの組成が傾斜状または階段状に変化する。
【００２０】
本発明の第２の態様による半導体発光素子は、前記多重量子バリアの各バリア層のエネルギーバンドギャップが階段状に変化することを特徴とする。
【００２１】
本発明の第３の態様による半導体発光素子は、前記多重量子バリアの各ウェル層のエネルギーバンドギャップが階段状に変化することを特徴とする。
【００２２】
上記各態様の構成により、導波モードのカットオフを防止するとともに、素子抵抗の低減、半導体発光素子の温度特性を改善を実現する。
【００２３】
本発明の第４の態様による半導体発光素子は、前記活性層を挟む前記一対のクラッド層は、互いに異なる組成またはバリア障壁数が異なる非対称な構造の多重量子バリアを有する。
【００２４】
上記構成により、光の分布を適宜調整することを可能とし、発光効率の向上を実現する。
【００２５】
本発明の第５の態様による半導体発光素子は、前記クラッド層は、部分的なドーピングが行われた多重量子バリアを備え、上記部分的なドーピングは、バリア層のみ、ウェル層のみ、一部のバリア層のみ、または一部のウェル層のみの変調ドーピングである。
【００２６】
上記構成により、従来の亜鉛（Ｚｎ）では行えなかった活性層近傍へのドーピングが可能となり、素子抵抗が低減されることにより温度特性が改善される。
【００２７】
本発明の第６の態様による半導体発光素子は、前記活性層の多重量子井戸構造において、発光に寄与する量子準位が全量子井戸層で同一となるように各量子井戸層の幅と組成を最適化し、前記クラッド層近傍の量子井戸層のエネルギーバンドギャップを前記活性層中央部の量子井戸層のエネルギーバンドギャップより小さくしたことを特徴とする。
【００２８】
上記構成により、クラッド層に近い量子井戸層ほどエネルギーバンドギャップが小さくなるため、キャリアが活性層からクラッド層へオーバーフローすることを抑制し、半導体レーザの温度特性が改善される。
【００２９】
以下、図１乃至図７を用いて本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明については省略している。
【００３０】
【実施例１】
本発明の第１の実施例について、半導体レーザを例に図１を参照して以下に説明する。図１は、第１の実施例に係る傾斜状（ＳＴＥＰ状）ＭＱＢのクラッド層を設けた半導体レーザのエネルギーバンドギャップを説明するための模式図である。これは、ｎ−クラッド層１１ａ及びｐ−クラッド層１１ｂに、バリア層の高さが階段状に変化するＭＱＢ１２ａ，１２ｂをそれぞれ左右対象に設けた構造のエネルギーバンドギャップを示したものである。クラッド層１１ａ，１１ｂに設けられたＭＱＢ１２ａ，１２ｂの構造は、階段状または傾斜状とすること以外は、活性層１３としてのＭＱＷと同様の構造である。
【００３１】
即ち、エネルギーバンドギャップの大きな材料であるバリア層Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，...と、エネルギーバンドギャップの小さな材料でできた薄膜の量子井戸層（ウェル層）Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，...とが交互に数組重ねた多重量子バリア構造であり、バリア層Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，...の高さが、この配列順に外側クラッド層から活性層方向（中心方向）に向かうにつれて階段状に低くなるように変化している。各バリア層、量子井戸層（ウェル層）の厚みはそれぞれ、例えば、１０〜２０ｎｍ、５〜１０ｎｍ程度に形成されている。電子ｅはｎ電極からｎ−クラッド層１１ａを経由して活性層１３に流入し、ホール（正孔）ｈと再結合して光を放出する。
【００３２】
以下、本実施例１の動作・作用について説明する。発光素子の温度上昇により熱エネルギーを持った電子は活性層１３からｐ−クラッド層１１ｂへ溢れ出そうとする。しかし、ｐ−クラッド層１１ｂの実効的なエネルギーバンドギャップはＭＱＢの量子的な効果のため、従来の図１０に示すようなＳＴＥＰのみのクラッド構造に比べてより大きくなっている。このように大きなバンドギャップを形成することにより、キャリアが活性層からｐ−クラッド層へオーバーフローすることを抑制し、半導体レーザの温度特性を改善している。
【００３３】
図２は、活性層からクラッド層へ流失する伝導帯の電子に対するバリアのエネルギー障壁を比較するための計算モデルであり、（ａ）は図１１に示すようなバリア高さが等しいＭＱＢクラッド層、（ｂ）は実施例１のようにバリア高さが階段的に変化するＭＱＢクラッド層、（ｃ）は後述する実施例２のようにウェル層の深さが階段的に変化するＭＱＢクラッド層、（ｄ）は図１０に示すような従来のＳＴＥＰクラッド層、（ｅ）は図９に示すような従来の単なる障壁クラッド層、の場合を示す。
【００３４】
図３（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）はそれぞれ図２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）に示した構成において、各エネルギー障壁に入射した電子の反射率を示すグラフ図である。
