JPS63236387A - 光半導体装置 - Google Patents

光半導体装置

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JPS63236387A JP62068830A JP6883087A JPS63236387A JP S63236387 A JPS63236387 A JP S63236387A JP 62068830 A JP62068830 A JP 62068830A JP 6883087 A JP6883087 A JP 6883087A JP S63236387 A JPS63236387 A JP S63236387A
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皆川　重量
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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〕 本発明は光半導体装置に係わり、特に発光波長域の広い
範囲での可視光半導体レーザを得る技術に関する。
〔従来の技術〕
光情報処理分野を中心により波長の短かい半導体レーザ
が要求社されている。現在主流のＡＱＧａＡｓ／ＧａＡ
ｓ系レーザはそのバンドギャップの大きさから７２０ｎ
ｍ以下の発振を得る事はいる。しかし、この材料におい
てもバンドギャップの大きさに制限され６００ｎｍ以下
の黄色、緑。
青等の発振を得る事は難かしい。この系は、例えばジャ
ーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊ、Ａｐｐ
ｌ、Ｐｈｙｓ、）　５８巻、１９８２年、４９２８頁に
ば、通常の混晶半導体を用いてレーザを実現する一方、
ＭＢＥ、ＯＭＶＰＥ等の結晶成長の技術の進歩は、分子
層レベルでの膜厚の制御を可能とする様になった。第１
図に、Ａ　Ｑ　ｏ、５Ｇａｏ−δＡｓ混晶半導体とＡ　
Ｑ　Ａ　ｓとＧ　ａ　Ａ　ｓを１分子層毎に積層した分
子層超格子半導体（以下、（Ａ　ｆｌ　Ａ　ｓ　）Ｖ。
（ＧａＡｓψと記す、）の■族の原子配置のモデルを示
す。この図から分かる様に分子層厚程度の周期を持つ超
格子半導体はたとえ、平均的な組成顎間じでも短距離秩
序性、対称性が異なるので等価的に同じ組成を持つ混晶
半導体とはエネルギー帯構造、つまりバンドギャップが
異なってくると考えられる。例えば、Ｊ、Ｐ、ｖａｎ　
ｄｅｒ　Ｚｉｅｌ等により。
ＡＱＧａＡｓ／ＧａＡｓ系において分子層超格子のバン
ドギャップが混晶半導体のそれを約１００ｍ５Ｖ上まわ
ると云う報告がある（ジャーナル・オブ・アプライド・
フィジックス（Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、）　４８巻、
１９７７年、３１０８頁）、また、この現象の理論的な
面からの取扱いについては、例えば、Ｔ、Ｎａｋａｙａ
ＩＩｌａ等（ジャーナル・オブ・ザ・フィジカル・ソサ
エティ・オブ・ジャパン（Ｊ、Ｐｈｙｓ、Ｓｏｃ。
Ｊｐｎ）５４巻、１９８５年、４７２６頁）によってな
されているが、理論針、算に用いるモデルの違いにより
結果にくい違いが見られ明確に解決されているとは言い
難い。
〔発明が解決しようとする問題点〕
第２図に、Ｚｉｅｌ等のデータを基にして描いた、ＡＱ
ＧａＡｓ／ＧａＡｓ系の混晶半導体及び分子層超格子半
導体での組成とバンドギャップの関係を示す。この図か
ら分かる様に、ＡＱＧａＡｓ／Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系では分
子層超格子化によりバンドギャップを増加させても得ら
れるバンドギャップの範囲は混晶半導体が得られる範囲
と何んら変りない。
この様な理由か、ら、半導体レーザ等のデバイスに応用
するメリットはほとんどなく、この現象についてはあは
り関心が払われていなかった。
また、今までにこのＡＱＧａＡｓ／ＧａＡｓ系以外で「
分子層レベルでの超格子構造を有する半導体が等価的に
同じ組成を持つ混晶半導体よりも大きなバンドギャップ
を持つ」というこの現象が示された例はない。この理由
として、先に述べた様にデバイスへの応用に利点があま
りなく関心が低かった事、ＡＱＧａＡｓ／ＧａＡｓ系は
最もよく研究されている系であり基本的結晶技術が確立
している事、及びこの系は偶然的に、構成材料であるＡ
ΩＡｓとＧ　ａ　Ａ　ｓのボンド長が等しく、構成材料
