JP2001320134A

JP2001320134A - 半導体発光素子およびその製造方法並びに光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通信システムおよびコンピュータシステムおよびネットワークシステム

Info

Publication number: JP2001320134A
Application number: JP2000137149A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Sato; 俊一佐藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2000-05-01
Filing date: 2000-05-01
Publication date: 2001-11-16

Abstract

(57)【要約】【課題】結晶性の劣化が防止された高性能な長波長の
半導体発光素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板１上に、歪み量子井戸層(発
光層)２を含む活性層３と、光とキャリアを閉じ込める
クラッド層４とが形成されており、半導体基板１および
クラッド層４に対する歪み量子井戸層２の歪み量が２％
を超える歪み量となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信用半導体発
光素子，発光ダイオード，赤外光用フォトダイオードな
どに利用される半導体発光素子およびその製造方法並び
に光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光
通信システムおよびコンピュータシステムおよびネット
ワークシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光ファイバーを用いた光通信シス
テムは、主に幹線系で用いられているが、将来は各家庭
を含めた加入者系での利用が考えられている。これを実
現するためにはシステムの小型化，低コスト化が必要で
あり、光通信に用いられる半導体発光素子の温度制御用
のペルチェ素子が不要なシステムの実現が必要である。

【０００３】このような光通信システムを実現するた
め、光通信に用いられる半導体発光素子には、低閾値動
作と温度変化による特性変化の少ない高特性温度の素子
が望まれている。一般に、半導体基板上に、半導体基板
と格子定数が異なる材料を形成する場合、格子定数の相
違に伴なう歪みから見積もられる臨界膜厚以下までの厚
さを形成することができる。しかし、従来のＧａＩｎＰ
Ａｓ／ＩｎＰ系材料では、伝導帯のバンド不連続を大き
くできる材料が見あたらず、高特性温度を実現するのは
困難であった。

【０００４】これを改善するために、例えば特開平６−
２７５９１４号には、ＧａＩｎＡｓからなる３元基板上
に活性層が形成された半導体発光素子が提案されてい
る。この半導体発光素子では、基板にＧａＩｎＡｓが用
いられていることから、ＧａＩｎＡｓ基板上にワイドギ
ャップの材料を形成できるので、ＩｎＰ基板上では実現
できなかった大きな伝導帯のバンド不連続を得ることが
できる。

【０００５】また、ＧａＡｓ基板上に長波長レーザを形
成する試みもなされている。特開平７−１９３３２７号
には、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓより格子定数の大きい
ＧａＩｎＡｓ格子緩和バッファー層を形成し、その上に
活性層を形成した半導体レーザ装置が提案されている。
この半導体レーザ装置では、ＧａＩｎＡｓ格子緩和バッ
ファー層上にＧａＡｓより大きな格子定数の材料を形成
することができるため、特開平６−２７５９１４号に提
案されている半導体発光素子と同様に、大きな伝導帯の
バンド不連続を得ることができる。

【０００６】また、ＧａＡｓ基板上には、ＩｎＰ基板上
やＧａＩｎＡｓ３元基板上に形成される材料よりもワイ
ドギャップの材料を形成できる。しかしながら、従来で
は、１．３μｍ帯等の長波長に対応するバンドギャップ
の活性層材料がなかった。すなわち、ＧａＡｓ基板上に
ＧａＩｎＡｓを形成する場合、ＧａＩｎＡｓは、Ｉｎ組
成の増加で長波長化するが、歪み量の増加をともなう。
その限界歪み量が約２％程度であるため、１．１μｍの
波長が限界であると言われている(文献「IEEEPhotonic
s. Technol. Lett.Vol.9 (1997) pp.1319-1321」)。Ｐ
Ｌ測定ではＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法によ
り、４００℃での低温成長で中心波長１．２２３μｍの
発光が観察されている（文献「J. Appl. Phys., Vol.78
(1995) pp.1685-1688」）。しかし半導体レーザには応
用されていない。

【０００７】そこで他の方法として、特開平６−３７３
５５号には、ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓ系材料を
形成することが提案されている。ＧａＩｎＮＡｓはＮと
他のＶ族元素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体である。Ｇ
ａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓ系材料を形成する場合、
ＧａＡｓより格子定数が大きいＧａＩｎＡｓにＮを添加
することで、格子定数をＧａＡｓに格子整合させること
が可能となり、さらにＮの電気陰性度が他の元素に比べ
て大きいことに起因して、そのバンドギャップエネルギ
ーが小さくなり、１．３μｍ，１．５μｍ帯での発光が
可能となる。文献「Jpn.J.Appl.Phys.Vol.35 (1996)pp.
1273-1275」には、近藤らによりバンドラインナップが
計算されている。ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓ系材
料を形成する場合には、上述のようにＧａＡｓ格子整合
系となるので、ワイドギャップのＡｌＧａＡｓをクラッ
ド層に用いることができる。また、Ｎの添加によりバン
ドギャップが小さくなるとともに伝導帯，価電子帯のエ
ネルギーレベルがともに下がるので、ヘテロ接合におけ
る伝導帯のバンド不連続が大きくなる。このため、高特
性温度半導体発光素子が実現できると予想されている。

【０００８】ＧａＩｎＮＡｓレーザの構造に関しては、
端面発光型については、特開平８−１９５５２２号や特
開平１０−１２６００４号に提案がなされ、また、面発
光型については、特開平９−２３７９４２号や特開平１
０−７４９７９号に提案がなされている。そして、近
年、ＧａＡｓ基板上の１．３μｍ−ＧａＩｎＮＡｓレー
ザは実際に実現されている。すなわち、ＧａＡｓ基板上
に格子整合する窒素組成３％，Ｉｎ組成１０％の厚膜Ｇ
ａＩｎＮＡｓを活性層としたダブルヘテロ構造(文献「E
lecron. Lett. Vol.33 (1997) pp.1386-1387」)や、窒
素組成１％，Ｉｎ組成３０％のＧａＩｎＮＡｓを用いた
圧縮歪み単一量子井戸構造(文献「IEEE Photonics. Tec
hnol. Lett.Vol.10 (1998) pp.487-488」)が提案されて
いる。後者で窒素を含まない場合、１．１１６８μｍで
のレーザ動作が得られている。なお、Ｉｎ組成３０％、
井戸層の厚さは７ｎｍである。本願の発明者の知る限
り、この波長がＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＡｓ圧縮歪み
量子井戸活性層を用いた場合の最長波長（室温）であ
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
６−２７５９１４号に提案されているＧａＩｎＡｓから
なる３元基板は、作成が困難である。また、特開平７−
１９３３２７号に提案されているＧａＩｎＡｓ格子緩和
バッファー層を形成した構造は、基本的に基板に対して
格子不整合系なので寿命の点で問題がある。また、Ｇａ
ＩｎＮＡｓのような窒素と他のＶ族元素を含んだIII−
Ｖ族混晶半導体は、窒素組成が大きくなるほど結晶性が
大きく劣化するという問題があった。

【００１０】本発明は、結晶性の劣化が防止された高性
能な長波長の半導体発光素子およびその製造方法並びに
光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通
信システムおよびコンピュータシステムおよびネットワ
ークシステムを提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、半導体基板上に、歪み量子
井戸層を含む活性層と、光とキャリアを閉じ込めるクラ
ッド層とが形成されている半導体発光素子において、半
導体基板およびクラッド層に対する前記歪み量子井戸層
の歪み量が２％を超える歪み量となっていることを特徴
としている。

【００１２】また、請求項２記載の発明は、半導体基板
上に、歪み量子井戸層を含む活性層と、光とキャリアを
閉じ込めるクラッド層とが形成されている半導体発光素
子において，半導体基板及びクラッド層に対する前記歪
み量子井戸層の厚さは、力学的にミスフィット転移が生
じる厚さである臨界膜厚よりも厚いことを特徴としてい
る。

【００１３】また、請求項３記載の発明は、請求項１ま
たは請求項２記載の半導体発光素子において、前記半導
体基板はＧａＡｓであることを特徴としている。

【００１４】また、請求項４記載の発明は、請求項１ま
たは請求項２記載の半導体発光素子において、前記歪み
量子井戸層は、Ｇａ_xＩｎ_1-xＮ_yＡｓ_1-y(０≦ｘ≦１，
０≦ｙ＜１)で形成されていることを特徴としている。

【００１５】また、請求項５記載の発明は、請求項４記
載の半導体発光素子において、前記歪み量子井戸層であ
るＧａ_xＩｎ_1-xＮ_yＡｓ_1-y(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)に
関し、窒素が含まれていないとした場合のＧａＩｎＡｓ
のＰＬ波長が、１．１２μｍよりも長波長となっている
ことを特徴としている。

【００１６】また、請求項６記載の発明は、請求項４ま
たは請求項５記載の半導体発光素子において、前記歪み
量子井戸層のIII族元素に占めるＩｎの組成が、３０％
よりも大きいものとなっていることを特徴としている。

【００１７】また、請求項７記載の発明は、請求項４乃
至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子にお
いて、前記歪み量子井戸層のＶ族元素に占める窒素組成
が、０〜１％の範囲となっていることを特徴としてい
る。

【００１８】また、請求項８記載の発明は、請求項１乃
至請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子にお
いて、半導体基板の面方位は、(１００)からの傾き角度
が５°の範囲内となっていることを特徴としている。

【００１９】また、請求項９記載の発明は、請求項１ま
たは請求項２記載の半導体発光素子において、前記クラ
ッド層としてＧａＩｎＰまたはＧａＩｎＰＡｓが用いら
れることを特徴としている。

【００２０】また、請求項１０記載の発明は、請求項１
または請求項２記載の半導体発光素子において、該半導
体発光素子は、面発光型であることを特徴としている。

【００２１】また、請求項１１記載の発明は、請求項１
または請求項２記載の半導体発光素子において、前記活
性層には、前記歪み量子井戸層の近傍に、応力を補償す
るバリア層が形成されていることを特徴としている。

【００２２】また、請求項１２記載の発明は、半導体基
板上に、歪み量子井戸層を含む活性層と、光とキャリア
を閉じ込めるクラッド層とを有する半導体発光素子の製
造方法において、前記歪み量子井戸層は６００℃以下の
温度で成長されることを特徴としている。

【００２３】また、請求項１３記載の発明は、半導体基
板上に、歪み量子井戸層を含む活性層と、光とキャリア
を閉じ込めるクラッド層とを有する半導体発光素子の製
造方法において、該半導体発光素子は、III−Ｖ族半導
体で形成され、この場合、III族原料として、有機金属
化合物を用いた有機金属気相成長法により形成すること
を特徴としている。

【００２４】また、請求項１４記載の発明は、半導体基
板上に、歪み量子井戸層を含む活性層と、光とキャリア
を閉じ込めるクラッド層とを有する半導体発光素子の製
造方法において、前記歪み量子井戸層をＧａ_xＩｎ_1-xＮ
_yＡｓ_1-y(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)で形成する場合、Ｎ
の原料として、ＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)，ＭＭＨ
ｙ(モノメチルヒドラジン)等の有機系窒素化合物を用い
て形成することを特徴としている。

【００２５】また、請求項１５記載の発明は、請求項１
０記載の半導体発光素子において、発光を得るための共
振器として、量子井戸活性層の半導体基板とは反対の側
には上部反射鏡が形成され、また、量子井戸活性層の半
導体基板側には下部反射鏡が形成されており、上部反射
鏡と下部反射鏡のうちの少なくとも下部反射鏡は、Ａｌ
を含まない材料による低屈折率層と高屈折率層とが交互
に積層された半導体多層膜として構成されていることを
特徴としている。

【００２６】また、請求項１６記載の発明は、請求項１
０記載の半導体発光素子において、発光を得るための共
振器として、量子井戸活性層の半導体基板とは反対の側
には上部反射鏡が形成され、また、量子井戸活性層の半
導体基板側には下部反射鏡が形成されており、上部反射
鏡と下部反射鏡のうちの少なくとも下部反射鏡は、誘電
体材料による低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層さ
れた誘電体多層膜として構成されていることを特徴とし
ている。

【００２７】また、請求項１７記載の発明は、半導体基
板上に、歪み量子井戸層を含む活性層と、光とキャリア
を閉じ込めるクラッド層とを有する半導体発光素子の製
造方法において、活性層を成長させた後、クラッド層を
７８０℃以下の温度で成長することを特徴としている。

【００２８】また、請求項１８記載の発明は、請求項１
乃至請求項１１，請求項１５乃至請求項１６のいずれか
一項に記載の半導体発光素子、または、請求項１２乃至
請求項１４，請求項１７のいずれか一項に記載の製造方
法により製造された半導体発光素子を光源として用いる
光送信モジュールである。

【００２９】また、請求項１９記載の発明は、請求項１
乃至請求項１１，請求項１５乃至請求項１６のいずれか
一項に記載の半導体発光素子、または、請求項１２乃至
請求項１４，請求項１７のいずれか一項に記載の製造方
法により製造された半導体発光素子を光源として用いる
光送受信モジュールである。

