DE69218683T2

DE69218683T2 - Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE69218683T2
Application number: DE1992618683
Authority: DE
Inventors: Katsuhiro Akimoto; Hiroyuki Okuyama
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1991-07-15
Filing date: 1992-07-13
Publication date: 1997-11-13
Anticipated expiration: 2012-07-14
Also published as: DE69218683D1; EP0523597A2; EP0523597B1; EP0523597A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleiterlaser im allgemeinen und insbesondere einen Halbleiterlaser mit einem GaAs-Substrat oder einem InP-Substrat, welcher einen Laserstrahl mit einer kurzen Wellenlänge, wie einen blauen Laserstrahl, einen purpurroten Laserstrahl oder einen ultravioletten Laserstrahl emittieren kann.
Die Forderung nach Halbleiterlasern, die einen Laserstrahl mit einer kurzen Wellenlänge in einem Bereich von einem blauen Laserstrahl bis zu einem ultravioletten Laserstrahl emittieren können, hat zugenommen, da die Forderung nach Aufzeichnung auf eine und/oder Wiedergabe von einer optischen Scheibe bei z.B. hoher Dichte und mit hoher Auflösung ebenfalls zugenommen hat.
Ferner hat die Forderung nach einem solchen Halbleiterlaser, der in der Lage ist einen Laserstrahl mit kurzer Wellenlänge zu emittieren, auch von einem industriellen Standpunkt aus mehr und mehr zugenommen, denn falls ein Halbleiterlaser für die Emission eines blauen Laserstrahls realisiert werden würde, könnten eine Vielzahl von Anzeigegeräten unter Verwendung eines Halbleiterlasers und ein Farbanzeigegerät unter Verwendung eines Halbleiterlasers mit drei Primärfarben realisiert werden.
Der Halbleiterlaser zum Emittieren eines blauen oder ultravioletten Laserstrahls muß aus einem Material mit einer großen Bandlücke Eg des direkten Übergangstyps hergestellt werden. Insbesondere muß in einem Halbleiterlaser mit doppeltem Heteroübergang dessen Überzugsschicht aus einem Material mit einer großen Bandlücke wie die einer aktiven Schicht gefertigt werden.
Bei den konventionellen optischen Bauelementmaterialien wird erwartet, daß Verbundhalbleiter der II-VI-Gruppe, insbesondere Verbundhalbleiter der IIb-VI-Gruppe (einschließlich gemischte Verbundhalbleiter der IIb-VI-Gruppe) mit einer Bandstruktur des direkten Übergangstyps vielversprechend sind.
Verbundhalbleiter der IIa-VI-Gruppe werden als passive optische Bauelemente, insbesondere passive Halbleiterlasermaterialien angesehen, da sie eine Bandstruktur des indirekten Übergangstyps aufweisen und ihre Eigenschaften nicht stabil sind.
Ferner ist es bevorzugt, daß ein Substrat, welches exzellente Kristalleigenschaften und eine zufriedenstellende Ausbeute aufweist und auf dem Markt kommerziell erhältlich ist, als ein Substrat verwendet wird, auf welchem eine aktive Schicht und die aktive Schicht schichtweise einschließende Überzugsschichten oder dergleichen epitaktisch zu einem Halbleiterlaser aufgewachsen werden.
Die FR-A-2 651 605 offenbart ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement, welches ein GaAs- oder InP-Substrat, eine aktive Schicht und ein Paar von die aktive Schicht schichtweise einschließenden Überzugsschichten aus Verbundhalbleitern der II-VI-Gruppe aufweist.
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Halbleiterlaser anzugeben, in welchem die vorerwähnten Nachteile und Unzulänglichkeiten des Standes der Technik eliminiert werden können.
Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Halbleiterlaser anzugeben, in welchem kommerziell erhältliche preiswerte GaAs- oder InP-Substrate als ein Substrat verwendet werden können.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Halbleiterlaser anzugeben, welcher einen Laserstrahl mit kurzer Wellenlänge erzeugen kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Halbleiterlaser anzugeben, welcher als Lichtquelle verwendet werden kann, mit der optische Aufzeichnung, magneto- optische Aufzeichnung mit hoher Dichte, optische Wiedergabe und magneto-optische Wiedergabe mit hoher Auflösung bewirkt werden kann.
