JP2007073584A - 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

Abstract

【課題】 窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む量子井戸活性層を有する混晶半導体からなる半導体発光素子において、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない層とを歪補償層の構造に含ませる場合に、しきい電流密度の上昇を抑え、良好な特性を得る。
【解決手段】 ＧａＡｓ基板上に形成されている半導体発光素子において、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、活性領域には、さらに、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とを少なくとも含んだ多層構造からなる引っ張り歪を有する歪補償層が設けられており、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とは、直接界面を接しない層構成となっている。
【選択図】 図２

Description

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。

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、ＧａＡｓ基板上に１．３μｍ帯で発振する素子を成長可能である。ＧａＩｎＮＡｓとＧａＡｓとの組み合わせで構成され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事が多く、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。

しかしながら、ＧａＩｎＮＡｓは、歪を有して用いられることが多いために、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。

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−ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄｌａｙｅｒ ）を用いる方法が近年行なわれている。

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などが用いられている。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。

例えば非特許文献１に報告されているように、ＧａＡｓＰのみの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。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となり好ましくなく、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。

さらにＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層に直接ＧａＡｓＰを隣接させる場合、活性層の圧縮歪とＧａＡｓＰの引っ張り歪との歪差が大きすぎると、良質なＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層を成長することが困難になり好ましくないため、これらの間にＧａＡｓ層を中間層として設けざるをえない場合がある。

また、ＧａＡｓＮのみの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。そこで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。

そこで、特許文献１には、複数の歪補償層の組み合わせでこれらの問題点を解決し、歪補償を行う方法が提案されている。特許文献１によれば、ＧａＡｓ基板上に形成されている半導体発光素子において、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、活性領域には、さらに、量子井戸活性層に隣接させて、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１層以上の層とＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高くリン（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する１層以上の層との多層構造からなる歪補償層にすることで、良好な温度特性と発振波長の短波長化の抑制を両立しつつ、十分な歪補償を行なうことが可能になる。

また、上記特許文献１の構成以外でも、異なる歪やバンドギャップを有する複数種類の歪補償層を組み合わせる構成はいくつも考えられる。
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ ．Ｌｅｔｔ ．，７８ ，９１ （２００１） 特開２００４−１２８４４２号公報

しかしながら、これらの複数の歪補償層を用いるときには、以下のような未解決の問題があることが本願の発明者の実験からわかった。なお、次表（表１）は、本願の発明者の実験において、ＧａＩｎＮＡｓ活性層に対してＧａＮＡｓ層を隣接させ、さらにその外側にＧａＮＰＡｓ層あるいはＧａＡｓＰ層を設けた歪補償構造を採用した場合のブロードストライプレーザのしきい電流密度を比較したものである。

例えば前記特許文献１の方法において、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが低く窒素（Ｎ）を含む層としてＧａＮＡｓを用い、ＧａＡｓよりも伝導帯バンドが高くリン（Ｐ）を含み引っ張り歪を有する層としてＧａＡｓＰを用いた場合、この２層が隣接していると半導体発光素子のしきい電流が比較的高くなり、それに対して、ＧａＡｓＰの変わりにＧａＮＰＡｓを用いた場合はしきい電流の値がＧａＡｓＰに比較して低くなる傾向があることが表１からわかる。

この表１に示した、活性層側から順にＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＮＡｓ／ＧａＡｓＰとなるような歪補償層の構造において、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない層とが隣接する場合には、しきい電流密度がどうしても高くなりやすいということが分かった。

本発明は、この点を解決することを目的としている。

すなわち、本発明は、窒素（Ｎ）とその他のＶ族元素を含む量子井戸活性層を有する混晶半導体からなる半導体発光素子において、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない層とを歪補償層の構造に含ませる場合に、しきい電流密度の上昇を抑え、良好な特性を得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。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ＧａＡｓ基板上に形成されている半導体発光素子において、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、活性領域には、さらに、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とを少なくとも含んだ多層構造からなる引っ張り歪を有する歪補償層が設けられており、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とは、直接界面を接しない層構成となっていることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、ＧａＡｓ基板上に形成されている半導体発光素子において、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、活性領域には、さらに、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とを少なくとも含んだ多層構造からなる引っ張り歪を有する歪補償層が設けられており、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とは、直接界面を接しない層構成となっていることを特徴としている。

