(57)【要約】【課題】活性層に４元混晶を用いた場合であっても、温度特性が良好で、かつ色純度や波長安定性が高い半導体発光素子を提供する。【解決手段】バルク１５Ａ内に複数の量子ドット１５Ｂが形成された活性層１５を備えている。バルク１５Ａは、組成比ｘ１（０≦ｘ１＜１）のＢｅをＩＩ族元素の一つとして含むＩＩ−ＶＩ族４元混晶によって主に形成されている。量子ドット１５Ｂは、バルク１５Ａと同一の材料系によって形成されており、具体的には、組成比ｘ２（ｘ１＜ｘ２＜１）のＢｅをＩＩ族元素の一つとして含むＩＩ−ＶＩ族４元混晶によって主に形成されている。【選択図】図２
2010016231.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層を前記半導体基板側から順に備え、
前記活性層は、組成比ｘ１（０≦ｘ１＜１）のベリリウム（Ｂｅ）をＩＩ族元素の一つとして含むＩＩ−ＶＩ族４元混晶によって主に形成されたバルクと、前記バルク内に形成されると共に組成比ｘ２（ｘ１＜ｘ２＜１）のＢｅをＩＩ族元素の一つとして含むＩＩ−ＶＩ族４元混晶によって主に形成された複数の量子ドットとを有する半導体発光素子。
【請求項２】
前記組成比ｘ１は、前記バルクの格子定数が前記半導体基板の格子定数から２％以上ずれるように設定されている請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記活性層は、臨界膜厚よりも厚い層厚を有する請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記バルクは、Ｂｅｘ１Ｚｎ１−ｘ１Ｓｅｘ３Ｔｅ１−ｘ３（０≦ｘ３≦１）を主に含み、
前記量子ドットは、Ｂｅｘ２Ｚｎ１−ｘ２Ｓｅｘ４Ｔｅ１−ｘ４（０≦ｘ４≦１）を主に含む請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記バルクは、Ｂｅｘ１Ｚｎ１−ｘ１―ｘ５Ｃｄｘ５Ｓｅ（０≦ｘ５＜１−ｘ１）を主に含み、
前記量子ドットは、Ｂｅｘ２Ｚｎ１−ｘ２―ｘ６Ｃｄｘ６Ｓｅ（０≦ｘ６＜１−ｘ２）を主に含む請求項１に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＩ−ＶＩ族４元混晶を主に含む活性層を備え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、ＣＤ（Compact Disk）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）またはブルーレイディスク（Blu-ray Disc; ＢＤ）のような光ディスク装置における光源としての用途のほか、光通信、固体レーザ励起、材料加工、センサ、測定器、医療、印刷機器、ディスプレイなど様々な分野に応用されている。また、発光ダイオード(Light Emitting Diode; ＬＥＤ)は、電化製品などの表示灯や、赤外線通信、印刷機器、ディスプレイ、照明などの分野に応用されている。
【０００３】
しかし、ＬＥＤでは、人間の視感度が最も高い緑色において、効率が他の色と比較してあまり高くなく、一方、ＬＤでは、純青色（４８０ｎｍ強）から橙色（６００ｎｍ強）までの可視光範囲において実用に耐え得る特性が得られていない。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）。しかし、この材料系では結局それ以上の特性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る。
【０００４】
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、波長約５８０ｎｍ、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。
【０００５】
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ＢｅＺｎＳｅＴｅは、陽イオンおよび陰イオンのそれぞれが２種類の元素の組み合わせにより構成された４元混晶であり、結晶成長時に組成比を制御することが難しい。そのため、ＢｅＺｎＳｅＴｅによって活性層を形成した場合には、活性層内の組成比が不均一になり易いので、温度特性が悪化したり、色純度や波長安定性が低下したりし易いという問題がある。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、活性層に４元混晶を用いた場合であっても、温度特性が良好で、かつ色純度や波長安定性が高い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】
【０００８】
