JP3116675B2 - 半導体レーザー - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体レーザーに関
し、例えば青色ないし緑色で発光可能な半導体レーザー
に関するものである。
し、例えば青色ないし緑色で発光可能な半導体レーザー
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、光ディスクの記録密度の向上やレ
ーザープリンタの解像度の向上を図るために、短波長で
の発光が可能な半導体レーザーに対する要求が高まって
きており、その実現を目指して研究が活発に行われてい
る。
ーザープリンタの解像度の向上を図るために、短波長で
の発光が可能な半導体レーザーに対する要求が高まって
きており、その実現を目指して研究が活発に行われてい
る。
【0003】このような短波長での発光が可能な半導体
レーザーの作製に用いる材料としては、II−VI族化
合物半導体が有望である。特に、四元系のII−VI族
化合物半導体であるZnMgSSe系化合物半導体は、
波長400〜550nm帯の青色ないし緑色発光の半導
体レーザーをGaAs基板上に作製するときのクラッド
層や光導波層の材料に適していることが知られている
(例えば、Electron. Lett. 28(1992)1798)。
レーザーの作製に用いる材料としては、II−VI族化
合物半導体が有望である。特に、四元系のII−VI族
化合物半導体であるZnMgSSe系化合物半導体は、
波長400〜550nm帯の青色ないし緑色発光の半導
体レーザーをGaAs基板上に作製するときのクラッド
層や光導波層の材料に適していることが知られている
(例えば、Electron. Lett. 28(1992)1798)。
【0004】現在、このII−VI族化合物半導体を用
いた半導体レーザーは、室温における発振を実現すべく
精力的に研究が行われている。その結果、上述のZnM
gSSe系化合物半導体を用いた半導体レーザーについ
て、本出願人が室温におけるパルス発振に成功してい
る。
いた半導体レーザーは、室温における発振を実現すべく
精力的に研究が行われている。その結果、上述のZnM
gSSe系化合物半導体を用いた半導体レーザーについ
て、本出願人が室温におけるパルス発振に成功してい
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、室温に
おける連続発振は、上述のZnMgSSe系化合物半導
体を用いた半導体レーザーについても、ZnMgSSe
系化合物半導体以外のII−VI族化合物半導体を用い
た半導体レーザーについても、これまでに報告されてい
ない。
おける連続発振は、上述のZnMgSSe系化合物半導
体を用いた半導体レーザーについても、ZnMgSSe
系化合物半導体以外のII−VI族化合物半導体を用い
た半導体レーザーについても、これまでに報告されてい
ない。
【0006】従って、この発明の目的は、室温をはじめ
とする高温で連続発振可能なII−VI族化合物半導体
を用いた半導体レーザーを提供することにある。この発
明の他の目的は、室温をはじめとする高温で連続発振可
能な窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体
レーザーを提供することにある。
とする高温で連続発振可能なII−VI族化合物半導体
を用いた半導体レーザーを提供することにある。この発
明の他の目的は、室温をはじめとする高温で連続発振可
能な窒化物系III−V族化合物半導体を用いた半導体
レーザーを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】今、半導体レーザーがデ
ューティkで駆動されるとし、そのときのしきい値電流
をIth(A)、動作電圧をVop(V)とする。Ith、V
opはkの関数になり、また、k=1が半導体レーザーが
連続駆動される場合に対応する。
ューティkで駆動されるとし、そのときのしきい値電流
をIth(A)、動作電圧をVop(V)とする。Ith、V
opはkの関数になり、また、k=1が半導体レーザーが
連続駆動される場合に対応する。
【0008】このとき、半導体レーザーに投入される電
力の時間平均P(W)は、半導体レーザーを発振しきい
値直上で動作させるとすると、 P=kIthVop (1) となる。このPの一部が光として半導体レーザーの外部
に放出され、残りは半導体レーザーの発熱となる。
力の時間平均P(W)は、半導体レーザーを発振しきい
値直上で動作させるとすると、 P=kIthVop (1) となる。このPの一部が光として半導体レーザーの外部
に放出され、残りは半導体レーザーの発熱となる。
【0009】さて、この発熱による半導体レーザーの温
度上昇ΔT(K)はPに比例すると考えられるから、 ΔT=Rt P=kRt IthVop (2) となる。ここで、Rt (K/W)は半導体レーザーの
(見かけ上の)熱抵抗である。この場合、雰囲気の温度
をTatom(K)とすると、半導体レーザーの温度T
(K)は、 T=Tatom+ΔT (3) である。
度上昇ΔT(K)はPに比例すると考えられるから、 ΔT=Rt P=kRt IthVop (2) となる。ここで、Rt (K/W)は半導体レーザーの
(見かけ上の)熱抵抗である。この場合、雰囲気の温度
をTatom(K)とすると、半導体レーザーの温度T
(K)は、 T=Tatom+ΔT (3) である。
【0010】一方、半導体レーザーの温度Tとしきい値
電流Ithとの間には、T0 (K)を特性温度として、 Ith(T=T2 )=Ith(T=T1 ) exp((T2 −T1 )/T0 )(4) の関係が成り立つ。従って、デューティk1 、k2 で動
作させたときの半導体レーザーの温度をそれぞれT1 、
T2 とし、そのときのしきい値電流をそれぞれIth(T
=T1 )=Ith(k1 )、Ith(T=T2 )=Ith(k
2 )とすると、(2)式、(3)式および(4)式よ
り、 Ith(k2 ) =Ith(k1 ) exp((ΔT(k2 )−ΔT(k1 ))/T0 ) =Ith(k1 ) exp((Rt /T0 ) [k2 Ith(k2 )Vop(k2 ) −k1 Ith(k1 )Vop(k1 )]) (5) を得る。
電流Ithとの間には、T0 (K)を特性温度として、 Ith(T=T2 )=Ith(T=T1 ) exp((T2 −T1 )/T0 )(4) の関係が成り立つ。従って、デューティk1 、k2 で動
作させたときの半導体レーザーの温度をそれぞれT1 、
T2 とし、そのときのしきい値電流をそれぞれIth(T
=T1 )=Ith(k1 )、Ith(T=T2 )=Ith(k
2 )とすると、(2)式、(3)式および(4)式よ
り、 Ith(k2 ) =Ith(k1 ) exp((ΔT(k2 )−ΔT(k1 ))/T0 ) =Ith(k1 ) exp((Rt /T0 ) [k2 Ith(k2 )Vop(k2 ) −k1 Ith(k1 )Vop(k1 )]) (5) を得る。
【0011】ここで、半導体レーザーの電流(I)−電
圧(V)特性が温度に依存しないと仮定し、 V=Vth+Rs I (6) の関数形で表されるとすると、Vop=Vth+Rs Ithと
なる。これを(5)式に代入して、 Ith(k2 ) =Ith(k1 ) exp((Rt /T0 ) {k2 Ith(k2 )[Vth +Rs Ith(k2 )]−k1 Ith(k1 )[Vth+Rs Ith(k1 )]}) (7) を得る。
圧(V)特性が温度に依存しないと仮定し、 V=Vth+Rs I (6) の関数形で表されるとすると、Vop=Vth+Rs Ithと
なる。これを(5)式に代入して、 Ith(k2 ) =Ith(k1 ) exp((Rt /T0 ) {k2 Ith(k2 )[Vth +Rs Ith(k2 )]−k1 Ith(k1 )[Vth+Rs Ith(k1 )]}) (7) を得る。
【0012】(7)式において、k1 ≪k2 =1とお
き、Ith(pulse)≡Ith(k1 )、Ith(cw)≡I
th(1)と書けば、 Ith(cw)≒Ith(pulse) exp((Rt /T0 ) {Ith(cw)[Vth +Rs Ith(cw)]}) (8) となる。ここで、次の三つの無次元量、 x≡Ith(cw)/Ith(pulse) (9) α≡(Rt /T0 )Ith(pulse)Vth (10) β≡(Rt /T0 )Rs Ith 2 (pulse) (11) を定義して(8)式を書き直すと、 x= exp(αx+βx2 ) (12) となる。
き、Ith(pulse)≡Ith(k1 )、Ith(cw)≡I
th(1)と書けば、 Ith(cw)≒Ith(pulse) exp((Rt /T0 ) {Ith(cw)[Vth +Rs Ith(cw)]}) (8) となる。ここで、次の三つの無次元量、 x≡Ith(cw)/Ith(pulse) (9) α≡(Rt /T0 )Ith(pulse)Vth (10) β≡(Rt /T0 )Rs Ith 2 (pulse) (11) を定義して(8)式を書き直すと、 x= exp(αx+βx2 ) (12) となる。
【0013】(12)式の物理的意味を考えると、立ち上
がり電圧Vthによるしきい値電流の上昇を表すパラメー
タαと、直列抵抗成分Rs によるしきい値電流の上昇を
表すパラメータβとが与えられたときに、(12)式を満
たすxが存在すれば、発熱を無視することができる範囲
でパルス発振させたときのしきい値電流のx倍のしきい
値電流で室温連続発振が可能であるということがわか
る。
がり電圧Vthによるしきい値電流の上昇を表すパラメー
タαと、直列抵抗成分Rs によるしきい値電流の上昇を
表すパラメータβとが与えられたときに、(12)式を満
たすxが存在すれば、発熱を無視することができる範囲
でパルス発振させたときのしきい値電流のx倍のしきい
値電流で室温連続発振が可能であるということがわか
る。
【0014】(12)式の両辺の対数をとり、さらにxで
割り算すると、 lnx/x=α+βx (13) を得る。従って、上述の条件を言い換えると、曲線、 y=lnx/x (14) と、直線、 y=α+βx (15) との交点が存在すれば、そのx座標の(うち最小の)値
において、室温連続発振が可能であるということにな
る。
割り算すると、 lnx/x=α+βx (13) を得る。従って、上述の条件を言い換えると、曲線、 y=lnx/x (14) と、直線、 y=α+βx (15) との交点が存在すれば、そのx座標の(うち最小の)値
において、室温連続発振が可能であるということにな
る。
【0015】図1にy=lnx/xのグラフを示す。α、
β>0であるから、直ちに 1.α<e-1、β<e-1/2でなければ交点が存在しな
い。すなわち、その場合は連続発振しないこと。 2.交点が存在すれば、そのときの最小のxはeより小
さい。つまり、連続発振が実現したとすると、そのとき
のしきい値電流はパルス発振時の値のe倍未満になるこ
と。 がわかる。なお、1.は必要条件であって、十分条件で
はないことに注意しなければならない。
β>0であるから、直ちに 1.α<e-1、β<e-1/2でなければ交点が存在しな
い。すなわち、その場合は連続発振しないこと。 2.交点が存在すれば、そのときの最小のxはeより小
さい。つまり、連続発振が実現したとすると、そのとき
のしきい値電流はパルス発振時の値のe倍未満になるこ
と。 がわかる。なお、1.は必要条件であって、十分条件で
はないことに注意しなければならない。
【0016】β<e-1/2は次のようにして導かれる。
α=0とおくとき、y=lnx/xとy=βMAX xとが接
する条件は、接点のx座標をx0 とすると、 y(x0 )=lnx0 /x0 =βMAX x0 (16a) (dy/dx)(x0 )=(1−lnx0 )/x0 2 =βMAX (16b) で与えられる連立方程式となる。この連立方程式を解く
には、まず、βMAX を消去してx0 =e1/2 を得、これ
を元の連立方程式のどちらかに代入して、βMAX=e-1
/2を得る。β<βMAX が、交点を持つための必要条件
であることは、図1より明らかである。
α=0とおくとき、y=lnx/xとy=βMAX xとが接
する条件は、接点のx座標をx0 とすると、 y(x0 )=lnx0 /x0 =βMAX x0 (16a) (dy/dx)(x0 )=(1−lnx0 )/x0 2 =βMAX (16b) で与えられる連立方程式となる。この連立方程式を解く
には、まず、βMAX を消去してx0 =e1/2 を得、これ
を元の連立方程式のどちらかに代入して、βMAX=e-1
/2を得る。β<βMAX が、交点を持つための必要条件
であることは、図1より明らかである。
【0017】ここで、(14)式で表される曲線と(15)
式で表される直線とが交点を持つための、α、βに対す
る必要十分条件を導出する。αを(0、e-1)の範囲の
ある値に固定して考える。y切片がαであるようなy=
lnx/xの接線の傾きをβM(α)とすると、図1よ
り、 β<βM (α) (17) が求める条件である。ここで、その接線の接点の座標を
