JPH08298352A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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- JPH08298352A JPH08298352A JP23028594A JP23028594A JPH08298352A JP H08298352 A JPH08298352 A JP H08298352A JP 23028594 A JP23028594 A JP 23028594A JP 23028594 A JP23028594 A JP 23028594A JP H08298352 A JPH08298352 A JP H08298352A
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- layer
- well structure
- light emitting
- semiconductor light
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 室温においても擬二次元系の励起子を用いる
ことが可能なＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた半導体
発光素子を実現する。 【構成】 第１のクラッド層２と単一量子井戸構造また
は多重量子井戸構造の活性層３と第２のクラッド層４と
を有する半導体発光素子において、第１のクラッド層２
および第２のクラッド層４のエネルギーギャップをＥgc
とし、活性層３を構成する量子井戸層のエネルギーギャ
ップをＥgwとしたとき、絶対零度においてＥgw／Ｅgc≦
０．８２の条件が満たされるように量子井戸構造を設計
する。
ことが可能なＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた半導体
発光素子を実現する。 【構成】 第１のクラッド層２と単一量子井戸構造また
は多重量子井戸構造の活性層３と第２のクラッド層４と
を有する半導体発光素子において、第１のクラッド層２
および第２のクラッド層４のエネルギーギャップをＥgc
とし、活性層３を構成する量子井戸層のエネルギーギャ
ップをＥgwとしたとき、絶対零度においてＥgw／Ｅgc≦
０．８２の条件が満たされるように量子井戸構造を設計
する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体発光素子に関
し、特に、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた半導体発
光素子に関する。
し、特に、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた半導体発
光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体レーザーにおいて励起子を
利用することが考えられ始めている。ここで、この励起
子は、束縛状態にある電子−正孔対である。
利用することが考えられ始めている。ここで、この励起
子は、束縛状態にある電子−正孔対である。
【０００３】さて、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸構
造は、室温においても励起子が観測可能であることが知
られている（Int. Phys. Conf. Ser. No.63, Chapter 1
2, 587(1982)) 。しかしながら、この励起子の束縛エネ
ルギーＥB は〜９ｍｅＶであり、ＧａＡｓのＬＯフォノ
ン（縦光学フォノン）のエネルギー（ｈ／２π）ωLO＝
３７ｍｅＶ（ただし、ｈはプランク定数、ωLOはＬＯフ
ォノンの角振動数）よりも小さく、室温において（ｈ／
２π）ωLO＞ｋＴ＞ＥB （ただし、ｋはボルツマン定
数、Ｔは絶対温度）の関係が成立してしまうために、室
温で励起子を共鳴的に発生させたとしても、すぐにイオ
ン化して電子および正孔のプラズマになってしまう。こ
のため、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸構造の半導体
レーザーにおいて励起子を用いることは実際上困難であ
る。
造は、室温においても励起子が観測可能であることが知
られている（Int. Phys. Conf. Ser. No.63, Chapter 1
2, 587(1982)) 。しかしながら、この励起子の束縛エネ
ルギーＥB は〜９ｍｅＶであり、ＧａＡｓのＬＯフォノ
ン（縦光学フォノン）のエネルギー（ｈ／２π）ωLO＝
３７ｍｅＶ（ただし、ｈはプランク定数、ωLOはＬＯフ
ォノンの角振動数）よりも小さく、室温において（ｈ／
２π）ωLO＞ｋＴ＞ＥB （ただし、ｋはボルツマン定
数、Ｔは絶対温度）の関係が成立してしまうために、室
温で励起子を共鳴的に発生させたとしても、すぐにイオ
ン化して電子および正孔のプラズマになってしまう。こ
のため、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子井戸構造の半導体
レーザーにおいて励起子を用いることは実際上困難であ
る。
【０００４】これに対して、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体
の一種であるＺｎＳｅは、バルク中の励起子でもその束
縛エネルギーはＥB （バルクＺｎＳｅ）＝２０．７ｍｅ
Ｖであり、バルクＧａＡｓ中の励起子の束縛エネルギー
ＥB ＝４．６ｍｅＶに比べて大きいため、量子井戸構造
を用いることにより、ＺｎＳｅのＬＯフォノンのエネル
ギー（３１ｍｅＶ）を超えることが可能であると予想さ
れている（Phys. Rev.B47, 10528(1993))。
の一種であるＺｎＳｅは、バルク中の励起子でもその束
縛エネルギーはＥB （バルクＺｎＳｅ）＝２０．７ｍｅ
