JP4920344B2 - 半導体レーザ - Google Patents

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Description

本発明は、ディスプレイ等に適用する緑色、黄色の可視領域の波長で発振する半導体レーザに関し、特にＩｎＰ基板上に形成されたＩＩ族元素とＶＩ族元素から構成される化合物半導体を用いた半導体レーザの動作特性を改善するため積層構造を工夫した半導体レーザ関する。
可視から紫外域で発光する半導体デバイス、即ち半導体レーザや発光ダイオードは、光情報記録装置（コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、ブルーレイディスク（ＢＤ））、カラー表示装置用の光源、固体レーザ励起用、加工用、センサー用、測定機用、医療用、あるいは、白色ランプへの応用など、現代社会／産業界において重要な半導体デバイスの一つとなっている。これらの用途の光学素子の波長帯と半導体材料の概要を示すと表１のようである。
Figure 0004920344
 表１から分かるように、赤色と青色の中間の波長帯である５００ｎｍ帯の黄色から緑色で発光する半導体デバイスに関しては、研究開発はおろか材料開拓さえも充分に行なわれていない。このため、この波長帯の半導体デバイス、特に、半導体レーザに関しては実用化に耐え得る性能は未だ実現されていない。
これらの光デバイス用半導体としてＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とならんでＩＩ−ＶＩ族半導体が有用である。しかし、これまで緑・黄色半導体レーザの実用化には至っていない。その主な理由は、十分な信頼性が得られないためである。
素子劣化を引き起こす原因の１つはレーザ活性層部でのマクロ欠陥である結晶欠陥の増殖である。加藤らは結晶成長条件を工夫することによりＧａＡｓ基板上に形成するＺｎＳｅ系材料の積層欠陥の低減に努め、活性層領域に内に欠陥を持たないレーザを試作し、素子寿命〜４００時間を観測した（非特許文献１）。ここでの寿命は圧縮歪による微小欠陥の移動、ｐ型クラッドでの窒素ドーピングなどのミクロ欠陥により制限されていることが指摘された。
近年、緑・黄色半導体レーザの構成材料としてＩＩ族元素にベリリウムを含むＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料の検討がはじめられた（特許文献１、２、３、非特許文献２）。発明者らは、ベリリウムを含むＩＩ−ＶＩ族化合物半導体材料を用いたＢｅＺｎＳｅＴｅ系ＬＥＤ（Light Emitting Diode，ライトエッミティングダイオード）を試作して、発光波長５７５ｎｍ、注入電流密度１３０Ａ／ｃｍ２での室温素子寿命５０００時間を確認した（非特許文献３−５）。この結果は、緑・黄色半導体レーザの実用化に向けた前進と考えられる。
本系での信頼性の改善は、ＩｎＰ基板を用いることにより格子整合した結晶層を使用できたこと、さらにベリリウムを導入することにより結晶が強固になり結晶欠陥、転位の増殖を抑制する効果によるものと考えられる。また、上記ＬＥＤと同様な材料構成で半導体レーザを試作し、７７Ｋパルス駆動でレーザ発振を確認した（非特許文献３）。しかし、本構造では実用上必要となる室温、連続発振には至らなかった。
特許２５８６３４９号明細書 特表２０００−５００２８８号公報 特開２００４−９５９２２号公報 E. Kato, et al., Electron. Lett. 34, 282 (1998). A. Waag et al., Journal of Cytal Growth 184/l85 (1998) 1-10. KIshino et al., Phys. Stat. Sol., 6, (2004) 1477-1486. 速水他、第５２回応用物理学会予稿集３１ｐ−ＺＮ−６． Yuki Nakai et al., phys. stat. sol. (a), 201, 12 (2004) pp. 2708-2711.
上記ＩｎＰ基板上に作製したＢｅＺｎＳｅＴｅ系半導体レーザは、従来のＩＩ−ＶＩ族レーザに比べ信頼性を大きく改善できる可能性を持つものの、基本特性である室温連続発振にはいたっていない。本発明で解決すべき課題は、実用化に必要な高い信頼性と室温連続発振を可能にするレーザ構造を提供することである。合わせて、素子作製上の結晶成長の容易性、歩留まりの向上をも考慮したレーザ構造を提供することである。
初めに、上記従来技術の問題点を明らかにする。
図１（ａ）、（ｂ）に従来技術として上記ＩｎＰ基板上に作製したＢｅＺｎＳｅＴｅ系ＬＥＤの構造の層構造、バンドラインナップを模式的に示す（Kishino et al., Phys. Stat. Sol., 6, (2004) 1477-1486.、速水他、第５２回応用物理学会予稿集３１ｐ−ＺＮ−６．、あるいは、Yuki Nakai et al., phys. stat. sol. (a), 201, 12 (2004) pp. 2708-2711）。図１に、（ｂ）にＣ．Ｂ．及びＶ．Ｂ．はそれぞれ伝導帯、価電子帯を示す。図１（ｂ）の太い実線は超格子内部に形成されたミニバンドを示す。
図１（ａ）において、１はＡｕ−Ｇｅよりなるｎ電極、２はＩｎＰ基板、３はＩｎＧａＡｓバッファ層、４はＣｌドープＺｎＣｄＳｅバッファ層、５はＣｌドープＭｇＳｅ／ＺｎＣｄＳｅ超格子よりなる下部クラッド層、６はＭｇＳｅ／ＺｎＣｄＳｅ超格子よりなる膜厚ステップド超格子層、７はＢｅＺｎＳｅＴｅ活性層、８はＭｇＳｅ／ＺｎＣｄＳｅ超格子層、９はＮドープＭｇＳｅ／ＢｅＺｎＴｅ超格子よりなる上部クラッド層、１０はＮドープＢｅＺｎＴｅ／ＺｎＴｅ超格子層、１１はＮドープＺｎＴｅキャップ層、１２はＡｕよりなるｐ電極、１３は絶縁層である。
すなわち、図１（ａ）に示す構造は、ＢｅｘＺｎ１−ＸＳｅＹＴｅ１−Ｙ活性層７（膜厚７．５ｎｍ）を中心として、ＭｇＳｅ／Ｚｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅ（２ＭＬ（モノレーヤー；分子層）／４ＭＬ）ｎクラッド層５（膜厚８００ｎｍ）、ＭｇＳｅ／Ｂｅ０．４８Ｚｎ０．５２Ｔｅ（４ＭＬ／６ＭＬ）ｐクラッド層９（膜厚５００ｎｍ）を配置した３層構造を基本構造とする。ｎクラッド層５の伝導帯（Ｃ．Ｂ．）端は活性層７の伝導帯端よりエネルギーが低く、両者はいわゆるタイプＩＩ接合となる。