(x0 、lnx0 /x0 )とすると、接線の方程式は、 y=[(1−lnx0 )/x0 2 ](x−x0 )+lnx0 /x0 =[(1−lnx0 )/x0 2 ]x+(2lnx0 −1)/x0 ≡βM (α)x+α (18) となる。従って、x0 をパラメータとして、 α=(2lnx0 −1)/x0 (19a) βM =(1−lnx0 )/x0 2 (19b) により、βM (α)を求めることができた。これを実際
に計算機により計算したものを図2に示す。
式で表される直線とが交点を持つための、α、βに対す
る必要十分条件を導出する。αを(0、e-1)の範囲の
ある値に固定して考える。y切片がαであるようなy=
lnx/xの接線の傾きをβM(α)とすると、図1よ
り、 β<βM (α) (17) が求める条件である。ここで、その接線の接点の座標を
(x0 、lnx0 /x0 )とすると、接線の方程式は、 y=[(1−lnx0 )/x0 2 ](x−x0 )+lnx0 /x0 =[(1−lnx0 )/x0 2 ]x+(2lnx0 −1)/x0 ≡βM (α)x+α (18) となる。従って、x0 をパラメータとして、 α=(2lnx0 −1)/x0 (19a) βM =(1−lnx0 )/x0 2 (19b) により、βM (α)を求めることができた。これを実際
に計算機により計算したものを図2に示す。
【0018】以上より、(14)式で表される曲線と(1
5)式で表される直線とが交点を持つためには、α軸、
すなわち直線β=0、β軸、すなわち直線α=0および
x0 をパラメータとする曲線((2lnx0 −1)/
x0 、(1−lnx0 )/x0 2 )により囲まれた領域D
内に(α、β)が存在しなければならないことがわか
る。
5)式で表される直線とが交点を持つためには、α軸、
すなわち直線β=0、β軸、すなわち直線α=0および
x0 をパラメータとする曲線((2lnx0 −1)/
x0 、(1−lnx0 )/x0 2 )により囲まれた領域D
内に(α、β)が存在しなければならないことがわか
る。
【0019】この発明は、本発明者による上記の検討に
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、この発明は、第1導電型の第1のクラ
ッド層(3)と、第1のクラッド層(3)上に積層され
た活性層(5)と、活性層(5)上に積層された第2導
電型の第2のクラッド層(7)とを有し、第1のクラッ
ド層(3)、活性層(5)および第2のクラッド層
(7)はII−VI族化合物半導体から成り、しきい値
電流Ith(A)、第1のクラッド層(3)、活性層
(5)および第2のクラッド層(7)により構成される
ダイオードの立ち上がり電圧Vth(V)、ダイオードの
立ち上がり後の微分抵抗Rs (Ω)、熱抵抗Rt (K/
W)、特性温度T0 (K)の特性でパルス発振する半導
体レーザーにおいて、 α≡(Rt /T0 )IthVth β≡(Rt /T0 )Rs Ith 2 で二つの量α、βを定義したとき、(α、β)が、αβ
平面上における、直線α=0、直線β=0およびtをパ
ラメータとする曲線((2lnt−1)/t、(1−ln
t)/t2 )により囲まれた領域内に存在することを特
徴とする半導体レーザーである。
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、この発明は、第1導電型の第1のクラ
ッド層(3)と、第1のクラッド層(3)上に積層され
た活性層(5)と、活性層(5)上に積層された第2導
電型の第2のクラッド層(7)とを有し、第1のクラッ
ド層(3)、活性層(5)および第2のクラッド層
(7)はII−VI族化合物半導体から成り、しきい値
電流Ith(A)、第1のクラッド層(3)、活性層
(5)および第2のクラッド層(7)により構成される
ダイオードの立ち上がり電圧Vth(V)、ダイオードの
立ち上がり後の微分抵抗Rs (Ω)、熱抵抗Rt (K/
W)、特性温度T0 (K)の特性でパルス発振する半導
体レーザーにおいて、 α≡(Rt /T0 )IthVth β≡(Rt /T0 )Rs Ith 2 で二つの量α、βを定義したとき、(α、β)が、αβ
平面上における、直線α=0、直線β=0およびtをパ
ラメータとする曲線((2lnt−1)/t、(1−ln
t)/t2 )により囲まれた領域内に存在することを特
徴とする半導体レーザーである。
【0020】この発明による半導体レーザーの一実施形
態においては、半導体レーザーは、第1のクラッド層
(3)と活性層(5)との間に第1の光導波層(4)を
有し、第2のクラッド層(7)と活性層(5)との間に
第2の光導波層(6)を有し、第1の光導波層(4)お
よび第2の光導波層(6)はII−VI族化合物半導体
から成る。
態においては、半導体レーザーは、第1のクラッド層
(3)と活性層(5)との間に第1の光導波層(4)を
有し、第2のクラッド層(7)と活性層(5)との間に
第2の光導波層(6)を有し、第1の光導波層(4)お
よび第2の光導波層(6)はII−VI族化合物半導体
から成る。
【0021】この発明による半導体レーザーの好適な一
実施形態においては、第1のクラッド層(3)および第
2のクラッド層(7)を構成するII−VI族化合物半
導体はZnMgSSe系化合物半導体である。もう一つ
の発明は、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のクラッド層は窒化物系II
I−V族化合物半導体から成り、 しきい値電流I
th (A)、第1のクラッド層、活性層および第2のクラ
ッド層により構成されるダイオードの立ち上がり電圧V
th (V)、ダイオードの立ち上がり後の微分抵抗R
s (Ω)、熱抵抗R t (K/W)、特性温度T 0 (K)
の特性でパルス発振する半導体レーザーにおいて、 α≡(R t /T 0 )I th V th β≡(R t /T 0 )R s I th 2 で二つの量α、βを定義したとき、(α、β)が、 αβ
平面上における、直線α=0、直線β=0およびtをパ
ラメータとする曲線((2lnt−1)/t、(1−ln
t)/t 2 )により囲まれた領域内に存在する ことを特
徴とする半導体レーザーである。 このもう一つの発明に
よる半導体レーザーの一実施形態においては、半導体レ
ーザーは、第1のクラッド層と活性層との間に第1の光
導波層を有し、第2のクラッド層と活性層との間に第2
の光導波層を有し、第1の光導波層および第2の光導波
層は窒化物系III−V族化合物半導体から成る。
実施形態においては、第1のクラッド層(3)および第
2のクラッド層(7)を構成するII−VI族化合物半
導体はZnMgSSe系化合物半導体である。もう一つ
の発明は、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のクラッド層は窒化物系II
I−V族化合物半導体から成り、 しきい値電流I
th (A)、第1のクラッド層、活性層および第2のクラ
ッド層により構成されるダイオードの立ち上がり電圧V
th (V)、ダイオードの立ち上がり後の微分抵抗R
s (Ω)、熱抵抗R t (K/W)、特性温度T 0 (K)
の特性でパルス発振する半導体レーザーにおいて、 α≡(R t /T 0 )I th V th β≡(R t /T 0 )R s I th 2 で二つの量α、βを定義したとき、(α、β)が、 αβ
平面上における、直線α=0、直線β=0およびtをパ
ラメータとする曲線((2lnt−1)/t、(1−ln
t)/t 2 )により囲まれた領域内に存在する ことを特
徴とする半導体レーザーである。 このもう一つの発明に
よる半導体レーザーの一実施形態においては、半導体レ
ーザーは、第1のクラッド層と活性層との間に第1の光
導波層を有し、第2のクラッド層と活性層との間に第2
の光導波層を有し、第1の光導波層および第2の光導波
層は窒化物系III−V族化合物半導体から成る。
【0022】
【作用】上述のようなこの発明によれば、しきい値電流
Ith(A)、ダイオードの立ち上がり電圧Vth(V)、
ダイオードの立ち上がり後の微分抵抗Rs (Ω)、熱抵
抗Rt (K/W)、特性温度T0 (K)の特性でパルス
発振する半導体レーザーにおいて、α≡(Rt /T0 )
IthVthおよびβ≡(Rt /T0 )Rs Ith 2 で二つの
量α、βを定義したときの(α、β)が、αβ平面上に
おける、直線α=0、直線β=0およびtをパラメータ
とする曲線((2lnt−1)/t、(1−lnt)/
t2 )により囲まれた領域内に存在するように設計製造
を行うことにより、室温をはじめとする高温で連続発振
可能なII−VI族化合物半導体または窒化物系III
−V族化合物半導体を用いた半導体レーザーを実現する
ことができる。
Ith(A)、ダイオードの立ち上がり電圧Vth(V)、
ダイオードの立ち上がり後の微分抵抗Rs (Ω)、熱抵
抗Rt (K/W)、特性温度T0 (K)の特性でパルス
発振する半導体レーザーにおいて、α≡(Rt /T0 )
IthVthおよびβ≡(Rt /T0 )Rs Ith 2 で二つの
量α、βを定義したときの(α、β)が、αβ平面上に
おける、直線α=0、直線β=0およびtをパラメータ
とする曲線((2lnt−1)/t、(1−lnt)/
t2 )により囲まれた領域内に存在するように設計製造
を行うことにより、室温をはじめとする高温で連続発振
可能なII−VI族化合物半導体または窒化物系III
−V族化合物半導体を用いた半導体レーザーを実現する
ことができる。
【0023】特に、II−VI族化合物半導体の一種で
あるZnMgSSe系化合物半導体をクラッド層や光導
波層などの材料として用いることにより、例えば青色な
いし緑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、さらには活性層の材料の選択によっては近紫外
域の波長で発光が可能な半導体レーザーを実現すること
もできる。
あるZnMgSSe系化合物半導体をクラッド層や光導
波層などの材料として用いることにより、例えば青色な
いし緑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、さらには活性層の材料の選択によっては近紫外
域の波長で発光が可能な半導体レーザーを実現すること
もできる。
【0024】
【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。なお、実施例の全図において、同一
または対応する部分には同一の符号を付す。
しながら説明する。なお、実施例の全図において、同一
または対応する部分には同一の符号を付す。
【0025】図3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SCH(Separate Confinement Heterostructure) 構
造を有するものである。
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SCH(Separate Confinement Heterostructure) 構
造を有するものである。
【0026】図3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、例えばn型不純物としてS
iがドープされた(100)面方位のn型GaAs基板
1上に、例えばn型不純物としてClがドープされたn
型ZnSeバッファ層2、例えばn型不純物としてCl
がドープされたn型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッ
ド層3、例えばn型不純物としてClがドープされたn
型ZnSe光導波層4、活性層5、例えばp型不純物と
してNがドープされたp型ZnSe光導波層6、例えば
p型不純物としてNがドープされたp型Zn1-p Mgp
Sq Se1-q クラッド層7、例えばp型不純物としてN
がドープされたp型ZnSv Se1-v 層8および例えば
p型不純物としてNがドープされたp型ZnSeコンタ
クト層9が順次積層されている。
半導体レーザーにおいては、例えばn型不純物としてS
iがドープされた(100)面方位のn型GaAs基板
1上に、例えばn型不純物としてClがドープされたn
型ZnSeバッファ層2、例えばn型不純物としてCl
がドープされたn型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッ
ド層3、例えばn型不純物としてClがドープされたn
型ZnSe光導波層4、活性層5、例えばp型不純物と
してNがドープされたp型ZnSe光導波層6、例えば
p型不純物としてNがドープされたp型Zn1-p Mgp
Sq Se1-q クラッド層7、例えばp型不純物としてN
がドープされたp型ZnSv Se1-v 層8および例えば
p型不純物としてNがドープされたp型ZnSeコンタ
クト層9が順次積層されている。
【0027】この場合、p型ZnSeコンタクト層9お
よびp型ZnSv Se1-v 層8の上層部はストライプ形
状にパターニングされている。このストライプ部の幅は
例えば5μmである。
よびp型ZnSv Se1-v 層8の上層部はストライプ形
状にパターニングされている。このストライプ部の幅は
