JPS6342192A - 半導体発光素子 - 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、高性能可視光半導体発光素子に関する。

（従来の技術） ＩＩＩ族元素としてアルミニウム、ガリウム、インジウ
ムのうち一部或いはすべてを含み、■族元素として燐を
含むＩＩＩ　＋　Ｖ族半導体（以下ではＡｅＧａＩｎＰ
系半導体と称する）層を活性層およびクラッド層とする
ダブルヘテロ構造は、波長５８０ｎｍ〜６９０ｎｍ程度
の可視光領域でレーザ発振または発光する半導体発光素
子として用いられている。ＡｅＧａＩｎＰ系よりなる半
導体レーザの従来例構造（エレクトロニクスルターズ（
Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、Ｌｅｔｔ、Ｘ１９８５））の模式的
斜視図を第３図に示す。ｎ−ＧａＡｓ基板５１上に厚さ
ｌｐｍのｎ−（Ａｅ□、５Ｇａｏ、ｓ）ｏ、５Ｉｎｏ、
５ＰクラツドＲ５２、厚さ０．１ｐｍのアンドープ−（
Ａｒｏ、ＩＧａｏ、９）ｏ、５Ｉｎｏ、５Ｐ活性層５３
、厚さｌｐｍのｐ−（Ａｅ□、５　Ｇａ□、５）０．５
Ｉｎ□、５Ｐ５４、厚さ０．５ｐｍのｎ−ＧａＡｓ電流
ブロック層５５を順次エビタクシアル成長する。

次にフォトリソグラフィ等により、幅１０ｐｍ程度のス
トライプ状部分５９のみ、ｎ−ＧａＡｓブロック層５５
を選択的にエツチングして除去する。続いてｐ−ＧａＡ
ｓキャップ層５６を約１ｐｍ成長し、その上に、Ｔｉ／
Ｐｔ／Ａｕによるｐ−電極５７、ｎ−ＧａＡｓ基板５１
の裏面にＡｕ／Ｇｅによるｎ−電極５８を形成する。こ
のレーザは６６０ｎｍの赤色で発振する。

（発明が解決しようとする問題点） ダブルヘテロ構造を構成した場合、そのヘテロ接合部に
形成されるエネルギステップの高さく伝導帯におけるも
のをΔＥｃ、価電帯におけるものをΔＥｖとする）は、
エネルギギャップ差（ΔＥｇ）と各層への配分比で決ま
る。ダブルヘテロ構造で半導体レーザを構成した場合、
その発振閾値および温度特性はこのエネルギステップの
高さに依存する。つまり、低発振閾値で高温動作可能な
素子を得るには、このエネルギステップの高さを十分確
保せねばならない。ＩＩＬＶ族半導体の場合は伝導帯の
状態密度が小さいので、伝導帯ではエネルギの高い準位
まで、電子がつまるので、特にΔＥｃを十分大きくする
必要がある。ＡｅＧａＩｎＰ系の場合は、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ／ＩｎＰ系やＡｅＧａＡｓ系などと較べて、ΔＥｇの
ΔＥｃに対する配分比が小さ゛い。このことは、ＩｎＧ
ａＡｓＰ／ＩｎＰ系やＡｅＧａＡｓ系でとっていたヘテ
ロ接合部での△Ｅｇと同じ値をＡｅＧａＩｎＰ系でとっ
てもΔＥｃは前２者と較べて小さくなることを意味する
。

このため、従来例では、Ｅｇを十分とっであるにも拘ら
ず、発振閾値が比較的高く、特に温度特性が悪かった。

発振波長を短波長化するために活性層のエネルギギャッ
プを大きくしてゆくと、クラッド層としてエネルギギャ
ップの最も大きなＡｒＩｎＰを用いても、低閾値化や温
度特性劣化防止が難しく、波長０．６０ｐｍ付近での低
閾値発振や室温連続動作が困難であった。

本発明の目的は前述の問題を解決した半導体発光素子の
構造を提供することにある。

（問題を解決するための手段） この発明の要旨とするところは、活性層をクラッド層を
挟んだダブルヘテロ構造を少なくとも備えた半導体レー
ザにおいて、ＩＩＩ族元素として、アルミニウム、ガリ
ウム、インジウムのうち一部或いはすべてを含み、Ｖ族
元素として燐を含むエエＩ−Ｖ族半導体で活性層および
クラッド層を構成し、・さらにその活性層に砒素を加え
て含有したダブルヘテロ構造を採用することにより、前
述の従来技術による問題点を解決することにある。電流
狭窄構造は、内部ストライプ構造、プレーナストライブ
構造、埋込構造等その他如何なる構造でもよい。

