JP3302790B2

JP3302790B2 - 半導体発光装置

Info

Publication number: JP3302790B2
Application number: JP18940493A
Authority: JP
Inventors: 正行石川; 幸江西川; 真司斎藤; 敦之鎌田; ジョン・レニー
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 2002-07-15
Anticipated expiration: 2017-07-15
Also published as: JPH0722712A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザ，発光ダ
イオード等の半導体発光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より種々の化合物半導体が半導体レ
ーザに用いられているが、近年、ＺｎＳｅなどのワイド
ギャップ II-VI族化合物半導体が注目されている。これ
はこの種の化合物半導体が可視波長領域の光の波長に相
当するエネルギーと同等以上の広いバンドギャップを有
するので、可視発光素子材料としての利用が可能だから
である。

【０００３】特に、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＰなど
の III-V族化合物半導体材料による半導体レーザや発光
ダイオードの動作波長域が緑色より長い波長域であるの
に対し、ワイドギャップ II-VI族化合物半導体の場合に
はより波長の短い青色や紫外光までの動作が可能性とな
る。このため、小型，軽量，低動作電圧，高信頼性など
従来の半導体発光装置の有する利点をそのまま短波長領
域に適用できるようになる。これによって、光ディスク
の高密度化、更には、屋外メッセージボードなどのフル
カラー化も実現できるようになる。

【０００４】図１０は、ワイドギャップ II-VI族化合物
半導体（ＺｎＳｅ）を用いた従来の電流注入型の青緑色
半導体レーザ装置の概略構造を示す断面図である。

【０００５】図中、８１はｎ型ＧａＡｓ基板を示してお
り、このｎ型ＧａＡｓ基板８１上には、ｎ型ＧａＡｓバ
ッファ層８２を介して、ｎ型ＺｎＳｅ層８３，ｎ型Ｚｎ
ＳＳｅ層８４，ｎ型ＺｎＳｅ層８５，ＣｄＺｎＳｅ量子
井戸層８６，ｐ型ＺｎＳｅ層８７，ｐ型ＺｎＳＳｅ層８
８，ｐ型ＺｎＳｅ層８９が順次積層されている。このｐ
型ＺｎＳｅ層８９上には、開口部を有するポリイミド層
９０を介して、ｐ側Ａｕ電極９１が設けられ、一方、ｎ
型ＧａＡｓ基板８１には、ｎ側Ｉｎ電極９２が設けられ
ている。

【０００６】このように構成された青緑半導体レーザ装
置によれば、液体窒素温度での連続発振や、室温でのパ
ルス発振を行なえると報告されている（ Applied Physi
cs Letters, Vol.59, pp.1272-1274 (1991))。

【０００７】しかしながら、実用的な半導体レーザ装置
として必要な室温以上での連続発振は実現されていな
い。これは、ＺｎＳｅなどのワイドギャップ II-VI族化
合物半導体を用いた場合には、 III-V族化合物半導体を
用いた場合に比べて、ｎ型ＺｎＳｅ層８５，ｐ型ＺｎＳ
ｅ層８７（クラッド層）とＣｄＺｎＳｅ量子井戸層８６
（発光層）との間のバンドギャップ差が小さく、発光層
内に電子や正孔を良好に閉じ込めることができないから
である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、ＺｎＳｅ
などのワイドギャップ II-VI族化合物を用いた従来の青
緑色半導体レーザ装置にあっては、クラッド層と発光層
との間のバンドギャップ差が小さく、発光層内に電子や
正孔を良好に閉じ込めることができず、室温以上での連
続発振は実現されていないなかった。

【０００９】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的は、短波長（青色）の光に対しても良好
な発光特性を示す半導体発光装置を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の半導体発光装置（請求項１）は、半導体
基板上に形成された半導体発光層と、この半導体発光層
の片面または両面に設けられ、半導体超格子層により形
成され、屈折率が前記半導体発光層よりも小さく、且つ
多重量子障壁層が形成されている光ガイド半導体層を備
えたことを特徴とする。

【００１１】ここで、上記の如きの特徴を持っている半
導体超格子層は、例えば、２種類の半導体超格子を交互
に積層することで実現できる。また、上記２種類の半導
体超格子を形成する二つ半導体材料の少なくとも一方の
格子定数は、または上記多重量子井戸層の格子定数、ま
たは両方の格子定数が、上記半導体基板の格子定数と
０．５％以上異なっていることが好ましい。

