JP2002289974A

JP2002289974A - 半導体レーザ素子

Info

Publication number: JP2002289974A
Application number: JP2001092096A
Authority: JP
Inventors: Masataka Koyama; 正孝小山
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 2001-03-28
Filing date: 2001-03-28
Publication date: 2002-10-04

Abstract

(57)【要約】【課題】純粋な青色を含む領域での発光を長寿命で行
えて、安価に製造できる半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】半導体基板１上に、ｎ型クラッド層４、
ｎ型ガイド層５、活性層６、ｐ型ガイド層７及びｐ型ク
ラッド層８が順次積層されている半導体レーザ素子１０
において、前記半導体基板１をＧａＡｓより構成し、前
記ｎ型クラッド層４及び前記ｐ型クラッド層８をＺｎ
_0.62Ｂｅ_0.38Ｓｅ_0.5Ｔｅ_0.5より構成し、前記ｎ型ガイ
ド層５及び前記ｐ型ガイド層７をＺｎ_0.72Ｂｅ_0.28Ｓｅ
_0.64Ｔｅ_0.36より構成し、前記活性層６をＺｎ_0.77Ｂｅ
_0.23Ｓｅ_0.7Ｔｅ_0.3より構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ素子
に係わり、特に、青色を含む短波長の発光に好適な半導
体レーザ素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒ
ｓａｔｉｌｅＤｉｓｋ）に見られるように、光ディス
クにおける記録密度の向上は著しいが、なお一層の記録
密度の向上が求められており、それを実現するために、
短波長で発光可能な半導体レーザ素子に対する要求が高
まってきており、その実現のために研究が種々活発に行
われている。

【０００３】これらの中で、４００ｎｍ付近の波長を有
する近紫外光の半導体レーザ素子としては、大きく分け
て、例えば、特開２０００−２３６１４２号公報に開示
されているＩＩＩ−Ｖ族のＧａＮ系の半導体レーザ素子
と、例えば特開２０００−１７４３９６号公報に開示さ
れているＩＩ−ＶＩ族のＺｎＳｅ系の半導体レーザ素子
が知られている。

【０００４】ＧａＮ系半導体レーザ素子は、その特徴と
して、（１）長寿命であり、（２）高温に強く、（３）
４１０ｎｍ〜３９０ｎｍの波長の室温での連続発振が可
能であり、（４）医療、印刷分野で実用化されているこ
とが挙げられる。

【０００５】一方、ＺｎＳｅ系の半導体レーザ素子は、
その特徴として、（１）４８０ｎｍ〜５５０ｎｍの室温
連続発振（４８０時間）が可能であり、（２）低温で素
子の製作が可能であり、（３）広範に用いられているＧ
ａＡｓ系の半導体レーザ素子における結晶と特性が類似
しているので、これまでの技術蓄積を適用することがで
きることが挙げられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ＧａＮ系の
半導体レーザ素子においては、（１）４３０ｎｍ以上の
長波長での発光効率が悪く、従って、純粋な青色（波長
４６０ｎｍ）発光が実現困難であり、（２）略同じレベ
ルの発振スペクトルが複数存在するので光ディスクへの
適用が困難であり、（３）長寿命化のために、サファイ
ア基板上にＳｉＯ ₂をマスクとしてＧａＮの横方向成長
膜（ＥＬＯＧ：ＥｐｉｔａｘｉａｌＬａｔｅｒａｌ
ＯｖｅｒＧｒｏｗｔｈ）を付け、基板からの欠陥を低
減しているが、基板表面全面での欠陥の低減ができず、
ＳｉＯ₂のパターンに依存して、欠陥の粗密ができるた
め、素子製作の歩留まりが悪く、生産性に欠けている、
という課題があった。

【０００７】また、ＺｎＳｅ系の半導体レーザ素子にお
いては、（１）４７０ｎｍ以下の短波長を発光する構造
とすることが困難であり、従って、純粋な青色（波長４
６０ｎｍ）発光が実現困難であり、（２）４８０時間で
は、寿命としては不十分であるという課題があった。

