(57)【要約】【課題】タイプＩＩ発光を抑制することにより発光効率を向上させることの可能な半導体発光素子を提供する。【解決手段】ｎ型クラッド層１２（ｎ型グレーデッド層１３）と活性層１６（ガイド層１５）との間に、スペーサ層１４が設けられている。スペーサ層１４は、伝導帯下端がｎ型クラッド層１２、ｎ型グレーデッド層１３、ガイド層１５および活性層１６の伝導帯下端よりも高い準位となるようなバンド構造を有しており、ｎ型クラッド層１２と活性層１６とのタイプＩＩ発光を抑制するような材料および厚さにより構成されている。【選択図】図２
2010040923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層をこの順に含むと共に、前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間および前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間の少なくとも一方にスペーサ層を含む積層構造を備え、
前記スペーサ層は、当該スペーサ層が前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に設けられている場合には当該スペーサ層の伝導帯下端が前記ｎ型クラッド層および前記活性層の双方の伝導帯下端よりも高い準位となるようなバンド構造を有し、当該スペーサ層が前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられている場合には当該スペーサ層の価電子帯上端が前記活性層および前記ｐ型クラッド層の双方の価電子帯上端よりも低い準位となるようなバンド構造を有する半導体発光素子。
【請求項２】
前記スペーサ層が前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に設けられ、
前記ｎ型クラッド層は当該ｎ型クラッド層の伝導帯下端が前記活性層の伝導帯下端よりも低い準位となるようなバンド構造を有する請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記スペーサ層が前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、
前記ｐ型クラッド層は、当該ｐ型クラッド層の価電子帯上端が前記活性層の価電子帯上端よりも高い準位となるようなバンド構造を有する請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記スペーサ層が前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に設けられ、
前記ｎ型クラッド層は、前記スペーサ層が当該ｎ型クラッド層と前記活性層との間に設けられていないとした場合に当該ｎ型クラッド層と前記活性層とのタイプＩＩ発光が生じる程度に、当該ｎ型クラッド層および前記活性層の伝導帯下端の不連続量が小さなバンド構造を有する請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記スペーサ層が前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられ、
前記ｐ型クラッド層は、前記スペーサ層が前記活性層と当該ｐ型クラッド層との間に設けられていないとした場合に前記活性層と当該ｐ型クラッド層とのタイプＩＩ発光が生じる程度に、前記活性層および当該ｐ型クラッド層の価電子帯上端の不連続量が小さなバンド構造を有する請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記積層構造は、前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に第１光ガイド層を有すると共に前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に第２光ガイド層を有し、
前記スペーサ層は、前記第１光ガイド層と前記ｎ型クラッド層との間および前記ｐ型クラッド層と前記第２光ガイド層との間の少なくとも一方に設けられている請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記スペーサ層は、前記第１光ガイド層と前記ｎ型クラッド層との間に設けられている場合には当該スペーサ層の伝導帯下端が前記ｎ型クラッド層、前記第１光ガイド層および前記活性層の伝導帯下端よりも高い準位となるようなバンド構造を有し、前記ｐ型クラッド層と前記第２光ガイド層との間に設けられている場合には当該スペーサ層の価電子帯上端が前記活性層、前記第２光ガイド層および前記ｐ型クラッド層の価電子帯上端よりも低い準位となるようなバンド構造を有する請求項６に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記スペーサ層は、前記積層構造に外部から電圧が印加されていない状態においてキャリアが当該スペーサ層を透過する確率がゼロとなるような厚さとなっている請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記積層構造は、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を主に含む請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記スペーサ層は、ＭｇＳｅ混晶、またはＭｇＺｎＳｅＴｅ混晶を主に含む請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記スペーサ層が前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に設けられ、
前記活性層は、ＢｅＺｎＳｅＴｅ混晶、またはＭｇＳｅ／ＢｅＺｎＳｅＴｅ超格子を主に含み、
前記ｎ型クラッド層は、ＭｇＳｅ／ＺｎＣｄＳｅ超格子、ＺｎＣｄＳｅ混晶、ＢｅＺｎＣｄＳｅ混晶、ＢｅＣｄＳｅ混晶を主に含む請求項１０に記載の半導体発光素子。
【請求項１２】
ｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層をこの順に含むと共に、前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間および前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間の少なくとも一方にスペーサ層を含む積層構造を備え、
前記スペーサ層は、当該スペーサ層が前記ｎ型クラッド層と前記活性層との間に設けられている場合には前記ｎ型クラッド層と前記活性層とのタイプＩＩ発光を抑制するような材料および厚さにより構成され、当該スペーサ層が前記活性層と前記ｐ型クラッド層との間に設けられている場合には前記活性層と前記ｐ型クラッド層とのタイプＩＩ発光を抑制するような材料および厚さにより構成されている半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光効率の改善がなされた半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ（Laser Diode ；ＬＤ）は、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している。しかし、緑色の半導体レーザは、未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（波長５００ｎｍ〜６００ｎｍ）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。ＩｎＧａＮではＩｎ混晶比２０％程度で緑色の発光が得られるが、このとき結晶内には歪が発生し、これに起因して結晶性の低下や内部電界による発光効率の低下が生じる。近年、非極性面基板を用いて内部電界の発生を防ぐことによって緑色の半導体レーザを実現する試みが盛んであるが、緑色の半導体レーザは未だ実現されていない。
【０００５】
後者では、レーザ発振の報告があるが、実用レベルの緑色の半導体レーザは実現されていない。例えば、E.Katoらによって、ＧａＡｓ基板上にＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を積層することにより形成された５００ｎｍ付近の青緑色ＬＤにおいて、１ｍＷで約４００時間の室温連続発振を達成したことが報告されている（非特許文献１）が、この材料系では４００時間以上の寿命を得ることができていない。その理由は、結晶欠陥が発生し移動しやすいという、材料の物理的な性質に起因していると考えられている。