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、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない層との間に、窒素（Ｎ）とリン（Ｐ）を共に含まない層が中間層として設けられていることを特徴としている。

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、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない層との間に、窒素（Ｎ）とリン（Ｐ）を共に含む層が中間層として設けられていることを特徴としている。

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、窒素（Ｎ）とリン（Ｐ）を共に含む中間層は、窒素（Ｎ）またはリン（Ｐ）またはその両方の組成が連続的に変化している部分を有していることを特徴としている。

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、該半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであることを特徴としている。

また、請求項７記載の発明は、請求項６記載の半導体発光素子を光送信用光源として用いたことを特徴とする光送信用モジュールである。

また、請求項８記載の発明は、請求項７記載の光送信用モジュールを用いたことを特徴とする光通信システムである。

請求項１記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板上に形成されている半導体発光素子において、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、活性領域には、さらに、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とを少なくとも含んだ多層構造からなる引っ張り歪を有する歪補償層が設けられており、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とは、直接界面を接しない層構成となっており、低品質の界面ができやすいＮとＰを同時に切り替える界面が歪補償構造内に含まれないため、半導体発光素子のしきい電流密度の増加を防止することができる。

また、請求項２記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板上に形成されている半導体発光素子において、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、活性領域には、さらに、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とを少なくとも含んだ多層構造からなる引っ張り歪を有する歪補償層が設けられており、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とは、直接界面を接しない層構成となっており、より多くの界面が存在する多重量子井戸活性層を含む活性領域に対して適用することで、より有効に半導体発光素子のしきい電流密度の増加を防止することができる。

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記載の半導体発光素子において、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない層との間に、窒素（Ｎ）とリン（Ｐ）を共に含まない層が中間層として設けられているので、低品質の界面ができやすい窒素（Ｎ）とリン（Ｐ）を同時に切り替える界面を歪補償構造内に含まず、半導体発光素子のしきい電流密度の増加を防止することができる。

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、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない層との間に、窒素（Ｎ）とリン（Ｐ）を共に含む層が中間層として設けられているので、低品質の界面ができやすい窒素（Ｎ）とリン（Ｐ）を同時に切り替える界面を歪補償構造内に含まず、半導体発光素子のしきい電流密度の増加を防止することができる。

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、窒素（Ｎ）とリン（Ｐ）を共に含む中間層は、窒素（Ｎ）またはリン（Ｐ）またはその両方の組成が連続的に変化している部分を有しているので、より高品質な界面の形成が可能になり、半導体発光素子の特性を向上できる。

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、該半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであり、請求項６記載の発明によれば、面発光型半導体レーザにおいて厚い半導体多層膜反射鏡を成長しても、歪によるモホロジの荒れを防止でき、かつ、しきい電流密度の上昇を防止できる。

また、請求項７記載の発明によれば、請求項６記載の半導体発光素子を光送信用光源として用いた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提供することができる。

また、請求項８記載の発明によれば、請求項７記載の光送信用モジュールを用いた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１はＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層とＧａＮＡｓとＧａＡｓＰの２種類の歪補償層からなるＳＱＷ（単一量子井戸）構造の活性領域を模式的に示した図である。この構造では量子井戸活性層に隣接してＧａＮＡｓ層、ＧａＡｓＰ層の順番で歪補償層を構成してある。このような構成は前記従来例のように半導体発光素子の短波長化を防ぎつつ、良好な歪補償を行うための構造として用いられる。またＧａＮＡｓのようなＮを含んだ層をＧａＩｎＮＡｓ活性層に隣接させると、文献（Ｓ．Ｉｌｌｅｋ， Ｂ．Ｂｏｒｃｈｅｒｔ， Ｇ．Ｅｂｂｉｎｇｈａｕｓ， Ａ．Ｙｕ．Ｅｇｏｒｏｖ， ａｎｄ Ｈ．Ｒｉｅｃｈｅｒｔ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２０００ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｄｉｕｍ Ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ｐｐ．５３７ （２０００））に記載のように、良好なしきい電流密度を有する素子が得られることが知られている。ＧａＡｓＰ層のようなＰを含んだ層はＧａＮＡｓに比べて大きな引っ張り歪を有した層を成長しやすく、より歪補償の効果を大きくするために、ＧａＮＡｓと組み合わせて用いるのは歪補償の観点では非常に有効であると考えられる。

