JPH06268331A

JPH06268331A - 半導体発光装置

Info

Publication number: JPH06268331A
Application number: JP5110293A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Ishikawa; 正行石川; Yukie Nishikawa; 幸江西川; Shinji Saito; 真司斎藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-03-11
Filing date: 1993-03-11
Publication date: 1994-09-22

Abstract

(57)【要約】【目的】動作電圧や動作電流の低減化が図れる II-VI族
化合物半導体を用いた半導体発光装置を提供すること。【構成】ｐ型ＩｎＰ基板１と、このｐ型ＩｎＰ基板１上
に形成され、Ｃｄ_1-u-vＺｎ_uＭｇ_vＳｅ(0≦u, v≦1)
からなるｐ型クラッド層２と、このｐ型クラッド層２上
に形成され、Ｃｄ_1-w-xＺｎ_wＭｇ_xＳｅ(0≦w, x≦1)
からなる活性層３と、この活性層３上に形成され、Ｃｄ
_1-y-zＺｎ_yＭｇ_zＳｅ(0≦y, z≦1)からなるｎ型クラ
ッド層４とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、 II-VI族化合物半導体
を用いた半導体レーザ装置や、発光ダイオード装置等の
半導体発光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より種々の化合物半導体が半導体レ
ーザに用いられているが、近年、ＺｎＳｅなどの II-VI
族化合物半導体が注目されている。これは II-VI族化合
物半導体が可視波長領域の光の波長に相当するエネルギ
ーと同等以上の広いバンドギャップ（ワイドギャップ）
を有し、可視発光素子材料としての利用が可能だからで
ある。

【０００３】特に、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＰなど
の III-V族化合物半導体材料による半導体レーザや発光
ダイオードの動作波長域が緑色より長い波長域であるの
に対し、ワイドギャップ II-VI族化合物半導体ではより
波長の短い青色や紫外光までの動作の可能性がある。こ
のため、小型，軽量，低動作電圧，高信頼性など従来の
半導体発光装置の有する利点を短波長領域に適用できる
ようになり、光ディスクの高密度化が実現できる。更
に、屋外メッセージボードなどのフルカラー化も実現で
きる。図６は、従来のワイドギャップ II-VI族化合物半
導体を用いた青緑色発光半導体レーザ装置の要部構造を
示す断面図である。

【０００４】図中、６１はｎ型ＧａＡｓ基板を示してお
り、このｎ型ＧａＡｓ基板６１上にはｎ型ＧａＡｓバッ
ファ層６２を介して、ＧａＡｓにｎ型ＺｎＳｅ層６３，
ｎ型ＺｎＳＳｅ層６４，ｎ型ＺｎＳｅ層６５，ＣｄＺｎ
Ｓｅ量子井戸層６６，ｐ型ＺｎＳｅ層６７，ｐ型ＺｎＳ
Ｓｅ層６８，ｐ型ＺｎＳｅ層６９が順次積層されてい
る。このｐ型ＺｎＳｅ層６９上には開口部を有するポリ
イミド層７０を介してｐ側Ａｕ電極７１が設けられ、一
方、ｎ型ＧａＡｓ基板６１にはｎ側Ｉｎ電極７２が設け
られている。

【０００５】このように構成された電流注入型の半導体
レーザ装置によれば、液体窒素温度での連続発振や、室
温でのパルス発振が行なえることが報告されている（ A
pplied Physics Letters, Vol.59, pp.1272-1274 (199
1))。図７は、従来のワイドギャップ II-VI族化合物半
導体を用いた発光ダイオード装置の要部構造を示す断面
図である。

【０００６】図中、８１はｐ型ＧａＡｓ基板を示してお
り、このｐ型ＧａＡｓ基板８１上にはｐ型ＺｎＳｅ層８
２，ｎ型ＺｎＳｅ層８３が順次形成され、このｎ型Ｚｎ
Ｓｅ層８３にはＩｎ電極８４が設けられ、また、ｐ型Ｇ
ａＡｓ基板８１にはＡｕＺｎ電極８５が設けられてい
る。

【０００７】このような発光ダイオード装置によれば、
室温での発光が可能であることが報告されている（Exte
nded Abstracts of the 1992 International Conferenc
e onSolid State Devices and Materials, Tsukuba, p
p.342-344 (1992)）。

【０００８】しかしながら、実用的な半導体レーザ装置
として必要な室温での連続発振や、発光ダイオード装置
の高効率発光はこれまで実現されていなかった。これ
は、ＺｎＳｅなどのワイドギャップ II-VI族化合物半導
体を用いた半導体発光装置の動作電圧が、従来の III-V
族化合物半導体材料によるものに比べて著しく高いこ
と、および特に半導体レーザ装置において顕著なよう
に、室温以上の高温において注入された電子や正孔（キ
ャリア）が発光層に良好に閉じ込められず、動作電流が
高くなることがその主な原因となっていた。

