(57)【要約】【課題】  結晶性の劣化が防止された高性能な長波長の半導体発光素子を提供する。【解決手段】  半導体基板１上に、歪み量子井戸層２を含む活性層３と、光とキャリアを閉じ込めるクラッド層４とが形成されている半導体発光素子において、前記歪み量子井戸層２の厚さは、無限大の厚さの基板上に単層膜を成長するとした場合の臨界膜厚ｈｃよりも厚いことを特徴とする。【選択図】      図１
2008098680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、歪み量子井戸層を含む活性層と、光とキャリアを閉じ込めるクラッド層とが形成されている半導体発光素子において、前記歪み量子井戸層の厚さは、
νをポアソン比（ν  ＝  Ｃ１２／（Ｃ１１＋Ｃ１２）；Ｃ１１，Ｃ１２は弾性スティフネス定数である）、αを界面でのバーガースベクトルと転位線の線分とのなす角（ｃｏｓ  α  ＝  １／２）、λを滑り面と界面の交差線に垂直な界面内での方向とバーガースベクトルとのなす角（ｃｏｓ  λ  ＝  １／２）、ｂ  ＝  ａ／２１／２    （ａ；格子定数）、ｆを格子不整合度（ｆ  ＝  Δａ／ａ）であるとし、無限大の厚さの基板上に単層膜を成長するとした場合の数２の条件式によって与えられる臨界膜厚ｈｃよりも厚いことを特徴とする半導体発光素子。
【数２】
2008098680.tif 000004
【請求項２】
請求項１記載の半導体発光素子において、前記半導体基板はＧａＡｓであることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１記載の半導体発光素子において、前記歪み量子井戸層は、ＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)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４】
請求項３記載の半導体発光素子において、前記歪み量子井戸層であるＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)に関し、窒素が含まれていないとした場合のＧａＩｎＡｓのＰＬ波長が、１．１２μｍよりも長波長となっていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
請求項３または請求項４記載の半導体発光素子において、前記歪み量子井戸層のIII族元素に占めるＩｎの組成が、３０％よりも大きいものとなっていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項３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、前記歪み量子井戸層のＶ族元素に占める窒素組成が、０〜１％の範囲となっていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
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、半導体基板の面方位は、(１００)からの傾き角度が５°の範囲内となっていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
請求項１記載の半導体発光素子において、前記クラッド層としてＧａＩｎＰまたはＧａＩｎＰＡｓが用いられることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
請求項１記載の半導体発光素子において、該半導体発光素子は、面発光型であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項１記載の半導体発光素子において、前記活性層には、前記歪み量子井戸層の近傍に、応力を補償するバリア層が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光ファイバーを用いた光通信システムは、主に幹線系で用いられているが、将来は各家庭を含めた加入者系での利用が考えられている。これを実現するためにはシステムの小型化，低コスト化が必要であり、光通信に用いられる半導体発光素子の温度制御用のペルチェ素子が不要なシステムの実現が必要である。
【０００３】
このような光通信システムを実現するため、光通信に用いられる半導体発光素子には、低閾値動作と温度変化による特性変化の少ない高特性温度の素子が望まれている。一般に、半導体基板上に、半導体基板と格子定数が異なる材料を形成する場合、格子定数の相違に伴なう歪みから見積もられる臨界膜厚以下までの厚さを形成することができる。しかし、従来のＧａＩｎＰＡｓ／ＩｎＰ系材料では、伝導帯のバンド不連続を大きくできる材料が見あたらず、高特性温度を実現するのは困難であった。
【０００４】
これを改善するために、例えば特許文献１には、ＧａＩｎＡｓからなる３元基板上に活性層が形成された半導体発光素子が提案されている。この半導体発光素子では、基板にＧａＩｎＡｓが用いられていることから、ＧａＩｎＡｓ基板上にワイドギャップの材料を形成できるので、ＩｎＰ基板上では実現できなかった大きな伝導帯のバンド不連続を得ることができる。
【０００５】
また、ＧａＡｓ基板上に長波長レーザを形成する試みもなされている。特許文献２には、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓより格子定数の大きいＧａＩｎＡｓ格子緩和バッファー層を形成し、その上に活性層を形成した半導体レーザ装置が提案されている。この半導体レーザ装置では、ＧａＩｎＡｓ格子緩和バッファー層上にＧａＡｓより大きな格子定数の材料を形成することができるため、特許文献１に提案されている半導体発光素子と同様に、大きな伝導帯のバンド不連続を得ることができる。
【０００６】
また、ＧａＡｓ基板上には、ＩｎＰ基板上やＧａＩｎＡｓ３元基板上に形成される材料よりもワイドギャップの材料を形成できる。しかしながら、従来では、１．３μｍ帯等の長波長に対応するバンドギャップの活性層材料がなかった。すなわち、ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＡｓを形成する場合、ＧａＩｎＡｓは、Ｉｎ組成の増加で長波長化するが、歪み量の増加をともなう。その限界歪み量が約２％程度であるため、１．１μｍの波長が限界であると言われている(非特許文献１)。
【０００７】
そこで他の方法として、特許文献３には、ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓ系材料を形成することが提案されている。ＧａＩｎＮＡｓはＮと他のＶ族元素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体である。ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓ系材料を形成する場合、ＧａＡｓより格子定数が大きいＧａＩｎＡｓにＮを添加することで、格子定数をＧａＡｓに格子整合させることが可能となり、さらにＮの電気陰性度が他の元素に比べて大きいことに起因して、そのバンドギャップエネルギーが小さくなり、１．３μｍ，１．５μｍ帯での発光が可能となる。非特許文献２には、近藤らによりバンドラインナップが計算されている。ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓ系材料を形成する場合には、上述のようにＧａＡｓ格子整合系となるので、ワイドギャップのＡｌＧａＡｓをクラッド層に用いることができる。また、Ｎの添加によりバンドギャップが小さくなるとともに伝導帯，価電子帯のエネルギーレベルがともに下がるので、ヘテロ接合における伝導帯のバンド不連続が大きくなる。このため、高特性温度半導体発光素子が実現できると予想されている。
【０００８】
ＧａＩｎＮＡｓレーザの構造に関しては、端面発光型については、特許文献４や特許文献５に提案がなされ、また、面発光型については、特許文献６や特許文献７に提案がなされている。そして、近年、ＧａＡｓ基板上の１．３μｍ−ＧａＩｎＮＡｓレーザは実際に実現されている。すなわち、ＧａＡｓ基板上に格子整合する窒素組成３％，Ｉｎ組成１０％の厚膜ＧａＩｎＮＡｓを活性層としたダブルヘテロ構造(非特許文献３)や、窒素組成１％，Ｉｎ組成３０％のＧａＩｎＮＡｓを用いた圧縮歪み単一量子井戸構造(非特許文献４)が提案されている。
【特許文献１】特開平６−２７５９１４号公報
【特許文献２】特開平７−１９３３２７号公報
【特許文献３】特開平６−３７３５５号公報
【特許文献４】特開平８−１９５５２２号公報
【特許文献５】特開平１０−１２６００４号公報
【特許文献６】特開平９−２３７９４２号公報
【特許文献７】特開平１０−７４９７９号公報
【非特許文献１】IEEE Photonics. Technol. Lett.Vol.9 (1997) pp.1319-1321
【非特許文献２】Jpn.J.Appl.Phys.Vol.35 (1996)pp.1273-1275
【非特許文献３】Elecron. Lett. Vol.33 (1997) pp.1386-1387
【非特許文献４】IEEE Photonics. Technol. Lett.Vol.10 (1998) pp.487-488
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に提案されているＧａＩｎＡｓからなる３元基板は、作成が困難である。また、特許文献２に提案されているＧａＩｎＡｓ格子緩和バッファー層を形成した構造は、基本的に基板に対して格子不整合系なので寿命の点で問題がある。また、ＧａＩｎＮＡｓのような窒素と他のＶ族元素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体は、窒素組成が大きくなるほど結晶性が大きく劣化するという問題があった。
【００１０】
本発明は、結晶性の劣化が防止された高性能な長波長の半導体発光素子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、半導体基板上に、歪み量子井戸層を含む活性層と、光とキャリアを閉じ込めるクラッド層とが形成されている半導体発光素子において、前記歪み量子井戸層の厚さは、