本発明の半導体発光素子は、半導体基板上に、第１導電型クラッド層、活性層および第２導電型クラッド層を半導体基板側から順に備えたものである。活性層は、組成比ｘ１（０≦ｘ１＜１）のベリリウム（Ｂｅ）をＩＩ族元素の一つとして含むＩＩ−ＶＩ族４元混晶によって主に形成されたバルクと、バルク内に形成されると共に組成比ｘ２（ｘ１＜ｘ２＜１）のＢｅをＩＩ族元素の一つとして含むＩＩ−ＶＩ族４元混晶によって主に形成された複数の量子ドットとを有している。
【０００９】
本発明の半導体発光素子では、Ｂｅ組成比がバルクのＢｅ組成比よりも大きなＩＩ−ＶＩ族４元混晶によって主に形成された複数の量子ドットが活性層内に形成されている。ここで、量子ドットは、例えば、半導体の原子が複数集まって形成された数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の結晶であり、製造過程におけるＢｅの凝集作用によって自己形成的に形成することの可能なものである。これにより、活性層において量子サイズ効果が現れる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体発光素子によれば、Ｂｅ組成比がバルクのＢｅ組成比よりも大きなＩＩ−ＶＩ族４元混晶によって主に形成された複数の量子ドットを活性層内に形成し、活性層において量子サイズ効果が現れるようにしたので、温度特性が良好で、かつ色純度や波長安定性が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。この半導体レーザ１は、基板１０の一面側に積層構造２０を備えている。この積層構造２０は、バッファ層１１、下地層１２、下部クラッド層１３（第１導電型クラッド層）、下部ガイド層１４、活性層１５、上部ガイド層１６、上部クラッド層１７（第２導電型クラッド層）、グレーデッド層１８およびコンタクト層１９を基板１０側から順に積層して構成されている。
【００１３】
基板１０は、例えばｎ型ＩｎＰ基板である。バッファ層１１および下地層１２は、下部クラッド層１３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Ｓｉドープのｎ型ＩｎＰ層（図示せず）と、例えばＳｉドープのｎ型ＩｎＧａＡｓ層（図示せず）と、例えばＣｌドープのｎ型ＺｎＣｄＳｅ層（図示せず）とを基板１０側から順に積層して形成されている。また、下地層１２は、例えばＣｌドープのｎ型ＺｎＣｄＳｅにより構成されている。
【００１４】
下部クラッド層１３は、バンドギャップが下部ガイド層１４および活性層１５のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が下部ガイド層１４および活性層１５の屈折率よりも小さいＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を主に含んで構成されている。なお、下部クラッド層１３の伝導帯下端または伝導帯第一サブバンド下端が下部ガイド層１４および活性層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くなっていることが好ましい。
【００１５】
この下部クラッド層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下部クラッド層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。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、バンドギャップが下部ガイド層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。
【００１６】
なお、下部クラッド層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、下部クラッド層１３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。
【００１７】
また、下部クラッド層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、例えばｎ型不純物が少なくとも１種類ドープされていればよい。また、下部クラッド層１３が上記したような単層構造となっている場合には、例えば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。
【００１８】
下部ガイド層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。
【００１９】
この下部ガイド層１４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、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ＺｎＣｄＳｅ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下部ガイド層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、井戸層がＺｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅからなる場合には、２ＭＬ／１ＭＬとなっている。