【００３５】
図１に示す本実施例１の構成において、図２（ｂ）に示すような傾斜状、例えば、０ｅＶから０.０５ｅＶ、０.１ｅＶ、０.１５ｅＶ、０.２ｅＶ、０.２５ｅＶ、０.３ｅＶのように階段状に変化するバリア層を持ったＭＱＢ構造のクラッド層を形成した場合、これに入射した電子ｅの反射率は図３（ｂ）に示すようになる。
【００３６】
クラッド層のエネルギーバンドギャップ（０．３ｅＶ）から数１０ｍｅＶ高エネルギー側の温度特性改善に重要な領域の反射率を比較した場合、図２（ｂ）に示す構造に対応する図３（ｂ）の反射率の方が、従来の図２（ｄ）に示すＳＴＥＰのみの構造に対応する図３（ｄ）の反射率よりも大きくなり、電子のオーバーフローが従来よりも効果的に抑制され、半導体レーザの温度特性が改善されることを示している。
【００３７】
【実施例２】
本発明の第２の実施例について図４を参照して以下に説明する。図４は、本実施例２に係る傾斜状（ＳＴＥＰ状）ＭＱＢのクラッド層を設けた半導体レーザのエネルギーバンドギャップを説明するための模式図である。これは、第１の実施例とほぼ同等の構造であり、実施例１との相違点は、本実施例２では、ｎ−クラッド層１１ａ及びｐ−クラッド層１１ｂにウェル層の深さが階段状に変化するＭＱＢ１２ａ，１２ｂを設けた構造としたことであり、クラッド層１１ａ，１１ｂに設けられたＭＱＢの構造を傾斜ＳＴＥＰ状とすることは実施例１と同様である。
【００３８】
即ち、多重量子バリア構造において量子井戸層（ウェル層）Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，...の深さがこの配列順に活性層方向に向かうにつれて階段状に深くなるように変化している。上記構成において、電子ｅはｎ電極からｎクラッド層１１ａを経由して活性層１３に流入し、ホール（正孔）ｈと再結合して光を放出する。
【００３９】
以下、本実施例２の動作・作用について説明する。発光素子の温度上昇により熱エネルギーを持った電子は活性層１３からｐ−クラッド層１１ｂへ溢れ出そうとする。しかし、ｐ−クラッド層１１ｂの実効的なエネルギーバンドギャップはＭＱＢの量子的な効果のため、実施例１の場合と同様に、キャリアが活性層からｐ−クラッド層へオーバーフローすることが抑制されることにより、半導体レーザの温度特性が改善される。
【００４０】
本実施例２において、例えば図２（ｃ）に示すような傾斜状のウェル層、即ち、深さが、例えば、０ｅＶから０.０５ｅＶ、０.１ｅＶ、０.１５ｅＶ、０.２ｅＶ、０.２５ｅＶ、０.３ｅＶのように階段状に変化するウェル層を持ったＭＱＢ構造のクラッド層モデルを考えた場合、クラッド層に入射した電子ｅの反射率は図３（ｃ）のようになる。
【００４１】
クラッド層のエネルギーバンドギャップ（０．３ｅＶ）から数１０ｍｅＶ高エネルギー側の温度特性改善に重要な領域の反射率は、図２（ｃ）に示す構造に対応する図３（ｃ）の反射率の方が、図２（ｂ）に示す実施例１のモデルの場合の図３（ｂ）に示す反射率よりも大きくなり、キャリアのオーバーフローがより良く抑制され、半導体レーザの温度特性がさらに改善されることが分かる。
【００４２】
【実施例３】
本発明の第３の実施例について図５を参照して以下に説明する。図５は、本実施例３に係る傾斜状（ＳＴＥＰ状）のＭＱＢを設けた半導体レーザのエネルギーバンドギャップを説明するための模式図である。これは、第１の実施例とほぼ同等の構造であり、実施例１との相違点は、本実施例３では、ｎ−クラッド層１１ａとｐ−クラッド層１１ｂに構造の異なる非対称な階段状ＭＱＢ１２ａ，１２ｂを設けたことである。ここで構造の異なるＭＱＢとは、組成やバリア障壁がｎ−クラッド層１１ａとｐ−クラッド層１１ｂで互いに異なる構造のことを意味する。
【００４３】
本実施例３では、図５に示すように、例えば、ｎ−クラッド層１１ａに３つのバリア層Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３を備え、ｐ−クラッド層１１ｂには７つのバリア層Ｂ１’〜Ｂ７’を備えたＭＱＢ構造としている。
【００４４】
本実施例３の構成では、ｐ−クラッド層１１ｂの屈折率の変化をｎ−クラッド層１１ａよりも緩やかにすることにより、図５の点線で示すように、光の分布はｐ−クラッド層１１ｂ側に偏る。分布帰還型（ＤＦＢ）レーザではｐ−クラッド層側またはｎ−クラッド層側に回折格子を設けて光の増幅を行うため、本実施例のように光の分布を適宜調整することを可能としたことにより、発光効率の向上に有効な手段となる。
【００４５】
なお、本実施例３で説明したｎ−クラッド層とｐ−クラッド層に構造の異なる非対称な階段状ＭＱＢを構成する特徴は、図４に示す実施例２のウェル層の深さが階段状に変化するＭＱＢ構造の場合にも適用可能である。
【００４６】
【実施例４】
本発明の第４の実施例について図６（ａ），（ｂ）を参照して説明する。図６（ａ）は、本実施例４に係るＭＱＢのエネルギーバンドギャップの模式図を示し、図６（ｂ）は比較例として図１０に示すようなＳＴＥＰがノンドープの場合の従来構成のエネルギーバンドギャップの模式図である。