【００１２】また、上記半導体基板はＧａＡｓ、上記２
種類の半導体超格子を形成する二つの半導体材料は、Ｚ
ｎＳｅ、ＣｄＺｎＳｅであることが好ましい。この場
合、半導体発光層は、上記半導体超格子を形成するＣｄ
ＺｎＳｅより厚いＣｄＺｎＳｅからなる量子井戸層と、
ＺｎＳｅからなる量子障壁層とで構成される単一量子井
戸層または多重量子井戸層であることが好ましい。

【００１３】また、本発明の他の半導体発光装置（請求
項２）は、半導体基板上に形成された第１導電型のクラ
ッド層と、この第１導電型のクラッド層上に形成され、
VI族元素を含む発光材料からなる活性層と、この活性層
上に形成され、前記第１導電型のクラッド層、前記活性
層とともにダブルヘテロ接合部を形成する第２導電型の
クラッド層と、前記二つのクラッド層の少なくも一方に
挿入され、タイプIIの半導体超格子により形成され、且
つ多重量子障壁層が形成されている半導体超格子層とを
備えたことを特徴とする。

【００１４】ここで、VI族元素を含む発光材料として、
カルコゲナイド半導体（II-VI 化合物半導体、I-III-VI
族半導体）を用いることが好ましい。また、II族元素と
してはＺｎが好ましい。

【００１５】また、ｐ型クラッド層の形成に用いるｐ型
不純物としては、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｌｉが好ましい。ｐ型
クラッド層は２．７ｅＶ以上の禁止帯幅を持ち、且つ半
導体超格子層はＴｅを含む亜鉛化合物からなることが好
ましい。

【００１６】

【作用】本発明の半導体発光装置（請求項１）によれ
ば、半導体超格子層により形成された光ガイド層に多重
量子障壁構造を持たせているので、光ガイド層の発光層
のキャリアに対するバリアは、量子井戸効果によって増
加する。

【００１７】このため、光ガイド層に、半導体超格子層
により光り閉じ込めの役割だけでなく、半導体発光層内
にキャリアを閉じ込める役割も持たせることができる。

【００１８】したがって、例えば、半導体発光層として
青色発光に必要なワイドギャップ半導体層を用いて、ダ
ブルヘテロレーザを形成する場合に、半導体発光層とク
ラッド層との間のバンドギャップが小さくても、本発明
の光ガイド層によるキャリアの閉じ込め効果によって、
従来よりも半導体発光層のキャリアの漏れを少なくで
き、短波長（青色）の光に対しても良好な発光特性を示
す半導体発光装置が得られる。

【００１９】また、本発明の他の半導体発光装置（請求
項２）によれば、クラッド層に半導体超格子層が挿入さ
れているので、クラッド層内の不純物は上記半導体超格
子層によってトラップされる。

【００２０】したがって、クラッド層内の不純物が活性
層に拡散することによる特性劣化を抑制できる。

【００２１】更に、上記半導体超格子層は、タイプIIの
超格子により形成されているので、タイプＩの超格子に
より形成された半導体超格子層に比べて、活性層に対す
るバリアは高いものとなる。しかも、上記半導体超格子
層には多重量子障壁層が形成されているので、多重量子
障壁効果によって更にバリアは高くなる。

【００２２】したがって、青色光の発生に必要なワイド
ギャップ半導体からなる活性層を用いても、活性層内に
キャリアを十分に閉じ込めることができ、短波長（青
色）の光に対しても良好な発光特性を示す半導体発光装
置が得られる。

【００２３】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。

【００２４】図１は、本発明の第１の実施例に係る半導
体レーザ装置の概略構造を示す断面図である。なお、括
弧内の具体的な材料名、厚さ、ドーピングキャリア濃度
は一例であってこれに限定されるものではない。

【００２５】図中、１はｐ型ＧａＡｓ基板を示してお
り、このｐ型ＧａＡｓ基板１上にはｐ型ＩｎＧａＰ基板
表面層２（厚さ１００ｎｍ、キャリア濃度２×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3）、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰワイドギャップ層３（厚さ
１００ｎｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ｐ型Ｉ
ｎＧａＰ表面層４（厚さ５ｎｍ、キャリア濃度２×１０
¹⁸ｃｍ^-3）が順次形成されている。

【００２６】ｐ型ＩｎＧａＰ表面層４上には、ｐ型Ｚｎ
Ｓｅバッファ層５（厚さ１００ｎｍ、キャリア濃度１×
１０¹⁸ｃｍ^-3）を介して、下部クラッド層６、下部半導
体超格子光ガイド層７、下部半導体障壁層８、半導体発
光層９、上部半導体障壁層１０、上部半導体超格子光ガ
イド層１１、上部クラッド層１２が順次設けられ、発光
領域となる多重ヘテロ構造部が形成されている。