【００２０】
なお、下部ガイド層１４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、下部ガイド層１４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。
【００２１】
また、下部ガイド層１４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、第１ガイド層１４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。
【００２２】
活性層１５は、図２に模式的に示したように、バルク１５Ａ内に複数の量子ドット１５Ｂが形成されたものである。バルク１５Ａは、組成比ｘ１（０≦ｘ１＜１）のＢｅをＩＩ族元素の一つとして含むＩＩ−ＶＩ族４元混晶によって主に形成されている。このバルク１５Ａは、例えば、Ｂｅｘ１Ｚｎ１−ｘ１Ｓｅｘ３Ｔｅ１−ｘ３（０≦ｘ３≦１）、またはＢｅｘ１Ｚｎ１−ｘ１―ｘ５Ｃｄｘ５Ｓｅ（０≦ｘ５＜１−ｘ１）を主に含んで構成されている。Ｂｅ組成比ｘ１は、バルク１５Ａの格子定数が基板１０（例えばＩｎＰ）の格子定数から２％以上ずれるように設定されている。従って、バルク１５Ａ（活性層１５）の厚さｄは臨界膜厚よりも厚くなっている。
【００２３】
例えば、基板１０がＩｎＰからなり、かつバルク１５ＡがＩｎＰと格子整合可能なＢｅｘ１Ｚｎ１−ｘ１Ｓｅｘ３Ｔｅ１−ｘ３（例えばｘ１＝０．１３、ｘ３＝０．３８のときにＩｎＰと格子整合する。）からなる場合には、例えば、Ｂｅ組成比ｘ１を０．３７にすると共に、Ｓｅ組成比を格子整合時と同じ０．３８とすることにより、バルク１５ＡのＩｎＰに対する格子不整を２％とすることが可能である。このとき、バルク１５Ａ（活性層１５）の臨界膜厚はおおよそ１ｎｍであるので、バルク１５Ａ（活性層１５）の厚さｄは少なくとも１ｎｍよりも厚く（例えば２０ｎｍ程度に）なっている。
【００２４】
また、量子ドット１５Ｂは、バルク１５Ａと同一の材料系によって形成されており、具体的には、組成比ｘ２（ｘ１＜ｘ２＜１）のＢｅをＩＩ族元素の一つとして含むＩＩ−ＶＩ族４元混晶によって主に形成されている。この量子ドット１５Ｂは、例えば、半導体の原子が複数集まって形成された数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の結晶であり、製造過程におけるＢｅの凝集作用によって自己形成的に形成されたものである。この量子ドット１５Ｂは、例えば、Ｂｅｘ２Ｚｎ１−ｘ２Ｓｅｘ４Ｔｅ１−ｘ４（０≦ｘ４≦１）、またはＢｅｘ２Ｚｎ１−ｘ２―ｘ６Ｃｄｘ６Ｓｅ（０≦ｘ６＜１−ｘ２）を主に含んで構成されている。
【００２５】
Ｂｅ組成比ｘ２は、バルク１５ＡのＢｅ組成比ｘ１よりも大きくなっており、量子ドット１５Ｂのバンドギャップは、バルク１５Ａのバンドギャップと異なっている。しかし、量子ドット１５Ｂは、数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の結晶であり、量子効果の生じるサイズとなっている。これにより、量子ドット１５Ｂにおいて、量子ドット１５Ｂよりサイズの大きなバルク１５Ａに比べ電子の閉じ込め効果が高く、量子効果によって量子ドット１５Ｂのバンド構造が離散的となる。その結果、量子ドット１５Ｂにおいて励起子が再結合する確率が極めて高くなり、量子効果による発光エネルギーがバルクの発光エネルギーよりも支配的となる。従って、量子ドット１５Ｂのバンドギャップが所望の発光波長（例えば緑色帯）に対応したバンドギャップとなるように量子ドット１５Ｂの組成比および粒径を設定し、かつ共振器長を量子ドット１５Ｂのバンドギャップに対応する波長に対応して設定することにより、光スペクトル幅の狭い、色純度の高い発光を所望の発光波長において得ることができる。
【００２６】
なお、活性層１５の層全体、つまりバルク１５Ａおよび量子ドット１５Ｂ共に、アンドープとなっていることが好ましい。また、活性層１５が量子井戸構造となっていてもよい。
【００２７】
上部ガイド層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。
【００２８】
この上部ガイド層１６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上部ガイド層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、井戸層がＺｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅからなる場合には、２ＭＬ／１ＭＬとなっている。
