JPH0818161A - Ii−vi族化合物半導体発光素子 - Google Patents
Ii−vi族化合物半導体発光素子Info
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- JPH0818161A JPH0818161A JP10266695A JP10266695A JPH0818161A JP H0818161 A JPH0818161 A JP H0818161A JP 10266695 A JP10266695 A JP 10266695A JP 10266695 A JP10266695 A JP 10266695A JP H0818161 A JPH0818161 A JP H0818161A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 結晶欠陥の増殖速度を抑え、長寿命化が可能
となるII−VI族化合物半導体レーザを提供する。 【構成】 II−VI族化合物半導体発光素子による基板上
のZnz Mg1-x Sy Se1-y (0<x<1,0<y<
1)系化合物半導体よりなる第1および第2のクラッド
層と、これら第1および第2のクラッド層間に形成され
た少なくとも1層のZnA Cd1-A SB Se1-B (0<
A<1,0≦B<1)による基板に対して圧縮歪みを有
する量子井戸層と少なくとも1層のZnSz Se
1-z (0<z<1)による基板に対して引っ張り歪みを
有する障壁層とによる量子井戸構造の活性領域とを有す
る構成とする。
となるII−VI族化合物半導体レーザを提供する。 【構成】 II−VI族化合物半導体発光素子による基板上
のZnz Mg1-x Sy Se1-y (0<x<1,0<y<
1)系化合物半導体よりなる第1および第2のクラッド
層と、これら第1および第2のクラッド層間に形成され
た少なくとも1層のZnA Cd1-A SB Se1-B (0<
A<1,0≦B<1)による基板に対して圧縮歪みを有
する量子井戸層と少なくとも1層のZnSz Se
1-z (0<z<1)による基板に対して引っ張り歪みを
有する障壁層とによる量子井戸構造の活性領域とを有す
る構成とする。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、量子井戸構造による活
性領域がZnMgSSeよりなる第1および第2のクラ
ッド層によって挟み込まれてなる緑ないしは青の発光が
なされるII−VI族化合物半導体発光素子に係わる。
性領域がZnMgSSeよりなる第1および第2のクラ
ッド層によって挟み込まれてなる緑ないしは青の発光が
なされるII−VI族化合物半導体発光素子に係わる。
【0002】
【従来の技術】近年、歪み量子井戸を用いた半導体レー
ザの性能向上の研究、開発が活発化されている。この歪
み量子井戸を用いた半導体レーザとしては、 III−V 族
系半導体レーザの、600nm帯の波長の光を発生する
AlGaInP系の半導体レーザ、1μm帯の波長の光
を発生するInGaAs系の半導体レーザ、1.3〜
1.5μm帯の波長の光を発生するInGaAsP系の
半導体レーザ等が開発されている。
ザの性能向上の研究、開発が活発化されている。この歪
み量子井戸を用いた半導体レーザとしては、 III−V 族
系半導体レーザの、600nm帯の波長の光を発生する
AlGaInP系の半導体レーザ、1μm帯の波長の光
を発生するInGaAs系の半導体レーザ、1.3〜
1.5μm帯の波長の光を発生するInGaAsP系の
半導体レーザ等が開発されている。
【0003】この多重量子井戸構造における歪み量子井
戸は、圧縮による歪みと引っ張りによる歪みとの2種の
型があり、一般には、この歪み量子井戸を格子整合系の
障壁層によって挟み込むものである。
戸は、圧縮による歪みと引っ張りによる歪みとの2種の
型があり、一般には、この歪み量子井戸を格子整合系の
障壁層によって挟み込むものである。
【0004】この III−V 族系化合物半導体レーザにつ
いては、応用物理学会,「応用物理」第62巻,第2号
(1993)第134 頁〜第138 頁に、歪導入によってしきい
値電流の低減化、光出力増加、高速変調特性の向上、T
E/TMモード制御性の向上等の性能改善が図られるこ
と、更にエージング試験結果により、格子欠陥の形成が
歪みの導入により増強されるものでないことが記述され
ている。
いては、応用物理学会,「応用物理」第62巻,第2号
(1993)第134 頁〜第138 頁に、歪導入によってしきい
値電流の低減化、光出力増加、高速変調特性の向上、T
E/TMモード制御性の向上等の性能改善が図られるこ
と、更にエージング試験結果により、格子欠陥の形成が
歪みの導入により増強されるものでないことが記述され
ている。
【0005】そして、 III−V 族のInGaAsP系の
多重量子井戸構造半導体レーザにおいて、その多重量子
井戸構造における歪みを、障壁層における歪みによって
相殺補償するようにしたレーザが、Applied Physics Le
tters Vol.58,No.18,6 May 1991 第1952頁〜第1954頁に
開示されていて、これによりPL( フォトルミネッセン
ス)特性が向上したことが記述されている。
多重量子井戸構造半導体レーザにおいて、その多重量子
井戸構造における歪みを、障壁層における歪みによって
相殺補償するようにしたレーザが、Applied Physics Le
tters Vol.58,No.18,6 May 1991 第1952頁〜第1954頁に
開示されていて、これによりPL( フォトルミネッセン
ス)特性が向上したことが記述されている。
【0006】しかし、上述した文献にみられるように、
III−V 族系半導体レーザでは、歪補償によって特性改
善をはかるものではあるものの、この歪補償は結晶性と
関わりがあるものではなく、この歪補償したことによる