【００２７】上部クラッド層１２上には、ＭｇＳｅエッ
チング停止層１３が形成され、このＭｇＳｅエッチング
停止層１３（厚さ２ｎｍ）上には、ｐ型ＺｎＳｅ電流阻
止層１４（厚さ１μｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3）が形成されている。このｐ型ＺｎＳｅ電流阻止層
１４およびＭｇＳｅエッチング停止層１３の開口部に当
たる上部クラッド層１２およびｐ型ＺｎＳｅ電流阻止層
１４上には、ｎ型ＺｎＳｅ埋め込み層１５（厚さ３μ
ｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）が形成されてい
る。

【００２８】ｎ型ＺｎＳｅ埋め込み層１５上には、ｎ型
ＺｎＳｅキャップ層１６（厚さ５００ｎｍ、キャリア濃
度１×１０¹⁹ｃｍ^-3）が形成され、このｎ型ＺｎＳｅキ
ャップ層１６上には、全面にわたって、Ａｌ層（厚さ１
００ｎｍ）、Ｔｉ層（５０ｎｍ）、Ｐｔ層（５０ｎ
ｍ）、Ａｕ層（３００ｎｍ）がこの順で積層されてなる
ｎ側電極１７が形成されている。また、ｐ型ＧａＡｓ基
板１側にはＡｕＺｎ／Ａｕからなるｐ側電極１８が形成
されている。

【００２９】図２は、図１の半導体レーザ装置の多重ヘ
テロ構造部の詳細な構造を示す伝導帯のエネルギーバン
ド図である。

【００３０】下部クラッド層６は、ｐ型ＺｎＳｅ層（厚
さ２μｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）からなり、
また、上部クラッド層１２は、ｎ型ＺｎＳｅ層（厚さ
０．５μｍ、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3）からな
る。

【００３１】下部半導体超格子光ガイド層７および上部
半導体超格子光ガイド層１１は、それぞれ、ＣｄＺｎＳ
ｅ（Ｃｄ組成０．３）超格子７ａとＺｎＳｅ超格子７ｂ
とが交互に積層した構造、およびＣｄＺｎＳｅ（Ｃｄ組
成０．３）超格子１１ａとＺｎＳｅ超格子１１ｂとが交
互に積層した構造になっており、ＣｄＺｎＳｅ超格子７
ａ、１１ａおよびＺｎＳｅ超格子７ｂ、１１ｂの厚さは
伴に２ｎｍ、そして、ＣｄＺｎＳｅ超格子７ａ、１１ａ
およびＺｎＳｅ超格子７ｂ、１１ｂの層数は伴に５層で
ある。

【００３２】下部半導体障壁層８および上部半導体障壁
層１０は伴にＺｎＳｅ層（厚さ１０ｎｍ）からなり、ま
た、半導体発光層９はＣｄＺｎＳｅ（Ｃｄ組成比０．
３、厚さ１０ｎｍ）で形成された単一の量子井戸層から
なる。

【００３３】このように構成されたレーザ素子を共振器
長５００μｍに劈開し、銅製のヒートシンクにＩｎ半田
を用いてマウントし、その特性を室温において評価し
た。その結果、発振波長は５２５ｎｍであり、また、連
続発振での発振しきい値電流は４０ｍＡであった。この
ときの動作電圧は２．７５で、また、連続発振の最高発
振温度は９０℃であった。すなわち、本実施例によれ
ば、従来困難であった室温での連続発振ばかりでなく、
室温での実用に十分な信頼性を確保するのに必要な高温
までの発振が得られた。

【００３４】このような良好な結果が得られたのは次の
ように考えられる。

【００３５】本実施例では、下部半導体超格子光ガイド
層７および上部半導体超格子光ガイド層１１を、半導体
発光層９より薄いＣｄＺｎＳｅ超格子とＺｎＳｅ超格子
とで形成している。

【００３６】これにより、図３に示すように、下部半導
体超格子光ガイド層７および上部半導体超格子光ガイド
層１１の屈折率を、半導体発光層９の屈折率と下部クラ
ッド層６（上部クラッド層１２）の屈折率との間にする
ことができる。また、半導体発光層９からの発光に対し
て下部半導体超格子光ガイド層７および上部半導体超格
子光ガイド層１１が透明になっている。