νをポアソン比（ν  ＝  Ｃ１２／（Ｃ１１＋Ｃ１２）；Ｃ１１，Ｃ１２は弾性スティフネス定数である）、αを界面でのバーガースベクトルと転位線の線分とのなす角（ｃｏｓ  α  ＝  １／２）、λを滑り面と界面の交差線に垂直な界面内での方向とバーガースベクトルとのなす角（ｃｏｓ  λ  ＝  １／２）、ｂ  ＝  ａ／２１／２    （ａ；格子定数）、ｆを格子不整合度（ｆ  ＝  Δａ／ａ）であるとし、無限大の厚さの基板上に単層膜を成長するとした場合の数１の条件式によって与えられる臨界膜厚ｈｃよりも厚いことを特徴としている。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体発光素子において、前記半導体基板はＧａＡｓであることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の半導体発光素子において、前記歪み量子井戸層は、ＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)で形成されていることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の半導体発光素子において、前記歪み量子井戸層であるＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)に関し、窒素が含まれていないとした場合のＧａＩｎＡｓのＰＬ波長が、１．１２μｍよりも長波長となっていることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項５記載の発明は、請求項３または請求項４記載の半導体発光素子において、前記歪み量子井戸層のIII族元素に占めるＩｎの組成が、３０％よりも大きいものとなっていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項６記載の発明は、請求項３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、前記歪み量子井戸層のＶ族元素に占める窒素組成が、０〜１％の範囲となっていることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項７記載の発明は、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、半導体基板の面方位は、(１００)からの傾き角度が５°の範囲内となっていることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項８記載の発明は、請求項１記載の半導体発光素子において、前記クラッド層としてＧａＩｎＰまたはＧａＩｎＰＡｓが用いられることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項９記載の発明は、請求項１記載の半導体発光素子において、該半導体発光素子は、面発光型であることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項１０記載の発明は、請求項１記載の半導体発光素子において、前記活性層には、前記歪み量子井戸層の近傍に、応力を補償するバリア層が形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１記載の発明によれば、半導体基板上に、歪み量子井戸層を含む活性層と、光とキャリアを閉じ込めるクラッド層とが形成されている半導体発光素子において、前記歪み量子井戸層の厚さは、
νをポアソン比（ν  ＝  Ｃ１２／（Ｃ１１＋Ｃ１２）；Ｃ１１，Ｃ１２は弾性スティフネス定数である）、αを界面でのバーガースベクトルと転位線の線分とのなす角（ｃｏｓ  α  ＝  １／２）、λを滑り面と界面の交差線に垂直な界面内での方向とバーガースベクトルとのなす角（ｃｏｓ  λ  ＝  １／２）、ｂ  ＝  ａ／２１／２    （ａ；格子定数）、ｆを格子不整合度（ｆ  ＝  Δａ／ａ）であるとし、無限大の厚さの基板上に単層膜を成長するとした場合の数１の条件式によって与えられる臨界膜厚ｈｃよりも厚いことにより、従来得られない波長の半導体レーザ等の半導体発光素子を得ることができ、また、従来より高性能のＨＥＭＴ(high electron mobility transister)等の電子素子を得ることもできる。
【００２２】
また、請求項２記載の発明によれば、半導体基板がＧａＡｓであることにより、ＩｎＰ基板上には厚く成長できないＡｌＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＩｎＰのようなワイドギャップの材料を半導体発光素子のクラッド層として成長でき、長波長帯の半導体発光素子の基板としては極めて優れている。
【００２３】
また、請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の半導体発光素子において、歪み量子井戸層は、ＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)で形成されているので、ｙ＝０のＧａＩｎＡｓでは１．２μｍ程度までの波長、ＧａＩｎＮＡｓではＩｎ組成，窒素組成に応じて１．３μｍ帯やそれより長波長の半導体発光素子の発光層を形成できる。
【００２４】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の半導体発光素子において、歪み量子井戸層であるＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)に関し、窒素が含まれていないとした場合のＧａＩｎＡｓのＰＬ波長が、１．１２μｍよりも長波長となっているので、従来半導体発光素子の発光層に用いることができなかった組成波長の材料を結晶成長することにより、半導体発光素子構造の設計の自由度を広げることができる。
【００２５】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項３または請求項４記載の半導体発光素子において、前記歪み量子井戸層のIII族元素に占めるＩｎの組成が、３０％よりも大きいものとなっていることを特徴としており、具体的にはｙ＝０のＧａＩｎＡｓではＩｎの組成を３０％以上とすることで、従来の限界であった１．１μｍより長波長の半導体レーザが得られる。ＧａＩｎＮＡｓではＩｎの組成を３０％以上とすることで、同じ井戸幅の場合長波長化できるので、窒素の組成を従来より低減できる。例えば１．３μｍ帯を得る場合にはＩｎの組成が３０％の場合で窒素組成はおよそ１％必要であったが、Ｉｎの組成を３０％以上にすることで１％以下にできる。
【００２６】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項３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、歪み量子井戸層のＶ族元素に占める窒素組成が、０〜１％の範囲となっており、窒素組成が０〜１％の少ない範囲であると結晶性の低下は抑えられるので、高性能な長波長帯半導体発光素子を得ることができる。
【００２７】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子において、半導体基板の面方位は、(１００)からの傾き角度が５°の範囲内であり、半導体基板の面方位は(１００)から大きく傾いている(例えば［０１１］方向に大きく傾いている)よりは、(１００)付近の方が歪み量子井戸のＧａＩｎＮＡｓやＧａＩｎＡｓのＩｎ組成を大きくしやすく長波長化に向いており、更に発光効率を高くしやすいので高歪みの量子井戸半導体発光素子の基板に適している。
【００２８】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項１記載の半導体発光素子において、クラッド層としてＧａＩｎＰまたはＧａＩｎＰＡｓが用いられており、Ａｌを含まないＧａＩｎＰまたはＧａＩｎＰＡｓはＡｌＧａＡｓに比べて低い成長温度で良好な結晶を得ることができるので、低温成長が好ましい高歪みの量子井戸レーザを作製する場合、拡散などの熱の影響を受けにくいので好ましく、結晶性の良好な高歪みの量子井戸層を得やすい。また、半導体基板と大きい歪みを有する量子井戸活性層との間の下部クラッド層としてＧａＩｎＰ(Ａｓ)を用いるとクラッド層中で発生する欠陥の影響を受けにくく良好な大きい歪みの量子井戸層を成長できる。また、素子特性としてはクラッド層中で発生する欠陥の影響を受けにくいので、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いた場合に比べて発光効率は高く、長寿命の素子が得られる。また、レーザの場合しきい値電流密度は低い。
【００２９】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項１記載の半導体発光素子において、該半導体発光素子は、面発光型である。すなわち、長波長帯の半導体発光素子はＧａＡｓ基板上に形成できると屈折率差の大きいＡｌ(Ｇａ)Ａｓ／ＧａＡｓ多層膜ミラーを用いることができるので、薄い厚さで済み、また、ＡｌＡｓを酸化したＡｌxＯyを電流狭さくに用いることができるなど、従来のＩｎＰ基板上の長波長帯の面発光半導体発光素子に比べて極めて有効である。
【００３０】
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項１記載の半導体発光素子において、前記活性層には、前記歪み量子井戸層の近傍に、応力を補償するバリア層が形成されており、井戸層の歪みを緩和するバリア層(歪補償層)があると井戸層の質を改善したり、井戸層の数を多くしたりできるので、半導体発光素子の設計の幅を大きくでき、高性能化に最適な構造にでき有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３２】
図１は本発明に係る半導体発光素子の構成例を示す図である。図１の半導体発光素子(半導体レーザ)は、半導体基板１上に、歪み量子井戸層(発光層)２を含む活性層３と、光とキャリアを閉じ込めるクラッド層４とが形成されており、半導体基板１およびクラッド層４に対する歪み量子井戸層２の歪み量が２％を超える歪み量となっている。
【００３３】
ここで、半導体基板１にはＧａＡｓが用いられている。また、クラッド層４としてはＧａＩｎＰまたはＧａＩｎＰＡｓが用いられる。また、図１の半導体発光素子(半導体レーザ)は、面発光型のものとなっている。
【００３４】
また、図１の半導体発光素子(半導体レーザ)において、歪み量子井戸層２は、ＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)で形成されている。そして、歪み量子井戸層２であるＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)に関し、窒素が含まれていないとした場合のＧａＩｎＡｓの組成波長が、１．１２μｍよりも長波長となっている。より具体的に、歪み量子井戸層２のIII族元素に占めるＩｎの組成は、３０％よりも大きいものとなっている。また、歪み量子井戸層２のＶ族元素に占める窒素組成は、０〜１％の範囲となっている。
【００３５】
また、図１の半導体発光素子(半導体レーザ)において、半導体基板１の面方位は、(１００)からの傾き角度が５°の範囲内となっている。
【００３６】
