JP2007194672A - Semiconductor light emitting device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser with reliable structure by obtaining the improvement of temperature properties through the improvement of a quantum well effect and also by preventing lattice misfit. <P>SOLUTION: In the semiconductor laser equipped with an active layer 8 of superlattice structure where a well layer 8b lies between barrier layers 8a and 8c on a GaAs substrate 2, the well layer 8b is formed of Ga<SB>1-x</SB>In<SB>x</SB>N<SB>y</SB>As<SB>1-y</SB>, while the barrier layers 8a and 8b are formed of Ga<SB>1-i</SB>In<SB>i</SB>As<SB>1-j</SB>P<SB>j</SB>or GaAs<SB>1-j</SB>P<SB>j</SB>. At least one set or multiple sets of the well layer 8b, barrier layers 8a and 8c are laminated. If the In composition rate x of the well layer 8b is reduced, temperature properties will improve due to the fact that the confinement effect of electrons and holes in the conductive band and valenceband of the quantum well can be fully obtained. In addition, if the In composition rate x is reduced, lattice misfit will be prevented and stress strain from the GaAs substrate 2 will be suppressed, and as a result, the reliability will be improved. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、量子井戸構造を有する半導体発光素子に関し、特に、温度特性がすぐれた半導体発光素子に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device having a quantum well structure, and more particularly to a semiconductor light emitting device having excellent temperature characteristics.

従来、光通信用に使用される半導体レーザとして、InP基板上に、GaInAsP井戸層をGaInAsP障壁層で挟んだ超格子構造の活性層を備えた量子井戸レーザが知られている。 Conventionally, as a semiconductor laser used for optical communication, a quantum well laser including an active layer having a superlattice structure in which a GaInAsP well layer is sandwiched between GaInAsP barrier layers on an InP substrate is known.

しかし、この量子井戸レーザは、InPクラッド若しくはGaInAsP障壁層の伝導帯エネルギーEcbとGaInAsP井戸層の伝導帯エネルギーEcwとのエネルギー差ΔEc(=Ecb−Ecw)が小さいため、量子井戸内のキャリア(電子)の閉じ込めが十分でなく、高温では電子が障壁を越えて漏れ出す。このため、温度特性(T)が劣化するという問題があった。 However, since this quantum well laser has a small energy difference ΔEc (= Ecb−Ecw) between the conduction band energy Ecb of the InP cladding or the GaInAsP barrier layer and the conduction band energy Ecw of the GaInAsP well layer, carriers (electrons) in the quantum well ) Is not sufficiently confined, and electrons leak through the barrier at high temperatures. Therefore, the temperature characteristic (T 0) is deteriorated.

この温度特性(T)の向上を図るために、GaAs基板上に、GaInNAs井戸層とGaAs障壁層から成る活性層を備えた半導体レーザが提案されている(文献;エレクトロニクス・レターズ Vol.32,1996年,第2244頁〜第2245頁)。 In order to improve the temperature characteristic (T 0 ), a semiconductor laser having an active layer composed of a GaInNAs well layer and a GaAs barrier layer on a GaAs substrate has been proposed (Document: Electronics Letters Vol. 32, 1996, pp. 2244-2245).

この文献によれば、活性層をGaInNAs/GaAs超格子構造とすると、図11(a)のバンド構造に示すように、GaAs障壁層の伝導帯エネルギーEcbとGaInNAs井戸層の伝導帯エネルギーEcwとのエネルギー差ΔEcが大きくなるため、高温であっても十分な電子の閉じ込め効果が得られ、温度特性(T)の改善が図れるとしている。 According to this document, when the active layer has a GaInNAs / GaAs superlattice structure, the conduction band energy Ecb of the GaAs barrier layer and the conduction band energy Ecw of the GaInNAs well layer, as shown in the band structure of FIG. Since the energy difference ΔEc becomes large, a sufficient electron confinement effect can be obtained even at a high temperature, and the temperature characteristics (T 0 ) can be improved.

更に、活性層をGaInNAs/GaAs超格子構造とすると、GaAs障壁層とGaInNAs井戸層との価電子帯側でのエネルギー差ΔEvが小さくなるという傾向があるが、GaInNAs井戸層のInの組成比を大きくすることにより、価電子帯側のエネルギー差ΔEvを大きくすることができ、正孔の閉じ込め効果が得られるとしている。
エレクトロニクス・レターズ Vol.32,1996年,第2244頁〜第2245頁 Jpn. J. Appl. Phys. Vol.35(1996) pp.1273-1275
Furthermore, when the active layer has a GaInNAs / GaAs superlattice structure, the energy difference ΔEv between the GaAs barrier layer and the GaInNAs well layer tends to be small, but the In composition ratio of the GaInNAs well layer is reduced. By enlarging, the energy difference ΔEv on the valence band side can be increased, and a hole confinement effect can be obtained.
Electronics Letters Vol.32, 1996, pp. 2244-2245 Jpn. J. Appl. Phys. Vol.35 (1996) pp.1273-1275

しかしながら、上記従来の半導体レーザでは次のような問題があった。上記従来の半導体レーザでは、GaInNAs井戸層のInの組成比を大きくすることで、価電子帯側での正孔の閉じ込め効果が得られるようにしている。しかし、GaInNAsは、原子半径の大きく異なる元素によって構成される混晶半導体であるため、均一な組成の結晶を得ることが難しい。図11(b)に、III族元素とV族元素の原子半径を示すが、N(窒素)とIn(インジウム)では原子半径が約2倍も異なり、Inの添加量を増加するとNの添加が困難となり、GaInNAsの結晶性が極端に悪化する。これは、半導体材料を構成する元素に起因する本質的な現象であるため、結晶性の改善が極めて困難であった。 However, the conventional semiconductor laser has the following problems. In the conventional semiconductor laser described above, the hole confinement effect on the valence band side is obtained by increasing the In composition ratio of the GaInNAs well layer. However, since GaInNAs is a mixed crystal semiconductor composed of elements having greatly different atomic radii, it is difficult to obtain crystals with a uniform composition. FIG. 11 (b) shows the atomic radii of the group III element and the group V element. N (nitrogen) and In (indium) have different atomic radii by about twice. As the amount of In is increased, the addition of N is increased. And the crystallinity of GaInNAs is extremely deteriorated. Since this is an essential phenomenon caused by the elements constituting the semiconductor material, it has been extremely difficult to improve the crystallinity.

特に、光の閉じ込め効率を向上させるために多重井戸(MQW)レーザを形成する場合には、Inの添加量が多いと格子不整合の影響が顕著に現れることとなり、GaAs基板からの応力歪みにより信頼性が低下する。 In particular, when a multi-well (MQW) laser is formed in order to improve the light confinement efficiency, the effect of lattice mismatch becomes prominent when the amount of In added is large. Reliability decreases.

尚、文献(Jpn. J. Appl. Phys. Vol.35(1996) pp.1273-1275)には、GaInNAs井戸層をAlGaAs障壁層で挟むことで、前記価電子帯側でのエネルギー差ΔEvを大きくする提案もなされているが、AlGaAs障壁層中のAl(アルミニウム)が酸化し易いことから、信頼性の低下を招くという問題がある。 In the literature (Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 35 (1996) pp. 1273-1275), the energy difference ΔEv on the valence band side is obtained by sandwiching a GaInNAs well layer between AlGaAs barrier layers. Although a proposal for increasing the size has been made, since Al (aluminum) in the AlGaAs barrier layer is easily oxidized, there is a problem in that reliability is lowered.

本発明は上記従来技術の課題を克服するためになされたものであり、温度特性(T)に優れた半導体発光素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made to overcome the above-described problems of the prior art, and an object thereof is to provide a semiconductor light emitting device having excellent temperature characteristics (T 0 ).

本発明に係る半導体発光素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、III−V族混晶半導体であって窒素を含む2以上のV族元素を有し、遷移エネルギの1次の温度係数が−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下である第1の半導体層と、前記半導体基板上に設けられ、III−V族混晶半導体であって窒素を含む2以上のV族元素を有し、遷移エネルギの1次の温度係数が−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下である第2の半導体層とを備え、前記第2の半導体層は、前記第1の半導体層の第1の面とこの第1の面に対向する第2の面に接して前記第1の半導体層を挟み、前記第1の半導体層の数は1以上であり、前記第1の半導体層は井戸層であり、前記第2の半導体層は障壁層である。
本発明に係る半導体発光素子では、前記第1の半導体層および前記第2の半導体層の少なくとも一方は、2.3eV以下の遷移エネルギを有し、且つ、前記第1の半導体層および前記第2の半導体層の少なくとも一方に含まれるV族元素における窒素組成が40%以下であることが好ましい。
本発明に係る半導体発光素子では、前記第1の半導体層および前記第2の半導体層の少なくとも一方は、組成が1%以上9%以下の窒素を含むGaNyAs1-y混晶半導体層であることが好ましい。
本発明に係る半導体発光素子では、前記第1の半導体層および前記第2の半導体層の少なくとも一方は、組成が3%以上9%以下の窒素、組成が0%より大きく30%以下のIn、を含むGa1ーxInxyAs1-y混晶半導体層であることが好ましい。
本発明に係る半導体発光素子では、前記第2の半導体層は、組成が1%以上9%以下の窒素を含むGaNyAs1-y混晶半導体層であり、前記第1の半導体層は、組成が3%以上9%以下の窒素および組成が0%より大きく30%以下のInを含むGa1ーxInxyAs1-y混晶半導体層であることが好ましい。
A semiconductor light-emitting device according to the present invention includes a semiconductor substrate, a group III-V mixed crystal semiconductor that is provided on the semiconductor substrate, and includes two or more group V elements including nitrogen, and has a primary transition energy. A first semiconductor layer having a temperature coefficient of −0.3 meV / K or more and +0.3 meV / K or less, and a group III-V mixed crystal semiconductor that is provided on the semiconductor substrate and includes two or more V containing nitrogen. A second semiconductor layer having a group element and having a primary temperature coefficient of transition energy of not less than −0.3 meV / K and not more than +0.3 meV / K, and the second semiconductor layer includes the first semiconductor layer. The first semiconductor layer is sandwiched between the first surface of the semiconductor layer and the second surface opposite to the first surface, and the number of the first semiconductor layers is one or more. The semiconductor layer is a well layer, and the second semiconductor layer is a barrier layer.
In the semiconductor light emitting device according to the present invention, at least one of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer has a transition energy of 2.3 eV or less, and the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. It is preferable that the nitrogen composition in the group V element contained in at least one of the semiconductor layers is 40% or less.
In the semiconductor light emitting device according to the present invention, at least one of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is a GaN y As 1-y mixed crystal semiconductor layer containing nitrogen having a composition of 1% to 9%. Preferably there is.
In the semiconductor light emitting device according to the present invention, at least one of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer includes nitrogen having a composition of 3% or more and 9% or less, In having a composition greater than 0% and 30% or less, A Ga 1-x In x N y As 1-y mixed crystal semiconductor layer containing is preferable.
In the semiconductor light emitting device according to the present invention, the second semiconductor layer is a GaN y As 1-y mixed crystal semiconductor layer containing nitrogen having a composition of 1% to 9%, and the first semiconductor layer includes: A Ga 1-x In x N y As 1-y mixed crystal semiconductor layer containing nitrogen having a composition of 3% or more and 9% or less and In having a composition greater than 0% and 30% or less is preferable.

本発明に係る半導体発光素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、III−V族混晶半導体であって窒素を含む2以上のV族元素を有し、V族元素における窒素組成が40%以下であり、遷移エネルギの1次の温度係数が−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下である半導体層と、を備える。
本発明に係る半導体発光素子では、前記半導体層は、組成が1%以上9%以下の窒素を含むGaNyAs1-y混晶半導体層、または、組成が3%以上9%以下の窒素および組成が0%より大きく30%以下のInを含むGa1ーxInxyAs1-y混晶半導体層であることが好ましい。
The semiconductor light-emitting device according to the present invention includes a semiconductor substrate, and a group III-V mixed crystal semiconductor that is provided on the semiconductor substrate and includes two or more group V elements including nitrogen, and a nitrogen composition in the group V element. Is 40% or less, and the first-order temperature coefficient of transition energy is −0.3 meV / K or more and +0.3 meV / K or less.
In the semiconductor light emitting device according to the present invention, the semiconductor layer includes a GaN y As 1-y mixed crystal semiconductor layer containing nitrogen having a composition of 1% or more and 9% or less, or nitrogen having a composition of 3% or more and 9% or less, and A Ga 1-x In x N y As 1-y mixed crystal semiconductor layer containing In having a composition greater than 0% and 30% or less is preferable.

本発明の半導体発光素子は、半導体基板と、半導体基板上に設けられ、III−V族混晶半導体であって窒素を含む2以上のV族元素を含み、遷移エネルギの1次の温度係数が−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下である第1の半導体層と、を備える。
このように、III−V族混晶半導体に窒素を含む2以上のV族元素を含むようにしたので、遷移エネルギの1次の温度係数を零に近づけることができる。また、窒素組成を所定の濃度にして、遷移エネルギの1次の温度係数を零点を含む−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下であるので、半導体発光素子の発光波長の温度依存性が低減される。
The semiconductor light-emitting device of the present invention includes a semiconductor substrate and a III-V group mixed crystal semiconductor that is provided on the semiconductor substrate and includes two or more group V elements including nitrogen, and has a primary temperature coefficient of transition energy. And a first semiconductor layer that is −0.3 meV / K or more and +0.3 meV / K or less.
As described above, since the group III-V mixed crystal semiconductor includes two or more group V elements including nitrogen, the primary temperature coefficient of the transition energy can be made close to zero. In addition, since the nitrogen composition is set to a predetermined concentration and the first-order temperature coefficient of the transition energy is −0.3 meV / K or more including zero and +0.3 meV / K or less, the temperature dependence of the emission wavelength of the semiconductor light emitting device Is reduced.

本発明の半導体発光素子では、半導体基板上に設けられ、III−V族混晶半導体であって窒素を含む2以上のV族元素を含み、遷移エネルギの1次の温度係数が−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下である第2の半導体層を備え、第2の半導体層は、第1の半導体層の第1の面とこの第1の面に対向する第2の面に接して第1の半導体層を挟み、第1の半導体層の数は1以上である、ようにしてもよい。
このように、更に、窒素を含む2以上のV族元素を含み遷移エネルギの1次の温度係数がかかる範囲の第2の半導体層を備えて、第1の半導体層によって第2の半導体層を挟めば、超格子構造の半導体発光素子が形成される。
In the semiconductor light-emitting device of the present invention, a group III-V mixed crystal semiconductor which is provided on a semiconductor substrate and contains two or more group V elements including nitrogen, and the primary temperature coefficient of transition energy is -0.3 meV. / K to +0.3 meV / K or less, and the second semiconductor layer is formed on the first surface of the first semiconductor layer and on the second surface opposite to the first surface. The number of the first semiconductor layers may be one or more with the first semiconductor layers sandwiched therebetween.
As described above, the semiconductor device further includes a second semiconductor layer including two or more group V elements including nitrogen and having a first order temperature coefficient of transition energy, and the second semiconductor layer is formed by the first semiconductor layer. If sandwiched, a semiconductor light emitting element having a superlattice structure is formed.

本発明の半導体発光素子では、第1の半導体層および第2の半導体層の少なくとも一方は、2.3eV以下の遷移エネルギを有し、且つ、第1の半導体層および第2の半導体層の少なくとも一方に含まれるV族元素における窒素組成が40%以下であるようにしてもよい。 In the semiconductor light emitting device of the present invention, at least one of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer has a transition energy of 2.3 eV or less, and at least one of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. You may make it the nitrogen composition in the V group element contained in one side be 40% or less.

このように、発光素子として好適な波長範囲を達成できる遷移エネルギを有する半導体層を用いて、半導体発光素子を形成できる。 In this manner, a semiconductor light emitting element can be formed using a semiconductor layer having a transition energy that can achieve a wavelength range suitable as a light emitting element.

本発明の半導体発光素子は、半導体基板と、半導体基板上に設けられ、組成が1%以上9%以下の窒素を含むGaNyAs1-y混晶半導体層と、を備える。 The semiconductor light emitting device of the present invention includes a semiconductor substrate, and a GaN y As 1-y mixed crystal semiconductor layer which is provided on the semiconductor substrate and contains nitrogen having a composition of 1% or more and 9% or less.

このように、GaNyAs1-y混晶半導体を採用し窒素組成が1%以上9%以下にすれば、遷移エネルギの1次の温度係数の値が小さくなるので、発光波長の温度依存性が低減された半導体発光素子が得られる。 Thus, if the GaN y As 1-y mixed crystal semiconductor is employed and the nitrogen composition is 1% or more and 9% or less, the value of the first-order temperature coefficient of the transition energy becomes small. Thus, a semiconductor light emitting device with reduced can be obtained.

本発明の半導体発光素子は、半導体基板と、半導体基板上に設けられ、組成が3%以上9%以下の窒素、組成が0%より大きく30%以下のIn、を含むGa1-xInxyAs1-y混晶半導体層と、を備える。 The semiconductor light-emitting device of the present invention is provided on a semiconductor substrate, Ga 1-x In x containing nitrogen having a composition of 3% or more and 9% or less and In having a composition of greater than 0% and 30% or less. And a N y As 1-y mixed crystal semiconductor layer.

このように、Ga1−xInxyAs1-y混晶半導体を採用し窒素組成が3%以上9%以下にすれば、遷移エネルギの1次の温度係数の値が小さくなるので、発光波長の温度依存性が低減された半導体発光素子が得られる。 Thus, if the Ga 1-x In x N y As 1-y mixed crystal semiconductor is employed and the nitrogen composition is made 3% or more and 9% or less, the value of the first-order temperature coefficient of the transition energy becomes small. A semiconductor light emitting device with reduced temperature dependence of the emission wavelength can be obtained.

本発明の半導体発光素子は、組成が1%以上9%以下の窒素を含むGaNyAs1-y混晶半導体層、並びに、組成が3%以上9%以下の窒素および組成が0%より大きく30%以下のInを含むGa1-xInxyAs1-y混晶半導体層、の少なくともいずれかを1層以上備えるようにしてもよい。 The semiconductor light-emitting device of the present invention includes a GaNyAs1-y mixed crystal semiconductor layer containing nitrogen having a composition of 1% or more and 9% or less, nitrogen having a composition of 3% or more and 9% or less, and a composition of greater than 0% and 30% or less. One or more Ga 1-x In x N y As 1-y mixed crystal semiconductor layers containing In may be provided.

このように、組成の異なる複数の半導体層で発光素子を構成すれば、格子整合の調整が好適に行うことが可能になり、また様々な波長で発光し、且つ温度特性が優れた発光素子が作製可能になる。また、異なる半導体層を交互に積層すれば、超格子構造が構成される。 Thus, if a light-emitting element is composed of a plurality of semiconductor layers having different compositions, it is possible to suitably adjust lattice matching, and a light-emitting element that emits light at various wavelengths and has excellent temperature characteristics. It becomes possible to produce. Further, a superlattice structure is formed by alternately stacking different semiconductor layers.

なお、以下のような遷移エネルギの1次の温度係数を有する半導体層であっても良い。本発明の半導体発光素子では、半導体基板と、半導体基板上に設けられ、遷移エネルギの1次の温度係数−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下を達成するための組成yである少なくとも1層以上のGaNyAs1-y混晶半導体と、を備える。また、本発明の半導体発光素子では、半導体基板と、半導体基板上に設けられ、In組成xが0%より大きく30%以下であり、遷移エネルギの1次の温度係数が−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下を達成するための組成yである少なくとも1層以上のGa1-xInxyAs1-y混晶半導体と、を備える。 A semiconductor layer having a first-order temperature coefficient of transition energy as described below may be used. In the semiconductor light emitting device of the present invention, a semiconductor substrate and a composition y provided on the semiconductor substrate and for achieving a first-order temperature coefficient of transition energy of -0.3 meV / K or more and +0.3 meV / K or less And one or more layers of GaN y As 1-y mixed crystal semiconductor. Further, in the semiconductor light emitting device of the present invention, the semiconductor substrate is provided on the semiconductor substrate, the In composition x is greater than 0% and 30% or less, and the primary temperature coefficient of transition energy is −0.3 meV / K. And at least one Ga 1-x In x N y As 1-y mixed crystal semiconductor having a composition y for achieving +0.3 meV / K or less.

このように、GaNyAs1-y混晶半導体およびGa1-xInxyAs1-y混晶半導体を採用し遷移エネルギの1次の温度係数−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下にすると、遷移エネルギの1次の温度係数が零近傍の値になるので、発光波長の温度依存性が低減された半導体発光素子が得られる。 As described above, a GaN y As 1-y mixed crystal semiconductor and a Ga 1-x In x N y As 1-y mixed crystal semiconductor are adopted, and the primary temperature coefficient of transition energy is −0.3 meV / K or more +0.3 meV. If it is set to / K or less, the first-order temperature coefficient of the transition energy becomes a value close to zero, so that a semiconductor light emitting device with reduced temperature dependence of the emission wavelength can be obtained.

本発明は、GaAs基板上に、第1の層を第2の層で挟んだ超格子構造の活性層を備えた端面発光型または面発光型の半導体レーザにおいて、前記第1の層はGa1-xInxyAs1-y、前記第2の層はGa1-iIniAs1-jj(但し、0≦i<1)から成り、前記第1の層と第2の層とが少なくとも1組以上積層された構造を備えることとした。
また、GaAs基板上に、第1の層を第2の層で挟んだ超格子構造の活性層を備えた半導体レーザにおいて、前記第1の層はGaNyAs1-y、前記第2の層はGa1-iIniAs1-jj(但し、0≦j<1)から成り、前記第1の層と第2の層とが少なくとも1組以上積層された構造を備えることとした。
The present invention relates to an edge-emitting or surface-emitting semiconductor laser having an active layer having a superlattice structure in which a first layer is sandwiched between second layers on a GaAs substrate, wherein the first layer is Ga 1. -x in x N y as 1- y, the second layer Ga 1-i in i as 1 -j P j ( where, 0 ≦ i <1) consists, said first layer and the second It was decided to provide a structure in which at least one set of layers was laminated.
In the semiconductor laser having an active layer having a superlattice structure in which a first layer is sandwiched between second layers on a GaAs substrate, the first layer is GaN y As 1-y , and the second layer is Is made of Ga 1-i In i As 1-j P j (where 0 ≦ j <1), and has a structure in which at least one set of the first layer and the second layer is laminated. .

また、前記第1の層と第2の層の厚みを、2原子層以上、10原子層以下の範囲内にした。 The thicknesses of the first layer and the second layer were set in the range of 2 atomic layers or more and 10 atomic layers or less.

前者の発明では、Ga1-xInxyAs1-yの第1の層をGa1-iIniAs1-jj(但し、0≦i<1)の第2の層で挟んだ超格子構造の活性層は、Ga1-xInxyAs1-y層のInの組成比xを小さくしても、量子井戸における伝導帯及び価電子帯での電子及び正孔の閉じ込め効果(量子井戸効果)が十分に得られ、温度特性が向上する。更に、Inの組成比xを小さくすることにより、格子不整合が抑えられて、GaAs基板からの応力歪みが低減され、信頼性の高い半導体レーザが形成される。 In the former invention, the first layer of Ga 1-x In x N y As 1-y is replaced with the second layer of Ga 1-i In i As 1-j P j (where 0 ≦ i <1). Even if the In composition ratio x of the Ga 1-x In x N y As 1-y layer is reduced, the active layer having the sandwiched superlattice structure has electrons and holes in the conduction band and valence band in the quantum well. The confinement effect (quantum well effect) is sufficiently obtained, and the temperature characteristics are improved. Furthermore, by reducing the In composition ratio x, lattice mismatch is suppressed, stress strain from the GaAs substrate is reduced, and a highly reliable semiconductor laser is formed.

後者の発明では、GaNyAs1-yの第1の層とGa1-iIniAs1-jj(但し、0≦j<1)の第2の層について良好な結晶性が得られる。即ち、Nを含みInを含まないIII−V族化合物半導体の第1の層と、Nを含まずInを含むIII−V族化合物半導体の第2の層を積層して超格子構造の活性層を形成することで、NとInを分離して積層することができ、活性層の結晶性が向上することにより、温度特性(T)に優れた半導体レーザが実現できる。 In the latter invention, good crystallinity is obtained for the first layer of GaN y As 1-y and the second layer of Ga 1-i In i As 1-j P j (where 0 ≦ j <1). It is done. That is, an active layer having a superlattice structure in which a first layer of a III-V group compound semiconductor containing N and not containing In and a second layer of a group III-V compound semiconductor containing no N and containing In are stacked. By forming N, In and In can be separated and stacked, and the crystallinity of the active layer is improved, so that a semiconductor laser having excellent temperature characteristics (T 0 ) can be realized.

