JP3116675B2 - 半導体レーザー - Google Patents
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- H01S5/0233—Mounting configuration of laser chips
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体レーザーに関
し、例えば青色ないし緑色で発光可能な半導体レーザー
に関するものである。
し、例えば青色ないし緑色で発光可能な半導体レーザー
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、光ディスクの記録密度の向上やレ
ーザープリンタの解像度の向上を図るために、短波長で
の発光が可能な半導体レーザーに対する要求が高まって
きており、その実現を目指して研究が活発に行われてい
る。
ーザープリンタの解像度の向上を図るために、短波長で
の発光が可能な半導体レーザーに対する要求が高まって
きており、その実現を目指して研究が活発に行われてい
る。
【０００３】このような短波長での発光が可能な半導体
レーザーの作製に用いる材料としては、ＩＩ−ＶＩ族化
合物半導体が有望である。特に、四元系のＩＩ−ＶＩ族
化合物半導体であるＺｎＭｇＳＳｅ系化合物半導体は、
波長４００〜５５０ｎｍ帯の青色ないし緑色発光の半導
体レーザーをＧａＡｓ基板上に作製するときのクラッド
層や光導波層の材料に適していることが知られている
（例えば、Electron. Lett. 28(1992)1798）。
レーザーの作製に用いる材料としては、ＩＩ−ＶＩ族化
合物半導体が有望である。特に、四元系のＩＩ−ＶＩ族
化合物半導体であるＺｎＭｇＳＳｅ系化合物半導体は、
波長４００〜５５０ｎｍ帯の青色ないし緑色発光の半導
体レーザーをＧａＡｓ基板上に作製するときのクラッド
層や光導波層の材料に適していることが知られている
（例えば、Electron. Lett. 28(1992)1798）。
【０００４】現在、このＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用
いた半導体レーザーは、室温における発振を実現すべく
精力的に研究が行われている。その結果、上述のＺｎＭ
ｇＳＳｅ系化合物半導体を用いた半導体レーザーについ
て、本出願人が室温におけるパルス発振に成功してい
る。
いた半導体レーザーは、室温における発振を実現すべく
精力的に研究が行われている。その結果、上述のＺｎＭ
ｇＳＳｅ系化合物半導体を用いた半導体レーザーについ
て、本出願人が室温におけるパルス発振に成功してい
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、室温に
おける連続発振は、上述のＺｎＭｇＳＳｅ系化合物半導
体を用いた半導体レーザーについても、ＺｎＭｇＳＳｅ
系化合物半導体以外のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用い
た半導体レーザーについても、これまでに報告されてい
ない。
おける連続発振は、上述のＺｎＭｇＳＳｅ系化合物半導
体を用いた半導体レーザーについても、ＺｎＭｇＳＳｅ
系化合物半導体以外のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用い
た半導体レーザーについても、これまでに報告されてい
ない。
【０００６】従って、この発明の目的は、室温をはじめ
とする高温で連続発振可能なＩＩ−ＶＩ族化合物半導体
を用いた半導体レーザーを提供することにある。この発
明の他の目的は、室温をはじめとする高温で連続発振可
能な窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体
レーザーを提供することにある。
とする高温で連続発振可能なＩＩ−ＶＩ族化合物半導体
を用いた半導体レーザーを提供することにある。この発
明の他の目的は、室温をはじめとする高温で連続発振可
能な窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体
レーザーを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】今、半導体レーザーがデ
ューティｋで駆動されるとし、そのときのしきい値電流
をＩth（Ａ）、動作電圧をＶop（Ｖ）とする。Ｉth、Ｖ
opはｋの関数になり、また、ｋ＝１が半導体レーザーが
連続駆動される場合に対応する。
ューティｋで駆動されるとし、そのときのしきい値電流
をＩth（Ａ）、動作電圧をＶop（Ｖ）とする。Ｉth、Ｖ
opはｋの関数になり、また、ｋ＝１が半導体レーザーが
連続駆動される場合に対応する。
【０００８】このとき、半導体レーザーに投入される電
力の時間平均Ｐ（Ｗ）は、半導体レーザーを発振しきい
値直上で動作させるとすると、 Ｐ＝ｋＩthＶop （１） となる。このＰの一部が光として半導体レーザーの外部
に放出され、残りは半導体レーザーの発熱となる。
力の時間平均Ｐ（Ｗ）は、半導体レーザーを発振しきい
値直上で動作させるとすると、 Ｐ＝ｋＩthＶop （１） となる。このＰの一部が光として半導体レーザーの外部
に放出され、残りは半導体レーザーの発熱となる。
【０００９】さて、この発熱による半導体レーザーの温
度上昇ΔＴ（Ｋ）はＰに比例すると考えられるから、 ΔＴ＝Ｒt Ｐ＝ｋＲt ＩthＶop （２） となる。ここで、Ｒt （Ｋ／Ｗ）は半導体レーザーの
（見かけ上の）熱抵抗である。この場合、雰囲気の温度
をＴatom（Ｋ）とすると、半導体レーザーの温度Ｔ
（Ｋ）は、 Ｔ＝Ｔatom＋ΔＴ （３） である。
度上昇ΔＴ（Ｋ）はＰに比例すると考えられるから、 ΔＴ＝Ｒt Ｐ＝ｋＲt ＩthＶop （２） となる。ここで、Ｒt （Ｋ／Ｗ）は半導体レーザーの
（見かけ上の）熱抵抗である。この場合、雰囲気の温度
をＴatom（Ｋ）とすると、半導体レーザーの温度Ｔ
（Ｋ）は、 Ｔ＝Ｔatom＋ΔＴ （３） である。
【００１０】一方、半導体レーザーの温度Ｔとしきい値
電流Ｉthとの間には、Ｔ0 （Ｋ）を特性温度として、 Ｉth（Ｔ＝Ｔ2 ）＝Ｉth（Ｔ＝Ｔ1 ） exp（（Ｔ2 −Ｔ1 ）／Ｔ0 ）（４） の関係が成り立つ。従って、デューティｋ1 、ｋ2 で動
作させたときの半導体レーザーの温度をそれぞれＴ1 、
Ｔ2 とし、そのときのしきい値電流をそれぞれＩth（Ｔ
＝Ｔ1 ）＝Ｉth（ｋ1 ）、Ｉth（Ｔ＝Ｔ2 ）＝Ｉth（ｋ
2 ）とすると、（２）式、（３）式および（４）式よ
り、 Ｉth（ｋ2 ） ＝Ｉth（ｋ1 ） exp（（ΔＴ（ｋ2 ）−ΔＴ（ｋ1 ））／Ｔ0 ） ＝Ｉth（ｋ1 ） exp（（Ｒt ／Ｔ0 ) ［ｋ2 Ｉth（ｋ2 ）Ｖop（ｋ2 ） −ｋ1 Ｉth（ｋ1 ）Ｖop（ｋ1 ）］） （５） を得る。
電流Ｉthとの間には、Ｔ0 （Ｋ）を特性温度として、 Ｉth（Ｔ＝Ｔ2 ）＝Ｉth（Ｔ＝Ｔ1 ） exp（（Ｔ2 −Ｔ1 ）／Ｔ0 ）（４） の関係が成り立つ。従って、デューティｋ1 、ｋ2 で動
作させたときの半導体レーザーの温度をそれぞれＴ1 、
Ｔ2 とし、そのときのしきい値電流をそれぞれＩth（Ｔ
＝Ｔ1 ）＝Ｉth（ｋ1 ）、Ｉth（Ｔ＝Ｔ2 ）＝Ｉth（ｋ
2 ）とすると、（２）式、（３）式および（４）式よ
り、 Ｉth（ｋ2 ） ＝Ｉth（ｋ1 ） exp（（ΔＴ（ｋ2 ）−ΔＴ（ｋ1 ））／Ｔ0 ） ＝Ｉth（ｋ1 ） exp（（Ｒt ／Ｔ0 ) ［ｋ2 Ｉth（ｋ2 ）Ｖop（ｋ2 ） −ｋ1 Ｉth（ｋ1 ）Ｖop（ｋ1 ）］） （５） を得る。
【００１１】ここで、半導体レーザーの電流（Ｉ）−電
圧（Ｖ）特性が温度に依存しないと仮定し、 Ｖ＝Ｖth＋Ｒs Ｉ （６） の関数形で表されるとすると、Ｖop＝Ｖth＋Ｒs Ｉthと
なる。これを（５）式に代入して、 Ｉth（ｋ2 ） ＝Ｉth（ｋ1 ） exp（（Ｒt ／Ｔ0 ) ｛ｋ2 Ｉth（ｋ2 ）［Ｖth ＋Ｒs Ｉth（ｋ2 ）］−ｋ1 Ｉth（ｋ1 ）［Ｖth＋Ｒs Ｉth（ｋ1 ）］｝） （７） を得る。
圧（Ｖ）特性が温度に依存しないと仮定し、 Ｖ＝Ｖth＋Ｒs Ｉ （６） の関数形で表されるとすると、Ｖop＝Ｖth＋Ｒs Ｉthと
なる。これを（５）式に代入して、 Ｉth（ｋ2 ） ＝Ｉth（ｋ1 ） exp（（Ｒt ／Ｔ0 ) ｛ｋ2 Ｉth（ｋ2 ）［Ｖth ＋Ｒs Ｉth（ｋ2 ）］−ｋ1 Ｉth（ｋ1 ）［Ｖth＋Ｒs Ｉth（ｋ1 ）］｝） （７） を得る。
【００１２】（７）式において、ｋ1 ≪ｋ2 ＝１とお
き、Ｉth（pulse)≡Ｉth（ｋ1 ）、Ｉth（cw）≡Ｉ
th（１）と書けば、 Ｉth（cw）≒Ｉth（pulse) exp（（Ｒt ／Ｔ0 ) ｛Ｉth（cw）［Ｖth ＋Ｒs Ｉth（cw）］｝） （８） となる。ここで、次の三つの無次元量、 ｘ≡Ｉth（cw）／Ｉth（pulse) （９） α≡（Ｒt ／Ｔ0 ）Ｉth（pulse)Ｖth （10） β≡（Ｒt ／Ｔ0 ）Ｒs Ｉth 2 （pulse) （11） を定義して（８）式を書き直すと、 ｘ＝ exp（αｘ＋βｘ2 ） （12） となる。
き、Ｉth（pulse)≡Ｉth（ｋ1 ）、Ｉth（cw）≡Ｉ
th（１）と書けば、 Ｉth（cw）≒Ｉth（pulse) exp（（Ｒt ／Ｔ0 ) ｛Ｉth（cw）［Ｖth ＋Ｒs Ｉth（cw）］｝） （８） となる。ここで、次の三つの無次元量、 ｘ≡Ｉth（cw）／Ｉth（pulse) （９） α≡（Ｒt ／Ｔ0 ）Ｉth（pulse)Ｖth （10） β≡（Ｒt ／Ｔ0 ）Ｒs Ｉth 2 （pulse) （11） を定義して（８）式を書き直すと、 ｘ＝ exp（αｘ＋βｘ2 ） （12） となる。
【００１３】（12）式の物理的意味を考えると、立ち上
がり電圧Ｖthによるしきい値電流の上昇を表すパラメー
タαと、直列抵抗成分Ｒs によるしきい値電流の上昇を
表すパラメータβとが与えられたときに、（12）式を満
たすｘが存在すれば、発熱を無視することができる範囲
でパルス発振させたときのしきい値電流のｘ倍のしきい
値電流で室温連続発振が可能であるということがわか
る。
がり電圧Ｖthによるしきい値電流の上昇を表すパラメー
タαと、直列抵抗成分Ｒs によるしきい値電流の上昇を
表すパラメータβとが与えられたときに、（12）式を満
たすｘが存在すれば、発熱を無視することができる範囲
でパルス発振させたときのしきい値電流のｘ倍のしきい
値電流で室温連続発振が可能であるということがわか
る。
【００１４】（12）式の両辺の対数をとり、さらにｘで
割り算すると、 lnｘ／ｘ＝α＋βｘ （13） を得る。従って、上述の条件を言い換えると、曲線、 ｙ＝lnｘ／ｘ （14） と、直線、 ｙ＝α＋βｘ （15） との交点が存在すれば、そのｘ座標の（うち最小の）値
において、室温連続発振が可能であるということにな
る。
割り算すると、 lnｘ／ｘ＝α＋βｘ （13） を得る。従って、上述の条件を言い換えると、曲線、 ｙ＝lnｘ／ｘ （14） と、直線、 ｙ＝α＋βｘ （15） との交点が存在すれば、そのｘ座標の（うち最小の）値
において、室温連続発振が可能であるということにな
る。
【００１５】図１にｙ＝lnｘ／ｘのグラフを示す。α、
β＞０であるから、直ちに １．α＜ｅ-1、β＜ｅ-1／２でなければ交点が存在しな
い。すなわち、その場合は連続発振しないこと。 ２．交点が存在すれば、そのときの最小のｘはｅより小
さい。つまり、連続発振が実現したとすると、そのとき
のしきい値電流はパルス発振時の値のｅ倍未満になるこ
と。 がわかる。なお、１．は必要条件であって、十分条件で
はないことに注意しなければならない。
β＞０であるから、直ちに １．α＜ｅ-1、β＜ｅ-1／２でなければ交点が存在しな
い。すなわち、その場合は連続発振しないこと。 ２．交点が存在すれば、そのときの最小のｘはｅより小
さい。つまり、連続発振が実現したとすると、そのとき
のしきい値電流はパルス発振時の値のｅ倍未満になるこ
と。 がわかる。なお、１．は必要条件であって、十分条件で
はないことに注意しなければならない。
【００１６】β＜ｅ-1／２は次のようにして導かれる。
α＝０とおくとき、ｙ＝lnｘ／ｘとｙ＝βMAX ｘとが接
する条件は、接点のｘ座標をｘ0 とすると、 ｙ（ｘ0 ）＝lnｘ0 ／ｘ0 ＝βMAX ｘ0 (16a) （ｄｙ／ｄｘ）（ｘ0 ）＝（１−lnｘ0 ）／ｘ0 2 ＝βMAX (16b) で与えられる連立方程式となる。この連立方程式を解く
には、まず、βMAX を消去してｘ0 ＝ｅ1/2 を得、これ
を元の連立方程式のどちらかに代入して、βMAX＝ｅ-1
／２を得る。β＜βMAX が、交点を持つための必要条件
であることは、図１より明らかである。
α＝０とおくとき、ｙ＝lnｘ／ｘとｙ＝βMAX ｘとが接
する条件は、接点のｘ座標をｘ0 とすると、 ｙ（ｘ0 ）＝lnｘ0 ／ｘ0 ＝βMAX ｘ0 (16a) （ｄｙ／ｄｘ）（ｘ0 ）＝（１−lnｘ0 ）／ｘ0 2 ＝βMAX (16b) で与えられる連立方程式となる。この連立方程式を解く
には、まず、βMAX を消去してｘ0 ＝ｅ1/2 を得、これ
を元の連立方程式のどちらかに代入して、βMAX＝ｅ-1
／２を得る。β＜βMAX が、交点を持つための必要条件
であることは、図１より明らかである。
【００１７】ここで、（14）式で表される曲線と（15）
式で表される直線とが交点を持つための、α、βに対す
る必要十分条件を導出する。αを（０、ｅ-1）の範囲の
ある値に固定して考える。ｙ切片がαであるようなｙ＝
lnｘ／ｘの接線の傾きをβM（α）とすると、図１よ
り、 β＜βM （α） （17） が求める条件である。ここで、その接線の接点の座標を
（ｘ0 、lnｘ0 ／ｘ0 ）とすると、接線の方程式は、 ｙ＝［（１−lnｘ0 ）／ｘ0 2 ］（ｘ−ｘ0 ）＋lnｘ0 ／ｘ0 ＝［（１−lnｘ0 ）／ｘ0 2 ］ｘ＋（２lnｘ0 −１）／ｘ0 ≡βM （α）ｘ＋α （18） となる。従って、ｘ0 をパラメータとして、 α＝（２lnｘ0 −１）／ｘ0 (19a) βM ＝（１−lnｘ0 ）／ｘ0 2 (19b) により、βM （α）を求めることができた。これを実際
に計算機により計算したものを図２に示す。
式で表される直線とが交点を持つための、α、βに対す
る必要十分条件を導出する。αを（０、ｅ-1）の範囲の
ある値に固定して考える。ｙ切片がαであるようなｙ＝
lnｘ／ｘの接線の傾きをβM（α）とすると、図１よ
り、 β＜βM （α） （17） が求める条件である。ここで、その接線の接点の座標を
（ｘ0 、lnｘ0 ／ｘ0 ）とすると、接線の方程式は、 ｙ＝［（１−lnｘ0 ）／ｘ0 2 ］（ｘ−ｘ0 ）＋lnｘ0 ／ｘ0 ＝［（１−lnｘ0 ）／ｘ0 2 ］ｘ＋（２lnｘ0 −１）／ｘ0 ≡βM （α）ｘ＋α （18） となる。従って、ｘ0 をパラメータとして、 α＝（２lnｘ0 −１）／ｘ0 (19a) βM ＝（１−lnｘ0 ）／ｘ0 2 (19b) により、βM （α）を求めることができた。これを実際
に計算機により計算したものを図２に示す。
【００１８】以上より、（14）式で表される曲線と（1
5）式で表される直線とが交点を持つためには、α軸、
