JP2004274089A - ミニバンドを有する半導体素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】 室温で連続動作し得る青色光レーザダイオードを提供する。
【解決手段】 第１および第２半導体の積層パターンを有する超格子領域１３内にミニバンド１８を形成することによって活性領域２へのキャリヤの移動が向上する半導体素子が提供される。パターン積層膜厚は代表的には２５ナより小さい。ミニバンド１８の最小エネルギー準位２１は、活性領域２と超格子領域１３との間のガイド領域３のエネルギー準位に等しいかまたはこれより大きい。
【選択図】 図６

Description

本発明は、ミニバンドを有する半導体素子に関する。このようなミニバンドは素子内での電荷の移動を向上させる。特に、ミニバンドは、緑色または青色領域で機能する半導体光源、変調器、および検出器の特性を向上させる。
半導体素子分野の研究者らは、青色−緑色光を発光する光源を提供する半導体発光素子の研究を続けている。ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体がこのような半導体発光素子におけるガイド領域およびクラッド領域の材料として優れた特性を有することが報告されている。
青色−緑色発光素子の初期の研究では、ＺｎＳｅおよびＺｎＳ0.07Ｓｅ0.93を、各々、ガイド領域およびクラッド領域の材料として用いることが報告された（「Blue-greeenlaser diodes」、M.A.Haaseら、Appl.Phys. Lett. 59、1272頁
）。閾値電流を下げレーザ発振波長を短くするためには、ＺｎＳ0.07Ｓｅ0.93ガイド層および、ＧａＡｓに格子整合したＺｎＭｇＳＳｅクラッド層が必要であるということが報告されている（"Room temperature continuous operation of blue-green laser diode"、N. Nakayamaら、Electron. Lett. 29、1488頁）。
しかし、上記の半導体素子においては、以下に示すような問題点があった。閾値電流を下げレーザ発振波長を短くするのに良い材料であると考えられたＺｎＭｇＳＳｅのバンドギャップエネルギーが増大すると共にアクセプタ濃度（Ｎａ−Ｎｄ）が急激に減少する。このため、閾値電流およびレーザ発振波長には限界が現れ始めている。室温での連続発振における、出願人が認識する最短レーザ発振波長は４８９ｎｍであり、閾値電流密度は１．５ＫＡ／ｃｍ2である（"Continuous-wave operation of 489.9nm blue laserdiode at room temperature"、N. N
akayamaら、Electron. Lett. 29、2164頁）。
アクセプタ濃度（Ｎａ−Ｎｄ）が急激に減少するのを避けるために、およびドーピング効率を向上させるために、変調ドーピング方法を用いることが提案されている（"Doping in a superlattice structure: improved hole activationin
wide-gap II-VI materials"、I. Suemune、J. Appl. Phys. 67、2364頁）。さらに、超格子構造を導入する別の方法もまた提案されている（"One-hour-long room temperature CW operation ofZnMgSSe-based blue-green laser diodes"、
A. Ishibashiら、7th annual meeting on the IEEE Lasers andElectro-Optics
Society (1994)）。
ＧａＡｓに格子整合するＺｎＭｇＳＳｅクラッド層を用いても、室温での連続発振の波長が４８０ｎｍより短い青色レーザダイオードを得るのは困難であると考えられる。
図１は、従来の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）レーザダイオード（ＬＤ）のエネルギー準位図を示す。活性領域２は単一量子井戸（ＳＱＷ）または多量子井戸（ＭＱＷ）構造であり得る。ガイド領域３およびドープされたクラッド領域４は、活性領域２に閉じ込められたキャリヤのための閉じ込めバリヤとして働く。ガイド領域３はクラッド領域より高い屈折率を有し、光波を誘導する働きをする。従来のＬＥＤではガイド領域は省略される。
レーザ発振波長を短くするためには、活性領域２のバンドギャップエネルギーを大きくすることが必要である。従って、領域３および４のバンドギャップエネルギーを大きくすることが必要であり、さもなくば、活性領域と領域３および４との間のバンド不連続性が低下し、この結果、キャリヤのオーバフローが増大し、これにより閾値電流が増大する。
４元素からなるＺｎＭｇＳＳｅは、閾値電流を下げまたレーザ発振波長を短くするための有望な材料であると考えられる。しかし、上述のように、ＺｎＭｇＳＳｅのバンドギャップエネルギーが増大すると共にアクセプタの濃度（Ｎａ−Ｎｄ）が急激に減少することが報告されている。つまり、伝導性が良くバンドギャップエネルギーが比較的大きいＺｎＭｇＳＳｅ膜を得ることは困難である。バンドギャップエネルギーが比較的大きいＺｎＭｇＳＳｅは、含有するＳおよびＭｇの量が比較的多い。この結果、この化学組成物がＭｇＳに近づくに従って、ＭｇＳの安定結晶構造は岩塩構造（rock salt）であるため、閃亜鉛鉱構造（zin zino blende)としての結晶品質が低下する結果となり得る。
アクセプタの濃度の急激な低下を補償し、またドーピング効率を向上させるために変調ドーピング方法を用いることがSuemune（上述）によって提案されている。しかし、この提案では、キャリヤの移動は、図２に示すように、ホッピング伝導として知られるメカニズムによって行われる。
変調ドーピングでは、ＺｎＳｅ／ＺｎＳＳｅ多量子井戸系の量子井戸１０の価電子帯内の自由（free）ホール濃度を増やすことが意図される。このようなＩＩ−ＶＩ族系では、アクセプタの活性化エネルギーＥａは非常に大きく、１１０〜１５０ｍｅＶの範囲である。この結果、熱により活性化された自由ホールの濃度は非常に小さい。ｐ型ＺｎＳｅにおける自由ホールの濃度は極めて重要である。何故なら、この材料の抵抗ｒは、ｑを電子荷、μをホール移動度（ほぼ３０ｃｍ2／Ｖｓに等しい）、ｐをホール濃度とすると、
Figure 2004274089
で与えられるからである。