【０００９】動作電圧が著しく高くなる要因は、以下に
述べるように、従来の III-V族化合物半導体材料による
半導体発光装置の場合には問題とならなかった、ＺｎＳ
ｅなどのワイドギャップ II-VI族化合物半導体を用いた
半導体発光装置に特有な問題点があることに起因してい
る。

【００１０】すなわち、ＺｎＳｅなどのｐ型の導電型を
有するワイドギャップ II-VI族化合物半導体に対し、金
属電極や他の半導体材料とのヘテロ接合を介して電流注
入を行なう場合、大きな電圧降下を強いられることによ
る。これは金属とのショットキー障壁や、他の半導体と
のヘテロ障壁が大きくなってしまうという、ＺｎＳｅな
どのワイドギャップ II-VI族化合物半導体に本質的な問
題である。

【００１１】例えば、図６に示した半導体レーザ装置の
場合には、図８（ａ）に示すように、Ａｕ７１とｐ型Ｚ
ｎＳｅ層６９とによるショットキー障壁は大きいものと
なり、ｐ型ＺｎＳｅ層６９で正孔ｈが反射されないよう
にするには、大きな電圧を印加する必要がある。

【００１２】また、図７に示した発光ダイオード装置の
場合には、図８（ｂ）に示すように、ｐ型ＧａＡｓ基板
８１とｐ型ＺｎＳｅ層８２とによるヘテロ障壁が大きく
なり、ｐ型ＺｎＳｅ層８２で正孔ｈが反射されないよう
にするには、大きな電圧を印加する必要がある。

【００１３】図９は、図６，７の半導体発光装置で問題
となっていた動作電流の上昇を抑制できる半導体レーザ
装置の要部構造を示す断面図である（Electronics Lett
ersVol.28, pp.1798-1799 (1992) ）。

【００１４】図中、９１はｎ型ＧａＡｓ基板を示してお
り、このｎ型ＧａＡｓ基板９１上にはｎ型ＺｎＭｇＳｅ
Ｓクラッド層９２，ＺｎＳｅ／ＺｎＭｇＳＳｅＭＱＷ活
性層９３，ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層９４，ｐ型Ｚ
ｎＳｅ層９５が順次形成されている。このｐ型ＺｎＳｅ
層９５は開口部を有するポリイミド層９６を介してＡｕ
／Ｐｄ電極９７にコンタクトし、また、ｎ型ＧａＡｓ基
板９１はＩｎ電極９８にコンタクトしている。

【００１５】このように構成された半導体レーザ装置に
よれば、高温での注入キャリアの閉じ込めが改善される
ものの、高い動作電圧の発生要因についてはなんら除去
されておらず、むしろ、ｐ型ＺｎＭｇＳＳｅクラッド層
９４中のアクセプタレベルがより深くなるので、抵抗
率，動作電圧が増加するという問題があった。

【００１６】また、ＺｎＭｇＳｅＳを用いている結果、
ＧａＡｓ基板９１と各ＺｎＭｇＳｅＳ層との格子整合の
ために、ＺｎとＭｇとの組成比、並びにＳｅとＳとの組
成比を正確に制御する必要がある。

【００１７】しかしながら、このような正確な組成比の
制御は困難であるため、良質な結晶を再現性良く作成す
ることができず、ワイドギャップ II-VI族化合物半導体
としてＺｎＭｇＳｅＳを用いた半導体レーザ装置では、
室温での発振は得られていなかった。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のワ
イドギャップ II-VI族化合物半導体を用いた半導体発光
装置にあっては、 III-V族化合物半導体を用いた半導体
発光装置に比べて、動作電圧および動作電流が大きいた
め、室温での連続発振や、高効率発光が困難であるとい
う問題があった。

【００１９】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、第１に、動作電圧が低
いワイドギャップ II-VI族化合物半導体を用いた半導体
発光装置を提供することにある。第２に、動作電圧が低
く、しかも、動作電流が小さいワイドギャップ II-VI族
化合物半導体を用いた半導体発光装置を提供することに
ある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明の半導体発光装置（請求項１）は、Ｉ
ｎＰからなる半導体基板と、この半導体基板上に形成さ
れ、Ｃｄ_1-x-yＺｎ_xＭｇ_yＳｅ(0≦ｘ≦1, 0≦ｙ≦1)
からなる発光半導体層とを備えたことを特徴とする。