【０００８】そこで、本発明は上記課題を解決し、純粋
な青色を含む領域での発光を長寿命で行えて、安価に製
造できる半導体レーザ素子を提供することを目的とする
ものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の手段として、本発明の半導体レーザ素子は、半導体基
板上に、ｎ型クラッド層、ｎ型ガイド層、活性層、ｐ型
ガイド層及びｐ型クラッド層が順次積層されている半導
体レーザ素子において、前記半導体基板をＧａＡｓより
構成し、前記ｎ型クラッド層及び前記ｐ型クラッド層を
Ｚｎ_0.62Ｂｅ_0. ₃₈Ｓｅ_0.5Ｔｅ_0.5より構成し、前記ｎ型
ガイド層及び前記ｐ型ガイド層をＺｎ_0. ₇₂Ｂｅ_0.28Ｓｅ
_0.64Ｔｅ_0.36より構成し、前記活性層をＺｎ_0.77Ｂｅ
_0.23Ｓｅ_0. ₇Ｔｅ_0.3より構成したことを特徴とする半導
体レーザ素子である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につ
き、好ましい実施例により、図面を参照して説明する。
まず、はじめに、本発明がなされるに至った考察につい
て説明する。半導体レーザ素子において、純粋な青色
（波長４６０ｎｍ）を発光するには、レーザ発光する活
性層をバンドギャップが２．７ｅＶである材料より構成
し、室温連続発振をさせるためには、活性層の両サイド
に設けるクラッド層を、バンドギャップが３．０ｅＶ以
上であり、活性層より屈折率の小さい材料より構成する
必要がある。

【００１１】一方、製造コストを考慮すると、結晶欠陥
の少ない良質な結晶を安価に得られるＧａＡｓを基板と
することが望ましい。ＧａＡｓ基板上に積層するには、
ワイドギャップを有するＩＩ−ＶＩ族化合物半導体であ
る必要があり、長寿命を達成するには、ＩＩ−ＶＩ族化
合物半導体のイオン結合性を弱め、共有結合性を高め
て、強い結晶にし、組成によりバンドギャップを制御で
きるＺｎＳｅのような閃亜鉛鉱型の結晶が望ましい。Ｉ
Ｉ−ＶＩ族化合物の場合においても、ワイドバンドギャ
ップを実現するｐ型ドーピング（以下単に、ｐドーピン
グともいう）を可能とする必要がある。

【００１２】Ｌ．Ｐａｕｌｉｎｇの化学結合論によれ
ば、イオン性と共有結合性を分けるイオン半径は０．８
オングストロームくらいであり、これより小さいと共有
結合となり、これより大きいとイオン結合をとる。ＩＩ
族の元素では、Ｍｇが０．７８オングストロームであ
り、Ｂｅが０．３４オングストロームであり、他は全て
０．８オングストロームより大きい。したがって、ＩＩ
−ＶＩ族の化合物半導体にＢｅを混晶させることによっ
て、共有結合性を付与し、結晶を強くできる。

【００１３】また、半導体は一般に、イオン半径が小さ
いほど、電気陰性度が弱いほど、バンドギャップが広く
なり、格子定数が小さくなる。ＧａＡｓに格子整合する
には、ＧａＡｓの格子定数である５．６５オングストロ
ームより大きい格子定数を有する化合物と小さい格子定
数を有する化合物とを混晶させる必要がある。

【００１４】図１は、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の格子
定数と禁制帯幅との関係を示すグラフ図である。図１に
おいて、横軸は格子定数を、縦軸はバンドギャップ幅を
それぞれ示す。図１に示すように、ＧａＡｓより小さい
格子定数を有する化合物としては、ＢｅＳｅ，ＺｎＳ、
ＭｇＳ、ＢｅＴｅがある。一方、ＧａＡｓより大きい格
子定数を有する化合物として、ＺｎＳｅ，ＣｄＳ、Ｍｇ
Ｓｅ、ＣｄＳｅ，ＺｎＴｅ，ＭｇＴｅ、ＣｄＴｅがあ
る。

【００１５】この中で、バンドギャップが３．０ｅＶ以
上にすることができて、更にｐドーピングできる化合物
としては、ＧａＡｓよりも格子定数の小さいものでは、
ＢｅＳｅ、ＢｅＴｅである。なお、ＭｇＳ及びＺｎＳは
ｎ型しかできておらず、ｐ型を得るのは困難であること
が知られている。

【００１６】ＢｅＳｅ、ＢｅＴｅとの混晶対象は、Ｇａ
Ａｓより格子定数の大きいＺｎＳｅ、ＭｇＳｅ、ＣｄＳ
ｅ、ＺｎＴｅ，ＭｇＴｅ，ＣｄＴｅであるが、混晶の化
合物が、できるだけ大きなバンドギャップを有するよう
にするには、ＺｎＳｅ、ＭｇＳｅ，ＺｎＴｅ，ＭｇＴｅ
を用いる。なお、Ｓを含むものは、すべて、ｐドーピン
グができないことが、例えば、例えば、Ｍａｔｅｒ．Ｓ
ｃｉ．Ｆｏｒｕｍｖｏｌ．１８２−１８４（１９９
５）ｐ．２５に開示されている。

【００１７】以上より、上記の組み合わせより可能な４
元化合物半導体において、防錆性を考慮するとＺｎ含有
が不可欠である。したがって、本発明の半導体レーザ素
子は、ＧａＡｓに格子整合し、クラッド層としたとき、
バンドギャップを３．０ｅＶ以上にでき、ｐドーピング
が可能であるものとして、ＺｎＢｅＳｅＴｅ系の化合物
より構成されている。