【００４７】
図６（ａ）に示すように、本実施例４ではバリア層のみにドーピングしたＭＱＢ、即ち、ｐ−クラッド層１１ｂに設けたＭＱＢ１２ｂのバリア層Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，… のみにドーパントとして亜鉛（Ｚｎ）を用いてドーピングを行ったものであり、ＭＱＢ１２ｂのウェル層（量子井戸層）はドーピングされていない（ノンドープｉで図示した）構造となっている。
【００４８】
本実施例４によれば、ＭＱＢのバリア層のみにドーピングを行い、ドーピングされないウェル層を亜鉛（Ｚｎ）溜まりとして利用している。これにより、図６（ｂ）に示すようなＳＴＥＰがノンドープの場合の従来構成と比較して、亜鉛（Ｚｎ）の活性層１３への拡散を効果的に抑制することができる。よって、従来の亜鉛（Ｚｎ）では行えなかった活性層近傍へのドーピングが可能となり、素子抵抗が低減されることにより温度特性が改善される。
【００４９】
なお、本実施例４によれば、図６（ａ）に示す例では、クラッド層に形成した多重量子バリア（ＭＱＢ）に行った部分的ドーピング(p)は、バリア層のみの場合を示しているが、部分的ドーピングがウェル層のみ、一部のバリア層のみ、または一部のウェル層のみの変調ドーピングであっても同等の効果が得られる。
【００５０】
【実施例５】
本発明の第５の実施例について図７を参照して説明する。図７は、本実施例５に係る傾斜状ＭＱＷのエネルギーバンドギャップの模式図を示す。これは、活性層１３の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造において、発光に寄与する量子準位が全ウェルで同一となるようにウェル層の幅と組成を最適化したものであり、クラッド層近傍のウェル層を深くしてエネルギーバンドギャップを小さくした構造を有する。
【００５１】
即ち、図７に示す例では、量子井戸層（ウェル層）が５組の場合のＭＱＷのモデルであり、中央部のウェル層Ｗ０の幅が最も大きく、外側方向にＷ１，Ｗ２の順に幅は小さくなり、活性層１３を外側から挟みこむクラッド層１１ａ，１１ｂに近い量子井戸層のエネルギーほど小さくなっている。また、活性層１３に閉じ込められる電子のエネルギー、即ち、量子準位が全ウェルで同一となるように、各量子井戸層の膜厚は最適化されている。このように本実施例では、エネルギーバンドギャップが小さい量子井戸層ほど、膜厚は薄くなっている。
【００５２】
本実施例によれば、活性層１３の量子井戸層（ウェル層Ｗ２，Ｗ１，Ｗ０）をクラッド層近傍のウェル層ほどエネルギーバンドギャップを小さくした構造とし、且つウェル層の膜厚を薄くすることで、キャリアの閉じ込め効果によって量子準位を大きくして、発光に寄与する量子準位が活性層全体で同一になる構成としたことにより、キャリアが活性層からクラッド層へオーバーフローすることを抑制し、半導体レーザの温度特性が改善される。
【００５３】
なお、本実施例５で説明したウェル層の幅と組成を最適化した活性層のＭＱＷ構造は、前述の実施例１〜４の活性層として、適宜組合せ適用できることは言うまでもない。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、クラッド層のＳＴＥＰ構造にＭＱＢを導入し、ＭＱＷの活性層からキャリアが流失することを抑制でき、かつ、導波モードのカットオフを防止するとともに、素子抵抗を低減し、半導体レーザの温度特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例に係るＭＱＢのエネルギーバンドギャップを説明するための模式図
【図２】 活性層からクラッド層へ流失する伝導帯の電子に対するバリアのエネルギー障壁を比較するための計算モデルを示す図
【図３】 図２に示す構成において、各エネルギー障壁に入射した電子の反射率を示すグラフ図
【図４】 本発明の第２実施例に係るＭＱＢのエネルギーバンドギャップを説明するための模式図
【図５】 本発明の第３実施例に係るＭＱＢのエネルギーバンドギャップを説明するための模式図
【図６】 （ａ）は第４実施例に係るＭＱＢのエネルギーバンドギャップの模式図、（ｂ）はＳＴＥＰがノンドープの場合の従来構成のエネルギーバンドギャップの模式図
【図７】 本発明の第５実施例に係る傾斜状ＭＱＷのエネルギーバンドギャップの模式図
【図８】 従来の半導体レーザ要部の基本構造の一例を示す概略斜視図
【図９】 従来の半導体レーザのエネルギーバンドギャップを説明するための模式図
【図１０】 従来のＳＴＥＰ構造のクラッド層を持った半導体レーザのエネルギーバンドギャップを示す模式図
【図１１】 ＭＱＢ構造をクラッド層に採用した半導体レーザのエネルギーバンドギャップの模式図
【符号の説明】
１１ａ，１１ｂ クラッド層
１２ａ，１２ｂ 傾斜状ＭＱＢ
１３ ＭＱＷ活性層
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３ バリア層
Ｗ０，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４ ウェル層
ｐ ｐ型ドープ部