【００３０】また、請求項２０記載の発明は、請求項１
乃至請求項１１，請求項１５乃至請求項１６のいずれか
一項に記載の半導体発光素子、または、請求項１２乃至
請求項１４，請求項１７のいずれか一項に記載の製造方
法により製造された半導体発光素子を光源として用いる
光通信システムである。

【００３１】また、請求項２１記載の発明は、請求項１
乃至請求項１１，請求項１５乃至請求項１６のいずれか
一項に記載の半導体発光素子、または、請求項１２乃至
請求項１４，請求項１７のいずれか一項に記載の製造方
法により製造された半導体発光素子を光源として用いた
光通信システムを具備するコンピュータシステムであ
る。

【００３２】また、請求項２２記載の発明は、請求項１
乃至請求項１１，請求項１５乃至請求項１６のいずれか
一項に記載の半導体発光素子、または、請求項１２乃至
請求項１４，請求項１７のいずれか一項に記載の製造方
法により製造された半導体発光素子を光源として用いた
光通信システムを具備するネットワークシステムであ
る。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明に係る半導体発光素子
の構成例を示す図である。図１の半導体発光素子(半導
体レーザ)は、半導体基板１上に、歪み量子井戸層(発光
層)２を含む活性層３と、光とキャリアを閉じ込めるク
ラッド層４とが形成されており、半導体基板１およびク
ラッド層４に対する歪み量子井戸層２の歪み量が２％を
超える歪み量となっている。

【００３４】ここで、半導体基板１にはＧａＡｓが用い
られている。また、クラッド層４としてはＧａＩｎＰま
たはＧａＩｎＰＡｓが用いられる。また、図１の半導体
発光素子(半導体レーザ)は、面発光型のものとなってい
る。

【００３５】また、図１の半導体発光素子(半導体レー
ザ)において、歪み量子井戸層２は、Ｇａ_xＩｎ_1-xＮ_yＡ
ｓ_1-y(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)で形成されている。そ
して、歪み量子井戸層２であるＧａ_xＩｎ_1-xＮ_yＡｓ_1-y
(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)に関し、窒素が含まれていな
いとした場合のＧａＩｎＡｓの組成波長が、１．１２μ
ｍよりも長波長となっている。より具体的に、歪み量子
井戸層２のIII族元素に占めるＩｎの組成は、３０％よ
りも大きいものとなっている。また、歪み量子井戸層２
のＶ族元素に占める窒素組成は、０〜１％の範囲となっ
ている。

【００３６】また、図１の半導体発光素子(半導体レー
ザ)において、半導体基板１の面方位は、(１００)から
の傾き角度が５°の範囲内となっている。

【００３７】また、図１の半導体発光素子(半導体レー
ザ)において、活性層３には、歪み量子井戸層２の近傍
に、応力を補償するバリア層が形成されている。図２は
バリア層が形成された活性層の一例を示す図であり、図
２の例では、活性層３には、井戸層２ａ，２ｂと、井戸
層２ａ，２ｂの間および井戸層２ａの下方および井戸層
２ｂの上方に設けられたＧａＮＰＡｓバリア層５ａ，５
ｂ，５ｃとが形成されている。

【００３８】本発明では、半導体基板１上に、歪み量子
井戸層２を含む活性層３と、光とキャリアを閉じ込める
クラッド層４とが形成されている半導体発光素子(半導
体レーザ)において、半導体基板１およびクラッド層４
に対する歪み量子井戸層２の歪み量が２％を超える歪み
量であり、従来得られない材料組成を結晶成長すること
により、従来得られない波長の半導体発光素子(半導体
レーザ)を得ることができる。

【００３９】また、半導体基板１がＧａＡｓ基板である
ことにより、ＩｎＰ基板上には厚く成長できないＡｌＧ
ａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＩｎＰのようなワ
イドギャップの材料を半導体発光素子のクラッド層とし
て成長でき、長波長帯の半導体発光素子(半導体レーザ)
の基板としては極めて優れている。

【００４０】また、図１の半導体発光素子(半導体レー
ザ)では、歪み量子井戸層２は、Ｇａ _xＩｎ_1-xＮ_yＡｓ
_1-y(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)で形成されているので、
ｙ＝０のＧａＩｎＡｓでは１．２μｍ程度までの波長、
ＧａＩｎＮＡｓではＩｎ組成，窒素組成に応じて１．３
μｍ帯やそれより長波長の半導体発光素子(半導体レー
ザ)の発光層を形成できる。

【００４１】また、歪み量子井戸層であるＧａ_xＩｎ_1-x
Ｎ_yＡｓ_1-y(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)に関し、窒素が含
まれていないとした場合のＧａＩｎＡｓのＰＬ(Photo l
uminescence)波長が、１．１２μｍよりも長波長となっ
ているので、従来半導体発光素子(半導体レーザ)の発光
層に用いることができなかった組成波長の材料を結晶成
長することにより、半導体発光素子(半導体レーザ)構造
の設計の自由度を広げることができる。具体的には、ｙ
＝０のＧａＩｎＡｓではＩｎの組成を３０％以上とする
ことで従来の限界であった１．１μｍより長波長の半導
体発光素子(半導体レーザ)が得られ、ＧａＩｎＮＡｓで
はＩｎの組成を３０％以上とすることで窒素の組成を従
来より低減できる。例えば１．３μｍ帯を得る場合には
窒素組成を１％以下にできる。

【００４２】また、図１の半導体発光素子(半導体レー
ザ)では、歪み量子井戸層２のＶ族元素に占める窒素組
成が、０〜１％の範囲となっており、窒素組成が０〜１
％の少ない範囲であると結晶性の低下は抑えられるの
で、高性能な長波長帯半導体発光素子(半導体レーザ)を
得ることができる。

【００４３】また、図１の半導体発光素子(半導体レー
ザ)では、半導体基板１の面方位は、(１００)からの傾
き角度が５°の範囲内であり、半導体基板の面方位は
(１００)から大きく傾いている(例えば［０１１］方向
に大きく傾いている)よりは、(１００)付近の方が歪み
量子井戸のＧａＩｎＮＡｓやＧａＩｎＡｓのＩｎ組成を
大きくしやすく長波長化に向いており、更に発光効率を
高くしやすいので高歪みの量子井戸半導体発光素子(半
導体レーザ)の基板に適している。

【００４４】また、図１の半導体発光素子(半導体レー
ザ)では、クラッド層４としてＧａＩｎＰまたはＧａＩ
ｎＰＡｓが用いられており、Ａｌを含まないＧａＩｎＰ
またはＧａＩｎＡｓはＡｌＧａＡｓに比べて低い成長温
度で良好な結晶を得ることができるので、低温成長が好
ましい高歪みの量子井戸レーザを作製する場合好まし
く、結晶性の良好な高歪みの量子井戸層を得やすい。

【００４５】また、図１の半導体発光素子(半導体レー
ザ)が面発光型である場合、長波長帯の半導体発光素子
(半導体レーザ)はＧａＡｓ基板上に形成できると屈折率
差の大きいＡｌ(Ｇａ)Ａｓ／ＧａＡｓ多層膜ミラーを用
いることができるので、薄い厚さで済み、また、ＡｌＡ
ｓを酸化したＡｌ_xＯ_yを電流狭さくに用いることができ
るなど、従来のＩｎＰ基板上の長波長帯の面発光半導体
発光素子(半導体レーザ)に比べて極めて有効である。

【００４６】また、図１の半導体発光素子(半導体レー
ザ)では、活性層３には、図２に示すように、歪み量子
井戸層２ａ，２ｂの近傍に、応力を補償するバリア層
(井戸層の歪みを緩和する歪補償層)５ａ，５ｂ，５ｃが
形成されており、井戸層の歪みを緩和する歪補償層があ
ると、井戸層の質を改善したり、井戸層の数を多くした
りできるので、半導体発光素子(半導体レーザ)の設計の
幅を大きくでき、高性能化に最適な構造にできて有効で
ある。

【００４７】また、半導体基板１上に、歪み量子井戸層
２を含む活性層３と、光とキャリアを閉じ込めるクラッ
ド層４とを有する半導体発光素子(半導体レーザ)の製造
方法において、低温では歪み量子井戸層２の臨界膜厚が
厚くなるので、特に、歪み量が２％を超えるような高歪
み量子井戸層の成長には、６００℃以下の温度での低温
成長が適している。

【００４８】また、III−Ｖ族半導体で形成される半導
体発光素子(半導体レーザ)の場合、半導体発光素子は、
III族原料として、有機金属化合物を用いた有機金属気
相成長法により形成される。すなわち、有機金属気相成
長法は、過飽和度が高い成長方法であり、高歪みの量子
井戸層や窒素をＶ族に含んだＧａＩｎＮＡｓのような材
料の成長を行なうのに有効である。

【００４９】また、歪み量子井戸層２をＧａ_xＩｎ_1-xＮ
_yＡｓ_1-y(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)で形成する場合、Ｎ
の原料として、ＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)，ＭＭＨ
ｙ(モノメチルヒドラジン)等の有機系窒素化合物を用い
て形成する。すなわち、有機系窒素化合物は低温で分解
するので、６００℃以下のような低温成長に適してい
る。また、本発明のように特に歪みの大きい量子井戸層
を成長する場合は、例えば、５００℃〜６００℃程度の
低温成長が好ましく、この観点からも低温で分解する有
機系窒素化合物は好ましい。

【００５０】前述のように、ＧａＡｓ基板上のＧａＩｎ
Ａｓは、Ｉｎ組成の増加で半導体発光素子(半導体レー
ザ)の発振波長を長波長化することができるが、歪み量
の増加をともなう。その限界歪み量は、約２％程度であ
り、発振波長は１．１μｍが限界であると言われている
(文献「IEEE Photonics. Technol. Lett.Vol.9 (1997)p
p.1319-1321」)。

【００５１】下地の基板に対して格子定数の違う材料を
成長すると、格子は弾性変形してそのエネルギーを吸収
する。しかし、下地の基板に対して格子定数の違う材料
を厚く成長していくと、弾性的な変形だけでは歪みエネ
ルギーを吸収できずにミスフィット転位が生じてしま
う。この膜厚を臨界膜厚という。ミスフィット転位が生
じてしまうと、良いデバイスを作製することは困難であ
る。

【００５２】理論的には、力学的にミスフィット転位が
生じる厚さである臨界膜厚（ｈ_c）が、Ｍａｔｔｈｅｗ
ｓａｎｄＢｌａｋｅｓｌｅｅ（文献「Ｊ．Ｃｒｙ
ｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ．２７（１９７４）１１
８．」）によって次式により与えられている。

【００５３】

【数１】

【００５４】ここで、νはポアソン比（ν ＝Ｃ₁₂
／（Ｃ₁₁＋Ｃ₁₂）；Ｃ₁₁，Ｃ₁₂は弾性スティフネス定数
である）、αは界面でのバーガースベクトルと転位線の
線分とのなす角（ｃｏｓ α ＝１／２）、λは滑り
面と界面の交差線に垂直な界面内での方向とバーガース
ベクトルとのなす角（ｃｏｓ λ ＝１／２）、ｂ＝
ａ／２^1/2 （ａ；格子定数）、ｆは格子不整合度
（ｆ＝ Δａ／ａ）である。なお、数１は無限大の厚
さの基板上に単層膜を成長する場合の式であり、以後、
この式(数１)によって与えられる臨界膜厚ｈ_cを、Ｍａ
ｔｔｈｅｗｓａｎｄＢｌａｋｅｓｌｅｅの理論に基づ
く臨界膜厚と称す。

【００５５】図１４には、一般に支持されているＭａｔ
ｔｈｅｗｓａｎｄＢｌａｋｅｓｌｅｅの理論に基づ
いて計算されたＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＡｓ層の臨界
膜厚が示されている。なお、Ｇａ_1-xＩｎ_xＡｓに窒素を
添加したＧａ_1-xＩｎ_xＮＡｓの格子定数は、窒素添加１
％当たり、Ｉｎ組成ｘが３％小さいＧａ_1-yＩｎ_yＡｓ
（ｙ＝ｘ−０．０３）とほぼ同じ格子定数となる。

【００５６】ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＡｓを形成する
場合、Ｉｎ組成を増加すると歪み量が大きくなるので、
平面に２次元で成長できる膜厚である臨界膜厚は薄くな
っていく。

【００５７】これに対し、本願の発明者は、ＧａＡｓ基
板上のＧａＩｎＡｓ量子井戸層においてＩｎ組成を３０
％を超える値とすることにより、ＧａＡｓ基板に対する
量子井戸層の歪み量を２％以上で成長でき、従来限界と
考えられてきた１．１μｍより長波長の半導体発光素子
（半導体レーザ）が実現可能であることを見出した。更
には、歪み量子井戸層２において、低温成長等の非平衡
条件での成長により実質的な臨界膜厚ｈ_c’を、Ｍａｔ
ｔｈｅｗｓａｎｄＢｌａｋｅｓｌｅｅの臨界膜厚ｈ
_cを越えた厚さとすることが可能であり、これにより、
１．２μｍを越える長波長までの半導体発光素子（半導
体レーザ）が実現可能であることを見出した。

