(57)【要約】【課題】量子井戸効果を向上させて温度特性の向上を実現すると同時に、格子不整合を抑制して信頼性の高い構造を有する半導体レーザを提供する。【解決手段】ＧａＡｓ基板２上に、井戸層８ｂを障壁層８ａ、８ｃで挟んだ超格子構造の活性層８を備えた半導体レーザにおいて、井戸層８ｂはＧａ1-xＩｎxＮyＡｓ1ーy、障壁層８ａ、８ｂはＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰjまたはＧａＡｓ1-jＰjで形成され、井戸層８ｂと障壁層８ａ、８ｃとを少なくとも１組以上積層している。井戸層８ｂのＩｎの組成比ｘを小さくしても、量子井戸における伝導帯及び価電子帯での電子及び正孔の閉じ込め効果が十分に得られ、温度特性が向上する。更に、Ｉｎの組成比ｘを小さくすることにより、格子不整合が抑えられて、ＧａＡｓ基板２からの応力歪みが抑えられ、信頼性が向上する。【選択図】図１
2007194672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、ＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であって窒素を含む２以上のＶ族元素を有し、遷移エネルギの１次の温度係数が−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下である第１の半導体層と、
前記半導体基板上に設けられ、ＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であって窒素を含む２以上のＶ族元素を有し、遷移エネルギの１次の温度係数が−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下である第２の半導体層と
を備え、
前記第２の半導体層は、前記第１の半導体層の第１の面とこの第１の面に対向する第２の面に接して前記第１の半導体層を挟み、
前記第１の半導体層の数は１以上であり、
前記第１の半導体層は井戸層であり、
前記第２の半導体層は障壁層である、ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１の半導体層および前記第２の半導体層の少なくとも一方は、２．３ｅＶ以下の遷移エネルギを有し、且つ、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層の少なくとも一方に含まれるＶ族元素における窒素組成が４０％以下である、を特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１の半導体層および前記第２の半導体層の少なくとも一方は、組成が１％以上９％以下の窒素を含むＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体層である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１の半導体層および前記第２の半導体層の少なくとも一方は、組成が３％以上９％以下の窒素、組成が０％より大きく３０％以下のＩｎ、を含むＧａ1ーxＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体層である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された半導体発光素子。
【請求項５】
前記第２の半導体層は、組成が１％以上９％以下の窒素を含むＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体層であり、前記第１の半導体層は、組成が３％以上９％以下の窒素および組成が０％より大きく３０％以下のＩｎを含むＧａ1ーxＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体層である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に半導体発光素子。
【請求項６】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、ＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であって窒素を含む２以上のＶ族元素を有し、Ｖ族元素における窒素組成が４０％以下であり、遷移エネルギの１次の温度係数が−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下である半導体層と、
を備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
前記半導体層は、組成が１％以上９％以下の窒素を含むＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体層、または、組成が３％以上９％以下の窒素および組成が０％より大きく３０％以下のＩｎを含むＧａ1ーxＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体層である、ことを特徴とする請求項６に記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子井戸構造を有する半導体発光素子に関し、特に、温度特性がすぐれた半導体発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光通信用に使用される半導体レーザとして、ＩｎＰ基板上に、ＧａＩｎＡｓＰ井戸層をＧａＩｎＡｓＰ障壁層で挟んだ超格子構造の活性層を備えた量子井戸レーザが知られている。
【０００３】
しかし、この量子井戸レーザは、ＩｎＰクラッド若しくはＧａＩｎＡｓＰ障壁層の伝導帯エネルギーＥcbとＧａＩｎＡｓＰ井戸層の伝導帯エネルギーＥcwとのエネルギー差ΔＥc（＝Ｅcb−Ｅcw）が小さいため、量子井戸内のキャリア（電子）の閉じ込めが十分でなく、高温では電子が障壁を越えて漏れ出す。このため、温度特性（Ｔ０）が劣化するという問題があった。
【０００４】
この温度特性（Ｔ０）の向上を図るために、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層から成る活性層を備えた半導体レーザが提案されている（文献；エレクトロニクス・レターズ  Vol.32，1996年，第2244頁〜第2245頁）。
【０００５】
この文献によれば、活性層をＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ超格子構造とすると、図１１（ａ）のバンド構造に示すように、ＧａＡｓ障壁層の伝導帯エネルギーＥcbとＧａＩｎＮＡｓ井戸層の伝導帯エネルギーＥcwとのエネルギー差ΔＥcが大きくなるため、高温であっても十分な電子の閉じ込め効果が得られ、温度特性（Ｔ０）の改善が図れるとしている。
【０００６】
更に、活性層をＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ超格子構造とすると、ＧａＡｓ障壁層とＧａＩｎＮＡｓ井戸層との価電子帯側でのエネルギー差ΔＥvが小さくなるという傾向があるが、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層のＩｎの組成比を大きくすることにより、価電子帯側のエネルギー差ΔＥvを大きくすることができ、正孔の閉じ込め効果が得られるとしている。
【非特許文献１】エレクトロニクス・レターズ Vol.32，1996年，第2244頁〜第2245頁
【非特許文献２】Jpn.  J.  Appl.  Phys.  Vol.35（1996)  pp.1273-1275
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の半導体レーザでは次のような問題があった。上記従来の半導体レーザでは、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層のＩｎの組成比を大きくすることで、価電子帯側での正孔の閉じ込め効果が得られるようにしている。しかし、ＧａＩｎＮＡｓは、原子半径の大きく異なる元素によって構成される混晶半導体であるため、均一な組成の結晶を得ることが難しい。図１１（ｂ）に、III族元素とＶ族元素の原子半径を示すが、Ｎ（窒素）とＩｎ（インジウム）では原子半径が約２倍も異なり、Ｉｎの添加量を増加するとＮの添加が困難となり、ＧａＩｎＮＡｓの結晶性が極端に悪化する。これは、半導体材料を構成する元素に起因する本質的な現象であるため、結晶性の改善が極めて困難であった。
【０００８】
特に、光の閉じ込め効率を向上させるために多重井戸（ＭＱＷ）レーザを形成する場合には、Ｉｎの添加量が多いと格子不整合の影響が顕著に現れることとなり、ＧａＡｓ基板からの応力歪みにより信頼性が低下する。
【０００９】
尚、文献（Jpn.  J.  Appl.  Phys.  Vol.35（1996)  pp.1273-1275）には、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層をＡｌＧａＡｓ障壁層で挟むことで、前記価電子帯側でのエネルギー差ΔＥvを大きくする提案もなされているが、ＡｌＧａＡｓ障壁層中のＡｌ（アルミニウム）が酸化し易いことから、信頼性の低下を招くという問題がある。
【００１０】
本発明は上記従来技術の課題を克服するためになされたものであり、温度特性（Ｔ０）に優れた半導体発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る半導体発光素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、ＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であって窒素を含む２以上のＶ族元素を有し、遷移エネルギの１次の温度係数が−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下である第１の半導体層と、前記半導体基板上に設けられ、ＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であって窒素を含む２以上のＶ族元素を有し、遷移エネルギの１次の温度係数が−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下である第２の半導体層とを備え、前記第２の半導体層は、前記第１の半導体層の第１の面とこの第１の面に対向する第２の面に接して前記第１の半導体層を挟み、前記第１の半導体層の数は１以上であり、前記第１の半導体層は井戸層であり、前記第２の半導体層は障壁層である。
本発明に係る半導体発光素子では、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層の少なくとも一方は、２．３ｅＶ以下の遷移エネルギを有し、且つ、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層の少なくとも一方に含まれるＶ族元素における窒素組成が４０％以下であることが好ましい。
本発明に係る半導体発光素子では、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層の少なくとも一方は、組成が１％以上９％以下の窒素を含むＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体層であることが好ましい。
本発明に係る半導体発光素子では、前記第１の半導体層および前記第２の半導体層の少なくとも一方は、組成が３％以上９％以下の窒素、組成が０％より大きく３０％以下のＩｎ、を含むＧａ1ーxＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体層であることが好ましい。
本発明に係る半導体発光素子では、前記第２の半導体層は、組成が１％以上９％以下の窒素を含むＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体層であり、前記第１の半導体層は、組成が３％以上９％以下の窒素および組成が０％より大きく３０％以下のＩｎを含むＧａ1ーxＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体層であることが好ましい。
【００１２】
本発明に係る半導体発光素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、ＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であって窒素を含む２以上のＶ族元素を有し、Ｖ族元素における窒素組成が４０％以下であり、遷移エネルギの１次の温度係数が−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下である半導体層と、を備える。
本発明に係る半導体発光素子では、前記半導体層は、組成が１％以上９％以下の窒素を含むＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体層、または、組成が３％以上９％以下の窒素および組成が０％より大きく３０％以下のＩｎを含むＧａ1ーxＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体層であることが好ましい。
【００１３】
本発明の半導体発光素子は、半導体基板と、半導体基板上に設けられ、ＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であって窒素を含む２以上のＶ族元素を含み、遷移エネルギの１次の温度係数が−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下である第１の半導体層と、を備える。
このように、ＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体に窒素を含む２以上のＶ族元素を含むようにしたので、遷移エネルギの１次の温度係数を零に近づけることができる。また、窒素組成を所定の濃度にして、遷移エネルギの１次の温度係数を零点を含む−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下であるので、半導体発光素子の発光波長の温度依存性が低減される。
【００１４】
本発明の半導体発光素子では、半導体基板上に設けられ、ＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であって窒素を含む２以上のＶ族元素を含み、遷移エネルギの１次の温度係数が−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下である第２の半導体層を備え、第２の半導体層は、第１の半導体層の第１の面とこの第１の面に対向する第２の面に接して第１の半導体層を挟み、第１の半導体層の数は１以上である、ようにしてもよい。
このように、更に、窒素を含む２以上のＶ族元素を含み遷移エネルギの１次の温度係数がかかる範囲の第２の半導体層を備えて、第１の半導体層によって第２の半導体層を挟めば、超格子構造の半導体発光素子が形成される。
【００１５】
本発明の半導体発光素子では、第１の半導体層および第２の半導体層の少なくとも一方は、２．３ｅＶ以下の遷移エネルギを有し、且つ、第１の半導体層および第２の半導体層の少なくとも一方に含まれるＶ族元素における窒素組成が４０％以下であるようにしてもよい。
