JPH07221397A - ＰｂＴｅの格子整合材料およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＰｂＴｅ膜に格子整合し、かつバンドギャッ
プエネルギーが４００ｍｅＶ以上となるようなＰｂＴｅ
の格子整合材を作成し、ＰｂＴｅを活性層とする半導体
レーザ装置の製造を可能にする。 【構成】 Ｐｂ、ＳｒおよびＴｅを含む４元混晶薄膜を
格子整合材とする。特に、ＰｂＳｒＭｇＴｅまたはＰｂ
ＳｒＴｅＳｅを格子整合材とする。また、製造方法に当
っては、ホットウォールエピタキシー装置を用い、固体
ソース材の載置を最適化することにより良好な格子整合
薄膜を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＰｂＴｅ数膜の格子整
合材料に係り、特に、活性層にＰｂＴｅを用いた半導体
レーザの閉込め層に応用される格子材料およびその製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】中赤外線波長のレーザダイオードは、フ
ッ素化物ガラスファイバーを使った長距離通信をはじめ
として、高分解能の赤外分光や汚染気体検出システムの
光源としての応用が期待されるテバイスである。

【０００３】ＩＶ−ＶＩ族化合物半導体である鉛カルコ
ゲナイド化合物は、この赤外レーザの材料として有用な
材料である。

【０００４】研究の初期には、液体窒素温度程度の低温
でのみレーザ発振が得られるにすぎなかったが、レーザ
の室温動作へ向けて作成技術やクラッド層材料に関して
数多くの研究がなされた結果、最近ではＭＢＥ法により
作成されたＰｂＳｒＳｅ／ＰｂＳｅダブルヘテロレーゼ
において、２９０Ｋ（４．４μｍ）と室温に近い温度で
のパルス動作が確認されるまでになっている。

【０００５】現在のところ、赤外レーザのクラッド層材
料としては、以下に述べる理由で鉛−アルカリ土類元素
−カルコゲナイド系の材料が最も適していると考えられ
る。

【０００６】Ｓｒ等のアルカリ土類元素およびＥｕ等の
希土類元素は、どちらも鉛カルコゲイドとの混晶により
鉛カルコゲイドのエネルギーバンドギャップを増加させ
る。しかしながら、希土類元素は４ｆ軌道に電子をも
ち、例えばＥｕの場合、これらの電子はユーロビウムカ
ルコゲイドのエネルギーバンドギャップ内に局在した準
位をつくる。

【０００７】これらの準位は、鉛ユーロビウムカルコゲ
イドでは、深いドナーライクな準位をつくる傾向にあ
り、こういった深い準位が鉛ユーロビウムカルコゲイド
をレーザのクラッド層として用いる場合に、ドーピング
によるキャリアタイプのコントロールや、良好なヘテロ
接合を作成するのを困難にすることが報告されている。

【０００８】一方、Ｓｒ等のアルカル土類元素には４ｆ
軌道はない。よって、希土類元素より良好なヘテロ接合
が得られ、キャリアタイプのコントロールも容易であろ
うと期待される。

【０００９】これまでに報告されている鉛−アルカリ土
類元素−カルコゲイド薄膜には、ＭＢＥ法による作成さ
れたＰｂ_１−ｘＳｒ_ｘＴｅ、Ｐｂ_１−ｘＢａ_ｘＴｅ、Ｐ
ｂ_１−ｘＣａ_ｘＴｅ、Ｐｂ_１−ｘＳｒ_ｘＳｅや、ホット
ウォールエピタキシー法により作成されたＰｂ_１−ｘＳ
ｒ_ｘＳ等がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ＰｂＴｅ層を活性層と
して、ＰｂＳｒＴｅ層を閉込め層として用いた場合、バ
ンドギャップは５００ｍｅＶ程度で大して問題ないが、
格子定数としてはＰｂＴｅが６．４６ｎｍと大きく、格
子歪が生じてしまう。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するべく、ＰｂＴｅ層の格子整合層として、Ｐｂ，Ｓ
ｒおよびＴｅを含む４元混晶薄膜を用いるようにしてい
る。

【００１２】これにより、バンドギャップがＰｂＳｒＴ
ｅ層程度に大きく、かつ格子定数をＰｂＴｅとほぼ等し
いＰｂＴｅの格子整合材料を得ることが可能となり、Ｐ
ｂＴｅ層を活性層とする半導体レーザ装置を製造するこ
とが可能になる。