すなわち直線β＝０、β軸、すなわち直線α＝０および
ｘ0 をパラメータとする曲線（（２lnｘ0 −１）／
ｘ0 、（１−lnｘ0 ）／ｘ0 2 ）により囲まれた領域Ｄ
内に（α、β）が存在しなければならないことがわか
る。
5）式で表される直線とが交点を持つためには、α軸、
すなわち直線β＝０、β軸、すなわち直線α＝０および
ｘ0 をパラメータとする曲線（（２lnｘ0 −１）／
ｘ0 、（１−lnｘ0 ）／ｘ0 2 ）により囲まれた領域Ｄ
内に（α、β）が存在しなければならないことがわか
る。
【００１９】この発明は、本発明者による上記の検討に
基づいて案出されたものである。すなわち、上記目的を
達成するために、この発明は、第１導電型の第１のクラ
ッド層（３）と、第１のクラッド層（３）上に積層され
た活性層（５）と、活性層（５）上に積層された第２導
電型の第２のクラッド層（７）とを有し、第１のクラッ
ド層（３）、活性層（５）および第２のクラッド層
（７）はＩＩ−ＶＩ族化合物半導体から成り、しきい値
電流Ｉth（Ａ）、第１のクラッド層（３）、活性層
（５）および第２のクラッド層（７）により構成される
ダイオードの立ち上がり電圧Ｖth（Ｖ）、ダイオードの
立ち上がり後の微分抵抗Ｒs （Ω）、熱抵抗Ｒt （Ｋ／
Ｗ）、特性温度Ｔ0 （Ｋ）の特性でパルス発振する半導
体レーザーにおいて、 α≡（Ｒt ／Ｔ0 ）ＩthＶth β≡（Ｒt ／Ｔ0 ）Ｒs Ｉth 2 で二つの量α、βを定義したとき、（α、β）が、αβ
平面上における、直線α＝０、直線β＝０およびｔをパ
ラメータとする曲線（（２lnｔ−１）／ｔ、（１−ln
ｔ）／ｔ2 ）により囲まれた領域内に存在することを特
徴とする半導体レーザーである。
基づいて案出されたものである。すなわち、上記目的を
達成するために、この発明は、第１導電型の第１のクラ
ッド層（３）と、第１のクラッド層（３）上に積層され
た活性層（５）と、活性層（５）上に積層された第２導
電型の第２のクラッド層（７）とを有し、第１のクラッ
ド層（３）、活性層（５）および第２のクラッド層
（７）はＩＩ−ＶＩ族化合物半導体から成り、しきい値
電流Ｉth（Ａ）、第１のクラッド層（３）、活性層
（５）および第２のクラッド層（７）により構成される
ダイオードの立ち上がり電圧Ｖth（Ｖ）、ダイオードの
立ち上がり後の微分抵抗Ｒs （Ω）、熱抵抗Ｒt （Ｋ／
Ｗ）、特性温度Ｔ0 （Ｋ）の特性でパルス発振する半導
体レーザーにおいて、 α≡（Ｒt ／Ｔ0 ）ＩthＶth β≡（Ｒt ／Ｔ0 ）Ｒs Ｉth 2 で二つの量α、βを定義したとき、（α、β）が、αβ
平面上における、直線α＝０、直線β＝０およびｔをパ
ラメータとする曲線（（２lnｔ−１）／ｔ、（１−ln
ｔ）／ｔ2 ）により囲まれた領域内に存在することを特
徴とする半導体レーザーである。
【００２０】この発明による半導体レーザーの一実施形
態においては、半導体レーザーは、第１のクラッド層
（３）と活性層（５）との間に第１の光導波層（４）を
有し、第２のクラッド層（７）と活性層（５）との間に
第２の光導波層（６）を有し、第１の光導波層（４）お
よび第２の光導波層（６）はＩＩ−ＶＩ族化合物半導体
から成る。
態においては、半導体レーザーは、第１のクラッド層
（３）と活性層（５）との間に第１の光導波層（４）を
有し、第２のクラッド層（７）と活性層（５）との間に
第２の光導波層（６）を有し、第１の光導波層（４）お
よび第２の光導波層（６）はＩＩ−ＶＩ族化合物半導体
から成る。
【００２１】この発明による半導体レーザーの好適な一
実施形態においては、第１のクラッド層（３）および第
２のクラッド層（７）を構成するＩＩ−ＶＩ族化合物半
導体はＺｎＭｇＳＳｅ系化合物半導体である。もう一つ
の発明は、第１導電型の第１のクラッド層と、 第１のク
ラッド層上に積層された活性層と、 活性層上に積層され
た第２導電型の第２のクラッド層とを有し、 第１のクラ
ッド層、活性層および第２のクラッド層は窒化物系ＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体から成り、 しきい値電流Ｉ
th （Ａ）、第１のクラッド層、活性層および第２のクラ
ッド層により構成されるダイオードの立ち上がり電圧Ｖ
th （Ｖ）、ダイオードの立ち上がり後の微分抵抗Ｒ
s （Ω）、熱抵抗Ｒ t （Ｋ／Ｗ）、特性温度Ｔ 0 （Ｋ）
の特性でパルス発振する半導体レーザーにおいて、 α≡（Ｒ t ／Ｔ 0 ）Ｉ th Ｖ th β≡（Ｒ t ／Ｔ 0 ）Ｒ s Ｉ th 2 で二つの量α、βを定義したとき、（α、β）が、 αβ
平面上における、直線α＝０、直線β＝０およびｔをパ
ラメータとする曲線（（２lnｔ−１）／ｔ、（１−ln
ｔ）／ｔ 2 ）により囲まれた領域内に存在する ことを特
徴とする半導体レーザーである。 このもう一つの発明に
よる半導体レーザーの一実施形態においては、半導体レ
ーザーは、第１のクラッド層と活性層との間に第１の光
導波層を有し、第２のクラッド層と活性層との間に第２
の光導波層を有し、第１の光導波層および第２の光導波
層は窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から成る。
実施形態においては、第１のクラッド層（３）および第
２のクラッド層（７）を構成するＩＩ−ＶＩ族化合物半
導体はＺｎＭｇＳＳｅ系化合物半導体である。もう一つ
の発明は、第１導電型の第１のクラッド層と、 第１のク
ラッド層上に積層された活性層と、 活性層上に積層され
た第２導電型の第２のクラッド層とを有し、 第１のクラ
ッド層、活性層および第２のクラッド層は窒化物系ＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体から成り、 しきい値電流Ｉ
th （Ａ）、第１のクラッド層、活性層および第２のクラ
ッド層により構成されるダイオードの立ち上がり電圧Ｖ
th （Ｖ）、ダイオードの立ち上がり後の微分抵抗Ｒ
s （Ω）、熱抵抗Ｒ t （Ｋ／Ｗ）、特性温度Ｔ 0 （Ｋ）
の特性でパルス発振する半導体レーザーにおいて、 α≡（Ｒ t ／Ｔ 0 ）Ｉ th Ｖ th β≡（Ｒ t ／Ｔ 0 ）Ｒ s Ｉ th 2 で二つの量α、βを定義したとき、（α、β）が、 αβ
平面上における、直線α＝０、直線β＝０およびｔをパ
ラメータとする曲線（（２lnｔ−１）／ｔ、（１−ln
ｔ）／ｔ 2 ）により囲まれた領域内に存在する ことを特
徴とする半導体レーザーである。 このもう一つの発明に
よる半導体レーザーの一実施形態においては、半導体レ
ーザーは、第１のクラッド層と活性層との間に第１の光
導波層を有し、第２のクラッド層と活性層との間に第２
の光導波層を有し、第１の光導波層および第２の光導波
層は窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から成る。
【００２２】
【作用】上述のようなこの発明によれば、しきい値電流
Ｉth（Ａ）、ダイオードの立ち上がり電圧Ｖth（Ｖ）、
ダイオードの立ち上がり後の微分抵抗Ｒs （Ω）、熱抵
抗Ｒt （Ｋ／Ｗ）、特性温度Ｔ0 （Ｋ）の特性でパルス
発振する半導体レーザーにおいて、α≡（Ｒt ／Ｔ0 ）
ＩthＶthおよびβ≡（Ｒt ／Ｔ0 ）Ｒs Ｉth 2 で二つの
量α、βを定義したときの（α、β）が、αβ平面上に
おける、直線α＝０、直線β＝０およびｔをパラメータ
とする曲線（（２lnｔ−１）／ｔ、（１−lnｔ）／
ｔ2 ）により囲まれた領域内に存在するように設計製造
を行うことにより、室温をはじめとする高温で連続発振
可能なＩＩ−ＶＩ族化合物半導体または窒化物系ＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザーを実現する
ことができる。
Ｉth（Ａ）、ダイオードの立ち上がり電圧Ｖth（Ｖ）、
ダイオードの立ち上がり後の微分抵抗Ｒs （Ω）、熱抵
抗Ｒt （Ｋ／Ｗ）、特性温度Ｔ0 （Ｋ）の特性でパルス
発振する半導体レーザーにおいて、α≡（Ｒt ／Ｔ0 ）
ＩthＶthおよびβ≡（Ｒt ／Ｔ0 ）Ｒs Ｉth 2 で二つの
量α、βを定義したときの（α、β）が、αβ平面上に
おける、直線α＝０、直線β＝０およびｔをパラメータ
とする曲線（（２lnｔ−１）／ｔ、（１−lnｔ）／
ｔ2 ）により囲まれた領域内に存在するように設計製造
を行うことにより、室温をはじめとする高温で連続発振
可能なＩＩ−ＶＩ族化合物半導体または窒化物系ＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザーを実現する
ことができる。
【００２３】特に、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の一種で
あるＺｎＭｇＳＳｅ系化合物半導体をクラッド層や光導
波層などの材料として用いることにより、例えば青色な
いし緑色で発光が可能な半導体レーザーを実現すること
ができ、さらには活性層の材料の選択によっては近紫外
域の波長で発光が可能な半導体レーザーを実現すること
もできる。
あるＺｎＭｇＳＳｅ系化合物半導体をクラッド層や光導
波層などの材料として用いることにより、例えば青色な
いし緑色で発光が可能な半導体レーザーを実現すること
ができ、さらには活性層の材料の選択によっては近紫外
域の波長で発光が可能な半導体レーザーを実現すること
もできる。
【００２４】
【実施例】以下、この発明の実施例について図面を参照
しながら説明する。なお、実施例の全図において、同一
または対応する部分には同一の符号を付す。
しながら説明する。なお、実施例の全図において、同一
または対応する部分には同一の符号を付す。
【００２５】図３はこの発明の第１実施例による半導体
レーザーを示す。この第１実施例による半導体レーザー
はＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure) 構
造を有するものである。
レーザーを示す。この第１実施例による半導体レーザー
はＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure) 構
造を有するものである。
【００２６】図３に示すように、この第１実施例による
半導体レーザーにおいては、例えばｎ型不純物としてＳ
ｉがドープされた（１００）面方位のｎ型ＧａＡｓ基板
１上に、例えばｎ型不純物としてＣｌがドープされたｎ
型ＺｎＳｅバッファ層２、例えばｎ型不純物としてＣｌ
がドープされたｎ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッ
ド層３、例えばｎ型不純物としてＣｌがドープされたｎ
型ＺｎＳｅ光導波層４、活性層５、例えばｐ型不純物と
してＮがドープされたｐ型ＺｎＳｅ光導波層６、例えば
ｐ型不純物としてＮがドープされたｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp
Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７、例えばｐ型不純物としてＮ
がドープされたｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８および例えば
ｐ型不純物としてＮがドープされたｐ型ＺｎＳｅコンタ
クト層９が順次積層されている。
半導体レーザーにおいては、例えばｎ型不純物としてＳ
ｉがドープされた（１００）面方位のｎ型ＧａＡｓ基板
１上に、例えばｎ型不純物としてＣｌがドープされたｎ
型ＺｎＳｅバッファ層２、例えばｎ型不純物としてＣｌ
がドープされたｎ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッ
ド層３、例えばｎ型不純物としてＣｌがドープされたｎ
型ＺｎＳｅ光導波層４、活性層５、例えばｐ型不純物と
してＮがドープされたｐ型ＺｎＳｅ光導波層６、例えば
ｐ型不純物としてＮがドープされたｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp
Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７、例えばｐ型不純物としてＮ
がドープされたｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８および例えば
ｐ型不純物としてＮがドープされたｐ型ＺｎＳｅコンタ
クト層９が順次積層されている。
【００２７】この場合、ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９お
よびｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８の上層部はストライプ形
状にパターニングされている。このストライプ部の幅は
例えば５μｍである。
よびｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８の上層部はストライプ形
状にパターニングされている。このストライプ部の幅は
例えば５μｍである。
【００２８】さらに、上述のストライプ部以外の部分の
ｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８上には、例えば厚さが３００
ｎｍのアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）膜から成る絶縁層１０が
形成されている。そして、ストライプ形状のｐ型ＺｎＳ
ｅコンタクト層９および絶縁層１０上にｐ側電極１１が
形成されている。このｐ側電極１１がｐ型ＺｎＳｅコン
タクト層９とコンタクトした部分が電流の通路となる。
ここで、このｐ側電極１１としては、例えば、厚さが１
０ｎｍのＰｄ膜と厚さが１００ｎｍのＰｔ膜と厚さが３
００ｎｍのＡｕ膜とを順次積層した構造のＡｕ／Ｐｔ／
Ｐｄ電極が用いられる。一方、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏
面には、例えばＩｎ電極のようなｎ側電極１２がコンタ
クトしている。
ｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８上には、例えば厚さが３００
ｎｍのアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）膜から成る絶縁層１０が
形成されている。そして、ストライプ形状のｐ型ＺｎＳ
ｅコンタクト層９および絶縁層１０上にｐ側電極１１が
形成されている。このｐ側電極１１がｐ型ＺｎＳｅコン
タクト層９とコンタクトした部分が電流の通路となる。
ここで、このｐ側電極１１としては、例えば、厚さが１
０ｎｍのＰｄ膜と厚さが１００ｎｍのＰｔ膜と厚さが３
００ｎｍのＡｕ膜とを順次積層した構造のＡｕ／Ｐｔ／
Ｐｄ電極が用いられる。一方、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏
面には、例えばＩｎ電極のようなｎ側電極１２がコンタ
クトしている。
【００２９】この第１実施例による半導体レーザーにお
いては、いわゆる端面コーティングが施されている。す
なわち、図４はこの第１実施例による半導体レーザーの
共振器長方向に平行な断面を示す。図４に示すように、