【００２９】
なお、上部ガイド層１６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、上部ガイド層１６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。
【００３０】
また、上部ガイド層１６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。また、上部ガイド層１６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。
【００３１】
上部クラッド層１７は、バンドギャップが活性層１５および上部ガイド層１６のバンドギャップよりも大きく、かつ屈折率が活性層１５および上部ガイド層１６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。なお、上部クラッド層１７の価電子帯上端または価電子帯第一サブバンド上端が活性層１５および上部ガイド層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。
【００３２】
この上部クラッド層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上部クラッド層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１５および上部ガイド層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Ｂｅ０．４８Ｚｎ０．５２Ｔｅからなる場合には、４ＭＬ／６ＭＬとなっている。
【００３３】
なお、上部クラッド層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、上部クラッド層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。
【００３４】
また、上部クラッド層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）に例えばｐ型不純物が少なくとも１種類ドープされていればよい。また、上部クラッド層１７が上記したような単層構造となっている場合には、例えば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。
【００３５】
グレーデッド層１８は、上部クラッド層１７とキャップ層１９とがタイプＩＩ接合となっている場合に、正孔を十分に活性層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。このグレーデッド層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積層構造となっている。ここで、井戸層は、例えば、主としてＢｅＺｎＴｅを含んでおり、障壁層は、例えば、主としてＺｎＴｅを含んでいる。また、グレーデッド層１８に含まれる複数の井戸層の厚さは、上部クラッド層１７側からキャップ層１９側に向かうにつれて薄くなっており、グレーデッド層１８に含まれる複数の障壁層の厚さは、上部クラッド層１７側からキャップ層１９側に向かうにつれて厚くなっている。
【００３６】
なお、グレーデッド層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、グレーデッド層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）に例えばｐ型不純物が少なくとも１種類ドープされていればよい。
【００３７】
キャップ層１９は、例えば、ｐ型ＺｎＴｅにより構成されている。
【００３８】
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２１Ａを有する絶縁層２１が形成されており、さらに、その開口２１Ａを含む絶縁層２１の表面全体に上部電極２２が形成されている。また、基板１０の裏面には、下部電極２３が形成されている。上部電極２２は、例えば、チタン（Ｔｉ），白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）をコンタクト層１９上にこの順に積層したものであり、コンタクト層１９と電気的に接続されている。また、下部電極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。この下部電極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。
【００３９】
本実施の形態の積層構造２０は、例えば以下のようにして形成することが可能である。基板１０としてＩｎＰを使い、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）で積層構造２０を成長させる。ＭＢＥの原料として、Ｚｎについてはクヌーセンセルで、ＮについてはＲＦプラズマセルで、Ｔｅについてはバルブクラッカーセルでそれぞれ供給する。
