JP2004296845A

JP2004296845A - 量子井戸構造および半導体発光素子および光送信モジュールおよび光伝送システム

Info

Publication number: JP2004296845A
Application number: JP2003088168A
Authority: JP
Inventors: Takashi Takahashi; 孝志高橋; Morimasa Uenishi; 盛聖上西; Shunichi Sato; 俊一佐藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】量子井戸構造のｎｅｔｓｔｒａｉｎの増加、及び発光波長の短波長シフトを抑制し、かつＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層と障壁層との界面ラフネスを改善する。
【解決手段】Ｉｎと窒素と他のＶ族元素を含み、圧縮歪を有する量子井戸層１０４ａと、量子井戸層１０４ａの上下に形成された障壁層とで構成された量子井戸構造において、前記障壁層は、量子井戸層１０４ａに隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層１０４ｂと、引張歪を有する層１０４ｃとが積層されて構成されていることを特徴としている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子井戸構造および半導体発光素子および光送信モジュールおよび光伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯の光通信用半導体レーザ素子として、Ｖ族元素に窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体（窒素系Ｖ族混晶半導体）材料を用いる研究開発が行われている。例えば特許文献１には、Ｖ族元素として窒素と砒素を含むＧａＩｎＮＡｓ系半導体レーザが示されている。このような窒素系Ｖ族混晶半導体材料を活性層に用いることにより、ＧａＡｓ基板上に１．３μｍや１．５５μｍ帯の長波長帯半導体レーザを形成することができる。
【０００３】
しかしながら、原子半径の小さい窒素は他のＶ族元素との混和性が低いため、窒素添加量を増加させるにつれて、良好な結晶品質を得ることが難しい材料系となっている。そのため、窒素添加量を増加させるにつれて発光効率が低下してしまうという問題が生じた。これを解決するために、ＧａＩｎＮＡｓ活性層の窒素添加量を少なくすることが検討された。しかしながら、窒素添加量を増やさずにＧａＩｎＮＡｓ材料で１．３μｍ以上の長波長帯の発光を得るには、ＧａＩｎＮＡｓの圧縮歪量を２％以上と高歪にする必要がある。このようなＧａＩｎＮＡｓを量子井戸構造に用いる場合、障壁層としては通常ＧａＡｓが用いられていた。
【０００４】
圧縮歪量が２％以上という高歪量子井戸層を半導体レーザの活性層に用いる場合、半導体レーザ素子の信頼性が重要な課題となり、これを解決する手段として、歪補償構造が検討されている。歪補償構造は、量子井戸層が有する歪と反対方向の歪を障壁層に持たせることにより、量子井戸構造全体の正味の歪量（ｎｅｔｓｔｒａｉｎ）を低減させる方法である。ＧａＩｎＮＡｓ井戸層は圧縮歪を有しており、これに対する歪補償層としては引張歪を有するＧａＮＡｓやＧａＡｓＰが用いられている。
【０００５】
例えば特許文献２には、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ井戸層とＧａＮＡｓ障壁層を有する半導体レーザについて記載されている。また、非特許文献１には、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓＰ歪補償層とを有する半導体レーザが報告されている。
【０００６】
また、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造と、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＮＡｓ量子井戸構造において、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓまたはＧａＮＡｓ障壁層との界面において、アニール後にＩｎとＧａの相互拡散が生じて、界面ラフネスが増加する問題も報告されている（非特許文献２を参照）。
【０００７】
また、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層と障壁層との界面を改善するために、非特許文献３においては、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層との間にＧａＩｎＡｓ中間層を設けている。また、非特許文献２においては、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＮＡｓ障壁層との間に、ＧａＩｎＮＡｓ拡散防止層を設けることが報告されている。
【０００８】
また、特許文献３においては、Ｇａ_ｘ１Ｉｎ_１−ｘ１Ｎ_ｙ１Ａｓ_１−ｙ１（０＜ｘ１≦１、０＜ｙ１＜１）量子井戸層とＧａ_ｘ２Ｉｎ_１−ｘ２Ａｓ_ｙ２Ｐ_１−ｙ２（０≦ｘ２≦１、０≦ｙ２≦１）障壁層とからなる量子井戸構造を有する半導体素子が提案されている。ここで、０＜ｘ１≦０．５のとき、０．５×ｘ１≦ｘ２≦１．５×ｘ１を満足し、０．５＜ｘ１≦１のとき、０．５×（１−ｘ１）≦１−ｘ２≦１．５×（１−ｘ１）を満足している。これは、井戸層と障壁層とでＩｎ組成の濃度勾配を小さくすることで、Ｉｎの拡散を抑制している。
【０００９】
【特許文献１】
特開平８−１９５５２２号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開２００２−１１８３２９号公報
【００１１】
【非特許文献１】
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．７８，ｐ．９１（２００１）
【００１２】
【非特許文献２】
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．８０，ｐ．４７２０（２００２）
【００１３】
【非特許文献３】
ＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．，Ｖｏｌ．１４，ｐ．８９６（２００２）
【００１４】
【特許文献３】
特開２００１−２５１０２１号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非特許文献３で報告されているＧａＩｎＡｓ中間層はＩｎ組成が３２％であり、圧縮歪量は２．３％と高い値となっている。また、非特許文献２で報告されているＧａＩｎＮＡｓ拡散防止層においても、圧縮歪量が１．８４％と高い値となっている。
【００１６】
そのため、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層と障壁層の界面に設けたＧａＩｎＡｓ中間層またはＧａＩｎＮＡｓ拡散防止層は、歪補償層としては機能していない。ＧａＩｎＮＡｓ井戸層の層厚が同じ場合には、高歪の中間層を設けると、むしろｎｅｔｓｔｒａｉｎは増加してしまう。
【００１７】
