JP3165191B2 - 固溶半導体レーザ素子用材料およびレーザ素子 - Google Patents
固溶半導体レーザ素子用材料およびレーザ素子Info
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般式Ｐｂ1-x Ｃａx Ｘ
（但し、０＜ｘ＜0.5 ，Ｘ：Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ，但しＸが
Ｓ単独の場合を除く）およびＰｂ1-x （Ｃａ1-y Ｙy ）
x Ｘ、（０＜ｘ＜0.5 ，０＜ｙ＜１，Ｙ：Ｓｒ，Ｂａ）
で表される固溶半導体からなり波長0.4 〜８μｍの広い
赤外領域で発振し、室温付近において動作可能な固溶半
導体レーザ素子用材料およびこの材料を用いたレーザ素
子に関するもので、その目的は波長0.4 〜８μｍの赤外
領域で発振し、しかも波長可変であって、室温付近にお
いて動作可能であるレーザ素子、特に格子整合型ダブル
ヘテロ接合あるいは格子整合型量子井戸構造のレーザ素
子を作ることができる固溶半導体レーザ素子用材料を提
供することにある。
（但し、０＜ｘ＜0.5 ，Ｘ：Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅ，但しＸが
Ｓ単独の場合を除く）およびＰｂ1-x （Ｃａ1-y Ｙy ）
x Ｘ、（０＜ｘ＜0.5 ，０＜ｙ＜１，Ｙ：Ｓｒ，Ｂａ）
で表される固溶半導体からなり波長0.4 〜８μｍの広い
赤外領域で発振し、室温付近において動作可能な固溶半
導体レーザ素子用材料およびこの材料を用いたレーザ素
子に関するもので、その目的は波長0.4 〜８μｍの赤外
領域で発振し、しかも波長可変であって、室温付近にお
いて動作可能であるレーザ素子、特に格子整合型ダブル
ヘテロ接合あるいは格子整合型量子井戸構造のレーザ素
子を作ることができる固溶半導体レーザ素子用材料を提
供することにある。
【０００２】
【従来の技術】半導体レーザ素子の構造を図１で説明す
る。図１（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ格子整合型ダ
ブルヘテロ接合構造および格子整合型量子井戸構造レー
ザ素子であり、レーザ光は電極３を通じて電流を流すこ
とにより閉じ込め層１，１で挟まれた活性層２から矢印
方向に放出される。
る。図１（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ格子整合型ダ
ブルヘテロ接合構造および格子整合型量子井戸構造レー
ザ素子であり、レーザ光は電極３を通じて電流を流すこ
とにより閉じ込め層１，１で挟まれた活性層２から矢印
方向に放出される。
【０００３】半導体レーザ素子の場合、他のガスレーザ
などと異なりレーザ光が微弱のため、近年図１（Ｂ）に
示すように活性層を障壁層４と量子井戸５に分割した複
雑な構造によってレーザの発光効率を高める工夫がなさ
れつつある。上述した半導体レーザに求められる課題と
しては、動作温度を高めることおよび閉じ込め層と活性
層の接合が良好であることが重要である。
などと異なりレーザ光が微弱のため、近年図１（Ｂ）に
示すように活性層を障壁層４と量子井戸５に分割した複
雑な構造によってレーザの発光効率を高める工夫がなさ
れつつある。上述した半導体レーザに求められる課題と
しては、動作温度を高めることおよび閉じ込め層と活性
層の接合が良好であることが重要である。
【０００４】従来、波長0.4 〜８μｍの赤外領域で、し
かも波長可変でレーザ光を発光する半導体レーザ素子の
活性層および閉じ込め層としての材料は、II−Vl族化合
物半導体であるＨｇ1-a Ｃｄa Ｔｅ（ただし、０＜ａ≦
１）、III −V 族化合物半導体であるＩｎＡｓあるいは
ＩｎＳｂおよび各種のlV−Vl族化合物半導体が知られて
いる。
かも波長可変でレーザ光を発光する半導体レーザ素子の
活性層および閉じ込め層としての材料は、II−Vl族化合
物半導体であるＨｇ1-a Ｃｄa Ｔｅ（ただし、０＜ａ≦
１）、III −V 族化合物半導体であるＩｎＡｓあるいは
ＩｎＳｂおよび各種のlV−Vl族化合物半導体が知られて
いる。
【０００５】この中でも、動作温度の高温化および波長
可変性の大きさなどの点からIV−VI族化合物半導体が最
も実用性の高い材料として注目されており、従来４元の
鉛塩固溶半導体であるＰｂ1-a Ｃｄa Ｓ1-b Ｓｅb ある
いはＰｂ1-a Ｅｕa Ｔｅ1-b Ｓｅb 等が知られている。
可変性の大きさなどの点からIV−VI族化合物半導体が最
も実用性の高い材料として注目されており、従来４元の
