JP3398966B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体発光素子、特に
ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体による短波長発光、例えば青
色ないしは紫外線発光をなす半導体発光素子、例えば半
導体レーザに係わる。 【０００２】 【従来の技術】例えば光ディスク、光磁気ディスクに対
する記録再生の高密度、高解像化の要求から、青色ない
しは紫外線の短波長半導体レーザの要求が高っている。 【０００３】青色ないしは紫外線発光の半導体レーザを
構成するには、直接遷移型のバンドギャップＥｇが大き
い材料が要求される。特にダブルヘテロ接合型半導体レ
ーザにおいては、クラッド層として、活性層より更にバ
ンドギャップの高いものが要求される。 【０００４】一方、半導体レーザ等の半導体発光素子に
おいて、その各半導体層をエピタキシャル成長させる基
体、いわゆるサブストレイトは、一般の各種化合物半導
体素子で広く用いられていて、結晶性にすぐれ生産性に
すぐれ、入手が容易で廉価なＧａＡｓ、或いはＧａＰに
よる単結晶基体が用いられていることが望ましい。 【０００５】また、従来、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体
は、光デバイス材料として特にＩＩｂ−ＶＩ族、またこ
れらの混晶が、直接遷移型のバンド構造であることから
有望視されている。 【０００６】一方、間接遷移型であるが、蛍光体とし
て、バンドギャップＥｇが大きい材料のＩＩａ−ＶＩ族
化合物が注目されている。 【０００７】しかしながら、このＩＩａ−ＶＩ族は、空
気中で加水分解するなど不安定な化合物で基本的な物性
についても未だ不明である。 【０００８】そこで、ＩＩｂ−ＶＩ族化合物によって光
学デバイスを構成することが有利と考えられる。ところ
が、このＩＩｂ−ＶＩ族において、活性層及びクラッド
層として互いにバンドギャップの異る材料を選定するこ
とは、これらＩＩｂ−ＶＩ族間での混晶を用いても困難
である。 【０００９】即ち、図７に各材料の格子定数ａ−バンド
ギャップＥｇの関係を示すように、ＩＩｂ−ＶＩ族の混
晶は、いわゆるボウイング・パラメータ（ｂｏｗｉｎｇ
ｐａｒａｍｅｔｅｒ）が大であって、相互に格子整合
をとりつつ大きなバンドギャップ差を有する材料の組合
せが困難となる。 【００１０】現在、青色領域の発光で提案されているも
のとして、活性層にＺｎＳｅを用い、クラッド層にＺｎ
ＳＳｅとＺｎＳｅの超格子を用いるもの、活性層にＺｎ
ＣｄＳを用い、クラッド層にＺｎＳＳｅを用いるものが
あるが、これらはいずれも活性層とクラッド層のバンド
ギャップ差が１００ｍｅＶ以下であって、クラッド層と
しての機能、即ち、光及びキャリアの閉じ込めを行う上
で問題がある。 【００１１】また、特開平１−１６９９８５号には、青
色半導体レーザとして、ＧａＡｓ基板に、ＺｎＳｅX Ｓ
1-X を活性層とするクラッド層材料にＺｎX Ｍｇ1-X Ｔ
ｅを用いることの構成が開示され、また特開昭６３−２
３３５７６号においても、ｐｎ接合型発光素子の開示が
あるが、実験的には、ＧａＡｓ，ＧａＰに格子整合する
ＺｎX Ｍｇ1-X Ｔｅは存在していない。 【００１２】上述した諸事情からバンドギャップＥｇ≧
２．７ｅＶの、ダブルヘテロ構造の半導体レーザは実用
化されるに到って居らず、まして、ＧａＡｓ，ＺｎＳ
ｅ，ＧａＰ等を基体とする室温で連続発振をする半導体
レーザは得られていない。 【００１３】 【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、特にＧａＡｓ、またはＺｎＳｅ化合物半導
体基体を用いた、しかも発光効率などの特性にすぐれた
短波長発光のダブルヘテロ接合型半導体発光素子を構成
することである。 【００１４】 【課題を解決するための手段】本発明においては、Ｇａ
Ａｓ、またはＺｎＳｅの化合物半導体基体に格子整合
し、かつ短波長発光を行う、即ちそのバンドギャップＥ
ｇが２．７ｅＶ以上の例えばＺｎＳＳｅ，ＺｎＣｄＳ，
ＺｎＳｅによる活性層に対し、その光及びキャリアの閉
じ込め機能を充分発揮できる程度に高いバンドギャップ
差を得ることのできるバンドギャップＥｇを有するもの
としてＩＩａ−ＶＩ族と、ＩＩｂ−ＶＩ族の混晶のＺｎ
x Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y を見出すに至り、これによっ
て、ダブルヘテロ接合型（以下ＤＨ型という）の短波長
半導体レーザ、発光ダイオード等の半導体発光素子を構
成するものである。 【００１５】本発明は、図１及び図２に、その一例の略
線的斜視図を示すように、基体１上に少なくとも第１導
電型の第１のクラッド層２と、活性層３と、第２導電型
の第２のクラッド層４とを積層するようにエピタキシャ
ル成長したダブルヘテロ接合型半導体発光素子を構成す
る。 【００１６】そして、本発明においては、その第１及び