【００５８】すなわち、本願の発明者は、半導体基板上
に、歪み量子井戸層を含む活性層と、光とキャリアを閉
じ込めるクラッド層とが形成されている半導体発光素子
において，半導体基板及びクラッド層に対する前記歪み
量子井戸層の厚さがＭａｔｔｈｅｗｓａｎｄＢｌａ
ｋｅｓｌｅｅの理論に基づく臨界膜厚ｈ_cより厚い場合
に、従来得られない波長の半導体レーザ等の半導体発光
素子を得ることができ、また、従来より高性能のＨＥＭ
Ｔ(high electron mobility transister)等の電子素子
を得ることもできることを見出した。

【００５９】図１４には実験例が示されている。図１４
を参照すると、例えば、Ｉｎ組成３２％、厚さ８．６ｎ
ｍの場合、ＰＬ中心波長は１．１３μｍであり、また、
Ｉｎ組成３６％、厚さ７．８ｎｍの場合、ＰＬ中心波長
は１．１６μｍであり、また、Ｉｎ組成３９％、厚さ
７．２ｎｍの場合、ＰＬ中心波長は１．２μｍであっ
た。これらは、ＭａｔｔｈｅｗｓａｎｄＢｌａｋｅ
ｓｌｅｅの理論（数１）に基づいて計算した臨界膜厚ｈ
_cを越えた厚さとなっている。

【００６０】図１５には、ＧａＩｎＡｓ単一量子井戸層
からのＰＬ中心波長とＰＬ強度との関係が示されてい
る。ＧａＩｎＡｓ井戸層（図中実線部）のＩｎ組成ｘは
３１％〜４２％とした。また、各井戸層２５ａ，２５ｂ
の厚さは、Ｉｎ組成ｘの増加に合わせて、約９ｎｍ〜約
６ｎｍと薄くしていった。波長１．２μｍ程度までＰＬ
強度の強い量子井戸層が得られた。波長１．２μｍまで
はＰＬ強度は徐々に低下しているのに対して、１．２μ
ｍを越えると、ＰＬ強度は急激に低下していることがわ
かる。これは表面性にも対応しており１．２μｍまでは
鏡面であった。これらの結果から、ＰＬ強度の上記急激
な低下は量子井戸層の厚さが実質的な臨界膜厚ｈ_c’を
越えたためと考えられる。一般にＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ
法において低温成長、高い成長速度等の強い非平衡成長
条件で、実験的に得られる臨界膜厚が増加することが報
告されている。また成長条件（例えば高温成長）によ
り、理論に基づく臨界膜厚より薄い厚さでも三次元成
長、表面荒れが起こることも報告されている。よって本
結果は、理論に基づく臨界膜厚ｈ_cよりも低温成長等の
非平衡条件での成長による実質的な臨界膜厚ｈ_c’の方
が厚いために、ミスフィット転位が生じることなく、よ
り厚い膜を二次元に成長できたものと考えられる。

【００６１】さらに、本願の発明者は、ＧａＩｎＮＡｓ
レーザの場合、上記のようにＩｎ組成ｘを大きくするこ
とにより窒素組成を小さくできるため、ＧａＩｎＮＡｓ
レーザの特性を大きく改善できることを見出した。

【００６２】また、レーザ化する場合、クラッド層とし
てＡｌＧａＡｓを用いるよりＧａＩｎＰ(Ａｓ)を用いた
方が容易に形成できることを見出した。その理由を以下
に示す。

【００６３】すなわち、大きな歪みを有したＧａＩｎＮ
ＡｓやＧａＩｎＡｓ活性層は低温(例えば６００℃以下)
で成長できる。しかしＡｌＧａＡｓの成長温度は一般に
高い(例えば７００℃以上)。本願の発明者は、活性層成
長後に、活性層の上部にＡｌＧａＡｓクラッド層を成長
することを想定して熱処理実験を行なった。具体的に、
(１００)ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓ層(膜厚が０．２
μｍ)，ＧａＩｎＮＡｓ井戸層(膜厚が７ｎｍ)，ＧａＡ
ｓ層(膜厚が５０ｎｍ)を順次に成長させた試料を４試料
(ａ，ｂ，ｃ，ｄ)作製した。４つの各試料ａ，ｂ，ｃ，
ｄは、Ｉｎ組成は同じで窒素組成が違う。すなわち、試
料ａの窒素(Ｎ)組成は０．２％であり、試料ｂの窒素
(Ｎ)組成は０．２％であり、試料ｃの窒素(Ｎ)組成は
０．５％であり、試料ｄの窒素(Ｎ)組成は０．８％であ
る。その後、ＭＯＣＶＤ成長装置を用いてＡｓＨ₃雰囲
気中で、試料ｃ，ｄについては６８０℃の温度で、ま
た、試料ｂについては７００℃の温度で、また、試料ａ
については７８０℃の温度で、３０分間熱処理(アニ−
ル)した。図１２には、これらの試料ａ，ｂ，ｃ，ｄの
ＰＬ特性が示されている。図１２において、点線が熱処
理前のスペクトルであり、実線が熱処理後のスペクトル
である。熱処理によりピーク波長が短波長側にシフト
し、熱処理温度が高い方がシフト量が大きいことがわか
る。同じ温度では、窒素量が違う試料間(試料ｃ，試料
ｄ)でシフト量は同じであり、このシフトの原因はＩｎ
の拡散であると考えられる。また、発光強度は、７８０
℃では低下しており、７００℃以下では増加しているこ
とがわかる。発光強度の増加の原因は熱処理による活性
層中の欠陥の減少と考えられ、低下の原因は結晶性の劣
化と考えられる。

【００６４】このように大きな歪みを有したＧａＩｎＮ
ＡｓやＧａＩｎＡｓ活性層を成長してから７８０℃のよ
うな高温で上部の層(例えばクラッド層)を成長すると不
具合が生じることがわかった。このため上部クラッド層
としては低温で良好に成長できるＧａＩｎＰ(Ａｓ)が好
ましい。ただしＡｌＧａＡｓでも７８０℃以下の温度で
成長すれば大きな問題はないので使用できる。

【００６５】もう一つの理由は、大きな歪みを有したＧ
ａＩｎＮＡｓやＧａＩｎＡｓ活性層を成長する前にＡｌ
ＧａＡｓを成長すると活性層の品質を落しやすいことで
ある。本願の発明者は、(１００)ＧａＡｓ基板上に、ガ
イド層(膜厚が０．２μｍ)，ＧａＡｓ層(膜厚が１００
ｎｍ)，ＧａＩｎＮＡｓ井戸層(膜厚が７ｎｍ)，ＧａＡ
ｓ層(膜厚が１００ｎｍ)，ガイド層(膜厚が５０ｎｍ)を
順次成長した試料を２試料作製した。第１の試料は、ガ
イド層(クラッド層)としてＧａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐを用い(以
下、ＧａＩｎＰを用いた試料と称す)、また、第２の試
料は、ガイド層(クラッド層)としてＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ
を用いた(以下、ＡｌＧａＡｓを用いた試料と称す)。Ｇ
ａＩｎＰを用いた試料の方がＩｎ組成は大きく歪みが大
きくなっている。図１３には第１の試料(ＧａＩｎＰ)，
第２の試料(ＡｌＧａＡｓ)のＰＬ特性が示されている。
図１３から、ＧａＩｎＰを用いた試料の方が歪みが大き
く長波長であり、成長が困難であるにもかかわらず、Ａ
ｌＧａＡｓを用いた試料よりもＰＬ強度が強くなってい
ることがわかる。

【００６６】この原因としてはＡｌに起因した欠陥が成
長中に成長表面に現れ、常に成長表面に伝搬し、ＧａＩ
ｎＮＡｓ井戸層まで到達し、井戸層を劣化させているこ
とが考えられる。つまり、量子井戸活性層の成長直前の
エピ基板表面の状態が良好でないと高品質に成長できな
いことがわかった。このため下部クラッド層としてＡｌ
ＧａＡｓを用いる場合は井戸層成長の前にこの欠陥を止
める工夫をする必要がある。半導体基板と活性層との間
のクラッド層としてＡｌを含まないＧａＩｎＰ(Ａｓ)を
用いると、量子井戸活性層の成長直前のエピ基板表面の
状態は良好であり、大きい歪みの量子井戸層を容易に良
好に成長できる。上述したようにクラッド層としては、
特に、半導体基板と大きい歪みの活性層との間の下部ク
ラッド層としては、ＧａＩｎＰ(Ａｓ)を用いる方が好ま
しいことがわかる。

【００６７】さらに、本願の発明者は、ＧａＡｓ基板の
面方位は、(１００)から大きく傾いている(例えば、(１
００)から［０１１］方向に大きく傾いている)よりは、
(１００)付近の方がＩｎ組成を大きくし易いし、発光効
率を高くし易く適していることを見出した。光通信で用
いる１．３μｍ帯等の長波長での高品質なＧａＩｎＮＡ
ｓを得るための１つの方法は、ＧａＩｎＮＡｓにおい
て、Ｉｎ組成を大きくして長波長化し、窒素組成を減ら
すことである。ＧａＡｓ基板の面方位が(１００)である
場合と、基板の面方位が(１００)から［０１１］方向に
１５°の角度で傾いている場合とのそれぞれの場合にお
いて、ＧａＡｓ基板上に、Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層(膜厚が
０．２μｍ)と、ＧａＡｓ層(膜厚が１００ｎｍ)と、Ｇ
ａＩｎＮＡｓ量子井戸層(発光層)(膜厚が７ｎｍ)および
ＧａＡｓバリア層(膜厚が１３ｎｍ)からなる活性層と、
ＧａＡｓ層(膜厚が１００ｎｍ)と、Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ層
(膜厚が５０ｎｍ)と、ＧａＡｓ層(膜厚が５０ｎｍ)とを
順次に形成した。図３には、面方位が(１００)であるＧ
ａＡｓ基板上に形成された半導体発光素子のＰＬ特性
(符号Ａで示す)と、面方位が(１００)から〔０１１〕方
向に１５゜の角度で傾いているＧａＡｓ基板上に形成さ
れた半導体発光素子のＰＬ特性(符号Ｂで示す)を示す。
なお、面方位が(１００)から〔０１１〕方向に１５゜の
角度で傾いているＧａＡｓ基板上に形成された半導体発
光素子では、ＰＬ波長１．０６μｍのＧａＩｎＡｓに窒
素添加している。一方、面方位が(１００)であるＧａＡ
ｓ基板上に形成された半導体発光素子では、ＰＬ波長
１．１３μｍのＧａＩｎＡｓに窒素添加している。

【００６８】図３から面方位が(１００)であるＧａＡｓ
基板上に形成された半導体発光素子の方が、長波長であ
るにもかかわらず発光強度が高くなっており、適してい
ることがわかる。これに対し、面方位が(１００)から
〔０１１〕方向に１５°の角度で傾いているＧａＡｓ基
板上に形成された半導体発光素子では、Ｉｎ組成を大き
くし１．０６μｍの波長よりも長波長化を試みたが、発
光強度は著しく低下し、Ｉｎ組成を大きくすることは困
難であった。一方、面方位が(１００)であるＧａＡｓ基
板上に形成された半導体発光素子では、ＧａＩｎＡｓを
用いて１．２μｍ程度の波長まで強い発光が観察され
た。このことから、ＧａＡｓ基板の面方位の(１００)か
らの傾き角度は、５°の範囲内であるのが好ましい。

【００６９】また、本発明においては、上述した半導体
発光素子、あるいは、後述の実施例に記載の半導体発光
素子、または、後述の実施例に記載の製造方法により製
造された半導体発光素子を光源として用いた光送信モジ
ュールを提供することができる。

【００７０】また、本発明においては、上述した半導体
発光素子、あるいは、後述の実施例に記載の半導体発光
素子、または、後述の実施例に記載の製造方法により製
造された半導体発光素子を光源として用いた光送受信モ
ジュールを提供することができる。

【００７１】また、本発明においては、上述した半導体
発光素子、あるいは、後述の実施例に記載の半導体発光
素子、または、後述の実施例に記載の製造方法により製
造された半導体発光素子を光源として用いた光通信シス
テムを提供することができる。

【００７２】また、本発明においては、上述した半導体
発光素子、あるいは、後述の実施例に記載の半導体発光
素子、または、後述の実施例に記載の製造方法により製
造された半導体発光素子を光源として用いた光通信シス
テムを具備するコンピュータシステムを提供することが
できる。

【００７３】また、本発明においては、本発明において
は、上述した半導体発光素子、あるいは、後述の実施例
に記載の半導体発光素子、または、後述の実施例に記載
の製造方法により製造された半導体発光素子を光源とし
て用いた光通信システムを具備するネットワークシステ
ムを提供することができる。