例えば5μmである。
【0028】さらに、上述のストライプ部以外の部分の
p型ZnSv Se1-v 層8上には、例えば厚さが300
nmのアルミナ(Al2 O3 )膜から成る絶縁層10が
形成されている。そして、ストライプ形状のp型ZnS
eコンタクト層9および絶縁層10上にp側電極11が
形成されている。このp側電極11がp型ZnSeコン
タクト層9とコンタクトした部分が電流の通路となる。
ここで、このp側電極11としては、例えば、厚さが1
0nmのPd膜と厚さが100nmのPt膜と厚さが3
00nmのAu膜とを順次積層した構造のAu/Pt/
Pd電極が用いられる。一方、n型GaAs基板1の裏
面には、例えばIn電極のようなn側電極12がコンタ
クトしている。
p型ZnSv Se1-v 層8上には、例えば厚さが300
nmのアルミナ(Al2 O3 )膜から成る絶縁層10が
形成されている。そして、ストライプ形状のp型ZnS
eコンタクト層9および絶縁層10上にp側電極11が
形成されている。このp側電極11がp型ZnSeコン
タクト層9とコンタクトした部分が電流の通路となる。
ここで、このp側電極11としては、例えば、厚さが1
0nmのPd膜と厚さが100nmのPt膜と厚さが3
00nmのAu膜とを順次積層した構造のAu/Pt/
Pd電極が用いられる。一方、n型GaAs基板1の裏
面には、例えばIn電極のようなn側電極12がコンタ
クトしている。
【0029】この第1実施例による半導体レーザーにお
いては、いわゆる端面コーティングが施されている。す
なわち、図4はこの第1実施例による半導体レーザーの
共振器長方向に平行な断面を示す。図4に示すように、
共振器長方向に垂直な一対の共振器端面のうちレーザー
光が取り出されるフロント側の端面には厚さ74nmの
Al2 O3 膜13と厚さ31nmのSi膜14とから成
る多層膜がコーティングされ、共振器長方向に垂直な一
対の共振器端面のうちレーザー光が取り出されないリア
側の端面には厚さ74nmのAl2 O3 膜13と厚さ3
1nmのSi膜14とを2周期積層した多層膜がコーテ
ィングされている。ここで、Al2 O3膜13とSi膜
14とから成る多層膜の厚さは、それに屈折率をかけた
光学的距離が、レーザー光の発振波長の1/4に等しく
なるように選ばれている。この場合、フロント側の端面
の反射率は70%であり、リア側の端面の反射率は95
%である。
いては、いわゆる端面コーティングが施されている。す
なわち、図4はこの第1実施例による半導体レーザーの
共振器長方向に平行な断面を示す。図4に示すように、
共振器長方向に垂直な一対の共振器端面のうちレーザー
光が取り出されるフロント側の端面には厚さ74nmの
Al2 O3 膜13と厚さ31nmのSi膜14とから成
る多層膜がコーティングされ、共振器長方向に垂直な一
対の共振器端面のうちレーザー光が取り出されないリア
側の端面には厚さ74nmのAl2 O3 膜13と厚さ3
1nmのSi膜14とを2周期積層した多層膜がコーテ
ィングされている。ここで、Al2 O3膜13とSi膜
14とから成る多層膜の厚さは、それに屈折率をかけた
光学的距離が、レーザー光の発振波長の1/4に等しく
なるように選ばれている。この場合、フロント側の端面
の反射率は70%であり、リア側の端面の反射率は95
%である。
【0030】この第1実施例においては、活性層5は好
適には厚さが2〜20nm、例えば厚さが9nmのi型
Zn1-z Cdz Se量子井戸層から成る単一量子井戸構
造を有する。この場合、n型ZnSe光導波層4および
p型ZnSe光導波層6が障壁層を構成する。
適には厚さが2〜20nm、例えば厚さが9nmのi型
Zn1-z Cdz Se量子井戸層から成る単一量子井戸構
造を有する。この場合、n型ZnSe光導波層4および
p型ZnSe光導波層6が障壁層を構成する。
【0031】n型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド
層3およびp型Zn1-p Mgp SqSe1-q クラッド層
7のMg組成比pは例えば0.09、またS組成比qは
例えば0.18であり、そのときのバンドギャップEg
は77Kで約2.94eVである。これらのMg組成比
p=0.09およびS組成比q=0.18を有するn型
Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層3およびp型Z
n1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層7はGaAsと格
子整合する。また、活性層5を構成するi型Zn1-z C
dz Se量子井戸層のCd組成比zは例えば0.19で
あり、そのときのバンドギャップEg は77Kで約2.
54eVである。この場合、n型Zn1-p Mgp Sq S
e1-q クラッド層3およびp型Zn1-p Mgp Sq Se
1-q クラッド層7と活性層5を構成するi型Zn1-z C
dz Se量子井戸層との間のバンドギャップEg の差Δ
Eg は0.40eVである。なお、室温でのバンドギャ
ップEg の値は、77KでのバンドギャップEg の値か
ら0.1eVを引くことにより求めることができる。
層3およびp型Zn1-p Mgp SqSe1-q クラッド層
7のMg組成比pは例えば0.09、またS組成比qは
例えば0.18であり、そのときのバンドギャップEg
は77Kで約2.94eVである。これらのMg組成比
p=0.09およびS組成比q=0.18を有するn型
Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層3およびp型Z
n1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層7はGaAsと格
子整合する。また、活性層5を構成するi型Zn1-z C
dz Se量子井戸層のCd組成比zは例えば0.19で
あり、そのときのバンドギャップEg は77Kで約2.
54eVである。この場合、n型Zn1-p Mgp Sq S
e1-q クラッド層3およびp型Zn1-p Mgp Sq Se
1-q クラッド層7と活性層5を構成するi型Zn1-z C
dz Se量子井戸層との間のバンドギャップEg の差Δ
Eg は0.40eVである。なお、室温でのバンドギャ
ップEg の値は、77KでのバンドギャップEg の値か
ら0.1eVを引くことにより求めることができる。
【0032】この場合、n型Zn1-p Mgp Sq Se
1-q クラッド層3の厚さは例えば1.5μmであり、不
純物濃度はND −NA (ND :ドナー濃度、NA :アク
セプタ濃度)で例えば5×1017cm-3である。n型Z
nSe光導波層4の厚さは例えば80nmであり、不純
物濃度はND −NA で例えば5×1017cm-3である。
また、p型ZnSe光導波層6の厚さは例えば80nm
であり、不純物濃度はNA −ND で例えば5×1017c
m-3である。p型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド
層7の厚さは例えば0.8μmであり、不純物濃度はN
A −ND で例えば2×1017cm-3である。p型ZnS
v Se1-v 層8の厚さは例えば0.8μmであり、不純
物濃度はNA −ND で例えば8×1017cm-3である。
p型ZnSeコンタクト層9の厚さは例えば45nmで
あり、不純物濃度はNA −ND で例えば8×1017cm
-3である。
1-q クラッド層3の厚さは例えば1.5μmであり、不
純物濃度はND −NA (ND :ドナー濃度、NA :アク
セプタ濃度)で例えば5×1017cm-3である。n型Z
nSe光導波層4の厚さは例えば80nmであり、不純
物濃度はND −NA で例えば5×1017cm-3である。
また、p型ZnSe光導波層6の厚さは例えば80nm
であり、不純物濃度はNA −ND で例えば5×1017c
m-3である。p型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド
層7の厚さは例えば0.8μmであり、不純物濃度はN
A −ND で例えば2×1017cm-3である。p型ZnS
v Se1-v 層8の厚さは例えば0.8μmであり、不純
物濃度はNA −ND で例えば8×1017cm-3である。
p型ZnSeコンタクト層9の厚さは例えば45nmで
あり、不純物濃度はNA −ND で例えば8×1017cm
-3である。
【0033】また、n型ZnSeバッファ層2の厚さ
は、ZnSeとGaAsとの間にはわずかではあるが格
子不整合が存在することから、この格子不整合に起因し
てこのn型ZnSeバッファ層2およびその上の各層の
エピタキシャル成長時に転位が発生するのを防止するた
めに、ZnSeの臨界膜厚(〜100nm)よりも十分
に小さく選ばれるが、この第1実施例においては例えば
33nmである。
は、ZnSeとGaAsとの間にはわずかではあるが格
子不整合が存在することから、この格子不整合に起因し
てこのn型ZnSeバッファ層2およびその上の各層の
エピタキシャル成長時に転位が発生するのを防止するた
めに、ZnSeの臨界膜厚(〜100nm)よりも十分
に小さく選ばれるが、この第1実施例においては例えば
33nmである。
【0034】この第1実施例による半導体レーザーの共
振器長Lは例えば640μmに選ばれ、この共振器長方
向に垂直な方向の幅は例えば400μmに選ばれる。
振器長Lは例えば640μmに選ばれ、この共振器長方
向に垂直な方向の幅は例えば400μmに選ばれる。
【0035】この第1実施例において、p型Zn1-p M
gp Sq Se1-q クラッド層7上に積層されたp型Zn
Sv Se1-v 層8は、場合に応じて、p型Zn1-p Mg
p Sq Se1-q クラッド層7に加えた第2のp型クラッ
ド層としての機能、p型Zn1-p Mgp Sq Se1-q ク
ラッド層7との格子整合をとる機能、後述のヒートシン
ク上へのレーザーチップのマウントの際のチップ端面に
おけるはんだの這い上がりによる短絡を防止するための
スペーサ層としての機能などのうちの一または二以上の
機能を有する。p型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッ
ド層7のMg組成比pおよびS組成比qとの兼ね合いも
あるが、このp型ZnSv Se1-v 層8のS組成比vは
0<v≦0.1、好ましくは0.06≦v≦0.08の
範囲内に選ばれ、特に、p型Zn1-p Mgp Sq Se
1-q クラッド層7との格子整合をとるために最適なS組
成比vは0.06である。
gp Sq Se1-q クラッド層7上に積層されたp型Zn
Sv Se1-v 層8は、場合に応じて、p型Zn1-p Mg
p Sq Se1-q クラッド層7に加えた第2のp型クラッ
ド層としての機能、p型Zn1-p Mgp Sq Se1-q ク
ラッド層7との格子整合をとる機能、後述のヒートシン
ク上へのレーザーチップのマウントの際のチップ端面に
おけるはんだの這い上がりによる短絡を防止するための
スペーサ層としての機能などのうちの一または二以上の
機能を有する。p型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッ
ド層7のMg組成比pおよびS組成比qとの兼ね合いも
あるが、このp型ZnSv Se1-v 層8のS組成比vは
0<v≦0.1、好ましくは0.06≦v≦0.08の
範囲内に選ばれ、特に、p型Zn1-p Mgp Sq Se
1-q クラッド層7との格子整合をとるために最適なS組
成比vは0.06である。
【0036】このようにp型Zn1-p Mgp Sq Se
1-q クラッド層7上にp型ZnSv Se1-v 層8が積層
されていることにより、以下のような種々の利点を得る
ことができる。すなわち、このp型ZnSv Se1-v 層
8を第2のp型クラッド層として用いる場合には、二元
系や三元系のII−VI族化合物半導体ほどにはエピタ
キシャル成長が容易でないp型Zn1-p Mgp Sq Se
1-q クラッド層7の厚さを最小限にすることができ、従
って半導体レーザーの製造もその分だけ容易になる。ま
た、p型クラッド層の全体の厚さを同一とした場合、p
型クラッド層をp型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッ
ド層7だけで構成した場合に比べて、p型クラッド層を
p型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層7とp型Z
nSv Se1-v 層8とで構成した場合の方がp型クラッ
ド層の抵抗を低くすることができる。特に、上述のよう
に例えば厚さが0.8μm程度、NA −ND が2×10
17cm-3程度のp型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッ
ド層7および厚さが0.8μm程度、NA −ND が8×
1017cm-3程度のp型ZnSv Se1-v 層8を用いた
場合には、光閉じ込め特性およびキャリア閉じ込め特性
を劣化させることなく、p型クラッド層全体の抵抗を十
