(57)【要約】【課題】内部量子効率の高い、信頼性に優れた発光素子を提供する。【解決手段】ＺｎＳｅＴｅまたはＢｅＺｎＳｅＴｅからなる活性層１５と、ＭｇＳｅ／ＢｅＺｎＳｅＴｅ超格子からなる第２ガイド層１７との間に電子障壁層１６を有する。電子障壁層１６はＭｇＢｅＺｎＳｅＴｅ単層、またはＭｇＳｅ／ＢｅＺｎＴｅ超格子からなり、電子障壁層１６の伝導体下端が活性層１５の伝導帯下端よりも高い準位となるような組成比となっている。【選択図】図２
2010040925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に積層構造を備え、
前記積層構造は、ｎ型クラッド層、第１ガイド層、活性層、第２ガイド層およびｐ型クラッド層をこの順に有すると共に、前記活性層と前記第２ガイド層との間または前記第２ガイド層内に電子障壁層を有し、
前記活性層はＺｎＳｅＴｅ層またはＢｅＺｎＳｅＴｅ層を有し、
前記電子障壁層は、ＭｇＢｅＺｎＳｅＴｅ層、またはＭｇＳｅ層とＢｅＺｎＴｅ層とを交互に積層してなる超格子構造を有し、かつ当該電子障壁層の伝導体下端が前記活性層の伝導帯下端よりも高い準位となるような組成比となっている発光素子。
【請求項２】
前記ＭｇＳｅ層および前記ＢｅＺｎＴｅ層の厚さはそれぞれ、１ＭＬ以上１０ＭＬ以下である請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記電子障壁層の厚さは、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である請求項１に記載の発光素子。
【請求項４】
前記電子障壁層の厚さは、電子のドブロイ波長およびその近傍である請求項３に記載の発光素子。
【請求項５】
前記電子障壁層は、当該電子障壁層の価電子帯上端が前記活性層の価電子帯上端よりも低い準位となると共に、前記第２ガイド層の価電子帯上端よりも高い準位となるような組成比となっている請求項１に記載の発光素子。
【請求項６】
前記活性層はＢｅＺｎＳｅＴｅ層を有し、
前記第１ガイド層および前記第２ガイド層は共に、ＭｇＳｅ層とＢｅＺｎＳｅＴｅ層とを交互に積層してなる超格子構造となっている請求項１に記載の発光素子。
【請求項７】
前記電子障壁層および前記ｐ型クラッド層は共に、ＭｇＳｅ層とＢｅＺｎＴｅ層とを交互に積層してなる超格子構造となっている請求項１に記載の発光素子。
【請求項８】
前記活性層は、当該活性層のＩｎＰとの格子不整合率が１％以下となるような組成比となっている請求項１に記載の発光素子。
【請求項９】
前記半導体基板はＩｎＰ基板である請求項１に記載の発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば純青色（４８０ｎｍ強）から橙色（６００ｎｍ強）までの可視光範囲内の波長で好適に発光する発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ（Laser Diode ；ＬＤ）は、他の固体レーザやガスレーザに比べて小型かつ堅牢で高効率であり、通信、記録、加工、医療などのさまざまな産業分野で応用されている。また、ＲＧＢ３原色の可視光レーザを光源として用いることによりディスプレイを実現することが可能であることから、ディスプレイは半導体レーザの将来の応用分野として期待されている。ＲＧＢ３原色の可視光レーザとしては、ＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いた高出力の赤色半導体レーザがすでに実現されている。また、青色レーザには、ＧａＩｎＮなどの窒化物系材料を用いることで高出力な半導体レーザが実現可能と考えられている。しかし、緑色の半導体レーザは、まだ実現されていない。
【０００３】
半導体レーザでは、活性層の材料のバンドギャップにおいて電子と正孔が再結合するときに放出される光を半導体内で共振させてレーザ光として取り出す。そのため、半導体レーザの波長は、活性層の材料で一意的に決定される。緑色帯の発光が得られる材料としては、ＩｎＧａＮなどの窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体とＺｎＳｅなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体がある。
【０００４】
前者では、緑色の発光ダイオード(Light Emitting Diode; ＬＥＤ)がすでに実用化されているが、緑色の半導体レーザは実用化されていない。これは、緑色の発光を得るためにＩｎＧａＮ量井戸中のＩｎの混晶比を２０％程度まで高める必要があるが、このとき結晶内には歪により内部電界がかかるので、量子井戸中の電子と正孔が空間的に分離し、発光効率が低下してしまうからである。そのため、窒化物系材料を用いた発光素子では、ＬＥＤは実用化されているもののレーザはまだ開発されていない。