【００１６】
このように、発光素子として好適な波長範囲を達成できる遷移エネルギを有する半導体層を用いて、半導体発光素子を形成できる。
【００１７】
本発明の半導体発光素子は、半導体基板と、半導体基板上に設けられ、組成が１％以上９％以下の窒素を含むＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体層と、を備える。
【００１８】
このように、ＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体を採用し窒素組成が１％以上９％以下にすれば、遷移エネルギの１次の温度係数の値が小さくなるので、発光波長の温度依存性が低減された半導体発光素子が得られる。
【００１９】
本発明の半導体発光素子は、半導体基板と、半導体基板上に設けられ、組成が３％以上９％以下の窒素、組成が０％より大きく３０％以下のＩｎ、を含むＧａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体層と、を備える。
【００２０】
このように、Ｇａ1−xＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体を採用し窒素組成が３％以上９％以下にすれば、遷移エネルギの１次の温度係数の値が小さくなるので、発光波長の温度依存性が低減された半導体発光素子が得られる。
【００２１】
本発明の半導体発光素子は、組成が１％以上９％以下の窒素を含むＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体層、並びに、組成が３％以上９％以下の窒素および組成が０％より大きく３０％以下のＩｎを含むＧａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体層、の少なくともいずれかを１層以上備えるようにしてもよい。
【００２２】
このように、組成の異なる複数の半導体層で発光素子を構成すれば、格子整合の調整が好適に行うことが可能になり、また様々な波長で発光し、且つ温度特性が優れた発光素子が作製可能になる。また、異なる半導体層を交互に積層すれば、超格子構造が構成される。
【００２３】
なお、以下のような遷移エネルギの１次の温度係数を有する半導体層であっても良い。本発明の半導体発光素子では、半導体基板と、半導体基板上に設けられ、遷移エネルギの１次の温度係数−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下を達成するための組成ｙである少なくとも１層以上のＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体と、を備える。また、本発明の半導体発光素子では、半導体基板と、半導体基板上に設けられ、Ｉｎ組成ｘが０％より大きく３０％以下であり、遷移エネルギの１次の温度係数が−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下を達成するための組成ｙである少なくとも１層以上のＧａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体と、を備える。
【００２４】
このように、ＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体およびＧａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体を採用し遷移エネルギの１次の温度係数−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下にすると、遷移エネルギの１次の温度係数が零近傍の値になるので、発光波長の温度依存性が低減された半導体発光素子が得られる。
【００２５】
本発明は、ＧａＡｓ基板上に、第１の層を第２の層で挟んだ超格子構造の活性層を備えた端面発光型または面発光型の半導体レーザにおいて、前記第１の層はＧａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y、前記第２の層はＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj（但し、０≦ｉ＜１）から成り、前記第１の層と第２の層とが少なくとも１組以上積層された構造を備えることとした。
また、ＧａＡｓ基板上に、第１の層を第２の層で挟んだ超格子構造の活性層を備えた半導体レーザにおいて、前記第１の層はＧａＮyＡｓ1-y、前記第２の層はＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj（但し、０≦ｊ＜１）から成り、前記第１の層と第２の層とが少なくとも１組以上積層された構造を備えることとした。
【００２６】
また、前記第１の層と第２の層の厚みを、２原子層以上、１０原子層以下の範囲内にした。
【００２７】
前者の発明では、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-yの第１の層をＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj（但し、０≦ｉ＜１）の第２の層で挟んだ超格子構造の活性層は、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y層のＩｎの組成比ｘを小さくしても、量子井戸における伝導帯及び価電子帯での電子及び正孔の閉じ込め効果（量子井戸効果）が十分に得られ、温度特性が向上する。更に、Ｉｎの組成比ｘを小さくすることにより、格子不整合が抑えられて、ＧａＡｓ基板からの応力歪みが低減され、信頼性の高い半導体レーザが形成される。
【００２８】
後者の発明では、ＧａＮyＡｓ1-yの第１の層とＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj（但し、０≦ｊ＜１）の第２の層について良好な結晶性が得られる。即ち、Ｎを含みＩｎを含まないIII−Ｖ族化合物半導体の第１の層と、Ｎを含まずＩｎを含むIII−Ｖ族化合物半導体の第２の層を積層して超格子構造の活性層を形成することで、ＮとＩｎを分離して積層することができ、活性層の結晶性が向上することにより、温度特性（Ｔ０）に優れた半導体レーザが実現できる。
【００２９】
また、超格子のバンドギャップ構造が電子と正孔を空間的に分離して閉じ込めることが可能になるため、発振波長の長波長化に有利に作用する。また、活性層の平均の格子定数をＧａＡｓ基板と等しくすることができ、信頼性の高い半導体レーザを実現することができる。
【００３０】
また、前記第１の層と第２の層の厚みを、２原子層以上、１０原子層以下の範囲内にすると、電子の波動関数と正孔の波動関数の夫々が第１の層と第２の層への染み出しが大きくなり、双方の波動関数の重なりが増加する。このため、光学的遷移確率が増加して、発光効率が増加する。
【００３１】
半導体レーザは、ＧａＡｓ基板上に、第１の層を第２の層で挟んだ超格子構造の活性層を備えた端面発光型の半導体レーザにおいて、前記第１の層はＧａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y、前記第２の層はＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj（但し、０≦ｉ＜１）から成り、前記第１の層と第２の層とが少なくとも１組以上積層された構造を有することができる。
また、この半導体レーザは、 ＧａＡｓ基板上に、第１の層を第２の層で挟んだ超格子構造の活性層を備えた面発光型の半導体レーザにおいて、前記第１の層はＧａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y、前記第２の層はＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj（但し、０≦ｉ＜１）から成り、前記第１の層と第２の層とが少なくとも１組以上積層された構造を有する。
上記の半導体レーザでは、発振波長が１．３μｍ帯もしくはそれより短波長であることが好ましい。
上記の半導体レーザでは、前記Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y層のＩｎの組成比ｘが、０＜ｘ≦０．２５の範囲内の値であることが好ましい。
上記の半導体レーザでは、前記Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj層のＩｎの組成比ｉとＰの組成比ｊが、ｉ≦（ｊ−０．０９６８）÷１．１の関係に設定されることが好ましい。
上記の半導体レーザでは、前記Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj層（但し、０≦ｉ＜１）は、前記ＧａＡｓ基板の格子定数と等しいか又は小さな格子定数であることが好ましい。
上記の半導体レーザでは、前記第１の層はＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.013Ａｓ0.987、前記第２の層はＧａ0.9Ｉｎ0.1Ａｓ0.81Ｐ0.19であることが好ましい。
上記の半導体レーザでは、前記第１の層はＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.013Ａｓ0.987、前記第２の層はＧａＡｓ0.92Ｐ0.08であることが好ましい。
上記の半導体レーザでは、前記Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj層は、ＧａＡｓ1-jＰjから成ることが好ましい。
上記の半導体レーザでは、前記Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj層は、ＧａＡｓ0.92Ｐ0.08から成ることが好ましい。
上記の半導体レーザは、ＧａＡｓ基板上に、第１の層を第２の層で挟んだ超格子構造の活性層を備えた半導体レーザにおいて、前記第１の層はＧａＮyＡｓ1-y、前記第２の層はＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj（但し、０≦ｊ＜１）から成り、前記第１の層と第２の層とが少なくとも１組以上積層された構造を有する。
この半導体レーザでは、前記第１の層と前記第２の層で構成される超格子構造の活性層の平均の格子定数がＧａＡｓの格子定数に等しいことが好ましい。
この半導体レーザでは、前記第１の層と前記第２の層で構成される超格子構造の活性層のエネルギーポテンシャルが、電子に対しては前記第１の層が井戸、前記第２の層が障壁となり、正孔に対しては前記第２の層が井戸、前記第１の層が障壁となることが好ましい。
この半導体レーザでは、前記第１の層と第２の層の厚みが、２原子層以上、１０原子層以下の範囲内であることが好ましい。
上記の半導体レーザは、優れた温度特性（Ｔ０）および高い信頼性を有する。
【発明の効果】
【００３２】
以上説明したように、本発明によれば、温度特性（Ｔ０）に優れた半導体発光素子を提供することを目的とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
（第１の実施の形態）
本発明の好適な第１の実施の形態を図１〜図５を参照して説明する。図１は、発振波長が１．３μｍ帯以下の端面発光型半導体レーザの構造及び製造工程を示す縦断面図である。
図１に基づいてこの端面発光型半導体レーザの構造及び製造工程を説明する。第１の工程（同図（ａ））で、有機金属気相成長法により、ｎ−ＧａＡｓ（００１）基板２上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層４、ｎ−ＧａＩｎＰ下部クラッド層６、活性層８及びｐ−ＧａＩｎ上部クラッド層１０を連続的に成長させる。
【００３４】
ここで、活性層８は、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y井戸層８ｂを、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層８ａ，８ｃで挟むことにより、超格子構造を実現している。より具体的には、井戸層８ｂは、Ｉｎの組成比ｘが、０＜ｘ≦０．２５の範囲内の値（以下、第１の組成条件という）に設定され、例えば、厚さ１０ｎｍのＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.013Ａｓ0.987層にて形成する。
【００３５】
障壁層８ａ，８ｃは、Ｐの組成比ｊとＩｎの組成比ｉが、ｉ≦（ｊ−０．０９６８）÷１．１の条件（以下、第２の組成条件という）を満足し、且つ、その格子定数がＧａＡｓ基板２の格子定数よりも小さくなる組成（以下、第３の組成条件という）に設定されており、例えば、いずれも厚さ５０ｎｍのＧａ0.9Ｉｎ0.1Ａｓ0.81Ｐ0.19層にて形成する。
【００３６】
次に、第２の工程（同図（ｂ））で、ｐ−ＧａＩｎＰクラッド層１０上に、ＳｉＮ膜から成る幅５μｍのストライプパターン１２を形成した後、そのストライプパターン１２をマスクとしてｐ−ＧａＩｎＰクラッド層１０の上部を選択的にエッチングすることにより、厚さ１．５μｍのｐ−ＧａＩｎＰリッジストライプ部１４を形成する。
【００３７】
次に、第３の工程（同図（ｃ））で、ｐ−ＧａＩｎＰのクラッド層１０及びリッジストライプ部１４をｎ−ＡｌＧａＩｎＰ層で埋め込み、それを埋め込み層１６とする。このｎ−ＡｌＧａＩｎＰ埋め込み層１６を設けることにより、ｐ−ＧａＩｎＰリッジストライプ部１４への電流狭窄を実現している。更に、ｐ−ＧａＩｎＰリッジストライプ部１４の屈折率がｎ−ＡｌＧａＩｎＰ埋め込み層１６の屈折率よりも高いため、ｐ−ＧａＩｎＰリッジストライプ部１４の下部の活性領域において光を閉じ込めるための屈折率導波効果を実現している。
【００３８】
次に、ｐ−ＧａＩｎＰクラッド層１０及びｎ−ＡｌＧａＩｎＰ埋め込み層１６上にｐ−ＧａＡｓコンタクト層１８を成長する。
【００３９】
第４の工程（同図（ｄ））では、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１８上にｐ−電極２０を形成し、更に、ｎ−ＧａＡｓ基板２を裏面側から薄層化しその裏面にｎ−電極２２を形成する。そして、劈開によりレーザの共振器を形成することにより、端面出射型半導体レーザを完成する。
【００４０】
図２は、この半導体レーザにおいて、Ｇａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.013Ａｓ0.987井戸層８ｂとＧａ0.9Ｉｎ0.1Ａｓ0.81Ｐ0.19障壁層８ａ，８ｃから成る活性層８のバンド構造を示している。量子井戸における伝導帯側のエネルギー差ΔＥcが約４４０ｍｅＶ、価電子帯側のエネルギー差ΔＥvが約６０ｍｅＶとなった。この結果、伝導帯側での電子の閉じ込め効果、及び価電子帯側での正孔の閉じ込め効果が十分に得られ、温度特性（Ｔ０）の向上が確認された。更に、格子不整合の比率が実用上許容される０．１５％以下に抑えられた。このため、ＧａＡｓ基板２からの応力歪みが低減され、信頼性の向上が確認された。
【００４１】