【００７４】

【実施例】次に、実施例について説明する。実施例１図４は実施例１の半導体発光素子を示す図である。ここ
では、半導体発光素子として、最も簡単な構造である絶
縁膜ストライプ型レーザを例にして説明する。図４の半
導体発光素子は、層構造として、ＳＣＨ−ＤＱＷ(Separ
ate Confinement Heterostructure Double Quantum Wel
l)構造を有している。具体的に、図４の半導体発光素子
は、面方位(１００)のｎ−ＧａＡｓ基板２１上に、ｎ−
ＧａＡｓバッファ層２２と、ｎ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)下部
クラッド層２３(膜厚が１．５μｍ)と、ＧａＡｓ光ガイ
ド層２４(膜厚が１００ｎｍ)と、Ｇａ_1-xＩｎ_xＡｓ井戸
層２５ａ，２５ｂおよびＧａＡｓバリア層２６(膜厚が
１３ｎｍ)からなる活性層(発光層)２７と、ＧａＡｓ光
ガイド層２８(膜厚が１００ｎｍ)と、ｐ−ＧａＩｎＰ
(Ａｓ)上部クラッド層２９(膜厚が１．５μｍ)と、ｐ−
ＧａＡｓコンタクト層３０(膜厚が０．３μｍ)とが、順
次に形成されている。また、図４の半導体発光素子で
は、ＧａＡｓコンタクト層３０は電流注入部分以外はエ
ッチングにより除去され、電流注入部となる部分を除去
した絶縁膜３１を介してｐ側電極３２が形成されてい
る。また、基板２１の裏面にはｎ側電極３３が形成され
ている。

【００７５】ここで、Ｇａ_1-xＩｎ_xＡｓ井戸層２５ａ，
２５ｂのＩｎ組成ｘは３１％〜４２％とした。また、各
井戸層２５ａ、２５ｂの厚さは、Ｉｎ組成の増加に合わ
せて、約９ｎｍ〜約６ｎｍと薄くしていった。これらの
レーザの量子井戸層厚さは、Ｍａｔｔｈｅｗｓａｎｄ
Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの理論に基づく臨界膜厚ｈ_cより
も厚い条件となっている。例えば、Ｉｎ組成３２％、厚
さ８．６ｎｍの場合、発振波長は１．１３μｍであり、
また、Ｉｎ組成３６％、厚さ７．８ｎｍの場合、発振波
長は１．１６μｍであり、また、Ｉｎ組成３９％、厚
さ７．２ｎｍの場合、発振波長は１．２μｍであった。
また、各井戸層２５ａ，２５ｂの圧縮歪み量は、組成に
応じて変化し、約２．２％〜２．７％であった。

【００７６】図４の半導体発光素子の各層の成長方法は
ＭＯＣＶＤ法で行なった。その原料にはＴＭＧ(トリメ
チルガリウム)，ＴＭＩ(トリメチルインジウム)，Ａｓ
Ｈ₃(アルシン)，ＰＨ₃(フォスフィン)を用い、キャリア
ガスにはＨ₂を用いた。また、ＧａＩｎＡｓ層は５５０
℃で成長した。

【００７７】図５には、図４の半導体発光素子の発振波
長に対するしきい電流密度Ｊ_thが示されている。図５か
ら、図４の半導体発光素子の発振波長は１．１３〜１．
２３μｍであり、従来のＧａＡｓ基板上に成長したＧａ
ＩｎＡｓ量子井戸レーザ素子に比べて発振波長が長波長
化できていることがわかる。また、発振波長が１．２μ
ｍを越えると急激にしきい値が上昇するが、１．２μｍ
程度までは、しきい電流密度Ｊ_thは２００Ａ／ｃｍ²程
度であり，充分低いこともわかる。また、高温での特性
も良好であった。

【００７８】なお、上述の例では、半導体発光素子の成
長を、ＭＯＣＶＤ法で行なったが、ＭＢＥ法等、他の成
長方法を用いることもできる。また、図４の半導体発光
素子では、活性層(発光層)の積層構造として、二重量子
井戸構造(ＤＱＷ)の例を示したが、他の井戸数の量子井
戸を用いた構造(ＳＱＷ，ＭＱＷ)を用いることもでき
る。また、各層の組成厚さ等は、必要に応じて、変更設
定できる。また、クラッド層には、ＧａＩｎＰ（Ａｓ）
と同様のワイドギャップのＡｌＧａＡｓを用いることも
できる。また、レーザの構造も他の構造にしても良い。
ただし、ＧａＡｓ基板の面方位については、(１００)付
近が良く、面方位の(１００)からの傾き角度は５°の範
囲内が好ましい。また、ＭＯＣＶＤ法等で面方位(１０
０)または少し傾いた(１００)基板上にＧａＩｎＰを成
長するとヒロックと呼ばれる丘状欠陥が形成されやす
い。これは素子の歩留り低下や発光効率低下などの悪影
響を招き好ましくない。成長条件の最適化でヒロック密
度を低減できるが、Ａｓを含ませたＧａＩｎＰＡｓとす
ることで容易に低減できる。Ａｓ組成はわずかでも効果
があり、好ましい。

【００７９】実施例２図６は実施例２の半導体発光素子を示す図である。ここ
では、半導体発光素子として、最も簡単な構造である絶
縁膜ストライプ型レーザを例にして説明する。図６の半
導体発光素子は、層構造として、ＳＣＨ−ＤＱＷ(Separ
ate Confinement Heterostructure Double Quantum Wel
l)構造を有している。具体的に、図６の半導体発光素子
は、面方位(１００)のｎ−ＧａＡｓ基板４１上に、ｎ−
ＧａＡｓバッファ層４２と、ｎ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)下部
クラッド層４３(膜厚が１．５μｍ)と、ＧａＡｓ光ガイ
ド層４４(膜厚が１００ｎｍ)と、Ｇａ_0.67Ｉｎ_0.33Ｎ
_0.0 ₀₆Ａｓ_0.994井戸層４５ａ，４５ｂおよびＧａＡｓバ
リア層４６(膜厚が１３ｎｍ)からなる活性層(発光層)４
７と、ＧａＡｓ光ガイド層４８(膜厚が１００ｎｍ)と、
ｐ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)上部クラッド層４９(膜厚が１．
５μｍ)と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層５０(膜厚が０．
３μｍ)とが、順次に形成されている。また、図６の半
導体発光素子では、ＧａＡｓコンタクト層５０は電流注
入部分以外はエッチングにより除去され、電流注入部と
なる部分を除去した絶縁膜５１を介してｐ側電極５２が
形成されている。また、基板４１の裏面にはｎ側電極５
３が形成されている。

【００８０】ここで、各井戸層４５ａ，４５ｂのＩｎ組
成ｘは３３％、窒素(Ｎ)組成は０．６％とした。また、
各井戸層４５ａ，４５ｂの厚さは７ｎｍとした。また、
各井戸層４５ａ，４５ｂの圧縮歪み量は約２．３％であ
った。

【００８１】図６の半導体発光素子の各層の成長方法は
ＭＯＣＶＤ法で行なった。その原料にはＴＭＧ(トリメ
チルガリウム)，ＴＭＩ(トリメチルインジウム)，Ａｓ
Ｈ₃(アルシン)，ＰＨ₃(フォスフィン)を用い、そして窒
素の原料にはＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用いた。
ＤＭＨｙは低温で分解するので６００℃以下のような低
温成長に適している。また、特に、歪みの大きい量子井
戸層を成長する場合は例えば５００℃〜６００℃程度の
低温成長が好ましい。すなわち、ＤＭＨｙは低温で分解
するので６００℃以下のような低温成長に適しており、
特に低温成長の必要な歪みの大きい量子井戸層を成長す
る場合好ましい。いまの例では、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層
４５ａ，４５ｂは５５０℃で成長した。また、キャリア
ガスにはＨ₂を用いた。

【００８２】図７には、図６の半導体発光素子の連続動
作での電流−出力パワー(電圧)特性が示されている。こ
こで、しきい電流密度Ｊ_thは５７０Ａ／ｃｍ²であっ
た。また、発振波長は約１．２４μｍであった。図６の
半導体発光素子では、井戸層４５ａ，４５ｂのＩｎ組成
を３０％より大きくし、圧縮歪み量を２％以上にしたこ
とにより、従来のＧａＩｎＮＡｓレーザ素子に比べて、
しきい電流密度Ｊ_thを劇的に低減できた。また、高温で
の特性も良好であった。また、発振波長は、窒素組成，
Ｉｎ組成，および井戸層の厚さ等の制御で可変である。

【００８３】なお、上述の例では、半導体発光素子の成
長を、ＭＯＣＶＤ法で行なったが、ＭＢＥ法等他の成長
方法を用いることもできる。また、図６の半導体発光素
子では、井戸層４５ａ，４５ｂの窒素(Ｎ)の原料に、Ｄ
ＭＨｙを用いたが、活性化した窒素やＮＨ₃等他の窒素
化合物を用いることもできる。また、図６の半導体発光
素子では、活性層(発光層)の積層構造として２重量子井
戸構造(ＤＱＷ)の例を示したが、他の井戸数の量子井戸
を用いた構造(ＳＱＷ，ＭＱＷ)を用いることもできる。
また、各層の組成厚さ等は、必要に応じて、変更設定で
きる。また、クラッド層には、ＧａＩｎＰ（Ａｓ）と同
様のワイドギャップのＡｌＧａＡｓを用いることもでき
る。また、レーザの構造も他の構造にしても良い。

【００８４】実施例３図８は実施例３の半導体発光素子を示す図である。ここ
では、半導体発光素子として、最も簡単な構造である絶
縁膜ストライプ型レーザを例にして説明する。図８の半
導体発光素子は、層構造として、ＳＣＨ−ＤＱＷ(Separ
ate Confinement Heterostructure Double Quantum Wel
l)構造を有している。実施例３の図８の半導体発光素子
は、実施例２の図６とほぼ同様の構造となっているが、
ｎ−ＧａＡｓ基板４１の面方位が(１００)から［０１
１］方向に２°の角度で傾いたものとなっている。ま
た、井戸層の組成等が実施例２と相違している。

【００８５】すなわち、図８の半導体発光素子は、面方
位が(１００)から［０１１］方向に２°の角度で傾いた
ｎ−ＧａＡｓ基板６１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層６
２と、ｎ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)下部クラッド層６３(膜厚
が１．５μｍ)と、ＧａＡｓ光ガイド層６４(膜厚が１０
０ｎｍ)と、Ｇａ_0.6Ｉｎ_0.4Ｎ_0.005Ａｓ_0.995井戸層６
５ａ，６５ｂおよびＧａＡｓバリア層６６(膜厚が１３
ｎｍ)からなる活性層(発光層)６７と、ＧａＡｓ光ガイ
ド層６８(膜厚が１００ｎｍ)と、ｐ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)
上部クラッド層６９(膜厚が１．５μｍ)と、ｐ−ＧａＡ
ｓコンタクト層７０(膜厚が０．３μｍ)とが、順次に形
成されている。また、図８の半導体発光素子では、Ｇａ
Ａｓコンタクト層７０は電流注入部分以外はエッチング
により除去され、電流注入部となる部分を除去した絶縁
膜７１を介してｐ側電極７２が形成されている。また、
基板６１の裏面にはｎ側電極７３が形成されている。

【００８６】ここで、各井戸層６５ａ，６５ｂのＩｎ組
成ｘは４０％，窒素(Ｎ)組成は０．５％とした。また、
各井戸層６５ａ，６５ｂの厚さは７ｎｍとした。これは
ＭａｔｔｈｅｗｓａｎｄＢｌａｋｅｓｌｅｅの理論
に基づく臨界膜厚ｈ_c（約６．１ｎｍ）よりも厚い条件
となっている。また、各井戸層６５ａ，６５ｂの圧縮歪
み量は約２．７％であった。

【００８７】図８の半導体発光素子の各層の成長方法は
ＭＯＣＶＤ法で行なった。その原料にはＴＭＧ(トリメ
チガリウム)，ＴＭＩ(トリメチルインジウム)，ＡｓＨ₃
(アルシン)，ＰＨ₃(フォスフィン)を用い、そして窒素
の原料にはＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用いた。Ｄ
ＭＨｙは低温で分解するので６００℃以下のような低温
成長に適している。また、特に、歪みの大きい量子井戸
層を成長する場合は、例えば５００℃〜６００℃程度の
低温成長が好ましい。いまの例では、ＧａＩｎＮＡｓ井
戸層６５ａ，６５ｂは５４０℃で成長した。また、キャ
リアガスにはＨ ₂を用いた。

【００８８】このように作製した図８の半導体発光素子
の発振波長は約１．３μｍであった。また、しきい電流
密度Ｊ_thは１ｋＡ／ｃｍ²以下であった。ＧａＩｎＮＡ
ｓレーザは，窒素組成が大きくなるほどしきい電流密度
が大きくなる傾向がある。従来の１．３μｍ帯のＧａＩ
ｎＮＡｓレーザ素子においては窒素組成は小さくしても
１％(Ｉｎ組成が３０％の時)であったが、本発明では、
Ｉｎ組成を３０％より大きくし、圧縮歪み量を２％以上
にしたことにより、従来より窒素組成を小さくでき、し
きい電流密度を劇的に低減できた。また、高温での特性
も良好であった。