【０００５】
後者では、ＺｎＳｅ系材料において、非特許文献１，２などでレーザ発振の報告があるが、まだ実用レベルの緑色の半導体レーザは実現されていない。その主な理由として、以下の３つが挙げられる。一般に、半導体レーザでは、ｐ型結晶とｎ型結晶を活性層に対してタイプＩ接合させたダブルへテロ構造となっている。しかし、ＺｎＳｅ系材料では、低抵抗なｐ型結晶を得るのが難しい。また、低抵抗なｐ型結晶が得られたとしてもそれを活性層に対してタイプＩ接合させることが難しい。さらに、ＺｎＳｅなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に比べて、一般的に、イオン結合性が強いので、原子間の結合力が弱く、レーザ発振時の信頼性が低い。これらの理由により、緑色の半導体レーザはこれまで実現されていない。
【０００６】
特許文献１では、これらの欠点を克服した緑色帯の半導体レーザが提案されている。この緑色帯の半導体レーザでは、活性層および光ガイド層にＢｅを含むＩＩ−ＶＩ族化合物半導体が用いられている。Ｂｅを含むＩＩ−ＶＩ族化合物半導体では、Ｂｅを含まないＩＩ−ＶＩ族化合物半導体に比べて、共有結合性が強いので、原子間の結合力が強く、素子の信頼性が高い。また、ｐクラッド層には低抵抗なｐ型結晶としてＭｇＳｅ／ＢｅＺｎＴｅ超格子が用いられている。さらに、活性層にＢｅＺｎＳｅＴｅ４元混晶が用いられ、かつガイド層にＭｇＳｅ／ＢｅＺｎＳｅＴｅ超格子が用いられており、活性層とガイド層がタイプＩ接合している。そのため、高い発光効率が得られる。
【０００７】
【非特許文献１】E.Kato et al. “Significant progress in II-ＶＩ blue-green laser diode lifetime” Electronics Letters 5th February 1998 Vol.34 No.3 p.282-284
【非特許文献２】S.Che et al. “Yellow-green ZnCdSe/BeZnTe II-ＶＩ laser diodes grown on InP substrates” Applied Physics Lett. 81, 972(2002)
【特許文献１】特開２００７−２５１０９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１の方策では、ガイド層として用いたＭｇＳｅ／ＢｅＺｎＳｅＴｅ超格子の伝導帯下端と、活性層として用いたＢｅＺｎＳｅＴｅの伝導帯下端とのバンド不連続量が必ずしも十分に大きくはないことが最近の研究から明らかとなった。緑で発光し、かつＩｎＰに格子整合するＢｅＺｎＳｅＴｅの組成は、Ｂｅ０．１３Ｚｎ０．８７Ｓｅ０．４０Ｔｅ０．６０で与えられる。この材料の価電子帯上端と、ＭＧＳｅの価電子帯上端との不連続量は、Ｘ線光電子分光法を用いて算出すると１．１９ｅＶとなった。また、Ｂｅ０．１３Ｚｎ０．８７Ｓｅ０．４０Ｔｅ０．６０の伝導帯下端と、ＭＧＳｅの伝導帯下端との不連続量は、上で求めた１．１９ｅＶと、ＢｅＺｎＳｅＴｅのバンドギャップ２．３３ｅＶと、ＭＧＳｅのバンドギャップ３．６ｅＶとから、０．０８ｅＶとなった。
【０００９】
次に、ＭｇＳｅ／ＢｅＺｎＳｅＴｅ超格子の膜厚比が２ＭＬ／８ＭＬ（ＭＬ：モノレイヤー、１ＭＬ≒０．３ｎｍ）であるときの、伝導帯第一サブバンド下端のエネルギーと、価電子帯第一サブバンド上端のエネルギーとを、有効質量近似のもとクローニッヒペニーモデルから計算した。これらの値は、電子および正孔の活性層に対する実効的な障壁エネルギーに相当する。計算の結果、活性層の伝導帯下端と、ガイド層の伝導帯第一サブバンド下端との不連続量は、０．０２４ｅＶとなり、活性層の価電子帯上端と、ガイド層の価電子帯第一サブバンド上端との不連続量は、０．０８４ｅＶとなった。このことから、正孔のエネルギー障壁は十分に大きいが、電子のエネルギー障壁は十分とはいえないことがわかる。なお、一般的なＡｌＧａＡｓ系の半導体レーザでは、電子の障壁エネルギーは０．１７ｅＶ程度である。
【００１０】
電子の障壁エネルギーが小さい場合には、ｎクラッド層側から注入された電子は、活性層のポテンシャル井戸に閉じ込められずにオーバーフローする。一般に、電子と正孔の再結合確率は電子と正孔の波動関数の積に比例する。そのため、電子がポテンシャル井戸に十分に閉じ込められないと、電子の波動関数はガイド層全体に広がり、活性層での再結合確率が低下する。また、オーバーフローした電子はガイド層とクラッド層との界面などに形成される非発光中心で再結合する可能性がある。この場合には、素子内で熱が発生し、これより内部量子効率が低下し、さらにクラッド層の結晶欠陥が活性層へ伝播する可能性がある。その結果、閾電流値が上昇したり、信頼性が低下したりするなどの悪影響が生じる虞がある。
