JPH0897511A - 多層積層構造材料及び発光素子 - Google Patents
多層積層構造材料及び発光素子Info
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- JPH0897511A JPH0897511A JP22913894A JP22913894A JPH0897511A JP H0897511 A JPH0897511 A JP H0897511A JP 22913894 A JP22913894 A JP 22913894A JP 22913894 A JP22913894 A JP 22913894A JP H0897511 A JPH0897511 A JP H0897511A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 分子線エピタキシーによる安定な成長を可能
にする多重積層構造材料及びこの材料を用いた発光素子
を提供する。 【構成】 ｎ型ＧａＡｓ基板５６上にｎ型ＺｎＭｎＳＳ
ｅ（層５５）、ｎ型ＺｎＳＳｅ（層５４）、ノンドープ
ＺｎＣｄＳＳｅ（層５１）、ｐ型ＺｎＳＳｅ（層５
２）、ｐ型ＺｎＭｎＳＳｅ（層５３）、ｐ+ ＺｎＳｅ
（層５８）コンタクト層の順に結晶成長を行う。絶縁層
６０としてＳｉＯ2 を用いて酸化膜ストライプを作製
し、電極５９として金Ａｕを上全面に真空蒸着する。ｎ
型ＧａＡｓ基板裏面にＩｎを用いて電極５７を形成す
る。
にする多重積層構造材料及びこの材料を用いた発光素子
を提供する。 【構成】 ｎ型ＧａＡｓ基板５６上にｎ型ＺｎＭｎＳＳ
ｅ（層５５）、ｎ型ＺｎＳＳｅ（層５４）、ノンドープ
ＺｎＣｄＳＳｅ（層５１）、ｐ型ＺｎＳＳｅ（層５
２）、ｐ型ＺｎＭｎＳＳｅ（層５３）、ｐ+ ＺｎＳｅ
（層５８）コンタクト層の順に結晶成長を行う。絶縁層
６０としてＳｉＯ2 を用いて酸化膜ストライプを作製
し、電極５９として金Ａｕを上全面に真空蒸着する。ｎ
型ＧａＡｓ基板裏面にＩｎを用いて電極５７を形成す
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は可視領域、特に緑から青
色での発光を可能にする材料およびこの材料を用いて作
成する発光素子に関するものである。
色での発光を可能にする材料およびこの材料を用いて作
成する発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、発光素子およびその作成のために
必要な材料の研究開発は多岐にわたっており、赤外、赤
色から黄色にかけては主としてIII-V 族化合物半導体を
用いて各種の発光ダイオードやレーザーが実用化されて
いる。一方、青色領域での発光素子の作成にはこの波長
域に相当する禁制帯幅を有する物質を使用することが必
要であり、II-VI 族化合物半導体が有望視されてきた
が、相当程度イオン性を有するために自己補償効果など
の影響により電気伝導型の制御が極めて困難であり、デ
バイス作成には至っていなかった。III-V 族化合物半導
体の利用技術がII-VI 族のそれに比べて進展が速かった
他の理由に格子整合系での結晶成長が可能な組み合わせ
が存在し、それらによりデバイスの作成がなされた点が
あげられる。さらに基板として用いることのできる高品
質なバルク単結晶はＧａＡｓなどIII-V 族の物質である
ことも大きな利点であった。発光素子などの光関連のデ
バイスにとって良質な単結晶の成長は必要不可欠であ
る。しかしながらII-VI 族の場合、デバイス作成を可能
にするほどの高品質な単結晶基板が存在しないうえ、ダ
イオードレーザーなどの作成に必要な格子整合性の良好
で、かつ禁制帯幅の異なる組み合わせが２元系では存在
しないという問題があった。
必要な材料の研究開発は多岐にわたっており、赤外、赤
色から黄色にかけては主としてIII-V 族化合物半導体を
用いて各種の発光ダイオードやレーザーが実用化されて
いる。一方、青色領域での発光素子の作成にはこの波長
域に相当する禁制帯幅を有する物質を使用することが必
要であり、II-VI 族化合物半導体が有望視されてきた
が、相当程度イオン性を有するために自己補償効果など
の影響により電気伝導型の制御が極めて困難であり、デ
バイス作成には至っていなかった。III-V 族化合物半導
体の利用技術がII-VI 族のそれに比べて進展が速かった
他の理由に格子整合系での結晶成長が可能な組み合わせ
が存在し、それらによりデバイスの作成がなされた点が
あげられる。さらに基板として用いることのできる高品
質なバルク単結晶はＧａＡｓなどIII-V 族の物質である
ことも大きな利点であった。発光素子などの光関連のデ
バイスにとって良質な単結晶の成長は必要不可欠であ
る。しかしながらII-VI 族の場合、デバイス作成を可能
にするほどの高品質な単結晶基板が存在しないうえ、ダ
イオードレーザーなどの作成に必要な格子整合性の良好
で、かつ禁制帯幅の異なる組み合わせが２元系では存在
しないという問題があった。
【０００３】そこで、３元系、４元系などを用いること
により格子不整合の程度を軽減しつつ禁制帯幅を制御
し、また、近年になり、ラジカルドーピング法が開発さ
れたことによりＺｎＳｅの伝導型制御が実現され、よう
やくダイオードレーザーの発振が実現した。その際のII
-VI 族化合物半導体の結晶成長には分子線エピタキシー
法が用いられ、本方法が制御性、純度など様々な点で優
れている。
により格子不整合の程度を軽減しつつ禁制帯幅を制御
し、また、近年になり、ラジカルドーピング法が開発さ
れたことによりＺｎＳｅの伝導型制御が実現され、よう
やくダイオードレーザーの発振が実現した。その際のII
-VI 族化合物半導体の結晶成長には分子線エピタキシー
法が用いられ、本方法が制御性、純度など様々な点で優
れている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】分子線エピタキシー法
は２元系の成長においては原料元素と生成される化合物
との大きな蒸気圧の差を利用し、比較的安定に化学量論
比どおりの薄膜が得られるが、３元または４元というよ
うな多元混晶においては分子線強度、基板温度、原料元
素の組合せなど各種の条件に依存して作製する薄膜の組
成が影響を受け易い。特に厚い層厚を要する場合にその
影響は顕著である。結晶の品質を維持し、また、均一な
特性の素子を作製するためには、それを構成する多層積
層材料を安定して成長させる必要がある。しかしなが
ら、このような提案はいまだされていない。
は２元系の成長においては原料元素と生成される化合物
との大きな蒸気圧の差を利用し、比較的安定に化学量論
比どおりの薄膜が得られるが、３元または４元というよ
うな多元混晶においては分子線強度、基板温度、原料元
素の組合せなど各種の条件に依存して作製する薄膜の組
成が影響を受け易い。特に厚い層厚を要する場合にその
影響は顕著である。結晶の品質を維持し、また、均一な
特性の素子を作製するためには、それを構成する多層積
層材料を安定して成長させる必要がある。しかしなが
ら、このような提案はいまだされていない。
【０００５】本発明は、前記従来の問題を解決するた
め、分子線エピタキシー法により安定的に成長し得る多
