JP2004273587A - 半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】活性層中の井戸層と基板との格子不整合性が２％以上の半導体発光素子において、井戸層の構成元素の偏在を防止し、低しきい値電流の半導体発光素子を提供する。
【解決手段】第一の導電型のＧａＡｓ基板１２上に、第一の導電型の下部Ａｌ_０．４７ＧａＡｓクラッド層１４、第一の導電型のＧａＡｓ下部光ガイド層１６、活性層１８、第二の導電型のＧａＡｓ上部光ガイド層２０、第二の導電型の上部Ａｌ_０．４７ＧａＡｓクラッド層２２、及び第二の導電型のＧａＡｓコンタクト層２４の積層構造を有する。活性層は、Ａｌ_ｘＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｉｎ_ｙＡｓ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１；但しｘ＝０のときはｙ≠０であり、ｙ＝０のときはｘ≠０）から構成されるバリア層１８ａと、Ｇａ_１−ａＩｎ_ａＮ_ｂＡｓ_１−ｂ（０＜ａ＜１， ０＜ｂ＜１）から構成される井戸層１８ｂとを交互に積層した多重量子井戸構造として構成されていて、井戸層１８ｂとＧａＡｓ基板との格子不整合性は＋２％以上である。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、活性層を構成する井戸層と基板との格子不整合性が＋２％以上である半導体発光素子に関し、更に詳細には、活性層を構成する井戸層と基板との格子不整合性が＋２％以上であって、しかもしきい値電流が低い半導体発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長域１．２μｍ以上の長波長で発光する半導体発光素子は、主として、光通信用の用途に利用され、今後の通信技術の核となるデバイスである。現在、この長波長域の半導体発光素子の発光層には、様々な材料が用いられている。その中でも、ＧａＩｎＮＡｓは、比較的基板コストの低いＧａＡｓ基板上で作製することが出来る材料系として近年注目を集め、有望視されている。
【０００３】
ここで、図５を参照して、波長域が１．３μｍ帯の端面出射型の従来の半導体レーザ素子の構成の一例を説明する。図５は波長域が１．３μｍ帯の端面出射型の従来の半導体レーザ素子の構成を示す模式的断面図である。図５に示す部位のうち、図１から図４に示すものと同じものには同じ符号を付している。
従来の半導体レーザ素子５０は、図５に示すように、第一の導電型のＧａＡｓ基板１２上に、順次、エピタキシャル成長した、膜厚ｌμｍで第一の導電型の下部Ａｌ_０．４７Ｇａ_０．５３Ａｓクラッド層１４、膜厚１０００Åで第一の導電型のＧａＡｓ下部光ガイド層１６、活性層３４、膜厚１０００Åで第一の導電型とは逆の導電型の第二の導電型のＧａＡｓ上部光ガイド層２０、膜厚ｌμｍで第二の導電型の上部Ａｌ_０．４７Ｇａ_０．５３Ａｓクラッド層２２、及び膜厚１０００Åで第二の導電型のＧａＡｓコンタクト層２４の積層構造を有する。
【０００４】
活性層３４は、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層及びＧａＡｓバリア層の多重量子井戸構造として構成されている。
また、図示しないが、ＧａＡｓコンタクト層２４上には第二の導電側の電極が、またＧａＡｓ基板１２の裏面には第一の導電側の電極が、それぞれ、設けられている。
【０００５】
ところで、ＧａＡｓを基板として用い、発光層としてＧａＩｎＮＡｓ層を用いて発振波長１．２μｍ以上の長波長域の半導体発光素子を実現させるためには、Ｉｎ組成を大にするか、又はＮ組成を大にする必要があるものの、Ｎは原子半径が他の構成元素と大きく異なることや、電気陰性度が異なることから、Ｎ組成をあまり大きくすることは、半導体レーザ素子の特性上及び信頼性上から好ましくない。