共振器長方向に垂直な一対の共振器端面のうちレーザー
光が取り出されるフロント側の端面には厚さ７４ｎｍの
Ａｌ2 Ｏ3 膜１３と厚さ３１ｎｍのＳｉ膜１４とから成
る多層膜がコーティングされ、共振器長方向に垂直な一
対の共振器端面のうちレーザー光が取り出されないリア
側の端面には厚さ７４ｎｍのＡｌ2 Ｏ3 膜１３と厚さ３
１ｎｍのＳｉ膜１４とを２周期積層した多層膜がコーテ
ィングされている。ここで、Ａｌ2 Ｏ3膜１３とＳｉ膜
１４とから成る多層膜の厚さは、それに屈折率をかけた
光学的距離が、レーザー光の発振波長の１／４に等しく
なるように選ばれている。この場合、フロント側の端面
の反射率は７０％であり、リア側の端面の反射率は９５
％である。
いては、いわゆる端面コーティングが施されている。す
なわち、図４はこの第１実施例による半導体レーザーの
共振器長方向に平行な断面を示す。図４に示すように、
共振器長方向に垂直な一対の共振器端面のうちレーザー
光が取り出されるフロント側の端面には厚さ７４ｎｍの
Ａｌ2 Ｏ3 膜１３と厚さ３１ｎｍのＳｉ膜１４とから成
る多層膜がコーティングされ、共振器長方向に垂直な一
対の共振器端面のうちレーザー光が取り出されないリア
側の端面には厚さ７４ｎｍのＡｌ2 Ｏ3 膜１３と厚さ３
１ｎｍのＳｉ膜１４とを２周期積層した多層膜がコーテ
ィングされている。ここで、Ａｌ2 Ｏ3膜１３とＳｉ膜
１４とから成る多層膜の厚さは、それに屈折率をかけた
光学的距離が、レーザー光の発振波長の１／４に等しく
なるように選ばれている。この場合、フロント側の端面
の反射率は７０％であり、リア側の端面の反射率は９５
％である。
【００３０】この第１実施例においては、活性層５は好
適には厚さが２〜２０ｎｍ、例えば厚さが９ｎｍのｉ型
Ｚｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ量子井戸層から成る単一量子井戸構
造を有する。この場合、ｎ型ＺｎＳｅ光導波層４および
ｐ型ＺｎＳｅ光導波層６が障壁層を構成する。
適には厚さが２〜２０ｎｍ、例えば厚さが９ｎｍのｉ型
Ｚｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ量子井戸層から成る単一量子井戸構
造を有する。この場合、ｎ型ＺｎＳｅ光導波層４および
ｐ型ＺｎＳｅ光導波層６が障壁層を構成する。
【００３１】ｎ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド
層３およびｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp ＳqＳｅ1-q クラッド層
７のＭｇ組成比ｐは例えば０．０９、またＳ組成比ｑは
例えば０．１８であり、そのときのバンドギャップＥg
は７７Ｋで約２．９４ｅＶである。これらのＭｇ組成比
ｐ＝０．０９およびＳ組成比ｑ＝０．１８を有するｎ型
Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３およびｐ型Ｚ
ｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７はＧａＡｓと格
子整合する。また、活性層５を構成するｉ型Ｚｎ1-z Ｃ
ｄz Ｓｅ量子井戸層のＣｄ組成比ｚは例えば０．１９で
あり、そのときのバンドギャップＥg は７７Ｋで約２．
５４ｅＶである。この場合、ｎ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓ
ｅ1-q クラッド層３およびｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ
1-q クラッド層７と活性層５を構成するｉ型Ｚｎ1-z Ｃ
ｄz Ｓｅ量子井戸層との間のバンドギャップＥg の差Δ
Ｅg は０．４０ｅＶである。なお、室温でのバンドギャ
ップＥg の値は、７７ＫでのバンドギャップＥg の値か
ら０．１ｅＶを引くことにより求めることができる。
層３およびｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp ＳqＳｅ1-q クラッド層
７のＭｇ組成比ｐは例えば０．０９、またＳ組成比ｑは
例えば０．１８であり、そのときのバンドギャップＥg
は７７Ｋで約２．９４ｅＶである。これらのＭｇ組成比
ｐ＝０．０９およびＳ組成比ｑ＝０．１８を有するｎ型
Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３およびｐ型Ｚ
ｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７はＧａＡｓと格
子整合する。また、活性層５を構成するｉ型Ｚｎ1-z Ｃ
ｄz Ｓｅ量子井戸層のＣｄ組成比ｚは例えば０．１９で
あり、そのときのバンドギャップＥg は７７Ｋで約２．
５４ｅＶである。この場合、ｎ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓ
ｅ1-q クラッド層３およびｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ
1-q クラッド層７と活性層５を構成するｉ型Ｚｎ1-z Ｃ
ｄz Ｓｅ量子井戸層との間のバンドギャップＥg の差Δ
Ｅg は０．４０ｅＶである。なお、室温でのバンドギャ
ップＥg の値は、７７ＫでのバンドギャップＥg の値か
ら０．１ｅＶを引くことにより求めることができる。
【００３２】この場合、ｎ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ
1-q クラッド層３の厚さは例えば１．５μｍであり、不
純物濃度はＮD −ＮA （ＮD ：ドナー濃度、ＮA ：アク
セプタ濃度）で例えば５×１０17ｃｍ-3である。ｎ型Ｚ
ｎＳｅ光導波層４の厚さは例えば８０ｎｍであり、不純
物濃度はＮD −ＮA で例えば５×１０17ｃｍ-3である。
また、ｐ型ＺｎＳｅ光導波層６の厚さは例えば８０ｎｍ
であり、不純物濃度はＮA −ＮD で例えば５×１０17ｃ
ｍ-3である。ｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド
層７の厚さは例えば０．８μｍであり、不純物濃度はＮ
A −ＮD で例えば２×１０17ｃｍ-3である。ｐ型ＺｎＳ
v Ｓｅ1-v 層８の厚さは例えば０．８μｍであり、不純
物濃度はＮA −ＮD で例えば８×１０17ｃｍ-3である。
ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９の厚さは例えば４５ｎｍで
あり、不純物濃度はＮA −ＮD で例えば８×１０17ｃｍ
-3である。
1-q クラッド層３の厚さは例えば１．５μｍであり、不
純物濃度はＮD −ＮA （ＮD ：ドナー濃度、ＮA ：アク
セプタ濃度）で例えば５×１０17ｃｍ-3である。ｎ型Ｚ
ｎＳｅ光導波層４の厚さは例えば８０ｎｍであり、不純
物濃度はＮD −ＮA で例えば５×１０17ｃｍ-3である。
また、ｐ型ＺｎＳｅ光導波層６の厚さは例えば８０ｎｍ
であり、不純物濃度はＮA −ＮD で例えば５×１０17ｃ
ｍ-3である。ｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド
層７の厚さは例えば０．８μｍであり、不純物濃度はＮ
A −ＮD で例えば２×１０17ｃｍ-3である。ｐ型ＺｎＳ
v Ｓｅ1-v 層８の厚さは例えば０．８μｍであり、不純
物濃度はＮA −ＮD で例えば８×１０17ｃｍ-3である。
ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９の厚さは例えば４５ｎｍで
あり、不純物濃度はＮA −ＮD で例えば８×１０17ｃｍ
-3である。
【００３３】また、ｎ型ＺｎＳｅバッファ層２の厚さ
は、ＺｎＳｅとＧａＡｓとの間にはわずかではあるが格
子不整合が存在することから、この格子不整合に起因し
てこのｎ型ＺｎＳｅバッファ層２およびその上の各層の
エピタキシャル成長時に転位が発生するのを防止するた
めに、ＺｎＳｅの臨界膜厚（〜１００ｎｍ）よりも十分
に小さく選ばれるが、この第１実施例においては例えば
３３ｎｍである。
は、ＺｎＳｅとＧａＡｓとの間にはわずかではあるが格
子不整合が存在することから、この格子不整合に起因し
てこのｎ型ＺｎＳｅバッファ層２およびその上の各層の
エピタキシャル成長時に転位が発生するのを防止するた
めに、ＺｎＳｅの臨界膜厚（〜１００ｎｍ）よりも十分
に小さく選ばれるが、この第１実施例においては例えば
３３ｎｍである。
【００３４】この第１実施例による半導体レーザーの共
振器長Ｌは例えば６４０μｍに選ばれ、この共振器長方
向に垂直な方向の幅は例えば４００μｍに選ばれる。
振器長Ｌは例えば６４０μｍに選ばれ、この共振器長方
向に垂直な方向の幅は例えば４００μｍに選ばれる。
【００３５】この第１実施例において、ｐ型Ｚｎ1-p Ｍ
ｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７上に積層されたｐ型Ｚｎ
Ｓv Ｓｅ1-v 層８は、場合に応じて、ｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇ
p Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７に加えた第２のｐ型クラッ
ド層としての機能、ｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q ク
ラッド層７との格子整合をとる機能、後述のヒートシン
ク上へのレーザーチップのマウントの際のチップ端面に
おけるはんだの這い上がりによる短絡を防止するための
スペーサ層としての機能などのうちの一または二以上の
機能を有する。ｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッ
ド層７のＭｇ組成比ｐおよびＳ組成比ｑとの兼ね合いも
あるが、このｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８のＳ組成比ｖは
０＜ｖ≦０．１、好ましくは０．０６≦ｖ≦０．０８の
範囲内に選ばれ、特に、ｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ
1-q クラッド層７との格子整合をとるために最適なＳ組
成比ｖは０．０６である。
ｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７上に積層されたｐ型Ｚｎ
Ｓv Ｓｅ1-v 層８は、場合に応じて、ｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇ
p Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７に加えた第２のｐ型クラッ
ド層としての機能、ｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q ク
ラッド層７との格子整合をとる機能、後述のヒートシン
ク上へのレーザーチップのマウントの際のチップ端面に
おけるはんだの這い上がりによる短絡を防止するための
スペーサ層としての機能などのうちの一または二以上の
機能を有する。ｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッ
ド層７のＭｇ組成比ｐおよびＳ組成比ｑとの兼ね合いも
あるが、このｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８のＳ組成比ｖは
０＜ｖ≦０．１、好ましくは０．０６≦ｖ≦０．０８の
範囲内に選ばれ、特に、ｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ
1-q クラッド層７との格子整合をとるために最適なＳ組
成比ｖは０．０６である。
【００３６】このようにｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ
1-q クラッド層７上にｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８が積層
されていることにより、以下のような種々の利点を得る
ことができる。すなわち、このｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層
８を第２のｐ型クラッド層として用いる場合には、二元
系や三元系のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体ほどにはエピタ
キシャル成長が容易でないｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ
1-q クラッド層７の厚さを最小限にすることができ、従
って半導体レーザーの製造もその分だけ容易になる。ま
た、ｐ型クラッド層の全体の厚さを同一とした場合、ｐ
型クラッド層をｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッ
ド層７だけで構成した場合に比べて、ｐ型クラッド層を
ｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７とｐ型Ｚ
ｎＳv Ｓｅ1-v 層８とで構成した場合の方がｐ型クラッ
ド層の抵抗を低くすることができる。特に、上述のよう
に例えば厚さが０．８μｍ程度、ＮA −ＮD が２×１０
17ｃｍ-3程度のｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッ
ド層７および厚さが０．８μｍ程度、ＮA −ＮD が８×
１０17ｃｍ-3程度のｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８を用いた
場合には、光閉じ込め特性およびキャリア閉じ込め特性
を劣化させることなく、ｐ型クラッド層全体の抵抗を十
分に低くすることができる。
1-q クラッド層７上にｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８が積層
されていることにより、以下のような種々の利点を得る
ことができる。すなわち、このｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層
８を第２のｐ型クラッド層として用いる場合には、二元
系や三元系のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体ほどにはエピタ
キシャル成長が容易でないｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ
1-q クラッド層７の厚さを最小限にすることができ、従
って半導体レーザーの製造もその分だけ容易になる。ま
た、ｐ型クラッド層の全体の厚さを同一とした場合、ｐ
型クラッド層をｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッ
ド層７だけで構成した場合に比べて、ｐ型クラッド層を
ｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７とｐ型Ｚ
ｎＳv Ｓｅ1-v 層８とで構成した場合の方がｐ型クラッ
ド層の抵抗を低くすることができる。特に、上述のよう
に例えば厚さが０．８μｍ程度、ＮA −ＮD が２×１０
17ｃｍ-3程度のｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッ
ド層７および厚さが０．８μｍ程度、ＮA −ＮD が８×
１０17ｃｍ-3程度のｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８を用いた
場合には、光閉じ込め特性およびキャリア閉じ込め特性
を劣化させることなく、ｐ型クラッド層全体の抵抗を十
分に低くすることができる。
【００３７】また、ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９をｐ型
Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７上に直接積層
するとこれらの層の間に格子不整合が存在することによ
り結晶性の劣化が生じやすいが、ｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓ
q Ｓｅ1-q クラッド層７上にこれと格子定数がほぼ一致
するｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８を積層し、このｐ型Ｚｎ
Ｓv Ｓｅ1-v 層８上にｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９を積
層しているので、これらのｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８お
よびｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９の結晶性を良好にする
ことができる。
Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７上に直接積層
するとこれらの層の間に格子不整合が存在することによ
り結晶性の劣化が生じやすいが、ｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓ
q Ｓｅ1-q クラッド層７上にこれと格子定数がほぼ一致
するｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８を積層し、このｐ型Ｚｎ
Ｓv Ｓｅ1-v 層８上にｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９を積
層しているので、これらのｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８お
よびｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９の結晶性を良好にする
ことができる。
【００３８】さらに、ｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８の厚さ
を十分に大きくすることにより、レーザーチップをヒー
トシンク上にマウントする際にこのマウントに使用され
るはんだがレーザーチップの端面を這い上がってｐ側と
ｎ側とが短絡されるのを有効に防止することができる。
すなわち、図５に示すように、レーザーチップをｐ側電
極１１を下側にしてｐサイド・ダウンでヒートシンク４
１上にマウントする際には、はんだ４２が実線で示すよ
うにレーザーチップとヒートシンク４１との間だけに存
在すれば問題ないが、仮にはんだ付けが良好に行われな
かったためにレーザーチップ端面を一点鎖線で示すよう
にはんだ４２が例えば線状に這い上がったとしても、ｐ
型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８の厚さが十分に大きいことによ
り、このレーザーチップ端面を這い上がったはんだ４２
が活性層５を超えてｎ型ＺｎＳｅ光導波層４やｎ型Ｚｎ
1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３などに到達するの
を防止することができ、通常は活性層５よりもずっと手
前ではんだ４２の這い上がりを阻止することができる。
これによって、レーザーチップのマウントの際にそのｐ
側とｎ側とが短絡するのを防止することができ、従って
レーザーチップのマウントが容易になる。
を十分に大きくすることにより、レーザーチップをヒー
トシンク上にマウントする際にこのマウントに使用され
るはんだがレーザーチップの端面を這い上がってｐ側と
ｎ側とが短絡されるのを有効に防止することができる。
すなわち、図５に示すように、レーザーチップをｐ側電
極１１を下側にしてｐサイド・ダウンでヒートシンク４
１上にマウントする際には、はんだ４２が実線で示すよ
うにレーザーチップとヒートシンク４１との間だけに存
在すれば問題ないが、仮にはんだ付けが良好に行われな
かったためにレーザーチップ端面を一点鎖線で示すよう
にはんだ４２が例えば線状に這い上がったとしても、ｐ
型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８の厚さが十分に大きいことによ
り、このレーザーチップ端面を這い上がったはんだ４２
が活性層５を超えてｎ型ＺｎＳｅ光導波層４やｎ型Ｚｎ
1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３などに到達するの
を防止することができ、通常は活性層５よりもずっと手
前ではんだ４２の這い上がりを阻止することができる。
これによって、レーザーチップのマウントの際にそのｐ
側とｎ側とが短絡するのを防止することができ、従って
レーザーチップのマウントが容易になる。
【００３９】次に、上述のように構成されたこの第１実
施例による半導体レーザーの製造方法について説明す
る。
施例による半導体レーザーの製造方法について説明す
る。
【００４０】図６はこの第１実施例による半導体レーザ
ーの製造方法においてレーザー構造を形成する各層をエ
ピタキシャル成長させるのに使用される分子線エピタキ
シー（ＭＢＥ）装置を示す。図６に示すように、このＭ
ＢＥ装置は、ゲートバルブ５１を介して取り付けられた
超高真空排気装置５２により超高真空に排気可能な真空
容器５３内に、複数の分子線源（Ｋセル）５４と、エピ
タキシャル成長を行うべき基板を保持する基板ホルダー
５５と、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマセ
ル５６とを備えている。
ーの製造方法においてレーザー構造を形成する各層をエ
ピタキシャル成長させるのに使用される分子線エピタキ
シー（ＭＢＥ）装置を示す。図６に示すように、このＭ
ＢＥ装置は、ゲートバルブ５１を介して取り付けられた
超高真空排気装置５２により超高真空に排気可能な真空
容器５３内に、複数の分子線源（Ｋセル）５４と、エピ
タキシャル成長を行うべき基板を保持する基板ホルダー
５５と、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマセ
ル５６とを備えている。
【００４１】この第１実施例による半導体レーザーを製
造するには、まず、図６に示すＭＢＥ装置の真空容器５
３内の基板ホルダー５５にｎ型ＧａＡｓ基板１を装着
し、このｎ型ＧａＡｓ基板１を成長温度に比べて十分に
高い温度、例えば５８０℃に加熱して表面の清浄化を行
った後、このｎ型ＧａＡｓ基板１を所定のエピタキシャ
ル成長温度、好ましくは２５０〜３００℃の範囲内の温
度、より好ましくは２８０〜３００℃の範囲内の温度、
具体的には例えば２９５℃に下げてエピタキシャル成長
を開始する。すなわち、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＢ
Ｅ法により、ｎ型ＺｎＳｅバッファ層２、ｎ型Ｚｎ1-p
Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３、ｎ型ＺｎＳｅ光導波
層４、ｉ型Ｚｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ量子井戸層から成る活性
層５、ｐ型ＺｎＳｅ光導波層６、ｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓ
q Ｓｅ1-q クラッド層７、ｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８お
よびｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９を順次エピタキシャル
成長させる。この場合、これらの層を良好な結晶性でエ
ピタキシャル成長させることができ、従って半導体レー
ザーの光出力の減少などの劣化を抑えることができ、高
い信頼性を得ることができる。
造するには、まず、図６に示すＭＢＥ装置の真空容器５
３内の基板ホルダー５５にｎ型ＧａＡｓ基板１を装着
し、このｎ型ＧａＡｓ基板１を成長温度に比べて十分に
高い温度、例えば５８０℃に加熱して表面の清浄化を行
った後、このｎ型ＧａＡｓ基板１を所定のエピタキシャ
ル成長温度、好ましくは２５０〜３００℃の範囲内の温
度、より好ましくは２８０〜３００℃の範囲内の温度、
具体的には例えば２９５℃に下げてエピタキシャル成長
を開始する。すなわち、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ＭＢ
Ｅ法により、ｎ型ＺｎＳｅバッファ層２、ｎ型Ｚｎ1-p
Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３、ｎ型ＺｎＳｅ光導波
層４、ｉ型Ｚｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ量子井戸層から成る活性
層５、ｐ型ＺｎＳｅ光導波層６、ｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓ
q Ｓｅ1-q クラッド層７、ｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８お
よびｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９を順次エピタキシャル
成長させる。この場合、これらの層を良好な結晶性でエ
ピタキシャル成長させることができ、従って半導体レー
ザーの光出力の減少などの劣化を抑えることができ、高
い信頼性を得ることができる。
【００４２】上述のＭＢＥ法によるエピタキシャル成長
においては、Ｚｎ原料としては純度９９．９９９９％の
Ｚｎを用い、Ｍｇ原料としては純度９９．９％のＭｇを
用い、Ｓ原料としては９９．９９９９％のＺｎＳを用
い、Ｓｅ原料としては純度９９．９９９９％のＳｅを用
いる。また、ｎ型ＺｎＳｅバッファ層２、ｎ型Ｚｎ1-p
Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３およびｎ型ＺｎＳｅ光
導波層４のｎ型不純物としてのＣｌのドーピングは例え
ば純度９９．９９９９％のＺｎＣｌ2 をドーパントとし
て用いて行う。一方、ｐ型ＺｎＳｅ光導波層６、ｐ型Ｚ
ｎ1-p Ｍｇp ＳqＳｅ1-q クラッド層７およびｐ型Ｚｎ
Ｓｅコンタクト層９のｐ型不純物としてのＮのドーピン
グは、ＥＣＲにより発生されたＮ2 プラズマを照射する
ことにより行う。
においては、Ｚｎ原料としては純度９９．９９９９％の
Ｚｎを用い、Ｍｇ原料としては純度９９．９％のＭｇを
用い、Ｓ原料としては９９．９９９９％のＺｎＳを用
い、Ｓｅ原料としては純度９９．９９９９％のＳｅを用
いる。また、ｎ型ＺｎＳｅバッファ層２、ｎ型Ｚｎ1-p
Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３およびｎ型ＺｎＳｅ光
導波層４のｎ型不純物としてのＣｌのドーピングは例え
ば純度９９．９９９９％のＺｎＣｌ2 をドーパントとし
て用いて行う。一方、ｐ型ＺｎＳｅ光導波層６、ｐ型Ｚ
ｎ1-p Ｍｇp ＳqＳｅ1-q クラッド層７およびｐ型Ｚｎ
Ｓｅコンタクト層９のｐ型不純物としてのＮのドーピン
グは、ＥＣＲにより発生されたＮ2 プラズマを照射する
ことにより行う。
【００４３】次に、ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９上に所
定幅のストライプ形状のレジストパターン（図示せず）
を形成した後、このレジストパターンをマスクとしてｐ
型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８の厚さ方向の途中までウエット
エッチング法によりエッチングする。これによって、ｐ
型ＺｎＳｅコンタクト層９およびｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v
層８の上層部がストライプ形状にパターニングされる。
定幅のストライプ形状のレジストパターン（図示せず）
を形成した後、このレジストパターンをマスクとしてｐ
型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８の厚さ方向の途中までウエット
エッチング法によりエッチングする。これによって、ｐ
型ＺｎＳｅコンタクト層９およびｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v
層８の上層部がストライプ形状にパターニングされる。
【００４４】次に、上述のエッチングに用いたレジスト
パターンを残したまま全面にＡｌ2Ｏ3 膜を真空蒸着し
た後、このレジストパターンを、その上に形成されたＡ
ｌ2Ｏ3 膜とともに除去する（リフトオフ）。これによ
って、ストライプ部以外の部分のｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v
層８上にのみＡｌ2 Ｏ3 膜から成る絶縁層１０が形成さ
れる。
パターンを残したまま全面にＡｌ2Ｏ3 膜を真空蒸着し
た後、このレジストパターンを、その上に形成されたＡ
ｌ2Ｏ3 膜とともに除去する（リフトオフ）。これによ
って、ストライプ部以外の部分のｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v
層８上にのみＡｌ2 Ｏ3 膜から成る絶縁層１０が形成さ
れる。
【００４５】次に、ストライプ形状のｐ型ＺｎＳｅコン
タクト層９および絶縁層１０の全面にＰｄ膜、Ｐｔ膜お
よびＡｕ膜を順次真空蒸着してＡｕ／Ｐｔ／Ｐｄ電極か
ら成るｐ側電極１１を形成し、その後必要に応じて熱処
理を行って、このｐ側電極１１をｐ型ＺｎＳｅコンタク
ト層９にオーミックコンタクトさせる。一方、ｎ型Ｇａ
Ａｓ基板１の裏面にはＩｎ電極のようなｎ側電極１２を
形成する。
タクト層９および絶縁層１０の全面にＰｄ膜、Ｐｔ膜お
よびＡｕ膜を順次真空蒸着してＡｕ／Ｐｔ／Ｐｄ電極か
ら成るｐ側電極１１を形成し、その後必要に応じて熱処
理を行って、このｐ側電極１１をｐ型ＺｎＳｅコンタク
