JP4071308B2 - 半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法及び光ファイバー通信システム - Google Patents
半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法及び光ファイバー通信システム Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法及び光ファイバー通信システムに関し、詳細には、半導体レーザーや発光ダイオード等に用いる半導体発光素子及びその製造方法及び光ファイバー通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
１．３μｍ帯、１．５μｍ帯の半導体レーザーの材料としては、従来、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の材料が用いられている。また、光加入者システムを普及させるためには、低コスト化が要望されており、半導体レーザーの温度特性を改善して、電子冷却素子等を使用せずに、かつ、注入電流を制御してパワーが一定になるように制御するＡＰＣ（オートパワーコントロール）フリーのシステムの実現が研究されている。ところが、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の材料は、材料的に伝導帯のバンド不連続をあまり大きくできないため、キャリアがオーバーフローしやすく、また、その温度依存性が大きいため、その実現が困難であった。
【０００３】
最近、新規半導体材料として、Ｖ族にＮを含んだＮ系混晶半導体材料の研究が行われており、例えば、特開平６−３３４１６８号公報には、Ｓｉ基板上にIII −Ｖ族混晶半導体素子を作成する手段として格子整合系材料であるＮ系混晶半導体をエピタキシャル成長させる技術が記載されている。この公報では、Ｓｉ基板に格子整合するＧａＮ0.03Ｐ0.97クラッド層、ＧａＮＰとＧａＮＡｓの歪超格子活性層を用いた半導体レーザーやフォトダイオードが提案されている。
【０００４】
この技術を用いると、Ｓｉ基板上にIII −Ｖ族混晶半導体素子をミスフィット転位を発生させることなくエピタキシャル成長させることが可能となり、Ｓｉ電子素子とのモノリシック化も可能性がある。
【０００５】
また、ＧａＡｓ、ＩｎＰ及びＧａＰ基板と格子整合可能なＩｎＧａＮＡｓ、ＡｌＧａＮＡｓ、ＧａＮＡｓ等の混晶半導体の例も特開平６−０３７３５５公報に記載されている。
【０００６】
従来、ＧａＡｓ基板に格子整合するIII −Ｖ族半導体の中で、ＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが小さい材料は、存在しなかった。ところが、例えば、ＩｎＧａＮＡｓは、ＧａＡｓ基板に格子整合可能であり、しかも少ないＮ組成では、ＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが小さい材料が得られ、従来ＧａＡｓ基板上には形成が困難であったＧａＡｓの発光波長より長波長（１．３μｍ帯など）の発光素子が形成可能であることが分かってきた。
【０００７】
しかしながら、ＩｎＧａＮＡｓは、ＧａＡｓの発光波長よりも長波長の発光素子を形成可能であるが、組成と発光波長の関係等、その物性については、ほとんど報告されていない。
【０００８】
ただ、積層構造については、Abstracts of the 1995 International Conferen-ce on Solid State Devicies and Materials 予稿集（ｐ１０１６〜ｐ１０１８）に示されている。これによると、ＩｎＧａＮＡｓ活性層に対してバンドギャップエネルギーの大きいＡｌＧａＡｓをクラッド層とする提案が示されている。この予稿集の中で、ＩｎＧａＮＡｓ活性層とＡｌＧａＡｓクラッド層は、直接接した構造となっている。この材料系では、伝導帯のバンド不連続が大きいので、注入キャリアをＩｎＧａＮＡｓ活性層に効率よく閉じ込めることができ、従来のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料の長波長レーザーの欠点であった悪い温度特性を著しく改善することができ、また、高出力（ハイパワー）も可能となった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＩＩＩ−Ｖ族半導体においては、ＩｎＧａＮＡｓは、成長温度が高いと、Ｎが基板表面から離脱しやすく、Ｎ組成の大きい膜を形成しにくいので、低温成長（例えば、６８０℃以下）する必要があるのに対して、逆に、ＡｌＧａＡｓは、Ａｌが活性であるので、低温成長では、素子特性に悪影響を及ぼすＯ（酸素）不純物が膜中に取り込まれやすく、高温（例えば、７５０℃以上）で成長することが望ましい。
【００１０】
すなわち、ＩｎＧａＮＡｓ活性層とＡｌＧａＡｓクラッド層が直接接した構造を成長させようとすると、下部のＡｌＧａＡｓクラッド層の成長後に、ＩｎＧａＮＡｓを成長させるために基板の温度を下げたとき、ＡｌＧａＡｓ表面に製造装置内及び原料ボンベ内のＯ（酸素）が取り込まれ、発光効率や素子寿命に悪影響を及ぼすことが分かった。
【００１１】
そこで、ＩｎＧａＮＡｓ活性層の成長温度を高くすると、Ｎ組成が低下し、必要なＮ組成が得られなくなる場合が生じるという問題点があった。これは、Ｖ族にＮを含んだＮ系混晶半導体材料特有の問題である。
【００１３】
請求項１記載の発明は、Ｖ族にＮを含んだＮ系混晶半導体材料を活性層としＧａＡｓ基板上に形成される半導体発光素子において、発光層を、Ｎを含む混晶半導体ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、発光層と直接接するクラッド層、ガイド層あるいはバリア層を、発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成することにより、ＧａＡｓ基板上にＡｌを含まない系でヘテロ構造を作製し、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１４】
請求項２記載の発明は、発光層を、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、バリア層及びガイド層を、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成し、クラッド層を、バリア層及びガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａvＩｎ1-vＡｓwＰ1-w（０＜ｖ≦１、０≦ｗ≦１）層で形成することにより、Ａｌを含まない系で多重量子井戸を用いた素子を形成し、ＧａＩｎＮＡｓＰ層と接する層をＡｌを含まない層、すなわち、活性領域（発光層と発光層に接する層）に活性なＡｌを含まない層で形成して、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１５】
請求項３記載の発明は、発光層を、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、バリア層を、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成し、ガイド層を、発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層で形成し、クラッド層を、バリア層及びガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＡｌuＧａ1-uＡｓ（０＜ｕ≦１）層で形成することにより、ＧａＩｎＮＡｓＰ層と接する層を、Ａｌを含まない層、すなわち、活性領域（発光層と発光層に接する層）に活性なＡｌを含んでいない層とし、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を提供するとともに、キャリアと光の閉じ込め効率が良好で、閾電流密度が低く、発光効率の高い半導体発光素子を提供し、かつ、熱抵抗率の小さいＡｌＧａＡｓをクラッド層に用いることにより、素子動作時の活性領域の温度上昇を抑制して、発光効率の低下等の特性の悪化をさらに低減することのできる半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１６】
請求項２記載の発明は、発光層とバリア層とガイド層とクラッド層が積層された積層構造からなり、ＧａＡｓ基板上に形成される半導体発光素子において、発光層を、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、バリア層を、ＮとＰを含むＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＰｆＡｓ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成し、ガイド層を、発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層で形成し、クラッド層を、バリア層及びガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＩｎsＧａtＡｌ1-s-tＰ（０＜ｓ＜１、０≦ｔ＜１、０＜１−ｓ−ｔ）層で形成することにより、ＧａＩｎＮＡｓＰ層と接する層を、Ａｌを含まない層、すなわち、活性領域（発光層と発光層に接する層）に活性なＡｌを含んでいない層とし、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を提供するとともに、キャリアと光の閉じ込め効率が良好で、閾電流密度が低く、発光効率の高い半導体発光素子を提供し、かつ、ＡｌＧａＡｓ系は、わずかにＧａＡｓ基板に対し格子定数がずれるが、ＩｎＧａＡｌＰ系を用いることで、完全に格子整合させることのできる半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１７】
請求項５記載の発明は、発光層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の格子歪を有しているものとすることにより、Ｎ組成を小さくして、作製が容易で、かつ、Ｎ組成の増加に伴う結晶性の低下を抑制して、発光効率の良好な半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１８】
請求項６記載の発明は、発光層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有し、バリア層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有しているものとすることにより、ＡｌＧａＡｓをバリア層とした場合にはできなかった歪補償型の量子井戸素子とし、井戸層（発光層）の歪を補償して、適正な歪量を持つ組成に制御し、井戸層の組成の自由度を大きくしたり、井戸層の数を多くして、発光効率が高く、寿命の長い製造が容易な半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１９】
請求項７記載の発明は、発光層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有し、バリア層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有しているものとすることにより、ＡｌＧａＡｓをバリア層とした場合にはできなかった歪補償型の量子井戸素子として、井戸層（発光層）の歪を補償して、適正な歪量を持つ組成に制御し、井戸層の組成の自由度を大きくしたり、井戸層の数を多くして、発光効率が高く、寿命の長い、製造が容易な半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００２０】
請求項８記載の発明は、発光層を、Ｎを含む混晶半導体であるＧａaＩｎ1-aＮbＡｓ1-b（０＜ｂ＜１）層で形成し、該発光層のＩｎ組成（１−ａ）が、１１％より大きく、格子定数が、ＧａＡｓ基板より大きく、発光波長が、１．３μｍ帯であるものとすることにより、格子整合系に比較してＮ組成を小さくしても一定波長を形成でき、再生が容易であるとともに、Ｎ組成増加に伴う結晶性の低下を抑制して、発光効率を向上させることができ、光ファイバー通信用光源に適用することのできる半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００２１】
請求項９記載の発明は、前記クラッド層、ガイド層あるいはバリア層を、Ｐ原料供給の有無あるいはＰ原料の供給量の増減によって、そのＰ組成が発光層のＰ組成よりも大きい層に形成することにより、他のＶ族原料に比べて一般に供給量の多いＮの原料を発光層とバリア層の成長時に供給したり、供給を止めたりする必要がなくなり、例えば、気相成長のような場合には、ガスの流れの乱れが抑えられ、界面の制御を容易に行なうことができ、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を容易に製造することのできる半導体発光素子の製造方法を提供することを目的としている。
請求項１０、請求項１１記載の発明は、発光効率が高く、寿命が長い半導体発光素子の製造方法および光ファイバー通信システムを提供することを目的としている。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の半導体発光素子は、発光層とバリア層とガイド層とクラッド層が積層された積層構造からなり、ＧａＡｓ基板上に形成される半導体発光素子において、前記発光層は、Ｎを含む混晶半導体ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、前記発光層と直接接する前記クラッド層、前記ガイド層あるいは前記バリア層は、前記発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成されていることにより、上記目的を達成している。
【００２５】
上記構成によれば、Ｖ族にＮを含んだＮ系混晶半導体材料を活性層としＧａＡｓ基板上に形成される半導体発光素子において、発光層を、Ｎを含む混晶半導体ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、発光層と直接接するクラッド層、ガイド層あるいはバリア層を、発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成しているので、ＧａＡｓ基板上にＡｌを含まない系でヘテロ構造を作製することができ、半導体発光素子を発光効率が高く、寿命の長いものとすることができる。
【００２６】
請求項２記載の発明の半導体発光素子は、前記発光層は、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、前記バリア層及び前記ガイド層は、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成され、前記クラッド層は、前記バリア層及び前記ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａvＩｎ1-vＡｓwＰ1-w（０＜ｖ≦１、０≦ｗ≦１）層で形成されていることにより、上記目的を達成している。
【００２７】
上記構成によれば、発光層を、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、バリア層及びガイド層を、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成し、クラッド層を、バリア層及びガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａvＩｎ1-vＡｓwＰ1-w（０＜ｖ≦１、０≦ｗ≦１）層で形成しているので、Ａｌを含まない系で多重量子井戸を用いた素子を形成することができ、ＧａＩｎＮＡｓＰ層と接する層をＡｌを含まない層、すなわち、活性領域（発光層と発光層に接する層）に活性なＡｌを含まない層で形成することができる。したがって、半導体発光素子を発光効率が高く、寿命の長いものとすることができる。
【００２８】
請求項３記載の発明の半導体発光素子は、前記発光層は、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、前記バリア層は、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成され、前記ガイド層は、前記発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層で形成され、前記クラッド層は、前記バリア層及び前記ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＡｌuＧａ1-uＡｓ（０＜ｕ≦１）層で形成されていることにより、上記目的を達成している。
【００２９】
上記構成によれば、発光層を、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、バリア層を、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成し、ガイド層を、発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層で形成し、クラッド層を、バリア層及びガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＡｌuＧａ1-uＡｓ（０＜ｕ≦１）層で形成しているので、ＧａＩｎＮＡｓＰ層と接する層を、Ａｌを含まない層、すなわち、活性領域（発光層と発光層に接する層）に活性なＡｌを含んでいない層とすることができ、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を提供することができるとともに、キャリアと光の閉じ込め効率が良好で、閾電流密度が低く、発光効率の高い半導体発光素子を提供することができ、かつ、熱抵抗率の小さいＡｌＧａＡｓをクラッド層に用いているので、素子動作時の活性領域の温度上昇を抑制することができ、発光効率の低下等の特性の悪化をさらに低減させることができる。
【００３０】
請求項２記載の発明の半導体発光素子は、発光層とバリア層とガイド層とクラッド層が積層された積層構造からなり、ＧａＡｓ基板上に形成される半導体発光素子において、前記発光層は、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、前記バリア層は、ＮとＰを含むＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＰｆＡｓ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成され、前記ガイド層は、前記発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層で形成され、前記クラッド層は、前記バリア層及び前記ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＩｎsＧａtＡｌ1-s-tＰ（０＜ｓ＜１、０≦ｔ＜１、０＜１−ｓ−ｔ）層で形成されていることにより、上記目的を達成している。