【０００６】
ところで、上記の波長領域の発光素子の材料として、Ｂｅを含むＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いることが検討されている。たとえば、非特許文献２では、ＢｅＺｎＳｅＴｅを活性層に使ったＬＥＤで、５，０００時間を超える素子寿命を達成したことが報告されている。Ｂｅを含むことによって結晶の共有結合性が高くなるので、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体ではあるが、結晶が硬くなり欠陥生成も抑制されると考えられる。
【０００７】
さらに、特許文献１では、Ｂｅを含むＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を用いた上で、活性層とガイド層をタイプＩ接合する方策について提案されている。図５は、特許文献１に記載の半導体レーザの断面構成の一例を表したものである。図６は、図５の半導体レーザのバンドラインナップを模式的に示したものである。この半導体レーザでは、ＩｎＰ基板１１０上に、バッファ層１１１、ｎ型クラッド層１１２、ｎ型グレーデッド層１１３、ガイド層１１４、活性層１１５、ガイド層１１６、ｐ型クラッド層１１７およびコンタクト層１１８が積層されている。コンタクト層１１８上にはストライプ状の開口を有する絶縁層１２１が形成されており、その絶縁層１２１上には、絶縁層１２１の開口を介してコンタクト層１１８と接するｐ側電極１２２が形成されている。また、ＩｎＰ基板１１０の裏面には、ｎ側電極１２３が形成されている。
【０００８】
この半導体レーザでは、活性層１１５として、緑色で発光し、かつＩｎＰに格子整合するＢｅ０．１３Ｚｎ０．８７Ｓｅ０．４０Ｔｅ０．６０が用いられている。また、ガイド層１１４，１１６として、ＭｇＳｅ層１１４Ｂ，１１６ＢおよびＢｅ０．１３Ｚｎ０．８７Ｓｅ０．４０Ｔｅ０．６０層１１４Ａ，１１６Ａからなる超格子が用いられている。また、ｎ型クラッド層１１２およびｎ型グレーデッド層１１３として、ＭｇＳｅ層１１２Ｂ，１１３ＢおよびＺｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅ層１１２Ａ，１１３Ａからなる超格子が用いられている。また、ｐ型クラッド層１１７として、ＭｇＳｅ層１１７ＢおよびＢｅ０．４８Ｚｎ０．５２Ｔｅ層１１７Ａからなる超格子が用いられている。これにより、活性層１１５とガイド層１１４，１１６をタイプＩ接合させることができる。
【０００９】
【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】I.Nomura et al. “Long life operations over 5000 hours of BeZnSeTe/MgZnCdSe visible light emitting diodes on InP substrates” phys.stat.sol(b) 243, No.4(2006) p.924-928
【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】
【００１０】
しかし、ＸＰＳ（X-ray Photoelectron Spectroscopy）測定による価電子帯バンド不連続量評価と、ＰＬ(Photoluminescence)測定によるバンドギャップエネルギー評価とを行った結果、ｎ型グレーデッド層１１３の伝導帯下端が、活性層１１５の伝導帯下端よりも低く、ｎ型グレーデッド層１１３と活性層１１５とがタイプＩＩ接合していることが最近の研究から明らかになった。
【００１１】
タイプＩＩ接合界面での発光（タイプＩＩ発光）は空間的に分離した電子と正孔との再結合発光であり、タイプＩＩ発光の発光効率はタイプＩ発光の発光効率と比べて著しく低い。また、光が生成される位置が活性層１１５の中心位置ではないので、活性層１１５への光閉じ込めが不十分となり、レーザ発振を得ることができない。
【００１２】
そこで、活性層１１５へ電流を注入するために、さらに大きな電圧を印加することが考えられる。しかし、そのようにしたとしても、電子はタイプＩＩ発光に消費され、ｎ型グレーデッド層１１３の伝導体レベルが上昇せず、結局、電流を活性層１１５へ注入することができない。
【００１３】
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、タイプＩＩ発光を抑制することにより発光効率を向上させることの可能な半導体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】
【００１４】
本発明の第１の半導体発光素子は、ｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層をこの順に含むと共に、ｎ型クラッド層と活性層との間および活性層とｐ型クラッド層との間の少なくとも一方にスペーサ層を含む積層構造を備えたものである。スペーサ層は、当該スペーサ層がｎ型クラッド層と活性層との間に設けられている場合には、当該スペーサ層の伝導帯下端がｎ型クラッド層および活性層の双方の伝導帯下端よりも高い準位となるようなバンド構造を有している。また、スペーサ層は、当該スペーサ層が活性層とｐ型クラッド層との間に設けられている場合には、当該スペーサ層の価電子帯上端が活性層およびｐ型クラッド層の双方の価電子帯上端よりも低い準位となるようなバンド構造を有している。
【００１５】
本発明の第１の半導体発光素子では、スペーサ層がｎ型クラッド層と活性層との間に設けられている場合には、スペーサ層の伝導帯下端がｎ型クラッド層および活性層の双方の伝導帯下端よりも高い準位となっている。また、スペーサ層が活性層とｐ型クラッド層との間に設けられている場合には、スペーサ層の価電子帯上端が活性層およびｐ型クラッド層の双方の価電子帯上端よりも低い準位となっている。これにより、空間的に分離した電子と正孔とがｎ型クラッド層と活性層との間、または活性層とｐ型クラッド層との間で再結合発光（タイプＩＩ発光）するのが抑制される。
【００１６】
本発明の第２の半導体発光素子は、ｎ型クラッド層、活性層およびｐ型クラッド層をこの順に含むと共に、ｎ型クラッド層と活性層との間および活性層とｐ型クラッド層との間の少なくとも一方にスペーサ層を含む積層構造を備えたものである。スペーサ層は、当該スペーサ層がｎ型クラッド層と活性層との間に設けられている場合には、ｎ型クラッド層と活性層とのタイプＩＩ発光を抑制するような材料および厚さにより構成されている。また、スペーサ層は、当該スペーサ層が活性層とｐ型クラッド層との間に設けられている場合には、活性層とｐ型クラッド層とのタイプＩＩ発光を抑制するような材料および厚さにより構成されている。
【００１７】
本発明の第２の半導体発光素子では、スペーサ層がｎ型クラッド層と活性層との間に設けられている場合には、ｎ型クラッド層と活性層とのタイプＩＩ発光を抑制するような材料および厚さにより構成されている。また、スペーサ層が活性層とｐ型クラッド層との間に設けられている場合には、活性層とｐ型クラッド層とのタイプＩＩ発光を抑制するような材料および厚さにより構成されている。これにより、空間的に分離した電子と正孔とがｎ型クラッド層と活性層との間、または活性層とｐ型クラッド層との間でタイプＩＩ発光するのが抑制される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の第１および第２の半導体発光素子によれば、スペーサ層によって、空間的に分離した電子と正孔とがｎ型クラッド層と活性層との間、または活性層とｐ型クラッド層との間でタイプＩＩ発光するのを抑制するようにしたので、活性層でのタイプＩ発光を実現することができる。これにより発光効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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。
【００２０】
[第１の実施の形態]
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ１の断面構成を表したものである。図２は、図１の半導体レーザ１のバンドラインナップ一例を表したものである。
【００２１】