ｉ ノンドープ部
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子に関し、特に、高温・高速動作が要求される光通信用半導体レーザの発光素子において、傾斜状の多重量子バリア（Multi Quantum Barrier）を設けることにより、キャリアが活性層から流失することを抑制し、温度特性を改善した半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報通信機器の高性能化に伴う膨大なデータ通信量に対応するために、光ファイバを用いた光通信網の普及が不可欠となっている。光通信網は幹線系のみならず加入者系まで拡大敷設されることは必至であり、そのキーデバイスとして半導体レーザ等の半導体発光素子が使用される。半導体レーザとしては、莫大なデータを取扱うことができるとともに、低コストでかつ高信頼性という観点から、冷却装置等の付加的な装置を必要としない高速・高温動作が可能な半導体発光素子が要求されている。
【０００３】
高速変調処理時には半導体発光素子自体の発熱が温度上昇の大きな要因となり、このような温度上昇に伴って電子（キャリア）は熱的なエネルギーをもつ。このため、半導体発光素子の発光領域である活性層からエネルギー障壁を超えてオーバーフロー（流失）しやすくなり、発光効率が低下する。ここで発光効率とは、発光過程において、発光素子に入力吸収されたエネルギーが発光エネルギーに変換される割合のことを意味する。
【０００４】
半導体レーザを効率よく発振させるためには、半導体内へのキャリア閉じ込めと、光閉じ込めの最適化が重要であり、レーザ媒質になる半導体活性層の両側を、それよりバンド間エネルギーが大きく、かつ屈折率の小さい半導体（クラッド層）で挟み、キャリアと光の閉じ込めを効率よくできるようにしたヘテロ構造がよく用いられている。
【０００５】
半導体材料としては、光の直接遷移が得られる化合物半導体が一般的に用いられ、発光波長に応じて、ＧａＮ，ＧａＡｓ，ＧａＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＡｌＧａＳｂなどが用いられている。活性層の媒質構造としては量子井戸活性層などがよく用いられている。
【０００６】
以下、従来の半導体レーザを例として、その基本構成および動作について図８および図９を参照して説明する。図８は従来の半導体レーザの基本構造の一例を示す概略斜視図であり、図９は基本的な半導体レーザのエネルギーバンドギャップを説明するための模式図である。
【０００７】
図８に示すように、半導体レーザ８０の基本構造は、光を発生する活性層８１が、光を閉じ込める役割のクラッド層８２ａ，８２ｂによってサンドイッチ状に挟みこまれた構成となっている。活性層８１は、一般に、エネルギーバンドギャップの大きな材料のバリア（障壁）層８３と、エネルギーバンドギャップの小さな材料でできた薄膜の量子井戸層（「ウェル層」ともよぶ）８４とが交互に挟みこまれた構造（以後、「量子井戸構造」とよぶ）を数組重ねた多重量子井戸構造（Multi Quantum Well）（以後、「ＭＱＷ」と略記する）となっている。
【０００８】
量子井戸構造は一つの方向にキャリアが閉じ込められている人工的な構造であり、キャリアは一つの次元については波動性を示すが、他の二つの次元については自由電子として振舞う。ここで述べる半導体レーザは量子井戸レーザを例に説明したもので、電子と正孔は狭い量子井戸層内に閉じ込められて、効率良くレーザ発振を起こす。
【０００９】
図８において、各バリア層８３、量子井戸層８４の厚みはそれぞれ、例えば、１０〜２０ｎｍ、５〜１０ｎｍ程度である。電子ｅやホール（正孔）ｈのキャリアはエネルギーバンドギャップの小さい領域（量子井戸層、即ち、ウェル層）に閉じ込められ、光は屈折率の大きい領域に閉じ込められる。エネルギーバンドギャップと屈折率には相関があり、エネルギーバンドギャップの小さな材料は大きな屈折率を持つ。したがって、図９に示した模式例では、キャリア（ｅ，ｈ）と光はともに活性層を中心に分布している。
【００１０】
次に、分離閉じ込めヘテロ構造 (Separated Confinement Heterostructure) （以後、ＳＣＨと略記する）について、図１０を参照して説明する。図８においてＭＱＷ構造の活性層８１を薄くすると、発光効率および高速動作特性は向上するが、導波モードのカットオフの発生が問題となる。これを改善するために、活性層の外側に設けたｎ−クラッド層及びｐ−クラッド層の屈折率分布に変化をつけることにより、活性層で発生した光を染み出させ、キャリア（電子ｅ、ホールｈ）と光の閉じ込め領域を分離したＳＣＨによりカットオフを防止している。特に、クラッド層の屈折率分布が連続的に変化するものをＧＲＩＮ（Graded Refractive Index）といい、階段状に変化するものをＳＴＥＰとよぶ。図１０はＳＴＥＰ構造のクラッド層を持った半導体レーザのエネルギーバンドギャップを例示した模式図である。
【００１１】
