JPH10209572A - 半導体発光素子およびその製造方法 - Google Patents
半導体発光素子およびその製造方法Info
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- JPH10209572A JPH10209572A JP825597A JP825597A JPH10209572A JP H10209572 A JPH10209572 A JP H10209572A JP 825597 A JP825597 A JP 825597A JP 825597 A JP825597 A JP 825597A JP H10209572 A JPH10209572 A JP H10209572A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 極低しきい値電流、長寿命の短波長半導体レ
ーザを提供する。 【解決手段】 基板１０１上に、ｎ−ＧａＡｓ層１０
２、ｎ−ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層１０３、ｉ−ＺｎＳ
Ｓｅ光ガイド層１０４、ＺｎＣｄＳｅ量子ドット活性領
域１０５、ｉ−ＺｎＳＳｅ光ガイド層１０６、ｐ−Ｚｎ
ＭｇＳＳｅクラッド層１０７、ｐ−ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ
超格子層１０８、ｐ−ＺｎＴｅコンタクト層１０９が順
次積層されている。ＺｎＣｄＳｅ量子ドット活性領域１
０５の大きさはボーア半径の２倍に近いために電子−正
孔間のクーロン相互作用が強く、ひとつの電子−正孔対
は直ちに励起子となる。そして２つの励起子もほぼ１０
０％励起子分子となり単独の２つの励起子に分離する確
率は極めて小さい。このように空間的に電子−正孔対を
閉じ込める作用によってわずかな励起子密度、あるいは
キャリア密度においても容易に反転分布を作り出すこと
ができる。
ーザを提供する。 【解決手段】 基板１０１上に、ｎ−ＧａＡｓ層１０
２、ｎ−ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層１０３、ｉ−ＺｎＳ
Ｓｅ光ガイド層１０４、ＺｎＣｄＳｅ量子ドット活性領
域１０５、ｉ−ＺｎＳＳｅ光ガイド層１０６、ｐ−Ｚｎ
ＭｇＳＳｅクラッド層１０７、ｐ−ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ
超格子層１０８、ｐ−ＺｎＴｅコンタクト層１０９が順
次積層されている。ＺｎＣｄＳｅ量子ドット活性領域１
０５の大きさはボーア半径の２倍に近いために電子−正
孔間のクーロン相互作用が強く、ひとつの電子−正孔対
は直ちに励起子となる。そして２つの励起子もほぼ１０
０％励起子分子となり単独の２つの励起子に分離する確
率は極めて小さい。このように空間的に電子−正孔対を
閉じ込める作用によってわずかな励起子密度、あるいは
キャリア密度においても容易に反転分布を作り出すこと
ができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光情報処理などに
用いられるＺｎＳｅ系青緑色半導体発光素子およびＧａ
Ｎ系半導体発光素子およびそれを用いた光ディスク装置
に関するものである。
用いられるＺｎＳｅ系青緑色半導体発光素子およびＧａ
Ｎ系半導体発光素子およびそれを用いた光ディスク装置
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、光情報処理分野において高密度の
光ディスク装置の需要が高まりそれに必要不可欠なピッ
クアップ用光源として、より波長の短い半導体レーザが
強く求められている。現在、既に発振波長が６３５ｎｍ
程度の半導体レーザまではＡｌＧａＩｎＰ系材料を用い
て製品レベルのものが入手可能となっている。しかしさ
らに波長の短い半導体レーザについては未だ研究レベル
であり、ＺｎＳｅ系材料による５００ｎｍ付近の発振波
長を有する青緑色レーザや、ＧａＮ系材料による４００
ｎｍの紫色半導体レーザの開発が進められている。
光ディスク装置の需要が高まりそれに必要不可欠なピッ
クアップ用光源として、より波長の短い半導体レーザが
強く求められている。現在、既に発振波長が６３５ｎｍ
程度の半導体レーザまではＡｌＧａＩｎＰ系材料を用い
て製品レベルのものが入手可能となっている。しかしさ
らに波長の短い半導体レーザについては未だ研究レベル
であり、ＺｎＳｅ系材料による５００ｎｍ付近の発振波
長を有する青緑色レーザや、ＧａＮ系材料による４００
ｎｍの紫色半導体レーザの開発が進められている。
【０００３】ＺｎＳｅ系青緑色半導体レーザは既に室温
での連続発振が実現されており、次世代の短波長半導体
レーザとして非常に有望視されている。図１３にＺｎＳ
ｅ系青緑色半導体レーザの素子断面構造図を示す。ｎ−
ＧａＡｓ基板５０１上にＭＢＥ法（分子線エピタキシー
法）により、ｎ−ＧａＡｓバッファー層５０２、ｎ−Ｚ
ｎＭｇＳＳｅ第１クラッド層５０３、ＺｎＳＳｅ第１光
ガイド層５０４、ＺｎＣｄＳｅ量子井戸活性層５０５、
ＺｎＳＳｅ第２光ガイド層５０６、ｐ−ＺｎＭｇＳＳｅ
第２クラッド層５０７、ｐ−ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子
層５０８、ｐ＋−ＺｎＴｅコンタクト層５０９が連続的
に積層されている。さらにｐ電極５１１は絶縁膜５１０
をパターニングすることによってストライプ状にｐ＋−
ＺｎＴｅコンタクト層５０９と接している。ここでｐ電
極５１１に＋、ｎ電極５１２に−の電圧を印加すると、
ＺｎＣｄＳｅ量子井戸活性層５０５に電子およびホール
が注入され、それらが放射再結合することにより光学利
得が生じ、レーザ発振を起こす。ＺｎＣｄＳｅ量子井戸
活性層５０５はバンドギャップが約２．４ｅＶあるので
それに相当した光子エネルギーの光である５００ｎｍ付
近の波長の光が放出される。
での連続発振が実現されており、次世代の短波長半導体
レーザとして非常に有望視されている。図１３にＺｎＳ
ｅ系青緑色半導体レーザの素子断面構造図を示す。ｎ−
ＧａＡｓ基板５０１上にＭＢＥ法（分子線エピタキシー
法）により、ｎ−ＧａＡｓバッファー層５０２、ｎ−Ｚ
ｎＭｇＳＳｅ第１クラッド層５０３、ＺｎＳＳｅ第１光
ガイド層５０４、ＺｎＣｄＳｅ量子井戸活性層５０５、
ＺｎＳＳｅ第２光ガイド層５０６、ｐ−ＺｎＭｇＳＳｅ
第２クラッド層５０７、ｐ−ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子
層５０８、ｐ＋−ＺｎＴｅコンタクト層５０９が連続的
に積層されている。さらにｐ電極５１１は絶縁膜５１０
をパターニングすることによってストライプ状にｐ＋−
ＺｎＴｅコンタクト層５０９と接している。ここでｐ電
極５１１に＋、ｎ電極５１２に−の電圧を印加すると、
ＺｎＣｄＳｅ量子井戸活性層５０５に電子およびホール
が注入され、それらが放射再結合することにより光学利
得が生じ、レーザ発振を起こす。ＺｎＣｄＳｅ量子井戸
活性層５０５はバンドギャップが約２．４ｅＶあるので
それに相当した光子エネルギーの光である５００ｎｍ付
近の波長の光が放出される。
【０００４】一方、ＧａＮ系紫外半導体レーザは現在、
室温パルス発振が実現されておりＺｎＳｅ系半導体レー
ザ同様次世代の短波長半導体レーザとしての開発が進め
られている。
室温パルス発振が実現されておりＺｎＳｅ系半導体レー
ザ同様次世代の短波長半導体レーザとしての開発が進め
られている。
【０００５】図１４にＧａＮ系紫外半導体レーザの素子
断面構造図を示す。サファイア基板６０１上にＭＯＶＰ
Ｅ法（有機金属気相成長法）により、ｉ−ＧａＮバッフ
ァー層６０２、ｎ−ＡｌＧａＮ第１クラッド層６０３、
ＧａＮ第１光ガイド層６０４、ＩｎＧａＮ量子井戸活性
層６０５、ＧａＮ第２光ガイド層６０６、ｐ−ＡｌＧａ
Ｎ第２クラッド層６０７、ｐ−ＧａＮコンタクト層６０
９が連続的に積層されている。さらにｐ電極６１１は絶
縁膜６１０をパターニングすることによってストライプ
状にｐ−ＧａＮコンタクト層６０９と接している。また
