JP2004128442A - 半導体発光素子および光送信用モジュールおよび光通信システム - Google Patents
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Abstract
【課題】窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む混晶半導体を用いた半導体発光素子において、発光波長を短波長化することなく、歪補償の効果を大きくすることの可能な半導体発光素子を提供する。
【解決手段】窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、量子井戸活性層に隣接して、量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓＰ層との２層構造からなる歪補償層が設けられている。
【選択図】 図３
【解決手段】窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、量子井戸活性層に隣接して、量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓＰ層との２層構造からなる歪補償層が設けられている。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子および光送信用モジュールおよび光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体が半導体発光素子の材料として注目されている。特にＧａＩｎＮＡｓは、現在の光通信システムで用いられる光ファイバーに対して低損失の波長域である１．３μｍ帯でのレーザ発振が可能であるため、盛んに研究開発が行なわれている材料である。ＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓＮとＧａＩｎＡｓとの混晶であり、伝導帯準位はＮ組成に対する依存性に大きなボーイングパラメータを有するため、圧縮歪を加えたＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓとの組み合わせでタイプＩ型のヘテロ接合を形成できる。ＧａＩｎＮＡｓとＧａＡｓとの組み合わせで構成する量子井戸活性層においては、伝導帯のバンドギャップ不連続量が大きく、キャリアのオーバーフローが起きにくいため、良好な温度特性を有する半導体発光素子を提供することができる。また、ＧａＩｎＮＡｓは、圧縮歪を加えて用いるため、しきい電流の低減および発振波長の長波長化に対しても有利である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＧａＩｎＮＡｓは、上記ような歪を有するために、格子緩和などで転位などの欠陥が入りやすく、良質な活性層を得ることが困難であった。また、初期には欠陥が少なくても経時的にも歪により欠陥が増殖し、特性の経時的劣化を招くという問題もある。
【０００４】
このような問題を解決するための手法としては、活性層の歪と逆方向の歪を有する結晶層を活性層近傍に導入することで活性層近傍でのトータルの歪を補償する歪補償層（ｓｔｒａｉｎ−ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｌａｙｅｒ）を用いる方法が近年行なわれるようになってきている。
【０００５】
ＧａＩｎＮＡｓにおいては、活性層と逆の引っ張り歪を有する歪補償層として、ＧａＡｓＰおよびＧａＡｓＮが用いられている。しかしながら、歪補償層を活性層に隣接して設ける場合、ＧａＡｓＰ，ＧａＡｓＮをそれぞれ用いる歪補償層では、以下のような問題点が存在する。
【０００６】
例えば文献「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７８，９１（２００１）」にて報告されているように、ＧａＡｓＰのみで歪補償層を活性層に隣接させた場合、ＧａＡｓＰの方がＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く、伝導帯バンドのバンドギャップ不連続量が大きくなり、結果として量子準位が高くなり、発光波長の短波長化を招いてしまう（図１を参照）。このことにより、ＧａＡｓとの組み合わせで作った量子井戸活性層と同じ発光波長を得るためには、ＧａＩｎＮＡｓ活性層の歪を大きくしたり、窒素（Ｎ）組成を増加させる必要がある。しかし、活性層の歪を大きくするのは格子緩和などの原因であり好ましくなく、また、Ｎ組成を増加させると非混和性が高いことから良質の結晶成長が困難になるので好ましくない。
【０００７】
また、ＧａＡｓＮのみで歪補償層を活性層に隣接させた場合は、逆に、ＧａＡｓＮの方がＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く、伝導帯バンドのバンドギャップ不連続量が小さくなり、半導体発光素子の温度特性が悪化してしまう（図２を参照）。伝導帯バンドの不連続量が小さくなるのを避けるにはＮの組成を低くする必要があるが、そうなると引っ張り歪の大きさが小さくなり、歪補償の効果が低下してしまう。
【０００８】
本発明は、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む混晶半導体を用いた半導体発光素子において、発光波長を短波長化することなく、歪補償の効果を大きくすることの可能な半導体発光素子および光送信用モジュールおよび光通信システムを提供することを目的としている。
【０００９】
【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、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、量子井戸活性層に隣接して、量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられていることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる多重量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、各量子井戸活性層に隣接して、各量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられていることを特徴としている。
【００１１】
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、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層は、ＧａＡｓに対して引っ張り歪を有していることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項４記載の発明は、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる多重量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、各量子井戸活性層に隣接して、各量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられており、また、各量子井戸活性層間のバリア層が燐（Ｐ）または窒素（Ｎ）を含む引っ張り歪を有する層であることを特徴としている。
【００１３】
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、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層は、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層の引っ張り歪が、各量子井戸活性層間のバリア層の歪に対して大きいことを特徴としている。
【００１４】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層と活性層とを有する多層構造中に、連続的に歪を変化させた組成傾斜層が含まれていることを特徴とする半導体発光素子。
【００１５】
また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層としてＧａＡｓＰ層を用い、かつ、前記ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層としてＧａＡｓＮを用いるとき、ＧａＡｓＰ層のＧａＡｓＰの組成をＧａＡｓ（１−ｘ）Ｐｘ（０＜ｘ≦０．２）とし、また、量子井戸活性層に隣接するＧａＡｓＮの厚さを１ｎｍ以上とすることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項９記載の発明は、光送信用光源として、請求項８記載の半導体発光素子が用いられることを特徴とする光送信用モジュールである。
【００１８】
また、請求項１０記載の発明は、光送信用モジュールとして、請求項９記載の光送信用モジュールが用いられることを特徴とする光通信システムである。
【００１９】
【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。
【００２０】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態は、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、量子井戸活性層に隣接して、量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられていることを特徴としている。
【００２１】
この第１の実施形態では、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、量子井戸活性層に隣接して、量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられているので、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供することができる。
【００２２】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる多重量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、各量子井戸活性層に隣接して、各量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられていることを特徴としている。
【００２３】
この第２の実施形態では、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる多重量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、各量子井戸活性層に隣接して、各量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられているので、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の多重量子井戸活性層を有する半導体発光素子を提供することができる。
【００２４】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態は、第１または第２の実施形態の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層は、ＧａＡｓに対して引っ張り歪を有していることを特徴としている。
【００２５】
この第３の実施形態では、第１または第２の実施形態の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層は、ＧａＡｓに対して引っ張り歪を有しているので、より歪補償を有利に行なうことができる。
【００２６】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態は、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる多重量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、各量子井戸活性層に隣接して、各量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられており、また、各量子井戸活性層間のバリア層が燐（Ｐ）または窒素（Ｎ）を含む引っ張り歪を有する層であることを特徴としている。
【００２７】