Ｖであり、バルクＧａＡｓ中の励起子の束縛エネルギー
ＥB ＝４．６ｍｅＶに比べて大きいため、量子井戸構造
を用いることにより、ＺｎＳｅのＬＯフォノンのエネル
ギー（３１ｍｅＶ）を超えることが可能であると予想さ
れている（Phys. Rev.B47, 10528(1993))。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ように量子井戸構造を用いることによりＺｎＳｅから成
る量子井戸層において励起子の束縛エネルギーがＬＯフ
ォノンのエネルギーを超えることが可能であると予想さ
れるとしても、この量子井戸構造を用いた半導体レーザ
ーを実現する場合に、量子井戸構造をどのように設計す
れば最適構造が得られるかは明らかでなかった。このた
め、ＺｎＳｅから成る量子井戸層を有する量子井戸構造
を用いた半導体レーザーにおいて励起子を用いることは
やはり困難であった。
ように量子井戸構造を用いることによりＺｎＳｅから成
る量子井戸層において励起子の束縛エネルギーがＬＯフ
ォノンのエネルギーを超えることが可能であると予想さ
れるとしても、この量子井戸構造を用いた半導体レーザ
ーを実現する場合に、量子井戸構造をどのように設計す
れば最適構造が得られるかは明らかでなかった。このた
め、ＺｎＳｅから成る量子井戸層を有する量子井戸構造
を用いた半導体レーザーにおいて励起子を用いることは
やはり困難であった。
【０００６】したがって、この発明の目的は、室温にお
いても擬二次元系の励起子を用いることが可能なＩＩ−
ＶＩ族化合物半導体を用いた半導体発光素子を提供する
ことにある。
いても擬二次元系の励起子を用いることが可能なＩＩ−
ＶＩ族化合物半導体を用いた半導体発光素子を提供する
ことにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者は、ＩＩ−ＶＩ
族化合物半導体により構成された量子井戸構造中におい
て励起子を安定に発生させるための条件について詳細な
研究を行った。以下においてその概要を説明する。
族化合物半導体により構成された量子井戸構造中におい
て励起子を安定に発生させるための条件について詳細な
研究を行った。以下においてその概要を説明する。
【０００８】量子井戸構造において量子井戸層をＺｎＳ
ｅまたはＺｎＳＳｅにより構成した場合、障壁層をＺｎ
ＭｇＳＳｅにより構成することは、量子井戸構造にひず
みを内在させることなく、電子および正孔を効率良く量
子井戸層中に閉じ込めることができることから、量子井
戸層中に励起子を安定に発生させる上で非常に有効であ
る。
ｅまたはＺｎＳＳｅにより構成した場合、障壁層をＺｎ
ＭｇＳＳｅにより構成することは、量子井戸構造にひず
みを内在させることなく、電子および正孔を効率良く量
子井戸層中に閉じ込めることができることから、量子井
戸層中に励起子を安定に発生させる上で非常に有効であ
る。
【０００９】そこで、本発明者は、ＺｎＳｅ／ＺｎＭｇ
ＳＳｅ単一量子井戸構造における擬二次元系の励起子の
束縛エネルギーを、H. Mathieuらが提案している計算法
（Phys. Rev. B46, 4092(1992)) を用いて計算した。な
お、この計算に際しては、実験により求めた、ＺｎＳｅ
／ＺｎＭｇＳＳｅヘテロ接合界面における価電子帯の不
連続ΔＥv に対する伝導帯の不連続ΔＥc の比ΔＥc ／
ΔＥv ＝４０／６０を用いた。この計算により得られた
励起子の束縛エネルギーを、ＺｎＳｅとＺｎＭｇＳＳｅ
とのエネルギーギャップ差ΔＥg をパラメータとして図
２に示す。図２において、実線で示す曲線は重い正孔の
励起子の束縛エネルギー、破線で示す曲線は軽い正孔の
励起子の束縛エネルギーを示す。
ＳＳｅ単一量子井戸構造における擬二次元系の励起子の
束縛エネルギーを、H. Mathieuらが提案している計算法
（Phys. Rev. B46, 4092(1992)) を用いて計算した。な
お、この計算に際しては、実験により求めた、ＺｎＳｅ
／ＺｎＭｇＳＳｅヘテロ接合界面における価電子帯の不
連続ΔＥv に対する伝導帯の不連続ΔＥc の比ΔＥc ／
ΔＥv ＝４０／６０を用いた。この計算により得られた
励起子の束縛エネルギーを、ＺｎＳｅとＺｎＭｇＳＳｅ
とのエネルギーギャップ差ΔＥg をパラメータとして図
２に示す。図２において、実線で示す曲線は重い正孔の
励起子の束縛エネルギー、破線で示す曲線は軽い正孔の
励起子の束縛エネルギーを示す。
【００１０】図２からわかるように、この場合、励起子
の束縛エネルギーは、ＺｎＳｅとＺｎＭｇＳＳｅとの間
のエネルギーギャップ差ΔＥg が大きくなるにつれて増
加するが、ＺｎＳｅのＬＯフォノンのエネルギー３１ｍ
ｅＶを超えるには、ΔＥg ≧６００ｍｅＶである必要が
あり、さらに、量子井戸層の厚さ（井戸幅）を１〜５ｎ
ｍの範囲内の値に選ぶことにより極大値をとることがわ
かる。
の束縛エネルギーは、ＺｎＳｅとＺｎＭｇＳＳｅとの間
のエネルギーギャップ差ΔＥg が大きくなるにつれて増
加するが、ＺｎＳｅのＬＯフォノンのエネルギー３１ｍ
ｅＶを超えるには、ΔＥg ≧６００ｍｅＶである必要が
あり、さらに、量子井戸層の厚さ（井戸幅）を１〜５ｎ
ｍの範囲内の値に選ぶことにより極大値をとることがわ
かる。
【００１１】したがって、このような条件の下では、量
子井戸層中に、励起子を、室温においてもＬＯフォノン
によりイオン化されることなく、安定に発生させること
ができる。
子井戸層中に、励起子を、室温においてもＬＯフォノン
によりイオン化されることなく、安定に発生させること
ができる。
【００１２】一方、ＺｎＳｅ量子井戸層を多重にした多
重量子井戸構造においては、励起子の波動関数が障壁層
内によりしみ出すことにより、励起子の二次元性が低下
し、束縛エネルギーが減少すると考えられる。したがっ
て、この多重量子井戸構造において大きな励起子の束縛
エネルギーを得るためには、ΔＥg を単一量子井戸構造
の場合よりも大きくしなければならない。