結晶性に関する問題はなんら生じない。
III−V 族系半導体レーザでは、歪補償によって特性改
善をはかるものではあるものの、この歪補償は結晶性と
関わりがあるものではなく、この歪補償したことによる
結晶性に関する問題はなんら生じない。
【0007】すなわち、例えば応用物理学会,第57巻,
第9号(1988)第1349(67)頁の記述およびその表1を
参照して明らかなように、 III−V 族系においては、イ
ントリンシック積層欠陥エネルギー、および還元積層欠
陥エネルギーが共に大きいため、欠陥について考慮する
必要はない。これに比し、II−VI族は積層欠陥エネルギ
ーがかなり小さいことから歪による欠陥の発生が問題と
なってくる。
第9号(1988)第1349(67)頁の記述およびその表1を
参照して明らかなように、 III−V 族系においては、イ
ントリンシック積層欠陥エネルギー、および還元積層欠
陥エネルギーが共に大きいため、欠陥について考慮する
必要はない。これに比し、II−VI族は積層欠陥エネルギ
ーがかなり小さいことから歪による欠陥の発生が問題と
なってくる。
【0008】一方、緑ないし青色で発振するZnCdS
eを歪み量子井戸、ZnSSeまたはZnSeをガイド
層、ZnMgSSeをクラッド層とするSCH構造によ
るII−VI族化合物半導体レーザが知られている。Gaines
らのApplied Physics Letters Vol.62 No.20 1993 に
は、ZnCdSe/ZnSSe/ZnMgSSeによる
SCH構造のII−VI族化合物半導体レーザの室温でのパ
ルス発振が示されている。
eを歪み量子井戸、ZnSSeまたはZnSeをガイド
層、ZnMgSSeをクラッド層とするSCH構造によ
るII−VI族化合物半導体レーザが知られている。Gaines
らのApplied Physics Letters Vol.62 No.20 1993 に
は、ZnCdSe/ZnSSe/ZnMgSSeによる
SCH構造のII−VI族化合物半導体レーザの室温でのパ
ルス発振が示されている。
【0009】また、ItohらのJapanese Journal of Appl
ied Physics Vol.33 No.7A 1994 には、ZnCdSe/
ZnSe/ZnMgSSeによるSCH構造の半導体レ
ーザの室温でのパルス発振が示されている。上述のGain
esらおよびItohらのSCH構造によるII−VI族化合物半
導体レーザはいずれも単一量子井戸による活性領域を用
いており、障壁層は用いていない。
ied Physics Vol.33 No.7A 1994 には、ZnCdSe/
ZnSe/ZnMgSSeによるSCH構造の半導体レ
ーザの室温でのパルス発振が示されている。上述のGain
esらおよびItohらのSCH構造によるII−VI族化合物半
導体レーザはいずれも単一量子井戸による活性領域を用
いており、障壁層は用いていない。
【0010】また、Xie らのApplied Physics Letters
Vol.60 No.20 1992 には、ZnCdSe歪み量子井戸量
およびZnSSe障壁層による多重量子井戸の活性領域
を有する発光ダイオードが示されている。ここでの、Z
nSSe障壁層のS組成は7%であり、GaAsよりな
る基板と格子整合するようになされている。
Vol.60 No.20 1992 には、ZnCdSe歪み量子井戸量
およびZnSSe障壁層による多重量子井戸の活性領域
を有する発光ダイオードが示されている。ここでの、Z
nSSe障壁層のS組成は7%であり、GaAsよりな
る基板と格子整合するようになされている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、II−VI
族化合物半導体レーザの寿命は、現状で数分程度であ
る。これは、結晶欠陥の増殖速度が速く、素子が劣化し
易いことによるものである(GuhaらのApplied Physics
Letters Vol.63 No.23 1993)。
族化合物半導体レーザの寿命は、現状で数分程度であ
る。これは、結晶欠陥の増殖速度が速く、素子が劣化し
易いことによるものである(GuhaらのApplied Physics
Letters Vol.63 No.23 1993)。
【0012】本発明の目的は、結晶欠陥の増殖速度を抑
え、長寿命化が可能となるII−VI族化合物半導体レーザ
を提供することにある。
え、長寿命化が可能となるII−VI族化合物半導体レーザ
を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明によるII−VI族化
合物半導体発光素子による基板上のZnz Mg1-x S y
Se1-y (0<x<1,0<y<1)系化合物半導体よ
りなる第1および第2のクラッド層と、これら第1およ
び第2のクラッド層間に形成された少なくとも1層のZ
nA Cd1-A SB Se1-B (0<A<1,0≦B<1)
による基板に対して圧縮歪みを有する量子井戸層と少な
くとも1層のZnSz Se1-z (0<z<1)による基
板に対して引っ張り歪みを有する障壁層とによる量子井
戸構造の活性領域とを有する構成とする。
合物半導体発光素子による基板上のZnz Mg1-x S y
Se1-y (0<x<1,0<y<1)系化合物半導体よ
りなる第1および第2のクラッド層と、これら第1およ
び第2のクラッド層間に形成された少なくとも1層のZ
nA Cd1-A SB Se1-B (0<A<1,0≦B<1)
による基板に対して圧縮歪みを有する量子井戸層と少な
くとも1層のZnSz Se1-z (0<z<1)による基
板に対して引っ張り歪みを有する障壁層とによる量子井
戸構造の活性領域とを有する構成とする。
【0014】
【作用】上述の本発明構成によれば、量子井戸構造の活
性領域を有するII−VI族化合物半導体発光素子におい
て、少なくとも1層のZnA Cd1-A SB Se1-B によ