この半導体レーザ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型グレーデット層１３、スペーサ層１４、ガイド層１５（第１光ガイド層）、活性層１６、ガイド層１７（第２光ガイド層）、ｐ型クラッド層１８およびコンタクト層１９をこの順に積層して構成された積層構造２０を備えている。
【００２２】
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からコンタクト層１９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。
【００２３】
ｎ型クラッド層１２は、バンドギャップがガイド層１５および活性層１６のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率がガイド層１５および活性層１６の屈折率よりも小さいＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を主に含んで構成されている。このｎ型クラッド層１２では、伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端がガイド層１５および活性層１６の伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端よりも低くなっているか、または、スペーサ層１４がｎ型クラッド層１２と活性層１６との間に設けられていないとした場合にｎ型クラッド層１２と活性層１６とのタイプＩＩ発光が生じる程度に、ｎ型クラッド層１２および活性層１６の伝導帯下端の不連続量が小さくなっている。従って、前者の場合にはｎ型クラッド層１２が活性層１６とタイプＩＩ接合している場合だけが該当するが、後者の場合にはｎ型クラッド層１２が活性層１６とタイプＩＩ接合している場合だけでなく、タイプＩ接合している場合も該当する。
【００２４】
このｎ型クラッド層１２は、例えば、第１半導体層（図示せず）と第２半導体層（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ＺｎＣｄＳｅを含んでおり、障壁層は、例えば、主としてＭｇＳｅ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、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。井戸層および障壁層の厚さの比（障壁層の厚さ／井戸層の厚さ）は、バンドギャップがガイド層１５および活性層１６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。例えば、井戸層がＺｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅからなり、障壁層がＭｇＳｅ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。
【００２５】
なお、ｎ型クラッド層１２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、下部クラッド層１２は、単層構造であってもよく、例えば、ＺｎＣｄＳｅ混晶、ＢｅＺｎＣｄＳｅ混晶またはＢｅＣｄＳｅ混晶を主として含む単層構造となっていてもよい。
【００２６】
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、障壁層、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。
【００２７】
ｎ型グレーデッド層１３は、ｎ型クラッド層１２と活性層１６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１６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、バンドギャップがガイド層１５および活性層１６のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率がガイド層１５および活性層１６の屈折率よりも小さいＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を主に含んで構成されている。
【００２８】
このｎ型グレーデッド層１３では、伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端がガイド層１５および活性層１６の伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端よりも低く、ｎ型クラッド層１２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くなっている。また、ｎ型グレーデッド層１３の価電子帯上端または価電子帯第一サブバンド上端は、少なくともガイド層１５および活性層１６の価電子帯上端または価電子帯第一サブバンド上端よりも低い準位となっている。なお、図２には、ｎ型グレーデッド層１３の価電子帯上端または価電子帯第一サブバンド上端がｎ型クラッド層１２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っている場合が例示されている。
【００２９】
このｎ型グレーデッド層１３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ＺｎＣｄＳｅを含んでおり、障壁層は、例えば、主としてＭｇＳｅ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、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の厚さは、例えばｎ型クラッド層１２側からガイド層１５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の厚さは、例えば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、井戸層および障壁層の厚さの比（障壁層の厚さ／井戸層の厚さ）は、例えば、井戸層がＺｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅからなり、障壁層がＭｇＳｅ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、スペーサ層１４側において２ＭＬ／１ＭＬとなっている。
【００３０】
なお、ｎ型グレーデッド層１３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、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、障壁層、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。
【００３１】
スペーサ層１４は、バンドギャップが活性層１６およびガイド層１５のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１６およびガイド層１５の屈折率よりも小さなＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を主に含んで構成されている。
【００３２】
このスペーサ層１４では、伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端がｎ型クラッド層１２、ｎ型グレーデッド層１３、ガイド層１５および活性層１６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準位となっている。また、スペーサ層１４の価電子帯上端または価電子帯第一サブバンド上端は、少なくともガイド層１５および活性層１６の価電子帯上端または価電子帯第一サブバンド上端よりも低い準位となっている。なお、図２には、スペーサ層１４の価電子帯上端または価電子帯第一サブバンド上端がｎ型クラッド層１２、ｎ型グレーデッド層１３、ガイド層１５および活性層１６の価電子帯上端または価電子帯第一サブバンド上端よりも低い準位となっている場合が例示されている。
【００３３】
このスペーサ層１４は、例えば、ＭｇＳｅ混晶、またはＭｇＺｅＳｅＴｅ混晶を主に含んで構成されている。スペーサ層１４の厚さは、ｎ型クラッド層１２から供給される電子がスペーサ層１４の電子障壁によって活性層１６へ透過しない範囲内の値となっている。つまり、スペーサ層１４は、ｎ型クラッド層１２と活性層１６とのタイプＩＩ発光を抑制するような材料および厚さにより構成されている。
【００３４】