【００１８】＜実施例＞図２は本発明の半導体レーザ素
子の実施例を示す断面構成図である。半導体レーザ素子
１０においては、基板１上に、バッファ層３、ｎ型クラ
ッド層４、ｎ型ガイド層５、活性層６、ｐ型ガイド層
７、ｐ型クラッド層８、超格子層９、コンタクト層１１
が順次積層されている。また、積層方向と反対側の基板
１にはｎ型電極２が形成され、コンタクト層１１上には
ｐ型電極１２が形成されている。

【００１９】本発明の実施例である半導体レーザ素子１
０の形成方法を以下に説明する。ｎ型ＧａＡｓ（単にｎ
ＧａＡｓともいう）からなる基板１に所定の洗浄処理を
加えたのち、基板１を分子線エピタキシャル装置に入
れ、Ｉｎからなる基板ホルダーにセットし、分子線エピ
タキシャル装置を所定の雰囲気にする。

【００２０】まず、ＧａＡｓ基板１の表面を水素プラズ
マで処理し、自然酸化膜を取り除く。次に、基板１の温
度を３００℃〜４００℃に保持して、基板１上に、順次
以下に示す各層を積層する。はじめに、基板１上にＣｌ
を１０¹⁸〜１０¹⁹／ｃｍ³の濃度にドープしたＺｎ₀ _.963
Ｂｅ_0.037Ｓｅからなる厚さ２００ｎｍであるｎ型バッ
ファ層３を形成する。

【００２１】次に、このバッファ層３の上に、Ｃｌを１
０¹⁸〜１０¹⁹／ｃｍ³の濃度にドープしたＺｎ_0.62Ｂｅ
_0.38Ｓｅ_0.5Ｔｅ_0.5からなる厚さ２０００ｎｍであるｎ
型クラッド層４を形成する。次に、このｎ型クラッド層
４の上に、Ｃｌを１０¹⁸〜１０¹⁹／ｃｍ³の濃度にドー
プしたＺｎ_0.72Ｂｅ_0.28Ｓｅ_0.64Ｔｅ_0.36からなる厚さ
５０ｎｍであるｎ型ガイド層５を形成する。

【００２２】次に、このｎ型ガイド層５の上に、ノンド
ープのＺｎ_0.77Ｂｅ_0.23Ｓｅ_0.7Ｔｅ_0.3からなる厚さ１
０ｎｍである活性層６を形成する。活性層６が発光層と
なる。次に、この活性層６の上に、Ｎを略２×１０¹⁷／
ｃｍ³の濃度にドープしたＺｎ_0.72Ｂｅ_0.28Ｓｅ_0.64Ｔ
ｅ_0.36からなる厚さ５０ｎｍであるｐ型ガイド層７を形
成する。

【００２３】なお、ｎ型ガイド層５及びｐ型ガイド層７
は、活性層６より、屈折率が少し小さくなるように構成
されている。次に、このｐ型ガイド層７の上に、Ｎを略
２×１０¹⁷／ｃｍ³の濃度にドープしたＺｎ_0.62Ｂｅ
_0.38Ｓｅ_0.5Ｔｅ_0.5からなる厚さ２０００ｎｍであるｐ
型クラッド層８を形成する。

【００２４】次に、このｐ型クラッド層８上に、ＢｅＴ
ｅ／ＺｎＢｅＳｅの超格子層９を形成する。超格子層９
はｐ型クラッド層８と後述するコンタクト層１１との間
にバンドギャップの不連続が起こらないようにするため
に形成される。

【００２５】超格子層９は、複数の層より構成されてお
り、まず、ｐ型クラッド層８上に、２層構造の厚さ１．
７ｎｍのＺｎＢｅＳｅ層と厚さ０．３ｎｍのＢｅＴｅ層
が形成され、同様の２層構造を更に２層積層し、以後、
２層構造の０．１ｎｍづつ薄くしたＺｎＢｅＳｅ層と
０．１ｎｍづつ厚くしたＢｅＴｅ層を、それぞれの厚さ
が１ｎｍになるまで積層する。超格子層９の一番上の２
層構造は、厚さ１ｎｍのＺｎＢｅＳｅ層と厚さ１ｎｍの
ＢｅＴｅ層から構成される。

【００２６】次に、この超格子層９の上に、厚さ２００
ｎｍのＢｅＴｅからなるコンタクト層１１を形成する。
次に、コンタクト層１１上に、厚さ１００ｎｍのＰｄＡ
ｕを形成し、基板１を分子線エピタキシャル装置より取
り出し、ＰｄＡｕに所定のフォトリソグラフをもちい
て、幅５μｍ〜１０μｍ、長さ５００μｍ程度のストラ
イプ形状のｐ型電極１２を形成し、これを熱処理して、
オーミック接触を形成する。