る基板に対して圧縮歪みを有する量子井戸層と、少なく
とも1層のZnSz Se1- z による基板に対して引っ張
り歪みを有する障壁層とによる量子井戸構造の活性領域
とを有するとにより、結晶欠陥の増殖速度を抑え、素子
の長寿命化が可能となる。更には、通常の歪み量子井戸
層は臨界膜厚による制限をうけるが、上述の本発明の構
成によれば、歪み量子井戸層の厚さを十分大にして、光
の閉じ込めを充分行うことができ、信頼性が高いII−VI
族化合物発光素子を提供することが可能となる。上述の
作用は、本発明者等が鋭気研究の末、見い出したもので
ある。
性領域を有するII−VI族化合物半導体発光素子におい
て、少なくとも1層のZnA Cd1-A SB Se1-B によ
る基板に対して圧縮歪みを有する量子井戸層と、少なく
とも1層のZnSz Se1- z による基板に対して引っ張
り歪みを有する障壁層とによる量子井戸構造の活性領域
とを有するとにより、結晶欠陥の増殖速度を抑え、素子
の長寿命化が可能となる。更には、通常の歪み量子井戸
層は臨界膜厚による制限をうけるが、上述の本発明の構
成によれば、歪み量子井戸層の厚さを十分大にして、光
の閉じ込めを充分行うことができ、信頼性が高いII−VI
族化合物発光素子を提供することが可能となる。上述の
作用は、本発明者等が鋭気研究の末、見い出したもので
ある。
【0015】
【実施例】本発明は、基板上にZnx Mg1-x Sy Se
1-y (0<x<1,0<y<1)系化合物半導体よりな
る第1および第2のクラッド層と、第1および第2のク
ラッド層間に形成された少なくとも1層のZnA Cd
1-A SB Se1-B (0<A<1,0≦B<1)による上
記基板に対して圧縮歪みを有する量子井戸層と少なくと
も1層のZnSz Se1-z (0<z<1)による上記基
板に対して引っ張り歪みを有する障壁層とによる量子井
戸構造の活性領域とを有する構成とする。
1-y (0<x<1,0<y<1)系化合物半導体よりな
る第1および第2のクラッド層と、第1および第2のク
ラッド層間に形成された少なくとも1層のZnA Cd
1-A SB Se1-B (0<A<1,0≦B<1)による上
記基板に対して圧縮歪みを有する量子井戸層と少なくと
も1層のZnSz Se1-z (0<z<1)による上記基
板に対して引っ張り歪みを有する障壁層とによる量子井
戸構造の活性領域とを有する構成とする。
【0016】そして、n番目(nは1以上の自然数)の
量子井戸層の圧縮歪みεW とn番目(nは1以上の自然
数)の障壁層の引っ張り歪みεB とによる下記(数1)
の全歪み量を、0<ε≦1.55とする。
量子井戸層の圧縮歪みεW とn番目(nは1以上の自然
数)の障壁層の引っ張り歪みεB とによる下記(数1)
の全歪み量を、0<ε≦1.55とする。
【0017】
【数1】ε=εW /εB =−{ΣΔaWn/aS ×LWn}
/{ΣΔaBn/aS ×LBn}
/{ΣΔaBn/aS ×LBn}
【0018】ただし、(数1)において、LWnはn番目
の量子井戸層の厚さ,LBnはn番目の障壁層の厚さ,Δ
aWn/aS はn番目の量子井戸層の基板との格子不整
量,ΔaBn/aS はn番目の障壁層の基板との格子不整
量である。
の量子井戸層の厚さ,LBnはn番目の障壁層の厚さ,Δ
aWn/aS はn番目の量子井戸層の基板との格子不整
量,ΔaBn/aS はn番目の障壁層の基板との格子不整
量である。
【0019】上述の量子井戸構造の少なくとも障壁層
は、p型不純物がドープされた層とする。
は、p型不純物がドープされた層とする。
【0020】このとき、障壁層は、ZnSz Se
1-z (0.06<z<1)とし得る。
1-z (0.06<z<1)とし得る。
【0021】量子井戸層はZnA Cd1-A Se(0<A
<1)とし得る。
<1)とし得る。
【0022】図面を参照して本発明による半導体発光素
子の実施例を説明する。図1には本発明による半導体レ
ーザの一実施例であるDH構造(Double Hetero struct
ure)半導体レーザの概略断面図を示す。図1の半導体レ
ーザは、基板1上に、バッファ層2、第1のクラッド層
11、量子井戸構造による活性領域3、第2のクラッド
層12、コンタクト層4を順次連続的に例えばMBE
(分子線エピタキシー)によってエピタキシャル成長す
る。
子の実施例を説明する。図1には本発明による半導体レ
ーザの一実施例であるDH構造(Double Hetero struct
ure)半導体レーザの概略断面図を示す。図1の半導体レ
ーザは、基板1上に、バッファ層2、第1のクラッド層
11、量子井戸構造による活性領域3、第2のクラッド
層12、コンタクト層4を順次連続的に例えばMBE
(分子線エピタキシー)によってエピタキシャル成長す
る。
【0023】コンタクト層4には、例えはPd,Pt,
Auの多層構造によるp側電極5がオーミックに被着形
成され、基板1の裏面には例えばInによるn側電極6
がオーミックに被着される。
Auの多層構造によるp側電極5がオーミックに被着形
成され、基板1の裏面には例えばInによるn側電極6
がオーミックに被着される。
【0024】基板1は、比較的廉価で、結晶性に優れた
例えばn型のGaAs基板が用いられる。バッファ層2
は、例えばエピタキシャル成長したn型のGaAs薄膜
とn型のZnSe薄膜とによる二艘構造とし得る。
例えばn型のGaAs基板が用いられる。バッファ層2
は、例えばエピタキシャル成長したn型のGaAs薄膜
とn型のZnSe薄膜とによる二艘構造とし得る。
【0025】第1および第2のクラッド層11および1
2は、それぞれn型およびp型のZnx Mg1-x Sy S
e1-y (0<x<1,0<y<1)によって構成され
る。コンタクト層4は、例えばp型のZnTe薄膜とp
型のZnSe薄膜との繰り返し積層構造とし得る。
2は、それぞれn型およびp型のZnx Mg1-x Sy S