鉛塩固溶半導体であるＰｂ1-a Ｃｄa Ｓ1-b Ｓｅb ある
いはＰｂ1-a Ｅｕa Ｔｅ1-b Ｓｅb 等が知られている。
【０００６】これらは、荷電担体および光の閉じ込め層
と活性層の格子定数がほぼ一致するダブルヘテロ接合に
より、閉じ込め層をＰｂ1-a Ｃｄa Ｓ1-b Ｓｅb あるい
はＰｂ1-a Ｅｕa Ｓｅb Ｔｅ1-b とし、活性層をそれぞ
れＰｂＳあるいはＰｂ1-a Ｅｕa Ｓｅb Ｔｅ1-b とした
レーザ素子が作られている。動作温度はそれぞれ200 お
よび241 Ｋであるが、パルス発振で達成されているにす
ぎず、これが連続発振ともなるとさらに動作温度が低く
なる欠点を有しており、実用化されるに至っていない。
と活性層の格子定数がほぼ一致するダブルヘテロ接合に
より、閉じ込め層をＰｂ1-a Ｃｄa Ｓ1-b Ｓｅb あるい
はＰｂ1-a Ｅｕa Ｓｅb Ｔｅ1-b とし、活性層をそれぞ
れＰｂＳあるいはＰｂ1-a Ｅｕa Ｓｅb Ｔｅ1-b とした
レーザ素子が作られている。動作温度はそれぞれ200 お
よび241 Ｋであるが、パルス発振で達成されているにす
ぎず、これが連続発振ともなるとさらに動作温度が低く
なる欠点を有しており、実用化されるに至っていない。
【０００７】一般に、上述のような注入型半導体レーザ
の動作温度を上昇させるためには、荷電担体および光の
閉じ込め層と活性層の各格子定数が一致している格子整
合型ダブルヘテロ接合あるいは格子整合型量子井戸構造
によりレーザ素子を作ること、さらにこの閉じ込め層の
禁制帯幅が活性層のそれより大きく、且つその差が十分
に大きいことが望まれるが、Ｐｂ1-a Ｃｄa Ｓ1-b Ｓｅ
b あるいはＰｂ1-a Ｅｕa Ｓｅb Ｔｅ1-b のいずれにお
いても、その差が小さく、したがって、動作温度が低い
のが欠点である。
の動作温度を上昇させるためには、荷電担体および光の
閉じ込め層と活性層の各格子定数が一致している格子整
合型ダブルヘテロ接合あるいは格子整合型量子井戸構造
によりレーザ素子を作ること、さらにこの閉じ込め層の
禁制帯幅が活性層のそれより大きく、且つその差が十分
に大きいことが望まれるが、Ｐｂ1-a Ｃｄa Ｓ1-b Ｓｅ
b あるいはＰｂ1-a Ｅｕa Ｓｅb Ｔｅ1-b のいずれにお
いても、その差が小さく、したがって、動作温度が低い
のが欠点である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】格子整合型ダブルヘテ
ロ接合あるいは格子整合型量子井戸構造によりレーザ素
子を作る場合には、閉じ込め層の禁制帯幅が活性層のそ
れより大きく、且つその差が大きく、しかも結晶構造お
よび格子定数がほぼ等しい物質により接合して作ること
が必要である。岩塩型の結晶構造を持つ４元固溶体のＰ
ｂ1-a Ｃｄa Ｓ1-b Ｓｅb あるいはＰｂ1-a Ｅｕa Ｓｅ
b Ｔｅ1-b において、ＣｄあるいはＥｕの組成ａとＳｅ
の組成ｂを個々に制御することにより、禁制帯幅が異な
り、格子定数のほぼ等しい物質が得られるので、これら
を接合することによってレーザ素子を作ることが可能で
ある。
ロ接合あるいは格子整合型量子井戸構造によりレーザ素
子を作る場合には、閉じ込め層の禁制帯幅が活性層のそ
れより大きく、且つその差が大きく、しかも結晶構造お
よび格子定数がほぼ等しい物質により接合して作ること
が必要である。岩塩型の結晶構造を持つ４元固溶体のＰ
ｂ1-a Ｃｄa Ｓ1-b Ｓｅb あるいはＰｂ1-a Ｅｕa Ｓｅ
b Ｔｅ1-b において、ＣｄあるいはＥｕの組成ａとＳｅ
の組成ｂを個々に制御することにより、禁制帯幅が異な
り、格子定数のほぼ等しい物質が得られるので、これら
を接合することによってレーザ素子を作ることが可能で
ある。
【０００９】しかしながら、実際にレーザ素子を作製す
る場合、作製条件等の制約からＰｂに対してさほど大き
な固溶量は望めず、ごく少量の固溶により４元固溶体を
作製しているのが現状である。前述の200 Ｋおよび241
Ｋでパルス発振した材料は、前述の４元固溶体において
ＣｄおよびＥｕの組成ａがそれぞれ0.05および0.018で
あり、Ｐｂに対する固溶量は小さい。このため、これら
を光の閉じ込め層とした場合、閉じ込め層と活性層との
禁制帯幅の差は、せいぜい300 Ｋで0.18（ｅＶ），241
Ｋで0.094 （ｅＶ）で非常に小さく、高い動作温度を有
するレーザ素子は得られなかった。
る場合、作製条件等の制約からＰｂに対してさほど大き
な固溶量は望めず、ごく少量の固溶により４元固溶体を
作製しているのが現状である。前述の200 Ｋおよび241
Ｋでパルス発振した材料は、前述の４元固溶体において
ＣｄおよびＥｕの組成ａがそれぞれ0.05および0.018で