従って、低抵抗度を実現しこれにより素子内のパワー分散を減らすためには、ホール濃度を増大させることが望ましい。Suemuneは、６０ナの周期を有するドープされた超格子では、自由ホール濃度を約４〜５倍高くすることが可能であると計算した。しかし、ホールは量子井戸１０に平行な方向では自由に移動する一方で、量子井戸に垂直な方向の移動では、ホールはホッピング伝導により量子井戸を横切らなければならないため、それほど良好ではない。残念ながら、ＬＥＤ、レーザ、検出器、および変調器などの多くの光電素子の機能において重要なのは、量子井戸に垂直な方向のホールの移動である。量子井戸は、図２に示すように、量子井戸内に緩和されたキャリヤ（ホール）に対してトラップとして作用し得るため、Suemuneの記載した変調ドーピングは、量子井戸に垂直な方向のホールの移動特性を劣化させ得るという可能性がある。図２において、量子井戸からのホールの熱による活性化は矢印１２によって表され、量子井戸へのホールの緩和は矢印１４によって表される。矢印の相対的な大きさは、各出来事の確率を概略的に示しており、矢印が大きいほど確率は高い。図２はまた、各井戸内の第１の閉じ込め量子状態のエネルギー準位６、ならびに井戸内のドーパント材料（アクセプタ）およびバリヤ材料の各々のエネルギー準位７および８を示す。
欧州特許出願第0334759号は、レーザ発光構造が半導体の伝導帯内のミニバンド間での内部サブバンド間移動を包含する、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系を有するユニポーラ半導体レーザを開示している。この素子では、電子は上サブバンドに注入され、バリヤ領域またはクラッド領域を通って上ミニバンドの一部である活性領域に横移動する。ミニバンドのバリヤ領域内のエネルギーが増大する結果として、活性領域内の電子密度が増大し、次に電子は下ミニバンドに放射移動し、これにより発光が行われる。キャリヤは、バリヤ領域および活性領域を通るコヒーレントなミニバンド移動を示す。この素子は、長波長の光を生成するためのものであり、短波長（緑色または青色）の光の生成用には適切ではない。
欧州特許出願第0614253号は、ＭＱＷレーザダイオード部と、レーザダイオード部に集積された多量子井戸構造を含む光変調部とを有する分布帰還型（ＤＦＢ）ＩｎＧａＡｓＰ型レーザ素子を開示している。光変調部の多量子井戸構造は、量子井戸の量子状態が互いに結合され複数のミニバンドを形成する結合多量子井戸構造である。しかし、このようなミニバンドは、レーザダイオード部の活性領域へのキャリヤの移動には関与しない。
国際特許第92/08250号および第94/00884号は、光検出器の活性領域の量子井戸がミニバンドを有する超格子バリヤ層によって分離されるＭＱＷ光検出器を開示している。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、室温で連続動作し得る青色光レーザダイオードを提供することにある。
本発明の半導体素子は、活性領域と、第１超格子領域と、該活性領域と該第１超格子領域との間に設けられるガイド領域とを有し、該第１超格子領域はバリヤ層によって互いに分離される複数の量子井戸を有する第１および第２半導体の積層パターンからなり、該パターンの積層膜厚は、該第１超格子領域内にミニバンドが形成されるように十分に薄くされる、半導体素子であって、該ミニバンドを通ってキャリヤが輸送され、そのことにより上記目的が達成される。
本発明の半導体素子は、活性領域と、第１超格子領域と、該活性領域と該第１超格子領域との間に設けられるガイド領域とを有し、該第１超格子領域はバリヤ層によって互いに分離される複数の量子井戸を有する第１および第２半導体の積層パターンからなり、該パターンの積層膜厚は、該第１超格子領域内にミニバンドが形成されるように十分に薄くされる、半導体素子であって、該ミニバンドの最小エネルギー準位は、該ガイド領域のエネルギー準位または最小エネルギー準位より大きいかまたはこれに等しく、そのことにより上記目的が達成される。
本発明の半導体素子は、第１バリヤ層によって互いに分離される複数の第１量子井戸を有する活性領域と、第１超格子領域とを備え、該第１超格子領域は第２バリヤ層によって互いに分離される複数の第２量子井戸を有する第１および第２半導体の積層パターンからなり、該パターン積層膜厚は、該第１超格子領域内にミニバンドが形成されるように十分に薄くされる、半導体素子であって、該ミニバンドの最小エネルギー準位は、該第１バリヤ層の準位より大きいかまたはこれに等しく、そのことにより上記目的が達成される。
ある実施の形態では、前記ミニバンドにキャリヤを注入するためのキャリヤ注入領域をさらに備え、該注入領域のエネルギー準位は、該ミニバンドのエネルギー準位と実質的に整合される。
他の実施の形態では、前記第１および第２半導体はＩＩ−ＶＩ族半導体である。
更に、他の実施の形態では、前記第１および第２半導体は、４元混晶の組み合わせよりなる。
更に、他の実施の形態では、前記第１半導体が、ＺｎＳxＳｅ1-x（０≦ｘ≦１）であり、前記第２半導体が、ＭｇＳyＳｅ1-y（０≦ｙ≦１）である。
更に、他の実施の形態では、前記第１半導体がＺｎＳｅで、前記第２半導体がＭｇＳである。
更に、他の実施の形態では、前記第１および第２半導体はＩＩＩ−Ｖ族半導体である。
更に、他の実施の形態では、前記第１および第２半導体は、４元混晶の組み合わせよりなる。
更に、他の実施の形態では、前記第１および第２半導体は、合金系（ＡｌＧａＩｎ）Ｎの組み合わせである。
更に、他の実施の形態では、前記第１および第２半導体は、合金系（ＡｌＧａＩｎ）Ｐの組み合わせである。
更に、他の実施の形態では、前記第１半導体はＡｌＮであり、前記第２半導体はＧａＮである。
更に、他の実施の形態では、前記第１および第２半導体の少なくとも一方がｎ型ドープされる。
更に、他の実施の形態では、前記第１および第２半導体の少なくとも一方がｐ型ドープされる。
更に、他の実施の形態では、前記第１および第２半導体は、基板に対して格子整合されないが、前記第１超格子領域中のトータルのひずみがゼロとなるように組み合わされる。
更に、他の実施の形態では、前記第１および第２半導体は基板に格子整合される。
更に、他の実施の形態では、前記基板はＧａＡｓである。
更に、他の実施の形態では、前記基板はＺｎＳｅである。
更に、他の実施の形態では、前記パターン積層膜厚は６分子層以下である。
更に、他の実施の形態では、前記第１および第２半導体および／または前記パターン積層膜厚は位置に応じて変動する。
更に、他の実施の形態では、第３および第４半導体の積層パターンを有する第２超格子領域をさらに備え、該パターン積層は、該第２領域内にミニバンドが形成されるように十分薄くされ、また、前記活性層は前記第１および第２超格子領域の間に挟まれる。