【００２１】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明の半導体発光装置（請求項２）は、ＩｎＰからな
る半導体基板と、この半導体基板上に形成され、Ｃｄ
_1-u-vＺｎ_uＭｇ_vＳｅ(0≦ｕ≦1, 0≦ｖ≦1)からなる
第１導電型クラッド層と、この第１導電型クラッド層上
に形成され、Ｃｄ_1-w-xＺｎ_wＭｇ_xＳｅ(0≦ｗ≦1, 0
≦ｘ≦1)からなる発光半導体層と、この発光半導体層上
に形成され、Ｃｄ_1-y-zＺｎ_yＭｇ_zＳｅ(0≦ｙ≦1, 0
≦ｚ≦1)からなる第２導電型クラッド層とを備えたこと
を特徴とする。なお、上記発光半導体層、第１導電型ク
ラッド層および第２導電型クラッド層は、分子線エピタ
キシー法により形成することが望ましい。

【００２２】

【作用】本発明者等の研究によれば、ＩｎＰの価電子帯
と II-VI族化合物半導体の一つであるＣｄ_1-x-yＺｎ_x
Ｍｇ_yＳｅ(0≦ｘ≦1, 0≦ｙ≦1)との価電子帯の差は、
従来より基板として用いられているＧａＡｓの価電子帯
と活性層等に用いられているＺｎＭｇＳＳｅ等の II-VI
族化合物半導体（Ｃｄ_1-x-yＺｎ_xＭｇ_yＳｅを除く）
の価電子帯との差よりも十分小さいことが分かった。

【００２３】したがって、本発明（請求項１，２）によ
れば、動作電圧が低い半導体発光装置が得られる。ま
た、ＩｎＰとＣｄ_1-x-yＺｎ_xＭｇ_yＳｅとは格子整合
するので、製造上の問題も少ない。

【００２４】また、本発明者等の研究によれば、Ｃｄ
_1-x-yＺｎ_xＭｇ_yＳｅの制御可能なバンドギャップ範
囲は、他の II-VI族化合物半導体のそれに比べて、広い
ことが分かった。

【００２５】このため、Ｃｄ_1-x-yＺｎ_xＭｇ_yＳｅを
活性層およびクラッド層の材料として用いることによ
り、活性層およびクラッド層に要求されるバンドギャッ
プ関係、すなわち、クラッド層のバンドギャップが活性
層のそれよりも大きいという条件を満たし、且つ室温以
上の高温でも活性層からクラッド層にキャリアが漏れな
い程度にクラッド層と活性層とのバンドギャップ差を大
きくすることが可能となり、動作電流を小さくできる。
したがって、本発明（請求項２）によれば、動作電圧が
低く、且つ動作電流が小さい半導体発光装置が得られ
る。

【００２６】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図１は、本発明の第１の実施例に係るダブルへテロ
構造半導体レーザ装置の要部構造を示す断面図である。

【００２７】図中、１はｐ型ＩｎＰ基板を示しており、
このｐ型ＩｎＰ基板１上には、厚さ１μｍ，キャリア濃
度１０¹⁸ｃｍ^-1のｐ型Ｃｄ_1-x-yＺｎ_xＭｇ_yＳｅ(0≦
ｘ≦1, 0≦ｙ≦1)クラッド層２が形成されている。以
下、Ｃｄ_1-x-yＺｎ_xＭｇ_yＳｅ(0≦ｘ≦1, 0≦ｙ≦1)
を単にＣｄＺｎＭｇＳｅと表記する。

【００２８】このｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層２上
には、厚さ５０ｎｍのアンドープＣｄＺｎＭｇＳｅ活性
層３、厚さ１μｍ，キャリア濃度１０¹⁸ｃｍ^-1のｎ型Ｃ
ｄＺｎＭｇＳｅクラッド層４が順次形成されている。

【００２９】このｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層４上
には、幅７μｍのストライプ状の開口部を有するＳｉＯ
₂絶縁膜５が形成され、このＳｉＯ₂絶縁膜５上には上
記開口部を介してｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層４に
コンタクトするｎ側電極６が設けられ、そして、ｐ型Ｉ
ｎＰ基板１にはｐ型電極７が設けられている。

【００３０】ここで、アンドープＣｄＺｎＭｇＳｅ活性
層３，ｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層２およびｎ型Ｃ
ｄＺｎＭｇＳｅクラッド層４のＣｄ，ＺｎおよびＭｇの
組成比は、アンドープＣｄＺｎＭｇＳｅ活性層３，ｐ型
ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層２およびｎ型ＣｄＺｎＭｇ
Ｓｅクラッド層４の格子定数が、ｐ型ＩｎＰ基板１と略
等しくなるように、且つアンドープＣｄＺｎＭｇＳｅ活
性層３のバンドギャップがｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッ
ド層２およびｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層４のそれ
よりも小さくなるように選ばれている。このようなＣｄ
ＺｎＭｇＳｅ層からなる活性層，クラッド層等は、分子
線エピタキシー法により形成することが望ましい。

