JP2962639B2

JP2962639B2 - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2962639B2
Application number: JP22093193A
Authority: JP
Inventors: 雅文近藤; 弘之細羽; 章義菅原
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority date: 1993-09-06
Filing date: 1993-09-06
Publication date: 1999-10-12
Anticipated expiration: 2014-10-12
Also published as: JPH0779017A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は半導体発光素子に関す
る。より詳しくは、II−VI族化合物半導体を発光層の材
料とし、青色または緑色の光を出射する半導体発光素子
に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】II−
VI族化合物半導体は、ワイドギャップを有することか
ら、青色または緑色の発光材料として有望視されてい
る。しかし、ドーピングされたアクセプタが、空孔また
は格子間原子などの固有欠陥により自己補償されるた
め、ｐ型不純物濃度を制御するのが難しいという問題が
あった。

【０００３】最近になって、ＺｎＭｇＳＳｅ系半導体
で、窒素をラジカル化することにより〜１０¹⁷ｃｍ^-3の
ドーピングが可能となった。これを受けて、ｐ−ｎ接合
による電流注入型で青色または緑色の光を出射するレー
ザ素子や発光ダイオードに関する研究発表が相次いでな
されている（アプライド・フィジクス・レターズ（App
l.Phys.Lett.）59,1272(1991)、アプライド・フィジク
ス・レターズ59,3619(1991)、アプライド・フィジクス
・レターズ60,1999(1992)、エレクトロン・レターズ（E
lectron.lett.）28,1798(1992)等）。これらの研究で
は、素子構造として、高駆動電流を要する利得導波構造
が採用されている。II−VI族化合物半導体を発光層の材
料とする発光素子では、これまで、発光層の一部に効率
良く電流を注入するための素子構造が知られていないか
らである。

【０００４】しかしながら、利得導波構造は、特にレー
ザ素子に適用した場合、発振モードが不安定になり易い
という欠点がある。例えば、光出力を増加させていく
と、電流−光出力特性にキンクが生じる。同時に、レー
ザ出射方向が移動し、光出力がゆらぐという現象が生ず
る。

【０００５】そこで、この発明の目的は、II−VI族化合
物半導体を発光層の材料として青色または緑色の光を出
射でき、しかも発光層の一部に効率良く電流を注入で
き、安定に光を出力できる半導体発光素子を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の半導体発光素子は、基板上に、発
光層を含む複数のII−VI族化合物半導体層が積層された
半導体発光素子において、上記複数のII−VI族化合物半
導体層の層間に、上記II−VI族化合物半導体層との界面
にヘテロバリアを形成するIII−Ｖ族化合物半導体層が
所定のパターン形状で設けられていることを特徴として
いる。

【０００７】また、請求項２に記載の半導体発光素子
は、請求項１の半導体発光素子において、上記ヘテロバ
リアを形成するII−VI族化合物半導体とIII−Ｖ族化合
物半導体の導電型がｐ型であることを特徴としている。

【０００８】また、請求項３に記載の半導体発光素子
は、請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子に
おいて、上記III−Ｖ族化合物半導体層の禁制帯幅が、
上記発光層を構成するII−VI族化合物半導体層の禁制帯
幅よりも狭く設定されていることを特徴としている。

【０００９】

【作用】請求項１の半導体発光素子では、II−VI族化合
物半導体層の層間に、上記II−VI族化合物半導体層との
界面にヘテロバリアを形成するIII−Ｖ族化合物半導体
層が所定のパターン形状で設けられている。このヘテロ
バリアの箇所では、図８に例示するように、界面でエネ
ルギー状態が急峻に変化し、バンド不連続が生じる。動
作時に、注入されたキャリアは上記ヘテロバリアよって
阻止される。この結果、発光層のうち上記III−Ｖ族化
合物半導体層が存する領域以外の部分（発光領域）に電
流が効率良く注入される。したがって、駆動電流が低減
される。

【００１０】また、請求項２の半導体発光素子の如く、
上記ヘテロバリアを形成するII−VI族化合物半導体とII
I−Ｖ族化合物半導体の導電型がｐ型である場合、ｎ型
などである場合に比して、価電子帯のバンド不連続が大
きく、かつ、急峻になる。したがって、注入されたキャ
リアは更に効率良く発光領域に注入され、駆動電流が低
減される。

【００１１】また、請求項３の半導体発光素子の如く、
上記III−Ｖ族化合物半導体層の禁制帯幅が、上記発光
層を構成するII−VI族化合物半導体層の禁制帯幅よりも
狭く設定されている場合、発光層（活性層）に導波され
た光（伝搬モード）が、上記III−Ｖ族化合物半導体層
が存する領域で吸収され、大きな損失を受ける。したが
って、上記発光素子がレーザ発振を行う場合、発光層に
対して平行方向に広がりが大きい高次モードが抑制さ
れ、この結果、安定な基本モードが得られる。