従って、ＧａＩｎＮＡｓ層を用いて長波長で発振する半導体発光素子を作製する場合には、必然的に、ＧａＩｎＮＡｓ層のＩｎ組成を大きくする、例えば２０％以上にすることが必要になる。
【０００６】
そこで、上述の半導体レーザ素子５０の活性層３４を構成するＧａＩｎＮＡｓ井戸層３４ｂをエピタキシャル成長させる際、Ｉｎ組成が２０％以上のＧａＩｎＮＡｓ層をエピタキシャル成長させようとすると、図６に示すように、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層３４ｂが、Ｉｎ組成の相互に異なる３つの層に分離する（ＡＰＬ ８１（２００２） ｐ．２７１９）。
ＧａＩｎＮＡｓ井戸層３４ｂの構造解析の結果から、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層３４ｂは、ＧａＡｓバリア層３４ｂに隣接するＩｎ濃度の高い層５２と、ＧａＡｓバリア層から離隔しているＩｎ濃度の低い中間の層５４とに分離し、Ｉｎ濃度の低い層５４をＩｎ濃度の高い層５２で挟んだ構造になっている。
更に、デバイス特性とＧａＩｎＮＡｓ井戸層との相関を評価したところ、Ｉｎ濃度の高い上下の層の井戸層全体に占める割合が大きくなると、つまりＩｎ濃度の高い上下の層が厚くなると、デバイス特性のひとつであるしきい値電流Ｉｔｈが高くなることが判った。
【０００７】
古河電気工業（株）などは、活性層のＧａＩｎＮＡｓ系井戸層全体にＳｂを添加することにより、井戸層とバリア層の界面の急峻性を向上させ、しきい値電流Ｉｔｈを改善できると報告している（古河電工時報第１０８号ｐ．４１）ものの、上述した活性層の井戸層の三層構造を解消することができる方策は、今のところ明確には提案されていない。
【０００８】
【非特許文献１】
古河電工時報第１０８号第４１頁、１３００ｎｍ帯のＧａＩｎＮＡｓ系高温度特性レーザ
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、ＧａＩｎＮＡｓ系で、Ｉｎ組成が大きくなると、格子不整合性が大きくなり、結晶転位が生じて、非発光再結合が引き起こされ、電流効率が低下し、しきい値電流Ｉｔｈが高くなる。
以上の説明では、活性層としてＧａＩｎＮＡｓ層を例に挙げて説明しているが、ＧａＩｎＮＡｓ層に限らず、活性層を構成する井戸層と基板との格子不整合性が＋２％以上存在する半導体発光素子では、井戸層を構成する一部元素の偏在が著しく、しきい値電流Ｉｔｈ等のレーザ特性が悪くなる。
ここで、格子不整合性Ｓ（％）とは、
Ｓ＝｛（ａ_２ −ａ_１ ）／ａ_１ ｝×１００
で表されるＳであって、ａ_２ は活性層の井戸層の格子定数、及びａ_１ は基板の格子定数を表す。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、活性層を構成する井戸層と基板との格子不整合性が＋２％以上の半導体発光素子であっても、井戸層の構成元素の偏在を防止して、しきい値電流の低い半導体発光素子を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、Ｉｎの界面偏在が、井戸層とバリア層との界面での歪み差に依存しており、歪み差を小さくすることにより緩和できると考え、バリア層或いは光ガイド層として井戸層の歪量よりも少ないプラス歪を有する化合物半導体層を歪み緩和層として設けることを着想した。そして、実験により着想が有効であることを確認して、本発明を発明するに到った。
【００１２】
上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る半導体発光素子（以下、第１の発明と言う）は、基板上に多重量子井戸構造の活性層を含む積層構造を備え、活性層を構成する井戸層と基板との格子不整合性が＋２％以上である半導体発光素子において、