また、ｎｅｔｓｔｒａｉｎを同じにした状態で中間層を設けるには、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層の層厚を薄くする必要があるため、発光波長が量子効果により短波長化してしまうという問題が生じてしまう。
【００１８】
また、特許文献３においては、ＧａＩｎＡｓＰ障壁層がＧａＡｓ基板と格子整合する場合、あるいは引張歪を有する場合には、障壁層のバンドギャップがＧａＡｓのバンドギャップよりも大きくなるため、量子井戸構造の基底準位が上昇してしまい、発光波長が短波長化してしまうので、発光波長を合わせるために窒素組成を大きくしなければならず、結晶性が低下してしまう問題がある。一方、ＧａＩｎＡｓＰ障壁層を圧縮歪にした場合には、障壁層のバンドギャップがＧａＡｓのバンドギャップよりも大きくならない材料を用いることができるが、歪補償構造を構成することができなくなってしまい、ｎｅｔｓｔｒａｉｎが大きく増加してしまう。
【００１９】
本発明は、量子井戸構造のｎｅｔｓｔｒａｉｎの増加、及び発光波長の短波長シフトを抑制し、かつＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層と障壁層との界面ラフネスを改善することの可能な量子井戸構造および半導体発光素子および光送信モジュールおよび光伝送システムを提供することを目的としている。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、Ｉｎと窒素と他のＶ族元素を含み、圧縮歪を有する量子井戸層と、量子井戸層の上下に形成された障壁層とで構成された量子井戸構造において、前記障壁層は、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層と、引張歪を有する層とが積層されて構成されていることを特徴としている。
【００２１】
また、請求項２記載の発明は、Ｉｎと窒素と他のＶ族元素を含み、圧縮歪を有する量子井戸層と、量子井戸層の上下に形成された障壁層とで構成された量子井戸構造を活性層とする半導体発光素子において、前記障壁層は、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層と、引張歪を有する層とが積層されて構成されていることを特徴としている。
【００２２】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の半導体発光素子において、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層は、バンドギャップエネルギーがＧａＡｓのバンドギャップエネルギー以下であることを特徴としている。
【００２３】
また、請求項４記載の発明は、請求項２記載の半導体発光素子において、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層は、歪量が±０．１％以下であることを特徴としている。
【００２４】
また、請求項５記載の発明は、請求項２記載の半導体発光素子において、障壁層に組成傾斜層を含むことを特徴としている。
【００２５】
また、請求項６記載の発明は、請求項２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、活性層が多重量子井戸構造であることを特徴としている。
【００２６】
また、請求項７記載の発明は、請求項２乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、該半導体発光素子は面発光型半導体レーザ素子であることを特徴としている。
【００２７】
また、請求項８記載の発明は、請求項２乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層は、ＧａＩｎＡｓＰであることを特徴としている。
【００２８】
また、請求項９記載の発明は、請求項２乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体発光素子が用いられることを特徴とする光送信モジュールである。
【００２９】
また、請求項１０記載の発明は、請求項９記載の光送信モジュールが用いられることを特徴とする光伝送システムである。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００３１】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に示す量子井戸構造は、Ｉｎと窒素と他のＶ族元素を含み、圧縮歪を有する量子井戸層と、量子井戸層の上下に形成された障壁層とで構成された量子井戸構造において、障壁層は、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層（中間層として機能する層）と、引張歪を有する層とが積層されて構成されていることを特徴としている。
【００３２】
窒素と他のＶ族元素を含む混晶半導体、即ち窒素系Ｖ族混晶半導体は、バンドギャップエネルギーと格子定数の関係において、非常に大きなボーイングパラメータを有していることが知られている。そのため、窒素組成の小さい領域では、格子定数が小さくなるにつれてバンドギャップエネルギーが小さくなるという現象が生じる。
【００３３】
ＧａＮはＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーは大きいが、窒素組成の少ない領域のＧａＮＡｓでは、ＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが小さくなる。これにより、ＧａＡｓ基板上に長波長帯の発光層を形成することができる。
【００３４】
また、Ｉｎを添加することによっても、バンドギャップエネルギーは小さくなる。そのため、Ｉｎを含む窒素系Ｖ族混晶半導体では、Ｉｎを含まない場合よりも少ない窒素組成で長波長帯の発光を得ることができる。そのため、窒素組成増加によって生じる発光効率の低下を抑制することができる。Ｉｎと窒素と他のＶ族元素を含み、圧縮歪を有する量子井戸層の材料としては、ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓＰ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＰＳｂ等を用いることができる。
【００３５】
しかしながら、ＩｎＡｓとＧａＡｓは格子定数差が７．２％もあるため、Ｉｎ組成を大きくするにつれてＧａＡｓ基板に対して圧縮歪量が大きくなってしまう。例えば、１．３μｍ帯のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層では、圧縮歪量が２．０〜２．６％と大きな値となっている。
【００３６】
本発明の量子井戸構造では、量子井戸層の上下に形成された障壁層は、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層（中間層として機能する層）と、引張歪を有する層とが積層されて構成されていることを特徴している。
【００３７】
引張歪を有する層は、量子井戸層が有する圧縮歪と反対方向の歪を有しているため、量子井戸構造全体の正味の歪量（ｎｅｔｓｔｒａｉｎ）を低減する歪補償構造となっている。これにより、転位の発生を抑制し、量子井戸構造の信頼性を向上させることができる。引張歪を有する層の材料としては、ＧａＡｓＰ，ＧａＮＡｓ，ＧａＮＡｓＰ，ＡｌＧａＡｓＰ等を用いることが可能である。また、前記材料に、ＩｎやＳｂを少量添加することもできる。