Es ist eine eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Halbleiterlaser anzugeben, welcher den elektrischen Leistungsverbrauch reduzieren kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Halbleiterlaser anzugeben, welcher eine Farbanzeige mit hoher Leuchtkraft bilden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Halbleiterlaser anzugeben, welcher ein Farbbild wiedergeben kann.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1 einen Halbleiterlaser mit: einem GaAs-Substrat, einer unteren Überzugsschicht auf dem Substrat, einer aktiven Schicht auf der unteren Überzugsschicht, einer oberen Überzugsschicht auf der aktiven Schicht, wobei mindestens eine der unteren und oberen Überzugsschichten aus einem Verbundhalbleiter der II-VI-Gruppe gebildet ist, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß der Halbleiter dem MgxZnyCd1-x-yS-System oder dem MgSzSe1-z-System angehört, und wenn er dem MgSzSe1-z-System angehört, die aktive Schicht aus einem Gruppe-II-VI- Verbundhalbleiter des MgiCd1-iS-Systems gebildet ist.
Gemäß einer Ausführungsform dieses Halbleiterlasers gehört der Halbleiter dem MgxZnyCd1-x-yS-System an, wobei x und y, welche Atomverhältnisse angeben, auf 0 < x ≤ 0.90 und 0.50 ≥ y > 0 beschränkt sind. In einer weiteren Ausführungsform ist die aktive Schicht ebenso aus einem Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiter des MgxZnyCd1-x-yS-Systems gebildet, wobei x und y, welche Atomverhältnisse angeben, auf 0 < x ≤ 0.64 und 0.50 ≥ y > 0.11 beschränkt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform des vorstehenden Halbleiterlasers sind z und i, welche Atomverhältnisse angeben, auf 0.85 ≤ z ≤ 0.95 und 0.80 ≤ i ≤ 0.90 beschränkt.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung gemäß Anspruch 5 einen Halbleiterlaser mit: einem InP-Substrat, einer unteren Überzugsschicht auf dem Substrat, einer aktiven Schicht auf der unteren Überzugsschicht und einer oberen Überzugsschicht auf der aktiven Schicht, wobei mindestens eine der unteren und oberen Überzugsschichten aus einem Verbundhalbleiter der II-VI-Gruppe gebildet ist, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß der Halbleiter dem MgjZnkCd1-j-kSe-System oder dem MgSnSe1-n-System oder dem Mg&sub1;Cd1-lSmSe1-m-System angehört.
In einer Ausführungsform des Halbleiterlasers gemäß dem zweiten Aspekt gehört der Halbleiter dem MgjZnkCd1-j-kSe-System an, wobei j und k, welche Atomverhältnisse angeben, auf 0 < j ≤ 0.95 und 0.50 ≥ k ≥ 0.05 beschränkt sind. In dieser Ausführungsform kann die aktive Schicht ebenso aus MgjZnkCd1-j-kSe gebildet sein, wobei j und k, welche Atomverhältnisse angeben, auf 0 < j ≤ 0.69 und 0.50 ≥ k ≥ 0.18 beschränkt sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Halbleiterlasers des zweiten Aspekts ist die aktive Schicht aus einem Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiter des CdSSe-Systems oder des ZnCdSe-Systems und die Überzugsschichten sind aus MgjZnkCd1-j-kSe gebildet, wobei j und k, welche Atomverhältnisse angeben, auf 0.23 ≤ j ≤ 0.95 und 0.37 ≥ k ≥ 0.05 beschränkt sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform eines Halbleiterlasers des zweiten Aspekts ist mindestens eine der Überzugsschichten aus MglCd1-lSmSe1-m gebildet, wobei l und m, welche Atomverhältnisse angeben, auf 0 < 1 ≤ 1 und 0.88 ≥ m ≥ 0.03 beschränkt sind.
In einer weiteren Ausführungsform des Halbleiterlasers des zweiten Aspekts ist mindestens eine der unteren und oberen Überzugsschichten aus MgSnSe1-n gebildet und die aktive Schicht ist aus MgpZn1-pSe gebildet. In dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, daß n und p, welche Atomverhältnisse angeben, auf 0.03 ≤ n ≤ 0.13 und 0.85 ≤ p ≤ 0.95 beschränkt sind.
Der Halbleiterlaser gemäß beider Aspekte der vorliegenden Erfindung kann ferner eine Abdeckungsschicht aufweisen, welche nicht Mg enthält und auf der oberen Überzugsschicht schwierig zu oxidieren ist.
Ein besseres Verständnis anderer Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung kann aus einer Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung ihrer illustrativen Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen gewonnen werden.
Es zeigen:
Fig.1 eine seitliche Querschnittsansicht zur Erläuterung eines grundlegenden Aufbaus eines Halbleiterlasers gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig.2 eine seitliche Querschnittsansicht zur Erläuterung eines Halbleiterlasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig.3 eine graphische Darstellung von gemessenen Resultaten, die zur Erläuterung eines Zusammenhangs zwischen der Gitterkonstante a gegenüber der Energiebandlücke Eg verwendet werden.