尚、図２は、本発明の理解を容易にするための代表例として、井戸層８ｂをＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.013Ａｓ0.987、障壁層８ａ，８ｃをＧａ0.9Ｉｎ0.1Ａｓ0.81Ｐ0.19に特定した場合のバンド構造を示している。よって、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y井戸層８ｂとＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層８ａ，８ｃにおける前記第１〜第３の組成条件を満足する全ての活性層８のバンド構造を示してはいない。しかし、活性層８を前記第１〜第３の組成条件で形成すると、図２と同様の傾向のバンド構造が得られると共に、格子不整合の抑制効果が得られる。
【００４２】
以下、前記第１〜第３の組成条件を満足すると、温度特性（Ｔ０）の向上と格子不整合の抑制効果が得られることを、図４及び図５を参照して説明する。尚、図４及び図５は、実験によって得られた特性図である。
【００４３】
図４は、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y井戸層８ｂの特性を示しており、横軸はそのＩｎの組成比ｘ、縦軸はＮの組成比ｙを示している。実線Ａは、発振波長が１．３μｍ帯の発振波長に相当するバンドギャップＥgが得られるときの、Ｉｎ とＮの組成比ｘ，ｙの関係を示している。
【００４４】
実線Ｂ１は、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y井戸層８ｂを仮にＧａＡｓ障壁層で挟んだ場合に、実用上許容される格子不整合の最大比率（＋０．１５％）となるときの組成比ｘ，ｙの関係を示している。実線Ｂ２は、格子不整合の比率が＋０．１％となるときの組成比ｘ，ｙの関係を示している。また、実線Ｂ１とＢ２の位置関係から、Ｉｎの組成比ｘを小さくするほど、格子不整合の比率が小さくなるという傾向が示されている。
【００４５】
図５は、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層８ａ，８ｃの特性を示しており、横軸はＰの組成比ｊ、縦軸はＩｎの組成比ｉを示している。実線Ｌ１は、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層８ａ，８ｃのＩｎとＰの組成比ｉ，ｊをｉ＝０．１とｊ＝０．１９にした場合の点Ｑ１と、ｉ＝０とｊ＝０．０８にした場合の点Ｑ２とを近似的に結んだ直線である。ＩｎとＰの組成比ｉ，ｊがこの実線Ｌ１上の値であれば、前記第１の組成条件に設定されたＧａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y井戸層８ｂの価電子帯エネルギーＥvwよりも、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層８ａ，８ｃの価電子帯エネルギーＥvbの方が約６０ｍｅＶ以上低くなることを示している。即ち、実線Ｌ１は、価電子帯側のエネルギー差ΔＥv（＝Ｅvw−Ｅvb）が約 ６０ｍｅＶ以上になるときの組成比ｉ，ｊを示している。
【００４６】
また、この実線Ｌ１で画成された右側の領域ＡL1も、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y井戸層８ｂの価電子帯エネルギーＥvwとＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層８ａ，８ｃの価電子帯エネルギーＥvbとのエネルギー差ΔＥv（＝Ｅvw−Ｅvb）が、約６０ｍｅＶ以上となるときの、ＩｎとＰの組成比ｉ，ｊの範囲を示している。
【００４７】
実線Ｌ２は、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層８ａ，８ｃの格子定数がＧａＡｓ基板２のそれよりも小さくなるときの、ＩｎとＰの組成比ｉ，ｊを示している。また、実線Ｌ２で画成される右側の領域ＡL2も、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層８ａ，８ｃの格子定数がＧａＡｓ基板２のそれよりも小さくなるときの、ＩｎとＰの組成比ｉ，ｊの範囲を示している。
【００４８】
まず、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y井戸層８ｂのＩｎの組成比ｘを、０＜ｘ≦０．２５に設定したことで、この井戸層８ｂの格子不整合の比率を実用上許容される＋０．１５％以下にすることが可能となった。即ち、図４において、実線ＡとＢ１の交点ＱでのＩｎの組成比ｘは０．２５であり、ｘ＝０．２５のときに許容可能な格子不整合の比率が最大（最も悪い比率）になる。したがって、Ｉｎの組成比ｘを０＜ｘ≦０．２５に設定したことで、格子不整合の比率を常に＋０．１５％以下にすることが可能となり、ＧａＡｓ基板からの応力歪みを抑制することが可能になった。
【００４９】
但し、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y井戸層８ｂの価電子帯エネルギーＥvwは、Ｉｎの組成比ｘを小さくするほど低くなり、逆にＩｎの組成比ｘを大きくするほど高くなるという特性を有している。このため、価電子帯側での正孔の閉じ込め効果を向上させようとする観点からすると、Ｉｎの組成比ｘを単純に０＜ｘ≦０．２５の範囲に設定しただけでは、格子不整合の抑制が可能になっても、正孔の閉じ込め効果が低下するという問題が生じることになる。
【００５０】
しかし、本発明の半導体レーザでは、障壁層８ａ，８ｃをＧａＡｓではなく、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰjで形成したことにより、この問題点を解決している。即ち、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰjは、Ｐ（リン）を含むことで価電子帯エネルギーＥvbが低くなるという特性を有しているため、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y井戸層８ｂのＩｎの組成比ｘを０＜ｘ≦０．２５の範囲に設定したことでその価電子帯エネルギーＥvwが低くなっても、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層８ａ，８ｃの価電子帯エネルギーＥvbも低くなることから、井戸層８ｂと障壁層８ａ，８ｃ間でのエネルギー差ΔＥv（＝Ｅvw−Ｅvb）が小さくならない。更に、図５中の領域ＡL1は、ｉ≦（ｊ−０．０９６８）÷１．１の範囲と一致している。したがって、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層８ａ，８ｃの組成を前記第２の組成条件に基づいて設定することにより、正孔の閉じ込め効果が十分に得られる。
【００５１】
更に、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層８ａ，８ｃは、Ｉｎの組成比ｉを過度に大きくすると、ＧａＡｓ基板２の格子定数より大きくなるため、応力歪みが発生し信頼性が低下することとなる。しかし、ＩｎとＰの組成比ｉ，ｊを前記第３の組成条件に基づいて設定したため、これらの組成比ｉ，ｊは図５中の領域ＡL1と領域ＡL2の重複範囲ＡL1・ＡL2となる。この結果、ＧａＡｓ基板２とＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層８ａ，８ｃとの格子不整合が抑制されると同時に、価電子帯側の十分なエネルギー差ΔＥvが確保されている。
【００５２】
以上に説明したように、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y井戸層８ｂとＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層８ａ，８ｃの組成を前記第１〜第３の組成条件に基づいて設定したことにより、キャリア閉じ込めの効果及び温度特性（Ｔ０）に優れ、且つ格子不整合が抑制されて信頼性の高い構造を有する端面出射型半導体レーザを実現することができる。
【００５３】
尚、以上の説明では、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y井戸層８ｂとＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層８ａ，８ｃとによる超格子構造の活性層８について説明したが、障壁層８ａ，８ｃを、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰjの代わりに、ＧａＡｓ基板２より格子定数の小さなＧａＡｓ1-jＰjで形成してもよい。
【００５４】
図３は、好適な態様として、厚さ１０ｎｍのＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.013Ａｓ0.987井戸層８ｂを 厚さ５０ｎｍのＧａＡｓ0.92Ｐ0.08障壁層８ａ，８ｃで挟んだ活性層８のバンド構造を示している。量子井戸における伝導帯側のエネルギー差ΔＥcが約４５０ｍｅＶ、価電子帯側のエネルギー差ΔＥvが約６０ｍｅＶとなった。この結果、伝導帯側での電子の閉じ込め効果、及び価電子帯側での正孔の閉じ込め効果が十分に得られ、温度特性（Ｔ0）の向上が確認された。更に、ＧａＡｓ1-jＰj障壁層８ａ，８ｃは、図５中の点Ｑ２における組成に相当するため、格子不整合の比率が実用上許容される０．１５％以下に抑えられる。このため、ＧａＡｓ基板２からの応力歪みが低減され、信頼性の向上が可能となる。
【００５５】
（第２の実施の形態）
本発明の好適な第２の実施の形態を図６を参照して説明する。尚、図６は、発振波長が１．３μｍ帯以下の面発光型半導体レーザの構造及び製造工程を示す縦断面図である。
【００５６】
図６に基づいて、この面発光型半導体レーザの構造及び製造工程を説明する。第１の工程（同図（ａ））で、有機金属気相成長法により、ｎ−ＧａＡｓ（００１）基板２４上に、ｎ−ＧａＡｓから成る厚さ２００ｎｍのバッファ層２６、ＤＢＲミラー層２８、ｎ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓから成る厚さ０．２μｍの下部クラッド層３０、活性層３２、ｐ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓから成る厚さ０．２μｍの上部クラッド層３４及び、ミラー層３６を成長する。
【００５７】
ここで、ＤＢＲミラー層２８は、レーザ波長の１／４に相当する厚さのｎ−ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ層を２０．５ペア積層することにより形成している。
【００５８】
活性層８は、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-yから成る井戸層を５層、これらを挟む障壁層をＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰjで成長することにより、多重井戸構造としている。より具体的には、前記の各井戸層は、Ｉｎの組成比ｘが、０＜ｘ≦０．２５の範囲内の値（第１の組成条件）に設定され、例えば、厚さ１０ｎｍのＧａ0.75Ｉｎ0.25Ｎ0.013Ａｓ0.987層にて形成する。前記の各障壁層は、Ｐの組成比ｊとＩｎの組成比ｉが、ｉ≦（ｊ−０．０９６８）÷１．１の条件（第２の組成条件）を満足し、且つ、その格子定数がＧａＡｓ基板２の格子定数よりも小さくなる組成（第３の組成条件）に設定されており、例えば、いずれも厚さ５０ｎｍのＧａ0.9Ｉｎ0.1Ａｓ0.81Ｐ0.19層にて形成する。
【００５９】
更に、ミラー層３６は、レーザ波長の１／４に相当する厚さのｐ−ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ層を２５ペア積層することにより形成する。
【００６０】
次に、第２の工程（同図（ｂ））で、ミラー層３６の１０μｍφの領域を残して、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層３４までプロトンを注入することにより、ミラー層３６の下部に１０μｍφの電流狭窄部を実現するための閉じ込め層３８を形成する。
【００６１】
第３の工程（同図（ｃ））では、上面側の全面にｐ−電極４０を形成する。次に、第４の工程（同図（ｄ））で、ｎ−ＧａＡｓ基板２４を裏面側から薄層化して全体の厚みを１００μｍ程度にした後、ｐ−電極２４の裏面を鏡面仕上げし、更に、レーザ出射領域以外の部分にｎ−電極４２を形成して、レーザ出射領域に反射防止膜４４を形成することにより、この半導体レーザが完成する。
【００６２】
この面発光型半導体レーザにおいても、活性層３４のバンド構造が図２と同様になり、且つ、図４及び図５を参照して説明した第１の実施の形態と同様の効果が得られる。このため、電子と正孔の閉じ込め効果が十分に得られ、更に、格子不整合が抑制されることで信頼性が向上する。
【００６３】
即ち、前記第１の組成条件に基づいてＧａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y井戸層の組成を設定したことにより、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y井戸層の格子不整合が抑制される。この結果、ＧａＡｓ基板２４からの応力歪みを抑制することが可能となり、信頼性の向上を図ることができる。特に、光の閉じ込め効率の向上を図るための多重井戸構造を容易に実現することができる。
【００６４】
更に、第２の組成条件に基づいてＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層の組成を設定したことにより、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層の価電子帯エネルギーＥvbとＧａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y井戸層の価電子帯エネルギーＥvwとのエネルギー差ΔＥv（＝Ｅvw−Ｅvb）が、正孔を有効に量子井戸中に閉じ込めるための十分なエネルギー差となる。更に、第３の組成条件に基づいてＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層の組成を設定したことにより、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層のＧａＡｓ基板２４に対する格子不整合が抑制される。
【００６５】
また、図６には、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y井戸層とＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層とを多重積層して多重井戸構造にした場合を示すが、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層の代わりに、ＧａＡｓ1-jＰj障壁層を適用してもよい。即ち、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y井戸層とＧａＡｓ1-jＰj障壁層によって多重井戸構造を形成すると、図３と同様のバンド構造が得られ、且つ、図４及び図５を参照して説明した第１の実施の形態と同様の効果が得られる。このため、電子と正孔の閉じ込め効果が十分に得られ、更に、格子不整合が抑制されて信頼性が向上する。