そのため、両者を直接接続した場合、電子を十分に活性層７に注入することができない。そのため、両者の間にＺｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅの膜厚を変化させたＭｇＳｅ／Ｚｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅ膜厚グレーデッド超格子層６（膜厚３０ｎｍ）を配置した。また、活性層７とｐ−クラッド層９の間にＭｇＳｅ／Ｚｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅ超格子層８（２ＭＬ／１ＭＬ）（膜厚５ｎｍ）を配置した。結晶成長工程での成長中断中の活性層の劣化を防止するためである。成長ＩｎＰ基板２の直上にはｎ−Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ａｓバッファ層３（膜厚２００ｎｍ）、ｎ−Ｚｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅバッファ層（膜厚２００ｎｍ）を、またｐクラッド層９の上にはＭｇＳｅ／Ｂｅ０．４８Ｚｎ０．５２Ｔｅ層１０（膜厚５０ｎｍ）、ＺｎＴｅキャップ層１１（膜厚５ｎｍ）を設けた。これらはＺｎＴｅキャップ層１１を除きほぼＩｎＰ基板２に格子整合している。
図１(ａ)、(ｂ)に示す構造で５０００時間の長期ＬＥＤ動作が確認されたものの、レーザ構造での室温連続発振が得られなかったので、その原因を調べた。
上記活性層７の組成を０．０８＜Ｘ＜０．１９および０．２６＜Ｙ＜０．３２の範囲で変化させた試料を作製して、フォトルミネッセンス、フォトカレント測定を行った。その結果、活性層７とｎ側クレーデッド超格子層６の界面でのタイプＩＩ発光、すなわちヘテロ接合部の空間的に分離した伝導帯、価電子帯間での発光が生じており、このことが活性層７での発光効率を低下させていることがわかった。
タイプＩＩ発光を防止するため、上記膜厚グレーデッド超格子層６を導入したが、その効果は十分ではなく、タイプＩＩ発光はベリリウム組成が０．０８以上で顕著であった。さらに、光導波路計算から、本構造では活性層７への光閉じ込めは２％程度と弱く、レーザ発振のしきい値を上昇させる原因となることがわかった。これは、活性層７の両側の光ガイド層の役割を果たすグレーデッド超格子層８，６の屈折率がそれらの外側のｐ型、ｎ型クラッドの屈折率よりも小さいためである。
また、この例では超格子構造を用いてクラッド層等を構成した。超格子構造を用いることにより膜厚を制御することにより擬似混晶的にバンドキャップを簡便に調整できる利点がある。一方、クラッドに用いた場合、超格子構造では膜厚方向のキャリア伝導がバルク結晶に比べて小さく、低抵抗化の障害となる。また、周期数の大きな超格子構造は結晶成長の負担となる。このような観点から、超格子構造の結晶に代わりバルク結晶を用いたクラッド層、光ガイド層が望ましい。
以上の考察から、緑、黄色半導体レーザ実用化に向けた高信頼化、室温連続発振を実現するため、本発明では、以下の指針のもとで緑、黄色半導体レーザを構成することを提案する。
（１）高信頼化実現のため、ＩｎＰ基板上にＢｅを含む格子整合系ＩＩ−ＶＩ半導体を用いて半導体レーザの基本構造を構成する。
（２）活性層へのキャリアの注入効率を高めるため、タイプＩ型のバンドラインナップを有するダブルヘテロ構造で活性層、光ガイド層、クラッド層を構成する。具体的には、活性層とクラッド層の伝導体、可電子帯のバンド不連続値はそれぞれΔＥｃ＞３００ｍｅＶ，ΔＥｖ＞１００ｍｅＶとする。
（３）活性層への光の閉じ込めを増強することができる活性層、光ガイド層、クラッド層を構成する。具体的には、活性層とクラッド層の屈折率差Δｎ＞０．１として、光ガイド層の屈折率は両者の間に設定する。
（４）クラッド層をバルク結晶で構成する。
上記指針（１）により信頼性を確保して、上記指針（２）−（４）により室温連続発振を実現する。これらの指針自体は半導体レーザの分野では常識的な指針であるが、本発明は、上記指針を満足するＩＩ−ＶＩ族半導体の具体的な材料系を提案すること、その効果を実証することである。そのため、本発明では、
（Ａ）活性層をＢｅＣｄＳｅとするとともに、ＢｅＣｄＳｅ活性層に対するＩｎＰ基板上のＢｅＭｇＣｄＳｅクラッド層をこれまで報告されていない新たな材料系で構成することを提案する。あるいは、
（Ｂ）活性層をＺｎＳｅＴｅとするとともに、ＺｎＳｅＴｅに対するＩｎＰ基板上のＢｅＭｇＺｎＴｅクラッド層、ＢｅＣｄＳＴｅクラッド層、ＢｅＣｄＳｅＴｅクラッド層、ＢｅＺｎＳＴｅクラッド層、あるいは、ＢｅＺｎＳｅＴｅクラッド層をこれまで報告されていない新たな材料系で構成することを提案する。
ことにより、室温連続発振を実現する緑、黄色半導体レーザを提案する。
この発明によれば、従来よりも実用性の高い黄色から緑色で発光する半導体レーザの作製が実現できる。
本発明では、初めに、これまで報告された２元系ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の物理定数をもとに、上記発明の指針（１）−（４）満足する多元系ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体混晶の組み合わせを計算によりリストアップした。続いて、これらの結晶を作製し、必要な特性を測定して、計算結果と対比した。最後に、多元系ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体混晶の組み合わせによる半導体レーザを試作して、本発明の効果を確認した。