【００３８】
さらに、障壁層において、量子井戸層に隣接する層（中間層として機能する層）には、Ｉｎが含まれている。これにより、Ｉｎを含む量子井戸層と障壁層との界面で、量子井戸層のＩｎと障壁層側のＧａとの相互拡散を抑制することができる。従って、量子井戸層と障壁層との界面のラフネスを小さくすることができる。
【００３９】
しかし、Ｉｎを含むことで、量子井戸層に隣接する障壁層は格子定数が大きくなってしまう。そのため、従来例のようにＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＮＡｓを界面に設けた場合には、量子井戸構造全体のｎｅｔｓｔｒａｉｎが増加してしまうという問題が生じる。
【００４０】
そこで、本発明では、量子井戸層に隣接する障壁層は、Ｉｎに加えて燐（Ｐ）を含むことを特徴としている。Ｐを添加することにより、混晶半導体の格子定数は小さくなるため、量子井戸層に隣接する障壁層の歪量を低下させることができる。これにより、量子井戸構造全体のｎｅｔｓｔｒａｉｎの増加を抑制することができ、良好な信頼性を確保することができる。
【００４１】
なお、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層（中間層）は、ＩｎとＧａの相互拡散を抑制するために設けられており、０．５〜５ｎｍ程度の薄い層厚で十分機能する。
【００４２】
障壁層は、少なくとも、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層（中間層）と、引張歪を有する層との２層構造で形成されている。しかし、必ずしも２層である必要はなく、混晶組成の異なる２層以上の多層構造を組み合わせて形成することもできる。
【００４３】
この第１の実施形態の量子井戸構造は、発光素子の活性層の他に、光増幅器の利得層、受光素子の光吸収層、光変調器の変調層にも用いることができる。
【００４４】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に示す半導体発光素子は、Ｉｎと窒素と他のＶ族元素を含み、圧縮歪を有する量子井戸層と、量子井戸層の上下に形成された障壁層とで構成された量子井戸構造を活性層とする半導体発光素子において、障壁層は、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層（中間層として機能する層）と、引張歪を有する層とが積層されて構成されていることを特徴としている。即ち、第１の実施形態に記載した量子井戸構造を半導体発光素子の活性層に用いたものとなっている。
【００４５】
これにより、活性層が歪補償構造となるため、量子井戸構造全体のｎｅｔｓｔｒａｉｎを低減することができ、半導体発光素子の信頼性を向上させることができる。
【００４６】
さらに、障壁層において量子井戸層に隣接する層には、Ｉｎが含まれているため、Ｉｎを含む量子井戸層と障壁層との界面で、量子井戸層のＩｎと障壁層側のＧａとの相互拡散を抑制することができる。従って、量子井戸層と障壁層との界面のラフネスを小さくすることができる。そのため、Ｉｎと窒素と他のＶ族元素を含み圧縮歪を有する量子井戸層の発光特性を改善することができる。
【００４７】
また、量子井戸層と障壁層の界面を急峻に形成できることにより、アニールによる活性層の短波長シフト量が小さくなる。そのため、同じ発光波長を得るのに、量子井戸層の歪量または窒素添加量を減少させることができる。従って、さらに信頼性の向上、または発光効率の向上を図ることができる。
【００４８】
また、本発明では、量子井戸層に隣接する障壁層は、Ｉｎに加えて燐（Ｐ）を含むことにより、量子井戸層に隣接する障壁層の歪量を低下させることができる。従って、量子井戸層に隣接する障壁層は、従来構造に比べて、量子井戸構造全体のｎｅｔｓｔｒａｉｎの増加を小さくして、量子井戸層と障壁層との界面のラフネスを小さくすることができる。
【００４９】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態は、第２の実施形態の半導体発光素子において、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層（中間層として機能する層）のバンドギャップエネルギーが、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギー以下であることを特徴としている。
【００５０】
量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層のバンドギャップエネルギーを、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギー以下に設定することにより、引張歪を有する層のバンドギャップエネルギーがＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも大きい場合でも、量子井戸層の量子準位の上昇を抑制することができる。従って、発光波長の短波長シフトを抑制しながら、歪補償構造の量子井戸活性層を形成することができる。
【００５１】
量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層を、例えばＧａＩｎＡｓＰで形成する場合、ＧａＩｎＡｓＰのバンドギャップエネルギーをＧａＡｓのバンドギャップエネルギー以下にするには、圧縮歪にする必要がある。しかし、この場合でも従来例に示したＧａＩｎＡｓ中間層やＧａＩｎＮＡｓ拡散防止層に比べると圧縮歪量を小さくできるため、ｎｅｔｓｔｒａｉｎの増加を抑制する効果がある。
【００５２】
例えば、Ｇａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９を量子井戸層とし、量子井戸層と隣接する層として層厚２ｎｍのＧａ_０．８Ｉｎ_０．２Ａｓ_０．８Ｐ_０．２を用い、引張歪を有する層としてＧａＡｓ_０．８５Ｐ_０．１５を用いる場合を考える。Ｇａ_０．８Ｉｎ_０．２Ａｓ_０．８Ｐ_０．２は、ＧａＡｓよりも僅かに小さいバンドギャップエネルギーを有している。一方、ＧａＡｓ_０．８５Ｐ_０．１５は引張歪量が０．５３％であり、バンドギャップエネルギーはＧａＡｓよりも約１００ｍｅＶ高くなっている。
【００５３】
量子井戸層厚が４〜１０ｎｍのときの伝導帯量子準位は、Ｇａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９を量子井戸層とし、ＧａＡｓを障壁層とした量子井戸構造の場合とほぼ同等の値となっている。従って、引張歪を有する層のバンドギャップエネルギーがＧａＡｓよりも大きい場合でも、量子井戸層と隣接する層のバンドギャップエネルギーをＧａＡｓのバンドギャップエネルギー以下にすることにより、発光波長の短波長シフトを抑制することができる。
【００５４】
なお、量子井戸層と隣接するＧａ_０．８Ｉｎ_０．２Ａｓ_０．８Ｐ_０．２の圧縮歪量は０．７３％である。この値は、従来例で示したＧａＩｎＡｓ中間層やＧａＩｎＮＡｓ拡散防止層の圧縮歪量１．８〜２．３％に比べて、半分以下に低減できている。