Vor der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird nachfolgend ein fundamentales Prinzip der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Angesichts der folgenden Punkte, derzufolge ein regulärer tetrahedrischer kovalenter Bindungsradius des Gruppe-IIa-Mg groß ist, obwohl dessen atomare Zahl klein ist, eine Gitterkonstante des Gruppe-IIa-VI-Verbundhalbleiters enthaltend Mg relativ groß ist, d.h. daß der Gruppe-IIa-VI-Verbundhalbleiter enthaltend Mg einen Vorteil bei der Erzielung von Gitteranpassung an ein GaAs- oder ein InP-Substrat aufweist, die beide eine relativ große Gitterkonstante a haben, und der Gruppe-IIa-VI-Verbundhalbleiter enthaltend Mg eine relativ große Bandlücke Eg aufweist, können gemischte Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiter der IIa-VI-Gruppe und der IIb-VI-Gruppe enthaltend Mg einen Halbleiterlaser angeben, welcher zufriedenstellend an das GaAs-Substrat oder das InP-Substrat angepaßt werden kann, und welcher in seinen Charakteristiken wie in seinen Kristalleigenschaften außerordentlich stabil ist. Somit ist die Emissionscharakteristik dieses Halbleiterlasers stabil und dieser Halbleiterlaser kann einen Laserstrahl mit einer kurzen Wellenlänge emittieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie grundlegend dargestellt in Fig. 1, werden zumindest Überzugsschichten 2, 3 und eine aktive Schicht 4 epitaktisch auf einem GaAs-Substrat 1 aufgewachsen, um einen Halbleiterlaser zu bilden. Insbesondere werden die Überzugsschichten 2 und 3 aus dem gemischten Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiter des Gruppe-II-VI- Verbundhalbleiters enthaltend Mg, d.h. der Gruppe IIa-VI und der IIb-VI-Gruppe aus Mgx Zny Cd1-x-y S (x und y geben Atomverhältnisse an) gebildet.
Ferner sind in der vorstehend erwähnten Zusammensetzung x und y derart ausgewählt, um jeweils 0 < x ≤ 0.90 und 0.50 ≥ y > 0 zu erfüllen.
Alternativ werden in dem oben erwähnten fundamentalen Aufbau die Überzugsschichten 2, 3 und die aktive Schicht 4 jeweils aus einer Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiterschicht aus MgSzSe1-z und MgiCd1-iS gebildet (z und i geben Atomverhältnisse an).
In den obenerwähnten Zusammensetzungen werden z und i derart ausgewählt, um jeweils 0.85 ≤ z ≤ 0.95 und 0.80 ≤ i ≤ 0.90 zu erfüllen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zumindest die Überzugsschichten 2 und 3 und die aktive Schicht 4 epitaktisch auf dem InP-Substrat aufgewachsen, um somit den Halbleiterlaser zu bilden. Insbesondere werden die Überzugsschichten 2 und 3 aus einem Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiter enthaltend Mg gebildet.
Ferner werden in dem oben erwähnten fundamentalen Aufbau die Überzugsschichten 2 und 3 aus dem gemischten Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiter der IIa-VI-Gruppe und der IIb- VI-Gruppe aus MgjZnkCd1-j-kSe gebildet (j und k sind Atomverhältnisse).
In dieser Zusammensetzung werden j und k derart ausgewählt, um jeweils 0 < j ≤ 0.95 und 0.50 ≥ k ≥ 0.05 zu erfüllen.
Alternativ werden in dem oben erwähnten fundamentalen Aufbau die Überzugsschichten 2 und 3 aus dem gemischten Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiter der IIa-VI-Gruppe und der IIb- VI-Gruppe aus MglCd1-lSmSe1-m (l und m sind Atomverhältnisse) gebildet.
In dieser Zusammensetzung werden l und m derart ausgewählt, um jeweils 0 < 1 ≤ 1 und 0.88 ≥ m ≥ 0.03 zu erfüllen.
Ferner werden in dem oben erwähnten fundamentalen Aufbau die Überzugsschichten 2, 3 aus dem Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiter aus MgSnSe1-n gebildet und die aktive Schicht 4 wird aus dem Gruppe-II-VI-Verbundhalbleiter aus MgpZn1-pSe gebildet (n und p sind Atomverhältnisse).
In dieser Zusammensetzung werden n und p derart ausgewählt, um jeweils 0.03 ≤ n ≤ 0.13 und 0.85 ≤ p ≤ 0.95 zu erfüllen.
Gemäß der oben erwähnten Strukturen der vorliegenden Erfindung können die Überzugsschichten 2 und 3 als die Halbleiterschichten mit ausreichend hoher Energiebandlücke Eg aufbebaut werden und sie können zufriedenstellend an die Gitterkonstanten der Substrate (d.h. GaAs-Substrat: a = 5.653 Å (1Å = 10&supmin;¹&sup0; m) und InP-Substrat: 5.8694 Å) angepaßt werden.