初めに、上記発明の指針（１）−（４）と本発明との関係を計算結果をもとに述べる。計算には、２元系ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の格子定数、バンドギャップ、屈折率、価電子帯上端エネルギー、伝導帯下端エネルギーを用いて、それらを線形近似することにより多元系材料の対応する定数を求めた。以下、本発明で取り上げる３種類の材料系について、バンド構造と発明内容の関係を述べる。
（ケース１）
ＩｎＰ基板上に形成したＩＩ−ＶＩ族半導体から構成される半導体レーザにおいて、本発明の基本的な構成は活性層をＢｅＣｄＳｅを主成分とする層を有するものとし、かつ、クラッド層にＢｅＭｇＣｄＳｅを主成分とする層を有するものとするものである。この構成は上記指針（１）を満足する。この場合の特徴は、クラッドのみならず、活性層にも結晶欠陥、転移の増殖を抑制する効果を持つベリリウムを有すること、および関係するＶＩ族元素が１種類であり結晶成長が制御しやすいことである。
図２（ａ）に、ＩｎＰ基板に格子整合するＢｅＭｇＣｄＳｅクラッド層の伝導帯（Ｅｃ）、価電子帯（Ｅｖ）のエネルギーレベルのベリリウムの含有率（原子分率）依存性の計算結果を示した。図２（ｂ）に、これに対応する波長５４０ｎｍでの屈折率を示した。計算には２元系材料のこれまでの報告値を用い、伝導帯、価電子帯のエネルギーレベルにはＺｎＳｅの価電子帯との差として表した。また、表２に、これらのグラフに用いた数値データを示した。本材料系は、ＩＩ族元素３種類、ＶＩ族元素１種類より構成されるＩＩＸＩＩＹＩＩ１−ｘ−ｙＶＩ型４元混晶であり、組成に関する２つの自由度Ｘ，Ｙを持つ。ここでは、ＩｎＰ基板への格子整合を条件の１つに加えているため、Ｘ（Ｂｅ組成）を与えれば、Ｙ（Ｍｇ組成）及び１−Ｘ−Ｙ（Ｃｄ組成）が必然的に決定される。このようにして求めたＢｅ組成（ＢｅＳｅ）に対する格子整合条件を満たすためのＭｇＳｅ，ＣｄＳｅの比率をも示した。
Figure 0004920344
 図２（ａ）の伝導帯の実線、破線は直接遷移、間接遷移を示す。ＢｅＭｇＣｄＳｅクラッドのバンドギャップ（ＥｃとＥｖの差）は、Ｂｅ含有量の増加に伴い減少することがわかる。ＩｎＰと格子整合できるＢｅＭｇＣｄＳｅのＢｅ含有量Ｙ１は、０．０４＜Ｙ１＜０．１８の範囲であることがわかる。
また、図２（ａ）の内容を具体的に示すため、図２（ａ）の右側にバンドラインナップの一例を示した。この例は、Ｂｅ組成（ＢｅＳｅ混晶比）ａの場合である。従って、Ｂｅ組成（ＢｅＳｅ混晶比）ａの４元材料をｐ型、ｎ型クラッドに用い、活性層にＢｅ０．１７Ｃｄ０．８３Ｓｅを用いることになる。バンドラインナップは、一点鎖線で示したように図２（ａ）左側の対応する伝導帯、価電子帯のエネルギーにより求まる。
これより、ＩｎＰ基板上に形成したＩＩ−ＶＩ族半導体から構成される半導体レーザにおいて、上述した本発明の基本的な構成におけるクラッド層を、ＩｎＰ基板に格子整合するＢｅＹ１ＭｇＺ１Ｃｄ１−Y１−Z１Ｓｅを主成分とする層（０．０４＜Ｙ１＜０．１８）を有するものとした半導体レーザを提案する。ここで、活性層をＢｅＣｄＳｅを主成分とする層とするのみで、活性層組成の詳細には言及せず、クラッド層のみに言及した理由は、ケース１で対象とする活性層はＢｅＣｄＳｅに他の元素を加える等の補正を加えた活性層においても本発明の効果を得ることができることを考慮したためである。
図２（ａ）中の２本の水平な直線２１，２２は、ＢｅＸ１Ｃｄ１−Ｘ１Ｓｅを主成分とする層（Ｘ１＝０．１７）の伝導帯と価電子帯を示す。本組成のバンドギャップは２．３ｅＶであり、緑色の発振が可能である。また、２本の水平な破線２３，２４は伝導帯バンド不連続値ΔＥｃ＝３００ｍｅＶ、価電子帯バンド不連続値ΔＥｖ＝１００ｍｅＶのエネルギーを示しており、従って、それぞれの上下の領域は上記指針（２）を満足する。これらの領域では、屈折率差Δｎ＞０．１を満足することも図２（ｂ）より確かめられ、上記指針（３）を満足する。
これより、ＩｎＰ基板上に形成したＩＩ−ＶＩ族半導体から構成される半導体レーザにおいて、上述した本発明の基本的な構成における活性層をＢｅＸ１Ｃｄ１−Ｘ１Ｓｅを主成分とする層（０．１５＜Ｘ１＜０．２０）を有するものとし、かつ、ｐ型クラッド層またはｎ型クラッドをＩｎＰ基板に格子整合するＢｅＹ１ＭｇＺ１Ｃｄ１−Ｘ１−Ｙ１Ｓｅを主成分とする層（０．０４＜Ｙ１＜０．１４）を有するものとする半導体レーザを提案する。ここで、活性層の組成の許容幅は、実用上満足できる本発明の効果が得られる範囲、および実際の素子作製工程での作製精度を考慮したものである。
（ケース２）
ＩｎＰ基板上に形成したＩＩ−ＶＩ族半導体から構成される半導体レーザにおいて、本発明の他の基本的な構成は活性層をＺｎＳｅＴｅを主成分とする層を有するものとし、かつ、クラッド層をＢｅＭｇＺｎＴｅを主成分とする層を有するものとするものである。この構成も、また、上記指針（１）を満足する。この場合の特徴は、クラッド層に結晶欠陥、転移の増殖を抑制する効果を持つベリリウムを有すること、および関係するＶＩ族元素が１種類であり結晶成長が制御しやすいことである。
図３（ａ）に、ＩｎＰ基板に格子整合するＢｅＭｇＺｎＴｅクラッドの伝導帯（Ｅｃ）、価電子帯（Ｅｖ）のエネルギーレベルをベリリウムの含有率（原子分率）依存性の計算結果を示した。図３（ｂ）に対応する波長５４０ｎｍでの屈折率を示した。計算には２元系材料のこれまでの報告値を用い、伝導帯、価電子帯のエネルギーレベルにはＺｎＳｅの価電子帯との差として表した。本材料系は、ＩＩ族元素３種類、ＶＩ族元素１種類より構成されるＩＩＸＩＩＹＩＩ１−ｘ−ｙＶＩ型４元混晶であり、組成に関する２つの自由度Ｘ，Ｙを持つ。ここでは、ＩｎＰ基板への格子整合を条件の１つに加えているため、Ｘを与えれば、１−Ｘ，Ｙ及び１−Ｙが必然的に決定される。表３にこれらのグラフに用いた数値データを示した。併せて、Ｂｅ組成（ＢｅＴｅ）に対する格子整合条件を満たすためのＭｇＴｅ，ＺｎＴｅの比率をも示した。
Figure 0004920344
 図３（ａ）の伝導帯の実線、破線は直接遷移、間接遷移を示した。ケース２の特徴は、クラッドのＶＩ族がＴｅであるため価電子帯のエネルギーが大きく容易に高濃度のｐ型ドーピングが達成でき、素子の低抵抗化がはかれることである。図３（ａ）中の２本の水平な直線２１，２２は、ＺｎＳｅＸ１Ｔｅ１−Ｘ１を主成分とする層（Ｘ１＝０．２）の伝導帯と価電子帯を示す。本組成のバンドギャップは２．３ｅＶであり、緑色の発振が可能である。また、２本の水平な破線２３，２４は伝導帯バンド不連続値ΔＥｃ＝３００ｍｅＶ、価電子帯バンド不連続値ΔＥｖ＝１００ｍｅＶのエネルギーを示しており、従って、それぞれの上下の領域は上記指針（２）を満足する。