また、超格子のバンドギャップ構造が電子と正孔を空間的に分離して閉じ込めることが可能になるため、発振波長の長波長化に有利に作用する。また、活性層の平均の格子定数をGaAs基板と等しくすることができ、信頼性の高い半導体レーザを実現することができる。 In addition, since the band gap structure of the superlattice can confine electrons and holes by separating them spatially, it has an advantageous effect on increasing the oscillation wavelength. Further, the average lattice constant of the active layer can be made equal to that of the GaAs substrate, and a highly reliable semiconductor laser can be realized.

また、前記第1の層と第2の層の厚みを、2原子層以上、10原子層以下の範囲内にすると、電子の波動関数と正孔の波動関数の夫々が第1の層と第2の層への染み出しが大きくなり、双方の波動関数の重なりが増加する。このため、光学的遷移確率が増加して、発光効率が増加する。 Further, when the thicknesses of the first layer and the second layer are in the range of 2 atomic layers or more and 10 atomic layers or less, each of the electron wave function and the hole wave function corresponds to the first layer and the second layer. The seepage of the two layers increases, and the overlap of both wave functions increases. For this reason, the optical transition probability increases and the light emission efficiency increases.

半導体レーザは、GaAs基板上に、第1の層を第2の層で挟んだ超格子構造の活性層を備えた端面発光型の半導体レーザにおいて、前記第1の層はGa1-xInxyAs1-y、前記第2の層はGa1-iIniAs1-jj(但し、0≦i<1)から成り、前記第1の層と第2の層とが少なくとも1組以上積層された構造を有することができる。
また、この半導体レーザは、 GaAs基板上に、第1の層を第2の層で挟んだ超格子構造の活性層を備えた面発光型の半導体レーザにおいて、前記第1の層はGa1-xInxyAs1-y、前記第2の層はGa1-iIniAs1-jj(但し、0≦i<1)から成り、前記第1の層と第2の層とが少なくとも1組以上積層された構造を有する。
上記の半導体レーザでは、発振波長が1.3μm帯もしくはそれより短波長であることが好ましい。
上記の半導体レーザでは、前記Ga1-xInxyAs1-y層のInの組成比xが、0<x≦0.25の範囲内の値であることが好ましい。
上記の半導体レーザでは、前記Ga1-iIniAs1-jj層のInの組成比iとPの組成比jが、i≦(j−0.0968)÷1.1の関係に設定されることが好ましい。
上記の半導体レーザでは、前記Ga1-iIniAs1-jj層(但し、0≦i<1)は、前記GaAs基板の格子定数と等しいか又は小さな格子定数であることが好ましい。
上記の半導体レーザでは、前記第1の層はGa0.75In0.250.013As0.987、前記第2の層はGa0.9In0.1As0.810.19であることが好ましい。
上記の半導体レーザでは、前記第1の層はGa0.75In0.250.013As0.987、前記第2の層はGaAs0.920.08であることが好ましい。
上記の半導体レーザでは、前記Ga1-iIniAs1-jj層は、GaAs1-jjから成ることが好ましい。
上記の半導体レーザでは、前記Ga1-iIniAs1-jj層は、GaAs0.920.08から成ることが好ましい。
上記の半導体レーザは、GaAs基板上に、第1の層を第2の層で挟んだ超格子構造の活性層を備えた半導体レーザにおいて、前記第1の層はGaNyAs1-y、前記第2の層はGa1-iIniAs1-jj(但し、0≦j<1)から成り、前記第1の層と第2の層とが少なくとも1組以上積層された構造を有する。
この半導体レーザでは、前記第1の層と前記第2の層で構成される超格子構造の活性層の平均の格子定数がGaAsの格子定数に等しいことが好ましい。
この半導体レーザでは、前記第1の層と前記第2の層で構成される超格子構造の活性層のエネルギーポテンシャルが、電子に対しては前記第1の層が井戸、前記第2の層が障壁となり、正孔に対しては前記第2の層が井戸、前記第1の層が障壁となることが好ましい。
この半導体レーザでは、前記第1の層と第2の層の厚みが、2原子層以上、10原子層以下の範囲内であることが好ましい。
上記の半導体レーザは、優れた温度特性(T)および高い信頼性を有する。
The semiconductor laser is an edge-emitting type semiconductor laser having an active layer having a superlattice structure in which a first layer is sandwiched between second layers on a GaAs substrate. The first layer is formed of Ga 1-x In x. N y As 1-y , the second layer is made of Ga 1-i In i As 1-j P j (where 0 ≦ i <1), and the first layer and the second layer are at least One or more sets can be stacked.
Further, the semiconductor laser on a GaAs substrate, in the first layer VCSEL with an active layer of a superlattice structure sandwiched between a second layer, said first layer Ga 1- x In x N y As1-y, the second layer is made of Ga 1-i In i As 1-j P j (where 0 ≦ i <1), and the first layer, the second layer, Have a structure in which at least one set is stacked.
In the above semiconductor laser, the oscillation wavelength is preferably in the 1.3 μm band or shorter.
In the above semiconductor laser, the In composition ratio x of the Ga 1-x In x N y As 1-y layer is preferably a value in a range of 0 <x ≦ 0.25.
In the above-described semiconductor laser, the In composition ratio i and the P composition ratio j of the Ga 1-i In i As 1-j P j layer have a relationship of i ≦ (j−0.0968) ÷ 1.1. It is preferably set.
In the semiconductor laser, the Ga 1-i In i As 1-j P j layer (where 0 ≦ i <1) is preferably equal to or smaller than the lattice constant of the GaAs substrate.
In the semiconductor laser, the first layer is preferably Ga 0.75 In 0.25 N 0.013 As 0.987 and the second layer is preferably Ga 0.9 In 0.1 As 0.81 P 0.19 .
In the above semiconductor laser, the first layer is preferably Ga 0.75 In 0.25 N 0.013 As 0.987 and the second layer is preferably GaAs 0.92 P 0.08 .
In the semiconductor laser described above, the Ga 1-i In i As 1-j P j layer is preferably made of GaAs 1-j P j .
In the semiconductor laser, the Ga 1-i In i As 1-j P j layer is preferably made of GaAs 0.92 P 0.08 .
The semiconductor laser described above includes an active layer having a superlattice structure in which a first layer is sandwiched between second layers on a GaAs substrate, wherein the first layer is GaNyAs1-y, and the second layer is the second layer. The layer is made of Ga 1-i In i As 1-j P j (where 0 ≦ j <1), and has a structure in which at least one set of the first layer and the second layer is laminated.
In this semiconductor laser, it is preferable that an average lattice constant of an active layer having a superlattice structure composed of the first layer and the second layer is equal to the lattice constant of GaAs.
In this semiconductor laser, the energy potential of an active layer having a superlattice structure composed of the first layer and the second layer is such that, for electrons, the first layer is a well, and the second layer is a well. It is preferable that the second layer be a well and the first layer be a barrier against holes.
In this semiconductor laser, it is preferable that the thicknesses of the first layer and the second layer are in the range of 2 atomic layers or more and 10 atomic layers or less.
The semiconductor laser has excellent temperature characteristics (T 0 ) and high reliability.

以上説明したように、本発明によれば、温度特性(T)に優れた半導体発光素子を提供することを目的とする。 As described above, an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device having excellent temperature characteristics (T 0 ).

(第1の実施の形態)
本発明の好適な第1の実施の形態を図1〜図5を参照して説明する。図1は、発振波長が1.3μm帯以下の端面発光型半導体レーザの構造及び製造工程を示す縦断面図である。
図1に基づいてこの端面発光型半導体レーザの構造及び製造工程を説明する。第1の工程(同図(a))で、有機金属気相成長法により、n−GaAs(001)基板2上に、n−GaAsバッファ層4、n−GaInP下部クラッド層6、活性層8及びp−GaIn上部クラッド層10を連続的に成長させる。
(First embodiment)
A preferred first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing the structure and manufacturing process of an edge-emitting semiconductor laser having an oscillation wavelength of 1.3 μm or less.
The structure and manufacturing process of this edge-emitting semiconductor laser will be described with reference to FIG. In the first step (FIG. 1A), an n-GaAs buffer layer 4, an n-GaInP lower cladding layer 6, an active layer 8 are formed on an n-GaAs (001) substrate 2 by metal organic chemical vapor deposition. The p-GaIn upper cladding layer 10 is continuously grown.

ここで、活性層8は、Ga1-xInxyAs1-y井戸層8bを、Ga1-iIniAs1-jj障壁層8a,8cで挟むことにより、超格子構造を実現している。より具体的には、井戸層8bは、Inの組成比xが、0<x≦0.25の範囲内の値(以下、第1の組成条件という)に設定され、例えば、厚さ10nmのGa0.75In0.250.013As0.987層にて形成する。 Here, the active layer 8, the Ga 1-x In x N y As 1-y well layer 8b, Ga 1-i In i As 1-j P j barrier layer 8a, by interposing at 8c, superlattice structure Is realized. More specifically, in the well layer 8b, the In composition ratio x is set to a value within the range of 0 <x ≦ 0.25 (hereinafter referred to as the first composition condition). A Ga 0.75 In 0.25 N 0.013 As 0.987 layer is formed.

障壁層8a,8cは、Pの組成比jとInの組成比iが、i≦(j−0.0968)÷1.1の条件(以下、第2の組成条件という)を満足し、且つ、その格子定数がGaAs基板2の格子定数よりも小さくなる組成(以下、第3の組成条件という)に設定されており、例えば、いずれも厚さ50nmのGa0.9In0.1As0.810.19層にて形成する。 In the barrier layers 8a and 8c, the composition ratio j of P and the composition ratio i of In satisfy the condition of i ≦ (j−0.0968) ÷ 1.1 (hereinafter referred to as the second composition condition), and The lattice constant is set to a composition smaller than the lattice constant of the GaAs substrate 2 (hereinafter referred to as the third composition condition). For example, in each case, a Ga 0.9 In 0.1 As 0.81 P 0.19 layer having a thickness of 50 nm is formed. Form.

次に、第2の工程(同図(b))で、p−GaInPクラッド層10上に、SiN膜から成る幅5μmのストライプパターン12を形成した後、そのストライプパターン12をマスクとしてp−GaInPクラッド層10の上部を選択的にエッチングすることにより、厚さ1.5μmのp−GaInPリッジストライプ部14を形成する。 Next, in the second step (FIG. 5B), a 5 μm wide stripe pattern 12 made of a SiN film is formed on the p-GaInP cladding layer 10, and then the p-GaInP is formed using the stripe pattern 12 as a mask. A p-GaInP ridge stripe portion 14 having a thickness of 1.5 μm is formed by selectively etching the upper portion of the cladding layer 10.

次に、第3の工程(同図(c))で、p−GaInPのクラッド層10及びリッジストライプ部14をn−AlGaInP層で埋め込み、それを埋め込み層16とする。このn−AlGaInP埋め込み層16を設けることにより、p−GaInPリッジストライプ部14への電流狭窄を実現している。更に、p−GaInPリッジストライプ部14の屈折率がn−AlGaInP埋め込み層16の屈折率よりも高いため、p−GaInPリッジストライプ部14の下部の活性領域において光を閉じ込めるための屈折率導波効果を実現している。 Next, in the third step (FIG. 3C), the p-GaInP cladding layer 10 and the ridge stripe portion 14 are buried with an n-AlGaInP layer, which is used as a buried layer 16. By providing the n-AlGaInP buried layer 16, current confinement to the p-GaInP ridge stripe portion 14 is realized. Furthermore, since the refractive index of the p-GaInP ridge stripe portion 14 is higher than the refractive index of the n-AlGaInP buried layer 16, the refractive index waveguide effect for confining light in the active region below the p-GaInP ridge stripe portion 14. Is realized.

次に、p−GaInPクラッド層10及びn−AlGaInP埋め込み層16上にp−GaAsコンタクト層18を成長する。 Next, a p-GaAs contact layer 18 is grown on the p-GaInP cladding layer 10 and the n-AlGaInP buried layer 16.

第4の工程(同図(d))では、p−GaAsコンタクト層18上にp−電極20を形成し、更に、n−GaAs基板2を裏面側から薄層化しその裏面にn−電極22を形成する。そして、劈開によりレーザの共振器を形成することにより、端面出射型半導体レーザを完成する。 In the fourth step (FIG. 4D), the p-electrode 20 is formed on the p-GaAs contact layer 18, and the n-GaAs substrate 2 is thinned from the back surface side, and the n-electrode 22 is formed on the back surface. Form. Then, an end face emission type semiconductor laser is completed by forming a laser resonator by cleavage.

図2は、この半導体レーザにおいて、Ga0.75In0.250.013As0.987井戸層8bとGa0.9In0.1As0.810.19障壁層8a,8cから成る活性層8のバンド構造を示している。量子井戸における伝導帯側のエネルギー差ΔEcが約440meV、価電子帯側のエネルギー差ΔEvが約60meVとなった。この結果、伝導帯側での電子の閉じ込め効果、及び価電子帯側での正孔の閉じ込め効果が十分に得られ、温度特性(T)の向上が確認された。更に、格子不整合の比率が実用上許容される0.15%以下に抑えられた。このため、GaAs基板2からの応力歪みが低減され、信頼性の向上が確認された。 FIG. 2 shows the band structure of the active layer 8 composed of the Ga 0.75 In 0.25 N 0.013 As 0.987 well layer 8b and Ga 0.9 In 0.1 As 0.81 P 0.19 barrier layers 8a and 8c in this semiconductor laser. The energy difference ΔEc on the conduction band side in the quantum well was about 440 meV, and the energy difference ΔEv on the valence band side was about 60 meV. As a result, an electron confinement effect on the conduction band side and a hole confinement effect on the valence band side were sufficiently obtained, and an improvement in temperature characteristics (T 0 ) was confirmed. Furthermore, the lattice mismatch ratio was suppressed to 0.15% or less which is practically acceptable. For this reason, the stress distortion from the GaAs substrate 2 was reduced, and the improvement in reliability was confirmed.

尚、図2は、本発明の理解を容易にするための代表例として、井戸層8bをGa0.75In0.250.013As0.987、障壁層8a,8cをGa0.9In0.1As0.810.19に特定した場合のバンド構造を示している。よって、Ga1-xInxNyAs1-y井戸層8bとGa1-iIniAs1-jj障壁層8a,8cにおける前記第1〜第3の組成条件を満足する全ての活性層8のバンド構造を示してはいない。しかし、活性層8を前記第1〜第3の組成条件で形成すると、図2と同様の傾向のバンド構造が得られると共に、格子不整合の抑制効果が得られる。 FIG. 2 shows the well layer 8b as Ga 0.75 In 0.25 N 0.013 As 0.987 and the barrier layers 8a and 8c as Ga 0.9 In 0.1 As 0.81 P 0.19 as representative examples for facilitating understanding of the present invention. The case band structure is shown. Thus, a band structure of a Ga1-xInxNyAs1-y well layer 8b and the Ga 1-i In i As 1 -j P j barrier layer 8a, all of the active layer 8 that satisfies the first to third composition conditions in 8c Not shown. However, when the active layer 8 is formed under the first to third composition conditions, a band structure having the same tendency as in FIG. 2 is obtained, and an effect of suppressing lattice mismatch is obtained.

以下、前記第1〜第3の組成条件を満足すると、温度特性(T)の向上と格子不整合の抑制効果が得られることを、図4及び図5を参照して説明する。尚、図4及び図5は、実験によって得られた特性図である。 Hereinafter, it will be described with reference to FIGS. 4 and 5 that when the first to third composition conditions are satisfied, an improvement in temperature characteristics (T 0 ) and an effect of suppressing lattice mismatch can be obtained. 4 and 5 are characteristic diagrams obtained by experiments.

図4は、Ga1-xInxyAs1-y井戸層8bの特性を示しており、横軸はそのInの組成比x、縦軸はNの組成比yを示している。実線Aは、発振波長が1.3μm帯の発振波長に相当するバンドギャップEgが得られるときの、In とNの組成比x,yの関係を示している。 FIG. 4 shows the characteristics of the Ga 1-x In x N y As 1-y well layer 8b, where the horizontal axis represents the In composition ratio x and the vertical axis represents the N composition ratio y. A solid line A indicates the relationship between the In and N composition ratios x and y when the band gap Eg corresponding to the oscillation wavelength in the 1.3 μm band is obtained.

実線B1は、Ga1-xInxyAs1-y井戸層8bを仮にGaAs障壁層で挟んだ場合に、実用上許容される格子不整合の最大比率(+0.15%)となるときの組成比x,yの関係を示している。実線B2は、格子不整合の比率が+0.1%となるときの組成比x,yの関係を示している。また、実線B1とB2の位置関係から、Inの組成比xを小さくするほど、格子不整合の比率が小さくなるという傾向が示されている。 A solid line B1 represents the maximum lattice mismatch (+ 0.15%) allowed in practice when the Ga 1-x In x N y As 1-y well layer 8b is sandwiched between GaAs barrier layers. The relationship between the composition ratios x and y is shown. A solid line B2 indicates the relationship between the composition ratios x and y when the lattice mismatch ratio is + 0.1%. Further, the positional relationship between the solid lines B1 and B2 shows a tendency that the lattice mismatch ratio decreases as the In composition ratio x decreases.

図5は、Ga1-iIniAs1-jj障壁層8a,8cの特性を示しており、横軸はPの組成比j、縦軸はInの組成比iを示している。実線L1は、Ga1-iIniAs1-jj障壁層8a,8cのInとPの組成比i,jをi=0.1とj=0.19にした場合の点Q1と、i=0とj=0.08にした場合の点Q2とを近似的に結んだ直線である。InとPの組成比i,jがこの実線L1上の値であれば、前記第1の組成条件に設定されたGa1-xInxyAs1-y井戸層8bの価電子帯エネルギーEvwよりも、Ga1-iIniAs1-jj障壁層8a,8cの価電子帯エネルギーEvbの方が約60meV以上低くなることを示している。即ち、実線L1は、価電子帯側のエネルギー差ΔEv(=Evw−Evb)が約 60meV以上になるときの組成比i,jを示している。 FIG. 5 shows the characteristics of the Ga 1-i In i As 1-j Pj barrier layers 8a and 8c. The horizontal axis indicates the P composition ratio j, and the vertical axis indicates the In composition ratio i. A solid line L1 indicates a point Q1 when the In and P composition ratios i and j of the Ga 1-i In i As 1-j P j barrier layers 8a and 8c are set to i = 0.1 and j = 0.19. , I = 0 and j = 0.08, it is a straight line connecting points Q2 approximately. If the composition ratios i and j of In and P are values on the solid line L1, the valence band energy of the Ga 1-x In x N y As 1-y well layer 8b set to the first composition condition than Evw, Ga 1-i in i As 1-j P j barrier layer 8a, the direction of 8c of the valence band energy Evb shows that lower than about 60 meV. That is, the solid line L1 indicates the composition ratios i and j when the energy difference ΔEv (= Evw−Evb) on the valence band side is about 60 meV or more.

また、この実線L1で画成された右側の領域AL1も、Ga1-xInxyAs1-y井戸層8bの価電子帯エネルギーEvwとGa1-iIniAs1-jj障壁層8a,8cの価電子帯エネルギーEvbとのエネルギー差ΔEv(=Evw−Evb)が、約60meV以上となるときの、InとPの組成比i,jの範囲を示している。 Further, the right side region A L1 defined by the solid line L1 is also the valence band energy Evw of the Ga 1-x In x N y As 1-y well layer 8b and Ga 1-i In i As 1-j P The range of In and P composition ratios i and j is shown when the energy difference ΔEv (= Evw−Evb) with respect to the valence band energy Evb of the j barrier layers 8a and 8c is about 60 meV or more.

実線L2は、Ga1-iIniAs1-jj障壁層8a,8cの格子定数がGaAs基板2のそれよりも小さくなるときの、InとPの組成比i,jを示している。また、実線L2で画成される右側の領域AL2も、Ga1-iIniAs1-jj障壁層8a,8cの格子定数がGaAs基板2のそれよりも小さくなるときの、InとPの組成比i,jの範囲を示している。 A solid line L2 indicates the composition ratios i and j of In and P when the lattice constant of the Ga 1 -i In i As 1 -j P j barrier layers 8a and 8c is smaller than that of the GaAs substrate 2. . The right side area A L2 defined by the solid line L2 also has an In 1 when the lattice constant of the Ga 1-i In i As 1-j Pj barrier layers 8a, 8c is smaller than that of the GaAs substrate 2. The range of the composition ratios i and j of P and P is shown.

まず、Ga1-xInxyAs1-y井戸層8bのInの組成比xを、0<x≦0.25に設定したことで、この井戸層8bの格子不整合の比率を実用上許容される+0.15%以下にすることが可能となった。即ち、図4において、実線AとB1の交点QでのInの組成比xは0.25であり、x=0.25のときに許容可能な格子不整合の比率が最大(最も悪い比率)になる。したがって、Inの組成比xを0<x≦0.25に設定したことで、格子不整合の比率を常に+0.15%以下にすることが可能となり、GaAs基板からの応力歪みを抑制することが可能になった。 First, since the In composition ratio x of the Ga 1-x In x N y As 1-y well layer 8b is set to 0 <x ≦ 0.25, the lattice mismatch ratio of the well layer 8b is practically used. It became possible to make + 0.15% or less allowable above. That is, in FIG. 4, the In composition ratio x at the intersection Q between the solid lines A and B1 is 0.25, and the allowable lattice mismatch ratio is the maximum when x = 0.25 (worst ratio). become. Therefore, by setting the In composition ratio x to 0 <x ≦ 0.25, the lattice mismatch ratio can always be + 0.15% or less, and the stress strain from the GaAs substrate can be suppressed. Became possible.

但し、Ga1-xInxyAs1-y井戸層8bの価電子帯エネルギーEvwは、Inの組成比xを小さくするほど低くなり、逆にInの組成比xを大きくするほど高くなるという特性を有している。このため、価電子帯側での正孔の閉じ込め効果を向上させようとする観点からすると、Inの組成比xを単純に0<x≦0.25の範囲に設定しただけでは、格子不整合の抑制が可能になっても、正孔の閉じ込め効果が低下するという問題が生じることになる。 However, the valence band energy Evw of the Ga 1-x In x N y As 1-y well layer 8b decreases as the In composition ratio x decreases, and conversely increases as the In composition ratio x increases. It has the characteristic. For this reason, from the viewpoint of improving the hole confinement effect on the valence band side, lattice mismatch is simply achieved by simply setting the In composition ratio x in the range of 0 <x ≦ 0.25. Even if it becomes possible to suppress this, a problem that the hole confinement effect is lowered occurs.

しかし、本発明の半導体レーザでは、障壁層8a,8cをGaAsではなく、Ga1-iIniAs1-jjで形成したことにより、この問題点を解決している。即ち、Ga1-iIniAs1-jjは、P(リン)を含むことで価電子帯エネルギーEvbが低くなるという特性を有しているため、Ga1-xInxyAs1-y井戸層8bのInの組成比xを0<x≦0.25の範囲に設定したことでその価電子帯エネルギーEvwが低くなっても、Ga1-iIniAs1-jj障壁層8a,8cの価電子帯エネルギーEvbも低くなることから、井戸層8bと障壁層8a,8c間でのエネルギー差ΔEv(=Evw−Evb)が小さくならない。更に、図5中の領域AL1は、i≦(j−0.0968)÷1.1の範囲と一致している。したがって、Ga1-iIniAs1-jj障壁層8a,8cの組成を前記第2の組成条件に基づいて設定することにより、正孔の閉じ込め効果が十分に得られる。 However, the semiconductor laser of the present invention solves this problem by forming the barrier layers 8a and 8c with Ga 1-i In i As 1-j P j instead of GaAs. That is, Ga 1-i In i As 1-j P j has a characteristic that the valence band energy Evb is lowered by containing P (phosphorus), and therefore Ga 1-x In x N y As. Even if the valence band energy Evw is lowered by setting the In composition ratio x in the 1-y well layer 8b within the range of 0 <x ≦ 0.25, Ga 1-i In i As 1-j P j Since the valence band energy Evb of the barrier layers 8a and 8c is also reduced, the energy difference ΔEv (= Evw−Evb) between the well layer 8b and the barrier layers 8a and 8c is not reduced. Further, the area AL1 in FIG. 5 matches the range of i ≦ (j−0.0968) ÷ 1.1. Therefore, the hole confinement effect can be sufficiently obtained by setting the composition of the Ga 1-i In i As 1-j Pj barrier layers 8a, 8c based on the second composition condition.