更に、他の実施の形態では、前記第３および第４半導体の相対厚および／またはパターン積層膜厚は位置に応じて変動する。
更に、他の実施の形態では、前記第１半導体は、前記第２半導体の厚さの実質的に２倍である。
更に、他の実施の形態では、請求項１から２４のいずれか１つに記載の半導体素子を備えたレーザである。
更に、他の実施の形態では、請求項１から２４のいずれか１つに記載の半導体素子を備えた変調器である。
本発明の第１の観点によれば、活性領域と、第１超格子領域と、該活性領域と該第１超格子領域との間に設けられるガイド領域とを有し、該第１超格子領域はバリヤ層によって互いに分離される複数の量子井戸を有する第１および第２半導体の積層パターンからなり、該パターンの積層膜厚は、該第１超格子領域内にミニバンドが形成されるように十分に薄くされる、半導体素子であって、該ミニバンドを通ってキャリヤが輸送される、半導体素子が提供される。
本発明の第２の観点によれば、活性領域と、第１超格子領域と、該活性領域と該第１超格子領域との間に設けられるガイド領域とを有し、該第１超格子領域はバリヤ層によって互いに分離される複数の量子井戸を有する第１および第２半導体の積層パターンを備え、該パターンの積層膜厚は、該第１超格子領域内にミニバンドが形成されるように十分に薄くされる、半導体素子であって、該ミニバンドの最小エネルギー準位は、該ガイド領域のエネルギー準位または最小エネルギー準位より大きいかまたはこれに等しい、半導体素子が提供される。
本発明の第３の観点によれば、（ａ）第１バリヤ層によって互いに分離される複数の第１量子井戸を有する活性領域と、（ｂ）第１超格子領域とを備え、該第１超格子領域は第２バリヤ層によって互いに分離される複数の第２量子井戸を有する第１および第２半導体の積層パターンを備え、該パターン積層膜厚は、該第１超格子領域内にミニバンドが形成されるように十分に薄くされる、半導体素子であって、該ミニバンドの最小エネルギー準位は、該第１バリヤ層の準位より大きいかまたはこれに等しい、半導体素子が提供される。
本明細書で使用される「ミニバンド」という用語は、電荷キャリヤ、好ましくはホールを容易に移動させ得る状態のバンドであるミニバンドを意味する。
第１超格子領域内に一連の量子井戸を狭い間隔で形成することにより、各井戸より外側に延びる量子波動関数が隣接する井戸の波動関数と重複する。重複する波動関数はミニバンドを形成し、これにより、量子井戸に垂直な方向へのキャリヤの移動が向上する。第１および第２半導体を連続して交互に並べることにより超格子を形成する。
キャリヤをミニバンドに注入することによってのみ、第１超格子領域内の価電子帯を通るキャリヤの移動を向上させ得る。キャリヤは次にミニバンドを通って移動するが、ミニバンド内でエネルギーをいくらか失い得る。キャリヤがミニバンドを通って移動し得るかどうかに主に影響を与えるのは、第１超格子領域の活性領域とは反対側に設けられた注入領域のエネルギーおよび第１超格子領域と活性領域との間のガイド領域またはバリヤのエネルギーに対するミニバンドのエネルギーである。超格子内のミニバンドの最小エネルギーは、超格子と素子の活性領域との間に位置するガイド領域またはバリヤのポテンシャルエネルギー準位より大きいかまたはこれに等しくなければならない。同様に、注入領域のエネルギー準位は、ミニバンドのエネルギー準位に近いかこれに等しくなければならない。注入領域のエネルギーがミニバンドの最小エネルギー準位より実質的に低い（例えば、１００ｍｅＶ以上低い）場合は、キャリヤの第１超格子領域への流れは妨害されることが多い。
好ましくは、少なくとも第１超格子領域のバリヤ層を形成する半導体層がドープされる。これにより、キャリヤの数が増大し、第１超格子領域内の伝導性が向上する。第１超格子の量子井戸領域もまたドープされ得る。
好ましくは、ミニバンドの幅は、キャリヤの移動を実質的に最大にするように選択される。好ましくは、キャリヤはホールである。ミニバンドの幅は、半導体材料に、ならびにバリヤおよび井戸層の幅、すなわち第１および第２半導体の幅に依存する。さらに、ミニバンドの幅は、第１領域を横断して電界が形成されるときでもミニバンドを通るキャリヤの移動が可能であるように、すなわちミニバンドがシュタルク（Stark）準位に分離しないように選択される。
好ましくは、半導体は、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓ、およびＳｅからなる４元混晶から選択される。第１および第２領域は、ＺｎＳxＳｅ1-x−ＭｇＳyＳｅ1-y（０≦ｘ，ｙ≦１）構造を有する超格子を形成すると好都合である。
好都合には、第１および第２半導体の各々の幅またはパターンの積層膜厚を変更してバンドギャップを変動させ得る。バンドギャップは実質的に放物線の形状で変動させ得る。第２超格子領域は、活性領域の第１超格子領域とは反対側に配備され得る。この超格子領域は各々空間的に変動する積層膜厚を有し、共働して傾斜屈折率分離閉じ込めヘテロ構造素子を形成し得る。このような構造は光学的に効率的である。
好ましくは、第１および第２半導体は、第１および第２半導体層に応力がほとんどまたは全く加えられないように、基板の格子と実質的に格子整合する。基板はＧａＡｓであり得、第１および第２半導体層の格子定数は、層内のＭｇおよび／またはＳの濃度を変更することによって変動させ得る。
好ましくは、素子はＬＥＤ，レーザ、変調器、または検出器である。
変形例としては、第１および第２半導体は、（ＡｌＧａＩｎ）Ｐおよび（ＡｌＧａＩｎ）Ｎ合金などのＩＩＩ−Ｖ族半導体系より形成され得る。
周期積層は好ましくは６分子層以下である。閃亜鉛鉱構造を有する材料の場合には、１分子層厚は格子定数の半分である。
従って、素子の活性領域の方向へのキャリヤの移動を向上させることが可能である。さらに、超格子領域はまた、傾斜屈折率領域を形成し得、これにより活性領域内の閉じ込めを向上させ得る。
本発明によれば、活性領域と、第１超格子領域と、該活性領域と該第１超格子領域との間に設けられるガイド領域とを有し、該第１超格子領域はバリヤ層によって互いに分離される複数の量子井戸を有する第１および第２半導体の積層パターンからなり、該パターンの積層膜厚は、該第１超格子領域内にミニバンドが形成されるように十分に薄くされる、半導体素子であって、該ミニバンドを通ってキャリヤが輸送される、半導体素子が提供される。
この構成により、素子の活性領域の方向へのキャリアの移動を向上させることが可能となる。さらに、超格子領域はまた、傾斜屈折率領域を形成し得、これにより活性領域内の閉じ込めを向上させ得る。このようなことから、室温で連続動作し得る青色光レーザダイオードを提供することができる。