【００１１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、内部量子効率の高い、信頼性に優れた発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の発光素子は、半導体基板上に積層構造を備えたものである。上記積層構造は、ｎ型クラッド層、第１ガイド層、活性層、第２ガイド層およびｐ型クラッド層をこの順に含むと共に、活性層と第２ガイド層との間または第２ガイド層内に電子障壁層を有している。ここで、活性層は、ＺｎＳｅＴｅまたはＢｅＺｎＳｅＴｅを有している。また、電子障壁層は、ＭｇＢｅＺｎＳｅＴｅ単層、またはＭｇＳｅ層とＢｅＺｎＴｅ層とを交互に積層してなる超格子構造を有しており、電子障壁層の伝導体下端が活性層の伝導帯下端よりも高い準位となるような組成比となっている。
【００１３】
本発明の発光素子では、活性層がＺｎＳｅＴｅまたはＢｅＺｎＳｅＴｅを有しており、電子障壁層がＭｇＢｅＺｎＳｅＴｅ単層、またはＭｇＳｅ層とＢｅＺｎＴｅ層とを交互に積層してなる超格子構造を有している。これにより、例えば、第２ガイド層を活性層とタイプＩ接合するような材料や層構造とした場合に、第２ガイド層の伝導体下端が活性層の伝導帯下端よりもわずかに高い準位にしかならないときであっても、活性層と第２ガイド層との間または第２ガイド層内に設けた電子障壁層の伝導体下端を、活性層の伝導体下端よりも十分に高い準位にすることが可能となる。これにより、ｎ型クラッド層側から注入された電子を電子障壁層によって活性層内に閉じ込めることができるので、電子のオーバーフローの発生を低減することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の発光素子によれば、活性層と第２ガイド層との間または第２ガイド層内に設けた電子障壁層の伝導体下端を、活性層の伝導体下端よりも十分に高い準位にすることができるようにしたので、電子のオーバーフローの発生を低減することができる。これにより、電子障壁層を設けていない場合と比べて、活性層での再結合確率が高まり、非発光中心で再結合する割合を低減することができる。その結果、内部量子効率の高い、信頼性に優れた発光素子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ１の断面構成を表すものである。図２は、図１の半導体レーザ１の各層のバンド構造の一例を模式的に表すものである。この半導体レーザ１は、エピタキシャル成長法、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ，ＭＯＶＰＥ）法により形成されたものであり、基板の結晶と特定の結晶学的方位関係を保ちつつ結晶膜を堆積成長させたものである。
【００１７】
半導体レーザ１は、基板１０の一面側に、バッファ層１１、ｎ型クラッド層１２、ｎ型グレーデッド層１３、第１ガイド層１４、活性層１５、電子障壁層１６、第２ガイド層１７、ｐ型クラッド層１８、中間層１９およびキャップ層２０をこの順に積層して構成された積層構造２１を備えている。
【００１８】
基板１０は、例えばｎ型ＩｎＰ基板である。バッファ層１１は、ｎ型クラッド層１２からキャップ層２０までの各半導体層の結晶成長性を良くするために基板１０の表面に形成されたものである。バッファ層１１は、例えば、基板１０がＩｎＰ基板である場合には、ＳｉドープのＩｎＰ層、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＧａＡｓ層およびＣｌドープのｎ型ＺｎＣｄＳｅ層を基板１０側から順に積層して構成されている。
【００１９】
ｎ型クラッド層１２は、バンドギャップが第１ガイド層１４および活性層１５のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が第１ガイド層１４および活性層１５の屈折率よりも小さいＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層となっている。
【００２０】
このｎ型クラッド層１２は、例えば、図２に示したように、井戸層１２Ａと障壁層１２Ｂとを交互に積層してなる超格子構造となっている。ここで、井戸層１２Ａは、例えば、主としてＺｎＣｄＳｅを含んでおり、障壁層１２Ｂは、例えば、主としてＭｇＳｅを含んでいる。また、井戸層１２Ａおよび障壁層１２Ｂのそれぞれの層厚は、例えば、１ＭＬ以上１０ＭＬ以下となっている。従って、井戸層１２Ａおよび障壁層１２Ｂのそれぞれの材料（組成比）および各層厚の比によってｎ型クラッド層１２の実効的なバンドギャップを変える（制御する）ことが可能となっている。井戸層１２Ａおよび障壁層１２Ｂの厚さの比（障壁層１２Ｂの厚さ／井戸層１２Ａの厚さ）は、バンドギャップが第１ガイド層１４および活性層１５のバンドギャップよりも大きくなる範囲内の値となっており、例えば、井戸層１２ＡがＺｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅからなる場合には、２ＭＬ／４ＭＬ（ＭＬ：モノレイヤー、１ＭＬ≒０．３ｎｍ）となっている。
