JPH042178A - 半導体発光素子 - Google Patents

半導体発光素子

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JPH042178A
JPH042178A JP2101709A JP10170990A JPH042178A JP H042178 A JPH042178 A JP H042178A JP 2101709 A JP2101709 A JP 2101709A JP 10170990 A JP10170990 A JP 10170990A JP H042178 A JPH042178 A JP H042178A
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JP
Japan
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layer
active layer
light emitting
semiconductor
group
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Application number
JP2101709A
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English (en)
Inventor
Kazuo Sakai
堺 和夫
Kimisuke Nishimura
公佐 西村
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KDDI Corp
Original Assignee
Kokusai Denshin Denwa KK
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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、0.37〜0,5μmの波長域で発光する電
流注入型の半導体発光素子に関するものである。
(従来の技術) 現在のところ青色や緑色を発光する2重へテロ構造を持
った短波長帯(0,37〜0.5μm)の半導体発光素
子は実現していない。
半導体発光素子では、基板と成長層の格子定数及び成長
層の活性層とクラッド層の格子定数は、はぼ一致してい
ることが望ましく、一致しなければ歪により結晶欠陥を
生ずる。
一方、レーザや高出力発光ダイオードに用いられる2重
へテロ構造については、キャリア閉じ込めを有効に行う
ために、第4図のエネルギー・バンド図のように、活性
層の伝導帯下端はクラッド層の伝導帯下端より下に、ま
た活性層の価電子帯上端はクラッド層の価電子帯上端よ
り上にあることが必要である。
現在、青色や緑色などの短波長帯の発光素子に用いられ
る半導体の成長層には、禁止帯幅の制約などからZnS
、 Zn5e、 C:dSなどのII−VI族半導体が
最も有望と考えられる。
しかし、II−VI族半導体の成長層を用いて、■−■
もしくは■族生導体の基板と格子整合し、同時に電子お
よび正孔を有効に閉じ込める2重へテロ構造を得ること
は難しい。このことが青色や緑色などの短波長帯の半導
体発光素子ができない理由となっている。
(発明が解決しようとする課題) 上述のように、0.37〜0.5μmの波長帯域で発光
するIf−VI族半導体を成長層に用いた半導体発光素
子において、キャリアの活性層への閉じ込めを十分に行
うためには、クラッド層と活性層の格子不整合が大きく
なり、このため歪が素子の効率や耐久性に与える影響が
大きな問題であった。また基板とクラッド層との格子不
整合もまた効率や耐久性に影響を与え問題であった。
本発明の目的は、青色や緑色を発光する2重へテロ構造
を持った短波長帯(0,37〜0.5μm)の半導体発
光素子を実現することである。すなわち新たな材料組成
と層構造を導入することにより、キャリア閉じ込めを十
分に行うと共に歪による結晶欠陥の発生を防止し、よっ
て高信頼で発光効率のよ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) 本発明の第1の特徴は、CdZnSもしくはCdZnS
を主成分とする■−VI族半導体を用いた半導体発光素
子において活性層と該活性層の両側に配置されるクラッ
ド層により2重へテロ構造を得、材料組成と層厚を限定
し歪量子井戸層を得ることにある。
本発明の第2の特徴は、第1の特徴の構成に、基板と該
基板と活性層の間に配置されたクラッド層との間にCd
ZnSもしくはCdZnSを主成分とするII−VI族
半導体のバッファ層を設け、材料組成と層厚を限定した
ことにある。
(実施例1) 第1図は、本発明による層構造を有する半導体発光素子
の断面を示したもので、電極ストライブ構造レーザの例
である。1はn−GaAs基板、2はn−CdzZn、
−ySよりなるバッファ層(厚さ約0.5μm)でZは
0.55から0.3まで基板1の側から連続的に変化し
ている。3はn−Cdo、 aZno、 ?Sよりなる
n−クラッド層(厚さ約1.5 μm) 、5はCd、
、 ssZn0、48Sよりなる活性層(厚さ0.00
75μm) 、 7はCda、 aZno、 ySより