重量子井戸構造においては、励起子の波動関数が障壁層
内によりしみ出すことにより、励起子の二次元性が低下
し、束縛エネルギーが減少すると考えられる。したがっ
て、この多重量子井戸構造において大きな励起子の束縛
エネルギーを得るためには、ΔＥg を単一量子井戸構造
の場合よりも大きくしなければならない。
【００１３】さて、量子井戸における状態密度は、図３
に示すように、階段状の状態密度に励起子の鋭いピーク
状の状態密度が加わったものと考えられる。ＺｎＳｅ／
ＺｎＭｇＳＳｅ量子井戸構造においては、上述の理由に
より、この励起子に起因した状態密度を室温においても
用いることができると考えられる。図３から明らかなよ
うに、この励起子に起因した状態密度は他のエネルギー
値における状態密度よりも極めて大きく、この励起子に
起因した状態密度をレーザー発振時に用いることによ
り、より低いしきい値電流でレーザー発振が起こるもの
と考えられる（Phys. Rev. B47, 10528(1993))。また、
この励起子に起因した状態密度の半値幅は極めて小さい
ために、レーザー発振時のスペクトル幅も狭くすること
ができ、より単色性に優れたレーザー光を得ることがで
きる。
に示すように、階段状の状態密度に励起子の鋭いピーク
状の状態密度が加わったものと考えられる。ＺｎＳｅ／
ＺｎＭｇＳＳｅ量子井戸構造においては、上述の理由に
より、この励起子に起因した状態密度を室温においても
用いることができると考えられる。図３から明らかなよ
うに、この励起子に起因した状態密度は他のエネルギー
値における状態密度よりも極めて大きく、この励起子に
起因した状態密度をレーザー発振時に用いることによ
り、より低いしきい値電流でレーザー発振が起こるもの
と考えられる（Phys. Rev. B47, 10528(1993))。また、
この励起子に起因した状態密度の半値幅は極めて小さい
ために、レーザー発振時のスペクトル幅も狭くすること
ができ、より単色性に優れたレーザー光を得ることがで
きる。
【００１４】以上はＺｎＳｅ／ＺｎＭｇＳＳｅ量子井戸
構造についてであるが、より一般的にＩＩ−ＶＩ族化合
物半導体による量子井戸構造を考えた場合には、次の条
件が満たされれば、室温においても励起子を安定に発生
させることができると考えられる。すなわち、ＺｎＳｅ
／ＺｎＭｇＳＳｅ量子井戸構造において励起子を安定に
発生させるために必要なエネルギーギャップ差ΔＥg が
６００ｍｅＶ（０．６ｅＶ）以上であることを用いる
と、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体による量子井戸構造にお
ける量子井戸層のエネルギーギャップをＥg1、障壁層の
エネルギーギャップをＥg2としたとき、 Ｅg1／Ｅg2≦２．８１８ｅＶ／（２．８１８ｅＶ＋０．
６ｅＶ）≒０．８２ の条件が満たされれば、室温においても励起子を安定に
発生させることができると考えられる。ここで、２．８
１８ｅＶは、絶対零度におけるＺｎＳｅのエネルギーギ
ャップである。
構造についてであるが、より一般的にＩＩ−ＶＩ族化合
物半導体による量子井戸構造を考えた場合には、次の条
件が満たされれば、室温においても励起子を安定に発生
させることができると考えられる。すなわち、ＺｎＳｅ
／ＺｎＭｇＳＳｅ量子井戸構造において励起子を安定に
発生させるために必要なエネルギーギャップ差ΔＥg が
６００ｍｅＶ（０．６ｅＶ）以上であることを用いる
と、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体による量子井戸構造にお
ける量子井戸層のエネルギーギャップをＥg1、障壁層の
エネルギーギャップをＥg2としたとき、 Ｅg1／Ｅg2≦２．８１８ｅＶ／（２．８１８ｅＶ＋０．
６ｅＶ）≒０．８２ の条件が満たされれば、室温においても励起子を安定に
発生させることができると考えられる。ここで、２．８
１８ｅＶは、絶対零度におけるＺｎＳｅのエネルギーギ
ャップである。
【００１５】この発明は、本発明者による上述の研究に
基づいて案出されたものである。すなわち、上記目的を
達成するために、この発明による半導体レーザーは、第
１導電型の第１のクラッド層と、第１のクラッド層上に
積層された単一量子井戸構造または多重量子井戸構造の
活性層と、活性層上に積層された第２導電型の第２のク
ラッド層とを有し、第１のクラッド層、活性層および第
２のクラッド層はＩＩ−ＶＩ族化合物半導体から成り、
第１のクラッド層および第２のクラッド層がエネルギー
ギャップＥgcを有し、活性層を構成する量子井戸層がエ
ネルギーギャップＥgwを有するとしたとき、絶対零度に
おいて Ｅgw／Ｅgc≦０．８２ の条件が満たされていることを特徴とするものである。
基づいて案出されたものである。すなわち、上記目的を
達成するために、この発明による半導体レーザーは、第
１導電型の第１のクラッド層と、第１のクラッド層上に
積層された単一量子井戸構造または多重量子井戸構造の
活性層と、活性層上に積層された第２導電型の第２のク
ラッド層とを有し、第１のクラッド層、活性層および第
２のクラッド層はＩＩ−ＶＩ族化合物半導体から成り、
第１のクラッド層および第２のクラッド層がエネルギー
ギャップＥgcを有し、活性層を構成する量子井戸層がエ
ネルギーギャップＥgwを有するとしたとき、絶対零度に
おいて Ｅgw／Ｅgc≦０．８２ の条件が満たされていることを特徴とするものである。
【００１６】ここで、第１のクラッド層および第２のク
ラッド層は互いに導電型が異なるため、それらのエネル
ギーギャップは厳密には互いに異なるが、この違いを無
視して第１のクラッド層および第２のクラッド層が平均
的にエネルギーギャップＥgcを有するとしている。
ラッド層は互いに導電型が異なるため、それらのエネル
ギーギャップは厳密には互いに異なるが、この違いを無
視して第１のクラッド層および第２のクラッド層が平均
的にエネルギーギャップＥgcを有するとしている。
【００１７】この発明において、単一量子井戸構造にお