【００２１】
なお、ｎ型クラッド層１２は、上記した井戸層１２Ａおよび障壁層１２Ｂの他に、更に何らかの層を含んでいてもよい。また、下部クラッド層１２は、単層構造であってもよく、例えば、主としてＭｇＺｎＣｄＳｅを含む単層構造となっていてもよい。
【００２２】
また、ｎ型クラッド層１２が上記したような積層構造となっている場合には、その積層構造に含まれる所定の層（例えば、井戸層１２Ａ、障壁層１２Ｂ、またはその他の何らかの層）にｎ型不純物が少なくとも１種類ドープされているか、または積層構造に含まれる所定の層以外の層よりも多くドープされていてもよい。また、ｎ型クラッド層１２が上記したような単層構造となっている場合には、ｎ型不純物が少なくとも１種類、層全体に均一にドープされていてよいし、層内で濃度分布が生じるように不均一にドープされていてもよい。ｎ型不純物としては、例えば、Ｃｌ、Ｇａ、Ａｌなどが挙げられる。
【００２３】
ｎ型グレーデッド層１３は、ｎ型クラッド層１２と第１ガイド層１４とがタイプＩＩ接合となっている場合に、電子を十分に活性層１５に注入させることができるようにするためのものである。このｎ型グレーデッド層１３は、例えば、図２に示したように、井戸層１３Ａと障壁層１３Ｂとを交互に積層してなる超格子構造となっている。ここで、井戸層１３Ａは、例えば、主としてＺｎＣｄＳｅを含んでおり、障壁層１３Ｂは、例えば、主としてＭｇＳｅを含んでいる。また、井戸層１３Ａおよび障壁層１３Ｂのそれぞれの層厚は、例えば、１ＭＬ以上１０ＭＬ以下となっている。従って、井戸層１３Ａおよび障壁層１３Ｂのそれぞれの材料（組成比）および各層厚の比によってｎ型グレーデッド層１３の実効的なバンドギャップを変える（制御する）ことが可能となっている。ｎ型グレーデッド層１３に含まれる複数の井戸層１３Ａの厚さは、ｎ型クラッド層１２側から第１ガイド層１４側に向かうにつれて薄くなっており、ｎ型グレーデッド層１３に含まれる複数の障壁層１３Ｂの厚さは、ｎ型グレーデッド層１３内の位置に依らず一定となっている。また、井戸層１３Ａおよび障壁層１３Ｂの厚さの比（障壁層１３Ｂの厚さ／井戸層１３Ａの厚さ）は、例えば、井戸層１３ＡがＺｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅからなる場合には、ｎ型クラッド層１２側において２ＭＬ／３ＭＬとなっており、第１ガイド層１４側において２ＭＬ／１ＭＬとなっている。
【００２４】
なお、ｎ型グレーデッド層１３は、上記した井戸層１３Ａおよび障壁層１３Ｂの他に、更に何らかの層を含んでいてもよい。また、ｎ型グレーデッド層１３が上記したような積層構造となっている場合には、その積層構造に含まれる所定の層（例えば、井戸層１３Ａ、障壁層１３Ｂ、またはその他の何らかの層）にｎ型不純物が少なくとも１種類ドープされているか、または積層構造に含まれる所定の層以外の層よりも多くドープされていてもよい。
【００２５】
第１ガイド層１４は、バンドギャップが活性層１５のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１５の屈折率よりも小さく、さらに、伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端が活性層１５の伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端よりも高いＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層となっている。
【００２６】
この第１ガイド層１４は、例えば、図２に示したように、井戸層１４Ａと障壁層１４Ｂとを交互に積層してなる超格子構造となっている。ここで、井戸層１４Ａは、例えば、活性層１５と同一組成の半導体層となっており、例えば、主としてＢｅＺｎＳｅＴｅを含んでいる。一方、障壁層１４Ｂは、例えば、主としてＭｇＳｅを含んでいる。また、井戸層１４Ａおよび障壁層１４Ｂのそれぞれの層厚は、例えば、１ＭＬ以上１０ＭＬ以下となっている。従って、井戸層１４Ａおよび障壁層１４Ｂのそれぞれの材料（組成比）および各層厚の比によって第１ガイド層１４の実効的なバンドギャップを変える（制御する）ことが可能となっている。井戸層１４Ａおよび障壁層１４Ｂの厚さの比（障壁層１４Ｂの厚さ／井戸層１４Ａの厚さ）は、バンドギャップが活性層１５のバンドギャップよりも大きくなる範囲内の値となっており、例えば、井戸層１４ＡがＢｅ０．１３Ｚｎ０．８７Ｓｅ０．４０Ｔｅ０．６０からなる場合には、２ＭＬ／８ＭＬとなっている。