これらの領域では、屈折率差Δｎ＞０．１を満足することも図３（ｂ）より確かめられ、上記指針（３）を満足する。
これより、ケース１と同様な考察により、ＩｎＰ基板上に形成したＩＩ−ＶＩ族半導体から構成される半導体レーザにおいて、上述した本発明の他の基本的な構成におけるクラッド層をＩｎＰ基板に格子整合するＢｅＹ２ＭｇＺ２Ｚｎ１−Y２−Z２Ｔｅを主成分とする層（０．５０＜Ｙ２＜０．６２）を有するものとした半導体レーザを提案する。ここで、Ｂｅ濃度（０．５０＜Ｙ２＜０．６２）は、ＢｅＭｇＺｎＴｅがＩｎＰ基板と格子整合可能な組成範囲を示す。
また、同様に、上述した本発明の他の基本的な構成における活性層をＺｎＳｅＸ２Ｔｅ１−Ｘ２を主成分とする層（０．１５＜Ｘ２＜０．２５）を有するものとし、かつ、ｐ型クラッド層をＩｎＰ基板に格子整合するＢｅＹ２ＭｇＺ２Ｚｎ１−Y２−Z２Ｔｅを主成分とする層（０．６０＜Ｙ２＜０．６２）を有するものとする半導体レーザを提案する。ここで、Ｙ２＝０．６２はＺｎを含まないＢｅ０．６２Ｍｇ０．３８Ｔｅ３元混晶に相当する。ここでＢｅ濃度（０．６０＜Ｙ２＜０．６２）は、ＢｅＭｇＺｎＴｅクラッド層がＺｎＳｅＸ２Ｔｅ１−Ｘ２活性層（Ｘ２＝０．２０）に対して指針（２），（３）、すなわち伝導帯バンド不連続値ΔＥｃ＝３００ｍｅＶ，価電子帯バンド不連続値ΔＥｖ＝１００ｍｅＶ、屈折率差Δｎ＞０．１を満足する範囲を示す。
（ケース３）
最後に、上述した本発明の他の基本的な構成によるＩｎＰ基板上に形成したＩＩ−ＶＩ族半導体から構成される半導体レーザのクラッド層を、ＢｅＺｎＳｅＴｅを主成分とする層、ＢｅＣｄＳｅＴｅを主成分とする層、ＢｅＺｎＳＴｅを主成分とする層、ＢｅＣｄＳＴｅを主成分とする層の内の少なくても１層を有するものとした半導体レーザを提案する。この構成も、また、上記指針（１）を満足する。この場合の特徴は、クラッド層に結晶欠陥、転移の増殖を抑制する効果を持つベリリウムを有すること、および関係するＶＩ族元素が１種類であり結晶成長が制御しやすいことである。本材料系は、ＩＩ族元素２種類、ＶＩ族元素２種類より構成されるＩＩＸＩＩ１−ＸＶＩｙＶＩ１−ｙ型４元混晶であり、組成に関する２つの自由度Ｘ，Ｙを持つ。ここでは、ＩｎＰ基板への格子整合を条件の１つに加えているため、Ｘ（Ｂｅ組成）を与えれば、Ｙ（Ｍｇ組成）及び１−Ｘ−Ｙ（Ｃｄ組成）が必然的に決定される。
図４（ａ）に、ＩｎＰ基板に格子整合するＢｅＭｇＺｎＴｅクラッドの伝導帯（Ｅｃ）、価電子帯（Ｅｖ）のエネルギーレベルをベリリウムの含有率（原子分率）依存性の計算結果を示した。図４（ｂ）に対応する波長５４０ｎｍでの屈折率を示した。計算には２元系材料のこれまでの報告値を用い、伝導帯、価電子帯のエネルギーレベルにはＺｎＳｅの価電子帯との差として表した。
図４（ａ）の伝導帯の実線、破線は直接遷移、間接遷移を示した。ケース３の特徴は、ケース２と同様、クラッドのＶＩ族がＴｅであるため価電子帯のエネルギーが大きく容易に高濃度のｐ型ドーピングが達成でき、素子の低抵抗化がはかれることである。図４（ａ）中の２本の水平な直線２１，２２は、ＺｎＳｅＸ１Ｔｅ１−Ｘ１を主成分とする層（Ｘ１＝０．２）の伝導帯と価電子帯を示す。本組成のバンドギャップは２．３ｅＶであり、緑色の発振が可能である。また、２本の水平な破線２３，２４は伝導帯バンド不連続値ΔＥｃ＝３００ｍｅＶ、価電子帯バンド不連続値ΔＥｖ＝１００ｍｅＶのエネルギーを示しており、従って、それぞれの上下の領域は上記指針（２）を満足する。
これらの領域では、屈折率差Δｎ＞０．１を満足することも図４（ｂ）より確かめられ、上記指針（３）を満足する。
これより、ケース１と同様な考察により、ＩｎＰ基板上に形成したＩＩ−ＶＩ族半導体から構成される半導体レーザにおいて、上述した本発明の他の基本的な構成におけるｐ型クラッド層をＩｎＰ基板に格子整合するＢｅＹ４Ｃｄ１−Ｙ４ＳｅＺ４Ｔｅ１−Ｚ４を主成分とする層（０．２０＜Ｙ４＜０．７０）、ＢｅＹ５Ｚｎ１−Ｙ５ＳＺ５Ｔｅ１−Ｚ５を主成分とする層（０．０５＜Ｙ５＜０．４８）、ＢｅＹ６Ｃｄ１−Ｙ６ＳＺ６Ｔｅ１−Ｚ６を主成分とする層（０．０５＜Ｙ６＜０．７０）、ＢｅＹ７Ｚｎ１−Ｙ７ＳｅＺ７Ｔｅ１−Ｚ７を主成分とする層（０．０５＜Ｙ７＜０．４８）の内の少なくても１層を有するものとする半導体レーザを提案する。
さらに、指針（２），（３）、すなわち伝導帯バンド不連続値ΔＥｃ＝３００ｍｅＶ、価電子帯バンド不連続値ΔＥｖ＝１００ｍｅＶ、屈折率差Δｎ＞０．１を満足する条件から、ＩｎＰ基板上に形成したＩＩ−ＶＩ族半導体から構成される半導体レーザにおいて、上述した本発明の他の基本的な構成における活性層をＺｎＳＸ３Ｔｅ１−Ｘ３を主成分とする層（０．１２＜Ｘ３＜０．２２）を有するものとし、かつ、ｐ型クラッド層にＩｎＰ基板に格子整合するＢｅＹ４Ｃｄ１−Ｙ４ＳｅＺ４Ｔｅ１−Ｚ４を主成分とする層（０．４６＜Ｙ４＜０．６０）、ＢｅＹ５Ｚｎ１−Ｙ５ＳＺ５Ｔｅ１−Ｚ５を主成分とする層（０．１２＜Ｙ５＜０．２４）、ＢｅＹ６Ｃｄ１−Ｙ６ＳＺ６Ｔｅ１−Ｚ６を主成分とする層（０．３６＜Ｙ６＜０．６２）、ＢｅＹ７Ｚｎ１−Ｙ７ＳｅＺ７Ｔｅ１−Ｚ７を主成分とする層（０．２０＜Ｙ７＜０．２２）の内の少なくても１層を有するものとする半導体レーザを提案する。
本発明では、クラッドには、所謂、超格子構造は使用せず、指針（４）に従って、上述のバルク４元、３元結晶を主成分として構成する。また、本発明は、活性層、クラッド層は上述した成分のみで構成される必要はなく、それらの成分比率が８０％以上であれば期待する効果を実現できる。例えば、ケース１の組成を持つクラッド層ＢｅＭｇＣｄＳｅにケース２の組成を持つクラッド層ＢｅＭｇＺｎＴｅを任意の割合で混合したＢｅＭｇＣｄＺｎＳｅＴｅは、ＩｎＰに対する格子整合条件を満足したまま、バンドギャップ、導帯バンド不連続値ΔＥｃ，価電子帯バンド不連続値ΔＥｖ、屈折率差Δｎを調整することができる。但し、実際の結晶成長でこのような６元系材料の組成を制御することは極めて困難であり、実用性に乏しい。しかしながら、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置のセル数等の装置の工夫により制御性を向上することは可能である。また、ＭｇＳｅは、ほぼ、ＩｎＰに格子整合するため、上記クラッドにＭｇＳｅを混合することは比較的容易である。また、本発明では格子整合の許容範囲を±１％以内とした。これは、格子不整が±１％を越えると結晶の劣化が顕著になるためである。