上述のように、半導体レーザのガイド領域あるいはバリヤとクラッド領域とによって形成される閉じ込めバリヤのバンドギャップエネルギーを増大させ、これにより閾値電流を下げレーザ発振波長を短くすることが必要である。ＺｎＭｇＳＳｅにおけるＳおよびＭｇの割合を変えることによりそのバンドギャップを増大させることは可能であるが、これには必要なＳおよびＭｇの量が非常に多くなるため、結晶構造がＭｇＳに類似してくる。この結果、ＭｇＳの安定結晶構造は岩塩構造であるため、結晶品質が劣化する。従って、結晶品質の観点から、ＺｎＭｇＳＳｅにおけるＳおよびＭｇの組成には上限がある。しかし、この上限は、超格子構造を用いることで、岩塩構造ではなく閃亜鉛鉱構造を有するＭｇＳ膜を成長させることにより無効とすることができる。ＭｇＳyＳｅ1-y（０≦ｙ≦１）の膜厚が十分に薄ければ、閃亜鉛鉱構造のＭｇＳyＳｅ1-yをＺｎＳxＳｅ1-x（０≦ｘ≦１）上に成長させ得、また、ＭｇＳyＳｅ1-y層上に上部ＺｎＳxＳｅ1-x層を成長させれば、ＭｇＳyＳｅ1-y層の閃亜鉛鉱構造は安定する。これらの層は積層して形成され、層間のバンド不連続により、図３に示すように、理論上の最大バンド不連続値、ΔＥｃ（伝導帯エネルギー変化）が０〜１１１５ｍｅＶ、およびΔＥｖ（価電子帯エネルギー変化）が０〜７３６ｍｅＶとなる超格子が形成され得る。図３は、価電子帯での２つのエネルギー準位を示す。これらの準位はライトホール（ｌｈ）およびヘビーホール（ｈｈ）に関連する。
交互に積層された第１および第２の半導体層を有する構造内で、層厚が薄くなるときミニバンドが形成される。ミニバンドの形成は、「矩形井戸」または「ボックス内の粒子」として知られる量子力学問題の多重解法の重ね合わせとして考えられ得る。要約すれば、「矩形井戸」の問題は、幅Ｌｚ（０からＬｚまで延びる）の無限の深さの井戸に対して、シュレディンガー方程式、
Figure 2004274089
を解くことを意味する。この解法では、境界条件としては、波動関数が井戸の端部でゼロになる。従って、解は、
Figure 2004274089
で与えられる。だだし、ｍは粒子の有効質量、ｈはプランク定数／２π、Ψは量子波動関数であり、またＺがボックス内の位置であるとき
Figure 2004274089
である。
しかし、井戸の高さが有限になると、波動関数は井戸の閉じ込めより外側に非ゼロ値を取り得る。さらに、この解は、偶数（対称）解および奇数（非対称）解の両方を含む。
−Ｌ／２から＋Ｌ／２まで延びる井戸のための有限井戸方程式による解は、井戸内に
Figure 2004274089
に近似する偶数解、および井戸内に
Figure 2004274089
に近似する非対称解を与える。各解はまた、井戸の外側に延びる減衰波を有する。
有限の矩形井戸のエネルギー準位は、無限に深い井戸の解の対応する準位に類似するが、これより僅かに低い。
図４は、ＺｎＳｅ層およびＭｇＳ層を交互に積層することによって形成される一連の井戸の１つである、有限井戸内のホールの最初の３つのエネルギー準位（この図のＥ1、Ｅ2、Ｅ3の３つのエネルギー準位）に対する、シュレディンガー方程式への解を示す。厚さは、結晶の分子層厚によって測定される（１分子層の厚さは、ほぼ２．８２ナに等しい）。井戸およびバリヤの厚さは実質的には同一である。
井戸およびバリア層の幅が厚く、隣接する井戸からの減衰波動関数の値が実質的にゼロであるとき、各井戸は隣接する井戸から効果的に分離される。井戸およびバリヤの幅の減少により、Ｅｎは井戸の幅に反比例することから予期され得るように、解のエネルギー準位は上昇する。井戸およびバリヤの幅がさらに減少すると、他の井戸の減衰波動関数（これの対称および非対称解は異なる値を有する）が、井戸内に有意の非ゼロ値を有し始め、これにより、エネルギーレベル解が一連の値に分割される。一連の量子井戸の形成の結果、エネルギー準位は、図４の斜線領域によって示されるように、バンド内に連続体を形成する。
図５は、ＺｎＳｅ４分子層およびＭｇＳ２分子層を１０周期繰り返したひずみ超格子内のヘビーホールの、透過率対エネルギーを示す。透過率は０．９まで高くなる。
上述のように、青色光を生成させるためには、閉じ込めバリヤ領域のバンドギャップエネルギーを増大させることが必要である。ＺｎＭｇＳＳｅのバンドギャップエネルギーが増大すると共に、アクセプタ濃度（Ｎａ−Ｎｄ）が急激に減少するため、伝導性が高くかつバンドギャップエネルギーが大きいＺｎＭｇＳＳｅ膜を得るのは困難である。変調ドーピングによりこれらの問題を解決し得る。しかも、本発明では、超格子の周期が十分小さいためミニバンドを形成することができ、キャリヤはミニバンドを通って移動するため（図６）、ホッピング（図２）伝導に比して良好なキャリヤ輸送（伝導）が可能となる。超格子の周期は、ミニバンドを形成するのに十分な薄さ、例えば、ｄを厚さとすると、ｄZnSe＝ｄMgSであるとき、６分子層より少ない厚さとすべきである。
図６は、本発明の第１の実施例を構成する半導体素子内のエネルギー準位の概略図である。この準位図は、バリヤ１２によって形成される複数の量子井戸１０が存在することにおいては、図２に示す図に類似する。しかし、これらには２つの顕著な相違がある。第１の相違は、ミニバンド１８を有する超格子領域１３が形成されるように、量子井戸１０およびバリヤ１２が薄くされていることである（この特徴は図示されていない）。第２の相違は、ミニバンド１８へのホールの注入およびミニバンド１８から素子の活性領域２へのホールの注入のための、関連するホールのエネルギー準位に関する条件が満たされているということである。ミニバンド１８のエネルギーが、超格子領域１３と共に本実施例のクラッド領域４からなる注入領域２０のエネルギー準位と同じであるかまたはこれに十分に近い場合、ホール注入条件は満たされる。ミニバンド１８の最小エネルギー準位２１が、超格子領域１３と素子の活性領域２との間に位置するガイド領域３の価電子帯のエネルギー準位より大きいかまたはこれと同じである場合、ホール注入条件は満たされる。これでホールは注入領域２０からミニバンド１８を経て活性領域２へと通過し得る。
領域３より大きいかまたはこれに等しい、および領域２０に等しいかまたはこれより小さい最小エネルギー準位を有するようなミニバンド１８の形成は、超格子のバリヤ１２が、素子の活性領域２より大きいバンドギャップを有する半導体材料よりなることを必要とする。ミニバンド１８のエネルギーが、注入領域２０のエネルギーより僅かに大きい場合でも、ホールは熱によりミニバンドの方へ注入され得る。