【００３７】このため、半導体発光層９への光り閉じ込
めを大幅に改善できる。例えば、本実施例の半導体レー
ザ装置の光閉じ込め量は、下部半導体超格子光ガイド層
７および上部半導体超格子光ガイド層１１が無いものに
比べて、約３倍も増加するようになる。

【００３８】また、ＣｄＺｎＳｅ超格子とＺｎＳｅ超格
子とは極薄なものなので、格子定数差による転位の発生
を抑制できる。

【００３９】このため、下部半導体超格子光ガイド層
７、上部半導体超格子光ガイド層１１の転位が半導体発
光層９に伸張し、非発光再結合が増加するという問題は
生じない。このような超格子構造の光ガイド層を用いる
ことで、転位の発生の防止と屈折率の制御の両立が困難
なＣｄＺｎＳｅ／ＺｎＳｅ系などのワイドギャップ II-
VI族化合物半導体の青色光材料の使用が可能なる。

【００４０】また、下部半導体超格子光ガイド層７、上
部半導体超格子光ガイド層１１は、それぞれ、下部半導
体障壁層８、上部半導体障壁層１０によって、半導体発
光層９と隔てられている。

【００４１】このため、半導体発光層９から下部半導体
超格子光ガイド層７、上部半導体超格子光ガイド層１１
へのキャリアの熱的放出に対するバリアは高く保持さ
れ、同様に、トンネル電流によるキャリアの放出も抑制
できる。したがって、半導体発光層９内にキャリアを良
好に閉じ込めることができ、動作電圧を低くできる。

【００４２】また、下部半導体超格子光ガイド層７、上
部半導体超格子光ガイド層１１が高い反射率を有するよ
うに、ＣｄＺｎＳｅ超格子およびＺｎＳｅ超格子の厚さ
を設定しているので、つまり、下部半導体超格子光ガイ
ド層７、上部半導体超格子光ガイド層１１がＭＱＢ効果
を発揮できるように、ＣｄＺｎＳｅ超格子およびＺｎＳ
ｅ超格子の厚さをしている。

【００４３】このため、下部半導体障壁層８、上部半導
体障壁層１０の伝導帯レベルよりも大きなエネルギーを
有するキャリアに対しも、下部半導体超格子光ガイド層
７、上部半導体超格子光ガイド層１１は有効なバリアと
して機能する。

【００４４】図４は、動作時における伝導帯電子のう
ち、漏れ電流の原因となるクラッド層下端よりも大きな
エネルギーを有する電子の分布状態を示す図である。

【００４５】図４から下部半導体超格子光ガイド層７、
上部半導体超格子光ガイド層１１による電子の多重反射
により、半導体発光層９に分布する電子の数が大きくな
っていることが分かる。

【００４６】すなわち、下部半導体超格子光ガイド層
７、上部半導体超格子光ガイド層１１の存在によって、
定常状態において電子分布は共鳴状態を形成し、半導体
発光層９の量子井戸層上で電子数が大きい分布が形成さ
れる。このため、特に大きな漏れ電流の低減に効果があ
った。

【００４７】かくして本実施例によれば、光ガイド層と
して、超格子からなり、且つＭＱＢ効果を持つ下部半導
体超格子光ガイド層７、上部半導体超格子光ガイド層１
１を使用しているので、発振に必要な利得を生じる半導
体発光層９への光および注入キャリアの閉じ込めが効果
的に行なわれる結果、青色光材料であるワイドギャップ
II-VI族化合物半導体を用いても、室温以上の高温でも
連続発振できる半導体装置が得られる。

【００４８】次に本実施例の変形例や他の利点・特徴に
ついて説明する。

【００４９】まず、本実施例では、半導体発光層９とし
て、ＣｄＺｎＳｅからなる単一量子井戸構造のものを用
いたが、ＣｄＺｎＳｅ／ＺｎＳｅ多層構造からなる多重
量子井戸構造でも同様な効果が得られる。

【００５０】また、本実施例では、半導体発光層９の両
側に半導体障壁層８，１０および半導体超格子光ガイド
層７，１１を設けたが、どちらか一方であっても良い。
特に下部クラッド層（ｐ型クラッド層）６側に設けるこ
とにより電子の漏れを防ぎやくなりその効果は大きかっ
た。