e1-y (0<x<1,0<y<1)によって構成され
る。コンタクト層4は、例えばp型のZnTe薄膜とp
型のZnSe薄膜との繰り返し積層構造とし得る。
【0026】第1および第2のクラッド層11および1
2間の量子井戸構造による活性領域3は、図2にこの部
分の概略断面図を示すように、ZnA Cd1-A SB Se
1-B(0<A<1,0≦B<1)による圧縮歪み量子井
戸層3WとZnSZ Se1-z(0<z<1)による引っ
張り歪み障壁3Bとによる多重量子井戸構造とする。
2間の量子井戸構造による活性領域3は、図2にこの部
分の概略断面図を示すように、ZnA Cd1-A SB Se
1-B(0<A<1,0≦B<1)による圧縮歪み量子井
戸層3WとZnSZ Se1-z(0<z<1)による引っ
張り歪み障壁3Bとによる多重量子井戸構造とする。
【0027】この量子井戸層3Wの圧縮歪み量は、Zn
A Cd1-A SB Se1-B のCd量により、また、障壁層
3Bの引っ張り歪み量は、ZnSz Se1-z のS量によ
ってそれぞれ選定することができる。
A Cd1-A SB Se1-B のCd量により、また、障壁層
3Bの引っ張り歪み量は、ZnSz Se1-z のS量によ
ってそれぞれ選定することができる。
【0028】この構成において、第1および第2のクラ
ッド層11および12を構成するZnX Mg1-X SY S
e1-Y の組成は次のように選定される。この場合、Ga
As基板1に格子整合するZnX Mg1-X SY Se1-Y
の組成xおよびyと、そのバンドギャップとの関係は、
図3に示すように、実験的に求められている。図3にお
いて曲線31xはそのx値を示し、曲線31yはそのy
値を示す。
ッド層11および12を構成するZnX Mg1-X SY S
e1-Y の組成は次のように選定される。この場合、Ga
As基板1に格子整合するZnX Mg1-X SY Se1-Y
の組成xおよびyと、そのバンドギャップとの関係は、
図3に示すように、実験的に求められている。図3にお
いて曲線31xはそのx値を示し、曲線31yはそのy
値を示す。
【0029】今、第1および第2のクラッド層11およ
び12が、GaAsと整合し、かつ77Kでのバンドギ
ャップが、3.0eV(室温で2.9eV)のZnMg
SSeによって構成する場合には、そのZnX Mg1-X
SY Se1-Y の組成は、曲線31xからx=0.88,
曲線31yからy=0.20であることが分かり、この
場合、第1および第2のクラッド層11および12は、
Zn0.88Mg0.12S0. 20Se0.80に選定される。
び12が、GaAsと整合し、かつ77Kでのバンドギ
ャップが、3.0eV(室温で2.9eV)のZnMg
SSeによって構成する場合には、そのZnX Mg1-X
SY Se1-Y の組成は、曲線31xからx=0.88,
曲線31yからy=0.20であることが分かり、この
場合、第1および第2のクラッド層11および12は、
Zn0.88Mg0.12S0. 20Se0.80に選定される。
【0030】このZnX Mg1-X SY Se1-Y によるク
ラッド層のMBEは、Zn,Mg,ZnS,Seの各原
料セルが用いられる、n型の第1のクラッド層11のエ
ピタキシャル成長においては、例えばZnCl2 原料セ
ルがn型ドーパントとして用いられて、これらからの各
分子線量が調整されてMBEがなされる。
ラッド層のMBEは、Zn,Mg,ZnS,Seの各原
料セルが用いられる、n型の第1のクラッド層11のエ
ピタキシャル成長においては、例えばZnCl2 原料セ
ルがn型ドーパントとして用いられて、これらからの各
分子線量が調整されてMBEがなされる。
【0031】量子井戸構造の活性領域3の障壁層3B
は、例えば上述の第1のクラッド層11をエピタキシャ
ル成長するZn0.88Mg0.12S0.20Se0.80のMBEに
おいて、そのMgおよびn型不純物のZnCl2 原料セ
ルの供給を停止し、Zn,ZnS,Se,各原料セルと
p型不純物源として窒素Nのプラズマガンからの各分子
線照射を行うことでp型のZnS0.20Se0.80として形
成することができ、圧縮歪み量子井戸層3Wの例えばp
型のZnA Cd1-A SB Se1-B は、Zn,ZnS,S
e,Cd各原料セルからの分子線照射によってMBEす
ることができる。
は、例えば上述の第1のクラッド層11をエピタキシャ
ル成長するZn0.88Mg0.12S0.20Se0.80のMBEに
おいて、そのMgおよびn型不純物のZnCl2 原料セ
ルの供給を停止し、Zn,ZnS,Se,各原料セルと
p型不純物源として窒素Nのプラズマガンからの各分子
線照射を行うことでp型のZnS0.20Se0.80として形
成することができ、圧縮歪み量子井戸層3Wの例えばp
型のZnA Cd1-A SB Se1-B は、Zn,ZnS,S
e,Cd各原料セルからの分子線照射によってMBEす
ることができる。
【0032】この量子井戸構造の活性領域3において、
その量子井戸層3Wの圧縮歪みおよび障壁層3Bによる
引っ張り歪みによって生じる全歪み量、量子井戸層3W
の基板との格子不整量および障壁層3Bの基板との格子
不整量は、それぞれ下記(数2)(すなわち前記(数
1))、(数3)および(数4)によって決定される。
その量子井戸層3Wの圧縮歪みおよび障壁層3Bによる
引っ張り歪みによって生じる全歪み量、量子井戸層3W
の基板との格子不整量および障壁層3Bの基板との格子
不整量は、それぞれ下記(数2)(すなわち前記(数
1))、(数3)および(数4)によって決定される。
【0033】
【数2】ε=εW /εB =−{ΣΔaWn/aS ×LWn}
/{ΣΔaBn/aS ×LBn}
/{ΣΔaBn/aS ×LBn}
【0034】
【数3】ΔaWn/aS =(aWn−aS )/aS
【0035】
【数4】ΔaBn/aS =(aBn−aS )/aS