【００１２】

【実施例】以下、この発明の半導体発光素子を実施例に
より詳細に説明する。

【００１３】図１は第１実施例の青色発光素子の断面を
示している。

【００１４】この発光素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板（ｎ〜
１０¹⁸ｃｍ^-3）１１の表面側に、厚さ２μｍのｎ型Ｚｎ
ＳＳｅ層１２（ｎ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）と、厚さ０.３μｍ
のアンドープＺｎＳｅ発光層１３と、厚さ０.５μｍの
ｐ型ＺｎＳＳｅ層１４（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）と、厚さ
０.５μｍのｐ型ＧａＡｓ層１５（ｐ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）
と、厚さ２μｍのｐ型ＺｎＳＳｅ層１６（ｐ〜１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）と、厚さ０.５μｍのｐ型ＺｎＳｅ層１７（ｐ〜
１０¹⁷ｃｍ^-3）と、電極金属としてのＡｕ層１８を順に
備えている。一方、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面側にＡ
ｕＧｅ層１９と、Ｎｉ層２０を備えている。上記ｐ型Ｇ
ａＡｓ層１５、ｐ型ＺｎＳｅ層１７およびＡｕ層１８
は、直径３００μｍの円形状パターンとなっている。

【００１５】この発光素子は次のようにして作製する。
なお、各層の成長には分子線エピタキシー法（ＭＢＥ
法）または有機金属化合物・化学気相成長法（ＭＯＣＶ
Ｄ法）を使用する。II−VI族化合物半導体のアクセプタ
には窒素を用いる。窒素はラジカルまたはプラズマ・ビ
ームで供給する。II−VI族化合物半導体のドナーにはＣ
ｌを用いる。また、III−Ｖ族化合物半導体のアクセプ
タにはＢｅを使用する。

【００１６】まず、ｎ型ＧａＡｓ基板（ｎ〜１０¹⁸ｃ
ｍ^-3）１１を硫酸系エッチング液でエッチングした後、
Ｉｎを接着剤として上記基板１１をＭｏホルダーに貼り
付ける。このＭｏホルダーをＭＢＥ装置の成長室に搬入
して、Ａｓ分子線を照射しながら、基板温度を５８０℃
に上昇させて、ガス出しを行うとともに酸化膜を蒸発さ
せる。

【００１７】次に、基板温度を３００℃に保持した状
態で、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面側に、厚さ２μｍの
ｎ型ＺｎＳＳｅ層１２（ｎ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）と、厚さ
０.３μｍのアンドープＺｎＳｅ発光層１３と、厚さ０.
５μｍのｐ型ＺｎＳＳｅ層１４（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）
と、厚さ０.５μｍのｐ型ＧａＡｓ層１５（ｐ〜１０¹⁸c
m^-3）を順次積層する。

【００１８】フォトリソグラフィおよび選択エッチン
グを行って、ｐ型ＧａＡｓ層１５（ｐ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）
のうち中央の３００μｍφの部分を残して、その周囲の
部分を除去する。

【００１９】この後、再度試料をＭＢＥ装置の成長室
に搬入して、厚さ２μｍのｐ型ＺｎＳＳｅ層１６（ｐ〜
１０¹⁷ｃｍ^-3）と、厚さ０.５μｍのｐ型ＺｎＳｅ層１
７（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）を順次成長する。ｐ型ＺｎＳｅ
層１７上に電極金属Ａｕ層１８を蒸着する一方、ｎ型Ｇ
ａＡｓ基板１１の裏面側にＡｕＧｅ層１９、Ｎｉ層２０
を蒸着する。

【００２０】ドライエッチングを行って、電極金属Ａ
ｕ１８、ｐ型ＺｎＳｅ１７のうち中央の３００μｍφの
部分を残して、その周囲の部分を除去する（作製完
了）。なお、ドライエッチングがｐ型ＺｎＳＳｅ１６に
及んでもかまわない。

【００２１】この発光素子では、アンドープＺｎＳｅ発
光層１３が室温で青色に発光する。しかも、ｐ型ＺｎＳ
Ｓｅ１４とｐ型ＧａＡｓ１５との界面に大きく、かつ、
急峻なヘテロバリアが生じ、このヘテロバリアによって
電流が阻止される。この結果、アンドープＺｎＳｅ発光
層１３のうちＡｕ層１８直下の無効発光を減少させるこ
とができる。実際に、ｐ型ＧａＡｓ層１５を設けない素
子に比して、駆動電流を２／３に低減することができ
た。

【００２２】図２は第２実施例の緑色発光素子の断面を
示している。

【００２３】この発光素子は、ｎ型ＩｎＰ基板（ｎ〜１
０¹⁸ｃｍ^-3）４１の表面側に、厚さ２μｍのｎ型ＣｄＳ
層４２（ｎ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）と、厚さ０.５μｍのｐ型
ＣｄＳ発光層４３（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）と、厚さ０.５
μｍのｐ型ＩｎＰ層４４（ｐ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）と、厚さ
２μｍのｐ型ＺｎＳｅ層４５（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）と、
電極金属としてのＡｕ層４６を順に備えている。一方、
ｎ型ＩｎＰ基板４１の裏面側に、ＡｕＧｅ層４７と、Ｎ
ｉ層４８を備えている。上記ｐ型ＩｎＰ層４４およびＡ
ｕ層４６は、直径３００μｍの円形状パターンとなって
いる。