この第４の実施形態では、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる多重量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、各量子井戸活性層に隣接して、各量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられており、また、各量子井戸活性層間のバリア層が燐（Ｐ）または窒素（Ｎ）を含む引っ張り歪を有する層であるので、量子井戸活性層間のバリア層を厚くしたくない場合でも、より有利に歪補償を行なうことが可能になり、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸活性層における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供することができる。
【００２８】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態は、第４の実施形態の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層は、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層の引っ張り歪が、各量子井戸活性層間のバリア層の歪に対して大きいことを特徴としている。
【００２９】
この第５の実施形態では、第４の実施形態の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層は、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層の引っ張り歪が、各量子井戸活性層間のバリア層の歪に対して大きいので、量子井戸活性層間のバリア層（障壁層）を比較的厚くしたい場合でも、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層による格子緩和を回避しつつ、より有利に歪補償を行なうことができ、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供することができる。
【００３０】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態は、第１乃至第５のいずれかの実施形態の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層と活性層とを有する多層構造中に、連続的に歪を変化させた組成傾斜層が含まれていることを特徴としている。
【００３１】
この第６の実施形態では、第１乃至第５のいずれかの実施形態の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層と活性層とを有する多層構造中に、連続的に歪を変化させた組成傾斜層が含まれており、歪差の大きな層の間を組成傾斜層にすることで、活性層近傍の歪場を軽減でき高信頼性の半導体発光素子を提供することができる。
【００３２】
（第７の実施形態）
本発明の第７の実施形態は、第１乃至第５のいずれかの実施形態の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層としてＧａＡｓＰ層を用い、かつ、前記ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層としてＧａＡｓＮを用いるとき、ＧａＡｓＰ層のＧａＡｓＰの組成をＧａＡｓ（１−ｘ）Ｐｘ（０＜ｘ≦０．２）とし、また、量子井戸活性層に隣接するＧａＡｓＮの厚さを１ｎｍ以上とすることを特徴としている。
【００３３】
この第７の実施形態では、第１乃至第５のいずれかの実施形態の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層としてＧａＡｓＰ層を用い、かつ、前記ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層としてＧａＡｓＮを用いるとき、ＧａＡｓＰ層のＧａＡｓＰの組成をＧａＡｓ（１−ｘ）Ｐｘ（０＜ｘ≦０．２）とし、また、量子井戸活性層に隣接するＧａＡｓＮの厚さを１ｎｍ以上とすることで、前記ＧａＡｓＰの組成範囲において、量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止するのに十分なＧａＡｓＮの厚さを得ることができる。
【００３４】
（第８の実施形態）
本発明の第８の実施形態は、第１乃至第７のいずれかの実施形態の半導体発光素子において、半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであることを特徴としている。
【００３５】
この第８の実施形態では、第１乃至第７のいずれかの実施形態の半導体発光素子において、半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであるので、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止し、かつ厚い半導体多層膜反射鏡上に成長するために生じやすい結晶品質の低下と、活性層の上部に厚い半導体多層膜反射鏡を成長することによって生じやすい表面モホロジの低下とを防止でき、高品質，高信頼性の面発光型半導体レーザ素子を提供することができる。
【００３６】
（第９の実施形態）
本発明の第９の実施形態は、光送信用光源として、第８の実施形態の半導体発光素子が用いられることを特徴とする光送信用モジュールである。
【００３７】
この第９の実施形態は、光送信用光源として、第８の実施形態の半導体発光素子が用いられることを特徴とする光送信用モジュールであり、高性能の通信用長波長帯面発光型半導体レーザ素子を用いることで、高品質，高信頼性の光送信用モジュールを達成することができる。
【００３８】
（第１０の実施形態）
本発明の第１０の実施形態は、光送信用モジュールとして、第９の実施形態の光送信用モジュールが用いられることを特徴とする光通信システムである。
【００３９】
この第１０の実施形態は、光送信用モジュールとして、第９の実施形態の光送信用モジュールが用いられることを特徴とする光通信システムであるので、高品質，高信頼性の光通信システムを提供することができる。
【００４０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００４１】
（実施例１）
実施例１は、第１，第３，第７の実施形態に対応する実施例である。図３は実施例１の半導体発光素子を示す図である。図３の半導体発光素子は、単一量子井戸構造での端面発光型半導体レーザとなっており、ｎ−ＧａＡｓ基板上に、ｎ−ＧａＩｎＰクラッド層（厚さ２μｍ）、ＧａＡｓガイド層（厚さ０．１μｍ）、歪補償構造を有する活性領域（ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層を含む活性領域）、ＧａＡｓガイド層（厚さ０．１μｍ）、ｐ−ＧａＩｎＰクラッド層（厚さ２μｍ）、ｐ−コンタクト層（厚さ０．１μｍ）が形成されている。そして、基板の裏面とｐ−コンタクト層上には、それぞれ対応する電極（ｎ−電極，ｐ−電極）が設けられている。
【００４２】
この実施例１では、歪補償構造を有する活性領域（ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層を含む活性領域）は、下側から、ＧａＡｓ０．８Ｐ０．２層（厚さ１０ｎｍ）、ＧａＡｓ０．９８７Ｎ０．０１３層（厚さ１ｎｍ）、Ｇａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１Ａｓ０．９９量子井戸活性層（厚さ８ｎｍ）、ＧａＡｓ０．９８７Ｎ０．０１３層（厚さ１ｎｍ）、ＧａＡｓ０．８Ｐ０．２層（厚さ１０ｎｍ）により形成されている。この組成においては、各層のＧａＡｓに対する歪は、ＧａＡｓＰが−０．７１％、ＧａＡｓＮが−０．２６％、ＧａＩｎＮＡｓが＋１．９％である。
【００４３】
図３のレーザ構造は、例えば有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によるエピタキシャル成長で作製することができる。この場合、ＩＩＩ族原料の有機金属化合物として例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ），トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いることができ、Ｖ族原料としては例えばＡｓＨ３，ＰＨ３，ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）を用いることができる。また、ｎ型のドーパントとしては例えばＨ２Ｓｅを用い、ｐ型のドーパントとしては例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いることができる。これらの原料を所定の圧力（例えば１００ｔｏｒｒ）に保った反応管内にＨ２キャリアガスによって導入し、基板上で例えば熱によって分解することで、基板上に所定の半導体結晶をエピタキシャル成長することができる。この実施例１では、ＭＯＣＶＤ法により図３のような構造の端面型半導体レーザを結晶成長したが、本発明はＭＯＣＶＤ法以外の方法、例えばＭＢＥ法などによってもその構造を作製することが可能である。
【００４４】
上述のように成長した活性層の構成では、図４に示したような伝導帯バンド構造を取ることになる。このようなバンド構造では、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層とＧａＡｓＰ歪補償層との間のＧａＡｓＮ層の厚さとＮ組成によって、井戸における量子準位が変化する。図５には、ＧａＡｓＰの組成をＧａＡｓ（１−ｘ）Ｐｘ（ｘ＝０．２）とし、ＧａＩｎＮＡｓ層の厚さを８ｎｍとし、ＧａＡｓＮ層の厚さを変化させたときの量子準位の変化を計算した結果が示されている。図５において、ＧａＡｓＮ層の厚さが０ｎｍの時の値がＧａＩｎＮＡｓとＧａＡｓＰを隣接させた構造での量子準位に当たり、量子準位が高くなることでレーザの発光波長が短波長にシフトすることが分かる。ＧａＩｎＮＡｓにおいては波長を長波長化するには、Ｉｎ組成を上げて歪を大きくするか、Ｎ組成を上げる必要があるが、歪の増大は格子緩和を招きやすく、転位等の欠陥が生じやすい。また、Ｎ組成を上げるのは、その非混和性のため良質の結晶を得ることが難しく、結晶成長に困難が伴う。このように、短波長化を補うためにＧａＩｎＮＡｓ結晶自体の長波長化を行なうことには限界がある。
【００４５】
そのため、本発明のように、ＧａＡｓＮをＧａＡｓＰ歪補償層とＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層との間に設けることで短波長シフトを抑制することは、結晶成長の観点から見て非常にメリットが大きい。ＧａＡｓＮはＧａＡｓに比べて伝導帯準位が低いため、比較的薄い層で短波長化を十分に抑制することができる。さらに、ＧａＡｓＮもＧａＡｓに対して引っ張り歪を有する結晶であるため、歪補償の効果も期待できる。図５によれば、Ｎ組成が１．３％のときには、およそ０．４ｎｍ以上の厚さで量子準位がＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸構造の準位以下となり、短波長シフトが抑止されることが分かる。また、Ｎ組成がかなり低い０．２％の場合でもおよそ１ｎｍの厚さで十分な短波長シフトの抑制を図ることが可能である。このように、上記のＧａＡｓＰとＧａＡｓＮを組み合わせた歪補償構造では、ＧａＡｓ（１−ｘ）Ｐｘ（ｘ＝０．２）のＧａＡｓＰに対してＧａＡｓ１−ｙＮｙ（０．００２≦ｙ≦０．０１３）のＧａＡｓＮの厚さが０．４ｎｍから１ｎｍの範囲で短波長シフトを抑止するに足るＧａＡｓＮの膜厚を得ることができる。つまり、組成範囲がＧａＡｓ（１−ｘ）Ｐｘ（０＜ｘ≦０．２）でのＧａＡｓＰとの組み合わせでは、結晶作製の容易な比較的Ｎ組成の低いＧａＡｓＮにおいても、最悪１ｎｍの厚さがあれば十分短波長化の抑止効果が期待できるということがわかる。また、ＧａＡｓＮのＮ組成を高くするとバンドギャップ不連続量が小さくなってキャリアのオーバーフローが起きやすくなってしまうので、低いＮ組成のＧａＡｓＮを用いることができるのは好ましいといえる。
【００４６】