第２のクラッド層のいずれか一方を、ＣｌまたはＧａを
ドーパントとするＺｎＭｇＳＳｅ混晶より成り、他方
を、ＮまたはＯをドーパントとするＺｎＭｇＳＳｅ混晶
より成る構成とする。 【００１７】また、基体１は、化合物半導体基体のＧａ
Ａｓもしくはこれに格子定数が近似するＺｎＳｅによっ
て構成する。 【００１８】そして、ＧａＡｓまたはＺｎＳｅから成る
基体１において、第１及び第２のクラッド層は、具体的
にはＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （ｘ，ｙは原子比）の
組成を有し、そのｘ，ｙを、 ０．７≦ｘ＜１．０ ０＜ｙ＜１ とする。 【００１９】因みに基体１をＧａＰとするときは、第１
及び第２のクラッド層は、具体的には、Ｚｎx Ｍｇ1-x
Ｓy Ｓｅ1-y （ｘ，ｙは原子比）の組成において、その
ｘ，ｙを、 ０．５≦ｘ＜１．０ ０．４≦ｙ≦１．０ とし得る。 【００２０】ここで本発明においては、いずれの場合も
ｘ値は１未満としてＩＩａ族のＭｇを含むＩＩａ−ＶＩ
と、ＩＩｂ−ＶＩとの混晶とすることに特徴を有し、こ
のためＭｇは、実際上１×１０19（原子／ｃｍ3 ）以上
とすれば良いものである。 【００２１】 【作用】上述したように、本発明では、クラッド層２及
び４として、ＩＩｂ−ＶＩ族とＩＩａ−ＶＩ族の混晶に
よるＺｎＭｇＳＳｅを用いるものであるが、このＭｇ
は、ＺｎやＣｄなどより原子番号が小さいにも関わら
ず、Ｚｎより共有結合半径が大きいという特徴をもつた
め、これを含むＺｎＭｇＳＳｅは、ＧａＡｓ，ＺｎＳｅ
に格子整合しバンドギャップＥｇの大なる材料となり得
る。 【００２２】ＺｎX Ｍｇ1-X Ｓy Ｓｅ1-y におけるｘ及
びｙを変化させた各材料のフォトルミネッセンス（Ｐ
Ｌ）のスペクトルのバンド端発光ピークを測定するとそ
のピークはＭｇの組成を増すことによって高エネルギー
側にシフトする。 【００２３】しかしながら、Ｍｇの組成が大となると共
に表面のモフォロジーが悪化する。ところが、これを考
慮してもＧａＰに比し格子定数の大きいＧａＡｓ，Ｚｎ
Ｓｅ基体についてもＺｎx Ｍｇ1-x ＳｙＳｅ1-y におい
て上述した各ｘ及びｙ値の特定によってこれらと格子整
合する格子定数を示し、かつバンドギャップを４ｅＶ程
度にまで上げることができた。 【００２４】また、上述の組成範囲に基くＺｎＭｇＳＳ
ｅにおいて、室温で３〜４ヶ月間放置しても加水分解反
応は起らず安定な材料であることの確認もなされた。 【００２５】上述の構成によるＤＨ型半導体発光素子に
よれば、活性層のバンドギャップＥｇが、２．７ｅＶ以
上であっても、これより少なくとも１００ｍｅＶは超え
る充分高いバンドギャップＥｇを有し、格子定数が大き
いＧａＡｓ，ＺｎＳｅ基体上に良好に格子整合させる組
成のクラッド層２及び４を形成できるので、結晶性にす
ぐれ、しかも、クラッド層の機能を確実に行わしめるこ
とができる、即ち、発光効率が高く、しきい値電流が低
い短波長発光半導体レーザ或いは発光ダイオードを構成
できる。 【００２６】 【実施例】図１に示すように、ＧａＡｓ、またはＺｎＳ
ｅ、或いはＧａＰの単結晶基板より成る基体１上に、必
要に応じて、図示しないがバッファ層をエピタキシャル
成長し、その上にｐ型またはｎ型の第１のクラッド層２
と、充分不純物濃度の低いｐ型、ｎ型或いは真性ｉ型の
活性層３と、ｎ型またはｐ型の第２のクラッド層４とを
ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）、ＭＯＣＶＤ法（化
学的気相成長法）等によって連続エピタキシーする。 【００２７】図２に示す例では、電流注入型の半導体レ
ーザを構成した場合で、この場合第２のクラッド層４上
に必要に応じてこれと同導電型のキャップ層（図示せ
ず）が連続エピタキシーされてこれの上、或いは第２の
クラッド層４上に直接的に窒化シリコン層等の絶縁層５
が形成され、これに穿設したストライプ状の窓５Ｗを通
じて一方の電極６が第２のクラッド層４或いはこれの上
のキャップ層にオーミックに被着される。 【００２８】そして他方の電極７は、基体１の裏面側に
オーミックに被着されるか、この裏面とオーミックに接
合するヒートシンク等をもって兼ねる。 【００２９】図１及び図２において第１及び第２のクラ
ッド層２及び４は、ＺｎＭｇＳＳｅ系化合物半導体より
成り、Ｃｌ，Ｇａ等のドープによってｎ型とされ、Ｎ，
Ｏ等のドープによってｐ型とされる。 【００３０】そして、その光出射端面８は、壁開面によ
って形成し得る。 【００３１】図３は、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y にお
ける組成比ｘ，ｙを変化させた各材料の、それぞれによ
るフォトルミネセンス（ＰＬ）のスペクトラムのバンド
端発光から得たバンドギャップＥｇ（ｅＶ）と、Ｘ線回
折の（４００）ピークにより得た格子定数ａ（Å）と
を、各材料の組成を示すプロット点に〔Ｅｇ，ａ〕の値
を添書したもので、図３中直線ＡでＧａＡｓと格子整合