また、図１の半導体発光素子(半導体レーザ)において、活性層３には、歪み量子井戸層２の近傍に、応力を補償するバリア層が形成されている。図２はバリア層が形成された活性層の一例を示す図であり、図２の例では、活性層３には、井戸層２ａ，２ｂと、井戸層２ａ，２ｂの間および井戸層２ａの下方および井戸層２ｂの上方に設けられたＧａＮＰＡｓバリア層５ａ，５ｂ，５ｃとが形成されている。
【００３７】
本発明では、半導体基板１上に、歪み量子井戸層２を含む活性層３と、光とキャリアを閉じ込めるクラッド層４とが形成されている半導体発光素子(半導体レーザ)において、半導体基板１およびクラッド層４に対する歪み量子井戸層２の歪み量が２％を超える歪み量であり、従来得られない材料組成を結晶成長することにより、従来得られない波長の半導体発光素子(半導体レーザ)を得ることができる。
【００３８】
また、半導体基板１がＧａＡｓ基板であることにより、ＩｎＰ基板上には厚く成長できないＡｌＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＡｌＩｎＰのようなワイドギャップの材料を半導体発光素子のクラッド層として成長でき、長波長帯の半導体発光素子(半導体レーザ)の基板としては極めて優れている。
【００３９】
また、図１の半導体発光素子(半導体レーザ)では、歪み量子井戸層２は、ＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)で形成されているので、ｙ＝０のＧａＩｎＡｓでは１．２μｍ程度までの波長、ＧａＩｎＮＡｓではＩｎ組成，窒素組成に応じて１．３μｍ帯やそれより長波長の半導体発光素子(半導体レーザ)の発光層を形成できる。
【００４０】
また、歪み量子井戸層であるＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)に関し、窒素が含まれていないとした場合のＧａＩｎＡｓのＰＬ(Photoluminescence)波長が、１．１２μｍよりも長波長となっているので、従来半導体発光素子(半導体レーザ)の発光層に用いることができなかった組成波長の材料を結晶成長することにより、半導体発光素子(半導体レーザ)構造の設計の自由度を広げることができる。具体的には、ｙ＝０のＧａＩｎＡｓではＩｎの組成を３０％以上とすることで従来の限界であった１．１μｍより長波長の半導体発光素子(半導体レーザ)が得られ、ＧａＩｎＮＡｓではＩｎの組成を３０％以上とすることで窒素の組成を従来より低減できる。例えば１．３μｍ帯を得る場合には窒素組成を１％以下にできる。
【００４１】
また、図１の半導体発光素子(半導体レーザ)では、歪み量子井戸層２のＶ族元素に占める窒素組成が、０〜１％の範囲となっており、窒素組成が０〜１％の少ない範囲であると結晶性の低下は抑えられるので、高性能な長波長帯半導体発光素子(半導体レーザ)を得ることができる。
【００４２】
また、図１の半導体発光素子(半導体レーザ)では、半導体基板１の面方位は、(１００)からの傾き角度が５°の範囲内であり、半導体基板の面方位は(１００)から大きく傾いている(例えば［０１１］方向に大きく傾いている)よりは、(１００)付近の方が歪み量子井戸のＧａＩｎＮＡｓやＧａＩｎＡｓのＩｎ組成を大きくしやすく長波長化に向いており、更に発光効率を高くしやすいので高歪みの量子井戸半導体発光素子(半導体レーザ)の基板に適している。
【００４３】
また、図１の半導体発光素子(半導体レーザ)では、クラッド層４としてＧａＩｎＰまたはＧａＩｎＰＡｓが用いられており、Ａｌを含まないＧａＩｎＰまたはＧａＩｎＡｓはＡｌＧａＡｓに比べて低い成長温度で良好な結晶を得ることができるので、低温成長が好ましい高歪みの量子井戸レーザを作製する場合好ましく、結晶性の良好な高歪みの量子井戸層を得やすい。
【００４４】
また、図１の半導体発光素子(半導体レーザ)が面発光型である場合、長波長帯の半導体発光素子(半導体レーザ)はＧａＡｓ基板上に形成できると屈折率差の大きいＡｌ(Ｇａ)Ａｓ／ＧａＡｓ多層膜ミラーを用いることができるので、薄い厚さで済み、また、ＡｌＡｓを酸化したＡｌｘＯｙを電流狭さくに用いることができるなど、従来のＩｎＰ基板上の長波長帯の面発光半導体発光素子(半導体レーザ)に比べて極めて有効である。
【００４５】
また、図１の半導体発光素子(半導体レーザ)では、活性層３には、図２に示すように、歪み量子井戸層２ａ，２ｂの近傍に、応力を補償するバリア層(井戸層の歪みを緩和する歪補償層)５ａ，５ｂ，５ｃが形成されており、井戸層の歪みを緩和する歪補償層があると、井戸層の質を改善したり、井戸層の数を多くしたりできるので、半導体発光素子(半導体レーザ)の設計の幅を大きくでき、高性能化に最適な構造にできて有効である。
【００４６】
また、半導体基板１上に、歪み量子井戸層２を含む活性層３と、光とキャリアを閉じ込めるクラッド層４とを有する半導体発光素子(半導体レーザ)の製造方法において、低温では歪み量子井戸層２の臨界膜厚が厚くなるので、特に、歪み量が２％を超えるような高歪み量子井戸層の成長には、６００℃以下の温度での低温成長が適している。
【００４７】
また、III−Ｖ族半導体で形成される半導体発光素子(半導体レーザ)の場合、半導体発光素子は、III族原料として、有機金属化合物を用いた有機金属気相成長法により形成される。すなわち、有機金属気相成長法は、過飽和度が高い成長方法であり、高歪みの量子井戸層や窒素をＶ族に含んだＧａＩｎＮＡｓのような材料の成長を行なうのに有効である。
【００４８】
また、歪み量子井戸層２をＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y(０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１)で形成する場合、Ｎの原料として、ＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)，ＭＭＨｙ(モノメチルヒドラジン)等の有機系窒素化合物を用いて形成する。すなわち、有機系窒素化合物は低温で分解するので、６００℃以下のような低温成長に適している。また、本発明のように特に歪みの大きい量子井戸層を成長する場合は、例えば、５００℃〜６００℃程度の低温成長が好ましく、この観点からも低温で分解する有機系窒素化合物は好ましい。
【００４９】
前述のように、ＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＡｓは、Ｉｎ組成の増加で半導体発光素子(半導体レーザ)の発振波長を長波長化することができるが、歪み量の増加をともなう。その限界歪み量は、約２％程度であり、発振波長は１．１μｍが限界であると言われている(文献「IEEEPhotonics. Technol. Lett.Vol.9 (1997) pp.1319-1321」)。
【００５０】
下地の基板に対して格子定数の違う材料を成長すると、格子は弾性変形してそのエネルギーを吸収する。しかし、下地の基板に対して格子定数の違う材料を厚く成長していくと、弾性的な変形だけでは歪みエネルギーを吸収できずにミスフィット転位が生じてしまう。この膜厚を臨界膜厚という。ミスフィット転位が生じてしまうと、良いデバイスを作製することは困難である。
【００５１】
理論的には、力学的にミスフィット転位が生じる厚さである臨界膜厚（ｈｃ）が、Ｍａｔｔｈｅｗｓ  ａｎｄ  Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ（文献「Ｊ．  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ．  ２７  （１９７４）  １１８．」）によって次式により与えられている。
【００５２】
【数１】
2008098680.tif 000003
【００５３】
ここで、νは  ポアソン比（ν  ＝  Ｃ１２／（Ｃ１１＋Ｃ１２）；Ｃ１１，Ｃ１２は弾性スティフネス定数である）、αは界面でのバーガースベクトルと転位線の線分とのなす角（ｃｏｓ  α  ＝  １／２）、λは滑り面と界面の交差線に垂直な界面内での方向とバーガースベクトルとのなす角（ｃｏｓ  λ  ＝  １／２）、ｂ  ＝  ａ／２１／２    （ａ；格子定数）、ｆは格子不整合度（ｆ  ＝  Δａ／ａ）である。なお、数１は無限大の厚さの基板上に単層膜を成長する場合の式であり、以後、この式(数１)によって与えられる臨界膜厚ｈｃを、Ｍａｔｔｈｅｗｓ  ａｎｄ  Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの理論に基づく臨界膜厚と称す。
【００５４】
図１４には、一般に支持されているＭａｔｔｈｅｗｓ  ａｎｄ  Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの理論に基づいて計算されたＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＡｓ層の臨界膜厚が示されている。なお、Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓに窒素を添加したＧａ１−ｘＩｎｘＮＡｓの格子定数は、窒素添加１％当たり、Ｉｎ組成ｘが３％小さいＧａ１−ｙＩｎｙＡｓ（ｙ＝ｘ−０．０３）とほぼ同じ格子定数となる。
【００５５】
ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＡｓを形成する場合、Ｉｎ組成を増加すると歪み量が大きくなるので、平面に２次元で成長できる膜厚である臨界膜厚は薄くなっていく。
【００５６】
これに対し、本願の発明者は、ＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＡｓ量子井戸層においてＩｎ組成を３０％を超える値とすることにより、ＧａＡｓ基板に対する量子井戸層の歪み量を２％以上で成長でき、従来限界と考えられてきた１．１μｍ  より長波長の半導体発光素子（半導体レーザ）が実現可能であることを見出した。更には、歪み量子井戸層２において、低温成長等の非平衡条件での成長により実質的な臨界膜厚ｈc’を、Ｍａｔｔｈｅｗｓ  ａｎｄ  Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの臨界膜厚ｈcを越えた厚さとすることが可能であり、これにより、１．２μｍを越える長波長までの半導体発光素子（半導体レーザ）が実現可能であることを見出した。
【００５７】
すなわち、本願の発明者は、半導体基板上に、歪み量子井戸層を含む活性層と、光とキャリアを閉じ込めるクラッド層とが形成されている半導体発光素子において，半導体基板及びクラッド層に対する前記歪み量子井戸層の厚さがＭａｔｔｈｅｗｓ  ａｎｄ  Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの理論に基づく臨界膜厚ｈｃより厚い場合に、従来得られない波長の半導体レーザ等の半導体発光素子を得ることができ、また、従来より高性能のＨＥＭＴ(high electron mobility transister)等の電子素子を得ることもできることを見出した。