【００３１】本実施例に示した構造のダブルへテロ構造
半導体レーザ装置において、活性層３のバンドギャップ
を２．６５ｅＶ、ｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層２お
よびｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層４のバンドギャッ
プを３．００ｅＶとしたものについて、共振器長５００
μｍに劈開し、銅製のヒートシンクにＩｎ半田を用いて
マウントし、その特性を室温において評価した。

【００３２】その結果、発振波長は４７０ｎｍであり、
連続動作での発振しきい電流は８０ｍＡであった。この
ときの動作電圧は３．５Ｖであった。また、連続動作の
最高発振温度は６０℃であった。

【００３３】このように本実施例に示した素子構造の採
用により、従来困難であった室温での連続発振ばかりで
なく、室温での実用に十分な信頼性を確保するのに必要
な高温までの発振が得られることが分かった。

【００３４】このように動作電圧を低くできたのは、ｐ
型基板、ｐ型クラッド層として、それぞれｐ型ＩｎＰ、
ｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅを用いた結果、ヘテロ障壁が低く
なり、図２に示すように、ｐ型ＩｎＰ基板１の価電子帯
とｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層２の価電子帯との差
が小さくなり、ｐ型ＩｎＰ基板１からｐ型ＣｄＺｎＭｇ
Ｓｅクラッド層２への正孔の注入が容易になったからで
ある。

【００３５】そして、このように動作電圧が低くなる
と、その分だけ発熱量が減少し、温度特性が改善される
ようになる。また、全てのＣｄＺｎＭｇＳｅ層１〜４が
ｐ型ＩｎＰ基板１と格子整合し、且つVI族元素がＳｅ１
の種類であるため、転位などの欠陥のない良好な結晶を
作成できたことも温度特性向上の要因となっている。

【００３６】また、ＣｄＺｎＭｇＳｅの制御可能なバン
ドギャップ範囲は、他の II-VI族化合物半導体のそれに
比べて広いため、室温以上の高温でもアンドープＣｄＺ
ｎＭｇＳｅ活性層３からｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド
層２、ｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層４にキャリアが
漏れない程度に、アンドープＣｄＺｎＭｇＳｅ活性層３
とｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層２、ｎ型ＣｄＺｎＭ
ｇＳｅクラッド層４とのそれぞれバンドギャップ差をと
もに大きくすることができる。このため、注入キャリア
の閉じ込めが改善され、動作電流が小さくなる。

【００３７】また、本実施例のダブルへテロ構造半導体
レーザ装置において、アンドープＣｄＺｎＭｇＳｅ活性
層３のバンドギャップエネルギーをＣｄ，ＺｎおよびＭ
ｇの組成により変化させることにより、室温での発振波
長は６３０ｎｍから４００ｎｍまで変化させることがで
きた。

【００３８】この場合、アンドープＣｄＺｎＭｇＳｅ活
性層３と、ｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層２、ｎ型Ｃ
ｄＺｎＭｇＳｅクラッド層４とのそれぞれのバンドギャ
ップ差をともに０．３５ｅＶで一定とすることで、連続
動作の最高発振温度は６０℃程度で、発振波長によらず
ほぼ一定であった。

【００３９】また、アンドープＣｄＺｎＭｇＳｅ活性層
３とｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層２、ｎ型ＣｄＺｎ
ＭｇＳｅクラッド層４とのそれぞれのバンドギャップ差
を大きくすることにより、最高発振温度の高いダブルへ
テロ構造半導体レーザ装置が得られた。１００℃以下の
範囲では、バンドギャップ差の増大０．０１ｅＶにつき
１０℃程度の最高発振温度の上昇が見られた。ここで、
ＩｎＰに格子整合するＣｄＺｎＳｅを活性層に用いた場
合、ｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層２、ｎ型ＣｄＺｎ
ＭｇＳｅクラッド層４のバンドギャップを３．０ｅＶの
まま用いることで、２００℃以上での連続動作が容易に
実現できた。図３は、本発明の第２の実施例に係るダブ
ルへテロ構造半導体レーザ装置の要部構造を示す断面図
である。

【００４０】図中、１１はｐ型ＩｎＰ基板を示してお
り、このｐ型ＩｎＰ基板１１上には、厚さ２００ｎｍ，
キャリア濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-1のｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅ
バッファ層１２、厚さ１μｍ，キャリア濃度１×１０¹⁸
ｃｍ^-1のｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層１３、厚さ５
０ｎｍのアンドープＣｄＺｎＭｇＳｅ活性層１４、厚さ
１μｍ，キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-1のｎ型ＣｄＺｎ
ＭｇＳｅクラッド層１５、厚さ０．５μｍ，キャリア濃
度５×１０¹⁸ｃｍ^-1のｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅコンタクト
層１６が順次形成されている。また、ｎ型ＣｄＺｎＭｇ
Ｓｅコンタクト層１６上には幅７μｍのストライプ状の
開口部を有するＳｉＯ₂絶縁膜１７，ｎ側電極１８が順
次形成され、ｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅコンタクト層１６は
上記開口部を介してｎ側電極１８にコンタクトしてい
る。そして、ｐ型ＩｎＰ基板１１にはｐ型電極１９が設
けられている。