した。 【００３２】この直線Ａは、下記（数１）で与えられ
る。 【数１】ｙ＝−１．１５８ｘ＋１．２１８ 【００３３】そして、ここに充分すぐれた光学的特性を
示し、成長温度と室温での熱膨張率の差などを考慮した
上での格子整合の範囲は、下記（数２）となった。 【数２】 −１．１５８ｘ＋１．１１８≦ｙ≦−１．１５８ｘ＋１．３１８ 【００３４】尚、図３中＊印は、未測定を表わす。 【００３５】図４は、ＧａＡｓに格子接合している範囲
で、光学的特性が良くなることを示したものである。Ｇ
ａＡｓの格子定数は５．６５３Åであるが、図４ではバ
ンドギャップＥｇ＝２．９９〜３．００ｅＶの範囲のも
のにおいて、格子定数の違いに対するバンド端発光（Ｉ
2 ）／ディープ（ｄｅｅｐ）発光（これは結晶の光学特
性が反映する）の測定結果を示したものである。これを
みて明らかなように格子定数がＧａＡｓのそれに近いと
ころで最も良い特性を示している。 【００３６】更に図５は、Ｍｇの量を変化させたときの
上述のＩ2 ／ｄｅｅｐを測定したもので、これによれ
ば、ＧａＡｓ基体を用いるとき、 【数３】０．８５≦ｘ＜１．０ とすることがより好ましいことが分かる。 【００３７】実施例１ 図１において、厚さ１００μｍのＧａＡｓ基体１上に、
順次１．５μｍの厚さのＺｎＭｇＳＳｅによる第１のク
ラッド層２、厚さ５０ｎｍのＺｎＳｅによる活性層３、
厚さ１５０ｎｍのＺｎＭｇＳＳｅによる第２のクラッド
層４を順次ＭＢＥによって連続エピタキシーし、長さ
（共振器長）４００μｍ、幅６００μｍの半導体チップ
を作製した。第１及び第２のクラッド層２及び４は、共
にｘ＝０．９４、ｙ＝０．１７とした。このチップをヒ
ートシンク２１上にマウントして第２のクラッド層４側
から波長３３７ｎｍのＮ2 レーザ光Ｌｅを照射して励起
したところ光出射端８から波長４７０．５ｎｍのレーザ
光Ｌの発光が得られた。図６は、このときの励起光Ｌｅ
の強度とレーザ光出力の強度との測定結果を示したもの
である。 【００３８】実施例２ 図１において、基体１をＧａＡｓ単結晶基板によって構
成した。そして、第１及び第２のクラッド層２及び４を
厚さ１μｍのＺｎX Ｍｇ1-X Ｓy Ｓｅ1-y で、ｘを約
０．８、ｙを約０．３とした。また活性層３を、厚さ
０．１μｍのＺｎＳ Z Ｓｅ1-Z で、ｚを約０．０６とし
た。 【００３９】この構成において、第２のクラッド層４側
から電子線照射による励起を行う。このとき、波長約４
７０ｎｍの発光が生じた。 【００４０】因みに、この実施例２におけるクラッド層
２及び４の構成材料についてのフォトルミネッセンスＰ
Ｌの４°Ｋのバンド端発光を測定したところ、そのバン
ド端ＢＥは約３．１ｅＶであった。また、その活性層３
は、ＢＥが約２．８ｅＶであり、クラッド層２及び４
と、活性層３は共にＧａＡｓ基体１上に、良く格子整合
してエピタキシャル成長されている。 【００４１】上述したところから明らかなように、クラ
ッド層２及び４と、活性層３とは、これらのＢＥの差を
みて（ＢＥはエネルギーギャップより稍々小さい）明ら
かなようにそのバンドギャップ差は、約３００ｍｅＶと
いう高い値を示す。 【００４２】実施例３ 実施例２と同様の構成による半導体チップを作製し、こ
れに図２で説明した電極６及び７を設けて両電極間６及
び７に順方向電圧を印加したところ同様のレーザ発光が
生じた。 【００４３】実施例４ 図１において、それぞれ基体１をＧａＡｓ単結晶基板に
よって構成した。そして、第１及び第２のクラッド層２
及び４を、厚さ１μｍのＺｎX Ｍｇ1-X Ｓy Ｓｅ
1-y で、ｘを約０．８、ｙを約０．３とした。また、活
性層３を、厚さ０．１μｍのＺｎZ Ｃｄ1-Z Ｓで、Ｚを
約０．４２とした。 【００４４】この構成において同様に、第２のクラッド
層４側から電子線照射による励起を行った。 【００４５】このとき、波長約４５０ｎｍの発光が生じ
た。 【００４６】因みに、この実施例４におけるクラッド層
２及び４の構成材料についてのフォトルミネッセンスＰ
Ｌのバンド端発光を測定したところ、そのバンド端ＢＥ
は約３．１ｅＶであった。また、その活性層３は、ＢＥ
が約２．８５ｅＶであり、クラッド層２及び４と、活性
層３は共にＧａＡｓ基体１上に、良く格子整合してエピ
タキシャル成長された。 【００４７】そして、上述したところから明らかなよう
に、クラッド層２及び４と、活性層３のバンドギャップ
差は、約３００ｍｅＶ弱となる。 【００４８】実施例５ 実施例４と同様の構成による半導体チップを作製し、こ
れに図２で説明した電極６及び７を設けて両電極間６及
び７に順方向電圧を印加したところ同様のレーザ発光が
生じた。 【００４９】因みに、本発明においては、基体１が、Ｚ
ｎＳｅ，ＧａＡｓの場合であるが、基体１がＧａＰであ
る場合は、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y において、 ０．５≦ｘ＜１．０ ０．４≦ｙ≦１．０ でＧａＰ基体１と良く整合し、かつバンドギャップが大