しかし、表１に示したように、このようなＧａＮＡｓ層の外側に直接ＧａＡｓＰ層を接した構造をとった場合、しきい電流密度が高くなってしまうという問題が生じることが本願発明者の実験によりわかった。ＧａＡｓＰはＧａＮＡｓに比べて結晶品質を保ったまま、ある程度引っ張り歪の大きな層を成長することが可能であり、歪補償としては好ましい性質を持っているが、表１によれば、ＧａＮＡｓと直接界面を接する構造をとった場合、しきい電流密度の上昇という好ましくない結果をもたらすことになってしまう。

ＧａＮＡｓとＧａＡｓＰでは、ＮとＰという２種類のＶ族元素をその成長界面で切り替えねばならず、エピタキシャル成長時に良質な界面を得るためのパラメータを求めることが非常に難しい。Ｖ族元素の切り替えの界面においては、相互拡散等により非発光再結合中心が生成しやすく、良質な界面で無い場合、レーザのしきい電流密度が上昇する事がよく知られている。特にこのようにＮとＰの２種類の切り替えでは、良質な界面が得にくいのではないかと本願発明者は考察した。

そこで、本願の発明者は、第１の仕方として以下のような構成を案出した。すなわち、たとえばＧａＮＡｓとＧａＡｓＰの層の間に、ＮもＰも含まない例えば薄いＧａＡｓ層を中間層として入れることで、界面でのＶ族元素の切り替えがＧａＮＡｓ／ＧａＡｓ界面ではＮのみ、ＧａＡｓＰ／ＧａＡｓ界面ではＰのみと１種類に限定されるため、比較的良好な界面を得やすくなり、この構成により、Ｎを含んでＰを含まない層とＰを含んでＮを含まない層を用いた歪補償構造でも、しきい電流密度の上昇を抑え、良好な特性の半導体発光素子を得ることが可能になることを案出した。

ここで、量子井戸活性層は何もＧａＩｎＮＡｓには限らず、ＧａＩｎＮＡｓＳｂなどの他の組成のＮとその他のＶ族を含むIII−Ｖ族化合物でも当然かまわない。さらにＮを含んでＰを含まない層はＧａＮＡｓに限定されるわけではなく、例えばＧａＩｎＮＡｓ（量子井戸活性層とは別組成）などの他の材料でもかまわない。またＰを含んでＮを含まない層もＧａＡｓＰに必ずしも限定されず、ＧａＡｓＰＳｂ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓＰＳｂなど他の元素を含んだ形の混晶でも当然かまわない。また、ＮもＰも含まない中間層もＧａＡｓに限定されず、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＳｂなど他の化合物でも当然かまわない。さらにこれらの層はそれぞれ複数の層から構成されていても当然かまわない。

また、本願の発明者は、第２の仕方として以下のような構成を案出した。すなわち、例えばＧａＮＡｓとＧａＡｓＰの層の間に、ＮとＰとを共に含む例えば薄いＧａＮＰＡｓ層を中間層として入れることで、界面でのＶ族元素の切り替えがＧａＮＡｓ／ＧａＮＰＡｓ界面ではＰのみ、ＧａＡｓＰ／ＧａＮＰＡｓ界面ではＮのみと１種類に限定されるため、２種類のＶ族原料を切り替えるのに対して、比較的良好な界面を得やすくなり、この構成により、Ｎを含んでＰを含まない層とＰを含んでＮを含まない層を用いた歪補償構造でも、しきい電流密度の上昇を抑え良好な特性の半導体発光素子を得ることが可能になることを案出した。

ここで、ＮとＰを共に含む層は何もＧａＮＰＡｓに限らない、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＰなど他の化合物でも当然かまわない。さらに各層がそれぞれ複数の層から構成されていても当然かまわない。