【００４１】ここで、アンドープＣｄＺｎＭｇＳｅ活性
層１４，ｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層１３およびｎ
型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層１５の格子定数がｐ型Ｉ
ｎＰ基板１１とほぼ等しく、且つアンドープＣｄＺｎＭ
ｇＳｅ活性層１４のバンドギャップがｐ型ＣｄＺｎＭｇ
Ｓｅクラッド層１３およびｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッ
ド層１５のバンドギャップより小さくなるように、ｐ型
ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層１３，アンドープＣｄＺｎ
ＭｇＳｅ活性層１４およびｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッ
ド層１５のＣｄ，ＺｎおよびＭｇの組成が設定されてい
る。

【００４２】また、ｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅバッファ層１
２の格子定数がｐ型ＩｎＰ基板１１と略等しく、且つそ
のバンドギャップがｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層１
３のバンドギャップより小さくなるように、ｐ型ＣｄＺ
ｎＭｇＳｅバッファ層１２のＣｄ，ＺｎおよびＭｇの組
成が設定されている。

【００４３】また、ｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅコンタクト層
１６の格子定数がｐ型ＩｎＰ基板１１と略等しく、その
バンドギャップがｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層１５
のバンドギャップより小さくなるように、ｎ型ＣｄＺｎ
ＭｇＳｅコンタクト層１６のＣｄ，ＺｎおよびＭｇの組
成が設定されている。このようなＣｄＺｎＭｇＳｅ層か
らなる活性層，クラッド層等は、分子線エピタキシー法
により形成することが望ましい。

【００４４】本実施例に示した構造のダブルへテロ構造
半導体レーザ装置において、アンドープＣｄＺｎＭｇＳ
ｅ活性層１４のバンドギャップを２．６５ｅＶ、ｐ型Ｃ
ｄＺｎＭｇＳｅクラッド層１２およびｎ型ＣｄＺｎＭｇ
Ｓｅクラッド層１５のバンドギャップをともに３．００
ｅＶ、ｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅバッファ層１２のバンドギ
ャップを２．００ｅＶ、ｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅコンタク
ト層１６のバンドギャップを２．００ｅＶとしたものに
ついて、共振器長５００μｍに劈開し、銅製のヒートシ
ンクにＩｎ半田を用いてマウントし、その特性を室温に
おいて評価してみた。

【００４５】その結果、発振波長は４７０ｎｍであり、
連続動作での発振しきい電流は７５ｍＡであった。この
ときの動作電圧は３．０Ｖであった。そして、連続動作
の最高発振温度は９０℃であった。すなわち、先の実施
例のダブルへテロ構造半導体レーザ装置よりも動作特性
が良好なダブルへテロ構造半導体レーザ装置が得られ
た。

【００４６】このような良好な動作特性が得られた一つ
の要因は、ｐ型ＩｎＰ基板１１とｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅ
クラッド層１３との間に、このｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅク
ラッド層１３よりもバンドギャップの小さいｐ型ＣｄＺ
ｎＭｇＳｅバッファ層１２を挿設したからである。

【００４７】すなわち、このｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅバッ
ファ層１２の追加により、図４に示すように、ｐ型Ｉｎ
Ｐ基板１１とｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層１３との
間のヘテロ障壁が更に小さくなるため、より小さい電圧
降下で、型ＩｎＰ基板１１からｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅク
ラッド層１３への正孔ｈの注入が行なえるようになった
からである。

【００４８】他の要因は、ｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッ
ド層１５上に、このｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層１
５よりもバンドギャップの小さいｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅ
コンタクト層１６を形成したことで、アンドープＣｄＺ
ｎＭｇＳｅ活性層１４に悪影響を与えること無く、高濃
度のドーピングが可能になり、更に、表面酸化の影響も
低減され、電極コンタクトにおける電圧降下を抑制する
ことができたことによる。

【００４９】これらの基板界面、および電極における電
圧降下の低減により、動作電圧の低減が図られ、過剰な
熱の発生が抑制されたことが温度特性改善につながっ
た。なお、これらによる動作電圧低減はそれぞれ独立に
効果を持ち、どちらか一方の対策でも約半分の動作電圧
低減効果があった。

【００５０】基板界面でのｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅバッフ
ァ層１２による電圧降下低減効果は、ｐ型ＣｄＺｎＭｇ
Ｓｅクラッド層１３より小さいバンドギャップの組成の
ＣｄＺｎＭｇＳｅを用いることで現れた。この効果は、
次のようなバッファ層構造のとき、より優れた効果を示
した。