【００４０】
まず、基板１０としてｎ型ＩｎＰ基板を用意し、この基板１０をＭＢＥチャンバー（図示せず）内に載置する。続いて、基板１０の温度を約５００℃にし、基板１０の表面酸化物を除去する。これにより、基板１０の表面がエピタキシャル成長に適した状態となる。
【００４１】
次に、約４５０℃でＳｉドープＩｎＰ層を約０．２μｍ、約４７０℃でＳｉドープＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ層を約０．２μｍ、さらに約２００℃でＣｌドープＺｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅ層を約１０ｎｍ成長させることによりバッファ層１１を形成する。ここでの組成比はＩｎＰ基板に格子整合する条件から決まる。なお、以下に記載の組成比についても同様である。
【００４２】
次に、約２８０℃でＣｌドープＺｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅ層を約０．５μｍ成長させることにより下地層１２を形成する。続いて下部クラッド層１３の成長を行う。すなわち、アンドープＭｇＳｅ層０．６ｎｍ（約２ＭＬ）とＣｌドープＺｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅ層１．２ｎｍ（約４ＭＬ）を交互に積層して超格子構造を形成する。ＭｇＳｅ層およびＺｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅ層を例えば４４４ペア形成し、下部クラッド層１３全体の厚さを約０．８μｍとする。
【００４３】
次に、基板１０の温度を約３００℃に上げ、下部ガイド層１４の成長を行う。すなわち、アンドープＭｇＳｅ層０．６ｎｍ（約２ＭＬ）とアンドープＺｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅ層０．３ｎｍ（約１ＭＬ）を交互に積層して超格子構造を形成する。ＭｇＳｅ層およびＺｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅ層を例えば３３ペア形成し、下部ガイド層１４全体の厚さを約３０ｎｍとする。
【００４４】
続いて、活性層１５の成長に移る。例えば、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｓｅ、Ｔｅの４種の原子ソースを同時に供給し、下部ガイド層１４の表面上に４元混晶を形成する。ここで、Ｂｅは他の元素（Ｚｎ、Ｓｅ、Ｔｅ）と比較して特に原子半径が小さく共有結合性が強いという特性を持っていること、ＳｅおよびＴｅが分散性を有していること、ＢｅＳｅとＺｎＳｅとの格子定数差およびＢｅＴｅとＺｎＴｅとの格子定数差が大きいことに起因して、Ｂｅの凝集作用が生じる。そして、それと同時に、混晶を形成しようとする作用も生じているので、結果として、Ｂｅ組成の高いＢｅｘ２Ｚｎ１−ｘ２Ｓｅｘ４Ｔｅ１−ｘ４（ｘ１＜ｘ２＜１）と、Ｂｅ組成の低い（またはＢｅを含まない）Ｂｅｘ１Ｚｎ１−ｘ１Ｓｅｘ３Ｔｅ１−ｘ３（０≦ｘ１＜ｘ２）との２つの相が発生する。特に、上述したように、Ｂｅの結合力は強いので、Ｂｅ組成の高いＢｅｘ２Ｚｎ１−ｘ２Ｓｅｘ４Ｔｅ１−ｘ４の方がより強く凝集し、その結果、量子ドット１５Ｂが形成される。そして、その量子ドット１５Ｂを囲むように、Ｂｅ組成の低い（またはＢｅを含まない）バルク１５Ａが形成される。このような構成の活性層１５を厚さ２０ｎｍ成長させる。
【００４５】
また、例えば、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｓｅの４種の原子ソースを同時に供給し、下部ガイド層１４の表面上に４元混晶を形成することにより活性層１５を形成することも可能である。このときも、Ｂｅは他の元素（Ｚｎ、Ｃｄ、Ｓｅ）と比較して特に原子半径が小さく共有結合性が強いという特性を持っていることに起因して、Ｂｅの凝集作用が生じる。そして、それと同時に、混晶を形成しようとする作用も生じているので、結果として、Ｂｅ組成の高いＢｅｘ２Ｚｎ１−ｘ２―ｘ６Ｃｄｘ６Ｓｅ（０≦ｘ６＜１−ｘ２）と、Ｂｅ組成の低い（またはＢｅを含まない）Ｂｅｘ１Ｚｎ１−ｘ１―ｘ５Ｃｄｘ５Ｓｅ（０≦ｘ５＜１−ｘ１）との２つの相が発生する。特に、上述したように、Ｂｅの結合力は強いので、Ｂｅ組成の高いＢｅｘ２Ｚｎ１−ｘ２―ｘ６Ｃｄｘ６Ｓｅの方がより強く凝集し、その結果、量子ドット１５Ｂが形成される。そして、その量子ドット１５Ｂを囲むように、Ｂｅ組成の低い（またはＢｅを含まない）バルク１５Ａが形成される。
【００４６】