ける量子井戸層または多重量子井戸構造における各量子
井戸層の幅は、好適には１〜５ｎｍに選ばれる。
ける量子井戸層または多重量子井戸構造における各量子
井戸層の幅は、好適には１〜５ｎｍに選ばれる。
【００１８】この発明において、活性層は、一般に、Ｚ
ｎa Ｃｄ1-a Ｓb Ｓｅ1-b ／ＺｎxＭｇ1-x Ｓy Ｓｅ
1-y （０≦ａ、ｂ、ｘ、ｙ≦１）単一量子井戸構造また
は多重量子井戸構造を有する。活性層は、より具体的に
は、例えばＺｎＳｅ／Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （０
≦ｘ、ｙ≦１）単一量子井戸構造または多重量子井戸構
造、ＺｎＳu Ｓｅ1-u ／Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ
1-y （０＜ｕ＜１、０≦ｘ、ｙ≦１）単一量子井戸構造
または多重量子井戸構造、Ｚｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ／Ｚｎx
Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （０＜ｚ＜１、０≦ｘ、ｙ≦１）
単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する。
ｎa Ｃｄ1-a Ｓb Ｓｅ1-b ／ＺｎxＭｇ1-x Ｓy Ｓｅ
1-y （０≦ａ、ｂ、ｘ、ｙ≦１）単一量子井戸構造また
は多重量子井戸構造を有する。活性層は、より具体的に
は、例えばＺｎＳｅ／Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （０
≦ｘ、ｙ≦１）単一量子井戸構造または多重量子井戸構
造、ＺｎＳu Ｓｅ1-u ／Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ
1-y （０＜ｕ＜１、０≦ｘ、ｙ≦１）単一量子井戸構造
または多重量子井戸構造、Ｚｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ／Ｚｎx
Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （０＜ｚ＜１、０≦ｘ、ｙ≦１）
単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する。
【００１９】
【作用】上述のように構成されたこの発明による半導体
発光素子によれば、Ｅgc／Ｅgw≧１．２１の条件が満た
されていることにより、量子井戸層中において擬二次元
系の励起子の束縛エネルギーはＬＯフォノンのエネルギ
ーと同程度以上になるので、室温においてもＬＯフォノ
ンにより励起子がイオン化されることがなく、量子井戸
層中に励起子が安定に存在することができる。これによ
って、室温においても擬二次元系の励起子を用いること
が可能なＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた半導体レー
ザーなどの半導体発光素子を実現することができる。
発光素子によれば、Ｅgc／Ｅgw≧１．２１の条件が満た
されていることにより、量子井戸層中において擬二次元
系の励起子の束縛エネルギーはＬＯフォノンのエネルギ
ーと同程度以上になるので、室温においてもＬＯフォノ
ンにより励起子がイオン化されることがなく、量子井戸
層中に励起子が安定に存在することができる。これによ
って、室温においても擬二次元系の励起子を用いること
が可能なＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた半導体レー
ザーなどの半導体発光素子を実現することができる。
【００２０】
【実施例】以下、この発明の実施例について図面を参照
しながら説明する。
しながら説明する。
【００２１】図１はこの発明の第１実施例による半導体
レーザーを示す。この第１実施例による半導体レーザー
は、ＺｎＳｅ／Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 単一量子井
戸のＤＨ（Double Heterostructure) 構造を有する半導
体レーザーである。
レーザーを示す。この第１実施例による半導体レーザー
は、ＺｎＳｅ／Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 単一量子井
戸のＤＨ（Double Heterostructure) 構造を有する半導
体レーザーである。
【００２２】図１に示すように、この第１実施例による
半導体レーザーにおいては、ドナー不純物として例えば
Ｓｉがドープされた例えば（１００）面方位のｎ型Ｇａ
Ａｓ基板１上に、ドナー不純物として例えばＣｌがドー
プされたｎ型Ｚｎx Ｍｇ1-xＳy Ｓｅ1-y クラッド層
２、ＺｎＳｅ層から成る活性層３およびアクセプタ不純
物として例えばＮがドープされたｐ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓ
y Ｓｅ1-y クラッド層４が順次積層されている。このｐ
型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y クラッド層４上には、例
えばＰｄ／Ｐｔ／Ａｕ電極から成るｐ側電極５が形成さ
れている。一方、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面には、例え
ばＩｎ電極から成るｎ側電極６が形成されている。
半導体レーザーにおいては、ドナー不純物として例えば
Ｓｉがドープされた例えば（１００）面方位のｎ型Ｇａ
Ａｓ基板１上に、ドナー不純物として例えばＣｌがドー
プされたｎ型Ｚｎx Ｍｇ1-xＳy Ｓｅ1-y クラッド層
２、ＺｎＳｅ層から成る活性層３およびアクセプタ不純