また、この実施例１での歪補償の効果は以下の様になる。すなわち、歪補償のない状態では１．９％の圧縮歪を有する活性層が８ｎｍあることになるが、この実施例１では、ＧａＡｓＰとＧａＡｓＮの歪補償効果を合わせると、活性層全体の歪の平均は０．０２％以下になっており、十分な歪低減効果が得られることが分かる。この実施例１では、ＧａＡｓＮを用いることで歪補償効果も得ているが、本発明はＧａＡｓＮに限定されるわけではない。仮にＧａＡｓＰ層だけでも十分に歪補償効果が得られるのであれば、特にＧａＡｓＮのような引っ張り歪を有するもの以外でもＮを含むことで伝導帯バンドがＧａＡｓよりも低く量子井戸活性層よりも高くなっている材料（例えばＧａＡｓＮＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓ（井戸活性層とは別組成）、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等）を用いれば、短波長化の抑止効果は得ることが可能であるし、またその上で引っ張り歪を有するのであれば、歪補償の効果も加味されることになる。
【００４７】
また、実施例１ではＧａＡｓＰを用いた例について述べたが、本発明は何もＧａＡｓＰに限る効果ではない。仮にＧａＡｓＰにわずかにＮが入っているＧａＡｓＮＰや、Ｓｂがわずかに含まれるＧａＡｓＳｂＰなどＰが含まれることで伝導帯バンドがＧａＡｓより高くなっている層を用いることによる短波長化についても抑制する効果が十分得られる。
【００４８】
また、上述の例では、活性層の材料としてＧａＩｎＮＡｓを用いているが、これは何もＧａＩｎＮＡｓに限定されない。例えばＧａＩｎＮＡｓＰ，ＧａＩｎＮＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂなどの、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む混晶半導体は圧縮歪を有する形で半導体発光素子の材料として用いることができるが、このような材料系に対しても本発明は有効である。
【００４９】
また、この実施例１では、ＧａＡｓＮとＧａＡｓＰとのそれぞれ１層での組み合わせでの例が示されているが、これは何もそれぞれ１層ずつに限定されない。図６に示すように例えばＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層としてＧａＡｓＰを異なる組成の２層にしたりしてもかまわない。また、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層が例えば図７のように２層になっていてもかまわない。ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層による短波長化を抑制するのに十分な範囲でＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層との組み合わせを作れれば良いので、それぞれが互いに複数の層であってもかまわない。
【００５０】
以上のように、この実施例１によって作製された端面発光型半導体レーザにおいては、ＧａＡｓＰ／ＧａＡｓＮの２層からなる歪補償構造をＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層に隣接させたことで、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供できる。
【００５１】
（実施例２）
実施例２は、第２の実施形態に対応する実施例である。図８は実施例２の半導体発光素子を示す図である。図８の半導体発光素子の基本構成は、実施例１の半導体発光素子と全く同一であり、活性層を多重量子井戸構造（この実施例２ではＤＱＷ構造）としたものである。量子井戸活性層とそれを挟む歪補償構造の厚さと組成は実施例１と同一であり、ＧａＡｓＰ間のバリア層としてＧａＡｓが５ｎｍの厚さで成長されている。この場合の伝導帯バンド図は、図９のようなものになる。多重量子井戸構造では、歪補償を行なわなかった場合には歪の大きな量子井戸を多重に設けることになり、単一量子井戸構造に比べて、歪による欠陥、および信頼性などの問題点が大きくなる。そのため、本発明は多重量子井戸構造に適用することでより良好な効果を期待できる。すなわち、本発明の歪補償構造を設けることにより、歪を補償して、より高品質，高信頼性を得つつ、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層による短波長シフトを抑止した半導体発光素子を多重量子井戸構造で作製することが可能になる。
【００５２】
（実施例３）
実施例３は、第４の実施形態に対応する実施例である。図１０は実施例３の半導体発光素子を示す図である。図１０の半導体発光素子の基本構成は、実施例２の半導体発光素子と同じであり、多重量子井戸構造におけるバリア層をＧａＡｓからＧａＡｓＰに変更したものである。この場合の伝導帯バンド図を図１１に示す。この構造の利点は、単純にＧａＡｓバリア層にした場合に比べて引っ張り歪を有する層が厚くとれるので、歪補償に有利な点である。また、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層間のバリア層の厚さをそれほど厚くしたくない場合には、ＧａＡｓバリア層を入れると必然的に歪補償を担うＧａＡｓＰ層の厚さを薄くしなくてはならず、そのような場合はＧａＡｓバリアではなくＧａＡｓＰのバリア層にしてしまえば歪補償に有利に働く。当然、このときのＧａＡｓＰ層は引っ張り歪の大きさと厚さの組み合わせが、格子緩和を起こさない範囲にしてあればよい。また、この実施例３では、バリア層としてＧａＡｓＰを用いているが、この際のバリア層は何もＧａＡｓＰに限定されない。例えばＧａＡｓＰＳｂやＧａＡｓＮＳｂ，ＧａＡｓＮＰなどの引っ張り歪を有する層であれば、ＧａＡｓと比較して歪補償には有利に働くのでかまわない。
【００５３】
このように、燐（Ｐ）または窒素（Ｎ）を含み引っ張り歪を有するバリア層で多重量子井戸構造に歪補償層を設けることで、量子井戸活性層間のバリア層を厚くしたくない場合でも、より有利に歪補償を行なうことが可能になり、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供できる。
【００５４】
（実施例４）
実施例４は、第５の実施形態に対応する実施例である。図１２は実施例４の半導体発光素子を示す図である。図１２の半導体発光素子の基本構成は、実施例２の半導体発光素子と同じであり、多重量子井戸構造におけるバリア層をＧａＡｓからＧａＡｓＮに変更したものである。この場合の伝導帯バンド図を図１３に示す。前述した実施例３の構成はＧａＩｎＮＡｓ量子井戸間のバリア層の厚さをそれほど厚くしたくない場合には有効であるが、逆にバリア層を厚めにしようとした場合、通常低めのＰ組成を有するＧａＡｓＰではそれほど問題ないが、燐（Ｐ）組成が高めでＧａＡｓＰの結晶の歪が大きめだった時にはバリア層をＧａＡｓＰにしてしまうとＧａＡｓＰのトータル厚さが臨界膜厚を越えて格子緩和してしまう可能性が出てくる。また、格子緩和をしない範囲の厚さであっても、歪が大きな層をある程度の厚さ以上成長した場合、ＧａＡｓＰの結晶品質が低下する可能性が高くなる。このような場合には、バリア層として比較的Ｎ組成が小さく、歪がＧａＡｓＰよりも小さいＧａＡｓＮを用いることで、ＧａＡｓＰの厚さをある程度薄く保って、格子緩和やＧａＡｓＰの結晶品質の低下を回避することが可能になる。また、このＧａＡｓＮは、ＧａＡｓＰに比べては小さいが引っ張り歪を有していることにより、若干の歪補償効果を得ることも可能になっている。当然、それぞれのＧａＡｓＰの厚さは、格子緩和や結晶品質の低下が起きない範囲であれば任意の厚さを取ることが可能である。この実施例４では、バリア層としてＧａＡｓＮを例として用いたが、バリア層としては何もＧａＡｓＮに限定されない。例えばＧａＡｓＰＳｂやＧａＡｓＮＳｂ，ＧａＡｓＰ（別組成），ＧａＡｓＮＰなどの引っ張り歪を有する層で、歪がＧａＡｓＰよりも小さくなるように組成を調整したものであればかまわない。
【００５５】
このように、この実施例４では、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層の引っ張り歪と比較して各量子井戸活性層間のバリア層の歪が小さいことで、量子井戸活性層間の障壁層（バリア層）を比較的厚くしたい場合でも、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層による格子緩和を回避しつつ歪補償を行なえるので、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供できる。
【００５６】
（実施例５）
実施例５は第６の実施形態に対応する実施例である。図１４は実施例５の半導体発光素子を示す図である。また図１５はそのバンド図を模式的に示したものである。
【００５７】
この実施例５は、半導体レーザとしての基本構成は実施例１とほぼ同一であるが、ＧａＡｓＰとＧａＡｓＮとの間に、ＧａＡｓＰのＰ組成を０．０５〜０．２で傾斜させた組成傾斜層を設けている点で、実施例１と相違している。例えばＧａＡｓＮとＧａＡｓＰの歪差が大きい場合は、ＧａＡｓＮとＧａＡｓＰを直接隣接させた場合に大きな歪場が生じ、信頼性の面で悪影響を及ぼしたり、結晶成長の際に結晶性の悪化を招く懸念がある。このような場合、実施例５のように組成傾斜層を設けることで、連続的に歪を変化させることができ、信頼性の向上や、結晶性の悪化防止を図ることができる。
【００５８】
このような組成傾斜層は、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層と活性層との間に設けても良い。例えば図１６に示すようにＧａＩｎＮＡｓ（活性層と別組成）のインジウム（Ｉｎ）を徐々に０まで減らしてＧａＡｓＮへとつなぐような構造を取ることで、活性層とＧａＡｓＮとの間に生じる歪場を軽減する効果を得て、信頼性の向上や、活性層の結晶性向上を図ることが可能になる。
【００５９】
このように、実施例５では、歪差の大きな層の間を組成傾斜層にすることで、活性層近傍において、互いに歪差の大きな層同士を隣接させた場合に生じる歪場を軽減でき、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供することができる。
【００６０】
（実施例６）
実施例６は、第７の実施形態に対応する実施例である。図１７は実施例６の半導体発光素子を示す図である。なお、この半導体発光素子は面発光型半導体レーザとなっている。この実施例６においては、多重量子井戸活性層の構成は、実施例４と同じであり、ＤＱＷ構造でバリアをＧａＡｓＮとしたものである。
【００６１】
この実施例６においては、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡、ＧａＡｓ下部スペーサ層、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＮ／ＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層、ＧａＡｓ上部スペーサ層、ＡｌＡｓ層、ｐ型半導体多層膜反射鏡が順次形成されている。
【００６２】
ここで、ｎ型半導体多層膜反射鏡は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ低屈折率層とを交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成されている。同様に、ｐ型半導体多層膜反射鏡も、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層とｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ低屈折率層とを交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成されている。
【００６３】
また、ＧａＡｓ下部スペーサ層からＧａＡｓ上部スペーサ層までの多重量子井戸活性層を含む領域は、λ共振器を構成している。
【００６４】
実施例６では、上記積層構造を、ｎ型半導体多層膜反射鏡に達するまで円筒状にエッチングして、メサ構造が形成されている。メササイズは例えば約３０μｍφとなっている。そして、エッチングして表面が露出した側面からＡｌＡｓ層を選択的に酸化させ、ＡｌＯｘ絶縁領域を形成することにより、電流狭窄構造が形成されている。電流は、ＡｌＯｘ絶縁領域によって例えばおよそ５μｍの直径の酸化開口領域に集中して活性層に注入される。
【００６５】
また、ｐ型半導体多層膜反射鏡の表面には、リング状のｐ側電極が形成され、また、ｎ型ＧａＡｓ基板の裏面には、ｎ側電極が形成されている。
【００６６】
実施例６のレーザでは、多重量子井戸活性層で発光した光は、上下の半導体多層膜反射鏡で反射して増幅され、レーザ光を基板と垂直方向に放射する。
【００６７】
ＧａＡｓ基板上での半導体多層膜反射鏡としては、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ積層型がもっとも容易に高性能の反射鏡を作製でき、かつ電気特性も良好なため利用しやすい。
【００６８】