Da somit gemäß der vorliegenden Erfindung die Bandlücken der Überzugsschichten 2 und 3 erhöht werden können, kann die aktive Schicht 4 aus einer Halbleiterschicht gebildet werden, deren Bandlücke klein ist verglichen mit der der Überzugsschichten und deren Energielückendifferenz ausreichend hoch bei 0.2eV bis 0.3eV oder mehr gehalten wird, so daß Ladungsträger oder Licht in der aktiven Schicht 4 durch die Überzugsschichten 2 und 3 eingeschlossen werden kann. Daher kann eine Vielzahl von Halbleiterlasern der lichtangeregten, elektronenstrahlinduzierten oder der Injektionsart konstruiert werden, welche einen Laserstrahl mit kurzer Wellenlänge erzeugen können.
Es wurde überprüft, daß gemäß der Struktur auf der Basis des gemischten Verbundhalbleiters der IIa-VI-Gruppe und der IIb-VI-Gruppe ein Halbleiterlaser erhalten werden kann, in welchem die Gitteranpassung mit dem GaAs-Substrat oder dem InP-Substrat zufriedenstellend implementiert werden kann und welcher stabile und exzellente Emissionscharakteristiken unbeachtlich der Hinzufügung von Mg zeigen kann.
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen zeigt eine fundamentale Struktur eines Halbleiterlasers gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie dargestellt in Fig. 1, werden nacheinander die erste Überzugsschicht 2, die aktive Schicht 4 und die zweite Überzugsschicht 3 epitaktisch auf dem Substrat 1 in dieser Reihenfolge aufgewachsen, beispielsweise durch ein Molekularstrahlepitaxie-(MBE)Verfahren oder ein metallorganisches Gasphasenabscheide-(MOCVD)-Verfahren, um somit einen Halbleiterlaser mit doppeltem Heteroübergang der lichtangeregten, elektronenstrahlinduzierten oder der Injektionsart zu bilden.
Insbesondere werden die erste Überzugsschicht 2 mit einer Dicke von etwa 0.1 µm, die aktive Schicht 4 mit einer Dicke von etwa 0.1 bis 0.2 µm und die zweite Überzugsschicht 3 mit einer Dicke von etwa 0.5 µm epitaktisch in dieser Reihenfolge auf dem Substrat 1 aufgewachsen. Die Überzugsschichten 2 und 3 und die aktive Schicht 4 werden jeweils aus n-Typ-Schichten gebildet, in welche beispielsweise Cl oder Ga dotiert wird. Die Länge eines durch die aktive Schicht gebildeten Resonators fällt beispielsweise in einen Bereich von 100 bis 200 µm. Eine in einer Richtung senkrecht zu der Zeichenebene der Fig.1 ausgedehnte Region A in dem zentralen, den Resonator bildenden Abschnitt wird von einem Elektronenstrahl e von der Seite der zweiten Überzugsschicht 3 bestrahlt. Eine Endfläche des Resonators, d.h. die lichtemittierende Endfläche wird beispielsweise durch eine Spaltfläche des Kristalls gebildet.
Gemäß der oben erwähnten Anordnung kann ein Halbleiterlaser des elektronenstrahlinduzierten Typs konstruiert werden, welcher bei Elektronenstrahlinduktion einen Laserstrahl mit einer Leistung von 10A/cm² emittiert.
Ferner kann der lichtinduzierte Halbleiterlaser konstruiert werden, indem die Halbleiterstruktur ähnlich wie der elektroneninduzierte Halbleiter durch Bestrahlung mit einem Laserstrahl einer Leistung von etwa 500 kW/cm² anstatt durch Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl angeregt wird.
Ferner wird ein Halbleiterlaser des p-n-Übergangs-Injektionstyps wie folgt konstruiert:
Eine erste Überzugsschicht 2 des n-Typs mit einer Dicke von etwa 0.1 µm, in welche beispielsweise Cl, Ga dotiert sind, eine aktive Schicht 4 mit einer Dicke von etwa 0.1 bis 0.2 µm und eine zweite Überzugsschicht 3 vom p-Typ mit einer Dicke von etwa 0.5 µm, in welche beispielsweise O, N dotiert sind, werden epitaktisch auf einem n-Typ-Substrat 1 in dieser Reihenfolge aufgewachsen. Dann wird durch eine Elektrode (nicht dargestellt), beispielsweise aus In, ein ohmscher Kontakt mit der gesamten rückseitigen Oberfläche des Substrats 1, zum Beispiel, hergestellt, und die andere Elektrode einer Streifenkonfiguration (nicht dargestellt) aus Au, zum Beispiel, stellt einen ohmschen Kontakt mit der zweiten Überzugsschicht 3 in der Region A, zum Beispiel, her.
Auch in diesem Fall wird die Länge des Resonators in einem Bereich von etwa 100 bis 200 µm gewählt und die jeweiligen Endflächen des Resonators, d.h. die lichtemittierende Endfläche können aus einer Spaltfläche des Kristalls gebildet werden.
Dann kann einer Laseroszillation entsprechend einer Rekombination von Ladungsträgern durch den Stromfluß infolge des Anlegens einer vorbestimmten Spannung, z.B. einer Spannung entsprechend etwa der Bandlücke der Überzugsschicht, über die beiden Elektroden bewirkt werden.