元系の層を有する多重積層構造材料と、それを用いて作
製される発光素子とを提供することを目的とするもので
ある。
め、分子線エピタキシー法により安定的に成長し得る多
元系の層を有する多重積層構造材料と、それを用いて作
製される発光素子とを提供することを目的とするもので
ある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明の第１番目の多重積層構造材料は、直接遷移型半
導体によるＡ層と、前記Ａ層の一方の側に前記Ａ層より
も小さな格子定数かつ大きな禁制帯幅を有する直接遷移
型半導体によるＢ1 層と、前記Ａ層の他方の側に前記Ａ
層よりも小さな格子定数かつ大きな禁制帯幅を有する直
接遷移型半導体によるＢ2 層とを配し、前記Ｂ1 層の前
記Ａ層と反対側に前記Ｂ1 層より大きな禁制帯幅を有す
る直接遷移型半導体によるＣ1 層を、また、前記Ｂ2 層
の前記Ａ層と反対側に前記Ｂ2 層より大きな禁制帯幅を
有する直接遷移型半導体によるＣ2 層とを配する多層積
層構造材料であって、前記直接遷移型半導体層は２種類
または３種類以上の構成元素からなり、前記直接遷移型
半導体層のうち３種類以上の構成元素からなる層のいず
れかは、構成元素の１種類以上かつ構成元素の総数未満
の種類の元素からなり、かつ、少なくとも１種類は相互
に異なる元素を含む複数の薄層の繰り返し積層で形成す
ることにより形成される層を有してなるものである。
本発明の第１番目の多重積層構造材料は、直接遷移型半
導体によるＡ層と、前記Ａ層の一方の側に前記Ａ層より
も小さな格子定数かつ大きな禁制帯幅を有する直接遷移
型半導体によるＢ1 層と、前記Ａ層の他方の側に前記Ａ
層よりも小さな格子定数かつ大きな禁制帯幅を有する直
接遷移型半導体によるＢ2 層とを配し、前記Ｂ1 層の前
記Ａ層と反対側に前記Ｂ1 層より大きな禁制帯幅を有す
る直接遷移型半導体によるＣ1 層を、また、前記Ｂ2 層
の前記Ａ層と反対側に前記Ｂ2 層より大きな禁制帯幅を
有する直接遷移型半導体によるＣ2 層とを配する多層積
層構造材料であって、前記直接遷移型半導体層は２種類
または３種類以上の構成元素からなり、前記直接遷移型
半導体層のうち３種類以上の構成元素からなる層のいず
れかは、構成元素の１種類以上かつ構成元素の総数未満
の種類の元素からなり、かつ、少なくとも１種類は相互
に異なる元素を含む複数の薄層の繰り返し積層で形成す
ることにより形成される層を有してなるものである。
【０００７】また、本発明の第２番目の多重積層構造材
料は、直接遷移型半導体によるＡ層と、前記Ａ層よりも
小さな格子定数かつ大きな禁制帯幅を有する直接遷移型
半導体によるＢ層とが交互にＡ層をＮ層、Ｂ層をＮ＋１
層（Ｎは正の整数）積層した多重積層ＡＢ層と、前記Ｂ
層よりも大きな禁制帯幅を有する直接遷移型半導体によ
るＣ1 層を前記多重積層ＡＢ層の一方の側に、また、前
記Ｂ層よりも大きな禁制帯幅を有する直接遷移型半導体
によるＣ2 層を前記多重積層ＡＢ層の他方の側に配する
多重積層構造材料であって、前記直接遷移型半導体層は
２種類または３種類以上の構成元素からなり、前記直接
遷移型半導体層のうち３種類以上の構成元素からなる層
のいずれかは、構成元素の１種類以上かつ構成元素の総
数未満の種類の元素を有し、かつ、少なくとも１種類は
相互に異なる元素を含む複数の薄層の繰り返し積層で形
成することにより形成される層を有してなるものであ
る。
料は、直接遷移型半導体によるＡ層と、前記Ａ層よりも
小さな格子定数かつ大きな禁制帯幅を有する直接遷移型
半導体によるＢ層とが交互にＡ層をＮ層、Ｂ層をＮ＋１
層（Ｎは正の整数）積層した多重積層ＡＢ層と、前記Ｂ
層よりも大きな禁制帯幅を有する直接遷移型半導体によ
るＣ1 層を前記多重積層ＡＢ層の一方の側に、また、前
記Ｂ層よりも大きな禁制帯幅を有する直接遷移型半導体
によるＣ2 層を前記多重積層ＡＢ層の他方の側に配する
多重積層構造材料であって、前記直接遷移型半導体層は
２種類または３種類以上の構成元素からなり、前記直接
遷移型半導体層のうち３種類以上の構成元素からなる層
のいずれかは、構成元素の１種類以上かつ構成元素の総
数未満の種類の元素を有し、かつ、少なくとも１種類は
相互に異なる元素を含む複数の薄層の繰り返し積層で形
成することにより形成される層を有してなるものであ
る。
【０００８】また、本発明の第１番目の発光素子は、直
接遷移型半導体によるＡ層と、前記Ａ層の一方の側に前
記Ａ層よりも小さな格子定数かつ大きな禁制帯幅を有す
る直接遷移型半導体によるＢ1 層と、前記Ａ層の他方の
側に前記Ａ層よりも小さな格子定数かつ大きな禁制帯幅
を有する直接遷移型半導体によるＢ2 層とを配し、前記
Ｂ1 層の前記Ａ層と反対側に前記Ｂ1 層より大きな禁制
帯幅を有する直接遷移型半導体によるＣ1 層を、また、
前記Ｂ2 層の前記Ａ層と反対側に前記Ｂ2 層より大きな
禁制帯幅を有する直接遷移型半導体によるＣ2 層とを配
する多層積層構造材料であって、前記直接遷移型半導体
層は２種類または３種類以上の構成元素からなり、前記
直接遷移型半導体層のうち３種類以上の構成元素からな
る層のいずれかは、構成元素の１種類以上かつ構成元素
の総数未満の種類の元素を有し、かつ、少なくとも１種
類は相互に異なる元素を含む複数の薄層の繰り返し積層
で形成することにより形成される層を有することを特徴
とする多重積層構造材料と、前記Ｃ1 層およびＣ2 層上
に形成され、それぞれの電気伝導型と同じ電気伝導型の
導電性材料層と、前記導電性材料層上に形成された電極
とを少なくとも備え、前記多重積層構造材料部分に電圧
を印加し電流を流すことにより動作する電流注入型発光
素子であって、前記Ｂ1 層とＢ2 層およびＣ1 層とＣ2
層とはそれぞれの一方は他方の電気伝導型とは異なり、
前記Ｂ1 層とＣ1 層およびＢ2 層とＣ2 層とはそれぞれ
同様の電気伝導型を有することを特徴とする。
接遷移型半導体によるＡ層と、前記Ａ層の一方の側に前
記Ａ層よりも小さな格子定数かつ大きな禁制帯幅を有す
る直接遷移型半導体によるＢ1 層と、前記Ａ層の他方の
側に前記Ａ層よりも小さな格子定数かつ大きな禁制帯幅
を有する直接遷移型半導体によるＢ2 層とを配し、前記
Ｂ1 層の前記Ａ層と反対側に前記Ｂ1 層より大きな禁制
帯幅を有する直接遷移型半導体によるＣ1 層を、また、
前記Ｂ2 層の前記Ａ層と反対側に前記Ｂ2 層より大きな
禁制帯幅を有する直接遷移型半導体によるＣ2 層とを配
する多層積層構造材料であって、前記直接遷移型半導体
層は２種類または３種類以上の構成元素からなり、前記
直接遷移型半導体層のうち３種類以上の構成元素からな
る層のいずれかは、構成元素の１種類以上かつ構成元素
の総数未満の種類の元素を有し、かつ、少なくとも１種
類は相互に異なる元素を含む複数の薄層の繰り返し積層
で形成することにより形成される層を有することを特徴
とする多重積層構造材料と、前記Ｃ1 層およびＣ2 層上
に形成され、それぞれの電気伝導型と同じ電気伝導型の
導電性材料層と、前記導電性材料層上に形成された電極
とを少なくとも備え、前記多重積層構造材料部分に電圧
を印加し電流を流すことにより動作する電流注入型発光
素子であって、前記Ｂ1 層とＢ2 層およびＣ1 層とＣ2
層とはそれぞれの一方は他方の電気伝導型とは異なり、