【００８９】なお、上述の例では、半導体発光素子の成
長を、ＭＯＣＶＤ法で行なったが、ＭＢＥ法等他の成長
方法を用いることもできる。また、図８の半導体発光素
子では、井戸層６５ａ，６５ｂの窒素(Ｎ)の原料に、Ｄ
ＭＨｙを用いたが、活性化した窒素やＮＨ₃等他の窒素
化合物を用いることもできる。また、図８の半導体発光
素子では、活性層(発光層)の積層構造として２重量子井
戸構造(ＤＱＷ)の例を示したが、他の井戸数の量子井戸
を用いた構造(ＳＱＷ，ＭＱＷ)を用いることもできる。
また、各層の組成厚さ等は、必要に応じて、変更設定で
きる。また、クラッド層には、ＧａＩｎＰ（Ａｓ）と同
様のワイドギャップのＡｌＧａＡｓを用いることもでき
る。また、レーザの構造も他の構造にしても良い。

【００９０】実施例４図９は実施例４の半導体発光素子を示す図である。ここ
では、半導体発光素子として、最も簡単な構造である絶
縁膜ストライプ型レーザを例にして説明する。図９の半
導体発光素子は、層構造として、ＳＣＨ−ＤＱＷ(Separ
ate Confinement Heterostructure Double Quantum Wel
l)構造を有している。具体的に、図９の半導体発光素子
は、面方位が(１００)から［０１１］方向に５°の角度
で傾いたｎ−ＧａＡｓ基板８１上に、ｎ−ＧａＡｓバッ
ファ層８２と、ｎ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)下部クラッド層８
３(膜厚が１．５μｍ)と、ＧａＡｓ光ガイド層８４(膜
厚が１００ｎｍ)と、Ｇａ_0.65Ｉｎ_0.35Ｎ_0.007Ａｓ
_0.993井戸層８５ａ，８５ｂと井戸層８５ａ，８５ｂの
間および井戸層８５ａの下方および井戸層８５ｂの上方
に設けられたＧａＮＰＡｓバリア層８６ａ，８６ｂ，８
６ｃ(各膜厚が１０ｎｍ)とが形成されている活性層(発
光層)８７と、ＧａＡｓ光ガイド層８８(膜厚が１００ｎ
ｍ)と、ｐ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)上部クラッド層８９(膜厚
が１．５μｍ)と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層９０(膜厚
が０．３μｍ)とが順次に形成されている。また、図９
の半導体発光素子では、ＧａＡｓコンタクト層９０は電
流注入部分以外はエッチングにより除去され、電流注入
部となる部分を除去した絶縁膜９１を介してｐ側電極９
２が形成されている。また、基板９１の裏面にはｎ側電
極９３が形成されている。

【００９１】ここで、各井戸層８５ａ，８５ｂのＩｎ組
成ｘは３５％，窒素(Ｎ)組成は０．７％とした。また、
各井戸層８５ａ，８５ｂの厚さは７ｎｍとした。また、
各井戸層８５ａ，８５ｂの圧縮歪み量は約２．４％であ
った。この際、バリア層８６ａ，８６ｂ，８６ｃは引っ
張り歪を有しており、井戸層８５ａ，８５ｂの圧縮みを
緩和している。

【００９２】図９の半導体発光素子の各層の成長方法は
ＭＯＣＶＤ法で行なった。その原料にはＴＭＧ(トリメ
チガリウム)，ＴＭＩ(トリメチルインジウム)，ＡｓＨ₃
(アルシン)，ＰＨ₃(フォスフィン)を用い、そして窒素
の原料にはＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用いた。Ｄ
ＭＨｙは低温で分解するので６００℃以下のような低温
成長に適している。また、特に、歪みの大きい量子井戸
層を成長する場合は、例えば５００℃〜６００℃程度の
低温成長が好ましい。いまの例では、ＧａＩｎＮＡｓ層
は５２０℃で成長した。また、キャリアガスにはＨ₂を
用いた。

【００９３】このように作製した図９の半導体発光素子
の発振波長は約１．３μｍであった。また、しきい電流
密度Ｊ_thは１ｋＡ／ｃｍ²以下であった。ＧａＩｎＮＡ
ｓレーザは，窒素組成が大きくなるほどしきい電流密度
が大きくなる傾向がある。従来の１．３μｍ帯のＧａＩ
ｎＡｓレーザ素子においては窒素組成は小さくしても１
％(Ｉｎ組成が３０％の時)であったが、本発明では、Ｉ
ｎ組成を３０％より大きくし、圧縮歪み量を２％以上に
したことにより、従来より窒素組成を小さくでき、しき
い電流密度を劇的に低減できた。さらに、実施例４で
は、井戸層８５ａ，８５ｂの圧縮歪みを緩和する引っ張
り歪みを有するバリア層８６ｂ，８６ｃがさらに設けら
れているので、実施例３の素子よりもしきい電流密度は
低減した。また、高温での特性も良好であった。

【００９４】なお、上述の例では、半導体発光素子の成
長を、ＭＯＣＶＤ法で行なったが、ＭＢＥ法等他の成長
方法を用いることもできる。また、図９の半導体発光素
子では、井戸層８５ａ，８５ｂの窒素(Ｎ)の原料に、Ｄ
ＭＨｙを用いたが、活性化した窒素やＮＨ₃等他の窒素
化合物を用いることもできる。また、図９の半導体発光
素子では、活性層(発光層)の積層構造として２重量子井
戸構造(ＤＱＷ)の例を示したが、他の井戸数の量子井戸
を用いた構造(ＳＱＷ，ＭＱＷ)を用いることもできる。
また、各層の組成厚さ等は、必要に応じて、変更設定で
きる。また、クラッド層には、ＧａＩｎＰ（Ａｓ）と同
様のワイドギャップのＡｌＧａＡｓを用いることもでき
る。また、レーザの構造も他の構造にしても良い。ま
た、引っ張り歪みを有するバリア層としては、ＧａＮＰ
Ａｓ以外にＧａＡｓＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＮＡ
ｓ等を用いることができる。

【００９５】実施例５図１０は実施例５の半導体発光素子(半導体レーザ)を示
す図である。図１０に示す半導体発光素子は面発光型で
ある。この半導体発光素子は、発光を得るための共振器
を構成するため、量子井戸活性層１０４の半導体基板１
０１とは反対の側には上部反射鏡１０９が形成され、ま
た、量子井戸活性層１０４の半導体基板１０１側には下
部反射鏡１０２が形成されており、上部反射鏡１０９と
下部反射鏡１０２のうちの少なくとも下部反射鏡１０２
は、Ａｌを含まない材料による低屈折率層と高屈折率層
とが交互に積層された半導体多層膜として構成されてい
る。この構成では、上部反射鏡１０９，下部反射鏡１０
２は、量子井戸活性層１０４からの発光に対する共振器
として機能するようになっている。

【００９６】より具体的に、図１０の半導体発光素子
は、面方位(１００)のｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、Ｇ
ａＡｓ基板１０１に格子整合するｎ−Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ
とｎ−ＧａＡｓをそれぞれの媒質内における発振波長の
１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造(３５周期)か
らなるｎ−半導体多層膜反射鏡(ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ
下部半導体多層膜反射鏡)１０２，ＧａＡｓスペーサ層
１０３，３層のＧａ_0.6Ｉｎ_0.4Ｎ_0.005Ａｓ_0.995Ａｓ井
戸層とＧａＡｓバリア層(１３ｎｍ)からなる多重量子井
戸活性層(ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＱＷ活性層)１０
４，ＧａＡｓスペーサ層１０５，Ａｌ_xＯ_y電流狭さく層
１０６，電流注入部としてのｐ−ＡｌＡｓ層１０７(膜
厚が５０ｎｍ)，ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０８，Ｇ
ａＡｓ基板１０１に格子整合するｐ−Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ
とｐ−ＧａＡｓをそれぞれの媒質内における発振波長の
１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造(３０周期)か
らなるｐ−半導体多層膜反射鏡(ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ
上部半導体多層膜反射鏡)１０９が順次に成長されてい
る。

【００９７】また、ＧａＡｓスペ−サ層１０３，量子井
戸活性層１０４，ＧａＡｓスペ−サ層１０５，電流狭さ
く層１０６，ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０８の側面に
は、絶縁膜(ポリイミド)１１０が形成され、また、ｐ−
ＧａＡｓコンタクト層１０８上にはｐ側電極１１１が形
成され、また、ＧａＡｓ基板１０１の裏面にはｎ側電極
１１２が形成されている。

【００９８】図１０の半導体発光素子を次のように作製
した。すなわち、先ず、面方位(１００)のｎ−ＧａＡｓ
基板１０１上に、ＧａＡｓ基板１０１に格子整合するｎ
−Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐとｎ−ＧａＡｓをそれぞれの媒質内
における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周
期構造(３５周期)からなるｎ−半導体多層膜反射鏡(Ｇ
ａＩｎＰ／ＧａＡｓ下部半導体多層膜反射鏡)１０２，
ＧａＡｓスペーサ層１０３，３層のＧａ_0.6Ｉｎ_0.4Ｎ
_0.005Ａｓ_0.995Ａｓ井戸層とＧａＡｓバリア層(１３ｎ
ｍ)からなる多重量子井戸活性層(ＧａＩｎＮＡｓ／Ｇａ
ＡｓＱＷ活性層)１０４，ＧａＡｓスペーサ層１０
５，Ａｌ_xＯ_y電流狭さく層１０６，電流注入部としての
ｐ−ＡｌＡｓ層１０７(膜厚が５０ｎｍ)，ｐ−ＧａＡｓ
コンタクト層１０８，ＧａＡｓ基板１０１に格子整合す
るｐ−Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐとｐ−ＧａＡｓをそれぞれの媒
質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層し
た周期構造(３０周期)からなるｐ−半導体多層膜反射鏡
(ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ上部半導体多層膜反射鏡)１０９
を順次成長させた。

【００９９】ここで、井戸層のＩｎ組成ｘは４０％，窒
素組成は０．５％とした。また、井戸層の厚さは７ｎｍ
とした。これはＭａｔｔｈｅｗｓａｎｄＢｌａｋｅ
ｓｌｅｅの理論に基づく臨界膜厚ｈ_c（約６．１ｎｍ）
よりも厚い条件となっている。また、圧縮歪量は約２．
７％であった。成長方法はＭＯＣＶＤ法で行なった。原
料にはＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＩ(トリメチ
ルインジウム)，ＡｓＨ ₃(アルシン)，ＰＨ₃(フォスフィ
ン)，そして窒素の原料にはＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジ
ン)を用いた。

【０１００】ＤＭＨｙは低温で分解するので、６００℃
以下のような低温成長に適している。また、歪みの大き
い量子井戸層を成長する場合は例えば５００℃〜６００
℃程度の低温成長が好ましい。この実施例５では、Ｇａ
ＩｎＮＡｓ層は５４０℃で成長した。ＤＭＨｙは低温で
分解するので、６００℃以下のような低温成長に適して
おり、特に低温成長の必要な歪みの大きい量子井戸層を
成長する場合には好ましい。また、キャリアガスにはＨ
₂を用いた。

【０１０１】そして、フォトリソグラフィ−とエッチン
グ工程により下部多層膜反射鏡１０２の上部まで直径３
０μｍの円形にメサエッチングし、更に上部多層膜反射
鏡１０９のみを直径１０μｍの円形にメサエッチングし
た。Ａｌ_xＯ_y電流狭さく部１０６は側面の現れたＡｌＡ
ｓを水蒸気で側面から酸化して形成した。

【０１０２】次に、絶縁膜(ポリイミド)１１０でエッチ
ング部を埋め込んで平坦化し、ｐ側電極１１１が形成さ
れるべき部分と光取り出し口となる上部多層膜反射鏡１
０９上のポリイミドを除去し、ｐ−ＧａＡｓコンタクト
層１０８上にｐ側電極１１１を形成し、基板１０１の裏
面にはｎ側電極１１２を形成した。

【０１０３】図１０の半導体発光素子では、半導体基板
１０１と活性層１０４との間のｎ−半導体多層膜反射鏡
(下部半導体多層膜反射鏡)１０２として、Ａｌを含まな
いｎ−ＧａＩｎＰとｎ−ＧａＡｓを用いたので、大きな
歪みを有する活性層１０４を劣化させずに容易に成長で
きた。

【０１０４】なお、半導体基板１０１と活性層１０４と
の間の下部半導体多層膜反射鏡１０２としては、Ａｌを
含まず、屈折率の大きい材料と小さい材料の組み合せを
用いることができる。具体的に、ＧａＩｎＰ(低屈折率
層)とＧａＡｓ(高屈折率層)の組み合せの他、ＧａＩｎ
ＰＡｓ(低屈折率層)とＧａＡｓ(高屈折率層)，ＧａＩｎ
Ｐ(低屈折率層)とＧａＩｎＰＡｓ(高屈折率層)，ＧａＩ
ｎＰ(低屈折率層)とＧａＰＡｓ(高屈折率層)，ＧａＩｎ
Ｐ(低屈折率層)とＧａＩｎＡｓ(高屈折率層)，ＧａＩｎ
Ｐ(低屈折率層)とＧａＩｎＮＡｓ(高屈折率層)等の組み
合せを用いることができる。もちろん、下部半導体多層
膜反射鏡の材料としてＡｌを含まない材料を用いた方
が、その上に大きな歪みを有する活性層を成長すること
が容易であるが、Ａｌを含んだ材料を用いても成長条件
を適正化することで用いることはできる。具体的に、Ａ
ｌＡｓ(低屈折率層)とＧａＡｓ(高屈折率層)の組み合
せ，ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓ，ＡｌＡｓとＡｌＧａＡ
ｓ，ＡｌＧａＡｓ(Ａｌ組成が大きい)とＡｌＧａＡｓ
(Ａｌ組成が小さい)等の組み合せを用いることができ
る。

