(57)【要約】【課題】室温で連続動作し得る青色光レーザダイオードを提供する。【解決手段】第１および第２半導体の積層パターンを有する超格子領域１３内にミニバンド１８を形成することによって活性領域２へのキャリヤの移動が向上する半導体素子が提供される。パターン積層膜厚は代表的には２５ナより小さい。ミニバンド１８の最小エネルギー準位２１は、活性領域２と超格子領域１３との間のガイド領域３のエネルギー準位に等しいかまたはこれより大きい。【選択図】図６
2007081449.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性領域と、第１超格子領域と、該活性領域と該第１超格子
領域との間に設けられるガイド領域とを有し、該第１超格子領域はバリヤ層によ
って互いに分離される複数の量子井戸を有する第１および第２半導体の積層パタ
ーンからなり、該パターンの積層膜厚は、該第１超格子領域内にミニバンドが形
成されるように十分に薄くされる、半導体素子であって、該ミニバンドを通って
キャリヤが輸送される、半導体素子。
【請求項２】
活性領域と、第１超格子領域と、該活性領域と該第１超格子
領域との間に設けられるガイド領域とを有し、該第１超格子領域はバリヤ層によ
って互いに分離される複数の量子井戸を有する第１および第２半導体の積層パタ
ーンからなり、該パターンの積層膜厚は、該第１超格子領域内にミニバンドが形
成されるように十分に薄くされる、半導体素子であって、該ミニバンドの最小エ
ネルギー準位は、該ガイド領域のエネルギー準位または最小エネルギー準位より
大きいかまたはこれに等しい、半導体素子。
【請求項３】
第１バリヤ層によって互いに分離される複数の第１量子井戸
を有する活性領域と、第１超格子領域とを備え、該第１超格子領域は第２バリヤ
層によって互いに分離される複数の第２量子井戸を有する第１および第２半導体
の積層パターンからなり、該パターン積層膜厚は、該第１超格子領域内にミニバ
ンドが形成されるように十分に薄くされる、半導体素子であって、該ミニバンド
の最小エネルギー準位は、該第１バリヤ層の準位より大きいかまたはこれに等し
い、半導体素子。
【請求項４】
前記ミニバンドにキャリヤを注入するためのキャリヤ注入領
域をさらに備え、該注入領域のエネルギー準位は、該ミニバンドのエネルギー準
位と実質的に整合される、請求項１から３のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項５】
前記第１および第２半導体はＩＩ−ＶＩ族半導体である、請
求項１から４のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項６】
前記第１および第２半導体は、４元混晶の組み合わせよりな
る、請求項５に記載の半導体素子。
【請求項７】
前記第１半導体が、ＺｎＳxＳｅ1-x（０≦ｘ≦１）であり、
前記第２半導体が、ＭｇＳyＳｅ1-y（０≦ｙ≦１）である、請求項５に記載の半
導体素子。
【請求項８】
前記第１半導体がＺｎＳｅで、前記第２半導体がＭｇＳであ
る、請求項５に記載の半導体素子。
【請求項９】
前記第１および第２半導体はＩＩＩ−Ｖ族半導体である、請
求項１から４のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項１０】
前記第１および第２半導体は、４元混晶の組み合わせより
なる、請求項９に記載の半導体素子。
【請求項１１】
前記第１および第２半導体は、合金系（ＡｌＧａＩｎ）Ｎ
の組み合わせである、請求項９または１０に記載の半導体素子。
【請求項１２】
前記第１および第２半導体は、合金系（ＡｌＧａＩｎ）Ｐ
の組み合わせである、請求項９または１０に記載の半導体素子。
【請求項１３】
前記第１半導体はＡｌＮであり、前記第２半導体はＧａＮ
である、請求項９に記載の半導体素子。
【請求項１４】
前記第１および第２半導体の少なくとも一方がｎ型ドープ
される、請求項１から１３のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項１５】
前記第１および第２半導体の少なくとも一方がｐ型ドープ
される、請求項１から１３のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項１６】
前記第１および第２半導体は、基板に対して格子整合され
ないが、前記第１超格子領域中のトータルのひずみがゼロとなるように組み合わ
される、請求項１から１５のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項１７】
前記第１および第２半導体は基板に格子整合される、請求
項６および７に記載の半導体素子。
【請求項１８】
前記基板はＧａＡｓである、請求項１６または１７に記載
の半導体素子。
【請求項１９】
前記基板はＺｎＳｅである、請求項１６または１７に記載
の半導体素子。
【請求項２０】
前記パターン積層膜厚は６分子層以下である、請求項１か
ら１９のいずれか１つに記載の半導体素子。
【請求項２１】
前記第１および第２半導体および／または前記パターン積
層膜厚は位置に応じて変動する、請求項１から２０のいずれか１つに記載の半導
体素子。
【請求項２２】
第３および第４半導体の積層パターンを有する第２超格子
領域をさらに備え、該パターン積層は、該第２領域内にミニバンドが形成される
ように十分薄くされ、また、前記活性層は前記第１および第２超格子領域の間に
挟まれる、請求項１から２１に記載の半導体素子。
【請求項２３】
前記第３および第４半導体の相対厚および／またはパター
ン積層膜厚は位置に応じて変動する、請求項２２に記載の半導体素子。
【請求項２４】
前記第１半導体は、前記第２半導体の厚さの実質的に２倍
である、請求項８に記載の半導体素子。
【請求項２５】
請求項１から２４のいずれか１つに記載の半導体素子を備
えたレーザ。
【請求項２６】
請求項１から２４のいずれか１つに記載の半導体素子を備
えた変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミニバンドを有する半導体素子に関する。このようなミニバンドは
素子内での電荷の移動を向上させる。特に、ミニバンドは、緑色または青色領域
で機能する半導体光源、変調器、および検出器の特性を向上させる。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子分野の研究者らは、青色−緑色光を発光する光源を提供する半導体
発光素子の研究を続けている。ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体がこのような半導体発
光素子におけるガイド領域およびクラッド領域の材料として優れた特性を有する
ことが報告されている。
【０００３】
青色−緑色発光素子の初期の研究では、ＺｎＳｅおよびＺｎＳ0.07Ｓｅ0.93を
、各々、ガイド領域およびクラッド領域の材料として用いることが報告された（
「Blue-greenlaser diodes」、M.A.Haaseら、Appl.Phys. Lett. 59、1272頁
）。閾値電流を下げレーザ発振波長を短くするためには、ＺｎＳ0.07Ｓｅ0.93ガ
イド層および、ＧａＡｓに格子整合したＺｎＭｇＳＳｅクラッド層が必要である
ということが報告されている（"Room temperature continuous operation of bl