ドライエッチングによりここでｐ電極６１１に＋、ｎ電
極６１２に−の電圧を印加すると、ＩｎＧａＮｅ量子井
戸活性層６０５に電子およびホールが注入され、それら
が放射再結合することにより光学利得が生じ、レーザ発
振を起こす。ＩｎＧａＮ量子井戸活性層６０５はバンド
ギャップが約３．２ｅＶあるのでそれに相当した光子エ
ネルギーの光である４００ｎｍ付近の波長の光が放出さ
れる。
断面構造図を示す。サファイア基板６０１上にＭＯＶＰ
Ｅ法（有機金属気相成長法）により、ｉ−ＧａＮバッフ
ァー層６０２、ｎ−ＡｌＧａＮ第１クラッド層６０３、
ＧａＮ第１光ガイド層６０４、ＩｎＧａＮ量子井戸活性
層６０５、ＧａＮ第２光ガイド層６０６、ｐ−ＡｌＧａ
Ｎ第２クラッド層６０７、ｐ−ＧａＮコンタクト層６０
９が連続的に積層されている。さらにｐ電極６１１は絶
縁膜６１０をパターニングすることによってストライプ
状にｐ−ＧａＮコンタクト層６０９と接している。また
ドライエッチングによりここでｐ電極６１１に＋、ｎ電
極６１２に−の電圧を印加すると、ＩｎＧａＮｅ量子井
戸活性層６０５に電子およびホールが注入され、それら
が放射再結合することにより光学利得が生じ、レーザ発
振を起こす。ＩｎＧａＮ量子井戸活性層６０５はバンド
ギャップが約３．２ｅＶあるのでそれに相当した光子エ
ネルギーの光である４００ｎｍ付近の波長の光が放出さ
れる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら前記Ｚｎ
Ｓｅ系青緑色半導体レーザに用いられるＩＩ−ＶＩ族半
導体は本質的に構成原子であるＺｎやＭｇ等のＩＩ族原
子とＳやＳｅ等のＶＩ族原子がイオン性結合により結合
しているため、結合エネルギーが小さく結晶が不安定と
なる。半導体レーザは１ｋＡ／ｃｍ2程度の非常に高い
電流密度で動作させるため、結晶の不安定性により一般
のＩＩＩ−Ｖ族半導体から成る半導体レーザと比較して
素子の寿命が短くなるという大きな問題点を有してい
る。
Ｓｅ系青緑色半導体レーザに用いられるＩＩ−ＶＩ族半
導体は本質的に構成原子であるＺｎやＭｇ等のＩＩ族原
子とＳやＳｅ等のＶＩ族原子がイオン性結合により結合
しているため、結合エネルギーが小さく結晶が不安定と
なる。半導体レーザは１ｋＡ／ｃｍ2程度の非常に高い
電流密度で動作させるため、結晶の不安定性により一般
のＩＩＩ−Ｖ族半導体から成る半導体レーザと比較して
素子の寿命が短くなるという大きな問題点を有してい
る。
【０００７】またＧａＮ系半導体レーザに関しては、共
有結合であるＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いているためＺｎ
Ｓｅ系のような結晶の不安定性はないが、しきい値電流
密度や動作電圧が高く室温以上での連続発振が困難であ
る。したがってＧａＮ系半導体レーザにおいてもしきい
値電流密度を低減させることが実用化において不可欠で
ある。
有結合であるＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いているためＺｎ
Ｓｅ系のような結晶の不安定性はないが、しきい値電流
密度や動作電圧が高く室温以上での連続発振が困難であ
る。したがってＧａＮ系半導体レーザにおいてもしきい
値電流密度を低減させることが実用化において不可欠で
ある。
【０００８】素子の寿命は動作させる電流密度に大きく
依存するため素子構造の工夫などによりしきい値電流を
低減させる試みが行われているが、伝導帯と価電子帯間
での反転分布による誘導放出を利用してレーザを動作さ
せる以上、大幅なしきい値電流の低減は理論的にも不可
能である。
依存するため素子構造の工夫などによりしきい値電流を
低減させる試みが行われているが、伝導帯と価電子帯間
での反転分布による誘導放出を利用してレーザを動作さ
せる以上、大幅なしきい値電流の低減は理論的にも不可
能である。
【０００９】一般に半導体レーザは、活性層中の伝導帯
−価電子帯間の反転分布によって生ずる誘導放出を光学
利得として用い、レーザ発振動作を実現している。すな
わち電子と正孔を活性層に注入し、電子の基底状態であ
る価電子帯に存在する電子よりも励起状態である伝導帯
に存在する電子の数が多い状態を作りだし、レーザ動作
を生じさせている。
−価電子帯間の反転分布によって生ずる誘導放出を光学
利得として用い、レーザ発振動作を実現している。すな
わち電子と正孔を活性層に注入し、電子の基底状態であ
る価電子帯に存在する電子よりも励起状態である伝導帯
に存在する電子の数が多い状態を作りだし、レーザ動作
を生じさせている。
【００１０】しかしながら反転分布には５×１０12ｃｍ
-2以上の非常に高いキャリア密度を要する。伝導帯およ
び価電子帯はエネルギー幅を有する帯であるためであ
る。図１５に量子井戸中の伝導帯および価電子帯の状態
密度と各々のバンドに存在するキャリアのエネルギー分
布を示す。伝導帯下端および価電子帯上端において反転
分布が形成されるだけのキャリアを注入したときに図１
５のようにキャリアはバンド端のみならず、フェルミー
ディラック分布に従い広いエネルギー範囲に分布する。
したがってこれら全てを足し合わせたトータルのキャリ
ア密度は前述のように非常に高い値となっているわけで
ある。このような反転分布下においてレーザ発振に必要
な光学利得に寄与するのは各々のバンド端近傍のキャリ
アのみであるが、自然放出による再結合電流は全てのキ
ャリアである。この結果、以上のような伝導帯−価電子
帯間の反転分布を用いる限り、比較的高いしきい値電流
密度というものを避けることは不可能である。
-2以上の非常に高いキャリア密度を要する。伝導帯およ
び価電子帯はエネルギー幅を有する帯であるためであ
る。図１５に量子井戸中の伝導帯および価電子帯の状態
密度と各々のバンドに存在するキャリアのエネルギー分
布を示す。伝導帯下端および価電子帯上端において反転
分布が形成されるだけのキャリアを注入したときに図１
５のようにキャリアはバンド端のみならず、フェルミー
ディラック分布に従い広いエネルギー範囲に分布する。
したがってこれら全てを足し合わせたトータルのキャリ
ア密度は前述のように非常に高い値となっているわけで
ある。このような反転分布下においてレーザ発振に必要
な光学利得に寄与するのは各々のバンド端近傍のキャリ
アのみであるが、自然放出による再結合電流は全てのキ
ャリアである。この結果、以上のような伝導帯−価電子
帯間の反転分布を用いる限り、比較的高いしきい値電流
密度というものを避けることは不可能である。
【００１１】近年、この伝導帯−価電子帯間の反転分布
に代わり、図１６に示すような励起子分子−励起子状態
間の反転分布をレーザ発振に利用することが提案されて
いる。
に代わり、図１６に示すような励起子分子−励起子状態
間の反転分布をレーザ発振に利用することが提案されて
いる。
【００１２】電子−正孔対が存在しない状態を基底状態
Ａ、電子、正孔が互いにクーロン力によって結びついた
励起子状態Ｂ、そしてスピンの異なる二つの励起子が結
びついた励起子分子状態Ｃは図１６のようなエネルギー
の関係にある。基底状態Ａのエネルギーをゼロとすると
励起子分子のエネルギーＥＣは、励起子のエネルギーＥ
Ｂの２倍よりＤだけ小さい値、すなわち２ＥＢ−Ｄとな
る。Ｄは励起子分子の結合エネルギーである。そして励
起子分子と励起子の間の遷移によってＥＢ−Ｄのエネル
ギーの光を放出する。
Ａ、電子、正孔が互いにクーロン力によって結びついた
励起子状態Ｂ、そしてスピンの異なる二つの励起子が結
びついた励起子分子状態Ｃは図１６のようなエネルギー
の関係にある。基底状態Ａのエネルギーをゼロとすると
励起子分子のエネルギーＥＣは、励起子のエネルギーＥ
Ｂの２倍よりＤだけ小さい値、すなわち２ＥＢ−Ｄとな
る。Ｄは励起子分子の結合エネルギーである。そして励
起子分子と励起子の間の遷移によってＥＢ−Ｄのエネル
ギーの光を放出する。
【００１３】図１６には各状態のエネルギーを線で表し
ているが、励起子分子や励起子の状態はエネルギー的な
広がりは極めて小さくディスクリートなエネルギー状態
と考えて差し支えない。したがって伝導帯や価電子帯の