のボンド長が異なる他の系に比べると、結晶成長も理論
的解祈も格段に易しい事等が考えられる。
発明者はこの現象に着目し光半導体装置特に可視光半導
体レーザに応用できる材料系の検討を行なった。
本発明の目的は、等価的に同じ組成を持っ混晶半導体と
はバンドギャップの異る、特により大きなバンドギャッ
プを持つ分子層厚程度での超格子構造を有する半導体お
よびその応用デバイスを提供する事である。
〔問題点を解決するための手段〕
Ａ　Ｑ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ　Ａ　＊系以外で
も、各々の層が１から１０分子層厚程度である極で短か
い周期性で構成材料の分子層を積層して超格子半導体を
作製する事により、上記目的は達成される。ただし、物
質によってはバンド交差等の問題が出て来る為に必ずし
も１分子層ずつ積層した場合が最大のバンドギャップを
有し、等価的に同じ組成を持っ混晶半導体よりも大きな
バンドギャップを持つとは限らなく、２分子層もしくロ
ｚメ様子層ずつＭ層した場合が最大のバンドギャップを
持つ場合もありうる。
また逆に例えば６分子層膜程度の少し長い周期性で構成
材料をＳ層した場合には１等価的に同じ組成でバンドギ
ャップを下げる事も可能である。
〔作用〕
一例として、ＧａＡｓ基板と格子整合するＺｎ５ｅｏ、
ｅ４Ｓｏ、ｏｎを活性層にＺｎｏ、ａｚＣｄｏ、ａｓＳ
をクラッド層に用いたダブルへテロレーザを考えてみる
。活性層Ｚｎ５ｅｏ、ａ４Ｓｏ、ｏａは直接遷移型の２
．７ｅＶ　のバンドギャップを持つので４７０ｎｍ程度
の青色レーザ発振か期待出来る。
しかし、クラッド層としてＺｎｏ、４ｚＣｄｏ、ｒ＋ａ
Ｓの混晶半導体を用いる場合にはそのバンドギャップが
２．９ｅＶＬかなく活性層とのエネルギ差があまりない
ため、室温でのレーザ発振を得る事は難かしい。
一方、　（Ｚ　ｎ　５）（Ｃｄ　５）（Ｚ　ｎ　５）（
Ｃｄ　５）（Ｚ　ｎ　５）（Ｃｄ　５）（Ｃｄ　Ｓ）を
−周期とする分子層超格子半導体をクラッド層として用
いる場合は、格子定数はＺｎｏ＋４ｚＣｄｏ、ＩＩｓ　
Ｓ混晶半導体と変わらない為ＧａＡｓ基板と格子整合で
き、しかも短距離秩序性の増加に伴いバンドギャップが
上昇しているのでＺｎｏ、ｈｘＣｄｏ、δ８Ｓ混晶半導
体に代えてクラッド層に用いる事により安定したレーザ
発振が得られる様になる。
この様にクラッド層として用いる混晶半導体のバンドギ
ャップが小さい為に可視光域でのレーザ発振が達成され
ない系は他には多くあり１本発明の分子層超格子半導体
は有効に作用する。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。
実施例１ 第３図に示すように、（１００）ＧａＡｓ基板３１上に
、Ｇ　ａ　Ａ　ｓバラフッ層３２を０．１　ｐｍ成長さ
せ、次に（Ｚ　ｎ　５）（Ｃｄ　５）（Ｚ　ｎ　５）（
Ｃｄ　５）（Ｚ　ｎ　５）（Ｃｄ　５）（Ｃｄ　Ｓ）の
７分子層を１周期とする超格子半導体によるクラッドＭ
９３３を０．５μｍ成長する。その上に活性層となるＺ
ｎ５ｅｏ、５ｉＳｏ、ｏｓ混晶半導体３４を０．１．ｕ
ｍ　成長させる。最後にクラッド層３５を再び０．５μ
ｍ成長させる。３２〜３５のエピタキシャル層はＭＢＥ
装置を改良した原子層エピタキシャル装置を用いて、Ｒ
ＨＥＥＤの強度をモニタしながら、■族あるいは■族の
セルのシャッタと■族あるいは■族のセルのシャッタを
交互に開閉し１原子層ずつ！Ｗしていた。活性層のＺｎ
５ｅＳは■族のセルを開閉する際にＳｅとＳのセルを同
時に開閉する事により混晶半導体とした。この様にして
得られたダブルヘテロウェーハは壁間により３００×５
００（μｍ）２のサイズにチップ化し、次に４００ｎｍ
の発振波長を持つ色素レーザで光励起する事により室温
で４７０ｎｍのレーザ発振を得る事が出来た。なお、分
子層の積層状態は透過型電子顕微鏡により確認した。
実施例２ 第４図に示すように、ｎ型（１００）Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基
板４１上に、まずＳｅドープのｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓバ′
輌ファ層４２を０．１μｍ程度成長させ１次にＳｅドー
プのｎ型のＩ　ｎＰ２分子層とＡＱＰ２分子層を交互に
積層した分子層超格子によるクラッド層４３を１μｍ成
長する。その上に活性層となるノンドープのＡ　Ｑ　ｏ
、ｚ３Ｇａｏ、ｚｓ　Ｉ　ｎｏ、ａＰ　混晶半導体４４