活性層を構成する複数層のバリア層のうち少なくとも一つのバリア層の全層又は井戸層に接する領域層が、井戸層の歪量よりも少ないプラス歪を有する化合物半導体層であることを特徴としている。
【００１３】
また、本発明に係る別の半導体発光素子（以下、第２の発明と言う）は、基板上に多重量子井戸構造の活性層を含む積層構造を備え、活性層を構成する井戸層と基板との格子不整合性が＋２％以上である半導体発光素子において、
活性層の上下にそれぞれ延在する光ガイド層のうち少なくとも一つの光ガイド層の全層又は活性層に接する領域層が、井戸層の歪量よりも少ないプラス歪を有する化合物半導体層であることを特徴としている。
【００１４】
更に、本発明に係る更に別の半導体発光素子（以下、第３の発明と言う）は、第１及び第２の発明の特徴を兼ね備えている。つまり、第３の発明に係る半導体発光素子は、基板上に多重量子井戸構造の活性層を含む積層構造を備え、活性層を構成する井戸層と基板との格子不整合性が＋２％以上である半導体発光素子において、
活性層を構成する複数層のバリア層のうち少なくとも一つのバリア層の全層又は井戸層に接する領域層、及び活性層の上下にそれぞれ延在する光ガイド層のうち少なくとも一つの光ガイド層の全層又は活性層に接する領域層が、井戸層の歪量よりも少ないプラス歪を有する化合物半導体層であることを特徴としている。
【００１５】
第１から第３の発明で、井戸層の歪量よりも少ないプラス歪を有する層とは、例えば井戸層の歪量が基板に対して＋２％程度であるとき、基板に対して＋０．５％程度のプラス歪を有する層である。
第１から第３の発明では、バリア層或いは光ガイド層として井戸層の歪量よりも少ないプラス歪を有する化合物半導体層を歪み緩和層として基板と活性層の井戸層との間に設けることにより、井戸層とバリア層との界面での歪み差を小さくして、井戸層を構成する元素、例えばＧａＩｎＮＡｓのＩｎの界面偏在を抑制することができる。
【００１６】
本発明の好適な実施態様では、基板がＧａＡｓ基板であり、井戸層がＧａＩｎＮＡｓ層であるとき、バリア層がＡｌ_ｘ Ｇａ_{１−ｘ−ｙ} Ｉｎ_ｙ Ａｓ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１；但しｘ＝０のときはｙ≠０であり、ｙ＝０のときはｘ≠０）である。
更に詳しくは、井戸層がＧａＩｎＮＡｓ層であるとき、バリア層は、好適には、ｘが０．５０≧ｘ≧０、ｙが０．３５≧ｙ≧０．００１のＡｌ_ｘ Ｇａ_{１−ｘ−ｙ} Ｉｎ_ｙ Ａｓであり、又はｘが０．５０≧ｘ≧０．００１のＡｌ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ａｓであり、更にはｙが０．３５≧ｙ≧０．００１のＧａ_１−ｙ Ｉｎ_ｙ Ａｓ層である。
【００１７】
また、本発明の別の好適な実施態様では、基板がＧａＡｓ基板であり、井戸層がＧａＩｎＮＡｓ層であるとき、光ガイド層がＡｌ_ｘ Ｇａ_{１−ｘ−ｙ} Ｉｎ_ｙ Ａｓ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１；但しｘ＝０のときはｙ≠０であり、ｙ＝０のときはｘ≠０）である。
更に詳しくは、井戸層がＧａＩｎＮＡｓ層であるとき、好適には、光ガイド層は、ｘが０．５０≧ｘ≧０、ｙが０．３５≧ｙ≧０．００１のＡｌ_ｘ Ｇａ_{１−ｘ−ｙ} Ｉｎ_ｙ Ａｓであり、又はｘが０．５０≧ｘ≧０．００１のＡｌ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ａｓであり、更にはｙが０．３５≧ｙ≧０．００１のＧａ_１−ｙ Ｉｎ_ｙ Ａｓ層である。
【００１８】
好適には、井戸層の歪量よりも少ないプラス歪みを有する化合物半導体層がＩｎを構成元素として有するとき、井戸層の歪量よりも少ないプラス歪みを有する化合物半導体層のＩｎ組成は、井戸層のＩｎ組成より少ない。