【００５８】
図１４には実験例が示されている。図１４を参照すると、例えば、Ｉｎ組成３２％、厚さ８．６ｎｍの場合、ＰＬ中心波長は１．１３μｍであり、また、Ｉｎ組成３６％、厚さ７．８ｎｍの場合、ＰＬ中心波長は１．１６μｍであり、また、  Ｉｎ組成３９％、厚さ７．２ｎｍの場合、ＰＬ中心波長は１．２μｍであった。これらは、Ｍａｔｔｈｅｗｓ  ａｎｄ  Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの理論（数１）に基づいて計算した臨界膜厚ｈcを越えた厚さとなっている。
【００５９】
図１５には、ＧａＩｎＡｓ単一量子井戸層からのＰＬ中心波長とＰＬ強度との関係が示されている。ＧａＩｎＡｓ井戸層（図中実線部）のＩｎ組成ｘは３１％〜４２％とした。また、各井戸層２５ａ，２５ｂの厚さは、Ｉｎ組成ｘの増加に合わせて、約９ｎｍ〜約６ｎｍと薄くしていった。波長１．２μｍ程度までＰＬ強度の強い量子井戸層が得られた。波長１．２μｍまではＰＬ強度は徐々に低下しているのに対して、１．２μｍを越えると、ＰＬ強度は急激に低下していることがわかる。これは表面性にも対応しており１．２μｍまでは鏡面であった。これらの結果から、ＰＬ強度の上記急激な低下は量子井戸層の厚さが実質的な臨界膜厚ｈc’を越えたためと考えられる。一般にＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法において低温成長、高い成長速度等の強い非平衡成長条件で、実験的に得られる臨界膜厚が増加することが報告されている。また成長条件（例えば高温成長）により、理論に基づく臨界膜厚より薄い厚さでも三次元成長、表面荒れが起こることも報告されている。よって本結果は、理論に基づく臨界膜厚ｈcよりも低温成長等の非平衡条件での成長による実質的な臨界膜厚ｈc’の方が厚いために、ミスフィット転位が生じることなく、より厚い膜を二次元に成長できたものと考えられる。
【００６０】
さらに、本願の発明者は、ＧａＩｎＮＡｓレーザの場合、上記のようにＩｎ組成ｘを大きくすることにより窒素組成を小さくできるため、ＧａＩｎＮＡｓレーザの特性を大きく改善できることを見出した。
【００６１】
また、レーザ化する場合、クラッド層としてＡｌＧａＡｓを用いるよりＧａＩｎＰ(Ａｓ)を用いた方が容易に形成できることを見出した。その理由を以下に示す。
【００６２】
すなわち、大きな歪みを有したＧａＩｎＮＡｓやＧａＩｎＡｓ活性層は低温(例えば６００℃以下)で成長できる。しかしＡｌＧａＡｓの成長温度は一般に高い(例えば７００℃以上)。本願の発明者は、活性層成長後に、活性層の上部にＡｌＧａＡｓクラッド層を成長することを想定して熱処理実験を行なった。具体的に、(１００)ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓ層(膜厚が０．２μｍ)，ＧａＩｎＮＡｓ井戸層(膜厚が７ｎｍ)，ＧａＡｓ層(膜厚が５０ｎｍ)を順次に成長させた試料を４試料(ａ，ｂ，ｃ，ｄ)作製した。４つの各試料ａ，ｂ，ｃ，ｄは、Ｉｎ組成は同じで窒素組成が違う。すなわち、試料ａの窒素(Ｎ)組成は０．２％であり、試料ｂの窒素(Ｎ)組成は０．２％であり、試料ｃの窒素(Ｎ)組成は０．５％であり、試料ｄの窒素(Ｎ)組成は０．８％である。その後、ＭＯＣＶＤ成長装置を用いてＡｓＨ3雰囲気中で、試料ｃ，ｄについては６８０℃の温度で、また、試料ｂについては７００℃の温度で、また、試料ａについては７８０℃の温度で、３０分間熱処理(アニ−ル)した。図１２には、これらの試料ａ，ｂ，ｃ，ｄのＰＬ特性が示されている。図１２において、点線が熱処理前のスペクトルであり、実線が熱処理後のスペクトルである。熱処理によりピーク波長が短波長側にシフトし、熱処理温度が高い方がシフト量が大きいことがわかる。同じ温度では、窒素量が違う試料間(試料ｃ，試料ｄ)でシフト量は同じであり、このシフトの原因はＩｎの拡散であると考えられる。また、発光強度は、７８０℃では低下しており、７００℃以下では増加していることがわかる。発光強度の増加の原因は熱処理による活性層中の欠陥の減少と考えられ、低下の原因は結晶性の劣化と考えられる。
【００６３】
このように大きな歪みを有したＧａＩｎＮＡｓやＧａＩｎＡｓ活性層を成長してから７８０℃のような高温で上部の層(例えばクラッド層)を成長すると不具合が生じることがわかった。このため上部クラッド層としては低温で良好に成長できるＧａＩｎＰ(Ａｓ)が好ましい。ただしＡｌＧａＡｓでも７００℃以下の温度で成長すれば大きな問題はないので使用できる。
【００６４】
もう一つの理由は、大きな歪みを有したＧａＩｎＮＡｓやＧａＩｎＡｓ活性層を成長する前にＡｌＧａＡｓを成長すると活性層の品質を落しやすいことである。本願の発明者は、(１００)ＧａＡｓ基板上に、ガイド層(膜厚が０．２μｍ)，ＧａＡｓ層(膜厚が１００ｎｍ)，ＧａＩｎＮＡｓ井戸層(膜厚が７ｎｍ)，ＧａＡｓ層(膜厚が１００ｎｍ)，ガイド層(膜厚が５０ｎｍ)を順次成長した試料を２試料作製した。第１の試料は、ガイド層(クラッド層)としてＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐを用い(以下、ＧａＩｎＰを用いた試料と称す)、また、第２の試料は、ガイド層(クラッド層)としてＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓを用いた(以下、ＡｌＧａＡｓを用いた試料と称す)。ＧａＩｎＰを用いた試料の方がＩｎ組成は大きく歪みが大きくなっている。図１３には第１の試料(ＧａＩｎＰ)，第２の試料(ＡｌＧａＡｓ)のＰＬ特性が示されている。図１３から、ＧａＩｎＰを用いた試料の方が歪みが大きく長波長であり、成長が困難であるにもかかわらず、ＡｌＧａＡｓを用いた試料よりもＰＬ強度が強くなっていることがわかる。
【００６５】
この原因としてはＡｌに起因した欠陥が成長中に成長表面に現れ、常に成長表面に伝搬し、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層まで到達し、井戸層を劣化させていることが考えられる。つまり、量子井戸活性層の成長直前のエピ基板表面の状態が良好でないと高品質に成長できないことがわかった。このため下部クラッド層としてＡｌＧａＡｓを用いる場合は井戸層成長の前にこの欠陥を止める工夫をする必要がある。半導体基板と活性層との間のクラッド層としてＡｌを含まないＧａＩｎＰ(Ａｓ)を用いると、量子井戸活性層の成長直前のエピ基板表面の状態は良好であり、大きい歪みの量子井戸層を容易に良好に成長できる。上述したようにクラッド層としては、特に、半導体基板と大きい歪みの活性層との間の下部クラッド層としては、ＧａＩｎＰ(Ａｓ)を用いる方が好ましいことがわかる。
【００６６】
さらに、本願の発明者は、ＧａＡｓ基板の面方位は、(１００)から大きく傾いている(例えば、(１００)から［０１１］方向に大きく傾いている)よりは、(１００)付近の方がＩｎ組成を大きくし易いし、発光効率を高くし易く適していることを見出した。光通信で用いる１．３μｍ帯等の長波長での高品質なＧａＩｎＮＡｓを得るための１つの方法は、ＧａＩｎＮＡｓにおいて、Ｉｎ組成を大きくして長波長化し、窒素組成を減らすことである。ＧａＡｓ基板の面方位が(１００)である場合と、基板の面方位が(１００)から［０１１］方向に１５°の角度で傾いている場合とのそれぞれの場合において、ＧａＡｓ基板上に、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層(膜厚が０．２μｍ)と、ＧａＡｓ層(膜厚が１００ｎｍ)と、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層(発光層)(膜厚が７ｎｍ)およびＧａＡｓバリア層(膜厚が１３ｎｍ)からなる活性層と、ＧａＡｓ層(膜厚が１００ｎｍ)と、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ層(膜厚が５０ｎｍ)と、ＧａＡｓ層(膜厚が５０ｎｍ)とを順次に形成した。図３には、面方位が(１００)であるＧａＡｓ基板上に形成された半導体発光素子のＰＬ特性(符号Ａで示す)と、面方位が(１００)から〔０１１〕方向に１５゜の角度で傾いているＧａＡｓ基板上に形成された半導体発光素子のＰＬ特性(符号Ｂで示す)を示す。なお、面方位が(１００)から〔０１１〕方向に１５゜の角度で傾いているＧａＡｓ基板上に形成された半導体発光素子では、ＰＬ波長１．０６μｍのＧａＩｎＡｓに窒素添加している。一方、面方位が(１００)であるＧａＡｓ基板上に形成された半導体発光素子では、ＰＬ波長１．１３μｍのＧａＩｎＡｓに窒素添加している。
【００６７】
図３から面方位が(１００)であるＧａＡｓ基板上に形成された半導体発光素子の方が、長波長であるにもかかわらず発光強度が高くなっており、適していることがわかる。これに対し、面方位が(１００)から〔０１１〕方向に１５°の角度で傾いているＧａＡｓ基板上に形成された半導体発光素子では、Ｉｎ組成を大きくし１．０６μｍの波長よりも長波長化を試みたが、発光強度は著しく低下し、Ｉｎ組成を大きくすることは困難であった。一方、面方位が(１００)であるＧａＡｓ基板上に形成された半導体発光素子では、ＧａＩｎＡｓを用いて１．２μｍ程度の波長まで強い発光が観察された。このことから、ＧａＡｓ基板の面方位の(１００)からの傾き角度は、５°の範囲内であるのが好ましい。
【００６８】
次に、実施例について説明する。
【実施例１】
【００６９】
図４は実施例１の半導体発光素子を示す図である。ここでは、半導体発光素子として、最も簡単な構造である絶縁膜ストライプ型レーザを例にして説明する。図４の半導体発光素子は、層構造として、ＳＣＨ−ＤＱＷ(Separate Confinement Heterostructure Double Quantum Well)構造を有している。具体的に、図４の半導体発光素子は、面方位(１００)のｎ−ＧａＡｓ基板２１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２２と、ｎ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)下部クラッド層２３(膜厚が１．５μｍ)と、ＧａＡｓ光ガイド層２４(膜厚が１００ｎｍ)と、Ｇａ1-xＩｎxＡｓ井戸層２５ａ，２５ｂおよびＧａＡｓバリア層２６(膜厚が１３ｎｍ)からなる活性層(発光層)２７と、ＧａＡｓ光ガイド層２８(膜厚が１００ｎｍ)と、ｐ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)上部クラッド層２９(膜厚が１．５μｍ)と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層３０(膜厚が０．３μｍ)とが、順次に形成されている。また、図４の半導体発光素子では、ＧａＡｓコンタクト層３０は電流注入部分以外はエッチングにより除去され、電流注入部となる部分を除去した絶縁膜３１を介してｐ側電極３２が形成されている。また、基板２１の裏面にはｎ側電極３３が形成されている。