【００１３】また、本発明は、この４元混晶薄膜の作成
に当り、ホットウォールエピタキシー装置を用い、固体
ソースの配置を最適化することにより、バンドギャップ
が大きく、かつＰｂＴｅ層と格子整合する薄膜を作成す
るようにしている。

【００１４】

【実施例】以下、本発明により、ＰｂＭｇＳｒＴｅ薄膜
を作成する場合について説明する。

【００１５】図１は、本発明を実施するのに用いられる
ホットウォールエピタキシー装置１を示している。

【００１６】ホットウォール管２には、固体ソースとし
て、上部（ウォール部）にＰｂＴｅ３、中部（ソース
部）にＳｒ４、下部（リザーバ部）にＴｅ５が載置され
る。

【００１７】別のホットウォール管６には、固体ソース
として、Ｍｇ７がソース部に載置される。

【００１８】また、このホットウォールエピタキシー装
置１の上部には、基板８が製膜面を下に向けられて、水
平方向に移動可能に載置される。

【００１９】なお、この実施例では、基板８にＢａＦ_２
を用い、それが４００℃に加熱されている。

【００２０】このような構成にあって、まず、基板８は
ホットウォール管２上に１０秒程度保持される。

【００２１】ウォール部でＰｂＴｅは５１０℃程度、ソ
ース部ではＳｒは４００℃程度、リザーバ部でＴｅは３
５０℃程度に加熱手段２０によって加熱され、基板８上
にＰｂＳｒＴｅ膜が形成される。

【００２２】続いて、基板８は、ホットウォール管６上
に、２秒から３秒程度保持される。

【００２３】このホットウォール管６では、ソース部で
Ｍｇが３１０℃程度に加熱されている。

【００２４】以上の工程により、ＳｒおよびＭｇがＰｂ
Ｔｅと混晶結合し、バンドギャップが４５０ｍｅＶ程度
のＰｂＭｇＳｒＴｅ薄膜が形成される。

【００２５】なお、この成膜中、エピタキシー装置１は
真空度１０^−７Ｔｏｒｒ程度に減圧されている。

【００２６】また、基板８は４００℃程度に加熱されて
いるが、これは低温ではＭｇの拡散と合金化が充分に行
われず、結晶性の良い膜が得られなかったことによる。

【００２７】表１に、この実施例で得られたＰｂＳｒＭ
ｇＴｅ薄膜の電気特性を示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】次に、本発明により、ＰｂＳｒＴｅＳｅ薄
膜を作成する場合の実施例について、図２とともに以下
説明する。

【００３０】先の実施例と同様のホットウォールエピタ
キシー装置１を用いる。ホットウォール管２には、固体
ソースとしてウォール部にＰｂＴｅ_０．８５Ｓｅ
_０．１５９、ソース部にＳｒ１０、リザーバ部にＴｅ１
１が載置され、ウォール部は５５０℃、ソース部は４３
０℃、リザーバ部は３００℃に加熱される。

【００３１】この作成条件のもとで、基板６がホットウ
ォール管１上に載置されることにより、基板８上に、Ｐ
ｂ_１−ｘＳｒ_ｘＴｅ_１−ｙＳｅｙ（ｘ＝０．１、ｙ＝
０．０５）の薄膜が形成される。

【００３２】なお、基板８は、ＢａＦ_２を用いる場合は
３００℃〜３３０℃に加熱され、ＫＣｌを用いる場合は
２４０℃〜３３０℃に加熱される。

【００３３】また、ホットウォール管２への固体ソース
の配置は、格子整合するうえで重要であり、例えば、図
３および図４に示すように、ウォール部にＰｂＳｅまた
はＰｂＴｅを載置した場合は格子整合しないか、バンド
キャップが小さな膜しか作成できない。

【００３４】ウォール部へ載置する固体ソースの組成と
しては、ＰｂＴｅ_０．８５Ｓｅ_０．１５のエネルギーバ
ンドギャップが５２０ｍｅＶと大きく、また、ＰｂＴｅ
にほぼ格子整合する膜が作成できる。

【００３５】このＰｂＳｒＴｅＳｅ薄膜は、表２に示す
ように、ノンドープでｐ型を示し、１０^１５ｃｍ^−３オ
ーダの低いキャリア濃度で抵抗率が高い。

【００３６】

【表２】

【００３７】したがって、レーザに応用する場合にはド
ーピングを行う必要がある。

【００３８】図５にこの実施例のＰｂＳｒＴｅＳｅ薄膜
を閉込め層として用いた半導体レーザ装置の略図を示
す。

【００３９】それは、ｐ型ＰｂＴｅ基板１２上に３μｍ
のＰｂＴｅバッファ層１５、２μｍのｐ型ＰｂＳｒＴｅ
Ｓｅクラッド層１４、０．７μｍのノンドープＰｂＴｅ
活性層１５、２μｍのｎ型ＰｂＳｒＴｅＳｅクラッド層
１６が形成され、ｐ型基板１２およびｎ型ＰｂＳｒＴｅ
Ｓｅクラッド層１６上に電極が形成される。