【００６６】
（第３の実施の形態）
本発明の好適な第３の実施の形態を図７を参照して説明する。尚、図７は、発振波長が１．３μｍ帯の端面発光型半導体レーザの構造を示す縦断面図である。
【００６７】
同図において、この半導体レーザは、有機金属気相成長法により、トリメチルインジウム、トリエチルガリウム、ジメチルヒドラジン、ターシャルブチルフォスフィン、ターシャルブチルアルシンを夫々Ｉｎ、Ｇａ、Ｎ、Ｐ、Ａｓの原料とし、成長温度を５５０℃に設定して、ＧａＡｓ（００１）基板４６上にｎ−ＧａＡｓバッファ層４８、ｎ−ＧａＩｎＰ下部クラッド層５０、活性層５２、ｐ−ＧａＩｎＰ上部クラッド層５４を連続的に成長させた構造を有している。
【００６８】
活性層５２は、ＧａＮyＡｓ1-y井戸層５２ｂを、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層（但し、０≦ｊ＜１）５２ａ，５２ｃで挟むことにより、超格子構造を実現している。即ち、ＧａＮyＡｓ1-y井戸層５２ｂを、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層（但し、０＜ｊ＜１の場合）５２ａ，５２ｃ、またはＧａ1-iＩｎiＡｓ障壁層（但し、ｊ＝０の場合）５２ａ，５２ｃで挟むことにより、超格子構造となっている。また、より具体的には、ＧａＮyＡｓ1-y井戸層５２ｂの厚みを８ｎｍ、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj（但し、０≦ｊ＜１）障壁層５２ａ，５２ｃの厚みを１０ｎｍにしている。
【００６９】
更に、上部クラッド層５４の所定領域を選択エッチングすることにより、ボトムの幅が約１．５μｍのリッジストライプ部６６を形成し、上部クラッド層５４のエッチング除去された部分にｎ−ＡｌＧａＩｎＰ埋め込み層５６を成長させることで、電流の狭窄と光の効果的な閉じ込めを実現している。更にまた、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ埋め込み層５６とｐ−ＧａＩｎＰリッジストライプ部６６上に、ＧａＩｎＡｓＰ中間層５８と低抵抗のｐ−ＧａＡｓコンタクト層６０を連続的に成長させ、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層６０上にｐ−電極６２、ＧａＡｓ基板４６の裏面にｎ−電極６４を形成後、劈開により共振器が形成された構造となっている。
【００７０】
かかる構造を有する半導体レーザでは、ＧａＮyＡｓ1-y井戸層５２ｂは、Ｎ（窒素）に較べて原子半径が大きく異なるＩｎ（インジウム）が含まれないため、良好な結晶性が得られる。Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj（０≦ｊ＜１）障壁層５２ａ，５２ｃも同様に、Ｉｎに較べて原子半径が大きく異なるＮが含まれないため、良好な結晶性が得られる。
【００７１】
即ち、Ｎを含みＩｎを含まないIII-Ｖ族化合物半導体ＧａＮyＡｓ1-yの井戸層５２ｂと、Ｎを含まずＩｎを含むIII-Ｖ族化合物半導体Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰjの障壁層５２ａ，５２ｃとを積層することで、原子半径の大きく異なるＮとＩｎを分離して結晶の不混和度を低減した構造となっている。したがって、高品質な結晶性を有する超格子構造の活性層５２を実現し、応力歪みが少なく信頼性の高い半導体レーザが得られる。
【００７２】
更に、ＧａＮyＡｓ1-y井戸層５２ｂのＮの組成比とＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層５２ａ，５２ｃのＩｎの組成比を独立に設定することができる。このため、井戸層５２ｂと障壁層５２ａ，５２ｃとの伝導帯側のエネルギー差ΔＥcと、井戸層５２ｂと障壁層５２ａ，５２ｃとの価電子帯側のエネルギー差ΔＥvを容易に調整することができ、電子と正孔の十分な閉じ込め効果を有し且つ優れた温度特性（Ｔ０）を有する半導体レーザを実現することができる。
【００７３】
（第４の実施の形態）
本発明の好適な第４の実施の形態を図８を参照して説明する。尚、図８（ａ）は、多重井戸（ＭＱＷ）レーザの構造を示す縦断面図、図８（ｂ）は、活性層の構造及び特性を示す説明図である。また、図８（ａ）（ｂ）において図７と同一または相当する部分を同一符号で示している。
【００７４】
図８（ａ）において、前記第３の実施の形態の半導体レーザは単一量子井戸構造の活性層５２を備えるのに対し、本実施の形態の半導体レーザでは、これに代えて、多重量子井戸構造の活性層６８を備えている。
【００７５】
即ち、図８（ｂ）に示すように、活性層６８は、ＧａＮyＡｓ1-y井戸層６８ｂ，６８ｄ，６８ｆをＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj（但し、０≦ｊ＜１）障壁層６８ａ，６８ｃ，６８ｅ，６８ｇで交互に挟んだ多重量子井戸構造となっている。
【００７６】
かかる構造の半導体レーザによれば、活性層６８を多重量子井戸構造にすることで、キャリアの捕獲効率が改善するため、温度特性（Ｔ０）の更なる向上が図られている。
【００７７】
更に、ＧａＮyＡｓ1-y井戸層６８ｂ，６８ｄ，６８ｆの格子定数がＧａＡｓの格子定数よりも小さいため、ＧａＮyＡｓ1-y井戸層６８ｂ，６８ｄ，６８ｆに掛かる引っ張り応力と、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj（但し、０≦ｊ＜１）障壁層６８ａ，６８ｃ，６８ｅ，６８ｇに掛かる圧縮応力が相殺され、活性層６８の平均の格子定数がＧａＡｓの格子定数とほぼ等しくなる。このため、活性層６８全体とＧａＡｓ基板４６との格子不整合が大幅に低減され、信頼性の高い半導体レーザが実現されている。
【００７８】
（第５の実施の形態）
本発明の好適な第５の実施の形態を図９、図１０を参照して説明する。本実施の形態の半導体レーザは、図８に示した第４の実施の形態と同様に、ｎ−ＧａＩｎＰ下部クラッド層５０とｐ−ＧａＩｎＰ上部クラッド層５４の間に多重量子井戸構造の活性層６８を有する多重井戸（ＭＱＷ）レーザに関するものである。
【００７９】
但し、本実施の形態の半導体レーザは、図９に示すように、活性層６８を構成する複数のＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj（但し、０≦ｊ＜１）障壁層６８ａ，６８ｃ，６８ｅ，６８ｇ，６８ｉ…と複数のＧａＮyＡｓ1-y井戸層６８ｂ，６８ｄ，６８ｆ，６８ｈ…の夫々の膜厚ｄ１，ｄ２が極めて薄く、ド・ブロイ波長以下、例えば約３ｎｍ以下で形成されている。より詳細には、膜厚ｄ１，ｄ２は、２原子層以上、１０原子以下の範囲内に設定されている。
【００８０】
次に、かかる構造の活性層６８を有する半導体レーザの動作を図１０に基づいて説明する。尚、図１０（ａ）は、ＧａＡｓの伝導帯エネルギーＥc1及び価電子帯エネルギーＥv1と、ＧａＮyＡｓ1-yのＮの組成比に応じた伝導帯エネルギーＥc2及び価電子帯エネルギーＥv2と、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj（但し、０≦ｊ＜１）のＩｎの組成比に応じた伝導帯エネルギーＥc3及び価電子帯エネルギーＥv3と、夫々のエネルギーギャップＥg1，Ｅg2，Ｅg3を示し、図１０（ｂ）は、活性層６８のバンド構造を示している。
【００８１】
図１０（ａ）において、ＧａＮyＡｓ1-yは、Ｎの組成比ｙが大きいほど伝導帯エネルギーＥc2と価電子帯エネルギーＥv2が下がり、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj（但し、０≦ｊ＜１）は、Ｉｎの組成比ｉが大きいほど、伝導帯エネルギーＥc3が下がり、価電子帯エネルギーＥv3が上がるという特性がある。また、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰjは、Ｐを含まない場合（ｊ＝０）と、Ｐを含む場合（ｊ＞０）とでは、伝導帯エネルギーＥc3と価電子帯エネルギーＥv3が、図示の如く上下にずれるという傾向がある。
【００８２】
そこで、活性層６８全体の平均の格子定数がＧａＡｓの格子定数とほぼ等しくなるように、ＧａＮyＡｓ1-y井戸層６８ｂ，６８ｄ，６８ｆ，６８ｈ…のＮの組成比ｙとＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層６８ａ，６８ｃ，６８ｅ，６８ｇ，６８ｉ…のＩｎ，Ｐの組成比ｉ，ｊを調整する。これにより、良好な結晶性の活性層６８を得ることができ、ＧａＮyＡｓ1-y井戸層６８ｂ，６８ｄ，６８ｆ，６８ｈ…に掛かる引っ張り応力とＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層６８ａ，６８ｃ，６８ｅ，６８ｇ，６８ｉ…に掛かる圧縮応力が相殺されて、ＧａＡｓ基板からの応力歪みが低減される。
【００８３】
図１０（ｂ）は、このようにＧａＮyＡｓ1-y井戸層６８ｂ，６８ｄ，６８ｆ，６８ｈ…のＮの組成比ｙとＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層６８ａ，６８ｃ，６８ｅ，６８ｇ，６８ｉ…のＩｎ，Ｐの組成比ｉ，ｊを設定した場合のバンド構造を示している。図１０（ｂ）において、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層６８ａ，６８ｃ，６８ｅ…とＧａＮyＡｓ1-y井戸層６８ｂ，６８ｄ…との伝導帯側のエネルギー差ΔＥc（＝Ｅc3−Ｅc2）により、キャリア（電子）がＧａＮyＡｓ1-y井戸層６８ｂ，６８ｄ…に閉じ込められ、一方、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層６８ａ，６８ｃ，６８ｅ…とＧａＮyＡｓ1-y井戸層６８ｂ，６８ｄ…との価電子帯側のエネルギー差ΔＥv（＝Ｅv2−Ｅv3）により、キャリア（正孔）がＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層６８ａ，６８ｃ，６８ｅ…に閉じ込められるエネルギーポテンシャルを形成することができる。
【００８４】
ここで、単に、このエネルギーポテンシャルを見た場合には、正孔がＧａＮyＡｓ1-y井戸層６８ｂ，６８ｄ…に閉じ込められないため、光学遷移が起こらないこととなるが、本実施の形態では、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層６８ａ，６８ｃ，６８ｅ…の厚みｄ１とＧａＮyＡｓ1-y井戸層６８ｂ，６８ｄ…の厚みｄ２を極めて薄くしているので、活性層６８内のキャリア（電子，正孔）は量子力学的な波動として振る舞うこととなり、バルクではみられない量子サイズ効果が現れる。
【００８５】
この量子サイズ効果により、ＧａＮyＡｓ1-y井戸層６８ｂ，６８ｄ…に閉じ込められた電子の波動関数はψc、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層６８ａ，６８ｃ，６８ｅ…に閉じ込められた正孔の波動関数はψvのようになる。
【００８６】
更に、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層６８ａ，６８ｃ，６８ｅ…とＧａＮyＡｓ1-y井戸層６８ｂ，６８ｄ…が極めて薄いため、波動関数ψcはＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層６８ａ，６８ｃ，６８ｅ…へ染み出し、波動関数ψvはＧａＮyＡｓ1-y井戸層６８ｂ，６８ｄ…へ染み出す。そして、双方の波動関数ψcとψvの染み出しが大きくなり、双方の重なりが大きくなるため、光学遷移確率が増大し、発光効率が増加して発光ｈνの強度が大きくなる。即ち、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層６８ａ，６８ｃ，６８ｅ…とＧａＮyＡｓ1-y井戸層６８ｂ，６８ｄ…の価電子帯側のエネルギーが、Ｅv2＜Ｅv3の関係であっても、光遷移確率が増大するため、良好な温度特性（Ｔ０）が得られる。
【００８７】
尚、各井戸層と障壁層の厚みを量子サイズ効果が得られる程度の薄さにすることで、上記の光遷移確率の増大という目的が達成されるが、具体例として、前記障壁層６８ａ，６８ｃ，６８ｅ…と井戸層６８ｂ，６８ｄ…の各厚みを、２原子層以上、４０原子層以下の範囲にすることが望ましい。更に、光遷移確率の更なる増大化を図るために、２原子層以上、１０原子層以下の範囲（この場合は、夫々の膜厚ｄ１，ｄ２を３ｎｍ以下にすることに相当する）にすることが望ましい。本実施の形態の半導体レーザでは、ｄ１＝ｄ２＝３ｎｍ以下に設定することで良好な結果が得られた。
【００８８】
更に、発光波長は、夫々の量子井戸の基底準位間のエネルギー差で決まるため、ＧａＮyＡｓ1-y井戸層６８ｂ，６８ｄ…とＧａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層６８ａ，６８ｃ，６８ｅ…の個別のバンドギャップＥg2，Ｅg3よりも小さくなる。このため、ＧａＮyＡｓ1-y井戸層６８ｂ，６８ｄ…のＮ（窒素）や、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層６８ａ，６８ｃ，６８ｅ…のＩｎ（インジウム）の組成を増加させることなく、換言すれば、結晶性の劣化に繋がる格子不整合や結晶欠陥を増加させることなく、発振波長の長波長化が可能となる。
【００８９】
更に、電子と正孔が空間的に分離されるため、半導体レーザの損失の一要因となっているオージェ（Auger）損失を無くすことができ、高効率の半導体レーザを実現することができる。
【００９０】
尚、Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj障壁層６８ａ，６８ｃ，６８ｅ…は、Ｐを含まないＧａ1-iＩｎiＡｓ（ｊ＝０の場合）であっても、同様の効果が得られる。
【００９１】
また、端面発光型半導体レーザについて説明したが、この活性層６８を垂直共振器を有する面発光型半導体レーザに適用することも可能である。
【００９２】
以下の実施の形態においては、遷移エネルギの温度依存性が低減された半導体発光素子に関する実施の形態を説明する。以下の記述は上記の実施の形態において説明した構造の発光素子に対しても適用できる。
【００９３】
（第６の実施の形態）
本実施の形態の発光素子は、特に、光ファイバを使用した光通信システムに好適に適用される。このような通信システムでは、１．３μｍ帯または１．５５μｍ帯の光信号を半導体レーザを用いて発生させ、これを途中で増幅しつつ光ファイバを用いて長距離の伝送を行う。例えば、１．５５μｍ帯では、光信号の信号増幅のための励起レーザとしては、０．９８μｍ帯および１．４８μｍ帯の２種類があり、励起バンド幅は、それぞれ０．９８±０．００５μｍおよび１．４８±０．０１５μｍと狭い。このため、使用される半導体レーザには、高い波長安定性が必要とされる。また、この励起バンド内にレーザの発振波長が含まれていても、発振ゲインは平坦ではない。このため、温度等による波長変動によって利得変動が発生するので、特性として高い波長安定性が必要とされるのである。以下の実施の形態では、このような特性の半導体発光素子について説明する。
【００９４】