また、上記で説明している歪補償構造を構成している各層は、それぞれすべてが活性層と逆の引っ張り歪を有する必要はない。例えばＧａＡｓのような歪の無い層やＧａＩｎＡｓのような圧縮歪を有する層を一部に含んでいても、全体として活性層の歪を補償する構成であればかまわない。

以上のように、Ｎを含んでＰを含まない層とＰを含んでＮを含まない層とを歪補償構造を有する活性領域内で直接界面を接しないようにすることで、レーザのしきい電流密度の上昇を抑えることが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（第１の形態）
本発明の第１の形態は、ＧａＡｓ基板上に形成されている半導体発光素子において、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、活性領域には、さらに、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とを少なくとも含んだ多層構造からなる引っ張り歪を有する歪補償層が設けられており、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とは、直接界面を接しない層構成となっていることを特徴としている。

本発明の第１の形態によれば、ＧａＡｓ基板上に形成されている半導体発光素子において、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、活性領域には、さらに、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とを少なくとも含んだ多層構造からなる引っ張り歪を有する歪補償層が設けられており、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とは、直接界面を接しない層構成となっており、低品質の界面ができやすいＮとＰを同時に切り替える界面が歪補償構造内に含まれないため、半導体発光素子のしきい電流密度の増加を防止することができる。

（第２の形態）
本発明の第２の形態は、ＧａＡｓ基板上に形成されている半導体発光素子において、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、活性領域には、さらに、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とを少なくとも含んだ多層構造からなる引っ張り歪を有する歪補償層が設けられており、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とは、直接界面を接しない層構成となっていることを特徴としている。

本発明の第２の形態によれば、ＧａＡｓ基板上に形成されている半導体発光素子において、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、活性領域には、さらに、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とを少なくとも含んだ多層構造からなる引っ張り歪を有する歪補償層が設けられており、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とは、直接界面を接しない層構成となっており、より多くの界面が存在する多重量子井戸活性層を含む活性領域に対して適用することで、より有効に半導体発光素子のしきい電流密度の増加を防止することができる。

（第３の形態）
本発明の第３の形態は、第１または第２の形態の半導体発光素子において、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない層との間に、窒素（Ｎ）とリン（Ｐ）を共に含まない層が中間層として設けられていることを特徴としている。

本発明の第３の形態によれば、第１または第２の形態の半導体発光素子において、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない層との間に、窒素（Ｎ）とリン（Ｐ）を共に含まない層が中間層として設けられているので、低品質の界面ができやすい窒素（Ｎ）とリン（Ｐ）を同時に切り替える界面を歪補償構造内に含まず、半導体発光素子のしきい電流密度の増加を防止することができる。

（第４の形態）
本発明の第４の形態は、第１または第２の形態の半導体発光素子において、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない層との間に、窒素（Ｎ）とリン（Ｐ）を共に含む層が中間層として設けられていることを特徴としている。

本発明の第４の形態によれば、第１または第２の形態の半導体発光素子において、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない層との間に、窒素（Ｎ）とリン（Ｐ）を共に含む層が中間層として設けられているので、低品質の界面ができやすい窒素（Ｎ）とリン（Ｐ）を同時に切り替える界面を歪補償構造内に含まず、半導体発光素子のしきい電流密度の増加を防止することができる。

（第５の形態）
本発明の第５の形態は、第４の形態の半導体発光素子において、窒素（Ｎ）とリン（Ｐ）を共に含む中間層は、窒素（Ｎ）またはリン（Ｐ）またはその両方の組成が連続的に変化している部分を有していることを特徴としている。

本発明の第５の形態によれば、第４の形態の半導体発光素子において、窒素（Ｎ）とリン（Ｐ）を共に含む中間層は、窒素（Ｎ）またはリン（Ｐ）またはその両方の組成が連続的に変化している部分を有しているので、より高品質な界面の形成が可能になり、半導体発光素子の特性を向上できる。

（第６の形態）
本発明の第６の形態は、第１乃至第５のいずれかの形態の半導体発光素子において、該半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであることを特徴としている。