電流狭９構造を必ずしもとる必要はない。また光の導波
領域に回折格子を備えたＤＦＢ型あるいはＤＢＲ型でも
よい。本発明は活性層となるＡｒＧａＩｎＰに、さらに
砒素（Ａｓ）を加える点が、重要な点である。単にＡｓ
を加えるのみならず、格子定数およびバンドギャップエ
ネルギを保ちつつ他の元素組成を変えると、この方法は
一層効果的となる。活性層はＧａＩｎＰでもよい。各層
の製法は、有機金属熱分解気相エビタクシャル（ＭＯＶ
ＰＥ）法、分子ビームエピタクシャル（ＭＢＥ）法、ハ
ロゲン輸送気相エビタクシアル（ＨＴ−ＶＰＥ）法、液
相エピタクシャル（ＬＰＥ）法などがあり、その製法は
いずれによってもよい。

（作用） ヘテロ接合界面での、伝導帯のエネルギステップの高さ
ΔＥｃは、ヘテロ接合を構成する半導帯の電子親和度の
差として定義され、一義的に決まる。

ところがＩＩＩ　＋　Ｖ族半導体、特に、その多元混晶
では電子親和力の値は不明確であった。ところでΔＥｃ
が電子親和度の差として求まることから、逆にヘテロ接
合の性質を、光電子分光法、量子井戸の準位の測定によ
る方法等により調べることにより、ΔＥｃを知り、電子
親和力の差を知ることができる。

つまり、電子親和力の測定は困難であるが、その差は上
述の如く、比較的容易に知られるようになった。また、
ＧａＡｓと格子整合するＧａ□、５Ｉｎ□、５Ｐまたは
（ＡｒｘＧａｔ−ｘ）ｏ、５Ｉｎ□、５Ｐ（０≦Ｘ≦１
）は、その構成元素としてＡｓを加えても、Ａｅ及びＧ
ａの組成として適当な値をとり、（ＡｅＸ’　Ｇａ１−
ｚ′）ｙＩｎｌ−ｙＰｌ−ｚＡｓｚ（０≦Ｘ゛≦１、Ｏ
≦ｙ≦１．０≦２≦１）とすることにより、エネルギギ
ャップ値および格子定数の値を、Ａｓを加える前の値と
等しくすることができる。ところで前述の条件を満たし
つつ、Ａｓを加えると、電子親和力の値が大きくなるこ
とがわかった。

第２図に、等しいエネルギギャップをもつ（Ａｌｚ’　
Ｇａｐ−ｘ′）ｙＩｎｌ−ｙＰ１喜ｉｚにおける電子親
和力のＺ依存性（Ａｓ組成依存性）を、Ｇａ□、５Ｉｎ
□、５Ｐの電子親和力の値に対する相対値として示す。

図に示すように、例えばＥｇ＝１．９ｅＶの場合、Ｇａ
□、５Ｉｎ□、５Ｐよりも（ＡｅＯ，２Ｇａ□、Ｂ）０
．７Ｉｎ□、３Ｐ□、５Ａｓ□、５の方が電子親和力は
約０．１５ｅＶ大となる。（Ａｅｏ、５Ｇａｏ、４）ｏ
、５Ｉｎｏ、５Ｐをクラッド層とした時Ｇａ□、５Ｉｎ
□、５Ｐを活性層とした場合はΔＥｃが０．１ｅＶとな
るが（Ａｅｏ、２Ｇａ０．８）０．７Ｉｎ０．５Ｐ０．
５ＡＳ０．５を活性層とするとΔＥｃは０．２５ｅＶと
なる。活性層のエネルギギャップは両者で等しくΔＥｇ
はともに０．４ｅＶとなるが、ΔＥｃについては後者の
方が大きくなっている。その結果、ダブルヘテロ構造を
形成して発振波長と６６０ｎｍとした場合、（Ａｅｏ、
６Ｇａｏ、４）　０．５　Ｉｎｏ、ｓＰをクラッド層と
して活性層を（Ａｅｏ、５Ｇａｏ、２）ｏ、７Ｉｎｏ、
５Ｐｏ、５Ａｓｏ、５とした方が、活性層を。

Ｇａ□、５Ｉｎ□、５Ｐとしたものよりも発振閾値を低
くかつ、温度特性を良好にすることができる。またＡｅ
□、５Ｉｎ□。

５Ｐをクラッド層とすることにより、（ＡｅｚＧａｉ−
ｘ）０゜５Ｉｎ０．５Ｐを活性層とした場合は、活性層
をｘ　＝　０．３として発振波長６００ｎｍ位までが限
度であるが、活性層を（Ａｒｏ、４５Ｇａｏ、５５）ｏ
、６Ｉｎｏ、４Ｐｏ、５Ａｓｏ、２とすることによりΔ
Ｅｃ＝０．１５ｅＶ、ΔＥｖ　＝　０．０５ｅＶとなり
室温連続動作でも発振波長５７０ｎｍ程度（黄緑）で発
振可能となる。