つまり、例えばバリア層がＧａ_１−ｙ Ｉｎ_ｙ Ａｓ層（０．３５≧ｙ≧０．００１）のときには、バリア層のＩｎ組成ｙは、井戸層のＩｎ組成ａに対して、ａ≧ｙの関係を有するようにする。これにより、歪を段階的に変化させることが可能になる結果として界面へのＩｎの析出を抑制できるという効果が生じる。
【００１９】
活性層は井戸層とバリア層の超格子多層膜として構成されていても良い。また、光ガイド層が超格子多層膜として構成された、井戸層の歪量よりも少ないプラス歪みを有する層でも良い。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示した導電型、膜種、膜厚、成膜方法、その他寸法等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、本発明はこれら例示に限定されるものではない。
実施形態例１
本実施形態例は第１の発明に係る半導体発光素子を半導体レーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の半導体レーザ素子の構成を示す模式的断面図及び図２は活性層の構成を示す模式的断面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子１０は、波長域が１．３μｍ帯の端面出射型の半導体レーザ素子であって、図１に示すように、第一の導電型のＧａＡｓ基板１２上に、順次、エピタキシャル成長させた、膜厚ｌμｍで第一の導電型の下部Ａｌ_０．４７Ｇａ_０．５３Ａｓクラッド層１４、膜厚１０００Åで第一の導電型のＧａＡｓ下部光ガイド層１６、活性層１８、膜厚１０００Åで第一の導電型とは逆の導電型の第二の導電型のＧａＡｓ上部光ガイド層２０、膜厚ｌμｍで第二の導電型の上部Ａｌ_０．４７Ｇａ_０．５３Ａｓクラッド層２２、及び膜厚１０００Åで第二の導電型のＧａＡｓコンタクト層２４の積層構造を有する。
【００２１】
図示しないが、ＧａＡｓコンタクト層２４上には第二の導電側の電極が、またＧａＡｓ基板１２の裏面には第一の導電側の電極が、それぞれ、設けられている。
以上のように、本実施形態例の半導体レーザ素子１０は、活性層１８の構成を除いて、基本的には、図５に示した従来の半導体レーザ素子５０と同じ構成を備えている。
【００２２】
活性層１８は、図２に示すように、膜厚１００ÅのＡｌ_ｘ Ｇａ_{１−ｘ−ｙ} Ｉｎ_ｙ Ａｓ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１；但しｘ＝０のときはｙ≠０であり、ｙ＝０のときはｘ≠０）バリア層１８ａと、膜厚１００ÅのＧａ_１−ａ Ｉｎ_ａ Ｎ_ｂ Ａｓ_１−ｂ （０＜ａ＜１， ０＜ｂ＜１）井戸層１８ｂとを交互に積層した多重量子井戸構造として構成されていて、井戸層１８ｂとＧａＡｓ基板１２との格子不整合性Ｓは、＋２．７％であって、＋２％以上である。
尚、活性層がＡｌ_ｘ Ｇａ_{１−ｘ−ｙ} Ｉｎ_ｙ Ａｓバリア層と、Ｇａ_１−ａ Ｉｎ_ａ Ｎ_ｂ Ａｓ_１−ｂ 井戸層との超格子多層膜として構成されていても良い。
ＧａＡｓコンタクト層２４は、第二の導電側の電極とのオーミック接触を可能にするために、不純物として例えばＺｎを高濃度、例えば１ｘ１０^１９ｃｍ^−３に添加したＺｎドープド層である。
【００２３】
井戸層１８ｂが、ＧａＡｓ基板１２に対する格子不整合性Ｓ＋２．７％のＧａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９層であるとき、バリア層１８ａを構成するＡｌ_ｘ Ｇａ_{１−ｘ−ｙ} Ｉｎ_ｙ Ａｓは、具体的には、例えばｘが０．５０≧ｘ≧０、ｙが０．３５≧ｙ≧０．００１のＡｌ_ｘ Ｇａ_{１−ｘ−ｙ} Ｉｎ_ｙ Ａｓ、例えばＧａ_０．７０Ｉｎ_０．３０Ａｓ層である。このとき、バリア層１８ａの歪量は＋２．５％であり、井戸層１８ｂの歪量は＋２．７％である。