分に低くすることができる。
1-q クラッド層7上にp型ZnSv Se1-v 層8が積層
されていることにより、以下のような種々の利点を得る
ことができる。すなわち、このp型ZnSv Se1-v 層
8を第2のp型クラッド層として用いる場合には、二元
系や三元系のII−VI族化合物半導体ほどにはエピタ
キシャル成長が容易でないp型Zn1-p Mgp Sq Se
1-q クラッド層7の厚さを最小限にすることができ、従
って半導体レーザーの製造もその分だけ容易になる。ま
た、p型クラッド層の全体の厚さを同一とした場合、p
型クラッド層をp型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッ
ド層7だけで構成した場合に比べて、p型クラッド層を
p型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層7とp型Z
nSv Se1-v 層8とで構成した場合の方がp型クラッ
ド層の抵抗を低くすることができる。特に、上述のよう
に例えば厚さが0.8μm程度、NA −ND が2×10
17cm-3程度のp型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッ
ド層7および厚さが0.8μm程度、NA −ND が8×
1017cm-3程度のp型ZnSv Se1-v 層8を用いた
場合には、光閉じ込め特性およびキャリア閉じ込め特性
を劣化させることなく、p型クラッド層全体の抵抗を十
分に低くすることができる。
【0037】また、p型ZnSeコンタクト層9をp型
Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層7上に直接積層
するとこれらの層の間に格子不整合が存在することによ
り結晶性の劣化が生じやすいが、p型Zn1-p Mgp S
q Se1-q クラッド層7上にこれと格子定数がほぼ一致
するp型ZnSv Se1-v 層8を積層し、このp型Zn
Sv Se1-v 層8上にp型ZnSeコンタクト層9を積
層しているので、これらのp型ZnSv Se1-v 層8お
よびp型ZnSeコンタクト層9の結晶性を良好にする
ことができる。
Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層7上に直接積層
するとこれらの層の間に格子不整合が存在することによ
り結晶性の劣化が生じやすいが、p型Zn1-p Mgp S
q Se1-q クラッド層7上にこれと格子定数がほぼ一致
するp型ZnSv Se1-v 層8を積層し、このp型Zn
Sv Se1-v 層8上にp型ZnSeコンタクト層9を積
層しているので、これらのp型ZnSv Se1-v 層8お
よびp型ZnSeコンタクト層9の結晶性を良好にする
ことができる。
【0038】さらに、p型ZnSv Se1-v 層8の厚さ
を十分に大きくすることにより、レーザーチップをヒー
トシンク上にマウントする際にこのマウントに使用され
るはんだがレーザーチップの端面を這い上がってp側と
n側とが短絡されるのを有効に防止することができる。
すなわち、図5に示すように、レーザーチップをp側電
極11を下側にしてpサイド・ダウンでヒートシンク4
1上にマウントする際には、はんだ42が実線で示すよ
うにレーザーチップとヒートシンク41との間だけに存
在すれば問題ないが、仮にはんだ付けが良好に行われな
かったためにレーザーチップ端面を一点鎖線で示すよう
にはんだ42が例えば線状に這い上がったとしても、p
型ZnSv Se1-v 層8の厚さが十分に大きいことによ
り、このレーザーチップ端面を這い上がったはんだ42
が活性層5を超えてn型ZnSe光導波層4やn型Zn
1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層3などに到達するの
を防止することができ、通常は活性層5よりもずっと手
前ではんだ42の這い上がりを阻止することができる。
これによって、レーザーチップのマウントの際にそのp
側とn側とが短絡するのを防止することができ、従って
レーザーチップのマウントが容易になる。
を十分に大きくすることにより、レーザーチップをヒー
トシンク上にマウントする際にこのマウントに使用され
るはんだがレーザーチップの端面を這い上がってp側と
n側とが短絡されるのを有効に防止することができる。
すなわち、図5に示すように、レーザーチップをp側電
極11を下側にしてpサイド・ダウンでヒートシンク4
1上にマウントする際には、はんだ42が実線で示すよ
うにレーザーチップとヒートシンク41との間だけに存
在すれば問題ないが、仮にはんだ付けが良好に行われな
かったためにレーザーチップ端面を一点鎖線で示すよう
にはんだ42が例えば線状に這い上がったとしても、p
型ZnSv Se1-v 層8の厚さが十分に大きいことによ
り、このレーザーチップ端面を這い上がったはんだ42
が活性層5を超えてn型ZnSe光導波層4やn型Zn
1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層3などに到達するの
を防止することができ、通常は活性層5よりもずっと手
前ではんだ42の這い上がりを阻止することができる。
これによって、レーザーチップのマウントの際にそのp
側とn側とが短絡するのを防止することができ、従って
レーザーチップのマウントが容易になる。
【0039】次に、上述のように構成されたこの第1実
施例による半導体レーザーの製造方法について説明す
る。
施例による半導体レーザーの製造方法について説明す
る。
【0040】図6はこの第1実施例による半導体レーザ
ーの製造方法においてレーザー構造を形成する各層をエ
ピタキシャル成長させるのに使用される分子線エピタキ
シー(MBE)装置を示す。図6に示すように、このM
BE装置は、ゲートバルブ51を介して取り付けられた
超高真空排気装置52により超高真空に排気可能な真空
容器53内に、複数の分子線源(Kセル)54と、エピ
タキシャル成長を行うべき基板を保持する基板ホルダー
55と、電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマセ
ル56とを備えている。
ーの製造方法においてレーザー構造を形成する各層をエ
ピタキシャル成長させるのに使用される分子線エピタキ
シー(MBE)装置を示す。図6に示すように、このM
BE装置は、ゲートバルブ51を介して取り付けられた
超高真空排気装置52により超高真空に排気可能な真空
容器53内に、複数の分子線源(Kセル)54と、エピ
タキシャル成長を行うべき基板を保持する基板ホルダー
55と、電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマセ
ル56とを備えている。
【0041】この第1実施例による半導体レーザーを製
造するには、まず、図6に示すMBE装置の真空容器5
3内の基板ホルダー55にn型GaAs基板1を装着
し、このn型GaAs基板1を成長温度に比べて十分に
高い温度、例えば580℃に加熱して表面の清浄化を行
った後、このn型GaAs基板1を所定のエピタキシャ
ル成長温度、好ましくは250〜300℃の範囲内の温
度、より好ましくは280〜300℃の範囲内の温度、
具体的には例えば295℃に下げてエピタキシャル成長
を開始する。すなわち、n型GaAs基板1上に、MB
E法により、n型ZnSeバッファ層2、n型Zn1-p
Mgp Sq Se1-q クラッド層3、n型ZnSe光導波
層4、i型Zn1-z Cdz Se量子井戸層から成る活性
層5、p型ZnSe光導波層6、p型Zn1-p Mgp S
q Se1-q クラッド層7、p型ZnSv Se1-v 層8お
よびp型ZnSeコンタクト層9を順次エピタキシャル
成長させる。この場合、これらの層を良好な結晶性でエ
ピタキシャル成長させることができ、従って半導体レー
ザーの光出力の減少などの劣化を抑えることができ、高
い信頼性を得ることができる。
造するには、まず、図6に示すMBE装置の真空容器5
3内の基板ホルダー55にn型GaAs基板1を装着
し、このn型GaAs基板1を成長温度に比べて十分に
高い温度、例えば580℃に加熱して表面の清浄化を行
った後、このn型GaAs基板1を所定のエピタキシャ
ル成長温度、好ましくは250〜300℃の範囲内の温
度、より好ましくは280〜300℃の範囲内の温度、
具体的には例えば295℃に下げてエピタキシャル成長
を開始する。すなわち、n型GaAs基板1上に、MB
E法により、n型ZnSeバッファ層2、n型Zn1-p
Mgp Sq Se1-q クラッド層3、n型ZnSe光導波
層4、i型Zn1-z Cdz Se量子井戸層から成る活性
層5、p型ZnSe光導波層6、p型Zn1-p Mgp S
q Se1-q クラッド層7、p型ZnSv Se1-v 層8お
よびp型ZnSeコンタクト層9を順次エピタキシャル
成長させる。この場合、これらの層を良好な結晶性でエ
ピタキシャル成長させることができ、従って半導体レー
ザーの光出力の減少などの劣化を抑えることができ、高
い信頼性を得ることができる。
【0042】上述のMBE法によるエピタキシャル成長
においては、Zn原料としては純度99.9999%の
Znを用い、Mg原料としては純度99.9%のMgを
用い、S原料としては99.9999%のZnSを用
い、Se原料としては純度99.9999%のSeを用
いる。また、n型ZnSeバッファ層2、n型Zn1-p
Mgp Sq Se1-q クラッド層3およびn型ZnSe光
導波層4のn型不純物としてのClのドーピングは例え
ば純度99.9999%のZnCl2 をドーパントとし
て用いて行う。一方、p型ZnSe光導波層6、p型Z
n1-p Mgp SqSe1-q クラッド層7およびp型Zn
Seコンタクト層9のp型不純物としてのNのドーピン
グは、ECRにより発生されたN2 プラズマを照射する
ことにより行う。
においては、Zn原料としては純度99.9999%の
Znを用い、Mg原料としては純度99.9%のMgを
用い、S原料としては99.9999%のZnSを用
い、Se原料としては純度99.9999%のSeを用
いる。また、n型ZnSeバッファ層2、n型Zn1-p
Mgp Sq Se1-q クラッド層3およびn型ZnSe光
導波層4のn型不純物としてのClのドーピングは例え
ば純度99.9999%のZnCl2 をドーパントとし
て用いて行う。一方、p型ZnSe光導波層6、p型Z
n1-p Mgp SqSe1-q クラッド層7およびp型Zn
Seコンタクト層9のp型不純物としてのNのドーピン
グは、ECRにより発生されたN2 プラズマを照射する
ことにより行う。
【0043】次に、p型ZnSeコンタクト層9上に所
定幅のストライプ形状のレジストパターン(図示せず)
を形成した後、このレジストパターンをマスクとしてp
型ZnSv Se1-v 層8の厚さ方向の途中までウエット
エッチング法によりエッチングする。これによって、p
型ZnSeコンタクト層9およびp型ZnSv Se1-v
層8の上層部がストライプ形状にパターニングされる。
定幅のストライプ形状のレジストパターン(図示せず)
を形成した後、このレジストパターンをマスクとしてp
型ZnSv Se1-v 層8の厚さ方向の途中までウエット
エッチング法によりエッチングする。これによって、p
型ZnSeコンタクト層9およびp型ZnSv Se1-v
層8の上層部がストライプ形状にパターニングされる。
【0044】次に、上述のエッチングに用いたレジスト
パターンを残したまま全面にAl2O3 膜を真空蒸着し
た後、このレジストパターンを、その上に形成されたA
l2O3 膜とともに除去する(リフトオフ)。これによ
って、ストライプ部以外の部分のp型ZnSv Se1-v
層8上にのみAl2 O3 膜から成る絶縁層10が形成さ
れる。
パターンを残したまま全面にAl2O3 膜を真空蒸着し
た後、このレジストパターンを、その上に形成されたA
l2O3 膜とともに除去する(リフトオフ)。これによ
って、ストライプ部以外の部分のp型ZnSv Se1-v
層8上にのみAl2 O3 膜から成る絶縁層10が形成さ
れる。
【0045】次に、ストライプ形状のp型ZnSeコン
タクト層9および絶縁層10の全面にPd膜、Pt膜お
よびAu膜を順次真空蒸着してAu/Pt/Pd電極か
ら成るp側電極11を形成し、その後必要に応じて熱処
理を行って、このp側電極11をp型ZnSeコンタク
ト層9にオーミックコンタクトさせる。一方、n型Ga
As基板1の裏面にはIn電極のようなn側電極12を
形成する。
タクト層9および絶縁層10の全面にPd膜、Pt膜お
よびAu膜を順次真空蒸着してAu/Pt/Pd電極か
ら成るp側電極11を形成し、その後必要に応じて熱処
理を行って、このp側電極11をp型ZnSeコンタク
ト層9にオーミックコンタクトさせる。一方、n型Ga
As基板1の裏面にはIn電極のようなn側電極12を
形成する。
【0046】この後、以上のようにしてレーザー構造が
形成されたn型GaAs基板1を例えば幅640μmの
バー状に劈開して両共振器端面を形成した後、真空蒸着
法により、フロント側の端面にAl2 O3 膜13とSi
膜14とから成る多層膜を形成するとともに、リア側の