【００７０】
ここで、Ｇａ1-xＩｎxＡｓ井戸層２５ａ，２５ｂのＩｎ組成ｘは３１％〜４２％とした。また、各井戸層２５ａ、２５ｂの厚さは、Ｉｎ組成の増加に合わせて、約９ｎｍ〜約６ｎｍと薄くしていった。これらのレーザの量子井戸層厚さは、Ｍａｔｔｈｅｗｓ  ａｎｄ  Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの理論に基づく臨界膜厚ｈｃよりも厚い条件となっている。例えば、Ｉｎ組成３２％、厚さ８．６ｎｍの場合、発振波長は１．１３μｍであり、また、Ｉｎ組成３６％、厚さ７．８ｎｍの場合、発振波長は１．１６μｍであり、また、  Ｉｎ組成３９％、厚さ７．２ｎｍの場合、発振波長は１．２μｍであった。また、各井戸層２５ａ，２５ｂの圧縮歪み量は、組成に応じて変化し、約２．２％〜２．７％であった。
【００７１】
図４の半導体発光素子の各層の成長方法はＭＯＣＶＤ法で行なった。その原料にはＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＩ(トリメチルインジウム)，ＡｓＨ3(アルシン)，ＰＨ3(フォスフィン)を用い、キャリアガスにはＨ2を用いた。また、ＧａＩｎＡｓ層は５５０℃で成長した。
【００７２】
図５には、図４の半導体発光素子の発振波長に対するしきい電流密度Ｊthが示されている。図５から、図４の半導体発光素子の発振波長は１．１３〜１．２３μｍであり、従来のＧａＡｓ基板上に成長したＧａＩｎＡｓ量子井戸レーザ素子に比べて発振波長が長波長化できていることがわかる。また、発振波長が１．２μｍを越えると急激にしきい値が上昇するが、１．２μｍ程度までは、しきい電流密度Ｊthは２００Ａ／ｃｍ2程度であり，充分低いこともわかる。また、高温での特性も良好であった。
【００７３】
なお、上述の例では、半導体発光素子の成長を、ＭＯＣＶＤ法で行なったが、ＭＢＥ法等、他の成長方法を用いることもできる。また、図４の半導体発光素子では、活性層(発光層)の積層構造として、二重量子井戸構造(ＤＱＷ)の例を示したが、他の井戸数の量子井戸を用いた構造(ＳＱＷ，ＭＱＷ)を用いることもできる。また、各層の組成厚さ等は、必要に応じて、変更設定できる。また、クラッド層には、ＧａＩｎＰ（Ａｓ）と同様のワイドギャップのＡｌＧａＡｓを用いることもできる。また、レーザの構造も他の構造にしても良い。ただし、ＧａＡｓ基板の面方位については、(１００)付近が良く、面方位の(１００)からの傾き角度は５°の範囲内が好ましい。また、ＭＯＣＶＤ法等で面方位(１００)または少し傾いた(１００)基板上にＧａＩｎＰを成長するとヒロックと呼ばれる丘状欠陥が形成されやすい。これは素子の歩留り低下や発光効率低下などの悪影響を招き好ましくない。成長条件の最適化でヒロック密度を低減できるが、Ａｓを含ませたＧａＩｎＰＡｓとすることで容易に低減できる。Ａｓ組成はわずかでも効果があり、好ましい。
【実施例２】
【００７４】
図６は実施例２の半導体発光素子を示す図である。ここでは、半導体発光素子として、最も簡単な構造である絶縁膜ストライプ型レーザを例にして説明する。図６の半導体発光素子は、層構造として、ＳＣＨ−ＤＱＷ(SeparateConfinement Heterostructure Double Quantum Well)構造を有している。具体的に、図６の半導体発光素子は、面方位(１００)のｎ−ＧａＡｓ基板４１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層４２と、ｎ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)下部クラッド層４３(膜厚が１．５μｍ)と、ＧａＡｓ光ガイド層４４(膜厚が１００ｎｍ)と、Ｇａ0.67Ｉｎ0.33Ｎ0.006Ａｓ0.994井戸層４５ａ，４５ｂおよびＧａＡｓバリア層４６(膜厚が１３ｎｍ)からなる活性層(発光層)４７と、ＧａＡｓ光ガイド層４８(膜厚が１００ｎｍ)と、ｐ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)上部クラッド層４９(膜厚が１．５μｍ)と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層５０(膜厚が０．３μｍ)とが、順次に形成されている。また、図６の半導体発光素子では、ＧａＡｓコンタクト層５０は電流注入部分以外はエッチングにより除去され、電流注入部となる部分を除去した絶縁膜５１を介してｐ側電極５２が形成されている。また、基板４１の裏面にはｎ側電極５３が形成されている。
【００７５】
ここで、各井戸層４５ａ，４５ｂのＩｎ組成ｘは３３％、窒素(Ｎ)組成は０．６％とした。また、各井戸層４５ａ，４５ｂの厚さは７ｎｍとした。また、各井戸層４５ａ，４５ｂの圧縮歪み量は約２．３％であった。
【００７６】
図６の半導体発光素子の各層の成長方法はＭＯＣＶＤ法で行なった。その原料にはＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＩ(トリメチルインジウム)，ＡｓＨ3(アルシン)，ＰＨ3(フォスフィン)を用い、そして窒素の原料にはＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので６００℃以下のような低温成長に適している。また、特に、歪みの大きい量子井戸層を成長する場合は例えば５００℃〜６００℃程度の低温成長が好ましい。すなわち、ＤＭＨｙは低温で分解するので６００℃以下のような低温成長に適しており、特に低温成長の必要な歪みの大きい量子井戸層を成長する場合好ましい。いまの例では、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層４５ａ，４５ｂは５５０℃で成長した。また、キャリアガスにはＨ2を用いた。
【００７７】
図７には、図６の半導体発光素子の連続動作での電流−出力パワー(電圧)特性が示されている。ここで、しきい電流密度Ｊthは５７０Ａ／ｃｍ2であった。また、発振波長は約１．２４μｍであった。図６の半導体発光素子では、井戸層４５ａ，４５ｂのＩｎ組成を３０％より大きくし、圧縮歪み量を２％以上にしたことにより、従来のＧａＩｎＮＡｓレーザ素子に比べて、しきい電流密度Ｊthを劇的に低減できた。また、高温での特性も良好であった。また、発振波長は、窒素組成，Ｉｎ組成，および井戸層の厚さ等の制御で可変である。
【００７８】
なお、上述の例では、半導体発光素子の成長を、ＭＯＣＶＤ法で行なったが、ＭＢＥ法等他の成長方法を用いることもできる。また、図６の半導体発光素子では、井戸層４５ａ，４５ｂの窒素(Ｎ)の原料に、ＤＭＨｙを用いたが、活性化した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもできる。また、図６の半導体発光素子では、活性層(発光層)の積層構造として２重量子井戸構造(ＤＱＷ)の例を示したが、他の井戸数の量子井戸を用いた構造(ＳＱＷ，ＭＱＷ)を用いることもできる。また、各層の組成厚さ等は、必要に応じて、変更設定できる。また、クラッド層には、ＧａＩｎＰ（Ａｓ）と同様のワイドギャップのＡｌＧａＡｓを用いることもできる。また、レーザの構造も他の構造にしても良い。
【実施例３】
【００７９】
図８は実施例３の半導体発光素子を示す図である。ここでは、半導体発光素子として、最も簡単な構造である絶縁膜ストライプ型レーザを例にして説明する。図８の半導体発光素子は、層構造として、ＳＣＨ−ＤＱＷ(SeparateConfinement Heterostructure Double Quantum Well)構造を有している。実施例３の図８の半導体発光素子は、実施例２の図６とほぼ同様の構造となっているが、ｎ−ＧａＡｓ基板４１の面方位が(１００)から［０１１］方向に２°の角度で傾いたものとなっている。また、井戸層の組成等が実施例２と相違している。
【００８０】
すなわち、図８の半導体発光素子は、面方位が(１００)から［０１１］方向に２°の角度で傾いたｎ−ＧａＡｓ基板６１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層６２と、ｎ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)下部クラッド層６３(膜厚が１．５μｍ)と、ＧａＡｓ光ガイド層６４(膜厚が１００ｎｍ)と、Ｇａ0.6Ｉｎ0.4Ｎ0.005Ａｓ0.995井戸層６５ａ，６５ｂおよびＧａＡｓバリア層６６(膜厚が１３ｎｍ)からなる活性層(発光層)６７と、ＧａＡｓ光ガイド層６８(膜厚が１００ｎｍ)と、ｐ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)上部クラッド層６９(膜厚が１．５μｍ)と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層７０(膜厚が０．３μｍ)とが、順次に形成されている。また、図８の半導体発光素子では、ＧａＡｓコンタクト層７０は電流注入部分以外はエッチングにより除去され、電流注入部となる部分を除去した絶縁膜７１を介してｐ側電極７２が形成されている。また、基板６１の裏面にはｎ側電極７３が形成されている。
【００８１】
ここで、各井戸層６５ａ，６５ｂのＩｎ組成ｘは４０％，窒素(Ｎ)組成は０．５％とした。また、各井戸層６５ａ，６５ｂの厚さは７ｎｍとした。これはＭａｔｔｈｅｗｓ  ａｎｄ  Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの理論に基づく臨界膜厚ｈc（約６．１ｎｍ）よりも厚い条件となっている。また、各井戸層６５ａ，６５ｂの圧縮歪み量は約２．７％であった。
【００８２】
図８の半導体発光素子の各層の成長方法はＭＯＣＶＤ法で行なった。その原料にはＴＭＧ(トリメチガリウム)，ＴＭＩ(トリメチルインジウム)，ＡｓＨ3(アルシン)，ＰＨ3(フォスフィン)を用い、そして窒素の原料にはＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので６００℃以下のような低温成長に適している。また、特に、歪みの大きい量子井戸層を成長する場合は、例えば５００℃〜６００℃程度の低温成長が好ましい。いまの例では、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層６５ａ，６５ｂは５４０℃で成長した。また、キャリアガスにはＨ2を用いた。
【００８３】
このように作製した図８の半導体発光素子の発振波長は約１．３μｍであった。また、しきい電流密度Ｊthは１ｋＡ／ｃｍ2以下であった。ＧａＩｎＮＡｓレーザは，窒素組成が大きくなるほどしきい電流密度が大きくなる傾向がある。従来の１．３μｍ帯のＧａＩｎＮＡｓレーザ素子においては窒素組成は小さくしても１％(Ｉｎ組成が３０％の時)であったが、本発明では、Ｉｎ組成を３０％より大きくし、圧縮歪み量を２％以上にしたことにより、従来より窒素組成を小さくでき、しきい電流密度を劇的に低減できた。また、高温での特性も良好であった。