更に、Ga1-iIniAs1-jj障壁層8a,8cは、Inの組成比iを過度に大きくすると、GaAs基板2の格子定数より大きくなるため、応力歪みが発生し信頼性が低下することとなる。しかし、InとPの組成比i,jを前記第3の組成条件に基づいて設定したため、これらの組成比i,jは図5中の領域AL1と領域AL2の重複範囲AL1・AL2となる。この結果、GaAs基板2とGa1-iIniAs1-jj障壁層8a,8cとの格子不整合が抑制されると同時に、価電子帯側の十分なエネルギー差ΔEvが確保されている。 Further, since the Ga 1-i In i As 1-j Pj barrier layers 8a and 8c become larger than the lattice constant of the GaAs substrate 2 if the In composition ratio i is excessively increased, stress distortion occurs and reliability is increased. Will be reduced. However, since the composition ratios i and j of In and P are set based on the third composition condition, these composition ratios i and j are overlapping ranges A L1 and A of the region A L1 and the region A L2 in FIG. L2 . Consequently, GaAs substrate 2 and the Ga 1-i In i As 1 -j P j barrier layer 8a, and at the same time the lattice mismatch is suppressed and 8c, sufficient energy difference ΔEv of the valence band side is ensured Yes.

以上に説明したように、Ga1-xInxyAs1-y井戸層8bとGa1-iIniAs1-jj障壁層8a,8cの組成を前記第1〜第3の組成条件に基づいて設定したことにより、キャリア閉じ込めの効果及び温度特性(T)に優れ、且つ格子不整合が抑制されて信頼性の高い構造を有する端面出射型半導体レーザを実現することができる。 As described above, the composition of the Ga 1-x In x N y As 1-y well layer 8b and the Ga 1-i In i As 1-j Pj barrier layers 8a and 8c is changed to the first to third components. By setting based on the composition conditions, it is possible to realize an edge-emitting semiconductor laser having a highly reliable structure with excellent carrier confinement effect and temperature characteristics (T 0 ) and with suppressed lattice mismatch. .

尚、以上の説明では、Ga1-xInxyAs1-y井戸層8bとGa1-iIniAs1-jj障壁層8a,8cとによる超格子構造の活性層8について説明したが、障壁層8a,8cを、Ga1-iIniAs1-jjの代わりに、GaAs基板2より格子定数の小さなGaAs1-jjで形成してもよい。 In the above description, the active layer 8 having a superlattice structure composed of the Ga 1-x In x N y As 1-y well layer 8b and the Ga 1-i In i As 1-j Pj barrier layers 8a and 8c is described. As described above, the barrier layers 8a and 8c may be formed of GaAs 1-j P j having a lattice constant smaller than that of the GaAs substrate 2 instead of Ga 1-i In i As 1-j P j .

図3は、好適な態様として、厚さ10nmのGa0.75In0.250.013As0.987井戸層8bを 厚さ50nmのGaAs0.920.08障壁層8a,8cで挟んだ活性層8のバンド構造を示している。量子井戸における伝導帯側のエネルギー差ΔEcが約450meV、価電子帯側のエネルギー差ΔEvが約60meVとなった。この結果、伝導帯側での電子の閉じ込め効果、及び価電子帯側での正孔の閉じ込め効果が十分に得られ、温度特性(T0)の向上が確認された。更に、GaAs1-jj障壁層8a,8cは、図5中の点Q2における組成に相当するため、格子不整合の比率が実用上許容される0.15%以下に抑えられる。このため、GaAs基板2からの応力歪みが低減され、信頼性の向上が可能となる。 FIG. 3 shows a band structure of the active layer 8 in which a Ga 0.75 In 0.25 N 0.013 As 0.987 well layer 8b having a thickness of 10 nm is sandwiched between GaAs 0.92 P 0.08 barrier layers 8a and 8c having a thickness of 50 nm as a preferred embodiment. Yes. The energy difference ΔEc on the conduction band side in the quantum well was about 450 meV, and the energy difference ΔEv on the valence band side was about 60 meV. As a result, an electron confinement effect on the conduction band side and a hole confinement effect on the valence band side were sufficiently obtained, and an improvement in temperature characteristics (T0) was confirmed. Furthermore, since the GaAs 1-j Pj barrier layers 8a and 8c correspond to the composition at the point Q2 in FIG. 5, the lattice mismatch ratio is suppressed to 0.15% or less which is practically acceptable. For this reason, the stress distortion from the GaAs substrate 2 is reduced, and the reliability can be improved.

(第2の実施の形態)
本発明の好適な第2の実施の形態を図6を参照して説明する。尚、図6は、発振波長が1.3μm帯以下の面発光型半導体レーザの構造及び製造工程を示す縦断面図である。
(Second Embodiment)
A preferred second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing the structure and manufacturing process of a surface emitting semiconductor laser having an oscillation wavelength of 1.3 μm or less.

図6に基づいて、この面発光型半導体レーザの構造及び製造工程を説明する。第1の工程(同図(a))で、有機金属気相成長法により、n−GaAs(001)基板24上に、n−GaAsから成る厚さ200nmのバッファ層26、DBRミラー層28、n−Al0.4Ga0.6Asから成る厚さ0.2μmの下部クラッド層30、活性層32、p−Al0.4Ga0.6Asから成る厚さ0.2μmの上部クラッド層34及び、ミラー層36を成長する。 Based on FIG. 6, the structure and manufacturing process of this surface emitting semiconductor laser will be described. In the first step (FIG. 5A), a 200 nm thick buffer layer 26 made of n-GaAs, a DBR mirror layer 28, an n-GaAs (001) substrate 24 are formed on the n-GaAs (001) substrate 24 by metal organic chemical vapor deposition. Growing a lower cladding layer 30 made of n-Al0.4Ga0.6As and having a thickness of 0.2 .mu.m, an active layer 32, an upper cladding layer 34 having a thickness of 0.2 .mu.m made of p-Al0.4Ga0.6As, and a mirror layer 36. To do.

ここで、DBRミラー層28は、レーザ波長の1/4に相当する厚さのn−AlAs/GaAs層を20.5ペア積層することにより形成している。 Here, the DBR mirror layer 28 is formed by laminating 20.5 pairs of n-AlAs / GaAs layers having a thickness corresponding to ¼ of the laser wavelength.

活性層8は、Ga1-xInxyAs1-yから成る井戸層を5層、これらを挟む障壁層をGa1-iIniAs1-jjで成長することにより、多重井戸構造としている。より具体的には、前記の各井戸層は、Inの組成比xが、0<x≦0.25の範囲内の値(第1の組成条件)に設定され、例えば、厚さ10nmのGa0.75In0.250.013As0.987層にて形成する。前記の各障壁層は、Pの組成比jとInの組成比iが、i≦(j−0.0968)÷1.1の条件(第2の組成条件)を満足し、且つ、その格子定数がGaAs基板2の格子定数よりも小さくなる組成(第3の組成条件)に設定されており、例えば、いずれも厚さ50nmのGa0.9In0.1As0.810.19層にて形成する。 The active layer 8 is formed by growing five well layers composed of Ga 1-x In x N y As 1-y and a barrier layer sandwiching these layers by Ga 1-i In i As 1-j P j , thereby multiplying the active layer 8. It has a well structure. More specifically, in each of the well layers, the In composition ratio x is set to a value (first composition condition) in a range of 0 <x ≦ 0.25, for example, a Ga film having a thickness of 10 nm. 0.75 In 0.25 N 0.013 As 0.987 layer. In each of the barrier layers, the composition ratio j of P and the composition ratio i of In satisfy the condition of i ≦ (j−0.0968) ÷ 1.1 (second composition condition), and the lattice The constant is set to a composition (third composition condition) that is smaller than the lattice constant of the GaAs substrate 2. For example, each is formed of a Ga 0.9 In 0.1 As 0.81 P 0.19 layer having a thickness of 50 nm.

更に、ミラー層36は、レーザ波長の1/4に相当する厚さのp−AlAs/GaAs層を25ペア積層することにより形成する。 Further, the mirror layer 36 is formed by laminating 25 pairs of p-AlAs / GaAs layers having a thickness corresponding to ¼ of the laser wavelength.

次に、第2の工程(同図(b))で、ミラー層36の10μmφの領域を残して、p−AlGaAsクラッド層34までプロトンを注入することにより、ミラー層36の下部に10μmφの電流狭窄部を実現するための閉じ込め層38を形成する。 Next, in the second step (FIG. 5B), a 10 μmφ current is applied to the lower portion of the mirror layer 36 by injecting protons to the p-AlGaAs cladding layer 34 while leaving the 10 μmφ region of the mirror layer 36. A confinement layer 38 for realizing the constriction is formed.

第3の工程(同図(c))では、上面側の全面にp−電極40を形成する。次に、第4の工程(同図(d))で、n−GaAs基板24を裏面側から薄層化して全体の厚みを100μm程度にした後、p−電極24の裏面を鏡面仕上げし、更に、レーザ出射領域以外の部分にn−電極42を形成して、レーザ出射領域に反射防止膜44を形成することにより、この半導体レーザが完成する。 In the third step (FIG. 3C), the p-electrode 40 is formed on the entire upper surface. Next, in the fourth step (FIG. 4D), the n-GaAs substrate 24 is thinned from the back surface side so that the total thickness is about 100 μm, and then the back surface of the p-electrode 24 is mirror-finished. Further, the n-electrode 42 is formed in a portion other than the laser emission region, and the antireflection film 44 is formed in the laser emission region, thereby completing this semiconductor laser.

この面発光型半導体レーザにおいても、活性層34のバンド構造が図2と同様になり、且つ、図4及び図5を参照して説明した第1の実施の形態と同様の効果が得られる。このため、電子と正孔の閉じ込め効果が十分に得られ、更に、格子不整合が抑制されることで信頼性が向上する。 Also in this surface emitting semiconductor laser, the band structure of the active layer 34 is the same as in FIG. 2, and the same effects as those of the first embodiment described with reference to FIGS. 4 and 5 can be obtained. For this reason, the effect of confining electrons and holes is sufficiently obtained, and further, the lattice mismatch is suppressed, thereby improving the reliability.

即ち、前記第1の組成条件に基づいてGa1-xInxyAs1-y井戸層の組成を設定したことにより、Ga1-xInxyAs1-y井戸層の格子不整合が抑制される。この結果、GaAs基板24からの応力歪みを抑制することが可能となり、信頼性の向上を図ることができる。特に、光の閉じ込め効率の向上を図るための多重井戸構造を容易に実現することができる。 That is, by based on the first composition conditions were set the composition of the Ga 1-x In x N y As 1-y well layers, lattice Ga 1-x In x N y As 1-y well layers not Matching is suppressed. As a result, it becomes possible to suppress the stress distortion from the GaAs substrate 24 and to improve the reliability. In particular, a multi-well structure for improving the light confinement efficiency can be easily realized.

更に、第2の組成条件に基づいてGa1-iIniAs1-jj障壁層の組成を設定したことにより、Ga1-iIniAs1-jj障壁層の価電子帯エネルギーEvbとGa1-xInxyAs1-y井戸層の価電子帯エネルギーEvwとのエネルギー差ΔEv(=Evw−Evb)が、正孔を有効に量子井戸中に閉じ込めるための十分なエネルギー差となる。更に、第3の組成条件に基づいてGa1-iIniAs1-jj障壁層の組成を設定したことにより、Ga1-iIniAs1-jj障壁層のGaAs基板24に対する格子不整合が抑制される。 Moreover, Ga 1-i In by i As 1-j set the composition of P j barrier layer, Ga 1-i In i As 1-j valence band of the P j barrier layer based on the second composition conditions The energy difference ΔEv (= Evw−Evb) between the energy Evb and the valence band energy Evw of the Ga 1-x In x N y As 1-y well layer is sufficient to effectively confine holes in the quantum well. It becomes an energy difference. Furthermore, by setting the composition of the Ga 1-i In i As 1 -j P j barrier layer based on the third composition conditions, Ga 1-i In i As 1-j P j GaAs substrate barrier layer 24 The lattice mismatch with respect to is suppressed.

また、図6には、Ga1-xInxyAs1-y井戸層とGa1-iIniAs1-jj障壁層とを多重積層して多重井戸構造にした場合を示すが、Ga1-iIniAs1-jj障壁層の代わりに、GaAs1-jj障壁層を適用してもよい。即ち、Ga1-xInxyAs1-y井戸層とGaAs1-jj障壁層によって多重井戸構造を形成すると、図3と同様のバンド構造が得られ、且つ、図4及び図5を参照して説明した第1の実施の形態と同様の効果が得られる。このため、電子と正孔の閉じ込め効果が十分に得られ、更に、格子不整合が抑制されて信頼性が向上する。 Further, FIG. 6 shows a case where a Ga 1-x In x N y As 1-y well layer and a Ga 1-i In i As 1-j P j barrier layer are laminated to form a multi-well structure. However, a GaAs 1-j Pj barrier layer may be applied instead of the Ga 1-i In i As 1-j Pj barrier layer. That is, when a multi-well structure is formed by a Ga 1-x In x N y As 1-y well layer and a GaAs 1-j Pj barrier layer, a band structure similar to FIG. 3 is obtained, and FIGS. The same effect as that of the first embodiment described with reference to FIG. For this reason, the effect of confining electrons and holes is sufficiently obtained, and further, lattice mismatch is suppressed and reliability is improved.

(第3の実施の形態)
本発明の好適な第3の実施の形態を図7を参照して説明する。尚、図7は、発振波長が1.3μm帯の端面発光型半導体レーザの構造を示す縦断面図である。
(Third embodiment)
A preferred third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing the structure of an edge emitting semiconductor laser having an oscillation wavelength of 1.3 μm band.

同図において、この半導体レーザは、有機金属気相成長法により、トリメチルインジウム、トリエチルガリウム、ジメチルヒドラジン、ターシャルブチルフォスフィン、ターシャルブチルアルシンを夫々In、Ga、N、P、Asの原料とし、成長温度を550℃に設定して、GaAs(001)基板46上にn−GaAsバッファ層48、n−GaInP下部クラッド層50、活性層52、p−GaInP上部クラッド層54を連続的に成長させた構造を有している。 In this figure, this semiconductor laser uses trimethylindium, triethylgallium, dimethylhydrazine, tert-butylphosphine, and tert-butylarsine as raw materials for In, Ga, N, P, and As, respectively, by metalorganic vapor phase epitaxy. The growth temperature is set to 550 ° C., and the n-GaAs buffer layer 48, the n-GaInP lower cladding layer 50, the active layer 52, and the p-GaInP upper cladding layer 54 are continuously grown on the GaAs (001) substrate 46. It has the structure made.

活性層52は、GaNyAs1-y井戸層52bを、Ga1-iIniAs1-jj障壁層(但し、0≦j<1)52a,52cで挟むことにより、超格子構造を実現している。即ち、GaNyAs1-y井戸層52bを、Ga1-iIniAs1-jj障壁層(但し、0<j<1の場合)52a,52c、またはGa1-iIniAs障壁層(但し、j=0の場合)52a,52cで挟むことにより、超格子構造となっている。また、より具体的には、GaNyAs1-y井戸層52bの厚みを8nm、Ga1-iIniAs1-jj(但し、0≦j<1)障壁層52a,52cの厚みを10nmにしている。 The active layer 52 has a superlattice structure by sandwiching a GaN y As 1-y well layer 52b between Ga 1-i In i As 1-j Pj barrier layers (where 0 ≦ j <1) 52a and 52c. Is realized. That is, the GaNyAs1-y well layer 52b, Ga 1-i In i As 1-j P j barrier layer (in the case of 0 <j <1) 52a, 52c , or Ga 1-i In i As barrier layer, ( However, when j = 0), a superlattice structure is formed by sandwiching it between 52a and 52c. More specifically, the thickness of the GaN y As 1-y well layer 52b is 8 nm, and the thickness of the Ga 1-i In i As 1-j P j (where 0 ≦ j <1) barrier layers 52a and 52c. Is 10 nm.

更に、上部クラッド層54の所定領域を選択エッチングすることにより、ボトムの幅が約1.5μmのリッジストライプ部66を形成し、上部クラッド層54のエッチング除去された部分にn−AlGaInP埋め込み層56を成長させることで、電流の狭窄と光の効果的な閉じ込めを実現している。更にまた、n−AlGaInP埋め込み層56とp−GaInPリッジストライプ部66上に、GaInAsP中間層58と低抵抗のp−GaAsコンタクト層60を連続的に成長させ、p−GaAsコンタクト層60上にp−電極62、GaAs基板46の裏面にn−電極64を形成後、劈開により共振器が形成された構造となっている。 Further, a predetermined region of the upper cladding layer 54 is selectively etched to form a ridge stripe portion 66 having a bottom width of about 1.5 μm. The n-AlGaInP buried layer 56 is formed in the etched portion of the upper cladding layer 54. The current is confined and the light is effectively confined. Furthermore, a GaInAsP intermediate layer 58 and a low-resistance p-GaAs contact layer 60 are continuously grown on the n-AlGaInP buried layer 56 and the p-GaInP ridge stripe portion 66, and p is formed on the p-GaAs contact layer 60. A structure in which a resonator is formed by cleaving after forming the n-electrode 64 on the back surface of the electrode 62 and the GaAs substrate 46.

かかる構造を有する半導体レーザでは、GaNyAs1-y井戸層52bは、N(窒素)に較べて原子半径が大きく異なるIn(インジウム)が含まれないため、良好な結晶性が得られる。Ga1-iIniAs1-jj(0≦j<1)障壁層52a,52cも同様に、Inに較べて原子半径が大きく異なるNが含まれないため、良好な結晶性が得られる。 In the semiconductor laser having such a structure, the GaN y As 1-y well layer 52b does not contain In (indium) having an atomic radius that is significantly different from that of N (nitrogen), so that good crystallinity is obtained. Similarly, the Ga 1-i In i As 1-j P j (0 ≦ j <1) barrier layers 52a and 52c do not contain N having an atomic radius that is significantly different from that of In. It is done.

即ち、Nを含みInを含まないIII-V族化合物半導体GaNyAs1-yの井戸層52bと、Nを含まずInを含むIII-V族化合物半導体Ga1-iIniAs1-jjの障壁層52a,52cとを積層することで、原子半径の大きく異なるNとInを分離して結晶の不混和度を低減した構造となっている。したがって、高品質な結晶性を有する超格子構造の活性層52を実現し、応力歪みが少なく信頼性の高い半導体レーザが得られる。 That is, a well layer 52b of a group III-V compound semiconductor GaN y As 1-y that contains N and does not contain In, and a group III-V compound semiconductor Ga 1-i In i As 1-j that does not contain N and contains In. P j of the barrier layer 52a, by stacking the 52c, has a structure with a reduced immiscible degree of crystals were separated significantly different N and in atomic radius. Therefore, the superlattice active layer 52 having high quality crystallinity is realized, and a highly reliable semiconductor laser with less stress distortion is obtained.

更に、GaNyAs1-y井戸層52bのNの組成比とGa1-iIniAs1-jj障壁層52a,52cのInの組成比を独立に設定することができる。このため、井戸層52bと障壁層52a,52cとの伝導帯側のエネルギー差ΔEcと、井戸層52bと障壁層52a,52cとの価電子帯側のエネルギー差ΔEvを容易に調整することができ、電子と正孔の十分な閉じ込め効果を有し且つ優れた温度特性(T)を有する半導体レーザを実現することができる。 Furthermore, the N composition ratio of the GaN y As 1-y well layer 52b and the In composition ratio of the Ga 1-i In i As 1-j Pj barrier layers 52a, 52c can be set independently. Therefore, the energy difference ΔEc on the conduction band side between the well layer 52b and the barrier layers 52a and 52c and the energy difference ΔEv on the valence band side between the well layer 52b and the barrier layers 52a and 52c can be easily adjusted. A semiconductor laser having a sufficient confinement effect of electrons and holes and having excellent temperature characteristics (T 0 ) can be realized.

(第4の実施の形態)
本発明の好適な第4の実施の形態を図8を参照して説明する。尚、図8(a)は、多重井戸(MQW)レーザの構造を示す縦断面図、図8(b)は、活性層の構造及び特性を示す説明図である。また、図8(a)(b)において図7と同一または相当する部分を同一符号で示している。
(Fourth embodiment)
A preferred fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 8A is a longitudinal sectional view showing the structure of a multi-well (MQW) laser, and FIG. 8B is an explanatory view showing the structure and characteristics of the active layer. 8A and 8B, the same or corresponding parts as those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals.

図8(a)において、前記第3の実施の形態の半導体レーザは単一量子井戸構造の活性層52を備えるのに対し、本実施の形態の半導体レーザでは、これに代えて、多重量子井戸構造の活性層68を備えている。 In FIG. 8A, the semiconductor laser of the third embodiment includes an active layer 52 having a single quantum well structure, whereas the semiconductor laser of the present embodiment replaces this with a multiple quantum well. An active layer 68 of structure is provided.

即ち、図8(b)に示すように、活性層68は、GaNyAs1-y井戸層68b,68d,68fをGa1-iIniAs1-jj(但し、0≦j<1)障壁層68a,68c,68e,68gで交互に挟んだ多重量子井戸構造となっている。 That is, as shown in FIG. 8B, the active layer 68 includes a GaN y As 1-y well layer 68b, 68d, 68f, Ga 1-i In i As 1-j P j (where 0 ≦ j < 1) A multiple quantum well structure in which the barrier layers 68a, 68c, 68e, and 68g are alternately sandwiched.

かかる構造の半導体レーザによれば、活性層68を多重量子井戸構造にすることで、キャリアの捕獲効率が改善するため、温度特性(T)の更なる向上が図られている。 According to the semiconductor laser having such a structure, the trapping efficiency of carriers is improved by making the active layer 68 a multi-quantum well structure, so that the temperature characteristic (T 0 ) is further improved.

更に、GaNyAs1-y井戸層68b,68d,68fの格子定数がGaAsの格子定数よりも小さいため、GaNyAs1-y井戸層68b,68d,68fに掛かる引っ張り応力と、Ga1-iIniAs1-jj(但し、0≦j<1)障壁層68a,68c,68e,68gに掛かる圧縮応力が相殺され、活性層68の平均の格子定数がGaAsの格子定数とほぼ等しくなる。このため、活性層68全体とGaAs基板46との格子不整合が大幅に低減され、信頼性の高い半導体レーザが実現されている。 Further, since the lattice constant of the GaN y As 1-y well layers 68b, 68d, and 68f is smaller than that of GaAs, the tensile stress applied to the GaN y As 1-y well layers 68b, 68d, and 68f, and Ga 1− i in i as 1-j P j ( where, 0 ≦ j <1) barrier layer 68a, 68c, 68e, compressive stress on the 68g is canceled, approximately the average lattice constant of the active layer 68 and the lattice constant of GaAs Will be equal. Therefore, the lattice mismatch between the entire active layer 68 and the GaAs substrate 46 is greatly reduced, and a highly reliable semiconductor laser is realized.

(第5の実施の形態)
本発明の好適な第5の実施の形態を図9、図10を参照して説明する。本実施の形態の半導体レーザは、図8に示した第4の実施の形態と同様に、n−GaInP下部クラッド層50とp−GaInP上部クラッド層54の間に多重量子井戸構造の活性層68を有する多重井戸(MQW)レーザに関するものである。
(Fifth embodiment)
A preferred fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As in the fourth embodiment shown in FIG. 8, the semiconductor laser according to the present embodiment has an active layer 68 having a multiple quantum well structure between the n-GaInP lower cladding layer 50 and the p-GaInP upper cladding layer 54. Relates to a multiple well (MQW) laser having

但し、本実施の形態の半導体レーザは、図9に示すように、活性層68を構成する複数のGa1-iIniAs1-jj(但し、0≦j<1)障壁層68a,68c,68e,68g,68i…と複数のGaNyAs1-y井戸層68b,68d,68f,68h…の夫々の膜厚d1,d2が極めて薄く、ド・ブロイ波長以下、例えば約3nm以下で形成されている。より詳細には、膜厚d1,d2は、2原子層以上、10原子以下の範囲内に設定されている。 However, as shown in FIG. 9, the semiconductor laser of the present embodiment has a plurality of Ga 1-i In i As 1-j P j (where 0 ≦ j <1) barrier layers 68a constituting the active layer 68. , 68c, 68e, 68g, 68i... And a plurality of GaN y As 1-y well layers 68b, 68d, 68f, 68h... Are very thin and have a de Broglie wavelength or less, for example, about 3 nm or less. It is formed with. More specifically, the film thicknesses d1 and d2 are set in the range of 2 atomic layers or more and 10 atoms or less.