【００３１】
上記構成によれば、発光層を、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、バリア層を、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成し、ガイド層を、発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層で形成し、クラッド層を、バリア層及びガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＩｎsＧａtＡｌ1-s-tＰ（０＜ｓ＜１、０≦ｔ＜１）層で形成しているので、ＧａＩｎＮＡｓＰ層と接する層を、Ａｌを含まない層、すなわち、活性領域（発光層と発光層に接する層）に活性なＡｌを含んでいない層とすることができ、半導体発光素子を発光効率が高く、寿命の長いものとすることができるとともに、キャリアと光の閉じ込め効率が良好で、閾電流密度が低く、発光効率の高い半導体発光素子を提供することができ、かつ、ＡｌＧａＡｓ系は、わずかにＧａＡｓ基板に対し格子定数がずれるが、ＩｎＧａＡｌＰ系を用いると、完全に格子整合させることができる。
【００３２】
請求項５記載の発明の半導体発光素子は、前記ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成された前記発光層は、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の格子歪を有していることにより、上記目的を達成している。
【００３３】
上記構成によれば、発光層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の格子歪を有しているので、Ｎ組成を小さくすることができ、作製が容易で、かつ、Ｎ組成の増加に伴う結晶性の低下を抑制することができる。したがって、発光効率をより一層向上させることができる。
【００３４】
請求項６記載の発明の半導体発光素子は、前記ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成された前記発光層は、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有し、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成された前記バリア層は、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有していることにより、上記目的を達成している。
【００３５】
上記構成によれば、発光層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有し、バリア層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有しているので、ＡｌＧａＡｓをバリア層とした場合にはできなかった歪補償型の量子井戸素子とすることができ、井戸層（発光層）の歪を補償して、適正な歪量を持つ組成に制御し、井戸層の組成の自由度を大きくしたり、井戸層の数を多くすることができる。したがって、半導体発光素子を、製造が容易で、発光効率が高く、かつ、寿命の長いものとすることができる。
【００３６】
請求項７記載の発明の半導体発光素子は、前記ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成された前記発光層は、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有し、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成された前記バリア層は、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有していることにより、上記目的を達成している。
【００３７】
上記構成によれば、発光層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有し、バリア層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有しているので、ＡｌＧａＡｓをバリア層とした場合にはできなかった歪補償型の量子井戸素子とすることができ、井戸層（発光層）の歪を補償して、適正な歪量を持つ組成に制御し、井戸層の組成の自由度を大きくしたり、井戸層の数を多くすることができる。したがって、半導体発光素子を、製造が容易で、発光効率が高く、かつ、寿命の長いものとすることができる。
【００３８】
請求項８記載の発明の半導体発光素子は、前記発光層は、Ｎを含む混晶半導体であるＧａaＩｎ1-aＮbＡｓ1-b（０＜ｂ＜１）層で形成され、該発光層のＩｎ組成（１−ａ）が、１１％より大きく、格子定数が、ＧａＡｓ基板より大きく、発光波長が、１．３μｍ帯であるものとすることにより、上記目的を達成している。
【００３９】
上記構成によれば、発光層を、Ｎを含む混晶半導体であるＧａaＩｎ1-aＮbＡｓ1-b（０＜ｂ＜１）層で形成し、該発光層のＩｎ組成（１−ａ）が、１１％より大きく、格子定数が、ＧａＡｓ基板より大きく、発光波長が、１．３μｍ帯であるものとしているので、格子整合系に比較してＮ組成を小さくしても一定波長を形成でき、半導体発光素子を、再生が容易であるとともに、Ｎ組成増加に伴う結晶性の低下を抑制して、発光効率が良好で、光ファイバー通信用光源に適用することができるものとすることができる。
【００４０】
請求項９記載の発明の半導体発光素子の製造方法は、前記請求項１から請求項９記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記クラッド層、前記ガイド層あるいは前記バリア層を、Ｐ原料供給の有無あるいはＰ原料の供給量の増減により、そのＰ組成が前記発光層のＰ組成よりも大きい層に形成することにより、上記目的を達成している。
【００４１】
上記構成によれば、前記クラッド層、ガイド層あるいはバリア層を、Ｐ原料供給の有無あるいはＰ原料の供給量の増減によって、そのＰ組成が発光層のＰ組成よりも大きい層に形成しているので、他のＶ族原料に比べて一般に供給量の多いＮの原料を発光層とバリア層の成長時に供給したり、供給を止めたりする必要がなくなり、例えば、気相成長のような場合には、ガスの流れの乱れを抑えることができ、界面の制御を容易に行なうことができる。したがって、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を容易に製造することができる。
また、請求項１０記載の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、Ｎを含む半導体層は、Ｎの原料として有機系窒素化合物を用いた減圧ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により結晶成長されることを特徴としている。
また、請求項１１記載の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体発光素子を用いたことを特徴とする光ファイバー通信システムである。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００４３】
図１〜図３は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第１の実施の形態を示す図である。
【００４４】
図１は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第１の実施の形態を適用した半導体発光素子１の正面断面図である。
【００４５】
図１において、半導体発光素子１は、ｎ型ＧａＡｓ層で形成された被成長基板２上にクラッド層３、活性層４、クラッド層５及びキャップ層６が順次積層されており、Ｖ族にＮを含んでＮ系混晶半導体材料であるＩｎＧａＮＡｓ層をＧａＡｓ基板２上に形成したものである。
【００４６】
クラッド層３は、ＧａＡｓである被成長基板２に格子整合しバンドギャップエネルギーが１．５３ｅＶであるＩｎＧａＡｓＰを用いた構造（ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層）となっており、Ａｌを含まない材料である。
【００４７】
発光層である活性層４は、クラッド層３上に形成され、ＩｎＧａＮＡｓ層、すなわち、Ｎを含む混晶半導体であるＧａaＩｎ1-aＮbＡｓ1-b（０＜ｂ＜１）層で形成されている。
【００４８】
クラッド層５は、活性層４上に形成され、ＩｎＧａＡｓＰを用いた構造（ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層）となっている。キャップ層６は、ｐ+ 型ＧａＡｓ層で形成されている。
【００４９】
次に、この半導体発光素子１の製造方法について、図２に基づいて説明する。図２は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ）装置１０の反応室部分の概略構成図であり、ＭＯＣＶＤ装置１０は、横型炉である。なお、ＭＯＣＶＤ装置１０としては、横型炉に限るものではなく、縦型炉であってもよい。
【００５０】
ＭＯＣＶＤ装置１０は、内部に反応室１１を有する石英反応管１２の周囲に冷却管１３が配設されており、石英反応管１２には、反応室１１に原料ガスとキャリアガスを供給するためのガス供給口１４が形成されている。また、石英反応管１２には、図示しない排気装置に接続されて、反応室１１内のガスを排気する排気管１５が接続されている。石英反応管１２の反応室１１内には、カーボンサセプター１６が配設されており、カーボンサセプター１６は、高周波加熱コイル１７により加熱される。高周波加熱コイル１７により加熱されるカーボンサセプター１６の温度は、熱電対１８により検出される。カーボンサセプター１６上には、上記被成長基板２がセットされる。
【００５１】
このＭＯＣＶＤ装置１０を使用して半導体発光素子１を製造するには、カーボンサセプター１６に被成長基板２としてＧａＡｓ基板をセットし、図示しない排気装置により反応室１１内の圧力を１．３×１０4 Ｐａに減圧する。そして、熱電対１８により温度検出を行いつつ、高周波加熱コイル１７によりカーボンサセプター１６を加熱して、被成長基板２であるＧａＡｓ基板を所定温度に加熱制御し、原料ガスとキャリアガスを同時にガス供給口１４から反応室１１内に供給することにより、被成長基板２であるＧａＡｓ基板上に順次クラッド層３、活性層４、クラッド層５及びキャップ層６を積層する。
【００５２】
まず、上記ＭＯＣＶＤ装置１０を用いて被成長基板２であるＧａＡｓ層上にＩｎＧａＮＡｓ層を形成する場合について説明する。
【００５３】
原料ガスとしては、III 族原料として、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、あるいは、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）を、Ａｓの原料として、ＡｓＨ3 （アルシン）を、Ｎの原料として、有機系窒素化合物であるＤＭＨｙ（ヂメチルヒドラジン）、ＭＭＨｙ（モノメチルヒドラジン）、あるいは、ＴＢＡ（ターシャリブチルアミン）等を使用し、キャリアガスとしては、Ｈ2 を使用する。
【００５４】
上記条件で原料ガスとキャリアガスを同時にガス供給口１４から反応室１１内に供給すると、原料ガスの熱分解とＧａＡｓ層である被成長基板２の表面反応により、結晶成長し、成膜される。
【００５５】
そして、原料材料としてのＴＭＧ：４．０×１０-6ｍｏｌ／ｍｉｎ〜４．０×１０-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩ：４．４×１０-7ｍｏｌ／ｍｉｎ〜４．４×１０-6ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＡｓＨ3 ：６．０×１０-5ｍｏｌ／ｍｉｎ（０．４ｓｃｃｍ）〜２．２×１０-3ｍｏｌ／ｍｉｎ（４６．４ｓｃｃｍ）、ＤＭＨｙ：５．０×１０-4ｍｏｌ／ｍｉｎに、キャリアガスであるＨ2 を加えて、トータルで６ｌ／ｍｉｎを供給し、ＡｓＨ3 の分圧を、０．９〜１０２Ｐａ、成長温度を、４５０℃〜７００℃とする。
【００５６】
具体的には、例えば、ＴＭＧ：２．０×１０-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩ：２．２×１０-6ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＡｓＨ3 ：３．３×１０-4ｍｏｌ／ｍｉｎ（７ｓｃｃｍ）、ＤＭＨｙ：６．４×１０-3ｍｏｌ／ｍｉｎを原材料ガスとして使用し、ＡｓＨ3 分圧が、１５．４Ｐａで、成長温度を、６３０℃としたとき、成長速度、１．７μｍ／ｈで、ＧａＡｓ層である被成長基板２上に、Ｉｎ0.11Ｇａ0.89Ｎ0.04Ａｓ0.96層が形成された。
【００５７】
この作製したＩｎ0.11Ｇａ0.89Ｎ0.04Ａｓ0.96層を用いて積層構造として形成した半導体発光素子１は、ＧａＡｓである被成長基板２に格子整合しており、Ａｒレーザー（４４８ｎｍ）を励起光源、Ｇｅ−フォトダイオードを受光器として、この半導体発光素子１について、室温でＰＬ（フォトルミネッセンス）測定を行ったところ、中心波長は、約１．３μｍであった。この波長帯は、光通信分野に応用することができる。
【００５８】
また、ＴＭＩを減らし、ＡｓＨ3 を増やして成長したところ、Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ0.02Ａｓ0.98層が形成された。この層もＧａＡｓ基板に格子整合しており、ＰＬ中心波長は、約１．１７μｍであった。このようなＩｎＧａＮＡｓ層の発光波長は、Ｉｎ及びＮの組成を大きくすることで長波長化することができる。
【００５９】
すなわち、一般に、ＧａＡｓにＩｎを添加すると、格子定数が、大きくなり、バンドギャップエネルギーが、小さくなる効果がある。これに対して、ＧａＡｓにＮを添加すると、格子定数が、小さくなり、バンドギャップエネルギーが、同様に小さくなる効果がある。すなわち、ＩｎxＧａ1-xＡｓにＮを添加すると、バンドギャップエネルギーが、ＩｎxＧａ1-xＡｓより小さくなり、さらに格子定数がＧａＡｓと一致する条件が存在する。このようにＩｎＧａＮＡｓ層は、ＧａＡｓ基板に格子整合可能であるので、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーに対応する約８７０ｎｍ（室温）の発光波長より長波長の発光素子を、従来からあるＧａＡｓに格子整合せずＧａＡｓよりも格子定数が大きいＩｎＧａＡｓを発光層に用いた場合に比べて、容易に、かつ、高品質に形成でき、しかも、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯のより長波長の素子を形成することも可能となる。
【００６０】
そこで、上記ＭＯＣＶＤ装置１０を使用して、ＧａＡｓ層である被成長基板２に格子整合しているＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ0.02Ａｓ0.98層を用いて、上記図１に示した積層構造の半導体発光素子１を形成した。この場合、上述のように、クラッド層３、５には、ＧａＡｓ層である被成長基板２に格子整合しバンドキャップエネルギーが、１．３５ｅＶであるＩｎＧａＡｓＰ層を用いており、Ａｌを含まない材料で形成されている。
【００６１】
上記半導体発光素子１のウエハを用いて、ストライプ幅が５μｍで、素子長が２００μｍの絶縁膜ストライプ構造のデバイスを作製し、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）動作をテストしたところ、適切なＬＥＤ動作を得た。このときの発光スペクトルは、動作電流が、５０ｍＡで、図３に示すように、中心波長が１１７６ｎｍであり、ＰＬスペクトルを反映したスペクトルとなっている。
【００６２】
このように、本実施の形態の半導体発光素子１は、発光層４であるＩｎＧａＮＡｓ活性層と接するクラッド層３、５が、Ａｌを含んでいない、すなわち、活性領域（発光層４と発光層４に接するクラッド層３、５）に活性なＡｌが含まれていないので、Ｎを含む混晶半導体に適した低い成長温度においても、Ａｌを含んだ層の成長表面に形成されやすかった製造装置内及び原料ボンベ内のＯ（酸素）がＧａＡｓ層である被成長基板２の表面に取り込まれて発生する劣化の起源となる非発光再結合センターを低減させることができる。したがって、発光効率が高く、寿命の長いＮ系Ｖ族混晶半導体発光素子１を容易に製造することができる。
【００６３】
なお、上記実施の形態においては、ＩｎＧａＮＡｓ活性層である発光層４が、被成長基板２としてのＧａＡｓ層に格子整合している場合について説明したが、ＩｎＧａＮＡｓ活性層４は、ＧａＡｓ層である被成長基板２に完全に格子整合していなくてもよく、歪を持っていても臨界膜厚以内の厚さであればよい。
【００６４】
また、本実施の形態においては、Ｎ系Ｖ族混晶半導体としてＩｎＧａＮＡｓを使用した場合について説明したが、Ｎ系Ｖ族混晶半導体としては、上記のものに限るものではなく、例えば、Ｐを含んだＩｎＧａＮＡｓＰ等の他の混晶半導体についても同様に適用することができる。
【００６５】
さらに、クラッド層３、５としては、活性層である発光層４よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａdＩｎ1-dＮeＡｓfＰ1-e-f 層（０≦ｄ≦１、０≦ｅ＜１、０≦ｆ≦１）を用いることができ、この場合にも、同様の効果を得ることができる。
【００６６】
また、光通信に用いられる１．３μｍ帯（１．２５〜１．３５μｍ）の波長の半導体発光素子１は、ＧａＡｓである被成長基板２に格子整合する材料では、発光層４の組成を、ほぼＩｎ0.11Ｇａ0.89Ｎ0.04Ａｓ0.96とすることで得ることができる。
【００６７】
図４は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第２の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、ＧａＡｓ基板に格子整合しているＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ0.05Ａｓ0.95活性層（井戸層）を用いて積層構造を形成したものである。
【００６８】
図４は、半導体発光素子２０の積層構造を示した正面断面図であり、半導体発光素子２０は、ｎ型ＧａＡｓ層である被成長基板２１上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたクラッド層２２、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層２３、ＩｎＧａＮＡｓ層で形成された井戸層２４、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層２５、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたクラッド層２６及びｐ+ 型ＧａＡｓ層で形成されたキャップ層２７が順次積層されている。
