JP2544378B2 - 光半導体装置 - Google Patents

光半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光半導体装置に係わり、特に発光波長域の広
い範囲での可視光半導体レーザを得る技術に関する。
〔従来の技術〕
光情報処理分野を中心により波長の短かい半導体レー
ザが要求されている。現在主流のAlGaAs/GaAs系レーザ
はそのバンドギヤツプの大きさから720nm以下の発振を
得る事は難かしい。これに代つてAlGaInP/GaAs系レーザ
が注目され、ようやく実用化されようとしている。しか
し、この材料においてもバンドギヤツプの大きさに制限
され600nm以下の黄色，緑，青等の発振を得る事は難か
しい。この系は、例えばジヤーナル・オブ・アプライド
・フイジツクス（J.Appl.Phys.）58巻,1982年,4928頁に
示されている様にIII−Ｖ族混晶半導体を用いて実現し
うる最短波長の材料と考えられている。換言すれば、通
常の混晶半導体を用いてレーザを実現する場合、600nm
以下の、つまり赤色以外の黄，緑，青色で発振する半導
体を得る事は出来ないと云う事になる。
一方、MBE,OMVPE等の結晶成長の技術の進歩は、分子
層レベルでの膜厚の制御を可能とする様になつた。第１
図に、Al0.5Ga0.5As混晶半導体とAlAsとGaAsを１分子層
毎に積層した分子層超格子半導体（以下、（AlAs）
１（GaAs）１と記す。）のIII族の原子配置のモデルを
示す。この図から分かる様に分子層厚程度の周期を持つ
超格子半導体はたとえ、平均的な組成が同じでも短距離
秩序性，対称性が異なるので等価的に同じ組成を持つ混
晶半導体とはエネルギー帯構造、つまりバンドギヤツプ
が異なつてくると考えられる。例えば、J.P.van der Zi
el等により、AlGaAs/GaAs系において分子層超格子のバ
ンドギヤツプが混晶半導体のそれを約100meV上まわると
云う報告がある（ジヤーナル・オブ・アプライド・フイ
ジツクス（J.Appl.Phys.）48巻,1977年,3108頁）。ま
た、この現象の理論的な面からの取扱いについては、例
えば、T.Nakayama等（ジヤーナル・オブ・ザ・フイジカ
ル・ソサエテイ・オブ・ジヤパン（J.Phys.Soc.Jpn）54
巻,1985年,4726頁）によつてなされているが、理論計算
に用いるモデルの違いにより結果にくい違いが見られ明
確に解決されているとは言い難い。
〔発明が解決しようとする問題点〕
第２図に、Ziel等のデータを基にして描いた、AlGaAs
/GaAs系の混晶半導体及び分子層超格子半導体での組成
とバンドギヤツプの関係を示す。この図から分かる様
に、AlGaAs/GaAs系では分子層超格子化によりバンドギ
ヤツプを増加させても得られるバンドギヤツプの範囲は
混晶半導体が得られる範囲と何んら変りない。この様な
理由から、半導体レーザ等のデバイスに応用するメリツ
トはほとんどなく、この現象についてはあはり関心が払
われていなかつた。
また、今までにこのAlGaAs/GaAs系以外で「分子層レ
ベルでの超格子構造を有する半導体が等価的に同じ組成
を持つ混晶半導体よりも大きなバンドギヤツプを持つ」
というこの現象が示された例はない。この理由として、
先に述べた様にデバイスへの応用に利点があまりなく関
心が低かつた事、AlGaAs/GaAs系は最もよく研究されて
いる系であり基本的結晶技術が確立している事、及びこ
の系は偶然的に、構成材料であるAlAsとGaAsのボンド長
が等しく、構成材料のボンド長が異なる他の系に比べる
と、結晶成長も理論的解析も格段に易しい事等が考えら
れる。
発明者はこの現象に着目し光半導体装置特に可視光半
導体レーザに応用できる材料系の検討を行なつた。
本発明の目的は、等価的に同じ組成を持つ混晶半導体
とはバンドギヤツプの異る、特により大きなバンドギヤ