ように広いエネルギー範囲にわたって分布する不要なキ
ャリアは存在しない。しかも励起子分子−励起子間の遷
移を考えた場合、励起子状態が新たに基底状態となるが
この基底状態の密度は活性領域に注入する電子、正孔の
密度に依存するものであり伝導帯や価電子帯のように状
態密度という材料によって決まった値ではなく、工夫次
第ではいくらでも反転分布を生ずるキャリア密度を低減
できる可能性を有している。
ているが、励起子分子や励起子の状態はエネルギー的な
広がりは極めて小さくディスクリートなエネルギー状態
と考えて差し支えない。したがって伝導帯や価電子帯の
ように広いエネルギー範囲にわたって分布する不要なキ
ャリアは存在しない。しかも励起子分子−励起子間の遷
移を考えた場合、励起子状態が新たに基底状態となるが
この基底状態の密度は活性領域に注入する電子、正孔の
密度に依存するものであり伝導帯や価電子帯のように状
態密度という材料によって決まった値ではなく、工夫次
第ではいくらでも反転分布を生ずるキャリア密度を低減
できる可能性を有している。
【００１４】ただし、室温以上で励起子分子−励起子間
の反転分布を実現するのでは容易ではない。この状態を
実現するための第１の条件は、室温以上で熱的に励起子
が独立した電子−正孔対に分解しないだけの強い結合エ
ネルギーを持っていること、第２の条件は同じく室温以
上で熱的に励起子分子が２つの励起子に分解しないだけ
の強い結合エネルギーを持っていること、そして第３の
条件は励起子間の距離が比較的近く２つの励起子が結合
して励起子分子を作る割合が高いことである。
の反転分布を実現するのでは容易ではない。この状態を
実現するための第１の条件は、室温以上で熱的に励起子
が独立した電子−正孔対に分解しないだけの強い結合エ
ネルギーを持っていること、第２の条件は同じく室温以
上で熱的に励起子分子が２つの励起子に分解しないだけ
の強い結合エネルギーを持っていること、そして第３の
条件は励起子間の距離が比較的近く２つの励起子が結合
して励起子分子を作る割合が高いことである。
【００１５】第１、第２の条件はＺｎＳｅ系やＧａＮ系
のワイドギャップ半導体材料に量子井戸構造を適用する
ことで実現できることが知られている。一方第３の条件
は量子井戸を用いても励起子密度を１０12ｃｍ-2程度ま
で高めないと実現できないことが既に理論的に明らかと
されている。しかし１０12ｃｍ-2程度の励起子密度を得
ることは不可能である。この密度の励起子を得るために
はそれと同等以上の電子−正孔対を量子井戸に注入しな
ければならないが、この場合本来クーロン力によって結
合して励起子をつくるべき電子−正孔対に他の電子や正
孔が近接しすぎそのクーロン力を遮断する、いわゆるス
クリーニングが起こり、励起子の生成を妨げるからであ
る。
のワイドギャップ半導体材料に量子井戸構造を適用する
ことで実現できることが知られている。一方第３の条件
は量子井戸を用いても励起子密度を１０12ｃｍ-2程度ま
で高めないと実現できないことが既に理論的に明らかと
されている。しかし１０12ｃｍ-2程度の励起子密度を得
ることは不可能である。この密度の励起子を得るために
はそれと同等以上の電子−正孔対を量子井戸に注入しな
ければならないが、この場合本来クーロン力によって結
合して励起子をつくるべき電子−正孔対に他の電子や正
孔が近接しすぎそのクーロン力を遮断する、いわゆるス
クリーニングが起こり、励起子の生成を妨げるからであ
る。
【００１６】以上のように従来から用いられている量子
井戸を活性層とする半導体レーザでは、室温以上での励
起子分子−励起子間の反転分布を実現することができな
い。
井戸を活性層とする半導体レーザでは、室温以上での励
起子分子−励起子間の反転分布を実現することができな
い。
【００１７】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、室温以上での励起子分子−励起子間の反転分布を
利用した半導体発光素子を実現し、低いしきい値電流密
度とともに実用十分な短波長半導体発光素子を実現する
ものである。
あり、室温以上での励起子分子−励起子間の反転分布を
利用した半導体発光素子を実現し、低いしきい値電流密
度とともに実用十分な短波長半導体発光素子を実現する
ものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、３次元のキャリア閉じこめ構造を用いて室温以上
での活性層中での励起子分子と励起子との状態間での反
転分布を可能とし、低しきい値電流密度、低動作電圧、
長寿命の短波長半導体レーザを提供する。
めに、３次元のキャリア閉じこめ構造を用いて室温以上
での活性層中での励起子分子と励起子との状態間での反
転分布を可能とし、低しきい値電流密度、低動作電圧、
長寿命の短波長半導体レーザを提供する。
【００１９】具体的には、室温以上の温度で活性領域に
おいて複数の励起子が存在可能であり、前記活性領域で
励起子間の距離をボーア半径の１０倍以下に近接させる
機能を備えた半導体発光素子とする。
おいて複数の励起子が存在可能であり、前記活性領域で
励起子間の距離をボーア半径の１０倍以下に近接させる
機能を備えた半導体発光素子とする。
【００２０】
（実施の形態１）以下、この発明の実施例を図面を参照
しながら説明する。
しながら説明する。
【００２１】図１に第１の発明による青緑色半導体レー
ザの構造図を示す。ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−
ＧａＡｓバッファー層１０２、ｎ−ＺｎＭｇＳＳｅ第１
クラッド層１０３、ｉ−ＺｎＳＳｅ第１光ガイド層１０
４、ＺｎＣｄＳｅ量子ドット活性領域１０５、ｉ−Ｚｎ
ＳＳｅ第２光ガイド層１０６、ｐ−ＺｎＭｇＳＳｅ第２
クラッド層１０７、ｐ−ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子層１
０８、ｐ−ＺｎＴｅコンタクト層１０９が順次積層され
ている。
ザの構造図を示す。ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−
ＧａＡｓバッファー層１０２、ｎ−ＺｎＭｇＳＳｅ第１
クラッド層１０３、ｉ−ＺｎＳＳｅ第１光ガイド層１０
４、ＺｎＣｄＳｅ量子ドット活性領域１０５、ｉ−Ｚｎ
ＳＳｅ第２光ガイド層１０６、ｐ−ＺｎＭｇＳＳｅ第２
クラッド層１０７、ｐ−ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子層１
０８、ｐ−ＺｎＴｅコンタクト層１０９が順次積層され
ている。
【００２２】さらにストライプ状に加工されたｐ−Ｚｎ
Ｓｅ／ＺｎＴｅ超格子層１０８およびｐ−ＺｎＴｅコン
タクト層１０９の両側に絶縁膜１１０、そして素子上部
および下部に電流注入のためのｐ電極１１１、ｎ電極１
１２が形成されている。ＺｎＣｄＳｅ量子ドット活性領
域１０５は図１に示すように例えば直径が５ｎｍ、高さ
が２ｎｍで成長面１１３に占める割合を１％とする。
Ｓｅ／ＺｎＴｅ超格子層１０８およびｐ−ＺｎＴｅコン
タクト層１０９の両側に絶縁膜１１０、そして素子上部
および下部に電流注入のためのｐ電極１１１、ｎ電極１
１２が形成されている。ＺｎＣｄＳｅ量子ドット活性領
域１０５は図１に示すように例えば直径が５ｎｍ、高さ
が２ｎｍで成長面１１３に占める割合を１％とする。
【００２３】このときの活性領域を含む面内のエネルギ
ーバンドギャップの分布を図２に示すが、ＺｎＣｄＳｅ
量子ドット活性領域１０５はその周囲を囲むｉ−ＺｎＳ
Ｓｅ第２光ガイド層１０６よりも約４００ｍｅＶバンド
ギャップが小さいのでそこに注入された電子−正孔対は
ＺｎＣｄＳｅ量子ドット活性領域１０５に閉じ込められ
る。しかもＺｎＣｄＳｅ量子ドット活性領域１０５の大
きさはボーア半径の２倍に近いために電子−正孔間のク
ーロン相互作用が強く、ひとつの電子−正孔対は直ちに
励起子となる。そして２つの励起子もほぼ１００％励起
子分子となり単独の２つの励起子に分離する確率は極め
て小さい。
ーバンドギャップの分布を図２に示すが、ＺｎＣｄＳｅ
量子ドット活性領域１０５はその周囲を囲むｉ−ＺｎＳ