なるp−クラッド層(厚さ約1.5μm)、8は絶縁膜
、9,10は電極である。
ここで活性層5とクラッド層3.7とは約2%の格子定
数差がある。しかし活性層5の厚さが十分薄いので、2
重へテロ構造が歪量子井戸構造となり、格子不整合が存
在しても活性層での欠陥は発生しない。すなわちクラッ
ド層3,7と活性層5のCd成分の差ΔXと活性層5の
厚さd(μm)の関係が、 d<0.02かつ ΔX−d〈2×10″3となってい
れば、格子不整合による活性層5での欠陥発生は防げる
また基板1とクラッド層3についても、約2%の格子定
数差がある。しかしバッファ層2があるため格子不整合
による応力は緩和され、クラッド層に歪は発生しない。
すなわちバッファ層2において、厚さ方向の移動量p(
μm)とCd成分の変化△Zの関係が、1△z/p1〈
2 となっており、バッファ層2のクラッド層3側では
クラッド層3のCd成分の値に、また基板1側では基板
1とほぼ格子整合するようなCd成分の値を選ぶ必要が
ある。なお、基板1とクラッド層3との間に大きな格子
不整合(0,3%程度)が生じない時は、バッファ層2
を設ける必要はない。
CdZnSはGaAsに比べて線膨張係数が小さいので
、基板1がGaAsの場合、クラッド層3のCd成分を
0.55以下に設定してCdZnSの格子定数をGaA
sより小さ(しておけば、結晶成長時よりも室温に戻し
た時の格子定数差のほうが小さく、したがって応力も小
さくなり、より安定な構造となる。また、CdZnSは
CdSよりの組成で六方晶の結晶となりやすいが、Cd
成分を0.55以下にしておけば、3μm程度の厚さで
は安定に立方晶構造をとる。従って、クラッド層3,7
としてCd成分0.55以下のCdZnSの半導体を用
いる。
活性層は一般にはCdxZn+−xS又はこれを主成分
とするII−Vl族化合物半導体であり、クラッド層は
一般にはCdyZn l −yS又はこれを主成分とす
るII−VI族化合物半導体である。
半導体層構造は、有機金属気相成長法(MOVPE)を
用いて作製した。その後、通常のプロセス工程により絶
縁膜、電極等を形成し、ダイオードとした。
前記の層構造では、波長0.44μmで動作するものが
得られた。なお活性層のCd成分を0.1ないし1.0
の範囲で変化させ、これに応じてキャリアおよび光閉じ
込めが可能なようにクラッド層の組成を変化させること
により、波長0.37〜0.5μmで発光させることが
可能である。
(実施例2) 第2図は、本発明による別の実施例の半導体発光素子の
断面を示したものである。実施例1と異なる点は、クラ
ッド層3,7と活性層5の間に光閉じ込め層4.6を形
成しであることにある。光閉じ込め層4,6はn−Cd
uZn l −uSよりなり、厚さは各々約0.1μm
であり、Uはクラッド層3.7に接する側で0.3、活
性層5に接する側で0.45であり、この間連続的に変
化している。
光閉じ込め層4,6の組成変化については、活性層5も
しくはクラッド層3,7と同じ組成もしくはそれらの中
間の組成を有する半導体よりなり、厚さ方向の移動量p
(μm)とCd成分の変化ΔUの関係が、1Δu/p|
<2となっていれば、活性層5内の応力は緩和され、ま
た光閉じ込め層4,6にも欠陥は発生しない。
(実施例3) 実施例2では、光閉じ込め層4,6に、組成が単調に変
化したものを用いたが、この代わりに多層超薄膜よりな
る超格子を用いてもよい。例えば、Cd組成Xが0.3
と0.35の超薄膜(厚さ各々100オングストローム
)3組からなる超格子と、0.35と0.4の超薄膜(
厚さ各々100オングストローム)3組からなる超格子
と、0.4と0.45の超薄膜(厚さ各々100オング
ストローム)3組からなる超格子とで、層4及び6を構
成する。勿論、Xが0.4と0.45の薄膜よりなる超
格子は、活性層に接する。超格子を構成する薄膜のCd
成分の差ΔXと各膜厚d(μm)の間に、 d<0.02かつ|Δx・d|<2×10−d l <
2 XIO−3の関係があれば、光閉じ込め層4,6、
活性層5への欠陥発生は無い。
(実施例4) 上述の実施例では、基板1としてGaAsを用いた例を
示したが、代わりにGe、 GaP、 Si、 GaA
sP等の■−v族もしくはIV族の半導体を用いること
も可能であり、実施例1,2.3で述べてきたことはす
べてこれらに適用できる。なおSiは、実施例1で述べ
た線膨張係数についてはGaAsと同じと言えないが、
安定な立方晶構造を得る為にクラッド層のCd成分が0
;55以下にするということは同様に言える。また伝導
型についても、これを逆にした構造でもよいことは、言
うまでも無い。
GaPやSiを用いると、発光波長の短い素子が容易に
作製できる。第3図は、基板1にGaPを用いた実施例
である。第3図において、1′はn−GaP基板、3は
n−Cdo、 +Zno、 9Sよりなるn−クラッド
層(厚さ約1.5 gm)、5はCdo3sZno、 
ssSよりなる活性層(厚さ0.OIIim) 、4.
6はCdvZn’+−vSよりなる光閉じ込め層(厚さ
各々0.1μm)で■はクラッド層に接する側で0.1
、活性層に接する側で0.25であり、この間連続的に
変化している。7はCdo、 +Zno9Sよりなるp
−クラッド層(厚さ約1.5μm)、8は絶縁膜、9.