ue-green laser diode"、N. Nakayamaら、Electron. Lett. 29、1488頁）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記の半導体素子においては、以下に示すような問題点があった。閾
値電流を下げレーザ発振波長を短くするのに良い材料であると考えられたＺｎＭ
ｇＳＳｅのバンドギャップエネルギーが増大すると共にアクセプタ濃度（Ｎａ−
Ｎｄ）が急激に減少する。このため、閾値電流およびレーザ発振波長には限界が
現れ始めている。室温での連続発振における、出願人が認識する最短レーザ発振
波長は４８９ｎｍであり、閾値電流密度は１．５ＫＡ／ｃｍ2である（"Continuo
us-wave operation of 489.9nm blue laserdiode at room temperature"、N. N
akayamaら、Electron. Lett. 29、2164頁）。
【０００５】
アクセプタ濃度（Ｎａ−Ｎｄ）が急激に減少するのを避けるために、およびド
ーピング効率を向上させるために、変調ドーピング方法を用いることが提案され
ている（"Doping in a superlattice structure: improved hole activation in
wide-gap II-VI materials"、I. Suemune、J. Appl. Phys. 67、2364頁）。さ
らに、超格子構造を導入する別の方法もまた提案されている（"One-hour-long r
oom temperature CW operation ofZnMgSSe-based blue-green laser diodes"、
A. Ishibashiら、7th annual meeting on the IEEE Lasers andElectro-Optics
Society (1994)）。
【０００６】
ＧａＡｓに格子整合するＺｎＭｇＳＳｅクラッド層を用いても、室温での連続
発振の波長が４８０ｎｍより短い青色レーザダイオードを得るのは困難であると
考えられる。
【０００７】
図１は、従来の分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）レーザダイオード（ＬＤ）
のエネルギー準位図を示す。活性領域２は単一量子井戸（ＳＱＷ）または多量子
井戸（ＭＱＷ）構造であり得る。ガイド領域３およびドープされたクラッド領域
４は、活性領域２に閉じ込められたキャリヤのための閉じ込めバリヤとして働く
。ガイド領域３はクラッド領域より高い屈折率を有し、光波を誘導する働きをす
る。従来のＬＥＤではガイド領域は省略される。
【０００８】
レーザ発振波長を短くするためには、活性領域２のバンドギャップエネルギー
を大きくすることが必要である。従って、領域３および４のバンドギャップエネ
ルギーを大きくすることが必要であり、さもなくば、活性領域と領域３および４
との間のバンド不連続性が低下し、この結果、キャリヤのオーバフローが増大し
、これにより閾値電流が増大する。
【０００９】
４元素からなるＺｎＭｇＳＳｅは、閾値電流を下げまたレーザ発振波長を短く
するための有望な材料であると考えられる。しかし、上述のように、ＺｎＭｇＳ
Ｓｅのバンドギャップエネルギーが増大すると共にアクセプタの濃度（Ｎａ−Ｎ
ｄ）が急激に減少することが報告されている。つまり、伝導性が良くバンドギャ
ップエネルギーが比較的大きいＺｎＭｇＳＳｅ膜を得ることは困難である。バン
ドギャップエネルギーが比較的大きいＺｎＭｇＳＳｅは、含有するＳおよびＭｇ
の量が比較的多い。この結果、この化学組成物がＭｇＳに近づくに従って、Ｍｇ
Ｓの安定結晶構造は岩塩構造（rock salt）であるため、閃亜鉛鉱構造（zinc blende)としての結晶品質が低下する結果となり得る。
【００１０】
アクセプタの濃度の急激な低下を補償し、またドーピング効率を向上させるた
めに変調ドーピング方法を用いることがSuemune（上述）によって提案されてい
る。しかし、この提案では、キャリヤの移動は、図２に示すように、ホッピング
伝導として知られるメカニズムによって行われる。
【００１１】
変調ドーピングでは、ＺｎＳｅ／ＺｎＳＳｅ多量子井戸系の量子井戸１０の価
電子帯内の自由（free）ホール濃度を増やすことが意図される。このようなＩＩ
−ＶＩ族系では、アクセプタの活性化エネルギーＥａは非常に大きく、１１０〜
１５０ｍｅＶの範囲である。この結果、熱により活性化された自由ホールの濃度
は非常に小さい。ｐ型ＺｎＳｅにおける自由ホールの濃度は極めて重要である。
何故なら、この材料の抵抗ｒは、ｑを電子荷、μをホール移動度（ほぼ３０ｃｍ
2／Ｖｓに等しい）、ｐをホール濃度とすると、
【００１２】
【数１】
2007081449.tif 000003
【００１３】
で与えられるからである。
【００１４】
従って、低抵抗度を実現しこれにより素子内のパワー分散を減らすためには、
ホール濃度を増大させることが望ましい。Suemuneは、６０Åの周期を有するドー
プされた超格子では、自由ホール濃度を約４〜５倍高くすることが可能であると
計算した。しかし、ホールは量子井戸１０に平行な方向では自由に移動する一方
で、量子井戸に垂直な方向の移動では、ホールはホッピング伝導により量子井戸
を横切らなければならないため、それほど良好ではない。残念ながら、ＬＥＤ、
レーザ、検出器、および変調器などの多くの光電素子の機能において重要なのは
、量子井戸に垂直な方向のホールの移動である。量子井戸は、図２に示すように
、量子井戸内に緩和されたキャリヤ（ホール）に対してトラップとして作用し得
るため、Suemuneの記載した変調ドーピングは、量子井戸に垂直な方向のホール
の移動特性を劣化させ得るという可能性がある。図２において、量子井戸からの
ホールの熱による活性化は矢印１２によって表され、量子井戸へのホールの緩和
は矢印１４によって表される。矢印の相対的な大きさは、各出来事の確率を概略
的に示しており、矢印が大きいほど確率は高い。図２はまた、各井戸内の第１の
閉じ込め量子状態のエネルギー準位６、ならびに井戸内のドーパント材料（アク
セプタ）およびバリヤ材料の各々のエネルギー準位７および８を示す。
【００１５】
欧州特許出願第0334759号は、レーザ発光構造が半導体の伝導帯内のミニバン
ド間での内部サブバンド間移動を包含する、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系を有する
ユニポーラ半導体レーザを開示している。この素子では、電子は上サブバンドに
注入され、バリヤ領域またはクラッド領域を通って上ミニバンドの一部である活
性領域に横移動する。ミニバンドのバリヤ領域内のエネルギーが増大する結果と
して、活性領域内の電子密度が増大し、次に電子は下ミニバンドに放射移動し、
これにより発光が行われる。キャリヤは、バリヤ領域および活性領域を通るコヒ
ーレントなミニバンド移動を示す。この素子は、長波長の光を生成するためのも
のであり、短波長（緑色または青色）の光の生成用には適切ではない。
【００１６】
欧州特許出願第0614253号は、ＭＱＷレーザダイオード部と、レーザダイオー
ド部に集積された多量子井戸構造を含む光変調部とを有する分布帰還型（ＤＦＢ
）ＩｎＧａＡｓＰ型レーザ素子を開示している。光変調部の多量子井戸構造は、
量子井戸の量子状態が互いに結合され複数のミニバンドを形成する結合多量子井