ト層９にオーミックコンタクトさせる。一方、ｎ型Ｇａ
Ａｓ基板１の裏面にはＩｎ電極のようなｎ側電極１２を
形成する。
【００４６】この後、以上のようにしてレーザー構造が
形成されたｎ型ＧａＡｓ基板１を例えば幅６４０μｍの
バー状に劈開して両共振器端面を形成した後、真空蒸着
法により、フロント側の端面にＡｌ2 Ｏ3 膜１３とＳｉ
膜１４とから成る多層膜を形成するとともに、リア側の
端面にＡｌ2 Ｏ3 膜１３とＳｉ膜１４とを２周期繰り返
した多層膜を形成する。このように端面コーティングを
施した後、このバーを例えば幅４００μｍに劈開してチ
ップ化し、パッケージングを行う。
形成されたｎ型ＧａＡｓ基板１を例えば幅６４０μｍの
バー状に劈開して両共振器端面を形成した後、真空蒸着
法により、フロント側の端面にＡｌ2 Ｏ3 膜１３とＳｉ
膜１４とから成る多層膜を形成するとともに、リア側の
端面にＡｌ2 Ｏ3 膜１３とＳｉ膜１４とを２周期繰り返
した多層膜を形成する。このように端面コーティングを
施した後、このバーを例えば幅４００μｍに劈開してチ
ップ化し、パッケージングを行う。
【００４７】この第１実施例による半導体レーザーの室
温（２９６Ｋ）における光出力−電流特性を注入電流を
連続的に流した場合とパルス的に流した場合とについて
測定した結果を図７に示す。測定は、図５に示すよう
に、レーザーチップを例えば銅製のヒートシンク４１上
にｐサイド・ダウンでマウントして行った。図７からわ
かるように、注入電流を連続的に流した場合のしきい値
電流Ｉthは約４５ｍＡであり、これは約１．５ｋＡ／ｃ
ｍ2 のしきい値電流密度Ｊthに対応する。一方、注入電
流をパルス的に流した場合のしきい値電流Ｉthは約４２
ｍＡである。ここで、注入電流を連続的に流した場合の
光出力−電流特性の測定は、注入電流を５００ｍＡ／秒
の速さで０から１００ｍＡに増加させて行った。一方、
注入電流をパルス的に流した場合の光出力−電流特性の
測定は、注入電流のパルス幅２μｓ、繰り返し速度１ｍ
ｓで行った。図７からわかるように、注入電流をパルス
的に流した場合および連続的に流した場合のスロープ効
率Ｓd はそれぞれ０．３４Ｗ／Ａおよび０．３１Ｗ／Ａ
である。レーザー発振のしきい値におけるｐ側電極１１
およびｎ側電極１２間の印加電圧は約１７Ｖである。
温（２９６Ｋ）における光出力−電流特性を注入電流を
連続的に流した場合とパルス的に流した場合とについて
測定した結果を図７に示す。測定は、図５に示すよう
に、レーザーチップを例えば銅製のヒートシンク４１上
にｐサイド・ダウンでマウントして行った。図７からわ
かるように、注入電流を連続的に流した場合のしきい値
電流Ｉthは約４５ｍＡであり、これは約１．５ｋＡ／ｃ
ｍ2 のしきい値電流密度Ｊthに対応する。一方、注入電
流をパルス的に流した場合のしきい値電流Ｉthは約４２
ｍＡである。ここで、注入電流を連続的に流した場合の
光出力−電流特性の測定は、注入電流を５００ｍＡ／秒
の速さで０から１００ｍＡに増加させて行った。一方、
注入電流をパルス的に流した場合の光出力−電流特性の
測定は、注入電流のパルス幅２μｓ、繰り返し速度１ｍ
ｓで行った。図７からわかるように、注入電流をパルス
的に流した場合および連続的に流した場合のスロープ効
率Ｓd はそれぞれ０．３４Ｗ／Ａおよび０．３１Ｗ／Ａ
である。レーザー発振のしきい値におけるｐ側電極１１
およびｎ側電極１２間の印加電圧は約１７Ｖである。
【００４８】図８はこの第１実施例による半導体レーザ
ーを室温（２９６Ｋ）で発振させたときの発光スペクト
ルの測定結果を示す。図８からわかるように、パルス動
作させた場合および連続動作させた場合においてそれぞ
れ５２１．６ｎｍおよび５２３．５ｎｍの波長で誘導放
出が観測される。
ーを室温（２９６Ｋ）で発振させたときの発光スペクト
ルの測定結果を示す。図８からわかるように、パルス動
作させた場合および連続動作させた場合においてそれぞ
れ５２１．６ｎｍおよび５２３．５ｎｍの波長で誘導放
出が観測される。
【００４９】この第１実施例による半導体レーザーに対
するα、βの値は次の通りである。すなわち、上述の測
定結果より、Ｉth（pulse)＝４２ｍＡ＝０．０４２Ａ、
Ｖth＝１７Ｖである。また、Ｒs ＝１０Ω、Ｒt ＝２３
Ｋ／Ｗ、Ｔ0 ＝１５０Ｋである。これらの値を（10）式
および（11）式に代入してα、βを計算すると、α＝
０．１１、β＝０．００２７となる。図２に（α、β）
＝（０．１１、０．００２７）を黒丸でプロットした。
図２より、（０．１１、０．００２７）は確かに領域Ｄ
内にあることがわかる。逆に言えば、（α、β）が図２
の領域Ｄ内に存在するように半導体レーザーの設計製造
が行われていることにより、上述のように室温連続発振
が可能となったのである。なお、図２には、参考のため
に、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体を用いた半導体レーザ
ーに対する（α、β）と、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導
体を用いた半導体レーザーに対する（α、β）とを白丸
でプロットしてあるが、いずれも領域Ｄ内に存在してい
ることがわかる。
するα、βの値は次の通りである。すなわち、上述の測
定結果より、Ｉth（pulse)＝４２ｍＡ＝０．０４２Ａ、
Ｖth＝１７Ｖである。また、Ｒs ＝１０Ω、Ｒt ＝２３
Ｋ／Ｗ、Ｔ0 ＝１５０Ｋである。これらの値を（10）式
および（11）式に代入してα、βを計算すると、α＝
０．１１、β＝０．００２７となる。図２に（α、β）
＝（０．１１、０．００２７）を黒丸でプロットした。
図２より、（０．１１、０．００２７）は確かに領域Ｄ
内にあることがわかる。逆に言えば、（α、β）が図２
の領域Ｄ内に存在するように半導体レーザーの設計製造
が行われていることにより、上述のように室温連続発振
が可能となったのである。なお、図２には、参考のため
に、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体を用いた半導体レーザ
ーに対する（α、β）と、ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導
体を用いた半導体レーザーに対する（α、β）とを白丸
でプロットしてあるが、いずれも領域Ｄ内に存在してい
ることがわかる。
【００５０】以上の計算においては、活性層５を構成す
るｉ型Ｚｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ量子井戸層のＣｄ組成比ｚを
０．１９としているが、例えばこのＣｄ組成比ｚを０．
１３としたときのα、βの値は次のようになる。すなわ
ち、この場合、Ｉth（pulse)＝２００ｍＡ＝０．２Ａ、
Ｖth＝６Ｖとなる。一方、Ｒs 、Ｒt 、Ｔ0 の値は上述
と同じとする。これらの値を用いてα、βを計算する
と、α＝０．１８、β＝０．０６１となる。図２に
（α、β）＝（０．１８、０．０６１）を黒丸でプロッ
トした。図２より、（０．１８、０．０６１）も領域Ｄ
内に存在していることがわかる。
るｉ型Ｚｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ量子井戸層のＣｄ組成比ｚを
０．１９としているが、例えばこのＣｄ組成比ｚを０．
１３としたときのα、βの値は次のようになる。すなわ
ち、この場合、Ｉth（pulse)＝２００ｍＡ＝０．２Ａ、
Ｖth＝６Ｖとなる。一方、Ｒs 、Ｒt 、Ｔ0 の値は上述
と同じとする。これらの値を用いてα、βを計算する
と、α＝０．１８、β＝０．０６１となる。図２に
（α、β）＝（０．１８、０．０６１）を黒丸でプロッ
トした。図２より、（０．１８、０．０６１）も領域Ｄ
内に存在していることがわかる。
【００５１】なお、一般に、活性層５を構成するｉ型Ｚ
ｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ量子井戸層のＣｄ組成比ｚを大きくす
ると、Ｉth（pulse)は減少し、Ｔ0 は大きくなる。ま
た、ｎ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３およ
びｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７のＭｇ
組成比ｐおよびＳ組成比ｑを大きくすると、バンドギャ
ップＥg は増大し、Ｉth（pulse)は減少し、Ｔ0 は大き
くなり、Ｒs は増大し、Ｒt は増大する。さらに、ｎ型
ＺｎＳｅ光導波層４の不純物濃度および／またはｐ型Ｚ
ｎＳｅ光導波層６の不純物濃度を高くすると、Ｒs は減
少し、Ｔ0 は減少する。また、端面コーティングを行う
と、Ｉth（pulse)は減少する。
ｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ量子井戸層のＣｄ組成比ｚを大きくす
ると、Ｉth（pulse)は減少し、Ｔ0 は大きくなる。ま
た、ｎ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３およ
びｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７のＭｇ
組成比ｐおよびＳ組成比ｑを大きくすると、バンドギャ
ップＥg は増大し、Ｉth（pulse)は減少し、Ｔ0 は大き
くなり、Ｒs は増大し、Ｒt は増大する。さらに、ｎ型
ＺｎＳｅ光導波層４の不純物濃度および／またはｐ型Ｚ
ｎＳｅ光導波層６の不純物濃度を高くすると、Ｒs は減
少し、Ｔ0 は減少する。また、端面コーティングを行う
と、Ｉth（pulse)は減少する。
【００５２】以上のように、この第１実施例によれば、
室温において波長５２３．５ｎｍで連続発振可能な緑色
発光でしかも低しきい値電流密度のＳＣＨ構造を有する
半導体レーザーを実現することができる。そして、この
半導体レーザーは、動作時の発熱が少なく、また、製造
が容易である。
室温において波長５２３．５ｎｍで連続発振可能な緑色
発光でしかも低しきい値電流密度のＳＣＨ構造を有する
半導体レーザーを実現することができる。そして、この
半導体レーザーは、動作時の発熱が少なく、また、製造
が容易である。
【００５３】なお、活性層５を構成するｉ型Ｚｎ1-z Ｃ
ｄz Ｓｅ量子井戸層のＣｄ組成比ｚを例えば０．０５と
したときのバンドギャップＥg は７７Ｋで２．７２ｅＶ
であり、ｎ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３
およびｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７の
Ｍｇ組成比ｐおよびＳ組成比ｑを例えばそれぞれ０．１
７および０．２４としたときのバンドギャップＥg は７
７Ｋで３．０７ｅＶであり、そのときのｎ型Ｚｎ1-p Ｍ
ｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３およびｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇ
p Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７と活性層５を構成するｉ型
Ｚｎ1-z ＣｄzＳｅ量子井戸層との間のバンドギャップ
Ｅg の差ΔＥg は０．３５ｅＶである。この場合、発振
波長は約４７３ｎｍである。
ｄz Ｓｅ量子井戸層のＣｄ組成比ｚを例えば０．０５と
したときのバンドギャップＥg は７７Ｋで２．７２ｅＶ
であり、ｎ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３
およびｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７の
Ｍｇ組成比ｐおよびＳ組成比ｑを例えばそれぞれ０．１
７および０．２４としたときのバンドギャップＥg は７
７Ｋで３．０７ｅＶであり、そのときのｎ型Ｚｎ1-p Ｍ
ｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３およびｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇ
p Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７と活性層５を構成するｉ型
Ｚｎ1-z ＣｄzＳｅ量子井戸層との間のバンドギャップ
Ｅg の差ΔＥg は０．３５ｅＶである。この場合、発振
波長は約４７３ｎｍである。
【００５４】また、活性層５を構成するｉ型Ｚｎ1-z Ｃ
ｄz Ｓｅ量子井戸層のＣｄ組成比ｚを例えば０．１０と
したときのバンドギャップＥg は７７Ｋで２．６５ｅＶ
であり、ｎ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３
およびｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７の
Ｍｇ組成比ｐおよびＳ組成比ｑを例えばそれぞれ０．１
３および０．２１としたときのバンドギャップＥg は７
７Ｋで３．００ｅＶであり、そのときのｎ型Ｚｎ1-p Ｍ
ｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３およびｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇ
p Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７と活性層５を構成するｉ型
Ｚｎ1-z ＣｄzＳｅ量子井戸層との間のバンドギャップ
Ｅg の差ΔＥg は０．３５ｅＶである。この場合、発振
波長は約４８６ｎｍである。
ｄz Ｓｅ量子井戸層のＣｄ組成比ｚを例えば０．１０と
したときのバンドギャップＥg は７７Ｋで２．６５ｅＶ
であり、ｎ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３
およびｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７の
Ｍｇ組成比ｐおよびＳ組成比ｑを例えばそれぞれ０．１
３および０．２１としたときのバンドギャップＥg は７
７Ｋで３．００ｅＶであり、そのときのｎ型Ｚｎ1-p Ｍ
ｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３およびｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇ
p Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７と活性層５を構成するｉ型
Ｚｎ1-z ＣｄzＳｅ量子井戸層との間のバンドギャップ
Ｅg の差ΔＥg は０．３５ｅＶである。この場合、発振
波長は約４８６ｎｍである。
【００５５】さらに、活性層５を構成するｉ型Ｚｎ1-z
Ｃｄz Ｓｅ量子井戸層のＣｄ組成比ｚを例えば０．１２
としたときのバンドギャップＥg は７７Ｋで２．６２ｅ
Ｖであり、ｎ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層