なお、半導体レーザの製造工程において、ｐ型ドーピングの材料として、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）、炭素（Ｃ）等が用いられている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１０に示すような上記従来のＳＴＥＰ状ヘテロ構造では、導波モードのカットオフが改善される反面、クラッド層の屈折率が連続的に変化することに伴いエネルギーバンドギャップも連続的に変化する。このため、活性層からキャリアが流失しやすいといった問題がある。
【００１３】
また、ｐ型ドーパントである亜鉛（Ｚｎ）は熱拡散が大きく、本来ノンドープ領域であるべき活性層まで亜鉛（Ｚｎ）が拡散することによりｐ型となってしまうため、活性層近傍のドーピングに亜鉛（Ｚｎ）を用いることができない。さらに、熱拡散の少ない他のドーパントは、ドーピング可能なキャリア濃度が小さく、半導体材料の製造過程で、入手が困難であるといった問題があった。
【００１４】
本発明者等によって、キャリアが活性層から流失することを防止するために、クラッド層に多重量子バリア（Multi Quantum Barrier）（以後、ＭＱＢと略記する）を設ける構成が考えられている。図１１は、このようなＭＱＢ構造をクラッド層に採用した半導体レーザのエネルギーバンドギャップの模式図を示す。同図に示す構成では、ＭＱＷ構造の活性層を挟むｎ−クラッド層８２ａ及びｐ−クラッド層８２ｂに上記ＭＱＢによる周期的なバリア障壁を設け、量子的な効果でエネルギー障壁を高くしたものである。これにより、キャリアが活性層からオーバーフローすることを効果的に防止している。
【００１５】
しかし、このようなクラッド層にＭＱＢ構造を採用した半導体レーザでは、導波モードのカットオフが問題となる。
【００１６】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、クラッド層のＳＴＥＰ構造にＭＱＢを導入し、多重量子井戸層（ＭＱＷ）である活性層からキャリアが流失することを抑制し、かつ、導波モードのカットオフを防止するとともに、素子抵抗の低減を図り、半導体レーザの温度特性を改善することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザの半導体発光素子は、光を発生する活性層と、活性層を挟みこんで光を閉じ込める一対のクラッド層を備え、活性層は、バリア層と量子井戸層とが交互に複数個配列した多重量子井戸構造を有する半導体発光素子であって、各クラッド層は、バリア層とウェル層とが交互に複数個配列した多重量子バリア構造を有し、各クラッド層の多重量子バリア構造において、各ウェル層のエネルギーバンドギャップが上記活性層の方向に向かう配列順に階段状に変化する構成である。
【００１８】
このように、傾斜状または階段状のＭＱＢ構造を、活性層を挟むクラッド層に設けたことより、導波モードのカットオフを防止するとともに、素子抵抗の低減、半導体発光素子の温度特性を改善を実現するものである。また、クラッド層の実効的なエネルギーバンドギャップは多重量子バリアの量子的な効果のため、キャリアが活性層からクラッド層へオーバーフローすることが抑制されることにより、半導体レーザの温度特性が更に改善される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の態様による半導体発光素子は、光を発生する活性層と、活性層を挟みこんで光を閉じ込める一対のクラッド層を備え、活性層は、バリア層と量子井戸層とが交互に複数個配列した多重量子井戸構造を有し、各クラッド層は、バリア層とウェル層とが交互に複数個配列した多重量子バリア構造を有し、各クラッド層の多重量子バリアの組成が傾斜状または階段状に変化する。
【００２０】
本発明の第２の態様による半導体発光素子は、前記多重量子バリアの各バリア層のエネルギーバンドギャップが階段状に変化することを特徴とする。
【００２１】
本発明の第３の態様による半導体発光素子は、前記多重量子バリアの各ウェル層のエネルギーバンドギャップが階段状に変化することを特徴とする。
【００２２】
上記各態様の構成により、導波モードのカットオフを防止するとともに、素子抵抗の低減、半導体発光素子の温度特性を改善を実現する。
【００２３】
本発明の第４の態様による半導体発光素子は、前記活性層を挟む前記一対のクラッド層は、互いに異なる組成またはバリア障壁数が異なる非対称な構造の多重量子バリアを有する。
【００２４】
上記構成により、光の分布を適宜調整することを可能とし、発光効率の向上を実現する。
【００２５】
本発明の第５の態様による半導体発光素子は、前記クラッド層は、部分的なドーピングが行われた多重量子バリアを備え、上記部分的なドーピングは、バリア層のみ、ウェル層のみ、一部のバリア層のみ、または一部のウェル層のみの変調ドーピングである。
【００２６】
上記構成により、従来の亜鉛（Ｚｎ）では行えなかった活性層近傍へのドーピングが可能となり、素子抵抗が低減されることにより温度特性が改善される。
【００２７】
