JPS61174792A - 固溶半導体レ−ザ用材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は固溶半導体レーザ用材料、更に詳しくは波長２
〜８．５μｍの赤外線領域で発振し、波長可変で、高温
で動作可能な半導体レーザ用材料に関する。

従来技術 従来、波長２〜８．５μｍの赤外線領域で波長可変にな
る半導体レーザ用材料としては、１ｌ−Ｖｌ族化合物半
導体であるＨｇｘ−ｘｏｄｘＴｅ（ただし、Ｘは０〜１
を表わす）、Ｉ−Ｖ族化合物半導体であるＩｎＡｓある
いはＩｎ８ｂ、及び各種のＩＴ−Ｖｌ族化金物半導体が
知られている。このなかでも、動作温度の高温化及び波
長可変性の大きさなどの点からＴＶ−Ｖｌ族化合物半導
体が最も実用性の高い材料として注目されており、従来
３元の鉛塩固溶体であるＰｂｘ−ｘＭｎｘ８．　　ある
いはＰｂＳ＋−ｙｓｅｙ（ただし、Ｏ＜ｘ＜ｏ、ｏｓｓ
、ｏくｙく１を表わす）等が知られている。Ｐｂ　＋　
−ｘ　Ｍｎｘ　ＳはＰ−ｎ同質結合により、ＰｂＳ＋−
ｙｓｅｙは荷電担体及び光の閉じ込め層と活性層の各格
子定数が一致していないダブルへテロ接合によりレーザ
素子が作られている。

しかし、これらはいずれも動作温度が低く、Ｐｂ＋−Ｘ
Ｍｎｘ３においては１５に以下でパルス発蚤、ＰｂＳ＋
−ｙｓｅｙにおいては１２０に以下で連続発振が達成さ
れているに過ぎない。これらの物質は、波長２〜８．５
μｍの赤外線領域における超高分解能分光器の光源ある
いは現在光通信に使われている石英系グラスファイバー
よりも更に光損失の少ない金属ハライド極低損失グラス
ファイバーを用いた光通信の光源としてのレーザ用材料
として有望視されているにも拘らず、これらのし−ザは
前述したように動作温度が低いために広く実用化されて
いない。

一般に、注入型半導体レーザの動作温度を上昇させるた
めに、荷電担体及び光の閉じ込め層とこの層より小さな
禁制帯幅を持つ活性層の各格子定数が一致している格子
整合型ダブルへテロ接合あるいは格子整合型量子井戸構
造によりレーザ素子を作ることが知られている。

しかしながら、Ｐｂ　Ｉ−）ｃ　Ｍｎ）（Ｓ　Ｘ　　あ
るいはＰｂＳ＋−ｙｓｅｙにおいては、組成の変化に伴
い禁制帯幅及び格子定数が共に同時に変化するため、従
来これらの材料の組成変化を利用し、前述の格子整合型
ダブルへテロ接合あるいは格子整合型量子井戸構造レー
ザ素子を作ることは不可能であった。

発明の目的 本発明は前記従来の半導体レーザ用材料の問題点を解決
するためになされたもので、その目的は波長２〜８．５
μｍの赤外線領域で発振し、しかも波長可変で、高温に
おいて動作可能である格子整合型ダブルへテロ接合ある
いけ格子整合型素子井戸構造を作ることができる固溶半
導体レーザ用材料を提供するＫある。

発明の構成 格子整金型ダブルへテロ接合あるいは格子整合型量子井
戸構造によりレーザ素子を作る場合釦は、禁制帯幅が大
きく異なり、しかも結晶構造及び格子定数が等しい物質
によシ接合して作ることが必要である。岩塩型の結晶構
造を持つ３元固溶体のＰｂＩ−ｘＭｎ）ｃｓ、　ＰｂＳ
＋−ｙｓｅｙにおイテは、組成の変化により禁制帯幅（
Ｆ３ｇ）はそれぞれＢｇ（ｘｉ＝０．２８８＋３．０７
ｘ（ｅＶ）、ｇｇ（ｙｌ＝０．２８４−０．１３８ｙ（
ｅＶ）、（但【７、禁制帯幅はいずれも温度１５ＫＫお
ける値を表わす。以下同じ）、また格子定数（ａｌはそ
れぞれａ（ｘ）−５，９３６−０，５７５ｘ尚、ａ（Ｙ
）＝　５．９３６　＋０．１９　ｘｙ（Ｋ）、（但し、
格子定数はいずれも室温におけｂ値を表わす。以下同じ
）となる。

従って、これらの３元固溶体を用いて、禁制帯幅が大き
く異なり、しかも格子定数の等しい物質の組み合せによ
り接合してレーザ素子を作ることはできない。本発明者
らはこれを解決しようと研究の結果、ＰｂＩ−ｘＭｎｘ
ｓに第４の元素としてＳｅを固溶させるか、Ｓに代えＳ
ｅを置換するとこれを解決し得られるととを知見し得た
。