【００６９】
発光層である井戸層２４は、ＧａＡｓ層である被成長基板２１に格子整合しているＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ0.05Ａｓ0.95層で形成されている。
【００７０】
半導体発光素子２０は、ガイド層（光導波層）２３、２５には、ＧａＡｓ層である被成長基板２１に格子整合しバンドギャップエネルギーが１．５３ｅＶであるＩｎＧａＡｓＰを用い、クラッド層２２、２６には、ＧａＡｓ層である被成長基板２１に格子整合しバンドギャップエネルギーが１．８５ｅＶであるＩｎＧａＡｓＰを用いたＳＣＨ−ＳＱＷ構造（Separate Confinement Hetero-Structure-Single Quantum Well 構造）となっている。
【００７１】
本実施の形態の半導体発光素子２０は、上述のように、発光層である井戸層（活性層）２４と接する層（ガイド層２３、２５）が、Ａｌを含んでいない、すなわち、活性領域である発光層２４とガイド層２３、２５に活性なＡｌを含んでいないので、Ｎを含む混晶半導体に適した低い成長温度においても、Ａｌを含んだ層の成長表面に形成されやすかった製造装置内及び原料ボンベ内のＯ（酸素）が基板表面に取り込まれて発生する劣化の起源となるような非発光再結合センターを、低減させることができ、半導体発光素子２０を、発光効率が高く、寿命の長いものとすることができる。
【００７２】
この半導体発光素子２０の発光波長を測定したところ、発光波長は、約１．３μｍであった。この場合、井戸層２４のＩｎ組成を１１％よりも大きくすることで、バルクの発光波長は、１．３μｍより長波長となるが、井戸層（発光層）２４の膜厚を、例えば、２０ｎｍ以下とし、量子効果を利用することで、波長を、１．３μｍに制御することができる。
【００７３】
なお、本実施の形態においては、ＩｎＧａＮＡｓ層である井戸層（活性層）２４を、Ｉｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ0.05Ａｓ0.95層としているが、ＩｎＧａＮＡｓ層である活性層２４としては、他の組成であってもよい。
【００７４】
また、井戸層（活性層）２４は、ＧａＡｓ層である被成長基板２１に格子整合しているが、完全に格子整合していなくともよく、歪を持っていても臨界膜厚以内の厚さであればよい。
【００７５】
さらに、本実施の形態においては、Ｎ系Ｖ族混晶半導体として、ＩｎＧａＮＡｓを用いた場合について説明しているが、Ｎ系Ｖ族混晶半導体としては、Ｐを含んだＩｎＧａＮＡｓＰ等他の混晶半導体であっても、同様に適用することができる。
【００７６】
また、ガイド層２３、２５としては、ＧａＡｓ層である被成長基板２１に格子整合可能な組成、あるいは、格子整合しておらず歪を持っていても臨界膜厚以内の厚さのＧａdＩｎ1-dＮeＡｓfＰ1-e-f層 （０≦ｄ≦１、０≦ｅ＜１、０≦ｆ≦１）であっても、同様に適用することができる。
【００７７】
さらに、半導体発光素子２０は、クラッド層２２、２６にＡｌを含んでいないので、ガイド層２３、２５には、Ｎを含んでいてもよい。この場合、ガイド層２３、２５は、クラッド層２２、２６よりもバンドギャップエネルギーの小さい材料である必要がある。
【００７８】
また、本実施の形態では、ＳＱＷ構造としているが、井戸層を複数層用いた多重量子井戸構造を用いてもよい。この場合、ガイド層には、クラッド層よりバンドギャップエネルギーの小さいＧａdＩｎ1-dＮeＡｓfＰ1-e-f 層（０≦ｄ≦１、０≦ｅ＜１、０≦ｆ≦１）を用いることができる。
【００７９】
図５は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第３の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、ＧａＡｓ基板に格子整合しているＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ0.05Ａｓ0.95活性層を用いて積層構造を形成したものである。
【００８０】
図５は、半導体発光素子３０の積層構造を示した正面断面図であり、半導体発光素子３０は、ｎ型ＧａＡｓ層である被成長基板３１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層で形成されたクラッド層３２、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層３３、ＩｎＧａＮＡｓ層で形成された井戸層（発光層）３４、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層３５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層で形成されたクラッド層３６及びｐ+ 型ＧａＡｓ層で形成されたキャップ層３７が順次積層されている。そして、井戸層３４は、ＧａＡｓである被成長基板３１に格子整合しているＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ0.05Ａｓ0.95層により形成されている。
【００８１】
すなわち、半導体発光素子３０は、ＧａＡｓ層である被成長基板３１に格子整合しバンドギャップエネルギーが１．５３ｅＶのＩｎＧａＡｓＰ層をガイド層３３、３５とし、Ａｌ組成０．８のＡｌＧａＡｓ層をクラッド層３２、３６としたＳＣＨ−ＳＱＷ構造となっている。
【００８２】
上記半導体発光素子３０は、発光層であるＩｎＧａＮＡｓ層で形成された井戸層３４にＡｌＧａＡｓ層で形成されたクラッド層３２、３６が直接接していない、すなわち、活性領域（発光層３４とガイド層３３、３５）が活性なＡｌを含んでいないので、Ｎを含む混晶半導体に適した低い成長温度においても、Ａｌを含んだ層の成長表面に形成されやすかった製造装置及び原料ボンベ内のＯ（酸素）が基板表面に取り込まれて発生する劣化の起源となるような非発光再結合センターを、低減させることができる。したがって、発光効率が高く、寿命の長いＧａＡｓ基板格子整合系長波長半導体レーザーを形成することができる。
【００８３】
この半導体発光素子３０の発光波長を測定したところ、発光波長は、約１．３μｍであった。
【００８４】
本実施の形態においては、半導体発光素子３０は、ＡｌＧａＡｓ層をクラッド層３２、３６に用いている。ここで、例えば、ＩｎＧａＰをクラッド層に用いた場合と比較すると、ＡｌＧａＡｓの熱抵抗率は、ＩｎＧａＰの熱抵抗率の約１／２倍である。クラッド層の厚さは、一般的に、１．５μｍ程度は必要であり、熱抵抗率の小さい材料の方が電流注入時の活性領域の温度上昇が小さいので、効率の低下等の問題を抑えられるので好ましい。このような観点から本実施の形態の素子においては、ＡｌＧａＡｓをクラッド層３２、３６に用いた。
【００８５】
このように膜厚の薄いＩｎＧａＡｓＰであるガイド層３３、３５の外側に熱抵抗率が低く屈折率が低くバンドギャップエネルギーが大きいＡｌＧａＡｓ層をクラッド層３２、３６に用いているので、キャリアと光の閉じ込め効率がさらに向上して、しきい電流密度が下がり、発光効率も高くなった。このように素子寿命が長く、しきい電流密度が低く、発光効率が高いＧａＡｓ基板格子整合系長波長半導体レーザーである半導体発光素子３０を形成できた。
【００８６】
なお、ＩｎＧａＮＡｓ層である井戸層（活性層）３４は、他の組成でもよく、また、ＧａＡｓ層である被成長基板３１に完全に格子整合していなくともよく、歪を持っていても臨界膜厚以内の厚さならかまわない。また、本実施の形態においては、Ｎ系Ｖ族混晶半導体としてＩｎＧａＮＡｓの場合について説明したが、Ｐを含んだＩｎＧａＮＡｓＰ等の他の混晶半導体についても適用できる。
【００８７】
さらに、ガイド層３３、３５は、ＧａＡｓ層である被成長基板３１に格子整合可能な組成、もしくは、格子整合していなくても歪を持っていても臨界膜厚以内の厚さであるＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-y（０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１）であればかまわない。また、ＡｌＧａＡｓ層であるクラッド層３２、３５のＡｌ組成は、ガイド層３３、３５よりも伝導帯のエネルギーが大きければ、他の組成であってもよい。
【００８８】
図６は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第４の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、クラッド層として、ＧａＡｓ層である被成長基板に格子整合しているＩｎＧａＡｌＰ層を用いたものである。
【００８９】
図６において、半導体発光素子４０は、ｎ型ＧａＡｓで形成された被成長基板４１上に、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ層で形成されたクラッド層４２、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層４３、ＩｎＧａＮＡｓ層で形成された井戸層４４、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層４５、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰ層で形成されたクラッド層４６及びｐ+ 型ＧａＡｓ（キャップ層）４７が順次積層されている。
【００９０】
半導体発光素子４０は、クラッド層４２、４６が、ＧａＡｓ層で形成された被成長基板４１に格子整合しているＩｎＧａＡｌＰ層により形成されている。ＩｎＧａＡｌＰ系は、ＡｌＧａＡｓ系よりも大きなバンドギャップエネルギーとなる組成が存在しており、キャリア及び光閉じ込め効率を高くすることができる。さらに、ＡｌＧａＡｓ系は、ＧａＡｓ層である被成長基板４１に対して、格子定数がわずかにずれるが、ＩｎＧａＡｌＰ系は、完全に格子整合させることができるというメリットがある。
【００９１】
したがって、発光効率が高く、寿命の長いＧａＡｓ基板格子整合系長波長半導体レーザーである半導体発光素子４０を形成することができる。
【００９２】
図７は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第５の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、ＩｎＧａＮＡｓ活性層がＧａＡｓ基板に完全には格子整合せず臨界膜厚以内の厚さで歪を有しているものである。
【００９３】
図７において、半導体発光素子５０は、ｎ型ＧａＡｓで形成された被成長基板５１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層で形成されたクラッド層５２、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層５３、ＩｎＧａＮＡｓ層で形成された井戸層（圧縮層）５４、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層５５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層で形成されたクラッド層５６及びｐ+ 型ＧａＡｓで形成されたキャップ層５７が順次積層されている。
【００９４】
半導体発光素子５０は、そのＩｎＧａＮＡｓ層で形成された井戸層５４が、第３の実施の形態の半導体発光素子３０のＩｎＧａＮＡｓ層で形成された井戸層３４に比較して、Ｉｎ組成が大きく、格子定数がＧａＡｓ層である被成長基板５１よりも大きく、圧縮歪を有している。また、この半導体発光素子５０の発光波長を測定したところ、発光波長は、約１．３μｍであった。第３の実施の形態のように格子整合する材料で量子効果を利用するためには、波長１．３μｍの場合、Ｉｎ組成を１１％より大きく、Ｎ組成を、４％より大きくすることにより、可能である。
【００９５】
ところが、Ｎは、成長中の基板表面から離脱しやすく、Ｎ組成の大きいＮ系Ｖ族混晶半導体を得ることが難しい。また、本出願の発明者の実験によると、Ｎ組成が大きくなると、ＰＬ（フォトルミネッセンス）強度が弱くなり、結晶性の悪化が確認された。したがって、波長が長くなるほど作製しにくいのが現状である。
【００９６】
ところが、同じＮ組成のＩｎＧａＮＡｓでは、Ｉｎの組成が大きい方が格子定数が大きくなり、発光波長が、長波長になる。そこで、この性質を利用すると、例えば、波長１．３μｍでＧａＡｓ層で形成された被成長基板５１に格子整合させるためには、Ｉｎ0.11Ｇａ0.89Ｎ0.04Ａｓ0.96である必要があるが、Ｉｎ組成を１１％より大きくすると、Ｎ組成が４％より小さい条件で、波長１．３μｍを得ることができるようになる。この場合、格子定数は、ＧａＡｓ層である被成長基板５１よりも大きくなる。このように格子定数をＧａＡｓ層である被成長基板５１よりも大きくすると、格子整合条件に比べて小さいＮ組成で目的の波長を得ることができるので、作製を容易にすることができ、さらに、発光効率を高くすることができる。
【００９７】
そこで、本実施の形態の半導体発光素子５０では、Ｉｎの組成を１１％よりも大きくし、ＩｎＧａＮＡｓ層である井戸層（活性層）５４の格子定数をＧａＡｓ層である被成長基板５１より大きくしているので、小さいＮ組成で形成することができ、半導体発光素子５０の作製を容易なものとすることができるとともに、発光効率を高くすることができる。また、本実施の形態の半導体発光素子５０は、歪量子井戸の効果による閾電流密度が低下する効果もある。このため、光ファイバー通信用光源として有効である。もちろんＩｎＧａＮＡｓ層は、他の波長に設定することもできる。
【００９８】
図８は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第６の実施の形態を適用した半導体発光素子を示す図であり、本実施の形態は、ＩｎＧａＮＡｓ活性層がＧａＡｓ基板に完全には格子整合せずに臨界膜厚以内の厚さで歪を持っているものである。
【００９９】
図８は、本実施の形態の半導体発光素子６０の正面断面図であり、図８において、半導体発光素子６０は、ｎ型ＧａＡｓ層で形成された被成長基板６１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層で形成されたクラッド層６２、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層６３、歪補償型ＭＱＷ（多重量子井戸）構造層６４、ＩｎＧａＡｓＰで形成されたガイド層６５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層で形成されたクラッド層６６及びｐ+ 型ＧａＡｓ層で形成されたキャップ層６７が順次積層されている。
【０１００】
半導体発光素子６０は、上記第５の実施の形態と以下の点で異なる。すなわち、半導体発光素子６０は、その活性領域が歪補償型ＭＱＷ（多重量子井戸）構造層６４で形成されており、ＭＱＷ構造層６４のＩｎＧａＮＡｓ井戸層の格子定数が、ＧａＡｓで形成された被成長基板６１よりも大きな圧縮歪を有し、さらに、ＭＱＷ構造層６４のＩｎＧａＡｓＰバリア層の格子定数が、ＧａＡｓで形成された被成長基板６１よりも小さな引っ張り歪を有している。
【０１０１】
上記ＭＱＷ構造層６４のＩｎＧａＮＡｓＰ系井戸層とＩｎＧａＡｓＰ系バリア層は、ともに組成を変えることで、同じバンドギャップエネルギーを有した条件で格子定数をＧａＡｓの被成長基板６１よりも大きくしたり、小さくしたり変えることが可能な材料系である。これは、ＡｌＧａＡｓ系バリア層ではできない。すなわち、ＡｌＧａＡｓ系バリア層を用いた場合に比べて、ＩｎＧａＡｓＰ系バリア層を用いることで、ＩｎＧａＮＡｓＰ系井戸層の歪を補償することが可能となり、適正な歪量を持つ組成に制御することで、井戸層の組成の自由度を大きくしたり、井戸層の数を多くすることができる。
【０１０２】
なお、本実施の形態では、ＭＱＷ構造６４のＩｎＧａＮＡｓ井戸層を圧縮層、ＩｎＧａＡｓＰバリア層を引っ張り歪層としているが、ＩｎＧａＮＡｓ井戸層を引っ張り歪層、ＩｎＧａＡｓＰバリア層を圧縮歪層としても、同様に適正な歪量を持つ組成に制御することで、歪量子井戸の効果を得ることができる。
【０１０３】
図９は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第７の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、ＧａＩｎＮＡｓ層を井戸層とし、ＧａＩｎＮＡｓＰをバリア層とした歪補償型ＭＱＷ（多重量子井戸）構造を用いたものに適用したものである。
【０１０４】
図９は、本実施の形態の半導体発光素子７０の正面断面図であり、図９において、半導体発光素子７０は、ｎ型ＧａＡｓ層で形成された被成長基板７１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層で形成されたクラッド層７２、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層７３、歪補償型ＭＱＷ（多重量子井戸）構造層７４、ＩｎＧａＡｓＰで形成されたガイド層７５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層で形成されたクラッド層７６及びｐ+ 型ＧａＡｓ層で形成されたキャップ層７７が順次積層されている。
【０１０５】
半導体発光素子７０は、その歪補償型ＭＱＷ（多重量子井戸）構造層７４のＩｎＧａＮＡｓ井戸層の格子定数が、ＧａＡｓ層である被成長基板７１よりも大きな圧縮歪を有しており、さらに、ＭＱＷ構造層７４のＩｎＧａＮＡｓＰバリア層の格子定数が、ＧａＡｓ層である被成長基板７１よりも小さな引っ張り歪を有している。また、半導体発光素子７０は、クラッド層７２、７６に、ＡｌＧａＡｓ層を用いており、Ａｌを含んだ層とＮを含んだ層が直接接しない構造となっている。
【０１０６】
したがって、本実施の形態の半導体発光素子７０においても、歪補償型ＭＱＷ（多重量子井戸）構造を用いた効果を得ることができる。
【０１０７】
本実施の形態においては、ＩｎＧａＮＡｓＰバリア層の成長条件は、ＭＱＷ構造層７４のＩｎＧａＮＡｓ井戸層の成長条件に対してＰの原料（本実施の形態では、ＰＨ3 ）を添加したものであり、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎ、Ａｓの原料の供給量は変えていない。
【０１０８】
一般に、ＩｎＧａＮＡｓに対してＰを添加すると、バンドギャップエネルギーは大きくなり、格子定数は小さくなる効果がある。そして、本実施の形態の半導体発光素子７０のＭＱＷ構造層７４のＩｎＧａＮＡｓ井戸層の格子定数が、ＧａＡｓ層である被成長基板７１より大きい場合、Ｐの添加量を制御することによって格子定数をＧａＡｓ層である被成長基板７１に格子整合させたり、ＧａＡｓ層である被成長基板７１より小さくしたりすることができる。
【０１０９】