Beispiel 1

Bei den Halbleiterlasern der jeweiligen oben erwähnten Arten wird das Substrat 1 aus einem GaAs-Substrat gebildet und die ersten und zweiten Überzugsschichten 2, 3 und die aktive Schicht 4 werden aus Zusammensetzungen hergestellt, die durch die folgende chemische Formel (1) ausgedrückt werden:
MgxZnyCd1-x-yS ... (1)
Dann werden in diesen vier Elementen x und y derart ausgewählt, um die folgenden Gleichungen (1) und (2) zu erfüllen:
0 < x ≤ 0.90 ... (1)
0.50 ≥ y > 0 ... (2)
Gemäß der oben erwähnten Zusammensetzung sind die erste Überzugsschicht, die aktive Schicht 4 und die zweite Überzugsschicht 3 an das GaAs-Substrat 1 zufriedenstellend angepaßt.
Ferner wird in der oben erwähnten Zusammensetzung die Bandlücke Eg der aktiven Schicht 4 derart ausgewählt, daß sie kleiner ist als die Bandlücken Eg der ersten und zweiten Überzugsschichten 2 und 3 und eine Differenz ΔEg zwischen ihnen wird derart ausgewählt, daß sie größer als mindestens 0.2eV und vorzugsweise größer als 0.3eV ist. Somit, wenn die Energielücke Eg der aktiven Schicht 4 aus einem Bereich 3.0eV bis 3.9eV gewählt wird (in der Wellenlänge von etwa 4132 Å bis 3179 Å), werden die Bandlücken Eg der ersten und zweiten Überzugsschichten 2 und 3 zu 3.3eV bis 4.2eV gewählt, welches um 0.3eV konstant höher als die Bandlücke Eg der aktiven Schicht 4 ist. Damit die aktive Schicht 4 eine Bandlücke Eg wie 3.0eV ≤ Eg ≤ 3.9eV in der Zusammensetzung ausgedrückt durch die vorangegangene chemische Formel (1) aufweisen kann, müssen x und y, welche Atomverhältnisse angeben, wie durch die folgenden Gleichungen (3) und (4) in bezug auf die chemische Formel (1) gewählt werden. In diesem Fall werden x und y der ersten und zweiten Überzugsschichten 2 und 3 wie in den folgenden Gleichungen (5) und (6) in bezug auf die chemische Formel (1) gewählt werden:
0 < x ≤ 0.64 ... (3)
0.50 ≥ y ≥ 0.11 ... (4)
0.22 ≤ x ≤ 0.90 ... (5)
0.32 ≥ y > 0 ... (6)

Beispiel 2

In dem Beispiel 2 wird die aktive Schicht 4 aus ZnSSe oder ZnCdS gebildet, deren Bandlücke Eg annähernd gleich 2.8eV ist. Die Zusammensetzung der ersten und zweiten Überzugsschichten 2 und 3 wird derart gewählt, um Eg ≥ 3.1eV in der Zusammensetzung ausgedrückt durch die chemische Formel (1) und die Gleichungen (1) und (2) zu erfüllen.
In den ersten und zweiten Überzugsschichten 2 und 3 kann die Differenz ΔEg zwischen deren Bandlücken Eg und der Bandlücke Eg der aktiven Schicht 4 durch Erhöhen des Wertes x erhöht werden, wodurch als Resultat der optische Einschluß (Confinement) erhöht werden kann. Wenn jedoch der Wert von x zu stark erhöht wird, werden die Überzugsschichten 2 und 3 aktiviert, so daß sie dazu tendieren, von Verunreinigungen beeinträchtigt zu werden. Ferner sind die Emissionscharakteristiken des Lasers verschlechtert, fluktuierend und werden unstabil aufgrund der Verschlechterung der Krtistalleigenschaft, wenn dreidimensionales Wachstum auftritt. Aus diesem Grund wird der Wert von x vorzugsweise derart ausgewählt, daß er so klein wie möglich in dem Bereich der Gleichung (1) ist, um die Differenz Δ Eg zwischen den Bandlücken Eg der Überzugsschichten 2, 3 und der der aktiven Schicht 4 wie ΔEg ≥ 0.3eV zu erfüllen.

Beispiel 3

In einer breiten Vielzahl von Halbleiterlasern wie Halbleiterlasern vom lichtangeregten Typ, Halbleiterlasern vom elektronenstrahlinduzierten Typ oder Halbleiterlasern vom p-n- Übergangstyp werden die ersten und zweiten Überzugsschichten 2 und 3 aus MgSzSe1-z (0.85 ≤ z ≤ 0.95), z.B. MgS0.89Se0.11 (Eg = 4.4 eV) gebildet und die aktive Schicht 4 wird aus MgiCd1-iS (0.80 ≤ i ≤ 0.90), z.B. aus Mg0.86Cd0.14S (Eg = 4.2eV).