【００２４】この発光素子は次のようにして作製する。
なお、第１実施例と同様に、各層の成長には分子線エピ
タキシー法（ＭＢＥ法）または有機金属化合物・化学気
相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を使用する。II−VI族化合物
半導体のアクセプタには窒素を用いる。窒素はラジカル
またはプラズマ・ビームで供給する。II−VI族化合物半
導体のドナーにはＣｌを用いる。また、III−Ｖ族化合
物半導体のアクセプタにはＢｅを使用する。

【００２５】まず、ｎ型ＩｎＰ基板（ｎ〜１０¹⁸ｃｍ
^-3）４１を塩酸系エッチング液でエッチングした後、Ｉ
ｎを接着剤として上記基板４１をＭｏホルダーに貼り付
ける。このＭｏホルダーをＭＢＥの成長室に搬入して、
Ｐ分子線を照射しながら、基板温度を上昇させて、ガス
出しを行うとともに酸化膜を蒸発させる。

【００２６】次に、基板温度を３００℃に保持した状
態で、ｎ型ＩｎＰ基板４１の表面側に、厚さ２μｍのｎ
型ＣｄＳ層４２（ｎ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）と、厚さ０.５μ
ｍのｐ型ＣｄＳ層４３（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）と、厚さ
０.５μｍのｐ型ＩｎＰ層４４（ｐ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）を
順次積層する。

【００２７】フォトリソグラフィおよび選択エッチン
グを行って、ｐ型ＩｎＰ層４４（ｐ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）の
うち中央の３００μｍφの部分を残して、その周囲の部
分を除去する。

【００２８】この後、再度試料をＭＢＥの成長室に搬
入して、厚さ２μｍのｐ型ＺｎＳｅ層４５（ｐ〜１０¹⁷
ｃｍ^-3）を成長する。ｐ型ＺｎＳｅ層４５上に電極金属
Ａｕ層４６を蒸着する一方、ｎ型ＩｎＰ基板４１の裏面
側にＡｕＧｅ層４７、Ｎｉ層４８を蒸着する。

【００２９】ドライエッチングを行って、電極金属Ａ
ｕ層４６のうち中央の３００μｍφの部分を残して、そ
の周囲の部分を除去する（作製完了）。なお、ドライエ
ッチングがｐ型ＺｎＳｅ層４５に及んでもかまわない。

【００３０】この発光素子では、ｐ型ＣｄＳ発光層４３
が室温で緑色に発光する。しかも、ｐ型ＣｄＳ層４３と
ｐ型ＩｎＰ層４４との界面に大きく、かつ、急峻なヘテ
ロバリアが生じ、このヘテロバリアによって電流が阻止
される。この結果、アンドープｐ型ＣｄＳ発光層４３の
うちＡｕ層４６直下の無効発光を減少させることができ
る。実際に、ｐ型ＩｎＰ層４４を設けない素子に比し
て、駆動電流を低減することができた。

【００３１】図３は第３実施例の紫外発光素子の断面を
示している。

【００３２】この発光素子は、ｎ型ＧａＰ基板（ｎ〜１
０¹⁸ｃｍ^-3）５１の表面側に、厚さ２μｍのｎ型ＺｎＳ
層５２（ｎ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）と、厚さ０.５μｍのｐ型
ＺｎＳ発光層５３（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）と、厚さ０.５
μｍのｐ型ＧａＰ層５４（ｐ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）と、厚さ
２μｍのｐ型ＭｇＳ層５５（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）と、電
極金属としてのＡｕ層５６を順に備えている。一方、ｎ
型ＧａＰ基板５１の裏面側にＡｕＧｅ層５７と、Ｎｉ層
５８を備えている。上記ｐ型ＧａＰ層５４およびＡｕ層
５６は、直径３００μｍφの円形状パターンとなってい
る。

【００３３】この発光素子は次のようにして作製する。
なお、第１，第２実施例と同様に、各層の成長には分子
線エピタキシー法（ＭＢＥ法）または有機金属化合物・
化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を使用する。II−VI族
化合物半導体のアクセプタには窒素を用いる。窒素はラ
ジカルまたはプラズマ・ビームで供給する。II−VI族化
合物半導体のドナーにはＣｌを用いる。また、III−Ｖ
族化合物半導体のアクセプタにはＢｅを使用する。

【００３４】まず、ｎ型ＧａＰ基板（ｎ〜１０¹⁸ｃｍ
^-3）５１をエッチングした後、Ｉｎを接着剤として上記
基板５１をＭｏホルダーに貼り付ける。このＭｏホルダ
ーをＭＢＥの成長室に搬入して、Ｐ分子線を照射しなが
ら、基板温度を上昇させてガス出しを行うとともに酸化
膜を蒸発させる。

【００３５】次に、基板温度を３００℃に保持した状
態で、ｎ型ＧａＰ基板５１の表面側に、厚さ２μｍのｎ
型ＺｎＳ層５２（ｎ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）と、厚さ０.５μ
ｍのｐ型ＺｎＳ発光層５３（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）と、厚
さ０.５μｍのｐ型ＧａＰ層５４（ｐ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）
を順次積層する。