次に、かかる構造の活性層68を有する半導体レーザの動作を図10に基づいて説明する。尚、図10(a)は、GaAsの伝導帯エネルギーEc1及び価電子帯エネルギーEv1と、GaNyAs1-yのNの組成比に応じた伝導帯エネルギーEc2及び価電子帯エネルギーEv2と、Ga1-iIniAs1-jj(但し、0≦j<1)のInの組成比に応じた伝導帯エネルギーEc3及び価電子帯エネルギーEv3と、夫々のエネルギーギャップEg1,Eg2,Eg3を示し、図10(b)は、活性層68のバンド構造を示している。 Next, the operation of the semiconductor laser having the active layer 68 having such a structure will be described with reference to FIG. 10A shows the conduction band energy Ec1 and valence band energy Ev1 of GaAs, the conduction band energy Ec2 and valence band energy Ev2 according to the composition ratio of N in GaN y As 1-y , and Ga. 1-i In i As 1-j P j (where 0 ≦ j <1), the conduction band energy Ec3 and valence band energy Ev3 according to the In composition ratio, and the respective energy gaps Eg1, Eg2, Eg3 FIG. 10B shows the band structure of the active layer 68.

図10(a)において、GaNyAs1-yは、Nの組成比yが大きいほど伝導帯エネルギーEc2と価電子帯エネルギーEv2が下がり、Ga1-iIniAs1-jj(但し、0≦j<1)は、Inの組成比iが大きいほど、伝導帯エネルギーEc3が下がり、価電子帯エネルギーEv3が上がるという特性がある。また、Ga1-iIniAs1-jjは、Pを含まない場合(j=0)と、Pを含む場合(j>0)とでは、伝導帯エネルギーEc3と価電子帯エネルギーEv3が、図示の如く上下にずれるという傾向がある。 In FIG. 10A, GaN y As 1-y indicates that the conduction band energy Ec2 and valence band energy Ev2 decrease as the composition ratio y of N increases, and Ga 1-i In i As 1-j P j (however, , 0 ≦ j <1), the larger the In composition ratio i, the lower the conduction band energy Ec3 and the higher the valence band energy Ev3. Ga 1-i In i As 1-j P j includes conduction band energy Ec3 and valence band energy Ev3 when P is not included (j = 0) and when P is included (j> 0). However, there is a tendency to shift up and down as shown.

そこで、活性層68全体の平均の格子定数がGaAsの格子定数とほぼ等しくなるように、GaNyAs1-y井戸層68b,68d,68f,68h…のNの組成比yとGa1-iIniAs1-jj障壁層68a,68c,68e,68g,68i…のIn,Pの組成比i,jを調整する。これにより、良好な結晶性の活性層68を得ることができ、GaNyAs1-y井戸層68b,68d,68f,68h…に掛かる引っ張り応力とGa1-iIniAs1-jj障壁層68a,68c,68e,68g,68i…に掛かる圧縮応力が相殺されて、GaAs基板からの応力歪みが低減される。 Therefore, the N composition ratio y of the GaN y As 1-y well layers 68 b, 68 d , 68 f, 68 h ... And Ga 1 -i so that the average lattice constant of the entire active layer 68 is substantially equal to the lattice constant of GaAs. In i As 1-j P j barrier layers 68 a, 68 c, 68 e, 68 g, 68 i. Thus, it is possible to obtain an active layer 68 of good crystallinity, GaNyAs1-y well layers 68b, 68d, 68f, tensile applied to 68h ... stress and Ga 1-i In i As 1 -j P j barrier layer 68a , 68c, 68e, 68g, 68i... Are canceled out, and stress strain from the GaAs substrate is reduced.

図10(b)は、このようにGaNyAs1-y井戸層68b,68d,68f,68h…のNの組成比yとGa1-iIniAs1-jj障壁層68a,68c,68e,68g,68i…のIn,Pの組成比i,jを設定した場合のバンド構造を示している。図10(b)において、Ga1-iIniAs1-jj障壁層68a,68c,68e…とGaNyAs1-y井戸層68b,68d…との伝導帯側のエネルギー差ΔEc(=Ec3−Ec2)により、キャリア(電子)がGaNyAs1-y井戸層68b,68d…に閉じ込められ、一方、Ga1-iIniAs1-jj障壁層68a,68c,68e…とGaNyAs1-y井戸層68b,68d…との価電子帯側のエネルギー差ΔEv(=Ev2−Ev3)により、キャリア(正孔)がGa1-iIniAs1-jj障壁層68a,68c,68e…に閉じ込められるエネルギーポテンシャルを形成することができる。 FIG. 10 (b), thus GaNyAs1-y well layers 68b, 68d, 68f, 68h composition ratio y and Ga of N ...-1 i In i As 1 -j P j barrier layer 68a, 68c, 68e, The band structure is shown when the In, P composition ratios i, j of 68g, 68i... Are set. In FIG. 10 (b), Ga 1- i In i As 1-j P j barrier layer 68a, 68c, 68e ... and GaN y As 1-y well layer 68b, the energy difference between the conduction band and 68d ... .DELTA.Ec ( = Ec3-Ec2 by), carriers (electrons) GaN y As 1-y well layer 68b, confined to 68d ..., whereas, Ga 1-i in i As 1-j P j barrier layer 68a, 68c, 68e ... And the GaN y As 1-y well layers 68b, 68d,..., The energy difference ΔEv (= Ev2−Ev3) on the valence band side causes carriers (holes) to become Ga 1−i In i As 1−j Pj barrier An energy potential confined in the layers 68a, 68c, 68e... Can be formed.

ここで、単に、このエネルギーポテンシャルを見た場合には、正孔がGaNyAs1-y井戸層68b,68d…に閉じ込められないため、光学遷移が起こらないこととなるが、本実施の形態では、Ga1-iIniAs1-jj障壁層68a,68c,68e…の厚みd1とGaNyAs1-y井戸層68b,68d…の厚みd2を極めて薄くしているので、活性層68内のキャリア(電子,正孔)は量子力学的な波動として振る舞うこととなり、バルクではみられない量子サイズ効果が現れる。 Here, simply looking at this energy potential, holes are not confined in the GaN y As 1-y well layers 68b, 68d..., So that optical transition does not occur. in, Ga 1-i in i as 1-j P j barrier layer 68a, 68c, 68e ... the thickness d1 and GaN y as 1-y well layer 68b, since the extremely thin 68d ... thickness of d2, active Carriers (electrons and holes) in the layer 68 behave as quantum mechanical waves, and a quantum size effect that cannot be seen in the bulk appears.

この量子サイズ効果により、GaNyAs1-y井戸層68b,68d…に閉じ込められた電子の波動関数はψc、Ga1-iIniAs1-jj障壁層68a,68c,68e…に閉じ込められた正孔の波動関数はψvのようになる。 The quantum size effect, GaN y As 1-y well layer 68b, the electron wave function trapped 68d ... ψc, Ga 1-i In i As 1-j P j barrier layer 68a, 68c, 68e ... the The wave function of the confined holes becomes ψv.

更に、Ga1-iIniAs1-jj障壁層68a,68c,68e…とGaNyAs1-y井戸層68b,68d…が極めて薄いため、波動関数ψcはGa1-iIniAs1-jj障壁層68a,68c,68e…へ染み出し、波動関数ψvはGaNyAs1-y井戸層68b,68d…へ染み出す。そして、双方の波動関数ψcとψvの染み出しが大きくなり、双方の重なりが大きくなるため、光学遷移確率が増大し、発光効率が増加して発光hνの強度が大きくなる。即ち、Ga1-iIniAs1-jj障壁層68a,68c,68e…とGaNyAs1-y井戸層68b,68d…の価電子帯側のエネルギーが、Ev2<Ev3の関係であっても、光遷移確率が増大するため、良好な温度特性(T)が得られる。 Moreover, Ga 1-i In i As 1-j P j the barrier layer 68a, 68c, 68e ... and GaN y As 1-y well layer 68b, for 68d ... is extremely thin, wave function ψc is Ga 1-i In i As 1-j P j barrier layer 68a, 68c, exuded to 68e ..., the wave function ψv is GaN y As 1-y well layer 68b, exude to 68d .... Then, the seepage of both wave functions ψc and ψv increases, and the overlap between both increases, so that the optical transition probability increases, the light emission efficiency increases, and the intensity of the light emission hν increases. That, Ga 1-i In i As 1-j P j barrier layer 68a, 68c, 68e ... and GaN y As 1-y well layers 68b, 68d ... energy of the valence band side of, in relation to Ev2 <Ev3 Even if it exists, since the optical transition probability increases, a favorable temperature characteristic (T 0 ) can be obtained.

尚、各井戸層と障壁層の厚みを量子サイズ効果が得られる程度の薄さにすることで、上記の光遷移確率の増大という目的が達成されるが、具体例として、前記障壁層68a,68c,68e…と井戸層68b,68d…の各厚みを、2原子層以上、40原子層以下の範囲にすることが望ましい。更に、光遷移確率の更なる増大化を図るために、2原子層以上、10原子層以下の範囲(この場合は、夫々の膜厚d1,d2を3nm以下にすることに相当する)にすることが望ましい。本実施の形態の半導体レーザでは、d1=d2=3nm以下に設定することで良好な結果が得られた。 The purpose of increasing the light transition probability is achieved by reducing the thickness of each well layer and the barrier layer to such an extent that a quantum size effect can be obtained. As a specific example, the barrier layer 68a, 68c, 68e... And well layers 68b, 68d... Are preferably in the range of 2 atomic layers to 40 atomic layers. Further, in order to further increase the optical transition probability, the range is set to 2 atomic layers or more and 10 atomic layers or less (in this case, this corresponds to setting the respective film thicknesses d1 and d2 to 3 nm or less). It is desirable. In the semiconductor laser of the present embodiment, good results were obtained by setting d1 = d2 = 3 nm or less.

更に、発光波長は、夫々の量子井戸の基底準位間のエネルギー差で決まるため、GaNyAs1-y井戸層68b,68d…とGa1-iIniAs1-jj障壁層68a,68c,68e…の個別のバンドギャップEg2,Eg3よりも小さくなる。このため、GaNyAs1-y井戸層68b,68d…のN(窒素)や、Ga1-iIniAs1-jj障壁層68a,68c,68e…のIn(インジウム)の組成を増加させることなく、換言すれば、結晶性の劣化に繋がる格子不整合や結晶欠陥を増加させることなく、発振波長の長波長化が可能となる。 Furthermore, the emission wavelength is determined depending on a difference in energy between ground levels of the quantum well each, GaN y As 1-y well layers 68b, 68d ... and Ga 1-i In i As 1 -j P j barrier layer 68a , 68c, 68e... Smaller than the individual band gaps Eg2, Eg3. Therefore, GaN y As 1-y well layers 68b, 68d ... and N (nitrogen) of, Ga 1-i In i As 1-j P j barrier layer 68a, 68c, the composition of 68e ... of In (indium) In other words, it is possible to increase the oscillation wavelength without increasing the lattice mismatch or crystal defect that leads to the deterioration of crystallinity.

更に、電子と正孔が空間的に分離されるため、半導体レーザの損失の一要因となっているオージェ(Auger)損失を無くすことができ、高効率の半導体レーザを実現することができる。 Furthermore, since electrons and holes are spatially separated, the Auger loss, which is one factor of the loss of the semiconductor laser, can be eliminated, and a highly efficient semiconductor laser can be realized.

尚、Ga1-iIniAs1-jj障壁層68a,68c,68e…は、Pを含まないGa1-iIniAs(j=0の場合)であっても、同様の効果が得られる。 Incidentally, Ga 1-i In i As 1-j P j barrier layer 68a, 68c, 68e ..., even Ga 1-i In i As free of P (the case of j = 0), the same effect Is obtained.

また、端面発光型半導体レーザについて説明したが、この活性層68を垂直共振器を有する面発光型半導体レーザに適用することも可能である。 Further, although the edge-emitting semiconductor laser has been described, the active layer 68 can be applied to a surface-emitting semiconductor laser having a vertical resonator.

以下の実施の形態においては、遷移エネルギの温度依存性が低減された半導体発光素子に関する実施の形態を説明する。以下の記述は上記の実施の形態において説明した構造の発光素子に対しても適用できる。 In the following embodiments, embodiments relating to semiconductor light emitting devices in which the temperature dependence of transition energy is reduced will be described. The following description can be applied to the light-emitting element having the structure described in the above embodiment.

(第6の実施の形態)
本実施の形態の発光素子は、特に、光ファイバを使用した光通信システムに好適に適用される。このような通信システムでは、1.3μm帯または1.55μm帯の光信号を半導体レーザを用いて発生させ、これを途中で増幅しつつ光ファイバを用いて長距離の伝送を行う。例えば、1.55μm帯では、光信号の信号増幅のための励起レーザとしては、0.98μm帯および1.48μm帯の2種類があり、励起バンド幅は、それぞれ0.98±0.005μmおよび1.48±0.015μmと狭い。このため、使用される半導体レーザには、高い波長安定性が必要とされる。また、この励起バンド内にレーザの発振波長が含まれていても、発振ゲインは平坦ではない。このため、温度等による波長変動によって利得変動が発生するので、特性として高い波長安定性が必要とされるのである。以下の実施の形態では、このような特性の半導体発光素子について説明する。
(Sixth embodiment)
The light emitting device of this embodiment is particularly preferably applied to an optical communication system using an optical fiber. In such a communication system, a 1.3 μm band or a 1.55 μm band optical signal is generated using a semiconductor laser, and a long distance transmission is performed using an optical fiber while amplifying the optical signal. For example, in the 1.55 μm band, there are two types of pump lasers for signal amplification of an optical signal: a 0.98 μm band and a 1.48 μm band, and the excitation bandwidths are 0.98 ± 0.005 μm and 1.48 ± 0.015 μm and narrow. For this reason, the semiconductor laser used requires high wavelength stability. Even if the laser oscillation wavelength is included in this excitation band, the oscillation gain is not flat. For this reason, gain fluctuations occur due to wavelength fluctuations due to temperature or the like, and therefore high wavelength stability is required as a characteristic. In the following embodiments, a semiconductor light emitting device having such characteristics will be described.

図12は、本発明の半導体発光素子が適用されたファブリペロー型(FP型という)半導体レーザを模式的に表した斜視図である。 FIG. 12 is a perspective view schematically showing a Fabry-Perot type (FP type) semiconductor laser to which the semiconductor light emitting device of the present invention is applied.

図12を参照すると、PF型半導体レーザは、半導体基板76の一主面上に、バッファ層78、第1のクラッド層70、第1のガイド層71、活性層72、第2のガイド層73、第2のクラッド層74、リッジストライプ部86、中間層88、コンタクト層80、および第1導電側電極82を備え、また基板76の一主面と対向する面、つまり裏面には第2導電側電極84を備える。 Referring to FIG. 12, the PF type semiconductor laser has a buffer layer 78, a first cladding layer 70, a first guide layer 71, an active layer 72, and a second guide layer 73 on one main surface of a semiconductor substrate 76. , The second cladding layer 74, the ridge stripe portion 86, the intermediate layer 88, the contact layer 80, and the first conductive side electrode 82, and the second conductive layer is formed on the surface opposite to one main surface of the substrate 76, that is, on the back surface. A side electrode 84 is provided.

リッジストライプ部86は、放射されるレーザ光の光軸方向(z軸)に沿って延びる。リッジストライプ部86の対向する2側面は、第2のクラッド層74および中間層88(中間層がない場合には、コンタクト層80)に接して設けられて、これらの層74、88に挟まれている。このため、この部分86は、第1導電側電極82からのキャリアをコンタクト層80および中間層88を通して、第2のクラッド層74に導く。また、リッジストライプ部86の上記2側面に隣接する側面は、レーザ光の光軸と直交する方向の両側から埋め込み層90によって挟まれている。つまり、埋め込み層90は、上記光軸に沿って、且つリッジストライプ部86に接して延びる。このため、キャリアの狭窄と、この結果として効果的な光の閉じ込めを実現している。 The ridge stripe portion 86 extends along the optical axis direction (z-axis) of the emitted laser light. Two opposing side surfaces of the ridge stripe portion 86 are provided in contact with the second cladding layer 74 and the intermediate layer 88 (or the contact layer 80 when there is no intermediate layer) and are sandwiched between these layers 74 and 88. ing. Therefore, the portion 86 guides carriers from the first conductive side electrode 82 to the second cladding layer 74 through the contact layer 80 and the intermediate layer 88. Further, the side surface adjacent to the two side surfaces of the ridge stripe portion 86 is sandwiched between the buried layers 90 from both sides in the direction perpendicular to the optical axis of the laser beam. That is, the buried layer 90 extends along the optical axis and in contact with the ridge stripe portion 86. For this reason, carrier confinement and, as a result, effective light confinement are realized.

活性層72は、再結合することによって発光に寄与する電子および正孔を閉じ込める。このため、活性層72は第1のガイド層71および第2のガイド層73に挟まれ、また対向する2面においてこれらのガイド層71、73に接している。活性層72とこれを両側から挟むガイド層71、73とは活性層領域を構成する。活性層においては再結合によって光が発生して、この光は活性層領域に閉じ込められ、また半導体レーザ共振器(両反射端面)によって光が増幅されレーザ発振がする。活性層領域は、第1のクラッド層70および第2のクラッド層74によってガイド層71、73の外側から挟まれる。ガイド層71、73の各々は、活性層72に接する面と対向する面において、それぞれ第1のクラッド層70および第2のクラッド層74と接している。活性層領域71、72、73は、クラッド層70、74よりの高い屈折率を有している。この屈折率の違いによって、活性層で発生したレーザ光は、効率的に活性層領域に閉じ込められる。 The active layer 72 confines electrons and holes that contribute to light emission by recombination. For this reason, the active layer 72 is sandwiched between the first guide layer 71 and the second guide layer 73 and is in contact with these guide layers 71 and 73 on two opposing surfaces. The active layer 72 and the guide layers 71 and 73 sandwiching the active layer 72 from both sides constitute an active layer region. Light is generated by recombination in the active layer, and this light is confined in the active layer region, and the light is amplified by the semiconductor laser resonator (both reflection end faces) to cause laser oscillation. The active layer region is sandwiched from the outside of the guide layers 71 and 73 by the first cladding layer 70 and the second cladding layer 74. Each of the guide layers 71 and 73 is in contact with the first cladding layer 70 and the second cladding layer 74 on the surface opposite to the surface in contact with the active layer 72. The active layer regions 71, 72 and 73 have a higher refractive index than the cladding layers 70 and 74. Due to the difference in refractive index, the laser light generated in the active layer is efficiently confined in the active layer region.

活性層におけるレーザ発振は、第1導電側電極82および第2導電側電極84の一方から電流を注入することによって起こる。電流注入のため、クラッド層70、74、バッファ層78、および基板76は、導電性を有する。基板76、バッファ層78、第1のクラッド層70は、共に第1の導電型の半導体層で構成され、また第2のクラッド層74、リッジストライプ部86、中間層88、およびコンタクト層80は、共に第2の導電型の半導体層で構成される。また、第1の導電型と第2の導電型とは、異なる導電型である。 Laser oscillation in the active layer occurs by injecting a current from one of the first conductive side electrode 82 and the second conductive side electrode 84. Because of current injection, the cladding layers 70 and 74, the buffer layer 78, and the substrate 76 are conductive. The substrate 76, the buffer layer 78, and the first cladding layer 70 are all formed of a semiconductor layer of the first conductivity type, and the second cladding layer 74, the ridge stripe portion 86, the intermediate layer 88, and the contact layer 80 include , Both are constituted by a semiconductor layer of the second conductivity type. Further, the first conductivity type and the second conductivity type are different conductivity types.

このような構成のPF型半導体レーザにおいて、活性層72としては、遷移エネルギの1次の温度係数が−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下であり、且つ2以上のV族元素の一元素として窒素を含むIII−V族混晶半導体を使用できる。 In the PF type semiconductor laser having such a configuration, the active layer 72 has a primary temperature coefficient of transition energy of −0.3 meV / K or more and +0.3 meV / K or less, and two or more group V elements. A III-V mixed crystal semiconductor containing nitrogen as one element can be used.

このように、III−V族混晶半導体が窒素を含む2以上のV族元素を有するようにしたので、遷移エネルギの1次の温度係数を零に近づけることができる。また、窒素組成を所定値にして、遷移エネルギの1次の温度係数を零点を含む−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下にするので、半導体発光素子の発光波長の温度依存性が低減される。遷移エネルギの1次の温度係数が−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下であれば、既存のGaAs結晶を使用した半導体レーザの温度特性と比較して、温度特性が格段に改善され、また、上記の範囲内において選択的に温度特性を変更できる。 Thus, since the group III-V mixed crystal semiconductor has two or more group V elements including nitrogen, the primary temperature coefficient of the transition energy can be brought close to zero. Further, since the nitrogen composition is set to a predetermined value and the primary temperature coefficient of the transition energy is set to −0.3 meV / K or more including zero and +0.3 meV / K or less, the temperature dependency of the emission wavelength of the semiconductor light emitting element is Reduced. If the primary temperature coefficient of the transition energy is −0.3 meV / K or more and +0.3 meV / K or less, the temperature characteristic is remarkably improved as compared with the temperature characteristic of a semiconductor laser using an existing GaAs crystal. In addition, the temperature characteristics can be selectively changed within the above range.

このような温度係数の範囲が好適なのは以下の理由による。従来のInP系材料で構成されるFP型の光通信用半導体レーザの発振波長の温度依存性は、約0.4nm/K、すなわちエネルギに換算して0.3meV/Kである。この値はほぼ材料の物性によって決まり、これより小さい温度依存性を持つためには、上記のような材料を適用した本発明の半導体発光素子、例えばFP型半導体レーザが極めて効果的である。これによって従来型FP型半導体レーザでは実現できなかった応用分野が開ける。 The reason why such a temperature coefficient range is suitable is as follows. The temperature dependence of the oscillation wavelength of an FP type semiconductor laser for optical communication composed of a conventional InP-based material is about 0.4 nm / K, that is, 0.3 meV / K in terms of energy. This value is substantially determined by the physical properties of the material, and in order to have a temperature dependency smaller than this, the semiconductor light emitting device of the present invention to which the above material is applied, for example, an FP type semiconductor laser is very effective. This opens up application fields that could not be realized with conventional FP semiconductor lasers.

このような活性層72は、組成が1%以上9%以下の窒素を含む少なくとも1層以上のGaNyAs1-y混晶半導体であってもよい。このように、GaNyAs1-y混晶半導体を採用し窒素組成が1%以上9%以下にすれば、遷移エネルギの1次の温度係数の値が小さくなるので、発光波長の温度依存性が低減された半導体発光素子が得られる。なお、窒素組成とは、窒素NがV族元素なので、(N原子数)/(V族元素全体の原子数)の比を百分率で表したものである。以下、他の元素に対しても同様の定義を使用する。 Such an active layer 72 may be at least one GaN y As 1-y mixed crystal semiconductor containing nitrogen having a composition of 1% or more and 9% or less. Thus, if the GaN y As 1-y mixed crystal semiconductor is employed and the nitrogen composition is 1% or more and 9% or less, the value of the first-order temperature coefficient of the transition energy becomes small. Thus, a semiconductor light emitting device with reduced can be obtained. The nitrogen composition is a ratio of (number of N atoms) / (number of atoms of the entire group V element) expressed as a percentage since nitrogen N is a group V element. Hereinafter, similar definitions are used for other elements.

また、活性層72は、組成が3%以上9%以下の窒素、組成が0%より大きく30%以下のIn、を含む少なくとも1層以上のGa1-xInxyAs1-y混晶半導体であってもよい。このように、Ga1-xInxyAs1-y混晶半導体を採用し窒素組成が3%以上9%以下にすれば、遷移エネルギの1次の温度係数の値が小さいので、発光波長の温度依存性が低減された半導体発光素子が得られる。また、In組成を0%より大きく30%以下にすれば、下地半導体層、例えばGaAs半導体層と格子整合させることができる。 In addition, the active layer 72 includes at least one Ga 1-x In x N y As 1-y mixed layer containing nitrogen having a composition of 3% or more and 9% or less and In having a composition of greater than 0% and 30% or less. It may be a crystal semiconductor. As described above, when a Ga 1-x In x N y As 1-y mixed crystal semiconductor is employed and the nitrogen composition is set to 3% or more and 9% or less, the first-order temperature coefficient value of the transition energy is small. A semiconductor light emitting device with reduced temperature dependency of the wavelength can be obtained. Further, if the In composition is greater than 0% and 30% or less, lattice matching can be achieved with the underlying semiconductor layer, for example, a GaAs semiconductor layer.