また、本発明のケース２，３ではＺｎＳｅＴｅを活性層の主成分としている。ここにＢｅを加え、ＢｅＺｎＳｅＴｅを活性層の主成分とすることも可能である。この場合、ケース２，３に示したクラッド材料のＢｅＭｇＺｎＴｅ、ＢｅＺｎＳｅＴｅ、ＢｅＣｄＳｅＴｅ、ＢｅＺｎＳＴｅ、ＢｅＣｄＳＴｅよりｐ型クラッド、ｎ型クラッドを選択することが可能である。
さらに、上記提案を踏まえ、本発明では活性層、クラッド層の間に設置する光ガイド層に関する指針を提案する。この光ガイド層は上述の指針（３）を満足する。すなわち、格子整合した活性層材料と格子整合したクラッド層材料とを適当な比率で混合した組成の材料で光ガイド層を構成するものである。具体的には、活性層をＢｅＸ７ＣｄＹ７Ｚｎ１−Ｘ７−Ｙ７ＳｅＺ７Ｔｅ１−Ｚ７を主成分として構成すること、または、活性層を量子井戸構造より構成し、該量子井戸の井戸層をＢｅＸ７ＣｄＹ７Ｚｎ１−Ｘ７−Ｙ７ＳｅＺ７Ｔｅ１−Ｚ７で構成する。ｎ型クラッド層をケース２，３に記載のクラッド材料ＢｅＸ８ＣｄＹ８Ｚｎ１−Ｘ８−Ｙ８ＳｅＺ８Ｔｅ１−Ｚ８より構成する。ここで、ｎ型クラッド層側光ガイド層をＡ（ＢｅＸ７ＣｄＹ７Ｚｎ１−Ｘ７−Ｙ７ＳｅＺ７Ｔｅ１−Ｚ７）＋（１―Ａ）（ＢｅＸ７ＣｄＹ７Ｚｎ１−Ｘ７−Ｙ７ＳｅＺ７Ｔｅ１−Ｚ７）、ここで０＜Ａ＜１，で構成することにより、活性層材料、クラッド層材料とを適当な比率で混合した組成の材料で光ガイド層を構成することができる。同様に、ｐ型クラッド層をケース２，３に記載のクラッド材料ＢｅＸ９ＣｄＹ９Ｚｎ１−Ｘ９−Ｙ９ＳｅＺ９Ｔｅ１−Ｚ９より構成し、ｐ型クラッド層側光ガイド層をＢ（ＢｅＸ７ＣｄＹ７Ｚｎ１−Ｘ７−Ｙ７ＳｅＺ７Ｔｅ１−Ｚ７）＋（１−Ｂ）（ＢｅＸ９ＣｄＹ９Ｚｎ１−Ｘ９−Ｙ９ＳｅＺ９Ｔｅ１−Ｚ９）、ここで０＜Ｂ＜１，で構成することにより、活性層材料、クラッド層材料とを適当な比率で混合した組成の材料で光ガイド層を構成することができる。このように構成した光ガイド層は、バンドギャップ、伝導帯下端エネルギー，価電子帯上端エネルギー、屈折率共に活性層、クラッド層の中間的な値となる。その結果、本発明で解決すべき課題であるタイプＩＩ接続を防止することができ、キャリアを効率的に活性層に注入することができる。また、活性層への光閉じ込めをも向上することができる。
次に、上記提案を実験的に検証した結果を示す。
初めに、バンド不連続値測定結果を示す。表面にＺｎＴｅを持つ試料（Ａ）、および表面にＢｅＺｎＳｅＴｅを持つ試料（Ｂ）をＭＢＥ成長により作製した。作製手順を以下に示す。
先ず、ＩｎＰ基板を最適な表面処理を行ったのちに、ＭＢＥ装置内へセットする。試料交換用の準備室に入れて真空ポンプで１０−３Ｐａ以下まで真空引きし、１００℃まで加熱し残留水分及び不純物ガスを脱離させる。次に、ＩＩＩ−Ｖ族専用成長室に搬送し、基板表面にＰ分子線をあてながら基板温度を５００℃に加熱することで基板表面の酸化膜を除去し、その後、基板温度４５０℃でＩｎＰ緩衝層を層厚３０ｎｍ成長し、基板温度４７０℃でＩｎＧａＡｓ緩衝層を層厚２００ｎｍ成長する。次に、試料をＩＩ−ＶＩ族専用成長室に搬送し、基板温度２００℃においてＺｎ分子線照射及びＺｎＣｄＳｅ低温緩衝層（層厚１００ｎｍ）の成長を行い、その後、基板温度３００℃においてＩｎＰ基板にほぼ格子整合したＢｅＺｎＳｅＴｅ層５００ｎｍ、ＺｎＴｅキャップ層５ｎｍを順次積層して、試料Ａを作製した。
この試料の一部を切り出し、表面のＺｎＴｅ層をＢｒ系のウェットエッチングにより除去して、表面にＢｅＺｎＳｅＴｅを持つ試料Ｂを作製した。
ＢｅＺｎＳｅＴｅの組成は、Ｘ線回折法、フォトルミネッセンス法（ＨｅＣｄレーザ励起、室温測定）による測定から、Ｂｅ０．１４Ｚｎ０．８６Ｓｅ０．３８Ｔｅ０．６２と同定した。試料Ａ，Ｂを接続した場合、すなわちＺｎＴｅ／ＢｅＺｎＳｅＴｅ、の価電子帯バンド不連続値を評価した。測定には光電子分光法を用いた。この測定では、２つの試料の共通原子、Ｔｅの内殻準位の結合エネルギーを基準にして、その基準位置からそれぞれの価電子帯上端までのエネルギーＥｃｏｒｅ／ｖを測定する。
図５（ａ）、（ｂ）は表面にＺｎＴｅを持つ試料、表面にＢｅＺｎＳｅＴｅを持つ試料のそれぞれのバンド不連続値測定結果を示す図である。図の左側はＴｅの３ｄ軌道の信号を、図の右側には価電子帯からの信号を示す。ＺｎＴｅではＥｃｏｒｅ／ｖ（ＺｎＴｅ）＝５７２．３２ｅＶであり、ＢｅＺｎＳｅＴｅではＥｃｏｒｅ／ｖ（ＢｅＺｎＳｅＴ）＝５７２．００ｅＶであった。その結果、価電子帯バンド不連続値ΔＥｖ、すなわち両者の価電子帯上端のエネルギー差ΔＥｖがＥｃｏｒｅ／ｖ（ＺｎＴｅ）―Ｅｃｏｒｅ／ｖ（ＢｅＺｎＳｅＴｅ）＝０．３２ｅＶとして求まる。この値は、計算から求めたΔＥｖ＝０．３０ｅＶと良い一致を示した。次に、この値をもとにＺｎＴｅ／ＢｅＺｎＳｅＴｅの伝導帯バンド不連続値ΔＥｃを求めた。ΔＥｃはＺｎＴｅ、ＢｅＺｎＳｅＴｅのバンドギャップＥｇ（ＺｎＴｅ）、Ｅｇ（ＢｅＺｎＳｅＴｅ）を用いて、ΔＥｃ＝ΔＥｖ＋｛Ｅｇ（ＺｎＴｅ）―Ｅｇ（ＢｅＺｎＳｅＴｅ）｝より求めることができる。
ここでは、バンドギャップはフォトルミネッセンス、及び吸収スペクトルの測定から求めた。その結果、ＺｎＴｅ／ＢｅＺｎＳｅＴｅの伝導帯バンド不連続値ΔＥｃ＝―０．７０ｅＶを求めた。ΔＥｖとΔＥｃの符号が異なることから、ＺｎＴｅ／ＢｅＺｎＳｅＴｅヘテロ接合はタイプＩＩ接続であることがわかる。
以下、同様の測定法で求めた４種類の材料系の価電子帯バンド不連続値ΔＥｖ、伝導帯バンド不連続値ΔＥｃを表４に示した。
Figure 0004920344