【００２７】
なお、第１ガイド層１４は、上記した井戸層１４Ａおよび障壁層１４Ｂの他に、更に何らかの層を含んでいてもよい。また、第１ガイド層１４は、単層構造であってもよく、例えば、主としてＭｇＢｅＺｎＳｅＴｅを含む単層構造となっていてもよい。
【００２８】
活性層１５は、所望の発光波長（例えば緑色帯）に対応したバンドギャップを有するＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層となっている。この活性層１５は、例えば、ＺｎＳｅＴｅ層またはＢｅＺｎＳｅＴｅ層となっており、例えば、緑色帯の波長で発光し、かつＩｎＰと格子整合するＢｅ０．１３Ｚｎ０．８７Ｓｅ０．４０Ｔｅ０．６０により構成されている。なお、活性層１５がＺｎＳｅＴｅ層またはＢｅＺｎＳｅＴｅ層を含む量子井戸構造となっていてもよい。また、活性層１５の層全体がアンドープとなっていることが好ましい。
【００２９】
電子障壁層１６は、バンドギャップが活性層１５のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１４の屈折率よりも小さく、さらに、伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端が活性層１５の伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端よりも高いＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層となっている。また、この電子障壁層１６は、第２ガイド層１７を活性層１５とタイプＩ接合するような材料や層構造とした場合に、第２ガイド層１７の伝導体下端または伝導帯第一サブバンド下端が活性層１７の伝導帯下端よりもわずかに高い準位にしかならないときには、バンドギャップが活性層１５および第２ガイド層１７のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１４および第２ガイド層１７の屈折率よりも小さく、さらに、伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端が活性層１５および第２ガイド層１７の伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端よりも高いＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層となっている。また、この電子障壁層１６は、当該電子障壁層１６の価電子帯上端または価電子帯第一サブバンド上端が活性層１５の価電子帯上端または価電子帯第一サブバンド上端よりも低い準位となると共に、第２ガイド層１７の価電子帯上端または価電子帯第一サブバンド上端よりも高いＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層となっている。
【００３０】
この電子障壁層１６は、例えば、図２に示したように、井戸層１６Ａと障壁層１６Ｂとを交互に積層してなる超格子構造となっている。ここで、井戸層１６Ａは、例えば、ｐ型クラッド層１８の井戸層１８Ａと同一組成の半導体層であり、例えば、主としてＢｅＺｎＴｅを含んでいる。一方、障壁層１６Ｂは、例えば、主としてＭｇＳｅを含んでいる。また、井戸層１６Ａおよび障壁層１６Ｂのそれぞれの層厚は、例えば、１ＭＬ以上１０ＭＬ以下となっている。従って、井戸層１６Ａおよび障壁層１６Ｂのそれぞれの材料（組成比）および各層厚の比によって電子障壁層１６の実効的なバンドギャップを変える（制御する）ことが可能となっている。井戸層１６Ａおよび障壁層１６Ｂの厚さの比（障壁層１６Ｂの厚さ／井戸層１６Ａの厚さ）は、バンドギャップが少なくとも活性層１５のバンドギャップよりも大きくなる範囲内の値となっており、好ましくは活性層１５および第２ガイド層１７のバンドギャップよりも大きくなる範囲内の値となっている。障壁層１６Ｂの厚さ／井戸層１６Ａの厚さは、例えば、井戸層１６ＡがＢｅ０．４８Ｚｎ０．５２Ｔｅからなる場合には、４ＭＬ／６ＭＬとなっている。
【００３１】
なお、電子障壁層１６は、上記した井戸層１６Ａおよび障壁層１６Ｂの他に、更に何らかの層を含んでいてもよい。また、電子障壁層１６は、単層構造であってもよく、例えば、主としてＭｇＢｅＺｎＳｅＴｅを含む単層構造となっていてもよい。
【００３２】