前記Ｂ1 層とＣ1 層およびＢ2 層とＣ2 層とはそれぞれ
同様の電気伝導型を有することを特徴とする。
【０００９】また、本発明の第２番目の発光素子は、直
接遷移型半導体によるＡ層と、前記Ａ層よりも小さな格
子定数かつ大きな禁制帯幅を有する直接遷移型半導体に
よるＢ層とが交互にＡ層をＮ層、Ｂ層をＮ＋１層（Ｎは
正の整数）積層した多重積層ＡＢ層と、前記Ｂ層よりも
大きな禁制帯幅を有する直接遷移型半導体によるＣ1層
を前記多重積層ＡＢ層の一方の側に、また、前記Ｂ層よ
りも大きな禁制帯幅を有する直接遷移型半導体によるＣ
2 層を前記多重積層ＡＢ層の他方の側に配する多重積層
構造材料であって、前記直接遷移型半導体層は２種類ま
たは３種類以上の構成元素からなり、前記直接遷移型半
導体層のうち３種類以上の構成元素からなる層のいずれ
かは、構成元素の１種類以上かつ構成元素の総数未満の
種類の元素を有し、かつ、少なくとも１種類は相互に異
なる元素を含む複数の薄層の繰り返し積層で形成するこ
とにより形成される層を有することを特徴とする多重積
層構造材料と、前記Ｃ1 層およびＣ2 層上に形成され、
それぞれの電気伝導型と同じ電気伝導型を有する導電性
材料層と、前記導電性材料層上に形成された電極とを少
なくとも備え、前記多重積層構造材料部分に電圧を印加
し電流を流すことにより動作する電流注入型発光素子で
あって、前記Ｃ1 層およびＣ2 層は一方が他方の電気伝
導型と異なることを特徴とする。
接遷移型半導体によるＡ層と、前記Ａ層よりも小さな格
子定数かつ大きな禁制帯幅を有する直接遷移型半導体に
よるＢ層とが交互にＡ層をＮ層、Ｂ層をＮ＋１層（Ｎは
正の整数）積層した多重積層ＡＢ層と、前記Ｂ層よりも
大きな禁制帯幅を有する直接遷移型半導体によるＣ1層
を前記多重積層ＡＢ層の一方の側に、また、前記Ｂ層よ
りも大きな禁制帯幅を有する直接遷移型半導体によるＣ
2 層を前記多重積層ＡＢ層の他方の側に配する多重積層
構造材料であって、前記直接遷移型半導体層は２種類ま
たは３種類以上の構成元素からなり、前記直接遷移型半
導体層のうち３種類以上の構成元素からなる層のいずれ
かは、構成元素の１種類以上かつ構成元素の総数未満の
種類の元素を有し、かつ、少なくとも１種類は相互に異
なる元素を含む複数の薄層の繰り返し積層で形成するこ
とにより形成される層を有することを特徴とする多重積
層構造材料と、前記Ｃ1 層およびＣ2 層上に形成され、
それぞれの電気伝導型と同じ電気伝導型を有する導電性
材料層と、前記導電性材料層上に形成された電極とを少
なくとも備え、前記多重積層構造材料部分に電圧を印加
し電流を流すことにより動作する電流注入型発光素子で
あって、前記Ｃ1 層およびＣ2 層は一方が他方の電気伝
導型と異なることを特徴とする。
【００１０】
【作用】前記本発明の第１〜２番目の多重積層構造材料
によれば、従来は多元混晶を要していた部分に２元系の
組合せによる短周期超格子構造を用いているためにその
成長に際し分子線強度の揺らぎ、飛来する原子種の組合
せに依存した付着率の変化に伴う組成揺らぎなどの影響
を排除でき、安定した特性の光学材料の作製が可能とな
る。
によれば、従来は多元混晶を要していた部分に２元系の
組合せによる短周期超格子構造を用いているためにその
成長に際し分子線強度の揺らぎ、飛来する原子種の組合
せに依存した付着率の変化に伴う組成揺らぎなどの影響
を排除でき、安定した特性の光学材料の作製が可能とな
る。
【００１１】また、前記本発明の第１〜２番目の多重積
層構造材料によれば、素子構造を作成した際に活性層に
相当する薄層に原子レベルでみてわずかながら圧縮応力
がかり、かつ、光閉じ込め可能な材料を得ることができ
るので良好なレーザー発振特性を実現することができ
る。
層構造材料によれば、素子構造を作成した際に活性層に
相当する薄層に原子レベルでみてわずかながら圧縮応力
がかり、かつ、光閉じ込め可能な材料を得ることができ
るので良好なレーザー発振特性を実現することができ
る。
【００１２】また、前記本発明の第１〜２番目の発光素
子によれば、結晶性に優れ、かつ、光閉じ込めが可能な
上記材料を用いており、圧縮応力のために価電子帯頂上
付近でのバンドの縮退が解け、ホールの有効質量が小さ
くなる。また、多重量子井戸を用いた場合にはこれらの
効果とともにサブバンドが形成され、トンネル効果が作
用する。その結果、良好なレーザー発振特性を有する電
流注入型発光素子を実現することができる。
子によれば、結晶性に優れ、かつ、光閉じ込めが可能な
上記材料を用いており、圧縮応力のために価電子帯頂上
付近でのバンドの縮退が解け、ホールの有効質量が小さ
くなる。また、多重量子井戸を用いた場合にはこれらの
効果とともにサブバンドが形成され、トンネル効果が作
用する。その結果、良好なレーザー発振特性を有する電
流注入型発光素子を実現することができる。
【００１３】
【実施例】以下、実施例を用いて本発明を具体的に説明
する。 （実施例１）図１は本発明による多重積層構造材料の一
実施例を示す構造断面図である。図１において、１はＡ
層、２はＢ１層、３はＣ１層、４はＢ２層、５はＣ２層
を示す。Ｂ１層２及びＢ２層４の格子定数と禁制帯幅は
その目的により完全に同一にする場合と結晶性および材
料特性全体を乱さない範囲において意図的に差異を有す
るように設定する場合とがあり、また、Ｃ１層３とＣ２
層５に関しても同様のことが言えるが、ここではそれぞ
れを同一にした場合を例に挙げる。
する。 （実施例１）図１は本発明による多重積層構造材料の一
実施例を示す構造断面図である。図１において、１はＡ
層、２はＢ１層、３はＣ１層、４はＢ２層、５はＣ２層
を示す。Ｂ１層２及びＢ２層４の格子定数と禁制帯幅は
その目的により完全に同一にする場合と結晶性および材
料特性全体を乱さない範囲において意図的に差異を有す
るように設定する場合とがあり、また、Ｃ１層３とＣ２
層５に関しても同様のことが言えるが、ここではそれぞ
れを同一にした場合を例に挙げる。
【００１４】図１の構造を分子線エピタキシー法により
成長する手順は以下のとおりである。なお、本実施例に
おいて用いた分子線エピタキシー装置は通常広く利用さ
れているものであるため、その詳細は省略し、主な結晶
成長条件について説明する。
成長する手順は以下のとおりである。なお、本実施例に
おいて用いた分子線エピタキシー装置は通常広く利用さ
れているものであるため、その詳細は省略し、主な結晶
成長条件について説明する。
【００１５】超高真空製膜室は製膜に先立ち１０-10 Ｔ
ｏｒｒ台まで十分に排気しておく。原料はＺｎ、Ｓｅ、
Ｃｄ、ＭｎおよびＺｎＳを用いた。Ｓを含む層を形成す
るためにＳ元素単体またはＨ2 Ｓガスのクラッキングに
よる方法もありうるが、前者はその蒸気圧がたいへん高
く、ＭＢＥ装置の真空維持に必要なベーキングができな
いこと、また後者はクラッキングの効率が悪く、十分な
数のＳ原子が得られず、付着率も低いために実用には適
さない。
ｏｒｒ台まで十分に排気しておく。原料はＺｎ、Ｓｅ、
Ｃｄ、ＭｎおよびＺｎＳを用いた。Ｓを含む層を形成す
るためにＳ元素単体またはＨ2 Ｓガスのクラッキングに
よる方法もありうるが、前者はその蒸気圧がたいへん高
く、ＭＢＥ装置の真空維持に必要なベーキングができな