しかし、例えばＧａＩｎＮＡｓを用いた１．３μｍ帯での面発光型半導体レーザにおいては、有効な反射率を得られる半導体多層膜反射鏡は基板側のｎ型側が３５ペア程度でおよそ７μｍの厚さになり、レーザーの出射口側であるｐ型側が２６ペア程度でおよそ５．２μｍの厚さになる。このように厚い半導体多層膜反射鏡を成長した場合、その表面の平坦性はＧａＡｓ基板の初期状態に比較して悪化しやすく、この平坦性の悪化した状態の上に歪の大きなＧａＩｎＮＡｓなどの量子井戸活性層を成長した場合、膜が３次元成長しやすく、良質の活性層を得ることが難しくなることが知られている。また、３次元成長をした表面性の悪い活性層の上に半導体多層膜反射鏡を成長した場合、その厚さが厚くなるにつれてモホロジの悪化が顕著になりやすい。端面発光型半導体レーザにおいてはほとんど表面モホロジの悪化が見られないような程度の結晶品質を有する活性層でも、面発光型半導体レーザとして成長した場合には顕著に表面モホロジの悪化が見られることがある。このようなモホロジの悪化は半導体多層膜反射鏡の反射率などの悪化を招く。そのため、面発光型半導体レーザにおいては端面発光型半導体レーザと比較して、活性層の歪を補償してやる必要性が高く、またその有効性も高いといえる。
【００６９】
この実施例６においては、ＧａＡｓＰ／ＧａＡｓＮの２層からなる歪補償構造をＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層に隣接させたことで、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止し、かつ厚い半導体多層膜反射鏡上に成長するために生じやすい結晶品質の低下と、活性層の上部に厚い半導体多層膜反射鏡を成長することによって生じやすい表面モホロジの低下を防止でき、高品質，高信頼性の面発光型半導体レーザ素子を提供できる。
【００７０】
（実施例７）
実施例７は、第９，第１０の実施形態に対応する実施例である。図１８は実施例７の光送受信モジュールを示す図である。図１８の光送受信モジュールは、実施例６の面発光型半導体レーザ素子と、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。
【００７１】
本発明による面発光型半導体レーザ素子を光通信システムに用いる場合、面発光型半導体レーザ素子は低コストであるので、図１８に示すような送信用の面発光型半導体レーザ素子（例えば１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子）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安価に得られる。
【００７２】
ＧａＩｎＮＡｓを用いた面発光型半導体レーザは、１．３〜１．５μｍ帯での発振を得られる素子であり、これらの波長では石英系の光ファイバに対しての損失が少ないなどの理由により、通信用の光源として好適であるとされている。さらには、特に１．３μｍ等の長波長帯で低損失となるフッ素添加ＰＯＦ（プラスチックファイバ）とＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いた面発光型半導体レーザとを組み合わせると、ファイバが低コストであること、ファイバの径が大きくてファイバとのカップリングが容易で実装コストを低減できることから、極めて低コストのモジュールを実現できる。また、ＧａＩｎＮＡｓは、その優れた温度特性から、強力な冷却用の構成を必要としない。そのため、冷却用のコストが削減でき、安価な光通信モジュールを得られる。
【００７３】
光通信用光源として考えた場合、面発光型半導体レーザの信頼性は非常に重要である。本発明では、ＧａＡｓＰ／ＧａＡｓＮの２層からなる歪補償構造を、Ｎとその他のＶ族元素を含む半導体層からなる量子井戸活性層に隣接させたことで、高品質，高信頼性の面発光型半導体レーザ素子を製造することがより容易に行なえるようになり、高性能の通信用長波長帯面発光型半導体レーザ素子を実現でき、さらにこれらの素子を用いることで、低コストの光ファイバー通信システム，光インターコネクションシステムなどの光通信システムを実現することができる。
【００７４】
【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、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、量子井戸活性層に隣接して、量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられているので、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供することができる。
【００７５】
また、請求項２記載の発明によれば、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる多重量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、各量子井戸活性層に隣接して、各量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられているので、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の多重量子井戸活性層を有する半導体発光素子を提供することができる。
【００７６】
また、請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層は、ＧａＡｓに対して引っ張り歪を有しているので、より歪補償を有利に行なうことができる。
【００７７】
また、請求項４記載の発明によれば、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる多重量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、各量子井戸活性層に隣接して、各量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられており、また、各量子井戸活性層間のバリア層が燐（Ｐ）または窒素（Ｎ）を含む引っ張り歪を有する層であるので、量子井戸活性層間のバリア層を厚くしたくない場合でも、より有利に歪補償を行なうことが可能になり、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸活性層における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供することができる。
【００７８】
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、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層は、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層の引っ張り歪が、各量子井戸活性層間のバリア層の歪に対して大きいので、量子井戸活性層間のバリア層（障壁層）を比較的厚くしたい場合でも、Ｐを含み引っ張り歪を有する層による格子緩和を回避しつつ、より有利に歪補償を行なうことができ、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供することができる。
【００７９】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層と活性層とを有する多層構造中に、連続的に歪を変化させた組成傾斜層が含まれており、歪差の大きな層の間を組成傾斜層にすることで、活性層近傍において、互いに歪差の大きな層同士を隣接させた場合に生じる歪場を軽減でき、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供することができる。
【００８０】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層としてＧａＡｓＰ層を用い、かつ、前記ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層としてＧａＡｓＮを用いるとき、ＧａＡｓＰ層のＧａＡｓＰの組成をＧａＡｓ（１−ｘ）Ｐｘ（０＜ｘ≦０．２）とし、また、量子井戸活性層に隣接するＧａＡｓＮの厚さを１ｎｍ以上とすることにより、前記ＧａＡｓＰの組成範囲において、量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止するのに十分なＧａＡｓＮの厚さを得ることができる。
【００８１】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであるので、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止し、かつ厚い半導体多層膜反射鏡上に成長するために生じやすい結晶品質の低下と、活性層の上部に厚い半導体多層膜反射鏡を成長することによって生じやすい表面モホロジの低下とを防止でき、高品質，高信頼性の面発光型半導体レーザ素子を提供することができる。
【００８２】
また、請求項９記載の発明によれば、光送信用光源として、請求項８記載の半導体発光素子が用いられることを特徴とする光送信用モジュールであり、高性能の通信用長波長帯面発光型半導体レーザ素子を用いることで、高品質，高信頼性の光送信用モジュールを達成することができる。
【００８３】
また、請求項１０記載の発明によれば、光送信用モジュールとして、請求項９記載の光送信用モジュールが用いられることを特徴とする光通信システムであるので、高品質，高信頼性の光通信システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の問題点を説明するための図である。
【図２】従来の問題点を説明するための図である。
【図３】実施例１の半導体発光素子を示す図である。
【図４】実施例１の半導体発光素子の伝導帯バンド構造を示す図である。
【図５】ＧａＡｓＰの組成をＧａＡｓ（１−ｘ）Ｐｘ（ｘ＝０．２）とし、ＧａＩｎＮＡｓ層の厚さを８ｎｍとし、ＧａＡｓＮ層の厚さを変化させたときの量子準位の変化を計算した結果を示す図である。
【図６】実施例１の半導体発光素子で、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐を含み引っ張り歪を有する層を複数とした時の伝導帯バンド構造を示す図である。
【図７】実施例１の半導体発光素子で、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素を含む層を複数とした時の伝導帯バンド構造を示す図である。
【図８】実施例２の半導体発光素子を示す図である。
【図９】実施例２の半導体発光素子の伝導帯バンド構造を示す図である。
【図１０】実施例３の半導体発光素子を示す図である。
【図１１】実施例３の半導体発光素子の伝導帯バンド構造を示す図である。
【図１２】実施例４の半導体発光素子を示す図である。
【図１３】実施例４の半導体発光素子の伝導帯バンド構造を示す図である。
【図１４】実施例５の半導体発光素子を示す図である。
【図１５】実施例５の半導体発光素子の伝導帯バンド構造を示す図である。
【図１６】実施例５の半導体発光素子で、組成傾斜層をＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素を含む層と活性層との間に設けた時の伝導帯バンド構造を示す図である。
【図１７】実施例６の半導体発光素子を示す図である。
【図１８】実施例７の光送受信モジュールを示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子および光送信用モジュールおよび光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体が半導体発光素子の材料として注目されている。特にＧａＩｎＮＡｓは、現在の光通信システムで用いられる光ファイバーに対して低損失の波長域である１．３μｍ帯でのレーザ発振が可能であるため、盛んに研究開発が行なわれている材料である。ＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓＮとＧａＩｎＡｓとの混晶であり、伝導帯準位はＮ組成に対する依存性に大きなボーイングパラメータを有するため、圧縮歪を加えたＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓとの組み合わせでタイプＩ型のヘテロ接合を形成できる。ＧａＩｎＮＡｓとＧａＡｓとの組み合わせで構成する量子井戸活性層においては、伝導帯のバンドギャップ不連続量が大きく、キャリアのオーバーフローが起きにくいため、良好な温度特性を有する半導体発光素子を提供することができる。また、ＧａＩｎＮＡｓは、圧縮歪を加えて用いるため、しきい電流の低減および発振波長の長波長化に対しても有利である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＧａＩｎＮＡｓは、上記ような歪を有するために、格子緩和などで転位などの欠陥が入りやすく、良質な活性層を得ることが困難であった。また、初期には欠陥が少なくても経時的にも歪により欠陥が増殖し、特性の経時的劣化を招くという問題もある。