３およびｐ型Ｚｎ1-p ＭｇpＳq Ｓｅ1-q クラッド層７
のＭｇ組成比ｐおよびＳ組成比ｑを例えばそれぞれ０．
１０および０．１７としたときのバンドギャップＥg は
７７Ｋで２．９７ｅＶであり、そのときのｎ型Ｚｎ1-p
Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３およびｐ型Ｚｎ1-p Ｍ
ｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７と活性層５を構成するｉ
型Ｚｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ量子井戸層との間のバンドギャッ
プＥg の差ΔＥg は０．３５ｅＶである。この場合、発
振波長は約４９１ｎｍである。
Ｃｄz Ｓｅ量子井戸層のＣｄ組成比ｚを例えば０．１２
としたときのバンドギャップＥg は７７Ｋで２．６２ｅ
Ｖであり、ｎ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層
３およびｐ型Ｚｎ1-p ＭｇpＳq Ｓｅ1-q クラッド層７
のＭｇ組成比ｐおよびＳ組成比ｑを例えばそれぞれ０．
１０および０．１７としたときのバンドギャップＥg は
７７Ｋで２．９７ｅＶであり、そのときのｎ型Ｚｎ1-p
Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３およびｐ型Ｚｎ1-p Ｍ
ｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７と活性層５を構成するｉ
型Ｚｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ量子井戸層との間のバンドギャッ
プＥg の差ΔＥg は０．３５ｅＶである。この場合、発
振波長は約４９１ｎｍである。
【００５６】また、活性層５を構成するｉ型Ｚｎ1-z Ｃ
ｄz Ｓｅ量子井戸層のＣｄ組成比ｚを例えば０．２０と
したときのバンドギャップＥg は７７Ｋで２．５１ｅＶ
であり、ｎ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３
およびｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７の
Ｍｇ組成比ｐおよびＳ組成比ｑを例えばそれぞれ０．０
３および０．０８としたときのバンドギャップＥg は７
７Ｋで２．８６ｅＶであり、そのときのｎ型Ｚｎ1-p Ｍ
ｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３およびｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇ
p Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７と活性層５を構成するｉ型
Ｚｎ1-z ＣｄzＳｅ量子井戸層との間のバンドギャップ
Ｅg の差ΔＥg は０．３５ｅＶである。この場合、発振
波長は約５１４ｎｍである。
ｄz Ｓｅ量子井戸層のＣｄ組成比ｚを例えば０．２０と
したときのバンドギャップＥg は７７Ｋで２．５１ｅＶ
であり、ｎ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３
およびｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７の
Ｍｇ組成比ｐおよびＳ組成比ｑを例えばそれぞれ０．０
３および０．０８としたときのバンドギャップＥg は７
７Ｋで２．８６ｅＶであり、そのときのｎ型Ｚｎ1-p Ｍ
ｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３およびｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇ
p Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７と活性層５を構成するｉ型
Ｚｎ1-z ＣｄzＳｅ量子井戸層との間のバンドギャップ
Ｅg の差ΔＥg は０．３５ｅＶである。この場合、発振
波長は約５１４ｎｍである。
【００５７】図９はこの発明の第２実施例による半導体
レーザーを示す。この第２実施例による半導体レーザー
もＳＣＨ構造を有するものである。
レーザーを示す。この第２実施例による半導体レーザー
もＳＣＨ構造を有するものである。
【００５８】図９に示すように、この第２実施例による
半導体レーザーにおいては、例えばｎ型不純物としてＳ
ｉがドープされた（１００）面方位のｎ型ＧａＡｓ基板
１上に、例えばｎ型不純物としてＣｌがドープされたｎ
型ＺｎＳｅバッファ層２、例えばｎ型不純物としてＣｌ
がドープされたｎ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッ
ド層３、例えばｎ型不純物としてＣｌがドープされたｎ
型ＺｎＳｅ光導波層４、活性層５、例えばｐ型不純物と
してＮがドープされたｐ型ＺｎＳｅ光導波層６、例えば
ｐ型不純物としてＮがドープされたｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp
Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７、例えばｐ型不純物としてＮ
がドープされたｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８、例えばｐ型
不純物としてＮがドープされたｐ型ＺｎＳｅコンタクト
層９、ｐ型ＺｎＴｅから成る量子井戸層とｐ型ＺｎＳｅ
から成る障壁層とを交互に積層したｐ型ＺｎＴｅ／Ｚｎ
Ｓｅ多重量子井戸（ＭＱＷ）層１５および例えばｐ型不
純物としてＮがドープされたｐ型ＺｎＴｅコンタクト層
１６が順次積層されている。ｐ型ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅＭ
ＱＷ層１５については後に詳細に説明する。
半導体レーザーにおいては、例えばｎ型不純物としてＳ
ｉがドープされた（１００）面方位のｎ型ＧａＡｓ基板
１上に、例えばｎ型不純物としてＣｌがドープされたｎ
型ＺｎＳｅバッファ層２、例えばｎ型不純物としてＣｌ
がドープされたｎ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッ
ド層３、例えばｎ型不純物としてＣｌがドープされたｎ
型ＺｎＳｅ光導波層４、活性層５、例えばｐ型不純物と
してＮがドープされたｐ型ＺｎＳｅ光導波層６、例えば
ｐ型不純物としてＮがドープされたｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp
Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７、例えばｐ型不純物としてＮ
がドープされたｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８、例えばｐ型
不純物としてＮがドープされたｐ型ＺｎＳｅコンタクト
層９、ｐ型ＺｎＴｅから成る量子井戸層とｐ型ＺｎＳｅ
から成る障壁層とを交互に積層したｐ型ＺｎＴｅ／Ｚｎ
Ｓｅ多重量子井戸（ＭＱＷ）層１５および例えばｐ型不
純物としてＮがドープされたｐ型ＺｎＴｅコンタクト層
１６が順次積層されている。ｐ型ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅＭ
ＱＷ層１５については後に詳細に説明する。
【００５９】この場合、ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１
６、ｐ型ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅＭＱＷ層１５、ｐ型ＺｎＳ
ｅコンタクト層９およびｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８の上
層部はストライプ形状にパターニングされている。この
ストライプ部の幅は例えば５μｍである。
６、ｐ型ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅＭＱＷ層１５、ｐ型ＺｎＳ
ｅコンタクト層９およびｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８の上
層部はストライプ形状にパターニングされている。この
ストライプ部の幅は例えば５μｍである。
【００６０】上述のストライプ部以外の部分のｐ型Ｚｎ
Ｓv Ｓｅ1-v 層８上にＡｌ2 Ｏ3 膜から成る絶縁層１０
が形成されていることは、第１実施例と同様である。こ
の場合、ストライプ形状のｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１
６および絶縁層１０上にｐ側電極１１が形成されてい
る。このｐ側電極１１としては、例えば、第１実施例と
同様なＡｕ／Ｐｔ／Ｐｄ電極が用いられる。ｎ型ＧａＡ
ｓ基板１の裏面にＩｎ電極のようなｎ側電極１２がコン
タクトしているのは第１実施例と同様である。
Ｓv Ｓｅ1-v 層８上にＡｌ2 Ｏ3 膜から成る絶縁層１０
が形成されていることは、第１実施例と同様である。こ
の場合、ストライプ形状のｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１
６および絶縁層１０上にｐ側電極１１が形成されてい
る。このｐ側電極１１としては、例えば、第１実施例と
同様なＡｕ／Ｐｔ／Ｐｄ電極が用いられる。ｎ型ＧａＡ
ｓ基板１の裏面にＩｎ電極のようなｎ側電極１２がコン
タクトしているのは第１実施例と同様である。
【００６１】また、図示は省略するが、この第２実施例
による半導体レーザーにおいても、第１実施例と同様な
端面コーティングが施されている。
による半導体レーザーにおいても、第１実施例と同様な
端面コーティングが施されている。
【００６２】この第２実施例においては、活性層５は例
えば厚さが２〜２０ｎｍ、例えば厚さが９ｎｍのｉ型Ｚ
ｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ量子井戸層から成る単一量子井戸構造
を有する。この場合、ｎ型ＺｎＳｅ光導波層４およびｐ
型ＺｎＳｅ光導波層６が障壁層を構成することは第１実
施例と同様である。
えば厚さが２〜２０ｎｍ、例えば厚さが９ｎｍのｉ型Ｚ
ｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ量子井戸層から成る単一量子井戸構造
を有する。この場合、ｎ型ＺｎＳｅ光導波層４およびｐ
型ＺｎＳｅ光導波層６が障壁層を構成することは第１実
施例と同様である。
【００６３】ｎ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド
層３およびｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp ＳqＳｅ1-q クラッド層
７のＭｇ組成比ｐおよびＳ組成比ｑや活性層５を構成す
るｉ型Ｚｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ量子井戸層のＣｄ組成比ｚな
どは、第１実施例と同様である。同様に、ｎ型Ｚｎ1-p
Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３、ｎ型ＺｎＳｅ光導波
層４、ｐ型ＺｎＳｅ光導波層６、ｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓ
q Ｓｅ1-q クラッド層７、ｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８お
よびｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９の厚さや不純物濃度
は、第１実施例で述べたと同様である。また、ｐ型Ｚｎ
Ｔｅコンタクト層１６の厚さは例えば７０ｎｍであり、
不純物濃度は例えば１×１０19ｃｍ-3である。
層３およびｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp ＳqＳｅ1-q クラッド層
７のＭｇ組成比ｐおよびＳ組成比ｑや活性層５を構成す
るｉ型Ｚｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ量子井戸層のＣｄ組成比ｚな
どは、第１実施例と同様である。同様に、ｎ型Ｚｎ1-p
Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層３、ｎ型ＺｎＳｅ光導波
層４、ｐ型ＺｎＳｅ光導波層６、ｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓ
q Ｓｅ1-q クラッド層７、ｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層８お
よびｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９の厚さや不純物濃度
は、第１実施例で述べたと同様である。また、ｐ型Ｚｎ
Ｔｅコンタクト層１６の厚さは例えば７０ｎｍであり、
不純物濃度は例えば１×１０19ｃｍ-3である。
【００６４】第１実施例による半導体レーザーと同様
に、この第２実施例による半導体レーザーの共振器長Ｌ
は例えば６４０μｍに選ばれ、この共振器長方向に垂直
な方向の幅は例えば４００μｍに選ばれる。
に、この第２実施例による半導体レーザーの共振器長Ｌ
は例えば６４０μｍに選ばれ、この共振器長方向に垂直
な方向の幅は例えば４００μｍに選ばれる。
【００６５】上述のｐ型ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅＭＱＷ層１
５が設けられているのは、ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９
とｐ型ＺｎＴｅコンタクト１６とを直接接合すると、接
合界面において価電子帯に大きな不連続が生じ、これが
ｐ側電極１１からｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１６に注入
される正孔に対する障壁となることから、この障壁を実
効的になくすためである。
５が設けられているのは、ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９
とｐ型ＺｎＴｅコンタクト１６とを直接接合すると、接
合界面において価電子帯に大きな不連続が生じ、これが
ｐ側電極１１からｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１６に注入
される正孔に対する障壁となることから、この障壁を実
効的になくすためである。
【００６６】すなわち、ｐ型ＺｎＳｅ中のキャリア濃度
は通常は５×１０17ｃｍ-3程度が上限であり、一方、ｐ
型ＺｎＴｅ中のキャリア濃度は１０19ｃｍ-3以上とする