 ケース１として、ＢｅＭｇＣｄＳｅ／ＢｅＣｄＳｅ、ケース２としてＢｅＭｇＴｅ／ＺｎＳｅＴｅ、ケース３としてＢｅＣｄＳｅＴｅ／ＺｎＳｅＴｅ、ＢｅＺｎＳｅＴｅ／ＺｎＳｅＴｅのそれぞれの組み合わせを取り上げた。そのため、ＢｅＭｇＣｄＳｅ、ＢｅＣｄＳｅ、ＢｅＭｇＴｅ、ＺｎＳｅＴｅ、ＢｅＣｄＳｅＴｅ、ＢｅＺｎＳｅＴｅの６種類の結晶試料を作製した。作製手順を以下に示す。
先ず、ＩｎＰ基板を最適な表面処理を行ったのちに、ＭＢＥ装置内へセットする。試料交換用の準備室に入れて真空ポンプで１０−３Ｐａ以下まで真空引きし、１００℃まで加熱し残留水分及び不純物ガスを脱離させる。次に、ＩＩＩ−Ｖ族専用成長室に搬送し、基板表面にＰ分子線をあてながら基板温度を５００℃に加熱することで基板表面の酸化膜を除去し、その後、基板温度４５０℃でＩｎＰ緩衝層を層厚３０ｎｍ成長し、基板温度４７０℃でＩｎＧａＡｓ緩衝層を層厚２００ｎｍ成長する。次に、試料をＩＩ−ＶＩ族専用成長室に搬送し、基板温度２００℃においてＺｎ分子線照射及びＺｎＣｄＳｅ低温緩衝層（層厚１００ｎｍ）の成長を行い、その後、基板温度３００℃において測定すべき層を５００ｎｍ〜１０００ｎｍ成長した。
初めに、６種類の試料のＸ線回折、フォトルミネッセンス、吸収スペクトル法により、ＩｎＰ基板に対する格子不整、バンドギャップを測定した。これらの試料の格子不整は１％以下であった。バンドギャップ、格子不整から求めた混晶組成を表４に示した。
次に、光電子分光法により上述の方法で価電子帯上端エネルギーを求めた。共通内殻原子にＴｅ，またはＳｅを用いて、価電子帯バンド不連続値ΔＥｖを算出した。その結果とバンドギャップ測定値を用いて伝導帯バンド不連続値ΔＥｃを求めた。
結果を表４に示した。ΔＥｖ、ΔＥｃは、ケース１のＢｅＭｇＣｄＳｅ／ＢｅＣｄＳｅでは０．５０ｅｖ，０．４７ｅｖ、ケース２のＢｅＭｇＴｅ／ＺｎＳｅＴｅでは０．１３ｅＶ，１．７０ｅＶ、ケース３のＢｅＣｄＳｅＴｅ／ＺｎＳｅＴｅでは０．４２ｅＶ，０．４７ｅＶ、ケース３のＢｅＺｎＳｅＴｅ／ＺｎＳｅＴｅでは、０．１０ｅＶ，０．８５ｅＶであった。ここで、ケース２としてＢｅＭｇＴｅ／ＺｎＳｅＴｅの場合の伝導帯バンド不連続値ΔＥｃには直接遷移の値を示した。ＢｅＭｇＴｅではよりバンドギャップの小さな間接遷移が存在するが、今回のフォトルミネッセンス、及び吸収スペクトル法での間接遷移のバンドギャップ同定が不明確であったためである。表４には参考のため、上記の線形計算で求めた計算結果を示した。４種類のヘテロ接続に対して、計算結果は測定結果とほぼ一致した。
このことから、図２，３，４の計算結果は十分な精度を持つものと考えられる。これらの値はいずれも前述の基本指針（２）を満足している。従って、本発明の組成範囲はＢｅを含むＩＩ−ＶＩ族半導体レーザの特性向上に有効であることがわかる。
次に、本発明のクラッドに用いる材料系に対するドーピング実験の結果を示す。
図６（ａ）に試作したｎ型ドーピングしたＢｅＭｇＣｄＳｅのキャリア濃度測定用素子の構造を示す。ドーパントにはＺｎＣｌ２を用い、ドーピング濃度の異なる３種類の試料を作製した。以下作製手順を示す。
ＩｎＰ基板６１を最適な表面処理を行ったのちに、ＭＢＥ装置内へセットする。試料交換用の準備室に入れて真空ポンプで１０−３Ｐａ以下まで真空引きし、１００℃まで加熱し残留水分及び不純物ガスを脱離させる。次に、ＩＩＩ−Ｖ族専用成長室に搬送し、基板表面にＰ分子線をあてながら基板温度を５００℃に加熱することで基板表面の酸化膜を除去し、その後、基板温度４５０℃でＩｎＰ緩衝層６２を層厚３０ｎｍ成長し、基板温度４７０℃でＩｎＧａＡｓ緩衝層６３を層厚２００ｎｍ成長させる。次に、試料をＩＩ−ＶＩ族専用成長室に搬送し、基板温度２００℃においてＺｎ分子線照射及びＺｎＣｄＳｅ低温緩衝層６４を層厚１００ｎｍ成長させ、その後、基板温度３００℃においてＢｅＭｇＣｄＳｅ層６５を層厚０．５μｍまで積層した。ｎ型ドーピングにはＺｎＣｌ２を施しながら成長させた。Ｘ線回折、フォトルミネッセンスより求めた組成はＢｅ０．１４Ｍｇ０．３０Ｃｄ０．５６Ｓｅであり、バンドギャップは３．０ｅＶであった。
次に、ＴｉとＡｌの蒸着及びレジストと光露光によるパターニングにより、図６（ａ）に示すようなショットキー型の二電極６６を形成した。この電極を用いて室温での容量−電圧（Ｃ−Ｖ）法測定を行い、ＢｅＭｇＣｄＳｅ層６５での実効ドナー（ｎ型ドーピング）濃度を求めた。得られた最大ドナー濃度は１×１０１８ｃｍ−３であった。この結果は、本ＢｅＭｇＣｄＳｅが本発明の半導体レーザのｎ型クラッドに適用可能なことを示す。
次に図６（ｂ）に試作したｐ型ドーピングしたＢｅＭｇＴｅのキャリア濃度測定用素子の構造を示す。ドーパントにはラジカル窒素ドーピングを用い、ドーピング濃度の異なる４種類の試料を作製した。以下作製手順を示す。
ＩｎＰ基板６１を最適な表面処理を行ったのちに、ＭＢＥ装置内へセットする。試料交換用の準備室に入れて真空ポンプで１０−３Ｐａ以下まで真空引きし、１００℃まで加熱し残留水分及び不純物ガスを脱離させる。次に、ＩＩＩ−Ｖ族専用成長室に搬送し、基板表面にＰ分子線をあてながら基板温度を５００℃に加熱することで基板表面の酸化膜を除去し、その後、基板温度４５０℃でＩｎＰ緩衝層６２を層厚３０ｎｍ成長し、基板温度４７０℃でＩｎＧａＡｓ緩衝層６３を層厚２００ｎｍ成長させる。次に、試料をＩＩ−ＶＩ族専用成長室に搬送し、基板温度２００℃においてＺｎ分子線照射及びＺｎＣｄＳｅ低温緩衝層６４を層厚１００ｎｍまで成長させる。その後、基板温度３００℃においてＢｅＭｇＴｅ層６７を層厚０．５μｍまで積層した。ｐ型ドーピングにはラジカル窒素源を用いた。Ｘ線回折、フォトルミネッセンスより求めた組成はＢｅ０．６３Ｍｇ０．３７Ｔｅであり、バンドギャップは３．８ｅＶであった。
次に、ＴｉとＡｌの蒸着及びレジストと光露光によるパターニングにより、図６（ｂ）に示すようなショットキー型の二電極６６を形成した。この電極を用いて室温での容量−電圧（Ｃ−Ｖ）法測定を行い、ＢｅＭｇＴｅ層での実効アクセプター（ｐ型ドーピング）濃度を求めた。得られた最大アクセプター濃度は８×１０１７ｃｍ−３であった。この結果は、本ＢｅＭｇＴｅが本発明の半導体レーザのｐ型クラッドに適用可能なことを示す。