電子障壁層１６の厚さは、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であることがより好ましい。電子は波動的性質を有することから、障壁の厚さが薄くなると、トンネル効果により電子は障壁を透過する。電子の透過確立が十分に小さくなる障壁の厚さ、すなわち障壁として好ましい厚さは、電子のドブロイ波長である１０ｎｍ程度以上であると考えられる。一方、障壁が５０ｎｍより厚くなると、レーザダイオードとして素子を作成する際に、以下に述べる理由により、光を導波路に閉じ込める上で都合が悪くなる。すなわち、ＭｇＳｅ／ＢｅＺｎＴｅ超格子はｐクラッド層１８にも用いられる材料であることからもわかるように、ＭｇＳｅ／ＢｅＺｎＴｅ超格子の屈折率は低い。
【００３３】
表１は、分光エリプソメトリー法により測定した、素子を構成する主な材料の屈折率を示したものである。ＭｇＳｅ／ＢｅＺｎＴｅ超格子の屈折率は２．６程度である。活性層１５の近傍に屈折率の低い電子障壁層１６がある程度の厚さで存在すると、閉じ込められる光の中心が活性層１５の中心位置から外れてしまう。このとき、光閉じ込め係数Γが低下するので、閾値電流は増加する。従って、電子障壁層１６の厚さとしては、光導波路内の電界分布および光閉じ込め係数Γが、電子障壁層１６がない場合とあまり変わらない範囲内となっていることが好ましい。
【表１】
2010040925.tif 000003
【００３４】
図３（Ａ）〜（Ｃ）は、電子障壁層１６の厚さが０ｎｍ（電子障壁層１６なし）、１２ｎｍ、１００ｎｍとなっている場合における、光導波路内の電界の二乗、すなわち、光強度分布の計算結果を表したものである。図３（Ａ）〜（Ｃ）から、電子障壁層１６の厚さが１２ｎｍ程度となっている場合には、光導波路内の電界分布および光閉じ込め係数Γが、電子障壁層１６がない場合とほとんど同じであり、電子障壁層１６の影響がほとんどないことがわかる。一方、電子障壁層１６の厚さが１００ｎｍとなっている場合には、光導波路内の電界分布が大きく崩れており、光閉じ込め係数Γがかなり悪化していることがわかる。従って、電子障壁層１６の厚さとしては、電子のドブロイ波長およびその近傍であることが好ましい。
【００３５】
なお、発光ダイオードとして素子を作成する際には、光導波路構造を素子内に作り込む必要がないので、発光ダイオードの場合には、電子障壁層１６の厚さを、レーザダイオードの場合よりも厚くすることが可能である。ただし、光を表面側から取り出す場合に、電子障壁層１６が厚すぎると、光を表面に取り出す効率が低下するので、過剰に厚くすることは好ましくない。
【００３６】
第２ガイド層１７は、バンドギャップが活性層１５のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１５の屈折率よりも小さく、さらに、価電子帯上端または価電子帯第一サブバンド上端が活性層１５の価電子帯上端または価電子帯第一サブバンド上端よりも低いＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層となっている。
【００３７】
この第２ガイド層１７は、例えば、図２に示したように、井戸層１７Ａと障壁層１７Ｂとを交互に積層してなる超格子構造となっている。ここで、井戸層１７Ａは、例えば、活性層１５と同一組成の半導体層となっており、例えば、主としてＢｅＺｎＳｅＴｅを含んでいる。一方、障壁層１７Ｂは、例えば、主としてＭｇＳｅを含んでいる。また、井戸層１７Ａおよび障壁層１７Ｂのそれぞれの層厚は、例えば、１ＭＬ以上１０ＭＬ以下となっている。従って、井戸層１７Ａおよび障壁層１７Ｂのそれぞれの材料（組成比）および各層厚の比によって第２ガイド層１７の実効的なバンドギャップを変える（制御する）ことが可能となっている。井戸層１７Ａおよび障壁層１７Ｂの厚さの比（障壁層１７Ｂの厚さ／井戸層１７Ａの厚さ）は、バンドギャップが活性層１５のバンドギャップよりも大きくなる範囲内の値となっており、例えば、井戸層１７ＡがＢｅ０．１３Ｚｎ０．８７Ｓｅ０．４０Ｔｅ０．６０からなる場合には、２ＭＬ／８ＭＬとなっている。
【００３８】
なお、第２ガイド層１７は、上記した井戸層１７Ａおよび障壁層１７Ｂの他に、更に何らかの層を含んでいてもよい。また、第２ガイド層１７は、単層構造であってもよく、例えば、主としてＭｇＢｅＺｎＳｅＴｅを含む単層構造となっていてもよい。
【００３９】
ｐ型クラッド層１８は、バンドギャップが活性層１５および第２ガイド層１７のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１５および第２ガイド層１７の屈折率よりも小さいＩＩ−ＶＩ族化合物半導体となっている。
【００４０】
このｐ型クラッド層１８は、例えば、図２に示したように、井戸層１８Ａと障壁層１８Ｂとを交互に積層してなる超格子構造となっている。ここで、井戸層１８Ａは、例えば、主としてＢｅＺｎＴｅを含んでおり、障壁層１８Ｂは、例えば、主としてＭｇＳｅを含んでいる。また、井戸層１８Ａおよび障壁層１８Ｂのそれぞれの層厚は、例えば、１ＭＬ以上１０ＭＬ以下となっている。従って、井戸層１８Ａおよび障壁層１８Ｂのそれぞれの材料（組成比）および各層厚の比によってｐ型クラッド層１８の実効的なバンドギャップを変える（制御する）ことが可能となっている。井戸層１８Ａおよび障壁層１８Ｂの厚さの比（障壁層１８Ｂの厚さ／井戸層１８Ａの厚さ）は、バンドギャップが活性層１５および第２ガイド層１７のバンドギャップよりも大きくなる範囲内の値となっており、例えば、井戸層１８ＡがＢｅ０．４８Ｚｎ０．５２Ｔｅからなる場合には、４ＭＬ／６ＭＬとなっている。