Ｓｅ第２光ガイド層１０６よりも約４００ｍｅＶバンド
ギャップが小さいのでそこに注入された電子−正孔対は
ＺｎＣｄＳｅ量子ドット活性領域１０５に閉じ込められ
る。しかもＺｎＣｄＳｅ量子ドット活性領域１０５の大
きさはボーア半径の２倍に近いために電子−正孔間のク
ーロン相互作用が強く、ひとつの電子−正孔対は直ちに
励起子となる。そして２つの励起子もほぼ１００％励起
子分子となり単独の２つの励起子に分離する確率は極め
て小さい。
【００２４】この場合の反転分布に必要なキャリア密度
は面内での平均に換算して５×１０ 10ｃｍ-2程度であ
る。
は面内での平均に換算して５×１０ 10ｃｍ-2程度であ
る。
【００２５】図３に励起子密度に対する励起子分子−励
起子間遷移に基づく光学利得特性を示す。励起子が存在
しないときは当然利得も光吸収も生じない。ＺｎＣｄＳ
ｅ量子ドット活性領域１０５に１対の電子−正孔が注入
されると利得は負となり光吸収を生じるようになる。
起子間遷移に基づく光学利得特性を示す。励起子が存在
しないときは当然利得も光吸収も生じない。ＺｎＣｄＳ
ｅ量子ドット活性領域１０５に１対の電子−正孔が注入
されると利得は負となり光吸収を生じるようになる。
【００２６】１対の電子−正孔だけでは励起子分子を作
ることはできず、光吸収によりもう１つの励起子がで
き、最初の１対とともに初めて励起子分子を作るためで
ある。しかしＺｎＣｄＳｅ量子ドット活性領域１０５に
２対目の電子−正孔対が注入され始めると励起子分子と
なるために反転分布となり光学利得曲線は図３のように
正に反転し、励起子分子の増加とともに利得が増大して
いく。
ることはできず、光吸収によりもう１つの励起子がで
き、最初の１対とともに初めて励起子分子を作るためで
ある。しかしＺｎＣｄＳｅ量子ドット活性領域１０５に
２対目の電子−正孔対が注入され始めると励起子分子と
なるために反転分布となり光学利得曲線は図３のように
正に反転し、励起子分子の増加とともに利得が増大して
いく。
【００２７】レーザ発振に必要な光学利得を１００ｃｍ
-1と仮定すると、しきい値でのキャリア密度は５×１０
10ｃｍ-2であり、一般の半導体レーザと比べると１／１
００程度である。
-1と仮定すると、しきい値でのキャリア密度は５×１０
10ｃｍ-2であり、一般の半導体レーザと比べると１／１
００程度である。
【００２８】図４には再結合電流に対する光学利得特性
を示す。電子−正孔対に比べ、励起子の寿命は短いもの
のしきい値電流密度は約２０Ａ／ｃｍ2と非常に低い値
を見積もるこができる。一般の半導体レーザのしきい値
電流密度の１／２０−１／１００に相当する値であり発
光ダイオードに匹敵する。ストライプ幅５ｍｍ、共振器
長５００ｍｍの標準的なレーザ構造を仮定すると、しき
い値電流はわずか０．５ｍＡである。ＺｎＳｅ系青緑色
半導体レーザの素子寿命は動作電流に大きく依存するの
で本素子は寿命の点でも３桁程度の向上が期待できる。
を示す。電子−正孔対に比べ、励起子の寿命は短いもの
のしきい値電流密度は約２０Ａ／ｃｍ2と非常に低い値
を見積もるこができる。一般の半導体レーザのしきい値
電流密度の１／２０−１／１００に相当する値であり発
光ダイオードに匹敵する。ストライプ幅５ｍｍ、共振器
長５００ｍｍの標準的なレーザ構造を仮定すると、しき
い値電流はわずか０．５ｍＡである。ＺｎＳｅ系青緑色
半導体レーザの素子寿命は動作電流に大きく依存するの
で本素子は寿命の点でも３桁程度の向上が期待できる。
【００２９】本実施例ではＺｎＣｄＳｅ量子ドット活性
領域１０５の大きさを直径が５ｎｍとボーア半径の２倍
程度の理想的な場合を取り上げておりこのとき最も容易
に反転分布を作り出すことができるが、何らかの理由に
よりドットのサイズが数倍大きくなったとしても、図１
３に挙げた従来の量子井戸活性層よりも、励起子の局在
化による励起子分子の生成確率を高めることが可能であ
る。
領域１０５の大きさを直径が５ｎｍとボーア半径の２倍
程度の理想的な場合を取り上げておりこのとき最も容易
に反転分布を作り出すことができるが、何らかの理由に
よりドットのサイズが数倍大きくなったとしても、図１
３に挙げた従来の量子井戸活性層よりも、励起子の局在
化による励起子分子の生成確率を高めることが可能であ
る。
【００３０】引き続き図５に本発明の青緑色半導体レー
ザの製造方法を示す。有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ
法）によりｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−ＧａＡｓ
バッファー層１０２、ｎ−ＺｎＭｇＳＳｅ第１クラッド
層１０３、ｉ−ＺｎＳＳｅ第１光ガイド層１０４を例え
ば基板温度４００℃で成長する。次に一旦成長を中断
し、基板温度を６００℃に昇温した後ＺｎＣｄＳｅを
０．８原子層成長するのに相当する原料原子を供給す
る。この基板温度では原子のマイグレーションが大き
く、しかもＺｎＣｄＳｅはｎ−ＧａＡｓ基板１０１との
格子不整合率が１．５％と大きいために、層状の結晶は
堆積せず、図５（ｂ）のようにほぼ大きさのそろったド
ット状のＺｎＣｄＳｅ量子ドット活性領域１０５が自己
組織的に形成される。
ザの製造方法を示す。有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ
法）によりｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ−ＧａＡｓ
バッファー層１０２、ｎ−ＺｎＭｇＳＳｅ第１クラッド
層１０３、ｉ−ＺｎＳＳｅ第１光ガイド層１０４を例え
ば基板温度４００℃で成長する。次に一旦成長を中断
し、基板温度を６００℃に昇温した後ＺｎＣｄＳｅを
０．８原子層成長するのに相当する原料原子を供給す
る。この基板温度では原子のマイグレーションが大き
く、しかもＺｎＣｄＳｅはｎ−ＧａＡｓ基板１０１との
格子不整合率が１．５％と大きいために、層状の結晶は
堆積せず、図５（ｂ）のようにほぼ大きさのそろったド
ット状のＺｎＣｄＳｅ量子ドット活性領域１０５が自己
組織的に形成される。
【００３１】ドットの大きさはこの場合、直径が５ｎ
ｍ、高さが２ｎｍ程度、被覆率は約１％であるが、これ
らはＺｎＣｄＳｅの組成、基板温度、原料の供給量等の
条件によって可変できる。ここで再び基板温度を４００
℃に下げた後、ｉ−ＺｎＳＳｅ第２光ガイド層１０６を
成長し、第１の結晶成長は完了する。
ｍ、高さが２ｎｍ程度、被覆率は約１％であるが、これ
らはＺｎＣｄＳｅの組成、基板温度、原料の供給量等の
条件によって可変できる。ここで再び基板温度を４００
℃に下げた後、ｉ−ＺｎＳＳｅ第２光ガイド層１０６を
成長し、第１の結晶成長は完了する。
【００３２】次に基板を分子線エピタキシー（ＭＢＥ）
装置に移し、基板温度３００℃でｐ−ＺｎＭｇＳＳｅ第
２クラッド層１０７、ｐ−ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子層
１０８、ｐ−ＺｎＴｅコンタクト層１０９を成長する。
その後結晶基板を取り出し、ストライプエッチング、絶
縁膜１１０の堆積、ｐ電極１１１およびｎ電極１１２の
形成を行って本素子の作製がすべて完了する。
装置に移し、基板温度３００℃でｐ−ＺｎＭｇＳＳｅ第
２クラッド層１０７、ｐ−ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子層
１０８、ｐ−ＺｎＴｅコンタクト層１０９を成長する。
その後結晶基板を取り出し、ストライプエッチング、絶
縁膜１１０の堆積、ｐ電極１１１およびｎ電極１１２の
形成を行って本素子の作製がすべて完了する。
【００３３】本製造方法では結晶成長を２回に分け、第
１の成長ではＭＯＶＰＥ法を用い、量子ドットの自己組
織的形成を可能とし、第２の成長においては、低抵抗の
ｐ型ドーピングをＭＢＥ法におけるＮラジカルドーピン
グにより実現したものである。
１の成長ではＭＯＶＰＥ法を用い、量子ドットの自己組
織的形成を可能とし、第２の成長においては、低抵抗の
ｐ型ドーピングをＭＢＥ法におけるＮラジカルドーピン