Beispiel 4

In einer Vielzahl von Halbleiterlasern wie Halbleiterlasern vom lichtangeregten Typ, Halbleiterlasern vom elektronenstrahlinduzierten Typ oder Halbleiterlasern vom p-n-Übergangstyp wird das Substrat 1 aus einem InP-Substrat gebildet und die ersten und zweiten Überzugsschichten 2, 3 und die aktive Schicht 4 werden mit einer Zusammensetzung aufgebaut, die durch die folgende chemische Formel (2) ausgedrückt wird, wobei j und k, welche Atomverhältnisse angeben, durch die folgenden Gleichungen (7) und (8) ausgewählt sind:
Mgjznkcdl 1 kse ... (2)
0(j%(0.95 (7)
0.50) k) 0.05 (8)
Gemäß der oben erwähnten Zusammensetzung können die jeweiligen Schichten 2 bis 4 an das InP-Substrat 1 zufriedenstellend angepaßt werden.
In der oben erwähnten Zusammensetzung wird die Bandlücke Eg der aktiven Schicht 4 derart ausgewählt, daß sie kleiner ist als die Bandlücken Eg der ersten und zweiten Überzugsschichten 2, 3 und die Differenz ΔEg zwischen ihnen wird derart ausgewählt, daß sie größer ist als mindestens 0.2eV und vorzugsweise größer als 0.3eV. Somit, wenn die Bandlücke der aktiven Schicht 4 zu 2.3eV bis 3.2eV (in der Wellenlänge von etwa 5390 bis 3874 Å) gewählt wird, dann werden die Bandlücken Eg der ersten und zweiten Überzugsschichten 2 und 3 zu 2.6eV und 3.5eV gewählt, welche um 0.3eV konstant höher sind als die Bandlücke der aktiven Schicht 4. Damit die aktive Schicht 4 in der durch die vorerwähnte chemische Formel (2) ausgedrückten Zusammensetzung eine durch 2.3eV ≤ Eg ≤ 3.2eV ausgedrückte Bandlücke aufweist, milssen die folgenden Gleichungen (9) und (10) in der oben erwähnten chemischen Formel (2) erfüllt werden. In diesem Fall müssen die Atomverhältnisse j, k der Überzugsschichten 2 und 3 die folgenden Gleichungen (11) und (12) in der oben erwähnten chemischen Formel (2) erfüllen:
0 < j ≤ 0.69 ... (9)
0.50 ≥ k ≥ 0.18 ... (10)
0.23 ≤ j ≤ 0.95 ... (11)
0.37 ≥ k ≥ 0.05 ... (12)

Beispiel 5

In dem Beispiel 5 wird die aktive Schicht 4 aus CdSqSe1-q oder ZnrCd1-rSe (q und r sind beides Atomverhältnisse und werden ausgedrückt durch 0.78 ≤ q ≤ 0.88 und 0.42 ≤ r ≤ 0.52). Die Bandlücken Eg des CdSqSe1-q und des ZnrCd1-rSe sind beide annähernd gleich 2.3eV. Die Überzugsschichten 2 und 3 können durch die Zusammensetzung gebildet werden, die durch die vorerwähnte chemische Formel (2) gebildet wird. In diesem Fall müssen die Atomverhältnisse j und k der Überzugsschichten 2 und 3 wie j ≥ 0.23 und k ≤ 0.37 gewählt werden, um Eg ≥ 2.6eV zu erfüllen.
In den ersten und zweiten Überzugsschichten 2 und 3 kann die Differenz Δ Eg zwischen deren Bandlücken Eg und der Bandlücke der aktiven Schicht 4 erhöht werden, indem der Wert j größer als 0.23 und der Wert k kleiner als 0.37 gewählt wird, wodurch als Resultat der optische Einschluß (Confinement) erhöht werden kann. Falls jedoch der Wert von j zu stark erhöht wird, d.h. die hinzugegebene Menge an Mg zu stark erhöht wird, werden die Überzugsschichten 2 und 3 aktiviert, so daß sie dazu tendieren, von den Verunreinigungen beeinträchtigt zu werden. Ferner sind die Emissionscharakteristiken des Lasers verschlechtert, fluktuierend und werden unstabil aufgrund der Verschlechterung der Kristalleigenschaft, wenn dreidimensionales Wachstum auftritt. Ferner werden von dem Standpunkt der Gitteranpassung an das InP-Substrat die Atomverhältnisse j und k der Überzugsschichten 2 und 3 derart gewählt, um 0.95 ≥ j ≥ 0.23 und 0.05 ≤ k ≤ 0.37 zu erfüllen.

Beispiel 6

In einer Vielzahl von Halbleiterlasern wie Halbleiterlasern vom lichtangeregten Typ, Halbleiterlasern vom elektronenstrahlinduzierten Typ oder Halbleiterlasern vom p-n-Übergangstyp werden die ersten und zweiten Überzugsschichten 2 und 3 und die aktive Schicht 4 derart aufgebaut, daß sie die durch die folgende chemische Formel (3) ausgedrückte Zusammensetzung aufweisen, wobei l und m, welche Atomverhältnisse ausdrücken, durch die folgenden Gleichungen (13) und (14) gewählt werden:
MglCd1-lSmSe1-m ... (3)
0 < l ≤ 1 ... (13)
0.88 ≥ m ≥ 0.03 ... (14)
Die jeweiligen Schichten 2 bis 4 mit diesen Zusammensetzungen können gut an das InP- Substrat angepaßt werden.
In den oben erwähnten Zusammensetzungen wird die Bandlücke Eg der aktiven Schicht 4 derart gewählt, daß sie kleiner ist als die Bandlücken Eg der ersten und zweiten Überzugsschichten 2, 3 und die Differenz Δ Eg zwischen ihnen wird derart gewählt, daß sie größer ist als mindestens 0.2eV und vorzugsweise größer als 0.3eV. Dann kann die Bandlücke zu 2.4eV bis 3.7eV in dem durch die Gleichung (13) ausgedrückten Bereich in bezug auf die chemische Formel (3) gewählt werden, so daß die Bandlücke der aktiven Schicht 4 zu 2.4eV gewählt wird (Eg = 2.4eV) und die Bandlücken der Überzugsschichten 2, 3 gewählt werden, um Eg ≥ 2.7eV zu erfüllen. Somit werden die Atomverhältnisse l und m der Überzugsschichten 2 und 3 derart ausgewählt, um l ≥ 0.20 und m ≤ 0.70 zu erfüllen.