【００８４】
なお、上述の例では、半導体発光素子の成長を、ＭＯＣＶＤ法で行なったが、ＭＢＥ法等他の成長方法を用いることもできる。また、図８の半導体発光素子では、井戸層６５ａ，６５ｂの窒素(Ｎ)の原料に、ＤＭＨｙを用いたが、活性化した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもできる。また、図８の半導体発光素子では、活性層(発光層)の積層構造として２重量子井戸構造(ＤＱＷ)の例を示したが、他の井戸数の量子井戸を用いた構造(ＳＱＷ，ＭＱＷ)を用いることもできる。また、各層の組成厚さ等は、必要に応じて、変更設定できる。また、クラッド層には、ＧａＩｎＰ（Ａｓ）と同様のワイドギャップのＡｌＧａＡｓを用いることもできる。また、レーザの構造も他の構造にしても良い。
【実施例４】
【００８５】
図９は実施例４の半導体発光素子を示す図である。ここでは、半導体発光素子として、最も簡単な構造である絶縁膜ストライプ型レーザを例にして説明する。図９の半導体発光素子は、層構造として、ＳＣＨ−ＤＱＷ(SeparateConfinement Heterostructure Double Quantum Well)構造を有している。具体的に、図９の半導体発光素子は、面方位が(１００)から［０１１］方向に５°の角度で傾いたｎ−ＧａＡｓ基板８１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層８２と、ｎ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)下部クラッド層８３(膜厚が１．５μｍ)と、ＧａＡｓ光ガイド層８４(膜厚が１００ｎｍ)と、Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｎ0.007Ａｓ0.993井戸層８５ａ，８５ｂと井戸層８５ａ，８５ｂの間および井戸層８５ａの下方および井戸層８５ｂの上方に設けられたＧａＮＰＡｓバリア層８６ａ，８６ｂ，８６ｃ(各膜厚が１０ｎｍ)とが形成されている活性層(発光層)８７と、ＧａＡｓ光ガイド層８８(膜厚が１００ｎｍ)と、ｐ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)上部クラッド層８９(膜厚が１．５μｍ)と、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層９０(膜厚が０．３μｍ)とが順次に形成されている。また、図９の半導体発光素子では、ＧａＡｓコンタクト層９０は電流注入部分以外はエッチングにより除去され、電流注入部となる部分を除去した絶縁膜９１を介してｐ側電極９２が形成されている。また、基板９１の裏面にはｎ側電極９３が形成されている。
【００８６】
ここで、各井戸層８５ａ，８５ｂのＩｎ組成ｘは３５％，窒素(Ｎ)組成は０．７％とした。また、各井戸層８５ａ，８５ｂの厚さは７ｎｍとした。また、各井戸層８５ａ，８５ｂの圧縮歪み量は約２．４％であった。この際、バリア層８６ａ，８６ｂ，８６ｃは引っ張り歪を有しており、井戸層８５ａ，８５ｂの圧縮みを緩和している。
【００８７】
図９の半導体発光素子の各層の成長方法はＭＯＣＶＤ法で行なった。その原料にはＴＭＧ(トリメチガリウム)，ＴＭＩ(トリメチルインジウム)，ＡｓＨ3(アルシン)，ＰＨ3(フォスフィン)を用い、そして窒素の原料にはＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので６００℃以下のような低温成長に適している。また、特に、歪みの大きい量子井戸層を成長する場合は、例えば５００℃〜６００℃程度の低温成長が好ましい。いまの例では、ＧａＩｎＮＡｓ層は５２０℃で成長した。また、キャリアガスにはＨ2を用いた。
【００８８】
このように作製した図９の半導体発光素子の発振波長は約１．３μｍであった。また、しきい電流密度Ｊthは１ｋＡ／ｃｍ2以下であった。ＧａＩｎＮＡｓレーザは，窒素組成が大きくなるほどしきい電流密度が大きくなる傾向がある。従来の１．３μｍ帯のＧａＩｎＡｓレーザ素子においては窒素組成は小さくしても１％(Ｉｎ組成が３０％の時)であったが、本発明では、Ｉｎ組成を３０％より大きくし、圧縮歪み量を２％以上にしたことにより、従来より窒素組成を小さくでき、しきい電流密度を劇的に低減できた。さらに、実施例４では、井戸層８５ａ，８５ｂの圧縮歪みを緩和する引っ張り歪みを有するバリア層８６ｂ，８６ｃがさらに設けられているので、実施例３の素子よりもしきい電流密度は低減した。また、高温での特性も良好であった。
【００８９】
なお、上述の例では、半導体発光素子の成長を、ＭＯＣＶＤ法で行なったが、ＭＢＥ法等他の成長方法を用いることもできる。また、図９の半導体発光素子では、井戸層８５ａ，８５ｂの窒素(Ｎ)の原料に、ＤＭＨｙを用いたが、活性化した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもできる。また、図９の半導体発光素子では、活性層(発光層)の積層構造として２重量子井戸構造(ＤＱＷ)の例を示したが、他の井戸数の量子井戸を用いた構造(ＳＱＷ，ＭＱＷ)を用いることもできる。また、各層の組成厚さ等は、必要に応じて、変更設定できる。また、クラッド層には、ＧａＩｎＰ（Ａｓ）と同様のワイドギャップのＡｌＧａＡｓを用いることもできる。また、レーザの構造も他の構造にしても良い。
【実施例５】
【００９０】
図１０は実施例５の半導体発光素子(半導体レーザ)を示す図である。図１０に示す半導体発光素子は面発光型である。この半導体発光素子は、発光を得るための共振器を構成するため、量子井戸活性層１０４の半導体基板１０１とは反対の側には上部反射鏡１０９が形成され、また、量子井戸活性層１０４の半導体基板１０１側には下部反射鏡１０２が形成されており、上部反射鏡１０９と下部反射鏡１０２のうちの少なくとも下部反射鏡１０２は、Ａｌを含まない材料による低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層された半導体多層膜として構成されている。この構成では、上部反射鏡１０９，下部反射鏡１０２は、量子井戸活性層１０４からの発光に対する共振器として機能するようになっている。
【００９１】
より具体的に、図１０の半導体発光素子は、面方位(１００)のｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ＧａＡｓ基板１０１に格子整合するｎ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐとｎ−ＧａＡｓをそれぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造(３５周期)からなるｎ−半導体多層膜反射鏡(ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ下部半導体多層膜反射鏡)１０２，ＧａＡｓスペーサ層１０３，３層のＧａ0.6Ｉｎ0.4Ｎ0.005Ａｓ0.995Ａｓ井戸層とＧａＡｓバリア層(１３ｎｍ)からなる多重量子井戸活性層(ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ  ＱＷ活性層)１０４，ＧａＡｓスペーサ層１０５，ＡｌxＯy電流狭さく層１０６，電流注入部としてのｐ−ＡｌＡｓ層１０７(膜厚が５０ｎｍ)，ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０８，ＧａＡｓ基板１０１に格子整合するｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐとｐ−ＧａＡｓをそれぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造(３０周期)からなるｐ−半導体多層膜反射鏡(ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ上部半導体多層膜反射鏡)１０９が順次に成長されている。
【００９２】
また、ＧａＡｓスペ−サ層１０３，量子井戸活性層１０４，ＧａＡｓスペ−サ層１０５，電流狭さく層１０６，ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０８の側面には、絶縁膜(ポリイミド)１１０が形成され、また、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０８上にはｐ側電極１１１が形成され、また、ＧａＡｓ基板１０１の裏面にはｎ側電極１１２が形成されている。
【００９３】
図１０の半導体発光素子を次のように作製した。すなわち、先ず、面方位(１００)のｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ＧａＡｓ基板１０１に格子整合するｎ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐとｎ−ＧａＡｓをそれぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造(３５周期)からなるｎ−半導体多層膜反射鏡(ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ下部半導体多層膜反射鏡)１０２，ＧａＡｓスペーサ層１０３，３層のＧａ0.6Ｉｎ0.4Ｎ0.005Ａｓ0.995Ａｓ井戸層とＧａＡｓバリア層(１３ｎｍ)からなる多重量子井戸活性層(ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ  ＱＷ活性層)１０４，ＧａＡｓスペーサ層１０５，ＡｌxＯy電流狭さく層１０６，電流注入部としてのｐ−ＡｌＡｓ層１０７(膜厚が５０ｎｍ)，ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０８，ＧａＡｓ基板１０１に格子整合するｐ−Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐとｐ−ＧａＡｓをそれぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造(３０周期)からなるｐ−半導体多層膜反射鏡(ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ上部半導体多層膜反射鏡)１０９を順次成長させた。
【００９４】