【００５５】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態は、第２の実施形態の半導体発光素子において、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層（中間層として機能する層）の歪量が、±０．１％以下であることを特徴としている。
【００５６】
Ｉｎ組成を増加すると混晶の格子定数は大きくなる。一方、Ｐ組成を増加すると、混晶の格子定数は小さくなる。従って、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層において、ＩｎとＰの組成を制御することにより、ＧａＡｓ基板とほぼ同等の格子定数を有する、即ち歪量が±０．１％以下の層を形成することができる。
【００５７】
従って、第４の実施形態においては、量子井戸層は圧縮歪を有し、障壁層は引張歪を有する層を含んでおり、その間に歪量が±０．１％以下の層が薄く形成された構造となっている。このため、逆方向の歪を有する層が直接接触しないため、界面で転位が発生しにくく、さらに半導体発光素子の信頼性を向上させることができる。
【００５８】
量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層として、例えばＧａＩｎＡｓＰを用いる場合、ＧａＡｓ基板と格子整合するＧａＩｎＡｓＰのバンドギャップエネルギーは、ＧａＡｓよりも大きくなってしまう。そのため、特許文献３のように障壁層全体を格子整合ＧａＩｎＡｓＰにしてしまうと、量子井戸層とのバンド不連続が大きくなり、量子効果によって発光波長が短波長シフトしてしまう。
【００５９】
しかしながら、本発明では、障壁層は、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層と、その外側の引張歪を有する層とが積層されて形成されている。量子井戸層に隣接する層の層厚を０．５〜２ｎｍと薄くし、その外側の引張歪を有する層のバンドギャップエネルギーを量子井戸層に隣接する層のバンドギャップエネルギーよりも小さくすることによって、量子井戸層の短波長シフトを小さくすることが可能である。
【００６０】
例えば、Ｇａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９を量子井戸層とし、量子井戸層と隣接する層として層厚１ｎｍのＧａ_０．７Ｉｎ_０．３Ａｓ_０．４Ｐ_０．６を用い、引張歪を有する層としてＧａＮ_０．０１Ａｓ_０．８９Ｐ_０．１を用いた場合を考える。Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ａｓ_０．４Ｐ_０．６は、ＧａＡｓとほぼ格子整合する組成となっており、伝導帯バンド端位置はＧａＡｓよりも３００ｍｅＶ高くなっている。一方、ＧａＮ_０．０１Ａｓ_０．８９Ｐ_０．１は引張歪量が０．５５％であり、伝導帯バンド端位置はＧａＡｓよりも約８０ｍｅＶ低くなっている。量子井戸層厚が８ｎｍのときの伝導帯量子準位は、Ｇａ_０．６５Ｉｎ_０．３５Ｎ_０．０１Ａｓ_０．９９を量子井戸層とし、ＧａＡｓを障壁層とした量子井戸構造の場合に比べて４ｍｅＶ程度しか上昇していない。従って、量子井戸層と隣接する層のバンドギャップエネルギーがＧａＡｓよりも大きい場合でも、量子井戸層と隣接する層の層厚を薄くすることで、発光波長の短波長シフトを抑制することができる。
【００６１】
引張歪を有する層の材料としては、例に挙げたＧａＮＡｓＰの他に、ＧａＡｓＰ，ＧａＮＡｓ，ＡｌＧａＡｓＰ等を用いることが可能である。
【００６２】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態は、第２の実施形態の半導体発光素子において、障壁層に組成傾斜層を含むことを特徴としている。
【００６３】
例えば、障壁層において、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層を組成傾斜層にしたり、Ｉｎと燐（Ｐ）を含む層と引張歪を有する層との間に組成傾斜層を設けることもできる。
【００６４】
量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層を組成傾斜層にする場合には、圧縮歪を有する量子井戸層と、引張歪を有する障壁層との間で、歪を連続的に変えながら積層することが可能となる。同様に、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層と、引張歪を有する層との間に組成傾斜層を設けた場合にも、両者の界面で歪を連続的に変えて積層することができる。これにより、積層構造において格子定数の急峻な変化がなくなるため、界面で転位が発生しにくくなり、より信頼性が向上する。
【００６５】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態は、第２乃至第５のいずれかの実施形態の半導体発光素子において、活性層が多重量子井戸構造であることを特徴としている。
【００６６】
高歪を有する量子井戸層を多層に積層する多重量子井戸構造においては、井戸数が増加するほど格子緩和が発生しやすくなる。本発明では、量子井戸層に隣接する障壁層はＩｎに加えて燐（Ｐ）を含むことにより、量子井戸層に隣接する障壁層の圧縮歪量を低下し、また引張歪を有する層を設けることで歪補償構造を形成している。そのため、量子井戸構造全体のｎｅｔｓｔｒａｉｎを小さくすることができ、高歪を有する量子井戸層を多層に積層する多重量子井戸構造を活性層に用いても、高い信頼性を有する半導体発光素子を実現できる。
【００６７】
（第７の実施形態）
本発明の第７の実施形態は、第２〜第６のいずれかの実施形態の半導体発光素子が、面発光型半導体レーザ素子（一対の多層膜反射鏡と、一対の多層膜反射鏡ではさまれた共振器構造を含む面発光型半導体レーザ素子）であることを特徴としている。
【００６８】
面発光型半導体レーザは、端面型半導体レーザに比べて、共振器長が長く利得領域が小さい。そのため、閾電流，最大光出力，温度特性等のレーザ特性を良好にするためには、量子井戸活性層の数を複数にして、活性層の利得を増加させる必要がある。
【００６９】
本発明の活性層は、障壁層に引張歪をもたせることにより、歪補償構造となっている。また、障壁層において量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層は、圧縮歪量を低下させている。これにより、格子緩和を抑制して、量子井戸数を増加させることができる。従って、低閾電流で発振し、最大光出力が高く、温度特性が良好な面発光型半導体レーザを実現できる。
【００７０】
（第８の実施形態）
本発明の第８の実施形態は、第２乃至第７のいずれかの実施形態の半導体発光素子において、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層が、ＧａＩｎＡｓＰであることを特徴としている。
【００７１】
ＩＩＩ族元素としては、Ｇａ，Ｉｎの他にＡｌがある。しかし、窒素を含む量子井戸層との界面に、Ａｌを含む層を設けると、化学的に活性なＡｌと窒素が結合しやすいため、界面に窒素が偏析してしまう。そのため、量子井戸層と障壁層との界面平坦性が悪くなってしまう。従って、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層には、Ａｌを含ませない方が好ましい。