【００３６】フォトリソグラフィおよび選択エッチン
グを行って、ｐ型ＧａＰ層５４（ｐ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）の
うち中央の３００μｍφの部分を残して、その周囲の部
分を除去する。

【００３７】この後、再度試料をＭＢＥの成長室に搬
入して、厚さ２μｍのｐ型ＭｇＳ層５５（ｐ〜１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）を成長する。ｐ型ＭｇＳ５５上に電極金属Ａｕ層
５６を蒸着する一方、ｎ型ＧａＰ基板５１の裏面側にＡ
ｕＧｅ層５７、Ｎｉ層５８を蒸着する。

【００３８】ドライエッチングを行って、電極金属Ａ
ｕ層５６のうち中央の３００μｍφの部分を残して、そ
の周囲の部分を除去する（作製完了）。なお、ドライエ
ッチングがｐ型ＭｇＳ層５５に及んでもかまわない。

【００３９】この発光素子では、ｐ型ＺｎＳ発光層５３
が室温で紫外の発光をする。しかも、ｐ型ＺｎＳ層５３
とｐ型ＧａＰ層５４との界面に大きく、かつ、急峻なヘ
テロバリアが生じ、このヘテロバリアによって電流が阻
止される。ｐ型ＺｎＳ発光層５３のうちＡｕ層５６直下
の無効発光が減少させることができる。実際に、ｐ型Ｇ
ａＰ層５４を設けない素子に比して、駆動電流を低減す
ることができた。

【００４０】なお、基板材料としてＧａＰを使用した
が、格子定数の近いＳｉ基板を用いても良い（Ｇａｐの
格子定数は５.４５Å、Ｓｉの格子定数は５.４３Åであ
る。）。

【００４１】図４は第４実施例の青色レーザ素子の断面
を示している。

【００４２】このレーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板６０
の表面側に、厚さ０.３μｍのｎ型ＺｎＳｅ層６１（ｎ
〜１０¹⁸ｃｍ^-3）と、厚さ２μｍのｎ型ＺｎＭｇＳＳｅ
クラッド層６２（ｎ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）と、発光層として
の厚さ０.１μｍのノンドープＺｎＳｅ活性層６３と、
厚さ２μｍのｐ型ＺｎＳＳｅクラッド層６４（ｐ〜１０
¹⁷ｃｍ^-3）と、厚さ０.３μｍのｐ型ＺｎＳｅ層６５
（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）を順に備えている。上記ｐ型Ｚｎ
Ｓｅ層６５およびｐ型ＺｎＭｇＳＳｅ層６４の一部６４
ａは、５μｍ幅のストライプ状のリッジ部７５を構成し
ており、その両側に、ｐ型ＧａＡｓ層６７（ｐ〜１０¹⁸
ｃｍ^-3）が設けられている。ｎ型ＧａＡｓ基板６０の裏
面側には電極金属としてのＡｕＧｅ層６８と、Ｎｉ層６
９が設けられる一方、ｐ型ＺｎＳｅ層６５およびＧａＡ
ｓ層６７の表面側にＡｕ層７０が設けられている。

【００４３】このレーザ素子は次のようにして作製す
る。なお、上記各実施例と同様に、各層の成長には分子
線エピタキシー法（ＭＢＥ法）または有機金属化合物・
化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を使用する。II−VI族
化合物半導体のアクセプタには窒素を用いる。窒素はラ
ジカルまたはプラズマ・ビームで供給する。II−VI族化
合物半導体のドナーにはＣｌを用いる。また、III−Ｖ
族化合物半導体のアクセプタにはＢｅを使用する。

【００４４】まず、ｎ型ＧａＡｓ基板６０を硫酸系エ
ッチング液でエッチングした後、Ｉｎを接着剤として上
記基板６０をＭｏホルダーに貼り付ける。このＭｏホル
ダーをＭＢＥの成長室に搬入して、Ａｓ分子線を照射し
ながら、基板温度を５８０℃に上昇させて、ガス出しを
行うとともに酸化膜を蒸発させる。

【００４５】次に、基板温度を３００℃に保持した状
態で、ｎ型ＧａＡｓ基板６０の表面側に、厚さ０.３μ
ｍのｎ型ＺｎＳｅ層６１（ｎ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）と、厚さ
２μｍのｎ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層６２（ｎ〜１０
¹⁸ｃｍ^-3）と、厚さ０.１μｍのノンドープＺｎＳｅ活
性層６３と、厚さ２μｍのｐ型ＺｎＳＳｅクラッド層６
４（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）と、厚さ０.３μｍのｐ型Ｚｎ
Ｓｅ層６５（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）を順次成長する。

【００４６】ドライエッチングを行って、ｐ型ＺｎＳ
ｅ層６５およびｐ型ＺｎＭｇＳＳｅ層６４の中央部分を
ストライプ状に残して、その両側の部分を除去する。こ
れにより、上記リッジ部７５を形成する。

【００４７】次に、液相成長法、ＭＢＥ法またはＭＯ
ＣＶＤ法により、リッジ部７５の両側にｐ型ＧａＡｓ層
６７（ｐ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）を再成長する。