物として例えばＮがドープされたｐ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓ
y Ｓｅ1-y クラッド層４が順次積層されている。このｐ
型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y クラッド層４上には、例
えばＰｄ／Ｐｔ／Ａｕ電極から成るｐ側電極５が形成さ
れている。一方、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面には、例え
ばＩｎ電極から成るｎ側電極６が形成されている。
【００２３】この第１実施例による半導体レーザーにお
いては、ｎ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y クラッド層２
およびｐ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y クラッド層４に
おいて、あるいは、ＺｎＳｅ／Ｚｎx Ｃｄ1-x Ｓy Ｓｅ
1-y 単一量子井戸構造において、ｘ≦０．６かつｙ≧
０．３５に選ばれている。この条件の下では、ＺｎＳｅ
層から成る活性層３とｎ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y
クラッド層２およびｐ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y ク
ラッド層４とは互いに格子整合し、かつΔＥg ≧６００
ｍｅＶとなっている。なお、これらのｘおよびｙの値
は、すでに報告されているＺｎＭｇＳＳｅとＧａＡｓと
の格子整合条件を基にＧａＡｓとＺｎＳｅとの格子不整
合０．２％を考慮に入れて見積もったものである。さら
に、この第１実施例による半導体レーザーにおいては、
以上の条件に加えて、ＺｎＳｅ層から成る活性層３の厚
さは１〜５ｎｍの範囲内の値に選ばれている。
いては、ｎ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y クラッド層２
およびｐ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y クラッド層４に
おいて、あるいは、ＺｎＳｅ／Ｚｎx Ｃｄ1-x Ｓy Ｓｅ
1-y 単一量子井戸構造において、ｘ≦０．６かつｙ≧
０．３５に選ばれている。この条件の下では、ＺｎＳｅ
層から成る活性層３とｎ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y
クラッド層２およびｐ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y ク
ラッド層４とは互いに格子整合し、かつΔＥg ≧６００
ｍｅＶとなっている。なお、これらのｘおよびｙの値
は、すでに報告されているＺｎＭｇＳＳｅとＧａＡｓと
の格子整合条件を基にＧａＡｓとＺｎＳｅとの格子不整
合０．２％を考慮に入れて見積もったものである。さら
に、この第１実施例による半導体レーザーにおいては、
以上の条件に加えて、ＺｎＳｅ層から成る活性層３の厚
さは１〜５ｎｍの範囲内の値に選ばれている。
【００２４】この第１実施例によれば、ＺｎＳｅ／Ｚｎ
x Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 単一量子井戸構造におけるエネ
ルギーギャップ差がΔＥg ≧６００ｍｅＶに選ばれ、か
つ、ＺｎＳｅ層から成る活性層３の厚さが１〜５ｎｍの
範囲内の値に選ばれていることにより、このＺｎＳｅ／
Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 単一量子井戸構造における
擬二次元系の励起子の束縛エネルギーはＬＯフォノンの
エネルギーを超え、このためＬＯフォノンによる励起子
のイオン化が抑制される。これによって、この半導体レ
ーザーにおいては、室温においても励起子を用いること
が可能となる。この励起子を用いた半導体レーザーは、
低しきい値電流であり、かつ青色ないし緑色で発光が可
能である。
x Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 単一量子井戸構造におけるエネ
ルギーギャップ差がΔＥg ≧６００ｍｅＶに選ばれ、か
つ、ＺｎＳｅ層から成る活性層３の厚さが１〜５ｎｍの
範囲内の値に選ばれていることにより、このＺｎＳｅ／
Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 単一量子井戸構造における
擬二次元系の励起子の束縛エネルギーはＬＯフォノンの
エネルギーを超え、このためＬＯフォノンによる励起子
のイオン化が抑制される。これによって、この半導体レ
ーザーにおいては、室温においても励起子を用いること
が可能となる。この励起子を用いた半導体レーザーは、
低しきい値電流であり、かつ青色ないし緑色で発光が可
能である。
【００２５】次に、この発明の第２実施例による半導体
レーザーについて説明する。この第２実施例による半導
体レーザーは、活性層３がＺｎＳu Ｓｅ1-u ／Ｚｎx Ｃ
ｄ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 単一量子井戸構造を有することを除
いて、第１実施例による半導体レーザーと同様な構造を
有する。
レーザーについて説明する。この第２実施例による半導
体レーザーは、活性層３がＺｎＳu Ｓｅ1-u ／Ｚｎx Ｃ
ｄ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 単一量子井戸構造を有することを除
いて、第１実施例による半導体レーザーと同様な構造を
有する。
【００２６】より詳しくは、この第２実施例による半導
体レーザーにおいては、活性層３はＺｎＳu Ｓｅ1-u 層
から成り、このＺｎＳu Ｓｅ1-u 層におけるｕは０．０
６に選ばれている。このｕ＝０．０６のＺｎＳu Ｓｅ