【００５１】すなわち、ｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅバッファ
層１２中の少なくともｐ型ＩｎＰ基板１１に接する側の
組成がバンドギャップにして２．３ｅＶ以下のＣｄＺｎ
ＭｇＳｅを用いるとき、電圧降下は特に低く抑えること
ができた。より望ましくは、Ｍｇを含まない、ＣｄＺｎ
Ｓｅがｐ型ＩｎＰ基板１１と接するようにするとき、電
圧降下は特に低く抑えることができた。

【００５２】また、ｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅバッファ層１
２が複数層または徐々に組成が変化する層により構成さ
れ、ｐ型ＩｎＰ基板１１側のバンドギャップが小さく、
ｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層１３側のバンドギャッ
プが大きいように設定することで、電圧降下は特に小さ
く抑えることができた。これは、ｐ型ＩｎＰ基板１１と
ｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅバッファ層１２との間のヘテロ障
壁を小さくすることが、電圧降下の低減に特に効果があ
るためである。

【００５３】電極コンタクトにおける電圧降下低減効果
は、ｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅコンタクト層１６のバンドギ
ャップがｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層１５のそれよ
も小さくなるように、ｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅコンタクト
層１６のＣｄＺｎＭｇＳｅを選んだ場合に現れた。この
効果は、次のようなコンタクト層構造のとき、より優れ
た効果を示した。

【００５４】すなわち、ｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅコンタク
ト層１６中の少なくともｎ側電極１８に接する側の組成
がバンドギャップにして２．３ｅＶ以下のＣｄＺｎＭｇ
Ｓｅを用いるとき、電圧降下は特に低く抑えることがで
きた。より望ましくは、Ｍｇを含まない、ＣｄＺｎＳｅ
がｎ側電極１８と接するようにするとき、電圧降下は特
に低く抑えることができた。

【００５５】また、ｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅコンタクト層
１６が複数層または徐々に組成が変化する層により構成
され、ｎ側電極１８側のバンドギャップが小さく、ｎ型
ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層１５側のバンドギャップが
大きいように設定することで電圧降下は特に小さく抑え
ることができた。

【００５６】これはｎ側電極１８とｎ型ＣｄＺｎＭｇＳ
ｅコンタクト層１６との間の障壁を小さくすること、バ
ンドギャップの小さな組成が高濃度にドーピングしやす
いこと、酸化されやすいＭｇの組成を表面付近で低減す
ることが、電圧降下低減に特に効果があるためである。
同様の効果は、ＣｄＺｎＭｇＳｅ上に半導体層を形成す
るような工程において、ＣｄＺｎＭｇＳｅの表面層を上
記のように構成する場合にも見られた。

【００５７】また、本実施例に示した構造のダブルへテ
ロ構造半導体レーザ装置において、アンドープＣｄＺｎ
ＭｇＳｅ活性層１４のバンドギャップエネルギーをＣ
ｄ，ＺｎおよびＭｇの組成により変化させることによ
り、室温での発振波長は６３０ｎｍから４００ｎｍまで
変化させることができた。

【００５８】この場合、アンドープＣｄＺｎＭｇＳｅ活
性層１４とｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層１３，ｎ型
ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層１５とのそれぞれのバンド
ギャップ差をともに０．３５ｅＶで一定とすることで、
連続動作の最高発振温度は９０℃程度で、発振波長によ
らずほぼ一定であった。

【００５９】また、アンドープＣｄＺｎＭｇＳｅ活性層
１４とｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層１３，ｎ型Ｃｄ
ＺｎＭｇＳｅクラッド層１５とのそれぞれのバンドギャ
ップ差を大きくなるようにすると、最高発振温度の高い
ものが得られた。具体的には、１００℃以下の範囲で
は、バンドギャップ差の増大０．０１ｅＶにつき１０℃
程度の最高発振温度の上昇が見られた。更に、ＩｎＰに
格子整合するＣｄＺｎＳｅを活性層に用いた場合、クラ
ッド層のバンドギャップを３．０ｅＶのまま用いること
で、２３０℃以上での連続動作が容易に実現できた。

【００６０】本実施例のダブルへテロ構造半導体レーザ
装置では、ＳｉＯ₂絶縁膜１７による電極ストライプに
よる電流狭窄構造を示したが、これは、この発振波長域
で良好な温度特性の半導体レーザ装置を提供する上で本
質的ではない。すなわち、電流狭窄構造は従来用いられ
ている半導体レーザ装置の構造をＣｄＺｎＭｇＳｅ材料
に当てはめたもので良い。

【００６１】また、本実施例のダブルへテロ構造半導体
レーザ装置では、活性層としてバルク状のＣｄＺｎＭｇ
Ｓｅを用いたが、その代わりにＣｄＺｎＭｇＳｅ材料で
構成された単一あるいは多重量子井戸構造を用いれば、
より高い温度までのレーザ発振が可能となる。