【0036】ここで、 εW :量子井戸層の歪み量 εB :障壁層の
歪み量 aWn:第n層の量子井戸層の格子定数 aBn:第n層の
障壁層の格子定数 LWn:第n層の量子井戸層の厚さ LBn:第n層の
障壁層の厚さ aS :基板の格子定数
歪み量 aWn:第n層の量子井戸層の格子定数 aBn:第n層の
障壁層の格子定数 LWn:第n層の量子井戸層の厚さ LBn:第n層の
障壁層の厚さ aS :基板の格子定数
【0037】量子井戸層の歪み量に比し、障壁層の歪み
量を大とした場合には、(数1),(数2)において0
<ε<1となり、逆の場合は1<εとなる。また、活性
領域3における圧縮歪みおよび引っ張り歪みを完全に補
償、すなわち相殺するにはεW /εB とすれば良い。
量を大とした場合には、(数1),(数2)において0
<ε<1となり、逆の場合は1<εとなる。また、活性
領域3における圧縮歪みおよび引っ張り歪みを完全に補
償、すなわち相殺するにはεW /εB とすれば良い。
【0038】今、量子井戸層3Wとして、ZnA Cd
1-A SB Se1-B において、B=0とするZnA Cd
1-A Seを用いる場合についてみると、実際の半導体レ
ーザでは、Cdの組成Aと厚さLW が概ね量子準位から
の発光波長を支配するものであることから、所望の発光
波長例えばλ=490nmを得るには、A=0.25,
L W =30Åに設定すれば良いので、このとき、量子井
戸層3Wの圧縮歪みεW は、表1の格子定数からベガー
ド則を仮定して格子不整合度Δa/aにして+2.1%
となる。一方、z=0.20のZnSz Se1-z 障壁層
3Bの引っ張り歪みεB は、同様に表1から−0.65
%となる。そして、量子井戸構造による活性領域3の量
子井戸層数n=5であるとすると、(数1)からLB =
120Åとなる。
1-A SB Se1-B において、B=0とするZnA Cd
1-A Seを用いる場合についてみると、実際の半導体レ
ーザでは、Cdの組成Aと厚さLW が概ね量子準位から
の発光波長を支配するものであることから、所望の発光
波長例えばλ=490nmを得るには、A=0.25,
L W =30Åに設定すれば良いので、このとき、量子井
戸層3Wの圧縮歪みεW は、表1の格子定数からベガー
ド則を仮定して格子不整合度Δa/aにして+2.1%
となる。一方、z=0.20のZnSz Se1-z 障壁層
3Bの引っ張り歪みεB は、同様に表1から−0.65
%となる。そして、量子井戸構造による活性領域3の量
子井戸層数n=5であるとすると、(数1)からLB =
120Åとなる。
【0039】
【表1】
【0040】尚、上述した本発明構成においては、その
量子井戸構造の活性領域3において、p型の不純物をド
ーピングした構成とした場合である。今このような不純
物のドーピングを行わずに、各層3Wおよび3Bが真性
半導体である場合についてみると、異なる2つの材料界
面のバンドオフセットはZnSeを基準に表2で示され
る割合で伝導帯および価電子帯へ振り分けられることか
ら、歪みによるバンドギャップのシフトを無視してその
価電子帯の頂上のバンド構造を示すと、図4のようにな
る、従って、p型のZnMgSSe側から注入される正
孔hに対し障壁層3Bによるバリアが発生し、これが各
井戸への均一な注入を損ない動作電流の増大、しきい値
電流Ithの増加、寿命の低下をきたす。
量子井戸構造の活性領域3において、p型の不純物をド
ーピングした構成とした場合である。今このような不純
物のドーピングを行わずに、各層3Wおよび3Bが真性
半導体である場合についてみると、異なる2つの材料界
面のバンドオフセットはZnSeを基準に表2で示され
る割合で伝導帯および価電子帯へ振り分けられることか
ら、歪みによるバンドギャップのシフトを無視してその
価電子帯の頂上のバンド構造を示すと、図4のようにな
る、従って、p型のZnMgSSe側から注入される正
孔hに対し障壁層3Bによるバリアが発生し、これが各
井戸への均一な注入を損ない動作電流の増大、しきい値
電流Ithの増加、寿命の低下をきたす。
【0041】
【表2】
【0042】これに対して、上述したように、その量子
井戸構造の活性領域3全体にあるいは障壁層3Bに、p
型の不純物をドーピングした構成とした場合の価電子帯
の頂上のバンド構造を図5に示す。図5においてはフェ
ルミレベルの平坦化により第2のクラッド層のp型のZ
nMgSSe側から注入される正孔hに対する障壁層3
Bによるバリアの発生を回避でき、このII-VI 族ZnM
gSSe系材料固有のバンド構造に起因した問題の解決
をはかることができる。これによって各井戸への均一な
注入を行うことができ、動作電流、しきい値電流Ithの
低減化、寿命の向上をはかることができる。
井戸構造の活性領域3全体にあるいは障壁層3Bに、p
型の不純物をドーピングした構成とした場合の価電子帯
の頂上のバンド構造を図5に示す。図5においてはフェ
ルミレベルの平坦化により第2のクラッド層のp型のZ
nMgSSe側から注入される正孔hに対する障壁層3
Bによるバリアの発生を回避でき、このII-VI 族ZnM
gSSe系材料固有のバンド構造に起因した問題の解決
をはかることができる。これによって各井戸への均一な
注入を行うことができ、動作電流、しきい値電流Ithの
低減化、寿命の向上をはかることができる。
【0043】上述したように、本発明では、活性領域3
において歪み補償量子井戸構造を採ったことによって量
子井戸の全体的厚さを充分大とすることができ、キャリ
アおよび光の閉じ込めを充分行うようにできる。
において歪み補償量子井戸構造を採ったことによって量
子井戸の全体的厚さを充分大とすることができ、キャリ
アおよび光の閉じ込めを充分行うようにできる。
【0044】図6には本発明による半導体発光素子の他
の実施例であるSCH構造(Separated Confinment str