戸構造である。しかし、このようなミニバンドは、レーザダイオード部の活性領
域へのキャリヤの移動には関与しない。
【００１７】
国際特許第92/08250号および第94/00884号は、光検出器の活性領域の量子井戸
がミニバンドを有する超格子バリヤ層によって分離されるＭＱＷ光検出器を開示
している。
【００１８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とすると
ころは、室温で連続動作し得る青色光レーザダイオードを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の半導体素子は、活性領域と、第１超格子領域と、該活性領域と該第１
超格子領域との間に設けられるガイド領域とを有し、該第１超格子領域はバリヤ
層によって互いに分離される複数の量子井戸を有する第１および第２半導体の積
層パターンからなり、該パターンの積層膜厚は、該第１超格子領域内にミニバン
ドが形成されるように十分に薄くされる、半導体素子であって、該ミニバンドを
通ってキャリヤが輸送され、そのことにより上記目的が達成される。
【００２０】
本発明の半導体素子は、活性領域と、第１超格子領域と、該活性領域と該第１
超格子領域との間に設けられるガイド領域とを有し、該第１超格子領域はバリヤ
層によって互いに分離される複数の量子井戸を有する第１および第２半導体の積
層パターンからなり、該パターンの積層膜厚は、該第１超格子領域内にミニバン
ドが形成されるように十分に薄くされる、半導体素子であって、該ミニバンドの
最小エネルギー準位は、該ガイド領域のエネルギー準位または最小エネルギー準
位より大きいかまたはこれに等しく、そのことにより上記目的が達成される。
【００２１】
本発明の半導体素子は、第１バリヤ層によって互いに分離される複数の第１量
子井戸を有する活性領域と、第１超格子領域とを備え、該第１超格子領域は第２
バリヤ層によって互いに分離される複数の第２量子井戸を有する第１および第２
半導体の積層パターンからなり、該パターン積層膜厚は、該第１超格子領域内に
ミニバンドが形成されるように十分に薄くされる、半導体素子であって、該ミニ
バンドの最小エネルギー準位は、該第１バリヤ層の準位より大きいかまたはこれ
に等しく、そのことにより上記目的が達成される。
【００２２】
ある実施の形態では、前記ミニバンドにキャリヤを注入するためのキャリヤ注
入領域をさらに備え、該注入領域のエネルギー準位は、該ミニバンドのエネルギ
ー準位と実質的に整合される。
【００２３】
他の実施の形態では、前記第１および第２半導体はＩＩ−ＶＩ族半導体である
。
【００２４】
更に、他の実施の形態では、前記第１および第２半導体は、４元混晶の組み合
わせよりなる。
【００２５】
更に、他の実施の形態では、前記第１半導体が、ＺｎＳxＳｅ1-x（０≦ｘ≦１
）であり、前記第２半導体が、ＭｇＳyＳｅ1-y（０≦ｙ≦１）である。
【００２６】
更に、他の実施の形態では、前記第１半導体がＺｎＳｅで、前記第２半導体が
ＭｇＳである。
【００２７】
更に、他の実施の形態では、前記第１および第２半導体はＩＩＩ−Ｖ族半導体
である。
【００２８】
更に、他の実施の形態では、前記第１および第２半導体は、４元混晶の組み合
わせよりなる。
【００２９】
更に、他の実施の形態では、前記第１および第２半導体は、合金系（ＡｌＧａ
Ｉｎ）Ｎの組み合わせである。
【００３０】
更に、他の実施の形態では、前記第１および第２半導体は、合金系（ＡｌＧａ
Ｉｎ）Ｐの組み合わせである。
【００３１】
更に、他の実施の形態では、前記第１半導体はＡｌＮであり、前記第２半導体
はＧａＮである。
【００３２】
更に、他の実施の形態では、前記第１および第２半導体の少なくとも一方がｎ
型ドープされる。
【００３３】
更に、他の実施の形態では、前記第１および第２半導体の少なくとも一方がｐ
型ドープされる。
【００３４】
更に、他の実施の形態では、前記第１および第２半導体は、基板に対して格子
整合されないが、前記第１超格子領域中のトータルのひずみがゼロとなるように
組み合わされる。
【００３５】
更に、他の実施の形態では、前記第１および第２半導体は基板に格子整合され
る。
【００３６】
更に、他の実施の形態では、前記基板はＧａＡｓである。
【００３７】
更に、他の実施の形態では、前記基板はＺｎＳｅである。
【００３８】
更に、他の実施の形態では、前記パターン積層膜厚は６分子層以下である。
【００３９】
更に、他の実施の形態では、前記第１および第２半導体および／または前記パ
ターン積層膜厚は位置に応じて変動する。
【００４０】
更に、他の実施の形態では、第３および第４半導体の積層パターンを有する第
２超格子領域をさらに備え、該パターン積層は、該第２領域内にミニバンドが形
成されるように十分薄くされ、また、前記活性層は前記第１および第２超格子領
域の間に挟まれる。
【００４１】
更に、他の実施の形態では、前記第３および第４半導体の相対厚および／また
はパターン積層膜厚は位置に応じて変動する。
【００４２】
更に、他の実施の形態では、前記第１半導体は、前記第２半導体の厚さの実質
的に２倍である。
【００４３】
更に、他の実施の形態では、請求項１から２４のいずれか１つに記載の半導体
素子を備えたレーザである。
【００４４】
更に、他の実施の形態では、請求項１から２４のいずれか１つに記載の半導体
素子を備えた変調器である。
【００４５】
本発明の第１の観点によれば、活性領域と、第１超格子領域と、該活性領域と
該第１超格子領域との間に設けられるガイド領域とを有し、該第１超格子領域は
バリヤ層によって互いに分離される複数の量子井戸を有する第１および第２半導
体の積層パターンからなり、該パターンの積層膜厚は、該第１超格子領域内にミ
ニバンドが形成されるように十分に薄くされる、半導体素子であって、該ミニバ
ンドを通ってキャリヤが輸送される、半導体素子が提供される。
【００４６】
本発明の第２の観点によれば、活性領域と、第１超格子領域と、該活性領域と
該第１超格子領域との間に設けられるガイド領域とを有し、該第１超格子領域は
バリヤ層によって互いに分離される複数の量子井戸を有する第１および第２半導
体の積層パターンを備え、該パターンの積層膜厚は、該第１超格子領域内にミニ
バンドが形成されるように十分に薄くされる、半導体素子であって、該ミニバン
ドの最小エネルギー準位は、該ガイド領域のエネルギー準位または最小エネルギ
ー準位より大きいかまたはこれに等しい、半導体素子が提供される。
【００４７】
本発明の第３の観点によれば、（ａ）第１バリヤ層によって互いに分離される
複数の第１量子井戸を有する活性領域と、（ｂ）第１超格子領域とを備え、該第
１超格子領域は第２バリヤ層によって互いに分離される複数の第２量子井戸を有
する第１および第２半導体の積層パターンを備え、該パターン積層膜厚は、該第
１超格子領域内にミニバンドが形成されるように十分に薄くされる、半導体素子
であって、該ミニバンドの最小エネルギー準位は、該第１バリヤ層の準位より大
きいかまたはこれに等しい、半導体素子が提供される。
【００４８】
本明細書で使用される「ミニバンド」という用語は、電荷キャリヤ、好ましく
はホールを容易に移動させ得る状態のバンドであるミニバンドを意味する。
【００４９】
第１超格子領域内に一連の量子井戸を狭い間隔で形成することにより、各井戸
より外側に延びる量子波動関数が隣接する井戸の波動関数と重複する。重複する