【００４１】
なお、ｐ型クラッド層１８は、上記した井戸層１８Ａおよび障壁層１８Ｂの他に、更に何らかの層を含んでいてもよい。また、ｐ型クラッド層１８は、単層構造であってもよく、例えば、主としてＭｇＢｅＺｎＳｅＴｅを含む単層構造となっていてもよい。
【００４２】
また、ｐ型クラッド層１８が上記したような積層構造となっている場合には、その積層構造に含まれる所定の層（例えば、井戸層１８Ａ、障壁層１８Ｂ、またはその他の何らかの層）にｐ型不純物が少なくとも１種類ドープされているか、または積層構造に含まれる所定の層以外の層よりも多くドープされていてもよい。また、ｐ型クラッド層１８が上記したような単層構造となっている場合には、ｐ型不純物が少なくとも１種類、層全体に均一にドープされていてよいし、層内で濃度分布が生じるように不均一にドープされていてもよい。ｐ型不純物としては、例えば、Ｎ、Ｐ、Ｏ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｌｉ、ＮａまたはＫなどが挙げられる。
【００４３】
中間層１９は、例えば、井戸層（図示せず）と障壁層（図示せず）とを交互に積層してなる超格子構造となっている。ここで、井戸層は、例えば、主としてＢｅＺｎＴｅを含んでおり、障壁層１３Ｂは、例えば、主としてＺｎＴｅを含んでいる。また、井戸層および障壁層のそれぞれの層厚は、例えば、１ＭＬ以上１０ＭＬ以下となっている。従って、これら井戸層および障壁層のそれぞれの材料（組成比）および各層厚の比によって中間層１９の実効的なバンドギャップを変える（制御する）ことが可能となっている。なお、中間層１９は、上記した井戸層および障壁層の他に、更に何らかの層を含んでいてもよい。また、中間層１９は単層構造であってもよい。また、中間層１９が上記したような積層構造となっている場合には、その積層構造に含まれる所定の層（例えば、井戸層、障壁層、またはその他の何らかの層）にｐ型不純物が少なくとも１種類ドープされているか、または積層構造に含まれる所定の層以外の層よりも多くドープされていてもよい。
【００４４】
キャップ層２０は、例えば、ｐ型ＺｎＴｅにより構成されている。
【００４５】
また、この半導体レーザ１には、積層構造２１の上面にストライプ状の開口を有する絶縁層２２が形成されており、さらに、その開口を含む絶縁層２２の表面全体にｐ側電極２３が形成されている。また、基板１０の裏面には、ｎ側電極２４が形成されている。ｐ側電極２３は、例えば、チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）をキャップ層２０上にこの順に積層したものであり、キャップ層２０と電気的に接続されている。また、ｎ側電極２４は、例えば、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）との合金，ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）とをこの順に積層した構造を有しており、基板１０と電気的に接続されている。このｎ側電極２４は、半導体レーザ１を支持するためのサブマウント(図示せず)の表面に固定されており、さらに、サブマウントを介してヒートシンク（図示せず）の表面に固定されている。
【００４６】
ところで、上記したｎ型クラッド層１２、ｎ型グレーデッド層１３、第１ガイド層１４、活性層１５、電子障壁層１６、第２ガイド層１７およびｐ型クラッド層１８は、基板１０と格子整合していることが好ましい。ここで、基板１０がＩｎＰ基板となっている場合には、他の層はＩｎＰと格子整合する組成比の材料により構成されていることが好ましい。ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体のうちＩｎＰと格子整合するものとしては、例えば、上記表１の材料が挙げられる。ただし、発光強度の劣化の少ない範囲内で各層が基板１０と格子不整合していてもよく、例えば、活性層１５については、当該活性層１５の基板１０との格子不整合率が１％以下となるような組成比となっていてもよい。
【００４７】
なお、表１に示した４元混晶（ＢｅＺｎＳｅＴｅ）のＢｅ組成比をＩｎＰと格子整合条件下で０〜０．３まで変えることができるので、表１に示した４元混晶（ＢｅＺｎＳｅＴｅ）のバンドギャップを、２．０７ｅＶ〜２．６５ｅＶの範囲内の値とすることが可能である。例えば、ＢｅＺｎＳｅＴｅのＢｅ組成比を０．１３とすることにより、ＢｅＺｎＳｅＴｅのバンドギャップを、緑色帯の波長に対応するバンドギャップ（２．３ｅＶ）とすることができる。