図３（Ａ）〜（Ｃ）は、電子がスペーサ層１４を透過する確率（透過率Ｔ２）を検討するにあたって用いたモデルを表したものである。図中のＶｏは、スペーサ層１４の活性層１６からの障壁高さである。Δは、スペーサ層１４のｎ型クラッド層１２からの障壁高さである。Ｅは、本モデルに電圧を印加したときの、ｎ型クラッド層１２の伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端の上昇量である。なお、図３（Ａ）は活性層１６の伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端が、ｎ型クラッド層１２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ときのバンドラインナップの一例を模式的に表したものである。図３（Ｂ）は活性層１６の伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端と、ｎ型クラッド層１２の伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端とが互いに等しいときのバンドラインナップの一例を模式的に表したものである。また、図３（Ｃ）はスペーサ層１４の伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端と、ｎ型クラッド層１２の伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端とが互いに等しくなる程度の電圧を本モデルに印加したときのバンドラインナップの一例を模式的に表したものである。
【００３５】
図４は、本モデルにおいて、スペーサ層１４をＭｇＳｅ混晶により構成し、かつその厚さを０ＭＬから１４ＭＬまで１ＭＬずつ変化させたときの透過率Ｔ２を表したものである。図４では、障壁高さΔが０．００ｅＶ、０．０５ｅＶ、０．２９ｅＶ、０．６ｅＶ、０．９２ｅＶとなっているときの透過率がそれぞれ示されている。図４の透過率Ｔ２は、以下の式によって算出されている。
【数１】
2010040923.tif 000003
【００３６】
ここで、ａはＭｇＳｅ混晶層の厚さである。ｍｅは電子の静止質量である。ｍｂはスペーサ層１４の有効質量である。図４では、ｍｂとしてＭｇＳｅ混晶の有効質量である０．２３を用いた。ｈｂはプランク定数である。ΔはＭｇＳｅ混晶層の障壁高さである。
【００３７】
図４から、スペーサ層１４をＭｇＳｅ混晶により構成し、ｎ型クラッド層１２を図３（Ａ），（Ｂ）に示したように障壁高さΔがＶｏ以上となるような材料により構成した場合には、活性層１６を障壁高さＶｏが０．２９ｅＶ以上となるような材料により構成すると共に、スペーサ層１４の厚さを８ＭＬ以上とすることにより、透過率Ｔ２をほぼゼロにすることができることがわかる。また、本モデルへ外部から電圧を印加した場合には、n型クラッド層１２の伝導帯下端は上昇し、Δが小さくなる（図３（Ｃ）参照）。従って、電圧印加によりΔをゼロにした場合には、図４に示したように、スペーサ層１４の厚さに拘わらず透過率Ｔ２が１となることがわかる。
【００３８】
従って、スペーサ層１４をＭｇＳｅ混晶により構成すると共に、ｎ型クラッド層１２を、図３（Ａ），（Ｂ）に示したように外部から本モデルへ電圧を印加していない時に障壁高さΔがＶｏ以上となるような材料（例えば、ＭｇＳｅ（２ＭＬ）／Ｚｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅ（４ＭＬ）超格子）により構成し、かつスペーサ層１４の厚さを、８ＭＬ以上、トンネル効果により電子が透過することの可能な厚さ（電子のドブロイ波長である１０ｎｍ程度）以上とした場合には、積層構造２０に電圧を印加していないときには活性層１６へ電子が透過せず、積層構造２０に電圧を印加したときには活性層１６へ電子が透過する。
【００３９】
ガイド層１５は、バンドギャップが活性層１６のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１６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。このガイド層１５では、伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端が活性層１６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準位となっており、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１６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っている。
【００４０】
このガイド層１５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層となっている。ここで、井戸層は、例えば、活性層１６と同一組成の半導体層となっており、例えば、主としてＺｎＳｅＴｅ混晶またはＢｅＺｎＳｅＴｅ混晶を含んでいる。なお、井戸層は、活性層１６とは異なる半導体材料によって構成されていてもよく、例えば、ＢｅＺｎＴｅ混晶を含んでいる。このように、井戸層を活性層１６とは異なる半導体材料によって構成した場合には活性層１６とガイド層１５との障壁差（伝導帯下端のエネルギー差ΔＥｃ、価電子帯上端のエネルギー差ΔＥｖ）を、井戸層を活性層１６と同一材料によって構成した場合と比べて大きくすることができ、活性層１６への強いキャリア閉じ込めを得ることもできる。一方、障壁層は、例えば、主としてＭｇＳｅ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、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ガイド層１５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、また、井戸層および障壁層の厚さの比（障壁層の厚さ／井戸層の厚さ）は、バンドギャップが活性層１６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、井戸層がＢｅ０．１３Ｚｎ０．８７Ｓｅ０．４０Ｔｅ０．６０混晶からなり、障壁層がＭｇＳｅ混晶からなる場合には、２ＭＬ／８ＭＬとなっている。
【００４１】
なお、ガイド層１５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、ガイド層１５は、単層構造であってもよく、例えば、主としてＭｇＺｎＳｅＴｅ混晶またはＭｇＢｅＺｎＳｅＴｅ混晶を含む単層構造となっていてもよい。
【００４２】
また、ガイド層１５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全ての層（例えば、井戸層、障壁層、またはその他の何らかの層）がアンドープとなっていることが好ましい。なお、本明細書において「アンドープ」とは、対象となる半導体層を製造する際に不純物の原料を供給していないことを意味するものであり、対象となる半導体層に不純物が全く含まれていない場合や、他の半導体層などから拡散してきた不純物がわずかに含まれている場合も含まれる概念である。また、ガイド層１３が上記したような単層構造となっている場合には、層全体がアンドープとなっていることが好ましい。
【００４３】
活性層１６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１６は、例えば、ＺｎＳｅＴｅ混晶またはＢｅＺｎＳｅＴｅ混晶を含んで構成されており、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混晶により構成されている。なお、活性層１６がＺｎＳｅＴｅ混晶またはＢｅＺｎＳｅＴｅ混晶を含む量子井戸構造となっていてもよく、例えば、ＭｇＳｅ／ＢｅＺｎＳｅＴｅ超格子構造となっていてもよい。また、活性層１６の層全体がアンドープとなっていることが好ましい。
【００４４】
ガイド層１７は、バンドギャップが活性層１６のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１６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。このガイド層１７では、伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端が活性層１６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準位となっており、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１６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っている。