【０００４】
このような問題を解決するための手法としては、活性層の歪と逆方向の歪を有する結晶層を活性層近傍に導入することで活性層近傍でのトータルの歪を補償する歪補償層（ｓｔｒａｉｎ−ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ ｌａｙｅｒ）を用いる方法が近年行なわれるようになってきている。
【０００５】
ＧａＩｎＮＡｓにおいては、活性層と逆の引っ張り歪を有する歪補償層として、ＧａＡｓＰおよびＧａＡｓＮが用いられている。しかしながら、歪補償層を活性層に隣接して設ける場合、ＧａＡｓＰ，ＧａＡｓＮをそれぞれ用いる歪補償層では、以下のような問題点が存在する。
【０００６】
例えば文献「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７８，９１（２００１）」にて報告されているように、ＧａＡｓＰのみで歪補償層を活性層に隣接させた場合、ＧａＡｓＰの方がＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く、伝導帯バンドのバンドギャップ不連続量が大きくなり、結果として量子準位が高くなり、発光波長の短波長化を招いてしまう（図１を参照）。このことにより、ＧａＡｓとの組み合わせで作った量子井戸活性層と同じ発光波長を得るためには、ＧａＩｎＮＡｓ活性層の歪を大きくしたり、窒素（Ｎ）組成を増加させる必要がある。しかし、活性層の歪を大きくするのは格子緩和などの原因であり好ましくなく、また、Ｎ組成を増加させると非混和性が高いことから良質の結晶成長が困難になるので好ましくない。
【０００７】
また、ＧａＡｓＮのみで歪補償層を活性層に隣接させた場合は、逆に、ＧａＡｓＮの方がＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く、伝導帯バンドのバンドギャップ不連続量が小さくなり、半導体発光素子の温度特性が悪化してしまう（図２を参照）。伝導帯バンドの不連続量が小さくなるのを避けるにはＮの組成を低くする必要があるが、そうなると引っ張り歪の大きさが小さくなり、歪補償の効果が低下してしまう。
【０００８】
本発明は、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む混晶半導体を用いた半導体発光素子において、発光波長を短波長化することなく、歪補償の効果を大きくすることの可能な半導体発光素子および光送信用モジュールおよび光通信システムを提供することを目的としている。
【０００９】
【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、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、量子井戸活性層に隣接して、量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられていることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる多重量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、各量子井戸活性層に隣接して、各量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられていることを特徴としている。
【００１１】
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、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層は、ＧａＡｓに対して引っ張り歪を有していることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項４記載の発明は、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる多重量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、各量子井戸活性層に隣接して、各量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられており、また、各量子井戸活性層間のバリア層が燐（Ｐ）または窒素（Ｎ）を含む引っ張り歪を有する層であることを特徴としている。
【００１３】
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、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層は、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層の引っ張り歪が、各量子井戸活性層間のバリア層の歪に対して大きいことを特徴としている。
【００１４】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層と活性層とを有する多層構造中に、連続的に歪を変化させた組成傾斜層が含まれていることを特徴とする半導体発光素子。
【００１５】
また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層としてＧａＡｓＰ層を用い、かつ、前記ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層としてＧａＡｓＮを用いるとき、ＧａＡｓＰ層のＧａＡｓＰの組成をＧａＡｓ（１−ｘ）Ｐｘ（０＜ｘ≦０．２）とし、また、量子井戸活性層に隣接するＧａＡｓＮの厚さを１ｎｍ以上とすることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項９記載の発明は、光送信用光源として、請求項８記載の半導体発光素子が用いられることを特徴とする光送信用モジュールである。
【００１８】
また、請求項１０記載の発明は、光送信用モジュールとして、請求項９記載の光送信用モジュールが用いられることを特徴とする光通信システムである。
【００１９】
【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。
【００２０】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態は、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、量子井戸活性層に隣接して、量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられていることを特徴としている。
【００２１】
この第１の実施形態では、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、量子井戸活性層に隣接して、量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられているので、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供することができる。
【００２２】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる多重量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、各量子井戸活性層に隣接して、各量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられていることを特徴としている。
【００２３】
この第２の実施形態では、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる多重量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、各量子井戸活性層に隣接して、各量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられているので、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の多重量子井戸活性層を有する半導体発光素子を提供することができる。
【００２４】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態は、第１または第２の実施形態の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層は、ＧａＡｓに対して引っ張り歪を有していることを特徴としている。
【００２５】
この第３の実施形態では、第１または第２の実施形態の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層は、ＧａＡｓに対して引っ張り歪を有しているので、より歪補償を有利に行なうことができる。
【００２６】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態は、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる多重量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、各量子井戸活性層に隣接して、各量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられており、また、各量子井戸活性層間のバリア層が燐（Ｐ）または窒素（Ｎ）を含む引っ張り歪を有する層であることを特徴としている。
【００２７】
この第４の実施形態では、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる多重量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、各量子井戸活性層に隣接して、各量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられており、また、各量子井戸活性層間のバリア層が燐（Ｐ）または窒素（Ｎ）を含む引っ張り歪を有する層であるので、量子井戸活性層間のバリア層を厚くしたくない場合でも、より有利に歪補償を行なうことが可能になり、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸活性層における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供することができる。
【００２８】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態は、第４の実施形態の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層は、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層の引っ張り歪が、各量子井戸活性層間のバリア層の歪に対して大きいことを特徴としている。
【００２９】
この第５の実施形態では、第４の実施形態の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層は、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層の引っ張り歪が、各量子井戸活性層間のバリア層の歪に対して大きいので、量子井戸活性層間のバリア層（障壁層）を比較的厚くしたい場合でも、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層による格子緩和を回避しつつ、より有利に歪補償を行なうことができ、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供することができる。
【００３０】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態は、第１乃至第５のいずれかの実施形態の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層と活性層とを有する多層構造中に、連続的に歪を変化させた組成傾斜層が含まれていることを特徴としている。