端面にAl2 O3 膜13とSi膜14とを2周期繰り返
した多層膜を形成する。このように端面コーティングを
施した後、このバーを例えば幅400μmに劈開してチ
ップ化し、パッケージングを行う。
形成されたn型GaAs基板1を例えば幅640μmの
バー状に劈開して両共振器端面を形成した後、真空蒸着
法により、フロント側の端面にAl2 O3 膜13とSi
膜14とから成る多層膜を形成するとともに、リア側の
端面にAl2 O3 膜13とSi膜14とを2周期繰り返
した多層膜を形成する。このように端面コーティングを
施した後、このバーを例えば幅400μmに劈開してチ
ップ化し、パッケージングを行う。
【0047】この第1実施例による半導体レーザーの室
温(296K)における光出力−電流特性を注入電流を
連続的に流した場合とパルス的に流した場合とについて
測定した結果を図7に示す。測定は、図5に示すよう
に、レーザーチップを例えば銅製のヒートシンク41上
にpサイド・ダウンでマウントして行った。図7からわ
かるように、注入電流を連続的に流した場合のしきい値
電流Ithは約45mAであり、これは約1.5kA/c
m2 のしきい値電流密度Jthに対応する。一方、注入電
流をパルス的に流した場合のしきい値電流Ithは約42
mAである。ここで、注入電流を連続的に流した場合の
光出力−電流特性の測定は、注入電流を500mA/秒
の速さで0から100mAに増加させて行った。一方、
注入電流をパルス的に流した場合の光出力−電流特性の
測定は、注入電流のパルス幅2μs、繰り返し速度1m
sで行った。図7からわかるように、注入電流をパルス
的に流した場合および連続的に流した場合のスロープ効
率Sd はそれぞれ0.34W/Aおよび0.31W/A
である。レーザー発振のしきい値におけるp側電極11
およびn側電極12間の印加電圧は約17Vである。
温(296K)における光出力−電流特性を注入電流を
連続的に流した場合とパルス的に流した場合とについて
測定した結果を図7に示す。測定は、図5に示すよう
に、レーザーチップを例えば銅製のヒートシンク41上
にpサイド・ダウンでマウントして行った。図7からわ
かるように、注入電流を連続的に流した場合のしきい値
電流Ithは約45mAであり、これは約1.5kA/c
m2 のしきい値電流密度Jthに対応する。一方、注入電
流をパルス的に流した場合のしきい値電流Ithは約42
mAである。ここで、注入電流を連続的に流した場合の
光出力−電流特性の測定は、注入電流を500mA/秒
の速さで0から100mAに増加させて行った。一方、
注入電流をパルス的に流した場合の光出力−電流特性の
測定は、注入電流のパルス幅2μs、繰り返し速度1m
sで行った。図7からわかるように、注入電流をパルス
的に流した場合および連続的に流した場合のスロープ効
率Sd はそれぞれ0.34W/Aおよび0.31W/A
である。レーザー発振のしきい値におけるp側電極11
およびn側電極12間の印加電圧は約17Vである。
【0048】図8はこの第1実施例による半導体レーザ
ーを室温(296K)で発振させたときの発光スペクト
ルの測定結果を示す。図8からわかるように、パルス動
作させた場合および連続動作させた場合においてそれぞ
れ521.6nmおよび523.5nmの波長で誘導放
出が観測される。
ーを室温(296K)で発振させたときの発光スペクト
ルの測定結果を示す。図8からわかるように、パルス動
作させた場合および連続動作させた場合においてそれぞ
れ521.6nmおよび523.5nmの波長で誘導放
出が観測される。
【0049】この第1実施例による半導体レーザーに対
するα、βの値は次の通りである。すなわち、上述の測
定結果より、Ith(pulse)=42mA=0.042A、
Vth=17Vである。また、Rs =10Ω、Rt =23
K/W、T0 =150Kである。これらの値を(10)式
および(11)式に代入してα、βを計算すると、α=
0.11、β=0.0027となる。図2に(α、β)
=(0.11、0.0027)を黒丸でプロットした。
図2より、(0.11、0.0027)は確かに領域D
内にあることがわかる。逆に言えば、(α、β)が図2
の領域D内に存在するように半導体レーザーの設計製造
が行われていることにより、上述のように室温連続発振
が可能となったのである。なお、図2には、参考のため
に、AlGaAs系化合物半導体を用いた半導体レーザ
ーに対する(α、β)と、AlGaInP系化合物半導
体を用いた半導体レーザーに対する(α、β)とを白丸
でプロットしてあるが、いずれも領域D内に存在してい
ることがわかる。
するα、βの値は次の通りである。すなわち、上述の測
定結果より、Ith(pulse)=42mA=0.042A、
Vth=17Vである。また、Rs =10Ω、Rt =23
K/W、T0 =150Kである。これらの値を(10)式
および(11)式に代入してα、βを計算すると、α=
0.11、β=0.0027となる。図2に(α、β)
=(0.11、0.0027)を黒丸でプロットした。
図2より、(0.11、0.0027)は確かに領域D
内にあることがわかる。逆に言えば、(α、β)が図2
の領域D内に存在するように半導体レーザーの設計製造
が行われていることにより、上述のように室温連続発振
が可能となったのである。なお、図2には、参考のため
に、AlGaAs系化合物半導体を用いた半導体レーザ
ーに対する(α、β)と、AlGaInP系化合物半導
体を用いた半導体レーザーに対する(α、β)とを白丸
でプロットしてあるが、いずれも領域D内に存在してい
ることがわかる。
【0050】以上の計算においては、活性層5を構成す
るi型Zn1-z Cdz Se量子井戸層のCd組成比zを
0.19としているが、例えばこのCd組成比zを0.
13としたときのα、βの値は次のようになる。すなわ
ち、この場合、Ith(pulse)=200mA=0.2A、
Vth=6Vとなる。一方、Rs 、Rt 、T0 の値は上述
と同じとする。これらの値を用いてα、βを計算する
と、α=0.18、β=0.061となる。図2に
(α、β)=(0.18、0.061)を黒丸でプロッ
トした。図2より、(0.18、0.061)も領域D
内に存在していることがわかる。
るi型Zn1-z Cdz Se量子井戸層のCd組成比zを
0.19としているが、例えばこのCd組成比zを0.
13としたときのα、βの値は次のようになる。すなわ
ち、この場合、Ith(pulse)=200mA=0.2A、
Vth=6Vとなる。一方、Rs 、Rt 、T0 の値は上述
と同じとする。これらの値を用いてα、βを計算する
と、α=0.18、β=0.061となる。図2に
(α、β)=(0.18、0.061)を黒丸でプロッ
トした。図2より、(0.18、0.061)も領域D
内に存在していることがわかる。
【0051】なお、一般に、活性層5を構成するi型Z
n1-z Cdz Se量子井戸層のCd組成比zを大きくす
ると、Ith(pulse)は減少し、T0 は大きくなる。ま
た、n型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層3およ
びp型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層7のMg
組成比pおよびS組成比qを大きくすると、バンドギャ
ップEg は増大し、Ith(pulse)は減少し、T0 は大き
くなり、Rs は増大し、Rt は増大する。さらに、n型
ZnSe光導波層4の不純物濃度および/またはp型Z
nSe光導波層6の不純物濃度を高くすると、Rs は減
少し、T0 は減少する。また、端面コーティングを行う
と、Ith(pulse)は減少する。
n1-z Cdz Se量子井戸層のCd組成比zを大きくす
ると、Ith(pulse)は減少し、T0 は大きくなる。ま
た、n型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層3およ
びp型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層7のMg
組成比pおよびS組成比qを大きくすると、バンドギャ
ップEg は増大し、Ith(pulse)は減少し、T0 は大き
くなり、Rs は増大し、Rt は増大する。さらに、n型
ZnSe光導波層4の不純物濃度および/またはp型Z
nSe光導波層6の不純物濃度を高くすると、Rs は減
少し、T0 は減少する。また、端面コーティングを行う
と、Ith(pulse)は減少する。
【0052】以上のように、この第1実施例によれば、
室温において波長523.5nmで連続発振可能な緑色
発光でしかも低しきい値電流密度のSCH構造を有する
半導体レーザーを実現することができる。そして、この
半導体レーザーは、動作時の発熱が少なく、また、製造
が容易である。
室温において波長523.5nmで連続発振可能な緑色
発光でしかも低しきい値電流密度のSCH構造を有する
半導体レーザーを実現することができる。そして、この
半導体レーザーは、動作時の発熱が少なく、また、製造
が容易である。
【0053】なお、活性層5を構成するi型Zn1-z C
dz Se量子井戸層のCd組成比zを例えば0.05と
したときのバンドギャップEg は77Kで2.72eV
であり、n型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層3
およびp型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層7の
Mg組成比pおよびS組成比qを例えばそれぞれ0.1
7および0.24としたときのバンドギャップEg は7
7Kで3.07eVであり、そのときのn型Zn1-p M
gp Sq Se1-q クラッド層3およびp型Zn1-p Mg
p Sq Se1-q クラッド層7と活性層5を構成するi型
Zn1-z CdzSe量子井戸層との間のバンドギャップ
Eg の差ΔEg は0.35eVである。この場合、発振
波長は約473nmである。
dz Se量子井戸層のCd組成比zを例えば0.05と
したときのバンドギャップEg は77Kで2.72eV
であり、n型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層3
およびp型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層7の
Mg組成比pおよびS組成比qを例えばそれぞれ0.1
7および0.24としたときのバンドギャップEg は7
7Kで3.07eVであり、そのときのn型Zn1-p M
gp Sq Se1-q クラッド層3およびp型Zn1-p Mg
p Sq Se1-q クラッド層7と活性層5を構成するi型
Zn1-z CdzSe量子井戸層との間のバンドギャップ
Eg の差ΔEg は0.35eVである。この場合、発振
波長は約473nmである。
【0054】また、活性層5を構成するi型Zn1-z C
dz Se量子井戸層のCd組成比zを例えば0.10と
したときのバンドギャップEg は77Kで2.65eV
であり、n型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層3
およびp型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層7の
Mg組成比pおよびS組成比qを例えばそれぞれ0.1
3および0.21としたときのバンドギャップEg は7
7Kで3.00eVであり、そのときのn型Zn1-p M
gp Sq Se1-q クラッド層3およびp型Zn1-p Mg
p Sq Se1-q クラッド層7と活性層5を構成するi型
Zn1-z CdzSe量子井戸層との間のバンドギャップ
Eg の差ΔEg は0.35eVである。この場合、発振
波長は約486nmである。
dz Se量子井戸層のCd組成比zを例えば0.10と
したときのバンドギャップEg は77Kで2.65eV
であり、n型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層3
およびp型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層7の
Mg組成比pおよびS組成比qを例えばそれぞれ0.1
3および0.21としたときのバンドギャップEg は7
7Kで3.00eVであり、そのときのn型Zn1-p M
gp Sq Se1-q クラッド層3およびp型Zn1-p Mg
p Sq Se1-q クラッド層7と活性層5を構成するi型
Zn1-z CdzSe量子井戸層との間のバンドギャップ
Eg の差ΔEg は0.35eVである。この場合、発振
波長は約486nmである。
【0055】さらに、活性層5を構成するi型Zn1-z
Cdz Se量子井戸層のCd組成比zを例えば0.12
としたときのバンドギャップEg は77Kで2.62e
Vであり、n型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層
3およびp型Zn1-p MgpSq Se1-q クラッド層7
のMg組成比pおよびS組成比qを例えばそれぞれ0.