グにより実現したものである。
【００３４】以上のように本発明では３次元の量子閉じ
込めを利用して室温以上においても励起子分子−励起子
の状態間での反転分布を可能とし、極低動作電流、長寿
命の青緑色半導体レーザを実現できる。
込めを利用して室温以上においても励起子分子−励起子
の状態間での反転分布を可能とし、極低動作電流、長寿
命の青緑色半導体レーザを実現できる。
【００３５】なお、本発明はＺｎＳｅ系半導体レーザに
ついて述べたが例えばＧａＮ系等励起子の結合エネルギ
ーが大きく、室温以上で励起子が安定して存在しうる材
料においても適用が可能であることは言うまでもない。
ついて述べたが例えばＧａＮ系等励起子の結合エネルギ
ーが大きく、室温以上で励起子が安定して存在しうる材
料においても適用が可能であることは言うまでもない。
【００３６】（実施の形態２）図６に第２の発明による
青緑色半導体レーザの構造図を示す。
青緑色半導体レーザの構造図を示す。
【００３７】ｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ−ＧａＡ
ｓバッファー層２０２、ｎ−ＺｎＭｇＳＳｅ第１クラッ
ド層２０３、ｉ−ＺｎＳＳｅ第１光ガイド層２０４、Ｚ
ｎＣｄＳｅ量子井戸活性層２０５、ｉ−ＺｎＳＳｅ第２
光ガイド層２０６、ｉ−ＺｎＭｇＳｅ歪導入ドット領域
２１３、ｐ−ＺｎＭｇＳＳｅ第２クラッド層２０７、ｐ
−ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子層２０８、ｐ−ＺｎＴｅコ
ンタクト層２０９が順次積層されている。
ｓバッファー層２０２、ｎ−ＺｎＭｇＳＳｅ第１クラッ
ド層２０３、ｉ−ＺｎＳＳｅ第１光ガイド層２０４、Ｚ
ｎＣｄＳｅ量子井戸活性層２０５、ｉ−ＺｎＳＳｅ第２
光ガイド層２０６、ｉ−ＺｎＭｇＳｅ歪導入ドット領域
２１３、ｐ−ＺｎＭｇＳＳｅ第２クラッド層２０７、ｐ
−ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子層２０８、ｐ−ＺｎＴｅコ
ンタクト層２０９が順次積層されている。
【００３８】さらにストライプ状に加工されたｐ−Ｚｎ
Ｓｅ／ＺｎＴｅ超格子層２０８およびｐ−ＺｎＴｅコン
タクト層２０９の両側に絶縁膜２１０、そして素子上部
および下部に電流注入のためのｐ電極２１１、ｎ電極２
１２が形成されている。
Ｓｅ／ＺｎＴｅ超格子層２０８およびｐ−ＺｎＴｅコン
タクト層２０９の両側に絶縁膜２１０、そして素子上部
および下部に電流注入のためのｐ電極２１１、ｎ電極２
１２が形成されている。
【００３９】ＺｎＣｄＳｅ量子活性層２０５の膜厚は５
ｎｍである。またｉ−ＺｎＭｇＳｅドット領域２１３は
図６に示すように例えば直径が２０ｎｍ、高さが８ｎｍ
とする。ＺｎＣｄＳｅ量子井戸活性層２０５はその上に
位置するｉ−ＺｎＭｇＳｅ歪導入ドット領域２１３から
の歪の影響を受ける。
ｎｍである。またｉ−ＺｎＭｇＳｅドット領域２１３は
図６に示すように例えば直径が２０ｎｍ、高さが８ｎｍ
とする。ＺｎＣｄＳｅ量子井戸活性層２０５はその上に
位置するｉ−ＺｎＭｇＳｅ歪導入ドット領域２１３から
の歪の影響を受ける。
【００４０】本来、ＺｎＣｄＳｅ量子井戸活性層２０５
にはｎ−ＧａＡｓ基板２０１との格子定数の違いにより
面内に１．５％の圧縮歪みが存在する。さらにｉ−Ｚｎ
ＭｇＳｅ歪導入ドット領域２１３は格子定数差から見積
もると約３％の圧縮歪となる。しかし実際には周囲の結
晶を膨張させ、ｉ−ＺｎＭｇＳｅ歪導入ドット領域２１
３自体の歪みは少し緩和している。
にはｎ−ＧａＡｓ基板２０１との格子定数の違いにより
面内に１．５％の圧縮歪みが存在する。さらにｉ−Ｚｎ
ＭｇＳｅ歪導入ドット領域２１３は格子定数差から見積
もると約３％の圧縮歪となる。しかし実際には周囲の結
晶を膨張させ、ｉ−ＺｎＭｇＳｅ歪導入ドット領域２１
３自体の歪みは少し緩和している。
【００４１】したがってｉ−ＺｎＭｇＳｅ歪導入ドット
領域２１４の直下のＺｎＣｄＳｅ量子井戸活性層２０５
では元々の圧縮歪１．５％より小さくなり、ｉ−ＺｎＳ
Ｓｅ第２光ガイド層２０６の膜厚を例えば１００ｎｍと
すると、最小０．５％ぐらいになっている。このときの
ＺｎＣｄＳｅ量子井戸活性層２０５面内でのエネルギー
バンドギャップの分布を図７に示すが、ｉ−ＺｎＭｇＳ
ｅ歪導入ドット領域２１４の下に歪量の違いにより深さ
１００ｍｅＶのポテンシャル井戸が形成されている。
領域２１４の直下のＺｎＣｄＳｅ量子井戸活性層２０５
では元々の圧縮歪１．５％より小さくなり、ｉ−ＺｎＳ
Ｓｅ第２光ガイド層２０６の膜厚を例えば１００ｎｍと
すると、最小０．５％ぐらいになっている。このときの
ＺｎＣｄＳｅ量子井戸活性層２０５面内でのエネルギー
バンドギャップの分布を図７に示すが、ｉ−ＺｎＭｇＳ
ｅ歪導入ドット領域２１４の下に歪量の違いにより深さ
１００ｍｅＶのポテンシャル井戸が形成されている。
【００４２】ここに電子−正孔対は閉じこめられる。し
かもｉ−ＺｎＭｇＳｅ歪導入ドット領域２１３の大きさ
はボーア半径の２倍に近いためにポテンシャル井戸内で
の電子−正孔間のクーロン相互作用が強く、ひとつの電
子−正孔対は直ちに励起子となる。そして２つの励起子
もほぼ１００％励起子分子となり単独の２つの励起子に
分離する確率は極めて小さい。この結果、実施の形態１
で述べた半導体レーザと同様に励起子密度、あるいはキ
ャリア密度においても容易に反転分布が実現できるので
極低しきい値電流の良好な特性が容易に得られる。
かもｉ−ＺｎＭｇＳｅ歪導入ドット領域２１３の大きさ
はボーア半径の２倍に近いためにポテンシャル井戸内で
の電子−正孔間のクーロン相互作用が強く、ひとつの電
子−正孔対は直ちに励起子となる。そして２つの励起子
もほぼ１００％励起子分子となり単独の２つの励起子に
分離する確率は極めて小さい。この結果、実施の形態１
で述べた半導体レーザと同様に励起子密度、あるいはキ
ャリア密度においても容易に反転分布が実現できるので
極低しきい値電流の良好な特性が容易に得られる。
【００４３】本実施例ではｉ−ＺｎＭｇＳｅ歪導入ドッ
ト領域２１４の大きさを直径が５ｎｍとボーア半径の数
倍程度の理想的な場合を取り上げておりこのとき最も容
易に反転分布を作り出すことができるが、何らかの理由
によりドットのサイズがさらに数倍大きくなったとして
も、図１３に挙げた従来の量子井戸活性層よりも、励起
子の局在化による励起子分子の生成確率を高めることが
可能である。
ト領域２１４の大きさを直径が５ｎｍとボーア半径の数
倍程度の理想的な場合を取り上げておりこのとき最も容
易に反転分布を作り出すことができるが、何らかの理由
によりドットのサイズがさらに数倍大きくなったとして
も、図１３に挙げた従来の量子井戸活性層よりも、励起
子の局在化による励起子分子の生成確率を高めることが
可能である。
【００４４】引き続き図８に本発明の青緑色半導体レー
ザの製造方法を示す。有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ
法）によりｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ−ＧａＡｓ
バッファー層２０２、ｎ−ＺｎＭｇＳＳｅ第１クラッド
層２０３、ｉ−ＺｎＳＳｅ第１光ガイド層２０４、Ｚｎ
ＣｄＳｅ量子井戸活性層２０５、ｉ−ＺｎＳＳｅ第２光
ガイド層２０６を例えば基板温度４００℃で成長する。
次に一旦成長を中断し、基板温度を６００℃に昇温した
後ＺｎＭｇＳｅを３．２原子層成長するのに相当する原
料原子を供給する。この基板温度では原子のマイグレー
ションが大きく、しかもＺｎＭｇＳｅはｎ−ＧａＡｓ基
板１０１との格子不整合率が３％と大きいために、層状
の結晶は堆積せず、図８（ｂ）のようにほぼ大きさのそ
ろったドット状のｉ−ＺｎＭｇＳｅ歪導入ドット領域２
１３が自己組織的に形成される。
ザの製造方法を示す。有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ
法）によりｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に、ｎ−ＧａＡｓ