波動関数はミニバンドを形成し、これにより、量子井戸に垂直な方向へのキャリ
ヤの移動が向上する。第１および第２半導体を連続して交互に並べることにより
超格子を形成する。
【００５０】
キャリヤをミニバンドに注入することによってのみ、第１超格子領域内の価電
子帯を通るキャリヤの移動を向上させ得る。キャリヤは次にミニバンドを通って
移動するが、ミニバンド内でエネルギーをいくらか失い得る。キャリヤがミニバ
ンドを通って移動し得るかどうかに主に影響を与えるのは、第１超格子領域の活
性領域とは反対側に設けられた注入領域のエネルギーおよび第１超格子領域と活
性領域との間のガイド領域またはバリヤのエネルギーに対するミニバンドのエネ
ルギーである。超格子内のミニバンドの最小エネルギーは、超格子と素子の活性
領域との間に位置するガイド領域またはバリヤのポテンシャルエネルギー準位よ
り大きいかまたはこれに等しくなければならない。同様に、注入領域のエネルギ
ー準位は、ミニバンドのエネルギー準位に近いかこれに等しくなければならない
。注入領域のエネルギーがミニバンドの最小エネルギー準位より実質的に低い（
例えば、１００ｍｅＶ以上低い）場合は、キャリヤの第１超格子領域への流れは
妨害されることが多い。
【００５１】
好ましくは、少なくとも第１超格子領域のバリヤ層を形成する半導体層がドー
プされる。これにより、キャリヤの数が増大し、第１超格子領域内の伝導性が向
上する。第１超格子の量子井戸領域もまたドープされ得る。
【００５２】
好ましくは、ミニバンドの幅は、キャリヤの移動を実質的に最大にするように
選択される。好ましくは、キャリヤはホールである。ミニバンドの幅は、半導体
材料に、ならびにバリヤおよび井戸層の幅、すなわち第１および第２半導体の幅
に依存する。さらに、ミニバンドの幅は、第１領域を横断して電界が形成される
ときでもミニバンドを通るキャリヤの移動が可能であるように、すなわちミニバ
ンドがシュタルク（Stark）準位に分離しないように選択される。
【００５３】
好ましくは、半導体は、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｓ、およびＳｅからなる４元混晶から選
択される。第１および第２領域は、ＺｎＳxＳｅ1-x−ＭｇＳyＳｅ1-y（０≦ｘ，
ｙ≦１）構造を有する超格子を形成すると好都合である。
【００５４】
好都合には、第１および第２半導体の各々の幅またはパターンの積層膜厚を変
更してバンドギャップを変動させ得る。バンドギャップは実質的に放物線の形状
で変動させ得る。第２超格子領域は、活性領域の第１超格子領域とは反対側に配
備され得る。この超格子領域は各々空間的に変動する積層膜厚を有し、共働して
傾斜屈折率分離閉じ込めヘテロ構造素子を形成し得る。このような構造は光学的
に効率的である。
【００５５】
好ましくは、第１および第２半導体は、第１および第２半導体層に応力がほと
んどまたは全く加えられないように、基板の格子と実質的に格子整合する。基板
はＧａＡｓであり得、第１および第２半導体層の格子定数は、層内のＭｇおよび
／またはＳの濃度を変更することによって変動させ得る。
【００５６】
好ましくは、素子はＬＥＤ，レーザ、変調器、または検出器である。
【００５７】
変形例としては、第１および第２半導体は、（ＡｌＧａＩｎ）Ｐおよび（Ａｌ
ＧａＩｎ）Ｎ合金などのＩＩＩ−Ｖ族半導体系より形成され得る。
【００５８】
周期積層は好ましくは６分子層以下である。閃亜鉛鉱構造を有する材料の場合
には、１分子層厚は格子定数の半分である。
【００５９】
従って、素子の活性領域の方向へのキャリヤの移動を向上させることが可能で
ある。さらに、超格子領域はまた、傾斜屈折率領域を形成し得、これにより活性
領域内の閉じ込めを向上させ得る。
【発明の効果】
【００６０】
本発明によれば、活性領域と、第１超格子領域と、該活性領域と該第１超格子
領域との間に設けられるガイド領域とを有し、該第１超格子領域はバリヤ層によ
って互いに分離される複数の量子井戸を有する第１および第２半導体の積層パタ
ーンからなり、該パターンの積層膜厚は、該第１超格子領域内にミニバンドが形
成されるように十分に薄くされる、半導体素子であって、該ミニバンドを通って
キャリヤが輸送される、半導体素子が提供される。
【００６１】
この構成により、素子の活性領域の方向へのキャリアの移動を向上させること
が可能となる。さらに、超格子領域はまた、傾斜屈折率領域を形成し得、これに
より活性領域内の閉じ込めを向上させ得る。このようなことから、室温で連続動
作し得る青色光レーザダイオードを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６２】
上述のように、半導体レーザのガイド領域あるいはバリヤとクラッド領域とに
よって形成される閉じ込めバリヤのバンドギャップエネルギーを増大させ、これ
により閾値電流を下げレーザ発振波長を短くすることが必要である。ＺｎＭｇＳ
ＳｅにおけるＳおよびＭｇの割合を変えることによりそのバンドギャップを増大
させることは可能であるが、これには必要なＳおよびＭｇの量が非常に多くなる
ため、結晶構造がＭｇＳに類似してくる。この結果、ＭｇＳの安定結晶構造は岩
塩構造であるため、結晶品質が劣化する。従って、結晶品質の観点から、ＺｎＭ
ｇＳＳｅにおけるＳおよびＭｇの組成には上限がある。しかし、この上限は、超
格子構造を用いることで、岩塩構造ではなく閃亜鉛鉱構造を有するＭｇＳ膜を成
長させることにより無効とすることができる。ＭｇＳyＳｅ1-y（０≦ｙ≦１）の
膜厚が十分に薄ければ、閃亜鉛鉱構造のＭｇＳyＳｅ1-yをＺｎＳxＳｅ1-x（０≦
ｘ≦１）上に成長させ得、また、ＭｇＳyＳｅ1-y層上に上部ＺｎＳxＳｅ1-x層を
成長させれば、ＭｇＳyＳｅ1-y層の閃亜鉛鉱構造は安定する。これらの層は積層
して形成され、層間のバンド不連続により、図３に示すように、理論上の最大バ
ンド不連続値、ΔＥｃ（伝導帯エネルギー変化）が０〜１１１５ｍｅＶ、および
ΔＥｖ（価電子帯エネルギー変化）が０〜７３６ｍｅＶとなる超格子が形成され
得る。図３は、価電子帯での２つのエネルギー準位を示す。これらの準位はライ
トホール（ｌｈ）およびヘビーホール（ｈｈ）に関連する。
【００６３】
交互に積層された第１および第２の半導体層を有する構造内で、層厚が薄くな
るときミニバンドが形成される。ミニバンドの形成は、「矩形井戸」または「ボ
ックス内の粒子」として知られる量子力学問題の多重解法の重ね合わせとして考
えられ得る。要約すれば、「矩形井戸」の問題は、幅Ｌｚ（０からＬｚまで延び
る）の無限の深さの井戸に対して、シュレディンガー方程式、
【００６４】
【数２】
2007081449.tif 000004
【００６５】
を解くことを意味する。この解法では、境界条件としては、波動関数が井戸の端
部でゼロになる。従って、解は、
【００６６】
【数３】
2007081449.tif 000005
【００６７】
で与えられる。だだし、ｍは粒子の有効質量、ｈはプランク定数／２π、Ψは量
子波動関数であり、またＺがボックス内の位置であるとき
【００６８】
【数４】
2007081449.tif 000006
【００６９】
である。
【００７０】
しかし、井戸の高さが有限になると、波動関数は井戸の閉じ込めより外側に非
ゼロ値を取り得る。さらに、この解は、偶数（対称）解および奇数（非対称）解
の両方を含む。
【００７１】
−Ｌ／２から＋Ｌ／２まで延びる井戸のための有限井戸方程式による解は、井
戸内に
【００７２】