【０１０５】また、活性層１０４より表面側の上部半導
体多層膜反射鏡１０９(この実施例ではｐ−半導体多層
膜反射鏡)にも、Ａｌを含まず、屈折率の大きい材料と
小さい材料の組み合せを用いることができる。具体的
に、ＧａＩｎＰ(低屈折率層)とＧａＡｓ(高屈折率層)の
組み合せの他、ＧａＩｎＰＡｓ(低屈折率層)とＧａＡｓ
(高屈折率層)，ＧａＩｎＰ(低屈折率層)とＧａＩｎＰＡ
ｓ(高屈折率層)，ＧａＩｎＰ(低屈折率層)とＧａＰＡｓ
(高屈折率層)，ＧａＩｎＰ(低屈折率層)とＧａＩｎＡｓ
(高屈折率層)，ＧａＩｎＰ(低屈折率層)とＧａＩｎＮＡ
ｓ(高屈折率層)等の組み合せを用いることができる。

【０１０６】但し、活性層１０４より表面側の上部半導
体多層膜反射鏡１０９(この実施例ではｐ−半導体多層
膜反射鏡)としてはＡｌを含んでいてもかまわない。具
体的に、ＡｌＡｓ(低屈折率層)とＧａＡｓ(高屈折率層)
の組み合せ，ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓ，ＡｌＡｓとＡｌ
ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ(Ａｌ組成が大きい)とＡｌＧａ
Ａｓ(Ａｌ組成が小さい)等の組み合せを用いることがで
きる。この場合、大きな歪み有する活性層１０４は、低
温で成長されることから、できるだけ低温(例えば７０
０℃以下)で成長することが好ましい。また、上部半導
体多層膜反射鏡１０９としては誘電体多層膜を用いるこ
ともできる。具体的には、ＴｉＯ₂とＳｉＯ₂の組み合せ
等を用いることができる。

【０１０７】このように作製した面発光レーザ(図１０
の半導体レ−ザ)の発振波長は約１．３μｍであった。
また、しきい電流密度は１ｋＡ／ｃｍ²以下であった。
Ｉｎ組成を３０％より大きくし、圧縮歪み量を２％以上
にしたことにより、従来より窒素組成を小さくでき、し
きい電流密度を劇的に低減できた。高温での特性も良好
であった。また長寿命であった。

【０１０８】この実施例５では、ＭＯＣＶＤ法での成長
の例を示したが、ＭＢＥ法等他の成長方法を用いること
もできる。また、窒素の原料にＤＭＨｙを用いたが、活
性化した窒素やＮＨ₃等他の窒素化合物を用いることも
できる。

【０１０９】また、上述の例では、積層構造として３重
量子井戸構造(ＴＱＷ)の例を示したが、他の井戸数の量
子井戸を用いた構造(ＳＱＷ，ＭＱＷ)等を用いることも
できる。また各層の組成厚さ等は必要に応じて他の値を
設定できる。また、活性層１０４にはＧａＩｎＡｓを用
いることもできる。レーザの構造も他の構造にしてもか
まわない。

【０１１０】実施例６図１１は実施例６の半導体発光素子(半導体レーザ)を示
す図である。図１１に示す半導体発光素子は面発光型で
ある。この半導体発光素子は、発光を得るための共振器
を構成するため、量子井戸活性層１２３の半導体基板１
２１とは反対の側には上部反射鏡１２８が形成され、ま
た、量子井戸活性層１２３の半導体基板１２１側には下
部反射鏡１２９が形成されており、上部反射鏡１２８と
下部反射鏡１２９のうちの少なくとも下部反射鏡１２９
は、誘電体材料による低屈折率層と高屈折率層とが交互
に積層された誘電体多層膜として構成されている。この
構成においても、上部反射鏡１２８，下部反射鏡１２９
は、量子井戸活性層１２３からの発光に対する共振器と
して機能するようになっている。

【０１１１】より具体的に、図１１の半導体発光素子
は、面方位(１００)のｎ−ＧａＡｓ基板１２１上に、Ｇ
ａＡｓ基板１２１に格子整合するｎ−ＧａＩｎＰＡｓク
ラッド層１２２(膜厚が０．５μｍ)，３層のＧａ_0.6Ｉ
ｎ_0.4Ｎ_0.005Ａｓ_0.995Ａｓ井戸層とＧａＡｓバリア層
からなる多重量子井戸活性層(ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡ
ｓＱＷ活性層)１２３，ｐ−ＧａＩｎＰＡｓクラッド層
１２４(膜厚が１．５μｍ)，Ａｌ_xＯ_y電流狭さく層１２
５，電流注入部としてのＡｌＡｓ層１２６(膜厚が５０
ｎｍ)，ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１２７(膜厚が０．３
μｍ)，ｐ−ＡｌＡｓとｐ−ＧａＡｓをそれぞれの媒質
内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した
周期構造(２１周期)からなるｐ−半導体多層膜反射鏡
(ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ上部半導体多層膜反射鏡)１２
８が順次成長されている。また、図１１の半導体発光素
子では、ＧａＡｓ基板１２１の一部がクラッド層１２２
の表面までエッチングされ、このクラッド層１２２上に
ＴｉＯ₂とＳｉＯ₂の組み合わせからなる誘電体多層膜反
射鏡(ＴｉＯ₂／ＳｉＯ₂下部誘電体多層膜反射鏡)１２９
が形成されている。

【０１１２】そして、電流狭さく層１２５，ｐ−ＧａＡ
ｓコンタクト層１２７の側面には絶縁膜(ポリイミド)１
３０が形成され、また、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１２
７上には、ｐ側電極１３１が形成され、また、ＧａＡｓ
基板１２１の裏面にはｎ側電極１３２が形成されてい
る。

【０１１３】図１１の半導体発光素子を次のように作製
した。すなわち、先ず、面方位(１００)のｎ−ＧａＡｓ
基板１２１上に、ＧａＡｓ基板１２１に格子整合するｎ
−ＧａＩｎＰＡｓクラッド層１２２(膜厚が０．５μ
ｍ)，３層のＧａ_0.6Ｉｎ_0.4Ｎ _0.005Ａｓ_0.995Ａｓ井戸
層とＧａＡｓバリア層からなる多重量子井戸活性層(Ｇ
ａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＱＷ活性層)１２３，ｐ−Ｇ
ａＩｎＰＡｓクラッド層１２４(膜厚が１．５μｍ)，Ａ
ｌ_xＯ_y電流狭さく層１２５，電流注入部としてのＡｌＡ
ｓ層１２６(膜厚が５０ｎｍ)，ｐ−ＧａＡｓコンタクト
層１２７(膜厚が０．３μｍ)，ｐ−ＡｌＡｓとｐ−Ｇａ
Ａｓをそれぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の
厚さで交互に積層した周期構造(２１周期)からなるｐ−
半導体多層膜反射鏡(ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ上部半導
体多層膜反射鏡)１２８を順次に成長させた。

【０１１４】ここで、井戸層のＩｎ組成ｘは４０％，窒
素組成は０．５％とした。また、井戸層の厚さは７ｎｍ
とした。圧縮歪量は約２．７％であった。成長方法はＭ
ＯＣＶＤ法で行なった。原料にはＴＭＧ(トリメチルガ
リウム)，ＴＭＩ(トリメチルインジウム)，ＡｓＨ₃(ア
ルシン)，ＰＨ₃(フォスフィン)，そして窒素の原料には
ＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用いた。なお、Ａｌを
含んだｐ−半導体多層膜反射鏡１２８は、活性層１２３
への影響の小さい低温の６８０℃で成長した。

【０１１５】そして、フォトリソグラフィ−とエッチン
グ工程によりｐ−半導体多層膜反射鏡１２８の上部まで
直径１０μｍの円形にメサエッチングし、更に直径３０
μｍの円形にｐ−ＧａＡｓコンタクト層１２７をメサエ
ッチングした。そして、絶縁膜(ポリイミド)１３０をコ
ートして電流注入部１２６を開けて、ｐ側電極１３１を
形成した。そして、半導体基板１２１をｎ−ＧａＩｎＰ
Ａｓクラッド層１２２の表面が現れるまでエッチング
し、ＴｉＯ₂とＳｉＯ₂の組み合せからなる誘電体多層膜
反射鏡１２９を形成した。更に、基板１２１の裏面に
は、ｎ側電極１３２を形成した。このような構造では、
光取り出し部は、基板１２１の裏面となる。

【０１１６】この実施例６では、半導体基板１２１と大
きな歪みを有する活性層１２３との間に半導体多層膜反
射鏡を挿入せず、基板１２１側の反射鏡として誘電体多
層膜を用いることで、大きな歪みを有する活性層１２３
を劣化させずに容易に成長できた。

【０１１７】換言すれば、半導体基板側の反射鏡を半導
体部の外部に形成し、半導体基板と大きい歪みを有する
量子井戸活性層との間にＡｌを含む半導体層を形成して
いないので、量子井戸活性層成長時のエピ基板表面の状
態は良好であり、大きい歪みの量子井戸層を容易に良好
に成長できた。

【０１１８】このようにして作製した面発光レーザの発
振波長は約１．３μｍであった。また、しきい電流密度
は１ｋＡ／ｃｍ²以下であった。Ｉｎ組成を３０％より
大きくし、圧縮歪み量を２％以上にしたことにより、従
来より窒素組成を小さくでき、しきい電流密度を劇的に
低減できた。高温での特性も良好であった。

【０１１９】この実施例６では、ＭＯＣＶＤ法での成長
の例を示したが、ＭＢＥ法等他の成長方法を用いること
もできる。また、窒素の原料にＤＭＨｙを用いたが、活
性化した窒素やＮＨ₃等他の窒素化合物を用いることも
できる。

【０１２０】また、上述の例では、積層構造として３重
量子井戸構造(ＴＱＷ)の例を示したが他の井戸数の量子
井戸を用いた構造(ＳＱＷ，ＭＱＷ)等を用いることもで
きる。また各層の組成厚さ等は必要に応じて他の値を設
定できる。また、活性層１２３にはＧａＩｎＡｓを用い
ることもできる。レーザの構造も他の構造にしてもかま
わない。

【０１２１】このような大きな歪みを有した活性層の品
質は、構造，成長条件に非常に敏感であり、本発明はこ
れに絞って述べたが、もちろん本発明の構造，成長条件
等は、活性層歪みが２％より小さくても効果があるもの
である。

【０１２２】上述の各実施例では、半導体基板にＧａＡ
ｓ基板が用いられている場合、ＧａＡｓ基板上の半導体
材料としてＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓを用いるとき
の例を示したが、このほかにも、半導体基板にＧａＡｓ
基板を用いる場合に、ＧａＡｓ基板上の半導体材料とし
てＧａＩｎＰ，ＧａＰＡｓを用いるとき、また半導体基
板にＩｎＰ基板が用いられる場合に、ＩｎＰ基板上の半
導体材料としてＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＰＡｓ，ＩｎＰ
Ａｓ，ＩｎＮＰＡｓなどを用いるときなどにも、本発明
を適用できる。すなわち、本発明は、半導体基板と格子
定数の大きく異なる半導体を用いた半導体発光素子に有
効となる。また、本発明は、他の発光素子，受光素子ま
たは電子素子等のIII−Ｖ族混晶半導体を用いた半導体
素子にも適用できる。

【０１２３】実施例７図１６は本発明の光送信モジュールの実施例を示す図で
ある。この実施例７では、光送信モジュールは、本発明
の半導体発光素子（半導体レーザ）と光ファイバーとを
組み合わせたものとなっている。すなわち、この光送信
モジュールでは、半導体レーザから光信号が光ファイバ
ーに入力され、伝送されるようになっている。

【０１２４】さらに、発振波長の異なる複数の半導体レ
ーザを１次元または２次元にアレイ状に配置して波長多
重送信を行なうこともでき、この場合には、伝送速度を
増加できる。また、半導体レーザを１次元または２次元
にアレイ状に配置し、それぞれに対応する複数の光ファ
イバーからなる光ファイバー束とを結合させることもで
き、この場合にも、伝送速度を増加できる。

【０１２５】本発明による半導体発光素子（例えば半導
体レーザ）を光通信システムに用いると、温度特性が非
常に優れているとともに動作電流を低減できるので、冷
却素子を必要としないシステムにすることができ、この
実施例７のような送信用半導体レーザと光ファイバーと
を組み合わせた光送信モジュールを用いた低コストの光
通信システムを実現できる。

【０１２６】実施例８図１７は本発明の光送受信モジュールの実施例を示す図
である。この実施例８では、光送受信モジュールは、本
発明の半導体発光素子（半導体レーザ）と受信用フォト
ダイオードと光ファイバーとを組み合わせたものとなっ
ている。