バッファー層２０２、ｎ−ＺｎＭｇＳＳｅ第１クラッド
層２０３、ｉ−ＺｎＳＳｅ第１光ガイド層２０４、Ｚｎ
ＣｄＳｅ量子井戸活性層２０５、ｉ−ＺｎＳＳｅ第２光
ガイド層２０６を例えば基板温度４００℃で成長する。
次に一旦成長を中断し、基板温度を６００℃に昇温した
後ＺｎＭｇＳｅを３．２原子層成長するのに相当する原
料原子を供給する。この基板温度では原子のマイグレー
ションが大きく、しかもＺｎＭｇＳｅはｎ−ＧａＡｓ基
板１０１との格子不整合率が３％と大きいために、層状
の結晶は堆積せず、図８（ｂ）のようにほぼ大きさのそ
ろったドット状のｉ−ＺｎＭｇＳｅ歪導入ドット領域２
１３が自己組織的に形成される。
【００４５】ドットの大きさはこの場合、直径が５ｎ
ｍ、高さが２ｎｍ程度、被覆率は約１％であるが、これ
らはＺｎＭｇＳｅの組成、基板温度、原料の供給量等の
条件によって可変できる。次に基板を分子線エピタキシ
ー（ＭＢＥ）装置に移し、基板温度３００℃でｐ−Ｚｎ
ＭｇＳＳｅ第２クラッド層２０７、ｐ−ＺｎＳｅ／Ｚｎ
Ｔｅ超格子層２０８、ｐ−ＺｎＴｅコンタクト層２０９
を成長する。その後結晶基板を取り出し、ストライプエ
ッチング、絶縁膜２１０の堆積、ｐ電極２１１およびｎ
電極２１２の形成を行って本素子の作製がすべて完了す
る。
ｍ、高さが２ｎｍ程度、被覆率は約１％であるが、これ
らはＺｎＭｇＳｅの組成、基板温度、原料の供給量等の
条件によって可変できる。次に基板を分子線エピタキシ
ー（ＭＢＥ）装置に移し、基板温度３００℃でｐ−Ｚｎ
ＭｇＳＳｅ第２クラッド層２０７、ｐ−ＺｎＳｅ／Ｚｎ
Ｔｅ超格子層２０８、ｐ−ＺｎＴｅコンタクト層２０９
を成長する。その後結晶基板を取り出し、ストライプエ
ッチング、絶縁膜２１０の堆積、ｐ電極２１１およびｎ
電極２１２の形成を行って本素子の作製がすべて完了す
る。
【００４６】本製造方法では結晶成長を２回に分け、第
１の成長ではＭＯＶＰＥ法を用い、量子ドットの自己組
織的形成を可能とし、第２の成長においては低抵抗のｐ
型ドーピングをＭＢＥ法におけるＮラジカルドーピング
により実現したものである。
１の成長ではＭＯＶＰＥ法を用い、量子ドットの自己組
織的形成を可能とし、第２の成長においては低抵抗のｐ
型ドーピングをＭＢＥ法におけるＮラジカルドーピング
により実現したものである。
【００４７】以上のように本発明では３次元のキャリア
閉じ込めを利用して室温以上においても励起子分子−励
起子の状態間での反転分布を可能とし、極低動作電流、
長寿命の青緑色半導体レーザを実現できる。
閉じ込めを利用して室温以上においても励起子分子−励
起子の状態間での反転分布を可能とし、極低動作電流、
長寿命の青緑色半導体レーザを実現できる。
【００４８】なお、本発明はＺｎＳｅ半導体レーザにつ
いて述べたが例えばＧａＮ系等励起子の結合エネルギー
が大きく、室温以上で励起子が安定して存在しうる材料
においても適用が可能であることは言うまでもない。た
だしＧａＮ系の場合にはｐ型ドーピングはＭＯＶＰＥ法
においても可能であるため全ての結晶をＭＯＶＰＥ法で
作製可能である。また、ここでは歪導入ドット領域を第
２光ガイド層の上においているが、活性層に近接して歪
を及ぼすことが可能な距離にあれば、如何なる場所でも
よい。
いて述べたが例えばＧａＮ系等励起子の結合エネルギー
が大きく、室温以上で励起子が安定して存在しうる材料
においても適用が可能であることは言うまでもない。た
だしＧａＮ系の場合にはｐ型ドーピングはＭＯＶＰＥ法
においても可能であるため全ての結晶をＭＯＶＰＥ法で
作製可能である。また、ここでは歪導入ドット領域を第
２光ガイド層の上においているが、活性層に近接して歪
を及ぼすことが可能な距離にあれば、如何なる場所でも
よい。
【００４９】（実施の形態３）図９に第３の発明による
青緑色半導体レーザの構造図を示す。あらかじめＭＯＶ
ＰＥ法により半隋円体状のＩｎＧａＡｓ微結晶３１５が
形成されたｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に、ｎ−ＧａＡｓ
バッファー層３０２、ｎ−ＺｎＭｇＳＳｅ第１クラッド
層３０３、ｉ−ＺｎＳＳｅ第１光ガイド層３０４、Ｚｎ
ＣｄＳｅ量子井戸活性層３０５、ｉ−ＺｎＳＳｅ第２光
ガイド層３０６、ｐ−ＺｎＭｇＳＳｅ第２クラッド層３
０７、ｐ−ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子層３０８、ｐ−Ｚ
ｎＴｅコンタクト層３０９がＭＢＥ法により、例えば基
板温度３００℃で順次積層されている。さらにストライ
プ状に加工されたｐ−ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子層３０
８およびｐ−ＺｎＴｅコンタクト層３０９の両側に絶縁
膜３１０、そして素子上部および下部に電流注入のため
のｐ電極３１１、ｎ電極３１２が形成されている。
青緑色半導体レーザの構造図を示す。あらかじめＭＯＶ
ＰＥ法により半隋円体状のＩｎＧａＡｓ微結晶３１５が
形成されたｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に、ｎ−ＧａＡｓ
バッファー層３０２、ｎ−ＺｎＭｇＳＳｅ第１クラッド
層３０３、ｉ−ＺｎＳＳｅ第１光ガイド層３０４、Ｚｎ
ＣｄＳｅ量子井戸活性層３０５、ｉ−ＺｎＳＳｅ第２光
ガイド層３０６、ｐ−ＺｎＭｇＳＳｅ第２クラッド層３
０７、ｐ−ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子層３０８、ｐ−Ｚ
ｎＴｅコンタクト層３０９がＭＢＥ法により、例えば基
板温度３００℃で順次積層されている。さらにストライ
プ状に加工されたｐ−ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子層３０
８およびｐ−ＺｎＴｅコンタクト層３０９の両側に絶縁
膜３１０、そして素子上部および下部に電流注入のため
のｐ電極３１１、ｎ電極３１２が形成されている。
【００５０】半隋円体状のＩｎＧａＡｓ微結晶３１５は
ＭＯＶＰＥ法により例えば基板温度８００℃で０．８原
子層に相当する原料を供給して成長を行えば、自己組織
的に作製が可能で、その大きさは例えば直径が５ｎｍ、
高さが２ｎｍとする。半隋円体状のＩｎＧａＡｓ微結晶
３１５付近の上部に積層された結晶の様子を拡大したの
を図１０に示す。
ＭＯＶＰＥ法により例えば基板温度８００℃で０．８原
子層に相当する原料を供給して成長を行えば、自己組織
的に作製が可能で、その大きさは例えば直径が５ｎｍ、
高さが２ｎｍとする。半隋円体状のＩｎＧａＡｓ微結晶
３１５付近の上部に積層された結晶の様子を拡大したの
を図１０に示す。
【００５１】ＺｎＣｄＳｅ量子井戸活性層３０５の膜厚
は半隋円体状のＩｎＧａＡｓ微結晶３１５の上およびそ
の側面下部では厚く、最大で約５ｎｍとなっているのに
対し、平坦部では１ｎｍ程度と薄くなっている。このた
め量子効果の作用により、図１１に示すように半隋円体
状のＩｎＧａＡｓ微結晶３１５付近が他の平坦部に比べ
てエネルギーバンドギャップが約１００ｍｅＶ小さくな
っている。この結果、実施の形態１および２で述べた素
子と同様にこの領域に選択的にキャリアを閉じこめるこ
とが可能となり、ひとつの電子−正孔対は直ちに励起子
となる。そして２つの励起子もほぼ１００％励起子分子
となり単独の２つの励起子に分離する確率は極めて小さ
い。
は半隋円体状のＩｎＧａＡｓ微結晶３１５の上およびそ
の側面下部では厚く、最大で約５ｎｍとなっているのに
対し、平坦部では１ｎｍ程度と薄くなっている。このた
め量子効果の作用により、図１１に示すように半隋円体
状のＩｎＧａＡｓ微結晶３１５付近が他の平坦部に比べ
てエネルギーバンドギャップが約１００ｍｅＶ小さくな
っている。この結果、実施の形態１および２で述べた素
子と同様にこの領域に選択的にキャリアを閉じこめるこ
とが可能となり、ひとつの電子−正孔対は直ちに励起子
となる。そして２つの励起子もほぼ１００％励起子分子
となり単独の２つの励起子に分離する確率は極めて小さ
い。