本発明の第６の態様による半導体発光素子は、前記活性層の多重量子井戸構造において、発光に寄与する量子準位が全量子井戸層で同一となるように各量子井戸層の幅と組成を最適化し、前記クラッド層近傍の量子井戸層のエネルギーバンドギャップを前記活性層中央部の量子井戸層のエネルギーバンドギャップより小さくしたことを特徴とする。
【００２８】
上記構成により、クラッド層に近い量子井戸層ほどエネルギーバンドギャップが小さくなるため、キャリアが活性層からクラッド層へオーバーフローすることを抑制し、半導体レーザの温度特性が改善される。
【００２９】
以下、図１乃至図７を用いて本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明については省略している。
【００３０】
【実施例１】
本発明の第１の実施例について、半導体レーザを例に図１を参照して以下に説明する。図１は、第１の実施例に係る傾斜状（ＳＴＥＰ状）ＭＱＢのクラッド層を設けた半導体レーザのエネルギーバンドギャップを説明するための模式図である。これは、ｎ−クラッド層１１ａ及びｐ−クラッド層１１ｂに、バリア層の高さが階段状に変化するＭＱＢ１２ａ，１２ｂをそれぞれ左右対象に設けた構造のエネルギーバンドギャップを示したものである。クラッド層１１ａ，１１ｂに設けられたＭＱＢ１２ａ，１２ｂの構造は、階段状または傾斜状とすること以外は、活性層１３としてのＭＱＷと同様の構造である。
【００３１】
即ち、エネルギーバンドギャップの大きな材料であるバリア層Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，...と、エネルギーバンドギャップの小さな材料でできた薄膜の量子井戸層（ウェル層）Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，...とが交互に数組重ねた多重量子バリア構造であり、バリア層Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，...の高さが、この配列順に外側クラッド層から活性層方向（中心方向）に向かうにつれて階段状に低くなるように変化している。各バリア層、量子井戸層（ウェル層）の厚みはそれぞれ、例えば、１０〜２０ｎｍ、５〜１０ｎｍ程度に形成されている。電子ｅはｎ電極からｎ−クラッド層１１ａを経由して活性層１３に流入し、ホール（正孔）ｈと再結合して光を放出する。
【００３２】
以下、本実施例１の動作・作用について説明する。発光素子の温度上昇により熱エネルギーを持った電子は活性層１３からｐ−クラッド層１１ｂへ溢れ出そうとする。しかし、ｐ−クラッド層１１ｂの実効的なエネルギーバンドギャップはＭＱＢの量子的な効果のため、従来の図１０に示すようなＳＴＥＰのみのクラッド構造に比べてより大きくなっている。このように大きなバンドギャップを形成することにより、キャリアが活性層からｐ−クラッド層へオーバーフローすることを抑制し、半導体レーザの温度特性を改善している。
【００３３】
図２は、活性層からクラッド層へ流失する伝導帯の電子に対するバリアのエネルギー障壁を比較するための計算モデルであり、（ａ）は図１１に示すようなバリア高さが等しいＭＱＢクラッド層、（ｂ）は実施例１のようにバリア高さが階段的に変化するＭＱＢクラッド層、（ｃ）は後述する実施例２のようにウェル層の深さが階段的に変化するＭＱＢクラッド層、（ｄ）は図１０に示すような従来のＳＴＥＰクラッド層、（ｅ）は図９に示すような従来の単なる障壁クラッド層、の場合を示す。
【００３４】
図３（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）はそれぞれ図２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）に示した構成において、各エネルギー障壁に入射した電子の反射率を示すグラフ図である。
【００３５】
図１に示す本実施例１の構成において、図２（ｂ）に示すような傾斜状、例えば、０ｅＶから０.０５ｅＶ、０.１ｅＶ、０.１５ｅＶ、０.２ｅＶ、０.２５ｅＶ、０.３ｅＶのように階段状に変化するバリア層を持ったＭＱＢ構造のクラッド層を形成した場合、これに入射した電子ｅの反射率は図３（ｂ）に示すようになる。
【００３６】
クラッド層のエネルギーバンドギャップ（０．３ｅＶ）から数１０ｍｅＶ高エネルギー側の温度特性改善に重要な領域の反射率を比較した場合、図２（ｂ）に示す構造に対応する図３（ｂ）の反射率の方が、従来の図２（ｄ）に示すＳＴＥＰのみの構造に対応する図３（ｄ）の反射率よりも大きくなり、電子のオーバーフローが従来よりも効果的に抑制され、半導体レーザの温度特性が改善されることを示している。
【００３７】
【実施例２】
本発明の第２の実施例について図４を参照して以下に説明する。図４は、本実施例２に係る傾斜状（ＳＴＥＰ状）ＭＱＢのクラッド層を設けた半導体レーザのエネルギーバンドギャップを説明するための模式図である。これは、第１の実施例とほぼ同等の構造であり、実施例１との相違点は、本実施例２では、ｎ−クラッド層１１ａ及びｐ−クラッド層１１ｂにウェル層の深さが階段状に変化するＭＱＢ１２ａ，１２ｂを設けた構造としたことであり、クラッド層１１ａ，１１ｂに設けられたＭＱＢの構造を傾斜ＳＴＥＰ状とすることは実施例１と同様である。