【数５】
2007081449.tif 000007
【００７３】
に近似する偶数解、および井戸内に
【００７４】
【数６】
2007081449.tif 000008
【００７５】
に近似する非対称解を与える。各解はまた、井戸の外側に延びる減衰波を有する
。
【００７６】
有限の矩形井戸のエネルギー準位は、無限に深い井戸の解の対応する準位に類
似するが、これより僅かに低い。
【００７７】
図４は、ＺｎＳｅ層およびＭｇＳ層を交互に積層することによって形成される
一連の井戸の１つである、有限井戸内のホールの最初の３つのエネルギー準位（
この図のＥ1、Ｅ2、Ｅ3の３つのエネルギー準位）に対する、シュレディンガー
方程式への解を示す。厚さは、結晶の分子層厚によって測定される（１分子層の
厚さは、ほぼ２．８２Åに等しい）。井戸およびバリヤの厚さは実質的には同一
である。
【００７８】
井戸およびバリア層の幅が厚く、隣接する井戸からの減衰波動関数の値が実質
的にゼロであるとき、各井戸は隣接する井戸から効果的に分離される。井戸およ
びバリヤの幅の減少により、Ｅｎは井戸の幅に反比例することから予期され得る
ように、解のエネルギー準位は上昇する。井戸およびバリヤの幅がさらに減少す
ると、他の井戸の減衰波動関数（これの対称および非対称解は異なる値を有する
）が、井戸内に有意の非ゼロ値を有し始め、これにより、エネルギーレベル解が
一連の値に分割される。一連の量子井戸の形成の結果、エネルギー準位は、図４
の斜線領域によって示されるように、バンド内に連続体を形成する。
【００７９】
図５は、ＺｎＳｅ４分子層およびＭｇＳ２分子層を１０周期繰り返したひずみ
超格子内のヘビーホールの、透過率対エネルギーを示す。透過率は０．９まで高
くなる。
【００８０】
上述のように、青色光を生成させるためには、閉じ込めバリヤ領域のバンドギ
ャップエネルギーを増大させることが必要である。ＺｎＭｇＳＳｅのバンドギャ
ップエネルギーが増大すると共に、アクセプタ濃度（Ｎａ−Ｎｄ）が急激に減少
するため、伝導性が高くかつバンドギャップエネルギーが大きいＺｎＭｇＳＳｅ
膜を得るのは困難である。変調ドーピングによりこれらの問題を解決し得る。し
かも、本発明では、超格子の周期が十分小さいためミニバンドを形成することが
でき、キャリヤはミニバンドを通って移動するため（図６）、ホッピング（図２
）伝導に比して良好なキャリヤ輸送（伝導）が可能となる。超格子の周期は、ミ
ニバンドを形成するのに十分な薄さ、例えば、ｄを厚さとすると、ｄZnSe＝ｄMg
Sであるとき、６分子層より少ない厚さとすべきである。
【００８１】
図６は、本発明の第１の実施例を構成する半導体素子内のエネルギー準位の概
略図である。この準位図は、バリヤ１２によって形成される複数の量子井戸１０
が存在することにおいては、図２に示す図に類似する。しかし、これらには２つ
の顕著な相違がある。第１の相違は、ミニバンド１８を有する超格子領域１３が
形成されるように、量子井戸１０およびバリヤ１２が薄くされていることである
（この特徴は図示されていない）。第２の相違は、ミニバンド１８へのホールの
注入およびミニバンド１８から素子の活性領域２へのホールの注入のための、関
連するホールのエネルギー準位に関する条件が満たされているということである
。ミニバンド１８のエネルギーが、超格子領域１３と共に本実施例のクラッド領
域４からなる注入領域２０のエネルギー準位と同じであるかまたはこれに十分に
近い場合、ホール注入条件は満たされる。ミニバンド１８の最小エネルギー準位
２１が、超格子領域１３と素子の活性領域２との間に位置するガイド領域３の価
電子帯のエネルギー準位より大きいかまたはこれと同じである場合、ホール注入
条件は満たされる。これでホールは注入領域２０からミニバンド１８を経て活性
領域２へと通過し得る。
【００８２】
領域３より大きいかまたはこれに等しい、および領域２０に等しいかまたはこ
れより小さい最小エネルギー準位を有するようなミニバンド１８の形成は、超格
子のバリヤ１２が、素子の活性領域２より大きいバンドギャップを有する半導体
材料よりなることを必要とする。ミニバンド１８のエネルギーが、注入領域２０
のエネルギーより僅かに大きい場合でも、ホールは熱によりミニバンドの方へ注
入され得る。
【００８３】
図７の実施例では、ミニバンド１８を有する超格子領域１３は、ガイド領域３
とクラッド領域４との間に組み込まれ得る。クラッド領域は、本実施例では、ホ
ールをミニバンド１８に注入する注入領域２０によって形成される。ＬＥＤ素子
では、このようなガイド領域３は省略され、超格子領域１３自体が活性領域２の
ためのキャリヤ閉じ込めバリヤを形成する。このような場合には、ミニバンド１
８の最小エネルギー準位が閉じ込めバリヤのエネルギー準位に等しい。
【００８４】
図８の実施例では、ミニバンド１８を有する超格子領域１３は、クラッド領域
４内に形成される。ＬＥＤ素子では、ガイド領域３は省略され、クラッド領域４
が活性領域２のためのキャリヤ閉じ込めバリヤを形成する。このような場合には
、ミニバンド１８の最小エネルギー準位は、閉じ込めバリヤのエネルギー準位に
等しい。
【００８５】
図９の実施例では、素子は、ミニバンド１８を有する超格子領域１３がガイド
領域３とクラッド領域４との間に組み込まれている点において、図７の素子に類
似する。しかし、本実施例では、活性領域２は、バリヤ２ｂによって分離される
多数の量子井戸２ａによって形成されるＭＱＷからなる。ホール注入が有効に行
われる条件は、ミニバンド１８の最小エネルギー準位２１がバリヤ２ｂのエネル
ギー準位より大きいかまたはこれに等しいことである。
【００８６】
図１０の実施例では、素子は、ミニバンド１８を有する超格子領域１３がガイ
ド領域３とクラッド領域４との間に組み込まれている点において、図７の素子に
類似する。しかし、本実施例では、超格子領域１３の井戸１０を形成するバルク
材料のエネルギー準位は、活性領域２のエネルギー準位より小さい。
【００８７】
図１１は、複数のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体のバンドギャップエネルギーおよ
び格子定数を示す。ＺｎＳｅおよびＭｇＳの格子定数は、各々、５．６６８１Å
および５．６２Åであり、これらはＧａＡｓ基板（５．６５３Å）にほぼ格子整合
される。ＺｎＳｅの格子定数はＧａＡｓの格子定数より僅かに大きく、ＭｇＳの
格子定数はＧａＡｓの格子定数より僅かに小さい。従って、ＺｎＳｅ−ＭｇＳ超
格子の内部応力は、層厚を適切に選択することによってゼロに等しくされ得る。
ｄZnSe＝２ｄMgSであるとき、応力はほぼ完全に相殺される。さらに、ＺｎＳxＳ
ｅ1-x−ＭｇＳyＳｅ1-y（０≦ｘ，ｙ≦１）におけるｘおよびｙの適切な組成を
選択することによって、超格子はＧａＡｓに完全に格子整合し得る。また、ひず
みの均衡した適当な組成物の混晶を用いると、ＺｎＳxＳｅ1-x−ＭｇＳyＳｅ1-y
（０≦ｘ，ｙ≦１）超格子の内部応力はほとんどゼロに等しくなり得る。
【００８８】
基板に完全に格子整合、もしくは、内部応力を超格子内でバランスさせ、ゼロ
に等しくすることで、高品質の超格子構造ならびに超格子部分を含む素子構造を
作製することができる。
【００８９】
化合物ＺｎＳxＳｅ1-xおよびＭｇＳyＳｅ1-yのなかで、ＺｎＳｅ（ｘ＝０）
およびＭｇＳ（ｙ＝１）は２元化合物であり、従って、最も高い組成制御性を有
する。また、ＺｎＳxＳｅ1-xおよびＭｇＳyＳｅ1-yは、ＺｎＭｇＳＳｅ４元化合