ここで、井戸層のＩｎ組成ｘは４０％，窒素組成は０．５％とした。また、井戸層の厚さは７ｎｍとした。これはＭａｔｔｈｅｗｓ  ａｎｄ  Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの理論に基づく臨界膜厚ｈc（約６．１ｎｍ）よりも厚い条件となっている。また、圧縮歪量は約２．７％であった。成長方法はＭＯＣＶＤ法で行なった。原料にはＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＩ(トリメチルインジウム)，ＡｓＨ3(アルシン)，ＰＨ3(フォスフィン)，そして窒素の原料にはＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用いた。
【００９５】
ＤＭＨｙは低温で分解するので、６００℃以下のような低温成長に適している。また、歪みの大きい量子井戸層を成長する場合は例えば５００℃〜６００℃程度の低温成長が好ましい。この実施例５では、ＧａＩｎＮＡｓ層は５４０℃で成長した。ＤＭＨｙは低温で分解するので、６００℃以下のような低温成長に適しており、特に低温成長の必要な歪みの大きい量子井戸層を成長する場合には好ましい。また、キャリアガスにはＨ2を用いた。
【００９６】
そして、フォトリソグラフィ−とエッチング工程により下部多層膜反射鏡１０２の上部まで直径３０μｍの円形にメサエッチングし、更に上部多層膜反射鏡１０９のみを直径１０μｍの円形にメサエッチングした。ＡｌxＯy電流狭さく部１０６は側面の現れたＡｌＡｓを水蒸気で側面から酸化して形成した。
【００９７】
次に、絶縁膜(ポリイミド)１１０でエッチング部を埋め込んで平坦化し、ｐ側電極１１１が形成されるべき部分と光取り出し口となる上部多層膜反射鏡１０９上のポリイミドを除去し、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０８上にｐ側電極１１１を形成し、基板１０１の裏面にはｎ側電極１１２を形成した。
【００９８】
図１０の半導体発光素子では、半導体基板１０１と活性層１０４との間のｎ−半導体多層膜反射鏡(下部半導体多層膜反射鏡)１０２として、Ａｌを含まないｎ−ＧａＩｎＰとｎ−ＧａＡｓを用いたので、大きな歪みを有する活性層１０４を劣化させずに容易に成長できた。
【００９９】
なお、半導体基板１０１と活性層１０４との間の下部半導体多層膜反射鏡１０２としては、Ａｌを含まず、屈折率の大きい材料と小さい材料の組み合せを用いることができる。具体的に、ＧａＩｎＰ(低屈折率層)とＧａＡｓ(高屈折率層)の組み合せの他、ＧａＩｎＰＡｓ(低屈折率層)とＧａＡｓ(高屈折率層)，ＧａＩｎＰ(低屈折率層)とＧａＩｎＰＡｓ(高屈折率層)，ＧａＩｎＰ(低屈折率層)とＧａＰＡｓ(高屈折率層)，ＧａＩｎＰ(低屈折率層)とＧａＩｎＡｓ(高屈折率層)，ＧａＩｎＰ(低屈折率層)とＧａＩｎＮＡｓ(高屈折率層)等の組み合せを用いることができる。もちろん、下部半導体多層膜反射鏡の材料としてＡｌを含まない材料を用いた方が、その上に大きな歪みを有する活性層を成長することが容易であるが、Ａｌを含んだ材料を用いても成長条件を適正化することで用いることはできる。具体的に、ＡｌＡｓ(低屈折率層)とＧａＡｓ(高屈折率層)の組み合せ，ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓ，ＡｌＡｓとＡｌＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ(Ａｌ組成が大きい)とＡｌＧａＡｓ(Ａｌ組成が小さい)等の組み合せを用いることができる。
【０１００】
また、活性層１０４より表面側の上部半導体多層膜反射鏡１０９(この実施例ではｐ−半導体多層膜反射鏡)にも、Ａｌを含まず、屈折率の大きい材料と小さい材料の組み合せを用いることができる。具体的に、ＧａＩｎＰ(低屈折率層)とＧａＡｓ(高屈折率層)の組み合せの他、ＧａＩｎＰＡｓ(低屈折率層)とＧａＡｓ(高屈折率層)，ＧａＩｎＰ(低屈折率層)とＧａＩｎＰＡｓ(高屈折率層)，ＧａＩｎＰ(低屈折率層)とＧａＰＡｓ(高屈折率層)，ＧａＩｎＰ(低屈折率層)とＧａＩｎＡｓ(高屈折率層)，ＧａＩｎＰ(低屈折率層)とＧａＩｎＮＡｓ(高屈折率層)等の組み合せを用いることができる。
【０１０１】
但し、活性層１０４より表面側の上部半導体多層膜反射鏡１０９(この実施例ではｐ−半導体多層膜反射鏡)としてはＡｌを含んでいてもかまわない。具体的に、ＡｌＡｓ(低屈折率層)とＧａＡｓ(高屈折率層)の組み合せ，ＡｌＧａＡｓとＧａＡｓ，ＡｌＡｓとＡｌＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ(Ａｌ組成が大きい)とＡｌＧａＡｓ(Ａｌ組成が小さい)等の組み合せを用いることができる。この場合、大きな歪み有する活性層１０４は、低温で成長されることから、できるだけ低温(例えば７００℃以下)で成長することが好ましい。また、上部半導体多層膜反射鏡１０９としては誘電体多層膜を用いることもできる。具体的には、ＴｉＯ2とＳｉＯ2の組み合せ等を用いることができる。
【０１０２】
このように作製した面発光レーザ(図１０の半導体レ−ザ)の発振波長は約１．３μｍであった。また、しきい電流密度は１ｋＡ／ｃｍ2以下であった。Ｉｎ組成を３０％より大きくし、圧縮歪み量を２％以上にしたことにより、従来より窒素組成を小さくでき、しきい電流密度を劇的に低減できた。高温での特性も良好であった。また長寿命であった。
【０１０３】
この実施例５では、ＭＯＣＶＤ法での成長の例を示したが、ＭＢＥ法等他の成長方法を用いることもできる。また、窒素の原料にＤＭＨｙを用いたが、活性化した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもできる。
【０１０４】
また、上述の例では、積層構造として３重量子井戸構造(ＴＱＷ)の例を示したが、他の井戸数の量子井戸を用いた構造(ＳＱＷ，ＭＱＷ)等を用いることもできる。また各層の組成厚さ等は必要に応じて他の値を設定できる。また、活性層１０４にはＧａＩｎＡｓを用いることもできる。レーザの構造も他の構造にしてもかまわない。
【実施例６】
【０１０５】
図１１は実施例６の半導体発光素子(半導体レーザ)を示す図である。図１１に示す半導体発光素子は面発光型である。この半導体発光素子は、発光を得るための共振器を構成するため、量子井戸活性層１２３の半導体基板１２１とは反対の側には上部反射鏡１２８が形成され、また、量子井戸活性層１２３の半導体基板１２１側には下部反射鏡１２９が形成されており、上部反射鏡１２８と下部反射鏡１２９のうちの少なくとも下部反射鏡１２９は、誘電体材料による低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層された誘電体多層膜として構成されている。この構成においても、上部反射鏡１２８，下部反射鏡１２９は、量子井戸活性層１２３からの発光に対する共振器として機能するようになっている。
【０１０６】
より具体的に、図１１の半導体発光素子は、面方位(１００)のｎ−ＧａＡｓ基板１２１上に、ＧａＡｓ基板１２１に格子整合するｎ−ＧａＩｎＰＡｓクラッド層１２２(膜厚が０．５μｍ)，３層のＧａ0.6Ｉｎ0.4Ｎ0.005Ａｓ0.995Ａｓ井戸層とＧａＡｓバリア層からなる多重量子井戸活性層(ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ
ＱＷ活性層)１２３，ｐ−ＧａＩｎＰＡｓクラッド層１２４(膜厚が１．５μｍ)，ＡｌxＯy電流狭さく層１２５，電流注入部としてのＡｌＡｓ層１２６(膜厚が５０ｎｍ)，ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１２７(膜厚が０．３μｍ)，ｐ−ＡｌＡｓとｐ−ＧａＡｓをそれぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造(２１周期)からなるｐ−半導体多層膜反射鏡(ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ上部半導体多層膜反射鏡)１２８が順次成長されている。また、図１１の半導体発光素子では、ＧａＡｓ基板１２１の一部がクラッド層１２２の表面までエッチングされ、このクラッド層１２２上にＴｉＯ2とＳｉＯ2の組み合わせからなる誘電体多層膜反射鏡(ＴｉＯ2／ＳｉＯ2下部誘電体多層膜反射鏡)１２９が形成されている。
【０１０７】
そして、電流狭さく層１２５，ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１２７の側面には絶縁膜(ポリイミド)１３０が形成され、また、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１２７上には、ｐ側電極１３１が形成され、また、ＧａＡｓ基板１２１の裏面にはｎ側電極１３２が形成されている。
【０１０８】
図１１の半導体発光素子を次のように作製した。すなわち、先ず、面方位(１００)のｎ−ＧａＡｓ基板１２１上に、ＧａＡｓ基板１２１に格子整合するｎ−ＧａＩｎＰＡｓクラッド層１２２(膜厚が０．５μｍ)，３層のＧａ0.6Ｉｎ0.4Ｎ0.005Ａｓ0.995Ａｓ井戸層とＧａＡｓバリア層からなる多重量子井戸活性層(ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ  ＱＷ活性層)１２３，ｐ−ＧａＩｎＰＡｓクラッド層１２４(膜厚が１．５μｍ)，ＡｌxＯy電流狭さく層１２５，電流注入部としてのＡｌＡｓ層１２６(膜厚が５０ｎｍ)，ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１２７(膜厚が０．３μｍ)，ｐ−ＡｌＡｓとｐ−ＧａＡｓをそれぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造(２１周期)からなるｐ−半導体多層膜反射鏡(ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ上部半導体多層膜反射鏡)１２８を順次に成長させた。
【０１０９】
ここで、井戸層のＩｎ組成ｘは４０％，窒素組成は０．５％とした。また、井戸層の厚さは７ｎｍとした。圧縮歪量は約２．７％であった。成長方法はＭＯＣＶＤ法で行なった。原料にはＴＭＧ(トリメチルガリウム)，ＴＭＩ(トリメチルインジウム)，ＡｓＨ3(アルシン)，ＰＨ3(フォスフィン)，そして窒素の原料にはＤＭＨｙ(ジメチルヒドラジン)を用いた。なお、Ａｌを含んだｐ−半導体多層膜反射鏡１２８は、活性層１２３への影響の小さい低温の６８０℃で成長した。
【０１１０】
そして、フォトリソグラフィ−とエッチング工程によりｐ−半導体多層膜反射鏡１２８の上部まで直径１０μｍの円形にメサエッチングし、更に直径３０μｍの円形にｐ−ＧａＡｓコンタクト層１２７をメサエッチングした。そして、絶縁膜(ポリイミド)１３０をコートして電流注入部１２６を開けて、ｐ側電極１３１を形成した。そして、半導体基板１２１をｎ−ＧａＩｎＰＡｓクラッド層１２２の表面が現れるまでエッチングし、ＴｉＯ2とＳｉＯ2の組み合せからなる誘電体多層膜反射鏡１２９を形成した。更に、基板１２１の裏面には、ｎ側電極１３２を形成した。このような構造では、光取り出し部は、基板１２１の裏面となる。
【０１１１】