ことが可能である。また、ｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ
界面における価電子帯の不連続の大きさは約０．５ｅＶ
である。このようなｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ接合の
価電子帯には、接合がステップ接合であると仮定する
と、ｐ型ＺｎＳｅ側に Ｗ＝（２εφT ／ｑＮA ）1/2 （20） の幅にわたってバンドの曲がりが生じる。ここで、ｑは
電子の電荷の絶対値、εはＺｎＳｅの誘電率、φT はｐ
型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ界面における価電子帯の不連
続ポテンシャル（約０．５ｅＶ）を表す。
は通常は５×１０17ｃｍ-3程度が上限であり、一方、ｐ
型ＺｎＴｅ中のキャリア濃度は１０19ｃｍ-3以上とする
ことが可能である。また、ｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ
界面における価電子帯の不連続の大きさは約０．５ｅＶ
である。このようなｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ接合の
価電子帯には、接合がステップ接合であると仮定する
と、ｐ型ＺｎＳｅ側に Ｗ＝（２εφT ／ｑＮA ）1/2 （20） の幅にわたってバンドの曲がりが生じる。ここで、ｑは
電子の電荷の絶対値、εはＺｎＳｅの誘電率、φT はｐ
型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ界面における価電子帯の不連
続ポテンシャル（約０．５ｅＶ）を表す。
【００６７】（20）式を用いてこの場合のＷを計算する
と、Ｗ＝３２ｎｍとなる。このときに価電子帯の頂上が
ｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ界面に垂直な方向に沿って
どのように変化するかを示したのが図１０である。ただ
し、ｐ型ＺｎＳｅおよびｐ型ＺｎＴｅのフェルミ準位は
価電子帯の頂上に一致すると近似している。図１０に示
すように、この場合、ｐ型ＺｎＳｅの価電子帯はｐ型Ｚ
ｎＴｅに向かって下に曲がっている。この下に凸の価電
子帯の変化は、ｐ側電極１１からこのｐ型ＺｎＳｅ／ｐ
型ＺｎＴｅ接合に注入された正孔に対してポテンシャル
障壁として働く。
と、Ｗ＝３２ｎｍとなる。このときに価電子帯の頂上が
ｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ界面に垂直な方向に沿って
どのように変化するかを示したのが図１０である。ただ
し、ｐ型ＺｎＳｅおよびｐ型ＺｎＴｅのフェルミ準位は
価電子帯の頂上に一致すると近似している。図１０に示
すように、この場合、ｐ型ＺｎＳｅの価電子帯はｐ型Ｚ
ｎＴｅに向かって下に曲がっている。この下に凸の価電
子帯の変化は、ｐ側電極１１からこのｐ型ＺｎＳｅ／ｐ
型ＺｎＴｅ接合に注入された正孔に対してポテンシャル
障壁として働く。
【００６８】この問題は、ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９
とｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１６との間にｐ型ＺｎＴｅ
／ＺｎＳｅＭＱＷ層１５を設けることにより解決するこ
とができる。このｐ型ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅＭＱＷ層１５
は具体的には例えば次のように設計される。
とｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１６との間にｐ型ＺｎＴｅ
／ＺｎＳｅＭＱＷ層１５を設けることにより解決するこ
とができる。このｐ型ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅＭＱＷ層１５
は具体的には例えば次のように設計される。
【００６９】図１１は、ｐ型ＺｎＴｅから成る量子井戸
層の両側をｐ型ＺｎＳｅから成る障壁層によりはさんだ
構造の単一量子井戸におけるｐ型ＺｎＴｅから成る量子
井戸の幅ＬW に対して第１量子準位Ｅ1 がどのように変
化するかを有限障壁の井戸型ポテンシャルに対する量子
力学的計算により求めた結果を示す。ただし、この計算
では、量子井戸層および障壁層における電子の質量とし
てｐ型ＺｎＳｅおよびｐ型ＺｎＴｅ中の正孔の有効質量
ｍh を想定して０．６ｍ0 （ｍ0 ：電子の静止質量）を
用い、また、井戸の深さは０．５ｅＶとしている。
層の両側をｐ型ＺｎＳｅから成る障壁層によりはさんだ
構造の単一量子井戸におけるｐ型ＺｎＴｅから成る量子
井戸の幅ＬW に対して第１量子準位Ｅ1 がどのように変
化するかを有限障壁の井戸型ポテンシャルに対する量子
力学的計算により求めた結果を示す。ただし、この計算
では、量子井戸層および障壁層における電子の質量とし
てｐ型ＺｎＳｅおよびｐ型ＺｎＴｅ中の正孔の有効質量
ｍh を想定して０．６ｍ0 （ｍ0 ：電子の静止質量）を
用い、また、井戸の深さは０．５ｅＶとしている。
【００７０】図１１より、量子井戸の幅ＬW を小さくす
ることにより、量子井戸内に形成される量子準位Ｅ1 を
高くすることができることがわかる。ｐ型ＺｎＴｅ／Ｚ
ｎＳｅＭＱＷ層１５はこのことを利用して設計する。
ることにより、量子井戸内に形成される量子準位Ｅ1 を
高くすることができることがわかる。ｐ型ＺｎＴｅ／Ｚ
ｎＳｅＭＱＷ層１５はこのことを利用して設計する。
【００７１】この場合、ｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ界
面からｐ型ＺｎＳｅ側に幅Ｗにわたって生じるバンドの
曲がりはｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ界面からの距離ｘ
（図１０）の二次関数 φ（ｘ）＝φT ｛１−（ｘ／Ｗ）2 ｝ （21） で与えられる。従って、ｐ型ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅＭＱＷ
層１５の設計は、（21）式に基づいて、ｐ型ＺｎＴｅか
ら成る量子井戸層のそれぞれに形成される量子準位Ｅ1
がｐ型ＺｎＳｅおよびｐ型ＺｎＴｅの価電子帯の頂上の
エネルギーと一致し、しかも互いに等しくなるようにＬ
W を段階的に変えることにより行うことができる。
面からｐ型ＺｎＳｅ側に幅Ｗにわたって生じるバンドの
曲がりはｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ界面からの距離ｘ
（図１０）の二次関数 φ（ｘ）＝φT ｛１−（ｘ／Ｗ）2 ｝ （21） で与えられる。従って、ｐ型ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅＭＱＷ
層１５の設計は、（21）式に基づいて、ｐ型ＺｎＴｅか
ら成る量子井戸層のそれぞれに形成される量子準位Ｅ1
がｐ型ＺｎＳｅおよびｐ型ＺｎＴｅの価電子帯の頂上の
エネルギーと一致し、しかも互いに等しくなるようにＬ
W を段階的に変えることにより行うことができる。
【００７２】図１２は、ｐ型ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅＭＱＷ
層１５におけるｐ型ＺｎＳｅから成る障壁層の幅ＬB を
２ｎｍとした場合の量子井戸幅ＬW の設計例を示す。こ
こで、ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９のアクセプタ濃度Ｎ
A は５×１０17ｃｍ-3とし、ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層
１６のアクセプタ濃度ＮA は１×１０19ｃｍ-3としてい
る。図１２に示すように、この場合には、合計で７個あ
る量子井戸の幅ＬW を、その量子準位Ｅ1 がｐ型ＺｎＳ
ｅおよびｐ型ＺｎＴｅのフェルミ準位と一致するよう
に、ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９からｐ型ＺｎＴｅコン
タクト層１６に向かってＬW ＝０．３ｎｍ、０．４ｎ
ｍ、０．５ｎｍ、０．６ｎｍ、０．８ｎｍ、１．１ｎ
ｍ、１．７ｎｍと変化させている。
層１５におけるｐ型ＺｎＳｅから成る障壁層の幅ＬB を
２ｎｍとした場合の量子井戸幅ＬW の設計例を示す。こ
こで、ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９のアクセプタ濃度Ｎ
A は５×１０17ｃｍ-3とし、ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層
１６のアクセプタ濃度ＮA は１×１０19ｃｍ-3としてい
る。図１２に示すように、この場合には、合計で７個あ
る量子井戸の幅ＬW を、その量子準位Ｅ1 がｐ型ＺｎＳ
ｅおよびｐ型ＺｎＴｅのフェルミ準位と一致するよう
に、ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９からｐ型ＺｎＴｅコン
タクト層１６に向かってＬW ＝０．３ｎｍ、０．４ｎ
ｍ、０．５ｎｍ、０．６ｎｍ、０．８ｎｍ、１．１ｎ
ｍ、１．７ｎｍと変化させている。
【００７３】なお、量子井戸の幅ＬW の設計に当たって
は、厳密には、それぞれの量子井戸の準位は相互に結合
しているためにそれらの相互作用を考慮する必要があ
り、また、量子井戸と障壁層との格子不整合による歪み
の効果も取り入れなければならないが、多重量子井戸の
量子準位を図１２のようにフラットに設定することは原
理的に十分可能である。
は、厳密には、それぞれの量子井戸の準位は相互に結合
しているためにそれらの相互作用を考慮する必要があ
り、また、量子井戸と障壁層との格子不整合による歪み
の効果も取り入れなければならないが、多重量子井戸の
量子準位を図１２のようにフラットに設定することは原
理的に十分可能である。
【００７４】図１２において、ｐ型ＺｎＴｅに注入され
た正孔は、ｐ型ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅＭＱＷ層１５のそれ
ぞれの量子井戸に形成された量子準位Ｅ1 を介して共鳴
トンネリングによりｐ型ＺｎＳｅ側に流れることができ
るので、ｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ界面のポテンシャ
ル障壁は実効的になくなる。従って、この第２実施例に
よる半導体レーザーによれば、良好な電圧−電流特性を
得ることができるとともに、レーザー発振に必要な印加
電圧の大幅な低減を図ることができる。
た正孔は、ｐ型ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅＭＱＷ層１５のそれ
ぞれの量子井戸に形成された量子準位Ｅ1 を介して共鳴
トンネリングによりｐ型ＺｎＳｅ側に流れることができ
るので、ｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ界面のポテンシャ
ル障壁は実効的になくなる。従って、この第２実施例に
よる半導体レーザーによれば、良好な電圧−電流特性を
得ることができるとともに、レーザー発振に必要な印加
電圧の大幅な低減を図ることができる。
【００７５】この第２実施例による半導体レーザーの製
造方法は第１実施例による半導体レーザーの製造方法と
同様であるので、説明を省略する。
造方法は第１実施例による半導体レーザーの製造方法と
同様であるので、説明を省略する。
【００７６】この第２実施例による半導体レーザーに対
するα、βの値は、Ｉth（pulse)＝４８ｍＡ＝０．０４
８Ａ、Ｖth＝８Ｖ、Ｒs ＝１２Ω、Ｒt ＝２３Ｋ／Ｗ、
Ｔ0＝１５０Ｋとして計算すると、α＝０．０５９、β
＝０．００４２となる。図２に（α、β）＝（０．０５
９、０．００４２）を黒丸でプロットした。図２より明
らかなように、この場合も、（０．０５９、０．００４
２）は確かに領域Ｄ内に存在している。
するα、βの値は、Ｉth（pulse)＝４８ｍＡ＝０．０４
８Ａ、Ｖth＝８Ｖ、Ｒs ＝１２Ω、Ｒt ＝２３Ｋ／Ｗ、
Ｔ0＝１５０Ｋとして計算すると、α＝０．０５９、β
＝０．００４２となる。図２に（α、β）＝（０．０５
９、０．００４２）を黒丸でプロットした。図２より明
らかなように、この場合も、（０．０５９、０．００４
２）は確かに領域Ｄ内に存在している。
【００７７】この第２実施例によれば、第１実施例と同
様に、室温において連続発振可能な例えば緑色発光でし
かも低しきい値電流密度のＳＣＨ構造を有する半導体レ
ーザーを実現することができる。そして、この半導体レ
ーザーは、動作時の発熱が少なく、製造も容易である。
特に、この第２実施例においては、ｐ型ＺｎＳｅコンタ
クト層９上にｐ型ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅＭＱＷ層１５およ
びｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１６を積層し、このｐ型Ｚ
ｎＴｅコンタクト層１６上にｐ側電極１１をコンタクト
させているため、半導体レーザーの動作時の発熱を極め
て少なくすることができるとともに、上述のようにレー
ザー発振に必要な印加電圧の大幅な低減を図ることがで
きる。
様に、室温において連続発振可能な例えば緑色発光でし
かも低しきい値電流密度のＳＣＨ構造を有する半導体レ
ーザーを実現することができる。そして、この半導体レ
ーザーは、動作時の発熱が少なく、製造も容易である。
特に、この第２実施例においては、ｐ型ＺｎＳｅコンタ
クト層９上にｐ型ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅＭＱＷ層１５およ
びｐ型ＺｎＴｅコンタクト層１６を積層し、このｐ型Ｚ
ｎＴｅコンタクト層１６上にｐ側電極１１をコンタクト
させているため、半導体レーザーの動作時の発熱を極め
て少なくすることができるとともに、上述のようにレー
ザー発振に必要な印加電圧の大幅な低減を図ることがで
きる。
【００７８】以上、この発明の実施例について具体的に
説明したが、この発明は、上述の実施例に限定されるも
のではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形
が可能である。
説明したが、この発明は、上述の実施例に限定されるも
のではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形
が可能である。
【００７９】例えば、上述の第１実施例および第２実施
例において用いられているｎ型ＺｎＳｅ光導波層４およ
びｐ型ＺｎＳｅ光導波層６の代わりにｉ型ＺｎＳｅ光導
波層を用いてもよい。さらに、格子整合をとる見地から
は、これらのｎ型ＺｎＳｅ光導波層４およびｐ型ＺｎＳ
ｅ光導波層６の代わりに、特にｕ＝０．０６のｎ型Ｚｎ
Ｓu Ｓｅ1-u 層およびｐ型ＺｎＳu Ｓｅ1-u 層あるいは
ｉ型ＺｎＳu Ｓｅ1-u層を用いるのが望ましい。
例において用いられているｎ型ＺｎＳｅ光導波層４およ
びｐ型ＺｎＳｅ光導波層６の代わりにｉ型ＺｎＳｅ光導