いこと、また後者はクラッキングの効率が悪く、十分な
数のＳ原子が得られず、付着率も低いために実用には適
さない。
【００１６】所望の多重積層構造（本実施例ではＡ層１
にＺｎ0.7 Ｃｄ0.3 Ｓｅ、Ｂ１層２及びＢ２層４にＺｎ
Ｓ0.07Ｓｅ0.93、Ｃ１層３及びＣ２層５にＺｎＳが２分
子層、ＭｎＳｅが２分子層、ＺｎＳｅが６分子層を１単
位構造とするＺｎＭｎＳＳｅ短周期超格子層）からなる
材料を作製するために条件の確認として各層をそれぞれ
単独で形成し得る分子線条件を見いだし、それぞれの膜
のフォトルミネセンスのバンド端発光や励起スペクトル
からこれらのバンドギャップを見積りをしておく必要が
ある。製膜に要する分子線強度はマニピュレーターに取
付けられたモニター用の電離真空計での読みでＺｎが５
×１０-7Ｔｏｒｒ、Ｓｅが１．４×１０ -6Ｔｏｒｒ、Ｃ
ｄが２．３×１０-7Ｔｏｒｒ、Ｍｎが１．２×１０-7Ｔ
ｏｒｒ、ＺｎＳが８×１０-7Ｔｏｒｒである。また、バ
ンドギャップは、Ａ層１（ＺｎＣｄＳｅ層）が２．３３
ｅＶ、Ｂ１層２およびＢ２層４（ＺｎＳＳｅ層）が２．
６５５ｅＶ、Ｃ１層３およびＣ２層５（ＺｎＭｎＳＳｅ
短周期超格子層）が３．０３ｅＶである。
にＺｎ0.7 Ｃｄ0.3 Ｓｅ、Ｂ１層２及びＢ２層４にＺｎ
Ｓ0.07Ｓｅ0.93、Ｃ１層３及びＣ２層５にＺｎＳが２分
子層、ＭｎＳｅが２分子層、ＺｎＳｅが６分子層を１単
位構造とするＺｎＭｎＳＳｅ短周期超格子層）からなる
材料を作製するために条件の確認として各層をそれぞれ
単独で形成し得る分子線条件を見いだし、それぞれの膜
のフォトルミネセンスのバンド端発光や励起スペクトル
からこれらのバンドギャップを見積りをしておく必要が
ある。製膜に要する分子線強度はマニピュレーターに取
付けられたモニター用の電離真空計での読みでＺｎが５
×１０-7Ｔｏｒｒ、Ｓｅが１．４×１０ -6Ｔｏｒｒ、Ｃ
ｄが２．３×１０-7Ｔｏｒｒ、Ｍｎが１．２×１０-7Ｔ
ｏｒｒ、ＺｎＳが８×１０-7Ｔｏｒｒである。また、バ
ンドギャップは、Ａ層１（ＺｎＣｄＳｅ層）が２．３３
ｅＶ、Ｂ１層２およびＢ２層４（ＺｎＳＳｅ層）が２．
６５５ｅＶ、Ｃ１層３およびＣ２層５（ＺｎＭｎＳＳｅ
短周期超格子層）が３．０３ｅＶである。
【００１７】これらの混晶層および超格子層を用いて図
１の多重積層構造材料を作製する。結晶成長過程は反射
高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）を用いて観察している。
各層の厚さはＡ層１が１００オングストローム、Ｂ１層
２及びＢ２層４が３０００オングストローム、Ｃ１層３
が１５００オングストローム、Ｃ２層５が１μｍであ
る。上記の組成による材料の組み合わせではＡ層１（Ｚ
ｎＣｄＳｅ）の格子定数はＢ１層２及びＢ２層４（Ｚｎ
ＳＳｅ）の格子定数（５．６５オングストローム）より
も約２％だけ大きいことから、Ａ層１には圧縮張応力が
働いている。層３及び５（ＺｎＭｎＳＳｅ超格子）の格
子定数は層２及び４のそれとほぼ等しくなっている。ま
た、層１のバンドギャップ（２．３３ｅＶ）は層２及び
４のバンドギャップ（２．６５５ｅＶ）よりも小さく、
層３及び５のバンドギャップは３．０３ｅＶである。
１の多重積層構造材料を作製する。結晶成長過程は反射
高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）を用いて観察している。
各層の厚さはＡ層１が１００オングストローム、Ｂ１層
２及びＢ２層４が３０００オングストローム、Ｃ１層３
が１５００オングストローム、Ｃ２層５が１μｍであ
る。上記の組成による材料の組み合わせではＡ層１（Ｚ
ｎＣｄＳｅ）の格子定数はＢ１層２及びＢ２層４（Ｚｎ
ＳＳｅ）の格子定数（５．６５オングストローム）より
も約２％だけ大きいことから、Ａ層１には圧縮張応力が
働いている。層３及び５（ＺｎＭｎＳＳｅ超格子）の格
子定数は層２及び４のそれとほぼ等しくなっている。ま
た、層１のバンドギャップ（２．３３ｅＶ）は層２及び
４のバンドギャップ（２．６５５ｅＶ）よりも小さく、
層３及び５のバンドギャップは３．０３ｅＶである。
【００１８】図２は、材料の光励起特性測定システムを
示すものである。上記のような格子定数及びバンドギャ
ップの関係を有する人工的な材料を１ｍｍ×６ｍｍの大
きさのチップに劈開し、図２に示すごとく材料チップ２
３の層３の側から窒素レーザー２１（波長３３７ｎｍ）
の光を照射し、材料の断面からの発光をレンズ系２４に
よって集光しモノクロメーター２５およびデーター処理
系２６によりスペクトルおよび出力特性を評価する。Ｎ
Ｄフィルター２２を用いてチップ２３に照射する窒素レ
ーザー光のパワー密度を制御し７７Ｋ（液体窒素温度）
での光励起特性を見るとパワー密度がある大きさＰthよ
りも低い場合には広がった発光が観測される。励起パワ
ー密度をＰthよりもさらに高くしていくと、単色性に極
めて優れた鋭い発光が見られるようになる。この単色の
発光に着目し励起パワー依存性を調べると図３のようで
ある。この急激に立ち上がる発光特性は明らかにレーザ
ー発振を示すものである。すなわち本実施例の半導体人
工積層構造材料は図１のＡ層１が活性層、Ｂ１層２およ
びＢ２層４が光導波層、Ｃ１層３およびＣ２層５が光閉
じ込め層としてはたらくことを示している。
示すものである。上記のような格子定数及びバンドギャ
ップの関係を有する人工的な材料を１ｍｍ×６ｍｍの大
きさのチップに劈開し、図２に示すごとく材料チップ２
３の層３の側から窒素レーザー２１（波長３３７ｎｍ）
の光を照射し、材料の断面からの発光をレンズ系２４に
よって集光しモノクロメーター２５およびデーター処理
系２６によりスペクトルおよび出力特性を評価する。Ｎ
Ｄフィルター２２を用いてチップ２３に照射する窒素レ
ーザー光のパワー密度を制御し７７Ｋ（液体窒素温度）
での光励起特性を見るとパワー密度がある大きさＰthよ
りも低い場合には広がった発光が観測される。励起パワ
ー密度をＰthよりもさらに高くしていくと、単色性に極
めて優れた鋭い発光が見られるようになる。この単色の
発光に着目し励起パワー依存性を調べると図３のようで
ある。この急激に立ち上がる発光特性は明らかにレーザ
ー発振を示すものである。すなわち本実施例の半導体人
工積層構造材料は図１のＡ層１が活性層、Ｂ１層２およ
びＢ２層４が光導波層、Ｃ１層３およびＣ２層５が光閉
じ込め層としてはたらくことを示している。
【００１９】（実施例２）図４は本発明による多重積層
構造材料の他の実施例を示す構造断面図である。４１は
層ＡＢの積層、４２及び４３は層Ｃを示す。層ＡＢは異
なる層Ａおよび層Ｂを交互に積層したものであり、本実
施例２では層ＡとしてＺｎＣｄＳｅ、層ＢとしてＺｎＳ
Ｓｅ、層ＣとしてＺｎＭｎＳＳｅ超格子を用いている。
構造材料の他の実施例を示す構造断面図である。４１は
層ＡＢの積層、４２及び４３は層Ｃを示す。層ＡＢは異
なる層Ａおよび層Ｂを交互に積層したものであり、本実
施例２では層ＡとしてＺｎＣｄＳｅ、層ＢとしてＺｎＳ
Ｓｅ、層ＣとしてＺｎＭｎＳＳｅ超格子を用いている。
【００２０】結晶成長は実施例１と同様に分子線エピタ
キシー法（ＭＢＥ法）を用い、分子線強度などの条件も
同様とし、積層構造の制御は各々の層の成長に必要な分