【００５１】また、半導体発光層９、半導体障壁層８，
１０、半導体超格子光ガイド層７，１１、クラッド層
６，１２の組み合わせについては、いろいろな組み合わ
せが可能であり、例えば、半導体発光層９をＣｄＺｎＳ
とし、半導体超格子光ガイド層７，１１をＣｄＺｎＳ／
ＺｎＳとしたものや、グラッド層６，１２をＺｎＭｇＳ
ｅＳとし、半導体超格子光ガイド層７，１１を組成の異
なる２種類のＺｎＭｇＳｅＳとしたものや、クラッド層
６，１２をＣｄＺｎＭｇＳｅとし、半導体超格子光ガイ
ド層７，１１を組成の異なる２種類のＣｄＺｎＭｇＳｅ
としたものなどでも同様の効果がみられた。

【００５２】また、本実施例では、ｐ型ＧａＡｓ基板１
上にｐ型ＩｎＧａＰ基板表面層２、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰ
ワイドギャップ層３、ｐ型ＩｎＧａＰ表面層４を形成し
た上に、ｐ型ＺｎＳｅバッファ層５を介して、下部クラ
ッド層６を形成している。これは良好な結晶性と、電圧
降下の小さなヘテロ界面を提供するためのものであり、
同様の効果の得られる材料、構造であれば、本実施例と
異なっていても良い。

【００５３】また、本実施例では、上部クラッド層１２
上にＭｇＳｅエッチング停止層１３、ｐ型ＺｎＳｅ電流
阻止層１４およびｎ型ＺｎＳｅ埋め込み層１５による電
流狭窄構造を形成している。これは電流の横方向への拡
散による動作電流の増加を防ぐためのものであり、同様
の効果の得られる電流狭窄構造であれば、本実施例と異
なっていても良い。

【００５４】また、本実施例の素子構造は、レーザ動作
に対し有利なものであるが、本構造を発光ダイオードに
適用しても、注入されたキャリアを半導体発光層に有効
に閉じ込められるという特性が得られ、発光ダイオード
を高効率に動作させることができた。

【００５５】また、本実施例に示した構造は、その作成
上も大きな利点を有している。

【００５６】すなわち、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ
法）などで成長する場合、本実施例の場合、素子構造が
ＺｎＳｅおよびＣｄＺｎＳｅの２種類の材料によっての
み構成されることから、蒸発源と基板との間のシャッタ
ーを開閉することで、原料ビームを切り替え、蒸発源の
温度を変えることなく、超格子の作成が可能となる。し
たがって、急峻な界面を持ち、制御性、安定性に優れた
超格子の作成が可能である。

【００５７】このような事情は、水素化物などのガスや
有機金属などを用いたいわゆるＣＢＥ法（Chemical Bea
m Epitaxy）や有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）で
も、ガスや有機金属などの流量を変えることなく、バル
ブやシャッター操作のみで成長が可能であり、ＭＢＥ法
と同等である。

【００５８】特に、ＣｄＺｎＳｅ／ＺｎＳｅなどの場合
は、ＺｎおよびＳｅのビームを一定の強度で基板に照射
しながら、一定の強度のＣｄビームをシャッターの開閉
により、ある時間、基板に照射することにより半導体超
格子層を形成できることから、非常に優れた再現性を得
ることが可能となる。このような事情はＣｄＺｎＳ／Ｚ
ｎＳなどの超格子の成長においても同等である。

【００５９】図５は、本発明の第２の実施例に係る発光
ダイオードの概略構造を示す断面図である。

【００６０】図中、２１はｎ型ＧａＡｓ基板を示してお
り、このｎ型ＧａＡｓ基板２１上には、ｎ型ＺｎＳ_0.09
Ｓｅ_0.91クラッド層２２、ＺｎＳｅ活性層２３、ｐ型Ｚ
ｎＳ_0.09Ｓｅ_0.91クラッド層２４ａ、ＺｎＳＳｅ／Ｚｎ
ＴｅタイプII超格子層２５、ｐ型ＺｎＳ_0.09Ｓｅ_0.91ク
ラッド層２４ｂが順次成長されている。このｐ型ＺｎＳ
_0.09Ｓｅ_0.91クラッド層２４ｂにはＡｕ電極２６が設け
られ、また、ｎ型ＧａＡｓ基板２１にはＡｕＧｅ合金電
極２７が設けられている。

【００６１】ＺｎＳＳｅ／ＺｎＴｅタイプII超格子層２
５は、多重量子障壁構造を有し、超格子層を構成するＺ
ｎＳＳｅ超格子、ＺｎＴｅ超格子の厚さは伴に２ｎｍ
で、その周期は４で、そして、各超格子の平均の格子定
数はｎ型ＧａＡｓ基板２１に整合している。また、ｐ型
ＺｎＳ_0.09Ｓｅ_0.91クラッド層２４ｂの厚さは２０ｎｍ
である。