以下、本発明による半導体レーザの具体的な実施例を示す。
（実施例１）
図７に本発明の実施例１のリッジ型緑色半導体レーザの構造図を示す。実施例１では先にケース１で示した材料構成を適用する。７１はｎ型ＩｎＰ基板、７２はｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層（膜厚０．５μｍ）、７３はｎ型Ｂｅ０．１０Ｍｇ０．５６Ｃｄ０．３４Ｓｅクラッド層（膜厚１μｍ）、７４は多重量子井戸構造を含むアンドープ活性層、７５はｐ型Ｂｅ０．１０Ｍｇ０．５６Ｃｄ０．３４Ｓｅクラッド層（膜厚１μｍ）、７８はｐ型ＢｅＺｎＴｅ／ＺｎＴｅ組成変調超格子コンタクト層である。活性層７４は、Ｂｅ０．１７Ｃｄ０．８３Ｓｅ井戸層（膜厚５ｎｍ）、Ｂｅ０．１４Ｍｇ０．２８Ｃｄ０．５８Ｓｅ障壁層（膜厚５ｎｍ）３周期より構成される多重量子井戸の両側をＢｅ０．１４Ｍｇ０．２８Ｃｄ０．５８Ｓｅ光ガイド層（膜厚２０ｎｍ）７４’、７４’’で挟んだ構造に構成する。７０，７９はそれぞれＡｕＧｅＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ層のｎ電極、Ｎｉ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層のｐ電極であり、７６，７７はそれぞれ上面平坦化のためのポリイミド、ＳｉＮ保護膜である。
結晶成長にはＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族用のチャンバーを持つ２チャンバー分子線エピタキシー装置を用いる。ＩＩＩ−Ｖ族（ＧａＩｎＡｓ）、ＩＩ−ＶＩ族の成長温度はそれぞれ５００℃、２８０℃とする。両者の界面での転移発生を抑制するため、Ｚｎ照射を行う。ＩＩ−ＶＩ族のｎ型、ｐ型のドーパントには、ＺｎＣｌ２、ＲＦ―窒素プラズマ源を用いる。リッジの形成にはクロム酸、臭素酸混合液によるウェトエッチングを用い、プラズマＣＶＤ法によるＳｉＮ保護膜形成後、ポリイミドを塗布、ＣＦ４アッシャーによるエッチバックにより素子上面を平坦化する。電極７０，７９の形成には電子ビーム蒸着を用いる。メサ上面の幅は、６μｍ、ヘキカイにより形成したレーザの素子長は８００μｍとする。
実施例１の素子は室温で連続発振する。発振波長は５３０ｎｍ、閾値電流は２８ｍＡ、最大光出力は５５ｍＷである。
また、ｐクラッド層、ｎクラッド層、および、光ガイド層にＢｅ０．２０Ｃｄ０．８０Ｓｅを有する同様な素子を試作して比較する。Ｂｅ０．２０Ｃｄ０．８０ＳｅはＩｎＰ基板７１にほぼ格子整合したが、本発明のＢｅＳｅ混晶比Ｙ（０．０４＜Ｙ＜０．１８）をはずれる材料である。試作素子は、室温で連続発振を示すが、しきい値電流は２５０ｍＡと上述の結果に比べ１桁近く増加する。これは、本発明の有効性を示す結果であると考えられる。
（実施例２）
図８に本発明の実施例２のリッジ型緑色半導体レーザの構造図を示す。実施例２では、先にケース２で示した材料構成を適用する（ｎ型クラッドにはケース３で示した材料構成を適用する）。８１はｎ型ＩｎＰ基板、８２はｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層（膜厚０．５μｍ）、８３はｎ型Ｂｅ０．２４Ｚｎ０．７６Ｓｅ０．２７Ｔｅ０．７３クラッド層（膜厚１μｍ）、８４は多重量子井戸構造を含むアンドープ活性層、８５はｐ型Ｂｅ０．６２Ｍｇ０．３８Ｔｅクラッド層（膜厚１μｍ）、８８はｐ型ＢｅＺｎＴｅ／ＺｎＴｅ組成変調超格子コンタクト層である。活性層８４は、ＺｎＳｅ０．２Ｔｅ０．８井戸層（膜厚５ｎｍ）、Ｂｅ０．１２Ｚｎ０．８８Ｓｅ０．２３Ｔｅ０．７７障壁層（膜厚５ｎｍ）３周期より構成される多重量子井戸の両側をＢｅ０．１２Ｚｎ０．８８Ｓｅ０．２３Ｔｅ０．７７光ガイド層（膜厚２０ｎｍ）８４’、８４’’で挟んだ構造より構成する。８０，８９はそれぞれＡｕＧｅＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ層のｎ電極、Ｎｉ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層のｐ電極であり、８６はＳｉＮ保護膜、８８はｐ型ＢｅＺｎＴｅ／ＺｎＴｅ組成変調超格子コンタクト層である。素子作成方法は、ポリイミド平坦化工程を除き、基本的に実施例１と同等である。
実施例２の素子は室温で連続発振する。発振波長は５５０ｎｍ、閾値電流は４０ｍＡ、最大光出力は４０ｍＷである。
また、ｐクラッド層の組成をＢｅ０．５０Ｍｇ０．０２Ｚｎ０．４８Ｔｅを有する同様な素子を試作して比較する。Ｂｅ０．５０Ｍｇ０．０２Ｚｎ０．４８ＴｅはＩｎＰ基板にほぼ格子整合したが、本発明のＢｅＴｅ混晶比Ｙ（０．６０＜Ｙ＜０．６２）をはずれる材料である。試作素子では、室温連続発振動作を確認できない。この結果は、本発明の見積もりの妥当性示す１例と考えられる。
（実施例３）
図９に本発明の実施例３の絶縁膜ストライプ型緑色半導体レーザの構造図を示す。実施例３では、先にケース３で示した材料構成を適用する。９１はｎ型ＩｎＰ基板、９２はｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層（膜厚ｄ＝０．５μｍ）、９３はｎ型クラッド層（膜厚１μｍ）、９４はＺｎＳｅ０．２Ｔｅ０．８アンドープ活性層（バルク単層）、９５はｐ型クラッド層（膜厚１μｍ）、９６はｐ型ＢｅＺｎＴｅ／ＺｎＴｅ組成変調超格子コンタクト層である。９０，９９はそれぞれＡｕＧｅＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ層のｎ電極、Ｎｉ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層のｐ電極であり、９８は電流狭さくのためＳｉＮ絶縁膜である。素子作成方法は、基本的に実施例１と同等である。実施例３では、ｎ型クラッド層９３、ｐ型クラッド層９５を、表５に示すように組成比を変えたＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ４種類の素子として作製する。
Figure 0004920344