【００４８】ｎ型ＧａＡｓ基板６０の裏面側に電極金
属ＡｕＧｅ層６８と、Ｎｉ層６９を蒸着する一方、ｐ型
ＺｎＳｅ層６５およびＧａＡｓ層６７の表面側にＡｕ層
７０を蒸着する（作製完了）。

【００４９】このレーザ素子では、室温近くまで青色レ
ーザを連続発振することができた。しかも、ｐ型ＧａＡ
ｓ層６７とｐ型ＺｎＳＳｅクラッド層６４，ｐ型ＺｎＳ
ｅ層６５との界面に大きく、かつ、急峻なヘテロバリア
が生じ、このヘテロバリアによって電流が阻止される。
この結果、ノンドープＺｎＳｅ活性層６３のうちリッジ
部７５直下の部分に電流を注入することができ、しきい
値電流を低減することができる。実際に、室温近くでの
しきい値電流は７０ｍＡであり、従来の利得導波路レー
ザに比して１／２に低減することができた。

【００５０】また、ノンドープＺｎＳｅ活性層６３の禁
制帯幅よりもｐ型ＧａＡｓ層６７の禁制帯幅の方が狭い
ので、活性層６３に導波された光（伝搬モード）が、ｐ
型ＧａＡｓ層６７が存する領域で吸収され、大きな損失
を受ける。したがって、活性層６３に対して平行方向に
広がりが大きい高次モードが抑制され、この結果、安定
な基本モードを得ることができる。

【００５１】図５は第５実施例の緑色レーザ素子の断面
を示している。

【００５２】このレーザ素子は、ｎ型ＩｎＰ基板８０の
表面側に、厚さ２μｍのｎ型ＭｇＳｅクラッド層８１
（ｎ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）と、発光層としての厚さ０.１μ
ｍのノンドープＣｄＳ活性層８２と、厚さ２μｍのｐ型
ＭｇＳｅクラッド層８３（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）を順に備
えている。ｐ型ＭｇＳｅ層８３の一部８３ａは、５μｍ
幅のストライプ状のリッジ部を構成しており、このリッ
ジ部８３ａの両側にｐ型ＩｎＰ層８４（ｐ〜１０¹⁸ｃｍ
^-3）が設けられている。ｎ型ＩｎＰ基板８０の裏面側に
電極金属ＡｕＧｅ層８５と、Ｎｉ層８６が設けられる一
方、ｐ型ＩｎＰ層８４およびｐ型ＭｇＳｅ層８３の表面
側にＡｕ層８７が設けられている。

【００５３】このレーザ素子は次のようにして作製す
る。なお、上記各実施例と同様に、各層の成長には分子
線エピタキシー法（ＭＢＥ法）または有機金属化合物・
化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を使用する。II−VI族
化合物半導体のアクセプタには窒素を用いる。窒素はラ
ジカルまたはプラズマ・ビームで供給する。II−VI族化
合物半導体のドナーにはＣｌを用いる。また、III−Ｖ
族化合物半導体のアクセプタにはＢｅを使用する。

【００５４】まず、ｎ型ＩｎＰ基板８０を塩酸系エッ
チング液でエッチングした後、Ｉｎを接着剤として上記
基板８０をＭｏホルダーに貼り付ける。このＭｏホルダ
ーをＭＢＥの成長室に搬入して、Ｐ分子線を照射しなが
ら、基板温度を上昇させて、ガス出しを行うとともに酸
化膜を蒸発させる。

【００５５】次に、基板温度を所定値に保持した状態
で、ｎ型ＩｎＰ基板８０の表面側に、厚さ２μｍのｎ型
ＭｇＳｅクラッド層８１（ｎ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）と、厚さ
０.１μｍのノンドープＣｄＳ活性層８２と、厚さ２μ
ｍのｐ型ＭｇＳｅクラッド層８３（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）
を順次成長する。

【００５６】ドライエッチングを行って、ｐ型ＭｇＳ
ｅ層８３の中央部分をストライプ状に残して、その両側
部分を除去する。これにより、上記リッジ部８３ａを形
成する。

【００５７】次に、液相成長法、ＭＢＥ法またはＭＯ
ＣＶＤ法により上記リッジ部８３ａの両側にｐ型ＩｎＰ
層８４（ｐ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）を再成長する。

【００５８】ｎ型ＩｎＰ基板８０の裏面側に電極金属
ＡｕＧｅ層８５と、Ｎｉ層８６を蒸着する一方、ｐ型Ｉ
ｎＰ層８４およびｐ型ＭｇＳｅ層８３の表面側にＡｕ層
８７を蒸着する。

【００５９】このレーザ素子では、室温近くまで緑色レ
ーザを連続発振することができた。しかも、ｐ型ＩｎＰ
層８４とｐ型ＭｇＳｅ層８３との界面に大きく、かつ、
急峻なヘテロバリアが生じ、このヘテロバリアによって
電流が阻止される。この結果、ノンドープＣｄＳ活性層
８２のうちリッジ部８３ａ直下の部分に電流を注入する
ことができ、しきい値電流を低減することができる。実
際に、ｐ型ＩｎＰ層８４を設けない利得導波型素子に比
して、駆動電流を低減することができた。