【００７２】
また、Ｖ族元素としては、ＡｓとＰの他に、Ｓｂ，Ｎがあり、これらの元素を含ませることができる。ただし、Ｓｂを添加すると格子定数が大きくなってしまう。従って、圧縮歪量の増加を抑制する上で、Ｓｂ組成は小さくすることが望ましい。
【００７３】
また、窒素を添加すると伝導帯バンド端位置が大きく低下するため、量子井戸層に対する電子の閉じ込めが低下してしまう。従って、Ｎ組成を添加する場合には微量に添加することが望ましい。
【００７４】
従って、本発明の量子井戸層に隣接する障壁層の材料系として、最も少ない元素で構成した混晶半導体は、ＧａＩｎＡｓＰである。
【００７５】
（第９の実施形態）
本発明の第９の実施形態に示す光送信モジュールは、第２乃至第８のいずれかの半導体発光素子が用いられることを特徴としている。
【００７６】
第２乃至第８の実施形態の半導体発光素子は、発光効率が高く高信頼性の量子井戸活性層を有しているため、動作電流が低く、高い信頼性を有している。第９の実施形態では、この半導体発光素子を光送信モジュールに用いることにより、低消費電力で高信頼性の光送信モジュールを構成することができる。
【００７７】
（第１０の実施形態）
本発明の第１０の実施形態に示す光伝送システムは、第９の実施形態の光送信モジュールが用いられることを特徴としている。第１０の実施形態では、低消費電力で高信頼性の光送信モジュールを使用することにより、光伝送システムの消費電力を低減し、高い信頼性の光伝送システムを構成することができる。
【００７８】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００７９】
（第１の実施例）
図１（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施例の半導体レーザ素子を示す図である。なお、図１（ｂ）は、図１（ａ）の半導体レーザ素子における量子井戸活性層１０４の詳細を示す図である。
【００８０】
図１（ａ）を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０２、ＧａＡｓ下部光導波１０３、量子井戸活性層１０４、ＧａＡｓ上部光導波層１０５、ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１０６、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７が順次積層されている。そして、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１０７の表面には、ｐ側電極１０８が形成され、また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、ｎ側電極１０９が形成されている。
【００８１】
この第１の実施例の半導体レーザ素子の特徴は、活性層１０４に用いている量子井戸構造にある。すなわち、図１（ｂ）を参照すると、量子井戸活性層１０４は、ＧａＩｎＮＡｓを量子井戸層１０４ａとし、その上下を障壁層ではさんだ構造となっている。ここで、障壁層は、ＧａＩｎＡｓＰ中間層１０４ｂとＧａＡｓＰ層１０４ｃとにより構成されている。
【００８２】
ここで、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層１０４ａの層厚は８ｎｍ、ＧａＡｓＰ層１０４ｃの層厚は２０ｎｍ、ＧａＩｎＡｓＰ中間層１０４ｂの層厚は２ｎｍとした。
【００８３】
ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層１０４ａは、１．３μｍ帯のバンドギャップエネルギーを有しており、１．３μｍ帯で発振する半導体レーザ素子となっている。また、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層１０４ａはＧａＡｓ基板よりも格子定数が大きく、２．３％の高圧縮歪を有している。
【００８４】
一方、ＧａＡｓＰ層１０４ｃは０．３％の引張歪を有している。従って、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層１０４ａの高い圧縮歪を緩和する歪補償構造となっている。これにより、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層１０４ａの歪緩和を抑制し、半導体レーザ素子の信頼性を向上させている。
【００８５】
さらに、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層１０４ａとＧａＡｓＰ層１０４ｃとの間に設けられたＧａＩｎＡｓＰ中間層１０４ｂは、Ｉｎを含んでおり、Ｉｎを含むＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層１０４ａと、Ｉｎを含まないＧａＡｓＰ層１０４ｃとの界面で、ＩｎとＧａの相互拡散を抑制する働きをしている。これにより、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層１０４ａとＧａＡｓＰ層１０４ｃとの界面のラフネスを小さくして、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層１０４ａの発光効率を向上させている。
【００８６】
また、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層１０４ａと障壁層の界面を急峻に形成できることにより、アニールによる発振波長の短波長シフト量が小さくなる。そのため、同じ発光波長を得るのに、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層１０４ａの窒素添加量を減少させることができるため、さらに発光効率の向上をはかることができる。
【００８７】
また、本発明では、ＧａＩｎＡｓＰ中間層１０４ｂが、Ｉｎに加えてＰを含むことを特徴としている。Ｐを添加することにより、Ｐを添加していない場合に比べて、ＧａＩｎＡｓＰ中間層１０４ｂの圧縮歪量を減少させることができる。
【００８８】
図２（ａ），（ｂ），（ｃ）は、量子井戸構造の伝導帯バンド端位置のエネルギーダイアグラムと歪量プロファイルを示す図である。
【００８９】
図２（ａ）は、従来の量子井戸活性層の伝導帯バンドダイアグラムと歪量プロファイルを示す図であり、層厚８ｎｍのＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層に、ＧａＩｎＡｓ中間層２ｎｍをはさんで、ＧａＡｓＰ層を設けた場合である。図２（ａ）の構造では、圧縮歪２．３％のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層と圧縮歪２．０％のＧａＩｎＡｓ層が積層されることで、高圧縮歪領域が合計で１２ｎｍと厚くなっている。そのため、臨界膜厚を超えてしまい、量子井戸構造に転位が発生してしまう。
【００９０】