【００２７】ここで、基板１を分子線エピタキシャル装
置から取りして、基板１の下側に、Ｉｎからなるｎ型電
極２を形成する。次に、ｐ型電極１２の長手方向に垂直
な方向に劈開して所定形状にし、この劈開された側面に
ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂からなる多層反射膜を形成して、実施
例の半導体レーザ素子１０を得る。

【００２８】得られた半導体レーザ素子１０のバンドダ
イヤグラムを図３に示す。図３は本発明の半導体レーザ
素子の実施例におけるバンドダイアグラムを示すグラフ
図である。ここで、図３の（ａ）は無電界の場合の、図
３の（ｂ）は所定の電圧を印加した場合のバンド構造を
示す。横軸は半導体レーザ素子１０の積層の方向を、縦
軸は電子エネルギーをそれぞれ示す。

【００２９】図３の（ｂ）に示すように、コンタクト層
１１にオーミック接触するｐ型電極１２とｎ型ＧａＡｓ
の基板１にオーミック接触するｎ型電極２との間に、電
圧をかけると、ｐ型電極１２からは、正孔が供給され、
ｎ型ＧａＡｓの基板１からは、電子が供給される。互い
に発光層である活性層６に向かって、移動する。

【００３０】ｎ型クラッド層４及びｐ型クラッド層８の
バンドギャップは広く、３．０ｅＶ〜３．４ｅＶに設定
できているので、キャリアはバンドギャップ差を熱励起
で越えたもののみが、それぞれ反対の電極に到達し電流
として観測されるが、多くは活性層６に閉じ込められ発
光に寄与し、また屈折率もｎ型クラッド層４及びｐ型ク
ラッド層８の方が活性層６より小さいため、発光した光
は閉じ込められる。ここで活性層６のバンドギャップ
は、上述の化合物では２．７ｅＶ〜３．１ｅＶに設定で
きる。これは純青色の波長４６０ｎｍから紫色の波長４
００ｎｍに対応する。

【００３１】次に、本実施例の半導体レーザ素子に通電
して、発振させたところ、発振波長４４７．２ｎｍの鋭
い青色レーザ光が得られた。寿命も従来のものより長か
った。

【００３２】本発明の半導体レーザ素子においては、Ｚ
ｎＢｅＳｅＴｅの混晶を活性層とクラッド層として用い
ることによって、全層を基板であるＧａＡｓに格子整合
した層で形成することができて、純粋な青色から更に短
波長の発光を行う半導体レーザ素子を安定に安価に作る
ことができる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体レ
ーザ素子は、半導体基板をＧａＡｓより構成し、ｎ型ク
ラッド層及びｐ型クラッド層をＺｎ_0.62Ｂｅ_0.38Ｓｅ
_0.5Ｔｅ₀ _.5より構成し、ｎ型ガイド層及びｐ型ガイド層
をＺｎ_0.72Ｂｅ_0.28Ｓｅ_0.64Ｔｅ _0.36より構成し、活性
層をＺｎ_0.77Ｂｅ_0.23Ｓｅ_0.7Ｔｅ_0.3より構成したこと
により、純粋な青色を含む領域での発光を長寿命で行え
て、安価に製造できる半導体レーザ素子を提供すること
ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の格子定数と禁制帯
幅との関係を示すグラフ図である。

【図２】本発明の半導体レーザ素子の実施例を示す断面
構成図である。

【図３】本発明の半導体レーザ素子の実施例におけるバ
ンドダイアグラムを示すグラフ図である。

【符号の説明】

１…基板、２…ｎ型電極、３…バッファー層、４…ｎ型
クラッド層、５…ｎ型ガイド層、６…活性層、７…ｐ型
ガイド層、８…ｐ型クラッド層、９…超格子層、１０…
半導体レーザ素子、１１…コンタクト層、１２…ｐ型電
極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に、ｎ型クラッド層、ｎ型ガ
イド層、活性層、ｐ型ガイド層及びｐ型クラッド層が順
次積層されている半導体レーザ素子において、前記半導体基板をＧａＡｓより構成し、前記ｎ型クラッ
ド層及び前記ｐ型クラッド層をＺｎ_0.62Ｂｅ_0.38Ｓｅ
_0.5Ｔｅ_0.5より構成し、前記ｎ型ガイド層及び前記ｐ型
ガイド層をＺｎ_0.72Ｂｅ_0.28Ｓｅ_0.64Ｔｅ_0.36より構成
し、前記活性層をＺｎ_0.77Ｂｅ_0.23Ｓｅ_0.7Ｔｅ_0.3より
構成したことを特徴とする半導体レーザ素子。