【００６０】また、ノンドープＣｄＳ活性層８２の禁制
帯幅よりもｐ型ＧａＡｓ層８４の禁制帯幅の方が狭いの
で、活性層８２に導波された光（伝搬モード）が、ｐ型
ＩｎＰ層８４が存する領域で吸収され、大きな損失を受
ける。したがって、活性層８２に対して平行方向に広が
りが大きい高次モードが抑制され、この結果、安定な基
本モードを得ることができる。

【００６１】図６は第６実施例の緑色レーザ素子の断面
を示している。

【００６２】このレーザ素子は、ｎ型ＧａＰ基板９０の
表面側に、厚さ２μｍのｎ型ＺｎＭｇＳクラッド層９１
（ｎ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）と、厚さ０.１５μｍのｎ型Ｚｎ
ＳＳｅガイド層９２（ｎ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）と、発光層と
しての厚さ１０ｎｍのノンドープＺｎＣｄＳ歪量子井戸
層９３と、厚さ０.１５μｍのｐ型ＺｎＳＳｅガイド層
９４（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）と、厚さ０.５μｍのｐ型Ｚ
ｎＭｇＳクラッド層９５（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）と、スト
ライプ状溝１０５を持つ厚さ０.５μｍのｐ型ＧａＰ層
９６（ｐ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）と、厚さ１μｍのｐ型ＺｎＭ
ｇＳクラッド層９７（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）と、厚さ０.
５μｍのｐ型ＧａＰ層９８（ｐ〜１０¹⁸ｃｍ^-3））を順
に備えている。ｎ型ＧａＰ基板９０の裏面側に電極金属
としてのＡｕＧｅ層９９と、Ｎｉ層１００が設けられる
一方、ｐ型ＧａＰ層９８の表面側にＡｕ層１０１と、Ａ
ｕＺｎ層１０２が設けられている。

【００６３】このレーザ素子は次のようにして作製す
る。なお、上記各実施例と同様に、各層の成長には分子
線エピタキシー法（ＭＢＥ法）または有機金属化合物・
化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を使用する。II−VI族
化合物半導体のアクセプタには窒素用いる。この窒素は
ラジカルまたはプラズマ・ビームで供給する。II−VI族
化合物半導体のドナーにはＣｌを用いる。また、III−
Ｖ族化合物半導体のアクセプタにはＢｅを使用する。

【００６４】まず、ｎ型ＧａＰ基板９０をエッチング
した後、Ｉｎを接着剤として上記基板９０をＭｏホルダ
ーに貼り付ける。このＭｏホルダーをＭＢＥの成長室に
搬入して、Ｐ分子線を照射しながら、基板温度を上昇さ
せて、ガス出しを行うとともに酸化膜を蒸発させる。

【００６５】次に、基板温度を所定値に保持した状態
で、ｎ型ＧａＰ基板９０の表面側に、厚さ２μｍのｎ型
ＺｎＭｇＳクラッド層９１（ｎ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）と、厚
さ０.１５μｍのｎ型ＺｎＳＳｅガイド層９２（ｎ〜１
０¹⁸ｃｍ^-3）と、厚さ１０ｎｍのノンドープＺｎＣｄＳ
歪量子井戸層９３と、厚さ０.１５μｍのｐ型ＺｎＳＳ
ｅガイド層９４（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）と、厚さ０.５μ
ｍのｐ型ＺｎＭｇＳクラッド層９５（ｐ〜１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）と、厚さ０.５μｍのｐ型ＧａＰ層９６（ｐ〜１
０¹⁸ｃｍ^-3）を順次成長する。

【００６６】フォトリソグラフィおよび選択エッチン
グを行って、ｐ型ＧａＰ層９６の中央に、幅５μｍのス
トライプ状溝１０５を形成する。

【００６７】次に、この上に、ＭＢＥ法またはＭＯＣ
ＶＤ法により、厚さ１μｍのｐ型ＺｎＭｇＳクラッド層
９７（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）と、厚さ０.５μｍのｐ型Ｇ
ａＰ９８（ｐ〜１０¹⁸ｃｍ^-3））を順次再成長する。

【００６８】ｎ型ＧａＰ基板９０の裏面側に電極金属
ＡｕＧｅ層９９と、Ｎｉ層１００を蒸着する一方、ｐ型
ＧａＰ層９８の表面側にＡｕ層１０１と、ＡｕＺｎ層１
０２を蒸着する。

【００６９】このレーザ素子では、室温近くまで青色レ
ーザを連続発振することができた。しかも、ｐ型ＧａＰ
層９６とｐ型ＺｎＭｇＳ層９５との界面に大きく、か
つ、急峻なヘテロバリアが生じ、このヘテロバリアによ
って電流が阻止される。この結果、ノンドープＺｎＣｄ
Ｓ歪量子井戸層９３のうちストライプ状溝１０５直下の
部分に電流を注入することができ、しきい値電流を低減
することができる。実際に、ｐ型ＧａＰ層９６（したが
ってストライプ状溝１０５）を設けない素子に比して、
駆動電流を低減することができた。