【００２４】
また、ｘが０．５０≧ｘ≧０．００１のＡｌ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ａｓ層、例えばＡｌ_０．３０Ｇａ_０．７ Ａｓ層、更にはｙが０．３５≧ｙ≧０．００１のＧａ_１−ｙ Ｉｎ_ｙ Ａｓ層、例えばＧａ_０．９５Ｉｎ_０．０５Ａｓで、バリア層１８ａを形成しても良い。
バリア層１８ａがＧａ_１−ｙ Ｉｎ_ｙ Ａｓ層（０．３５≧ｙ≧０．００１）のときには、Ｇａ_１−ｙ Ｉｎ_ｙ Ａｓ層のＩｎ組成ｙは、井戸層１８ｂのＩｎ組成ａに対して、ａ≧ｙの関係を有するようにする。
【００２５】
本実施形態例の半導体レーザ素子１０では、Ａｌ及びＩｎの少なくともいずれかを含むＡｌ_ｘ Ｇａ_{１−ｘ−ｙ} Ｉｎ_ｙ Ａｓ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１；但しｘ＝０のときはｙ≠０であり、ｙ＝０のときはｘ≠０）で、活性層１８のバリア層１８ａを構成することにより、バリア層１８ａが井戸層１８ｂの歪量より少ないプラス歪を有し、井戸層１８ｂのＩｎの偏在を防止することができるので、しきい値電流Ｉｔｈが、図５及び図６に示す従来の半導体レーザ素子に比べて、１０ｍＡ程度低下する。
【００２６】
実施形態例１の半導体レーザ素子を作製する際には、第一の導電型のＧａＡｓ基板１２上に、順次、ＭＯＣＶＤ法により膜厚ｌμｍで第一の導電型の下部Ａｌ_０．４７Ｇａ_０．５３Ａｓクラッド層１４、及び膜厚１０００Åで第一の導電型のＧａＡｓ下部光ガイド層１６をエピタキシャル成長させる。
続いて、上述のように特定したバリア層１８ａ及び井戸層１８ｂを交互にＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させて活性層１８を形成する。
更に、活性層１８上に、膜厚１０００Åで第一の導電型とは逆の導電型の第二の導電型のＧａＡｓ上部光ガイド層２０、膜厚ｌμｍで第二の導電型の上部Ａｌ_０．４７Ｇａ_０．５３Ａｓクラッド層２２、及び膜厚１０００Åで第二の導電型のＧａＡｓコンタクト層２４をＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させて、半導体レーザ素子１０を構成する積層構造を形成する。
【００２７】
次いで、積層構造の上部にリッジを形成し、リッジ上及びＧａＡｓ基板１２の裏面に金属膜を蒸着させて電極メタルを形成する。
尚、本実施形態例では、ＭＯＣＶＤ法により化合物半導体層をエピタキシャル成長させているが、ＭＯＣＶＤ法に限らず、ＭＢＥ法やＣＢＥ法などの他の結晶成長方法を用いても良い。
【００２８】
実施形態例２
本実施形態例は第２の発明に係る半導体発光素子を半導体レーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図３は本実施形態例の半導体レーザ素子の主要部の構成を示す断面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子は、光ガイド層の構成を除いて、基本的には、図５に示した従来の半導体レーザ素子５０と同じ構成を備えている。
つまり、本実施形態例の半導体レーザ素子の活性領域３０は、図３に示すように、膜厚が１０００Åで第一の導電型のＡｌ_ｘ Ｇａ（_{１−ｘ−ｙ} ）Ｉｎ_ｙ Ａｓ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１；但しｘ＝０のときはｙ≠０であり、ｙ＝０のときはｘ≠０）から構成される下部光ガイド層３２と、ＧａＡｓバリア層３４ａとＧａＩｎＮＡｓ井戸層３４ｂとを交互に積層した活性層３４と、下部光ガイド層３２と同じ膜厚、組成で第二の導電型の上部光ガイド層３６とから構成されている。