【００４５】
このガイド層１７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層となっている。ここで、井戸層は、例えば、活性層１６と同一組成の半導体層となっており、例えば、主としてＺｎＳｅＴｅ混晶またはＢｅＺｎＳｅＴｅ混晶を含んでいる。なお、井戸層は、活性層１６とは異なる半導体材料によって構成されていてもよく、例えば、ＢｅＺｎＴｅ混晶を含んでいる。このように、井戸層を活性層１６とは異なる半導体材料によって構成した場合には活性層１６とガイド層１７との障壁差（伝導帯下端のエネルギー差ΔＥｃ、価電子帯上端のエネルギー差ΔＥｖ）を、井戸層を活性層１６と同一材料によって構成した場合と比べて大きくすることができ、活性層１６への強いキャリア閉じ込めを得ることもできる。一方、障壁層は、例えば、主としてＭｇＳｅ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、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。井戸層および障壁層の厚さの比（障壁層の厚さ／井戸層の厚さ）は、バンドギャップが活性層１６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、井戸層がＢｅ０．１３Ｚｎ０．８７Ｓｅ０．４０Ｔｅ０．６０混晶からなり、障壁層がＭｇＳｅ混晶からなる場合には、２ＭＬ／８ＭＬとなっている。
【００４６】
なお、ガイド層１７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、ガイド層１７は、単層構造であってもよく、例えば、主としてＭｇＺｎＳｅＴｅ混晶またはＭｇＢｅＺｎＳｅＴｅ混晶を含む単層構造となっていてもよい。
【００４７】
また、ガイド層１７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全ての層（例えば、井戸層、障壁層、またはその他の何らかの層）がアンドープとなっていることが好ましい。
【００４８】
ｐ型クラッド層１８は、バンドギャップが活性層１６およびガイド層１５のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１６およびガイド層１５の屈折率よりも小さいＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を主に含んで構成されている。
【００４９】
このｐ型クラッド層１８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混晶を含んでおり、障壁層は、例えば、主としてＭｇＳｅ混晶を含んでいる。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、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。井戸層および障壁層の厚さの比（障壁層の厚さ／井戸層の厚さ）は、バンドギャップが活性層１６およびガイド層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、井戸層がＢｅ０．４８Ｚｎ０．５２Ｔｅ混晶からなり、障壁層がＭｇＳｅ混晶からなる場合には、４ＭＬ／６ＭＬとなっている。
【００５０】
なお、ｐ型クラッド層１８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、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混晶を含む単層構造となっていてもよい。
【００５１】
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、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。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。
【００５２】
コンタクト層１９は、例えば、ｐ型ＺｎＴｅにより構成されている。
【００５３】
また、この半導体レーザ１には、積層構造２０の上面にストライプ状の開口を有する絶縁層２１が形成されており、さらに、その開口を含む絶縁層２１の表面全体にｐ側電極２２が形成されている。また、基板１０の裏面には、ｎ側電極２３が形成されている。ｐ側電極２２は、例えば、パラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）をコンタクト層１７上にこの順に積層したものであり、コンタクト層１７と電気的に接続されている。また、ｎ側電極２３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２３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。
【００５４】
ところで、上記したｎ型クラッド層１２、ガイド層１３、活性層１４、ガイド層１５およびｐ型クラッド層１６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、以下に示した表１の材料が挙げられる。
【００５５】
【表１】
2010040923.tif 000004
【００５６】
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とし、Ｓｅ組成比を０．４０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（２．３３ｅＶ）とすることができる。
【００５７】
本実施の形態の半導体レーザ１では、上部電極２２と下部電極２３との間に所定の電圧が印加されると、活性層１６に電流が注入され、電子−正孔再結合によって発光が生じ、端面（図示せず）から例えば青紫色から橙色（４８０ｎｍ〜６００ｎｍ）の範囲内の波長のレーザ光が積層面内方向に向けて射出される。
【００５８】
次に、本実施の形態の半導体レーザ１の効果について、比較例と対比しつつ説明する。
【００５９】
図５は、比較例に係る半導体レーザの断面構成を表すものである。図６は、図５の半導体レーザのバンドラインナップの一例を模式的に表すものである。この半導体レーザでは、ＩｎＰ基板１１０上に、バッファ層１１１、ｎ型クラッド層１１２、ｎ型グレーデッド層１１３、ガイド層１１４、活性層１１５、ガイド層１１６、ｐ型クラッド層１１７およびコンタクト層１１８が積層されている。コンタクト層１１８上にはストライプ状の開口を有する絶縁層１２１が形成されており、その絶縁層１２１上には、絶縁層１２１の開口を介してコンタクト層１１８と接するｐ側電極１２２が形成されている。また、ＩｎＰ基板１１０の裏面には、ｎ側電極１２３が形成されている。
【００６０】
比較例に係る半導体レーザでは、活性層１１５として、緑で発光し、かつＩｎＰに格子整合するＢｅ０．１３Ｚｎ０．８７Ｓｅ０．４０Ｔｅ０．６０が用いられている。また、ガイド層１１４，１１６として、ＭｇＳｅ／Ｂｅ０．１３Ｚｎ０．８７Ｓｅ０．４０Ｔｅ０．６０超格子が用いられている。また、ｎ型クラッド層１１２およびｎ型グレーデッド層１１３として、ＭｇＳｅ／Ｚｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅ超格子が用いられている。また、ｐ型クラッド層１１７として、ＭｇＳｅ／Ｂｅ０．４８Ｚｎ０．５２Ｔｅ超格子が用いられている。これにより、比較例１に係る半導体レーザでは、ガイド層１１４，１１６および活性層１１５がタイプＩ接合となっている。
【００６１】
しかし、ＸＰＳ測定による価電子帯バンド不連続量評価と、ＰＬ測定によるバンドギャップエネルギー評価とを行った結果、ｎ型クラッド層１１２の伝導帯下端が、活性層１１５の伝導帯下端よりも低く、ｎ型クラッド層１１２と活性層１１５とがタイプＩＩ接合していることがわかった。従って、比較例に係る半導体レーザでは、タイプＩＩ発光が生じてしまい、発光効率が著しく低い。また、光が生成される位置が活性層１１５の中心位置ではないので、活性層１１５への光閉じ込めが不十分となり、レーザ発振を得ることができない。
【００６２】