物と比較すれば大きい組成制御性を有する。
【００９０】
超格子を組み込んだ素子の特性を調べるために、一連の実験を行った。
【００９１】
先ず、ＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子のホトルミネセンス（ＰＬ）スペクトル
のＭｇＳバリヤ層厚依存性を調べた。ひずみ超格子を、以下の成長条件、すなわ
ち、ＧａＡｓ基板、基板温度２７５℃、Ｚｎ、Ｓｅ、Ｍｇ、およびＳのビーム等
価圧力が各々６×１０-7、１．４×１０-6、１．０×１０-7、および２×１０-7
Ｔｏｒｒの条件下で、分子線エピタキシによって成長させた。
【００９２】
図１２は、１５秒のＺｎＳｅ成長時間を示し、ならびに各々、この図の１２ａ
は１０秒、この図の１２ｂは２０秒、およびこの図の１２ｃは３０秒のＭｇＳ成
長時間にて作製したＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子の７７ＫでのＰＬスペクトル
を示す。量子化エネルギー準位による発光のピークエネルギーは、各々、（ａ）
３．１９ｅＶ、（ｂ）３．３１ｅＶ、および（ｃ）３．３９ｅＶであった。ひず
み超格子のすべてとＺｎＳｅとの間のバンドギャップエネルギー差は０．３ｅＶ
より大きく、このことは、これらのひずみ超格子がクラッド領域または閉じ込め
バリヤ領域として有望であることを意味する。
【００９３】
第２の実験では、ＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子のＰＬスペクトルの、ＺｎＳ
ｅ井戸層厚依存性を調べた。ひずみ超格子を、以下の成長条件、すなわち、Ｇａ
Ａｓ基板、基板温度２７５℃、Ｚｎ、Ｓｅ、Ｍｇ、およびＳのビーム等価圧力が
各々８×１０-7、１．８×１０-6、１．０×１０-7、および２×１０-7Ｔｏｒｒ
の条件下で、分子線エピタキシによって成長させた。
【００９４】
図１３は、１０秒のＭｇＳ成長時間を示し、この図の１３ａでは１０秒および
この図の１３ｂでは２０秒のＺｎＳｅ成長時間を有するＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ
超格子の７７ＫでのＰＬスペクトルを示す。量子化エネルギー準位による発光の
ピークエネルギーは、各々、（ａ）３．２０ｅＶおよび（ｂ）２．９８ｅＶであ
った。より薄いＺｎＳｅ井戸層厚を有するひずみ超格子（図１３ａ）とＺｎＳｅ
との間のバンドギャップエネルギー差は０．３ｅＶより大であり、これは、より
薄いＺｎＳｅ井戸層厚を有するひずみ超格子がクラッド領域または閉じ込めバリ
ヤ領域としてより有望であることを意味する。
【００９５】
次に、Ｃｌをドープしたひずみ超格子を成長させた。２つの異なる型のＣｌド
ープひずみ超格子を図１４および図１５に示す。
【００９６】
図１４に示す素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板３０上面にｎ型ＺｎＳｅバッファ層３
２を備えている。このバッファ層３２の上にアンドープＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ
超格子３４が形成され、ひずみ超格子３４の上にｎ型ＺｎＳｅキャップ層３６（
およびバッファ層）が形成される。これはｎ−ｉ−ｎ（ＣｌドープＺｎＳｅ、ア
ンドープ超格子、ＣｌドープＺｎＳｅ）構造を形成する。ひずみ超格子３４は、
基板温度２７５℃、Ｚｎ、Ｓｅ、Ｍｇ、およびＳのビーム等価圧力が各々８×１
０-7、１．８×１０-6、１．０×１０-7、および２×１０-7Ｔｏｒｒ、ならびに
ＺｎＣｌ2のＫセル温度が１４７℃の条件下で、分子線エピタキシによって成長
させた。インジウム電極３８を基板１の裏面に形成し、また半径２００μｍの別
のインジウム電極４０を真空蒸着によりキャップ層３６の上に形成する。
【００９７】
図１５は、図１４に示す素子に類似するが、アンドープＺｎＳｅ−ＭｇＳひず
み超格子３４がｎ型ＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子４２に置き換わり、これによ
り、ｎ−ｎ−ｎ（ＣｌドープＺｎＳｅ、Ｃｌドープ超格子、ＣｌドープＺｎＳｅ
）構造が形成される。
【００９８】
図１６の１６ａは図１３に示す素子のＰＬスペクトルを示す。図１６の１６ｂ
は図１４に示す素子のＰＬスペクトルを示す。両素子共に、量子化エネルギー準
位からの発光による３．２１ｅＶのピークエネルギーを示す。
【００９９】
図１７は、図１４および図１５に示す素子の電流−電圧特性を示す。ラインＡ
は図１４に示す素子に関し、ラインＢは図１５に示す素子に関する。図示するよ
うに、図１５のｎ−ｎ−ｎ構造は、図１４に示すｎ−ｉ−ｎ構造より良好な電流
の流れを示す。これは、Ｃｌドーピングがひずみ超格子内で効率的に働くことを
示している。
【０１００】
窒素をドープしたひずみ超格子を有する別の２つの素子も作製した。図１８に
示す素子は、上部にｐ型ＺｎＳｅバッファ層５２を形成したｐ型ＧａＡｓ基板５
０を有する。層５２の上にアンドープＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子３４が形成
され、層３４の上にｐ型ＺｎＳｅキャップ層５４が形成される。ひずみ超格子３
４は以下の条件、すなわち、基板温度２７５℃、Ｚｎ、Ｓｅ、Ｍｇ、およびＳの
ビーム等価圧力が各々８×１０-7、１．８×１０-6、１．０×１０-7、および２
×１０-7Ｔｏｒｒの条件下で、分子線エピタキシによって成長させた。これによ
り、ｐ−ｉ−ｐ（ＮドープＺｎＳｅ、アンドープ超格子、ＮドープＺｎＳｅ）構
造が形成される。窒素のドーピングは、入力パワー２５０Ｗおよびバックグラウ
ンド圧力４．２×１０-7Ｔｏｒｒのラジカルなドーピング方法によって行われた
。
【０１０１】
インジウム電極３８を基板５０裏面に形成し、半径２００μｍの金電極５６を
キャップ層５４の上に形成する。
【０１０２】
図１９に示す素子は、図１８に示す素子に類似するが、アンドープひずみ超格
子３４がｐ型ＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子５８に置き換わり、これにより、ｐ
−ｐ−ｐ（ＮドープＺｎＳｅ、Ｎドープ超格子、ＮドープＺｎＳｅ）構造が形成
される。
【０１０３】
図２０の２０ａは、図１８に示す素子の７７ＫでのＰＬスペクトルを示す。図
２０の２０ｂは、図１９に示す素子の７７ＫでのＰＬスペクトルを示す。両素子
共に、量子化エネルギー準位からの発光により３．２１ｅＶのピークエネルギー
準位を示した。
【０１０４】
図２１は、図１８および図１９に示した素子の電流−電圧特性を示す。ライン
Ａは図１８に示す素子に関し、ラインＢは図１９に示す素子に関する。図のよう
に、図１９に示すｐドープひずみ超格子５８を有する素子は、図１８に示す素子
に比べて、電流の流れが向上している。これは、Ｎドーピングがひずみ超格子内
で効率的に働くことを示している。
【０１０５】
上記の結果は、ＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子がクラッド層またはキャリヤバ
リヤ層として有望であることを示す。
【０１０６】
次に、図２２に示すレーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板３０上部にｎ型ＺｎＳｅクラ