【００３８】
即ち、多重量子バリア構造において量子井戸層（ウェル層）Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，...の深さがこの配列順に活性層方向に向かうにつれて階段状に深くなるように変化している。上記構成において、電子ｅはｎ電極からｎクラッド層１１ａを経由して活性層１３に流入し、ホール（正孔）ｈと再結合して光を放出する。
【００３９】
以下、本実施例２の動作・作用について説明する。発光素子の温度上昇により熱エネルギーを持った電子は活性層１３からｐ−クラッド層１１ｂへ溢れ出そうとする。しかし、ｐ−クラッド層１１ｂの実効的なエネルギーバンドギャップはＭＱＢの量子的な効果のため、実施例１の場合と同様に、キャリアが活性層からｐ−クラッド層へオーバーフローすることが抑制されることにより、半導体レーザの温度特性が改善される。
【００４０】
本実施例２において、例えば図２（ｃ）に示すような傾斜状のウェル層、即ち、深さが、例えば、０ｅＶから０.０５ｅＶ、０.１ｅＶ、０.１５ｅＶ、０.２ｅＶ、０.２５ｅＶ、０.３ｅＶのように階段状に変化するウェル層を持ったＭＱＢ構造のクラッド層モデルを考えた場合、クラッド層に入射した電子ｅの反射率は図３（ｃ）のようになる。
【００４１】
クラッド層のエネルギーバンドギャップ（０．３ｅＶ）から数１０ｍｅＶ高エネルギー側の温度特性改善に重要な領域の反射率は、図２（ｃ）に示す構造に対応する図３（ｃ）の反射率の方が、図２（ｂ）に示す実施例１のモデルの場合の図３（ｂ）に示す反射率よりも大きくなり、キャリアのオーバーフローがより良く抑制され、半導体レーザの温度特性がさらに改善されることが分かる。
【００４２】
【実施例３】
本発明の第３の実施例について図５を参照して以下に説明する。図５は、本実施例３に係る傾斜状（ＳＴＥＰ状）のＭＱＢを設けた半導体レーザのエネルギーバンドギャップを説明するための模式図である。これは、第１の実施例とほぼ同等の構造であり、実施例１との相違点は、本実施例３では、ｎ−クラッド層１１ａとｐ−クラッド層１１ｂに構造の異なる非対称な階段状ＭＱＢ１２ａ，１２ｂを設けたことである。ここで構造の異なるＭＱＢとは、組成やバリア障壁がｎ−クラッド層１１ａとｐ−クラッド層１１ｂで互いに異なる構造のことを意味する。
【００４３】
本実施例３では、図５に示すように、例えば、ｎ−クラッド層１１ａに３つのバリア層Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３を備え、ｐ−クラッド層１１ｂには７つのバリア層Ｂ１’〜Ｂ７’を備えたＭＱＢ構造としている。
【００４４】
本実施例３の構成では、ｐ−クラッド層１１ｂの屈折率の変化をｎ−クラッド層１１ａよりも緩やかにすることにより、図５の点線で示すように、光の分布はｐ−クラッド層１１ｂ側に偏る。分布帰還型（ＤＦＢ）レーザではｐ−クラッド層側またはｎ−クラッド層側に回折格子を設けて光の増幅を行うため、本実施例のように光の分布を適宜調整することを可能としたことにより、発光効率の向上に有効な手段となる。
【００４５】
なお、本実施例３で説明したｎ−クラッド層とｐ−クラッド層に構造の異なる非対称な階段状ＭＱＢを構成する特徴は、図４に示す実施例２のウェル層の深さが階段状に変化するＭＱＢ構造の場合にも適用可能である。
【００４６】
【実施例４】
本発明の第４の実施例について図６（ａ），（ｂ）を参照して説明する。図６（ａ）は、本実施例４に係るＭＱＢのエネルギーバンドギャップの模式図を示し、図６（ｂ）は比較例として図１０に示すようなＳＴＥＰがノンドープの場合の従来構成のエネルギーバンドギャップの模式図である。
【００４７】
図６（ａ）に示すように、本実施例４ではバリア層のみにドーピングしたＭＱＢ、即ち、ｐ−クラッド層１１ｂに設けたＭＱＢ１２ｂのバリア層Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，… のみにドーパントとして亜鉛（Ｚｎ）を用いてドーピングを行ったものであり、ＭＱＢ１２ｂのウェル層（量子井戸層）はドーピングされていない（ノンドープｉで図示した）構造となっている。
【００４８】
本実施例４によれば、ＭＱＢのバリア層のみにドーピングを行い、ドーピングされないウェル層を亜鉛（Ｚｎ）溜まりとして利用している。これにより、図６（ｂ）に示すようなＳＴＥＰがノンドープの場合の従来構成と比較して、亜鉛（Ｚｎ）の活性層１３への拡散を効果的に抑制することができる。よって、従来の亜鉛（Ｚｎ）では行えなかった活性層近傍へのドーピングが可能となり、素子抵抗が低減されることにより温度特性が改善される。
【００４９】
なお、本実施例４によれば、図６（ａ）に示す例では、クラッド層に形成した多重量子バリア（ＭＱＢ）に行った部分的ドーピング(p)は、バリア層のみの場合を示しているが、部分的ドーピングがウェル層のみ、一部のバリア層のみ、または一部のウェル層のみの変調ドーピングであっても同等の効果が得られる。
【００５０】
【実施例５】