あり、Ｐｂに対する固溶量は小さい。このため、これら
を光の閉じ込め層とした場合、閉じ込め層と活性層との
禁制帯幅の差は、せいぜい300 Ｋで0.18（ｅＶ），241
Ｋで0.094 （ｅＶ）で非常に小さく、高い動作温度を有
するレーザ素子は得られなかった。
【００１０】近年高性能レーザ素子の要求がますます強
まっており、特に室温付近において動作可能な固溶半導
体レーザ素子用材料の開発が重要である。すなわち、半
導体レーザの動作温度を高めるために、閉じ込め層の禁
制帯幅が活性層のそれより大きく、且つその差が十分に
大きい新規な固溶半導体を得ることが緊急の課題であ
る。
まっており、特に室温付近において動作可能な固溶半導
体レーザ素子用材料の開発が重要である。すなわち、半
導体レーザの動作温度を高めるために、閉じ込め層の禁
制帯幅が活性層のそれより大きく、且つその差が十分に
大きい新規な固溶半導体を得ることが緊急の課題であ
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は上述の点を鑑み
てなされたものである。本発明者らは幾多研究の結果、
ＰｂにＣａを固溶させることにより、これらの問題点を
解決できることを発見した。本発明の特徴とするところ
は次の通りである。
てなされたものである。本発明者らは幾多研究の結果、
ＰｂにＣａを固溶させることにより、これらの問題点を
解決できることを発見した。本発明の特徴とするところ
は次の通りである。
【００１２】第１発明 一般式 Ｐｂ1-x Ｃａx Ｘ （但し、０＜ｘ＜0.5 ，Ｘ：Ｓ，ＳｅおよびＴｅの少な
くとも一種又は二種以上の元素、但しＸがＳ単独の場合
を除く）で表されることを特徴とする固溶半導体レーザ
素子用材料。
くとも一種又は二種以上の元素、但しＸがＳ単独の場合
を除く）で表されることを特徴とする固溶半導体レーザ
素子用材料。
【００１３】第２発明 一般式 Ｐｂ1-x （Ｃａ1-y Ｙy ）x Ｘ （但し、０＜ｘ＜0.5 ，０＜ｙ＜１，Ｘ：Ｓ，Ｓｅおよ
びＴｅの少なくとも一種又は二種以上の元素、Ｙ：Ｓｒ
およびＢａの少なくとも一種又は二種以上の元素）で表
されることを特徴とする固溶半導体レーザ素子用材料。
びＴｅの少なくとも一種又は二種以上の元素、Ｙ：Ｓｒ
およびＢａの少なくとも一種又は二種以上の元素）で表
されることを特徴とする固溶半導体レーザ素子用材料。
【００１４】第３発明 一般式 Ｐｂ1-x Ｃａx Ｓ1-z Ｓｅz （但し、０＜ｘ≦0.4 ，０＜ｚ＜１）で表されることを
特徴とする固溶半導体レーザ素子用材料。
特徴とする固溶半導体レーザ素子用材料。
【００１５】第４発明 一般式 Ｐｂ1-x （Ｃａ1-y Ｓｒy ）x Ｓ （但し、０＜ｘ＜0.5 ，０＜ｙ＜１）で表されることを
特徴とする固溶半導体レーザ素子用材料。
特徴とする固溶半導体レーザ素子用材料。
【００１６】第５発明 請求項１乃至４の材料を閉じ込め層あるいは／および活
性層に用いたことを特徴とするレーザ素子。
性層に用いたことを特徴とするレーザ素子。
【００１７】第６発明 請求項１乃至４の材料を閉じ込め層あるいは／および活
性層に用いたことを特徴とするダブルヘテロ接合レーザ
素子。
性層に用いたことを特徴とするダブルヘテロ接合レーザ
素子。
【００１８】第７発明 請求項１乃至４の材料を閉じ込め層あるいは／および活
性層に用いたことを特徴とする量子井戸構造レーザ素
子。
性層に用いたことを特徴とする量子井戸構造レーザ素
子。
【００１９】
【作用】本発明の固溶半導体の製造法を説明すると、各
元素を所望の組成比に秤量し、これらを適当な容器、例
えば石英容器の中に真空あるいは適当なガス雰囲気中で
封入する。これを適当な加熱炉、例えば電気炉中に挿入
し、加熱溶融して均質にした後、水焼き入れを行う。こ
の試料をさらに均質化するために粉砕した後、再び適当
な容器、例えば石英容器の中に真空あるいは適当なガス
雰囲気中で封入し、これを高温度で適当時間加熱した
後、水焼き入れを行うことにより均質に固溶した材料が
得られる。さらにこれを単結晶製造法、例えばブリッジ
マン法、気相法等によって単結晶を作る。または、この
材料を薄膜製造装置、例えばＭＢＥ法、ホットウォール
法等を用いて適当な形状の厚さの薄膜を製造する。
元素を所望の組成比に秤量し、これらを適当な容器、例
えば石英容器の中に真空あるいは適当なガス雰囲気中で
封入する。これを適当な加熱炉、例えば電気炉中に挿入
し、加熱溶融して均質にした後、水焼き入れを行う。こ
の試料をさらに均質化するために粉砕した後、再び適当
な容器、例えば石英容器の中に真空あるいは適当なガス
雰囲気中で封入し、これを高温度で適当時間加熱した