子線の照射時間を制御することにより行う。層Ａに膜厚
７０オングストロームのＺｎ 0.7 Ｃｄ0.3 Ｓｅ、層Ｂに
膜厚１００オングストロームのＺｎＳ0.07Ｓｅ0.93、４
２の層Ｃに１５００オングストロームのＺｎＭｎＳＳｅ
超格子（１周期の構成は実施例１のものと同様にＺｎＳ
２分子層、ＭｎＳｅ２分子層、ＺｎＳｅ６分子層）、４
３の層Ｃに１μｍの４２のＣ層と同様にＺｎＭｎＳＳｅ
超格子による材料で積層構造を形成する。ここで、Ａ層
とＢ層の繰り返し数Ｎは７である。
キシー法（ＭＢＥ法）を用い、分子線強度などの条件も
同様とし、積層構造の制御は各々の層の成長に必要な分
子線の照射時間を制御することにより行う。層Ａに膜厚
７０オングストロームのＺｎ 0.7 Ｃｄ0.3 Ｓｅ、層Ｂに
膜厚１００オングストロームのＺｎＳ0.07Ｓｅ0.93、４
２の層Ｃに１５００オングストロームのＺｎＭｎＳＳｅ
超格子（１周期の構成は実施例１のものと同様にＺｎＳ
２分子層、ＭｎＳｅ２分子層、ＺｎＳｅ６分子層）、４
３の層Ｃに１μｍの４２のＣ層と同様にＺｎＭｎＳＳｅ
超格子による材料で積層構造を形成する。ここで、Ａ層
とＢ層の繰り返し数Ｎは７である。
【００２１】この積層構造材料を１ｍｍ×６ｍｍの大き
さのチップに劈開し、図２の光励起特性測定システムを
用い、図に示すごとく材料チップの層４２の側から窒素
レーザー２１（波長３３７ｎｍ）の光を照射し、材料の
断面からの発光をレンズ系２４によって集光しモノクロ
メーター２５およびデーター処理系２６によりスペクト
ルおよび出力特性を評価する。ＮＤフィルター２２を用
いてチップに照射する窒素レーザー光のパワー密度を制
御し７７Ｋ（液体窒素温度）での光励起特性を見ると、
パワー密度がある大きさＰthよりも低い場合には広がっ
た発光が観測される。励起パワー密度をＰthよりもさら
に高くしていくと、単色性に極めて優れた鋭い発光が見
られるようになる。この単色の発光波長に着目し励起パ
ワー依存性を調べると実施例１の図３と同様に急激に立
ち上がる発光特性を示し、明らかにレーザー発振が確認
された。すなわち本実施例の半導体人工積層構造材料は
図４の層ＡＢが活性層、層Ｃが光閉じ込め層としてはた
らくことを示している。
さのチップに劈開し、図２の光励起特性測定システムを
用い、図に示すごとく材料チップの層４２の側から窒素
レーザー２１（波長３３７ｎｍ）の光を照射し、材料の
断面からの発光をレンズ系２４によって集光しモノクロ
メーター２５およびデーター処理系２６によりスペクト
ルおよび出力特性を評価する。ＮＤフィルター２２を用
いてチップに照射する窒素レーザー光のパワー密度を制
御し７７Ｋ（液体窒素温度）での光励起特性を見ると、
パワー密度がある大きさＰthよりも低い場合には広がっ
た発光が観測される。励起パワー密度をＰthよりもさら
に高くしていくと、単色性に極めて優れた鋭い発光が見
られるようになる。この単色の発光波長に着目し励起パ
ワー依存性を調べると実施例１の図３と同様に急激に立
ち上がる発光特性を示し、明らかにレーザー発振が確認
された。すなわち本実施例の半導体人工積層構造材料は
図４の層ＡＢが活性層、層Ｃが光閉じ込め層としてはた
らくことを示している。
【００２２】なお、上記実施例１及び２においては、Ａ
層としてＺｎＣｄＳｅ混晶、Ｂ層としてＺｎＳＳｅ混
晶、Ｃ層としてＺｎＭｎＳＳｅ超格子を用いているが、
必ずしもこの組合せに限定されるものではなく、Ａ層と
してＺｎ1-a Ｃｄa Ｓｅ（０＜ａ＜１）混晶、Ｂ層とし
てＺｎＳb Ｓｅ1-b （０＜ｂ＜１），Ｚｎ1-c Ｃｄc Ｓ
（０＜ｃ＜１）またはＺｎ1-d Ｃｄd Ｓ1-e Ｓｅe （０
＜ｄ＜１，０＜ｅ＜１）混晶、Ｃ層としてＺｎＭＳＳｅ
（但し、ＭはＭｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃ
ｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｂのうち１種類または
複数種類の元素）超格子を用いる組合せ、Ａ層としてＺ
ｎ1-h Ｃｄh Ｓ（０＜ｈ＜１）混晶、Ｂ層としてＺｎ
1-i Ｃｄi Ｓ（０＜ｉ＜１，ｈ＞ｉ）混晶、Ｃ層として
ＺｎＭＳＳｅ（但し、ＭはＭｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｔ
ｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｂのうち１
種類または複数種類の元素）超格子を用いる組合せ、あ
るいはＡ層としてＺｎ1-m Ｃｄm Ｓ1-n Ｓｅn （０＜ｍ
＜１、０＜ｎ＜１）混晶、Ｂ層としてＺｎ1-p Ｃｄp Ｓ
（０＜ｐ＜１）混晶、Ｃ層としてＺｎＭＳＳｅ（但し、
ＭはＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｂのうち１種類または複数種類の
元素）超格子を用いる組合せを採用しても、それぞれの
混晶層の組成および超格子の構成層厚比を制御すること
により同様の効果を得ることができる。
層としてＺｎＣｄＳｅ混晶、Ｂ層としてＺｎＳＳｅ混
晶、Ｃ層としてＺｎＭｎＳＳｅ超格子を用いているが、
必ずしもこの組合せに限定されるものではなく、Ａ層と
してＺｎ1-a Ｃｄa Ｓｅ（０＜ａ＜１）混晶、Ｂ層とし
てＺｎＳb Ｓｅ1-b （０＜ｂ＜１），Ｚｎ1-c Ｃｄc Ｓ
（０＜ｃ＜１）またはＺｎ1-d Ｃｄd Ｓ1-e Ｓｅe （０
＜ｄ＜１，０＜ｅ＜１）混晶、Ｃ層としてＺｎＭＳＳｅ
（但し、ＭはＭｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃ
ｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｂのうち１種類または
複数種類の元素）超格子を用いる組合せ、Ａ層としてＺ
ｎ1-h Ｃｄh Ｓ（０＜ｈ＜１）混晶、Ｂ層としてＺｎ
1-i Ｃｄi Ｓ（０＜ｉ＜１，ｈ＞ｉ）混晶、Ｃ層として
ＺｎＭＳＳｅ（但し、ＭはＭｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｔ
ｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｐｂのうち１
種類または複数種類の元素）超格子を用いる組合せ、あ
るいはＡ層としてＺｎ1-m Ｃｄm Ｓ1-n Ｓｅn （０＜ｍ
＜１、０＜ｎ＜１）混晶、Ｂ層としてＺｎ1-p Ｃｄp Ｓ
（０＜ｐ＜１）混晶、Ｃ層としてＺｎＭＳＳｅ（但し、
ＭはＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、
Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｂのうち１種類または複数種類の
元素）超格子を用いる組合せを採用しても、それぞれの
混晶層の組成および超格子の構成層厚比を制御すること
により同様の効果を得ることができる。
【００２３】また、上記実施例１および２においては後
に述べる発光素子に用い得る構造としているため、光閉
じこめ層としてはたらくＣ１層およびＣ２層の厚さを要
し、かつ、４元混晶層であるため本発明による構成がも