本発明の第５の実施例について図７を参照して説明する。図７は、本実施例５に係る傾斜状ＭＱＷのエネルギーバンドギャップの模式図を示す。これは、活性層１３の多重量子井戸（ＭＱＷ）構造において、発光に寄与する量子準位が全ウェルで同一となるようにウェル層の幅と組成を最適化したものであり、クラッド層近傍のウェル層を深くしてエネルギーバンドギャップを小さくした構造を有する。
【００５１】
即ち、図７に示す例では、量子井戸層（ウェル層）が５組の場合のＭＱＷのモデルであり、中央部のウェル層Ｗ０の幅が最も大きく、外側方向にＷ１，Ｗ２の順に幅は小さくなり、活性層１３を外側から挟みこむクラッド層１１ａ，１１ｂに近い量子井戸層のエネルギーほど小さくなっている。また、活性層１３に閉じ込められる電子のエネルギー、即ち、量子準位が全ウェルで同一となるように、各量子井戸層の膜厚は最適化されている。このように本実施例では、エネルギーバンドギャップが小さい量子井戸層ほど、膜厚は薄くなっている。
【００５２】
本実施例によれば、活性層１３の量子井戸層（ウェル層Ｗ２，Ｗ１，Ｗ０）をクラッド層近傍のウェル層ほどエネルギーバンドギャップを小さくした構造とし、且つウェル層の膜厚を薄くすることで、キャリアの閉じ込め効果によって量子準位を大きくして、発光に寄与する量子準位が活性層全体で同一になる構成としたことにより、キャリアが活性層からクラッド層へオーバーフローすることを抑制し、半導体レーザの温度特性が改善される。
【００５３】
なお、本実施例５で説明したウェル層の幅と組成を最適化した活性層のＭＱＷ構造は、前述の実施例１〜４の活性層として、適宜組合せ適用できることは言うまでもない。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、クラッド層のＳＴＥＰ構造にＭＱＢを導入し、ＭＱＷの活性層からキャリアが流失することを抑制でき、かつ、導波モードのカットオフを防止するとともに、素子抵抗を低減し、半導体レーザの温度特性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例に係るＭＱＢのエネルギーバンドギャップを説明するための模式図
【図２】 活性層からクラッド層へ流失する伝導帯の電子に対するバリアのエネルギー障壁を比較するための計算モデルを示す図
【図３】 図２に示す構成において、各エネルギー障壁に入射した電子の反射率を示すグラフ図
【図４】 本発明の第２実施例に係るＭＱＢのエネルギーバンドギャップを説明するための模式図
【図５】 本発明の第３実施例に係るＭＱＢのエネルギーバンドギャップを説明するための模式図
【図６】 （ａ）は第４実施例に係るＭＱＢのエネルギーバンドギャップの模式図、（ｂ）はＳＴＥＰがノンドープの場合の従来構成のエネルギーバンドギャップの模式図
【図７】 本発明の第５実施例に係る傾斜状ＭＱＷのエネルギーバンドギャップの模式図
【図８】 従来の半導体レーザ要部の基本構造の一例を示す概略斜視図
【図９】 従来の半導体レーザのエネルギーバンドギャップを説明するための模式図
【図１０】 従来のＳＴＥＰ構造のクラッド層を持った半導体レーザのエネルギーバンドギャップを示す模式図
【図１１】 ＭＱＢ構造をクラッド層に採用した半導体レーザのエネルギーバンドギャップの模式図
【符号の説明】
１１ａ，１１ｂ クラッド層
１２ａ，１２ｂ 傾斜状ＭＱＢ
１３ ＭＱＷ活性層
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３ バリア層
Ｗ０，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４ ウェル層
ｐ ｐ型ドープ部
ｉ ノンドープ部
Claims (4)
- 光を発生する活性層と、上記活性層を挟みこんで光を閉じ込める一対のクラッド層を備え、上記活性層は、バリア層と量子井戸層とが交互に複数個配列した多重量子井戸構造を有する半導体発光素子であって、
上記各クラッド層は、バリア層とウェル層とが交互に複数個配列した多重量子バリア構造を有し、上記各クラッド層の多重量子バリア構造において、各ウェル層のエネルギーバンドギャップが上記活性層の方向に向かう配列順に階段状に変化することを特徴とする半導体発光素子。 - 前記活性層を挟む前記一対のクラッド層は、互いに異なる組成または非対称な構造の多重量子バリアを有する請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記クラッド層は、部分的なドーピングが行われた多重量子バリアを備え、上記部分的なドーピングは、バリア層のみ、ウェル層のみ、一部のバリア層のみ、または一部のウェル層のみの変調ドーピングである請求項１または２に記載の半導体発光素子。
- 前記活性層の多重量子井戸構造において、発光に寄与する量子準位が全量子井戸層で同一となるように各量子井戸層の幅と組成を最適化し、前記クラッド層近傍の量子井戸層のエネルギーバンドギャップが前記活性層中央部の量子井戸層のエネルギーバンドギャップより小さくした請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
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