図７の実施例では、ミニバンド１８を有する超格子領域１３は、ガイド領域３とクラッド領域４との間に組み込まれ得る。クラッド領域は、本実施例では、ホールをミニバンド１８に注入する注入領域２０によって形成される。ＬＥＤ素子では、このようなガイド領域３は省略され、超格子領域１３自体が活性領域２のためのキャリヤ閉じ込めバリヤを形成する。このような場合には、ミニバンド１８の最小エネルギー準位が閉じ込めバリヤのエネルギー準位に等しい。
図８の実施例では、ミニバンド１８を有する超格子領域１３は、クラッド領域４内に形成される。ＬＥＤ素子では、ガイド領域３は省略され、クラッド領域４が活性領域２のためのキャリヤ閉じ込めバリヤを形成する。このような場合には、ミニバンド１８の最小エネルギー準位は、閉じ込めバリヤのエネルギー準位に等しい。
図９の実施例では、素子は、ミニバンド１８を有する超格子領域１３がガイド領域３とクラッド領域４との間に組み込まれている点において、図７の素子に類似する。しかし、本実施例では、活性領域２は、バリヤ２ｂによって分離される多数の量子井戸２ａによって形成されるＭＱＷからなる。ホール注入が有効に行われる条件は、ミニバンド１８の最小エネルギー準位２１がバリヤ２ｂのエネルギー準位より大きいかまたはこれに等しいことである。
図１０の実施例では、素子は、ミニバンド１８を有する超格子領域１３がガイド領域３とクラッド領域４との間に組み込まれている点において、図７の素子に類似する。しかし、本実施例では、超格子領域１３の井戸１０を形成するバルク材料のエネルギー準位は、活性領域２のエネルギー準位より小さい。
図１１は、複数のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体のバンドギャップエネルギーおよび格子定数を示す。ＺｎＳｅおよびＭｇＳの格子定数は、各々、５．６６８１ナおよび５．６２ナであり、これらはＧａＡｓ基板（５．６５３ナ）にほぼ格子整合される。ＺｎＳｅの格子定数はＧａＡｓの格子定数より僅かに大きく、ＭｇＳの格子定数はＧａＡｓの格子定数より僅かに小さい。従って、ＺｎＳｅ−ＭｇＳ超格子の内部応力は、層厚を適切に選択することによってゼロに等しくされ得る。ｄZnSe＝２ｄMgSであるとき、応力はほぼ完全に相殺される。さらに、ＺｎＳxＳｅ1-x−ＭｇＳyＳｅ1-y（０≦ｘ，ｙ≦１）におけるｘおよびｙの適切な組成を選択することによって、超格子はＧａＡｓに完全に格子整合し得る。また、ひずみの均衡した適当な組成物の混晶を用いると、ＺｎＳxＳｅ1-x−ＭｇＳyＳｅ1-y（０≦ｘ，ｙ≦１）超格子の内部応力はほとんどゼロに等しくなり得る。
基板に完全い格子整合、もしくは、内部応力を超格子内でバランスさせ、ゼロに等しくすることで、高品質の超格子構造ならびに超格子部分を含む素子構造を作製することができる。
化合物ＺｎＳxＳｅ1-xおよびＭｇＳyＳｅ1-yのなかで、ＺｎＳｅ（ｘ＝０）およびＭｇＳ（ｙ＝１）は２元化合物であり、従って、最も高い組成制御性を有する。また、ＺｎＳxＳｅ1-xおよびＭｇＳyＳｅ1-yは、ＺｎＭｇＳＳｅ４元化合物と比較すれば大きい組成制御性を有する。
超格子を組み込んだ素子の特性を調べるために、一連の実験を行った。
先ず、ＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子のホトルミネセンス（ＰＬ）スペクトルのＭｇＳバリヤ層厚依存性を調べた。ひずみ超格子を、以下の成長条件、すなわち、ＧａＡｓ基板、基板温度２７５℃、Ｚｎ、Ｓｅ、Ｍｇ、およびＳのビーム等価圧力が各々６×１０-7、１．４×１０-6、１．０×１０-7、および２×１０-7Ｔｏｒｒの条件下で、分子線エピタキシによって成長させた。
図１２は、１５秒のＺｎＳｅ成長時間を示し、ならびに各々、この図の１２ａは１０秒、この図の１２ｂは２０秒、およびこの図の１２ｃは３０秒のＭｇＳ成長時間にて作製したＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子の７７ＫでのＰＬスペクトルを示す。量子化エネルギー準位による発光のピークエネルギーは、各々、（ａ）３．１９ｅＶ、（ｂ）３．３１ｅＶ、および（ｃ）３．３９ｅＶであった。ひずみ超格子のすべてとＺｎＳｅとの間のバンドギャップエネルギー差は０．３ｅＶより大きく、このことは、これらのひずみ超格子がクラッド領域または閉じ込めバリヤ領域として有望であることを意味する。
第２の実験では、ＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子のＰＬスペクトルの、ＺｎＳｅ井戸層厚依存性を調べた。ひずみ超格子を、以下の成長条件、すなわち、ＧａＡｓ基板、基板温度２７５℃、Ｚｎ、Ｓｅ、Ｍｇ、およびＳのビーム等価圧力が各々８×１０-7、１．８×１０-6、１．０×１０-7、および２×１０-7Ｔｏｒｒの条件下で、分子線エピタキシによって成長させた。
図１３は、１０秒のＭｇＳ成長時間を示し、この図の１３ａでは１０秒およびこの図の１３ｂでは２０秒のＺｎＳｅ成長時間を有するＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子の７７ＫでのＰＬスペクトルを示す。量子化エネルギー準位による発光のピークエネルギーは、各々、（ａ）３．２０ｅＶおよび（ｂ）２．９８ｅＶであった。より薄いＺｎＳｅ井戸層厚を有するひずみ超格子（図１３ａ）とＺｎＳｅとの間のバンドギャップエネルギー差は０．３ｅＶより大であり、これは、より薄いＺｎＳｅ井戸層厚を有するひずみ超格子がクラッド領域または閉じ込めバリヤ領域としてより有望であることを意味する。
次に、Ｃｌをドープしたひずみ超格子を成長させた。２つの異なる型のＣｌドープひずみ超格子を図１４および図１５に示す。
図１４に示す素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板３０上面にｎ型ＺｎＳｅバッファ層３２を備えている。このバッファ層３２の上にアンドープＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子３４が形成され、ひずみ超格子３４の上にｎ型ＺｎＳｅキャップ層３６（およびバッファ層）が形成される。これはｎ−ｉ−ｎ（ＣｌドープＺｎＳｅ、アンドープ超格子、ＣｌドープＺｎＳｅ）構造を形成する。ひずみ超格子３４は、基板温度２７５℃、Ｚｎ、Ｓｅ、Ｍｇ、およびＳのビーム等価圧力が各々８×１０-7、１．８×１０-6、１．０×１０-7、および２×１０-7Ｔｏｒｒ、ならびにＺｎＣｌ2のＫセル温度が１４７℃の条件下で、分子線エピタキシによって成長させた。インジウム電極３８を基板１の裏面に形成し、また半径２００μｍの別のインジウム電極４０を真空蒸着によりキャップ層３６の上に形成する。