となる。 【００５０】参考例１ 図１において、それぞれ基体１をＧａＰ単結晶基板によ
って構成した。そして、第１及び第２のクラッド層２及
び４を、厚さ１μｍのＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y で、
ｘを約０．８５、ｙを約１とした。また活性層３を、厚
さ０．１μｍのＺｎＳz Ｓｅ1-z で、ｚを約０．８４と
した。 【００５１】この構成において、同様に、第２のクラッ
ド層４側から電子線照射による励起を行った。このと
き、波長が４００ｎｍ以下の発光が生じた。 【００５２】参考例２ 参考例１と同様の構成による半導体チップを作製し、こ
れに図２で説明した電極６及び７を設けて両電極間６及
び７に順方向電圧を印加したところ同様のレーザ発光が
生じた。 【００５３】参考例３ 図１において、それぞれ基体１をＧａＰ単結晶基板によ
って構成した。そして、第１及び第２のクラッド層２及
び４を、厚さ１μｍのＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y で、
ｘを約０．８５、ｙを約１とした。また活性層３を厚さ
０．１μｍのＺｎz Ｃｄ1-z Ｓで、Ｚを約０．９とし
た。 【００５４】この構成において同様に、第２のクラッド
層４側から電子線照射による励起を行うか、図２の電極
６及び７間に順方向に電圧印加した。 【００５５】この場合においても４００ｎｍ以下の波長
の発光が生じた。 【００５６】参考例４ 参考例３と同様の構成による半導体チップを作製し、こ
れに図２で説明した電極６及び７を設けて両電極間６及
び７に順方向電圧を印加したところ同様のレーザ発光が
生じた。 【００５７】尚、本発明は、上述した構造に限定される
ものではない。例えば上述のストライプ状の電極と共
に、或いはストライプ状の電極に代って、活性層３の中
央部にストライプ状の共振器部を形成するように両側部
に電流を阻止する電流狭搾領域を、第２のクラッド層４
側からこのクラッド層４と異る導電型の不純物の導入或
いは高抵抗化のためのプロトン等の打ち込み等を行うこ
とによって形成することもできるなど種々の構成を採り
得る。 【００５８】 【発明の効果】上述したように本発明によればＧａＡ
ｓ，ＺｎＳｅ等の入手し易い、生産性にすぐれ廉価な基
体１を用い、これに良く格子整合して、しかもバンドギ
ャップが大なるクラッド層２及び４を構成するので、発
光効率が高いなど特性の良い、安定した動作、更に連続
発振、室温動作をも可能な短波長発光の半導体レーザを
低価格に得ることができる。 【００５９】したがって、光記録再生光源として用いる
ことによって高記録密度、高解像度化と共に、光記録再
生装置の低価格化に寄与するものである。
ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体による短波長発光、例えば青
色ないしは紫外線発光をなす半導体発光素子、例えば半
導体レーザに係わる。 【０００２】 【従来の技術】例えば光ディスク、光磁気ディスクに対
する記録再生の高密度、高解像化の要求から、青色ない
しは紫外線の短波長半導体レーザの要求が高っている。 【０００３】青色ないしは紫外線発光の半導体レーザを
構成するには、直接遷移型のバンドギャップＥｇが大き
い材料が要求される。特にダブルヘテロ接合型半導体レ
ーザにおいては、クラッド層として、活性層より更にバ
ンドギャップの高いものが要求される。 【０００４】一方、半導体レーザ等の半導体発光素子に
おいて、その各半導体層をエピタキシャル成長させる基
体、いわゆるサブストレイトは、一般の各種化合物半導
体素子で広く用いられていて、結晶性にすぐれ生産性に
すぐれ、入手が容易で廉価なＧａＡｓ、或いはＧａＰに
よる単結晶基体が用いられていることが望ましい。 【０００５】また、従来、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体
は、光デバイス材料として特にＩＩｂ−ＶＩ族、またこ
れらの混晶が、直接遷移型のバンド構造であることから
有望視されている。 【０００６】一方、間接遷移型であるが、蛍光体とし
て、バンドギャップＥｇが大きい材料のＩＩａ−ＶＩ族
化合物が注目されている。 【０００７】しかしながら、このＩＩａ−ＶＩ族は、空
気中で加水分解するなど不安定な化合物で基本的な物性
についても未だ不明である。 【０００８】そこで、ＩＩｂ−ＶＩ族化合物によって光
学デバイスを構成することが有利と考えられる。ところ
が、このＩＩｂ−ＶＩ族において、活性層及びクラッド
層として互いにバンドギャップの異る材料を選定するこ
とは、これらＩＩｂ−ＶＩ族間での混晶を用いても困難
である。 【０００９】即ち、図７に各材料の格子定数ａ−バンド
ギャップＥｇの関係を示すように、ＩＩｂ−ＶＩ族の混
晶は、いわゆるボウイング・パラメータ（ｂｏｗｉｎｇ
ｐａｒａｍｅｔｅｒ）が大であって、相互に格子整合
をとりつつ大きなバンドギャップ差を有する材料の組合
せが困難となる。 【００１０】現在、青色領域の発光で提案されているも