本発明の第６の形態によれば、第１乃至第５のいずれかの形態の半導体発光素子において、該半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであり、本発明の第６の形態によれば、面発光型半導体レーザにおいて厚い半導体多層膜反射鏡を成長しても、歪によるモホロジの荒れを防止でき、かつ、しきい電流密度の上昇を防止できる。

（第７の形態）
本発明の第７の形態は、第６の形態の半導体発光素子を光送信用光源として用いたことを特徴とする光送信用モジュールである。

本発明の第７の形態によれば、第６の形態の半導体発光素子を光送信用光源として用いた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提供することができる。

（第８の形態）
本発明の第８の形態は、第７の形態の光送信用モジュールを用いたことを特徴とする光通信システムである。

本発明の第８の形態によれば、第７の形態の光送信用モジュールを用いた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。

次に、実施例を説明する。

実施例１は、第１，第３の形態に対応している。図２は実施例１の半導体発光素子を示す図であり、図２の例では、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いる。すなわち、図２を参照すると、この端面発光型半導体レーザは、基板側から、ｎ−ＧａＡｓ基板、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ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層、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）からなっている。そして、基板裏面と上部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。

この実施例１では、歪補償構造を有するＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層は、下側から、ＧａＡｓ_０．８Ｐ_０．１５層（厚さ１０ｎｍ）、ＧａＡｓ層（厚さ１ｎｍ）、ＧａＡｓ_{０．９８７}Ｎ_{０．０１３}層（厚さ２ｎｍ）、Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９量子井戸（厚さ８ｎｍ）、ＧａＡｓ_{０．９８７}Ｎ_{０．０１３}層（厚さ２ｎｍ）、ＧａＡｓ層（厚さ１ｎｍ）、ＧａＡｓ_０．８Ｐ_０．１５層（厚さ１０ｎｍ）で構成されている。この組成においては、各層のＧａＡｓに対する歪はＧａＡｓＰが−０．５３％、ＧａＡｓＮが−０．２６％、ＧａＩｎＮＡｓが＋１．９％である。

上記のレーザ構造は、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ることができる。その際、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ＡｓＨ_３，ＰＨ_３，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Ｈ_２Ｓｅ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Ｈ_２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可能である。この実施例１では、ＭＯＣＶＤ法により上記のような構造の端面発光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。

上記のような活性層の構成では、図３に示したような伝導帯バンド構造を取ることになる。文献（Ｈ．Ｓｈｉｍｉｚｕ， Ｋ．Ｋｕｍａｄａ， Ｓ．Ｕｃｈｉｙａｍａ， ａｎｄ Ａ．Ｋａｓｕｋａｗａ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２００１ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｉｎｄｉｕｍ Ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ｐｐ．５９５−５９８ （２０００））などにより、ＧａＩｎＮＡｓのようなＮとその他のＶ族を含むIII−Ｖ族化合物を活性層とした場合、直接接する障壁層としてＧａＡｓＮを用いると、レーザのしきい電流密度を低くすることができるということが知られている。また、ＧａＡｓＮ単体ではＮの組成を大きくした場合、良質の結晶を得にくいため、歪量の大きな結晶は成長が困難である。そのため本発明のように、ＧａＡｓＮを障壁層の量子井戸活性層に直接接する部分に用い、その外側により歪量の高い結晶を成長しやすいＧａＡｓＰ歪補償層と組み合わせて用いることは、歪補償の観点から見て非常にメリットが大きい。

ここで、ＧａＡｓＮ層とＧａＡｓＰ層との中間にＧａＡｓ層を厚さ１ｎｍほど成長してあることにより、ＧａＡｓ／ＧａＡｓＮ界面とＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ界面とのそれぞれの成長界面でＶ族原料の切り替えが１種類で済む。１種類の切り替えならば比較的良好な成長界面を得られる条件を求めることは難しくないため、結果として歪補償構造において各層の界面が良好に保たれ、レーザのしきい電流密度の上昇を防ぐことができる。これに対し、ＧａＡｓＰとＧａＡｓＮがＧａＡｓ層を介さず直接界面を接した場合は、Ｖ族の切り替えが２種類になる（ＮのオンオフとＰのオンオフ）ため、界面における各元素の相互拡散の無い良好な界面を得るための成長条件を求めることが非常に困難である。界面において相互拡散などで非発光再結合中心が生成すると、結果としてレーザのしきい電流密度が上昇してしまうことになる。