【００６２】各層はＭＯＣＶＤ法により形成し、その成
長条件は、例えば、ジメチル亜鉛供給量２０μｍｏｌ／
ｍｉｎ、ジメチルセレン供給量４０μｍｏｌ／ｍｉｎ、
ジエチル硫黄供給量５〜２０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ジイソ
プロピルテルル供給量５０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ジブロモ
プロパン４０μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニア４０００μ
ｍｏｌ／ｍｉｎ、成長温度５００℃、成長圧力１ａｔｍ
とする。ｎ型ＺｎＳ_0.09Ｓｅ_0.91クラッド層２２は塩素
を添加して形成し、ｐ型ＺｎＳ_0.09Ｓｅ_0.91クラッド層
２４ａは窒素原料としてアンモニアを用い窒素を添加し
て形成する。成長温度はいずれの層も５００℃である。

【００６３】図６は、本実施例の発光ダイオードの電流
−光出力特性を示し、比較例として、ＺｎＳＳｅ／Ｚｎ
ＴｅタイプII超格子層２５がない従来の発光ダイオード
のそれも示してある。

【００６４】本実施例の場合には、順方向の立ち上がり
電圧が２．５Ｖと低く、ダイオード特性を現すｎ値も
１．７と小さい。また、光出力は数ｍ〜１００ｍＡの範
囲で電流に比例して増大することが分かる。

【００６５】このような良好が結果が得られたのは次の
ように説明される。

【００６６】図７は、本実施例の発光ダイオードの電圧
印加時におけるエネルギーバンド図である。図中、２５
ａ，２５ｂはそれぞれＺｎＳＳｅ／ＺｎＴｅタイプII超
格子層２５を構成するＺｎＴｅ超格子、ＺｎＳＳｅ超格
子を示している。

【００６７】本実施例の場合、価電子帯のホールは、Ｚ
ｎＳｅ活性層２３とｎ型ＺｎＳ_0.09Ｓｅ_0.91クラッド層
２２との間のバンドオフセットが１００ｍｅＶであるた
め、ＺｎＳｅ活性層２３内に閉じ込められる。

【００６８】一方、伝導帯の電子は、ＺｎＳＳｅ／Ｚｎ
ＴｅタイプII超格子層２５により、ＺｎＳｅ活性層２３
とｐ型ＺｎＳ_0.09Ｓｅ_0.91クラッド層２４ａ，２４ｂと
の実効的なバンドオフセットが０．５ｅＶ程度大きくな
るために、ＺｎＳｅ活性層２３内に閉じ込められる。

【００６９】このようにバンドオフセットが大きくなる
理由には大きく分けて二つある。

【００７０】第１の理由、本実施例の場合、ｐ型クラッ
ド層内にタイプII超格子層を挿入した構造になっている
からである。すなわち、ＺｎＳＳｅ／ＺｎＴｅタイプII
超格子層２５はタイプII超格子で形成されているため、
その伝導帯レベルは、図７に示すように、ＺｎＳｅ活性
層２３のそれよりも高く、電子に対する十分なバリアが
形成されるからである。ここで、ｐ型クラッド層内にタ
イプＩ超格子層を挿入した場合には、ＺｎＳｅ活性層２
３の伝導帯レベルとタイプＩ超格子層とのそれは略等し
くなり、本実施例のように高いバリアは形成されない。
このように超格子として特にタイプIIを用いることによ
り、比較例に比べて、伝導帯のバンドオフセットを大き
くできる。

【００７１】第２の理由は、ＺｎＳＳｅ／ＺｎＴｅタイ
プII超格子層２５に多重量子障壁構造が形成されている
からである。すなわち、ＺｎＳＳｅ／ＺｎＴｅタイプII
超格子層２５の実効的な伝導帯レベルは、ＺｎＳＳｅ／
ＺｎＴｅタイプII超格子の伝導帯レベルに多重量子障壁
効果による伝導帯レベルの増加を加えたものになる。

【００７２】このようにタイプII超格子から形成され、
且つ多重量子障壁構造を有する超格子層が挿入されたｐ
型クラッド層を用いることにより、従来に比べて、大幅
に、伝導帯のバンドオフセットを大きくできる。

【００７３】これに対して、比較例の場合には、光出力
自体が小さい上に、１０ｍＡを超えると既に光出力の飽
和傾向が見られる。この原因は、伝導帯のバンドオフセ
ットが小さく、電流レベルを上げると容易にキャリアオ
ーバーフローが生じ、発光に寄与しない電流成分が増大
するからである。