ツプを持つ分子層厚程度での超格子構造を有する半導体
およびその応用デバイスを提供する事である。
〔問題点を解決するための手段〕
AlGaAs/GaAs系以外でも、各々の層が１から10分子層
厚程度である極て短かい周期性で構成材料の分子層を積
層して超格子半導体を作製する事により、上記目的は達
成される。ただし、物質によつてはバンド交差等の問題
が出て来る為に必ずしも１分子層ずつ積層した場合が最
大のバンドギヤツプを有し、等価的に同じ組成を持つ混
晶半導体よりも大きなバンドギヤツプを持つとは限らな
く、２分子層もしくは３分子層ずつ積層した場合が最大
のバンドギヤツプを持つ場合もありうる。
また逆に例えば６分子層膜程度の少し長い周期性で構
成材料を積層した場合には、等価的に同じ組成でバンド
ギヤツプを下げる事も可能である。
〔作用〕
一例として、GaAs基板と格子整合するZnSe0.94Ｓ0.06
を活性層にZn0.42Cd0.58Ｓをクラツド層に用いたダブル
ヘテロレーザを考えてみる。活性層ZnSe0.94Ｓ0.06は直
接遷移型の2.7eVのバンドギヤツプを持つので470nm程度
の青色レーザ発振が期待出来る。
しかし、クラツド層としてZn0.42Cd0.58Ｓの混晶半導
体を用いる場合にはそのバンドギヤツプが2.9eVしかな
く活性層とのエネルギ差があまりないため、室温でのレ
ーザ発振を得る事は難かしい。
一方、（ZnS）（CdS）（ZnS）（CdS）（ZnS）（CdS）
（CdS）を一周期とする分子層超格子半導体をクラツド
層として用いる場合は、格子定数はZn0.42Cd0.58Ｓ混晶
半導体と変わらない為GaAs基板と格子整合でき、しかも
短距離秩序性の増加に伴いバンドギヤツプが上昇してい
るのでZn0.42Cd0.58Ｓ混晶半導体に代えてクラツド層に
用いる事により安定したレーザ発振が得られる様にな
る。
この様にクラツド層として用いる混晶半導体のバンド
ギヤツプが小さい為に可視光域でのレーザ発振が達成さ
れない系は他には多くあり、本発明の分子層超格子半導
体は有効に作用する。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。
実施例１ 第３図に示すように、（100）GaAs基板31上に、GaAs
バツフア層32を0.1μｍ成長させ、次に（ZnS）（CdS）
（ZnS）（CdS）（ZnS）（CdS）（CdS）の７分子層を１
周期とする超格子半導体によるクラツド層33を0.5μｍ
成長する。その上に活性層となるZnSe0.94Ｓ0.06混晶半
導体34を0.1μｍ成長させる。最後にクラツド層35を再
び0.5μｍ成長させる。32〜35のエピタキシヤル層はMBE
装置を改良した原子層エピタキシヤル装置を用いて、RH
EEDの強度をモニタしながら、II族あるいはIII族のセル
のシヤツタとVI族あるいはＶ族のセルのシヤツタを交互
に開閉し１原子層ずつ積層していた。活性層のZnSeSはV
I族のセルを開閉する際にSeとＳのセルを同時に開閉す
る事により混晶半導体とした。この様にして得られたダ
ブルヘテロウエーハは壁開により300×500（μｍ）２の
サイズにチツプ化し、次に400nmの発振波長を持つ色素
レーザで光励起する事により室温で470nmのレーザ発振
を得る事が出来た。なお、分子層の積層状態は透過型電
子顕微鏡により確認した。
実施例２ 第４図に示すように、ｎ型（100）GaAs基板41上に、
まずSeドープのｎ型GaAsバッフア層42を0.1μｍ程度成
長させ、次にSeドープのｎ型のInP2分子層とAlP2分子層
を交互に積層した分子層超格子によるクラツド層43を１
μｍ成長する。その上に活性層となるノンドープのAl
0.25Ga0.25In0.5Ｐ混晶半導体44を0.1μｍ成長させる。
さらにその上にZnドープのｐ型のInP2分子層とAlP2分子
層を交互に積層させた分子層超格子クラツド層45を１μ
ｍ成長させる。最後にキヤツプ層となるZnドープのｐ型