【０１２７】前述のように、本発明による半導体発光素
子（例えば半導体レーザ）を光通信システムに用いる
と、温度特性が非常に優れているとともに動作電流を低
減できるので、冷却素子を必要としないシステムにする
ことができ、この実施例８のような送信用半導体レーザ
と受信用フォトダイオードと光ファイバーとを組み合わ
せた光送信モジュールを用いた低コストの光通信システ
ムを実現できる。

【０１２８】本発明による半導体発光素子（半導体レー
ザ）を用いた光通信システムとしては、光ファイバーを
用いた長距離通信に用いることができるのみならず、Ｌ
ＡＮ（Local Area Network）などのコンピュータ等の機
器間伝送、さらにはボード間，ＣＰＵ間のデータ伝送、
ボード内のＬＳＩ間，ＬＳＩ内の素子間等の光インター
コネクションとして、短距離通信にも用いることができ
る。近年、ＬＳＩ等の処理性能は向上しているが、これ
らを接続する部分の伝送速度が今後ボトルネックとな
る。システム内の信号接続を従来の電気接続にかわって
光インターコネクトで行うと、例えばコンピュータシス
テムのボード間，ボード内のＬＳＩ間，ＬＳＩ内の素子
間等を光送信モジュールや光送受信モジュールを用いて
接続すると、超高速コンピュータシステムが可能とな
る。また、複数のコンピュータシステム等を上記光送信
モジュールや光送受信モジュールを用いて接続すると、
超高速ネットワークシステムが可能となる。

【０１２９】特に、面発光レーザの場合は、端面発光型
レーザに比べて桁違いに低消費電力化でき、２次元アレ
イ化が容易なので、並列伝送型の光通信システムに適し
ており、この場合、波長としては光ファイバーの伝送損
失の小さい１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯が好ましい。
しかしながら、これまで満足な性能の発振波長１．３μ
ｍ帯，１．５５μｍ帯の面発光レーザは実現されていな
かった。本発明によれば、ＧａＡｓ基板上に成長可能な
ＧａＩｎＮＡｓを良好な結晶性を有して形成できるの
で、確立されたＧａＡｓ基板上の面発光レーザ作製技術
を用いることができ、高性能の発振波長１．３μｍ帯，
１．５５μｍ帯の面発光レーザを提供できる。これによ
り、低消費電力の光通信システム、１次元または２次元
アレイ化した並列伝送型の光通信システムを実現でき
る。特に、１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯の面発光レー
ザとシングルモードファイバーとを組み合わせた光送信
モジュールまたは光送受信モジュールとすることで、従
来の０．８５μｍ帯の面発光レーザとマルチモードファ
イバーとを組み合わせた場合に比べて、高速，大容量，
長距離の通信が可能になる。

【０１３０】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１記載の
発明によれば、半導体基板上に、歪み量子井戸層を含む
活性層と、光とキャリアを閉じ込めるクラッド層とが形
成されている半導体発光素子において、半導体基板およ
びクラッド層に対する前記歪み量子井戸層の歪み量が２
％を超える歪み量となっているので、従来得られない材
料組成を結晶成長することにより、従来得られない波長
の半導体発光素子を得ることができる。

【０１３１】また、請求項２記載の発明によれば、半導
体基板上に、歪み量子井戸層を含む活性層と、光とキャ
リアを閉じ込めるクラッド層とが形成されている半導体
発光素子において，半導体基板及びクラッド層に対する
前記歪み量子井戸層の厚さを、力学的にミスフィット転
移が生じる厚さである臨界膜厚よりも厚くすることによ
り、従来得られない波長の半導体レーザ等の半導体発光
素子を得ることができ、また、従来より高性能のＨＥＭ
Ｔ(high electron mobility transister)等の電子素子
を得ることもできる。

【０１３２】また、請求項３記載の発明によれば、半導
体基板がＧａＡｓであることにより、ＩｎＰ基板上には
厚く成長できないＡｌＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＧａＩｎ
Ｐ，ＡｌＩｎＰのようなワイドギャップの材料を半導体
発光素子のクラッド層として成長でき、長波長帯の半導
体発光素子の基板としては極めて優れている。

【０１３３】また、請求項４記載の発明によれば、請求
項１または請求項２記載の半導体発光素子において、歪
み量子井戸層は、Ｇａ_xＩｎ_1-xＮ_yＡｓ_1-y(０≦ｘ≦
１，０≦ｙ＜１)で形成されているので、ｙ＝０のＧａ
ＩｎＡｓでは１．２μｍ程度までの波長、ＧａＩｎＮＡ
ｓではＩｎ組成，窒素組成に応じて１．３μｍ帯やそれ
より長波長の半導体発光素子の発光層を形成できる。

【０１３４】また、請求項５記載の発明によれば、請求
項４記載の半導体発光素子において、歪み量子井戸層で
あるＧａ_xＩｎ_1-xＮ_yＡｓ_1-y(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)
に関し、窒素が含まれていないとした場合のＧａＩｎＡ
ｓのＰＬ波長が、１．１２μｍよりも長波長となってい
るので、従来半導体発光素子の発光層に用いることがで
きなかった組成波長の材料を結晶成長することにより、
半導体発光素子構造の設計の自由度を広げることができ
る。

【０１３５】また、請求項６記載の発明によれば、請求
項４または請求項５記載の半導体発光素子において、前
記歪み量子井戸層のIII族元素に占めるＩｎの組成が、
３０％よりも大きいものとなっていることを特徴として
おり、具体的にはｙ＝０のＧａＩｎＡｓではＩｎの組成
を３０％以上とすることで、従来の限界であった１．１
μｍより長波長の半導体レーザが得られる。ＧａＩｎＮ
ＡｓではＩｎの組成を３０％以上とすることで、同じ井
戸幅の場合長波長化できるので、窒素の組成を従来より
低減できる。例えば１．３μｍ帯を得る場合にはＩｎの
組成が３０％の場合で窒素組成はおよそ１％必要であっ
たが、Ｉｎの組成を３０％以上にすることで１％以下に
できる。

【０１３６】また、請求項７記載の発明によれば、請求
項４乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素
子において、歪み量子井戸層のＶ族元素に占める窒素組
成が、０〜１％の範囲となっており、窒素組成が０〜１
％の少ない範囲であると結晶性の低下は抑えられるの
で、高性能な長波長帯半導体発光素子を得ることができ
る。

【０１３７】また、請求項８記載の発明によれば、請求
項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素
子において、半導体基板の面方位は、(１００)からの傾
き角度が５°の範囲内であり、半導体基板の面方位は
(１００)から大きく傾いている(例えば［０１１］方向
に大きく傾いている)よりは、(１００)付近の方が歪み
量子井戸のＧａＩｎＮＡｓやＧａＩｎＡｓのＩｎ組成を
大きくしやすく長波長化に向いており、更に発光効率を
高くしやすいので高歪みの量子井戸半導体発光素子の基
板に適している。

【０１３８】また、請求項９記載の発明によれば、請求
項１または請求項２記載の半導体発光素子において、ク
ラッド層としてＧａＩｎＰまたはＧａＩｎＰＡｓが用い
られており、Ａｌを含まないＧａＩｎＰまたはＧａＩｎ
ＰＡｓはＡｌＧａＡｓに比べて低い成長温度で良好な結
晶を得ることができるので、低温成長が好ましい高歪み
の量子井戸レーザを作製する場合、拡散などの熱の影響
を受けにくいので好ましく、結晶性の良好な高歪みの量
子井戸層を得やすい。また、半導体基板と大きい歪みを
有する量子井戸活性層との間の下部クラッド層としてＧ
ａＩｎＰ(Ａｓ)を用いるとクラッド層中で発生する欠陥
の影響を受けにくく良好な大きい歪みの量子井戸層を成
長できる。また、素子特性としてはクラッド層中で発生
する欠陥の影響を受けにくいので、ＡｌＧａＡｓ系材料
を用いた場合に比べて発光効率は高く、長寿命の素子が
得られる。また、レーザの場合しきい値電流密度は低
い。

【０１３９】また、請求項１０記載の発明によれば、請
求項１または請求項２記載の半導体発光素子において、
該半導体発光素子は、面発光型である。すなわち、長波
長帯の半導体発光素子はＧａＡｓ基板上に形成できると
屈折率差の大きいＡｌ(Ｇａ)Ａｓ／ＧａＡｓ多層膜ミラ
ーを用いることができるので、薄い厚さで済み、また、
ＡｌＡｓを酸化したＡｌ_xＯ_yを電流狭さくに用いること
ができるなど、従来のＩｎＰ基板上の長波長帯の面発光
半導体発光素子に比べて極めて有効である。

【０１４０】また、請求項１１記載の発明によれば、請
求項１または請求項２記載の半導体発光素子において、
前記活性層には、前記歪み量子井戸層の近傍に、応力を
補償するバリア層が形成されており、井戸層の歪みを緩
和するバリア層(歪補償層)があると井戸層の質を改善し
たり、井戸層の数を多くしたりできるので、半導体発光
素子の設計の幅を大きくでき、高性能化に最適な構造に
でき有効である。特に、請求項１１記載の発明では、井
戸層が高圧縮歪を有している場合に応力を補償すること
で、作製する場合の条件の幅を広げることができる。

【０１４１】また、請求項１２記載の発明によれば、半
導体基板上に、歪み量子井戸層を含む活性層と、光とキ
ャリアを閉じ込めるクラッド層とを有する半導体発光素
子の製造方法において、前記歪み量子井戸層は６００℃
以下の温度で成長される。すなわち、低温では歪み量子
井戸層の臨界膜厚が厚くなるので、特に２％を超えるよ
うな高歪み量子井戸層の成長には、６００℃以下の低温
成長が適している。

【０１４２】また、請求項１３記載の発明によれば、半
導体基板上に、歪み量子井戸層を含む活性層と、光とキ
ャリアを閉じ込めるクラッド層とを有する半導体発光素
子の製造方法において、該半導体発光素子は、III−Ｖ
族半導体で形成され、この場合、III族原料として、有
機金属化合物を用いた有機金属気相成長法により形成す
る。すなわち、有機金属気相成長法は、過飽和度が高い
成長方法であり、高歪みの量子井戸層や窒素をＶ族に含
んだＧａＩｎＮＡｓのような材料の成長手段として有効
である。

【０１４３】また、請求項１４記載の発明によれば、半
導体基板上に、歪み量子井戸層を含む活性層と、光とキ
ャリアを閉じ込めるクラッド層とを有する半導体発光素
子の製造方法において、歪み量子井戸層は、Ｇａ_xＩｎ
_1-xＮ_yＡｓ_1-y(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)で形成する場
合、Ｎの原料として、ＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)，
ＭＭＨｙ(モノメチルヒドラジン)等の有機系窒素化合物
を用いて形成する。すなわち、有機系窒素化合物は低温
で分解するので、６００℃以下のような低温成長に適し
ている。また、本発明のように特に歪みの大きい量子井
戸層を成長する場合は、例えば、５００℃〜６００℃程
度の低温成長が好ましく、この観点からも低温で分解す
る有機系窒素化合物は好ましい。

【０１４４】また、請求項１５記載の発明によれば、請
求項１０記載の半導体発光素子において、発光を得るた
めの共振器として、量子井戸活性層の半導体基板とは反
対の側には上部反射鏡が形成され、また、量子井戸活性
層の半導体基板側には下部反射鏡が形成されており、上
部反射鏡と下部反射鏡のうちの少なくとも下部反射鏡
は、Ａｌを含まない材料による低屈折率層と高屈折率層
とが交互に積層された半導体多層膜として構成されてお
り、半導体基板と大きい歪みを有する量子井戸活性層と
の間の半導体多層膜反射鏡としてＡｌを含まない材料を
用いることで、半導体多層膜反射鏡中で発生する欠陥の
影響を受けにくく良好な大きい歪みの量子井戸層を成長
できる。

【０１４５】また、請求項１６記載の発明によれば、請
求項１０記載の半導体発光素子において、発光を得るた
めの共振器として、量子井戸活性層の半導体基板とは反
対の側には上部反射鏡が形成され、また、量子井戸活性
層の半導体基板側には下部反射鏡が形成されており、上
部反射鏡と下部反射鏡のうちの少なくとも下部反射鏡
は、誘電体材料による低屈折率層と高屈折率層とが交互
に積層された誘電体多層膜として構成されているので、
大きな歪みを有する活性層を劣化させずに容易に成長で
きる。

【０１４６】また、請求項１７記載の発明によれば、半
導体基板上に、歪み量子井戸層を含む活性層と、光とキ
ャリアを閉じ込めるクラッド層とを有する半導体発光素
子の製造方法において、活性層を成長させた後、クラッ
ド層を７８０℃以下の温度で成長するので、活性層が劣
化するのを防止できる。

【０１４７】また、請求項１乃至請求項１１，請求項１
５乃至請求項１６の半導体発光素子、または、請求項１
２乃至請求項１４，請求項１７の製造方法により製造さ
れた半導体発光素子によれば、温度特性が非常に優れて
いて冷却フリーであるとともに動作電流を低減できるの
で、この半導体発光素子を用いて、低コストの光送信モ
ジュール，低コストの光送受信モジュール，低コストの
光通信システムや、超高速の光通信システム，超高速の
コンピュータシステム，超高速のネットワークシステム
等を実現できる。