この知見て基いて本発明を完成した。

本発明の要旨は、一般式Ｐｂ　Ｉ　−Ｘ　ＭｎＸ　Ｓ＋
　−ｙ　８ｅ　ｙ（ただし、Ｏ（ｘく０．１６．０＜ｙ
く１を表わす）で示される組成よりなることを特徴とす
る固溶半導体レーザ用材料にあるっこの固溶体の製造法
を示すと、ＰｂＸＭｎ、　Ｓ及びＳｅの４元素をそれぞ
れ、１−ｘ％　ｘ％　Ｉ　　Ｍ及びｙの割合の組成比に
秤量し、これらを石英容器中に真空封入するっこの場合
、Ｓを除いてもよい。これを電気炉中に挿入し、加熱溶
融後水焼き入れを行う。この試料を均質化するために粉
砕した後、再び石英容器中に真空封入し、これを約９５
０℃で熱処理した後、水焼き入れを行うことにより得ら
れる。

この固溶体の禁制帯幅は、Ｐ−ｎ同質接合レーザの発振
波長より求めた結果、Ｂｇ（ｘＸｙ）　＝３．９３ｘ−
０，１８６ｙ−１７，３ｘ”＋ｏ、ｏ　３７３ｙ”＋１
．００ｘＹ＋０．２９２（ｅＶ）となり、また格子定数
はＸ線粉末回折法より求めた結果、ａ　＜　Ｘ、　Ｙ）
＝５．９３５−ｏ５７ｓｘ＋ｏ：１ｃ＋ｔｙｔとなるこ
とが明らかとなった。これらの弐′より求めた等禁制帯
幅曲線及び等格子定数曲線を示すと、それぞれ、第１図
ａ及び＃！ＲＩ−ｂの通りである。なお、等禁制帯幅曲
線は１５Ｋにおけるものであり、等格子定数曲線は室温
に壓秒−石一ものである。

これらの図より、禁制帯幅が大きく異４□、すλ２しか
も格子定数の等しい物質の組み合せを選定することがで
きる。すなわち、格子整合型ダブルへテロ接合レーザに
おける荷電担体並びに光の閉じ込め層及び活性層、ある
いは格子整合型量子井戸構造レーザにおける障壁層及び
井戸層としての材料の組み合せは、第１図より例えば、
Ｐｂｏ、＊ｓ　Ｍｎｃ、ｏｓ　Ｓｏ、ｌＩｓ　Ｓｅａ、
ｔｓ及びＰｂＳの組み合せにより、禁制帯幅は０．１３
４ｅＶだけ異なるが、格子定数はいずれも等しくするこ
とができる。これにより、波長２〜８．５μｍの赤外線
領域で発振し、しかも波長可変であ抄、さらに高温で動
作可能な格子整金型ダブルへテロ接合レーザ、あるいは
格子整合型量子井戸構造レーザーを作ることができる。

実施例 純度９９．９９９　％の粒状Ｐｂ、　Ｍｎ、　８及びＳ
ｅをそれぞれ１−ｘＸｘＸｌ−ｙ及びｙの割合の組成比
で、総量約２２になるように秤量した。（ただし、Ｍｎ
は秤量直前に例えば硝酸：エチルアルコール＝　１．　
：　５　（体積比）の溶液ｉ　０ＣＣＫ数滴の過酸化水
素酸を加えた腐蝕溶液中で数分間化学研磨して表面酸化
層を除去して使用する。）これを内径８篩、長４４０ｍ
の石英容器中に１　ｘ　１０−’　Ｔｏｒｒの真空度の
下で真空封入し、弱い酸素−水素炎で合成反応を予備的
に進行させた。その後容器を９００℃に加熱し九電気炉
中に挿入し、約１０分間保持後、５０℃／ｈｒの速度で
１１２０ｔｔで昇温し、同温度で３時間保持し水焼き入
れを行った。

得られたものを均質化を容易にするため粒状に粉砕し、
再び前記と同じ大きさの石英容器に真空度ｌＸ１０’Ｔ
ｏｒｒの真空度下で真空封入し、９５０℃で２日間熱処
理した後、水焼き入れを行って半導体レーザ用材料を作
った。得られた各組成のものの禁制帯幅及び格子定数を
示すと次の表に示す通りであった。これらの値は第１図
の等禁制帯幅曲線及び等格子定数曲線とよく一致してい
る。なお、これらの材料は、いずれもそれぞれの禁制帯
幅に対応する波長・でレーザ発振を示し、発振波長の温
度依存性はいずれの場合も光子エネルギーに換算して約
１　ｘ　１０−’　ｅＶ／にであ抄、温度資化により大
きな波長可変性を示した。

発明の効果 本発明の材料は波長２〜８．５μｍの赤外線領域で発振
し、波長可変で、高温において動作可能である格子整合
型ダブルへテロ接合あるいは格子整合型量子井戸構造を
容易に作ることができる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ、ｂはそれぞれ、本発明の固溶半導体レーザ用
材料の１５Ｋにおける等禁制帯幅曲線及び室温における
等格子定数曲線を示す。 特許出願人　科学技術庁金属材料技術研究所長中　　川
　　龍　　−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 一般式Ｐｂ＿１＿−＿ｘＭｎ＿ｘＳ＿１＿−＿ｙＳｅ＿
   ｙ（ただし、０＜ｘ≦０．１５３０＜ｙ＜１を表わす。 ）で示される組成よりなることを特徴とする固溶半導体
   レーザ用材料