一方、本実施の形態では、ｎ型クラッド層１２（ｎ型グレーデッド層１３）と活性層１６（ガイド層１５）との間に、スペーサ層１４が設けられている。このスペーサ層１４は、伝導帯下端がｎ型クラッド層１２、ｎ型グレーデッド層１３、ガイド層１５および活性層１６の伝導帯下端よりも高い準位となるようなバンド構造を有しており、ｎ型クラッド層１２と活性層１６とのタイプＩＩ発光を抑制するような材料および厚さにより構成されている。これにより、空間的に分離した電子と正孔とがｎ型クラッド層１２と活性層１６との間でタイプＩＩ発光するのが抑制される。これにより、活性層１６でのタイプＩ発光を実現することができるので、比較例と比べて発光効率が向上する。
【００６３】
[第２の実施の形態]
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ２の断面構成を表したものである。図８は、図７の半導体レーザ２のバンドラインナップ一例を表したものである。
【００６４】
この半導体レーザ２は、基板１０の一面側に、バッファ層１１、ｎ型クラッド層１２、ガイド層１５、活性層１６、ガイド層１７、スペーサ層２４、ｐ型クラッド層１８およびコンタクト層１９をこの順に積層して構成された積層構造３０を備えている。つまり、本実施の形態の半導体レーザ２は、ｐ側にスペーサ層を備えている点で、ｎ側にスペーサ層を備えていた上記実施の形態の半導体レーザ１の構成と相違する。そこで、以下、上記実施の形態との相違点について主に説明し、上記実施の形態との共通点についての説明を適宜省略するものとする。
【００６５】
ｐ型クラッド層２８は、バンドギャップが活性層１６およびガイド層１７のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１６およびガイド層１７の屈折率よりも小さいＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を主に含んで構成されている。このｐ型クラッド層２８では、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１６およびガイド層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くなっているか、または、スペーサ層２４がｐ型クラッド層１８と活性層１６との間に設けられていないとした場合にｐ型クラッド層１８と活性層１６とのタイプＩＩ発光が生じる程度に、ｐ型クラッド層１８および活性層１６の価電子帯上端の不連続量が小さくなっている。従って、前者の場合にはｐ型クラッド層１８が活性層１６とタイプＩＩ接合している場合だけが該当するが、後者の場合にはｐ型クラッド層１８が活性層１６とタイプＩＩ接合している場合だけでなく、タイプＩ接合している場合も該当する。
【００６６】
スペーサ層２４は、バンドギャップが活性層１６およびガイド層１７のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１６およびガイド層１７の屈折率よりも小さなＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を主に含んで構成されている。
【００６７】
このスペーサ層２４では、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１６、ガイド層１７およびｐ型クラッド層１８の価電子帯上端または価電子帯一サブバンド上端よりも低い準位となっている。また、スペーサ層２４の伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端は、少なくとも活性層１６およびガイド層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準位となっている。なお、図８には、スペーサ層２４の伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端が活性層１６、ガイド層１７およびｐ型クラッド層１８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準位となっている場合が例示されている。
【００６８】
このスペーサ層２４は、例えば、ＭｇＳｅ混晶、またはＭｇＺｅＳｅＴｅ混晶を主に含んで構成されている。スペーサ層２４の厚さは、ｐ型クラッド層１８から供給される正孔がスペーサ層２４の正孔障壁によって活性層１６へ透過しない範囲内の値となっている。つまり、スペーサ層２４は、ｐ型クラッド層１８と活性層１６とのタイプＩＩ発光を抑制するような材料および厚さにより構成されている。
【００６９】
また、スペーサ層２４およびｐ型クラッド層１８を、図９（Ａ），（Ｂ）に示したように外部から本モデルへ電圧を印加していない時に障壁高さΔがＶ１以上となるような材料により構成し、かつスペーサ層２４の厚さを、トンネル効果により正孔が透過することの可能な厚さ以上とした場合には、積層構造３０に電圧を印加していないときには活性層１６へ正孔が透過せず、積層構造３０に電圧を印加したときには活性層１６へ正が透過する。
【００７０】
本実施の形態では、ｐ型クラッド層１８と活性層１６（ガイド層１７）との間に、スペーサ層２４が設けられている。このスペーサ層２４は、価電子帯上端がガイド層１５、活性層１６およびｐ型クラッド層１８の価電子帯上端よりも低い準位となるようなバンド構造を有しており、ｐ型クラッド層１８と活性層１６とのタイプＩＩ発光を抑制するような材料および厚さにより構成されている。これにより、空間的に分離した電子と正孔とがｐ型クラッド層１８と活性層１６との間でタイプＩＩ発光するのが抑制される。これにより、活性層１６でのタイプＩ発光を実現することができるので、発光効率が向上する。
【００７１】
[変形例]
本実施の形態では、スペーサ層２４をｐ型クラッド層１８と活性層１６（ガイド層１７）との間にだけ設けていたが、バンドラインナップの状態によっては、例えば、図１０、図１１に示したように、さらに、ｎ型クラッド層１２と活性層１６（ガイド層１５）との間に、上記実施の形態のスペーサ層１４を設けてもよい。
【００７２】
以上、実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明は実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形可能である。
【００７３】
例えば、上記実施の形態では、本発明をＩＩ−ＶＩ族の化合物半導体レーザに適用した場合について説明したが、他の化合物半導体レーザに対しても適用可能である。また、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、発光ダイオードに対しても適用可能である。
【００７４】
また、上記実施の形態等では、積層構造３０内にガイド層１５，１７を設けていたが、必要に応じてこれらガイド層１５，１７をなくしてもよい。
【００７５】
また、上記実施の形態等では、ｐ型クラッド層１８と活性層１６（ガイド層１７）との間にスペーサ層２４を設けたり、ｎ型クラッド層１２（ｎ型グレーデッド層１３）と活性層１６（ガイド層１５）との間にスペーサ層１４を設けたりしていたが、バンドラインナップの状態によっては、例えば、図１２に示したように、活性層１６とガイド層１７との間に電子障壁層２５を設けてもよい。
【００７６】
電子障壁層２５は、バンドギャップが活性層１６のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１６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１６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族化合物半導体を主に含んで構成されている。また、この電子障壁層２５は、ガイド層１７を活性層１６とタイプＩ接合するような材料や層構造とした場合に、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１６の伝導体下端または伝導帯第一サブバンド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１６およびガイド層１７のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１６およびガイド層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１６およびガイド層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。