この実施例６では、半導体基板１２１と大きな歪みを有する活性層１２３との間に半導体多層膜反射鏡を挿入せず、基板１２１側の反射鏡として誘電体多層膜を用いることで、大きな歪みを有する活性層１２３を劣化させずに容易に成長できた。
【０１１２】
換言すれば、半導体基板側の反射鏡を半導体部の外部に形成し、半導体基板と大きい歪みを有する量子井戸活性層との間にＡｌを含む半導体層を形成していないので、量子井戸活性層成長時のエピ基板表面の状態は良好であり、大きい歪みの量子井戸層を容易に良好に成長できた。
【０１１３】
このようにして作製した面発光レーザの発振波長は約１．３μｍであった。また、しきい電流密度は１ｋＡ／ｃｍ2以下であった。Ｉｎ組成を３０％より大きくし、圧縮歪み量を２％以上にしたことにより、従来より窒素組成を小さくでき、しきい電流密度を劇的に低減できた。高温での特性も良好であった。
【０１１４】
この実施例６では、ＭＯＣＶＤ法での成長の例を示したが、ＭＢＥ法等他の成長方法を用いることもできる。また、窒素の原料にＤＭＨｙを用いたが、活性化した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもできる。
【０１１５】
また、上述の例では、積層構造として３重量子井戸構造(ＴＱＷ)の例を示したが他の井戸数の量子井戸を用いた構造(ＳＱＷ，ＭＱＷ)等を用いることもできる。また各層の組成厚さ等は必要に応じて他の値を設定できる。また、活性層１２３にはＧａＩｎＡｓを用いることもできる。レーザの構造も他の構造にしてもかまわない。
【０１１６】
このような大きな歪みを有した活性層の品質は、構造，成長条件に非常に敏感であり、本発明はこれに絞って述べたが、もちろん本発明の構造，成長条件等は、活性層歪みが２％より小さくても効果があるものである。
【０１１７】
上述の各実施例では、半導体基板にＧａＡｓ基板が用いられている場合、ＧａＡｓ基板上の半導体材料としてＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓを用いるときの例を示したが、このほかにも、半導体基板にＧａＡｓ基板を用いる場合に、ＧａＡｓ基板上の半導体材料としてＧａＩｎＰ，ＧａＰＡｓを用いるとき、また半導体基板にＩｎＰ基板が用いられる場合に、ＩｎＰ基板上の半導体材料としてＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＰＡｓ，ＩｎＰＡｓ，ＩｎＮＰＡｓなどを用いるときなどにも、本発明を適用できる。すなわち、本発明は、半導体基板と格子定数の大きく異なる半導体を用いた半導体発光素子に有効となる。また、本発明は、他の発光素子，受光素子または電子素子等のIII−Ｖ族混晶半導体を用いた半導体素子にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明は、光通信用半導体発光素子，発光ダイオード，赤外光用フォトダイオードなどに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】本発明に係る半導体発光素子の構成例を示す図である。
【図２】図１の半導体発光素子の活性層の一例を示す図である。
【図３】面方位が(１００)であるＧａＡｓ基板上に形成された半導体発光素子のＰＬ特性と、面方位が(１００)から〔０１１〕方向に１５゜の角度で傾いているＧａＡｓ基板上に形成された半導体発光素子のＰＬ特性とを示す図である。
【図４】実施例１の半導体発光素子を示す図である。
【図５】図４の半導体発光素子の発振波長に対するしきい電流密度を示す図である。
【図６】実施例２の半導体発光素子を示す図である。
【図７】図６の半導体発光素子の連続動作における電流−電圧特性を示す図である。
【図８】実施例３の半導体発光素子を示す図である。
【図９】実施例４の半導体発光素子を示す図である。
【図１０】実施例５の半導体発光素子を示す図である。
【図１１】実施例６の半導体発光素子を示す図である。
【図１２】４つの試料ａ，ｂ，ｃ，ｄのＰＬ特性を示す図である。
【図１３】ガイド層としてＧａＩｎＰを用いた試料とＡｌＧａＡｓを用いた試料のＰＬ特性を示す図である。
【図１４】一般に支持されているＭａｔｔｈｅｗｓ  ａｎｄ  Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの理論に基づいて計算したＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＡｓ層の臨界膜厚を示す図である。
【図１５】ＧａＩｎＡｓ単一量子井戸層からのＰＬ中心波長とＰＬ強度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１２０】
１                半導体基板
３                活性層
２                歪み量子井戸層
４                クラッド層
５                バリア層
２１              ｎ−ＧａＡｓ基板
２２              ｎ−ＧａＡｓバッファ層
２３              ｎ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)下部クラッド層
２４              ＧａＡｓ光ガイド層
２５ａ，２５ｂ    Ｇａ1-xＩｎxＡｓ量子井戸層
２６              ＧａＡｓバリア層
２７              活性層(発光層)
２８              ＧａＡｓ光ガイド層
２９              ｐ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)上部クラッド層
３０              ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
３２              ｐ側電極
３１              絶縁膜
３３              ｎ側電極
４１              ｎ−ＧａＡｓ基板
４２              ｎ−ＧａＡｓバッファ層
４３              ｎ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)下部クラッド層
４４              ＧａＡｓ光ガイド層
４５ａ，４５ｂ    Ｇａ0.67Ｉｎ0.33Ｎ0.006Ａｓ0.994量子井戸層
４６              ＧａＡｓバリア層
４７              活性層(発光層)
４８              ＧａＡｓ光ガイド層
４９              ｐ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)上部クラッド層
５０              ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
５２              ｐ側電極
５１              絶縁膜
５３              ｎ側電極
６１              ｎ−ＧａＡｓ基板
６２              ｎ−ＧａＡｓバッファ層
６３              ｎ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)下部クラッド層
６４              ＧａＡｓ光ガイド層
６５ａ，６５ｂ    Ｇａ0.6Ｉｎ0.4Ｎ0.005Ａｓ0.995量子井戸層
６６              ＧａＡｓバリア層
６７              活性層(発光層)
６８              ＧａＡｓ光ガイド層
６９              ｐ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)上部クラッド層
７０              ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
７２              ｐ側電極
７１              絶縁膜
７３              ｎ側電極
８１              ｎ−ＧａＡｓ基板
８２              ｎ−ＧａＡｓバッファ層
８３              ｎ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)下部クラッド層
８４              ＧａＡｓ光ガイド層
８５ａ，８５ｂ    Ｇａ0.65Ｉｎ0.35Ｎ0.007Ａｓ0.993量子井戸層
８６ａ，８６ｂ，８６ｃ      ＧａＡｓバリア層
８７              活性層(発光層)
８８              ＧａＡｓ光ガイド層
８９              ｐ−ＧａＩｎＰ(Ａｓ)上部クラッド層
９０              ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
９２              ｐ側電極
９１              絶縁膜
９３              ｎ側電極
１０１            ＧａＡｓ基板
１０２            下部半導体多層膜反射鏡
１０３            ＧａＡｓスペ−サ層
１０４            活性層
１０５            ＧａＡｓスペ−サ層
１０６            電流狭さく層
１０７            電流注入層
１０８            ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１０９            上部半導体多層膜反射鏡
１１０            絶縁膜
１１１            ｐ側電極
１１２            ｎ側電極
１２１            ＧａＡｓ基板
１２２            ＧａＩｎＰＡｓクラッド層
１２３            活性層
１２４            ＧａＩｎＰＡｓクラッド層
１２５            電流狭さく層
１２６            電流注入部
１２７            ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１２８            上部半導体多層膜反射鏡
１２９            下部誘電体多層膜反射鏡
１３０            絶縁膜
１３１            ｐ側電極
１３２            ｎ側電極
１３１            ｐ側電極
１３２            ｎ側電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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