【００６２】この場合、１０ｎｍ程度あるいはそれ以下
の薄膜で形成される量子井戸層やこれを隔てる量子障壁
層は必ずしもｐ型ＩｎＰ基板１１に格子整合する必要は
なく、この場合、ひずみ量子井戸による動作電流低減の
効果が現れた。また、ダブルヘテロ構造の場合であって
も、電流注入による劣化の問題が抑制される範囲で、活
性層の格子不整合は許容される。図５は、本発明の第３
の実施例に係るダブルヘテロ構造発光ダイオード装置の
概略構造を示す断面図である。

【００６３】図中、２１はｐ型ＩｎＰ基板を示してお
り、このｐ型ＩｎＰ基板２１上には、厚さ２００ｎｍ，
キャリア濃度２×１０¹⁸ｃｍ^-1のｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅ
バッファ層２２、厚さ２μｍ，キャリア濃度１×１０¹⁸
ｃｍ^-1のｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層２３、厚さ３
００ｎｍのアンドープＣｄＺｎＭｇＳｅ活性層２４、厚
さ５μｍ，キャリア濃度１×１０¹⁸のｎ型ＣｄＺｎＭｇ
Ｓｅクラッド層２５、厚さ２００ｎｍ，キャリア濃度５
×１０¹⁸のｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅコンタクト層２６が順
次形成されている。そして、ｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅコン
タクト層２６、ｐ型ＩｎＰ基板２１上には、それぞれｎ
側電極２７，ｐ型電極２８が設けられている。

【００６４】ここで、アンドープＣｄＺｎＭｇＳｅ活性
層２４，ｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層２３およびｎ
型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層２５の格子定数がｐ型Ｉ
ｎＰ基板２１とほぼ等しく、アンドープＣｄＺｎＭｇＳ
ｅ活性層２４のバンドギャップがｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅ
クラッド層２３およびｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層
２５のバンドギャップより小さくなるように、アンドー
プＣｄＺｎＭｇＳｅ活性層２４，ｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅ
クラッド層２３およびｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層
２５のＣｄ，ＺｎおよびＭｇの組成が設定されている。

【００６５】また、ｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅバッファ層２
２の格子定数がｐ型ＩｎＰ基板２１とほぼ等しく、その
バンドギャップがｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層２３
のバンドギャップより小さくなるように、ｐ型ＣｄＺｎ
ＭｇＳｅバッファ層２２のＣｄ，ＺｎおよびＭｇの組成
が設定されている。

【００６６】また、ｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅコンタクト層
２６の格子定数がｐ型ＩｎＰ基板２１とほぼ等しく、そ
のバンドギャップがｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層２
５のバンドギャップより小さくなるように、ｎ型ＣｄＺ
ｎＭｇＳｅコンタクト層２６のＣｄ，ＺｎおよびＭｇの
組成が設定されている。このようなＣｄＺｎＭｇＳｅ層
からなる活性層，クラッド層等は、分子線エピタキシー
法により形成することが望ましい。

【００６７】本実施例に示した構造のダブルへテロ構造
半導体装置において、アンドープＣｄＺｎＭｇＳｅ活性
層２４のバンドギャップを２．６５ｅＶ、ｐ型ＣｄＺｎ
ＭｇＳｅクラッド層２３、ｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッ
ド層２５のバンドギャップをともに２．８０ｅＶ、ｐ型
ＣｄＺｎＭｇＳｅバッファ層２２のバンドギャップを
２．００ｅＶ、ｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅコンタクト層２６
のバンドギャップを２．００ｅＶとし、ｎ側電極２７を
直径１５０μｍの円形とし、３００μｍ×３００μｍ程
度にスクライプしたダブルヘテロ構造発光ダイオード装
置について、その電流注入発光特性を室温において評価
した。

【００６８】その結果、２０ｍＡの動作電流での発光波
長は４７０ｎｍであり、このときの動作電圧は２．６Ｖ
であった。樹脂モールドすることにより、発光光度が１
カンデラ以上の高輝度の発光が得られた。すなわち、本
素子構造の採用により、従来困難であった高効率の青色
発光ダブルヘテロ構造ダイオード装置が得られた。

【００６９】このような良好な発光特性が得られた要因
は、ｐ型ＩｎＰを基板として用いたことで、ｐ型クラッ
ド層であるｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅとのヘテロ障壁が小さ
くなり、動作電圧を抑制することができたことによる。
また、全てのＣｄＺｎＭｇＳｅ層が基板と格子整合し、
且つVI族元素がＳｅの１種類であるため転位などの欠陥
のない良好な結晶を作成できたことによる。