【００７７】
この電子障壁層２５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、ｐ型クラッド層１８の井戸層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、障壁層は、例えば、主としてＭｇＳｅ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、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電子障壁層２５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。井戸層および障壁層の厚さの比（障壁層の厚さ／井戸層の厚さ）は、バンドギャップが少なくとも活性層１６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１６およびガイド層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。障壁層の厚さ／井戸層の厚さは、例えば、井戸層がＢｅ０．４８Ｚｎ０．５２Ｔｅからなり、障壁層がＭｇＳｅからなる場合には、４ＭＬ／６ＭＬとなっている。
【００７８】
なお、電子障壁層２５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、電子障壁層２５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。
【００７９】
電子障壁層２５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。電子の透過確率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。ただし、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、光を導波路に閉じ込める上で都合が悪くなる。
【００８０】
本変形例では、ガイド層１７を活性層１６とタイプＩ接合するような材料や層構造とした場合に、ガイド層１７の伝導体下端が活性層１６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１６とガイド層１７との間に電子障壁層２５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２５によって活性層１６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を実現することができる。
【００８１】
また、バンドラインナップの状態によっては、例えば、図１３に示したように、活性層１６とガイド層１５との間に正孔障壁層２６を設けてもよい。これにより、正孔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を実現することができる。
【００８２】
正孔障壁層２６は、バンドギャップが活性層１６のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１６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１６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族化合物半導体を主に含んで構成されている。また、この正孔障壁層２６は、ガイド層１５を活性層１６とタイプＩ接合するような材料や層構造とした場合に、ガイド層１５の価電子帯上端または価電子帯第一サブバンド上端が活性層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１６およびガイド層１７のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１６およびガイド層１７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１６およびガイド層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低いＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層となっている。
【００８３】
この正孔障壁層２６は、例えば、ＭｇＳｅ、Ｍｇ０．９１Ｚｎ０．０９Ｓｅ、Ｍｇ０．６０Ｚｎ０．４０Ｓｅ０．８５Ｔｅ０．１５などからなる単層構造となっている。ここで、ＭｇＳｅとＢｅ０．１３Ｚｎ０．８７Ｓｅ０．３８Ｔｅ０．６２とのＶＢＭの差は１．１４ｅＶであり、Ｍｇ０．９１Ｚｎ０．０９ＳｅとＢｅ０．１３Ｚｎ０．８７Ｓｅ０．３８Ｔｅ０．６２とのＶＢＭの差は１．１４ｅＶであり、Ｍｇ０．６０Ｚｎ０．４０Ｓｅ０．８５Ｔｅ０．１５とＢｅ０．１３Ｚｎ０．８７Ｓｅ０．３８Ｔｅ０．６２とのＶＢＭの差は０．３５ｅＶである。従って、活性層１６がＢｅ０．１３Ｚｎ０．８７Ｓｅ０．３８Ｔｅ０．６２の単層構造となっている場合に、正孔障壁層２６に対してＭｇＳｅ、Ｍｇ０．９１Ｚｎ０．０９Ｓｅ、Ｍｇ０．６０Ｚｎ０．４０Ｓｅ０．８５Ｔｅ０．１５の単層構造を適用したときには、正孔障壁層２６が正孔に対して十分な電位障壁を与えることができる。
【００８４】
なお、正孔障壁層２６は、上記した単層の他に、更に何らかの層を含んでいてもよい。また、正孔障壁層２６は、井戸層および障壁層を交互に積層してなる超格子構造となっていてもよい。ここで、井戸層は、例えば、主としてＭｇ０．９１Ｚｎ０．０９ＳｅまたはＭｇ０．６０Ｚｎ０．４０Ｓｅ０．８５Ｔｅ０．１５を含んでいる。一方、障壁層は、例えば、主としてＭｇＳｅを含んでいる。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以下となっており、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正孔障壁層２６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。井戸層および障壁層の厚さの比（障壁層の厚さ／井戸層の厚さ）は、バンドギャップが少なくとも活性層１６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１６およびガイド層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いる。
【００８５】
正孔障壁層２６の厚さは、正孔の透過確率（以下の式によって算出される透過率Ｔ２）が十分に小さくなる厚さとなっていることが好ましい。例えば、正孔障壁層２６がＭｇＳｅ単層またはＭｇ０．９１Ｚｎ０．０９Ｓｅ単層からなる場合には、正孔障壁層２６の厚さは１０ＭＬ以上であることが好ましい。また、例えば、正孔障壁層２６がＭｇ０．６０Ｚｎ０．４０Ｓｅ０．８５Ｔｅ０．１５単層からなる場合には、正孔障壁層２６の厚さは１５ＭＬ以上であることが好ましい。なお、数２中において、ｂは正孔障壁層２６の厚さであり、ｍｃは正孔障壁層２６の有効質量であり、Δは正孔障壁層２６の障壁高さである。
【数２】
2010040923.tif 000005
【００８６】
本変形例では、ガイド層１５を活性層１６とタイプＩ接合するような材料や層構造とした場合に、ガイド層１５の価電子帯上端が活性層１６の価電子帯上端よりもわずかに低い準位にしかならないときであっても、活性層１６とガイド層１５との間に正孔障壁層２６を設けることにより、ｐ型クラッド１８層側から注入された正孔を正孔障壁層２６によって活性層１６内に閉じ込めることができる。これにより、正孔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を実現することができる。
【００８７】