っとも有効に作用する部分であるので、超格子層を当箇
所に導入したが、その他の３元および４元混晶層にもも
ちろん適用可能である。
に述べる発光素子に用い得る構造としているため、光閉
じこめ層としてはたらくＣ１層およびＣ２層の厚さを要
し、かつ、４元混晶層であるため本発明による構成がも
っとも有効に作用する部分であるので、超格子層を当箇
所に導入したが、その他の３元および４元混晶層にもも
ちろん適用可能である。
【００２４】（実施例３）図５は本発明による電流注入
型発光素子の断面構造を示すものである。各層に使用す
る材料の組み合わせとしては前実施例１及び２に示す各
種のものが可能であるが、発振波長、発振敷居値の相異
以外は基本特性が共通であるため、ここでは素子構造の
代表例として活性層５１としてＺｎ0.7 Ｃｄ0.3 Ｓｅ混
晶、光り閉じ込め層５２及び５４がＺｎＳ0.07Ｓ
ｅ0.93、クラッド層５３及び５５としてＺｎＭｎＳＳｅ
（ＺｎＳ２分子層、ＭｎＳｅ２分子層、ＺｎＳｅ６分子
層）超格子を用いた場合を示す。なおＺｎ1-x Ｃｄx Ｓ
ｅを活性層としている本実施例の構造では発振波長は組
成ｘに依存し、Ｃｄの増加とともに長くなっていく。
型発光素子の断面構造を示すものである。各層に使用す
る材料の組み合わせとしては前実施例１及び２に示す各
種のものが可能であるが、発振波長、発振敷居値の相異
以外は基本特性が共通であるため、ここでは素子構造の
代表例として活性層５１としてＺｎ0.7 Ｃｄ0.3 Ｓｅ混
晶、光り閉じ込め層５２及び５４がＺｎＳ0.07Ｓ
ｅ0.93、クラッド層５３及び５５としてＺｎＭｎＳＳｅ
（ＺｎＳ２分子層、ＭｎＳｅ２分子層、ＺｎＳｅ６分子
層）超格子を用いた場合を示す。なおＺｎ1-x Ｃｄx Ｓ
ｅを活性層としている本実施例の構造では発振波長は組
成ｘに依存し、Ｃｄの増加とともに長くなっていく。
【００２５】本発光素子の作製は基板上に多重積層構造
材料を形成することから始まる。ＧａＡｓ基板をアセト
ン、メチルアルコールで脱脂した後、５０℃の硫酸：過
酸化水素水：水＝５：１：１溶液によっておよそ２分間
エッチングし、充分に（１０〜１５分程度）超純水で洗
い流し、乾燥窒素吹き付けにより乾燥させる。ただちに
Ｍｏ製の基板ホルダー上にＩｎを用いて張り付け、分子
線エピタキシー装置内に装着し、真空に排気する。背圧
が１０-10 Ｔｏｒｒ台に到達した後、各分子線源の温度
を上げ所定の分子線強度が得られるように調節する。上
記の組成の混晶層の形成にはマニピュレーターに取付け
られたモニター用の電離真空計での読みでＺｎが５×１
０-7Ｔｏｒｒ、Ｓｅが１．４×１０-6Ｔｏｒｒ、Ｃｄが
２．３×１０-7Ｔｏｒｒ、Ｍｎが１．２×１０-7Ｔｏｒ
ｒ、ＺｎＳが８×１０-7Ｔｏｒｒである。また、各層の
伝導型制御のためのドーピングはｎ型形成にはＺｎＣｌ
2の加熱分解により供給される塩素Ｃｌを、ｐ型形成に
は窒素プラズマから供給される窒素ラジカルを用いる。
製膜条件が整ったところで基板表面の反射高速電子線回
折像（ＲＨＥＥＤ）を観察しながら基板温度を６００℃
付近まで上げ、鋭く細いストリークパターンにより表面
酸化膜が除去されたことを確認し、基板温度を結晶成長
温度、ここでは３２５℃まで下げる。
材料を形成することから始まる。ＧａＡｓ基板をアセト
ン、メチルアルコールで脱脂した後、５０℃の硫酸：過
酸化水素水：水＝５：１：１溶液によっておよそ２分間
エッチングし、充分に（１０〜１５分程度）超純水で洗
い流し、乾燥窒素吹き付けにより乾燥させる。ただちに
Ｍｏ製の基板ホルダー上にＩｎを用いて張り付け、分子
線エピタキシー装置内に装着し、真空に排気する。背圧
が１０-10 Ｔｏｒｒ台に到達した後、各分子線源の温度
を上げ所定の分子線強度が得られるように調節する。上
記の組成の混晶層の形成にはマニピュレーターに取付け
られたモニター用の電離真空計での読みでＺｎが５×１
０-7Ｔｏｒｒ、Ｓｅが１．４×１０-6Ｔｏｒｒ、Ｃｄが
２．３×１０-7Ｔｏｒｒ、Ｍｎが１．２×１０-7Ｔｏｒ
ｒ、ＺｎＳが８×１０-7Ｔｏｒｒである。また、各層の
伝導型制御のためのドーピングはｎ型形成にはＺｎＣｌ
2の加熱分解により供給される塩素Ｃｌを、ｐ型形成に
は窒素プラズマから供給される窒素ラジカルを用いる。
製膜条件が整ったところで基板表面の反射高速電子線回
折像（ＲＨＥＥＤ）を観察しながら基板温度を６００℃
付近まで上げ、鋭く細いストリークパターンにより表面
酸化膜が除去されたことを確認し、基板温度を結晶成長
温度、ここでは３２５℃まで下げる。
【００２６】ｎ型ＧａＡｓ層５６をＳｉをドーピングし
たＧａＡｓ基板で構成し、基板上にｎ型ＺｎＭｎＳＳｅ
（層５５）、ｎ型ＺｎＳＳｅ（層５４）、ノンドープＺ
ｎＣｄＳＳｅ（層５１）、ｐ型ＺｎＳＳｅ（層５２）、
ｐ型ＺｎＭｎＳＳｅ（層５３）、ｐ+ ＺｎＳｅ（層５
８）の順に結晶成長を行う。
たＧａＡｓ基板で構成し、基板上にｎ型ＺｎＭｎＳＳｅ
（層５５）、ｎ型ＺｎＳＳｅ（層５４）、ノンドープＺ
ｎＣｄＳＳｅ（層５１）、ｐ型ＺｎＳＳｅ（層５２）、
ｐ型ＺｎＭｎＳＳｅ（層５３）、ｐ+ ＺｎＳｅ（層５
８）の順に結晶成長を行う。
【００２７】以上のようにして形成した積層構造をもと
に電流注入型ダイオードレーザーを作製する。電流狭窄
通路を有する利得導波路構造とするために絶縁層６０と
してＳｉＯ2を用いて酸化膜ストライプを作製し、電極
５９として金Ａｕを上全面に真空蒸着した。電極ストラ
イプの大きさは幅がおよそ１０〜２０μｍ、長さは共振
器長（およそ１ｍｍ）と同様である。ＧａＡｓ基板裏面
には電極としてＩｎを用いた。
に電流注入型ダイオードレーザーを作製する。電流狭窄
通路を有する利得導波路構造とするために絶縁層６０と
してＳｉＯ2を用いて酸化膜ストライプを作製し、電極
５９として金Ａｕを上全面に真空蒸着した。電極ストラ
イプの大きさは幅がおよそ１０〜２０μｍ、長さは共振
器長（およそ１ｍｍ）と同様である。ＧａＡｓ基板裏面
には電極としてＩｎを用いた。
【００２８】７７Ｋパルス動作での５１７ｎｍ光出力と
電流との関係を測定したところ、ある電流値（敷居値電
流）を越えると急激に光出力が増大する特性を示し、レ
ーザー発振が確認された。（グラフの形状は上記実施例
１の光励起特性を示す図と同様であるため省略する。） 注入電流は絶縁層によって狭窄され、正孔はｐ+ ＺｎＳ
ｅコンタクト層５８、ＺｎＭｎＳＳｅ層５３、ＺｎＳＳ
ｅ層５２を通りＺｎＣｄＳｅ活性層５１に注入され、電
子はｎ型ＧａＡｓ基板５６から活性層に注入される。電
子と正孔とは活性層に閉じ込められ誘導放出による再結
合により、活性層のバンドギャップに対応したレーザー
光を発する。
電流との関係を測定したところ、ある電流値（敷居値電
流）を越えると急激に光出力が増大する特性を示し、レ
ーザー発振が確認された。（グラフの形状は上記実施例
１の光励起特性を示す図と同様であるため省略する。） 注入電流は絶縁層によって狭窄され、正孔はｐ+ ＺｎＳ
ｅコンタクト層５８、ＺｎＭｎＳＳｅ層５３、ＺｎＳＳ
ｅ層５２を通りＺｎＣｄＳｅ活性層５１に注入され、電
子はｎ型ＧａＡｓ基板５６から活性層に注入される。電
子と正孔とは活性層に閉じ込められ誘導放出による再結
合により、活性層のバンドギャップに対応したレーザー
光を発する。