また、本実施の形態の半導体発光素子７０のＭＱＷ構造層７４は、井戸層とバリア層の両方にＮを含んでいるので、他のＶ族原料に比べ、一般に供給量の多いＮの原料を井戸層とバリア層の成長時に、オン／オフ（被成長基板７１に供給する、しない）する必要がなくなるので、界面の制御を容易に行うことができる。
【０１１０】
なお、本実施の形態では、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎ、Ａｓの原料の供給量を、変えないで作製したが、変えても、同様に適用することができる。
【０１１１】
また、本実施の形態においては、ＭＱＷ構造層７４の井戸層にＰを含んでいない場合について説明したが、井戸層にＰを含んでいてもバリア層のＰ組成をさらに大きくする等の方法により、バリア層のバンドギャップエネルギーの方を大きくすることにより、適用することができる。
【０１１２】
図１０は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第８の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、０．８μｍ帯等の固体レーザ励起用などの高出力半導体レーザに適用したものである。
【０１１３】
図１０は、本実施の形態の半導体発光素子８０の正面断面図であり、図１０において、半導体発光素子８０は、ｎ型ＧａＡｓ層で形成された被成長基板８１、ｎ型ＩｎＧａＰ層で形成されたクラッド層８２、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層８３、ＩｎＧａＮＡｓＰ層で形成された井戸層（活性層）８４、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層８５、ｐ型ＩｎＧａＰ層で形成されたクラッド層８６及びｐ+ 型ＧａＡｓ層で形成されたキャップ層８７が順次積層されている。
【０１１４】
すなわち、半導体発光素子８０は、その活性層（井戸層）８４として、バンドギャップエネルギーが、１．５４ｅＶであるＩｎＧａＮＡｓＰ層を、ガイド層（光導波層）８３、８５として、ＧａＡｓ層である被成長基板８１に格子整合しバンドギャップエネルギーが１．８３ｅＶであるＩｎＧａＡｓＰ層を、そして、クラッド層８２、８６として、ＧａＡｓ層である被成長基板８１に格子整合しバンドギャップエネルギーが１．９１ｅＶであるＩｎＧａＰを用いたＳＣＨ−ＳＱＷ構造となっている。そして、この半導体発光素子８０の発振波長は、約０．８１μｍである。
【０１１５】
従来、０．８μｍ帯等の固体レーザ励起用等の高出力半導体レーザにおいては、活性層に接するクラッド層やガイド層には、ＡｌＧａＡｓが多く用いられているが、光学損傷が生じやすく、信頼性に問題があった。そこで、従来、ＩｎＧａＡｓＰ系材料によりＡｌフリーの材料系が試作されているが、ＩｎＧａＡｓＰ系材料は、ＡｌＧａＡｓ系材料に比べて、伝導帯のバンドオフセットが小さいため、活性層からのキャリアリークが大きくなり、信頼性は良好であるが、高出力半導体レーザとしては、他の素子特性が十分ではなかった。
【０１１６】
このような従来の高出力半導体レーザに対して、本実施の形態の半導体発光素子８０は、活性層（井戸層）８４がＩｎＧａＮＡｓＰで形成され、Ｎが添加されたものとなっている。このように、Ｎを添加すると、バンドギャップを小さくすることができるとともに、伝導帯及び価電子帯のエネルギーを小さくすることができる。したがって、ＩｎＧａＡｓ系材料をクラッド層８２、８６やガイド層８３、８５に用いても、伝導帯のバンドオフセットが大きくなり、活性層８４からのキャリアリークが小さくなる。その結果、閾値電流密度が低くなり、高温特性等を良好なものとすることができる。
【０１１７】
また、半導体発光素子８０は、発光層８４であるＩｎＧａＮＡｓＰ層と接する層には、Ａｌを含んでいない、すなわち、活性領域（発光層８４とガイド層８３、８５）に活性なＡｌを含んでいないので、Ｎを含む混晶半導体に適した低い成長温度においても、Ａｌを含んだ層の成長表面に形成されやすかった製造装置内及び原料ボンベ内のＯ（酸素）が基板表面に取り込まれて発生する劣化の起源となるような非発光再結合センターを低減させることができる。したがって、信頼性が高く、かつ、他の素子特性も良好な高出力半導体レーザである高出力な半導体発光素子８０を容易に製造することができる。
【０１１８】
なお、本実施の形態においては、活性層８４としてＩｎＧａＮＡｓＰ層を用いているが、他の組成であってもよい。
【０１１９】
また、ＩｎＧａＮＡｓＰ層である活性層８４が、被成長基板８１としてのＧａＡｓ層に完全に格子接合している場合について説明したが、ＧａＡｓ層である被成長基板８１に完全には格子整合していなくてもよく、歪みを持っていても、臨界膜厚以内の厚さであればよい。
【０１２０】
さらに、ガイド層８３、８５としては、ＧａＡｓ層である被成長基板８１に格子整合可能な組成、あるいは、格子整合せずに、歪みを持っていても、臨界膜厚以内の厚さ、すなわち、ＧａdＩｎ1-dＮeＡｓfＰ1-e-f層 （０≦ｄ≦１、０≦ｅ＜１、０≦ｆ≦１）であっても、同様に適用することができる。
【０１２１】
また、半導体発光素子８０は、クラッド層８２、８６にＡｌを含んでいないので、ガイド層８３、８５には、Ｎを含んでいてもよい。この場合、ガイド層８３、８５は、クラッド層８２、８６よりもバンドギャップエネルギーの小さい材料である必要がある。
【０１２２】
さらに、本実施の形態では、ＳＱＷ構造としているが、井戸層を複数層用いた多重量子井戸構造を用いてもよい。この場合、バリア層には、クラッド層よりバンドギャップエネルギーの小さいＧａdＩｎ1-dＮeＡｓfＰ1-e-f 層（０≦ｄ≦１、０≦ｅ＜１、０≦ｆ≦１）を用いることができる。
【０１２３】
以上、本発明者によってなされた発明を好適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【０１２４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の半導体発光素子によれば、Ｖ族にＮを含んだＮ系混晶半導体材料を活性層としＧａＡｓ基板上に形成される半導体発光素子において、発光層を、Ｎを含む混晶半導体Ｇａ a Ｉｎ 1-a Ｎ b Ａｓ c Ｐ 1-b-c （０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、発光層と直接接するクラッド層、ガイド層あるいはバリア層を、発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成しているので、ＧａＡｓ基板上にＡｌを含まない系でヘテロ構造を作製することができ、半導体発光素子を発光効率が高く、寿命の長いものとすることができる。
【０１２６】
請求項２記載の発明の半導体発光素子によれば、発光層を、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、バリア層及びガイド層を、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成し、クラッド層を、バリア層及びガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａvＩｎ1-vＡｓwＰ1-w（０＜ｖ≦１、０≦ｗ≦１）層で形成しているので、Ａｌを含まない系で多重量子井戸を用いた素子を形成することができ、ＧａＩｎＮＡｓＰ層と接する層をＡｌを含まない層、すなわち、活性領域（発光層と発光層に接する層）に活性なＡｌを含まない層で形成することができる。したがって、半導体発光素子を発光効率が高く、寿命の長いものとすることができる。
【０１２７】
請求項３記載の発明の半導体発光素子によれば、発光層を、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、バリア層を、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成し、ガイド層を、発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層で形成し、クラッド層を、バリア層及びガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＡｌuＧａ1-uＡｓ（０＜ｕ≦１）層で形成しているので、ＧａＩｎＮＡｓＰ層と接する層を、Ａｌを含まない層、すなわち、活性領域（発光層と発光層に接する層）に活性なＡｌを含んでいない層とすることができ、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を提供することができるとともに、キャリアと光の閉じ込め効率が良好で、閾電流密度が低く、発光効率の高い半導体発光素子を提供することができ、かつ、熱抵抗率の小さいＡｌＧａＡｓをクラッド層に用いているので、素子動作時の活性領域の温度上昇を抑制することができ、発光効率の低下等の特性の悪化をさらに低減させることができる。
【０１２８】
請求項２記載の発明の半導体発光素子によれば、発光層とバリア層とガイド層とクラッド層が積層された積層構造からなり、ＧａＡｓ基板上に形成される半導体発光素子において、発光層を、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、バリア層を、ＮとＰを含むＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＰｆＡｓ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成し、ガイド層を、発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層で形成し、クラッド層を、バリア層及びガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＩｎsＧａtＡｌ1-s-tＰ（０＜ｓ＜１、０≦ｔ＜１、０＜１−ｓ−ｔ）層で形成しているので、ＧａＩｎＮＡｓＰ層と接する層を、Ａｌを含まない層、すなわち、活性領域（発光層と発光層に接する層）に活性なＡｌを含んでいない層とすることができ、半導体発光素子を発光効率が高く、寿命の長いものとすることができるとともに、キャリアと光の閉じ込め効率が良好で、閾電流密度が低く、発光効率の高い半導体発光素子を提供することができ、かつ、ＡｌＧａＡｓ系は、わずかにＧａＡｓ基板に対し格子定数がずれるが、ＩｎＧａＡｌＰ系を用いると、完全に格子整合させることができる。
【０１２９】
請求項５記載の発明の半導体発光素子によれば、発光層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の格子歪を有しているので、Ｎ組成を小さくすることができ、作製が容易で、かつ、Ｎ組成の増加に伴う結晶性の低下を抑制することができる。したがって、発光効率をより一層向上させることができる。
【０１３０】
請求項６記載の発明の半導体発光素子によれば、発光層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有し、バリア層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有しているので、ＡｌＧａＡｓをバリア層とした場合にはできなかった歪補償型の量子井戸素子とすることができ、井戸層（発光層）の歪を補償して、適正な歪量を持つ組成に制御し、井戸層の組成の自由度を大きくしたり、井戸層の数を多くすることができる。したがって、半導体発光素子を、製造が容易で、発光効率が高く、かつ、寿命の長いものとすることができる。
【０１３１】
請求項７記載の発明の半導体発光素子によれば、発光層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有し、バリア層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有しているので、ＡｌＧａＡｓをバリア層とした場合にはできなかった歪補償型の量子井戸素子とすることができ、井戸層（発光層）の歪を補償して、適正な歪量を持つ組成に制御し、井戸層の組成の自由度を大きくしたり、井戸層の数を多くすることができる。したがって、半導体発光素子を、製造が容易で、発光効率が高く、かつ、寿命の長いものとすることができる。
【０１３２】
請求項８記載の発明の半導体発光素子によれば、発光層を、Ｎを含む混晶半導体であるＧａaＩｎ1-aＮbＡｓ1-b（０＜ｂ＜１）層で形成し、該発光層のＩｎ組成（１−ａ）が、１１％より大きく、格子定数が、ＧａＡｓ基板より大きく、発光波長が、１．３μｍ帯であるものとしているので、格子整合系に比較してＮ組成を小さくしても一定波長を形成でき、半導体発光素子を、再生が容易であるとともに、Ｎ組成増加に伴う結晶性の低下を抑制して、発光効率が良好で、光ファイバー通信用光源に適用することができるものとすることができる。
【０１３３】
請求項９記載の発明の半導体発光素子の製造方法によれば、クラッド層、ガイド層あるいはバリア層を、Ｐ原料供給の有無あるいはＰ原料の供給量の増減によって、そのＰ組成が発光層のＰ組成よりも大きい層に形成しているので、他のＶ族原料に比べて一般に供給量の多いＮの原料を発光層とバリア層の成長時に供給したり、供給を止めたりする必要がなくなり、例えば、気相成長のような場合には、ガスの流れの乱れを抑えることができ、界面の制御を容易に行なうことができる。したがって、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を容易に製造することができる。
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、Ｎを含む半導体層は、Ｎの原料として有機系窒素化合物を用いた減圧ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により結晶成長されるので、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を容易に製造することができる。
また、請求項１１記載の発明によれば、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体発光素子を用いた光ファイバー通信システムであるので、信頼性の高い光ファイバー通信システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第１の実施の形態を適用した半導体発光素子の成長層の正面断面図。
【図２】図１の半導体発光素子を製造するためのＭＯＣＶＤ装置の反応室部分の概略構成図。
【図３】図１の半導体発光素子の発光スペクトルを示す図。
【図４】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第２の実施の形態を適用した半導体発光素子の成長層の正面断面図。
【図５】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第３の実施の形態を適用した半導体発光素子の成長層の正面断面図。
【図６】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第４の実施の形態を適用した半導体発光素子の成長層の正面断面図。
【図７】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第５の実施の形態を適用した半導体発光素子の成長層の正面断面図。
【図８】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第６の実施の形態を適用した半導体発光素子の成長層の正面断面図。
【図９】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第７の実施の形態を適用した半導体発光素子の成長層の正面断面図。
【図１０】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第８の実施の形態を適用した半導体発光素子の成長層の正面断面図。
【符号の説明】
１ 半導体発光素子
２ 被成長基板
３ クラッド層
４ 活性層
５ クラッド層
６ キャップ層
１０ ＭＯＣＶＤ装置
１１ 反応室
１２ 石英反応管
１３ 冷却管
１４ ガス供給口
１５ 排気管
１６ カーボンサセプター
１７ 高周波加熱コイル
１８ 熱電対
２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０ 半導体発光素子
２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１ 被成長基板
２２、３２、４２、５２、６２、７２、８０ クラッド層
２３、３３、４３、５３、６３、７３、８３ ガイド層
２４、３４、４４、５４、８４ 井戸層
２５、３５、４５、５５、６５、７５、８５ ガイド層
２６、３６、４６、５６、６６、７６、８６ クラッド層
２７、３７、４７、５７、６７、７７、８７ キャップ層
６４、７４ 歪補償型ＭＱＷ構造層
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法及び光ファイバー通信システムに関し、詳細には、半導体レーザーや発光ダイオード等に用いる半導体発光素子及びその製造方法及び光ファイバー通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
１．３μｍ帯、１．５μｍ帯の半導体レーザーの材料としては、従来、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の材料が用いられている。また、光加入者システムを普及させるためには、低コスト化が要望されており、半導体レーザーの温度特性を改善して、電子冷却素子等を使用せずに、かつ、注入電流を制御してパワーが一定になるように制御するＡＰＣ（オートパワーコントロール）フリーのシステムの実現が研究されている。ところが、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系の材料は、材料的に伝導帯のバンド不連続をあまり大きくできないため、キャリアがオーバーフローしやすく、また、その温度依存性が大きいため、その実現が困難であった。
【０００３】
最近、新規半導体材料として、Ｖ族にＮを含んだＮ系混晶半導体材料の研究が行われており、例えば、特開平６−３３４１６８号公報には、Ｓｉ基板上にIII −Ｖ族混晶半導体素子を作成する手段として格子整合系材料であるＮ系混晶半導体をエピタキシャル成長させる技術が記載されている。この公報では、Ｓｉ基板に格子整合するＧａＮ0.03Ｐ0.97クラッド層、ＧａＮＰとＧａＮＡｓの歪超格子活性層を用いた半導体レーザーやフォトダイオードが提案されている。
【０００４】
この技術を用いると、Ｓｉ基板上にIII −Ｖ族混晶半導体素子をミスフィット転位を発生させることなくエピタキシャル成長させることが可能となり、Ｓｉ電子素子とのモノリシック化も可能性がある。
【０００５】
また、ＧａＡｓ、ＩｎＰ及びＧａＰ基板と格子整合可能なＩｎＧａＮＡｓ、ＡｌＧａＮＡｓ、ＧａＮＡｓ等の混晶半導体の例も特開平６−０３７３５５公報に記載されている。
【０００６】