のとして、活性層にＺｎＳｅを用い、クラッド層にＺｎ
ＳＳｅとＺｎＳｅの超格子を用いるもの、活性層にＺｎ
ＣｄＳを用い、クラッド層にＺｎＳＳｅを用いるものが
あるが、これらはいずれも活性層とクラッド層のバンド
ギャップ差が１００ｍｅＶ以下であって、クラッド層と
しての機能、即ち、光及びキャリアの閉じ込めを行う上
で問題がある。 【００１１】また、特開平１−１６９９８５号には、青
色半導体レーザとして、ＧａＡｓ基板に、ＺｎＳｅX Ｓ
1-X を活性層とするクラッド層材料にＺｎX Ｍｇ1-X Ｔ
ｅを用いることの構成が開示され、また特開昭６３−２
３３５７６号においても、ｐｎ接合型発光素子の開示が
あるが、実験的には、ＧａＡｓ，ＧａＰに格子整合する
ＺｎX Ｍｇ1-X Ｔｅは存在していない。 【００１２】上述した諸事情からバンドギャップＥｇ≧
２．７ｅＶの、ダブルヘテロ構造の半導体レーザは実用
化されるに到って居らず、まして、ＧａＡｓ，ＺｎＳ
ｅ，ＧａＰ等を基体とする室温で連続発振をする半導体
レーザは得られていない。 【００１３】 【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、特にＧａＡｓ、またはＺｎＳｅ化合物半導
体基体を用いた、しかも発光効率などの特性にすぐれた
短波長発光のダブルヘテロ接合型半導体発光素子を構成
することである。 【００１４】 【課題を解決するための手段】本発明においては、Ｇａ
Ａｓ、またはＺｎＳｅの化合物半導体基体に格子整合
し、かつ短波長発光を行う、即ちそのバンドギャップＥ
ｇが２．７ｅＶ以上の例えばＺｎＳＳｅ，ＺｎＣｄＳ，
ＺｎＳｅによる活性層に対し、その光及びキャリアの閉
じ込め機能を充分発揮できる程度に高いバンドギャップ
差を得ることのできるバンドギャップＥｇを有するもの
としてＩＩａ−ＶＩ族と、ＩＩｂ−ＶＩ族の混晶のＺｎ
x Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y を見出すに至り、これによっ
て、ダブルヘテロ接合型（以下ＤＨ型という）の短波長
半導体レーザ、発光ダイオード等の半導体発光素子を構
成するものである。 【００１５】本発明は、図１及び図２に、その一例の略
線的斜視図を示すように、基体１上に少なくとも第１導
電型の第１のクラッド層２と、活性層３と、第２導電型
の第２のクラッド層４とを積層するようにエピタキシャ
ル成長したダブルヘテロ接合型半導体発光素子を構成す
る。 【００１６】そして、本発明においては、その第１及び
第２のクラッド層のいずれか一方を、ＣｌまたはＧａを
ドーパントとするＺｎＭｇＳＳｅ混晶より成り、他方
を、ＮまたはＯをドーパントとするＺｎＭｇＳＳｅ混晶
より成る構成とする。 【００１７】また、基体１は、化合物半導体基体のＧａ
Ａｓもしくはこれに格子定数が近似するＺｎＳｅによっ
て構成する。 【００１８】そして、ＧａＡｓまたはＺｎＳｅから成る
基体１において、第１及び第２のクラッド層は、具体的
にはＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （ｘ，ｙは原子比）の
組成を有し、そのｘ，ｙを、 ０．７≦ｘ＜１．０ ０＜ｙ＜１ とする。 【００１９】因みに基体１をＧａＰとするときは、第１
及び第２のクラッド層は、具体的には、Ｚｎx Ｍｇ1-x
Ｓy Ｓｅ1-y （ｘ，ｙは原子比）の組成において、その
ｘ，ｙを、 ０．５≦ｘ＜１．０ ０．４≦ｙ≦１．０ とし得る。 【００２０】ここで本発明においては、いずれの場合も
ｘ値は１未満としてＩＩａ族のＭｇを含むＩＩａ−ＶＩ
と、ＩＩｂ−ＶＩとの混晶とすることに特徴を有し、こ
のためＭｇは、実際上１×１０19（原子／ｃｍ3 ）以上
とすれば良いものである。 【００２１】 【作用】上述したように、本発明では、クラッド層２及
び４として、ＩＩｂ−ＶＩ族とＩＩａ−ＶＩ族の混晶に
よるＺｎＭｇＳＳｅを用いるものであるが、このＭｇ
は、ＺｎやＣｄなどより原子番号が小さいにも関わら
ず、Ｚｎより共有結合半径が大きいという特徴をもつた
め、これを含むＺｎＭｇＳＳｅは、ＧａＡｓ，ＺｎＳｅ
に格子整合しバンドギャップＥｇの大なる材料となり得
る。 【００２２】ＺｎX Ｍｇ1-X Ｓy Ｓｅ1-y におけるｘ及
びｙを変化させた各材料のフォトルミネッセンス（Ｐ
Ｌ）のスペクトルのバンド端発光ピークを測定するとそ
のピークはＭｇの組成を増すことによって高エネルギー
側にシフトする。 【００２３】しかしながら、Ｍｇの組成が大となると共
に表面のモフォロジーが悪化する。ところが、これを考
慮してもＧａＰに比し格子定数の大きいＧａＡｓ，Ｚｎ
Ｓｅ基体についてもＺｎx Ｍｇ1-x ＳｙＳｅ1-y におい
て上述した各ｘ及びｙ値の特定によってこれらと格子整
合する格子定数を示し、かつバンドギャップを４ｅＶ程
度にまで上げることができた。 【００２４】また、上述の組成範囲に基くＺｎＭｇＳＳ
ｅにおいて、室温で３〜４ヶ月間放置しても加水分解反