波層を用いてもよい。さらに、格子整合をとる見地から
は、これらのｎ型ＺｎＳｅ光導波層４およびｐ型ＺｎＳ
ｅ光導波層６の代わりに、特にｕ＝０．０６のｎ型Ｚｎ
Ｓu Ｓｅ1-u 層およびｐ型ＺｎＳu Ｓｅ1-u 層あるいは
ｉ型ＺｎＳu Ｓｅ1-u層を用いるのが望ましい。
【００８０】また、上述の第１実施例および第２実施例
においては、ｐ型ＺｎＳｅ光導波層６、ｐ型Ｚｎ1-p Ｍ
ｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７、ｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v
層８、ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９、ｐ型ＺｎＴｅコン
タクト層１６などのｐ型不純物としてのＮのドーピング
はＥＣＲにより発生されたＮ2 プラズマを照射すること
により行っているが、このＮのドーピングは、例えば、
高周波プラズマにより励起されたＮ2 を照射することに
より行うようにしてもよい。
においては、ｐ型ＺｎＳｅ光導波層６、ｐ型Ｚｎ1-p Ｍ
ｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層７、ｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v
層８、ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層９、ｐ型ＺｎＴｅコン
タクト層１６などのｐ型不純物としてのＮのドーピング
はＥＣＲにより発生されたＮ2 プラズマを照射すること
により行っているが、このＮのドーピングは、例えば、
高周波プラズマにより励起されたＮ2 を照射することに
より行うようにしてもよい。
【００８１】さらに、上述の第１実施例および第２実施
例においては、化合物半導体基板としてＧａＡｓ基板を
用いているが、この化合物半導体基板としては、例えば
ＧａＰ基板などを用いてもよい。
例においては、化合物半導体基板としてＧａＡｓ基板を
用いているが、この化合物半導体基板としては、例えば
ＧａＰ基板などを用いてもよい。
【００８２】また、上述の第１実施例および第２実施例
においては、ＳＣＨ構造を有する半導体レーザーにこの
発明を適用した場合について説明したが、この発明は、
ＤＨ構造（Double Heterostructure）を有する半導体レ
ーザーに適用することも可能である。
においては、ＳＣＨ構造を有する半導体レーザーにこの
発明を適用した場合について説明したが、この発明は、
ＤＨ構造（Double Heterostructure）を有する半導体レ
ーザーに適用することも可能である。
【００８３】なお、この発明と同一の技術的思想は、Ｉ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザーにも適
用することが可能である。例えば、この発明と同一の技
術的思想は、活性層の材料としてＧａＮ系化合物半導体
を用い、クラッド層の材料としてＡｌＧａＮ系化合物半
導体を用いた、青色で発光可能な半導体レーザーや、活
性層の材料としてＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体を用
い、クラッド層の材料として活性層を構成するＡｌＧａ
ＩｎＰ系化合物半導体よりもバンドギャップの大きいＡ
ｌＧａＩｎＰ系化合物半導体を用いた、緑色ないし黄緑
色で発光可能な半導体レーザーに適用することが可能で
ある。
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた半導体レーザーにも適
用することが可能である。例えば、この発明と同一の技
術的思想は、活性層の材料としてＧａＮ系化合物半導体
を用い、クラッド層の材料としてＡｌＧａＮ系化合物半
導体を用いた、青色で発光可能な半導体レーザーや、活
性層の材料としてＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体を用
い、クラッド層の材料として活性層を構成するＡｌＧａ
ＩｎＰ系化合物半導体よりもバンドギャップの大きいＡ
ｌＧａＩｎＰ系化合物半導体を用いた、緑色ないし黄緑
色で発光可能な半導体レーザーに適用することが可能で
ある。
【００８４】さらには、この発明と同一の技術的思想
は、カルコパイライト系半導体を用いた半導体レーザー
にも適用することが可能である。このカルコパイライト
系半導体としては、例えば次のようなものが挙げられ
る。第１の種類のものは、Ｉ族元素とＩＩＩ族元素とＶ
Ｉ族元素とを１：１：２の原子比で含むものであり、具
体的にはＣｕＩｎＳｅ2 、ＣｕＧａＳｅ2 、ＣｕＡｌＳ
ｅ2 などである。第２の種類のものは、ＩＩ族元素とＩ
Ｖ族元素とＶ族元素とを１：１：２の原子比で含むもの
であり、具体的にはＺｎＳｉＰ2 、ＺｎＳｉＡｓ2 、Ｚ
ｎＧｅＰ2 、ＺｎＧｅＡｓ2 、ＺｎＳｎＰ2 、ＺｎＳｎ
Ａｓ2 、ＣｄＳｉＰ2 、ＣｄＳｉＡｓ2 、ＣｄＧｅ
Ｐ2 、ＣｄＧｅＡｓ2 、ＣｄＳｎＰ2 、ＣｄＳｎＡｓ2
などである。第３の種類のものは、ＩＩ族元素とＩＩＩ
族元素とＶＩ族元素とを１：２：４の原子比で含むもの
であり、具体的にはＺｎＧａ2 Ｓ4 、ＺｎＩｎ2 Ｓ4 、
ＣｄＧａ2Ｓ4 、ＣｄＩｎ2 Ｓ4 などである。
は、カルコパイライト系半導体を用いた半導体レーザー
にも適用することが可能である。このカルコパイライト
系半導体としては、例えば次のようなものが挙げられ
る。第１の種類のものは、Ｉ族元素とＩＩＩ族元素とＶ
Ｉ族元素とを１：１：２の原子比で含むものであり、具
体的にはＣｕＩｎＳｅ2 、ＣｕＧａＳｅ2 、ＣｕＡｌＳ
ｅ2 などである。第２の種類のものは、ＩＩ族元素とＩ
Ｖ族元素とＶ族元素とを１：１：２の原子比で含むもの
であり、具体的にはＺｎＳｉＰ2 、ＺｎＳｉＡｓ2 、Ｚ
ｎＧｅＰ2 、ＺｎＧｅＡｓ2 、ＺｎＳｎＰ2 、ＺｎＳｎ
Ａｓ2 、ＣｄＳｉＰ2 、ＣｄＳｉＡｓ2 、ＣｄＧｅ
Ｐ2 、ＣｄＧｅＡｓ2 、ＣｄＳｎＰ2 、ＣｄＳｎＡｓ2
などである。第３の種類のものは、ＩＩ族元素とＩＩＩ
族元素とＶＩ族元素とを１：２：４の原子比で含むもの
であり、具体的にはＺｎＧａ2 Ｓ4 、ＺｎＩｎ2 Ｓ4 、
ＣｄＧａ2Ｓ4 、ＣｄＩｎ2 Ｓ4 などである。
【００８５】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、室温をはじめとする高温で連続発振可能なＩＩ−Ｖ
Ｉ族化合物半導体または窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体を用いた半導体レーザーを実現することができる。
ば、室温をはじめとする高温で連続発振可能なＩＩ−Ｖ
Ｉ族化合物半導体または窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体を用いた半導体レーザーを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の原理を説明するためのグラフであ
る。
る。
【図２】この発明の原理を説明するためのグラフであ
る。
る。
【図３】この発明の第１実施例による半導体レーザーを
示す断面図である。
示す断面図である。
【図４】この発明の第１実施例による半導体レーザーを
示す断面図である。
示す断面図である。
【図５】この発明の第１実施例による半導体レーザーを
ヒートシンク上にマウントした状態を示す断面図であ
る。
ヒートシンク上にマウントした状態を示す断面図であ
る。
【図６】この発明の第１実施例による半導体レーザーの
製造に用いられるＭＢＥ装置の一例を示す略線図であ
る。
製造に用いられるＭＢＥ装置の一例を示す略線図であ
る。
【図７】この発明の第１実施例による半導体レーザーの
室温における光出力─電流特性の測定結果の一例を示す
グラフである。
室温における光出力─電流特性の測定結果の一例を示す
グラフである。
【図８】この発明の第１実施例による半導体レーザーの
室温における発光スペクトルの測定結果の一例を示すグ
ラフである。
室温における発光スペクトルの測定結果の一例を示すグ
ラフである。
【図９】この発明の第２実施例による半導体レーザーを
示す断面図である。
示す断面図である。
【図１０】ｐ型ＺｎＳｅ／ｐ型ＺｎＴｅ界面の近傍の価
電子帯を示すエネルギーバンド図である。
電子帯を示すエネルギーバンド図である。
【図１１】ｐ型ＺｎＴｅから成る量子井戸の幅ＬW に対
する量子井戸の第１量子準位Ｅ1の変化を示すグラフで
ある。
する量子井戸の第１量子準位Ｅ1の変化を示すグラフで
ある。
【図１２】この発明の第２実施例による半導体レーザー
におけるｐ型ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅＭＱＷ層の設計例を示
すエネルギーバンド図である。
におけるｐ型ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅＭＱＷ層の設計例を示
すエネルギーバンド図である。
１ ｎ型ＧａＡｓ基板 ２ ｎ型ＺｎＳｅバッファ層 ３ ｎ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層 ４ ｎ型ＺｎＳｅ光導波層 ５ 活性層 ６ ｐ型ＺｎＳｅ光導波層 ７ ｐ型Ｚｎ1-p Ｍｇp Ｓq Ｓｅ1-q クラッド層 ８ ｐ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層 ９ ｐ型ＺｎＳｅコンタクト層 １０ 絶縁層 １１ ｐ側電極 １２ ｎ側電極 １５ ｐ型ＺｎＴｅ／ＺｎＳｅＭＱＷ層 １６ ｐ型ＺｎＴｅコンタクト層 １７ ｎ型ＺｎＳv Ｓｅ1-v 層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−102612（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−242985（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−288388（ＪＰ，Ａ) 特開 昭47−8472（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−93786（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．62 ［20］（1993）ｐ．2462−2464 ＩＥＥＥ．Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ．Ｅｌ ｅｃｔｒｏｎ．17［５］（1981）ｐ. 602−610 Ｃｒｙｓｔ．Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ＆ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ 12 （1987）ｐ．287−291 Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｐ ａｒｔ２ 32［１Ａ／Ｂ］（1993）ｐ. Ｌ８−Ｌ11 「ワイドギャップ半導体発光材料 調 査研究報告書（▲Ｉ▼）」，社団法人日 本電子工業振興協会，（平成５年３月) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (5)
- 【請求項１】 第１導電型の第１のクラッド層と、 上記第１のクラッド層上に積層された活性層と、 上記活性層上に積層された第２導電型の第２のクラッド
層とを有し、 上記第１のクラッド層、上記活性層および上記第２のク
ラッド層はＩＩ−ＶＩ族化合物半導体から成り、 しきい値電流Ｉth（Ａ）、上記第１のクラッド層、上記
活性層および上記第２のクラッド層により構成されるダ
イオードの立ち上がり電圧Ｖth（Ｖ）、上記ダイオード
の立ち上がり後の微分抵抗Ｒs （Ω）、熱抵抗Ｒt （Ｋ
／Ｗ）、特性温度Ｔ0 （Ｋ）の特性でパルス発振する半
導体レーザーにおいて、 α≡（Ｒt ／Ｔ0 ）ＩthＶth β≡（Ｒt ／Ｔ0 ）Ｒs Ｉth 2 で二つの量α、βを定義したとき、（α、β）が、 αβ平面上における、直線α＝０、直線β＝０およびｔ
をパラメータとする曲線（（２lnｔ−１）／ｔ、（１−
lnｔ）／ｔ2 ）により囲まれた領域内に存在することを
特徴とする半導体レーザー。 - 【請求項２】 上記第１のクラッド層と上記活性層との
間に第１の光導波層を有し、上記第２のクラッド層と上
記活性層との間に第２の光導波層を有し、上記第１の光
導波層および上記第２の光導波層はＩＩ−ＶＩ族化合物
半導体から成ることを特徴とする請求項１記載の半導体
レーザー。 - 【請求項３】 上記第１のクラッド層および上記第２の
クラッド層を構成する上記ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体は
ＺｎＭｇＳＳｅ系化合物半導体であることを特徴とする
請求項１または２記載の半導体レーザー。 - 【請求項４】 第１導電型の第１のクラッド層と、 上記第１のクラッド層上に積層された活性層と、 上記活性層上に積層された第２導電型の第２のクラッド
層とを有し、 上記第１のクラッド層、上記活性層および上記第２のク
ラッド層は窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から成
り、 しきい値電流Ｉ th （Ａ）、上記第１のクラッド層、上記
活性層および上記第２のクラッド層により構成されるダ
イオードの立ち上がり電圧Ｖ th （Ｖ）、上記ダイオード
の立ち上がり後の微分抵抗Ｒ s （Ω）、熱抵抗Ｒ t （Ｋ
／Ｗ）、特性温度Ｔ 0 （Ｋ）の特性でパルス発振する半
導体レーザーにおいて、 α≡（Ｒ t ／Ｔ 0 ）Ｉ th Ｖ th β≡（Ｒ t ／Ｔ 0 ）Ｒ s Ｉ th 2 で二つの量α、βを定義したとき、（α、β）が、 αβ平面上における、直線α＝０、直線β＝０およびｔ
をパラメータとする曲線（（２lnｔ−１）／ｔ、（１−
lnｔ）／ｔ 2 ）により囲まれた領域内に存在する ことを
特徴とする半導体レーザー。 - 【請求項５】 上記第１のクラッド層と上記活性層との
間に第１の光導波層を有し、上記第２のクラッド層と上
記活性層との間に第２の光導波層を有し、上記第１の光
導波層および上記第２の光導波層は窒化物系ＩＩＩ−Ｖ
族化合物半導体から成ることを特徴とする請求項４記載
の半導体レーザー。
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|---|---|---|---|
| JP05205919A JP3116675B2 (ja) | 1993-07-28 | 1993-07-28 | 半導体レーザー |
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|---|---|
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|---|---|---|---|
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