GaNyAs1-y混晶半導体を採用するときには、窒素組成が3.7%以上5.3%以下であってもよい。また、Ga1-xInxyAs1-y混晶半導体を採用するときには、窒素組成が5%以上7%以下、In組成が0%より大きく30%以下であってもよい。このような範囲であれば、従来のDFB型半導体レーザの発振波長の温度依存性である約0.07meV/Kよりも優れた発振波長の温度依存性を有するFP型半導体レーザを実現できる。つまり、FP型半導体レーザであっても、DFB型半導体レーザと同等以上の温度特性を達成できる。 When the GaN y As 1-y mixed crystal semiconductor is employed, the nitrogen composition may be 3.7% or more and 5.3% or less. Further, when a Ga 1-x In x N y As 1-y mixed crystal semiconductor is employed, the nitrogen composition may be 5% or more and 7% or less, and the In composition may be greater than 0% and 30% or less. Within such a range, an FP type semiconductor laser having an oscillation wavelength temperature dependency superior to about 0.07 meV / K, which is the temperature dependency of the oscillation wavelength of a conventional DFB type semiconductor laser, can be realized. That is, even with an FP type semiconductor laser, temperature characteristics equivalent to or higher than those of a DFB type semiconductor laser can be achieved.

更に、活性層72は、遷移エネルギの1次の温度係数−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下である少なくとも1層以上のGaNyAs1-y混晶半導体層であってもよい。加えて、活性層72は、In組成xが0%より大きく30%以下であり、遷移エネルギの1次の温度係数が−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下である少なくとも1層以上のGa1-xInxyAs1-y混晶半導体層であってもよい。このように、GaNyAs1-y混晶半導体またはInxGa1-xyAs1-y混晶半導体を採用し遷移エネルギの1次の温度係数−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下にすれば、遷移エネルギの1次の温度係数が零近傍の値になるので、発光波長の温度依存性が低減された半導体発光素子が得られる。なお、このような温度係数の範囲が好適なのは既に上述したので、ここでは省略する。 Further, the active layer 72 may be at least one GaN y As 1-y mixed crystal semiconductor layer having a primary temperature coefficient of transition energy of −0.3 meV / K or more and +0.3 meV / K or less. . In addition, the active layer 72 has at least one layer in which the In composition x is greater than 0% and not greater than 30%, and the primary temperature coefficient of transition energy is not less than −0.3 meV / K and not more than 0.3 meV / K. It may be a Ga 1-x In x N y As 1-y mixed crystal semiconductor layer. In this way, a GaN y As 1-y mixed crystal semiconductor or an In x Ga 1-x N y As 1-y mixed crystal semiconductor is adopted, and the first-order temperature coefficient of transition energy is −0.3 meV / K or more +0.3 meV. If it is set to / K or less, the first-order temperature coefficient of the transition energy becomes a value close to zero, so that a semiconductor light emitting device in which the temperature dependency of the emission wavelength is reduced can be obtained. Since such a temperature coefficient range is already suitable, it is omitted here.

上記の温度係数の範囲は、半導体発光素子、例えば半導体レーザの使用環境を考慮すると、−40℃以上+85℃以下において達成されていることが好ましい。また、−50℃以上+100℃以下において達成されていれば、使用環境において十分な動作マージンを有するので、高信頼度の動作か可能となる。 The range of the temperature coefficient is preferably achieved at −40 ° C. or higher and + 85 ° C. or lower in consideration of the use environment of a semiconductor light emitting element, for example, a semiconductor laser. Further, if it is achieved at -50 ° C. or higher and + 100 ° C. or lower, it has a sufficient operation margin in the use environment, and therefore it is possible to operate with high reliability.

活性層72は、図13(a)および図13(b)に示すような構成でも良い。図13(a)および図13(b)は、図12におけるA部の拡大図である。図13(a)を参照すると、井戸層72aが両側から障壁層72b、72cによって挟まれている。このように、井戸層72aよりもバンド障壁が高い半導体層で井戸層72aを両側から挟むようにしてもよい。また、図13(b)に示すように複数の井戸層72d、72e、72fとこれらの井戸層を挟む複数の障壁層72g、72h、72i、72jによって活性層72を構成しても良い。このように多層構成にすると、発光素子の温度安定性や光出力を向上できる。 The active layer 72 may be configured as shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b). FIG. 13A and FIG. 13B are enlarged views of a portion A in FIG. Referring to FIG. 13A, the well layer 72a is sandwiched between the barrier layers 72b and 72c from both sides. Thus, the well layer 72a may be sandwiched from both sides by a semiconductor layer having a higher band barrier than the well layer 72a. Further, as shown in FIG. 13B, the active layer 72 may be constituted by a plurality of well layers 72d, 72e, 72f and a plurality of barrier layers 72g, 72h, 72i, 72j sandwiching these well layers. With such a multilayer structure, the temperature stability and light output of the light emitting element can be improved.

このような多層構造においては、V族元素として窒素を含み遷移エネルギの1次の温度係数が−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下である2種類のIII−V族混晶半導体を備え、一方の半導体層は、他方の半導体層の第1の面とこの第1の面に対向する第2の面に接してこの半導体層を挟むよにしてもよい。また、上記他方の半導体層の数は1以上であるようにしてもよい。このように、上記のような温度特性のN含有のIII−V族混晶半導体の複数の半導体層によって、超格子構造の半導体発光素子を作製してもよい。 In such a multilayer structure, two types of III-V mixed crystal semiconductors containing nitrogen as a group V element and having a primary temperature coefficient of transition energy of −0.3 meV / K or more and +0.3 meV / K or less are used. The one semiconductor layer may be in contact with the first surface of the other semiconductor layer and the second surface opposite to the first surface to sandwich the semiconductor layer. Further, the number of the other semiconductor layer may be one or more. As described above, a semiconductor light emitting device having a superlattice structure may be manufactured by using a plurality of semiconductor layers of an N-containing group III-V mixed crystal semiconductor having temperature characteristics as described above.

また、多層構造は、組成が1%以上9%以下の窒素を含むGaNyAs1-y混晶半導体、並びに、組成が3%以上9%以下の窒素および組成が0%より大きく30%以下のInを含むGa1-xInxyAs1-y混晶半導体、の少なくともいずれかを備えるようにしてもよい。このように、組成の異なる複数の半導体層で発光素子を構成すれば、格子整合の調整が好適に行うことが可能になり、また様々な波長で発光し、且つ温度特性が優れた発光素子が作製可能になる。また、異なる遷移エネルギの半導体層を交互に積層すれば、超格子構造が構成される。 The multilayer structure includes a GaN y As 1-y mixed crystal semiconductor containing nitrogen having a composition of 1% or more and 9% or less, nitrogen having a composition of 3% or more and 9% or less, and a composition of greater than 0% and less than 30%. At least one of Ga 1-x In x N y As 1-y mixed crystal semiconductor containing In may be provided. Thus, if a light-emitting element is composed of a plurality of semiconductor layers having different compositions, it is possible to suitably adjust lattice matching, and a light-emitting element that emits light at various wavelengths and has excellent temperature characteristics. It becomes possible to produce. Further, a superlattice structure is formed by alternately stacking semiconductor layers having different transition energies.

なお、このような構造は、単一の層から成る活性層をガイド層で両側から挟んで形成しても良く、またガイド層と組み合わせて多層構造にしても良い。このような場合には、それぞれの層の遷移エネルギの温度変化を小さくできるので、バンドアライメントが一定に保たれる。このため、発光波長等の発光特性において安定した性能が実現できる。このような多層構造において、井戸層および障壁層(またはガイド層)の各々の厚さを一般には30nm以下まで薄くすると、井戸層と障壁層またはガイド層とによって量子井戸構造が形成される。発光素子の発光波長は、量子井戸内の量子準位によって決定される。この量子準位は、量子井戸のバンド構造を規定する井戸層および障壁層(またはガイド層)の遷移エネルギに依存するため、井戸層等の遷移エネルギの温度依存性を小さくすることによって、この量子準位の温度依存性も小さくなるので、発光素子から出射される光波長の温度変化を小さくできる。 Such a structure may be formed by sandwiching an active layer made of a single layer from both sides with a guide layer, or may be combined with the guide layer to form a multilayer structure. In such a case, the temperature change of the transition energy of each layer can be reduced, so that the band alignment is kept constant. For this reason, stable performance in light emission characteristics such as light emission wavelength can be realized. In such a multilayer structure, when the thickness of each of the well layer and the barrier layer (or guide layer) is generally reduced to 30 nm or less, a quantum well structure is formed by the well layer and the barrier layer or guide layer. The emission wavelength of the light emitting element is determined by the quantum level in the quantum well. Since this quantum level depends on the transition energy of the well layer and the barrier layer (or guide layer) that defines the band structure of the quantum well, this quantum level can be reduced by reducing the temperature dependence of the transition energy of the well layer. Since the temperature dependence of the level is also reduced, the temperature change of the light wavelength emitted from the light emitting element can be reduced.

図12に示した構造の発光半導体素子の製造条件について、n型GaAs基板上に順に、n型GaAsバッファ層、n型GaInPクラッド層、GaInNAs活性層、p型GaInPクラッド層、p型GaAsコンタクト層を有する半導体レーザの場合を簡単に説明する。 Regarding the manufacturing conditions of the light emitting semiconductor device having the structure shown in FIG. 12, an n-type GaAs buffer layer, an n-type GaInP cladding layer, a GaInNAs active layer, a p-type GaInP cladding layer, and a p-type GaAs contact layer are sequentially formed on an n-type GaAs substrate. The case of a semiconductor laser having the following will be briefly described.

半導体層の成長には、石英製の横型反応炉を用い、基板としてキャリア濃度2×1018cm−3のn型GaAs(001)基板を使用した。III族のGa原料としてトリエチルガリウム(TEG)、In原料としてトリメチルインジウム(TMI)を用い、V族元素のN原料としてジメチルヒドラジン(DMHy)、As原料としてターシャリブチルアルシン(TBAs)、P原料としてターシャルブチルフォスフィン(TBP)を使用した。これらの原材料は水素ガスをキャリアガスとしてバブリング法によって反応炉内に導入し、成長炉の圧力は76Torrに設定した。成長時の基板の回転速度は毎分10回転とした。 For the growth of the semiconductor layer, a horizontal reactor made of quartz was used, and an n-type GaAs (001) substrate having a carrier concentration of 2 × 10 18 cm −3 was used as the substrate. Triethylgallium (TEG) is used as a Group III Ga material, trimethylindium (TMI) is used as an In material, dimethylhydrazine (DMHy) is used as an N material for Group V elements, tertiary butylarsine (TBAs) is used as an As material, and P material is used as a P material. Tertiary butylphosphine (TBP) was used. These raw materials were introduced into the reaction furnace by a bubbling method using hydrogen gas as a carrier gas, and the pressure in the growth furnace was set to 76 Torr. The rotation speed of the substrate during growth was 10 revolutions per minute.

活性層のGaInNAs結晶の成長方法は、成長温度530℃で[TBAs]/([TEG]+[TMI])(モル供給比)および[DMHy]/([DMHy]+[TBAs])(モル供給比)を調整して行うと、所定の条件の下で、GaAs(001)基板上に格子整合して成長する。それぞれの場合、窒素組成は[DMHy]/([DMHy]+[TBAs])を変化させて調整する。なお、GaInNAs結晶の成長速度は、1時間当たり1μmである。 The growth method of the GaInNAs crystal of the active layer is as follows. [TBAs] / ([TEG] + [TMI]) (molar supply ratio) and [DMHy] / ([DMHy] + [TBAs]) When the ratio is adjusted, the crystal grows on the GaAs (001) substrate in a lattice-matched condition under a predetermined condition. In each case, the nitrogen composition is adjusted by changing [DMHy] / ([DMHy] + [TBAs]). The growth rate of the GaInNAs crystal is 1 μm per hour.

本実施の形態におけるGaAs層を成長する場合、上記のV族ガスとIII族ガスの比は10である。GaInPを成長する場合、V族ガスとIII族ガスの比は50である。基板を550℃に保ち、ガス総量を毎分20リットルとした。n型伝導特性を得るために、ドーパントとしてテトラエチルシラン(TESi)、p型伝導特性を得るために、ドーパントしてジエチル亜鉛(DEZn)を用いる。なお、GaAs層、およびGaInP層の成長速度は、1時間当たり1μmである。 When growing the GaAs layer in the present embodiment, the ratio of the group V gas to the group III gas is 10. When growing GaInP, the ratio of group V gas to group III gas is 50. The substrate was kept at 550 ° C. and the total gas volume was 20 liters per minute. In order to obtain n-type conduction characteristics, tetraethylsilane (TESi) is used as a dopant, and in order to obtain p-type conduction characteristics, diethyl zinc (DEZn) is used as a dopant. The growth rate of the GaAs layer and the GaInP layer is 1 μm per hour.

各層のキャリア濃度および厚さは、基板側から順に、
n型バッファ層 :7×1017cm−3、 0.3μm
n型クラッド層 :1×1018cm−3、 1.5μm
アンドープ・ガイド層:、 0.01μm
アンドープ・活性層: 、 0.1μm
アンドープ・ガイド層:、 0.01μm
p型クラッド層 :8×1017cm−3、 1.5μm
p型コンタクト層:1.2×1019cm−3、0.3μm
である。なお、p、n導電型は逆転させても良い。
The carrier concentration and thickness of each layer, in order from the substrate side,
n-type buffer layer: 7 × 10 17 cm −3 , 0.3 μm
n-type cladding layer: 1 × 10 18 cm −3 , 1.5 μm
Undoped guide layer: 0.01 μm
Undoped active layer: 0.1 μm
Undoped guide layer: 0.01 μm
p-type cladding layer: 8 × 10 17 cm −3 , 1.5 μm
p-type contact layer: 1.2 × 10 19 cm −3 , 0.3 μm
It is. The p and n conductivity types may be reversed.

以上詳細に説明したように、本実施の形態のFP型半導体レーザの構造が簡単であるため、他の構造の半導体レーザに比べて安価である。しかし、従来のFP型半導体レーザでは、光通信に応用する上では、使用される環境の温度と共に発振波長が変動するため、適用範囲が限られていた。ところが、FP型半導体レーザに本発明を適用すれば、遷移エネルギの温度変化が低減されるため、FP型半導体レーザが適用できる範囲を広げることが可能となる。また、FP型半導体レーザは分布帰還型(DFB型)半導体レーザや分布反射型(DBR型)半導体レーザに比べて構造が簡単なので、製造も容易である。したがって、光通信技術に与える効果は大きい。温度変動のため従来では適用できなかった応用領域にも、本発明を適用すればPF型半導体レーザを使用していくことが可能になった。 As described in detail above, the structure of the FP type semiconductor laser according to the present embodiment is simple, so that it is less expensive than semiconductor lasers having other structures. However, in the conventional FP type semiconductor laser, the application range is limited because the oscillation wavelength fluctuates with the temperature of the environment in which it is used for optical communication. However, if the present invention is applied to the FP type semiconductor laser, the temperature change of the transition energy is reduced, so that the range in which the FP type semiconductor laser can be applied can be expanded. Further, the FP type semiconductor laser has a simple structure as compared with the distributed feedback type (DFB type) semiconductor laser and the distributed reflection type (DBR type) semiconductor laser, so that it is easy to manufacture. Therefore, the effect on the optical communication technology is great. If the present invention is applied to application areas that could not be applied conventionally due to temperature fluctuations, it becomes possible to use PF type semiconductor lasers.

FP型構造の高出力励起用半導体レーザでは、高い注入電流によって半導体レーザ自体の発熱が大きくなる。この発熱に伴って半導体発光素子の温度が上昇するので、発振波長は長波長側に変移する。特に、励起用レーザは、励起バンドが規定されているため発振波長の変動や飛びは、大きな問題となる。この対策として、光ファイバにグレーティングを設けて、または回折格子を用いて、特定の波長を選択する方法等が採用されている。このため、装置が高価になっている。しかし、本発明のような小さい温度依存性の遷移エネルギを有する半導体材料を高出力励起用半導体レーザに適用すれば、高い電流注入によって発熱しても、発振波長の変動を抑制することができるので、グレーティングまたは回折格子を使用することなく、安定なレーザ発振を達成できる。 In a semiconductor laser for high-power excitation having an FP structure, the heat generated by the semiconductor laser itself increases due to a high injection current. As the temperature of the semiconductor light emitting element rises with this heat generation, the oscillation wavelength shifts to the long wavelength side. In particular, since the excitation laser has a prescribed excitation band, fluctuations and jumps in the oscillation wavelength are a major problem. As a countermeasure, a method of selecting a specific wavelength by using a grating in an optical fiber or using a diffraction grating is adopted. For this reason, the apparatus is expensive. However, if a semiconductor material having a small temperature-dependent transition energy as in the present invention is applied to a semiconductor laser for high-power excitation, fluctuations in oscillation wavelength can be suppressed even if heat is generated by high current injection. Stable laser oscillation can be achieved without using a grating or a diffraction grating.

(第7の実施の形態)
図14(a)は、本発明の半導体発光素子の一実施の形態として、分布帰還型(DFB型という)半導体レーザを模式的に表した斜視図であり、放射されるレーザ光の光軸方向に沿った断面を示している。図14(b)は、図14(a)のB部の拡大された断面図である。
(Seventh embodiment)
FIG. 14A is a perspective view schematically showing a distributed feedback type (referred to as DFB type) semiconductor laser as an embodiment of the semiconductor light emitting device of the present invention, and the optical axis direction of the emitted laser light. The cross section along is shown. FIG. 14B is an enlarged cross-sectional view of a portion B in FIG.

図14(a)および図14(b)を参照すると、DFB型半導体レーザは、半導体基板96の主面上において一端面からこの端面に対向する端面まで矩形の領域上に基板側から順に、バッファ層98、第1のクラッド層100、第1のガイド層101、活性層102、第2のガイド層103を有する埋め込み部106と、埋め込み部106上には、第2のクラッド層104、コンタクト層110、および第1導電側のストライプ電極112を備え、また基板96の一主面と対向する面、つまり裏面全面には第2導電側の裏面電極114を備える。 Referring to FIGS. 14A and 14B, the DFB type semiconductor laser has a buffer in order from the substrate side on a rectangular region from one end surface to the end surface facing this end surface on the main surface of the semiconductor substrate 96. A buried portion 106 having a layer 98, a first cladding layer 100, a first guide layer 101, an active layer 102, and a second guide layer 103; and a second cladding layer 104 and a contact layer on the buried portion 106 110 and a stripe electrode 112 on the first conductive side, and a back electrode 114 on the second conductive side is provided on the surface opposite to one main surface of the substrate 96, that is, on the entire back surface.

埋め込み部106は、放射されるレーザ光の光軸方向(z軸)に沿って延びる。この方向はDFB型半導体レーザのストライプ電極が延びる方向と一致する。埋め込み部106は、その2側面において、基板96上の形成された第1のブロック層118と、このブロック層118上に形成された第2のブロック層120とによって挟まれている。これらのブロック層はn−InP基板を使用する場合には、ブロック層118はp−InP層、ブロック層120はn−InP層で形成される。このため、基板96と第2のクラッド層104は、pn接合によって電気的に分離される。なお、図14(a)に示した例では、ブロック層118、120は、第1導電側から基板96に達し、埋め込み層106の両側にあってこれに沿って延びるトレンチによって分離されている。 The embedded part 106 extends along the optical axis direction (z-axis) of the emitted laser light. This direction coincides with the direction in which the stripe electrode of the DFB type semiconductor laser extends. The buried portion 106 is sandwiched between the first block layer 118 formed on the substrate 96 and the second block layer 120 formed on the block layer 118 on its two side surfaces. When these block layers use an n-InP substrate, the block layer 118 is a p-InP layer, and the block layer 120 is an n-InP layer. For this reason, the substrate 96 and the second cladding layer 104 are electrically separated by a pn junction. In the example shown in FIG. 14A, the block layers 118 and 120 reach the substrate 96 from the first conductive side, and are separated by trenches on both sides of the buried layer 106 and extending along the same.

ストライプ電極112は、コンタクト層110上に形成された絶縁膜116に設けられた開口部においてコンタクト層110と電気的に接続される。絶縁膜116に設けられた開口部の形状は、埋め込み層106をその内側に含む矩形形状である。つまり、埋め込み層が延びる方向に直交する方向の幅が、埋め込み部106の幅より大きい。このため、埋め込み部106に効率よくキャリアを供給できる。また、キャリアの狭窄と、この結果として効果的な光の閉じ込めを実現している。 The stripe electrode 112 is electrically connected to the contact layer 110 in an opening provided in the insulating film 116 formed on the contact layer 110. The shape of the opening provided in the insulating film 116 is a rectangular shape including the embedded layer 106 inside. That is, the width in the direction orthogonal to the direction in which the buried layer extends is larger than the width of the buried portion 106. For this reason, a carrier can be efficiently supplied to the embedding unit 106. In addition, carrier confinement and, as a result, effective light confinement are realized.

埋め込み部106においては、基板96上に埋め込み領域に、バッファ層98、第1のクラッド層100、第1のガイド層101、活性層102、第2のガイド層103から構成されるメサ形状部が形成され、メサ形状部の対向する2側面はブロック層118、120に接している。このため、埋め込み部106はブロック層118、120によって両側から挟まれて基板96上に形成されている。埋め込み部106の各層は第1の及び第2の面を有しz軸方向に延び所定幅を備え、それぞれの面を相互に接触させて埋め込み領域上に積層されている。このため、電極112からのキャリアはコンタクト層110を通して、クラッド層104に導かれる。活性層領域101、102、103へ注入される。 In the buried portion 106, a mesa shape portion composed of the buffer layer 98, the first cladding layer 100, the first guide layer 101, the active layer 102, and the second guide layer 103 is provided in the buried region on the substrate 96. The two opposing side surfaces of the mesa-shaped portion that are formed are in contact with the block layers 118 and 120. For this reason, the embedded portion 106 is formed on the substrate 96 so as to be sandwiched between the block layers 118 and 120 from both sides. Each layer of the embedded portion 106 has first and second surfaces, extends in the z-axis direction, has a predetermined width, and is stacked on the embedded region with the surfaces in contact with each other. Therefore, carriers from the electrode 112 are guided to the cladding layer 104 through the contact layer 110. Implanted into the active layer regions 101, 102, 103.

回折格子は、クラッド層100とガイド層101の界面、および、クラッド層104とガイド層103の界面、の少なくともいずれか一方に形成されている。回折格子は、レーザ光の光軸が延びる方向に沿って形成され、例えば上記界面に形成された周期的な凹部または凸部であってもよく、これらは局面を有していても良い。活性層に発生した光はこの回折格子と結合して、所定の波長が選択される。 The diffraction grating is formed on at least one of the interface between the cladding layer 100 and the guide layer 101 and the interface between the cladding layer 104 and the guide layer 103. The diffraction grating is formed along the direction in which the optical axis of the laser beam extends. For example, the diffraction grating may be a periodic concave portion or a convex portion formed at the interface, and these may have an aspect. The light generated in the active layer is combined with this diffraction grating, and a predetermined wavelength is selected.

活性層102は、再結合することによって発光に寄与する電子および正孔を閉じ込める。このため、活性層102は第1のガイド層101および第2のガイド層103に挟まれ、また対向する2面においてこれらのガイド層101、103に接している。活性層102とこれを両側から挟むガイド層101、103は活性層領域を構成する。活性層領域は、第1のクラッド層100および第2のクラッド層104によってガイド層101、103の外側から挟まれる。ガイド層101、103の各々は、活性層102と接する面と対向する面において、それぞれ第1のクラッド層100および第2のクラッド層104と接している。活性層領域101、102、103は、クラッド層100、104よりの高い屈折率を有している。この屈折率の違いによって、活性層で発生したレーザ光は、効率的に活性層領域に閉じ込められる。 The active layer 102 confines electrons and holes that contribute to light emission by recombination. Therefore, the active layer 102 is sandwiched between the first guide layer 101 and the second guide layer 103, and is in contact with these guide layers 101 and 103 on two opposing surfaces. The active layer 102 and the guide layers 101 and 103 sandwiching the active layer 102 from both sides constitute an active layer region. The active layer region is sandwiched between the first cladding layer 100 and the second cladding layer 104 from the outside of the guide layers 101 and 103. Each of the guide layers 101 and 103 is in contact with the first cladding layer 100 and the second cladding layer 104 on the surface opposite to the surface in contact with the active layer 102. The active layer regions 101, 102, and 103 have a higher refractive index than the cladding layers 100 and 104. Due to the difference in refractive index, the laser light generated in the active layer is efficiently confined in the active layer region.