後、水焼き入れを行うことにより均質に固溶した材料が
得られる。さらにこれを単結晶製造法、例えばブリッジ
マン法、気相法等によって単結晶を作る。または、この
材料を薄膜製造装置、例えばＭＢＥ法、ホットウォール
法等を用いて適当な形状の厚さの薄膜を製造する。
【００２０】次に本発明を図につき説明する。図２およ
び図３には、Ｐｂ1-x Ｃａx Ｓ1-z Ｓｅz 、図４および
図５にはＰｂ1-x （Ｃａ1-y Ｓｒy ）x Ｓのそれぞれの
単結晶について、組成ｘ，ｚおよび組成ｘ，ｙに対する
禁制帯幅およびＸ線粉末回折法により求めた格子定数を
それぞれ示した。尚、禁制帯幅および格子定数はいずれ
も室温におけるものである。
び図３には、Ｐｂ1-x Ｃａx Ｓ1-z Ｓｅz 、図４および
図５にはＰｂ1-x （Ｃａ1-y Ｓｒy ）x Ｓのそれぞれの
単結晶について、組成ｘ，ｚおよび組成ｘ，ｙに対する
禁制帯幅およびＸ線粉末回折法により求めた格子定数を
それぞれ示した。尚、禁制帯幅および格子定数はいずれ
も室温におけるものである。
【００２１】これらの図より、禁制帯幅が大きく異なり
その差が大きく、しかも格子定数の等しい物質の組合せ
た選定することができる。すなわち、格子整合型ダブル
ヘテロ接合レーザ素子あるいは格子整合型量子井戸構造
レーザ素子における荷電担体並びに光の閉じ込め層およ
び活性層としての材料の組合せは、図２より例えば、Ｐ
ｂ0.95Ｃａ0.05Ｓ0.95Ｓｅ0.05とＰｂＳとの組合せの場
合では、格子定数が等しくなり、しかも禁制帯幅の差は
大きな値0.24ｅＶが得られることを示している。従って
本発明は、波長0.4 〜８μｍの赤外線領域で発振し、し
かも波長可変が可能で、さらに室温付近の温度で動作可
能な格子整合型ダブルヘテロ接合レーザ素子あるいは格
子整合型量子井戸構造レーザ素子を作ることができる。
その差が大きく、しかも格子定数の等しい物質の組合せ
た選定することができる。すなわち、格子整合型ダブル
ヘテロ接合レーザ素子あるいは格子整合型量子井戸構造
レーザ素子における荷電担体並びに光の閉じ込め層およ
び活性層としての材料の組合せは、図２より例えば、Ｐ
ｂ0.95Ｃａ0.05Ｓ0.95Ｓｅ0.05とＰｂＳとの組合せの場
合では、格子定数が等しくなり、しかも禁制帯幅の差は
大きな値0.24ｅＶが得られることを示している。従って
本発明は、波長0.4 〜８μｍの赤外線領域で発振し、し
かも波長可変が可能で、さらに室温付近の温度で動作可
能な格子整合型ダブルヘテロ接合レーザ素子あるいは格
子整合型量子井戸構造レーザ素子を作ることができる。
【００２２】レーザ素子の活性層と閉じ込め層の界面に
おいて格子不整合が生じると、転位などの結晶欠陥が活
性層内に導入され、発光効率が低下し、レーザ素子の性
能が劣化するので、閉じ込め層と活性層との格子定数が
ほとんど等しく、整合性が良好であることが望ましい。
おいて格子不整合が生じると、転位などの結晶欠陥が活
性層内に導入され、発光効率が低下し、レーザ素子の性
能が劣化するので、閉じ込め層と活性層との格子定数が
ほとんど等しく、整合性が良好であることが望ましい。
【００２３】次に本発明の材料の一般式をＰｂ1-x Ｃａ
x Ｘ（但し、０＜ｘ＜0.5 ，Ｘ：Ｓ，ＳｅおよびＴｅの
少なくとも一種又は二種以上の元素、但しＸがＳ単独の
場合を除く）およびＰｂ1-x （Ｃａ1-y Ｙy ）x Ｘ（但
し、０＜ｘ＜0.5 ，０＜ｙ＜１，Ｘ：Ｓ，ＳｅおよびＴ
ｅの少なくとも一種又は二種以上の元素、Ｙ：Ｓｒおよ
びＢａの少なくとも一種又は二種以上の元素）およびＰ
ｂ1-x Ｃａx Ｓ1-z Ｓｅz （但し、０＜ｘ≦0.4 ，０＜
ｚ＜１）ならびにＰｂ1-x （Ｃａ1-y Ｓｒy ）x Ｓ（但
し、０＜ｘ＜0.5 ，０＜ｙ＜１）と限定したのは、これ
らの組成範囲をはずれると、レーザ素子の製造が困難と
なり、動作温度および発光効率が低下し、レーザ素子用
材料として不適当となるからである。しかしながら、上
記化学量論的組成から多少偏差しても固溶半導体が得ら
れる場合は、レーザ素子用材料としての特性が損なわれ
るものではなく、本発明の範畴に属するものである。ま
た、本発明材料のＣａはＰｂとの固溶範囲が広く禁制帯
幅を大きくする効果が著しく、さらにＳｒ，Ｂａ，Ｓ，
ＳｅおよびＴｅは固溶半導体の格子定数を制御する効果
が大きい。
x Ｘ（但し、０＜ｘ＜0.5 ，Ｘ：Ｓ，ＳｅおよびＴｅの
少なくとも一種又は二種以上の元素、但しＸがＳ単独の
場合を除く）およびＰｂ1-x （Ｃａ1-y Ｙy ）x Ｘ（但
し、０＜ｘ＜0.5 ，０＜ｙ＜１，Ｘ：Ｓ，ＳｅおよびＴ
ｅの少なくとも一種又は二種以上の元素、Ｙ：Ｓｒおよ