応は起らず安定な材料であることの確認もなされた。 【００２５】上述の構成によるＤＨ型半導体発光素子に
よれば、活性層のバンドギャップＥｇが、２．７ｅＶ以
上であっても、これより少なくとも１００ｍｅＶは超え
る充分高いバンドギャップＥｇを有し、格子定数が大き
いＧａＡｓ，ＺｎＳｅ基体上に良好に格子整合させる組
成のクラッド層２及び４を形成できるので、結晶性にす
ぐれ、しかも、クラッド層の機能を確実に行わしめるこ
とができる、即ち、発光効率が高く、しきい値電流が低
い短波長発光半導体レーザ或いは発光ダイオードを構成
できる。 【００２６】 【実施例】図１に示すように、ＧａＡｓ、またはＺｎＳ
ｅ、或いはＧａＰの単結晶基板より成る基体１上に、必
要に応じて、図示しないがバッファ層をエピタキシャル
成長し、その上にｐ型またはｎ型の第１のクラッド層２
と、充分不純物濃度の低いｐ型、ｎ型或いは真性ｉ型の
活性層３と、ｎ型またはｐ型の第２のクラッド層４とを
ＭＢＥ法（分子線エピタキシー法）、ＭＯＣＶＤ法（化
学的気相成長法）等によって連続エピタキシーする。 【００２７】図２に示す例では、電流注入型の半導体レ
ーザを構成した場合で、この場合第２のクラッド層４上
に必要に応じてこれと同導電型のキャップ層（図示せ
ず）が連続エピタキシーされてこれの上、或いは第２の
クラッド層４上に直接的に窒化シリコン層等の絶縁層５
が形成され、これに穿設したストライプ状の窓５Ｗを通
じて一方の電極６が第２のクラッド層４或いはこれの上
のキャップ層にオーミックに被着される。 【００２８】そして他方の電極７は、基体１の裏面側に
オーミックに被着されるか、この裏面とオーミックに接
合するヒートシンク等をもって兼ねる。 【００２９】図１及び図２において第１及び第２のクラ
ッド層２及び４は、ＺｎＭｇＳＳｅ系化合物半導体より
成り、Ｃｌ，Ｇａ等のドープによってｎ型とされ、Ｎ，
Ｏ等のドープによってｐ型とされる。 【００３０】そして、その光出射端面８は、壁開面によ
って形成し得る。 【００３１】図３は、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y にお
ける組成比ｘ，ｙを変化させた各材料の、それぞれによ
るフォトルミネセンス（ＰＬ）のスペクトラムのバンド
端発光から得たバンドギャップＥｇ（ｅＶ）と、Ｘ線回
折の（４００）ピークにより得た格子定数ａ（Å）と
を、各材料の組成を示すプロット点に〔Ｅｇ，ａ〕の値
を添書したもので、図３中直線ＡでＧａＡｓと格子整合
した。 【００３２】この直線Ａは、下記（数１）で与えられ
る。 【数１】ｙ＝−１．１５８ｘ＋１．２１８ 【００３３】そして、ここに充分すぐれた光学的特性を
示し、成長温度と室温での熱膨張率の差などを考慮した
上での格子整合の範囲は、下記（数２）となった。 【数２】 −１．１５８ｘ＋１．１１８≦ｙ≦−１．１５８ｘ＋１．３１８ 【００３４】尚、図３中＊印は、未測定を表わす。 【００３５】図４は、ＧａＡｓに格子接合している範囲
で、光学的特性が良くなることを示したものである。Ｇ
ａＡｓの格子定数は５．６５３Åであるが、図４ではバ
ンドギャップＥｇ＝２．９９〜３．００ｅＶの範囲のも
のにおいて、格子定数の違いに対するバンド端発光（Ｉ
2 ）／ディープ（ｄｅｅｐ）発光（これは結晶の光学特
性が反映する）の測定結果を示したものである。これを
みて明らかなように格子定数がＧａＡｓのそれに近いと
ころで最も良い特性を示している。 【００３６】更に図５は、Ｍｇの量を変化させたときの
上述のＩ2 ／ｄｅｅｐを測定したもので、これによれ
ば、ＧａＡｓ基体を用いるとき、 【数３】０．８５≦ｘ＜１．０ とすることがより好ましいことが分かる。 【００３７】実施例１ 図１において、厚さ１００μｍのＧａＡｓ基体１上に、
順次１．５μｍの厚さのＺｎＭｇＳＳｅによる第１のク
ラッド層２、厚さ５０ｎｍのＺｎＳｅによる活性層３、
厚さ１５０ｎｍのＺｎＭｇＳＳｅによる第２のクラッド
層４を順次ＭＢＥによって連続エピタキシーし、長さ
（共振器長）４００μｍ、幅６００μｍの半導体チップ
を作製した。第１及び第２のクラッド層２及び４は、共
にｘ＝０．９４、ｙ＝０．１７とした。このチップをヒ
ートシンク２１上にマウントして第２のクラッド層４側
から波長３３７ｎｍのＮ2 レーザ光Ｌｅを照射して励起
したところ光出射端８から波長４７０．５ｎｍのレーザ
光Ｌの発光が得られた。図６は、このときの励起光Ｌｅ
の強度とレーザ光出力の強度との測定結果を示したもの
である。 【００３８】実施例２ 図１において、基体１をＧａＡｓ単結晶基板によって構
成した。そして、第１及び第２のクラッド層２及び４を
厚さ１μｍのＺｎX Ｍｇ1-X Ｓy Ｓｅ1-y で、ｘを約
０．８、ｙを約０．３とした。また活性層３を、厚さ
０．１μｍのＺｎＳ Z Ｓｅ1-Z で、ｚを約０．０６とし
た。 【００３９】この構成において、第２のクラッド層４側
から電子線照射による励起を行う。このとき、波長約４
７０ｎｍの発光が生じた。 【００４０】因みに、この実施例２におけるクラッド層