活性層におけるレーザ発振は、第1導電側ストライプ電極112および第2導電側の裏面電極114の一方から電流を注入することによって起こる。電流注入のため、クラッド層100、104、バッファ層98、および基板96は、導電性を有する。基板96、バッファ層98、第1のクラッド層100は共に第1の導電型の半導体層で構成され、また第2のクラッド層104、およびコンタクト層110は共に第2の導電型の半導体層で構成される。また、第1の導電型と第2の導電型とは、異なる導電型である。 Laser oscillation in the active layer occurs by injecting a current from one of the first conductive side stripe electrode 112 and the second conductive side back electrode 114. For current injection, the cladding layers 100 and 104, the buffer layer 98, and the substrate 96 have conductivity. The substrate 96, the buffer layer 98, and the first cladding layer 100 are all composed of a first conductivity type semiconductor layer, and the second cladding layer 104 and the contact layer 110 are both a second conductivity type semiconductor layer. Composed. Further, the first conductivity type and the second conductivity type are different conductivity types.

このような構成のDFB型半導体レーザにおいては、FP型半導体レーザと同様に、活性層102が、遷移エネルギの1次の温度係数が−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下であり、且つ窒素を含む2以上のV族元素を有するIII−V族混晶半導体を使用できる。 In the DFB type semiconductor laser having such a configuration, like the FP type semiconductor laser, the active layer 102 has a primary temperature coefficient of transition energy of −0.3 meV / K or more and +0.3 meV / K or less, A III-V mixed crystal semiconductor having two or more Group V elements containing nitrogen can also be used.

このような活性層102は、FP型半導体レーザと同様に、組成が1%以上9%以下の窒素を含む少なくとも1層以上のGaNyAs1-y混晶半導体であってもよい。 Such an active layer 102 may be a GaNyAs1-y mixed crystal semiconductor including at least one layer containing nitrogen having a composition of 1% or more and 9% or less, similarly to the FP type semiconductor laser.

また、活性層102は、FP型半導体レーザと同様に、組成が3%以上9%以下の窒素、組成が0%より大きく30%以下のIn、を含む少なくとも1層以上のGa1-xInxyAs1-y混晶半導体であってもいよい。 Similarly to the FP type semiconductor laser, the active layer 102 includes at least one Ga 1-x In layer containing nitrogen having a composition of 3% or more and 9% or less and In having a composition greater than 0% and 30% or less. x N y As 1-y mixed crystal semiconductor may be used.

更に、活性層102は、FP型半導体レーザと同様に、遷移エネルギの1次の温度係数−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下を達成するための組成yである少なくとも1層以上のGaNyAs1-y混晶半導体であってもよい。 Furthermore, the active layer 102 has at least one or more layers having a composition y for achieving a first-order temperature coefficient of transition energy of −0.3 meV / K or more and +0.3 meV / K or less, as in the case of the FP semiconductor laser. A GaN y As 1-y mixed crystal semiconductor may be used.

加えて、活性層102は、FP型半導体レーザと同様に、In組成xが0%より大きく30%以下であり、遷移エネルギの1次の温度係数が−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下を達成するための組成yである少なくとも1層以上のGa1-xInxyAs1-y混晶半導体であってもよい。 In addition, the active layer 102 has an In composition x greater than 0% and 30% or less, and a primary temperature coefficient of transition energy of −0.3 meV / K or more and +0.3 meV / like the FP type semiconductor laser. It may be at least one Ga 1-x In x N y As 1-y mixed crystal semiconductor having a composition y for achieving K or less.

以上説明したような半導体層を適用すると、遷移エネルギの1次の温度係数が零近傍の値になるので、発光波長の温度依存性が低減されたDFB型半導体レーザが得られる。 When the semiconductor layer as described above is applied, the primary temperature coefficient of the transition energy becomes a value close to zero, so that a DFB type semiconductor laser in which the temperature dependency of the emission wavelength is reduced can be obtained.

なお、GaNyAs1-y混晶半導体を採用するときには、窒素組成が3.7%以上5.3%以下であってもよい。また、Ga1-xInxyAs1-y混晶半導体を採用するときには、窒素組成が5%以上7%以下、In組成が0%より大きく30%以下であってもよい。このような範囲であれば、従来のDFB型半導体レーザの発振波長の温度依存性である約0.07meV/Kよりも優れた発振波長の温度依存性を達成したDFB型半導体レーザが得られる。 Note that when a GaN y As 1-y mixed crystal semiconductor is employed, the nitrogen composition may be 3.7% or more and 5.3% or less. Further, when a Ga 1-x In x N y As 1-y mixed crystal semiconductor is employed, the nitrogen composition may be 5% or more and 7% or less, and the In composition may be greater than 0% and 30% or less. Within such a range, a DFB semiconductor laser that achieves a temperature dependency of the oscillation wavelength superior to about 0.07 meV / K, which is the temperature dependency of the oscillation wavelength of the conventional DFB semiconductor laser, can be obtained.

活性層102は、図15(a)および図15(b)に示すような構成でも良い。図15(a)および図15(b)は、図14(b)におけるC部の拡大図である。図15(a)を参照すると、井戸層102aの対向する両面において障壁層102b、102cと接している。このように、井戸層102aよりもバンド障壁が高い半導体層で井戸層102aを両側から接して挟むようにしてもよい。また、図15(b)に示すように複数の井戸層102d、102e、102fとこれを挟む複数の障壁層102g、102h、102i、102jによって活性層102を構成しても良い。このように多層構造にすると、発光素子の温度安定性や光出力が向上する。 The active layer 102 may be configured as shown in FIGS. 15 (a) and 15 (b). FIGS. 15A and 15B are enlarged views of a portion C in FIG. 14B. Referring to FIG. 15A, the opposite surfaces of the well layer 102a are in contact with the barrier layers 102b and 102c. As described above, the well layer 102a may be sandwiched between both sides of the semiconductor layer having a higher band barrier than the well layer 102a. Further, as shown in FIG. 15B, the active layer 102 may be constituted by a plurality of well layers 102d, 102e, 102f and a plurality of barrier layers 102g, 102h, 102i, 102j sandwiching the well layers 102d, 102e, 102f. Such a multilayer structure improves the temperature stability and light output of the light-emitting element.

このような多層構造においては、V族元素として窒素を含み2以上のV族元素を有し、遷移エネルギの1次の温度係数が−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下である2種類のIII−V族混晶半導体を備え、一方の半導体層は、他方の半導体層の第1の面とこの第1の面に対向する第2の面に接してこの半導体層を挟むようにしてもよい。また、上記他方の半導体層の数は1以上であるようにしてもよい。このように、複数の半導体層によって、超格子構造の半導体発光素子を構成できる。 In such a multilayer structure, nitrogen is included as a group V element, and there are two or more group V elements, and the primary temperature coefficient of transition energy is −0.3 meV / K or more and +0.3 meV / K or less 2 A type III-V mixed crystal semiconductor is provided, and one semiconductor layer sandwiches the semiconductor layer in contact with the first surface of the other semiconductor layer and the second surface opposite to the first surface. Good. Further, the number of the other semiconductor layer may be one or more. In this manner, a semiconductor light emitting device having a superlattice structure can be configured by a plurality of semiconductor layers.

また、多層構造は、組成が1%以上9%以下の窒素を含むGaNyAs1-y混晶半導体、および、組成が3%以上9%以下の窒素、組成が0%より大きく30%以下のIn、を含むGa1-xInxyAs1-y混晶半導体、の少なくともいずれかを備えるようにしてもよい。このように、組成の異なる複数の半導体層で活性層を構成すれば、格子整合性の調整が好適に行うことが可能になり、また様々な波長で発光し、且つ温度特性が優れた発光素子が作製可能になる。また、異なる遷移エネルギの半導体層を交互に積層すれば、超格子構造が構成される。 The multilayer structure includes a GaN y As 1-y mixed crystal semiconductor containing nitrogen having a composition of 1% or more and 9% or less, nitrogen having a composition of 3% or more and 9% or less, and a composition of greater than 0% and 30% or less. At least one of Ga 1-x In x N y As 1-y mixed crystal semiconductor containing In may be provided. Thus, if the active layer is composed of a plurality of semiconductor layers having different compositions, the lattice matching can be suitably adjusted, and the light emitting device emits light at various wavelengths and has excellent temperature characteristics. Can be made. Further, a superlattice structure is formed by alternately stacking semiconductor layers having different transition energies.

なお、このような構造は、単一の層から成る活性層をガイド層で両側から挟んで形成しても良く、またガイド層と組み合わせて多層構造にしても良い。このような場合には、それぞれの層の遷移エネルギの温度変化を小さくできるので、バンドアライメントが一定に保たれる。このため、発光波長等の発光特性において安定した性能が実現できる。このような多層構造において、井戸層および障壁層(またはガイド層)の各々の厚さを一般には30nm以下まで薄くすると、井戸層と障壁層またはガイド層とによって量子井戸構造が形成される。発光素子の発光波長は、量子井戸内の量子準位によって決定される。この量子準位は、量子井戸のバンド構造を規定する井戸層および障壁層(またはガイド層)の遷移エネルギに依存するため、これら井戸層等の遷移エネルギの温度依存性を小さくすることによって、量子準位のエネルギの温度依存性も小さくなる。このため、発光素子から出射される光の波長の温度変化を小さくできる。 Such a structure may be formed by sandwiching an active layer made of a single layer from both sides with a guide layer, or may be combined with the guide layer to form a multilayer structure. In such a case, the temperature change of the transition energy of each layer can be reduced, so that the band alignment is kept constant. For this reason, stable performance in light emission characteristics such as light emission wavelength can be realized. In such a multilayer structure, when the thickness of each of the well layer and the barrier layer (or guide layer) is generally reduced to 30 nm or less, a quantum well structure is formed by the well layer and the barrier layer or guide layer. The emission wavelength of the light emitting element is determined by the quantum level in the quantum well. Since this quantum level depends on the transition energy of the well layer and the barrier layer (or guide layer) that defines the band structure of the quantum well, the quantum energy can be reduced by reducing the temperature dependence of the transition energy of these well layers. The temperature dependence of the level energy is also reduced. For this reason, the temperature change of the wavelength of the light radiate | emitted from a light emitting element can be made small.

本実施の形態で説明したように、本発明をDFB型半導体レーザに適用すれば、窒素組成を変更することによって遷移エネルギの温度依存性を変化できる。これは、DFB型半導体レーザにとって好適な特性である。なぜなら、DFB型半導体レーザでは、一般に、発振波長は回折格子のピッチと導波路の等価的な屈折率で決定される。一方、光が発生する活性層の光学利得は、活性層を構成する半導体材料で決定されるので、波長依存性を有する。このため、DFB型レーザを広範囲の温度で動作させるためには、発振波長の温度特性と利得ピーク波長の温度特性とが大きく異ならないことが望ましい。つまり、利得ピーク波長あるいは活性層を構成する半導体材料の遷移エネルギの温度依存性は、発振波長と同程度に小さいことが望ましいからである。このような特性のDFB型レーザは、温度調整機能を備えることなしに、広い温度範囲で使用できる。 As described in this embodiment, when the present invention is applied to a DFB semiconductor laser, the temperature dependence of transition energy can be changed by changing the nitrogen composition. This is a characteristic suitable for the DFB type semiconductor laser. This is because, in a DFB semiconductor laser, the oscillation wavelength is generally determined by the pitch of the diffraction grating and the equivalent refractive index of the waveguide. On the other hand, the optical gain of the active layer from which light is generated is determined by the semiconductor material constituting the active layer, and therefore has wavelength dependency. For this reason, in order to operate the DFB type laser in a wide range of temperatures, it is desirable that the temperature characteristics of the oscillation wavelength and the temperature characteristics of the gain peak wavelength do not differ greatly. That is, it is desirable that the temperature dependence of the transition energy of the semiconductor material constituting the gain peak wavelength or the active layer is as small as the oscillation wavelength. The DFB type laser having such characteristics can be used in a wide temperature range without providing a temperature adjustment function.

また、近年急速に発展している波長多重通信(WDM)では、狭い波長範囲内にある多くの異なった信号波長を使用して伝送を行うため、1波長当たり波長変動の許容範囲が0.8nmと非常に小さい。DFB型半導体レーザに上記の材料等を使用すれば、屈折率の温度依存性の4次係数が遷移エネルギに依存するので、屈折率の温度依存性を更に小さくすることができる。このため、屈折率と回折格子のピッチとで決定される発振波長の温度依存性を極めて小さくできる。したがって、温度調整装置なしでWDM伝送へも適用できる。また、温度調整装置を備えないDFB型半導体レーザでは、価格の低減、装置の小型化、および省電力化を達成できるので、利用可能な分野が広がる。加えて、本発明のDFB型半導体レーザに温度調節装置を備えれば、さらに温度特性が改善される。したがって、いずれの場合でもDFB型半導体レーザの使用範囲を温度に関して拡張することができる。 In addition, in wavelength division multiplexing (WDM), which has been rapidly developed in recent years, transmission is performed using many different signal wavelengths within a narrow wavelength range, so that the allowable range of wavelength variation per wavelength is 0.8 nm. And very small. If the above-mentioned materials are used for the DFB type semiconductor laser, the temperature dependence of the refractive index can be further reduced since the fourth-order coefficient of the temperature dependence of the refractive index depends on the transition energy. For this reason, the temperature dependence of the oscillation wavelength determined by the refractive index and the pitch of the diffraction grating can be made extremely small. Therefore, it can be applied to WDM transmission without a temperature control device. In addition, a DFB semiconductor laser that does not include a temperature control device can achieve a reduction in price, a reduction in size of the device, and power saving, so that the applicable fields are expanded. In addition, if the DFB type semiconductor laser of the present invention is provided with a temperature adjusting device, the temperature characteristics are further improved. Therefore, in any case, the use range of the DFB type semiconductor laser can be expanded with respect to the temperature.

なお、更に実施例を掲げて説明することはしないが、このような温度特性の問題は、誘電体多層膜または半導体多層膜で高反射率の分布ブラック反射(DBR)層を構成した垂直共振器型半導体レーザ(VCSEL)においても、同様に生じる。詳述すれば、VCSELの発振波長は、高反射DBR層の構成に基づいて決定される。一方、利得ピーク波長は、活性層を構成する半導体材料で決定される。このため、発振波長と利得ピーク波長との温度特性のズレが大きいと、DFB型レーザと同様に、素子特性の劣化、あるいはレーザ発振の停止等の問題を発生させる。このため、これらの構造の発光素子についても、DFB型半導体レーザと同様の効果がある。 Although not described in further detail with reference to examples, the problem of such temperature characteristics is that a vertical resonator in which a distributed black reflection (DBR) layer having a high reflectance is formed of a dielectric multilayer film or a semiconductor multilayer film. This also occurs in the type semiconductor laser (VCSEL). Specifically, the oscillation wavelength of the VCSEL is determined based on the configuration of the highly reflective DBR layer. On the other hand, the gain peak wavelength is determined by the semiconductor material constituting the active layer. For this reason, if the deviation of the temperature characteristic between the oscillation wavelength and the gain peak wavelength is large, problems such as deterioration of element characteristics or stop of laser oscillation occur as in the DFB type laser. For this reason, the light-emitting elements having these structures also have the same effects as the DFB semiconductor laser.

以上、半導体レーザに関して説明したが、本発明は発光ダイオード等の発光素子についても適用できることは言うまでもない。この場合は、温度依存性が改善されたIII−V族混晶半導体をp型半導体層またはn型半導体層とするために、適宜に不純物元素を導入する。 Although the semiconductor laser has been described above, it is needless to say that the present invention can be applied to a light emitting element such as a light emitting diode. In this case, an impurity element is appropriately introduced in order to make the group III-V mixed crystal semiconductor with improved temperature dependency a p-type semiconductor layer or an n-type semiconductor layer.

(第8の実施の形態)
本発明は、半導体基板としては、GaAs基板、Si基板、InP基板、GaP基板等を好適に適用できる。
(Eighth embodiment)
In the present invention, a GaAs substrate, Si substrate, InP substrate, GaP substrate, or the like can be suitably applied as a semiconductor substrate.

図16および図17は、第6の実施の形態および第7の実施の形態の半導体レーザを含む半導体発光素子において、半導体基板として好適に使用できるGaAs基板、Si基板、InP基板、GaP基板等を使用した場合に、特に好適な半導体層の組み合わせを示す。なお、図16および図17に示した例の組成では、活性層は基板に格子不整1%以内で整合している。 16 and 17 show a GaAs substrate, Si substrate, InP substrate, GaP substrate, and the like that can be suitably used as a semiconductor substrate in the semiconductor light emitting device including the semiconductor lasers of the sixth embodiment and the seventh embodiment. When used, a particularly preferred combination of semiconductor layers is shown. In the compositions of the examples shown in FIGS. 16 and 17, the active layer is aligned with the substrate within 1% of the lattice mismatch.

GaAs基板を使用する場合、格子不整合の比率が0.1%以下のもとで、GaInNAs、AlInNAs、InGaAlAsN、GaInNP、AlInNP、AlGaInPN、AlGaAsPN、InGaAlAsPN等が0.1μm以上の厚みで使用できる。上記材料を0.1μm以下の厚みで用いる場合、格子不整の比率は2%以下で使用可能である。この条件では、レーザの活性層に用いる歪量子井戸構造に使用できる。なお、AlNAs、AlNP、GaNAs、GaNP、AlGaNP、AlGaAsN等についても上記同様に歪量子井戸構造に適用できる。 When a GaAs substrate is used, GaInNAs, AlInNAs, InGaAlAsN, GaInNP, AlInNP, AlGaInPN, AlGaAsPN, InGaAlAsPN, etc. can be used with a thickness of 0.1 μm or more under a lattice mismatch ratio of 0.1% or less. When the material is used in a thickness of 0.1 μm or less, the lattice irregularity ratio can be used at 2% or less. Under this condition, it can be used for a strained quantum well structure used for an active layer of a laser. AlNAs, AlNP, GaNAs, GaNP, AlGaNP, AlGaAsN, and the like can also be applied to the strained quantum well structure as described above.

GaAs基板はIII−V族化合物半導体の中でも最も多く使用されているため、他の化合物基板例えばInP基板に比べて安価であり、高速の回路素子を集積したGaAsICとの集積化が可能である。また、GaAs基板では、InP基板に比べて活性層の遷移エネルギとクラッドの遷移エネルギとの差が大きくとれるので、高温の動作に関して有利である。特に、垂直共振器型半導体レーザ(VCSEL)の場合では、GaAs基板上にGaAs/AlAsから成る高反射率のブラッグ・リフレクタを製作できる。 Since the GaAs substrate is most frequently used among group III-V compound semiconductors, it is cheaper than other compound substrates such as an InP substrate and can be integrated with a GaAs IC in which high-speed circuit elements are integrated. In addition, the GaAs substrate is advantageous in terms of high-temperature operation because the difference between the transition energy of the active layer and the transition energy of the cladding can be larger than that of the InP substrate. Particularly in the case of a vertical cavity semiconductor laser (VCSEL), a highly reflective Bragg reflector made of GaAs / AlAs can be fabricated on a GaAs substrate.

図12に示したFP型半導体レーザの各半導体層に対して特に好適な組み合わせとしては、図16を参照すると、n−GaAs基板76、n−GaAsバッファ層78、n−GaInPクラッド層70、アンドープGaInAsPガイド層71、アンドープGaInNAs活性層72(In組成:15%、N組成:5%)、アンドープGaInAsPガイド層73、p−GaInPクラッド層74、p−GaInAsP中間層88、p−GaAsコンタクト層80とがある。このような組み合わせを構成すれば、遷移エネルギとして0.95eV程度が得られるので、発振波長の温度依存性が小さい1.3μm帯半導体レーザが得られ、更に、ガイド層71、73を活性層72の両側に備えているので、基本モードを保ちながら比較的高出力を得ることができる。なお、ガイド層71、73および中間層88は設けなくてもよい。このようにすれば、構造が簡素になる。クラッド層70、74は、GaInPに代えて、AlGaAsまたはAlGaInPを使用してもよい。これらの材料は、活性層の材料よりも低い屈折率を有し、且つAlGaInPはGaInPに比べてより大きいバンドギャップを有するため、キャリアの高い閉じ込め効果がある。 As a particularly preferred combination for each semiconductor layer of the FP type semiconductor laser shown in FIG. 12, referring to FIG. 16, an n-GaAs substrate 76, an n-GaAs buffer layer 78, an n-GaInP cladding layer 70, an undoped structure. GaInAsP guide layer 71, undoped GaInNAs active layer 72 (In composition: 15%, N composition: 5%), undoped GaInAsP guide layer 73, p-GaInP cladding layer 74, p-GaInAsP intermediate layer 88, p-GaAs contact layer 80 There is. If such a combination is configured, a transition energy of about 0.95 eV can be obtained, so that a 1.3 μm-band semiconductor laser having a small temperature dependency of the oscillation wavelength can be obtained. Further, the guide layers 71 and 73 are replaced with the active layer 72. Therefore, it is possible to obtain a relatively high output while maintaining the basic mode. The guide layers 71 and 73 and the intermediate layer 88 need not be provided. In this way, the structure is simplified. The cladding layers 70 and 74 may use AlGaAs or AlGaInP instead of GaInP. These materials have a lower refractive index than the material of the active layer, and AlGaInP has a larger band gap than GaInP, and thus has a high carrier confinement effect.

活性層72として、アンドープGaInNAs(In組成:25%、N組成:9%)を使用すれば、遷移エネルギとして0.8eV程度となるので、発振波長の温度依存性が小さい1.55μm帯半導体レーザが得られる。また、活性層72として、アンドープGaNAsを使用して、窒素組成を変化させれば発振波長に変化をもたせることができる。なお、これらの半導体レーザの発振波長の温度依存性は、図18に示した遷移エネルギの温度特性に支配されている。 If undoped GaInNAs (In composition: 25%, N composition: 9%) is used as the active layer 72, the transition energy becomes about 0.8 eV, so that the temperature dependence of the oscillation wavelength is small. Is obtained. Further, if the undoped GaNAs is used as the active layer 72 and the nitrogen composition is changed, the oscillation wavelength can be changed. Note that the temperature dependence of the oscillation wavelength of these semiconductor lasers is governed by the temperature characteristics of the transition energy shown in FIG.

図17を参照すると、多層構造の活性層72にするためには、アンドープGaInNAs井戸層(In組成:15%、N組成:5%)とアンドープGaInNP障壁層(In組成:53%、N組成:1%)若しくはGaInNPAs障壁層と、またはアンドープGaInNAs井戸層(In組成:25%、N組成:1%)とアンドープGaInNP障壁層(In組成:53%、N組成:1%)またはGaInNPAs障壁層と、を組み合わせることが好ましい。また、薄層化された多層構造にすれば、量子井戸構造を形成できる。この材料を用いると、GaInP、GaInAsPを用いる場合よりも井戸層および障壁層の遷移エネルギの温度依存性を小さくできる。このため、井戸層および障壁層のいずれか一方に上記材料を使用する場合に比べて、量子井戸構造に基づく量子準位の温度依存性を小さくできる。したがって、より安定したレーザ動作が可能となる。 Referring to FIG. 17, in order to obtain an active layer 72 having a multilayer structure, an undoped GaInNAs well layer (In composition: 15%, N composition: 5%) and an undoped GaInNP barrier layer (In composition: 53%, N composition: 1%) or GaInNPAs barrier layer, or undoped GaInNAs well layer (In composition: 25%, N composition: 1%) and undoped GaInNP barrier layer (In composition: 53%, N composition: 1%) or GaInNPAs barrier layer Are preferably combined. In addition, a quantum well structure can be formed by using a thinned multilayer structure. When this material is used, the temperature dependence of the transition energy of the well layer and the barrier layer can be made smaller than when GaInP and GaInAsP are used. For this reason, compared with the case where the said material is used for any one of a well layer and a barrier layer, the temperature dependence of the quantum level based on a quantum well structure can be made small. Therefore, more stable laser operation is possible.