 同表に、得られる素子特性を示す。閾値電流、最大光出力は実施例１，２に劣るが、いずれの素子も室温で連続発振する。実施例３が実施例１，２に劣る特性は、実施例３のバルク単層であるアンドープ活性層９４を多重量子井戸活性層とすることにより改善できるものと考えられる。
本発明で得られる緑色で発振する半導体レーザは視感度が高いため、低い光出力で高感度な表示が可能である。従って、従来の赤色レーザによる表示システム等と比べ、目に対する安全性が向上する。また、赤色、青色の半導体レーザと組み合わせることにより、フルカラーの小型ディスプレイを構築できる。これにより、従来にない形態のディスプレイ、超小型投影装置、ウェアラブルＰＣの眼鏡型ディスプレイ、車載用フロントガラス投影ヘッドアップディスプレイ等へ応用できる可能性がある。
（ａ）、（ｂ）は従来技術のＩｎＰ基板上に作製したＢｅＺｎＳｅＴｅ系ＬＥＤの構造の層構造、バンドラインナップを模式的に示す。 （ａ）クラッドの伝導帯、価電子帯のエネルギーレベルのベリリウム含有率（原子分率）依存性（ｂ）屈折率のベリリウム含有率（原子分率）依存性の計算結果（１）を示す図である。 （ａ）クラッドの伝導帯、価電子帯のエネルギーレベルのベリリウム含有率（原子分率）依存性と（ｂ）屈折率のベリリウム含有率（原子分率）依存性の計算結果（２）を示す図である。 （ａ）クラッドの伝導帯、価電子帯のエネルギーレベルのベリリウム含有率（原子分率）依存性、（ｂ）屈折率のベリリウム含有率（原子分率）依存性の計算結果（３）を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は光電子分光法により表面にＺｎＴｅを持つ試料、表面にＢｅＺｎＳｅＴｅを持つ試料のそれぞれのバンド不連続値測定結果を示す図である。 （ａ）はＢｅＭｇＣｄＳｅ層キャリア濃度測定用試料の構造を示す図、（ｂ）はＢｅＭｇＴｅ層キャリア濃度測定用試料の構造を示す図である。 本発明の実施例１のリッジ型緑色半導体レーザの構造を示す図である。 本発明の実施例２のリッジ型緑色半導体レーザの構造を示す図である。 本発明の実施例３の絶縁膜ストライプ型緑色半導体レーザの構造を示す図である。
符号の説明
６１…ＩｎＰ基板、６２…ＩｎＰ緩衝層、６３…ＩｎＧａＡｓ緩衝層、６４…ＺｎＣｄＳｅ低温緩衝層、６５…ＢｅＭｇＣｄＳｅ層、６６…ショットキー型の二電極、６７…ＢｅＭｇＴｅ層、７０…ＡｕＧｅＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ ｎ電極、７１…ｎ型ＩｎＰ基板、７２…ｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層、７３…ｎ型Ｂｅ０．１０Ｍｇ０．５６Ｃｄ０．３４Ｓｅクラッド層、７４…多重量子井戸構造を含むアンドープ活性層、７５…ｐ型Ｂｅ０．１０Ｍｇ０．５６Ｃｄ０．３４Ｓｅクラッド層、７６…ＳｉＮ保護膜、７７…ポリイミド、７８…ｐ型ＢｅＺｎＴｅ／ＺｎＴｅ組成変調超格子コンタクト層、７９…Ｎｉ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ ｐ電極、８０…ＡｕＧｅＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ ｎ電極、８１…ｎ型ＩｎＰ基板、８２…ｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層、８３…ｎ型Ｂｅ０．２４Ｚｎ０．７６Ｓｅ０．２７Ｔｅ０．７３クラッド層、８４…多重量子井戸構造を含むアンドープ活性層、８５…ｐ型Ｂｅ０．６２Ｍｇ０．３８Ｔｅクラッド層、８６…ＳｉＮ保護膜、８８…ｐ型ＢｅＺｎＴｅ／ＺｎＴｅ組成変調超格子コンタクト層、８９…Ｎｉ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ ｐ電極、９０…ＡｕＧｅＮｉ／Ｐｔ／Ａｕ ｎ電極、９１…ｎ型ＩｎＰ基板、９２…ｎ型ＩｎＧａＡｓバッファ層、９３…ｎ型クラッド層、９４…アンドープ活性層、９５…ｐ型クラッド層、９６…ＳｉＮ保護膜、９８…ｐ型ＢｅＺｎＴｅ／ＺｎＴｅ組成変調超格子コンタクト層、９９…Ｎｉ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ ｐ電極。

Claims (1)

  1. ＩｎＰ基板上に形成した活性層、ｐ型クラッド層、ｎ型クラッド層を有する半導体レーザにおいて、
    前記活性層と前記ｐ型および前記ｎ型クラッドとの価電子帯バンド端のエネルギーの差が１００ｍｅＶ以上であり、伝導帯バンド端のエネルギーの差が３００ｍｅＶ以上であるダブルヘテロ構造型のバンドラインナップを有すること、
    前記活性層がＺｎＳｅ ０．２ Ｔｅ ０．８ なる成分比を有する各元素で構成された量子井戸構造を有すること、および
    前記クラッド層がＢｅ ０．６２ Ｍｇ ０．３８ Ｔｅなる成分比を有する各元素で構成されていること
    を特徴とする半導体レーザ。
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DE19542241C2 (de) * 1995-11-13 2003-01-09 Siemens Ag Optoelektronisches Bauelement in II-VI-Halbleitermaterial
US5818859A (en) * 1996-06-27 1998-10-06 Minnesota Mining And Manufacturing Company Be-containing II-VI blue-green laser diodes
DE19703615A1 (de) * 1997-01-31 1998-08-06 Siemens Ag Optoelektronisches Halbleiterbauelement
JPH11112031A (ja) * 1997-08-04 1999-04-23 Nec Corp Ｉｉ−ｖｉ族化合物半導体ヘテロ接合素子
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