10および0.17としたときのバンドギャップEg は
77Kで2.97eVであり、そのときのn型Zn1-p
Mgp Sq Se1-q クラッド層3およびp型Zn1-p M
gp Sq Se1-q クラッド層7と活性層5を構成するi
型Zn1-z Cdz Se量子井戸層との間のバンドギャッ
プEg の差ΔEg は0.35eVである。この場合、発
振波長は約491nmである。
Cdz Se量子井戸層のCd組成比zを例えば0.12
としたときのバンドギャップEg は77Kで2.62e
Vであり、n型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層
3およびp型Zn1-p MgpSq Se1-q クラッド層7
のMg組成比pおよびS組成比qを例えばそれぞれ0.
10および0.17としたときのバンドギャップEg は
77Kで2.97eVであり、そのときのn型Zn1-p
Mgp Sq Se1-q クラッド層3およびp型Zn1-p M
gp Sq Se1-q クラッド層7と活性層5を構成するi
型Zn1-z Cdz Se量子井戸層との間のバンドギャッ
プEg の差ΔEg は0.35eVである。この場合、発
振波長は約491nmである。
【0056】また、活性層5を構成するi型Zn1-z C
dz Se量子井戸層のCd組成比zを例えば0.20と
したときのバンドギャップEg は77Kで2.51eV
であり、n型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層3
およびp型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層7の
Mg組成比pおよびS組成比qを例えばそれぞれ0.0
3および0.08としたときのバンドギャップEg は7
7Kで2.86eVであり、そのときのn型Zn1-p M
gp Sq Se1-q クラッド層3およびp型Zn1-p Mg
p Sq Se1-q クラッド層7と活性層5を構成するi型
Zn1-z CdzSe量子井戸層との間のバンドギャップ
Eg の差ΔEg は0.35eVである。この場合、発振
波長は約514nmである。
dz Se量子井戸層のCd組成比zを例えば0.20と
したときのバンドギャップEg は77Kで2.51eV
であり、n型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層3
およびp型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層7の
Mg組成比pおよびS組成比qを例えばそれぞれ0.0
3および0.08としたときのバンドギャップEg は7
7Kで2.86eVであり、そのときのn型Zn1-p M
gp Sq Se1-q クラッド層3およびp型Zn1-p Mg
p Sq Se1-q クラッド層7と活性層5を構成するi型
Zn1-z CdzSe量子井戸層との間のバンドギャップ
Eg の差ΔEg は0.35eVである。この場合、発振
波長は約514nmである。
【0057】図9はこの発明の第2実施例による半導体
レーザーを示す。この第2実施例による半導体レーザー
もSCH構造を有するものである。
レーザーを示す。この第2実施例による半導体レーザー
もSCH構造を有するものである。
【0058】図9に示すように、この第2実施例による
半導体レーザーにおいては、例えばn型不純物としてS
iがドープされた(100)面方位のn型GaAs基板
1上に、例えばn型不純物としてClがドープされたn
型ZnSeバッファ層2、例えばn型不純物としてCl
がドープされたn型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッ
ド層3、例えばn型不純物としてClがドープされたn
型ZnSe光導波層4、活性層5、例えばp型不純物と
してNがドープされたp型ZnSe光導波層6、例えば
p型不純物としてNがドープされたp型Zn1-p Mgp
Sq Se1-q クラッド層7、例えばp型不純物としてN
がドープされたp型ZnSv Se1-v 層8、例えばp型
不純物としてNがドープされたp型ZnSeコンタクト
層9、p型ZnTeから成る量子井戸層とp型ZnSe
から成る障壁層とを交互に積層したp型ZnTe/Zn
Se多重量子井戸(MQW)層15および例えばp型不
純物としてNがドープされたp型ZnTeコンタクト層
16が順次積層されている。p型ZnTe/ZnSeM
QW層15については後に詳細に説明する。
半導体レーザーにおいては、例えばn型不純物としてS
iがドープされた(100)面方位のn型GaAs基板
1上に、例えばn型不純物としてClがドープされたn
型ZnSeバッファ層2、例えばn型不純物としてCl
がドープされたn型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッ
ド層3、例えばn型不純物としてClがドープされたn
型ZnSe光導波層4、活性層5、例えばp型不純物と
してNがドープされたp型ZnSe光導波層6、例えば
p型不純物としてNがドープされたp型Zn1-p Mgp
Sq Se1-q クラッド層7、例えばp型不純物としてN
がドープされたp型ZnSv Se1-v 層8、例えばp型
不純物としてNがドープされたp型ZnSeコンタクト
層9、p型ZnTeから成る量子井戸層とp型ZnSe
から成る障壁層とを交互に積層したp型ZnTe/Zn
Se多重量子井戸(MQW)層15および例えばp型不
純物としてNがドープされたp型ZnTeコンタクト層
16が順次積層されている。p型ZnTe/ZnSeM
QW層15については後に詳細に説明する。
【0059】この場合、p型ZnTeコンタクト層1
6、p型ZnTe/ZnSeMQW層15、p型ZnS
eコンタクト層9およびp型ZnSv Se1-v 層8の上
層部はストライプ形状にパターニングされている。この
ストライプ部の幅は例えば5μmである。
6、p型ZnTe/ZnSeMQW層15、p型ZnS
eコンタクト層9およびp型ZnSv Se1-v 層8の上
層部はストライプ形状にパターニングされている。この
ストライプ部の幅は例えば5μmである。
【0060】上述のストライプ部以外の部分のp型Zn
Sv Se1-v 層8上にAl2 O3 膜から成る絶縁層10
が形成されていることは、第1実施例と同様である。こ
の場合、ストライプ形状のp型ZnTeコンタクト層1
6および絶縁層10上にp側電極11が形成されてい
る。このp側電極11としては、例えば、第1実施例と
同様なAu/Pt/Pd電極が用いられる。n型GaA
s基板1の裏面にIn電極のようなn側電極12がコン
タクトしているのは第1実施例と同様である。
Sv Se1-v 層8上にAl2 O3 膜から成る絶縁層10
が形成されていることは、第1実施例と同様である。こ
の場合、ストライプ形状のp型ZnTeコンタクト層1
6および絶縁層10上にp側電極11が形成されてい
る。このp側電極11としては、例えば、第1実施例と
同様なAu/Pt/Pd電極が用いられる。n型GaA
s基板1の裏面にIn電極のようなn側電極12がコン
タクトしているのは第1実施例と同様である。
【0061】また、図示は省略するが、この第2実施例
による半導体レーザーにおいても、第1実施例と同様な
端面コーティングが施されている。
による半導体レーザーにおいても、第1実施例と同様な
端面コーティングが施されている。
【0062】この第2実施例においては、活性層5は例
えば厚さが2〜20nm、例えば厚さが9nmのi型Z
n1-z Cdz Se量子井戸層から成る単一量子井戸構造
を有する。この場合、n型ZnSe光導波層4およびp
型ZnSe光導波層6が障壁層を構成することは第1実
施例と同様である。
えば厚さが2〜20nm、例えば厚さが9nmのi型Z
n1-z Cdz Se量子井戸層から成る単一量子井戸構造
を有する。この場合、n型ZnSe光導波層4およびp
型ZnSe光導波層6が障壁層を構成することは第1実
施例と同様である。
【0063】n型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド
層3およびp型Zn1-p Mgp SqSe1-q クラッド層
7のMg組成比pおよびS組成比qや活性層5を構成す
るi型Zn1-z Cdz Se量子井戸層のCd組成比zな
どは、第1実施例と同様である。同様に、n型Zn1-p
Mgp Sq Se1-q クラッド層3、n型ZnSe光導波
層4、p型ZnSe光導波層6、p型Zn1-p Mgp S
q Se1-q クラッド層7、p型ZnSv Se1-v 層8お
よびp型ZnSeコンタクト層9の厚さや不純物濃度
は、第1実施例で述べたと同様である。また、p型Zn
Teコンタクト層16の厚さは例えば70nmであり、
不純物濃度は例えば1×1019cm-3である。
層3およびp型Zn1-p Mgp SqSe1-q クラッド層
7のMg組成比pおよびS組成比qや活性層5を構成す
るi型Zn1-z Cdz Se量子井戸層のCd組成比zな
どは、第1実施例と同様である。同様に、n型Zn1-p
Mgp Sq Se1-q クラッド層3、n型ZnSe光導波
層4、p型ZnSe光導波層6、p型Zn1-p Mgp S
q Se1-q クラッド層7、p型ZnSv Se1-v 層8お
よびp型ZnSeコンタクト層9の厚さや不純物濃度
は、第1実施例で述べたと同様である。また、p型Zn
Teコンタクト層16の厚さは例えば70nmであり、
不純物濃度は例えば1×1019cm-3である。
【0064】第1実施例による半導体レーザーと同様
に、この第2実施例による半導体レーザーの共振器長L
は例えば640μmに選ばれ、この共振器長方向に垂直
な方向の幅は例えば400μmに選ばれる。
に、この第2実施例による半導体レーザーの共振器長L
は例えば640μmに選ばれ、この共振器長方向に垂直
な方向の幅は例えば400μmに選ばれる。
【0065】上述のp型ZnTe/ZnSeMQW層1
5が設けられているのは、p型ZnSeコンタクト層9
とp型ZnTeコンタクト16とを直接接合すると、接
合界面において価電子帯に大きな不連続が生じ、これが
p側電極11からp型ZnTeコンタクト層16に注入
される正孔に対する障壁となることから、この障壁を実
効的になくすためである。
5が設けられているのは、p型ZnSeコンタクト層9
とp型ZnTeコンタクト16とを直接接合すると、接
合界面において価電子帯に大きな不連続が生じ、これが
p側電極11からp型ZnTeコンタクト層16に注入
される正孔に対する障壁となることから、この障壁を実
効的になくすためである。
【0066】すなわち、p型ZnSe中のキャリア濃度
は通常は5×1017cm-3程度が上限であり、一方、p
型ZnTe中のキャリア濃度は1019cm-3以上とする
ことが可能である。また、p型ZnSe/p型ZnTe
界面における価電子帯の不連続の大きさは約0.5eV
である。このようなp型ZnSe/p型ZnTe接合の
価電子帯には、接合がステップ接合であると仮定する
と、p型ZnSe側に W=(2εφT /qNA )1/2 (20) の幅にわたってバンドの曲がりが生じる。ここで、qは
電子の電荷の絶対値、εはZnSeの誘電率、φT はp
型ZnSe/p型ZnTe界面における価電子帯の不連
続ポテンシャル(約0.5eV)を表す。
は通常は5×1017cm-3程度が上限であり、一方、p
型ZnTe中のキャリア濃度は1019cm-3以上とする
ことが可能である。また、p型ZnSe/p型ZnTe
界面における価電子帯の不連続の大きさは約0.5eV
である。このようなp型ZnSe/p型ZnTe接合の