びＢａの少なくとも一種又は二種以上の元素）およびＰ
ｂ1-x Ｃａx Ｓ1-z Ｓｅz （但し、０＜ｘ≦0.4 ，０＜
ｚ＜１）ならびにＰｂ1-x （Ｃａ1-y Ｓｒy ）x Ｓ（但
し、０＜ｘ＜0.5 ，０＜ｙ＜１）と限定したのは、これ
らの組成範囲をはずれると、レーザ素子の製造が困難と
なり、動作温度および発光効率が低下し、レーザ素子用
材料として不適当となるからである。しかしながら、上
記化学量論的組成から多少偏差しても固溶半導体が得ら
れる場合は、レーザ素子用材料としての特性が損なわれ
るものではなく、本発明の範畴に属するものである。ま
た、本発明材料のＣａはＰｂとの固溶範囲が広く禁制帯
幅を大きくする効果が著しく、さらにＳｒ，Ｂａ，Ｓ，
ＳｅおよびＴｅは固溶半導体の格子定数を制御する効果
が大きい。
【００２４】
【実施例】実施例１ Ｐｂ1-x Ｃａx Ｓ1-z Ｓｅz （ｘ＝0.02〜0.06，ｚ＝0.
20〜0.80）の固溶半導体について、純度99.999％の粒状
Ｐｂ，Ｃａ，ＳおよびＳｅの原料をそれぞれ所望の組成
比で総量２ｇになるように秤量した。これを内径８mm、
長さ40mmの石英容器中に１×１０-6Ｔｏｒｒの真空度の
もとで真空封入し、弱い酸素−水素炎で合成反応を予備
的に進行させた。その後容器を１１２７Ｋ（８５４℃）
に加熱した電気炉中に挿入し、約10分間保持後、５０Ｋ
／ｈｒの速度で１３９３Ｋ（１１２０℃）まで昇温し、
同温度で３時間加熱保持し均質に溶融した後、水焼き入
れを行った。得られたものをさらに乳鉢で粉砕し、内径
８mm、長さの50mm清浄な容器に真空封入し一端に置く。
この容器を炉内気流による温度分布のみだれを防ぐため
に、さらに太い石英容器に真空封入し、２重構造とす
る。これを試料温度部１２２３Ｋ、結晶成長部との温度
差４Ｋの温度勾配を持つ横型炉の炉中に置き、数日間放
置し単結晶化した後、水焼き入れして固溶半導体レーザ
用材料を作った。得られた各固溶半導体の禁制帯幅およ
び格子定数を示すと表１に示す通りである。これらの値
は図２および図３の禁制帯幅および格子定数とよく一致
している。
20〜0.80）の固溶半導体について、純度99.999％の粒状
Ｐｂ，Ｃａ，ＳおよびＳｅの原料をそれぞれ所望の組成
比で総量２ｇになるように秤量した。これを内径８mm、
長さ40mmの石英容器中に１×１０-6Ｔｏｒｒの真空度の
もとで真空封入し、弱い酸素−水素炎で合成反応を予備
的に進行させた。その後容器を１１２７Ｋ（８５４℃）
に加熱した電気炉中に挿入し、約10分間保持後、５０Ｋ
／ｈｒの速度で１３９３Ｋ（１１２０℃）まで昇温し、
同温度で３時間加熱保持し均質に溶融した後、水焼き入
れを行った。得られたものをさらに乳鉢で粉砕し、内径
８mm、長さの50mm清浄な容器に真空封入し一端に置く。
この容器を炉内気流による温度分布のみだれを防ぐため
に、さらに太い石英容器に真空封入し、２重構造とす
る。これを試料温度部１２２３Ｋ、結晶成長部との温度
差４Ｋの温度勾配を持つ横型炉の炉中に置き、数日間放
置し単結晶化した後、水焼き入れして固溶半導体レーザ
用材料を作った。得られた各固溶半導体の禁制帯幅およ
び格子定数を示すと表１に示す通りである。これらの値
は図２および図３の禁制帯幅および格子定数とよく一致
している。
【００２５】
【表１】
【００２６】実施例２ Ｐｂ1-x （Ｃａ1-y Ｓｒy ）x Ｓ（ｘ＝0.10〜0.40，ｙ
＝0.19〜0.65）の固溶半導体５種について、純度99.999
％の粒状Ｐｂ，Ｃａ，ＳｒおよびＳの原料をそれぞれ所
望の組成比で総量２ｇになるように秤量した。試料の製
造法は実施例１と同じである。得られた各固溶半導体の
禁制帯幅および格子定数は、表２に示す通りである。こ
れらの値は図４および図５の禁制帯幅および格子定数と
よく一致している。
＝0.19〜0.65）の固溶半導体５種について、純度99.999
％の粒状Ｐｂ，Ｃａ，ＳｒおよびＳの原料をそれぞれ所
望の組成比で総量２ｇになるように秤量した。試料の製
造法は実施例１と同じである。得られた各固溶半導体の
禁制帯幅および格子定数は、表２に示す通りである。こ
れらの値は図４および図５の禁制帯幅および格子定数と
よく一致している。
【００２７】
【表２】
【００２８】尚、表３には本発明で得られた代表的な固
溶半導体レーザ素子用材料をレーザ素子の閉じ込め層あ
るいは／および活性層に使用した場合の諸特性を示し
た。閉じ込め層と活性層の格子定数はよく一致し、その
禁制帯幅（ｅＶ）の差も大きいことがわかる。すなわ
ち、それらの差は、従来の技術で得られた最高値0.18
（ｅＶ）を有する比較例と比べて、非常に改善されてい
ることがわかる。
溶半導体レーザ素子用材料をレーザ素子の閉じ込め層あ