【００７０】また、本実施例に示した構造のダブルヘテ
ロ構造発光ダイオード装置において、アンドープＣｄＺ
ｎＭｇＳｅ活性層２４のバンドギャップエネルギーをＣ
ｄ，ＺｎおよびＭｇの組成により変化させることによ
り、室温での発光波長は６３０ｎｍから４００ｎｍまで
変化させることができた。

【００７１】なお、本実施例ではダブルヘテロ構造の発
光ダイオード装置について説明したが、これは特に高い
発光効率を得るためには重要であるが、このような構造
は必ずしも必要ではない。

【００７２】すなわち、単なる同じバンドギャップのＣ
ｄＺｎＭｇＳｅによるｐｎ接合をｐ型ＩｎＰ基板２１上
に形成したものや、一方のＣｄＺｎＭｇＳｅのバンドギ
ャップを他方より大きくしただけのｐｎ接合であるいわ
ゆるシングルヘテロ接合でも良い。このとき、光を取り
出す基板と反対側の電極のある表面側の材料が発光波長
に対して透明になるように形成することで発光効率は著
しく改善される。なお、本発明は上述した実施例に限定
されるものではなく、例えば、上記実施例の半導体発光
装置の各半導体層の導電型を逆にしても良い。

【００７３】また、半導体レーザ装置における電流狭窄
構造および光ガイド構造や、発光ダイオード装置におけ
る電流拡散構造および光取り出し構造などについては、
上述の実施例のものに限定されるものではない。その
他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実
施することができる。

【００７４】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、半
導体基板としてＩｎＰを用い、且つ発光半導体層や、こ
れに光や電子を閉じ込めるための半導体層として、 II-
VI族化合物半導体のうち、特にＣｄＺｎＭｇＳｅを用い
ることにより、動作電圧が低く、動作電流の小さい実用
的な半導体発光装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係るダブルヘテロ構造
半導体レーザ装置の要部構造を示す断面図。

【図２】図１のダブルヘテロ構造半導体レーザ装置の基
板とｐ型クラッド層とにおけるバンドダイヤグラム。

【図３】本発明の第２の実施例に係るダブルヘテロ構造
半導体レーザ装置の要部構造を示す断面図。

【図４】図３のダブルヘテロ構造半導体レーザ装置の基
板とバッファ層とにおけるバンドダイヤグラム。

【図５】本発明の第３の実施例に係るダブルヘテロ構造
発光ダイオード装置の要部構造を示す断面図。

【図６】従来の II-VI族化合物半導体を用いた半導体レ
ーザ装置の要部構造を示す断面図。

【図７】従来の II-VI族化合物半導体を用いた発光ダイ
オード装置の要部構造を示す断面図。

【図８】従来の II-VI族化合物半導体を用いた半導体発
光装置の問題点を説明するためのバンドダイヤグラム。

【図９】従来の II-VI族化合物半導体を用いた他の半導
体レーザ装置の要部構造を示す断面図。

【符号の説明】

１…ｐ型ＩｎＰ基板２…ｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層３…アンドープＣｄＺｎＭｇＳｅ活性層４…ｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層５…ＳｉＯ₂絶縁膜６…ｎ側電極７…ｐ側電極１１…ｐ型ＩｎＰ基板１２…ｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅバッファ層１３…ｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層１４…アンドープＣｄＺｎＭｇＳｅ活性層１５…ｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層１６…ｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅコンタクト層１７…ＳｉＯ₂絶縁膜１８…ｎ側電極１９…ｐ側電極２１…ｐ型ＩｎＰ基板２２…ｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅバッファ層２３…ｐ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層２４…アンドープＣｄＺｎＭｇＳｅ活性層２５…ｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅクラッド層２６…ｎ型ＣｄＺｎＭｇＳｅコンタクト層２７…ｎ側電極２８…ｐ側電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＩｎＰからなる半導体基板と、この半導体基板上に形成され、Ｃｄ_1-x-yＺｎ_xＭｇ_y
Ｓｅ(0≦ｘ≦1, 0≦ｙ≦1)からなり、電流注入により発
光する発光半導体層とを具備してなることを特徴とする
半導体発光装置。
【請求項２】ＩｎＰからなる半導体基板と、この半導体基板上に形成され、Ｃｄ_1-u-vＺｎ_uＭｇ_v
Ｓｅ(0≦ｕ≦1, 0≦ｖ≦1)からなる第１導電型クラッド
層と、この第１導電型クラッド層上に形成され、Ｃｄ_1-w-xＺ
ｎ_wＭｇ_xＳｅ(0≦ｗ≦1, 0≦ｘ≦1)からなり、電流注
入により発光する発光半導体層と、この発光半導体層上に形成され、Ｃｄ_1-y-zＺｎ_yＭｇ
_zＳｅ(0≦ｙ≦1, 0≦ｚ≦1)からなる第２導電型クラッ
ド層とを具備してなることを特徴とする半導体発光装
置。