価電子帯には、接合がステップ接合であると仮定する
と、p型ZnSe側に W=(2εφT /qNA )1/2 (20) の幅にわたってバンドの曲がりが生じる。ここで、qは
電子の電荷の絶対値、εはZnSeの誘電率、φT はp
型ZnSe/p型ZnTe界面における価電子帯の不連
続ポテンシャル(約0.5eV)を表す。
【0067】(20)式を用いてこの場合のWを計算する
と、W=32nmとなる。このときに価電子帯の頂上が
p型ZnSe/p型ZnTe界面に垂直な方向に沿って
どのように変化するかを示したのが図10である。ただ
し、p型ZnSeおよびp型ZnTeのフェルミ準位は
価電子帯の頂上に一致すると近似している。図10に示
すように、この場合、p型ZnSeの価電子帯はp型Z
nTeに向かって下に曲がっている。この下に凸の価電
子帯の変化は、p側電極11からこのp型ZnSe/p
型ZnTe接合に注入された正孔に対してポテンシャル
障壁として働く。
と、W=32nmとなる。このときに価電子帯の頂上が
p型ZnSe/p型ZnTe界面に垂直な方向に沿って
どのように変化するかを示したのが図10である。ただ
し、p型ZnSeおよびp型ZnTeのフェルミ準位は
価電子帯の頂上に一致すると近似している。図10に示
すように、この場合、p型ZnSeの価電子帯はp型Z
nTeに向かって下に曲がっている。この下に凸の価電
子帯の変化は、p側電極11からこのp型ZnSe/p
型ZnTe接合に注入された正孔に対してポテンシャル
障壁として働く。
【0068】この問題は、p型ZnSeコンタクト層9
とp型ZnTeコンタクト層16との間にp型ZnTe
/ZnSeMQW層15を設けることにより解決するこ
とができる。このp型ZnTe/ZnSeMQW層15
は具体的には例えば次のように設計される。
とp型ZnTeコンタクト層16との間にp型ZnTe
/ZnSeMQW層15を設けることにより解決するこ
とができる。このp型ZnTe/ZnSeMQW層15
は具体的には例えば次のように設計される。
【0069】図11は、p型ZnTeから成る量子井戸
層の両側をp型ZnSeから成る障壁層によりはさんだ
構造の単一量子井戸におけるp型ZnTeから成る量子
井戸の幅LW に対して第1量子準位E1 がどのように変
化するかを有限障壁の井戸型ポテンシャルに対する量子
力学的計算により求めた結果を示す。ただし、この計算
では、量子井戸層および障壁層における電子の質量とし
てp型ZnSeおよびp型ZnTe中の正孔の有効質量
mh を想定して0.6m0 (m0 :電子の静止質量)を
用い、また、井戸の深さは0.5eVとしている。
層の両側をp型ZnSeから成る障壁層によりはさんだ
構造の単一量子井戸におけるp型ZnTeから成る量子
井戸の幅LW に対して第1量子準位E1 がどのように変
化するかを有限障壁の井戸型ポテンシャルに対する量子
力学的計算により求めた結果を示す。ただし、この計算
では、量子井戸層および障壁層における電子の質量とし
てp型ZnSeおよびp型ZnTe中の正孔の有効質量
mh を想定して0.6m0 (m0 :電子の静止質量)を
用い、また、井戸の深さは0.5eVとしている。
【0070】図11より、量子井戸の幅LW を小さくす
ることにより、量子井戸内に形成される量子準位E1 を
高くすることができることがわかる。p型ZnTe/Z
nSeMQW層15はこのことを利用して設計する。
ることにより、量子井戸内に形成される量子準位E1 を
高くすることができることがわかる。p型ZnTe/Z
nSeMQW層15はこのことを利用して設計する。
【0071】この場合、p型ZnSe/p型ZnTe界
面からp型ZnSe側に幅Wにわたって生じるバンドの
曲がりはp型ZnSe/p型ZnTe界面からの距離x
(図10)の二次関数 φ(x)=φT {1−(x/W)2 } (21) で与えられる。従って、p型ZnTe/ZnSeMQW
層15の設計は、(21)式に基づいて、p型ZnTeか
ら成る量子井戸層のそれぞれに形成される量子準位E1
がp型ZnSeおよびp型ZnTeの価電子帯の頂上の
エネルギーと一致し、しかも互いに等しくなるようにL
W を段階的に変えることにより行うことができる。
面からp型ZnSe側に幅Wにわたって生じるバンドの
曲がりはp型ZnSe/p型ZnTe界面からの距離x
(図10)の二次関数 φ(x)=φT {1−(x/W)2 } (21) で与えられる。従って、p型ZnTe/ZnSeMQW
層15の設計は、(21)式に基づいて、p型ZnTeか
ら成る量子井戸層のそれぞれに形成される量子準位E1
がp型ZnSeおよびp型ZnTeの価電子帯の頂上の
エネルギーと一致し、しかも互いに等しくなるようにL
W を段階的に変えることにより行うことができる。
【0072】図12は、p型ZnTe/ZnSeMQW
層15におけるp型ZnSeから成る障壁層の幅LB を
2nmとした場合の量子井戸幅LW の設計例を示す。こ
こで、p型ZnSeコンタクト層9のアクセプタ濃度N
A は5×1017cm-3とし、p型ZnTeコンタクト層
16のアクセプタ濃度NA は1×1019cm-3としてい
る。図12に示すように、この場合には、合計で7個あ
る量子井戸の幅LW を、その量子準位E1 がp型ZnS
eおよびp型ZnTeのフェルミ準位と一致するよう
に、p型ZnSeコンタクト層9からp型ZnTeコン
タクト層16に向かってLW =0.3nm、0.4n
m、0.5nm、0.6nm、0.8nm、1.1n
m、1.7nmと変化させている。
層15におけるp型ZnSeから成る障壁層の幅LB を
2nmとした場合の量子井戸幅LW の設計例を示す。こ
こで、p型ZnSeコンタクト層9のアクセプタ濃度N
A は5×1017cm-3とし、p型ZnTeコンタクト層
16のアクセプタ濃度NA は1×1019cm-3としてい
る。図12に示すように、この場合には、合計で7個あ
る量子井戸の幅LW を、その量子準位E1 がp型ZnS
eおよびp型ZnTeのフェルミ準位と一致するよう
に、p型ZnSeコンタクト層9からp型ZnTeコン
タクト層16に向かってLW =0.3nm、0.4n
m、0.5nm、0.6nm、0.8nm、1.1n
m、1.7nmと変化させている。
【0073】なお、量子井戸の幅LW の設計に当たって
は、厳密には、それぞれの量子井戸の準位は相互に結合
しているためにそれらの相互作用を考慮する必要があ
り、また、量子井戸と障壁層との格子不整合による歪み
の効果も取り入れなければならないが、多重量子井戸の
量子準位を図12のようにフラットに設定することは原
理的に十分可能である。
は、厳密には、それぞれの量子井戸の準位は相互に結合
しているためにそれらの相互作用を考慮する必要があ
り、また、量子井戸と障壁層との格子不整合による歪み
の効果も取り入れなければならないが、多重量子井戸の
量子準位を図12のようにフラットに設定することは原
理的に十分可能である。
【0074】図12において、p型ZnTeに注入され
た正孔は、p型ZnTe/ZnSeMQW層15のそれ
ぞれの量子井戸に形成された量子準位E1 を介して共鳴
トンネリングによりp型ZnSe側に流れることができ
るので、p型ZnSe/p型ZnTe界面のポテンシャ
ル障壁は実効的になくなる。従って、この第2実施例に
よる半導体レーザーによれば、良好な電圧−電流特性を
得ることができるとともに、レーザー発振に必要な印加
電圧の大幅な低減を図ることができる。
た正孔は、p型ZnTe/ZnSeMQW層15のそれ
ぞれの量子井戸に形成された量子準位E1 を介して共鳴
トンネリングによりp型ZnSe側に流れることができ
るので、p型ZnSe/p型ZnTe界面のポテンシャ
ル障壁は実効的になくなる。従って、この第2実施例に
よる半導体レーザーによれば、良好な電圧−電流特性を
得ることができるとともに、レーザー発振に必要な印加
電圧の大幅な低減を図ることができる。
【0075】この第2実施例による半導体レーザーの製
造方法は第1実施例による半導体レーザーの製造方法と
同様であるので、説明を省略する。
造方法は第1実施例による半導体レーザーの製造方法と
同様であるので、説明を省略する。
【0076】この第2実施例による半導体レーザーに対
するα、βの値は、Ith(pulse)=48mA=0.04
8A、Vth=8V、Rs =12Ω、Rt =23K/W、
T0=150Kとして計算すると、α=0.059、β
=0.0042となる。図2に(α、β)=(0.05
9、0.0042)を黒丸でプロットした。図2より明
らかなように、この場合も、(0.059、0.004
2)は確かに領域D内に存在している。
するα、βの値は、Ith(pulse)=48mA=0.04
8A、Vth=8V、Rs =12Ω、Rt =23K/W、
T0=150Kとして計算すると、α=0.059、β
=0.0042となる。図2に(α、β)=(0.05
9、0.0042)を黒丸でプロットした。図2より明
らかなように、この場合も、(0.059、0.004
2)は確かに領域D内に存在している。
【0077】この第2実施例によれば、第1実施例と同
様に、室温において連続発振可能な例えば緑色発光でし
かも低しきい値電流密度のSCH構造を有する半導体レ
ーザーを実現することができる。そして、この半導体レ
ーザーは、動作時の発熱が少なく、製造も容易である。
特に、この第2実施例においては、p型ZnSeコンタ
クト層9上にp型ZnTe/ZnSeMQW層15およ
びp型ZnTeコンタクト層16を積層し、このp型Z
nTeコンタクト層16上にp側電極11をコンタクト
させているため、半導体レーザーの動作時の発熱を極め
て少なくすることができるとともに、上述のようにレー
ザー発振に必要な印加電圧の大幅な低減を図ることがで
きる。
様に、室温において連続発振可能な例えば緑色発光でし
かも低しきい値電流密度のSCH構造を有する半導体レ
ーザーを実現することができる。そして、この半導体レ
ーザーは、動作時の発熱が少なく、製造も容易である。
特に、この第2実施例においては、p型ZnSeコンタ
クト層9上にp型ZnTe/ZnSeMQW層15およ
びp型ZnTeコンタクト層16を積層し、このp型Z
nTeコンタクト層16上にp側電極11をコンタクト
させているため、半導体レーザーの動作時の発熱を極め
て少なくすることができるとともに、上述のようにレー
ザー発振に必要な印加電圧の大幅な低減を図ることがで
きる。
【0078】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。
【0079】例えば、上述の第1実施例および第2実施
例において用いられているn型ZnSe光導波層4およ
びp型ZnSe光導波層6の代わりにi型ZnSe光導
波層を用いてもよい。さらに、格子整合をとる見地から
は、これらのn型ZnSe光導波層4およびp型ZnS
e光導波層6の代わりに、特にu=0.06のn型Zn
Su Se1-u 層およびp型ZnSu Se1-u 層あるいは
i型ZnSu Se1-u層を用いるのが望ましい。
例において用いられているn型ZnSe光導波層4およ
びp型ZnSe光導波層6の代わりにi型ZnSe光導
波層を用いてもよい。さらに、格子整合をとる見地から
は、これらのn型ZnSe光導波層4およびp型ZnS
e光導波層6の代わりに、特にu=0.06のn型Zn
Su Se1-u 層およびp型ZnSu Se1-u 層あるいは
i型ZnSu Se1-u層を用いるのが望ましい。
【0080】また、上述の第1実施例および第2実施例
においては、p型ZnSe光導波層6、p型Zn1-p M
gp Sq Se1-q クラッド層7、p型ZnSv Se1-v
層8、p型ZnSeコンタクト層9、p型ZnTeコン
タクト層16などのp型不純物としてのNのドーピング