【００４０】この構成により、中赤外波長のダブルヘテ
ロレーザダイオードが得られる。

【００４１】なお、この構成において、活性層を井戸層
（１２０ｎｍ）、障壁層（３００ｎｍ）を交互に積層す
ることにより、多重量子井戸構造としても良い。

【００４２】

【発明の効果】以上、本発明によれば、バンドギャップ
が大きく、かつＰｂＴｅと格子整合する膜が得られ、そ
れによりＰｂＴｅを活性層とする半底体レーザ装置を製
造することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ホットウォールエピタキシー装置にＰｂＳｒＭ
ｇＴｅ薄膜形成用の固体ソースを載置した概略図であ
る。

【図２】ホットウォールエピタキシー装置にＰｂＳｒＴ
ｅＳｅ薄膜形成用の固体ソースを載置した一例を示す概
略図である。

【図３】ホットウォールエピタキシー装置にＰｂＳｒＴ
ｅＳｅ薄膜形成用の固体ソースを載置した他の例を示す
概略図である。

【図４】ホットウォールエピタキシー装置にＰｂＳｒＴ
ｅＳｅ薄膜形成用の固体ソースを載置したさらに他の例
を示す概略図である。

【図５】本発明の格子整合材を用いて形成した半導体レ
ーザの断面図である。

【符号の説明】

１ ホットウォールエピタキシー装置 ２ ホットウォー管 ３ ＰｂＴｅ ４ Ｓｒ ５ Ｔｅ ６ ホットウォール管 ７ Ｍｇ ８ 基板 ９ ＰｂＴｅ_０．８５Ｓｅ_０．１５ １０ Ｓｒ １１ Ｔｅ １２ ＰｂＴｅ基板 １３ ＰｂＴｅバッファ層 １４ ｐ型ＰｂＳｒＴｅＳｅクラッド層 １５ ノンドープＰｂＴｅ活性層 １６ ｎ型ＰｂＳｒＴｅＳｅクラッド層

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ４元混晶薄膜より成ることを特徴とする
   ＰｂＴｅの格子整合材料。
2. 【請求項２】 Ｐｂ_{１−ｘ−ｙ}Ｓｒ_ｘＭｇ_ｘＴｅ薄膜よ
   り成ることを特徴とするＰｂＴｅ格子整合材料。
3. 【請求項３】 Ｐｂ_{１−ｘ−ｙ}Ｓｒ_ｘＭｇ_ｘＴｅ（ただ
   しｙ＜０．０５）薄膜より成る特許請求の範囲第２項の
   記載によるＰｂＴｅの格子整合材料。
4. 【請求項４】 Ｐｂ_１−ｘＳｒ_ｘＴｅ_１−ｙＳｅ_ｙ薄膜
   より成ることを特徴とするＰｂＴｅの格子整合材料。
5. 【請求項５】 Ｐｂ_０．９Ｓｒ_０．１Ｔｅ_０．９５Ｓｅ
   _０．０５薄膜より成る特許請求の範囲第４項の記載によ
   るＰｂＴｅの格子整合材料。
6. 【請求項６】 ホットウォールエピタキシー装置の第１
   のホットウォール管のウォール部にＰｂＴｅを載置し、
   ソース部にＳｒを載置し、リザーバ部にＴｅを載置し、
   第２のホットウォール管にＭｇを載置し、基板を第１の
   ホットウォール管上に載置し膜成長させることでＰｂＳ
   ｒＭｇＴｅ薄膜を形成することを特徴とするＰｂＴｅの
   格子整合材料の製造方法。
7. 【請求項７】 ホットウォールエピタキシー装置のホッ
   トウォール管のウォール部にＰｂＴｅＳｅを載置し、ソ
   ース部にＳｒを載置し、リザーバ部にＴｅを載置し、こ
   のホットウォール管上に基板を載置することにより、Ｐ
   ｂＳｒＴｅＳｅ薄膜を形成することを特徴とするＰｂＴ
   ｅの格子整合材料の製造方法。