ucture)半導体レーザの概略断面図を示す。図6におい
ては、例えばn型の基板1上に、バッファ層2、第1の
クラッド層11、第1のガイド層21、量子井戸構造に
よる活性領域3、第2のガイド層22、第2のクラッド
層12、コンタクト層4を順次連続的に例えばMBEに
よってエピタキシャル成長する。そして、コンタクト層
4上および基板1の裏面にそれぞれ電極5および6をオ
ーミックに被着する。
の実施例であるSCH構造(Separated Confinment str
ucture)半導体レーザの概略断面図を示す。図6におい
ては、例えばn型の基板1上に、バッファ層2、第1の
クラッド層11、第1のガイド層21、量子井戸構造に
よる活性領域3、第2のガイド層22、第2のクラッド
層12、コンタクト層4を順次連続的に例えばMBEに
よってエピタキシャル成長する。そして、コンタクト層
4上および基板1の裏面にそれぞれ電極5および6をオ
ーミックに被着する。
【0045】第1および第2のガイド層21および22
は、それぞれn型およびp型のZnScSe1-C (0≦
C<1)により構成することができる。
は、それぞれn型およびp型のZnScSe1-C (0≦
C<1)により構成することができる。
【0046】基板1、バッファ層2、第1および第2の
クラッド層11および12、量子井戸構造による活性領
域3、コンタクト層4、電極5および6は前述のDH構
造半導体レーザの実施例と同様の構成をとることができ
る。
クラッド層11および12、量子井戸構造による活性領
域3、コンタクト層4、電極5および6は前述のDH構
造半導体レーザの実施例と同様の構成をとることができ
る。
【0047】また、上述のDH構造およびSCH構造半
導体レーザにおいて、活性領域を単一量子井戸構造によ
り構成する場合には、図7に示すように、ガイド層と障
壁層で異なるS組成のZnSSe系化合物半導体を用い
ることができる。図7においては、例えば、ガイド層の
S組成を6%とし、障壁層のS組成を19%とする。
導体レーザにおいて、活性領域を単一量子井戸構造によ
り構成する場合には、図7に示すように、ガイド層と障
壁層で異なるS組成のZnSSe系化合物半導体を用い
ることができる。図7においては、例えば、ガイド層の
S組成を6%とし、障壁層のS組成を19%とする。
【0048】また、ガイド層は図8に示すように、p側
とn側で異なる厚さとしてもよい。図8に示すように、
ガイド層を正孔にとってバリアとなるp側で薄く、n側
で厚く構成した場合、正孔の注入を容易にしつつ歪み補
償が可能となる。図8においては、例えばp側ガイド層
およびn側ガイド層の厚さをそれぞれ60Åおよび10
0Åとした。
とn側で異なる厚さとしてもよい。図8に示すように、
ガイド層を正孔にとってバリアとなるp側で薄く、n側
で厚く構成した場合、正孔の注入を容易にしつつ歪み補
償が可能となる。図8においては、例えばp側ガイド層
およびn側ガイド層の厚さをそれぞれ60Åおよび10
0Åとした。
【0049】以下に実際のSCH構造半導体レーザの全
歪み量εと寿命および従来寿命を律速していた転位の増
殖速度の評価結果を示す。
歪み量εと寿命および従来寿命を律速していた転位の増
殖速度の評価結果を示す。
【0050】(実施例1)実施例1は、図6に示したS
CH構造半導体レーザにおいて、圧縮歪み量子井戸層3
Wは、層数n=3のZn0.78Cd0.22Se(aW1-3=
5.758Å)によって構成し、その厚さLW1-3=50
Åとした。また、層数n=2の引っ張り歪み障壁層3B
は、ZnS0.10Se0.81(aB1-2=5.634Å)によ
って構成し、その厚さLB1-2=90Åとした。基板1に
はGaAs(aS =5.653Å)を用いた。この時の
全歪み量ε=1.53であった。この実施例1の半導体
レーザは、1mWの光出力下において波長508nmで
1時間45分の室温連続発振が実現し、従来のII−VI族
化合物半導体レーザに比して信頼性の改善がはかられ
た。発振を停止した試料を解析したところ、電極部に破
壊が認められ、欠陥の増殖により発振停止したものでは
ないことが判明した。
CH構造半導体レーザにおいて、圧縮歪み量子井戸層3
Wは、層数n=3のZn0.78Cd0.22Se(aW1-3=
5.758Å)によって構成し、その厚さLW1-3=50
Åとした。また、層数n=2の引っ張り歪み障壁層3B
は、ZnS0.10Se0.81(aB1-2=5.634Å)によ
って構成し、その厚さLB1-2=90Åとした。基板1に
はGaAs(aS =5.653Å)を用いた。この時の
全歪み量ε=1.53であった。この実施例1の半導体
レーザは、1mWの光出力下において波長508nmで
1時間45分の室温連続発振が実現し、従来のII−VI族
化合物半導体レーザに比して信頼性の改善がはかられ
た。発振を停止した試料を解析したところ、電極部に破
壊が認められ、欠陥の増殖により発振停止したものでは
ないことが判明した。
【0051】(実施例2)実施例2の半導体レーザは、
圧縮歪み量子井戸層の組成および厚さと引っ張り歪み障
壁層の厚さを代えた他は実施例1と同様に構成した。こ
こで、圧縮歪み量子井戸層はZn0.75Cd0.25Se(a
W1-3=5.770Å)によって構成し、その厚さLW1-3
=40Åとした。また、引っ張り歪み障壁層はZnS
0.18Se0.81によって構成し、その厚さL=88Åとし
た。このときの全歪み量ε=1.42であった。この実
施例2の半導体レーザは、1mWの光出力下において波
長513nmで2時間16分の室温連続発振が実現し、
実施例1と同様に従来のII−VI族化合物半導体レーザに
比して信頼性の改善がはかられた。発振を停止した試料
を解析したところ、電極部に破壊が認められ、欠陥の増
殖により発振停止したものではないことが判明した。
圧縮歪み量子井戸層の組成および厚さと引っ張り歪み障
壁層の厚さを代えた他は実施例1と同様に構成した。こ