図１２は、本発明の半導体発光素子が適用されたファブリペロー型（ＦＰ型という）半導体レーザを模式的に表した斜視図である。
【００９５】
図１２を参照すると、ＰＦ型半導体レーザは、半導体基板７６の一主面上に、バッファ層７８、第１のクラッド層７０、第１のガイド層７１、活性層７２、第２のガイド層７３、第２のクラッド層７４、リッジストライプ部８６、中間層８８、コンタクト層８０、および第１導電側電極８２を備え、また基板７６の一主面と対向する面、つまり裏面には第２導電側電極８４を備える。
【００９６】
リッジストライプ部８６は、放射されるレーザ光の光軸方向（ｚ軸）に沿って延びる。リッジストライプ部８６の対向する２側面は、第２のクラッド層７４および中間層８８（中間層がない場合には、コンタクト層８０）に接して設けられて、これらの層７４、８８に挟まれている。このため、この部分８６は、第１導電側電極８２からのキャリアをコンタクト層８０および中間層８８を通して、第２のクラッド層７４に導く。また、リッジストライプ部８６の上記２側面に隣接する側面は、レーザ光の光軸と直交する方向の両側から埋め込み層９０によって挟まれている。つまり、埋め込み層９０は、上記光軸に沿って、且つリッジストライプ部８６に接して延びる。このため、キャリアの狭窄と、この結果として効果的な光の閉じ込めを実現している。
【００９７】
活性層７２は、再結合することによって発光に寄与する電子および正孔を閉じ込める。このため、活性層７２は第１のガイド層７１および第２のガイド層７３に挟まれ、また対向する２面においてこれらのガイド層７１、７３に接している。活性層７２とこれを両側から挟むガイド層７１、７３とは活性層領域を構成する。活性層においては再結合によって光が発生して、この光は活性層領域に閉じ込められ、また半導体レーザ共振器（両反射端面）によって光が増幅されレーザ発振がする。活性層領域は、第１のクラッド層７０および第２のクラッド層７４によってガイド層７１、７３の外側から挟まれる。ガイド層７１、７３の各々は、活性層７２に接する面と対向する面において、それぞれ第１のクラッド層７０および第２のクラッド層７４と接している。活性層領域７１、７２、７３は、クラッド層７０、７４よりの高い屈折率を有している。この屈折率の違いによって、活性層で発生したレーザ光は、効率的に活性層領域に閉じ込められる。
【００９８】
活性層におけるレーザ発振は、第１導電側電極８２および第２導電側電極８４の一方から電流を注入することによって起こる。電流注入のため、クラッド層７０、７４、バッファ層７８、および基板７６は、導電性を有する。基板７６、バッファ層７８、第１のクラッド層７０は、共に第１の導電型の半導体層で構成され、また第２のクラッド層７４、リッジストライプ部８６、中間層８８、およびコンタクト層８０は、共に第２の導電型の半導体層で構成される。また、第１の導電型と第２の導電型とは、異なる導電型である。
【００９９】
このような構成のＰＦ型半導体レーザにおいて、活性層７２としては、遷移エネルギの１次の温度係数が−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下であり、且つ２以上のＶ族元素の一元素として窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体を使用できる。
【０１００】
このように、ＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体が窒素を含む２以上のＶ族元素を有するようにしたので、遷移エネルギの１次の温度係数を零に近づけることができる。また、窒素組成を所定値にして、遷移エネルギの１次の温度係数を零点を含む−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下にするので、半導体発光素子の発光波長の温度依存性が低減される。遷移エネルギの１次の温度係数が−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下であれば、既存のＧａＡｓ結晶を使用した半導体レーザの温度特性と比較して、温度特性が格段に改善され、また、上記の範囲内において選択的に温度特性を変更できる。
【０１０１】
このような温度係数の範囲が好適なのは以下の理由による。従来のＩｎＰ系材料で構成されるＦＰ型の光通信用半導体レーザの発振波長の温度依存性は、約０．４ｎｍ／Ｋ、すなわちエネルギに換算して０．３ｍｅＶ／Ｋである。この値はほぼ材料の物性によって決まり、これより小さい温度依存性を持つためには、上記のような材料を適用した本発明の半導体発光素子、例えばＦＰ型半導体レーザが極めて効果的である。これによって従来型ＦＰ型半導体レーザでは実現できなかった応用分野が開ける。
【０１０２】
このような活性層７２は、組成が１％以上９％以下の窒素を含む少なくとも１層以上のＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体であってもよい。このように、ＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体を採用し窒素組成が１％以上９％以下にすれば、遷移エネルギの１次の温度係数の値が小さくなるので、発光波長の温度依存性が低減された半導体発光素子が得られる。なお、窒素組成とは、窒素ＮがＶ族元素なので、（Ｎ原子数）／（Ｖ族元素全体の原子数）の比を百分率で表したものである。以下、他の元素に対しても同様の定義を使用する。
【０１０３】
また、活性層７２は、組成が３％以上９％以下の窒素、組成が０％より大きく３０％以下のＩｎ、を含む少なくとも１層以上のＧａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体であってもよい。このように、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体を採用し窒素組成が３％以上９％以下にすれば、遷移エネルギの１次の温度係数の値が小さいので、発光波長の温度依存性が低減された半導体発光素子が得られる。また、Ｉｎ組成を０％より大きく３０％以下にすれば、下地半導体層、例えばＧａＡｓ半導体層と格子整合させることができる。
【０１０４】
ＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体を採用するときには、窒素組成が３．７％以上５．３％以下であってもよい。また、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体を採用するときには、窒素組成が５％以上７％以下、Ｉｎ組成が０％より大きく３０％以下であってもよい。このような範囲であれば、従来のＤＦＢ型半導体レーザの発振波長の温度依存性である約０．０７ｍｅＶ／Ｋよりも優れた発振波長の温度依存性を有するＦＰ型半導体レーザを実現できる。つまり、ＦＰ型半導体レーザであっても、ＤＦＢ型半導体レーザと同等以上の温度特性を達成できる。
【０１０５】
更に、活性層７２は、遷移エネルギの１次の温度係数−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下である少なくとも１層以上のＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体層であってもよい。加えて、活性層７２は、Ｉｎ組成ｘが０％より大きく３０％以下であり、遷移エネルギの１次の温度係数が−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下である少なくとも１層以上のＧａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体層であってもよい。このように、ＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体またはＩｎxＧａ1-xＮyＡｓ1-y混晶半導体を採用し遷移エネルギの１次の温度係数−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下にすれば、遷移エネルギの１次の温度係数が零近傍の値になるので、発光波長の温度依存性が低減された半導体発光素子が得られる。なお、このような温度係数の範囲が好適なのは既に上述したので、ここでは省略する。
【０１０６】
上記の温度係数の範囲は、半導体発光素子、例えば半導体レーザの使用環境を考慮すると、−４０℃以上＋８５℃以下において達成されていることが好ましい。また、−５０℃以上＋１００℃以下において達成されていれば、使用環境において十分な動作マージンを有するので、高信頼度の動作か可能となる。
【０１０７】
活性層７２は、図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すような構成でも良い。図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、図１２におけるＡ部の拡大図である。図１３（ａ）を参照すると、井戸層７２ａが両側から障壁層７２ｂ、７２ｃによって挟まれている。このように、井戸層７２ａよりもバンド障壁が高い半導体層で井戸層７２ａを両側から挟むようにしてもよい。また、図１３（ｂ）に示すように複数の井戸層７２ｄ、７２ｅ、７２ｆとこれらの井戸層を挟む複数の障壁層７２ｇ、７２ｈ、７２ｉ、７２ｊによって活性層７２を構成しても良い。このように多層構成にすると、発光素子の温度安定性や光出力を向上できる。
【０１０８】
このような多層構造においては、Ｖ族元素として窒素を含み遷移エネルギの１次の温度係数が−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下である２種類のＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体を備え、一方の半導体層は、他方の半導体層の第１の面とこの第１の面に対向する第２の面に接してこの半導体層を挟むよにしてもよい。また、上記他方の半導体層の数は１以上であるようにしてもよい。このように、上記のような温度特性のＮ含有のＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体の複数の半導体層によって、超格子構造の半導体発光素子を作製してもよい。
【０１０９】
また、多層構造は、組成が１％以上９％以下の窒素を含むＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体、並びに、組成が３％以上９％以下の窒素および組成が０％より大きく３０％以下のＩｎを含むＧａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体、の少なくともいずれかを備えるようにしてもよい。このように、組成の異なる複数の半導体層で発光素子を構成すれば、格子整合の調整が好適に行うことが可能になり、また様々な波長で発光し、且つ温度特性が優れた発光素子が作製可能になる。また、異なる遷移エネルギの半導体層を交互に積層すれば、超格子構造が構成される。
【０１１０】
なお、このような構造は、単一の層から成る活性層をガイド層で両側から挟んで形成しても良く、またガイド層と組み合わせて多層構造にしても良い。このような場合には、それぞれの層の遷移エネルギの温度変化を小さくできるので、バンドアライメントが一定に保たれる。このため、発光波長等の発光特性において安定した性能が実現できる。このような多層構造において、井戸層および障壁層（またはガイド層）の各々の厚さを一般には３０ｎｍ以下まで薄くすると、井戸層と障壁層またはガイド層とによって量子井戸構造が形成される。発光素子の発光波長は、量子井戸内の量子準位によって決定される。この量子準位は、量子井戸のバンド構造を規定する井戸層および障壁層（またはガイド層）の遷移エネルギに依存するため、井戸層等の遷移エネルギの温度依存性を小さくすることによって、この量子準位の温度依存性も小さくなるので、発光素子から出射される光波長の温度変化を小さくできる。
【０１１１】
図１２に示した構造の発光半導体素子の製造条件について、ｎ型ＧａＡｓ基板上に順に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層、ｎ型ＧａＩｎＰクラッド層、ＧａＩｎＮＡｓ活性層、ｐ型ＧａＩｎＰクラッド層、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層を有する半導体レーザの場合を簡単に説明する。
【０１１２】
半導体層の成長には、石英製の横型反応炉を用い、基板としてキャリア濃度２×１０１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＡｓ（００１）基板を使用した。ＩＩＩ族のＧａ原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ｉｎ原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、Ｖ族元素のＮ原料としてジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）、Ａｓ原料としてターシャリブチルアルシン（ＴＢＡｓ）、Ｐ原料としてターシャルブチルフォスフィン（ＴＢＰ）を使用した。これらの原材料は水素ガスをキャリアガスとしてバブリング法によって反応炉内に導入し、成長炉の圧力は７６Ｔｏｒｒに設定した。成長時の基板の回転速度は毎分１０回転とした。
【０１１３】
活性層のＧａＩｎＮＡｓ結晶の成長方法は、成長温度５３０℃で［ＴＢＡｓ］／（［ＴＥＧ］＋［ＴＭＩ］）（モル供給比）および［ＤＭＨｙ］／（［ＤＭＨｙ］＋［ＴＢＡｓ］）（モル供給比）を調整して行うと、所定の条件の下で、ＧａＡｓ（００１）基板上に格子整合して成長する。それぞれの場合、窒素組成は［ＤＭＨｙ］／（［ＤＭＨｙ］＋［ＴＢＡｓ］）を変化させて調整する。なお、ＧａＩｎＮＡｓ結晶の成長速度は、１時間当たり１μｍである。
【０１１４】
本実施の形態におけるＧａＡｓ層を成長する場合、上記のＶ族ガスとＩＩＩ族ガスの比は１０である。ＧａＩｎＰを成長する場合、Ｖ族ガスとＩＩＩ族ガスの比は５０である。基板を５５０℃に保ち、ガス総量を毎分２０リットルとした。ｎ型伝導特性を得るために、ドーパントとしてテトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）、ｐ型伝導特性を得るために、ドーパントしてジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）を用いる。なお、ＧａＡｓ層、およびＧａＩｎＰ層の成長速度は、１時間当たり１μｍである。
【０１１５】
各層のキャリア濃度および厚さは、基板側から順に、
ｎ型バッファ層 ：７×１０１７ｃｍ−３、 ０．３μｍ
ｎ型クラッド層 ：１×１０１８ｃｍ−３、 １．５μｍ
アンドープ・ガイド層：、 ０．０１μｍ
アンドープ・活性層： 、 ０．１μｍ
アンドープ・ガイド層：、 ０．０１μｍ
ｐ型クラッド層 ：８×１０１７ｃｍ−３、 １．５μｍ
ｐ型コンタクト層：１．２×１０１９ｃｍ−３、０．３μｍ
である。なお、ｐ、ｎ導電型は逆転させても良い。
【０１１６】