図１５は、図１４に示す素子に類似するが、アンドープＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子３４がｎ型ＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子４２に置き換わり、これにより、ｎ−ｎ−ｎ（ＣｌドープＺｎＳｅ、Ｃｌドープ超格子、ＣｌドープＺｎＳｅ）構造が形成される。
図１６の１６ａは図１３に示す素子のＰＬスペクトルを示す。図１６の１６ｂは図１４に示す素子のＰＬスペクトルを示す。両素子共に、量子化エネルギー準位からの発光による３．２１ｅＶのピークエネルギーを示す。
図１７は、図１４および図１５に示す素子の電流−電圧特性を示す。ラインＡは図１４に示す素子に関し、ラインＢは図１５に示す素子に関する。図示するように、図１５のｎ−ｎ−ｎ構造は、図１４に示すｎ−ｉ−ｎ構造より良好な電流の流れを示す。これは、Ｃｌドーピングがひずみ超格子内で効率的に働くことを示している。
窒素をドープしたひずみ超格子を有する別の２つの素子も作製した。図１８に示す素子は、上部にｐ型ＺｎＳｅバッファ層５２を形成したｐ型ＧａＡｓ基板５０を有する。層５２の上にアンドープＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子３４が形成され、層３４の上にｐ型ＺｎＳｅキャップ層５４が形成される。ひずみ超格子３４は以下の条件、すなわち、基板温度２７５℃、Ｚｎ、Ｓｅ、Ｍｇ、およびＳのビーム等価圧力が各々８×１０-7、１．８×１０-6、１．０×１０-7、および２×１０-7Ｔｏｒｒの条件下で、分子線エピタキシによって成長させた。これにより、ｐ−ｉ−ｐ（ＮドープＺｎＳｅ、アンドープ超格子、ＮドープＺｎＳｅ）構造が形成される。窒素のドーピングは、入力パワー２５０Ｗおよびバックグラウンド圧力４．２×１０-7Ｔｏｒｒのラジカルなドーピング方法によって行われた。
インジウム電極３８を基板５０裏面に形成し、半径２００μｍの金電極５６をキャップ層５４の上に形成する。
図１９に示す素子は、図１８に示す素子に類似するが、アンドープひずみ超格子３４がｐ型ＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子５８に置き換わり、これにより、ｐ−ｐ−ｐ（ＮドープＺｎＳｅ、Ｎドープ超格子、ＮドープＺｎＳｅ）構造が形成される。
図２０の２０ａは、図１８に示す素子の７７ＫでのＰＬスペクトルを示す。図２０の２０ｂは、図１９に示す素子の７７ＫでのＰＬスペクトルを示す。両素子共に、量子化エネルギー準位からの発光により３．２１ｅＶのピークエネルギー準位を示した。
図２１は、図１８および図１９に示した素子の電流−電圧特性を示す。ラインＡは図１８に示す素子に関し、ラインＢは図１９に示す素子に関する。図のように、図１９に示すｐドープひずみ超格子５８を有する素子は、図１８に示す素子に比べて、電流の流れが向上している。これは、Ｎドーピングがひずみ超格子内で効率的に働くことを示している。
上記の結果は、ＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子がクラッド層またはキャリヤバリヤ層として有望であることを示す。
次に、図２２に示すレーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板３０上部にｎ型ＺｎＳｅクラッド層６０を備えている。ｎ型ＺｎＳｅクラッド層６０の上にはＺｎ0.8Ｃｄ0.2Ｓｅ活性層６２が配置され、活性層６２の上にはｐ型ＺｎＳｅクラッド層６４が形成される。最後に、ｐ型クラッド層６４の上にｐ型コンタクト層６６が形成される。インジウム電極３８が基板３０と接触して形成され、５μｍ幅の金電極６８がｐ型コンタクト層６６と接触して形成される。ウェハを分割し、１ｍｍのキャビティ長を有するレーザチップを作製する。レーザはジャンクションアップの配置で銅製ヒートシンク上に取り付けられる。
次に図２３に示す第２のレーザは、図２２のレーザと実質的に同一であるが、活性層６２とｐ型ＺｎＳｅクラッド層６４との間にｐ型ＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子５８が形成される点で異なる。超格子５８はミニバンドを含み、活性層６２に対するキャリヤ閉じ込めバリヤを形成する。ミニバンドの最小エネルギー準位はこのバリヤのエネルギー準位に等しい。
図２２および図２３のレーザの電流対光出力特性を、パルス幅が２ｍｓで１／５０００デューティサイクルのパルスモードで７７Ｋで測定した。レーザミラーはへき開端面により形成され、第２のレーザ（図２３）のひずみ超格子５８は、４分子層ＺｎＳｅと２分子層ＭｇＳとを２０周期繰り返したものより構成された。
これらレーザの電流対光強度特性を図２４に示す。ひずみ超格子を有する第２のレーザ（図２３）は１０ｍＡの閾値電流を示し、これは、ひずみ超格子のない同等のレーザの３分の１であった。これにより、ＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子は、電子のオーバフローを抑制しまた良好なホール移動を促進するのに効果的であることが分かる。レーザ発振波長は４９０ｎｍであった。
次に、図２５に示す第３のレーザはｎ型ＧａＡｓ基板３０の上部にｎ型ＺｎＳｅバッファ層３２を備えている。ｎ型ＺｎＳｅバッファ層３２の上にはｎ型ＺｎＳ0.07Ｓｅ0.93クラッド層７０が配置され、クラッド層の上にはｎ型ＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子４２が形成される。ひずみ超格子４２の上にはＺｎＳｅ活性層７２が形成され、活性層の上にはｐ型ＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子５８が形成される。超格子４２および５８の各々は活性層７２に対するキャリヤ閉じ込めバリヤを形成し、各々がミニバンドを有する。ミニバンドの最小エネルギーレベルは、バリヤのエネルギー準位に等しい。ひずみ超格子５８の上にはｐ型ＺｎＳ0.07Ｓｅ0.93クラッド層７４が形成され、最後に、クラッド層７４の上にｐ型コンタクト層６６が形成される。インジウム電極３８が基板３０裏面に形成され、ストライプ状の電極６８がコンタクト層６６と接触して形成される。レーザは室温で４８０ｎｍより短いレーザ発振波長を示し、これは７７Ｋでは４６０ｎｍより短い。これらレーザ発振波長はＺｎＭｇＳＳｅ４元化合物を用いることによって得ることは極めて困難である。