【００７４】次に本発明に係る第３の実施例について説
明する。本実施例が第２の実施例と異なる点は、ｐ型Ｚ
ｎＳ_0.09Ｓｅ_0.91クラッド層のｐ型不純物としてリチウ
ムを用いていることにある。

【００７５】リチウムは結晶中を容易に拡散し得る不純
物ではあるが、ＺｎＳｅ系の材料ではｐ型伝導を示すア
クセプタとして注目されている。しかし、リチウムはｐ
ｎ接合を形成した場合に容易にｎ型半導体層中に拡散し
てしまうため、実際のデバイスに用いるには難しいとい
う問題があった。

【００７６】このような問題があっても、本実施例によ
れば、ｐ型ＺｎＳ_0.09Ｓｅ_0.91クラッド層中に添加され
たリチウムは、図８のＳＩＭＳ分析（任意単位）から分
かるように、ＺｎＳｅ活性層２３の近傍の超格子層中に
トラップされる。これは超格子界面におけるポテンシャ
ルの差によりリチウムの拡散が抑制されるためと説明さ
れる。

【００７７】更に、Ｔｅを含むＺｎＴｅ超格子２５ａの
場合、ｐ型不純物の制御が容易でリチウムの添加により
高キャリア濃度が達成される。したがって、超格子層を
ホールが伝導する障壁とならない。

【００７８】図９は、本実施例とその比較例として超格
子層を挿入しない素子とについての電流−電圧特性を示
す図である。

【００７９】本実施例の場合、順方向の立ち上がり電圧
が２．５Ｖと低く、ｎ値も１．７と良好なｐｎ接合の形
成が示されているのに対して、比較例の場合、立ち上が
りで、電流が緩やかに増大する上に、ｎ値が１０以上と
ｐｎ接合の形成が認められず、ＭＩＳ型のデバイス特性
を示した。

【００８０】この違いは、本実施例ではリチウムの拡散
が無く、高濃度のリチウムによりｐｎ接合が形成されて
いるのに対して、比較例ではリチウムの拡散によりｎ型
半導体層の高抵抗化が生じていることに起因する。

【００８１】また、本発明者等の研究によれば、ＺｎＳ
Ｓｅ／ＺｎＴｅタイプII超格子層２５の厚さは１０〜５
０ｎｍ程度、量子井戸層の厚さが１〜８ｎｍ程度、超格
子２５ａ，２５ｂの厚さが１〜８ｎｍ程度、周期数が４
〜１０程度の場合に良好なキャリア閉じ込め効果を示す
ことが分かった。

【００８２】次に第２および第３の実施例の変形例につ
いて説明する。

【００８３】上記実施例では、活性層材料としてＺｎＳ
ｅを用いたが、その代わりにＺｎＳＳｅ、ＭｇＺｎＳＳ
ｅ、ＣｄＺｎＳＳｅ等の他のカルコゲナイド半導体を用
いても良い。

【００８４】また、上記実施例では、ｐ型ＺｎＳ_0.09Ｓ
ｅ_0.91クラッド層２４ａ，２４ｂにＺｎＳＳｅ／ＺｎＴ
ｅタイプII超格子層を挿入したが、要はｐ型クラッド層
に電子親和力が活性層に比べて小さい材料を含むタイプ
２超格子からなる超格子層を挿入すれば良い。

【００８５】また、超格子バリア層の構成材料も種々変
更可能であり、例えば、ＺｎＴｅの代わりに、ＺｎＳｅ
Ｔｅ，ＺｎＳＳｅＴｅ等を用いることもできる。

【００８６】また、リチウム以外の不純物、例えば、
Ｎ、Ｐ、Ａｓをｐ型クラッド層に添加しても良い。

【００８７】また、ｎ型クラッド層にタイプII超格子層
を挿入しても良い。

【００８８】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、上記第２および第３の実施例
では、発光ダイオードの場合について説明したが、本発
明（請求項２）は半導体レーザにも適用でき、室温で青
色のレーザ発振を得ることが可能であるまた、基板上に
バッファ層を形成しても良いし、基板についてＧａＡｓ
に限らず他の III-V族族半導体や、 II-VI族半導体を用
いても良い。

【００８９】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施できる。

【００９０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明（請求項１）
によれば、半導体超格子層により形成された光ガイド層
に多重量子障壁構造を持たせているので、光ガイド層の
発光層のキャリアに対するバリアは、多重量子障壁効果
によって増加し、光ガイド層に光り閉じ込めの役割だけ
でなく、キャリアの閉じ込めの役割も持たせることがで
きる。したがって、半導体発光材料として、青色発光に
必要なワイドギャップ半導体層を用いても、光ガイド層
によるキャリアの閉じ込め効果によって、従来よりも半
導体発光層のキャリアの漏れを少なくでき、短波長（青
色）の光に対しても良好な発光特性を示す半導体発光装
置が得られる。