以上詳細に説明したように、本実施の形態のＦＰ型半導体レーザの構造が簡単であるため、他の構造の半導体レーザに比べて安価である。しかし、従来のＦＰ型半導体レーザでは、光通信に応用する上では、使用される環境の温度と共に発振波長が変動するため、適用範囲が限られていた。ところが、ＦＰ型半導体レーザに本発明を適用すれば、遷移エネルギの温度変化が低減されるため、ＦＰ型半導体レーザが適用できる範囲を広げることが可能となる。また、ＦＰ型半導体レーザは分布帰還型（ＤＦＢ型）半導体レーザや分布反射型（ＤＢＲ型）半導体レーザに比べて構造が簡単なので、製造も容易である。したがって、光通信技術に与える効果は大きい。温度変動のため従来では適用できなかった応用領域にも、本発明を適用すればＰＦ型半導体レーザを使用していくことが可能になった。
【０１１７】
ＦＰ型構造の高出力励起用半導体レーザでは、高い注入電流によって半導体レーザ自体の発熱が大きくなる。この発熱に伴って半導体発光素子の温度が上昇するので、発振波長は長波長側に変移する。特に、励起用レーザは、励起バンドが規定されているため発振波長の変動や飛びは、大きな問題となる。この対策として、光ファイバにグレーティングを設けて、または回折格子を用いて、特定の波長を選択する方法等が採用されている。このため、装置が高価になっている。しかし、本発明のような小さい温度依存性の遷移エネルギを有する半導体材料を高出力励起用半導体レーザに適用すれば、高い電流注入によって発熱しても、発振波長の変動を抑制することができるので、グレーティングまたは回折格子を使用することなく、安定なレーザ発振を達成できる。
【０１１８】
（第７の実施の形態）
図１４（ａ）は、本発明の半導体発光素子の一実施の形態として、分布帰還型（ＤＦＢ型という）半導体レーザを模式的に表した斜視図であり、放射されるレーザ光の光軸方向に沿った断面を示している。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＢ部の拡大された断面図である。
【０１１９】
図１４（ａ）および図１４（ｂ）を参照すると、ＤＦＢ型半導体レーザは、半導体基板９６の主面上において一端面からこの端面に対向する端面まで矩形の領域上に基板側から順に、バッファ層９８、第１のクラッド層１００、第１のガイド層１０１、活性層１０２、第２のガイド層１０３を有する埋め込み部１０６と、埋め込み部１０６上には、第２のクラッド層１０４、コンタクト層１１０、および第１導電側のストライプ電極１１２を備え、また基板９６の一主面と対向する面、つまり裏面全面には第２導電側の裏面電極１１４を備える。
【０１２０】
埋め込み部１０６は、放射されるレーザ光の光軸方向（ｚ軸）に沿って延びる。この方向はＤＦＢ型半導体レーザのストライプ電極が延びる方向と一致する。埋め込み部１０６は、その２側面において、基板９６上の形成された第１のブロック層１１８と、このブロック層１１８上に形成された第２のブロック層１２０とによって挟まれている。これらのブロック層はｎ−ＩｎＰ基板を使用する場合には、ブロック層１１８はｐ−ＩｎＰ層、ブロック層１２０はｎ−ＩｎＰ層で形成される。このため、基板９６と第２のクラッド層１０４は、ｐｎ接合によって電気的に分離される。なお、図１４（ａ）に示した例では、ブロック層１１８、１２０は、第１導電側から基板９６に達し、埋め込み層１０６の両側にあってこれに沿って延びるトレンチによって分離されている。
【０１２１】
ストライプ電極１１２は、コンタクト層１１０上に形成された絶縁膜１１６に設けられた開口部においてコンタクト層１１０と電気的に接続される。絶縁膜１１６に設けられた開口部の形状は、埋め込み層１０６をその内側に含む矩形形状である。つまり、埋め込み層が延びる方向に直交する方向の幅が、埋め込み部１０６の幅より大きい。このため、埋め込み部１０６に効率よくキャリアを供給できる。また、キャリアの狭窄と、この結果として効果的な光の閉じ込めを実現している。
【０１２２】
埋め込み部１０６においては、基板９６上に埋め込み領域に、バッファ層９８、第１のクラッド層１００、第１のガイド層１０１、活性層１０２、第２のガイド層１０３から構成されるメサ形状部が形成され、メサ形状部の対向する２側面はブロック層１１８、１２０に接している。このため、埋め込み部１０６はブロック層１１８、１２０によって両側から挟まれて基板９６上に形成されている。埋め込み部１０６の各層は第１の及び第２の面を有しｚ軸方向に延び所定幅を備え、それぞれの面を相互に接触させて埋め込み領域上に積層されている。このため、電極１１２からのキャリアはコンタクト層１１０を通して、クラッド層１０４に導かれる。活性層領域１０１、１０２、１０３へ注入される。
【０１２３】
回折格子は、クラッド層１００とガイド層１０１の界面、および、クラッド層１０４とガイド層１０３の界面、の少なくともいずれか一方に形成されている。回折格子は、レーザ光の光軸が延びる方向に沿って形成され、例えば上記界面に形成された周期的な凹部または凸部であってもよく、これらは局面を有していても良い。活性層に発生した光はこの回折格子と結合して、所定の波長が選択される。
【０１２４】
活性層１０２は、再結合することによって発光に寄与する電子および正孔を閉じ込める。このため、活性層１０２は第１のガイド層１０１および第２のガイド層１０３に挟まれ、また対向する２面においてこれらのガイド層１０１、１０３に接している。活性層１０２とこれを両側から挟むガイド層１０１、１０３は活性層領域を構成する。活性層領域は、第１のクラッド層１００および第２のクラッド層１０４によってガイド層１０１、１０３の外側から挟まれる。ガイド層１０１、１０３の各々は、活性層１０２と接する面と対向する面において、それぞれ第１のクラッド層１００および第２のクラッド層１０４と接している。活性層領域１０１、１０２、１０３は、クラッド層１００、１０４よりの高い屈折率を有している。この屈折率の違いによって、活性層で発生したレーザ光は、効率的に活性層領域に閉じ込められる。
【０１２５】
活性層におけるレーザ発振は、第１導電側ストライプ電極１１２および第２導電側の裏面電極１１４の一方から電流を注入することによって起こる。電流注入のため、クラッド層１００、１０４、バッファ層９８、および基板９６は、導電性を有する。基板９６、バッファ層９８、第１のクラッド層１００は共に第１の導電型の半導体層で構成され、また第２のクラッド層１０４、およびコンタクト層１１０は共に第２の導電型の半導体層で構成される。また、第１の導電型と第２の導電型とは、異なる導電型である。
【０１２６】
このような構成のＤＦＢ型半導体レーザにおいては、ＦＰ型半導体レーザと同様に、活性層１０２が、遷移エネルギの１次の温度係数が−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下であり、且つ窒素を含む２以上のＶ族元素を有するＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体を使用できる。
【０１２７】
このような活性層１０２は、ＦＰ型半導体レーザと同様に、組成が１％以上９％以下の窒素を含む少なくとも１層以上のＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体であってもよい。
【０１２８】
また、活性層１０２は、ＦＰ型半導体レーザと同様に、組成が３％以上９％以下の窒素、組成が０％より大きく３０％以下のＩｎ、を含む少なくとも１層以上のＧａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体であってもいよい。
【０１２９】
更に、活性層１０２は、ＦＰ型半導体レーザと同様に、遷移エネルギの１次の温度係数−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下を達成するための組成ｙである少なくとも１層以上のＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体であってもよい。
【０１３０】
加えて、活性層１０２は、ＦＰ型半導体レーザと同様に、Ｉｎ組成ｘが０％より大きく３０％以下であり、遷移エネルギの１次の温度係数が−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下を達成するための組成ｙである少なくとも１層以上のＧａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体であってもよい。
【０１３１】
以上説明したような半導体層を適用すると、遷移エネルギの１次の温度係数が零近傍の値になるので、発光波長の温度依存性が低減されたＤＦＢ型半導体レーザが得られる。
【０１３２】
なお、ＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体を採用するときには、窒素組成が３．７％以上５．３％以下であってもよい。また、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体を採用するときには、窒素組成が５％以上７％以下、Ｉｎ組成が０％より大きく３０％以下であってもよい。このような範囲であれば、従来のＤＦＢ型半導体レーザの発振波長の温度依存性である約０．０７ｍｅＶ／Ｋよりも優れた発振波長の温度依存性を達成したＤＦＢ型半導体レーザが得られる。
【０１３３】
活性層１０２は、図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示すような構成でも良い。図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、図１４（ｂ）におけるＣ部の拡大図である。図１５（ａ）を参照すると、井戸層１０２ａの対向する両面において障壁層１０２ｂ、１０２ｃと接している。このように、井戸層１０２ａよりもバンド障壁が高い半導体層で井戸層１０２ａを両側から接して挟むようにしてもよい。また、図１５（ｂ）に示すように複数の井戸層１０２ｄ、１０２ｅ、１０２ｆとこれを挟む複数の障壁層１０２ｇ、１０２ｈ、１０２ｉ、１０２ｊによって活性層１０２を構成しても良い。このように多層構造にすると、発光素子の温度安定性や光出力が向上する。
【０１３４】
このような多層構造においては、Ｖ族元素として窒素を含み２以上のＶ族元素を有し、遷移エネルギの１次の温度係数が−０．３ｍｅＶ／Ｋ以上＋０．３ｍｅＶ／Ｋ以下である２種類のＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体を備え、一方の半導体層は、他方の半導体層の第１の面とこの第１の面に対向する第２の面に接してこの半導体層を挟むようにしてもよい。また、上記他方の半導体層の数は１以上であるようにしてもよい。このように、複数の半導体層によって、超格子構造の半導体発光素子を構成できる。
【０１３５】
また、多層構造は、組成が１％以上９％以下の窒素を含むＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体、および、組成が３％以上９％以下の窒素、組成が０％より大きく３０％以下のＩｎ、を含むＧａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体、の少なくともいずれかを備えるようにしてもよい。このように、組成の異なる複数の半導体層で活性層を構成すれば、格子整合性の調整が好適に行うことが可能になり、また様々な波長で発光し、且つ温度特性が優れた発光素子が作製可能になる。また、異なる遷移エネルギの半導体層を交互に積層すれば、超格子構造が構成される。
【０１３６】
なお、このような構造は、単一の層から成る活性層をガイド層で両側から挟んで形成しても良く、またガイド層と組み合わせて多層構造にしても良い。このような場合には、それぞれの層の遷移エネルギの温度変化を小さくできるので、バンドアライメントが一定に保たれる。このため、発光波長等の発光特性において安定した性能が実現できる。このような多層構造において、井戸層および障壁層（またはガイド層）の各々の厚さを一般には３０ｎｍ以下まで薄くすると、井戸層と障壁層またはガイド層とによって量子井戸構造が形成される。発光素子の発光波長は、量子井戸内の量子準位によって決定される。この量子準位は、量子井戸のバンド構造を規定する井戸層および障壁層（またはガイド層）の遷移エネルギに依存するため、これら井戸層等の遷移エネルギの温度依存性を小さくすることによって、量子準位のエネルギの温度依存性も小さくなる。このため、発光素子から出射される光の波長の温度変化を小さくできる。
【０１３７】
本実施の形態で説明したように、本発明をＤＦＢ型半導体レーザに適用すれば、窒素組成を変更することによって遷移エネルギの温度依存性を変化できる。これは、ＤＦＢ型半導体レーザにとって好適な特性である。なぜなら、ＤＦＢ型半導体レーザでは、一般に、発振波長は回折格子のピッチと導波路の等価的な屈折率で決定される。一方、光が発生する活性層の光学利得は、活性層を構成する半導体材料で決定されるので、波長依存性を有する。このため、ＤＦＢ型レーザを広範囲の温度で動作させるためには、発振波長の温度特性と利得ピーク波長の温度特性とが大きく異ならないことが望ましい。つまり、利得ピーク波長あるいは活性層を構成する半導体材料の遷移エネルギの温度依存性は、発振波長と同程度に小さいことが望ましいからである。このような特性のＤＦＢ型レーザは、温度調整機能を備えることなしに、広い温度範囲で使用できる。
【０１３８】
また、近年急速に発展している波長多重通信（ＷＤＭ）では、狭い波長範囲内にある多くの異なった信号波長を使用して伝送を行うため、１波長当たり波長変動の許容範囲が０．８ｎｍと非常に小さい。ＤＦＢ型半導体レーザに上記の材料等を使用すれば、屈折率の温度依存性の４次係数が遷移エネルギに依存するので、屈折率の温度依存性を更に小さくすることができる。このため、屈折率と回折格子のピッチとで決定される発振波長の温度依存性を極めて小さくできる。したがって、温度調整装置なしでＷＤＭ伝送へも適用できる。また、温度調整装置を備えないＤＦＢ型半導体レーザでは、価格の低減、装置の小型化、および省電力化を達成できるので、利用可能な分野が広がる。加えて、本発明のＤＦＢ型半導体レーザに温度調節装置を備えれば、さらに温度特性が改善される。したがって、いずれの場合でもＤＦＢ型半導体レーザの使用範囲を温度に関して拡張することができる。
【０１３９】
なお、更に実施例を掲げて説明することはしないが、このような温度特性の問題は、誘電体多層膜または半導体多層膜で高反射率の分布ブラック反射（ＤＢＲ）層を構成した垂直共振器型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）においても、同様に生じる。詳述すれば、ＶＣＳＥＬの発振波長は、高反射ＤＢＲ層の構成に基づいて決定される。一方、利得ピーク波長は、活性層を構成する半導体材料で決定される。このため、発振波長と利得ピーク波長との温度特性のズレが大きいと、ＤＦＢ型レーザと同様に、素子特性の劣化、あるいはレーザ発振の停止等の問題を発生させる。このため、これらの構造の発光素子についても、ＤＦＢ型半導体レーザと同様の効果がある。
【０１４０】
以上、半導体レーザに関して説明したが、本発明は発光ダイオード等の発光素子についても適用できることは言うまでもない。この場合は、温度依存性が改善されたＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体をｐ型半導体層またはｎ型半導体層とするために、適宜に不純物元素を導入する。
【０１４１】
（第８の実施の形態）
本発明は、半導体基板としては、ＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＰ基板等を好適に適用できる。
【０１４２】