２及び４の構成材料についてのフォトルミネッセンスＰ
Ｌの４°Ｋのバンド端発光を測定したところ、そのバン
ド端ＢＥは約３．１ｅＶであった。また、その活性層３
は、ＢＥが約２．８ｅＶであり、クラッド層２及び４
と、活性層３は共にＧａＡｓ基体１上に、良く格子整合
してエピタキシャル成長されている。 【００４１】上述したところから明らかなように、クラ
ッド層２及び４と、活性層３とは、これらのＢＥの差を
みて（ＢＥはエネルギーギャップより稍々小さい）明ら
かなようにそのバンドギャップ差は、約３００ｍｅＶと
いう高い値を示す。 【００４２】実施例３ 実施例２と同様の構成による半導体チップを作製し、こ
れに図２で説明した電極６及び７を設けて両電極間６及
び７に順方向電圧を印加したところ同様のレーザ発光が
生じた。 【００４３】実施例４ 図１において、それぞれ基体１をＧａＡｓ単結晶基板に
よって構成した。そして、第１及び第２のクラッド層２
及び４を、厚さ１μｍのＺｎX Ｍｇ1-X Ｓy Ｓｅ
1-y で、ｘを約０．８、ｙを約０．３とした。また、活
性層３を、厚さ０．１μｍのＺｎZ Ｃｄ1-Z Ｓで、Ｚを
約０．４２とした。 【００４４】この構成において同様に、第２のクラッド
層４側から電子線照射による励起を行った。 【００４５】このとき、波長約４５０ｎｍの発光が生じ
た。 【００４６】因みに、この実施例４におけるクラッド層
２及び４の構成材料についてのフォトルミネッセンスＰ
Ｌのバンド端発光を測定したところ、そのバンド端ＢＥ
は約３．１ｅＶであった。また、その活性層３は、ＢＥ
が約２．８５ｅＶであり、クラッド層２及び４と、活性
層３は共にＧａＡｓ基体１上に、良く格子整合してエピ
タキシャル成長された。 【００４７】そして、上述したところから明らかなよう
に、クラッド層２及び４と、活性層３のバンドギャップ
差は、約３００ｍｅＶ弱となる。 【００４８】実施例５ 実施例４と同様の構成による半導体チップを作製し、こ
れに図２で説明した電極６及び７を設けて両電極間６及
び７に順方向電圧を印加したところ同様のレーザ発光が
生じた。 【００４９】因みに、本発明においては、基体１が、Ｚ
ｎＳｅ，ＧａＡｓの場合であるが、基体１がＧａＰであ
る場合は、Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y において、 ０．５≦ｘ＜１．０ ０．４≦ｙ≦１．０ でＧａＰ基体１と良く整合し、かつバンドギャップが大
となる。 【００５０】参考例１ 図１において、それぞれ基体１をＧａＰ単結晶基板によ
って構成した。そして、第１及び第２のクラッド層２及
び４を、厚さ１μｍのＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y で、
ｘを約０．８５、ｙを約１とした。また活性層３を、厚
さ０．１μｍのＺｎＳz Ｓｅ1-z で、ｚを約０．８４と
した。 【００５１】この構成において、同様に、第２のクラッ
ド層４側から電子線照射による励起を行った。このと
き、波長が４００ｎｍ以下の発光が生じた。 【００５２】参考例２ 参考例１と同様の構成による半導体チップを作製し、こ
れに図２で説明した電極６及び７を設けて両電極間６及
び７に順方向電圧を印加したところ同様のレーザ発光が
生じた。 【００５３】参考例３ 図１において、それぞれ基体１をＧａＰ単結晶基板によ
って構成した。そして、第１及び第２のクラッド層２及
び４を、厚さ１μｍのＺｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y で、
ｘを約０．８５、ｙを約１とした。また活性層３を厚さ
０．１μｍのＺｎz Ｃｄ1-z Ｓで、Ｚを約０．９とし
た。 【００５４】この構成において同様に、第２のクラッド
層４側から電子線照射による励起を行うか、図２の電極
６及び７間に順方向に電圧印加した。 【００５５】この場合においても４００ｎｍ以下の波長
の発光が生じた。 【００５６】参考例４ 参考例３と同様の構成による半導体チップを作製し、こ
れに図２で説明した電極６及び７を設けて両電極間６及
び７に順方向電圧を印加したところ同様のレーザ発光が
生じた。 【００５７】尚、本発明は、上述した構造に限定される
ものではない。例えば上述のストライプ状の電極と共
に、或いはストライプ状の電極に代って、活性層３の中
央部にストライプ状の共振器部を形成するように両側部
に電流を阻止する電流狭搾領域を、第２のクラッド層４
側からこのクラッド層４と異る導電型の不純物の導入或
いは高抵抗化のためのプロトン等の打ち込み等を行うこ
とによって形成することもできるなど種々の構成を採り
得る。 【００５８】 【発明の効果】上述したように本発明によればＧａＡ
ｓ，ＺｎＳｅ等の入手し易い、生産性にすぐれ廉価な基
体１を用い、これに良く格子整合して、しかもバンドギ
ャップが大なるクラッド層２及び４を構成するので、発
光効率が高いなど特性の良い、安定した動作、更に連続
発振、室温動作をも可能な短波長発光の半導体レーザを