【００２９】
活性層３４の井戸層３４ｂが、ＧａＡｓ基板１２に対する格子不整合性Ｓ＋２．７％のＧａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９層であるとき、下部及び上部光ガイド層３２、３６を構成するＡｌ_ｘ Ｇａ_{１−ｘ−ｙ} Ｉｎ_ｙ Ａｓは、具体的には、例えばｘが０．５０≧ｘ≧０、ｙが０．３５≧ｙ≧０．００１のＡｌ_ｘ Ｇａ_{１−ｘ−ｙ} Ｉｎ_ｙ Ａｓ、例えばＧａ_０．７０Ｉｎ_０．３０Ａｓ層である。
このとき、下部及び上部光ガイド層３２、３６の歪量は＋２．５％であり、井戸層３４ｂの歪量は２．７％である。
【００３０】
また、ｘが０．５０≧ｘ≧０のＡｌ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ａｓ層、例えばＡｌ_０．３０Ｇａ_０．７０Ａｓ層で、更には、ｙが０．３５≧ｙ≧０．００１のＧａ_１−ｙ Ｉｎ_ｙ Ａｓ層、例えばＧａ_０．９５Ｉｎ_０．０５Ａｓ層で、下部及び上部光ガイド層３２、３６を構成しても良い。
下部及び上部光ガイド層３２、３６がＧａ_１−ｙ Ｉｎ_ｙ Ａｓ層（０．３５≧ｙ≧０．０１）のときには、Ｇａ_１−ｙ Ｉｎ_ｙ Ａｓ層のＩｎ組成ｙは、井戸層３４ｂのＩｎ組成ａに対して、ａ≧ｙの関係を有するようにする。
【００３１】
本実施形態例の半導体レーザ素子では、上述のように特定したＩｎ組成及びＡｌ組成を有する化合物半導体層で下部光ガイド層３２及び上部光ガイド層３６を形成することにより、下部光ガイド層３２及び上部光ガイド層３６は井戸層３４ｂよりも歪量の少ないプラス歪を有する。
これにより、更に井戸層３４ｂのＩｎの偏在を防止することができるので、半導体レーザ素子のしきい値電流Ｉｔｈが、図５及び図６に示す従来の半導体レーザ素子に比べて、１０ｍＡ程度低下する。
【００３２】
実施形態例３
本実施形態例は第２の発明に係る半導体発光素子を半導体レーザ素子に適用した実施形態の別の例であって、図４は本実施形態例の半導体レーザ素子の主要部の構成を示す断面図である。
本実施形態例の半導体レーザ素子は、光ガイド層の構成を除いて、基本的には、図５に示した従来の半導体レーザ素子５０と同じ構成を備えている。
つまり、本実施形態例の半導体レーザ素子の活性領域４０は、図４に示すように、膜厚１０００Åの第一の導電型の下部光ガイド層４２と、ＧａＡｓバリア層３４ａとＧａＩｎＮＡｓ井戸層３４ｂとを交互に積層した活性層３４と、下部光ガイド層４２と同じ膜厚、組成で第二の導電型の上部光ガイド層４４とから構成されている。
【００３３】
下部光ガイド層４２は、下部光ガイド層４２の下層部を構成するＧａＡｓ光ガイド層４２ａと、ＧａＡｓ光ガイド層４２ａとＧａＡｓバリア層３４ａとの間に介在する膜厚の薄い層（例えば膜厚１ｎｍの層）として下部光ガイド層４２の上層部に設けられ、Ａｌ_ｘ Ｇａ（_{１−ｘ−ｙ} ）Ｉｎ_ｙ Ａｓ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１；但しｘ＝０のときはｙ≠０であり、ｙ＝０のときはｘ≠０）からなる光ガイド層４２ｂとから構成されている。
【００３４】
上部ガイド層４４は、上部光ガイド層４４の上層部を構成するＧａＡｓ光ガイド層４４ａと、ＧａＡｓ光ガイド層４４ａとＧａＡｓバリア層３４ａとの間に介在する膜厚の薄い層（例えば膜厚１ｎｍの層）として上部光ガイド層４４の下層部に設けられ、Ａｌ_ｘ Ｇａ（_{１−ｘ−ｙ} ）Ｉｎ_ｙ Ａｓ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１；但しｘ＝０のときはｙ≠０であり、ｙ＝０のときはｘ≠０）からなる光ガイド層４４ｂとから構成されている。
【００３５】