よって、この実施例１のように、Ｎを含んでＰを含まない層とＰを含んでＮを含まない層との間に、ＮとＰをともに含まない層を設けてやることで、レーザのしきい電流密度の上昇を防止できる。

また、この実施例１での歪補償の効果は以下の様になる。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０．１％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。

実施例２は、第２，第３の形態に対応している。図４は、実施例２の半導体発光素子を示す図であり、図４の半導体発光素子の基本構成は実施例１と全く同一で、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。また、量子井戸とそれを挟む形の歪補償構造の厚さと組成は実施例１と同一で、ＧａＡｓＰ間のバリア層としてＧａＡｓを３ｎｍの厚さで成長してある。この場合の伝導帯バンド図は図５のようなものになる。

多重量子井戸構造では、層間の界面の数も増えるため、良質な界面を得ることの重要性は一層高くなる。そのため、本発明において、活性層を多重量子井戸構造とすることで、より良好な効果を期待できる。

ここで、本発明のようにＮを含んでＰを含まない層とＰを含んでＮを含まない層が直接接しない歪補償構造を設けることで、しきい電流密度の上昇を抑えて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。

また、この実施例２では、図５のように多重量子井戸活性層間のＧａＡｓＰの中間にもＧａＡｓ層を設けているが、臨界膜厚を超えない範囲であれば図１１のように多重量子井戸活性層間のＧａＡｓＰの中間にＧａＡｓ層がない構造でも当然かまわない。この場合には、結晶成長工程が簡単になり、成長が容易になる。

実施例３は、第１，第４の形態に対応している。図６は、実施例３の半導体発光素子を説明するためのバンド図であり、半導体発光素子の基本構成は実施例１と全く同一で、ＧａＡｓＮ層とＧａＡｓＰ層との中間のＧａＡｓ層をＧａＡｓＮＰ層に変えてある点だけが異なっている。実施例３の半導体発光素子では、ＧａＡｓＮ層とＧａＡｓＰ層との中間にＧａＡｓＮＰ層を１ｎｍほど成長してあることにより、ＧａＡｓＮＰ／ＧａＡｓＮ界面とＧａＡｓＮＰ／ＧａＡｓＰ界面のそれぞれの成長界面でＶ族原料の切り替えが１種類で済む。１種類の切り替えならば比較的良好な成長界面を得やすく、結果として歪補償構造において各層の界面が良好に保たれ、レーザのしきい電流密度の上昇を防ぐことができる。

実施例４は、第５の形態に対応している。図９は、実施例４の半導体発光素子を説明するためのバンド図であり、実施例４の半導体発光素子の基本構成は実施例３と同様であるが、中間層においてＮ組成を傾斜させている点のみが異なる。この図９のバンド図では、ＧａＡｓＮＰのＰ組成は１５％で一定にしたまま、Ｎ組成を１．５％から０％まで変化させている。このようにすることで、ＧａＡｓＮＰ／ＧａＡｓＰ界面でのＮ組成を連続的に０にできるため、成長界面でのＮの切り替えの際のＮ組成変化を最小にでき、相互拡散などの悪影響を少なくできる。すなわち、Ｖ族原料切り替えによる影響を少なくして、良質な界面を形成できるようになる。なお、Ｐ組成の傾斜やＮとＰの双方を傾斜させることで、ＧａＡｓＮ／ＧａＡｓＮＰ界面やその両方を連続的な組成の界面で形成できるようになるため、より良好な界面を得ることも可能である。

実施例５は、第１の形態に対応している。図１０は、実施例５の半導体発光素子を説明するためのバンド図であり、基本構成は実施例１と同様であるが、中間層が２層からなっていることが実施例１と異なっている。この実施例５では、活性層がＧａＩｎＮＡｓＳｂ／ＧａＡｓＮＳｂ／ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｓ／ＧａＡｓＰの構成になっている。ＧａＡｓＳｂとＧａＡｓはそれぞれ１ｎｍの厚さとなっている。このように界面ごとの元素切り替えを１種類に限定することにより、良好な界面を得ることが可能になる。