低価格に得ることができる。 【００５９】したがって、光記録再生光源として用いる
ことによって高記録密度、高解像度化と共に、光記録再
生装置の低価格化に寄与するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体発光素子の一例の略線的斜
視図である。 【図２】本発明による半導体発光素子の一例の略線的斜
視図である。 【図３】Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-yのｘ，ｙ値とバン
ドギャップ及び格子定数の測定結果を示す図である。 【図４】バンド発光／ディープ発光の格子定数依存性の
測定結果を示す図である。 【図５】バンド発光／ディープ発光−Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓ
Ｓｅのｘ値の測定結果を示す図である。 【図６】本発明発光素子の発光強度−励起光強度の測定
結果を示す図である。 【図７】代表的化合物半導体の格子定数とエネルギーギ
ャップを示す図である。 【符号の説明】 １ 基体 ２ 第１導電型のクラッド層 ３ 活性層 ４ 第２導電型のクラッド層
視図である。 【図２】本発明による半導体発光素子の一例の略線的斜
視図である。 【図３】Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-yのｘ，ｙ値とバン
ドギャップ及び格子定数の測定結果を示す図である。 【図４】バンド発光／ディープ発光の格子定数依存性の
測定結果を示す図である。 【図５】バンド発光／ディープ発光−Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓ
Ｓｅのｘ値の測定結果を示す図である。 【図６】本発明発光素子の発光強度−励起光強度の測定
結果を示す図である。 【図７】代表的化合物半導体の格子定数とエネルギーギ
ャップを示す図である。 【符号の説明】 １ 基体 ２ 第１導電型のクラッド層 ３ 活性層 ４ 第２導電型のクラッド層
─────────────────────────────────────────────────────
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(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01S 5/00 - 5/50
H01L 33/00
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 ＧａＡｓまたはＺｎＳｅより成る基板上
に、 少なくとも、第１導電型の第１のクラッド層と、活性層
と、第２導電型の第２のクラッド層とがエピタキシャル
成長されて成り、 上記第１または第２のうちの一方のクラッド層は、Ｃｌ
またはＧａをドーパントとするＺｎＭｇＳＳｅ混晶より
成り、 他方のクラッド層は、ＮまたはＯをドーパントとするＺ
ｎＭｇＳＳｅ混晶より成ることを特徴とする半導体発光
素子。
Priority Applications (6)
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|---|---|---|---|
| JP3225392A JP3398966B2 (ja) | 1991-02-21 | 1992-02-19 | 半導体発光素子 |
| SG1996008392A SG77568A1 (en) | 1992-02-19 | 1992-11-27 | Semiconductor laser |
| DE69224054T DE69224054T2 (de) | 1992-02-19 | 1992-11-27 | Halbleiterlaser |
| EP92120338A EP0556461B1 (en) | 1992-02-19 | 1992-11-27 | Semiconductor laser |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| Country | Link |
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Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| GB2298735A (en) * | 1995-03-08 | 1996-09-11 | Sharp Kk | Semiconductor device having a miniband |
-
1992
- 1992-02-19 JP JP3225392A patent/JP3398966B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| JPH0575217A (ja) | 1993-03-26 |
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