1-u 層はＧａＡｓと格子整合し、また、そのエネルギー
ギャップは２．８８ｅＶである。一方、ｎ型Ｚｎx Ｍｇ
1-x Ｓy Ｓｅ1-y クラッド層２およびｐ型Ｚｎx Ｍｇ
1-x Ｓy Ｓｅ1-y クラッド層４におけるｘおよびｙはそ
れぞれ０．４２および０．４８に選ばれている。このｘ
＝０．４２およびｙ＝０．４８のｎ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓ
y Ｓｅ1-y クラッド層２およびｐ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy
Ｓｅ1-y クラッド層４のエネルギーギャップは３．４８
ｅＶである。
体レーザーにおいては、活性層３はＺｎＳu Ｓｅ1-u 層
から成り、このＺｎＳu Ｓｅ1-u 層におけるｕは０．０
６に選ばれている。このｕ＝０．０６のＺｎＳu Ｓｅ
1-u 層はＧａＡｓと格子整合し、また、そのエネルギー
ギャップは２．８８ｅＶである。一方、ｎ型Ｚｎx Ｍｇ
1-x Ｓy Ｓｅ1-y クラッド層２およびｐ型Ｚｎx Ｍｇ
1-x Ｓy Ｓｅ1-y クラッド層４におけるｘおよびｙはそ
れぞれ０．４２および０．４８に選ばれている。このｘ
＝０．４２およびｙ＝０．４８のｎ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓ
y Ｓｅ1-y クラッド層２およびｐ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy
Ｓｅ1-y クラッド層４のエネルギーギャップは３．４８
ｅＶである。
【００２７】ここで、この第２実施例による半導体レー
ザーにおけるＥgw／Ｅgcの値を計算すると、Ｅgw／Ｅgc
＝２．８８ｅＶ／３．４８ｅＶ＝０．８２であり、確か
にＥgw／Ｅgc≦０．８２の条件が満たされている。
ザーにおけるＥgw／Ｅgcの値を計算すると、Ｅgw／Ｅgc
＝２．８８ｅＶ／３．４８ｅＶ＝０．８２であり、確か
にＥgw／Ｅgc≦０．８２の条件が満たされている。
【００２８】この第２実施例によれば、室温においても
擬二次元系の励起子を用いることが可能な低しきい値電
流の青色で発光が可能な半導体レーザーを実現すること
ができる。
擬二次元系の励起子を用いることが可能な低しきい値電
流の青色で発光が可能な半導体レーザーを実現すること
ができる。
【００２９】次に、この発明の第３実施例による半導体
レーザーについて説明する。この第３実施例による半導
体レーザーは、活性層３がＺｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ／Ｚｎx
Ｃｄ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 単一量子井戸構造を有することを
除いて、第１実施例による半導体レーザーと同様な構造
を有する。
レーザーについて説明する。この第３実施例による半導
体レーザーは、活性層３がＺｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ／Ｚｎx
Ｃｄ1-x Ｓy Ｓｅ1-y 単一量子井戸構造を有することを
除いて、第１実施例による半導体レーザーと同様な構造
を有する。
【００３０】より詳しくは、この第３実施例による半導
体レーザーにおいては、活性層３はＺｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ
層から成る。第１の例においては、このＺｎ1-z Ｃｄz
Ｓｅ層におけるｚは０．２０に選ばれており、このとき
のＺｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ層のエネルギーギャップは２．６
１ｅＶである。一方、ｎ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y
クラッド層２およびｐ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y ク
ラッド層４におけるｘおよびｙはそれぞれ０．７２およ
び０．３１に選ばれており、このときのｎ型Ｚｎx Ｍｇ
1-x Ｓy Ｓｅ1-y クラッド層２およびｐ型Ｚｎx Ｍｇ
1-x Ｓy Ｓｅ1-yクラッド層４のエネルギーギャップは
３．２１ｅＶである。第２の例においては、Ｚｎ1-z Ｃ
ｄz Ｓｅ層におけるｚは０．３０に選ばれており、この
ときのＺｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ層のエネルギーギャップは
２．５０ｅＶである。一方、ｎ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓ
ｅ1-y クラッド層２およびｐ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ
1-y クラッド層４におけるｘおよびｙはそれぞれ０．８
２および０．２６に選ばれており、このときのｎ型Ｚｎ
x Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y クラッド層２およびｐ型Ｚｎx
Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y クラッド層４のエネルギーギャッ
プは３．１０ｅＶである。なお、第１の例および第２の
例とも、いわゆる歪み系の例である。
体レーザーにおいては、活性層３はＺｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ
層から成る。第１の例においては、このＺｎ1-z Ｃｄz
Ｓｅ層におけるｚは０．２０に選ばれており、このとき
のＺｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ層のエネルギーギャップは２．６