こで、圧縮歪み量子井戸層はZn0.75Cd0.25Se(a
W1-3=5.770Å)によって構成し、その厚さLW1-3
=40Åとした。また、引っ張り歪み障壁層はZnS
0.18Se0.81によって構成し、その厚さL=88Åとし
た。このときの全歪み量ε=1.42であった。この実
施例2の半導体レーザは、1mWの光出力下において波
長513nmで2時間16分の室温連続発振が実現し、
実施例1と同様に従来のII−VI族化合物半導体レーザに
比して信頼性の改善がはかられた。発振を停止した試料
を解析したところ、電極部に破壊が認められ、欠陥の増
殖により発振停止したものではないことが判明した。
【0052】表3に、実施例3〜10および比較例1〜
6の各半導体レーザーの歪み量εとと欠陥の増殖による
暗線の伸びの評価結果を示す。暗線の伸びを評価する試
料は、GuhaらのApplied Physics Letters Vol.63 No.23
1993 に示されるように、図6に示したSCH構造半導
体レーザの電極5のかわりに光を透過する程度の薄い金
電極を形成したものを用いた。尚、実施例3〜5では、
単一量子井戸構造、実施例6〜10および比較例1〜6
ではZnSz Se1-z 障壁層のz=0.06とし、Ga
As基板に格子整合するように構成した。この試料に電
流密度0.6A/cm2 で30分通電後、2A/cm2
で10分間通電し、発光させた時の活性領域における暗
線を上記金属の上面より観察した。表3において、暗線
の伸びの評価結果は以下の5段階で示した。表3に示さ
れるように、全歪み量ε≦1.55の場合、暗線の伸び
を抑えることができた。 5−劣化が速い。前面が暗線で覆われる。 4−暗線がかなり伸びる。10μm以上の暗線が観察さ
れる。 3−暗線が伸びる。3〜9μm程度の暗線が観察され
る。 2−暗線が少し伸びる。3μm未満の暗線が観察され
る。 1−ほとんど変化なし。
6の各半導体レーザーの歪み量εとと欠陥の増殖による
暗線の伸びの評価結果を示す。暗線の伸びを評価する試
料は、GuhaらのApplied Physics Letters Vol.63 No.23
1993 に示されるように、図6に示したSCH構造半導
体レーザの電極5のかわりに光を透過する程度の薄い金
電極を形成したものを用いた。尚、実施例3〜5では、
単一量子井戸構造、実施例6〜10および比較例1〜6
ではZnSz Se1-z 障壁層のz=0.06とし、Ga
As基板に格子整合するように構成した。この試料に電
流密度0.6A/cm2 で30分通電後、2A/cm2
で10分間通電し、発光させた時の活性領域における暗
線を上記金属の上面より観察した。表3において、暗線
の伸びの評価結果は以下の5段階で示した。表3に示さ
れるように、全歪み量ε≦1.55の場合、暗線の伸び
を抑えることができた。 5−劣化が速い。前面が暗線で覆われる。 4−暗線がかなり伸びる。10μm以上の暗線が観察さ
れる。 3−暗線が伸びる。3〜9μm程度の暗線が観察され
る。 2−暗線が少し伸びる。3μm未満の暗線が観察され
る。 1−ほとんど変化なし。
【0053】
【表3】
【0054】上述のように、本発明による半導体発光素
子において、大幅な寿命特性の改善および従来寿命を律
速していた欠陥の増殖速度の低減をはかることができ
た。
子において、大幅な寿命特性の改善および従来寿命を律
速していた欠陥の増殖速度の低減をはかることができ
た。
【0055】尚、本発明は上述の実施例に限らず、本発
明の要旨を変更しない範囲内で適宜変更することができ
る。例えば、基板1としてGaAs以外にZnSeを用
いることができる。また、基板1の導電型はp型として
もよい。また、正孔hに対する障壁層3Bのバリアがあ
まり大きくなく、半導体発光素子の動作に支障をきたさ
なければ障壁層3Bはn型の不純物ドープまたはノンド
ープとしてもよい。
明の要旨を変更しない範囲内で適宜変更することができ
る。例えば、基板1としてGaAs以外にZnSeを用
いることができる。また、基板1の導電型はp型として
もよい。また、正孔hに対する障壁層3Bのバリアがあ
まり大きくなく、半導体発光素子の動作に支障をきたさ
なければ障壁層3Bはn型の不純物ドープまたはノンド
ープとしてもよい。
【0056】
【発明の効果】上述したように、本発明によれば、II−
VI族化合物半導体発光素子において、その活性領域を圧
縮歪みを有する量子井戸層と、引っ張り歪みを有する障
壁層とにより構成することによって、欠陥の増殖を抑
え、素子の寿命特性を改善することができる。また、井
戸量子層の総和を臨界膜厚に制限されず充分大とするこ
とができることによって、量子井戸構造による活性領域
の光の閉じ込めを充分行うことができる。従って、発光
効率の高い緑ないしは青の発光がなされるII−VI族化合
物半導体発光素子を構成することができる。また、量子
井戸構造において、歪み量子井戸層または障壁層にp型
の不純物のドーピングがなされた構成とした場合、活性
領域への正孔の注入に対してバリアとなるエネルギーギ
ャップの発生を回避することができるので、しきい値電
流の低減化、動作電流の低減化を図ることができる。
VI族化合物半導体発光素子において、その活性領域を圧
縮歪みを有する量子井戸層と、引っ張り歪みを有する障
壁層とにより構成することによって、欠陥の増殖を抑
え、素子の寿命特性を改善することができる。また、井
戸量子層の総和を臨界膜厚に制限されず充分大とするこ
とができることによって、量子井戸構造による活性領域
の光の閉じ込めを充分行うことができる。従って、発光
効率の高い緑ないしは青の発光がなされるII−VI族化合
物半導体発光素子を構成することができる。また、量子
井戸構造において、歪み量子井戸層または障壁層にp型
の不純物のドーピングがなされた構成とした場合、活性
領域への正孔の注入に対してバリアとなるエネルギーギ
ャップの発生を回避することができるので、しきい値電