【０１４８】すなわち、請求項１８記載の発明のよう
に、請求項１乃至請求項１１，請求項１５乃至請求項１
６のいずれか一項に記載の半導体発光素子、または、請
求項１２乃至請求項１４，請求項１７のいずれか一項に
記載の製造方法により製造された半導体発光素子を光源
として用いることで、低コストの光送信モジュールを実
現できる。

【０１４９】また、請求項１９記載の発明のように、請
求項１乃至請求項１１，請求項１５乃至請求項１６のい
ずれか一項に記載の半導体発光素子、または、請求項１
２乃至請求項１４，請求項１７のいずれか一項に記載の
製造方法により製造された半導体発光素子を光源として
用いることで、低コストの光送受信モジュールを実現で
きる。

【０１５０】また、請求項２０記載の発明のように、請
求項１乃至請求項１１，請求項１５乃至請求項１６のい
ずれか一項に記載の半導体発光素子、または、請求項１
２乃至請求項１４，請求項１７のいずれか一項に記載の
製造方法により製造された半導体発光素子を光源として
用いることで、低コスト，超高速の光通信システムを実
現できる。

【０１５１】また、請求項２１記載の発明のように、請
求項１乃至請求項１１，請求項１５乃至請求項１６のい
ずれか一項に記載の半導体発光素子、または、請求項１
２乃至請求項１４，請求項１７のいずれか一項に記載の
製造方法により製造された半導体発光素子を光源として
用いた光通信システムを具備することで、超高速のコン
ピュータシステムを実現できる。

【０１５２】また、請求項２２記載の発明のように、請
求項１乃至請求項１１，請求項１５乃至請求項１６のい
ずれか一項に記載の半導体発光素子、または、請求項１
２乃至請求項１４，請求項１７のいずれか一項に記載の
製造方法により製造された半導体発光素子を光源として
用いた光通信システムを具備することで、超高速のネッ
トワークシステムを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体発光素子の構成例を示す図
である。

【図２】図１の半導体発光素子の活性層の一例を示す図
である。

【図３】面方位が(１００)であるＧａＡｓ基板上に形成
された半導体発光素子のＰＬ特性と、面方位が(１００)
から〔０１１〕方向に１５゜の角度で傾いているＧａＡ
ｓ基板上に形成された半導体発光素子のＰＬ特性とを示
す図である。

【図４】実施例１の半導体発光素子を示す図である。

【図５】図４の半導体発光素子の発振波長に対するしき
い電流密度を示す図である。

【図６】実施例２の半導体発光素子を示す図である。

【図７】図６の半導体発光素子の連続動作における電流
−電圧特性を示す図である。

【図８】実施例３の半導体発光素子を示す図である。

【図９】実施例４の半導体発光素子を示す図である。

【図１０】実施例５の半導体発光素子を示す図である。

【図１１】実施例６の半導体発光素子を示す図である。

【図１２】４つの試料ａ，ｂ，ｃ，ｄのＰＬ特性を示す
図である。

【図１３】ガイド層としてＧａＩｎＰを用いた試料とＡ
ｌＧａＡｓを用いた試料のＰＬ特性を示す図である。

【図１４】一般に支持されているＭａｔｔｈｅｗｓａ
ｎｄＢｌａｋｅｓｌｅｅの理論に基づいて計算したＧ
ａＡｓ基板上のＧａＩｎＡｓ層の臨界膜厚を示す図であ
る。

【図１５】ＧａＩｎＡｓ単一量子井戸層からのＰＬ中心
波長とＰＬ強度との関係を示す図である。

【図１６】本発明に係る光送信モジュールの実施例を示
す図である。

【図１７】本発明に係る光送受信モジュールの実施例を
示す図である。

【符号の説明】

１半導体基板３活性層２歪み量子井戸層４クラッド層５バリア層２１ｎ−ＧａＡｓ基板２２ｎ−ＧａＡｓバッファ層２３ｎ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)下部クラッド
層２４ＧａＡｓ光ガイド層２５ａ，２５ｂＧａ_1-xＩｎ_xＡｓ量子井戸層２６ＧａＡｓバリア層２７活性層(発光層) ２８ＧａＡｓ光ガイド層２９ｐ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)上部クラッド
層３０ｐ−ＧａＡｓコンタクト層３２ｐ側電極３１絶縁膜３３ｎ側電極４１ｎ−ＧａＡｓ基板４２ｎ−ＧａＡｓバッファ層４３ｎ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)下部クラッド
層４４ＧａＡｓ光ガイド層４５ａ，４５ｂＧａ_0.67Ｉｎ_0.33Ｎ_0.006Ａｓ_0.994
量子井戸層４６ＧａＡｓバリア層４７活性層(発光層) ４８ＧａＡｓ光ガイド層４９ｐ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)上部クラッド
層５０ｐ−ＧａＡｓコンタクト層５２ｐ側電極５１絶縁膜５３ｎ側電極６１ｎ−ＧａＡｓ基板６２ｎ−ＧａＡｓバッファ層６３ｎ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)下部クラッド
層６４ＧａＡｓ光ガイド層６５ａ，６５ｂＧａ_0.6Ｉｎ_0.4Ｎ_0.005Ａｓ_0.995量
子井戸層６６ＧａＡｓバリア層６７活性層(発光層) ６８ＧａＡｓ光ガイド層６９ｐ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)上部クラッド
層７０ｐ−ＧａＡｓコンタクト層７２ｐ側電極７１絶縁膜７３ｎ側電極８１ｎ−ＧａＡｓ基板８２ｎ−ＧａＡｓバッファ層８３ｎ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)下部クラッド
層８４ＧａＡｓ光ガイド層８５ａ，８５ｂＧａ_0.65Ｉｎ_0.35Ｎ_0.007Ａｓ_0.993
量子井戸層８６ａ，８６ｂ，８６ｃＧａＡｓバリア層８７活性層(発光層) ８８ＧａＡｓ光ガイド層８９ｐ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)上部クラッド
層９０ｐ−ＧａＡｓコンタクト層９２ｐ側電極９１絶縁膜９３ｎ側電極１０１ＧａＡｓ基板１０２下部半導体多層膜反射鏡１０３ＧａＡｓスペ−サ層１０４活性層１０５ＧａＡｓスペ−サ層１０６電流狭さく層１０７電流注入層１０８ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０９上部半導体多層膜反射鏡１１０絶縁膜１１１ｐ側電極１１２ｎ側電極１２１ＧａＡｓ基板１２２ＧａＩｎＰＡｓクラッド層１２３活性層１２４ＧａＩｎＰＡｓクラッド層１２５電流狭さく層１２６電流注入部１２７ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１２８上部半導体多層膜反射鏡１２９下部誘電体多層膜反射鏡１３０絶縁膜１３１ｐ側電極１３２ｎ側電極１３１ｐ側電極１３２ｎ側電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に、歪み量子井戸層を含む
活性層と、光とキャリアを閉じ込めるクラッド層とが形
成されている半導体発光素子において、半導体基板およ
びクラッド層に対する前記歪み量子井戸層の歪み量が２
％を超える歪み量となっていることを特徴とする半導体
発光素子。
【請求項２】半導体基板上に、歪み量子井戸層を含む
活性層と、光とキャリアを閉じ込めるクラッド層とが形
成されている半導体発光素子において，半導体基板及び
クラッド層に対する前記歪み量子井戸層の厚さは、力学
的にミスフィット転移が生じる厚さである臨界膜厚より
も厚いことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】請求項１または請求項２記載の半導体発
光素子において、前記半導体基板はＧａＡｓであること
を特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】請求項１または請求項２記載の半導体発
光素子において、前記歪み量子井戸層は、Ｇａ_xＩｎ_1-x
Ｎ_yＡｓ_1-y(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)で形成されている
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】請求項４記載の半導体発光素子におい
て、前記歪み量子井戸層であるＧａ_xＩｎ_1-xＮ_yＡｓ_1-y
(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)に関し、窒素が含まれていな
いとした場合のＧａＩｎＡｓのＰＬ波長が、１．１２μ
ｍよりも長波長となっていることを特徴とする半導体発
光素子。
【請求項６】請求項４または請求項５記載の半導体発
光素子において、前記歪み量子井戸層のIII族元素に占
めるＩｎの組成が、３０％よりも大きいものとなってい
ることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】請求項４乃至請求項６のいずれか一項に
記載の半導体発光素子において、前記歪み量子井戸層の
Ｖ族元素に占める窒素組成が、０〜１％の範囲となって
いることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】請求項１乃至請求項３のいずれか一項に
記載の半導体発光素子において、半導体基板の面方位
は、(１００)からの傾き角度が５°の範囲内となってい
ることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】請求項１または請求項２記載の半導体発
光素子において、前記クラッド層としてＧａＩｎＰまた
はＧａＩｎＰＡｓが用いられることを特徴とする半導体
発光素子。
【請求項１０】請求項１または請求項２記載の半導体
発光素子において、該半導体発光素子は、面発光型であ
ることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１１】請求項１または請求項２記載の半導体
発光素子において、前記活性層には、前記歪み量子井戸
層の近傍に、応力を補償するバリア層が形成されている
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１２】半導体基板上に、歪み量子井戸層を含
む活性層と、光とキャリアを閉じ込めるクラッド層とを
有する半導体発光素子の製造方法において、前記歪み量
子井戸層は６００℃以下の温度で成長されることを特徴
とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１３】半導体基板上に、歪み量子井戸層を含
む活性層と、光とキャリアを閉じ込めるクラッド層とを
有する半導体発光素子の製造方法において、該半導体発
光素子は、III−Ｖ族半導体で形成され、この場合、III
族原料として、有機金属化合物を用いた有機金属気相成
長法により形成することを特徴とする半導体発光素子の
製造方法。
【請求項１４】半導体基板上に、歪み量子井戸層を含
む活性層と、光とキャリアを閉じ込めるクラッド層とを
有する半導体発光素子の製造方法において、前記歪み量
子井戸層をＧａ_xＩｎ_1-xＮ_yＡｓ_1-y(０≦ｘ≦１，０＜
ｙ＜１)で形成する場合、Ｎの原料として、ＤＭＨｙ(ジ
メチルヒドラジン)，ＭＭＨｙ(モノメチルヒドラジン)
等の有機系窒素化合物を用いて形成することを特徴とす
る半導体発光素子の製造方法。
【請求項１５】請求項１０記載の半導体発光素子にお
いて、発光を得るための共振器として、量子井戸活性層
の半導体基板とは反対の側には上部反射鏡が形成され、
また、量子井戸活性層の半導体基板側には下部反射鏡が
形成されており、上部反射鏡と下部反射鏡のうちの少な
くとも下部反射鏡は、Ａｌを含まない材料による低屈折
率層と高屈折率層とが交互に積層された半導体多層膜と
して構成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１６】請求項１０記載の半導体発光素子にお
いて、発光を得るための共振器として、量子井戸活性層
の半導体基板とは反対の側には上部反射鏡が形成され、
また、量子井戸活性層の半導体基板側には下部反射鏡が
形成されており、上部反射鏡と下部反射鏡のうちの少な
くとも下部反射鏡は、誘電体材料による低屈折率層と高
屈折率層とが交互に積層された誘電体多層膜として構成
されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１７】半導体基板上に、歪み量子井戸層を含
む活性層と、光とキャリアを閉じ込めるクラッド層とを
有する半導体発光素子の製造方法において、活性層を成
長させた後、クラッド層を７８０℃以下の温度で成長す
ることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１８】請求項１乃至請求項１１，請求項１５
乃至請求項１６のいずれか一項に記載の半導体発光素
子、または、請求項１２乃至請求項１４，請求項１７の
いずれか一項に記載の製造方法により製造された半導体
発光素子を光源として用いることを特徴とする光送信モ
ジュール。
【請求項１９】請求項１乃至請求項１１，請求項１５
乃至請求項１６のいずれか一項に記載の半導体発光素
子、または、請求項１２乃至請求項１４，請求項１７の
いずれか一項に記載の製造方法により製造された半導体
発光素子を光源として用いることを特徴とする光送受信
モジュール。
【請求項２０】請求項１乃至請求項１１，請求項１５
乃至請求項１６のいずれか一項に記載の半導体発光素
子、または、請求項１２乃至請求項１４，請求項１７の
いずれか一項に記載の製造方法により製造された半導体
発光素子を光源として用いることを特徴とする光通信シ
ステム。
【請求項２１】請求項１乃至請求項１１，請求項１５
乃至請求項１６のいずれか一項に記載の半導体発光素
子、または、請求項１２乃至請求項１４，請求項１７の
いずれか一項に記載の製造方法により製造された半導体
発光素子を光源として用いた光通信システムを具備する
コンピュータシステム。
【請求項２２】請求項１乃至請求項１１，請求項１５
乃至請求項１６のいずれか一項に記載の半導体発光素
子、または、請求項１２乃至請求項１４，請求項１７の
いずれか一項に記載の製造方法により製造された半導体
発光素子を光源として用いた光通信システムを具備する
ネットワークシステム。