【００２９】このときの発光効率に電子、正孔の有効質
量が影響を及ぼす。バンドギャップダイアグラムにおい
て価電子帯の重正孔と軽正孔は無歪み状態では縮退して
おり、そのために有効質量は大きなものとなっている。
本発明のように活性層を構成する物質とそれに隣接する
層の物質の格子定数を活性層のそれがやや大きくなるよ
うにしておくことにより活性層に圧縮応力が働くために
この縮退がとけ、重正孔のバンドが上に、軽正孔のバン
ドが下に来るようになる。その結果有効質量が小さくな
るためレーザー発振を容易にさせ、このような良好な特
性を可能にしている。
量が影響を及ぼす。バンドギャップダイアグラムにおい
て価電子帯の重正孔と軽正孔は無歪み状態では縮退して
おり、そのために有効質量は大きなものとなっている。
本発明のように活性層を構成する物質とそれに隣接する
層の物質の格子定数を活性層のそれがやや大きくなるよ
うにしておくことにより活性層に圧縮応力が働くために
この縮退がとけ、重正孔のバンドが上に、軽正孔のバン
ドが下に来るようになる。その結果有効質量が小さくな
るためレーザー発振を容易にさせ、このような良好な特
性を可能にしている。
【００３０】（実施例４）本発明による電流注入型発光
素子の実施例として、各層に使用する材料の組み合わせ
に前記実施例２に示すものを用いる。活性層からクラッ
ド層にかけての構造が前記実施例２のものを用いること
以外には素子としての基本構造は前記実施例３と同様で
あるため図面は省略する。
素子の実施例として、各層に使用する材料の組み合わせ
に前記実施例２に示すものを用いる。活性層からクラッ
ド層にかけての構造が前記実施例２のものを用いること
以外には素子としての基本構造は前記実施例３と同様で
あるため図面は省略する。
【００３１】ここでは素子構造の代表例として活性層を
Ｚｎ0.7 Ｃｄ0.3 Ｓｅ混晶７０オングストロームおよび
ＺｎＳ0.07Ｓｅ0.93混晶１００オングストロームの繰り
返し数７である多重量子井戸、クラッド層をＺｎＭｎＳ
Ｓｅ（ＺｎＳ２分子層、ＭｎＳｅ２分子層、ＺｎＳｅ６
分子層）超格子で構成した場合を示す。
Ｚｎ0.7 Ｃｄ0.3 Ｓｅ混晶７０オングストロームおよび
ＺｎＳ0.07Ｓｅ0.93混晶１００オングストロームの繰り
返し数７である多重量子井戸、クラッド層をＺｎＭｎＳ
Ｓｅ（ＺｎＳ２分子層、ＭｎＳｅ２分子層、ＺｎＳｅ６
分子層）超格子で構成した場合を示す。
【００３２】本発光素子の作製は基板上に多重積層構造
材料を形成することから始まる。その詳細条件は、多重
量子井戸を活性層として形成すること以外は基本的に共
通である。
材料を形成することから始まる。その詳細条件は、多重
量子井戸を活性層として形成すること以外は基本的に共
通である。
【００３３】ｎ型ＧａＡｓ層ＳｉをドーピングしたＧａ
Ａｓ基板で構成し、基板上にｎ型ＺｎＭｎＳＳｅ超格
子、ｎ型ＺｎＣｄＳｅ−ＺｎＳＳｅ多重量子井戸、ｐ型
ＺｎＭｎＳＳｅ超格子、ｐ+ ＺｎＳｅの順に結晶成長を
行う。
Ａｓ基板で構成し、基板上にｎ型ＺｎＭｎＳＳｅ超格
子、ｎ型ＺｎＣｄＳｅ−ＺｎＳＳｅ多重量子井戸、ｐ型
ＺｎＭｎＳＳｅ超格子、ｐ+ ＺｎＳｅの順に結晶成長を
行う。
【００３４】以上のようにして形成した積層構造をもと
に電流注入型ダイオードレーザーを作製する。電流狭窄
通路を有する利得導波路構造とするために絶縁層６０と
してＳｉＯ2 を用いて酸化膜ストライプを作製し、電極
５９として金Ａｕを上全面に真空蒸着した。電極ストラ
イプの大きさは幅が約１０〜２０μｍ、長さは共振器長
（約１ｍｍ）と同様である。ＧａＡｓ基板裏面には電極
としてＩｎを用いた。
に電流注入型ダイオードレーザーを作製する。電流狭窄
通路を有する利得導波路構造とするために絶縁層６０と
してＳｉＯ2 を用いて酸化膜ストライプを作製し、電極
５９として金Ａｕを上全面に真空蒸着した。電極ストラ
イプの大きさは幅が約１０〜２０μｍ、長さは共振器長
（約１ｍｍ）と同様である。ＧａＡｓ基板裏面には電極
としてＩｎを用いた。
【００３５】７７Ｋパルス動作での５１２ｎｍ光出力と
電流との関係を測定したところ、ある電流値（敷居値電
流）を越えると急激に光出力が増大する特性を示し、レ
ーザー発振が確認された。敷居値電流は８ｍＡであり、
ほぼ同様の構造を有する上記実施例３の場合に比べ低減
されている。これは、複数の量子井戸の存在により、光
増幅に寄与し得る電子正孔対および光子の数が実効的に
増えたためと考えられる。グラフの形状は上記実施例１
の光励起特性を示す図と同様であるため省略する。
電流との関係を測定したところ、ある電流値（敷居値電
流）を越えると急激に光出力が増大する特性を示し、レ
ーザー発振が確認された。敷居値電流は８ｍＡであり、
ほぼ同様の構造を有する上記実施例３の場合に比べ低減
されている。これは、複数の量子井戸の存在により、光
増幅に寄与し得る電子正孔対および光子の数が実効的に
増えたためと考えられる。グラフの形状は上記実施例１
の光励起特性を示す図と同様であるため省略する。
【００３６】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明の第１〜２番
目の多重積層構造材料によれば、従来は多元混晶を要し
ていた部分に２元系の組合せによる短周期超格子構造を
用いているためにその成長に際し分子線強度の揺らぎ、
飛来する原子種の組合せに依存した付着率の変化に伴う
組成揺らぎなどの影響を排除でき、安定した特性の光学
材料の作製が可能となる。
目の多重積層構造材料によれば、従来は多元混晶を要し
ていた部分に２元系の組合せによる短周期超格子構造を
用いているためにその成長に際し分子線強度の揺らぎ、
飛来する原子種の組合せに依存した付着率の変化に伴う
組成揺らぎなどの影響を排除でき、安定した特性の光学
材料の作製が可能となる。
【００３７】また、本発明の第１〜２番目の多重積層構
造材料によれば、レーザー構造を作成した際に活性層に
相当する薄層に原子レベルでみてわずかながら圧縮応力
がかかっており、かつ、光閉じ込め可能な材料を得るこ
とができるので良好なレーザー発振特性を実現すること
ができる。
造材料によれば、レーザー構造を作成した際に活性層に
相当する薄層に原子レベルでみてわずかながら圧縮応力
がかかっており、かつ、光閉じ込め可能な材料を得るこ
とができるので良好なレーザー発振特性を実現すること
ができる。
【００３８】さらに、本発明の第１〜２番目の発光素子
によれば、結晶性に優れ、かつ光閉じ込めが可能な上記
材料を用いており、応力のために価電子帯頂上付近での
バンドの縮退が解け、ホールの有効質量が小さくなる。
また、多重量子井戸を用いた場合にはこれらの効果とと
もにサブバンドが形成され、トンネル効果が作用する。
その結果、良好なレーザー発振特性を有する電流注入型
発光素子を実現することができ、ディスプレイ、光ディ
スクなど情報通信の各分野における構成要素の性能向上
をもたらすものである。
によれば、結晶性に優れ、かつ光閉じ込めが可能な上記
材料を用いており、応力のために価電子帯頂上付近での
バンドの縮退が解け、ホールの有効質量が小さくなる。
また、多重量子井戸を用いた場合にはこれらの効果とと
もにサブバンドが形成され、トンネル効果が作用する。
その結果、良好なレーザー発振特性を有する電流注入型