【００３１】
この第６の実施形態では、第１乃至第５のいずれかの実施形態の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層と活性層とを有する多層構造中に、連続的に歪を変化させた組成傾斜層が含まれており、歪差の大きな層の間を組成傾斜層にすることで、活性層近傍の歪場を軽減でき高信頼性の半導体発光素子を提供することができる。
【００３２】
（第７の実施形態）
本発明の第７の実施形態は、第１乃至第５のいずれかの実施形態の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層としてＧａＡｓＰ層を用い、かつ、前記ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層としてＧａＡｓＮを用いるとき、ＧａＡｓＰ層のＧａＡｓＰの組成をＧａＡｓ（１−ｘ）Ｐｘ（０＜ｘ≦０．２）とし、また、量子井戸活性層に隣接するＧａＡｓＮの厚さを１ｎｍ以上とすることを特徴としている。
【００３３】
この第７の実施形態では、第１乃至第５のいずれかの実施形態の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層としてＧａＡｓＰ層を用い、かつ、前記ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層としてＧａＡｓＮを用いるとき、ＧａＡｓＰ層のＧａＡｓＰの組成をＧａＡｓ（１−ｘ）Ｐｘ（０＜ｘ≦０．２）とし、また、量子井戸活性層に隣接するＧａＡｓＮの厚さを１ｎｍ以上とすることで、前記ＧａＡｓＰの組成範囲において、量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止するのに十分なＧａＡｓＮの厚さを得ることができる。
【００３４】
（第８の実施形態）
本発明の第８の実施形態は、第１乃至第７のいずれかの実施形態の半導体発光素子において、半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであることを特徴としている。
【００３５】
この第８の実施形態では、第１乃至第７のいずれかの実施形態の半導体発光素子において、半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであるので、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止し、かつ厚い半導体多層膜反射鏡上に成長するために生じやすい結晶品質の低下と、活性層の上部に厚い半導体多層膜反射鏡を成長することによって生じやすい表面モホロジの低下とを防止でき、高品質，高信頼性の面発光型半導体レーザ素子を提供することができる。
【００３６】
（第９の実施形態）
本発明の第９の実施形態は、光送信用光源として、第８の実施形態の半導体発光素子が用いられることを特徴とする光送信用モジュールである。
【００３７】
この第９の実施形態は、光送信用光源として、第８の実施形態の半導体発光素子が用いられることを特徴とする光送信用モジュールであり、高性能の通信用長波長帯面発光型半導体レーザ素子を用いることで、高品質，高信頼性の光送信用モジュールを達成することができる。
【００３８】
（第１０の実施形態）
本発明の第１０の実施形態は、光送信用モジュールとして、第９の実施形態の光送信用モジュールが用いられることを特徴とする光通信システムである。
【００３９】
この第１０の実施形態は、光送信用モジュールとして、第９の実施形態の光送信用モジュールが用いられることを特徴とする光通信システムであるので、高品質，高信頼性の光通信システムを提供することができる。
【００４０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００４１】
（実施例１）
実施例１は、第１，第３，第７の実施形態に対応する実施例である。図３は実施例１の半導体発光素子を示す図である。図３の半導体発光素子は、単一量子井戸構造での端面発光型半導体レーザとなっており、ｎ−ＧａＡｓ基板上に、ｎ−ＧａＩｎＰクラッド層（厚さ２μｍ）、ＧａＡｓガイド層（厚さ０．１μｍ）、歪補償構造を有する活性領域（ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層を含む活性領域）、ＧａＡｓガイド層（厚さ０．１μｍ）、ｐ−ＧａＩｎＰクラッド層（厚さ２μｍ）、ｐ−コンタクト層（厚さ０．１μｍ）が形成されている。そして、基板の裏面とｐ−コンタクト層上には、それぞれ対応する電極（ｎ−電極，ｐ−電極）が設けられている。
【００４２】
この実施例１では、歪補償構造を有する活性領域（ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層を含む活性領域）は、下側から、ＧａＡｓ０．８Ｐ０．２層（厚さ１０ｎｍ）、ＧａＡｓ０．９８７Ｎ０．０１３層（厚さ１ｎｍ）、Ｇａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１Ａｓ０．９９量子井戸活性層（厚さ８ｎｍ）、ＧａＡｓ０．９８７Ｎ０．０１３層（厚さ１ｎｍ）、ＧａＡｓ０．８Ｐ０．２層（厚さ１０ｎｍ）により形成されている。この組成においては、各層のＧａＡｓに対する歪は、ＧａＡｓＰが−０．７１％、ＧａＡｓＮが−０．２６％、ＧａＩｎＮＡｓが＋１．９％である。
【００４３】
図３のレーザ構造は、例えば有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によるエピタキシャル成長で作製することができる。この場合、ＩＩＩ族原料の有機金属化合物として例えばトリメチルガリウム（ＴＭＧ），トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いることができ、Ｖ族原料としては例えばＡｓＨ３，ＰＨ３，ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）を用いることができる。また、ｎ型のドーパントとしては例えばＨ２Ｓｅを用い、ｐ型のドーパントとしては例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を用いることができる。これらの原料を所定の圧力（例えば１００ｔｏｒｒ）に保った反応管内にＨ２キャリアガスによって導入し、基板上で例えば熱によって分解することで、基板上に所定の半導体結晶をエピタキシャル成長することができる。この実施例１では、ＭＯＣＶＤ法により図３のような構造の端面型半導体レーザを結晶成長したが、本発明はＭＯＣＶＤ法以外の方法、例えばＭＢＥ法などによってもその構造を作製することが可能である。
【００４４】
上述のように成長した活性層の構成では、図４に示したような伝導帯バンド構造を取ることになる。このようなバンド構造では、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層とＧａＡｓＰ歪補償層との間のＧａＡｓＮ層の厚さとＮ組成によって、井戸における量子準位が変化する。図５には、ＧａＡｓＰの組成をＧａＡｓ（１−ｘ）Ｐｘ（ｘ＝０．２）とし、ＧａＩｎＮＡｓ層の厚さを８ｎｍとし、ＧａＡｓＮ層の厚さを変化させたときの量子準位の変化を計算した結果が示されている。図５において、ＧａＡｓＮ層の厚さが０ｎｍの時の値がＧａＩｎＮＡｓとＧａＡｓＰを隣接させた構造での量子準位に当たり、量子準位が高くなることでレーザの発光波長が短波長にシフトすることが分かる。ＧａＩｎＮＡｓにおいては波長を長波長化するには、Ｉｎ組成を上げて歪を大きくするか、Ｎ組成を上げる必要があるが、歪の増大は格子緩和を招きやすく、転位等の欠陥が生じやすい。また、Ｎ組成を上げるのは、その非混和性のため良質の結晶を得ることが難しく、結晶成長に困難が伴う。このように、短波長化を補うためにＧａＩｎＮＡｓ結晶自体の長波長化を行なうことには限界がある。
【００４５】
そのため、本発明のように、ＧａＡｓＮをＧａＡｓＰ歪補償層とＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層との間に設けることで短波長シフトを抑制することは、結晶成長の観点から見て非常にメリットが大きい。ＧａＡｓＮはＧａＡｓに比べて伝導帯準位が低いため、比較的薄い層で短波長化を十分に抑制することができる。さらに、ＧａＡｓＮもＧａＡｓに対して引っ張り歪を有する結晶であるため、歪補償の効果も期待できる。図５によれば、Ｎ組成が１．３％のときには、およそ０．４ｎｍ以上の厚さで量子準位がＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸構造の準位以下となり、短波長シフトが抑止されることが分かる。また、Ｎ組成がかなり低い０．２％の場合でもおよそ１ｎｍの厚さで十分な短波長シフトの抑制を図ることが可能である。このように、上記のＧａＡｓＰとＧａＡｓＮを組み合わせた歪補償構造では、ＧａＡｓ（１−ｘ）Ｐｘ（ｘ＝０．２）のＧａＡｓＰに対してＧａＡｓ１−ｙＮｙ（０．００２≦ｙ≦０．０１３）のＧａＡｓＮの厚さが０．４ｎｍから１ｎｍの範囲で短波長シフトを抑止するに足るＧａＡｓＮの膜厚を得ることができる。つまり、組成範囲がＧａＡｓ（１−ｘ）Ｐｘ（０＜ｘ≦０．２）でのＧａＡｓＰとの組み合わせでは、結晶作製の容易な比較的Ｎ組成の低いＧａＡｓＮにおいても、最悪１ｎｍの厚さがあれば十分短波長化の抑止効果が期待できるということがわかる。また、ＧａＡｓＮのＮ組成を高くするとバンドギャップ不連続量が小さくなってキャリアのオーバーフローが起きやすくなってしまうので、低いＮ組成のＧａＡｓＮを用いることができるのは好ましいといえる。
【００４６】
また、この実施例１での歪補償の効果は以下の様になる。すなわち、歪補償のない状態では１．９％の圧縮歪を有する活性層が８ｎｍあることになるが、この実施例１では、ＧａＡｓＰとＧａＡｓＮの歪補償効果を合わせると、活性層全体の歪の平均は０．０２％以下になっており、十分な歪低減効果が得られることが分かる。この実施例１では、ＧａＡｓＮを用いることで歪補償効果も得ているが、本発明はＧａＡｓＮに限定されるわけではない。仮にＧａＡｓＰ層だけでも十分に歪補償効果が得られるのであれば、特にＧａＡｓＮのような引っ張り歪を有するもの以外でもＮを含むことで伝導帯バンドがＧａＡｓよりも低く量子井戸活性層よりも高くなっている材料（例えばＧａＡｓＮＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓ（井戸活性層とは別組成）、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等）を用いれば、短波長化の抑止効果は得ることが可能であるし、またその上で引っ張り歪を有するのであれば、歪補償の効果も加味されることになる。
【００４７】
また、実施例１ではＧａＡｓＰを用いた例について述べたが、本発明は何もＧａＡｓＰに限る効果ではない。仮にＧａＡｓＰにわずかにＮが入っているＧａＡｓＮＰや、Ｓｂがわずかに含まれるＧａＡｓＳｂＰなどＰが含まれることで伝導帯バンドがＧａＡｓより高くなっている層を用いることによる短波長化についても抑制する効果が十分得られる。
【００４８】
また、上述の例では、活性層の材料としてＧａＩｎＮＡｓを用いているが、これは何もＧａＩｎＮＡｓに限定されない。例えばＧａＩｎＮＡｓＰ，ＧａＩｎＮＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂなどの、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む混晶半導体は圧縮歪を有する形で半導体発光素子の材料として用いることができるが、このような材料系に対しても本発明は有効である。
【００４９】
また、この実施例１では、ＧａＡｓＮとＧａＡｓＰとのそれぞれ１層での組み合わせでの例が示されているが、これは何もそれぞれ１層ずつに限定されない。図６に示すように例えばＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層としてＧａＡｓＰを異なる組成の２層にしたりしてもかまわない。また、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層が例えば図７のように２層になっていてもかまわない。ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層による短波長化を抑制するのに十分な範囲でＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層との組み合わせを作れれば良いので、それぞれが互いに複数の層であってもかまわない。
【００５０】