次に、図２６に示す第４のレーザは図２５に示すレーザに類似するが、ｎ型クラッド層７０と活性層７２との間に形成されたｎ型ＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子４２が省略されている点で異なる。レーザ発振は波長４４５ｎｍで７７Ｋで観察された。
図２５および図２６に示す素子では、ひずみ超格子構造は、４分子層のＺｎＳｅと２分子層のＭｇＳとを２０周期繰り返したものより構成された。
傾斜屈折率（graded index）分離閉じ込めヘテロ構造（ＧＲＩＮＳＣＨ）レーザを作製した。素子は図２７に示す構造を有し、図２５に示す素子の構造と類似するが、活性領域７２の両側のひずみ超格子４２および５８が、変調周期ひずみ超格子７６および７８に置き換えられている点で異なる。変調周期ひずみ超格子の井戸層およびバリヤ層の層厚比は、活性層の方向に変動し、これにより、図２８に概略を示すように、グレーディッドなエネルギーバンドプロファイルが得られる。各超格子４２および５８は、活性領域７２のためのキャリヤ閉じ込めバリヤを示し、ミニバンドを含む（図２８には図示せず）。ミニバンドの最小エネルギー準位はバリヤのエネルギー準位に等しい。１つの変形例では、超格子は、ＧＲＩＮＳＣＨ構造の平坦なクラッド領域にあり、この超格子のミニバンドは、ＧＲＩＮＳＣＨ構造のグレーディッド領域の最小エネルギー準位に等しいかまたはこれより大きい。
図２９は、基板（図示せず）上に形成されたＭｇ0.1ＺｎＳ0.14Ｓｅクラッド層９０を有するレーザのエネルギー準位図である。層９０の上に厚さ５００ナのＺｎＳ0.06Ｓｅガイド層９２が形成され、さらに、厚さ５０〜１００ナのＣｄ0.2ＺｎＳｅ活性層９４が形成される。活性層９４は、ガイド層９２と同一の別のガイド層９６によって覆われる。厚さ２００ナのＭｇ0.1ＺｎＳ0.14Ｓｅクラッド層９８が、ガイド層９６と超格子１００との間に光閉じ込め領域を提供する。クラッド層９８と超格子１００とがクラッド領域を形成する。このようなクラッド領域とガイド層９６とは、活性層９４に含まれるキャリヤのための閉じ込めバリヤとして作用する。超格子１００は、厚さ５．６５ナのＭｇＳ層と厚さ１１．１３ナのＺｎＳｅ層とを１０回繰り返したものよりなる。図２９は、このような素子の伝導帯の電子および価電子帯のホールの相対エネルギー準位を示す。図２９はまた、電子およびホールによって見られる、超格子１００に形成された量子井戸の深さを示す。点線１０４および１０６はミニバンド１０７の境界を概略的に示し、ライン１０８は、バリヤを形成する半導体層中のアクセプタエネルギー準位を示す。
この素子を駆動させると、電子およびホールは活性層９４によって形成される量子井戸内で再結合する。ガイド層９２および９６は活性領域９４のためのバリヤ領域を形成し、層９２〜９６は素子内の光ガイド層を形成する。光放射ならびに電子およびホールは、クラッド層９０および９８ならびに超格子１００によって閉じ込められる。電子はクラッド層９０に注入され、活性層９４の方向に移動する。活性層９４を超えて移動する電子は、点線１０１で示す１７２ｍｅＶの効果的なバリヤを形成する超格子１００によって反射される。ホールはヘビーホールミニバンド１０７に注入される。ホールは次に活性層９４の方向に移動する。ホールのミニバンド１０７内での移動は、超格子１００内の少なくともバリヤ層をドープすることによって向上する。Ｅａは、ドーピングによってバリヤ層に注入されたアクセプタの活性エネルギーを表す。従って、超格子１００は電子を閉じ込めると共に、ホールの移動を向上させるように作用する。
図３０は、図２９を参照して述べた素子に類似するレーザのエネルギー準位の図である。図３０のレーザでは、超格子１００が、厚さ８．４７ナのＭｇ0.1ＺｎＳ0.14Ｓｅ層と厚さ１４．３１ナのＭｇ0.4ＺｎＳ0.4Ｓｅ層とを１０回繰り返したものよりなるｐドープ超格子１０２に置き換えられている。これにより、超格子のバンドギャップは図２９に示す素子に較べて小さくなる。図３０に示す素子の機能は図２９に示す素子と同様である。
図３１は、図２９および図３０を参照して述べた素子に構造が類似するレーザのエネルギー準位の図である。図３１のレーザでは、活性層９４がＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる量子井戸１１０または多量子井戸構造に置き換えられ、ガイド領域１１２および１１４がＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなり、またクラッド層１１６および１１８がＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる。超格子１００は、厚さ１１．４ナのＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ層と厚さ６．６８ナのＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層とを１０回繰り返したｐドープ超格子１２０に置き換えられている。図３１に示す素子の機能は図２９に示す素子と同様である。
図３２は、図３１を参照して述べた素子に構造が類似するレーザのエネルギー準位の図である。図３２のレーザでは、超格子１２０が、厚さ６．８４ナのＧａＮ層と厚さ４．５６５ナのＡｌＮ層とを１０回繰り返したｐドープ超格子１２２に置き換えられている。この超格子内のひずみは超格子の設計により均衡化され得る。図３２に示す素子の機能は図２９に示す素子と同様である。
本発明の上記の実施例のいずれにおいても、活性層／領域は単一量子井戸構造でも多量子井戸構造でもよい。後者の場合は、ミニバンドの最小エネルギー準位は、多量子井戸構造のバリヤのエネルギー準位より大きいかまたはこれに等しい。
ミニバンドの形成は、ＩＩ−ＶＩ族半導体のみによって形成された素子に限定されない。本発明の実施例を構成する素子はまた、（ＡｌＧａＩｎ）Ｐおよび（ＡｌＧａＩｎ）Ｎ合金などのＩＩＩ−Ｖ族半導体系からも形成され得る。
従って、室温で連続動作し得る青色光レーザダイオードを提供することが可能である。