【００７０】また、ノンドープＺｎＣｄＳ歪量子井戸層
９３の禁制帯幅よりもｐ型ＧａＰ層９６の禁制帯幅の方
が狭いので、歪量子井戸層９３に導波された光（伝搬モ
ード）が、ｐ型ＧａＰ層９６が存する領域で吸収され、
大きな損失を受ける。したがって、歪量子井戸層９３に
対して平行方向に広がりが大きい高次モードが抑制さ
れ、この結果、安定な基本モードを得ることができる。

【００７１】図７は第７実施例の緑色レーザ素子の断面
を示している。

【００７２】このレーザ素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１
０の表面側に、厚さ２μｍのｎ型ＺｎＳＳｅクラッド層
１１１（ｎ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）と、厚さ０.１５μｍのｎ
型ＺｎＳｅガイド層１１２（ｎ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）と、発
光層としての多重量子井戸活性層１１５と、厚さ０.１
５μｍのｐ型ＺｎＳｅガイド層１１６（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ
^-3）と、厚さ０.５μｍのｐ型ＺｎＳＳｅクラッド層１
１７（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）と、ストライプ状溝１２５を
持つ厚さ０.５μｍのｐ型ＧａＡｓ層１１８（ｐ〜１０
¹⁸ｃｍ^-3）と、厚さ１μｍのｐ型ＺｎＳＳｅクラッド層
１１９（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）と、厚さ０.５μｍのｐ型
ＺｎＳｅ層１２０（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）を順に備えてい
る。多重量子井戸活性層１１５は、厚さ１０ｎｍのノン
ドープＺｎＣｄＳの歪量子井戸層１１３と、厚さ５ｎｍ
のノンドープＺｎＳｅバリア層１１４とを交互に積層し
て構成されている（歪量子井戸層１１３が５層、バリア
層１１４が４層である。）。ｎ型ＧａＡｓ基板１１０の
裏面側に電極金属としてのＡｕＧｅ層１２１と、Ｎｉ層
１２２が設けられる一方、ｐ型ＺｎＳｅ層１２０の表面
側にＡｕ層１２１が設けられている。

【００７３】このレーザ素子は次のようにして作製す
る。なお、上記各実施例と同様に、各層の成長には分子
線エピタキシー法（ＭＢＥ法）または有機金属化合物・
化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を使用する。II−VI族
化合物半導体のアクセプタには窒素を用いる。この窒素
はラジカルまたはプラズマ・ビームで供給する。II−VI
族化合物半導体のドナーにはＣｌを用いる。また、III
−Ｖ族化合物半導体のアクセプタにはＢｅを使用する。

【００７４】まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０を硫酸系
エッチング液でエッチングした後、Ｉｎを接着剤として
上記基板１１０をＭｏホルダーに貼り付ける。このＭｏ
ホルダーをＭＢＥの成長室に搬入して、Ａｓ分子線を照
射しながら、基板温度を上昇させて、ガス出しを行うと
ともに酸化膜を蒸発させる。

【００７５】基板温度を所定値に保持した状態で、ｎ
型ＧａＡｓ基板１１０の表面側に、厚さ２μｍのｎ型Ｚ
ｎＳＳｅクラッド層１１１（ｎ〜１０¹⁸ｃｍ^-3）と、厚
さ０.１５μｍのｎ型ＺｎＳｅガイド層１１２（ｎ〜１
０¹⁸ｃｍ^-3）とを順次成長する。続いて、厚さ１０ｎｍ
のノンドープＺｎＣｄＳ歪量子井戸層１１３と、厚さ５
ｎｍのノンドープＺｎＳｅバリア層１１４とを交互に積
層して、上記多重量子井戸活性層１１５を形成する。さ
らに、この上に、厚さ０.１５μｍのｐ型ＺｎＳｅガイ
ド層１１６（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）と、厚さ０.５μｍの
ｐ型ＺｎＳＳｅクラッド層１１７（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）
と、厚さ０.５μｍのｐ型ＧａＡｓ層１１８（ｐ〜１０
¹⁸ｃｍ^-3）を順次成長する。

【００７６】フォトリソグラフィおよび選択エッチン
グを行って、ｐ型ＧａＡｓ層１１８の中央に、幅５μｍ
のストライプ状溝１２５を形成する。

【００７７】次に、この上に、ＭＢＥ法またはＭＯＣ
ＶＤ法により、厚さ１μｍのｐ型ＺｎＳＳｅクラッド層
１１９（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）と、厚さ０.５μｍのｐ型
ＺｎＳｅ層１２０（ｐ〜１０¹⁷ｃｍ^-3）を順次再成長す
る。

【００７８】ｎ型ＧａＡｓ基板１１０の裏面側に電極
金属ＡｕＧｅ層１２１と、Ｎｉ層１２２を蒸着する一
方、ｐ型ＺｎＳｅ層１２０の表面側にＡｕ層１２１を蒸
着する（作製完了）。