IOは電極である。本実施例はクラッド層3と基板1の
格子不整合は小さいので、バッファ層は入れていないが
、クラッド層の組成が変わり大きな格子不整合が発生す
れば実施例1と同じようなバッファ層を挿入する必要が
ある。そのほかの構成は、実施例1゜2.3のことが同
様に適用できる。
この実施例では、波長0.39μmで動作するものが得
られた。
なおバッファ層の基板側のCd成分は、概ね基板がGa
Asならば0,55、GaPならば0.1 、 GaA
sPならばその組成に応じて0.1と0.55の中間の
値、Geならば0.55ySiならば0.55である。
以上の説明では、電極ストライブ構造の発光素子を考え
たが、埋め込み構造などの屈折率導波路構造でも勿論よ
い。
上述の実施例では、成長層(活性層、クラッド層、光閉
じ込め層、バッファ層)にCdZnSを用いたが、Cd
xZn(−エSを主成分とするII−VI族の化合物半
導体でもよい。例えばSの一部をSeもしくはTeで置
換したものでもよいし、cdあるいはZnの一部をHg
で置換したものでもよい。ただし、エネルギーバンド構
造を大きく変化させない必要があり、このため置換の割
合はおおむね10%以下とする必要がある。
(発明の効果) 請求項1の半導体発光素子では、青色や緑色を発光する
2重へテロ構造を持った短波長帯(0,37〜0.5μ
m)の半導体発光素子を実現している。
請求項2の半導体発光素子では、請求項1に比べ、基板
とクラッド層の格子不整合を容認できるので、より自由
度の高い半導体発光素子の設計ができる。
請求項3の半導体発光素子では、効率がより良くなると
共に、しきい値が低(なりレーザ発光に利用した場合の
連続動作がより容易になる。
請求項4の半導体発光素子では、製造がより容易になる
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図、第3図は本発明の実施例による半導体
発光素子の断面図である。 第4図は電子および正孔を有効に閉じ込める2重へテロ
構造を得た時のエネルギー・バンド図である。 1−・−n−GaAs基板、 1′・・・n−GaP基板、 2 ・・・n−CdZnSバッファ層−13・・・n−
CdZnSよりなるn−クラッド層(厚さ約1.5μm
)、 4.6・・・CdZnSよりなる光閉じ込め層(厚さ各
々0.1μm)、 5−−− CdZnSよりなる活性層(厚さ0.01u
m)、7・・・p−CdZnSよりなるp−クラッド層
(厚さ約1.5μm)、 8・・・絶縁膜、  9,10・・・電極。 第 図 第 図 第 図 伝導帯 エネルギーンマンド図 第4図

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)III−V族もしくはIV族の半導体からなる基板と
    、 Cd_xZn_1_−_xSもしくはCd_xZn_1
    _−_xSを主成分とするII−VI族の半導体よりなる活
    性層と、 該活性層の両側に配置される、伝導型が互いに異なり該
    活性層の半導体の禁止帯幅より大なる禁止帯幅を有する
    Cd_yZn_1_−_ySもしくはCd_yZn_1
    _−_ySを主成分とするII−VI族の半導体よりなるク
    ラッド層とを有し、 該クラッド層におけるCd成分yが0.55以下であり
    、 該活性層と該クラッド層におけるCd成分の差Δx=|
    x−y|と該活性層の厚さdμmの関係がd<0.02
    かつ|Δx・d|<2×10^−^3であることを特徴
    とする半導体発光素子。
  2. (2)III−V族もしくはIV族の半導体からなる基板と
    、 Cd_xZn_1_−_xSもしくはCd_xZn_1
    _−_xSを主成分とするII−IV族の半導体よりなる活
    性層と、 該活性層の両側に配置される、伝導型が互いに異なり該
    活性層の半導体の禁止帯幅より大なる禁止帯幅を有する
    Cd_yZn_1_−_ySもしくはCd_yZn_1
    _−_ySを主成分とするII−VI族の半導体よりなるク
    ラッド層と、 該基板と該活性層の間に配置された該クラッド層と該基
    板との間に配置される、Cd_zZn_1_−_zSも
    しくはCd_zZn_1_−_zSを主成分とする半導
    体よりなり、zの値が該基板とほぼ格子整合するzの値
    から該クラッド層のzの値まで該基板側から連続的に変
    化しているバッファ層とを有し、 該クラッド層におけるCd成分yが0.55以下であり
    、 該活性層と該クラッド層におけるCd成分の差Δx=|
    x−y|と該活性層の厚さdμmの関係が d<0.02かつ|Δx・d|<2×10^−^3であ
    り、 かつ該バッファ層における、厚さ方向の移動量pμmと
    Cd成分の変化量Δzの関係が、 |Δz/p|<2 であることを特徴とする半導体発光素子。
  3. (3)前記活性層と前記クラッド層との間に、前記活性
    層もしくは前記クラッド層と同じ組成もしくはそれらの
    中間の組成を有する半導体よりなる光閉じ込め層が形成
    されていることを特徴とする請求項1または2のいずれ
    かに記載の半導体発光素子。
  4. (4)前記光閉じ込め層は、多層超薄膜よりなる超格子
    構造であることを特徴とする請求項3記載の半導体発光
    素子。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100292308B1 (ko) * 1992-06-19 2001-09-17 이데이 노부유끼 반도체장치
CN104941666A (zh) * 2015-06-19 2015-09-30 哈尔滨工业大学 一种可见光响应的立方闪锌矿结构的CdxZn1-xS固溶体光催化剂的制备方法

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