ッド層６０を備えている。ｎ型ＺｎＳｅクラッド層６０の上にはＺｎ0.8Ｃｄ0.2
Ｓｅ活性層６２が配置され、活性層６２の上にはｐ型ＺｎＳｅクラッド層６４が
形成される。最後に、ｐ型クラッド層６４の上にｐ型コンタクト層６６が形成さ
れる。インジウム電極３８が基板３０と接触して形成され、５μｍ幅の金電極６
８がｐ型コンタクト層６６と接触して形成される。ウェハを分割し、１ｍｍのキ
ャビティ長を有するレーザチップを作製する。レーザはジャンクションアップの
配置で銅製ヒートシンク上に取り付けられる。
【０１０７】
次に図２３に示す第２のレーザは、図２２のレーザと実質的に同一であるが、
活性層６２とｐ型ＺｎＳｅクラッド層６４との間にｐ型ＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ
超格子５８が形成される点で異なる。超格子５８はミニバンドを含み、活性層６
２に対するキャリヤ閉じ込めバリヤを形成する。ミニバンドの最小エネルギー準
位はこのバリヤのエネルギー準位に等しい。
【０１０８】
図２２および図２３のレーザの電流対光出力特性を、パルス幅が２ｍｓで１／
５０００デューティサイクルのパルスモードで７７Ｋで測定した。レーザミラー
はへき開端面により形成され、第２のレーザ（図２３）のひずみ超格子５８は、
４分子層ＺｎＳｅと２分子層ＭｇＳとを２０周期繰り返したものより構成された
。
【０１０９】
これらレーザの電流対光強度特性を図２４に示す。ひずみ超格子を有する第２
のレーザ（図２３）は１０ｍＡの閾値電流を示し、これは、ひずみ超格子のない
同等のレーザの３分の１であった。これにより、ＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子
は、電子のオーバフローを抑制しまた良好なホール移動を促進するのに効果的で
あることが分かる。レーザ発振波長は４９０ｎｍであった。
【０１１０】
次に、図２５に示す第３のレーザはｎ型ＧａＡｓ基板３０の上部にｎ型ＺｎＳ
ｅバッファ層３２を備えている。ｎ型ＺｎＳｅバッファ層３２の上にはｎ型Ｚｎ
Ｓ0.07Ｓｅ0.93クラッド層７０が配置され、クラッド層の上にはｎ型ＺｎＳｅ−
ＭｇＳひずみ超格子４２が形成される。ひずみ超格子４２の上にはＺｎＳｅ活性
層７２が形成され、活性層の上にはｐ型ＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格子５８が形
成される。超格子４２および５８の各々は活性層７２に対するキャリヤ閉じ込め
バリヤを形成し、各々がミニバンドを有する。ミニバンドの最小エネルギーレベ
ルは、バリヤのエネルギー準位に等しい。ひずみ超格子５８の上にはｐ型ＺｎＳ
0.07Ｓｅ0.93クラッド層７４が形成され、最後に、クラッド層７４の上にｐ型コ
ンタクト層６６が形成される。インジウム電極３８が基板３０裏面に形成され、
ストライプ状の電極６８がコンタクト層６６と接触して形成される。レーザは室
温で４８０ｎｍより短いレーザ発振波長を示し、これは７７Ｋでは４６０ｎｍよ
り短い。これらレーザ発振波長はＺｎＭｇＳＳｅ４元化合物を用いることによっ
て得ることは極めて困難である。
【０１１１】
次に、図２６に示す第４のレーザは図２５に示すレーザに類似するが、ｎ型ク
ラッド層７０と活性層７２との間に形成されたｎ型ＺｎＳｅ−ＭｇＳひずみ超格
子４２が省略されている点で異なる。レーザ発振は波長４４５ｎｍで７７Ｋで観
察された。
【０１１２】
図２５および図２６に示す素子では、ひずみ超格子構造は、４分子層のＺｎＳ
ｅと２分子層のＭｇＳとを２０周期繰り返したものより構成された。
【０１１３】
傾斜屈折率（graded index）分離閉じ込めヘテロ構造（ＧＲＩＮＳＣＨ）レー
ザを作製した。素子は図２７に示す構造を有し、図２５に示す素子の構造と類似
するが、活性領域７２の両側のひずみ超格子４２および５８が、変調周期ひずみ
超格子７６および７８に置き換えられている点で異なる。変調周期ひずみ超格子
の井戸層およびバリヤ層の層厚比は、活性層の方向に変動し、これにより、図２
８に概略を示すように、グレーディッドなエネルギーバンドプロファイルが得ら
れる。各超格子４２および５８は、活性領域７２のためのキャリヤ閉じ込めバリ
ヤを示し、ミニバンドを含む（図２８には図示せず）。ミニバンドの最小エネル
ギー準位はバリヤのエネルギー準位に等しい。１つの変形例では、超格子は、Ｇ
ＲＩＮＳＣＨ構造の平坦なクラッド領域にあり、この超格子のミニバンドは、Ｇ
ＲＩＮＳＣＨ構造のグレーディッド領域の最小エネルギー準位に等しいかまたは
これより大きい。
【０１１４】
図２９は、基板（図示せず）上に形成されたＭｇ0.1ＺｎＳ0.14Ｓｅクラッド
層９０を有するレーザのエネルギー準位図である。層９０の上に厚さ５００Åの
ＺｎＳ0.06Ｓｅガイド層９２が形成され、さらに、厚さ５０〜１００ÅのＣｄ0.2
ＺｎＳｅ活性層９４が形成される。活性層９４は、ガイド層９２と同一の別のガ
イド層９６によって覆われる。厚さ２００ÅのＭｇ0.1ＺｎＳ0.14Ｓｅクラッド層
９８が、ガイド層９６と超格子１００との間に光閉じ込め領域を提供する。クラ
ッド層９８と超格子１００とがクラッド領域を形成する。このようなクラッド領
域とガイド層９６とは、活性層９４に含まれるキャリヤのための閉じ込めバリヤ
として作用する。超格子１００は、厚さ５．６５ÅのＭｇＳ層と厚さ１１．１３Å
のＺｎＳｅ層とを１０回繰り返したものよりなる。図２９は、このような素子の
伝導帯の電子および価電子帯のホールの相対エネルギー準位を示す。図２９はま
た、電子およびホールによって見られる、超格子１００に形成された量子井戸の
深さを示す。点線１０４および１０６はミニバンド１０７の境界を概略的に示し
、ライン１０８は、バリヤを形成する半導体層中のアクセプタエネルギー準位を
示す。
【０１１５】
この素子を駆動させると、電子およびホールは活性層９４によって形成される
量子井戸内で再結合する。ガイド層９２および９６は活性領域９４のためのバリ
ヤ領域を形成し、層９２〜９６は素子内の光ガイド層を形成する。光放射ならび
に電子およびホールは、クラッド層９０および９８ならびに超格子１００によっ
て閉じ込められる。電子はクラッド層９０に注入され、活性層９４の方向に移動
する。活性層９４を超えて移動する電子は、点線１０１で示す１７２ｍｅＶの効
果的なバリヤを形成する超格子１００によって反射される。ホールはヘビーホー
ルミニバンド１０７に注入される。ホールは次に活性層９４の方向に移動する。
ホールのミニバンド１０７内での移動は、超格子１００内の少なくともバリヤ層
をドープすることによって向上する。Ｅａは、ドーピングによってバリヤ層に注
入されたアクセプタの活性エネルギーを表す。従って、超格子１００は電子を閉
じ込めると共に、ホールの移動を向上させるように作用する。
【０１１６】
図３０は、図２９を参照して述べた素子に類似するレーザのエネルギー準位の
図である。図３０のレーザでは、超格子１００が、厚さ８．４７ÅのＭｇ0.1Ｚｎ
Ｓ0.14Ｓｅ層と厚さ１４．３１ÅのＭｇ0.4ＺｎＳ0.4Ｓｅ層とを１０回繰り返し
たものよりなるｐドープ超格子１０２に置き換えられている。これにより、超格
子のバンドギャップは図２９に示す素子に較べて小さくなる。図３０に示す素子
の機能は図２９に示す素子と同様である。
【０１１７】
図３１は、図２９および図３０を参照して述べた素子に構造が類似するレーザ
のエネルギー準位の図である。図３１のレーザでは、活性層９４がＩｎ0.2Ｇａ0