るいは／および活性層に使用した場合の諸特性を示し
た。閉じ込め層と活性層の格子定数はよく一致し、その
禁制帯幅（ｅＶ）の差も大きいことがわかる。すなわ
ち、それらの差は、従来の技術で得られた最高値0.18
（ｅＶ）を有する比較例と比べて、非常に改善されてい
ることがわかる。
【００２９】
【表３】
【００３０】表３から明らかなように、試料番号45と49
とは活性層に本発明の材料を使用した場合で、また試料
番号53，59は本発明材料を閉じ込め層と活性層との双方
に使用した場合を示す。その他の試料は本発明材料を閉
じ込め層に使用した場合を示す。本発明材料は組成によ
っては、閉じ込め層によい場合と、活性層によい場合
と、閉じ込め層と活性層との双方よい場合とがあり、禁
制帯幅と格子定数とが所定の範囲内にあることが確認さ
れた。
とは活性層に本発明の材料を使用した場合で、また試料
番号53，59は本発明材料を閉じ込め層と活性層との双方
に使用した場合を示す。その他の試料は本発明材料を閉
じ込め層に使用した場合を示す。本発明材料は組成によ
っては、閉じ込め層によい場合と、活性層によい場合
と、閉じ込め層と活性層との双方よい場合とがあり、禁
制帯幅と格子定数とが所定の範囲内にあることが確認さ
れた。
【００３１】上記の実施例、表および図に示すように、
本発明の固溶半導体レーザ素子用材料は固溶範囲が広
く、禁制帯幅が大きいのでレーザ素子に好適な材料であ
る。すなわち、本発明材料を閉じ込め層に用い、活性層
としてはこの閉じ込め層の禁制帯幅より小さくてその差
が大きく、且つ格子定数がほぼ同じで格子整合性の良い
固溶半導体、例えばＰｂＳ，ＰｂＳｅ，ＰｂＴｅ，Ｐｂ
Ｓ1-zＳｅz 等を適宜選択することにより、また閉じ込
め層に禁制帯幅の大きな固溶半導体、例えばＩｎ1-x Ｇ
ａx Ａｓ1-y Ｐy 等を、また活性層にはこの閉じ込め層
の禁制帯幅より小さくてその差が大きく、且つ格子整合
性のよい本発明材料を適宜選択することにより、さらに
は閉じ込め層の禁制帯幅が活性層のそれより大きくてそ
の差が大きく、且つ格子整合性のよい本発明材料を閉じ
込め層と活性層の双方に適宜選択して用いることによ
り、動作温度が高く、発光効率の高いレーザ素子を作る
ことができる。したがって、本発明のレーザ素子は、波
長0.4 〜８μｍの赤外線領域における超高分解能分光器
の光源あるいは現在光通信に使われている石英系グラス
ファイバー光通信ばかりでなく、開発中の光損失の少な
い金属ハライド極損失グラスファイバーを用いた光通信
の光源としても好適である。
本発明の固溶半導体レーザ素子用材料は固溶範囲が広
く、禁制帯幅が大きいのでレーザ素子に好適な材料であ
る。すなわち、本発明材料を閉じ込め層に用い、活性層
としてはこの閉じ込め層の禁制帯幅より小さくてその差
が大きく、且つ格子定数がほぼ同じで格子整合性の良い
固溶半導体、例えばＰｂＳ，ＰｂＳｅ，ＰｂＴｅ，Ｐｂ
Ｓ1-zＳｅz 等を適宜選択することにより、また閉じ込
め層に禁制帯幅の大きな固溶半導体、例えばＩｎ1-x Ｇ
ａx Ａｓ1-y Ｐy 等を、また活性層にはこの閉じ込め層
の禁制帯幅より小さくてその差が大きく、且つ格子整合
性のよい本発明材料を適宜選択することにより、さらに
は閉じ込め層の禁制帯幅が活性層のそれより大きくてそ
の差が大きく、且つ格子整合性のよい本発明材料を閉じ
込め層と活性層の双方に適宜選択して用いることによ
り、動作温度が高く、発光効率の高いレーザ素子を作る
ことができる。したがって、本発明のレーザ素子は、波
長0.4 〜８μｍの赤外線領域における超高分解能分光器
の光源あるいは現在光通信に使われている石英系グラス
ファイバー光通信ばかりでなく、開発中の光損失の少な
い金属ハライド極損失グラスファイバーを用いた光通信
の光源としても好適である。
【００３２】
【発明の効果】本発明材料は、波長0.4 〜８μｍの赤外
領域で発振し、波長可変で、室温付近において動作可能
であるレーザ素子、特に格子整合型ダブルヘテロ接合あ
るいは格子整合型量子井戸構造レーザ素子を容易に作る
ことができるので、高発光効率および高性能レーザ素子
の材料として好適であり、さらにこのレーザ素子は光通
信システム、超高分解能分光器ならびにその他一般の計
測機器の光源等としても好適であり応用範囲が広い。
領域で発振し、波長可変で、室温付近において動作可能
であるレーザ素子、特に格子整合型ダブルヘテロ接合あ
るいは格子整合型量子井戸構造レーザ素子を容易に作る
ことができるので、高発光効率および高性能レーザ素子
の材料として好適であり、さらにこのレーザ素子は光通
信システム、超高分解能分光器ならびにその他一般の計