流の低減化、動作電流の低減化を図ることができる。
【図1】本発明による半導体発光素子の一例の概略断面
図である。
図である。
【図2】本発明による半導体発光素子の一例の活性領域
の一例の概略断面図である。
の一例の概略断面図である。
【図3】GaAs基板に格子整合するZnx Mg1-x S
y Se1-y のxおよびyとバンドギャップとの関係を示
す図である。
y Se1-y のxおよびyとバンドギャップとの関係を示
す図である。
【図4】本発明による半導体発光素子のクラッド層と量
子井戸構造による活性領域の一例の価電子帯頂上のバン
ド構造図である。
子井戸構造による活性領域の一例の価電子帯頂上のバン
ド構造図である。
【図5】本発明による半導体発光素子のクラッド層と量
子井戸構造による活性領域の他の例の価電子帯頂上のバ
ンド構造図である。
子井戸構造による活性領域の他の例の価電子帯頂上のバ
ンド構造図である。
【図6】本発明による半導体発光素子の他の例の概略断
面図である。
面図である。
【図7】本発明による半導体発光素子のクラッド層とガ
イド層と量子井戸構造による活性領域の一例のハンド構
造図である。
イド層と量子井戸構造による活性領域の一例のハンド構
造図である。
【図8】本発明による半導体発光素子のクラッド層とガ
イド層と量子井戸構造による活性領域の一例のハンド構
造図である。
イド層と量子井戸構造による活性領域の一例のハンド構
造図である。
1 基板 3 活性領域 3W 量子井戸層 3B 障壁層 11 第1のクラッド層 12 第2のクラッド層 21 第1のガイド層 22 第2のガイド層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 哲 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 白石 誠司 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内
Claims (5)
- 【請求項1】 基板上のZnx Mg1-x Sy Se
1-y (0<x<1,0<y<1)系化合物半導体よりな
る第1および第2のクラッド層と、 上記第1および第2のクラッド層間の、少なくとも1層
のZnA Cd1-A SBSe1-B (0<A<1,0≦B<
1)による上記基板に対して圧縮歪みを有する量子井戸
層と、 少なくとも1層のZnSz Se1-z (0<z<1)によ
る上記基板に対して引っ張り歪みを有する障壁層とによ
る量子井戸構造の活性領域とを有することを特徴とする
II−VI族化合物半導体発光素子。 - 【請求項2】 n番目(nは1以上の自然数)の上記量
子井戸層の圧縮歪みεWとn番目(nは1以上の自然
数)の上記障壁層の引っ張り歪みεB とによる全歪み量 ε=εW /εB =−{ΣΔaWn/aS ×LWn}/{ΣΔ
aBn/aS ×LBn} (LWn:n番目の量子井戸層の厚さ,LBn:n番目の障
壁層の厚さ ΔaWn/aS :n番目の量子井戸層の基板との格子不整
量 ΔaBn/aS :n番目の障壁層の基板との格子不整量)
を0<ε≦1.55としたことを特徴とする請求項1に
記載のII−VI族化合物半導体発光素子。 - 【請求項3】 上記量子井戸構造の少なくとも上記障壁
層にp型不純物がドープされたことを特徴とする請求項
1に記載のII−VI族化合物半導体発光素子。 - 【請求項4】 上記基板はGaAsよりなり、 上記障壁層は、ZnSz Se1-z (0.06<z<1)
よりなることを特徴とする請求項1に記載のII−VI族化
合物半導体発光素子。 - 【請求項5】 上記量子井戸層はZnA Cd1-A Se
(0<A<1)よりなることを特徴とする請求項4に記
載のII−VI族化合物半導体発光素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10266695A JPH0818161A (ja) | 1994-04-26 | 1995-04-26 | Ii−vi族化合物半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6-88836 | 1994-04-26 | ||
JP8883694 | 1994-04-26 | ||
JP10266695A JPH0818161A (ja) | 1994-04-26 | 1995-04-26 | Ii−vi族化合物半導体発光素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0818161A true JPH0818161A (ja) | 1996-01-19 |
Family
ID=26430178
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP10266695A Pending JPH0818161A (ja) | 1994-04-26 | 1995-04-26 | Ii−vi族化合物半導体発光素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0818161A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7038913B1 (ja) * | 2020-12-23 | 2022-03-18 | 三菱電機株式会社 | 半導体レーザ装置 |
-
1995
- 1995-04-26 JP JP10266695A patent/JPH0818161A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7038913B1 (ja) * | 2020-12-23 | 2022-03-18 | 三菱電機株式会社 | 半導体レーザ装置 |
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