.8Ｎよりなる量子井戸１１０または多量子井戸構造に置き換えられ、ガイド領域
１１２および１１４がＩｎ0.05Ｇａ0.95Ｎよりなり、またクラッド層１１６およ
び１１８がＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎよりなる。超格子１００は、厚さ１１．４ÅのＡｌ0
.2Ｇａ0.8Ｎ層と厚さ６．６８ÅのＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎ層とを１０回繰り返したｐド
ープ超格子１２０に置き換えられている。図３１に示す素子の機能は図２９に示
す素子と同様である。
【０１１８】
図３２は、図３１を参照して述べた素子に構造が類似するレーザのエネルギー
準位の図である。図３２のレーザでは、超格子１２０が、厚さ６．８４ÅのＧａ
Ｎ層と厚さ４．５６５ÅのＡｌＮ層とを１０回繰り返したｐドープ超格子１２２
に置き換えられている。この超格子内のひずみは超格子の設計により均衡化され
得る。図３２に示す素子の機能は図２９に示す素子と同様である。
【０１１９】
本発明の上記の実施例のいずれにおいても、活性層／領域は単一量子井戸構造
でも多量子井戸構造でもよい。後者の場合は、ミニバンドの最小エネルギー準位
は、多量子井戸構造のバリヤのエネルギー準位より大きいかまたはこれに等しい
。
【０１２０】
ミニバンドの形成は、ＩＩ−ＶＩ族半導体のみによって形成された素子に限定
されない。本発明の実施例を構成する素子はまた、（ＡｌＧａＩｎ）Ｐおよび（
ＡｌＧａＩｎ）Ｎ合金などのＩＩＩ−Ｖ族半導体系からも形成され得る。
【０１２１】
従って、室温で連続動作し得る青色光レーザダイオードを提供することが可能
である。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】従来の分離閉じ込めヘテロ構造レーザダイオードのエネルギー準位の概略図。
【図２】Suemune（上述）によって開示された変調ドーピング方法におけるエネルギー準位の概略図。
【図３】隣接するＭｇＳ層およびＺｎＳｅ層のバンドギャップの概略図。
【図４】量子井戸内のホールのエネルギー準位、およびミニバンドを形成するための準位の拡張を示す概略図。
【図５】本発明の実施例を構成する素子の、透過率対エネルギー準位を示す図。
【図６】本発明の第１の実施例を構成する半導体素子の、キャリヤホールエネルギー準位対変位を示す概略図。
【図７】本発明の第２の実施例を構成する半導体素子の、キャリヤホールエネルギー準位対変位を示す概略図。
【図８】本発明の第３の実施例を構成する半導体素子の、キャリヤホールエネルギー準位対変位を示す概略図。
【図９】本発明の第４の実施例を構成する半導体素子の、キャリヤホールエネルギー準位対変位を示す概略図。
【図１０】本発明の第５の実施例を構成する半導体素子の、キャリヤホールエネルギー準位対変位を示す概略図。
【図１１】様々な半導体のバンドギャップおよび格子定数を示す図。
【図１２】１２ａ〜１２ｃは、様々なひずみ超格子のホトルミネセンス（ＰＬ）スペクトルを示す。
【図１３】１３ａおよび１３ｂは、別のひずみ超格子のＰＬスペクトルを示す。
【図１４】上記の超格子の効果を調べるための、超格子を組み込んだ素子を示す。
【図１５】上記の超格子の効果を調べるための、超格子を組み込んだ素子を示す。
【図１６】１６ａおよび１６ｂは、図１４および図１５に示す素子のＰＬスペクトルを示す。
【図１７】図１４および図１５に示す素子のＩ−Ｖ特性図。
【図１８】上記の超格子の効果を調べるための、超格子を組み込んだ素子を示す。
【図１９】上記の超格子の効果を調べるための、超格子を組み込んだ素子を示す。
【図２０】２０ａおよび２０ｂは、図１８および図１９に示す素子のＰＬスペクトルを示す。
【図２１】図１８および図１９に示す素子のＩ−Ｖ特性図。
【図２２】本発明の実施例を構成しないレーザを示す。
【図２３】図２２に示すレーザと類似するが本発明の実施例を構成するレーザを示す。
【図２４】図２２および図２３に示す素子の、出力光強度対電流を比較する図。
【図２５】本発明の別の実施例を示す。
【図２６】本発明のさらに別の実施例を示す。
【図２７】本発明のさらに別の実施例を示す。
【図２８】図２７に示す素子のエネルギー準位を示す図。
【図２９】本発明のさらに別の実施例を構成するレーザのエネルギー準位を示す図。
【図３０】本発明のさらに別の実施例を構成するレーザのエネルギー準位を示す図。
【図３１】本発明のさらに別の実施例を構成するレーザのエネルギー準位を示す図。
【図３２】本発明のさらに別の実施例を構成するレーザのエネルギー準位を示す図。
【符号の説明】
【０１２３】
２、６２、７２、９４  活性領域
２ａ、１０  量子井戸
２ｂ、１２  バリヤ層
３、９２、９６  ガイド領域
４、６４、７０、７４、９０、９８  クラッド領域
１３、３４、４２、５８、７６、７８、１００、１０２  超格子領域
１８、１０７  ミニバンド
２０  注入領域
【図１】
2007081449.tif 000009
【図２】
2007081449.tif 000010
【図３】
2007081449.tif 000011
【図４】
2007081449.tif 000012
【図５】
2007081449.tif 000013
【図６】
2007081449.tif 000014
【図７】
2007081449.tif 000015
【図８】
2007081449.tif 000016
【図９】
2007081449.tif 000017
【図１０】
2007081449.tif 000018
【図１１】
2007081449.tif 000019
【図１２】
2007081449.tif 000020
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2007081449.tif 000024
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
2007081449.tif 000029
【図２２】
2007081449.tif 000030
【図２３】
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【図２４】
2007081449.tif 000032
【図２５】
2007081449.tif 000033
【図２６】
2007081449.tif 000034
【図２７】
2007081449.tif 000035
【図２８】
2007081449.tif 000036
【図２９】
2007081449.tif 000037
【図３０】
2007081449.tif 000038
【図３１】
2007081449.tif 000039
【図３２】
2007081449.tif 000040
【手続補正書】
【提出日】平成19年1月24日(2007.1.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性領域と、第１超格子領域と、該活性領域と該第１超格子領域との間に設けられるガイド領域とを有し、該第１超格子領域はバリヤ層によって互いに分離される複数の量子井戸を有する第１および第２半導体の積層パターンからなり、該パターンの積層膜厚は、該第１超格子領域内にミニバンドが形成されるように十分に薄くされる、半導体素子であって、該ミニバンドを通ってキャリヤが輸送される、半導体素子。