また、図２（ｂ）は、別な従来の量子井戸活性層の伝導帯バンドダイアグラムと歪量プロファイルを示す図であり、層厚４ｎｍのＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層に、ＧａＩｎＡｓ中間層２ｎｍをはさんで、ＧａＡｓＰ層を設けた場合である。図２（ｂ）においては、高圧縮歪領域が合計で８ｎｍとなっており、臨界膜厚以下となっている。しかしながら、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層の層厚が４ｎｍと薄いため、伝導帯の量子準位が高くなり、同じ組成のＧａＩｎＮＡｓであっても発光波長が短波長にシフトしてしまうという問題が生じる。
【００９１】
一方、図２（ｃ）は、第１の実施例の量子井戸活性層の伝導帯バンドダイアグラムと歪量プロファイルを示す図であり、層厚８ｎｍのＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層に、ＧａＩｎＡｓＰ中間層２ｎｍをはさんで、ＧａＡｓＰ層を設けている。ここで、ＧａＩｎＡｓＰ中間層はＰを含むため、同じＩｎ組成のＧａＩｎＡｓよりも圧縮歪量を低減することができる。従って、図２（ａ）の構造とは異なり、正味の歪量を低減して転位の発生を抑制できる。また、図２（ｂ）の構造と異なり、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層の層厚を薄くする必要がないため、発光波長の短波長シフトを抑制することができる。
【００９２】
なお、ＧａＩｎＡｓ中間層のＩｎ組成を下げることによっても、この中間層の圧縮歪量は低減可能である。しかしながら、Ｉｎ組成を減らすと、量子井戸界面でのＧａとＩｎの相互拡散を抑制する効果が低下してしまう。ＧａとＩｎの相互拡散を抑制するためには、中間層のＩｎ組成と量子井戸層のＩｎ組成とをできるだけ近い値にする必要がある。そのため、従来構造ではＧａとＩｎの相互拡散を抑制しながら、中間層の圧縮歪量を低減することはできなかった。本発明では、ＧａとＩｎの相互拡散を抑制する効果を損なうことなく、正味の歪量を低減することが可能であり、半導体レーザの信頼性を向上させることができる。
【００９３】
（第２の実施例）
図３は本発明の第２の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。図３を参照すると、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）３０１が積層されている。ここで、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＢＲ３０１は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層とが、媒質内波長の１／４の層厚で交互に積層されて形成されている。そして、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＢＲ３０１上には、ＧａＡｓ下部スペーサ層３０２、多重量子井戸活性層３０３、ＧａＡｓ上部スペーサ層３０４、ｐ型ＡｌＡｓ層３０５、ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＢＲ３０６が順次積層されている。
【００９４】
上記積層構造の表面から、ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＢＲ３０１に達するまで円筒状にエッチングされて、メサ構造が形成されている。そして、メサ構造の側面からＡｌＡｓ層３０５が選択的に酸化されてＡｌＯ_ｘ絶縁領域３０７が形成されている。
【００９５】
そして、メサ構造の表面には、光取り出し領域を除いてリング状のｐ側電極１０８が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、ｎ側電極１０９が形成されている。
【００９６】
図４（ａ）は、本発明の第２の実施例の面発光型半導体レーザ素子における多重量子井戸活性層の積層構造を詳細に示す図である。図４（ａ）において、３０３ａは層厚８ｎｍのＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層である。ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層３０３ａの圧縮歪量は２．３％である。ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層３０３ａに隣接して、層厚２ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ中間層３０３ｂが設けられており、さらにその外側に層厚２７ｎｍのＧａＡｓＰ歪補償層３０３ｃが積層されている。ＧａＡｓＰ歪補償層３０３ｃの引張歪量は０．４％とした。また、量子井戸層の数は３層とした。
【００９７】
図４（ｂ）は、多重量子井戸活性層の伝導帯バンド端位置のエネルギーダイアグラムを示した図である。第２の実施例の多重量子井戸活性層においては、ＧａＩｎＡｓＰ中間層３０３ｂのバンドギャップエネルギーをＧａＡｓのバンドギャップエネルギー以下にしたことを特徴としている。
【００９８】
ＧａＡｓＰ歪補償層３０３ｃは、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも大きくなっている。そのため、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層／ＧａＡｓＰ障壁層の場合には、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層／ＧａＡｓ障壁層の構造に比べて発光波長が数１０ｎｍ短波長にシフトしてしまう。しかし、図４の構造においては、ＧａＡｓのバンドギャップエネルギーと同じか、それよりも低いバンドギャップエネルギーを有するＧａＩｎＡｓＰ中間層３０３ｂを設けている。これにより、量子準位の増加が抑制される。
【００９９】
図８は、伝導帯量子準位（基底準位）と井戸幅との関係を示した図である。図８において、黒四角は図４に示した量子井戸構造における量子準位を示しており、点線はＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層／ＧａＡｓ障壁層の場合の量子準位を示している。ＧａＩｎＡｓＰ中間層の伝導帯バンド端位置はＧａＡｓよりも３０ｍｅＶ低くなっており、ＧａＡｓＰ歪補償層の伝導帯バンド端位置はＧａＡｓよりも１００ｍｅＶ高いとした。
【０１００】
図８に示すように、ＧａＡｓよりもエネルギー障壁の高いＧａＡｓＰ歪補償層を用いていても、ＧａＩｎＡｓＰ中間層を２ｎｍ挿入することで、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造とほぼ同等の量子準位が得られている。従って、発光波長の短波長シフトが抑制できている。
【０１０１】
図４（ｃ）に、多重量子井戸活性層の歪量プロファイルを示す。ＧａＩｎＡｓＰのバンドギャップエネルギーをＧａＡｓのバンドギャップエネルギー以下にすると、格子定数はＧａＡｓよりも大きくなるため圧縮歪を有することになる。例えば、Ｇａ_０．８Ｉｎ_０．２Ａｓ_０．８Ｐ_０．２を中間層に用いると、バンドギャップエネルギーはＧａＡｓよりも僅かに小さくなり、圧縮歪量は０．７３％となる。従って、Ｐを含まないＧａ_０．８Ｉｎ_０．２Ａｓの圧縮歪量（１．４３％）に比べて、圧縮歪量を半分に低減することができる。これにより、ｎｅｔｓｔｒａｉｎは、０．２％から０．１４％まで低減することができる。
【０１０２】
（第３の実施例）