従来、ＧａＡｓ基板に格子整合するIII −Ｖ族半導体の中で、ＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが小さい材料は、存在しなかった。ところが、例えば、ＩｎＧａＮＡｓは、ＧａＡｓ基板に格子整合可能であり、しかも少ないＮ組成では、ＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが小さい材料が得られ、従来ＧａＡｓ基板上には形成が困難であったＧａＡｓの発光波長より長波長（１．３μｍ帯など）の発光素子が形成可能であることが分かってきた。
【０００７】
しかしながら、ＩｎＧａＮＡｓは、ＧａＡｓの発光波長よりも長波長の発光素子を形成可能であるが、組成と発光波長の関係等、その物性については、ほとんど報告されていない。
【０００８】
ただ、積層構造については、Abstracts of the 1995 International Conferen-ce on Solid State Devicies and Materials 予稿集（ｐ１０１６〜ｐ１０１８）に示されている。これによると、ＩｎＧａＮＡｓ活性層に対してバンドギャップエネルギーの大きいＡｌＧａＡｓをクラッド層とする提案が示されている。この予稿集の中で、ＩｎＧａＮＡｓ活性層とＡｌＧａＡｓクラッド層は、直接接した構造となっている。この材料系では、伝導帯のバンド不連続が大きいので、注入キャリアをＩｎＧａＮＡｓ活性層に効率よく閉じ込めることができ、従来のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料の長波長レーザーの欠点であった悪い温度特性を著しく改善することができ、また、高出力（ハイパワー）も可能となった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＩＩＩ−Ｖ族半導体においては、ＩｎＧａＮＡｓは、成長温度が高いと、Ｎが基板表面から離脱しやすく、Ｎ組成の大きい膜を形成しにくいので、低温成長（例えば、６８０℃以下）する必要があるのに対して、逆に、ＡｌＧａＡｓは、Ａｌが活性であるので、低温成長では、素子特性に悪影響を及ぼすＯ（酸素）不純物が膜中に取り込まれやすく、高温（例えば、７５０℃以上）で成長することが望ましい。
【００１０】
すなわち、ＩｎＧａＮＡｓ活性層とＡｌＧａＡｓクラッド層が直接接した構造を成長させようとすると、下部のＡｌＧａＡｓクラッド層の成長後に、ＩｎＧａＮＡｓを成長させるために基板の温度を下げたとき、ＡｌＧａＡｓ表面に製造装置内及び原料ボンベ内のＯ（酸素）が取り込まれ、発光効率や素子寿命に悪影響を及ぼすことが分かった。
【００１１】
そこで、ＩｎＧａＮＡｓ活性層の成長温度を高くすると、Ｎ組成が低下し、必要なＮ組成が得られなくなる場合が生じるという問題点があった。これは、Ｖ族にＮを含んだＮ系混晶半導体材料特有の問題である。
【００１３】
請求項１記載の発明は、Ｖ族にＮを含んだＮ系混晶半導体材料を活性層としＧａＡｓ基板上に形成される半導体発光素子において、発光層を、Ｎを含む混晶半導体ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、発光層と直接接するクラッド層、ガイド層あるいはバリア層を、発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成することにより、ＧａＡｓ基板上にＡｌを含まない系でヘテロ構造を作製し、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１４】
請求項２記載の発明は、発光層を、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、バリア層及びガイド層を、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成し、クラッド層を、バリア層及びガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａvＩｎ1-vＡｓwＰ1-w（０＜ｖ≦１、０≦ｗ≦１）層で形成することにより、Ａｌを含まない系で多重量子井戸を用いた素子を形成し、ＧａＩｎＮＡｓＰ層と接する層をＡｌを含まない層、すなわち、活性領域（発光層と発光層に接する層）に活性なＡｌを含まない層で形成して、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１５】
請求項３記載の発明は、発光層を、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、バリア層を、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成し、ガイド層を、発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層で形成し、クラッド層を、バリア層及びガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＡｌuＧａ1-uＡｓ（０＜ｕ≦１）層で形成することにより、ＧａＩｎＮＡｓＰ層と接する層を、Ａｌを含まない層、すなわち、活性領域（発光層と発光層に接する層）に活性なＡｌを含んでいない層とし、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を提供するとともに、キャリアと光の閉じ込め効率が良好で、閾電流密度が低く、発光効率の高い半導体発光素子を提供し、かつ、熱抵抗率の小さいＡｌＧａＡｓをクラッド層に用いることにより、素子動作時の活性領域の温度上昇を抑制して、発光効率の低下等の特性の悪化をさらに低減することのできる半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１６】
請求項２記載の発明は、発光層とバリア層とガイド層とクラッド層が積層された積層構造からなり、ＧａＡｓ基板上に形成される半導体発光素子において、発光層を、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、バリア層を、ＮとＰを含むＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＰｆＡｓ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成し、ガイド層を、発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層で形成し、クラッド層を、バリア層及びガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＩｎsＧａtＡｌ1-s-tＰ（０＜ｓ＜１、０≦ｔ＜１、０＜１−ｓ−ｔ）層で形成することにより、ＧａＩｎＮＡｓＰ層と接する層を、Ａｌを含まない層、すなわち、活性領域（発光層と発光層に接する層）に活性なＡｌを含んでいない層とし、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を提供するとともに、キャリアと光の閉じ込め効率が良好で、閾電流密度が低く、発光効率の高い半導体発光素子を提供し、かつ、ＡｌＧａＡｓ系は、わずかにＧａＡｓ基板に対し格子定数がずれるが、ＩｎＧａＡｌＰ系を用いることで、完全に格子整合させることのできる半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１７】
請求項５記載の発明は、発光層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の格子歪を有しているものとすることにより、Ｎ組成を小さくして、作製が容易で、かつ、Ｎ組成の増加に伴う結晶性の低下を抑制して、発光効率の良好な半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１８】
請求項６記載の発明は、発光層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有し、バリア層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有しているものとすることにより、ＡｌＧａＡｓをバリア層とした場合にはできなかった歪補償型の量子井戸素子とし、井戸層（発光層）の歪を補償して、適正な歪量を持つ組成に制御し、井戸層の組成の自由度を大きくしたり、井戸層の数を多くして、発光効率が高く、寿命の長い製造が容易な半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００１９】
請求項７記載の発明は、発光層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有し、バリア層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有しているものとすることにより、ＡｌＧａＡｓをバリア層とした場合にはできなかった歪補償型の量子井戸素子として、井戸層（発光層）の歪を補償して、適正な歪量を持つ組成に制御し、井戸層の組成の自由度を大きくしたり、井戸層の数を多くして、発光効率が高く、寿命の長い、製造が容易な半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００２０】
請求項８記載の発明は、発光層を、Ｎを含む混晶半導体であるＧａaＩｎ1-aＮbＡｓ1-b（０＜ｂ＜１）層で形成し、該発光層のＩｎ組成（１−ａ）が、１１％より大きく、格子定数が、ＧａＡｓ基板より大きく、発光波長が、１．３μｍ帯であるものとすることにより、格子整合系に比較してＮ組成を小さくしても一定波長を形成でき、再生が容易であるとともに、Ｎ組成増加に伴う結晶性の低下を抑制して、発光効率を向上させることができ、光ファイバー通信用光源に適用することのできる半導体発光素子を提供することを目的としている。
【００２１】
請求項９記載の発明は、前記クラッド層、ガイド層あるいはバリア層を、Ｐ原料供給の有無あるいはＰ原料の供給量の増減によって、そのＰ組成が発光層のＰ組成よりも大きい層に形成することにより、他のＶ族原料に比べて一般に供給量の多いＮの原料を発光層とバリア層の成長時に供給したり、供給を止めたりする必要がなくなり、例えば、気相成長のような場合には、ガスの流れの乱れが抑えられ、界面の制御を容易に行なうことができ、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を容易に製造することのできる半導体発光素子の製造方法を提供することを目的としている。
請求項１０、請求項１１記載の発明は、発光効率が高く、寿命が長い半導体発光素子の製造方法および光ファイバー通信システムを提供することを目的としている。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の半導体発光素子は、発光層とバリア層とガイド層とクラッド層が積層された積層構造からなり、ＧａＡｓ基板上に形成される半導体発光素子において、前記発光層は、Ｎを含む混晶半導体ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、前記発光層と直接接する前記クラッド層、前記ガイド層あるいは前記バリア層は、前記発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成されていることにより、上記目的を達成している。
【００２５】
上記構成によれば、Ｖ族にＮを含んだＮ系混晶半導体材料を活性層としＧａＡｓ基板上に形成される半導体発光素子において、発光層を、Ｎを含む混晶半導体ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、発光層と直接接するクラッド層、ガイド層あるいはバリア層を、発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成しているので、ＧａＡｓ基板上にＡｌを含まない系でヘテロ構造を作製することができ、半導体発光素子を発光効率が高く、寿命の長いものとすることができる。
【００２６】
請求項２記載の発明の半導体発光素子は、前記発光層は、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、前記バリア層及び前記ガイド層は、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成され、前記クラッド層は、前記バリア層及び前記ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａvＩｎ1-vＡｓwＰ1-w（０＜ｖ≦１、０≦ｗ≦１）層で形成されていることにより、上記目的を達成している。
【００２７】
上記構成によれば、発光層を、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、バリア層及びガイド層を、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成し、クラッド層を、バリア層及びガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａvＩｎ1-vＡｓwＰ1-w（０＜ｖ≦１、０≦ｗ≦１）層で形成しているので、Ａｌを含まない系で多重量子井戸を用いた素子を形成することができ、ＧａＩｎＮＡｓＰ層と接する層をＡｌを含まない層、すなわち、活性領域（発光層と発光層に接する層）に活性なＡｌを含まない層で形成することができる。したがって、半導体発光素子を発光効率が高く、寿命の長いものとすることができる。
【００２８】
請求項３記載の発明の半導体発光素子は、前記発光層は、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、前記バリア層は、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成され、前記ガイド層は、前記発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層で形成され、前記クラッド層は、前記バリア層及び前記ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＡｌuＧａ1-uＡｓ（０＜ｕ≦１）層で形成されていることにより、上記目的を達成している。
【００２９】
上記構成によれば、発光層を、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、バリア層を、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成し、ガイド層を、発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層で形成し、クラッド層を、バリア層及びガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＡｌuＧａ1-uＡｓ（０＜ｕ≦１）層で形成しているので、ＧａＩｎＮＡｓＰ層と接する層を、Ａｌを含まない層、すなわち、活性領域（発光層と発光層に接する層）に活性なＡｌを含んでいない層とすることができ、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を提供することができるとともに、キャリアと光の閉じ込め効率が良好で、閾電流密度が低く、発光効率の高い半導体発光素子を提供することができ、かつ、熱抵抗率の小さいＡｌＧａＡｓをクラッド層に用いているので、素子動作時の活性領域の温度上昇を抑制することができ、発光効率の低下等の特性の悪化をさらに低減させることができる。
【００３０】
請求項２記載の発明の半導体発光素子は、発光層とバリア層とガイド層とクラッド層が積層された積層構造からなり、ＧａＡｓ基板上に形成される半導体発光素子において、前記発光層は、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、前記バリア層は、ＮとＰを含むＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＰｆＡｓ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成され、前記ガイド層は、前記発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層で形成され、前記クラッド層は、前記バリア層及び前記ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＩｎsＧａtＡｌ1-s-tＰ（０＜ｓ＜１、０≦ｔ＜１、０＜１−ｓ−ｔ）層で形成されていることにより、上記目的を達成している。
【００３１】
上記構成によれば、発光層を、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、バリア層を、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成し、ガイド層を、発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層で形成し、クラッド層を、バリア層及びガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＩｎsＧａtＡｌ1-s-tＰ（０＜ｓ＜１、０≦ｔ＜１）層で形成しているので、ＧａＩｎＮＡｓＰ層と接する層を、Ａｌを含まない層、すなわち、活性領域（発光層と発光層に接する層）に活性なＡｌを含んでいない層とすることができ、半導体発光素子を発光効率が高く、寿命の長いものとすることができるとともに、キャリアと光の閉じ込め効率が良好で、閾電流密度が低く、発光効率の高い半導体発光素子を提供することができ、かつ、ＡｌＧａＡｓ系は、わずかにＧａＡｓ基板に対し格子定数がずれるが、ＩｎＧａＡｌＰ系を用いると、完全に格子整合させることができる。
【００３２】
請求項５記載の発明の半導体発光素子は、前記ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成された前記発光層は、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の格子歪を有していることにより、上記目的を達成している。
【００３３】
上記構成によれば、発光層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の格子歪を有しているので、Ｎ組成を小さくすることができ、作製が容易で、かつ、Ｎ組成の増加に伴う結晶性の低下を抑制することができる。したがって、発光効率をより一層向上させることができる。
【００３４】
請求項６記載の発明の半導体発光素子は、前記ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成された前記発光層は、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有し、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成された前記バリア層は、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有していることにより、上記目的を達成している。