従来の分離閉じ込めヘテロ構造レーザダイオードのエネルギー準位の概略図。 Suemune（上述）によって開示された変調ドーピング方法におけるエネルギー準位の概略図。 隣接するＭｇＳ層およびＺｎＳｅ層のバンドギャップの概略図。 量子井戸内のホールのエネルギー準位、およびミニバンドを形成するための準位の拡張を示す概略図。 本発明の実施例を構成する素子の、透過率対エネルギー準位を示す図。 本発明の第１の実施例を構成する半導体素子の、キャリヤホールエネルギー準位対変位を示す概略図。 本発明の第２の実施例を構成する半導体素子の、キャリヤホールエネルギー準位対変位を示す概略図。 本発明の第３の実施例を構成する半導体素子の、キャリヤホールエネルギー準位対変位を示す概略図。 本発明の第４の実施例を構成する半導体素子の、キャリヤホールエネルギー準位対変位を示す概略図。 本発明の第５の実施例を構成する半導体素子の、キャリヤホールエネルギー準位対変位を示す概略図。 様々な半導体のバンドギャップおよび格子定数を示す図。 １２ａ〜１２ｃは、様々なひずみ超格子のホトルミネセンス（ＰＬ）スペクトルを示す。 １３ａおよび１３ｂは、別のひずみ超格子のＰＬスペクトルを示す。 上記の超格子の効果を調べるための、超格子を組み込んだ素子を示す。 上記の超格子の効果を調べるための、超格子を組み込んだ素子を示す。 １６ａおよび１６ｂは、図１４および図１５に示す素子のＰＬスペクトルを示す。 図１４および図１５に示す素子のＩ−Ｖ特性図。 上記の超格子の効果を調べるための、超格子を組み込んだ素子を示す。 上記の超格子の効果を調べるための、超格子を組み込んだ素子を示す。 ２０ａおよび２０ｂは、図１８および図１９に示す素子のＰＬスペクトルを示す。 図１８および図１９に示す素子のＩ−Ｖ特性図。 本発明の実施例を構成しないレーザを示す。 図２２に示すレーザと類似するが本発明の実施例を構成するレーザを示す。 図２２および図２３に示す素子の、出力光強度対電流を比較する図。 本発明の別の実施例を示す。 本発明のさらに別の実施例を示す。 本発明のさらに別の実施例を示す。 図２７に示す素子のエネルギー準位を示す図。 本発明のさらに別の実施例を構成するレーザのエネルギー準位を示す図。 本発明のさらに別の実施例を構成するレーザのエネルギー準位を示す図。 本発明のさらに別の実施例を構成するレーザのエネルギー準位を示す図。 本発明のさらに別の実施例を構成するレーザのエネルギー準位を示す図。
符号の説明
２、６２、７２、９４ 活性領域
２ａ、１０ 量子井戸
２ｂ、１２ バリヤ層
３、９２、９６ ガイド領域
４、６４、７０、７４、９０、９８ クラッド領域
１３、３４、４２、５８、７６、７８、１００、１０２ 超格子領域
１８、１０７ ミニバンド
２０ 注入領域

Claims (18)

  1. 活性領域と、
    超格子領域と
    を備える、半導体素子であって、
    前記超格子領域は、第１半導体と第２半導体の積層パターンを有し、
    前記半導体素子は４８０ｎｍより短い波長の光を発光し、
    前記第１半導体および前記第２半導体は、ＩＩ−ＶＩ族半導体からなるか、または、前記第１半導体および前記第２半導体は、（ＡｌＧａＩｎ）ＮからなるＩＩＩ−Ｖ族半導体からなり、
    前記第１半導体および前記第２半導体の両方のバンドギャップが前記活性領域のバンドギャップより大きく、
    前記超格子領域は、前記第１半導体および前記第２半導体の膜厚が６分子の厚さより薄くなるように構成されている、半導体素子。
  2. 前記活性領域と前記超格子領域との間に設けられたガイド領域をさらに備える、請求項１に記載の半導体素子。
  3. 前記第１半導体および前記第２半導体の膜厚は、前記超格子領域内にミニバンドが形成されるように十分に薄くされ、前記ミニバンドを通ってキャリヤが輸送される、請求項１に記載の半導体素子。
  4. 前記活性領域と前記超格子領域との間に設けられたガイド領域をさらに備え、
    前記第１半導体および前記第２半導体の膜厚は、前記超格子領域内にミニバンドが形成されるように十分に薄くされ、
    前記ミニバンドの最小エネルギー準位は、前記ガイド領域のエネルギー準位または最小エネルギー準位より大きいかまたはこれに等しい、請求項１に記載の半導体素子。
  5. 前記活性領域は、量子井戸構造を有する、請求項１に記載の半導体素子。
  6. 前記量子井戸構造は、バリヤ層と量子井戸層とを含み、
    前記第１半導体および前記第２半導体の膜厚は、前記超格子領域内にミニバンドが形成されるように十分に薄くされ、
    前記ミニバンドの最小エネルギー準位は、前記バリヤ層の準位より大きいかまたはこれに等しい、請求項１に記載の半導体素子。
  7. クラッド領域をさらに備え、
    前記超格子領域は、前記ガイド領域と前記クラッド領域との間に設けられる、請求項２に記載の半導体素子。
  8. クラッド領域をさらに備え、
    前記超格子領域は、前記活性領域と前記クラッド領域との間に設けられる、請求項１に記載の半導体素子。
  9. 前記前記超格子領域を含むクラッド領域をさらに備える、請求項１に記載の半導体素子。
  10. 前記超格子領域は、前記活性領域のためのキャリヤ閉じ込めバリヤを形成する、請求項８に記載の半導体素子。
  11. 前記超格子領域内にミニバンドが形成される、請求項７〜１０のいずれかに記載の半導体素子。
  12. ＰＬスペクトルにおいて、前記超格子領域からの発光のエネルギーと、前記活性領域のバンドギャップエネルギーとの間の差が０．３ｅＶより大きい、請求項１ないし１１のいずれかに記載の半導体素子。
  13. 前記超格子領域の最小量子化エネルギー準位は、前記ガイド領域のエネルギー準位または最小エネルギー準位よりも大きいかまたはこれに等しい、請求項２、４または７に記載の半導体素子。
  14. 前記活性領域は、量子井戸構造を有し、
    前記量子井戸構造は、バリヤ層と量子井戸層とを含み、
    前記超格子領域の最小量子化エネルギー準位は、前記バリヤ層のエネルギー準位よりも大きいかまたはこれに等しい、請求項１ないし１３のいずれかに記載の半導体素子。
  15. 前記超格子領域において、前記第１半導体および前記第２半導体の少なくとも一方がｎ型ドープされている、請求項１ないし１４のいずれかに記載の半導体素子。
  16. 前記超格子領域において、前記第１半導体および前記第２半導体の少なくとも一方がｐ型ドープされている、請求項１ないし１４のいずれかに記載の半導体素子。
  17. 前記第１半導体は、ＺｎＳｘＳｅ１−ｘ（０≦ｘ≦１）であり、前記第２半導体が、ＭｇＳｙＳｅ１−ｙ（０≦ｙ≦１）である、請求項１ないし１６のいずれかに記載の半導体素子。
  18. 前記半導体素子は、ＩＩ−ＶＩ族半導体、または、（ＡｌＧａＩｎ）ＮからなるＩＩＩ−Ｖ族半導体から形成される、請求項１ないし１７のいずれかに記載の半導体素子。
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