実施例６は、第６の形態に対応している。図７は、実施例６の半導体発光素子を示す図であり、実施例６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、多重量子井戸活性層の構成は実施例２と同じで、ＤＱＷ構造としたものである。

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／ＧａＡｓ／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に積層され、積層構造として形成されている。

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Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ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Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２Ａｓ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。

また、多重量子井戸活性層を含む、ＧａＡｓ下部スペーサ層からＧａＡｓ上部スペーサ層までの領域は、λ共振器を構成している。

そして、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、ＡｌＯ_ｘ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、ＡｌＯ_ｘ絶縁領域によって例えばおよそ５μｍφの酸化開口領域に集中して活性層に注入される。

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、ｎ型ＧａＡｓ基板裏面にはｎ側電極が形成されている。

図７の構成の半導体発光素子（面発光型半導体レーザ）では、多重量子井戸活性層で発光した光（レーザ光）は、上下の半導体多層膜反射鏡で反射して増幅され、基板と垂直方向に放射される。

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。

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もの厚さになり、また、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もの厚さになる。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に比較して、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。

この実施例６においては、活性層に接する側から順にＧａＡｓＮ／ＧａＡｓ／ＧａＡｓＰの構成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、かつしきい電流密度の上昇を防止し、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。

実施例７は、第７，第８の形態に対応している。図８は実施例７の光送受信モジュールを示す図である。図８を参照すると、実施例７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。

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８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受信モジュールが安価に得られる。

特に、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。

また、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。この実施例７では、活性層に接する側から順にＧａＡｓＮ／ＧａＡｓ／ＧａＡｓＰの構成からなる歪補償構造を有することで、ＧａＡｓＰとＧａＡｓＮとを直接界面で接するようにした場合に生じる界面の品質劣化を抑えることができ、高品質な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。

ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層とＧａＮＡｓとＧａＡｓＰの２種類の歪補償層からなるＳＱＷ（単一量子井戸）構造の活性領域を模式的に示した図である。 実施例１の半導体発光素子を示す図である。 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。 実施例２の半導体発光素子を示す図である。 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。 実施例３の半導体発光素子を説明するためのバンド図である。 実施例６の半導体発光素子を示す図である。 実施例７の光送受信モジュールを示す図である。 実施例４の半導体発光素子を説明するためのバンド図である。 実施例５の半導体発光素子を説明するためのバンド図である。 実施例２の半導体発光素子の他の伝導帯バンド構造を示す図である。

Claims (8)

1. ＧａＡｓ基板上に形成されている半導体発光素子において、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、活性領域には、さらに、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とを少なくとも含んだ多層構造からなる引っ張り歪を有する歪補償層が設けられており、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とは、直接界面を接しない層構成となっていることを特徴とする半導体発光素子。
2. ＧａＡｓ基板上に形成されている半導体発光素子において、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、活性領域には、さらに、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とを少なくとも含んだ多層構造からなる引っ張り歪を有する歪補償層が設けられており、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない１層以上の層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない１層以上の層とは、直接界面を接しない層構成となっていることを特徴とする半導体発光素子。
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、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない層との間に、窒素（Ｎ）とリン（Ｐ）を共に含まない層が中間層として設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
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、窒素（Ｎ）を含みリン（Ｐ）を含まない層とリン（Ｐ）を含み窒素（Ｎ）を含まない層との間に、窒素（Ｎ）とリン（Ｐ）を共に含む層が中間層として設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
5. 請求項４記載の半導体発光素子において、窒素（Ｎ）とリン（Ｐ）を共に含む中間層は、窒素（Ｎ）またはリン（Ｐ）またはその両方の組成が連続的に変化している部分を有していることを特徴とする半導体発光素子。
6. 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、該半導体発光素子は、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。
7. 請求項６記載の半導体発光素子を光送信用光源として用いたことを特徴とする光送信用モジュール。
8. 請求項７記載の光送信用モジュールを用いたことを特徴とする光通信システム。

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