【００３５】
上記構成によれば、発光層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有し、バリア層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有しているので、ＡｌＧａＡｓをバリア層とした場合にはできなかった歪補償型の量子井戸素子とすることができ、井戸層（発光層）の歪を補償して、適正な歪量を持つ組成に制御し、井戸層の組成の自由度を大きくしたり、井戸層の数を多くすることができる。したがって、半導体発光素子を、製造が容易で、発光効率が高く、かつ、寿命の長いものとすることができる。
【００３６】
請求項７記載の発明の半導体発光素子は、前記ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成された前記発光層は、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有し、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成された前記バリア層は、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有していることにより、上記目的を達成している。
【００３７】
上記構成によれば、発光層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有し、バリア層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有しているので、ＡｌＧａＡｓをバリア層とした場合にはできなかった歪補償型の量子井戸素子とすることができ、井戸層（発光層）の歪を補償して、適正な歪量を持つ組成に制御し、井戸層の組成の自由度を大きくしたり、井戸層の数を多くすることができる。したがって、半導体発光素子を、製造が容易で、発光効率が高く、かつ、寿命の長いものとすることができる。
【００３８】
請求項８記載の発明の半導体発光素子は、前記発光層は、Ｎを含む混晶半導体であるＧａaＩｎ1-aＮbＡｓ1-b（０＜ｂ＜１）層で形成され、該発光層のＩｎ組成（１−ａ）が、１１％より大きく、格子定数が、ＧａＡｓ基板より大きく、発光波長が、１．３μｍ帯であるものとすることにより、上記目的を達成している。
【００３９】
上記構成によれば、発光層を、Ｎを含む混晶半導体であるＧａaＩｎ1-aＮbＡｓ1-b（０＜ｂ＜１）層で形成し、該発光層のＩｎ組成（１−ａ）が、１１％より大きく、格子定数が、ＧａＡｓ基板より大きく、発光波長が、１．３μｍ帯であるものとしているので、格子整合系に比較してＮ組成を小さくしても一定波長を形成でき、半導体発光素子を、再生が容易であるとともに、Ｎ組成増加に伴う結晶性の低下を抑制して、発光効率が良好で、光ファイバー通信用光源に適用することができるものとすることができる。
【００４０】
請求項９記載の発明の半導体発光素子の製造方法は、前記請求項１から請求項９記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記クラッド層、前記ガイド層あるいは前記バリア層を、Ｐ原料供給の有無あるいはＰ原料の供給量の増減により、そのＰ組成が前記発光層のＰ組成よりも大きい層に形成することにより、上記目的を達成している。
【００４１】
上記構成によれば、前記クラッド層、ガイド層あるいはバリア層を、Ｐ原料供給の有無あるいはＰ原料の供給量の増減によって、そのＰ組成が発光層のＰ組成よりも大きい層に形成しているので、他のＶ族原料に比べて一般に供給量の多いＮの原料を発光層とバリア層の成長時に供給したり、供給を止めたりする必要がなくなり、例えば、気相成長のような場合には、ガスの流れの乱れを抑えることができ、界面の制御を容易に行なうことができる。したがって、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を容易に製造することができる。
また、請求項１０記載の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、Ｎを含む半導体層は、Ｎの原料として有機系窒素化合物を用いた減圧ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により結晶成長されることを特徴としている。
また、請求項１１記載の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体発光素子を用いたことを特徴とする光ファイバー通信システムである。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００４３】
図１〜図３は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第１の実施の形態を示す図である。
【００４４】
図１は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第１の実施の形態を適用した半導体発光素子１の正面断面図である。
【００４５】
図１において、半導体発光素子１は、ｎ型ＧａＡｓ層で形成された被成長基板２上にクラッド層３、活性層４、クラッド層５及びキャップ層６が順次積層されており、Ｖ族にＮを含んでＮ系混晶半導体材料であるＩｎＧａＮＡｓ層をＧａＡｓ基板２上に形成したものである。
【００４６】
クラッド層３は、ＧａＡｓである被成長基板２に格子整合しバンドギャップエネルギーが１．５３ｅＶであるＩｎＧａＡｓＰを用いた構造（ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層）となっており、Ａｌを含まない材料である。
【００４７】
発光層である活性層４は、クラッド層３上に形成され、ＩｎＧａＮＡｓ層、すなわち、Ｎを含む混晶半導体であるＧａaＩｎ1-aＮbＡｓ1-b（０＜ｂ＜１）層で形成されている。
【００４８】
クラッド層５は、活性層４上に形成され、ＩｎＧａＡｓＰを用いた構造（ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層）となっている。キャップ層６は、ｐ+ 型ＧａＡｓ層で形成されている。
【００４９】
次に、この半導体発光素子１の製造方法について、図２に基づいて説明する。図２は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ）装置１０の反応室部分の概略構成図であり、ＭＯＣＶＤ装置１０は、横型炉である。なお、ＭＯＣＶＤ装置１０としては、横型炉に限るものではなく、縦型炉であってもよい。
【００５０】
ＭＯＣＶＤ装置１０は、内部に反応室１１を有する石英反応管１２の周囲に冷却管１３が配設されており、石英反応管１２には、反応室１１に原料ガスとキャリアガスを供給するためのガス供給口１４が形成されている。また、石英反応管１２には、図示しない排気装置に接続されて、反応室１１内のガスを排気する排気管１５が接続されている。石英反応管１２の反応室１１内には、カーボンサセプター１６が配設されており、カーボンサセプター１６は、高周波加熱コイル１７により加熱される。高周波加熱コイル１７により加熱されるカーボンサセプター１６の温度は、熱電対１８により検出される。カーボンサセプター１６上には、上記被成長基板２がセットされる。
【００５１】
このＭＯＣＶＤ装置１０を使用して半導体発光素子１を製造するには、カーボンサセプター１６に被成長基板２としてＧａＡｓ基板をセットし、図示しない排気装置により反応室１１内の圧力を１．３×１０4 Ｐａに減圧する。そして、熱電対１８により温度検出を行いつつ、高周波加熱コイル１７によりカーボンサセプター１６を加熱して、被成長基板２であるＧａＡｓ基板を所定温度に加熱制御し、原料ガスとキャリアガスを同時にガス供給口１４から反応室１１内に供給することにより、被成長基板２であるＧａＡｓ基板上に順次クラッド層３、活性層４、クラッド層５及びキャップ層６を積層する。
【００５２】
まず、上記ＭＯＣＶＤ装置１０を用いて被成長基板２であるＧａＡｓ層上にＩｎＧａＮＡｓ層を形成する場合について説明する。
【００５３】
原料ガスとしては、III 族原料として、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、あるいは、ＴＥＩ（トリエチルインジウム）を、Ａｓの原料として、ＡｓＨ3 （アルシン）を、Ｎの原料として、有機系窒素化合物であるＤＭＨｙ（ヂメチルヒドラジン）、ＭＭＨｙ（モノメチルヒドラジン）、あるいは、ＴＢＡ（ターシャリブチルアミン）等を使用し、キャリアガスとしては、Ｈ2 を使用する。
【００５４】
上記条件で原料ガスとキャリアガスを同時にガス供給口１４から反応室１１内に供給すると、原料ガスの熱分解とＧａＡｓ層である被成長基板２の表面反応により、結晶成長し、成膜される。
【００５５】
そして、原料材料としてのＴＭＧ：４．０×１０-6ｍｏｌ／ｍｉｎ〜４．０×１０-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩ：４．４×１０-7ｍｏｌ／ｍｉｎ〜４．４×１０-6ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＡｓＨ3 ：６．０×１０-5ｍｏｌ／ｍｉｎ（０．４ｓｃｃｍ）〜２．２×１０-3ｍｏｌ／ｍｉｎ（４６．４ｓｃｃｍ）、ＤＭＨｙ：５．０×１０-4ｍｏｌ／ｍｉｎに、キャリアガスであるＨ2 を加えて、トータルで６ｌ／ｍｉｎを供給し、ＡｓＨ3 の分圧を、０．９〜１０２Ｐａ、成長温度を、４５０℃〜７００℃とする。
【００５６】
具体的には、例えば、ＴＭＧ：２．０×１０-5ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩ：２．２×１０-6ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＡｓＨ3 ：３．３×１０-4ｍｏｌ／ｍｉｎ（７ｓｃｃｍ）、ＤＭＨｙ：６．４×１０-3ｍｏｌ／ｍｉｎを原材料ガスとして使用し、ＡｓＨ3 分圧が、１５．４Ｐａで、成長温度を、６３０℃としたとき、成長速度、１．７μｍ／ｈで、ＧａＡｓ層である被成長基板２上に、Ｉｎ0.11Ｇａ0.89Ｎ0.04Ａｓ0.96層が形成された。
【００５７】
この作製したＩｎ0.11Ｇａ0.89Ｎ0.04Ａｓ0.96層を用いて積層構造として形成した半導体発光素子１は、ＧａＡｓである被成長基板２に格子整合しており、Ａｒレーザー（４４８ｎｍ）を励起光源、Ｇｅ−フォトダイオードを受光器として、この半導体発光素子１について、室温でＰＬ（フォトルミネッセンス）測定を行ったところ、中心波長は、約１．３μｍであった。この波長帯は、光通信分野に応用することができる。
【００５８】
また、ＴＭＩを減らし、ＡｓＨ3 を増やして成長したところ、Ｉｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ0.02Ａｓ0.98層が形成された。この層もＧａＡｓ基板に格子整合しており、ＰＬ中心波長は、約１．１７μｍであった。このようなＩｎＧａＮＡｓ層の発光波長は、Ｉｎ及びＮの組成を大きくすることで長波長化することができる。
【００５９】
すなわち、一般に、ＧａＡｓにＩｎを添加すると、格子定数が、大きくなり、バンドギャップエネルギーが、小さくなる効果がある。これに対して、ＧａＡｓにＮを添加すると、格子定数が、小さくなり、バンドギャップエネルギーが、同様に小さくなる効果がある。すなわち、ＩｎxＧａ1-xＡｓにＮを添加すると、バンドギャップエネルギーが、ＩｎxＧａ1-xＡｓより小さくなり、さらに格子定数がＧａＡｓと一致する条件が存在する。このようにＩｎＧａＮＡｓ層は、ＧａＡｓ基板に格子整合可能であるので、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーに対応する約８７０ｎｍ（室温）の発光波長より長波長の発光素子を、従来からあるＧａＡｓに格子整合せずＧａＡｓよりも格子定数が大きいＩｎＧａＡｓを発光層に用いた場合に比べて、容易に、かつ、高品質に形成でき、しかも、１．３μｍ帯、１．５μｍ帯のより長波長の素子を形成することも可能となる。
【００６０】
そこで、上記ＭＯＣＶＤ装置１０を使用して、ＧａＡｓ層である被成長基板２に格子整合しているＩｎ0.06Ｇａ0.94Ｎ0.02Ａｓ0.98層を用いて、上記図１に示した積層構造の半導体発光素子１を形成した。この場合、上述のように、クラッド層３、５には、ＧａＡｓ層である被成長基板２に格子整合しバンドキャップエネルギーが、１．３５ｅＶであるＩｎＧａＡｓＰ層を用いており、Ａｌを含まない材料で形成されている。
【００６１】
上記半導体発光素子１のウエハを用いて、ストライプ幅が５μｍで、素子長が２００μｍの絶縁膜ストライプ構造のデバイスを作製し、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）動作をテストしたところ、適切なＬＥＤ動作を得た。このときの発光スペクトルは、動作電流が、５０ｍＡで、図３に示すように、中心波長が１１７６ｎｍであり、ＰＬスペクトルを反映したスペクトルとなっている。
【００６２】
このように、本実施の形態の半導体発光素子１は、発光層４であるＩｎＧａＮＡｓ活性層と接するクラッド層３、５が、Ａｌを含んでいない、すなわち、活性領域（発光層４と発光層４に接するクラッド層３、５）に活性なＡｌが含まれていないので、Ｎを含む混晶半導体に適した低い成長温度においても、Ａｌを含んだ層の成長表面に形成されやすかった製造装置内及び原料ボンベ内のＯ（酸素）がＧａＡｓ層である被成長基板２の表面に取り込まれて発生する劣化の起源となる非発光再結合センターを低減させることができる。したがって、発光効率が高く、寿命の長いＮ系Ｖ族混晶半導体発光素子１を容易に製造することができる。
【００６３】
なお、上記実施の形態においては、ＩｎＧａＮＡｓ活性層である発光層４が、被成長基板２としてのＧａＡｓ層に格子整合している場合について説明したが、ＩｎＧａＮＡｓ活性層４は、ＧａＡｓ層である被成長基板２に完全に格子整合していなくてもよく、歪を持っていても臨界膜厚以内の厚さであればよい。
【００６４】
また、本実施の形態においては、Ｎ系Ｖ族混晶半導体としてＩｎＧａＮＡｓを使用した場合について説明したが、Ｎ系Ｖ族混晶半導体としては、上記のものに限るものではなく、例えば、Ｐを含んだＩｎＧａＮＡｓＰ等の他の混晶半導体についても同様に適用することができる。
【００６５】
さらに、クラッド層３、５としては、活性層である発光層４よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａdＩｎ1-dＮeＡｓfＰ1-e-f 層（０≦ｄ≦１、０≦ｅ＜１、０≦ｆ≦１）を用いることができ、この場合にも、同様の効果を得ることができる。
【００６６】
また、光通信に用いられる１．３μｍ帯（１．２５〜１．３５μｍ）の波長の半導体発光素子１は、ＧａＡｓである被成長基板２に格子整合する材料では、発光層４の組成を、ほぼＩｎ0.11Ｇａ0.89Ｎ0.04Ａｓ0.96とすることで得ることができる。
【００６７】
図４は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第２の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、ＧａＡｓ基板に格子整合しているＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ0.05Ａｓ0.95活性層（井戸層）を用いて積層構造を形成したものである。
【００６８】
図４は、半導体発光素子２０の積層構造を示した正面断面図であり、半導体発光素子２０は、ｎ型ＧａＡｓ層である被成長基板２１上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたクラッド層２２、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層２３、ＩｎＧａＮＡｓ層で形成された井戸層２４、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層２５、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたクラッド層２６及びｐ+ 型ＧａＡｓ層で形成されたキャップ層２７が順次積層されている。
【００６９】
発光層である井戸層２４は、ＧａＡｓ層である被成長基板２１に格子整合しているＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ0.05Ａｓ0.95層で形成されている。
【００７０】
半導体発光素子２０は、ガイド層（光導波層）２３、２５には、ＧａＡｓ層である被成長基板２１に格子整合しバンドギャップエネルギーが１．５３ｅＶであるＩｎＧａＡｓＰを用い、クラッド層２２、２６には、ＧａＡｓ層である被成長基板２１に格子整合しバンドギャップエネルギーが１．８５ｅＶであるＩｎＧａＡｓＰを用いたＳＣＨ−ＳＱＷ構造（Separate Confinement Hetero-Structure-Single Quantum Well 構造）となっている。
【００７１】
本実施の形態の半導体発光素子２０は、上述のように、発光層である井戸層（活性層）２４と接する層（ガイド層２３、２５）が、Ａｌを含んでいない、すなわち、活性領域である発光層２４とガイド層２３、２５に活性なＡｌを含んでいないので、Ｎを含む混晶半導体に適した低い成長温度においても、Ａｌを含んだ層の成長表面に形成されやすかった製造装置内及び原料ボンベ内のＯ（酸素）が基板表面に取り込まれて発生する劣化の起源となるような非発光再結合センターを、低減させることができ、半導体発光素子２０を、発光効率が高く、寿命の長いものとすることができる。
【００７２】
この半導体発光素子２０の発光波長を測定したところ、発光波長は、約１．３μｍであった。この場合、井戸層２４のＩｎ組成を１１％よりも大きくすることで、バルクの発光波長は、１．３μｍより長波長となるが、井戸層（発光層）２４の膜厚を、例えば、２０ｎｍ以下とし、量子効果を利用することで、波長を、１．３μｍに制御することができる。
【００７３】
なお、本実施の形態においては、ＩｎＧａＮＡｓ層である井戸層（活性層）２４を、Ｉｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ0.05Ａｓ0.95層としているが、ＩｎＧａＮＡｓ層である活性層２４としては、他の組成であってもよい。
【００７４】
また、井戸層（活性層）２４は、ＧａＡｓ層である被成長基板２１に格子整合しているが、完全に格子整合していなくともよく、歪を持っていても臨界膜厚以内の厚さであればよい。
【００７５】
さらに、本実施の形態においては、Ｎ系Ｖ族混晶半導体として、ＩｎＧａＮＡｓを用いた場合について説明しているが、Ｎ系Ｖ族混晶半導体としては、Ｐを含んだＩｎＧａＮＡｓＰ等他の混晶半導体であっても、同様に適用することができる。
【００７６】