GaAs46を0.5μｍ成長させる。42〜46のエピタキヤル層
は、２つの反応管を持ちその反応管の内を基板が移動す
る事により分子層レベルでの急峻なヘテロ界面が得られ
るスライデイングウエーハ式OMVPE装置を用いて連続し
て結晶成長させた（特願昭61−43957,特願昭61−19126
参照）。ｎ型とｐ型のキヤリア濃度はすべて１×1018cm
-3と一定にした。この様にして得られたダブルヘテロウ
エーハにSiO2電流阻止膜47と抵抗性電極48及び49を形成
しストライプレーザを作製する事により、室温において
580nmの黄色のレーザ発振を観測した。この実施例では
ｎ型基板を用いたがｐ型基板を用いて伝導型を逆にして
もよい。また（InP）２（AlP）２超格子は厳密にはGaAs
基板と格子整合していないので12回に１回程度（InP）
２を２回続けて積層する事により完全に格子整合させる
ことができる。この考え方は実施例１等においても応用
できる。
他の実施例の結果を表１にまとめて示す。
〔発明の効果〕 分子層厚程度で異なる半導体材料を周期的に積層する
事により作製した超格子半導体を用いる事により、組成
が等価な混晶半導体と異なるバンドギヤツプを持つ光半
導体材料を提供する事が出来る様になり、従来の混晶半
導体では実現できなかつた可視光半導体レーザ等のデバ
イスが実現できる。
【図面の簡単な説明】
第１図はAl0.5Ga0.5As混晶半導体と（AlAs）１（GaAs）
１超格子半導体のIII族の原子配置モデルを説明する説
明図、第２図はAlGaAs系混晶半導体及び分子層超格子半
導体での組成とバンドギヤツプの関係を示す図、第３図
（ａ）は実施例１におけるレーザ素子の断面図、同図
（ｂ）はクラツド層33の断面部分拡大図、及び第４図は
実施例２におけるレーザ素子の断面図である。 31……（100）GaAs基板、32……GaAsバツファ層、33,25
……（ZnS）１（CdS）１（ZnS）１（CdS）１（ZnS）１
（CdS）１（CdS）１を一周期とする超格子半導体による
クラツド層、34……ZnSe0.94Ｓ0.06混晶半導体による活
性層、41……ｎ型（100）GaAs基板、42……ｎ型GaAsバ
ツフア層、43……ｎ型（InP）２（AlP）２クラツド層、
44……ノンドープAl0.25Ga0.25In0.5Ｐ活性層、45……
ｐ型（InP）２（AlP）２クラツド層、46……ｐ型GaAsキ
ヤツプ層、47……SiO2電流阻止膜、48,49……抵抗性電
極。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】活性層と該活性層を挟んで形成されたクラ
    ッド層を含み、上記活性層及び上記クラッド層の少なく
    とも一は組成の異なる半導体層を周期的に積層した超格
    子半導体であり、上記超格子半導体の一周期は組成の異
    なる１乃至10分子層厚の半導体層を夫々少なくとも一層
    含めて積層した半導体領域からなり、該半導体領域にお
    ける組成毎の半導体層数、各半導体層の分子層厚、及び
    各半導体層の配置は該半導体領域が示すバンドギャップ
    が該半導体領域と等価な組成を有する混晶半導体のバン
    ドキャップと異なるように選ばれ且つ該半導体層の少な
    くとも一は２分子層厚以上であることを特徴とする光半
    導体装置。
  2. 【請求項２】超格子半導体として形成された上記クラッ
    ド層の上記半導体領域において、上記組成毎の半導体層
    数、各半導体層の分子層厚、及び各半導体層の配置は、
    該半導体領域が示すバンドギャップが該半導体領域と等
    価な組成を有する混晶半導体のバンドギャップより大き
    くなるように選ばれていることを特徴とする特許請求の
    範囲第１項記載の光半導体装置。
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