【００５２】このように空間的に電子−正孔対を閉じ込
める作用によってわずかな励起子密度、あるいはキャリ
ア密度においても容易に反転分布を作り出すことができ
る。この結果、実施の形態１で述べた半導体レーザと同
様に極低しきい値電流の良好な特性が容易に得られる。
める作用によってわずかな励起子密度、あるいはキャリ
ア密度においても容易に反転分布を作り出すことができ
る。この結果、実施の形態１で述べた半導体レーザと同
様に極低しきい値電流の良好な特性が容易に得られる。
【００５３】本実施例では半隋円体状のＩｎＧａＡｓ微
結晶３１５の大きさを直径が５ｎｍとボーア半径の２倍
程度の理想的な場合を取り上げておりこのとき最も容易
に反転分布を作り出すことができるが、何らかの理由に
よりドットのサイズが数倍大きくなったとしても、図１
３に挙げた従来の量子井戸活性層よりも、励起子の局在
化による励起子分子の生成確率を高めることが可能であ
る。
結晶３１５の大きさを直径が５ｎｍとボーア半径の２倍
程度の理想的な場合を取り上げておりこのとき最も容易
に反転分布を作り出すことができるが、何らかの理由に
よりドットのサイズが数倍大きくなったとしても、図１
３に挙げた従来の量子井戸活性層よりも、励起子の局在
化による励起子分子の生成確率を高めることが可能であ
る。
【００５４】以上のように本発明ではキャリアの３次元
の閉じ込めを利用して室温以上においても励起子分子−
励起子の状態間での反転分布を可能とし、極低動作電
流、長寿命の青緑色半導体レーザを実現できる。
の閉じ込めを利用して室温以上においても励起子分子−
励起子の状態間での反転分布を可能とし、極低動作電
流、長寿命の青緑色半導体レーザを実現できる。
【００５５】なお、本発明はＺｎＳｅ系半導体レーザに
ついて述べたが例えばＧａＮ系等励起子の結合エネルギ
ーが大きく、室温以上で励起子が安定して存在しうる材
料においても適用が可能であることは言うまでもない。
ついて述べたが例えばＧａＮ系等励起子の結合エネルギ
ーが大きく、室温以上で励起子が安定して存在しうる材
料においても適用が可能であることは言うまでもない。
【００５６】（実施の形態４）実施の形態１から３で述
べた極低しきい値電流半導体レーザを光ディスク装置に
応用したものを図１２に示す。キャンにレーザチップが
入ったキャンタイプの半導体レーザ４０１より波長５１
０ｎｍのレーザ光４０２は、コリメータレンズ４０３で
平行光にされた後、回折格子４０４で３ビームに分離さ
れ（図示していない）、ハーフプリズム４０５を通り集
光レンズ４０６で集光され、光ディスク４０７上に直径
１μｍのスポットを結ぶ。ディスク４０７上での反射光
は、再度、集光レンズ４０６を通り、ハーフプリズム４
０５で反射され、受光レンズ４０８で絞られたシリンド
リカルレンズ４０９を経てホトダイオード４１０に入り
電気信号に変換される。
べた極低しきい値電流半導体レーザを光ディスク装置に
応用したものを図１２に示す。キャンにレーザチップが
入ったキャンタイプの半導体レーザ４０１より波長５１
０ｎｍのレーザ光４０２は、コリメータレンズ４０３で
平行光にされた後、回折格子４０４で３ビームに分離さ
れ（図示していない）、ハーフプリズム４０５を通り集
光レンズ４０６で集光され、光ディスク４０７上に直径
１μｍのスポットを結ぶ。ディスク４０７上での反射光
は、再度、集光レンズ４０６を通り、ハーフプリズム４
０５で反射され、受光レンズ４０８で絞られたシリンド
リカルレンズ４０９を経てホトダイオード４１０に入り
電気信号に変換される。
【００５７】この際、分割された３ビームにより光ディ
スク４０７の半径方向のずれを検出し、またシリンドリ
カルレンズ４０９により焦点の位置ずれを検出する。そ
してこのずれは、駆動系４１１により光学系が微動調整
され修正される。
スク４０７の半径方向のずれを検出し、またシリンドリ
カルレンズ４０９により焦点の位置ずれを検出する。そ
してこのずれは、駆動系４１１により光学系が微動調整
され修正される。
【００５８】このように、本発明の半導体レーザを、半
導体レーザからのレーザ光を光ディスクに導く集光光学
系、光ディスクで反射した光を読む光検出器を備えた光
ディスク装置に応用すれば、非常に消費電力の少ない光
ディスク装置が可能となる。
導体レーザからのレーザ光を光ディスクに導く集光光学
系、光ディスクで反射した光を読む光検出器を備えた光
ディスク装置に応用すれば、非常に消費電力の少ない光
ディスク装置が可能となる。
【００５９】
【発明の効果】以上のように本発明では３次元のキャリ
ア閉じ込めを利用して室温以上においても励起子分子−
励起子の状態間での反転分布を可能とし、極低動作電
流、長寿命の半導体発光素子を実現できる。またこの半
導体発光素子を用い、半導体発光素子からのレーザ光を
光ディスクに導く集光光学系、光ディスクで反射した光
を読む光検出器を備えた光ディスク装置に応用すれば、
非常に消費電力の少ない光ディスク装置が可能となる。
ア閉じ込めを利用して室温以上においても励起子分子−
励起子の状態間での反転分布を可能とし、極低動作電
流、長寿命の半導体発光素子を実現できる。またこの半
導体発光素子を用い、半導体発光素子からのレーザ光を
光ディスクに導く集光光学系、光ディスクで反射した光
を読む光検出器を備えた光ディスク装置に応用すれば、
非常に消費電力の少ない光ディスク装置が可能となる。
【図１】第１の発明による青緑色半導体レーザの構造図
【図２】活性領域を含む面内のエネルギーバンドギャッ
プの分布を示す図
プの分布を示す図
【図３】励起子密度に対する励起子分子−励起子間遷移
に基づく光学利得特性を示す図
に基づく光学利得特性を示す図
【図４】再結合電流に対する光学利得特性を示す図
【図５】第１の発明による青緑色半導体レーザの製造方
法を示す図
法を示す図
【図６】第２の発明による青緑色半導体レーザの構造図
【図７】ＺｎＣｄＳｅ量子井戸活性層２０５面内でのエ
ネルギーバンドギャップの分布を示す図
ネルギーバンドギャップの分布を示す図
【図８】第２の発明による青緑色半導体レーザの製造方
法を示す図
法を示す図
【図９】第３の発明による青緑色半導体レーザの構造図
【図１０】ＩｎＧａＡｓ微結晶３１５付近の上部に積層
された結晶の拡大図
された結晶の拡大図
【図１１】ＺｎＣｄＳｅ量子井戸活性層３０５面内での
エネルギーバンドギャップの分布を示す図
エネルギーバンドギャップの分布を示す図
【図１２】極低しきい値電流半導体レーザを搭載した光
ディスク装置の構成図
ディスク装置の構成図
【図１３】従来のＺｎＳｅ系青緑半導体レーザの素子断
面構成図
面構成図
【図１４】従来のＧａＮ系紫外光半導体レーザの素子断
面構造図
面構造図
【図１５】量子井戸中の伝導帯および価電子帯の状態密
度と各々のバンドに存在するキャリアのエネルギー分布
を示す図
度と各々のバンドに存在するキャリアのエネルギー分布
を示す図
【図１６】励起子分子−励起子状態のエネルギーを示す
図
図