本発明の第３の実施例の面発光半導体レーザ素子は、図３に示した構造と類似している。第３の実施例が第２の実施例と異なる点は、多重量子井戸活性層の構造である。
【０１０３】
図５（ａ）は、第３の実施例の面発光型半導体レーザ素子における多重量子井戸活性層の積層構造を詳細に示す図である。図５（ａ）において、５０１ａは層厚８ｎｍのＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層である。ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層５０１ａに隣接して、層厚１ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ中間層５０１ｂが設けられており、さらにその外側に層厚２７ｎｍのＧａＮＡｓＰ歪補償層５０１ｃが積層されている。量子井戸層の数は３層とした。
【０１０４】
図５（ｂ）に、多重量子井戸活性層の歪量プロファイルを示す。ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層５０１ａの圧縮歪量は２．３％とし、ＧａＮ_{０．００９}Ａｓ_０．８９Ｐ_０．１歪補償層５０１ｃは引張歪０．５％を有している。そして、ＧａＩｎＡｓＰ中間層５０１ｂはＧａＡｓ基板とほぼ格子整合する混晶組成にしたことを特徴としている。
【０１０５】
ＧａＡｓ基板とほぼ格子整合する組成としては、例えばＧａ_０．７Ｉｎ_０．３Ａｓ_０．４Ｐ_０．６がある。ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層５０１ａのＩｎ組成は０．３〜０．３５程度であり、Ｇａ_０．７Ｉｎ_０．３Ａｓ_０．４Ｐ_０．６中間層５０１ｂは、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層５０１ａのＩｎ組成と近い値となっている。これにより、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層５０１ａの界面でＧａとＩｎの相互拡散を抑制することができる。
【０１０６】
図５（ｂ）の構造では、歪補償構造により、ｎｅｔｓｔｒａｉｎを＋０．１％まで低減している。また、圧縮歪を有するＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層５０１ａと、引張歪を有するＧａＮＡｓＰ歪補償層５０１ｃとの間に、無歪の中間層５０１ｂが設けられることで、逆方向の歪を有する層が直接接触しなくなり、界面の転位発生が抑制される。これにより、さらに半導体レーザ素子の信頼性を向上させることができる。
【０１０７】
図５（ｃ）は、多重量子井戸活性層５０１の伝導帯バンド端位置のエネルギーダイアグラムを示す図である。ＧａＡｓ基板と格子整合するＧａ_０．７Ｉｎ_０．３Ａｓ_０．４Ｐ_０．６の伝導帯バンド端位置は、ＧａＡｓよりも約３００ｍｅＶ高くなっている。そのため、図５（ｃ）に示すように、ＧａＩｎＡｓＰ中間層５０１ｂでは、電子のエネルギー障壁が高くなる。また、ＧａＮ_{０．００９}Ａｓ_０．８９Ｐ_０．１歪補償層５０１ｃの伝導帯バンド端位置はＧａＡｓよりも８０ｍｅＶ低くなっている。
【０１０８】
ＧａＩｎＡｓＰ中間層５０１ｂの層厚を厚くして障壁層とした場合、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層５０１ａとの伝導帯バンド端不連続が大きくなるため、伝導帯の量子準位が高くなり、発光波長の短波長シフトが生じてしまう。しかし、図５に示した構造では、エネルギー障壁の高いＧａＩｎＡｓＰ中間層５０１ｂの層厚を１ｎｍと薄くし、その外側にＧａＮＡｓＰ歪補償層５０１ｃを設けて障壁層としている。これにより、量子準位の増加を抑制することができる。
【０１０９】
図９は、伝導帯量子準位（基底準位）と井戸幅との関係を示す図である。図９において、白丸は図５に示した量子井戸構造における量子準位を示しており、点線はＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層／ＧａＡｓ障壁層の場合の量子準位を示している。図９に示すように、エネルギー障壁の高いＧａＩｎＡｓＰ中間層５０１ｂを設けた場合でも、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸構造とほぼ同等の量子準位が得られている。従って、発光波長の短波長シフトを抑制することができる。
【０１１０】
（第４の実施例）
本発明の第４の実施例の面発光半導体レーザ素子は、図３に示した構造と類似している。第４の実施例においては、第２，第３の実施例に示した面発光半導体レーザ素子と、多重量子井戸活性層の構造が異なっている。
【０１１１】
図６（ａ）は、本発明の第４の実施例の面発光型半導体レーザ素子における多重量子井戸活性層の積層構造を詳細に示す図である。図６（ａ）において、６０１ａは層厚８ｎｍのＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層である。ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層６０１ａの圧縮歪量は２．３％である。ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層６０１ａに隣接して、層厚２ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ組成傾斜層６０１ｂが設けられており、さらにその外側に層厚２７ｎｍのＧａＡｓＰ歪補償層６０１ｃが積層されている。ＧａＡｓＰ歪補償層６０１ｃの引張歪量は０．４％とした。また、量子井戸層の数は３層とした。
【０１１２】
図６（ｂ）に、多重量子井戸活性層の歪量プロファイルを示す。Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ_１−ｙＰ_ｙ組成傾斜層６０１ｂは、Ｉｎ組成ｘとＡｓ組成ｙを共に徐々に変えており、歪量が連続的に変化している。これにより、界面で格子定数の急峻な変化がなくなるため、量子井戸層界面での転位発生が抑制され、半導体レーザの信頼性が向上する。
【０１１３】
（第５の実施例）
図７は、本発明の第５の実施例の光伝送システムを示す図である。図７の光伝送システムは、光送信モジュール７０１で発生した光信号が石英光ファイバ７０４を通って光受信モジュール７０２に伝送される。図７では、光送信モジュール７０１、光ファイバ７０４、光受信モジュール７０２が２系列備えており、双方向に通信できるようになっている。光送信モジュール７０１と光受信モジュール７０２は、１つのパッケージに集積されており、光送受信装置７０３を構成している。
【０１１４】
この第５の実施例では、光送信モジュール７０１の光源に、第１〜第４のいずれかの実施例の半導体レーザ装置を用いたことを特徴としている。上記の半導体レーザは、これまで説明したように、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層と障壁層との界面で、ＩｎとＧａの相互拡散を抑制することにより、界面のラフネスを小さくして、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層の発光効率を向上させている。そのため、半導体レーザの動作電流が低くでき、光送信モジュールの消費電力を低減することができる。