発光素子を実現することができ、ディスプレイ、光ディ
スクなど情報通信の各分野における構成要素の性能向上
をもたらすものである。
【図１】本発明の実施例１の人工積層構造材料の断面を
示す図。
示す図。
【図２】同、光励起特性測定システムを示す図。
【図３】同、励起光（窒素レーザー）強度密度と光出力
の関係を測定した図。
の関係を測定した図。
【図４】本発明の実施例２の人工積層構造材料の断面を
示す図。
示す図。
【図５】本発明の実施例３の電流注入型発光素子の構造
を示す図。
を示す図。
１ Ａ層 ２ Ｂ１層 ３ Ｃ１層 ４ Ｂ２層 ５ Ｃ２層 ２１ 窒素レーザー ２２ＮＤ フィルター ２３ 試料 ２４ レンズ系 ２５ モノクロメーター ２６ データー処理系 ４１ 層ＡＢの積層 ４２，４３ 層Ｃ ５１ 活性層 ５２，５４ 光り閉じ込め層 ５３，５５ クラッド層 ５６ ＧａＡｓ基板 ５７ Ｉｎ電極 ５９ Ａｕ電極 ６０ ＳｉＯ2 絶縁層
Claims (4)
- 【請求項１】 直接遷移型半導体によるＡ層と、前記Ａ
層の一方の面に前記Ａ層よりも小さな格子定数でかつ大
きな禁制帯幅を有する直接遷移型半導体によるＢ1 層
と、前記Ａ層の他方の側に前記Ａ層よりも小さな格子定
数かつ大きな禁制帯幅を有する直接遷移型半導体による
Ｂ2 層とを形成し、前記Ｂ2 層の上に前記Ｂ1 層より大
きな禁制帯幅を有する直接遷移型半導体によるＣ1 層を
形成し、前記Ａ層の他方の面に前記Ｂ2 層より大きな禁
制帯幅を有する直接遷移型半導体によるＣ2 層とを形成
した多層積層構造材料であって、前記直接遷移型半導体
層は２種類または３種類以上の構成元素からなり、前記
直接遷移型半導体層のうち３種類以上の構成元素からな
る層のいずれかは、構成元素の１種類以上かつ構成元素
の総数未満の種類の元素からなり、かつ少なくとも１種
類は相互に異なる元素を含む複数の薄層の繰り返し積層
で形成することにより形成される層を有することを特徴
とする多重積層構造材料。 - 【請求項２】 直接遷移型半導体によるＡ層と、前記Ａ
層よりも小さな格子定数かつ大きな禁制帯幅を有する直
接遷移型半導体によるＢ層とが交互にＡ層をＮ層、Ｂ層
をＮ＋１層（Ｎは正の整数）積層した多重積層ＡＢ層
と、前記Ｂ層よりも大きな禁制帯幅を有する直接遷移型
半導体によるＣ1 層を前記多重積層ＡＢ層の一方の側に
形成し、前記Ｂ層よりも大きな禁制帯幅を有する直接遷
移型半導体によるＣ2 層を前記多重積層ＡＢ層の他方の
側に形成した多重積層構造材料であって、前記直接遷移
型半導体層は２種類または３種類以上の構成元素からな
り、前記直接遷移型半導体層のうち３種類以上の構成元
素からなる層のいずれかは、構成元素の１種類以上かつ
構成元素の総数未満の種類の元素を有し、かつ少なくと
も１種類は相互に異なる元素を含む複数の薄層の繰り返
し積層で形成することにより形成される層を有すること
を特徴とする多重積層構造材料。 - 【請求項３】 直接遷移型半導体によるＡ層と、前記Ａ
層の一方の側に前記Ａ層よりも小さな格子定数かつ大き
な禁制帯幅を有する直接遷移型半導体によるＢ1 層と、
前記Ａ層の他方の側に前記Ａ層よりも小さな格子定数か
つ大きな禁制帯幅を有する直接遷移型半導体によるＢ2
層とを形成し、前記Ｂ1 層の前記Ａ層と反対側に前記Ｂ
1 層より大きな禁制帯幅を有する直接遷移型半導体によ
るＣ1 層を形成し、前記Ｂ2 層の前記Ａ層と反対側に前
記Ｂ2 層より大きな禁制帯幅を有する直接遷移型半導体
によるＣ2 層とを形成した多層積層構造材料であって、
前記直接遷移型半導体層は２種類または３種類以上の構
成元素からなり、前記直接遷移型半導体層のうち３種類
以上の構成元素からなる層のいずれかは、構成元素の１
種類以上かつ構成元素の総数未満の種類の元素を有し、
かつ少なくとも１種類は相互に異なる元素を含む複数の
薄層の繰り返し積層で形成した層を有する多重積層構造
材料と、前記Ｃ1 層およびＣ2 層上に形成され、それぞ
れの電気伝導型と同じ電気伝導型の導電性材料層と、前
記導電性材料層上に形成された電極とを少なくとも備
え、前記多重積層構造材料部分に電圧を印加し電流を流
すことにより動作する電流注入型発光素子であって、前
記Ｂ1 層とＢ2 層およびＣ1 層とＣ2 層とはそれぞれの
一方は他方の電気伝導型とは異なり、前記Ｂ1 層とＣ1
層およびＢ2 層とＣ2 層とはそれぞれ同様の電気伝導型
を有することを特徴とする発光素子。 - 【請求項４】 直接遷移型半導体によるＡ層と、前記Ａ
層よりも小さな格子定数かつ大きな禁制帯幅を有する直
接遷移型半導体によるＢ層とが交互にＡ層をＮ層、Ｂ層
をＮ＋１層（Ｎは正の整数）積層した多重積層ＡＢ層
と、前記Ｂ層よりも大きな禁制帯幅を有する直接遷移型
半導体によるＣ1 層を前記多重積層ＡＢ層の一方の側に
形成し、前記Ｂ層よりも大きな禁制帯幅を有する直接遷
移型半導体によるＣ2 層を前記多重積層ＡＢ層の他方の
側に形成した多重積層構造材料であって、前記直接遷移
型半導体層は２種類または３種類以上の構成元素からな
り、前記直接遷移型半導体層のうち３種類以上の構成元
素からなる層のいずれかは、構成元素の１種類以上かつ
構成元素の総数未満の種類の元素を有し、かつ少なくと
も１種類は相互に異なる元素を含む複数の薄層の繰り返
し積層で形成した層を有する多重積層構造材料と、前記
Ｃ1 層およびＣ2 層上に形成され、それぞれの電気伝導
型と同じ電気伝導型を有する導電性材料層と、前記導電
性材料層上に形成された電極とを少なくとも備え、前記
多重積層構造材料部分に電圧を印加し電流を流すことに
より動作する電流注入型発光素子であって、前記Ｃ1 層
およびＣ2 層は一方が他方の電気伝導型と異なることを
特徴とする発光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22913894A JPH0897511A (ja) | 1994-09-26 | 1994-09-26 | 多層積層構造材料及び発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22913894A JPH0897511A (ja) | 1994-09-26 | 1994-09-26 | 多層積層構造材料及び発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0897511A true JPH0897511A (ja) | 1996-04-12 |
Family
ID=16887364
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22913894A Pending JPH0897511A (ja) | 1994-09-26 | 1994-09-26 | 多層積層構造材料及び発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0897511A (ja) |
-
1994
- 1994-09-26 JP JP22913894A patent/JPH0897511A/ja active Pending
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