測機器の光源等としても好適であり応用範囲が広い。
【図１】図１（Ａ）は、格子整合型ダブルヘテロ接合構
造を有するレーザ素子である。図１（Ｂ）は、格子整合
型量子井戸構造を有するレーザ素子である。
造を有するレーザ素子である。図１（Ｂ）は、格子整合
型量子井戸構造を有するレーザ素子である。
【図２】図２はＰｂ1-x Ｃａx Ｓ1-z Ｓｅz の組成ｘお
よびｚと室温における禁制帯幅との関係を示す特性図で
ある。
よびｚと室温における禁制帯幅との関係を示す特性図で
ある。
【図３】図３はＰｂ1-x Ｃａx Ｓ1-z Ｓｅz の組成ｘお
よびｚと室温における格子定数との関係を示す特性図で
ある。
よびｚと室温における格子定数との関係を示す特性図で
ある。
【図４】図４はＰｂ1-x （Ｃａ1-y Ｓｒy ）x Ｓの組成
ｘおよびｙと室温における禁制帯幅との関係を示す特性
図である。
ｘおよびｙと室温における禁制帯幅との関係を示す特性
図である。
【図５】図５はＰｂ1-x （Ｃａ1-y Ｓｒy ）x Ｓの組成
ｘおよびｙと室温における格子定数との関係を示す特性
図である。
ｘおよびｙと室温における格子定数との関係を示す特性
図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 阿部 世嗣 宮城県仙台市太白区青山１丁目１番20号 サンライト203号 (56)参考文献 特開 昭58−122794（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−258485（ＪＰ，Ａ) Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ．Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ Ｍａｔｔｅｒ ｖｏｌ．26，ｎｏ．10（1982）（米) ｐ．5617−5622 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50
Claims (7)
- 【請求項１】 一般式 Ｐｂ1-x Ｃａx Ｘ （但し、０＜ｘ＜0.5 ，Ｘ：Ｓ，ＳｅおよびＴｅの少な
くとも一種又は二種以上の元素、但しＸがＳ単独の場合
を除く）で表されることを特徴とする固溶半導体レーザ
素子用材料。 - 【請求項２】 一般式 Ｐｂ1-x （Ｃａ1-y Ｙy ）x Ｘ （但し、０＜ｘ＜0.5 ，０＜ｙ＜１，Ｘ：Ｓ，Ｓｅおよ
びＴｅの少なくとも一種又は二種以上の元素、Ｙ：Ｓｒ
およびＢａの少なくとも一種又は二種以上の元素）で表
されることを特徴とする固溶半導体レーザ素子用材料。 - 【請求項３】 一般式 Ｐｂ1-x Ｃａx Ｓ1-z Ｓｅz （但し、０＜ｘ≦0.4 ，０＜ｚ＜１）で表されることを
特徴とする固溶半導体レーザ素子用材料。 - 【請求項４】 一般式 Ｐｂ1-x （Ｃａ1-y Ｓｒy ）x
Ｓ （但し、０＜ｘ＜0.5 ，０＜ｙ＜１）で表されることを
特徴とする固溶半導体レーザ素子用材料。 - 【請求項５】 請求項１乃至４の材料を閉じ込め層ある
いは／および活性層に用いたことを特徴とするレーザ素
子。 - 【請求項６】 請求項１乃至４の材料を閉じ込め層ある
いは／および活性層に用いたことを特徴とするダブルヘ
テロ接合レーザ素子。 - 【請求項７】 請求項１乃至４の材料を閉じ込め層ある
いは／および活性層に用いたことを特徴とする量子井戸
構造レーザ素子。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25165691A JP3165191B2 (ja) | 1991-09-30 | 1991-09-30 | 固溶半導体レーザ素子用材料およびレーザ素子 |
| US07/950,604 US5323410A (en) | 1991-09-30 | 1992-09-24 | Solid-solution semiconductor laser element material and laser element including Pb, Ca and S |
| DE69201336T DE69201336T2 (de) | 1991-09-30 | 1992-09-29 | Halbleiterlasermaterial aus einer festen Lösung und Laservorrichtung. |