活性層３４の井戸層３４ｂが、ＧａＡｓ基板１２に対する格子不整合性Ｓ＋２．７％のＧａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９層であるとき、光ガイド層４２ｂ、４４ｂを構成するＡｌ_ｘ Ｇａ_{１−ｘ−ｙ} Ｉｎ_ｙ Ａｓは、具体的には、ｘが０．５０≧ｘ≧０、ｙが０．３５≧ｙ≧０．００１のＡｌ_ｘ Ｇａ_{１−ｘ−ｙ} Ｉｎ_ｙ Ａｓ、例えばＧａ_０．７０Ｉｎ_０．３０Ａｓ層である。
このとき、光ガイド層４２ｂ、４４ｂの歪量は２．５％であり、井戸層３４ｂの歪量は２．７％である。
【００３６】
また、ｘが０．５０≧ｘ≧０のＡｌ_ｘ Ｇａ_１−ｘ Ａｓ層、例えばＡｌ_０．３０Ｇａ_０．７０Ａｓ層で、更にはｙが０．３５≧ｙ≧０．０１のＧａ_１−ｙ Ｉｎ_ｙ Ａｓ層、例えばＧａ_０．９５Ｉｎ_０．０５Ａｓ層で、光ガイド層４２ｂ、４４ｂを構成しても良い。
光ガイド層４２ｂ、４４ｂがＧａ_１−ｙ Ｉｎ_ｙ Ａｓ層（０．３５≧ｙ≧０．０１）のときには、Ｇａ_１−ｙ Ｉｎ_ｙ Ａｓ層のＩｎ組成ｙは、井戸層３４ｂのＩｎ組成ａに対して、ａ≧ｙの関係を有するようにする。
【００３７】
本実施形態例の半導体レーザ素子では、下部光ガイド層４２の上層及び上部光ガイド層４４の下層が、上述のように特定したＩｎ組成及びＡｌ組成の化合物半導体層で形成されているので、井戸層３４ｂよりも歪量の少ないプラス歪を有する。
これにより、更に井戸層３４ｂのＩｎの偏在を防止することができ、半導体レーザ素子のしきい値電流Ｉｔｈが、図５及び図６に示す従来の半導体レーザ素子に比べて、１０ｍＡ程度低下する。
【００３８】
上述の実施形態例１から３では、端面出射型の半導体レーザ素子を例に挙げて本発明を説明しているが、本発明は、端面出射型の半導体レーザ素子のレーザ構造の構成に制約なく適用でき、例えば埋め込み型にも、リッジ型にも適用できる。
更には、本発明は発光領域である活性層周辺に関するものであるから、他のレーザ構造、例えば面発光半導体レーザ素子にも適用でき、更にはフォトダイオードにも適用できる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、活性層を構成する複数層のバリア層のうち少なくとも一つのバリア層の全層又は井戸層に接する領域層、及び／又は活性層の上下にそれぞれ延在する光ガイド層のうち少なくとも一つの光ガイド層の全層又は活性層に接する領域層の少なくとも一つを井戸層の歪量よりも少ないプラス歪を有する化合物半導体層として構成することにより、井戸層の構成元素のバリア層界面での偏在を抑制して、半導体発光素子のしきい値電流の低下を実現することができる。
また、しきい値電流の低下と共に動作電流も低下するので、半導体発光素子の素子寿命が長くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の半導体レーザ素子の構成を示す模式的断面図である。
【図２】活性層の構成を示す模式的断面図である。
【図３】実施形態例２の半導体レーザ素子の主要部の構成を示す断面図である。
【図４】実施形態例３の半導体レーザ素子の主要部の構成を示す断面図である。
【図５】波長域が１．３μｍ帯の端面出射型の従来の半導体レーザ素子の構成を示す模式的断面図である。
【図６】従来の半導体レーザ素子の活性層の問題を説明する模式的断面図である。
【符号の説明】
