JPH0575217A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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- JPH0575217A JPH0575217A JP3225392A JP3225392A JPH0575217A JP H0575217 A JPH0575217 A JP H0575217A JP 3225392 A JP3225392 A JP 3225392A JP 3225392 A JP3225392 A JP 3225392A JP H0575217 A JPH0575217 A JP H0575217A
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Abstract
波長半導体発光素子を構成する。 【構成】 基体1上に、ZnMgSSe系のクラッド層
2及び4によって挟み込まれたダブルヘテロ接合型のI
I−VI族化合物半導体発光素子を構成する。
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
する課題は、特にGaAs、またはZnSe、或いはG
aP等の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タ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。
As,ZnSe,GaP等の化合物半導体基体に格子整
合し、かつその発光が青色より短い短波長発光を行う、
即ちそのバンドギャップEg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ZnX 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。
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3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。
第2のクラッド層2及び3を、ZnMgSSe系、また
はZnMgS、或いはZnMgSe系化合物半導体によ
って構成する。
Asもしくはこれに格子定数が近似するZnSe、或い
はGaPによって構成する。
eのときは、第1及び第2のクラッド層は、具体的には
Znx Mg1-x SySe1-y (x,yは原子比)の組成
を有し、そのx,yを、 0.3≦x<1.0 0≦y≦1 とする。
び第2のクラッド層は、具体的には、Znx Mg1-x S
y Se1-y (x,y原子比)の組成を有し、そのx,y
を、 0.5≦x<1.0 0.4≦y≦1.0 とする。
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。
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、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,GaP
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。
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。
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や、これに比し格子定数の大きいGaA
s,ZnSe基体についてもZnx Mg1-x SySe
1-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。
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。
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、GaAs,Zn
SeやGaPの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。
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。
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。
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。
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。
って形成し得る。
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。
る。
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。
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。
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、
順次1.5μmの厚さのZnMgSSeによる第1のク
ラッド層2、厚さ50μm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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
層4側から電子線照射による励起を行った。
た。
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。
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。
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。
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
となった。
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0.85、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。
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。
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。
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。
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。
の発光が生じた。
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。
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。
s,ZnSe,GaP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。
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。
面図である。
面図である。
ドギャップ及び格子定数の測定結果を示す図である。
測定結果を示す図である。
Seのx値の測定結果を示す図である。
結果を示す図である。
ャップを示す図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 基体上に、 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及び第2のクラッド層が、ZnMgSSe系、
またはZnMgSe系、或いはZnMgS系化合物半導
体より成ることを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項2】 請求項1に記載の半導体発光素子におい
て、 基体がGaAsまたはZnSeより成り、 第1及び第2のクラッド層がZnx Mg1-x Sy Se
1-y (x,yは原子比)の組成を有し、x及びyが、 0.3≦x<1.0 0≦y≦1 に選定されたことを特徴とする半導体発光素子。 - 【請求項3】 請求項1に記載の半導体発光素子におい
て、 基体がGaPより成り、 第1及び第2のクラッド層が、Znx Mg1-x SySe
1-y (x,yは原子比)の組成を有し、x及びyが、 0.5≦x<1.0 0.4≦y≦1.0 に選定されたことを特徴とする半導体発光素子。
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3225392A JP3398966B2 (ja) | 1991-02-21 | 1992-02-19 | 半導体発光素子 |
DE69224054T DE69224054T2 (de) | 1992-02-19 | 1992-11-27 | Halbleiterlaser |
SG1996008392A SG77568A1 (en) | 1992-02-19 | 1992-11-27 | Semiconductor laser |
EP92120338A EP0556461B1 (en) | 1992-02-19 | 1992-11-27 | Semiconductor laser |
KR1019920022687A KR100246610B1 (ko) | 1992-02-19 | 1992-11-28 | 반도체레이저 |
US08/232,410 US5375134A (en) | 1991-02-21 | 1994-04-25 | Semiconductor light emitting device |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3-27484 | 1991-02-21 | ||
JP2748491 | 1991-02-21 | ||
JP3225392A JP3398966B2 (ja) | 1991-02-21 | 1992-02-19 | 半導体発光素子 |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002233755A Division JP3562518B2 (ja) | 1991-02-21 | 2002-08-09 | 半導体発光装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0575217A true JPH0575217A (ja) | 1993-03-26 |
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Family
ID=26365412
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3225392A Expired - Lifetime JP3398966B2 (ja) | 1991-02-21 | 1992-02-19 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3398966B2 (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0637836A1 (en) * | 1993-08-06 | 1995-02-08 | AT&T Corp. | Quantum wire laser |
US5747827A (en) * | 1995-03-08 | 1998-05-05 | Sharp Kabushiki Kaisha | Optoelectronic semiconductor device having a miniband |
-
1992
- 1992-02-19 JP JP3225392A patent/JP3398966B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0637836A1 (en) * | 1993-08-06 | 1995-02-08 | AT&T Corp. | Quantum wire laser |
US5747827A (en) * | 1995-03-08 | 1998-05-05 | Sharp Kabushiki Kaisha | Optoelectronic semiconductor device having a miniband |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP3398966B2 (ja) | 2003-04-21 |
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