| EP92116644A EP0535594B1 (en) | 1991-09-30 | 1992-09-29 | Solid-solution semiconductor laser element material and laser element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25165691A JP3165191B2 (ja) | 1991-09-30 | 1991-09-30 | 固溶半導体レーザ素子用材料およびレーザ素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0590701A JPH0590701A (ja) | 1993-04-09 |
| JP3165191B2 true JP3165191B2 (ja) | 2001-05-14 |
Family
ID=17226065
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25165691A Expired - Fee Related JP3165191B2 (ja) | 1991-09-30 | 1991-09-30 | 固溶半導体レーザ素子用材料およびレーザ素子 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5323410A (ja) |
| EP (1) | EP0535594B1 (ja) |
| JP (1) | JP3165191B2 (ja) |
| DE (1) | DE69201336T2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6351482B1 (en) | 1998-12-15 | 2002-02-26 | Tera Comm Research, Inc | Variable reflectivity mirror for increasing available output power of a laser |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4612644A (en) * | 1985-07-12 | 1986-09-16 | General Motors Corporation | Lead-alloy-telluride heterojunction semiconductor laser |
| US4943971A (en) * | 1989-02-24 | 1990-07-24 | Spectra-Physics, Inc. | Low tuning rate single mode PbTe/PbEuSeTe buried heterostructure tunable diode lasers and arrays |
| US5119388A (en) * | 1989-02-24 | 1992-06-02 | Laser Photonics, Inc. | Low tuning rate PbTe/PbEuSeTe buried quantum well tunable diode lasers and arrays |
-
1991
- 1991-09-30 JP JP25165691A patent/JP3165191B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1992
- 1992-09-24 US US07/950,604 patent/US5323410A/en not_active Expired - Lifetime
- 1992-09-29 DE DE69201336T patent/DE69201336T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1992-09-29 EP EP92116644A patent/EP0535594B1/en not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｂ．Ｃｏｎｄｅｎｓｅｄ Ｍａｔｔｅｒ ｖｏｌ．２６，ｎｏ．１０（１９８２）（米）ｐ．５６１７−５６２２ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5323410A (en) | 1994-06-21 |
| DE69201336T2 (de) | 1995-06-29 |
| JPH0590701A (ja) | 1993-04-09 |
| DE69201336D1 (de) | 1995-03-16 |
| EP0535594A1 (en) | 1993-04-07 |
| EP0535594B1 (en) | 1995-02-01 |
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