【００７９】このレーザ素子では、室温近くまで緑色レ
ーザを連続発振することができた。しかも、ｐ型ＧａＡ
ｓ層１１８とｐ型ＺｎＳＳｅクラッド層１１７との界面
に大きく、かつ、急峻なヘテロバリアが生じ、このヘテ
ロバリアによって電流が阻止される。この結果、多重量
子井戸活性層１１５のうちストライプ状溝１２５直下の
部分に電流を注入することができ、しきい値電流を低減
することができる。実際に、室温近くでのしきい値電流
は５０ｍＡであり、従来の利得導波路レーザに比して１
／２に低減することができた。

【００８０】また、多重量子井戸活性層１１５を構成す
るノンドープＺｎＣｄＳ歪量子井戸層１１３，ノンドー
プＺｎＳｅバリア層１１４の禁制帯幅よりもｐ型ＧａＡ
ｓ層１１８の禁制帯幅の方が狭いので、多重量子井戸活
性層１１５に導波された光（伝搬モード）が、ｐ型Ｇａ
Ａｓ層１１８が存する領域で吸収され、大きな損失を受
ける。したがって、多重量子井戸活性層１１５に対して
平行方向に広がりが大きい高次モードが抑制され、この
結果、安定な基本モードを得ることができる。

【００８１】

【発明の効果】以上より明らかなように、請求項１の半
導体発光素子では、II−VI族化合物半導体層の層間に、
上記II−VI族化合物半導体層との界面にヘテロバリアを
形成するIII−Ｖ族化合物半導体層が所定のパターン形
状で設けられているので、動作時に、注入されたキャリ
アを上記ヘテロバリアよって阻止できる。したがって、
発光層のうち上記III−Ｖ族化合物半導体層が存する領
域以外の部分（発光領域）に電流を効率良く注入でき、
この結果、駆動電流を低減できる。

【００８２】また、請求項２の半導体発光素子の如く、
上記ヘテロバリアを形成するII−VI族化合物半導体とII
I−Ｖ族化合物半導体の導電型がｐ型である場合、ｎ型
などである場合に比して、価電子帯のバンド不連続が大
きく、かつ、急峻になる。したがって、注入されたキャ
リアを更に効率良く発光領域に注入でき、駆動電流を更
に低減できる。

【００８３】また、請求項３の半導体発光素子の如く、
上記III−Ｖ族化合物半導体層の禁制帯幅が、上記発光
層を構成するII−VI族化合物半導体層の禁制帯幅よりも
狭く設定されている場合、発光層（活性層）に導波され
た光（伝搬モード）が、上記III−Ｖ族化合物半導体層
が存する領域で吸収され、大きな損失を受ける。したが
って、上記発光素子がレーザ発振を行う場合、発光層に
対して平行方向に広がりが大きい高次モードを抑制し
て、安定な基本モードを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例の半導体発光素子の断
面を示す図である。

【図２】この発明の第２実施例の半導体発光素子の断
面を示す図である。

【図３】この発明の第３実施例の半導体発光素子の断
面を示す図である。

【図４】この発明の第４実施例の半導体レーザ素子の
断面を示す図である。

【図５】この発明の第５実施例の半導体レーザ素子の
断面を示す図である。

【図６】この発明の第６実施例の半導体レーザ素子の
断面を示す図である。

【図７】この発明の第７実施例の半導体レーザ素子の
断面を示す図である。

【図８】 II−VI族化合物半導体とIII−Ｖ族化合物半
導体のヘテロ接合が形成するバンドダイアグラムを示す
図である。

【符号の説明】

１３アンドープＺｎＳｅ発光層１４ｐ型ＺｎＳＳｅ層１５，６７，８４，１１８ｐ型ＧａＡｓ層４３アンドープｐ型ＣｄＳ発光層４４ｐ型ＩｎＰ層５３アンドープｐ型ＺｎＳ発光層５４，９６ｐ型ＧａＰ層６３ノンドープＺｎＳｅ活性層６４ｐ型ＺｎＳＳｅクラッド層６５ｐ型ＺｎＳｅ層８２ノンドープＣｄＳ活性層８３ｐ型ＭｇＳｅクラッド層９３ノンドープＺｎＣｄＳ歪量子井戸層９５，９７ｐ型ＺｎＭｇＳクラッド層１１５多重量子井戸活性層１１７，１１９ｐ型ＺｎＳＳｅクラッド層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平７−7183（ＪＰ，Ａ) 特開平６−314856（ＪＰ，Ａ) 特開平４−229665（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 33/00 H01S 3/18 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、発光層を含む複数のII−VI族
化合物半導体層が積層された半導体発光素子において、上記複数のII−VI族化合物半導体層の層間に、上記II−
VI族化合物半導体層との界面にヘテロバリアを形成する
III−Ｖ族化合物半導体層が所定のパターン形状で設け
られていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】上記ヘテロバリアを形成するII−VI族化
合物半導体とIII−Ｖ族化合物半導体の導電型がｐ型で
あることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素
子。
【請求項３】上記III−Ｖ族化合物半導体層の禁制帯
幅が、上記発光層を構成するII−VI族化合物半導体層の
禁制帯幅よりも狭く設定されていることを特徴とする請
求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。