Beispiel 7

In Halbleiterlasern wie Halbleiterlasern vom lichtangeregten Typ, Halbleiterlasern vom elektronenstrahlinduzierten Typ oder Halbleiterlasern vom p-n-Übergangstyp werden die ersten und zweiten Überzugsschichten 2, 3 aus MgSnSe1-n (0.03 ≤ n ≤ 0.13), z.B. MgS0.08Se0.92 (Eg = 3.8 eV) gebildet und die aktive Schicht 4 wird aus MgpZn1-pSe (0.85 ≤ p ≤ 0.95), z.B. aus Mg0.91Zn0.09Se (Eg = 3.8eV) gebildet.
In den Halbleiterlasern gemäß der oben erwähnten Beispiele 1 bis 7, da durch die Addition von Mg die aktive Schicht 4 optisch durch die Überzugsschichten 2 und 3 mit großen Bandlücken eingeschlossen wird und diese zufriedenstellend an das GaAs- oder das InP- Substrat 1 mit ihren großen Gitterkonstanten angepaßt werden können, kann die Bandlücke der aktiven Schicht 4 erhöht werden, wodurch es möglich wird, einen Laserstrahl mit einer kurzen Wellenlänge im Bereich grün, über purpurrot bis ultraviolett zu emittieren.
In der vorliegenden Erfindung wird beispielsweise Mg zu der Überzugsschicht hinzugefügt. In diesem Fall, falls das Risiko existiert, daß die Oberfläche der Überzugsschicht oxidiert wird, wenn die Mg enthaltende Überzugsschicht gegenüberliegend der Oberfläche des Halbleiterlasers unter hoher Feuchtigkeit und hoher Temperatur für eine lange Zeitperiode gehalten wird, wie dargestellt in Fig.2, wird eine Abdeckungsschicht 5, die kein Mg enthält und die schwierig zu oxidieren ist, epitaktisch auf der Überzugsschicht 3, d.h. der oberen (zweiten Überzugsschicht) Überzugsschicht aufgewachsen, nachdem die Überzugsschicht epitaktisch auf der aktiven Schicht 4 aufgewachsen wurde.
Die Abdeckungsschicht 5 wird beispielsweise aus ZnS oder ZnSe hergestellt, welches leicht als Abdeckungsschicht vom n-Typ hergestellt werden kann und welches schwierig zu oxidieren ist, falls die Überzugsschicht 3 unter der Abdeckungsschicht 5 die n-Typ- Schicht ist. Alternativ kann die Abdeckungsschicht 5 beispielsweise aus ZnTe gebildet werden, welches leicht als Abdeckungsschicht vom p-Typ hergestellt werden kann und welches schwierig zu oxidieren ist, falls die Überzugsschicht 3 die p-Typ-Schicht ist.
In Fig.2 sind die den in Fig. 1 entsprechenden Teile mit denselben Bezugszeichen markiert und müssen daher nicht im einzelnen beschrieben werden.
In den oben erwähnten Beispielen 1 bis 7 können die ersten und zweiten Überzugsschichten 2, 3 und die aktive Schicht 4 als Schichten mit exzellenten Kristalleigenschaften aufgewachsen werden, welche zufriedenstellend an das GaAs-Substrat oder das InP-Substrat 1 gitterangepaßt werden können. Eine in Fig.3 dargestellte Untersuchung des Verhältnisses zwischen den Gitterkonstanten a der Zweielementkompositionen und der Bandlücke Eg demonstriert, daß die Überzugsschichten 2, 3 und die aktive Schicht 4 an das GaAs- Substrat oder das InP-Substrat 1 zufriedenstellend angepaßt werden können. Die geraden Linien d&sub1;, d&sub2; und d&sub3; in Fig.3 zeigen jeweils die Positionen der Gitterkonstante von InP, GaAs und GaP.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, da der Halbleiterlaser, der in der Lage ist, einen Laserstrahl mit kurzer Wellenlänge zu emittieren, unter Verwendung von kommerziell erhältlichem preiswertem GaAs-Substrat oder InP-Substrat mit exzellenten Kristalleigenschaften aufgebaut werden kann, wird der Halbleiterlaser der vorliegenden Erfindung als Lichtquelle beispielsweise für optische Aufzeichnung, magneto-optische Aufzeichnung, optische Wiedergabe oder magneto-optische Wiedergabe verwendet und ermöglicht somit eine Aufzeichnung mit hoher Dichte und eine Wiedergabe mit hoher Auflösung. Ferner können mit dem Halbleiterlaser der vorliegenden Erfindung in der täglichen Praxis große Vorteile, wie die Reduktion des elektrischen Leistungsverbrauchs, Farbanzeigen mit hoher Leuchtkraft oder Farbbildwiedergabe erreicht werden.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die spezifischen Ausführungsbeispiele und vielfältige Änderungen und Modifikationen können durch den Fachmann vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, der durch die Ansprüche 1 und 5 definiert ist.