図１６および図１７は、第６の実施の形態および第７の実施の形態の半導体レーザを含む半導体発光素子において、半導体基板として好適に使用できるＧａＡｓ基板、Ｓｉ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＰ基板等を使用した場合に、特に好適な半導体層の組み合わせを示す。なお、図１６および図１７に示した例の組成では、活性層は基板に格子不整１％以内で整合している。
【０１４３】
ＧａＡｓ基板を使用する場合、格子不整合の比率が０．１％以下のもとで、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＩｎＮＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓＮ、ＧａＩｎＮＰ、ＡｌＩｎＮＰ、ＡｌＧａＩｎＰＮ、ＡｌＧａＡｓＰＮ、ＩｎＧａＡｌＡｓＰＮ等が０．１μｍ以上の厚みで使用できる。上記材料を０．１μｍ以下の厚みで用いる場合、格子不整の比率は２％以下で使用可能である。この条件では、レーザの活性層に用いる歪量子井戸構造に使用できる。なお、ＡｌＮＡｓ、ＡｌＮＰ、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰ、ＡｌＧａＮＰ、ＡｌＧａＡｓＮ等についても上記同様に歪量子井戸構造に適用できる。
【０１４４】
ＧａＡｓ基板はＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の中でも最も多く使用されているため、他の化合物基板例えばＩｎＰ基板に比べて安価であり、高速の回路素子を集積したＧａＡｓＩＣとの集積化が可能である。また、ＧａＡｓ基板では、ＩｎＰ基板に比べて活性層の遷移エネルギとクラッドの遷移エネルギとの差が大きくとれるので、高温の動作に関して有利である。特に、垂直共振器型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ）の場合では、ＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ／ＡｌＡｓから成る高反射率のブラッグ・リフレクタを製作できる。
【０１４５】
図１２に示したＦＰ型半導体レーザの各半導体層に対して特に好適な組み合わせとしては、図１６を参照すると、ｎ−ＧａＡｓ基板７６、ｎ−ＧａＡｓバッファ層７８、ｎ−ＧａＩｎＰクラッド層７０、アンドープＧａＩｎＡｓＰガイド層７１、アンドープＧａＩｎＮＡｓ活性層７２（Ｉｎ組成：１５％、Ｎ組成：５％）、アンドープＧａＩｎＡｓＰガイド層７３、ｐ−ＧａＩｎＰクラッド層７４、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ中間層８８、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層８０とがある。このような組み合わせを構成すれば、遷移エネルギとして０．９５ｅＶ程度が得られるので、発振波長の温度依存性が小さい１．３μｍ帯半導体レーザが得られ、更に、ガイド層７１、７３を活性層７２の両側に備えているので、基本モードを保ちながら比較的高出力を得ることができる。なお、ガイド層７１、７３および中間層８８は設けなくてもよい。このようにすれば、構造が簡素になる。クラッド層７０、７４は、ＧａＩｎＰに代えて、ＡｌＧａＡｓまたはＡｌＧａＩｎＰを使用してもよい。これらの材料は、活性層の材料よりも低い屈折率を有し、且つＡｌＧａＩｎＰはＧａＩｎＰに比べてより大きいバンドギャップを有するため、キャリアの高い閉じ込め効果がある。
【０１４６】
活性層７２として、アンドープＧａＩｎＮＡｓ（Ｉｎ組成：２５％、Ｎ組成：９％）を使用すれば、遷移エネルギとして０．８ｅＶ程度となるので、発振波長の温度依存性が小さい１．５５μｍ帯半導体レーザが得られる。また、活性層７２として、アンドープＧａＮＡｓを使用して、窒素組成を変化させれば発振波長に変化をもたせることができる。なお、これらの半導体レーザの発振波長の温度依存性は、図１８に示した遷移エネルギの温度特性に支配されている。
【０１４７】
図１７を参照すると、多層構造の活性層７２にするためには、アンドープＧａＩｎＮＡｓ井戸層（Ｉｎ組成：１５％、Ｎ組成：５％）とアンドープＧａＩｎＮＰ障壁層（Ｉｎ組成：５３％、Ｎ組成：１％）若しくはＧａＩｎＮＰＡｓ障壁層と、またはアンドープＧａＩｎＮＡｓ井戸層（Ｉｎ組成：２５％、Ｎ組成：１％）とアンドープＧａＩｎＮＰ障壁層（Ｉｎ組成：５３％、Ｎ組成：１％）またはＧａＩｎＮＰＡｓ障壁層と、を組み合わせることが好ましい。また、薄層化された多層構造にすれば、量子井戸構造を形成できる。この材料を用いると、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰを用いる場合よりも井戸層および障壁層の遷移エネルギの温度依存性を小さくできる。このため、井戸層および障壁層のいずれか一方に上記材料を使用する場合に比べて、量子井戸構造に基づく量子準位の温度依存性を小さくできる。したがって、より安定したレーザ動作が可能となる。
【０１４８】
Ｓｉ基板を使用する場合、格子不整合の比率が０．１％のもとで、ＧａＩｎＮＰ、ＡｌＩｎＮＰ、ＡｌＧａＩｎＮＰ、ＡｌＡｓＮＰ、ＧａＡｓＮＰ、ＡｌＧａＡｓＮＰ、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰ、ＡｌＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＩｎＮＡｓ、ＡｌＩｎＮＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓＰ等が０．１％以上の厚みで使用できる。上記の材料を０．１μｍ以下の厚みで用いる場合、格子不整の比率が２％以下で使用可能である。この条件では、レーザの活性層に用いる歪量子井戸構造に適用できる。なお、ＡｌＮＰ、ＡｌＧａＮＰ等についても上記同様に歪量子井戸構造に適用できる。
【０１４９】
このようにＳｉ基板を用いると、半導体基板の中で最も安価であり、且つ大口径の基板が入手可能である。また、シリコン基板上に形成される半導体素子と集積化が容易である。更に、熱伝導率がＩＩＩ−Ｖ族半導体基板よりも大きいので、放熱性に優れる。
【０１５０】
図１２に示したＦＰ型半導体レーザの各半導体層に対して、特に好適な組み合わせとしては、図１６を参照すると、ｎ−Ｓｉ基板７６、ｎ−ＧａＮＰバッファ層（Ｎ組成：３％）７８、ｎ−ＡｌＮＰクラッド層（Ｎ組成：４％）７０、アンドープＡｌＧａＮＰガイド層（Ａｌ組成：５０％、Ｎ組成：３．５％）７１、アンドープＧａＮＰ活性層７２（Ｎ組成：３％）、アンドープＡｌＧａＮＰガイド層（Ａｌ組成：５０％、Ｎ組成：３．５％）７３、ｐ−ＡｌＧａＮＰクラッド層（Ｎ組成：４％）７４、ｐ−ＧａＮＡｓコンタクト層（Ｎ組成：１９％）８０となる。このような組み合わせを構成すれば、発振波長の温度依存性が小さい１．５５μｍ帯半導体レーザが得られる。また、ガイド層７１、７３を活性層７２の両側に備えているので、基本モードを保ちながら比較的高出力を得ることができる。
【０１５１】
図１７を参照すると、多層構造の活性層７２にするためには、アンドープＧａＮＰ井戸層（Ｎ組成：３％）とアンドープＡｌＩｎＮＰ障壁層（Ｉｎ組成：１０％、Ｎ組成：４％）を組み合わせることが好ましい。また、薄層化された多層構造にすれば、量子井戸構造を形成できる。この材料を用いると、井戸層および障壁層の遷移エネルギの温度依存性を小さくできる。このため、井戸層および障壁層のいずれか一方に上記材料を使用する場合に比べて、量子井戸構造に基づく量子準位の温度依存性を小さくできる。したがって、より安定したレーザ動作が可能となる。
【０１５２】
ＩｎＰ基板を使用する場合、格子不整合の比率が０．１％のもとで、ＡｌＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＩｎＮＰ、ＧａＩｎＮＰ、ＡｌＧａＩｎＮＰ等が０．１μｍ以上の厚みで使用できる。上記の材料を０．１μｍ以下の厚みで用いる場合、格子不整の比率が２％以下で使用が可能である。この条件では、レーザの活性層に用いる歪量子井戸構造に適用できる。
【０１５３】
ＩｎＰ基板を使用すれば、通信用半導体レーザの多くがＩｎＰ基板上に形成されているので、従来のデバイスの置き換えが容易となる。
【０１５４】
図１２に示したＦＰ型半導体レーザの各半導体層に対して、特に好適な組み合わせとしては、図１６を参照すると、ｎ−ＩｎＰ基板７６、ｎ−ＩｎＰバッファ層７８、ｎ−ＩｎＰクラッド層７０、アンドープＩｎＧａＡｓＰガイド層７１、アンドープＩｎＮＡｓＰ活性層７２（Ｎ組成：３．４％、Ａｓ組成：１７）、アンドープＩｎＧａＡｓＰガイド層７３、ｐ−ＡｌＮＰクラッド層７４、ｐ−ＧａＮＡｓコンタクト層８０となる。このような組み合わせを構成すれば、発振波長の温度依存性が小さい１．５５μｍ帯半導体レーザが得られ、更に、ガイド層７１、７３を活性層７２の両側に備えているので、基本モードを保ちながら比較的高出力を得ることができる。なお、このような活性層７２の厚さとしては１００ｎｍ程度が好ましい。
【０１５５】
活性層７２として、アンドープＩｎＮＡｓＰ（Ｎ組成：４％、Ａｓ組成：１８％）を使用すれば、発振波長の温度依存性が小さい１．５５μｍ帯半導体レーザが得られる。なお、このような半導体層の厚さを８ｎｍ程度にすれば、量子井戸を構成できる。
【０１５６】
図１７を参照すると、多層構造の活性層７２にするためには、アンドープＩｎＮＡｓＰ井戸層（Ｎ組成：０．５％、Ａｓ組成：４５％）とアンドープＩｎＧａＮＡｓＰ障壁層とを組み合わせることが好ましい。また、薄層化された多層構造にすれば、量子井戸構造を形成できる。この材料を用いると、井戸層および障壁層の遷移エネルギの温度依存性を小さくできる。このため、井戸層および障壁層のいずれか一方に上記材料を使用する場合に比べて、量子井戸構造に基づく量子準位の温度依存性を小さくできる。したがって、より安定したレーザ動作が可能となる。
【０１５７】
ＧａＰ基板を使用する場合、格子不整合の比率が０．１％以下のもとで、ＧａＮＡｓ、ＡｌＧａＮＡｓ、ＩｎＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＡｌＮＡｓ、ＩｎＮＰ、ＩｎＧａＮＰ、ＡｌＩｎＮＰ、ＩｎＧａＡｌＮＡｓ等が０．１μｍ以上の厚みで使用できる。上記材料を０．１μｍ以下の厚みで用いる場合、格子不整の比率が２％以下で使用可能である。この条件では、レーザの活性層に用いる歪量子井戸構造に適用できる。
【０１５８】
ＧａＰ基板を使用すれば、発振波長を規定すればＧａＡｓ基板に比べて活性層の遷移エネルギとクラッド層の遷移エネルギとの差を大きくとれるので、高温での動作において有利である。
【０１５９】
図１２に示したＦＰ型半導体レーザの各半導体層に対して、特に好適な組み合わせは、図１６を参照すると、ｎ−ＧａＰ基板７６、ｎ−ＧａＰバッファ層７８、ｎ−ＡｌＰクラッド層７０、アンドープＧａＰガイド層７１、アンドープＧａＮＰ活性層７２（Ｎ組成：７％）、アンドープＧａＰガイド層７３、ｐ−ＡｌＰクラッド層７４、ｐ−ＧａＰコンタクト層８０となる。このような組み合わせを構成すれば、ガイド層７１、７３を活性層７２の両側に備えているので、基本モードを保ちながら比較的高出力を得ることができる。
【０１６０】
図１７を参照すると、多層構造の活性層７２にするためには、アンドープＧａＮＰ井戸層（Ｎ組成：７％）とアンドープＡｌＩｎＮＰ障壁層（Ｉｎ組成：１０％、Ｎ組成：４％）を組み合わせることが好ましい。また、薄層化された多層構造にすれば、量子井戸構造を形成できる。この材料を用いると、井戸層および障壁層の遷移エネルギの温度依存性を小さくできる。このため、井戸層および障壁層のいずれか一方に上記材料を使用する場合に比べて、量子井戸構造に基づく量子準位の温度依存性を小さくできる。したがって、より安定したレーザ動作が可能となる。
【０１６１】
以上、図１２に示したＦＰ型半導体レーザに関して好適な半導体層の組み合わせについて説明したが、上記の１．５５μｍ帯半導体レーザに関しての組み合わせは、図１４に示したＤＦＢ型半導体レーザについても同様に好適な組み合わせとなる。この場合に、図１４の半導体層との関係は、基板９６、バッファ層９８、クラッド層１００、ガイド層１０１、活性層１０２、ガイド層１０３、クラッド層１０４、コンタクト層１１０、となる。
【０１６２】
これらの半導体層は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、化学線エピタキシ（ＣＢＥ）等によって成長することができる。
【０１６３】
なお、上記デバイスにおいて、活性層とガイド層にＡｓを含まないものでは、レーザ端面の劣化を促進するＡｓ酸化物の形成がないため、特に高出力レーザにおいて、高出力におけるレーザ端面の破壊を防止できるので、高い信頼性が得られる。
【０１６４】
（第９の実施の形態）
図１８は、ＧａＮyＡｓ1-y、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y（ｘ＝０．１０、ｘ＝０．１５）の遷移エネルギの温度依存性を示した特性図である。横軸には、他のＶ族元素に対する窒素の組成を百分率で示し、縦軸には、それぞれの物質の遷移エネルギの温度特性をｅＶ／Ｋ単位で示している。
【０１６５】
遷移エネルギＥｔは、発光素子の発光に寄与するエネルギ準位間のエネルギ差をいう。これは、発光波長から求めることができる。例えば、蛍光法（フォトルミネッセンス法）を用いる場合には、アルゴンレーザで発生された波長５１４ｎｍの光を対象結晶に照射して、この結晶から放出される蛍光の波長を分光器によって測定し波長を求めると、遷移エネルギを決定できる。遷移エネルギの温度依存性は、５Ｋ〜３００Ｋの範囲では、この範囲で連続的に温度を変化できるクライオスタット（冷却器）を使用し、また３００Ｋ〜４００Ｋの範囲では、この範囲で連続的の温度を変化できる加熱装置を使用して行った。
【０１６６】
窒素の組成は、Ｘ線回折法、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ法）、ＥＰＭＡ法等によって求めることができる。図１８においては、Ｘ線回折法、ＳＩＭＳ法を用いて組成決定を行い、この両方法によって求めた値は、よく一致することを確認した。Ｘ線回折法では、格子定数は組成に比例するという法則に基づいて、半導体基板とこの上にエピタキシャル成長された半導体層からの回折角の差から、例えばＧａＮyＡｓ1-yの場合ではＧａＡｓとＧａＮの既知の格子定数から算出する。更に、詳述すれば、Ｘ線回折法によりＧａＡｓ（００４）ピークとＧａＮＡｓ（００４）ピークのずれから窒素組成を決定した。
【０１６７】
図１９は、このような組成の半導体層のＸ線回折スペクトルの一例を示し、横軸は回折角度、縦軸は任意単位で示されたＸ線強度である。図１９によれば、ＧａＡｓ（００４）との格子不整合は０．３％と小さく、半値幅は△２θ表記で５０秒と小さい。したがって、組成分布、および欠陥の少ない、非常に結晶性の良好なＧａＩｎＮＡｓ結晶が得られたことが分かる。
【０１６８】
再び図１８を参照すると、ＧａＮyＡｓ1-yにおいて窒素の組成を変化させた場合の温度係数が示されている。遷移エネルギの１次の温度係数は、温度Ｔ＝Ｔ２からＴ＝Ｔ１の範囲（Ｔ１＞Ｔ２）において、
△Ｅｔ／△Ｔ＝
［Ｅｔ(T=T１)−Ｅｔ(T=T2)］／［Ｔ１−Ｔ２］