Si基板を使用する場合、格子不整合の比率が0.1%のもとで、GaInNP、AlInNP、AlGaInNP、AlAsNP、GaAsNP、AlGaAsNP、GaNAs、GaNP、AlNAs、GaInNAs、GaInNAs、AlInNAs、AlInNAsP、AlGaInNAs、AlGaInNAsP等が0.1%以上の厚みで使用できる。上記の材料を0.1μm以下の厚みで用いる場合、格子不整の比率が2%以下で使用可能である。この条件では、レーザの活性層に用いる歪量子井戸構造に適用できる。なお、AlNP、AlGaNP等についても上記同様に歪量子井戸構造に適用できる。 When the Si substrate is used, the lattice mismatch ratio is 0.1%, GaInNP, AlInNP, AlGaInNP, AlAsNP, GaAsNP, AlGaAsNP, GaNAs, GNP, AlNAs, GaInNAs, GaInNAs, AlInNAs, AlInNAsP, AlGaInNAs, AlGaInNAsP or the like can be used at a thickness of 0.1% or more. When the above material is used in a thickness of 0.1 μm or less, it can be used at a lattice irregularity ratio of 2% or less. This condition can be applied to a strained quantum well structure used for an active layer of a laser. AlNP, AlGaNP, and the like can also be applied to the strained quantum well structure as described above.

このようにSi基板を用いると、半導体基板の中で最も安価であり、且つ大口径の基板が入手可能である。また、シリコン基板上に形成される半導体素子と集積化が容易である。更に、熱伝導率がIII−V族半導体基板よりも大きいので、放熱性に優れる。 When the Si substrate is used in this way, the cheapest and large-diameter substrate among the semiconductor substrates is available. Further, integration with a semiconductor element formed on a silicon substrate is easy. Furthermore, since the thermal conductivity is larger than that of the III-V group semiconductor substrate, the heat dissipation is excellent.

図12に示したFP型半導体レーザの各半導体層に対して、特に好適な組み合わせとしては、図16を参照すると、n−Si基板76、n−GaNPバッファ層(N組成:3%)78、n−AlNPクラッド層(N組成:4%)70、アンドープAlGaNPガイド層(Al組成:50%、N組成:3.5%)71、アンドープGaNP活性層72(N組成:3%)、アンドープAlGaNPガイド層(Al組成:50%、N組成:3.5%)73、p−AlGaNPクラッド層(N組成:4%)74、p−GaNAsコンタクト層(N組成:19%)80となる。このような組み合わせを構成すれば、発振波長の温度依存性が小さい1.55μm帯半導体レーザが得られる。また、ガイド層71、73を活性層72の両側に備えているので、基本モードを保ちながら比較的高出力を得ることができる。 As a particularly suitable combination for each semiconductor layer of the FP type semiconductor laser shown in FIG. 12, referring to FIG. 16, an n-Si substrate 76, an n-GaNP buffer layer (N composition: 3%) 78, n-AlNP cladding layer (N composition: 4%) 70, undoped AlGaNP guide layer (Al composition: 50%, N composition: 3.5%) 71, undoped GaNP active layer 72 (N composition: 3%), undoped AlGaNP The guide layer (Al composition: 50%, N composition: 3.5%) 73, the p-AlGaNP cladding layer (N composition: 4%) 74, and the p-GaNAs contact layer (N composition: 19%) 80. If such a combination is constituted, a 1.55 μm band semiconductor laser having a small temperature dependence of the oscillation wavelength can be obtained. Since the guide layers 71 and 73 are provided on both sides of the active layer 72, a relatively high output can be obtained while maintaining the fundamental mode.

図17を参照すると、多層構造の活性層72にするためには、アンドープGaNP井戸層(N組成:3%)とアンドープAlInNP障壁層(In組成:10%、N組成:4%)を組み合わせることが好ましい。また、薄層化された多層構造にすれば、量子井戸構造を形成できる。この材料を用いると、井戸層および障壁層の遷移エネルギの温度依存性を小さくできる。このため、井戸層および障壁層のいずれか一方に上記材料を使用する場合に比べて、量子井戸構造に基づく量子準位の温度依存性を小さくできる。したがって、より安定したレーザ動作が可能となる。 Referring to FIG. 17, in order to obtain an active layer 72 having a multilayer structure, an undoped GaNP well layer (N composition: 3%) and an undoped AlInNP barrier layer (In composition: 10%, N composition: 4%) are combined. Is preferred. In addition, a quantum well structure can be formed by using a thinned multilayer structure. When this material is used, the temperature dependence of the transition energy of the well layer and the barrier layer can be reduced. For this reason, compared with the case where the said material is used for any one of a well layer and a barrier layer, the temperature dependence of the quantum level based on a quantum well structure can be made small. Therefore, more stable laser operation is possible.

InP基板を使用する場合、格子不整合の比率が0.1%のもとで、AlInNAs、GaInNAs、AlGaInNAs、AlInNP、GaInNP、AlGaInNP等が0.1μm以上の厚みで使用できる。上記の材料を0.1μm以下の厚みで用いる場合、格子不整の比率が2%以下で使用が可能である。この条件では、レーザの活性層に用いる歪量子井戸構造に適用できる。 When an InP substrate is used, AlInNAs, GaInNAs, AlGaInNAs, AlInNP, GaInNP, AlGaInNP, etc. can be used with a thickness of 0.1 μm or more under a lattice mismatch ratio of 0.1%. When the above material is used with a thickness of 0.1 μm or less, it can be used with a lattice irregularity ratio of 2% or less. This condition can be applied to a strained quantum well structure used for an active layer of a laser.

InP基板を使用すれば、通信用半導体レーザの多くがInP基板上に形成されているので、従来のデバイスの置き換えが容易となる。 If an InP substrate is used, since most of the semiconductor lasers for communication are formed on the InP substrate, it becomes easy to replace conventional devices.

図12に示したFP型半導体レーザの各半導体層に対して、特に好適な組み合わせとしては、図16を参照すると、n−InP基板76、n−InPバッファ層78、n−InPクラッド層70、アンドープInGaAsPガイド層71、アンドープInNAsP活性層72(N組成:3.4%、As組成:17)、アンドープInGaAsPガイド層73、p−AlNPクラッド層74、p−GaNAsコンタクト層80となる。このような組み合わせを構成すれば、発振波長の温度依存性が小さい1.55μm帯半導体レーザが得られ、更に、ガイド層71、73を活性層72の両側に備えているので、基本モードを保ちながら比較的高出力を得ることができる。なお、このような活性層72の厚さとしては100nm程度が好ましい。 As a particularly suitable combination for each semiconductor layer of the FP type semiconductor laser shown in FIG. 12, referring to FIG. 16, an n-InP substrate 76, an n-InP buffer layer 78, an n-InP cladding layer 70, An undoped InGaAsP guide layer 71, an undoped InNAsP active layer 72 (N composition: 3.4%, As composition: 17), an undoped InGaAsP guide layer 73, a p-AlNP cladding layer 74, and a p-GaNAs contact layer 80. If such a combination is configured, a 1.55 μm band semiconductor laser having a small temperature dependency of the oscillation wavelength can be obtained, and the guide layers 71 and 73 are provided on both sides of the active layer 72, so that the fundamental mode is maintained. However, a relatively high output can be obtained. Note that the thickness of the active layer 72 is preferably about 100 nm.

活性層72として、アンドープInNAsP(N組成:4%、As組成:18%)を使用すれば、発振波長の温度依存性が小さい1.55μm帯半導体レーザが得られる。なお、このような半導体層の厚さを8nm程度にすれば、量子井戸を構成できる。 If undoped InNAsP (N composition: 4%, As composition: 18%) is used as the active layer 72, a 1.55 μm band semiconductor laser having a small temperature dependence of the oscillation wavelength can be obtained. In addition, if the thickness of such a semiconductor layer is about 8 nm, a quantum well can be comprised.

図17を参照すると、多層構造の活性層72にするためには、アンドープInNAsP井戸層(N組成:0.5%、As組成:45%)とアンドープInGaNAsP障壁層とを組み合わせることが好ましい。また、薄層化された多層構造にすれば、量子井戸構造を形成できる。この材料を用いると、井戸層および障壁層の遷移エネルギの温度依存性を小さくできる。このため、井戸層および障壁層のいずれか一方に上記材料を使用する場合に比べて、量子井戸構造に基づく量子準位の温度依存性を小さくできる。したがって、より安定したレーザ動作が可能となる。 Referring to FIG. 17, it is preferable to combine an undoped InNAsP well layer (N composition: 0.5%, As composition: 45%) and an undoped InGaNAsP barrier layer in order to obtain an active layer 72 having a multilayer structure. In addition, a quantum well structure can be formed by using a thinned multilayer structure. When this material is used, the temperature dependence of the transition energy of the well layer and the barrier layer can be reduced. For this reason, compared with the case where the said material is used for any one of a well layer and a barrier layer, the temperature dependence of the quantum level based on a quantum well structure can be made small. Therefore, more stable laser operation is possible.

GaP基板を使用する場合、格子不整合の比率が0.1%以下のもとで、GaNAs、AlGaNAs、InGaNAs、InNAs、InAlNAs、InNP、InGaNP、AlInNP、InGaAlNAs等が0.1μm以上の厚みで使用できる。上記材料を0.1μm以下の厚みで用いる場合、格子不整の比率が2%以下で使用可能である。この条件では、レーザの活性層に用いる歪量子井戸構造に適用できる。 When a GaP substrate is used, GNAs, AlGaNAs, InGaNAs, InNAs, InAlNAs, InNP, InGaNP, AlInNP, InGaAlNAs, etc. are used at a thickness of 0.1 μm or more with a lattice mismatch ratio of 0.1% or less. it can. When the above material is used in a thickness of 0.1 μm or less, it can be used at a lattice irregularity ratio of 2% or less. This condition can be applied to a strained quantum well structure used for an active layer of a laser.

GaP基板を使用すれば、発振波長を規定すればGaAs基板に比べて活性層の遷移エネルギとクラッド層の遷移エネルギとの差を大きくとれるので、高温での動作において有利である。 If a GaP substrate is used, the difference between the transition energy of the active layer and the transition energy of the cladding layer can be increased as compared with the GaAs substrate if the oscillation wavelength is defined, which is advantageous in operation at a high temperature.

図12に示したFP型半導体レーザの各半導体層に対して、特に好適な組み合わせは、図16を参照すると、n−GaP基板76、n−GaPバッファ層78、n−AlPクラッド層70、アンドープGaPガイド層71、アンドープGaNP活性層72(N組成:7%)、アンドープGaPガイド層73、p−AlPクラッド層74、p−GaPコンタクト層80となる。このような組み合わせを構成すれば、ガイド層71、73を活性層72の両側に備えているので、基本モードを保ちながら比較的高出力を得ることができる。 A particularly preferred combination for each semiconductor layer of the FP type semiconductor laser shown in FIG. 12 is an n-GaP substrate 76, an n-GaP buffer layer 78, an n-AlP cladding layer 70, an undoped structure, as shown in FIG. A GaP guide layer 71, an undoped GaNP active layer 72 (N composition: 7%), an undoped GaP guide layer 73, a p-AlP cladding layer 74, and a p-GaP contact layer 80 are formed. If such a combination is constituted, since the guide layers 71 and 73 are provided on both sides of the active layer 72, a relatively high output can be obtained while maintaining the fundamental mode.

図17を参照すると、多層構造の活性層72にするためには、アンドープGaNP井戸層(N組成:7%)とアンドープAlInNP障壁層(In組成:10%、N組成:4%)を組み合わせることが好ましい。また、薄層化された多層構造にすれば、量子井戸構造を形成できる。この材料を用いると、井戸層および障壁層の遷移エネルギの温度依存性を小さくできる。このため、井戸層および障壁層のいずれか一方に上記材料を使用する場合に比べて、量子井戸構造に基づく量子準位の温度依存性を小さくできる。したがって、より安定したレーザ動作が可能となる。 Referring to FIG. 17, in order to obtain an active layer 72 having a multilayer structure, an undoped GaNP well layer (N composition: 7%) and an undoped AlInNP barrier layer (In composition: 10%, N composition: 4%) are combined. Is preferred. In addition, a quantum well structure can be formed by using a thinned multilayer structure. When this material is used, the temperature dependence of the transition energy of the well layer and the barrier layer can be reduced. For this reason, compared with the case where the said material is used for any one of a well layer and a barrier layer, the temperature dependence of the quantum level based on a quantum well structure can be made small. Therefore, more stable laser operation is possible.

以上、図12に示したFP型半導体レーザに関して好適な半導体層の組み合わせについて説明したが、上記の1.55μm帯半導体レーザに関しての組み合わせは、図14に示したDFB型半導体レーザについても同様に好適な組み合わせとなる。この場合に、図14の半導体層との関係は、基板96、バッファ層98、クラッド層100、ガイド層101、活性層102、ガイド層103、クラッド層104、コンタクト層110、となる。 The preferred combination of the semiconductor layers for the FP type semiconductor laser shown in FIG. 12 has been described above. However, the combination for the 1.55 μm band semiconductor laser described above is also suitable for the DFB type semiconductor laser shown in FIG. Combination. In this case, the relationship with the semiconductor layer in FIG. 14 is the substrate 96, the buffer layer 98, the cladding layer 100, the guide layer 101, the active layer 102, the guide layer 103, the cladding layer 104, and the contact layer 110.

これらの半導体層は、例えば、有機金属気相成長法(MOVPE法)、分子線エピタキシ(MBE)、化学線エピタキシ(CBE)等によって成長することができる。 These semiconductor layers can be grown by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOVPE), molecular beam epitaxy (MBE), actinic beam epitaxy (CBE), or the like.

なお、上記デバイスにおいて、活性層とガイド層にAsを含まないものでは、レーザ端面の劣化を促進するAs酸化物の形成がないため、特に高出力レーザにおいて、高出力におけるレーザ端面の破壊を防止できるので、高い信頼性が得られる。 In the above device, when As is not included in the active layer and the guide layer, there is no formation of As oxide that promotes deterioration of the laser end face, so that destruction of the laser end face at high output is prevented, particularly in a high output laser. High reliability can be obtained because it is possible.

(第9の実施の形態)
図18は、GaNyAs1-y、Ga1-xInxyAs1-y(x=0.10、x=0.15)の遷移エネルギの温度依存性を示した特性図である。横軸には、他のV族元素に対する窒素の組成を百分率で示し、縦軸には、それぞれの物質の遷移エネルギの温度特性をeV/K単位で示している。
(Ninth embodiment)
FIG. 18 is a characteristic diagram showing the temperature dependence of the transition energy of GaN y As 1-y and Ga 1-x In x N y As 1-y (x = 0.10, x = 0.15). . The horizontal axis shows the composition of nitrogen relative to other group V elements as a percentage, and the vertical axis shows the temperature characteristics of the transition energy of each substance in eV / K units.

遷移エネルギEtは、発光素子の発光に寄与するエネルギ準位間のエネルギ差をいう。これは、発光波長から求めることができる。例えば、蛍光法(フォトルミネッセンス法)を用いる場合には、アルゴンレーザで発生された波長514nmの光を対象結晶に照射して、この結晶から放出される蛍光の波長を分光器によって測定し波長を求めると、遷移エネルギを決定できる。遷移エネルギの温度依存性は、5K〜300Kの範囲では、この範囲で連続的に温度を変化できるクライオスタット(冷却器)を使用し、また300K〜400Kの範囲では、この範囲で連続的の温度を変化できる加熱装置を使用して行った。 The transition energy Et refers to an energy difference between energy levels that contributes to light emission of the light emitting element. This can be determined from the emission wavelength. For example, when using the fluorescence method (photoluminescence method), the target crystal is irradiated with light having a wavelength of 514 nm generated by an argon laser, and the wavelength of the fluorescence emitted from the crystal is measured by a spectroscope. Once determined, the transition energy can be determined. The temperature dependence of the transition energy uses a cryostat (cooler) that can continuously change the temperature in this range in the range of 5K to 300K, and the continuous temperature in this range in the range of 300K to 400K. This was done using a variable heating device.

窒素の組成は、X線回折法、二次イオン質量分析法(SIMS法)、EPMA法等によって求めることができる。図18においては、X線回折法、SIMS法を用いて組成決定を行い、この両方法によって求めた値は、よく一致することを確認した。X線回折法では、格子定数は組成に比例するという法則に基づいて、半導体基板とこの上にエピタキシャル成長された半導体層からの回折角の差から、例えばGaNyAs1-yの場合ではGaAsとGaNの既知の格子定数から算出する。更に、詳述すれば、X線回折法によりGaAs(004)ピークとGaNAs(004)ピークのずれから窒素組成を決定した。 The composition of nitrogen can be determined by X-ray diffraction, secondary ion mass spectrometry (SIMS method), EPMA method or the like. In FIG. 18, the composition was determined using an X-ray diffraction method and a SIMS method, and it was confirmed that the values obtained by both methods were in good agreement. In the X-ray diffraction method, based on the rule that the lattice constant is proportional to the composition, from the difference in diffraction angle between the semiconductor substrate and the semiconductor layer epitaxially grown thereon, for example, in the case of GaN y As 1-y , GaAs and Calculated from the known lattice constant of GaN. More specifically, the nitrogen composition was determined from the deviation between the GaAs (004) peak and the GaNAs (004) peak by X-ray diffraction.

図19は、このような組成の半導体層のX線回折スペクトルの一例を示し、横軸は回折角度、縦軸は任意単位で示されたX線強度である。図19によれば、GaAs(004)との格子不整合は0.3%と小さく、半値幅は△2θ表記で50秒と小さい。したがって、組成分布、および欠陥の少ない、非常に結晶性の良好なGaInNAs結晶が得られたことが分かる。 FIG. 19 shows an example of an X-ray diffraction spectrum of a semiconductor layer having such a composition, where the horizontal axis represents the diffraction angle and the vertical axis represents the X-ray intensity expressed in arbitrary units. According to FIG. 19, the lattice mismatch with GaAs (004) is as small as 0.3%, and the half width is as small as 50 seconds in Δ2θ notation. Therefore, it can be seen that a GaInNAs crystal having a very good crystallinity with few composition distributions and defects was obtained.

再び図18を参照すると、GaNyAs1-yにおいて窒素の組成を変化させた場合の温度係数が示されている。遷移エネルギの1次の温度係数は、温度T=T2からT=T1の範囲(T1>T2)において、
△Et/△T=
[Et(T=T1)−Et(T=T2)]/[T1−T2]
で表される。この割合は、窒素の組成を独立変数とすると、傾きが正の一次関数で表される関係となる。図18に示したデータは実験データを解析した一例であって、温度T=77Kから300Kの範囲での結果である。実験データを外挿して窒素の組成が零の場合(いわゆる、y切片)を求めると、−0.383meVとなる。この値はGaAsにおけるバンドギャップの値の温度係数−0.380meVに非常に近い。本実験の解析から得られた値−0.383meVと、GaAsの文献値−0.380meVが非常に近いことは、本実施の形態に使用した窒素濃度が高い結晶が高品質であることを示していると、発明者は考えている。なお、遷移エネルギの変化の割合、つまり1次の温度係数は、窒素の組成を増加させていくと、負の値から零に近づき、正の値を至ることを示している。
Referring to FIG. 18 again, the temperature coefficient when the composition of nitrogen is changed in GaN y As 1-y is shown. The first order temperature coefficient of the transition energy is in the range of temperature T = T2 to T = T1 (T1> T2).
△ Et / △ T =
[Et (T = T1) -Et (T = T2)] / [T1-T2]
It is represented by This ratio has a relationship in which the slope is expressed by a positive linear function when the composition of nitrogen is an independent variable. The data shown in FIG. 18 is an example of analysis of experimental data, and is a result in a temperature range of T = 77K to 300K. When the experimental data is extrapolated and the nitrogen composition is zero (so-called y-intercept), it is −0.383 meV. This value is very close to the temperature coefficient of -0.380 meV of the band gap value in GaAs. The value of -0.383 meV obtained from the analysis of this experiment and the literature value of -GaAs of -0.380 meV are very close, indicating that the crystals with a high nitrogen concentration used in this embodiment are of high quality. The inventor thinks. Note that the rate of change in transition energy, that is, the first-order temperature coefficient, shows that when the nitrogen composition is increased, the negative value approaches zero and reaches a positive value.

また、図18では、Ga1-xInxyAs1-y(x=0.10、x=0.15)においては、窒素の組成を0.1%〜9%まで変化させた。これは、窒素の組成が大きい場合、温度77Kから300Kまでの遷移エネルギの変化の割合△Et/△TをGaNyAs1-yの場合と同様に求めた解析例である。この結果、窒素の組成に対して、傾きが正の一次関数で表される関係にある。本物質の場合には、Inの組成によって遷移エネルギの温度依存性が変化する。図18の例では、Inの組成が高くなるのつれて、温度依存性△Et/△Tが小さくなるが、In組成の依存性に比べて窒素の組成に対する依存性の方が大きいことに注目すべきことである。 In FIG. 18, the composition of nitrogen was changed from 0.1% to 9% in Ga 1-x In x N y As 1-y (x = 0.10, x = 0.15). This is an analysis example in which the change rate ΔEt / ΔT of the transition energy from the temperature 77K to 300K is obtained in the same manner as in the case of GaNyAs1-y when the composition of nitrogen is large. As a result, the slope of the nitrogen composition is expressed by a positive linear function. In the case of this substance, the temperature dependence of the transition energy changes depending on the composition of In. In the example of FIG. 18, the temperature dependence ΔEt / ΔT decreases as the In composition increases, but it is noted that the dependence on the nitrogen composition is greater than the dependence on the In composition. Is to do.

なお、GaAs、GaxIn1-xAsのバンドギャップの温度依存性については、文献(Property of lattice-matched and strained Indium Gallium Arsenide, Ed P.Bhattacharya, INSPEC 1993, p73-75)を参照した。 Incidentally, GaAs, for the temperature dependence of the bandgap of Ga x In 1-x As, with reference to the literature (Property of lattice-matched and strained Indium Gallium Arsenide, Ed P.Bhattacharya, INSPEC 1993, p73-75).

このように、GaNyAs1-y、Ga1-xInxyAs1-y(x=0.10、x=0.15)では、遷移エネルギの温度依存性を極めて小さくすることが可能な窒素の組成の範囲がある。上記のような物質においては、他のV族に対して窒素の組成を最大で9%程度にすると、従来使用されていたGaAs半導体に比べて発光素子の光波長の温度依存性を極めて小さくすることができる。したがって、例えば温度特性が改善された半導体発光素子、例えば半導体レーザを提供できる。 As described above, in GaN y As 1-y and Ga 1-x In x N y As 1-y (x = 0.10, x = 0.15), the temperature dependence of the transition energy can be extremely reduced. There is a range of possible nitrogen compositions. In the above-described substances, when the nitrogen composition is about 9% at maximum with respect to other group V, the temperature dependence of the light wavelength of the light-emitting element is made extremely small as compared with the conventionally used GaAs semiconductor. be able to. Therefore, for example, a semiconductor light emitting device with improved temperature characteristics, for example, a semiconductor laser can be provided.

加えて、これらの材料では、遷移エネルギをGaAsより遷移エネルギ値を小さくできる。また、Inの組成および窒素組成を連続的に変化させることによって、遷移エネルギを連続的に変化させることができる。したがって、これらの材料を既存の半導体材料と組み合わせて多層構造を構成すれば、GaAsより長波長の半導体発光素子(各種構造の半導体レーザ、発光ダイオード)を作成できる。例えば、所定の窒素組成のGaNyAs1-y、Ga1-xInxyAs1-yを活性層に使用すれば、光ファイバ通信に使用される1.3μm帯および1.55μm帯で使用可能な、発振波長の温度特性が安定している発光ダイオードおよび半導体レーザを作成できる。 In addition, with these materials, the transition energy value can be made smaller than that of GaAs. Further, the transition energy can be continuously changed by continuously changing the In composition and the nitrogen composition. Therefore, when these materials are combined with existing semiconductor materials to form a multilayer structure, semiconductor light emitting elements having longer wavelengths than GaAs (semiconductor lasers and light emitting diodes of various structures) can be produced. For example, if GaN y As 1-y and Ga 1-x In x N y As 1-y having a predetermined nitrogen composition are used for the active layer, the 1.3 μm band and 1.55 μm band used for optical fiber communication A light emitting diode and a semiconductor laser having stable oscillation wavelength temperature characteristics can be produced.