以上のように、この実施例１によって作製された端面発光型半導体レーザにおいては、ＧａＡｓＰ／ＧａＡｓＮの２層からなる歪補償構造をＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層に隣接させたことで、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供できる。
【００５１】
（実施例２）
実施例２は、第２の実施形態に対応する実施例である。図８は実施例２の半導体発光素子を示す図である。図８の半導体発光素子の基本構成は、実施例１の半導体発光素子と全く同一であり、活性層を多重量子井戸構造（この実施例２ではＤＱＷ構造）としたものである。量子井戸活性層とそれを挟む歪補償構造の厚さと組成は実施例１と同一であり、ＧａＡｓＰ間のバリア層としてＧａＡｓが５ｎｍの厚さで成長されている。この場合の伝導帯バンド図は、図９のようなものになる。多重量子井戸構造では、歪補償を行なわなかった場合には歪の大きな量子井戸を多重に設けることになり、単一量子井戸構造に比べて、歪による欠陥、および信頼性などの問題点が大きくなる。そのため、本発明は多重量子井戸構造に適用することでより良好な効果を期待できる。すなわち、本発明の歪補償構造を設けることにより、歪を補償して、より高品質，高信頼性を得つつ、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層による短波長シフトを抑止した半導体発光素子を多重量子井戸構造で作製することが可能になる。
【００５２】
（実施例３）
実施例３は、第４の実施形態に対応する実施例である。図１０は実施例３の半導体発光素子を示す図である。図１０の半導体発光素子の基本構成は、実施例２の半導体発光素子と同じであり、多重量子井戸構造におけるバリア層をＧａＡｓからＧａＡｓＰに変更したものである。この場合の伝導帯バンド図を図１１に示す。この構造の利点は、単純にＧａＡｓバリア層にした場合に比べて引っ張り歪を有する層が厚くとれるので、歪補償に有利な点である。また、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層間のバリア層の厚さをそれほど厚くしたくない場合には、ＧａＡｓバリア層を入れると必然的に歪補償を担うＧａＡｓＰ層の厚さを薄くしなくてはならず、そのような場合はＧａＡｓバリアではなくＧａＡｓＰのバリア層にしてしまえば歪補償に有利に働く。当然、このときのＧａＡｓＰ層は引っ張り歪の大きさと厚さの組み合わせが、格子緩和を起こさない範囲にしてあればよい。また、この実施例３では、バリア層としてＧａＡｓＰを用いているが、この際のバリア層は何もＧａＡｓＰに限定されない。例えばＧａＡｓＰＳｂやＧａＡｓＮＳｂ，ＧａＡｓＮＰなどの引っ張り歪を有する層であれば、ＧａＡｓと比較して歪補償には有利に働くのでかまわない。
【００５３】
このように、燐（Ｐ）または窒素（Ｎ）を含み引っ張り歪を有するバリア層で多重量子井戸構造に歪補償層を設けることで、量子井戸活性層間のバリア層を厚くしたくない場合でも、より有利に歪補償を行なうことが可能になり、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供できる。
【００５４】
（実施例４）
実施例４は、第５の実施形態に対応する実施例である。図１２は実施例４の半導体発光素子を示す図である。図１２の半導体発光素子の基本構成は、実施例２の半導体発光素子と同じであり、多重量子井戸構造におけるバリア層をＧａＡｓからＧａＡｓＮに変更したものである。この場合の伝導帯バンド図を図１３に示す。前述した実施例３の構成はＧａＩｎＮＡｓ量子井戸間のバリア層の厚さをそれほど厚くしたくない場合には有効であるが、逆にバリア層を厚めにしようとした場合、通常低めのＰ組成を有するＧａＡｓＰではそれほど問題ないが、燐（Ｐ）組成が高めでＧａＡｓＰの結晶の歪が大きめだった時にはバリア層をＧａＡｓＰにしてしまうとＧａＡｓＰのトータル厚さが臨界膜厚を越えて格子緩和してしまう可能性が出てくる。また、格子緩和をしない範囲の厚さであっても、歪が大きな層をある程度の厚さ以上成長した場合、ＧａＡｓＰの結晶品質が低下する可能性が高くなる。このような場合には、バリア層として比較的Ｎ組成が小さく、歪がＧａＡｓＰよりも小さいＧａＡｓＮを用いることで、ＧａＡｓＰの厚さをある程度薄く保って、格子緩和やＧａＡｓＰの結晶品質の低下を回避することが可能になる。また、このＧａＡｓＮは、ＧａＡｓＰに比べては小さいが引っ張り歪を有していることにより、若干の歪補償効果を得ることも可能になっている。当然、それぞれのＧａＡｓＰの厚さは、格子緩和や結晶品質の低下が起きない範囲であれば任意の厚さを取ることが可能である。この実施例４では、バリア層としてＧａＡｓＮを例として用いたが、バリア層としては何もＧａＡｓＮに限定されない。例えばＧａＡｓＰＳｂやＧａＡｓＮＳｂ，ＧａＡｓＰ（別組成），ＧａＡｓＮＰなどの引っ張り歪を有する層で、歪がＧａＡｓＰよりも小さくなるように組成を調整したものであればかまわない。
【００５５】
このように、この実施例４では、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層の引っ張り歪と比較して各量子井戸活性層間のバリア層の歪が小さいことで、量子井戸活性層間の障壁層（バリア層）を比較的厚くしたい場合でも、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層による格子緩和を回避しつつ歪補償を行なえるので、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供できる。
【００５６】
（実施例５）
実施例５は第６の実施形態に対応する実施例である。図１４は実施例５の半導体発光素子を示す図である。また図１５はそのバンド図を模式的に示したものである。
【００５７】
この実施例５は、半導体レーザとしての基本構成は実施例１とほぼ同一であるが、ＧａＡｓＰとＧａＡｓＮとの間に、ＧａＡｓＰのＰ組成を０．０５〜０．２で傾斜させた組成傾斜層を設けている点で、実施例１と相違している。例えばＧａＡｓＮとＧａＡｓＰの歪差が大きい場合は、ＧａＡｓＮとＧａＡｓＰを直接隣接させた場合に大きな歪場が生じ、信頼性の面で悪影響を及ぼしたり、結晶成長の際に結晶性の悪化を招く懸念がある。このような場合、実施例５のように組成傾斜層を設けることで、連続的に歪を変化させることができ、信頼性の向上や、結晶性の悪化防止を図ることができる。
【００５８】
このような組成傾斜層は、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層と活性層との間に設けても良い。例えば図１６に示すようにＧａＩｎＮＡｓ（活性層と別組成）のインジウム（Ｉｎ）を徐々に０まで減らしてＧａＡｓＮへとつなぐような構造を取ることで、活性層とＧａＡｓＮとの間に生じる歪場を軽減する効果を得て、信頼性の向上や、活性層の結晶性向上を図ることが可能になる。
【００５９】
このように、実施例５では、歪差の大きな層の間を組成傾斜層にすることで、活性層近傍において、互いに歪差の大きな層同士を隣接させた場合に生じる歪場を軽減でき、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供することができる。
【００６０】
（実施例６）
実施例６は、第７の実施形態に対応する実施例である。図１７は実施例６の半導体発光素子を示す図である。なお、この半導体発光素子は面発光型半導体レーザとなっている。この実施例６においては、多重量子井戸活性層の構成は、実施例４と同じであり、ＤＱＷ構造でバリアをＧａＡｓＮとしたものである。
【００６１】
この実施例６においては、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡、ＧａＡｓ下部スペーサ層、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓＮ／ＧａＡｓＰ多重量子井戸活性層、ＧａＡｓ上部スペーサ層、ＡｌＡｓ層、ｐ型半導体多層膜反射鏡が順次形成されている。
【００６２】
ここで、ｎ型半導体多層膜反射鏡は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ低屈折率層とを交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成されている。同様に、ｐ型半導体多層膜反射鏡も、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層とｐ型Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ低屈折率層とを交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成されている。
【００６３】
また、ＧａＡｓ下部スペーサ層からＧａＡｓ上部スペーサ層までの多重量子井戸活性層を含む領域は、λ共振器を構成している。
【００６４】
実施例６では、上記積層構造を、ｎ型半導体多層膜反射鏡に達するまで円筒状にエッチングして、メサ構造が形成されている。メササイズは例えば約３０μｍφとなっている。そして、エッチングして表面が露出した側面からＡｌＡｓ層を選択的に酸化させ、ＡｌＯｘ絶縁領域を形成することにより、電流狭窄構造が形成されている。電流は、ＡｌＯｘ絶縁領域によって例えばおよそ５μｍの直径の酸化開口領域に集中して活性層に注入される。
【００６５】
また、ｐ型半導体多層膜反射鏡の表面には、リング状のｐ側電極が形成され、また、ｎ型ＧａＡｓ基板の裏面には、ｎ側電極が形成されている。
【００６６】
実施例６のレーザでは、多重量子井戸活性層で発光した光は、上下の半導体多層膜反射鏡で反射して増幅され、レーザ光を基板と垂直方向に放射する。
【００６７】
ＧａＡｓ基板上での半導体多層膜反射鏡としては、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ積層型がもっとも容易に高性能の反射鏡を作製でき、かつ電気特性も良好なため利用しやすい。
【００６８】
しかし、例えばＧａＩｎＮＡｓを用いた１．３μｍ帯での面発光型半導体レーザにおいては、有効な反射率を得られる半導体多層膜反射鏡は基板側のｎ型側が３５ペア程度でおよそ７μｍの厚さになり、レーザーの出射口側であるｐ型側が２６ペア程度でおよそ５．２μｍの厚さになる。このように厚い半導体多層膜反射鏡を成長した場合、その表面の平坦性はＧａＡｓ基板の初期状態に比較して悪化しやすく、この平坦性の悪化した状態の上に歪の大きなＧａＩｎＮＡｓなどの量子井戸活性層を成長した場合、膜が３次元成長しやすく、良質の活性層を得ることが難しくなることが知られている。また、３次元成長をした表面性の悪い活性層の上に半導体多層膜反射鏡を成長した場合、その厚さが厚くなるにつれてモホロジの悪化が顕著になりやすい。端面発光型半導体レーザにおいてはほとんど表面モホロジの悪化が見られないような程度の結晶品質を有する活性層でも、面発光型半導体レーザとして成長した場合には顕著に表面モホロジの悪化が見られることがある。このようなモホロジの悪化は半導体多層膜反射鏡の反射率などの悪化を招く。そのため、面発光型半導体レーザにおいては端面発光型半導体レーザと比較して、活性層の歪を補償してやる必要性が高く、またその有効性も高いといえる。
【００６９】
この実施例６においては、ＧａＡｓＰ／ＧａＡｓＮの２層からなる歪補償構造をＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層に隣接させたことで、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止し、かつ厚い半導体多層膜反射鏡上に成長するために生じやすい結晶品質の低下と、活性層の上部に厚い半導体多層膜反射鏡を成長することによって生じやすい表面モホロジの低下を防止でき、高品質，高信頼性の面発光型半導体レーザ素子を提供できる。
【００７０】
（実施例７）
実施例７は、第９，第１０の実施形態に対応する実施例である。図１８は実施例７の光送受信モジュールを示す図である。図１８の光送受信モジュールは、実施例６の面発光型半導体レーザ素子と、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。
【００７１】
本発明による面発光型半導体レーザ素子を光通信システムに用いる場合、面発光型半導体レーザ素子は低コストであるので、図１８に示すような送信用の面発光型半導体レーザ素子（例えば１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子）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安価に得られる。
【００７２】