を０．１μｍ成長させる。さらにその上にＺｎドープの
ｐ型のＩ’　ｎ　Ｐ　２分子層とＡＱＰ２分子層を交互
に積層させた分子層超格子クラッド層４５を１μｍ成長
させる。最後にキャップ層となるＺｎドープのｐ型Ｇ　
ａ　Ａ　ｓ　４６を０．５　μｍ成長さ吊る。４２〜４
６のエピタキシル層は、２つの反応管を持ちその反応管
の内を基板が移動する事により分子層レベルでの急峻な
ヘテロ界面がを用いて連続して結晶成長させた（特願昭
６１−４３９５７　、特願昭６１−１９１２６参照）。
ｎ型とｐ型のキャリア濃度はすべてｌＸｌ０”■−８と
一定にした。この様にして得られたダブルヘテロウェー
ハに５ｉＯｚ電流阻止膜４７と抵抗性電極４８及び４９
を形成しストライプレーザを作製する事により、室温に
おいて５８０ｎｍの黄色のレーザ発振をｗＡ測した。こ
の実施例ではｎ型基板を用いたがＰ型基板を用いて伝導
型を逆にしてもよい。また（　Ｉ　ｎ　Ｐ　１ｚ（Ａ　
Ｑ、Ｐ　ｂ超格子は厳密にはＧａＡｓ基板と格子整合し
ていないので１２回に１回程度（Ｉ　ｎ　Ｐ）ｚを２回
続けて積層する事により完全に格子整合させることがで
きる。この考え方は実施例１等においても応用できる。
他の実施例の結果を表１にまとめて示す。
〔発明の効果〕
分子層厚程度で異なる半導体材料を周期的に積層する事
により作製した超格子半導体を用いる事により、組成が
等価な混晶半導体と異なるバンドギャップを持つ光半導
体材料を提供する事が出来る様になり、従来の混晶半導
体では実現できなかった可視光半導体レーザ等のデバイ
スが実現できる。
【図面の簡単な説明】
第１図はＡ　Ｑ　ｏ、ａＧａｏ、ｌ５Ａｓ混晶半導体と
（Ａ　Ｑ　Ａ　５ｂ（Ｇ　ａ　Ａ　ｓ）を超格子半導体
の■族の原子配置モデルを説明する説明図、第２図はＡ
ＱＧａＡｓ系混晶半導体及び分子層超格子半導体での組
成とバンドギャップの関係を示す図、第３図（ａ）は実
施例１におけるレーザ素子の断面図、同図（ｂ）はクラ
ッド層３３の断面部分拡大図、及び第４図は実施例２に
おけるレーザ素子の断面図である。 ３１−（１００）Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板、３２・・−Ｇａ
Ａｓバツ１ν層、３３．３５・・・ （ＺｎＳ）　ｓ　（ＣｄＳ）　１　（ＺｎＳ）　ｓ　（
ＣｄＳ）　１　（ＺｎＳ）　ｔ　（ＣｄＳ）　１　（Ｃ
ｄＳ）　ｓを一周期とする超格子半導体によるクラッド
層、３４　・＝　Ｚｎ５ｅｏ、ｅ＋Ｓｏ、ｏｓ混晶半導
体による活性層、４１−　ｎ型（１００）Ｇ　ａ　Ａ　
ｓ基板、４２−　ｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓバラフッ層、４３
−　ｎ型（Ｉ　ｎＰ）ｚ（Ａ　Ｑ　Ｐ）ｚクラッド層、
４４・・・ノンドープ Ａ　Ｑｏ、ｚｓＧａｏ、ｚａＩｎｏ、５Ｐ活性層、４５
−ｐ型（Ｉ　ｎ　Ｐ）ｚ（Ａ　Ｑ　Ｐ）！クラッド層、
４６−ｐ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓキャップ層、４７・・・５ｉ
Ｏｚ電流阻止膜、４８．４９・・・抵抗性電極。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、異なる半導体を周期的に積層してなる超格子半導体
    で、各層が１から１０分子層厚であり、そのバンドギャ
    ップが等価的に組成の等しい混晶半導体のバンドギャッ
    プと異なる事を利用して設計された光半導体装置。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の光半導体装置におい
    て、前記超格子半導体のバンドギャップの方が等価的に
    組成の等しい混晶半導体のバンドギャップよりも大きい
    光半導体装置。 ３、特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の光学導体
    装置において、前記超格子半導体はII−VI族化合物半導
    体によりなつている光半導体装置。 ４、特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の光半導体
    装置において、前記超格子半導体は ＺｎＣｄＳ系またはＺｎＴｅＳｅ系あるいはＡｌＧａＩ
    ｎＰ系よりなつている光半導体装置。
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