で表される。この割合は、窒素の組成を独立変数とすると、傾きが正の一次関数で表される関係となる。図１８に示したデータは実験データを解析した一例であって、温度Ｔ＝７７Ｋから３００Ｋの範囲での結果である。実験データを外挿して窒素の組成が零の場合（いわゆる、ｙ切片）を求めると、−０．３８３ｍｅＶとなる。この値はＧａＡｓにおけるバンドギャップの値の温度係数−０．３８０ｍｅＶに非常に近い。本実験の解析から得られた値−０．３８３ｍｅＶと、ＧａＡｓの文献値−０．３８０ｍｅＶが非常に近いことは、本実施の形態に使用した窒素濃度が高い結晶が高品質であることを示していると、発明者は考えている。なお、遷移エネルギの変化の割合、つまり１次の温度係数は、窒素の組成を増加させていくと、負の値から零に近づき、正の値を至ることを示している。
【０１６９】
また、図１８では、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y（ｘ＝０．１０、ｘ＝０．１５）においては、窒素の組成を０．１％〜９％まで変化させた。これは、窒素の組成が大きい場合、温度７７Ｋから３００Ｋまでの遷移エネルギの変化の割合△Ｅｔ／△ＴをＧａＮyＡｓ1-yの場合と同様に求めた解析例である。この結果、窒素の組成に対して、傾きが正の一次関数で表される関係にある。本物質の場合には、Ｉｎの組成によって遷移エネルギの温度依存性が変化する。図１８の例では、Ｉｎの組成が高くなるのつれて、温度依存性△Ｅｔ／△Ｔが小さくなるが、Ｉｎ組成の依存性に比べて窒素の組成に対する依存性の方が大きいことに注目すべきことである。
【０１７０】
なお、ＧａＡｓ、ＧａxＩｎ1-xＡｓのバンドギャップの温度依存性については、文献（Property  of  lattice-matched  and  strained  Indium  Gallium  Arsenide,  Ed P.Bhattacharya,  INSPEC  1993,  p73-75）を参照した。
【０１７１】
このように、ＧａＮyＡｓ1-y、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y（ｘ＝０．１０、ｘ＝０．１５）では、遷移エネルギの温度依存性を極めて小さくすることが可能な窒素の組成の範囲がある。上記のような物質においては、他のＶ族に対して窒素の組成を最大で９％程度にすると、従来使用されていたＧａＡｓ半導体に比べて発光素子の光波長の温度依存性を極めて小さくすることができる。したがって、例えば温度特性が改善された半導体発光素子、例えば半導体レーザを提供できる。
【０１７２】
加えて、これらの材料では、遷移エネルギをＧａＡｓより遷移エネルギ値を小さくできる。また、Ｉｎの組成および窒素組成を連続的に変化させることによって、遷移エネルギを連続的に変化させることができる。したがって、これらの材料を既存の半導体材料と組み合わせて多層構造を構成すれば、ＧａＡｓより長波長の半導体発光素子（各種構造の半導体レーザ、発光ダイオード）を作成できる。例えば、所定の窒素組成のＧａＮyＡｓ1-y、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-yを活性層に使用すれば、光ファイバ通信に使用される１．３μｍ帯および１．５５μｍ帯で使用可能な、発振波長の温度特性が安定している発光ダイオードおよび半導体レーザを作成できる。
【０１７３】
このような特性は、窒素の原子半径が他の元素と比較して小さいことが１つの理由であると、発明者は考えている。原子半径は、
ＩＩＩ族元素
Ａｌ： ０．２３０オングストローム
Ｇａ： １．２２５オングストローム
Ｉｎ： １．４０６オングストローム
Ｖ族元素
Ｎ ： ０．７１９オングストローム
Ｐ ： １．１２６オングストローム
Ａｓ： １．２２５オングストローム
という値である。
【０１７４】
また、窒素の電気陰性度が他の元素に比べて大きく異なってこともその理由であると発明者は考えている。ポーリングの電気陰性度は、化学便覧、基礎編II-631、丸善（株）によれば、
ＩＩＩ族元素
Ａｌ： １．５ｋｃａｌ／ｍｏｌ
Ｇａ： １．６ｋｃａｌ／ｍｏｌ
Ｉｎ： １．７ｋｃａｌ／ｍｏｌ
Ｖ族元素
Ｎ ： ３．０ｋｃａｌ／ｍｏｌ
Ｐ ： ２．１ｋｃａｌ／ｍｏｌ
Ａｓ： ２．０ｋｃａｌ／ｍｏｌ
という値である。
【０１７５】
さらに発明者は以下のような考察を行った。例えば、青色発光素子として実用化されているＩｎＧａＮは、ＩｎＮとＧａＮから成る３元系混晶である。遷移エネルギの温度係数は、ＩｎＮでは−０．１８ｍｅＶ／Ｋ、ＧａＮでは−０．６０ｍｅＶである。ＩｎxＧａ1ーxＮは、文献（Property  of  Group  III  Nitrides,  INSPEC  publication,  ed.  James  H. Edgar）によれば、−［０．２７＋０．０９×Ｘ］ｍｅＶの温度変化を示し、本実施の形態において使用したＧａＮyＡｓ1-y、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y（ｘ＝０．１０、ｘ＝０．１５）のように温度係数が零になるような特性は示さない。同様に、ＡｌＮおよびこれを中心にした混晶系についても、かかる特性を有さない。このことから、発明者は、窒素と物性が異なるＶ族元素を一緒に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶系においては、温度特性のかかる改善が可能になると考えている。
【０１７６】
この考察に基づけば、窒素と組み合わせる元素として、Ａｓ、Ｐ、およびＳｂが考えられる。これらのＶ族を含む２元ＩＩＩ−Ｖ族系は、ＡｌＰ、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＡｌＳｂ、ＧａＳｂ、およびＩｎＳｂ等がある。３元ＩＩＩ−Ｖ族系は、これらの２元系の組み合わせが考えられる。更に、４元以上の多元系も、これらの組み合わせによって表される。
【０１７７】
図１８に基づけば、ＧａＮyＡｓ1-y（０＜ｙ≦０．０９）の材料にあっては、ＧａＡｓ半導体の繊維エネルギの１次の温度係数０．３８ｍｅＶ／Ｋよりも小さいので、従来の素子に比べて発光波長の温度依存性が小さい発光素子を実現できる。
【０１７８】
また、図１８に基づけば、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y（０＜ｘ≦０．３、０＜ｙ≦０．０９）の材料にあっては、Ｇａ1ーxＩｎxＡｓ半導体の繊維エネルギの１次の温度係数よりも小さいので、従来の比べて発光波長の温度依存性が小さい発光素子を実現できる。
【０１７９】
更に、遷移エネルギの１次の温度係数の好適な範囲は、窒素組成に関しては、組成が１％以上９％以下の窒素を含む少なくとも１層以上のＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体を備える半導体発光素子に適用することが好ましい。また、組成ｘが０％より大きく３０％以下のＩｎを含み、組成ｙが３％以上９％以下の窒素を含む少なくとも１層以上のＧａ1ーxＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体を備える半導体発光素子に適用することが好ましい。
【０１８０】
更に、２．３ｅＶ以下の遷移エネルギを有し、且つ、Ｖ族元素に関する窒素組成が４０％以下であるＩＩＩ−Ｖ族混晶系であることが好ましい。このような範囲にすれば、発光素子として好適な波長範囲を達成できる遷移エネルギを有する半導体層が形成される。つまり、ＧａＰ半導体の遷移エネルギ２．２６ｅＶ（波長、５４８ｎｍ）程度以下の遷移エネルギを実現できる。なお、ＧａＮＰにおいては、窒素組成４０％において遷移エネルギが０ｅＶとなる。
【０１８１】
図１８に示した特性を有する半導体層は、例えばＭＯＣＶＤ法のよって以下のように形成した。
【０１８２】
面方位が（００１）の半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、０．５μｍ厚のＧａＮyＡｓ1-y混晶半導体単層膜を成長した。このときの諸条件は、ＭＯＣＶＤ成長炉内で、成長温度５７０℃として、［ＴＢＡｓ］／［ＴＥＧ］（モル供給比）＝５と固定して、［ＤＭＨｙ］／（［ＤＭＨｙ］＋［ＴＢＡｓ］）（モル供給比）＝Ｏ．２５６〜０．９の範囲で所望の窒素組成に合わせて変化させた。なお、［ＴＢＡｓ］はｔーブチルアルシンであり、［ＴＥＧ］はトリエチルガリウムであり、［ＤＭＨｙ］はジメチルヒドラジンである。
【０１８３】
また、面方位が（００１）の半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、０．５μｍ厚のＧａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y混晶半導体単層膜を成長した。このときの諸条件は、ＭＯＣＶＤ成長炉内で、成長温度５３０℃とした。Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ0.035Ａｓ0.965混晶半導体では、［ＴＢＡｓ］／（［ＴＥＧ］＋［ＴＭＩ］）（モル供給比）＝１．８、［ＤＭＨｙ］／（［ＤＭＨｙ］＋［ＴＢＡｓ］）（モル供給比）＝０．９８である。Ｇａ0.85Ｉｎ0.15Ｎ0.053Ａｓ0.947混晶半導体では、［ＴＢＡｓ］／（［ＴＥＧ］＋［ＴＭＩ］）（モル供給比）＝２、［ＤＭＨｙ］／（［ＤＭＨｙ］＋［ＴＢＡｓ］）（モル供給比）＝０．９６５である。これによって、ＧａＡｓ（００１）基板上に格子整合して成長する。それぞれの場合、窒素組成は［ＤＭＨｙ］／（［ＤＭＨｙ］＋［ＴＢＡｓ］）を変化させて調整した。なお、［ＴＭＩ］はトリメチルインジウムである。
【０１８４】
以上、第６の実施の形態から第９の実施の形態において説明したように、本発明の半導体発光素子では、発光に寄与する遷移エネルギの温度依存性が小さい半導体材料を採用したので、発光波長の温度依存性が安定する。このため、動作の信頼性が向上するとともに、温度調整機構が不要になる。したがって、安価、小型、且つ低消費電力の半導体発光素子が提供される。
【産業上の利用可能性】
【０１８５】
以上に説明したように、ＧａＡｓ基板上に、Ｇａ1-xＩｎxＮy Ａｓ1-y／Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj（但し、０＜ｉ＜１）超格子構造の活性層、またはＧａ1-xＩｎxＮy Ａｓ1-y／ＧａＡｓ1-jＰj超格子構造の活性層を設けた本発明の半導体レーザによれば、Ｇａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-y井戸層のＩｎの組成比ｘを小さくしても、量子井戸における伝導帯及び価電子帯での電子及び正孔の閉じ込め効果（量子井戸効果）が十分に得られて、温度特性（Ｔ0）の優れた半導体レーザを実現することができる。更に、Ｉｎの組成比ｘを小さくすることにより、格子不整合が抑えられて、ＧａＡｓ基板からの応力歪みが低減されるため、信頼性の高い半導体レーザを実現することができる。
【０１８６】
また、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＮyＡｓ1-y／Ｇａ1-iＩｎiＡｓ1-jＰj（但し、０≦ｊ＜１）超格子構造の活性層を設けた本発明の半導体レーザによれば、結晶の高品質化を図ることができ、優れた温度特性（Ｔ０）を実現することができる。更に、超格子のバンドギャプ構造を、電子と正孔を空間的に分離して閉じ込めることができるように設計でき、発振波長の長波長化や高効率化にも有利である。更に、活性層の平均の格子定数をＧａＡｓ基板と等しくすることによって、設計の自由度を広げることができると共に、信頼性の高い半導体レーザを実現することができる。
【０１８７】
加えて、本発明の半導体発光素子では、発光に寄与する遷移エネルギの温度依存性が小さい半導体材料を採用したので、発光波長の温度依存性が安定する。このため、動作の信頼性が向上するとともに、温度調整機構を不要にすることもできる。したがって、安価、小型、且つ低消費電力の半導体発光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０１８８】
【図１】図１は、第１の実施の形態の半導体レーザの構造及び製造工程を示す縦断面図である。
【図２】図２は、活性層のバンド構造を示す説明図である。
【図３】図３は、活性層のバンド構造を更に示す説明図である。
【図４】図４は、井戸層のＩｎとＮの組成比の関係を示す特性図である。
【図５】図５は、障壁層のＰとＩｎの組成比の関係を示す特性図である。
【図６】図６は、第２の実施の形態の半導体レーザの構造及び製造工程を示す縦断面図である。
【図７】図７は、第３の実施の形態の半導体レーザの構造を示す縦断面図である。
【図８】図８は、第４の実施の形態の半導体レーザの構造を示す縦断面図と、活性層及びその特性を示す説明図である。
【図９】図９は、第５の実施の形態の半導体レーザの活性層の構造及びその特性を示す説明図である。
【図１０】図１０は、第５の実施の形態の半導体レーザの動作を説明するための説明図である。
【図１１】図１１は、従来の半導体レーザの活性層のバンド構造と、III族とＶ族元素の原子半径を 示す説明図である。
【図１２】図１２は、本発明の半導体発光素子が適用されたファブリペロー型半導体レーザを模式的に表した斜視図である。
【図１３】図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、図１２におけるＡ部の拡大図である。
【図１４】図１４（ａ）は、本発明の半導体発光素子が適用された分布帰還型半導体レーザを模式的に表した斜視図であり、放射されるレーザ光の光軸方向に沿った断面を示している。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）のＢ部の拡大された断面図である。
【図１５】図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、図１４におけるＣ部の拡大図である。
【図１６】図１６は、本発明に特に好適な半導体層の組み合わせを一覧に示した一覧図である。
【図１７】図１７は、本発明に特に好適な半導体層の組み合わせを一覧に示した一覧図である。
【図１８】図１８は、遷移エネルギを温度係数の窒素組成に対する依存性を示したグラフである。
【図１９】図１９は、このような組成の半導体層のＸ線回折スペクトル図である。
【符号の説明】
【０１８９】
２，２４，４６…ＧａＡｓ基板、４，２６，４６…バッファ層、６，３０，５０…下部クラッド層、８，３２，５２，６８…活性層、８ａ，８ｃ，５２ａ，５２ｃ，６８ａ，６８ｃ，６８ｅ，６８ｇ…障壁層、８ｂ，５２ｂ，６８ｂ，６８ｄ，６８ｆ…井戸層、１０，３４，５４…上部クラッド層、１４，６６…リッジストライプ部、１６，５６…埋め込み層、１８，６０…コンタクト層。７０…第１のクラッド層、７１…第１のガイド層、７２…活性層、７３…第２のガイド層、７４…第２のクラッド層、７６…半導体基板、７８…バッファ層、８０…コンタクト層、８２…第１導電側電極、８４…第２導電側電極、８６…リッジストライプ部、８８…中間層。９６…半導体基板９６、９８…バッファ層、１００…第１のクラッド層、１０１…第１のガイド層、１０２…活性層、１０３…第２のガイド層、１０６…埋め込み部１０６、１０４…第２のクラッド層、１１０…コンタクト層、１１２…第１導電側のストライプ電極、１１４…第２導電側の裏面電極、１１８…第１のブロック層、１２０…第２のブロック層。
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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