また、ガイド層２３、２５としては、ＧａＡｓ層である被成長基板２１に格子整合可能な組成、あるいは、格子整合しておらず歪を持っていても臨界膜厚以内の厚さのＧａdＩｎ1-dＮeＡｓfＰ1-e-f層 （０≦ｄ≦１、０≦ｅ＜１、０≦ｆ≦１）であっても、同様に適用することができる。
【００７７】
さらに、半導体発光素子２０は、クラッド層２２、２６にＡｌを含んでいないので、ガイド層２３、２５には、Ｎを含んでいてもよい。この場合、ガイド層２３、２５は、クラッド層２２、２６よりもバンドギャップエネルギーの小さい材料である必要がある。
【００７８】
また、本実施の形態では、ＳＱＷ構造としているが、井戸層を複数層用いた多重量子井戸構造を用いてもよい。この場合、ガイド層には、クラッド層よりバンドギャップエネルギーの小さいＧａdＩｎ1-dＮeＡｓfＰ1-e-f 層（０≦ｄ≦１、０≦ｅ＜１、０≦ｆ≦１）を用いることができる。
【００７９】
図５は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第３の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、ＧａＡｓ基板に格子整合しているＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ0.05Ａｓ0.95活性層を用いて積層構造を形成したものである。
【００８０】
図５は、半導体発光素子３０の積層構造を示した正面断面図であり、半導体発光素子３０は、ｎ型ＧａＡｓ層である被成長基板３１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層で形成されたクラッド層３２、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層３３、ＩｎＧａＮＡｓ層で形成された井戸層（発光層）３４、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層３５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層で形成されたクラッド層３６及びｐ+ 型ＧａＡｓ層で形成されたキャップ層３７が順次積層されている。そして、井戸層３４は、ＧａＡｓである被成長基板３１に格子整合しているＩｎ0.14Ｇａ0.86Ｎ0.05Ａｓ0.95層により形成されている。
【００８１】
すなわち、半導体発光素子３０は、ＧａＡｓ層である被成長基板３１に格子整合しバンドギャップエネルギーが１．５３ｅＶのＩｎＧａＡｓＰ層をガイド層３３、３５とし、Ａｌ組成０．８のＡｌＧａＡｓ層をクラッド層３２、３６としたＳＣＨ−ＳＱＷ構造となっている。
【００８２】
上記半導体発光素子３０は、発光層であるＩｎＧａＮＡｓ層で形成された井戸層３４にＡｌＧａＡｓ層で形成されたクラッド層３２、３６が直接接していない、すなわち、活性領域（発光層３４とガイド層３３、３５）が活性なＡｌを含んでいないので、Ｎを含む混晶半導体に適した低い成長温度においても、Ａｌを含んだ層の成長表面に形成されやすかった製造装置及び原料ボンベ内のＯ（酸素）が基板表面に取り込まれて発生する劣化の起源となるような非発光再結合センターを、低減させることができる。したがって、発光効率が高く、寿命の長いＧａＡｓ基板格子整合系長波長半導体レーザーを形成することができる。
【００８３】
この半導体発光素子３０の発光波長を測定したところ、発光波長は、約１．３μｍであった。
【００８４】
本実施の形態においては、半導体発光素子３０は、ＡｌＧａＡｓ層をクラッド層３２、３６に用いている。ここで、例えば、ＩｎＧａＰをクラッド層に用いた場合と比較すると、ＡｌＧａＡｓの熱抵抗率は、ＩｎＧａＰの熱抵抗率の約１／２倍である。クラッド層の厚さは、一般的に、１．５μｍ程度は必要であり、熱抵抗率の小さい材料の方が電流注入時の活性領域の温度上昇が小さいので、効率の低下等の問題を抑えられるので好ましい。このような観点から本実施の形態の素子においては、ＡｌＧａＡｓをクラッド層３２、３６に用いた。
【００８５】
このように膜厚の薄いＩｎＧａＡｓＰであるガイド層３３、３５の外側に熱抵抗率が低く屈折率が低くバンドギャップエネルギーが大きいＡｌＧａＡｓ層をクラッド層３２、３６に用いているので、キャリアと光の閉じ込め効率がさらに向上して、しきい電流密度が下がり、発光効率も高くなった。このように素子寿命が長く、しきい電流密度が低く、発光効率が高いＧａＡｓ基板格子整合系長波長半導体レーザーである半導体発光素子３０を形成できた。
【００８６】
なお、ＩｎＧａＮＡｓ層である井戸層（活性層）３４は、他の組成でもよく、また、ＧａＡｓ層である被成長基板３１に完全に格子整合していなくともよく、歪を持っていても臨界膜厚以内の厚さならかまわない。また、本実施の形態においては、Ｎ系Ｖ族混晶半導体としてＩｎＧａＮＡｓの場合について説明したが、Ｐを含んだＩｎＧａＮＡｓＰ等の他の混晶半導体についても適用できる。
【００８７】
さらに、ガイド層３３、３５は、ＧａＡｓ層である被成長基板３１に格子整合可能な組成、もしくは、格子整合していなくても歪を持っていても臨界膜厚以内の厚さであるＩｎxＧａ1-xＡｓyＰ1-y（０≦ｘ＜１、０≦ｙ≦１）であればかまわない。また、ＡｌＧａＡｓ層であるクラッド層３２、３５のＡｌ組成は、ガイド層３３、３５よりも伝導帯のエネルギーが大きければ、他の組成であってもよい。
【００８８】
図６は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第４の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、クラッド層として、ＧａＡｓ層である被成長基板に格子整合しているＩｎＧａＡｌＰ層を用いたものである。
【００８９】
図６において、半導体発光素子４０は、ｎ型ＧａＡｓで形成された被成長基板４１上に、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰ層で形成されたクラッド層４２、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層４３、ＩｎＧａＮＡｓ層で形成された井戸層４４、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層４５、ｐ型ＩｎＧａＡｌＰ層で形成されたクラッド層４６及びｐ+ 型ＧａＡｓ（キャップ層）４７が順次積層されている。
【００９０】
半導体発光素子４０は、クラッド層４２、４６が、ＧａＡｓ層で形成された被成長基板４１に格子整合しているＩｎＧａＡｌＰ層により形成されている。ＩｎＧａＡｌＰ系は、ＡｌＧａＡｓ系よりも大きなバンドギャップエネルギーとなる組成が存在しており、キャリア及び光閉じ込め効率を高くすることができる。さらに、ＡｌＧａＡｓ系は、ＧａＡｓ層である被成長基板４１に対して、格子定数がわずかにずれるが、ＩｎＧａＡｌＰ系は、完全に格子整合させることができるというメリットがある。
【００９１】
したがって、発光効率が高く、寿命の長いＧａＡｓ基板格子整合系長波長半導体レーザーである半導体発光素子４０を形成することができる。
【００９２】
図７は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第５の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、ＩｎＧａＮＡｓ活性層がＧａＡｓ基板に完全には格子整合せず臨界膜厚以内の厚さで歪を有しているものである。
【００９３】
図７において、半導体発光素子５０は、ｎ型ＧａＡｓで形成された被成長基板５１上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層で形成されたクラッド層５２、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層５３、ＩｎＧａＮＡｓ層で形成された井戸層（圧縮層）５４、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層５５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層で形成されたクラッド層５６及びｐ+ 型ＧａＡｓで形成されたキャップ層５７が順次積層されている。
【００９４】
半導体発光素子５０は、そのＩｎＧａＮＡｓ層で形成された井戸層５４が、第３の実施の形態の半導体発光素子３０のＩｎＧａＮＡｓ層で形成された井戸層３４に比較して、Ｉｎ組成が大きく、格子定数がＧａＡｓ層である被成長基板５１よりも大きく、圧縮歪を有している。また、この半導体発光素子５０の発光波長を測定したところ、発光波長は、約１．３μｍであった。第３の実施の形態のように格子整合する材料で量子効果を利用するためには、波長１．３μｍの場合、Ｉｎ組成を１１％より大きく、Ｎ組成を、４％より大きくすることにより、可能である。
【００９５】
ところが、Ｎは、成長中の基板表面から離脱しやすく、Ｎ組成の大きいＮ系Ｖ族混晶半導体を得ることが難しい。また、本出願の発明者の実験によると、Ｎ組成が大きくなると、ＰＬ（フォトルミネッセンス）強度が弱くなり、結晶性の悪化が確認された。したがって、波長が長くなるほど作製しにくいのが現状である。
【００９６】
ところが、同じＮ組成のＩｎＧａＮＡｓでは、Ｉｎの組成が大きい方が格子定数が大きくなり、発光波長が、長波長になる。そこで、この性質を利用すると、例えば、波長１．３μｍでＧａＡｓ層で形成された被成長基板５１に格子整合させるためには、Ｉｎ0.11Ｇａ0.89Ｎ0.04Ａｓ0.96である必要があるが、Ｉｎ組成を１１％より大きくすると、Ｎ組成が４％より小さい条件で、波長１．３μｍを得ることができるようになる。この場合、格子定数は、ＧａＡｓ層である被成長基板５１よりも大きくなる。このように格子定数をＧａＡｓ層である被成長基板５１よりも大きくすると、格子整合条件に比べて小さいＮ組成で目的の波長を得ることができるので、作製を容易にすることができ、さらに、発光効率を高くすることができる。
【００９７】
そこで、本実施の形態の半導体発光素子５０では、Ｉｎの組成を１１％よりも大きくし、ＩｎＧａＮＡｓ層である井戸層（活性層）５４の格子定数をＧａＡｓ層である被成長基板５１より大きくしているので、小さいＮ組成で形成することができ、半導体発光素子５０の作製を容易なものとすることができるとともに、発光効率を高くすることができる。また、本実施の形態の半導体発光素子５０は、歪量子井戸の効果による閾電流密度が低下する効果もある。このため、光ファイバー通信用光源として有効である。もちろんＩｎＧａＮＡｓ層は、他の波長に設定することもできる。
【００９８】
図８は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第６の実施の形態を適用した半導体発光素子を示す図であり、本実施の形態は、ＩｎＧａＮＡｓ活性層がＧａＡｓ基板に完全には格子整合せずに臨界膜厚以内の厚さで歪を持っているものである。
【００９９】
図８は、本実施の形態の半導体発光素子６０の正面断面図であり、図８において、半導体発光素子６０は、ｎ型ＧａＡｓ層で形成された被成長基板６１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層で形成されたクラッド層６２、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層６３、歪補償型ＭＱＷ（多重量子井戸）構造層６４、ＩｎＧａＡｓＰで形成されたガイド層６５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層で形成されたクラッド層６６及びｐ+ 型ＧａＡｓ層で形成されたキャップ層６７が順次積層されている。
【０１００】
半導体発光素子６０は、上記第５の実施の形態と以下の点で異なる。すなわち、半導体発光素子６０は、その活性領域が歪補償型ＭＱＷ（多重量子井戸）構造層６４で形成されており、ＭＱＷ構造層６４のＩｎＧａＮＡｓ井戸層の格子定数が、ＧａＡｓで形成された被成長基板６１よりも大きな圧縮歪を有し、さらに、ＭＱＷ構造層６４のＩｎＧａＡｓＰバリア層の格子定数が、ＧａＡｓで形成された被成長基板６１よりも小さな引っ張り歪を有している。
【０１０１】
上記ＭＱＷ構造層６４のＩｎＧａＮＡｓＰ系井戸層とＩｎＧａＡｓＰ系バリア層は、ともに組成を変えることで、同じバンドギャップエネルギーを有した条件で格子定数をＧａＡｓの被成長基板６１よりも大きくしたり、小さくしたり変えることが可能な材料系である。これは、ＡｌＧａＡｓ系バリア層ではできない。すなわち、ＡｌＧａＡｓ系バリア層を用いた場合に比べて、ＩｎＧａＡｓＰ系バリア層を用いることで、ＩｎＧａＮＡｓＰ系井戸層の歪を補償することが可能となり、適正な歪量を持つ組成に制御することで、井戸層の組成の自由度を大きくしたり、井戸層の数を多くすることができる。
【０１０２】
なお、本実施の形態では、ＭＱＷ構造６４のＩｎＧａＮＡｓ井戸層を圧縮層、ＩｎＧａＡｓＰバリア層を引っ張り歪層としているが、ＩｎＧａＮＡｓ井戸層を引っ張り歪層、ＩｎＧａＡｓＰバリア層を圧縮歪層としても、同様に適正な歪量を持つ組成に制御することで、歪量子井戸の効果を得ることができる。
【０１０３】
図９は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第７の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、ＧａＩｎＮＡｓ層を井戸層とし、ＧａＩｎＮＡｓＰをバリア層とした歪補償型ＭＱＷ（多重量子井戸）構造を用いたものに適用したものである。
【０１０４】
図９は、本実施の形態の半導体発光素子７０の正面断面図であり、図９において、半導体発光素子７０は、ｎ型ＧａＡｓ層で形成された被成長基板７１、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層で形成されたクラッド層７２、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層７３、歪補償型ＭＱＷ（多重量子井戸）構造層７４、ＩｎＧａＡｓＰで形成されたガイド層７５、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層で形成されたクラッド層７６及びｐ+ 型ＧａＡｓ層で形成されたキャップ層７７が順次積層されている。
【０１０５】
半導体発光素子７０は、その歪補償型ＭＱＷ（多重量子井戸）構造層７４のＩｎＧａＮＡｓ井戸層の格子定数が、ＧａＡｓ層である被成長基板７１よりも大きな圧縮歪を有しており、さらに、ＭＱＷ構造層７４のＩｎＧａＮＡｓＰバリア層の格子定数が、ＧａＡｓ層である被成長基板７１よりも小さな引っ張り歪を有している。また、半導体発光素子７０は、クラッド層７２、７６に、ＡｌＧａＡｓ層を用いており、Ａｌを含んだ層とＮを含んだ層が直接接しない構造となっている。
【０１０６】
したがって、本実施の形態の半導体発光素子７０においても、歪補償型ＭＱＷ（多重量子井戸）構造を用いた効果を得ることができる。
【０１０７】
本実施の形態においては、ＩｎＧａＮＡｓＰバリア層の成長条件は、ＭＱＷ構造層７４のＩｎＧａＮＡｓ井戸層の成長条件に対してＰの原料（本実施の形態では、ＰＨ3 ）を添加したものであり、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎ、Ａｓの原料の供給量は変えていない。
【０１０８】
一般に、ＩｎＧａＮＡｓに対してＰを添加すると、バンドギャップエネルギーは大きくなり、格子定数は小さくなる効果がある。そして、本実施の形態の半導体発光素子７０のＭＱＷ構造層７４のＩｎＧａＮＡｓ井戸層の格子定数が、ＧａＡｓ層である被成長基板７１より大きい場合、Ｐの添加量を制御することによって格子定数をＧａＡｓ層である被成長基板７１に格子整合させたり、ＧａＡｓ層である被成長基板７１より小さくしたりすることができる。
【０１０９】
また、本実施の形態の半導体発光素子７０のＭＱＷ構造層７４は、井戸層とバリア層の両方にＮを含んでいるので、他のＶ族原料に比べ、一般に供給量の多いＮの原料を井戸層とバリア層の成長時に、オン／オフ（被成長基板７１に供給する、しない）する必要がなくなるので、界面の制御を容易に行うことができる。
【０１１０】
なお、本実施の形態では、Ｉｎ、Ｇａ、Ｎ、Ａｓの原料の供給量を、変えないで作製したが、変えても、同様に適用することができる。
【０１１１】
また、本実施の形態においては、ＭＱＷ構造層７４の井戸層にＰを含んでいない場合について説明したが、井戸層にＰを含んでいてもバリア層のＰ組成をさらに大きくする等の方法により、バリア層のバンドギャップエネルギーの方を大きくすることにより、適用することができる。
【０１１２】
図１０は、本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第８の実施の形態を示す図であり、本実施の形態は、０．８μｍ帯等の固体レーザ励起用などの高出力半導体レーザに適用したものである。
【０１１３】
図１０は、本実施の形態の半導体発光素子８０の正面断面図であり、図１０において、半導体発光素子８０は、ｎ型ＧａＡｓ層で形成された被成長基板８１、ｎ型ＩｎＧａＰ層で形成されたクラッド層８２、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層８３、ＩｎＧａＮＡｓＰ層で形成された井戸層（活性層）８４、ＩｎＧａＡｓＰ層で形成されたガイド層８５、ｐ型ＩｎＧａＰ層で形成されたクラッド層８６及びｐ+ 型ＧａＡｓ層で形成されたキャップ層８７が順次積層されている。
【０１１４】
すなわち、半導体発光素子８０は、その活性層（井戸層）８４として、バンドギャップエネルギーが、１．５４ｅＶであるＩｎＧａＮＡｓＰ層を、ガイド層（光導波層）８３、８５として、ＧａＡｓ層である被成長基板８１に格子整合しバンドギャップエネルギーが１．８３ｅＶであるＩｎＧａＡｓＰ層を、そして、クラッド層８２、８６として、ＧａＡｓ層である被成長基板８１に格子整合しバンドギャップエネルギーが１．９１ｅＶであるＩｎＧａＰを用いたＳＣＨ−ＳＱＷ構造となっている。そして、この半導体発光素子８０の発振波長は、約０．８１μｍである。
【０１１５】
従来、０．８μｍ帯等の固体レーザ励起用等の高出力半導体レーザにおいては、活性層に接するクラッド層やガイド層には、ＡｌＧａＡｓが多く用いられているが、光学損傷が生じやすく、信頼性に問題があった。そこで、従来、ＩｎＧａＡｓＰ系材料によりＡｌフリーの材料系が試作されているが、ＩｎＧａＡｓＰ系材料は、ＡｌＧａＡｓ系材料に比べて、伝導帯のバンドオフセットが小さいため、活性層からのキャリアリークが大きくなり、信頼性は良好であるが、高出力半導体レーザとしては、他の素子特性が十分ではなかった。
【０１１６】
このような従来の高出力半導体レーザに対して、本実施の形態の半導体発光素子８０は、活性層（井戸層）８４がＩｎＧａＮＡｓＰで形成され、Ｎが添加されたものとなっている。このように、Ｎを添加すると、バンドギャップを小さくすることができるとともに、伝導帯及び価電子帯のエネルギーを小さくすることができる。したがって、ＩｎＧａＡｓ系材料をクラッド層８２、８６やガイド層８３、８５に用いても、伝導帯のバンドオフセットが大きくなり、活性層８４からのキャリアリークが小さくなる。その結果、閾値電流密度が低くなり、高温特性等を良好なものとすることができる。
【０１１７】