ＧａＩｎＮＡｓを用いた面発光型半導体レーザは、１．３〜１．５μｍ帯での発振を得られる素子であり、これらの波長では石英系の光ファイバに対しての損失が少ないなどの理由により、通信用の光源として好適であるとされている。さらには、特に１．３μｍ等の長波長帯で低損失となるフッ素添加ＰＯＦ（プラスチックファイバ）とＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いた面発光型半導体レーザとを組み合わせると、ファイバが低コストであること、ファイバの径が大きくてファイバとのカップリングが容易で実装コストを低減できることから、極めて低コストのモジュールを実現できる。また、ＧａＩｎＮＡｓは、その優れた温度特性から、強力な冷却用の構成を必要としない。そのため、冷却用のコストが削減でき、安価な光通信モジュールを得られる。
【００７３】
光通信用光源として考えた場合、面発光型半導体レーザの信頼性は非常に重要である。本発明では、ＧａＡｓＰ／ＧａＡｓＮの２層からなる歪補償構造を、Ｎとその他のＶ族元素を含む半導体層からなる量子井戸活性層に隣接させたことで、高品質，高信頼性の面発光型半導体レーザ素子を製造することがより容易に行なえるようになり、高性能の通信用長波長帯面発光型半導体レーザ素子を実現でき、さらにこれらの素子を用いることで、低コストの光ファイバー通信システム，光インターコネクションシステムなどの光通信システムを実現することができる。
【００７４】
【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、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、量子井戸活性層に隣接して、量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられているので、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供することができる。
【００７５】
また、請求項２記載の発明によれば、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる多重量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、各量子井戸活性層に隣接して、各量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられているので、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の多重量子井戸活性層を有する半導体発光素子を提供することができる。
【００７６】
また、請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層は、ＧａＡｓに対して引っ張り歪を有しているので、より歪補償を有利に行なうことができる。
【００７７】
また、請求項４記載の発明によれば、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる多重量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、各量子井戸活性層に隣接して、各量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられており、また、各量子井戸活性層間のバリア層が燐（Ｐ）または窒素（Ｎ）を含む引っ張り歪を有する層であるので、量子井戸活性層間のバリア層を厚くしたくない場合でも、より有利に歪補償を行なうことが可能になり、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸活性層における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供することができる。
【００７８】
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、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層は、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層の引っ張り歪が、各量子井戸活性層間のバリア層の歪に対して大きいので、量子井戸活性層間のバリア層（障壁層）を比較的厚くしたい場合でも、Ｐを含み引っ張り歪を有する層による格子緩和を回避しつつ、より有利に歪補償を行なうことができ、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止した、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供することができる。
【００７９】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層と活性層とを有する多層構造中に、連続的に歪を変化させた組成傾斜層が含まれており、歪差の大きな層の間を組成傾斜層にすることで、活性層近傍において、互いに歪差の大きな層同士を隣接させた場合に生じる歪場を軽減でき、高品質，高信頼性の半導体発光素子を提供することができる。
【００８０】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層としてＧａＡｓＰ層を用い、かつ、前記ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層としてＧａＡｓＮを用いるとき、ＧａＡｓＰ層のＧａＡｓＰの組成をＧａＡｓ（１−ｘ）Ｐｘ（０＜ｘ≦０．２）とし、また、量子井戸活性層に隣接するＧａＡｓＮの厚さを１ｎｍ以上とすることにより、前記ＧａＡｓＰの組成範囲において、量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止するのに十分なＧａＡｓＮの厚さを得ることができる。
【００８１】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであるので、十分な歪補償の効果を有し、かつ量子井戸における量子準位の上昇に伴う発光波長の短波長化を抑止し、かつ厚い半導体多層膜反射鏡上に成長するために生じやすい結晶品質の低下と、活性層の上部に厚い半導体多層膜反射鏡を成長することによって生じやすい表面モホロジの低下とを防止でき、高品質，高信頼性の面発光型半導体レーザ素子を提供することができる。
【００８２】
また、請求項９記載の発明によれば、光送信用光源として、請求項８記載の半導体発光素子が用いられることを特徴とする光送信用モジュールであり、高性能の通信用長波長帯面発光型半導体レーザ素子を用いることで、高品質，高信頼性の光送信用モジュールを達成することができる。
【００８３】
また、請求項１０記載の発明によれば、光送信用モジュールとして、請求項９記載の光送信用モジュールが用いられることを特徴とする光通信システムであるので、高品質，高信頼性の光通信システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の問題点を説明するための図である。
【図２】従来の問題点を説明するための図である。
【図３】実施例１の半導体発光素子を示す図である。
【図４】実施例１の半導体発光素子の伝導帯バンド構造を示す図である。
【図５】ＧａＡｓＰの組成をＧａＡｓ（１−ｘ）Ｐｘ（ｘ＝０．２）とし、ＧａＩｎＮＡｓ層の厚さを８ｎｍとし、ＧａＡｓＮ層の厚さを変化させたときの量子準位の変化を計算した結果を示す図である。
【図６】実施例１の半導体発光素子で、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐を含み引っ張り歪を有する層を複数とした時の伝導帯バンド構造を示す図である。
【図７】実施例１の半導体発光素子で、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素を含む層を複数とした時の伝導帯バンド構造を示す図である。
【図８】実施例２の半導体発光素子を示す図である。
【図９】実施例２の半導体発光素子の伝導帯バンド構造を示す図である。
【図１０】実施例３の半導体発光素子を示す図である。
【図１１】実施例３の半導体発光素子の伝導帯バンド構造を示す図である。
【図１２】実施例４の半導体発光素子を示す図である。
【図１３】実施例４の半導体発光素子の伝導帯バンド構造を示す図である。
【図１４】実施例５の半導体発光素子を示す図である。
【図１５】実施例５の半導体発光素子の伝導帯バンド構造を示す図である。
【図１６】実施例５の半導体発光素子で、組成傾斜層をＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素を含む層と活性層との間に設けた時の伝導帯バンド構造を示す図である。
【図１７】実施例６の半導体発光素子を示す図である。
【図１８】実施例７の光送受信モジュールを示す図である。
Claims (10)
- 窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、量子井戸活性層に隣接して、量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
- 窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる多重量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、各量子井戸活性層に隣接して、各量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
- 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、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層は、ＧａＡｓに対して引っ張り歪を有していることを特徴とする半導体発光素子。
- 窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む圧縮歪を持つ混晶半導体からなる多重量子井戸活性層を含んでいる活性領域を有し、かつＧａＡｓ基板上に成長されている半導体発光素子において、活性領域には、各量子井戸活性層に隣接して、各量子井戸活性層の側から順に、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層が設けられており、また、各量子井戸活性層間のバリア層が燐（Ｐ）または窒素（Ｎ）を含む引っ張り歪を有する層であることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項４記載の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層との多層構造からなる歪補償層は、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層の引っ張り歪が、各量子井戸活性層間のバリア層の歪に対して大きいことを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層と活性層とを有する多層構造中に、連続的に歪を変化させた組成傾斜層が含まれていることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高く燐（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層としてＧａＡｓＰ層を用い、かつ、前記ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層としてＧａＡｓＮを用いるとき、ＧａＡｓＰ層のＧａＡｓＰの組成をＧａＡｓ（１−ｘ）Ｐｘ（０＜ｘ≦０．２）とし、また、量子井戸活性層に隣接するＧａＡｓＮの厚さを１ｎｍ以上とすることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであることを特徴とする半導体発光素子。
- 光送信用光源として、請求項８記載の半導体発光素子が用いられることを特徴とする光送信用モジュール。
- 光送信用モジュールとして、請求項９記載の光送信用モジュールが用いられることを特徴とする光通信システム。
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Cited By (4)
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|---|---|---|---|---|
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