このような特性は、窒素の原子半径が他の元素と比較して小さいことが1つの理由であると、発明者は考えている。原子半径は、
III族元素
Al: 0.230オングストローム
Ga: 1.225オングストローム
In: 1.406オングストローム
V族元素
N : 0.719オングストローム
P : 1.126オングストローム
As: 1.225オングストローム
という値である。
The inventor believes that one of the reasons for this characteristic is that the atomic radius of nitrogen is smaller than that of other elements. Atomic radius is
Group III element Al: 0.230 angstrom Ga: 1.225 angstrom In: 1.406 angstrom V group element N: 0.719 angstrom P: 1.126 angstrom As: 1.225 angstrom

また、窒素の電気陰性度が他の元素に比べて大きく異なってこともその理由であると発明者は考えている。ポーリングの電気陰性度は、化学便覧、基礎編II-631、丸善(株)によれば、
III族元素
Al: 1.5kcal/mol
Ga: 1.6kcal/mol
In: 1.7kcal/mol
V族元素
N : 3.0kcal/mol
P : 2.1kcal/mol
As: 2.0kcal/mol
という値である。
The inventor believes that the reason is that the electronegativity of nitrogen is greatly different from other elements. According to the Chemical Handbook, Basics II-631, Maruzen Co., Ltd.
Group III element Al: 1.5 kcal / mol
Ga: 1.6 kcal / mol
In: 1.7 kcal / mol
Group V element N: 3.0 kcal / mol
P: 2.1 kcal / mol
As: 2.0 kcal / mol
It is a value.

さらに発明者は以下のような考察を行った。例えば、青色発光素子として実用化されているInGaNは、InNとGaNから成る3元系混晶である。遷移エネルギの温度係数は、InNでは−0.18meV/K、GaNでは−0.60meVである。InxGa1ーxNは、文献(Property of Group III Nitrides, INSPEC publication, ed. James H. Edgar)によれば、−[0.27+0.09×X]meVの温度変化を示し、本実施の形態において使用したGaNyAs1-y、Ga1-xInxyAs1-y(x=0.10、x=0.15)のように温度係数が零になるような特性は示さない。同様に、AlNおよびこれを中心にした混晶系についても、かかる特性を有さない。このことから、発明者は、窒素と物性が異なるV族元素を一緒に含むIII−V族混晶系においては、温度特性のかかる改善が可能になると考えている。 Furthermore, the inventor has considered as follows. For example, InGaN, which is put into practical use as a blue light emitting element, is a ternary mixed crystal composed of InN and GaN. The temperature coefficient of the transition energy is -0.18 meV / K for InN and -0.60 meV for GaN. According to the literature (Property of Group III Nitrides, INSPEC publication, ed. James H. Edgar), In x Ga 1-x N shows a temperature change of − [0.27 + 0.09 × X] meV, and this implementation The characteristics such as GaN y As 1-y and Ga 1-x In x N y As 1-y (x = 0.10, x = 0.15) used in the embodiment are as follows. Not shown. Similarly, AlN and mixed crystal systems centering around this do not have such characteristics. For this reason, the inventor believes that such a temperature characteristic can be improved in a group III-V mixed crystal system containing group V elements having different physical properties from nitrogen.

この考察に基づけば、窒素と組み合わせる元素として、As、P、およびSbが考えられる。これらのV族を含む2元III−V族系は、AlP、GaP、InP、AlAs、GaAs、InAs、AlSb、GaSb、およびInSb等がある。3元III−V族系は、これらの2元系の組み合わせが考えられる。更に、4元以上の多元系も、これらの組み合わせによって表される。 Based on this consideration, As, P, and Sb can be considered as elements combined with nitrogen. Binary III-V group systems including these V groups include AlP, GaP, InP, AlAs, GaAs, InAs, AlSb, GaSb, and InSb. The ternary III-V group may be a combination of these binary systems. Furthermore, multi-component systems of four or more elements are also represented by these combinations.

図18に基づけば、GaNyAs1-y(0<y≦0.09)の材料にあっては、GaAs半導体の繊維エネルギの1次の温度係数0.38meV/Kよりも小さいので、従来の素子に比べて発光波長の温度依存性が小さい発光素子を実現できる。 Based on FIG. 18, the material of GaN y As 1-y (0 <y ≦ 0.09) is smaller than the primary temperature coefficient of 0.38 meV / K of the fiber energy of the GaAs semiconductor. Thus, a light-emitting element in which the temperature dependency of the emission wavelength is smaller than that of the element can be realized.

また、図18に基づけば、Ga1-xInxyAs1-y(0<x≦0.3、0<y≦0.09)の材料にあっては、Ga1ーxInxAs半導体の繊維エネルギの1次の温度係数よりも小さいので、従来の比べて発光波長の温度依存性が小さい発光素子を実現できる。 Further, according to FIG. 18, in the case of a material of Ga 1-x In x N y As 1-y (0 <x ≦ 0.3, 0 <y ≦ 0.09), Ga 1−x In x Since it is smaller than the first-order temperature coefficient of fiber energy of As semiconductor, it is possible to realize a light-emitting element having a smaller temperature dependency of the emission wavelength than the conventional one.

更に、遷移エネルギの1次の温度係数の好適な範囲は、窒素組成に関しては、組成が1%以上9%以下の窒素を含む少なくとも1層以上のGaNyAs1-y混晶半導体を備える半導体発光素子に適用することが好ましい。また、組成xが0%より大きく30%以下のInを含み、組成yが3%以上9%以下の窒素を含む少なくとも1層以上のGa1ーxInxNyAs1-y混晶半導体を備える半導体発光素子に適用することが好ましい。 Further, a preferable range of the first order temperature coefficient of the transition energy is a semiconductor including at least one layer of GaN y As 1-y mixed crystal semiconductor containing nitrogen having a composition of 1% to 9% with respect to the nitrogen composition. It is preferable to apply to a light emitting element. In addition, the present invention is applied to a semiconductor light emitting device including at least one layer of Ga1-xInxNyAs1-y mixed crystal semiconductor containing a composition x of greater than 0% and 30% or less of In and a composition y of nitrogen of 3% or more and 9% or less. It is preferable to do.

更に、2.3eV以下の遷移エネルギを有し、且つ、V族元素に関する窒素組成が40%以下であるIII−V族混晶系であることが好ましい。このような範囲にすれば、発光素子として好適な波長範囲を達成できる遷移エネルギを有する半導体層が形成される。つまり、GaP半導体の遷移エネルギ2.26eV(波長、548nm)程度以下の遷移エネルギを実現できる。なお、GaNPにおいては、窒素組成40%において遷移エネルギが0eVとなる。 Furthermore, a III-V group mixed crystal system having a transition energy of 2.3 eV or less and a nitrogen composition related to the group V element of 40% or less is preferable. If it is set as such a range, the semiconductor layer which has the transition energy which can achieve a suitable wavelength range as a light emitting element will be formed. That is, it is possible to realize a transition energy of GaP semiconductor having a transition energy of about 2.26 eV (wavelength, 548 nm) or less. In addition, in GaNP, the transition energy is 0 eV at a nitrogen composition of 40%.

図18に示した特性を有する半導体層は、例えばMOCVD法のよって以下のように形成した。 The semiconductor layer having the characteristics shown in FIG. 18 was formed as follows, for example, by MOCVD.

面方位が(001)の半絶縁性GaAs基板上に、0.5μm厚のGaNyAs1-y混晶半導体単層膜を成長した。このときの諸条件は、MOCVD成長炉内で、成長温度570℃として、[TBAs]/[TEG](モル供給比)=5と固定して、[DMHy]/([DMHy]+[TBAs])(モル供給比)=O.256〜0.9の範囲で所望の窒素組成に合わせて変化させた。なお、[TBAs]はtーブチルアルシンであり、[TEG]はトリエチルガリウムであり、[DMHy]はジメチルヒドラジンである。 A GaNyAs1-y mixed crystal semiconductor single layer film having a thickness of 0.5 μm was grown on a semi-insulating GaAs substrate having a plane orientation of (001). The conditions at this time are as follows: [TBAs] / [TEG] (molar supply ratio) = 5 in a MOCVD growth furnace at a growth temperature of 570 ° C., and [DMHy] / ([DMHy] + [TBAs] ) (Molar feed ratio) = O. The range was varied from 256 to 0.9 in accordance with the desired nitrogen composition. [TBAs] is t-butylarsine, [TEG] is triethylgallium, and [DMHy] is dimethylhydrazine.

また、面方位が(001)の半絶縁性GaAs基板上に、0.5μm厚のGa1-xInxyAs1-y混晶半導体単層膜を成長した。このときの諸条件は、MOCVD成長炉内で、成長温度530℃とした。Ga0.9In0.10.035As0.965混晶半導体では、[TBAs]/([TEG]+[TMI])(モル供給比)=1.8、[DMHy]/([DMHy]+[TBAs])(モル供給比)=0.98である。Ga0.85In0.150.053As0.947混晶半導体では、[TBAs]/([TEG]+[TMI])(モル供給比)=2、[DMHy]/([DMHy]+[TBAs])(モル供給比)=0.965である。これによって、GaAs(001)基板上に格子整合して成長する。それぞれの場合、窒素組成は[DMHy]/([DMHy]+[TBAs])を変化させて調整した。なお、[TMI]はトリメチルインジウムである。 Further, a Ga 1-x In x N y As 1-y mixed crystal semiconductor single layer film having a thickness of 0.5 μm was grown on a semi-insulating GaAs substrate having a plane orientation of (001). The conditions at this time were a growth temperature of 530 ° C. in an MOCVD growth furnace. In a Ga 0.9 In 0.1 N 0.035 As 0.965 mixed crystal semiconductor, [TBAs] / ([TEG] + [TMI]) (molar supply ratio) = 1.8, [DMHy] / ([DMHy] + [TBAs]) ( Molar feed ratio) = 0.98. In a Ga 0.85 In 0.15 N 0.053 As 0.947 mixed crystal semiconductor, [TBAs] / ([TEG] + [TMI]) (molar supply ratio) = 2, [DMHy] / ([DMHy] + [TBAs]) (molar supply) Ratio) = 0.965. Thereby, it grows on the GaAs (001) substrate in lattice matching. In each case, the nitrogen composition was adjusted by changing [DMHy] / ([DMHy] + [TBAs]). [TMI] is trimethylindium.

以上、第6の実施の形態から第9の実施の形態において説明したように、本発明の半導体発光素子では、発光に寄与する遷移エネルギの温度依存性が小さい半導体材料を採用したので、発光波長の温度依存性が安定する。このため、動作の信頼性が向上するとともに、温度調整機構が不要になる。したがって、安価、小型、且つ低消費電力の半導体発光素子が提供される。 As described above in the sixth to ninth embodiments, the semiconductor light emitting device of the present invention employs a semiconductor material that has a small temperature dependency of transition energy contributing to light emission. The temperature dependence of is stable. For this reason, the reliability of the operation is improved and the temperature adjusting mechanism is not required. Therefore, an inexpensive, small-sized and low power consumption semiconductor light emitting device is provided.

以上に説明したように、GaAs基板上に、Ga1-xInxy As1-y/Ga1-iIniAs1-jj(但し、0<i<1)超格子構造の活性層、またはGa1-xInxNy As1-y/GaAs1-jPj超格子構造の活性層を設けた本発明の半導体レーザによれば、Ga1-xInxNyAs1-y井戸層のInの組成比xを小さくしても、量子井戸における伝導帯及び価電子帯での電子及び正孔の閉じ込め効果(量子井戸効果)が十分に得られて、温度特性(T0)の優れた半導体レーザを実現することができる。更に、Inの組成比xを小さくすることにより、格子不整合が抑えられて、GaAs基板からの応力歪みが低減されるため、信頼性の高い半導体レーザを実現することができる。 As described above, a Ga 1-x In x N y As 1-y / Ga 1-i In i As 1-j P j (where 0 <i <1) superlattice structure is formed on a GaAs substrate. According to the semiconductor laser of the present invention provided with an active layer or an active layer having a Ga1-xInxNy As1-y / GaAs1-jPj superlattice structure, the In composition ratio x of the Ga1-xInxNyAs1-y well layer can be reduced. A semiconductor laser having a sufficient temperature characteristic (T0) can be realized by sufficiently obtaining an electron and hole confinement effect (quantum well effect) in the conduction band and valence band in the quantum well. Further, by reducing the In composition ratio x, lattice mismatch is suppressed and stress strain from the GaAs substrate is reduced, so that a highly reliable semiconductor laser can be realized.

また、GaAs基板上に、GaNyAs1-y/Ga1-iIniAs1-jj(但し、0≦j<1)超格子構造の活性層を設けた本発明の半導体レーザによれば、結晶の高品質化を図ることができ、優れた温度特性(T)を実現することができる。更に、超格子のバンドギャプ構造を、電子と正孔を空間的に分離して閉じ込めることができるように設計でき、発振波長の長波長化や高効率化にも有利である。更に、活性層の平均の格子定数をGaAs基板と等しくすることによって、設計の自由度を広げることができると共に、信頼性の高い半導体レーザを実現することができる。 Further, the semiconductor laser of the present invention in which an active layer having a superlattice structure is provided on a GaAs substrate on a GaN y As 1-y / Ga 1-i In i As 1-j P j (where 0 ≦ j <1). According to this, the quality of the crystal can be improved, and excellent temperature characteristics (T 0 ) can be realized. Furthermore, the band gap structure of the superlattice can be designed so that electrons and holes can be confined by spatial separation, which is advantageous for increasing the oscillation wavelength and increasing the efficiency. Furthermore, by making the average lattice constant of the active layer equal to that of the GaAs substrate, the degree of freedom in design can be expanded and a highly reliable semiconductor laser can be realized.

加えて、本発明の半導体発光素子では、発光に寄与する遷移エネルギの温度依存性が小さい半導体材料を採用したので、発光波長の温度依存性が安定する。このため、動作の信頼性が向上するとともに、温度調整機構を不要にすることもできる。したがって、安価、小型、且つ低消費電力の半導体発光素子が提供される。 In addition, the semiconductor light emitting device of the present invention employs a semiconductor material having a small temperature dependency of transition energy contributing to light emission, so that the temperature dependency of the emission wavelength is stabilized. For this reason, the reliability of the operation is improved and the temperature adjustment mechanism can be made unnecessary. Therefore, an inexpensive, small-sized and low power consumption semiconductor light emitting device is provided.

図1は、第1の実施の形態の半導体レーザの構造及び製造工程を示す縦断面図である。FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing the structure and manufacturing process of the semiconductor laser according to the first embodiment. 図2は、活性層のバンド構造を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing the band structure of the active layer. 図3は、活性層のバンド構造を更に示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram further illustrating the band structure of the active layer. 図4は、井戸層のInとNの組成比の関係を示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the composition ratio of In and N in the well layer. 図5は、障壁層のPとInの組成比の関係を示す特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the composition ratio of P and In in the barrier layer. 図6は、第2の実施の形態の半導体レーザの構造及び製造工程を示す縦断面図である。FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing the structure and manufacturing process of the semiconductor laser according to the second embodiment. 図7は、第3の実施の形態の半導体レーザの構造を示す縦断面図である。FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing the structure of the semiconductor laser according to the third embodiment. 図8は、第4の実施の形態の半導体レーザの構造を示す縦断面図と、活性層及びその特性を示す説明図である。FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing the structure of the semiconductor laser according to the fourth embodiment, and an explanatory view showing the active layer and its characteristics. 図9は、第5の実施の形態の半導体レーザの活性層の構造及びその特性を示す説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram showing the structure and characteristics of the active layer of the semiconductor laser according to the fifth embodiment. 図10は、第5の実施の形態の半導体レーザの動作を説明するための説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining the operation of the semiconductor laser according to the fifth embodiment. 図11は、従来の半導体レーザの活性層のバンド構造と、III族とV族元素の原子半径を 示す説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram showing the band structure of the active layer of a conventional semiconductor laser and the atomic radii of group III and group V elements. 図12は、本発明の半導体発光素子が適用されたファブリペロー型半導体レーザを模式的に表した斜視図である。FIG. 12 is a perspective view schematically showing a Fabry-Perot type semiconductor laser to which the semiconductor light emitting device of the present invention is applied. 図13(a)および図13(b)は、図12におけるA部の拡大図である。FIG. 13A and FIG. 13B are enlarged views of a portion A in FIG. 図14(a)は、本発明の半導体発光素子が適用された分布帰還型半導体レーザを模式的に表した斜視図であり、放射されるレーザ光の光軸方向に沿った断面を示している。図14(b)は、図14(a)のB部の拡大された断面図である。FIG. 14A is a perspective view schematically showing a distributed feedback semiconductor laser to which the semiconductor light emitting device of the present invention is applied, and shows a cross section along the optical axis direction of the emitted laser light. . FIG. 14B is an enlarged cross-sectional view of a portion B in FIG. 図15(a)および図15(b)は、図14におけるC部の拡大図である。FIG. 15A and FIG. 15B are enlarged views of a portion C in FIG. 図16は、本発明に特に好適な半導体層の組み合わせを一覧に示した一覧図である。FIG. 16 is a list showing a list of combinations of semiconductor layers particularly suitable for the present invention. 図17は、本発明に特に好適な半導体層の組み合わせを一覧に示した一覧図である。FIG. 17 is a list showing a list of combinations of semiconductor layers particularly suitable for the present invention. 図18は、遷移エネルギを温度係数の窒素組成に対する依存性を示したグラフである。FIG. 18 is a graph showing the dependence of the transition energy on the nitrogen composition of the temperature coefficient. 図19は、このような組成の半導体層のX線回折スペクトル図である。FIG. 19 is an X-ray diffraction spectrum diagram of the semiconductor layer having such a composition.

符号の説明Explanation of symbols

2,24,46…GaAs基板、4,26,46…バッファ層、6,30,50…下部クラッド層、8,32,52,68…活性層、8a,8c,52a,52c,68a,68c,68e,68g…障壁層、8b,52b,68b,68d,68f…井戸層、10,34,54…上部クラッド層、14,66…リッジストライプ部、16,56…埋め込み層、18,60…コンタクト層。70…第1のクラッド層、71…第1のガイド層、72…活性層、73…第2のガイド層、74…第2のクラッド層、76…半導体基板、78…バッファ層、80…コンタクト層、82…第1導電側電極、84…第2導電側電極、86…リッジストライプ部、88…中間層。96…半導体基板96、98…バッファ層、100…第1のクラッド層、101…第1のガイド層、102…活性層、103…第2のガイド層、106…埋め込み部106、104…第2のクラッド層、110…コンタクト層、112…第1導電側のストライプ電極、114…第2導電側の裏面電極、118…第1のブロック層、120…第2のブロック層。 2, 24, 46 ... GaAs substrate, 4, 26, 46 ... buffer layer, 6, 30, 50 ... lower clad layer, 8, 32, 52, 68 ... active layer, 8a, 8c, 52a, 52c, 68a, 68c 68e, 68g ... barrier layer, 8b, 52b, 68b, 68d, 68f ... well layer, 10, 34, 54 ... upper cladding layer, 14, 66 ... ridge stripe portion, 16, 56 ... buried layer, 18, 60 ... Contact layer. DESCRIPTION OF SYMBOLS 70 ... 1st clad layer, 71 ... 1st guide layer, 72 ... Active layer, 73 ... 2nd guide layer, 74 ... 2nd clad layer, 76 ... Semiconductor substrate, 78 ... Buffer layer, 80 ... Contact Layer 82 first conductive side electrode 84 second conductive side electrode 86 ridge stripe portion 88 intermediate layer 96 ... Semiconductor substrate 96, 98 ... Buffer layer, 100 ... First cladding layer, 101 ... First guide layer, 102 ... Active layer, 103 ... Second guide layer, 106 ... Buried portion 106, 104 ... Second 110 ... contact layer, 112 ... first conductive side stripe electrode, 114 ... second conductive side back electrode, 118 ... first block layer, 120 ... second block layer.

Claims (7)

半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、III−V族混晶半導体であって窒素を含む2以上のV族元素を有し、遷移エネルギの1次の温度係数が−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下である第1の半導体層と、
前記半導体基板上に設けられ、III−V族混晶半導体であって窒素を含む2以上のV族元素を有し、遷移エネルギの1次の温度係数が−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下である第2の半導体層と
を備え、
前記第2の半導体層は、前記第1の半導体層の第1の面とこの第1の面に対向する第2の面に接して前記第1の半導体層を挟み、
前記第1の半導体層の数は1以上であり、
前記第1の半導体層は井戸層であり、
前記第2の半導体層は障壁層である、ことを特徴とする半導体発光素子。
A semiconductor substrate;
A III-V group mixed crystal semiconductor which is provided on the semiconductor substrate and has two or more group V elements including nitrogen, and a primary temperature coefficient of transition energy is −0.3 meV / K or more and +0.3 meV. A first semiconductor layer that is less than or equal to / K;
A III-V group mixed crystal semiconductor which is provided on the semiconductor substrate and has two or more group V elements including nitrogen, and a primary temperature coefficient of transition energy is −0.3 meV / K or more and +0.3 meV. A second semiconductor layer that is not more than / K,
The second semiconductor layer is in contact with a first surface of the first semiconductor layer and a second surface opposite to the first surface, and sandwiches the first semiconductor layer,
The number of the first semiconductor layers is one or more;
The first semiconductor layer is a well layer;
The semiconductor light-emitting element, wherein the second semiconductor layer is a barrier layer.
前記第1の半導体層および前記第2の半導体層の少なくとも一方は、2.3eV以下の遷移エネルギを有し、且つ、前記第1の半導体層および前記第2の半導体層の少なくとも一方に含まれるV族元素における窒素組成が40%以下である、を特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。 At least one of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer has a transition energy of 2.3 eV or less and is included in at least one of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. The semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein a nitrogen composition in the group V element is 40% or less. 前記第1の半導体層および前記第2の半導体層の少なくとも一方は、組成が1%以上9%以下の窒素を含むGaNyAs1-y混晶半導体層である、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載された半導体発光素子。 The at least one of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is a GaN y As 1-y mixed crystal semiconductor layer containing nitrogen having a composition of 1% to 9%. A semiconductor light emitting device according to claim 1. 前記第1の半導体層および前記第2の半導体層の少なくとも一方は、組成が3%以上9%以下の窒素、組成が0%より大きく30%以下のIn、を含むGa1ーxInxyAs1-y混晶半導体層である、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載された半導体発光素子。 At least one of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer includes Ga 1−x In x N containing nitrogen having a composition of 3% or more and 9% or less and In having a composition of greater than 0% and 30% or less. The semiconductor light-emitting element according to claim 1, wherein the semiconductor light-emitting element is a y As 1-y mixed crystal semiconductor layer. 前記第2の半導体層は、組成が1%以上9%以下の窒素を含むGaNyAs1-y混晶半導体層であり、前記第1の半導体層は、組成が3%以上9%以下の窒素および組成が0%より大きく30%以下のInを含むGa1ーxInxyAs1-y混晶半導体層である、ことを特徴とする請求項1または請求項2に半導体発光素子。 The second semiconductor layer is a GaN y As 1-y mixed crystal semiconductor layer containing nitrogen having a composition of 1% to 9%, and the first semiconductor layer has a composition of 3% to 9%. 3. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the semiconductor light emitting device is a Ga 1−x In x N y As 1−y mixed crystal semiconductor layer containing nitrogen and In having a composition of greater than 0% and less than or equal to 30%. . 半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、III−V族混晶半導体であって窒素を含む2以上のV族元素を有し、V族元素における窒素組成が40%以下であり、遷移エネルギの1次の温度係数が−0.3meV/K以上+0.3meV/K以下である半導体層と、
を備えることを特徴とする半導体発光素子。
A semiconductor substrate;
A group III-V mixed crystal semiconductor provided on the semiconductor substrate, having two or more group V elements including nitrogen, a nitrogen composition in the group V element being 40% or less, and a primary energy of transition energy A semiconductor layer having a temperature coefficient of −0.3 meV / K or more and +0.3 meV / K or less;
A semiconductor light emitting device comprising:
前記半導体層は、組成が1%以上9%以下の窒素を含むGaNyAs1-y混晶半導体層、または、組成が3%以上9%以下の窒素および組成が0%より大きく30%以下のInを含むGa1ーxInxyAs1-y混晶半導体層である、ことを特徴とする請求項6に記載の半導体発光素子。 The semiconductor layer includes a GaN y As 1-y mixed crystal semiconductor layer containing nitrogen having a composition of 1% or more and 9% or less, or nitrogen having a composition of 3% or more and 9% or less and a composition of greater than 0% and 30% or less. The semiconductor light emitting device according to claim 6, which is a Ga 1-x In x N y As 1-y mixed crystal semiconductor layer containing In.
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