はECRにより発生されたN2 プラズマを照射すること
により行っているが、このNのドーピングは、例えば、
高周波プラズマにより励起されたN2 を照射することに
より行うようにしてもよい。
においては、p型ZnSe光導波層6、p型Zn1-p M
gp Sq Se1-q クラッド層7、p型ZnSv Se1-v
層8、p型ZnSeコンタクト層9、p型ZnTeコン
タクト層16などのp型不純物としてのNのドーピング
はECRにより発生されたN2 プラズマを照射すること
により行っているが、このNのドーピングは、例えば、
高周波プラズマにより励起されたN2 を照射することに
より行うようにしてもよい。
【0081】さらに、上述の第1実施例および第2実施
例においては、化合物半導体基板としてGaAs基板を
用いているが、この化合物半導体基板としては、例えば
GaP基板などを用いてもよい。
例においては、化合物半導体基板としてGaAs基板を
用いているが、この化合物半導体基板としては、例えば
GaP基板などを用いてもよい。
【0082】また、上述の第1実施例および第2実施例
においては、SCH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、
DH構造(Double Heterostructure)を有する半導体レ
ーザーに適用することも可能である。
においては、SCH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、
DH構造(Double Heterostructure)を有する半導体レ
ーザーに適用することも可能である。
【0083】なお、この発明と同一の技術的思想は、I
II−V族化合物半導体を用いた半導体レーザーにも適
用することが可能である。例えば、この発明と同一の技
術的思想は、活性層の材料としてGaN系化合物半導体
を用い、クラッド層の材料としてAlGaN系化合物半
導体を用いた、青色で発光可能な半導体レーザーや、活
性層の材料としてAlGaInP系化合物半導体を用
い、クラッド層の材料として活性層を構成するAlGa
InP系化合物半導体よりもバンドギャップの大きいA
lGaInP系化合物半導体を用いた、緑色ないし黄緑
色で発光可能な半導体レーザーに適用することが可能で
ある。
II−V族化合物半導体を用いた半導体レーザーにも適
用することが可能である。例えば、この発明と同一の技
術的思想は、活性層の材料としてGaN系化合物半導体
を用い、クラッド層の材料としてAlGaN系化合物半
導体を用いた、青色で発光可能な半導体レーザーや、活
性層の材料としてAlGaInP系化合物半導体を用
い、クラッド層の材料として活性層を構成するAlGa
InP系化合物半導体よりもバンドギャップの大きいA
lGaInP系化合物半導体を用いた、緑色ないし黄緑
色で発光可能な半導体レーザーに適用することが可能で
ある。
【0084】さらには、この発明と同一の技術的思想
は、カルコパイライト系半導体を用いた半導体レーザー
にも適用することが可能である。このカルコパイライト
系半導体としては、例えば次のようなものが挙げられ
る。第1の種類のものは、I族元素とIII族元素とV
I族元素とを1:1:2の原子比で含むものであり、具
体的にはCuInSe2 、CuGaSe2 、CuAlS
e2 などである。第2の種類のものは、II族元素とI
V族元素とV族元素とを1:1:2の原子比で含むもの
であり、具体的にはZnSiP2 、ZnSiAs2 、Z
nGeP2 、ZnGeAs2 、ZnSnP2 、ZnSn
As2 、CdSiP2 、CdSiAs2 、CdGe
P2 、CdGeAs2 、CdSnP2 、CdSnAs2
などである。第3の種類のものは、II族元素とIII
族元素とVI族元素とを1:2:4の原子比で含むもの
であり、具体的にはZnGa2 S4 、ZnIn2 S4 、
CdGa2S4 、CdIn2 S4 などである。
は、カルコパイライト系半導体を用いた半導体レーザー
にも適用することが可能である。このカルコパイライト
系半導体としては、例えば次のようなものが挙げられ
る。第1の種類のものは、I族元素とIII族元素とV
I族元素とを1:1:2の原子比で含むものであり、具
体的にはCuInSe2 、CuGaSe2 、CuAlS
e2 などである。第2の種類のものは、II族元素とI
V族元素とV族元素とを1:1:2の原子比で含むもの
であり、具体的にはZnSiP2 、ZnSiAs2 、Z
nGeP2 、ZnGeAs2 、ZnSnP2 、ZnSn
As2 、CdSiP2 、CdSiAs2 、CdGe
P2 、CdGeAs2 、CdSnP2 、CdSnAs2
などである。第3の種類のものは、II族元素とIII
族元素とVI族元素とを1:2:4の原子比で含むもの
であり、具体的にはZnGa2 S4 、ZnIn2 S4 、
CdGa2S4 、CdIn2 S4 などである。
【0085】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、室温をはじめとする高温で連続発振可能なII−V
I族化合物半導体または窒化物系III−V族化合物半
導体を用いた半導体レーザーを実現することができる。
ば、室温をはじめとする高温で連続発振可能なII−V
I族化合物半導体または窒化物系III−V族化合物半
導体を用いた半導体レーザーを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の原理を説明するためのグラフであ
る。
る。
【図2】この発明の原理を説明するためのグラフであ
る。
る。
【図3】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4】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5】この発明の第1実施例による半導体レーザーを
ヒートシンク上にマウントした状態を示す断面図であ
る。
ヒートシンク上にマウントした状態を示す断面図であ
る。
【図6】この発明の第1実施例による半導体レーザーの
製造に用いられるMBE装置の一例を示す略線図であ
る。
製造に用いられるMBE装置の一例を示す略線図であ
る。
【図7】この発明の第1実施例による半導体レーザーの
室温における光出力─電流特性の測定結果の一例を示す
グラフである。
室温における光出力─電流特性の測定結果の一例を示す
グラフである。
【図8】この発明の第1実施例による半導体レーザーの
室温における発光スペクトルの測定結果の一例を示すグ
ラフである。
室温における発光スペクトルの測定結果の一例を示すグ
ラフである。
【図9】この発明の第2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10】p型ZnSe/p型ZnTe界面の近傍の価
電子帯を示すエネルギーバンド図である。
電子帯を示すエネルギーバンド図である。
【図11】p型ZnTeから成る量子井戸の幅LW に対
する量子井戸の第1量子準位E1の変化を示すグラフで
ある。
する量子井戸の第1量子準位E1の変化を示すグラフで
ある。
【図12】この発明の第2実施例による半導体レーザー
におけるp型ZnTe/ZnSeMQW層の設計例を示
すエネルギーバンド図である。
におけるp型ZnTe/ZnSeMQW層の設計例を示
すエネルギーバンド図である。
1 n型GaAs基板 2 n型ZnSeバッファ層 3 n型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層 4 n型ZnSe光導波層 5 活性層 6 p型ZnSe光導波層 7 p型Zn1-p Mgp Sq Se1-q クラッド層 8 p型ZnSv Se1-v 層 9 p型ZnSeコンタクト層 10 絶縁層 11 p側電極 12 n側電極 15 p型ZnTe/ZnSeMQW層 16 p型ZnTeコンタクト層 17 n型ZnSv Se1-v 層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−102612(JP,A) 特開 平4−242985(JP,A) 特開 平2−288388(JP,A) 特開 昭47−8472(JP,A) 特開 昭50−93786(JP,A) Appl.Phys.Lett.62 [20](1993)p.2462−2464 IEEE.J.Quantum.El ectron.17[5](1981)p. 602−610 Cryst.Properties & Preparation 12 (1987)p.287−291 Jpn.J.Appl.Phys.P art2 32[1A/B](1993)p. L8−L11 「ワイドギャップ半導体発光材料 調 査研究報告書(▲I▼)」,社団法人日 本電子工業振興協会,(平成5年3月) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 JICSTファイル(JOIS)
Claims (5)
- 【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、 しきい値電流Ith(A)、上記第1のクラッド層、上記
活性層および上記第2のクラッド層により構成されるダ
イオードの立ち上がり電圧Vth(V)、上記ダイオード
の立ち上がり後の微分抵抗Rs (Ω)、熱抵抗Rt (K
/W)、特性温度T0 (K)の特性でパルス発振する半
導体レーザーにおいて、 α≡(Rt /T0 )IthVth β≡(Rt /T0 )Rs Ith 2 で二つの量α、βを定義したとき、(α、β)が、 αβ平面上における、直線α=0、直線β=0およびt
をパラメータとする曲線((2lnt−1)/t、(1−
lnt)/t2 )により囲まれた領域内に存在することを
特徴とする半導体レーザー。 - 【請求項2】 上記第1のクラッド層と上記活性層との
間に第1の光導波層を有し、上記第2のクラッド層と上
記活性層との間に第2の光導波層を有し、上記第1の光
導波層および上記第2の光導波層はII−VI族化合物
半導体から成ることを特徴とする請求項1記載の半導体
レーザー。 - 【請求項3】 上記第1のクラッド層および上記第2の
クラッド層を構成する上記II−VI族化合物半導体は
ZnMgSSe系化合物半導体であることを特徴とする
請求項1または2記載の半導体レーザー。 - 【請求項4】 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
ラッド層は窒化物系III−V族化合物半導体から成
り、 しきい値電流I th (A)、上記第1のクラッド層、上記
活性層および上記第2のクラッド層により構成されるダ
イオードの立ち上がり電圧V th (V)、上記ダイオード
の立ち上がり後の微分抵抗R s (Ω)、熱抵抗R t (K
/W)、特性温度T 0 (K)の特性でパルス発振する半
導体レーザーにおいて、 α≡(R t /T 0 )I th V th β≡(R t /T 0 )R s I th 2 で二つの量α、βを定義したとき、(α、β)が、 αβ平面上における、直線α=0、直線β=0およびt
をパラメータとする曲線((2lnt−1)/t、(1−
lnt)/t 2 )により囲まれた領域内に存在する ことを
特徴とする半導体レーザー。 - 【請求項5】 上記第1のクラッド層と上記活性層との
間に第1の光導波層を有し、上記第2のクラッド層と上
記活性層との間に第2の光導波層を有し、上記第1の光
導波層および上記第2の光導波層は窒化物系III−V
族化合物半導体から成ることを特徴とする請求項4記載
の半導体レーザー。
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