なお、上記したように自己形成的に量子ドット１５Ｂができる条件の目安の１つとして、臨界膜厚を挙げることができる。一般的に、成長する結晶の厚さがある数値を超えると、下地の結晶格子の定数に従ったエピタキシャルな成長ができなくなるという数値が臨界膜厚である。MathewsとBlakesleeの計算（J.W.Mathews and A.E.Blakeslee: Defects in epitaxial multilayers: I.Misfit dislocations; J.Cryst.Growth 27（1974）118-125）)によれば、臨界膜厚は下地と結晶との格子不整（格子定数差）に依存して変わる。材料による違いもあるが、格子不整１％のとき臨界膜厚は２〜３ｎｍ程度、格子不整が２％になると臨界膜厚は約１ｎｍ程度と考えられる。ここで、本実施の形態では、活性層１５全体として量子井戸構造のような場合も想定しているので、そのときの活性層１５全体の厚さは、例えば３ｎｍ〜５ｎｍ程度となる。そのため、活性層１５全体の厚さをそのような厚さにした場合であっても、活性層中に確実に量子井戸（量子ドット）が形成されるようにするためには、臨界膜厚が１ｎｍ程度となることが望ましい。従って、上記Mathewsらの条件から、格子不整が２％以上になるように意図的に活性層１５の組成を選ぶことが望ましい。
【００４７】
次に、上部ガイド層１６の成長を行う。すなわち、アンドープＭｇＳｅ層０．６ｎｍ（約２ＭＬ）とアンドープＺｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅ層０．３ｎｍ（約１ＭＬ）を交互に積層して超格子構造を形成する。ＭｇＳｅ層およびＺｎ０．４８Ｃｄ０．５２Ｓｅ層を例えば６ペア形成し、上部ガイド層１６全体の厚さを約５．４ｎｍとする。続いて、上部クラッド層１７の成長を行う。すなわち、ＮドープＭｇＳｅ層１．６ｎｍ（約４ＭＬ）とＮドープＢＢｅ０．５Ｚｎ０．５Ｔｅ層１．８ｎｍ（約６ＭＬ）を交互に積層して超格子構造を形成する。ＭｇＳｅ層およびＢｅ０．５Ｚｎ０．５Ｔｅ層を例えば１６７ペア形成し、上部クラッド層１７全体の厚さを約０．５μｍとする。続いて、グレーデッド層１８の成長を行う。すなわち、ＮドープＢｅ０．５Ｚｎ０．５Ｔｅ層とＮドープＺｎＴｅ層を交互に積層する。グレーデッド層１８の厚さを全体で３０ｎｍとするが、その中で、積層するにつれてＢｅ０．５Ｚｎ０．５Ｔｅ層を徐々に薄く、ＺｎＴｅ層を徐々に厚くしていく。最後に、コンタクト層１９として、ＮドープＺｎＴｅ層を約５ｎｍ成長する。このようにして、積層構造２０が形成される。
【００４８】
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１５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。
【００４９】
ところで、本実施の形態では、Ｂｅ組成比がバルク１５ＡのＢｅ組成比よりも大きなＩＩ−ＶＩ族４元混晶によって主に形成された複数の量子ドット１５Ｂが活性層１５内に形成されている。ここで、量子ドットは、例えば、半導体の原子が複数集まって形成された数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の結晶であることから、活性層１５において量子サイズ効果が現れる。その結果、活性層１５に４元混晶を用いた場合であっても、活性層１５内に量子ドット１５Ｂが設けられていないときと比べて、温度特性が良好となり、かつ色純度や波長安定性が高くなる。
【００５０】
また、本実施の形態では、量子ドット１５Ｂは活性層１５内の限られた狭い領域にあるので、その中に結晶欠陥が存在する確率がバルク１５Ａに結晶欠陥が存在する確率と比べ極めて低くなる。また、注入されたキャリアは量子ドット１５Ｂ内に閉じ込められて発光再結合するので、結晶欠陥の影響を受け難い。これらのことから、活性層１５内に量子ドット１５Ｂを設けることは、発光強度の増加や、キャリアの発光再結合による欠陥の増殖防止および素子の劣化防止に効果がある。
【００５１】
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。
【００５２】
例えば、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】
【００５３】
【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の活性層を拡大して表した断面構成図である。
【符号の説明】
【００５４】
１…半導体レーザ、１０…基板、１１…バッファ層、１２…下地層、１３…下部クラッド層、１４…下部ガイド層、１５…活性層、１５Ａ…バルク、１５Ｂ…量子ドット、１６…上部ガイド層、１７…上部クラッド層、１８…グレーデッド層、１９…コンタクト層、２０…積層構造、２１…絶縁膜、２１…上部電極、２１Ａ…開口、２２…下部電極。
【図１】
2010016231.tif 000003
【図２】
2010016231.tif 000004