１ｅＶである。一方、ｎ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y
クラッド層２およびｐ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y ク
ラッド層４におけるｘおよびｙはそれぞれ０．７２およ
び０．３１に選ばれており、このときのｎ型Ｚｎx Ｍｇ
1-x Ｓy Ｓｅ1-y クラッド層２およびｐ型Ｚｎx Ｍｇ
1-x Ｓy Ｓｅ1-yクラッド層４のエネルギーギャップは
３．２１ｅＶである。第２の例においては、Ｚｎ1-z Ｃ
ｄz Ｓｅ層におけるｚは０．３０に選ばれており、この
ときのＺｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ層のエネルギーギャップは
２．５０ｅＶである。一方、ｎ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓ
ｅ1-y クラッド層２およびｐ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ
1-y クラッド層４におけるｘおよびｙはそれぞれ０．８
２および０．２６に選ばれており、このときのｎ型Ｚｎ
x Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y クラッド層２およびｐ型Ｚｎx
Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y クラッド層４のエネルギーギャッ
プは３．１０ｅＶである。なお、第１の例および第２の
例とも、いわゆる歪み系の例である。
【００３１】ここで、この第３実施例による半導体レー
ザーにおけるＥgw／Ｅgcの値を計算すると、第１の例に
おいてはＥgw／Ｅgc＝２．６１ｅＶ／３．２１ｅＶ＝
０．８１であり、また第２の例においてはＥgw／Ｅgc＝
２．５０ｅＶ／３．１０ｅＶ＝０．８１であり、第１の
例および第２の例とも確かにＥgw／Ｅgc≦０．８２の条
件が満たされている。
ザーにおけるＥgw／Ｅgcの値を計算すると、第１の例に
おいてはＥgw／Ｅgc＝２．６１ｅＶ／３．２１ｅＶ＝
０．８１であり、また第２の例においてはＥgw／Ｅgc＝
２．５０ｅＶ／３．１０ｅＶ＝０．８１であり、第１の
例および第２の例とも確かにＥgw／Ｅgc≦０．８２の条
件が満たされている。
【００３２】この第３実施例によれば、室温においても
擬二次元系の励起子を用いることが可能な低しきい値電
流の青色で発光が可能な半導体レーザーを実現すること
ができる。
擬二次元系の励起子を用いることが可能な低しきい値電
流の青色で発光が可能な半導体レーザーを実現すること
ができる。
【００３３】以上、この発明の実施例について具体的に
説明したが、この発明は、上述の実施例に限定されるも
のではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形
が可能である。
説明したが、この発明は、上述の実施例に限定されるも
のではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形
が可能である。
【００３４】例えば、上述の第１実施例〜第３実施例に
おいては、ＤＨ構造を有する半導体レーザーにこの発明
を適用した場合について説明したが、この発明は、いわ
ゆるＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）
構造を有する半導体レーザーにも適用することが可能で
ある。
おいては、ＤＨ構造を有する半導体レーザーにこの発明
を適用した場合について説明したが、この発明は、いわ
ゆるＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）
構造を有する半導体レーザーにも適用することが可能で
ある。
【００３５】なお、本発明において利用した、安定した
励起子が室温でも得られるという現象は、光双安定スイ
ッチ（Appl. Phys. Lett. 44, 16(1984)) 、量子閉じ込
めシュタルク効果を用いた光変調器（Appl. Phys. Let
t. 44, 16(1984)) 、ＳＥＥＤ（Self-electrooptic eff
ect device)（Appl. Phys. Lett. 45, 13(1984)) など
の励起子を用いたデバイスを安定して動作させるのに非
常に有効である。
励起子が室温でも得られるという現象は、光双安定スイ
ッチ（Appl. Phys. Lett. 44, 16(1984)) 、量子閉じ込
めシュタルク効果を用いた光変調器（Appl. Phys. Let
t. 44, 16(1984)) 、ＳＥＥＤ（Self-electrooptic eff
ect device)（Appl. Phys. Lett. 45, 13(1984)) など
の励起子を用いたデバイスを安定して動作させるのに非
常に有効である。
【００３６】
【発明の効果】以上述べたように、この発明によれば、
第１のクラッド層および第２のクラッド層がエネルギー
ギャップＥgcを有し、活性層を構成する量子井戸層がエ
ネルギーギャップＥgwを有するとしたとき、絶対零度に
おいてＥgw／Ｅgc≦０．８２の条件が満たされているこ
とにより、室温においても擬二次元系の励起子を用いる
ことが可能なＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた半導体
発光素子を実現することができる。
第１のクラッド層および第２のクラッド層がエネルギー
ギャップＥgcを有し、活性層を構成する量子井戸層がエ
ネルギーギャップＥgwを有するとしたとき、絶対零度に
おいてＥgw／Ｅgc≦０．８２の条件が満たされているこ
とにより、室温においても擬二次元系の励起子を用いる
ことが可能なＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた半導体