【００９１】また、本発明（請求項２）によれば、クラ
ッド層に半導体超格子層が挿入されているので、クラッ
ド層内の不純物は上記半導体超格子層によってトラップ
される。更に、上記半導体超格子層は、タイプIIの超格
子により形成されているので、活性層に対するバリアは
高いものとなり、しかも、上記半導体超格子層には多重
量子障壁構造を持たせているので、多重量子障壁効果に
よって更にバリアは高くなる。したがって、青色光の発
生に必要なワイドギャップ半導体からなる活性層を用い
ても、活性層内にキャリアを十分に閉じ込めることがで
き、短波長（青色）の光に対しても良好な発光特性を示
す半導体発光装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ装置
の概略構造を示す断面図。

【図２】図１の半導体レーザ装置の多重ヘテロ構造部の
詳細な構造を示す伝導帯のエネルギーバンド図。

【図３】図１の半導体レーザ装置の多重ヘテロ構造部の
バンド構造と屈折率との関係を示す図。

【図４】多重ヘテロ構造部の漏れ電流の原因となる電子
の分布状態を示す図。

【図５】本発明の第２の実施例に係る発光ダイオードの
概略構造を示す断面図。

【図６】図５の発光ダイオードの電流−光出力特性と比
較例のそれを示す図。

【図７】図５の発光ダイオードの電圧印加時のエネルギ
ーバンド図。

【図８】ＳＩＭＳ分析によるリチウムの分布状態を示す
図。

【図９】本発明の第３の実施例に係る発光ダイオードの
電流−光出力特性と比較例のそを比較して示す図。

【図１０】従来の青緑色半導体レーザ装置の概略構造を
示す断面図。

【符号の説明】

１…ｐ型ＧａＡｓ基板、２…ｐ型ＩｎＧａＰ基板表面
層、３…ｐ型ＩｎＧａＡｌＰワイドギャップ層、４…ｐ
型ＩｎＧａＰ表面層、５…ｐ型ＺｎＳｅバッファ層、６
…下部クラッド層、７…下部半導体超格子光ガイド層、
８…下部半導体障壁層、９…半導体発光層、１０…上部
半導体障壁層、１１…上部半導体超格子光ガイド層、１
２…上部クラッド層、１３…ＭｇＳｅエッチング停止
層、１４…ｐ型ＺｎＳｅ電流阻止層、１５…ｎ型ＺｎＳ
ｅ埋め込み層、１６…ｎ型ＺｎＳｅキャップ層、１７…
ｎ側電極、１８…ｐ側電極、２１…ｎ型ＧａＡｓ基板、
２２…ｎ型ＺｎＳ_0.09Ｓｅ_0.91クラッド層、２３…Ｚｎ
Ｓｅ活性層、２４ａ，２４ｂ…ｐ型ＺｎＳ_0.09Ｓｅ_0.91
クラッド層、２５…ＺｎＳＳｅ／ＺｎＴｅタイプII超格
子層、２５ａ…ＺｎＴｅ超格子、２５ｂ…ＺｎＳＳｅ超
格子、２６…Ａｕ電極、２７…ＡｕＧｅ合金電極。

フロントページの続き (72)発明者鎌田敦之神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者ジョン・レニー神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (56)参考文献特開平４−273491（ＪＰ，Ａ) 特開平６−237039（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−46788（ＪＰ，Ａ) 特開平４−114486（ＪＰ，Ａ) 特開平５−291687（ＪＰ，Ａ) 特開平５−175605（ＪＰ，Ａ) 特開平６−216460（ＪＰ，Ａ) 特開平６−196801（ＪＰ，Ａ) Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．22［19 ］（1986）ｐ．1008−1010 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 H01L 33/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電型のクラッド層と、この第１導電型のクラッド層上に形成された活性層と、この活性層上に形成され、前記第１導電型のクラッド層
および前記活性層とともにダブルヘテロ接合部を形成す
る第２導電型のクラッド層と、前記二つのクラッド層の少なくとも一方の内部に、前記
活性層と所定距離離して設けられた、タイプIIの半導体
超格子により形成されて前記クラッド層よりも屈折率の
高い半導体超格子光ガイド層と、を具備してなることを特徴とする半導体発光装置。