Claims

1. Halbleiterlaser, umfassend:

ein GaAs-Substrat (1),

eine untere Überzugsschicht (2) auf dem Substrat (1),

eine aktive Schicht (4) auf der unteren Überzugsschicht (2),

eine obere Überzugsschicht (3) auf der aktiven Schicht (4),

wobei mindestens eine der unteren und der oberen Überzugsschicht aus einem Halbleiter einer Gruppe II-VI-Verbindung gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter dem MgxZnyCd1-x-yS-System oder MgSzSe1-z-System angehört, und wenn er dem MgSzSe1-z-System angehört, die aktive Schicht aus einem Halbleiter einer Gruppe II-VI-Verbindung des MgiCd1-iS-Systems gebildet ist.

2. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, wobei der Halbleiter dem MgxZnyCd1-x-yS-System angehört, worin x und y, welche Atomverhältnisse angeben, auf 0 < x ≤ 0.90 und 0.50 ≥ y > 0 beschränkt sind.

3. Halbleiterlaser nach Anspruch 2, wobei die aktive Schicht (4) aus einem Halbleiter einer Gruppe II-VI-Verbindung des MgxZnyCd1-x-yS-Systems gebildet ist, worin x und y, welche Atomverhältnisse angeben, auf 0 < x ≤ 0.64 und 0.50 ≥ y > 0.11 beschränkt sind.

4. Halbleiterlaser nach Anspruch 1, worin z und i, welche Atomverhältnisse angeben, auf 0.85 ≤ z ≤ 0.95 und 0.80 ≤ i ≤ 0.90 beschränkt sind.

5. Halbleiterlaser, umfassend

ein InP-Substrat (1),

eine untere Überzugsschicht (2) auf dem Substrat (1),

eine aktive Schicht (4) auf der unteren Überzugsschicht (2), und

eine obere Überzugsschicht (3) auf der aktiven Schicht (4), wobei mindestens eine der unteren und oberen Überzugsschicht aus einem Halbleiter einer Gruppe II-VI-Verbindung gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter dem MgjZnkCd1-j-kSe-System oder MgSnSe1-n-System oder MglCd1-lSmSe1-m-System angehört.

6. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, wobei der Halbleiter dem MgjZnkCd1-j-kSe-System angehört, worin j und k, welche Atomverhältnisse angeben, auf 0 < j ≤ 0.95 und 0.50 ≥ k ≥ 0.05 beschränkt sind.

7. Halbleiterlaser nach Anspruch 6, wobei die aktive Schicht aus MgjZnkCd1-j-kSe gebildet ist, worin j und k, welche Atomverhältnisse angeben, auf 0 < j ≤ 0.69 und 0.50 ≥ k ≥ 0.18 beschränkt sind.

8. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, wobei die aktive Schicht aus einem Halbleiter einer Gruppe II-VI-Verbindung des CdSSe-Systems oder ZnCdSe-Systems gebildet ist, und die Überzugsschichten aus MgjZnkCd1-j-kSe gebildet sind, worin j und k, welche Atomverhältnisse angeben, auf 0.23 ≤ j ≤ 0.95 und 0.37 ≥ k ≥ 0.05 beschränkt sind.

9. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, wobei mindestens eine der Überzugsschichten aus MglCd1-lSmSe1-m gebildet ist, worin l und m, welche Atomverhältnisse angeben, auf 0 < l ≤ 1 und 0.88 ≥ m ≥ 0.03 beschränkt sind.

10. Halbleiterlaser nach Anspruch 5, wobei mindestens eine der unteren und oberen Überzugsschichten aus MgSnSe1-n gebildet ist, und wobei die aktive Schicht aus MgpZn1-pSe gebildet ist.

11. Halbleiterlaser nach Anspruch 10, wobei n und p, welche Atomverhältnisse angeben, auf 0.03 ≤ n ≤ 0.13 und 0.85 ≤ p ≤ 0.95 beschränkt sind.

12. Halbleiterlaser nach mindestens einem der Ansprüche 1-11, umfassend eine Abdeckungsschicht (5), welche kein Mg enthält, und die auf der oberen Überzugsschicht (3) schwierig zu oxidieren ist.