【００４８】
また、表１に示したＭｇＳｅ／ＢｅＺｎＴｅ超格子構造では、ＢｅＺｎＴｅの組成比と、ＭｇＳｅ／ＢｅＺｎＴｅの層厚比を調整することにより、ＭｇＳｅ／ＢｅＺｎＴｅ超格子構造のバンドギャップを２．７ｅＶ付近に設定することが可能である。例えば、ＢｅＺｎＴｅの組成比をＢｅ０．４８Ｚｎ０．５２Ｔｅとし、ＭｇＳｅ／ＢｅＺｎＴｅの層厚比を４ＭＬ／６ＭＬとすることにより、活性層１５をＢｅ０．１３Ｚｎ０．８７Ｓｅ０．４０Ｔｅ０．６０により構成した場合に、活性層１５の伝導帯下端と、電子障壁層１６の伝導帯下端との不連続量ΔＥｃを、０．３３ｅＶ（図２参照）とすることができる。これは、電子障壁層１６としては十分な大きさといえる。
【００４９】
なお、このとき、図２に示したように、電子障壁層１６の価電子帯上端は、活性層１５の価電子帯上端よりも低く、第２ガイド層１７の価電子帯上端よりも高くなっている。従って、電子障壁層１６は、正孔注入の障壁にならない。
【００５０】
図４は、比較例に係る半導体レーザ１００の断面構成を表すものである。図５は、図４の半導体レーザ１００の各層のバンド構造の一例を模式的に表すものである。この半導体レーザ１００は、電子障壁層１６を備えていない点で、本実施の形態の半導体レーザ１の構成と相違している。図５から、電子障壁層１６を設けずに、第２ガイド層１７を、Ｂｅ０．１３Ｚｎ０．８７Ｓｅ０．４０Ｔｅ０．６０からなる活性層１５とタイプＩ接合するような材料や層構造とした場合、例えば、ＭｇＳｅ／Ｂｅ０．１３Ｚｎ０．８７Ｓｅ０．４０Ｔｅ０．６０（２ＭＬ／８ＭＬ）超格子構造とした場合には、活性層１５の伝導帯上端と、第２ガイド層１７の伝導帯上端との不連続量ΔＥｃは、わずか０．０２４ｅＶ（図５参照）にしかならない。従って、このままでは、ｎクラッド層１２側から注入された電子は、活性層１５に閉じ込められずにオーバーフローしてしまい、閾電流値が上昇したり、信頼性が低下したりするなどの悪影響が生じる虞がある。
【００５１】
一方、本実施の形態では、第２ガイド層１７を活性層１５とタイプＩ接合するような材料や層構造とした場合に、第２ガイド層１７の伝導体下端が活性層１５の伝導帯下端よりもわずかに高い準位にしかならないときであっても、活性層１５と第２ガイド層１７との間に電子障壁層１６を設けることにより、ｎ型クラッド１２層側から注入された電子を電子障壁層１６によって活性層１５内に閉じ込めることができる。これにより、電子のオーバーフローの発生を低減することができるので、閾電流値が上昇したり、信頼性が低下したりするなどの悪影響が生じる虞がない。従って、内部量子効率の高い、信頼性に優れた半導体レーザ１を実現することができる。
【００５２】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。
【００５３】
例えば、上記実施の形態では、電子障壁層１６を活性層１５と第２ガイド層１７との間に設けていたが、第２ガイド層１７内に設けてもよい。
【００５４】
また、上記実施の形態では、基板１０としてＩｎＰ基板を用いた場合について説明したが、他の半導体基板を用いることももちろん可能である。
【００５５】
また、上記実施の形態では、本発明を半導体レーザに適用した場合について説明したが、発光ダイオード（ＬＥＤ）や、受光素子（Photo Detector;ＰＤ）などの半導体素子に対してももちろん適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体レーザの断面構成図である。
【図２】図１の半導体レーザのバンド構造の一例を説明するための概念図である。
【図３】図１の電子障壁層と活性層との位置関係による光閉じ込めについて説明するための概念図である。
【図４】比較例に係る半導体レーザの断面構成図である。
【図５】図４の半導体レーザのバンド構造の一例を説明するための概念図である。
【符号の説明】
【００５７】
１…半導体レーザ、１０…基板、１１…バッファ層、１２…ｎ型クラッド層、１２Ａ，１３Ａ，１４Ａ，１６Ａ，１７Ａ，１８Ａ…井戸層、１２Ｂ，１３Ｂ，１４Ｂ，１６Ｂ，１７Ｂ，１８Ｂ…障壁層、１３…ｎ型グレーデッド層、１４…第１ガイド層、１５…活性層、１６…電子障壁層、１７…第２ガイド層、１８…ｐ型クラッド層、１９…中間層、２０…キャップ層、２１…積層構造、２２…絶縁層、２３…ｐ側電極、２４…ｎ側電極。
【図１】
2010040925.tif 000004
【図２】
2010040925.tif 000005
【図３】
2010040925.tif 000006
【図４】
2010040925.tif 000007
【図５】
2010040925.tif 000008