発光素子を実現することができる。
【図１】この発明の第１実施例による半導体レーザーを
示す断面図である。
示す断面図である。
【図２】ＺｎＳｅ／ＺｎＭｇＳＳｅ単一量子井戸構造に
おける擬二次元系の励起子の束縛エネルギーの量子井戸
層の厚さ依存性を示すグラフである。
おける擬二次元系の励起子の束縛エネルギーの量子井戸
層の厚さ依存性を示すグラフである。
【図３】量子井戸における状態密度を示す略線図であ
る。
る。
１ ｎ型ＧａＡｓ基板 ２ ｎ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y クラッド層 ３ 活性層 ４ ｐ型Ｚｎx Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y クラッド層 ５ ｐ側電極 ６ ｎ側電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮嶋 孝夫 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 フレッド・ピー・ロウグ アイルランド国、ダブリン２、ザ カレッ ジ オブザ ホーリー アンド アンディ バイデッド トリニティー オブ エリザ ベス ニア ダブリン内 (72)発明者 ジョン・エフ・ドネガン アイルランド国、ダブリン２、ザ カレッ ジ オブザ ホーリー アンド アンディ バイデッド トリニティー オブ エリザ ベス ニア ダブリン内 (72)発明者 ジョン・ヘガティー アイルランド国、ダブリン２、ザ カレッ ジ オブザ ホーリー アンド アンディ バイデッド トリニティー オブ エリザ ベス ニア ダブリン内
Claims (6)
- 【請求項１】 第１導電型の第１のクラッド層と、 上記第１のクラッド層上に積層された単一量子井戸構造
または多重量子井戸構造の活性層と、 上記活性層上に積層された第２導電型の第２のクラッド
層とを有し、 上記第１のクラッド層、上記活性層および上記第２のク
ラッド層はＩＩ−ＶＩ族化合物半導体から成り、 上記第１のクラッド層および上記第２のクラッド層がエ
ネルギーギャップＥgcを有し、上記活性層を構成する量
子井戸層がエネルギーギャップＥgwを有するとしたと
き、絶対零度において Ｅgw／Ｅgc≦０．８２ の条件が満たされていることを特徴とする半導体発光素
子。 - 【請求項２】 上記単一量子井戸構造における量子井戸
層または上記多重量子井戸構造における各量子井戸層の
厚さが１〜５ｎｍであることを特徴とする請求項１記載
の半導体発光素子。 - 【請求項３】 上記活性層がＺｎa Ｃｄ1-a Ｓb Ｓｅ
1-b ／Ｚｎx Ｍｇ1-xＳy Ｓｅ1-y （０≦ａ、ｂ、ｘ、
ｙ≦１）単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有
することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。 - 【請求項４】 上記活性層がＺｎＳｅ／Ｚｎx Ｍｇ1-x
Ｓy Ｓｅ1-y （０≦ｘ、ｙ≦１）単一量子井戸構造また
は多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１
記載の半導体発光素子。 - 【請求項５】 上記活性層がＺｎＳu Ｓｅ1-u ／Ｚｎx
Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （０＜ｕ＜１、０≦ｘ、ｙ≦１）
単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有すること
を特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。 - 【請求項６】 上記活性層がＺｎ1-z Ｃｄz Ｓｅ／Ｚｎ
x Ｍｇ1-x Ｓy Ｓｅ1-y （０＜ｚ＜１、０≦ｘ、ｙ≦
１）単一量子井戸構造または多重量子井戸構造を有する
ことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23028594A JPH08298352A (ja) | 1994-08-31 | 1994-08-31 | 半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23028594A JPH08298352A (ja) | 1994-08-31 | 1994-08-31 | 半導体発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08298352A true JPH08298352A (ja) | 1996-11-12 |
Family
ID=16905422
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23028594A Pending JPH08298352A (ja) | 1994-08-31 | 1994-08-31 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08298352A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10321965A (ja) * | 1997-03-14 | 1998-12-04 | Toshiba Corp | 半導体発光素子 |
-
1994
- 1994-08-31 JP JP23028594A patent/JPH08298352A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH10321965A (ja) * | 1997-03-14 | 1998-12-04 | Toshiba Corp | 半導体発光素子 |
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