また、上記実施の形態等では、基板１０としてＩｎＰ基板を用いていたが、他の基板、例えば、ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ基板（０≦ｘ≦１）を用いてもよい。ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ基板は、積層構造２０に用いられている材料と同様、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体に属するものであり、ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ基板上に積層構造２０を積層した際に、ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ基板と積層構造２０との界面にヘテロバレンスが生じない。そのため、ヘテロバレンスに起因する界面構造の乱れや、結晶欠陥や転位の発生をなくすることができる。また、基板１０としてＺｎｘＭｇ１−ｘＯ基板を用いた場合には、基板上にＩＩＩ−Ｖ族からＩＩ−ＶＩ族に移行させるバッファ層１１を設ける必要がない。そのため、ＩＩＩ−Ｖ族専用のチャンバ内にて、下地となるＩＩＩ−Ｖ族半導体を基板１０上に堆積させたのち、結晶成長を中断し、基板１０をＩＩ−ＶＩ族専用のチャンバに移動し、ＩＩ−ＶＩ族半導体を堆積させるという工程を経る必要がないので、基板１０がチャンバ間を移動することがなくなる。その結果、基板上に活性層１６などを積層する際に、最表面にコンタミネーションが付着する虞をなくすることができる。また、チャンバ間を移動させる際に、基板１０を落としたり、移動後のチャンバ内に基板１０を精確にセットすることを失敗したりする虞もなくすることができる。従って、素子の特性や信頼性が向上する。
【００８８】
次に、ＺｎｘＭｇ１−ｘＯ基板としてＺｎＯ基板を用いる場合について説明する。上記実施の形態で例示したように、例えば、活性層１６や、活性層１６を挟むクラッド層などに、ＢｅＺｎＳｅＴｅや、ＭｇＳｅ／ＺｎＣｄＳｅ超格子などの、閃亜鉛鉱型（立方晶系）の結晶構造を有するＩＩ−ＶＩ族半導体を用いた場合には、活性層１６等の原子配列が、ウルツ鉱型（六方晶系）の結晶構造を有するＺｎＯ基板の原子配列と合わない。そのため、一般的には良質の結晶を成長させることは難しいと考えられる。しかし、閃亜鉛鉱型構造の（１１１）面はウルツ鉱型構造の（０００１）面と等価な構造となっているので、ＺｎＯ基板の（０００１）面上に、ＢｅＺｎＳｅＴｅや、ＭｇＳｅ／ＺｎＣｄＳｅ超格子などの、閃亜鉛鉱型ＩＩ−ＶＩ族半導体の（１１１）面を成長させることが可能である。従って、そのようにした場合には、基板と活性層１６等との間にヘテロバレンス界面を生じさせずに、基板上に活性層１６等を結晶成長させることができる。
【００８９】
以下に、ＺｎＯ基板を用いて活性層１６等を形成する具体的な方法について説明する。まず、ＺｎＯ基板の（０００１）面を洗浄したのち、ＭＢＥチャンバにセットし、チャンバを真空にする。チャンバ内が十分な真空度に達したら、ＺｎＯ基板を約８００℃に加熱し、Ｓｅソースの照射を開始する。この状態で約１０分程度、Ｓｅソースの照射を続ける。この操作により、基板最表面のＺｎ−Ｏ結合がＺｎ−Ｓｅ結合に置き換わるので、最表面がＺｎＯの（０００１）面から、ＺｎＳｅの（１１１）面によく似た構成になる。
【００９０】
次に、Ｓｅを照射したまま基板温度を下げ、約２００℃で安定したらＺｎソース、ＴｅソースおよびＣｌソースの照射も開始する。Ｃｌはｎ型のドーパントとして用いる。このとき、基板上にはＣｌドープＺｎＳｅＴｅが堆積されるが、堆積開始前の基板最表面がＺｎＳｅの（１１１）面に似た構成であるので、その情報を引き継ぎ、このＣｌドープＺｎＳｅＴｅも（１１１）面成長していく。
【００９１】
また、ＺｎＯの格子定数はａ＝０．３２４９ｎｍ、ｃ＝０．５２０７ｎｍであるから、（０００１）面における最近接Ｚｎ間隔（あるいはＯ間隔）はａの値０．３２４９ｎｍである。一方、発光素子を構成しているＩＩ−ＶＩ族材料については、ＩｎＰに格子整合させる条件を流用して作製するとした場合、その格子定数はＩｎＰの値０．５８６９ｎｍになるが、（１１１）面における最近接ＩＩ族間隔（あるいはＶＩ族間隔）はそれを√２で割った値０．４１５０ｎｍとなる。
【００９２】
この０．３２４９ｎｍ（ＺｎＯ基板）と０．４１５０ｎｍ（その上に堆積する層）との違いが、いわゆる格子不整合度に相当するものであり、この場合には２８％近くの不整合度がある。しかし、ＣｌドープＺｎＳｅＴｅを成長したときの温度（２００℃）は、その後の各層の成長温度（約３００℃）と比べると極端に低い。そのため、この層はアモルファス的なバッファ層として作用し、（１１１）面成長を保ちながら上記の格子不整合を緩和する作用を持つ。このバッファ層を成長する際のＳｅソースおよびＴｅソースの量を適宜調節することにより、格子定数がＩｎＰに近くなるようなＳｅの組成比（たとえば０．５）に設定することが可能である。結果として、このバッファ層成長後の最表面はＩｎＰの（１１１）面にほぼ近しい原子配列、すなわち最近接ＩＩ族間隔（あるいはＶＩ族間隔）が０．４１５０ｎｍに近い状態になる。
【００９３】
この状態から基板温度を上げて約３００℃にした後、このバッファ層上にさらに結晶性の高い下地層として、ＣｌドープＺｎＣｄＳｅを１００ｎｍから３００ｎｍほどの厚さになるまで成長する。あとは、非特許文献２に記されているデバイス構造と同様に、順次、ｎ型クラッド層１２、ｎ型グレーデット層１３、スペーサ層１４、ガイド層１５、活性層１６、ガイド層１７、ｐ型クラッド層１８およびコンタクト層１９を例えば上記実施の形態で例示した材料などにより成長していく。その結果、これらの層がいずれも（１１１）面成長していき、図１のような積層構造が得られる。
【００９４】
なお、ＺｎＯ基板はアンドープでもｎ型の導電性を持つものが多いので、アンドープ基板を使った場合でも、図１のような構造については最上層にｐ電極を、基板（裏面）にｎ電極をそれぞれ付けることによって、（図中の）上から下に向かって電流を流すことが可能である。もちろん、導電性向上のためにドーパントとしてＡｌなどが添加されたＺｎＯ基板を使用すれば、より好ましい電気特性が得られる。
【００９５】
上では、ＺｎＯ基板の（０００１）面に結晶成長させた場合について説明したが、ＺｎＯ基板の（１１−２２）面に結晶成長させることも可能である。ＺｎＯ基板の（１１−２２）面では、最表面は長方形の格子で構成されている。単位格子とでも呼ぶべき最小の長方形は、ウルツ鉱型結晶の格子定数ａとｃに対して、１辺がａの３０．５倍、もう１辺が（ａ２＋ｃ２）０．５である。ＺｎＯの値（ａ＝０．３２４９ｎｍ、ｃ＝０．５２０７ｎｍ）を代入すると、１辺が０．５６２７ｎｍ、もう１辺が０．６１３７ｎｍとなる。
【００９６】
したがって、この場合に、ＩｎＰに近い格子定数（０．５８６９ｎｍ）を持ったＢｅＺｎＳｅＴｅなどのＩＩ−ＶＩ族化合物半導体をエピタキシャル成長させると、上記長方形の規則性に従って、［１００］軸方向にわずかに圧縮され、［０１０］軸方向にはわずかに引っ張られた状態で、成長自体は［００１］軸方向に進行していく。その結果、ＺｎＯ基板の（１１−２２）面上に、（００１）面成長し、積層構造ができあがる。このよう、基板の方位を適宜選択することで、（００１）面成長をさせることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の第１の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ラインナップの一例を模式的に表した模式図である。
【図３】電子がスペーサ層を透過する確率（透過率Ｔ２）を検討するにあたって用いたモデルを模式的に表した模式図である。
【図４】スペーサ層の厚さと透過率Ｔ２との関係を表した関係図である。
【図５】比較例に係る半導体レーザの断面構成図である。
【図６】図５の半導体レーザのバンドラインナップの一例を模式的に表した模式図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザの断面構成図である。
【図８】図７の半導体レーザのバンドラインナップの一例を模式的に表した模式図である。
【図９】正孔がスペーサ層を透過する確率（透過率Ｔ２）を検討するにあたって用いたモデルを模式的に表した模式図である。
【図１０】図７の半導体レーザの一変形例を表す断面構成図である。
【図１１】図１０の半導体レーザのバンドラインナップの一例を模式的に表した模式図である。
【図１２】図１の半導体レーザの一変形例のバンドラインナップの一例を模式的に表した模式図である。
【図１３】図７の半導体レーザの他の変形例のバンドラインナップの一例を模式的に表した模式図である。
【符号の説明】
【００９８】
１，２…半導体レーザ、１０…基板、１１…バッファ層、１２…ｎ型クラッド層、１３…ｎ型グレーデッド層、１４，２４…スペーサ層、１５，１７…ガイド層、１６…活性層、１８…ｐ型クラッド層、１９…コンタクト層、２０,３０…積層構造、２１…絶縁層、２２…ｐ側電極、２３…ｎ側電極、２５…電子障壁層、２６…正孔障壁層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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