また、半導体発光素子８０は、発光層８４であるＩｎＧａＮＡｓＰ層と接する層には、Ａｌを含んでいない、すなわち、活性領域（発光層８４とガイド層８３、８５）に活性なＡｌを含んでいないので、Ｎを含む混晶半導体に適した低い成長温度においても、Ａｌを含んだ層の成長表面に形成されやすかった製造装置内及び原料ボンベ内のＯ（酸素）が基板表面に取り込まれて発生する劣化の起源となるような非発光再結合センターを低減させることができる。したがって、信頼性が高く、かつ、他の素子特性も良好な高出力半導体レーザである高出力な半導体発光素子８０を容易に製造することができる。
【０１１８】
なお、本実施の形態においては、活性層８４としてＩｎＧａＮＡｓＰ層を用いているが、他の組成であってもよい。
【０１１９】
また、ＩｎＧａＮＡｓＰ層である活性層８４が、被成長基板８１としてのＧａＡｓ層に完全に格子接合している場合について説明したが、ＧａＡｓ層である被成長基板８１に完全には格子整合していなくてもよく、歪みを持っていても、臨界膜厚以内の厚さであればよい。
【０１２０】
さらに、ガイド層８３、８５としては、ＧａＡｓ層である被成長基板８１に格子整合可能な組成、あるいは、格子整合せずに、歪みを持っていても、臨界膜厚以内の厚さ、すなわち、ＧａdＩｎ1-dＮeＡｓfＰ1-e-f層 （０≦ｄ≦１、０≦ｅ＜１、０≦ｆ≦１）であっても、同様に適用することができる。
【０１２１】
また、半導体発光素子８０は、クラッド層８２、８６にＡｌを含んでいないので、ガイド層８３、８５には、Ｎを含んでいてもよい。この場合、ガイド層８３、８５は、クラッド層８２、８６よりもバンドギャップエネルギーの小さい材料である必要がある。
【０１２２】
さらに、本実施の形態では、ＳＱＷ構造としているが、井戸層を複数層用いた多重量子井戸構造を用いてもよい。この場合、バリア層には、クラッド層よりバンドギャップエネルギーの小さいＧａdＩｎ1-dＮeＡｓfＰ1-e-f 層（０≦ｄ≦１、０≦ｅ＜１、０≦ｆ≦１）を用いることができる。
【０１２３】
以上、本発明者によってなされた発明を好適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【０１２４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の半導体発光素子によれば、Ｖ族にＮを含んだＮ系混晶半導体材料を活性層としＧａＡｓ基板上に形成される半導体発光素子において、発光層を、Ｎを含む混晶半導体Ｇａ a Ｉｎ 1-a Ｎ b Ａｓ c Ｐ 1-b-c （０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、発光層と直接接するクラッド層、ガイド層あるいはバリア層を、発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成しているので、ＧａＡｓ基板上にＡｌを含まない系でヘテロ構造を作製することができ、半導体発光素子を発光効率が高く、寿命の長いものとすることができる。
【０１２６】
請求項２記載の発明の半導体発光素子によれば、発光層を、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、バリア層及びガイド層を、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成し、クラッド層を、バリア層及びガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａvＩｎ1-vＡｓwＰ1-w（０＜ｖ≦１、０≦ｗ≦１）層で形成しているので、Ａｌを含まない系で多重量子井戸を用いた素子を形成することができ、ＧａＩｎＮＡｓＰ層と接する層をＡｌを含まない層、すなわち、活性領域（発光層と発光層に接する層）に活性なＡｌを含まない層で形成することができる。したがって、半導体発光素子を発光効率が高く、寿命の長いものとすることができる。
【０１２７】
請求項３記載の発明の半導体発光素子によれば、発光層を、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、バリア層を、ＮとＰを含むＧａ ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｎ ｅ Ｐ ｆ Ａｓ １−ｅ−ｆ （０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成し、ガイド層を、発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層で形成し、クラッド層を、バリア層及びガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＡｌuＧａ1-uＡｓ（０＜ｕ≦１）層で形成しているので、ＧａＩｎＮＡｓＰ層と接する層を、Ａｌを含まない層、すなわち、活性領域（発光層と発光層に接する層）に活性なＡｌを含んでいない層とすることができ、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を提供することができるとともに、キャリアと光の閉じ込め効率が良好で、閾電流密度が低く、発光効率の高い半導体発光素子を提供することができ、かつ、熱抵抗率の小さいＡｌＧａＡｓをクラッド層に用いているので、素子動作時の活性領域の温度上昇を抑制することができ、発光効率の低下等の特性の悪化をさらに低減させることができる。
【０１２８】
請求項２記載の発明の半導体発光素子によれば、発光層とバリア層とガイド層とクラッド層が積層された積層構造からなり、ＧａＡｓ基板上に形成される半導体発光素子において、発光層を、ＧａaＩｎ1-aＮbＡｓcＰ1-b-c（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成し、バリア層を、ＮとＰを含むＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＰｆＡｓ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成し、ガイド層を、発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層で形成し、クラッド層を、バリア層及びガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＩｎsＧａtＡｌ1-s-tＰ（０＜ｓ＜１、０≦ｔ＜１、０＜１−ｓ−ｔ）層で形成しているので、ＧａＩｎＮＡｓＰ層と接する層を、Ａｌを含まない層、すなわち、活性領域（発光層と発光層に接する層）に活性なＡｌを含んでいない層とすることができ、半導体発光素子を発光効率が高く、寿命の長いものとすることができるとともに、キャリアと光の閉じ込め効率が良好で、閾電流密度が低く、発光効率の高い半導体発光素子を提供することができ、かつ、ＡｌＧａＡｓ系は、わずかにＧａＡｓ基板に対し格子定数がずれるが、ＩｎＧａＡｌＰ系を用いると、完全に格子整合させることができる。
【０１２９】
請求項５記載の発明の半導体発光素子によれば、発光層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の格子歪を有しているので、Ｎ組成を小さくすることができ、作製が容易で、かつ、Ｎ組成の増加に伴う結晶性の低下を抑制することができる。したがって、発光効率をより一層向上させることができる。
【０１３０】
請求項６記載の発明の半導体発光素子によれば、発光層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有し、バリア層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有しているので、ＡｌＧａＡｓをバリア層とした場合にはできなかった歪補償型の量子井戸素子とすることができ、井戸層（発光層）の歪を補償して、適正な歪量を持つ組成に制御し、井戸層の組成の自由度を大きくしたり、井戸層の数を多くすることができる。したがって、半導体発光素子を、製造が容易で、発光効率が高く、かつ、寿命の長いものとすることができる。
【０１３１】
請求項７記載の発明の半導体発光素子によれば、発光層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有し、バリア層が、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有しているので、ＡｌＧａＡｓをバリア層とした場合にはできなかった歪補償型の量子井戸素子とすることができ、井戸層（発光層）の歪を補償して、適正な歪量を持つ組成に制御し、井戸層の組成の自由度を大きくしたり、井戸層の数を多くすることができる。したがって、半導体発光素子を、製造が容易で、発光効率が高く、かつ、寿命の長いものとすることができる。
【０１３２】
請求項８記載の発明の半導体発光素子によれば、発光層を、Ｎを含む混晶半導体であるＧａaＩｎ1-aＮbＡｓ1-b（０＜ｂ＜１）層で形成し、該発光層のＩｎ組成（１−ａ）が、１１％より大きく、格子定数が、ＧａＡｓ基板より大きく、発光波長が、１．３μｍ帯であるものとしているので、格子整合系に比較してＮ組成を小さくしても一定波長を形成でき、半導体発光素子を、再生が容易であるとともに、Ｎ組成増加に伴う結晶性の低下を抑制して、発光効率が良好で、光ファイバー通信用光源に適用することができるものとすることができる。
【０１３３】
請求項９記載の発明の半導体発光素子の製造方法によれば、クラッド層、ガイド層あるいはバリア層を、Ｐ原料供給の有無あるいはＰ原料の供給量の増減によって、そのＰ組成が発光層のＰ組成よりも大きい層に形成しているので、他のＶ族原料に比べて一般に供給量の多いＮの原料を発光層とバリア層の成長時に供給したり、供給を止めたりする必要がなくなり、例えば、気相成長のような場合には、ガスの流れの乱れを抑えることができ、界面の制御を容易に行なうことができる。したがって、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を容易に製造することができる。
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、Ｎを含む半導体層は、Ｎの原料として有機系窒素化合物を用いた減圧ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により結晶成長されるので、発光効率が高く、寿命の長い半導体発光素子を容易に製造することができる。
また、請求項１１記載の発明によれば、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体発光素子を用いた光ファイバー通信システムであるので、信頼性の高い光ファイバー通信システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第１の実施の形態を適用した半導体発光素子の成長層の正面断面図。
【図２】図１の半導体発光素子を製造するためのＭＯＣＶＤ装置の反応室部分の概略構成図。
【図３】図１の半導体発光素子の発光スペクトルを示す図。
【図４】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第２の実施の形態を適用した半導体発光素子の成長層の正面断面図。
【図５】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第３の実施の形態を適用した半導体発光素子の成長層の正面断面図。
【図６】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第４の実施の形態を適用した半導体発光素子の成長層の正面断面図。
【図７】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第５の実施の形態を適用した半導体発光素子の成長層の正面断面図。
【図８】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第６の実施の形態を適用した半導体発光素子の成長層の正面断面図。
【図９】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第７の実施の形態を適用した半導体発光素子の成長層の正面断面図。
【図１０】本発明の半導体発光素子及び半導体発光素子の製造方法の第８の実施の形態を適用した半導体発光素子の成長層の正面断面図。
【符号の説明】
１ 半導体発光素子
２ 被成長基板
３ クラッド層
４ 活性層
５ クラッド層
６ キャップ層
１０ ＭＯＣＶＤ装置
１１ 反応室
１２ 石英反応管
１３ 冷却管
１４ ガス供給口
１５ 排気管
１６ カーボンサセプター
１７ 高周波加熱コイル
１８ 熱電対
２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０ 半導体発光素子
２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１ 被成長基板
２２、３２、４２、５２、６２、７２、８０ クラッド層
２３、３３、４３、５３、６３、７３、８３ ガイド層
２４、３４、４４、５４、８４ 井戸層
２５、３５、４５、５５、６５、７５、８５ ガイド層
２６、３６、４６、５６、６６、７６、８６ クラッド層
２７、３７、４７、５７、６７、７７、８７ キャップ層
６４、７４ 歪補償型ＭＱＷ構造層
Claims (9)
- 発光層とバリア層とガイド層とクラッド層が積層された積層構造からなり、ＧａＡｓ基板上に形成される半導体発光素子において、前記発光層は、ＧａａＩｎ１−ａＮｂＡｓｃＰ１−ｂ−ｃ（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、前記バリア層は、ＮとＰを含むＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＰｆＡｓ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成され、前記ガイド層は、前記発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層で形成され、前記クラッド層は、前記バリア層及び前記ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＡｌｕＧａ１−ｕＡｓ（０＜ｕ≦１）層で形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
- 発光層とバリア層とガイド層とクラッド層が積層された積層構造からなり、ＧａＡｓ基板上に形成される半導体発光素子において、前記発光層は、ＧａａＩｎ１−ａＮｂＡｓｃＰ１−ｂ−ｃ（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成され、前記バリア層は、ＮとＰを含むＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＰｆＡｓ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成され、前記ガイド層は、前記発光層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａｘＩｎ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層で形成され、前記クラッド層は、前記バリア層及び前記ガイド層よりもバンドギャップエネルギーの大きいＩｎｓＧａｔＡｌ１−ｓ−ｔＰ（０＜ｓ＜１、０≦ｔ＜１、０＜１−ｓ−ｔ）層で形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子において、前記ＧａａＩｎ１−ａＮｂＡｓｃＰ１−ｂ−ｃ（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成された前記発光層は、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の格子歪を有していることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子において、前記ＧａａＩｎ１−ａＮｂＡｓｃＰ１−ｂ−ｃ（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成された前記発光層は、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有し、ＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＰｆＡｓ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成された前記バリア層は、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有していることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子において、前記ＧａａＩｎ１−ａＮｂＡｓｃＰ１−ｂ−ｃ（０≦ａ≦１、０＜ｂ＜１、０≦ｃ＜１）層で形成された前記発光層は、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の引っ張り格子歪を有し、ＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＰｆＡｓ１−ｅ−ｆ（０≦ｄ≦１、０＜ｅ＜１、０＜ｆ＜１）層で形成された前記バリア層は、ミスフィット転位の発生する臨界歪量以内の圧縮格子歪を有していることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、ＧａａＩｎ１−ａＮｂＡｓｃＰ１−ｂ−ｃ（０＜ｂ＜１）層で形成された前記発光層は、そのＩｎ組成（１−ａ）が、１１％より大きく、格子定数が、ＧａＡｓ基板より大きく、発光波長が、１．３μｍ帯であることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、前記クラッド層、あるいは、前記ガイド層、あるいは、前記バリア層を、Ｐ原料供給の有無あるいはＰ原料の供給量の増減により、そのＰ組成が前記発光層のＰ組成よりも大きい層に形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
- 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子の製造方法であって、Ｎを含む半導体層は、Ｎの原料として有機系窒素化合物を用いた減圧ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により結晶成長されることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
- 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子を用いたことを特徴とする光ファイバー通信システム。
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