１０……実施形態例１の半導体レーザ素子、１２……第一の導電型のＧａＡｓ基板、１４……第一の導電型の下部Ａｌ_０．４７Ｇａ_０．５３Ａｓクラッド層、１６……第一の導電型のＧａＡｓ下部光ガイド層、１８……活性層、１８ａ……Ａｌ_ｘ Ｇａ_{１−ｘ−ｙ} Ｉｎ_ｙ Ａｓバリア層、１８ｂ……Ｇａ_１−ａ Ｉｎ_ａ Ｎ_ｂ Ａｓ_１−ｂ 井戸層、２０……第二の導電型のＧａＡｓ上部光ガイド層、２２……第二の導電型の上部Ａｌ_０．４７Ｇａ_０．５３Ａｓクラッド層、２４……第二の導電型のＧａＡｓコンタクト層、３０……実施形態例２の半導体レーザ素子の活性領域、３２……第一の導電型のＡｌ_ｘ Ｇａ（_{１−ｘ−ｙ} ）Ｉｎ_ｙ Ａｓ下部光ガイド層、３４……活性層、３４ａ……ＧａＡｓバリア層、３４ｂ……ＧａＩｎＮＡｓ井戸層、３６……第二の導電型のＡｌ_ｘ Ｇａ（_{１−ｘ−ｙ} ）Ｉｎ_ｙ Ａｓ上部光ガイド層、４０……実施形態例３の半導体レーザ素子の活性領域、４２……下部光ガイド層、４２ａ……ＧａＡｓ光ガイド層、４２ｂ……Ａｌ_ｘ Ｇａ（_{１−ｘ−ｙ} ）Ｉｎ_ｙ Ａｓ光ガイド層、４４……上部ガイド層、４４ａ……ＧａＡｓ光ガイド層、４４ｂ……Ａｌ_ｘ Ｇａ（_{１−ｘ−ｙ} ）Ｉｎ_ｙ Ａｓ光ガイド層、５０……従来の半導体レーザ素子、５２……Ｉｎ濃度の高い層、５４……Ｉｎ濃度の低い層。

Claims (7)

1. 基板上に多重量子井戸構造の活性層を含む積層構造を備え、活性層を構成する井戸層と基板との格子不整合性が＋２％以上である半導体発光素子において、
   活性層を構成する複数層のバリア層のうち少なくとも一つのバリア層の全層又は井戸層に接する領域層が、井戸層の歪量よりも少ないプラス歪を有する化合物半導体層であることを特徴とする半導体発光素子。
2. 基板上に多重量子井戸構造の活性層を含む積層構造を備え、活性層を構成する井戸層と基板との格子不整合性が＋２％以上である半導体発光素子において、
   活性層の上下にそれぞれ延在する光ガイド層のうち少なくとも一つの光ガイド層の全層又は活性層に接する領域層が、井戸層の歪量よりも少ないプラス歪を有する化合物半導体層であることを特徴とする半導体発光素子。
3. 基板上に多重量子井戸構造の活性層を含む積層構造を備え、活性層を構成する井戸層と基板との格子不整合性が＋２％以上である半導体発光素子において、
   活性層を構成する複数層のバリア層のうち少なくとも一つのバリア層の全層又は井戸層に接する領域層、及び活性層の上下にそれぞれ延在する光ガイド層のうち少なくとも一つの光ガイド層の全層又は活性層に接する領域層が、井戸層の歪量よりも少ないプラス歪を有する化合物半導体層であることを特徴とする半導体発光素子。
4. 井戸層の歪量よりも少ないプラス歪みを有する化合物半導体層は、Ｉｎ及びＡｌの少なくとも一つを構成元素として有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
5. 基板がＧａＡｓ基板であり、井戸層がＧａＩｎＮＡｓ層であって、井戸層の歪量よりも少ないプラス歪みを有する化合物半導体層として設けられているバリア層が、Ａｌ_ｘ Ｇａ_{１−ｘ−ｙ} Ｉｎ_ｙ Ａｓ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１；但しｘ＝０のときはｙ≠０であり、ｙ＝０のときはｘ≠０）層であることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
6. 基板がＧａＡｓ基板であり、井戸層がＧａＩｎＮＡｓ層であるとき、井戸層の歪量よりも少ないプラス歪みを有する化合物半導体層として設けられている光ガイド層がＡｌ_ｘ Ｇａ_{１−ｘ−ｙ} Ｉｎ_ｙ Ａｓ（０≦ｘ＜１，０≦ｙ＜１；但しｘ＝０のときはｙ≠０であり、ｙ＝０のときはｘ≠０）層であることを特徴とする請求項４に記載の半導体発光素子。
7. 井戸層の歪量よりも少ないプラス歪みを有する化合物半導体層がＩｎを構成元素として有するとき、井戸層の歪量よりも少ないプラス歪みを有する化合物半導体層のＩｎ組成は、井戸層のＩｎ組成より少ないことを特徴とする請求項４から６のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子。

Images