１０１ ｎ−ＧａＡｓ基板 １０２ ｎ−ＧａＡｓバッファー層 １０３ ｎ−ＺｎＭｇＳＳｅ第１クラッド層 １０４ ｉ−ＺｎＳＳｅ第１光ガイド層 １０５ ＺｎＣｄＳｅ量子ドット活性領域 １０６ ｉ−ＺｎＳＳｅ第２光ガイド層 １０７ ｐ−ＺｎＭｇＳＳｅ第２クラッド層 １０８ ｐ−ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子層 １０９ ｐ−ＺｎＴｅコンタクト層 １１０ 絶縁膜 １１１ ｐ電極 １１２ ｎ電極 １１３ 成長面 ２０１ ｎ−ＧａＡｓ基板 ２０２ ｎ−ＧａＡｓバッファー層 ２０３ ｎ−ＺｎＭｇＳＳｅ第１クラッド層 ２０４ ｉ−ＺｎＳＳｅ第１光ガイド層 ２０５ ＺｎＣｄＳｅ量子井戸活性層 ２０６ ｉ−ＺｎＳＳｅ第２光ガイド層 ２０７ ｐ−ＺｎＭｇＳＳｅ第２クラッド層 ２０８ ｐ−ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子層 ２０９ ｐ−ＺｎＴｅコンタクト層 ２１０ 絶縁膜 ２１１ ｐ電極 ２１２ ｎ電極 ２１３ ｉ−ＺｎＭｇＳｅ歪導入ドット領域 ３０１ ｎ−ＧａＡｓ基板 ３０２ ｎ−ＧａＡｓバッファー層 ３０３ ｎ−ＺｎＭｇＳＳｅ第１クラッド層 ３０４ ｉ−ＺｎＳＳｅ第１光ガイド層 ３０５ ＺｎＣｄＳｅ量子井戸活性層 ３０６ ｉ−ＺｎＳＳｅ第２光ガイド層 ３０７ ｐ−ＺｎＭｇＳＳｅ第２クラッド層 ３０８ ｐ−ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子層 ３０９ ｐ−ＺｎＴｅコンタクト層 ３１０ 絶縁膜 ３１１ ｐ電極 ３１２ ｎ電極 ３１５ ＩｎＧａＡｓ微結晶 ４０１ 半導体レーザ ４０２ レーザ光 ４０３ コリメータレンズ ４０４ 回折格子 ４０５ ハーフプリズム ４０６ 集光レンズ ４０７ 光ディスク ４０８ 受光レンズ ４０９ シリンドリカルレンズ ４１０ ホトダイオード ５０１ ｎ−ＧａＡｓ基板 ５０２ ｎ−ＧａＡｓバッファー層 ５０３ ｎ−ＺｎＭｇＳＳｅ第１クラッド層 ５０４ ｉ−ＺｎＳＳｅ第１光ガイド層 ５０５ ＺｎＣｄＳｅ量子井戸活性層 ５０６ ｉ−ＺｎＳＳｅ第２光ガイド層 ５０７ ｐ−ＺｎＭｇＳＳｅ第２クラッド層 ５０８ ｐ−ＺｎＳｅ／ＺｎＴｅ超格子層 ５０９ ｐ−ＺｎＴｅコンタクト層 ５１０ 絶縁膜 ５１１ ｐ電極 ５１２ ｎ電極 ６０１ サファイア基板 ６０２ ｉ−ＧａＮバッファー層 ６０３ ｎ−ＡｌＧａＮ第１クラッド層 ６０４ ＧａＮ第１光ガイド層 ６０５ ＩｎＧａＮ量子井戸活性層 ６０６ ＧａＮ第２光ガイド層 ６０７ ｐ−ＡｌＧａＮ第２クラッド層 ６０９ ｐ−ＧａＮコンタクト層 ６１０ 絶縁膜 ６１１ ｐ電極 ６１２ ｎ電極
Claims (13)
- 【請求項１】 室温以上の温度で活性領域において複数
の励起子が存在可能であり、前記活性領域で励起子間の
距離をボーア半径の１０倍以下に近接させる機能を備え
た半導体発光素子。 - 【請求項２】 活性領域が直径２０ｎｍ以下、厚さ１０
ｎｍ以下の複数の円盤状あるいは半隋円体状の結晶であ
る半導体発光素子。 - 【請求項３】 活性領域がＺｎＳｅまたはＧａＮを含む
材料により構成されている請求項１に記載の半導体発光
素子。 - 【請求項４】 基板に対して少なくとも１％以上の格子
不整合を有する材料を自己組織的に円盤状あるいは半隋
円体状に形成した活性領域とを成長する工程を有する半
導体発光素子の製造方法。 - 【請求項５】 活性領域が少なくともＺｎＳｅ、Ｚｎ
Ｓ、ＭｇＳｅ、ＭｇＳ、ＺｎＴｅのいずれかを含む請求
項４に記載の半導体発光素子の製造方法。 - 【請求項６】 基板上にｎ型クラッド層と、前記基板に
対して少なくとも１％以上の格子不整合を有する材料を
自己組織的に円盤状あるいは半隋円体状に形成した活性
領域と、ｐ型クラッド層を成長する工程とを備えた半導
体発光素子の製造方法。 - 【請求項７】 活性領域が少なくともＧａＮ、ＡｌＮ、
ＩｎＮのいずれかを含む請求項６に記載の半導体発光素
子の製造方法。 - 【請求項８】 量子井戸活性層と、前記量子井戸活性層
から１μｍ以内の距離に位置し直径２０ｎｍ以下、厚さ
１０ｎｍ以下でしかも基板との格子不整合率が１％以上
の材料から成る複数の円盤状あるいは半隋円体状の結晶
により構成される半導体発光素子。 - 【請求項９】 量子井戸活性層がＺｎＳｅまたはＧａＮ
を含む材料により構成されている請求項８に記載の半導
体発光素子。 - 【請求項１０】 有機金属気相成長法によりｎ型クラッ
ド層と、基板に対して少なくとも１％以上の格子不整合
を有する材料を自己組織的に円盤状あるいは半隋円体状
に形成した歪導入領域とを成長する工程と、分子線エピ
タキシー法によりｐ型クラッド層を成長する工程を備え
た半導体発光素子の製造方法。 - 【請求項１１】 量子井戸活性層がＺｎＳｅまたはＧａ
Ｎを含む材料により構成されている請求項１０に記載の
半導体発光素子の製造方法。 - 【請求項１２】 半導体基板上に直径２０ｎｍ以下、厚
さ１０ｎｍ以下の複数の円盤状あるいは半隋円体状の微
結晶を備え、前記基板上に量子井戸活性層を含む発光素
子結晶が積層されている半導体発光素子。 - 【請求項１３】 有機金属気相成長法により基板に対し
て少なくとも１％以上の格子不整合を有する材料を自己
組織的に円盤状あるいは半隋円体状に形成した微結晶を
成長する工程と、分子線エピタキシー法により量子井戸
活性層を含む発光素子結晶を成長する工程を備えた半導
体発光素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP825597A JPH10209572A (ja) | 1997-01-21 | 1997-01-21 | 半導体発光素子およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP825597A JPH10209572A (ja) | 1997-01-21 | 1997-01-21 | 半導体発光素子およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10209572A true JPH10209572A (ja) | 1998-08-07 |
Family
ID=11688044
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP825597A Withdrawn JPH10209572A (ja) | 1997-01-21 | 1997-01-21 | 半導体発光素子およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10209572A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10134825A1 (de) * | 2001-06-20 | 2003-01-09 | Infineon Technologies Ag | Photonen-Emitter und Datenübertragungsvorrichtung |
| US7030407B2 (en) | 2001-06-20 | 2006-04-18 | Infineon Technologies Ag | Photon emitter and data transmission device |
| JP2006185985A (ja) * | 2004-12-27 | 2006-07-13 | Sony Corp | 発光デバイス及びその製造方法 |
| CN105870273A (zh) * | 2016-06-02 | 2016-08-17 | 厦门市三安光电科技有限公司 | 一种氮化物发光二极管 |
-
1997
- 1997-01-21 JP JP825597A patent/JPH10209572A/ja not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10134825A1 (de) * | 2001-06-20 | 2003-01-09 | Infineon Technologies Ag | Photonen-Emitter und Datenübertragungsvorrichtung |
| US7030407B2 (en) | 2001-06-20 | 2006-04-18 | Infineon Technologies Ag | Photon emitter and data transmission device |
| JP2006185985A (ja) * | 2004-12-27 | 2006-07-13 | Sony Corp | 発光デバイス及びその製造方法 |
| CN105870273A (zh) * | 2016-06-02 | 2016-08-17 | 厦门市三安光电科技有限公司 | 一种氮化物发光二极管 |
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|---|---|---|---|
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|
| A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20040525 |