（実施例） 以下一実施例を用いて本発明を説明する。第１図は本発
明の一実施例の模式的斜視図である。これは波長５７０
ｎｍ（黄緑色）で発振する可視光レーザである。ｎ型Ｇ
ａＡｓ基板１の上に、ＭＯ−ＶＰＥ法等により、厚さｌ
ｐｍのｎ型Ａｅ□、５Ｉｎ□、５Ｐクラッド層２、厚さ
０．１ｐｍのアンドープ（Ａｅｏ、４５Ｇａｏ、５５）
ｏ、６Ｉｎｏ、４Ｐｏ、５Ａｓｏ、２活性層３、厚さｌ
ｐｍのｐ型Ａｅ□、５Ｉｎ□、５Ｐクラッド層４、厚さ
０．５ｐｍのｎ型ＧａＡｓ電流ブロック層５を順次成長
する。次にフォトリソグラフィ等により幅２〜１０ｐｍ
程度のストライプ状部分９のみ、ｎ−ＧａＡｓブロック
層５を選択的にエツチングして除去する。続いてｐ−Ｇ
ａＡｓキャップ層６を約１ｐｍ成長し、その上に、Ｔｉ
／Ｐｔ／Ａｕによるｐ−電極７、ｎ−ＧａＡｓ基板１の
裏面にＡｕ／Ｇｅによるｎ−電極８を形成する。この実
施例のレーザ素子は、活性層を波長５７０ｎｍ（黄色）
で発振するまでエネルギギャップを大きくしてもΔＥｃ
が０．１５ｅＶ程度、ΔＥｖが０．０５ｅＶ程度に保た
れる。このため、レーザ発振閾値が下がり、温度上昇に
よる閾値上昇が小さくなるため、室温連続発振が容易に
なり、信頼性も向上する。Ａｓを含まないＡｒＧａＩｎ
Ｐ系で（Ａｅｏ、ａ５Ｇａｏ、５ｓ）ｏ、５Ｉｎｏ、５
Ｐを活性層として、発振波長５７０ｎｍを得ようとする
と、ΔＥｃが０．０７５ｅＶ程度迄しかとれないため、
レーザ発振が難しくなる。従って実施例では、従来技術
では得られないより短波長の発振波長を得ることができ
る。

（発明の効果） このように本発明の構造を採ることにより、発振閾値が
小さく、温度上昇による特性劣化の小さな優れた半導体
レーザ素子が得られる。さらにその結果、従来技術では
得られなかったより短波長のレーザ発振波長をもつ、半
導体レーザ素子を得ることができる。

この発明は、多元混晶の新材料により新たに開かれた可
視光半導体レーザへの応用に対してその効果の大なるも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の模式的斜視図、第２図は
、（Ａｒｘ’　Ｇａ１−ｘ’　）ｙＩｎｌ−ｙＰｌ−ｚ
Ａｓｚにおける電子親和力のＡｓ組成Ｚ依存性、第３図
は従来例の模式的斜視図をそれぞれ示す。 図中、 １、５１　・ｎ型ＧａＡｓ基板、２．−ｎ−Ａｅ□、５
Ｉｎ（１，５Ｐクラッド層 ３、・・・アンドープ（Ａｅｏ、４ｓＧａｏ、５ｓ）ｏ
、６Ｉｎｏ、４Ｐｏ、５Ａｓｏ、２活性層 ４、　・＝　ｐ−Ａ＜０．５Ｉｎ□、５Ｐクラッド層５
、５５−ｎ−ＧａＡｓブロック層、６．５６−ｐ−Ｇａ
Ａｓキャップ層 ７．５７・・・ｐ−電極、８．５８・・・ｎ電極９、５
９　・・・電流注入ストライプ領域、５２−ｎ−（Ａｒ
□、５Ｇａ□。 ｓ）ｏ、５Ｉｎｏ、ｓＰクラッド層 ５３、・・・アンドープ（Ａｒｏ、ｘＧａｏ、９）ｏ、
５Ｉｎｏ、ｓＰ活性層６　廿　−＆ 第２図 ０　０、＋　　０．２　０．３　０．４　０．５Ａｓ組
成２

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 活性層をクラッド層で挟みこんだダブルヘテロ構造を少
   なくとも備え、III族元素として、アルミニウム、ガリ
   ウム、インジウムのうち一部或いはすべてを含み、Ｖ族
   元素として燐を含むIII−Ｖ族半導体で活性層およびク
   ラッド層を構成し、さらにその活性層に砒素を加えて含
   有したことを特徴とした半導体発光素子。