【０１１５】
また、歪補償構造を有する量子井戸活性層のｎｅｔｓｔｒａｉｎを低減し、半導体レーザの信頼性を向上させることで、高い信頼性の光送信モジュールを構成することができる。
【０１１６】
これにより、光伝送システムの消費電力を低減し、高信頼性の光伝送システムを構成することができる。
【０１１７】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、Ｉｎと窒素と他のＶ族元素を含み、圧縮歪を有する量子井戸層と、量子井戸層の上下に形成された障壁層とで構成された量子井戸構造において、前記障壁層は、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層と、引張歪を有する層とが積層されて構成されており、障壁層において量子井戸層に隣接する層がＩｎを含むことにより、量子井戸層のＩｎと障壁層側のＧａとの相互拡散を抑制し、量子井戸層と障壁層との界面のラフネスを小さくすることができる。さらに、量子井戸層に隣接する障壁層は、同時に燐（Ｐ）を含むことにより、圧縮歪量を低下して、量子井戸構造全体のｎｅｔｓｔｒａｉｎの増加を抑制することができる。また、障壁層は引張歪を有する層を含んでおり、歪補償構造を構成して量子井戸構造の信頼性を向上させることができる。
【０１１８】
また、請求項２記載の発明によれば、Ｉｎと窒素と他のＶ族元素を含み、圧縮歪を有する量子井戸層と、量子井戸層の上下に形成された障壁層とで構成された量子井戸構造を活性層とする半導体発光素子において、前記障壁層は、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層と、引張歪を有する層とが積層されて構成されており、この構成では、活性層が歪補償構造となるため、半導体発光素子の信頼性を向上させることができる。
【０１１９】
また、量子井戸層と障壁層との界面のラフネスを小さくできるため、量子井戸層の発光特性が改善できる。また、量子井戸層と障壁層との界面を急峻に形成できることにより、アニールによる活性層の短波長シフト量が小さくなり、同じ発光波長を得るのに、量子井戸層の歪量または窒素添加量を減少させることができる。従って、さらに信頼性の向上、または発光効率の向上を図ることができる。
【０１２０】
さらに、量子井戸層に隣接する障壁層はＩｎに加えて燐（Ｐ）を含むことにより、量子井戸層に隣接する障壁層の歪量を低下させることができ、量子井戸構造全体のｎｅｔｓｔｒａｉｎを増加させることがない。
【０１２１】
また、請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の半導体発光素子において、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層は、バンドギャップエネルギーがＧａＡｓのバンドギャップエネルギー以下であるので、引張歪を有する層のバンドギャップエネルギーがＧａＡｓのバンドギャップエネルギーよりも大きい場合でも、発光波長の短波長シフトを抑制し、高効率の活性層を形成することができる。
【０１２２】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項２記載の半導体発光素子において、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層は、歪量が±０．１％以下であることを特徴としており、逆方向の歪を有する層が直接接触しないため、界面で転位が発生しにくくなり、さらに半導体発光素子の信頼性を向上させることができる。
【０１２３】
また、量子井戸層と隣接する層のバンドギャップエネルギーがＧａＡｓよりも大きい場合でも、量子井戸層と隣接する層の層厚を薄くすることで、発光波長の短波長シフトを抑制することができる。
【０１２４】
また、請求項５記載の発明によれば、第２の実施形態に記載した半導体発光素子において、障壁層に組成傾斜層を含むことにより、積層構造において格子定数の急峻な変化がなくなり、界面の転位発生を抑制して、さらに信頼性を向上させることができる。
【０１２５】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項２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、活性層が多重量子井戸構造であることを特徴としており、量子井戸層に隣接する障壁層の圧縮歪量を低減し、また歪補償構造を形成することにより、高歪を有する量子井戸層を多層に積層する多重量子井戸構造を活性層に用いても、高い信頼性を有する半導体発光素子を実現できる。
【０１２６】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項２乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、該半導体発光素子は面発光型半導体レーザ素子であり、一対の多層膜反射鏡ではさまれた共振器構造を含む面発光型半導体レーザ素子において、共振器構造が本発明の量子井戸構造を活性層として含むことにより、格子緩和を抑制して、量子井戸数を増加させることができ、低閾電流で発振し、最大光出力が高く、温度特性が良好な面発光型半導体レーザを実現できる。
【０１２７】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項２乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層は、ＧａＩｎＡｓＰであるので、量子井戸層と障壁層との界面平坦性が良好で、圧縮歪量を減少でき、量子井戸層に対する電子閉じ込めが良好な障壁層を形成することができる。
【０１２８】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項２乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体発光素子が用いられるので、低消費電力で高信頼性の光送信モジュールを提供することができる。
【０１２９】
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項９記載の光送信モジュールが用いられるので、光伝送システムの消費電力を低減し、高い信頼性の光伝送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】第１の実施例の半導体レーザを示す図である。
【図２】量子井戸構造の伝導帯バンド端位置のエネルギーダイアグラムと歪量プロファイルを示す図である。
【図３】第２の実施例の面発光型半導体レーザを示す図である。
【図４】第２の実施例の多重量子井戸活性層の積層構造，歪量プロファイル，伝導帯バンドダイアグラムを示す図である。
【図５】第３の実施例の多重量子井戸活性層の積層構造，伝導帯バンドダイアグラム，歪量プロファイルを示す図である。
【図６】第４の実施例の多重量子井戸活性層の積層構造，歪量プロファイルを示す図である。
【図７】第５の実施例の光伝送システムの構成図である。
【図８】第２の実施例の多重量子井戸活性層における伝導帯量子準位と井戸幅との関係を示す図である。
【図９】第３の実施例の多重量子井戸活性層における伝導帯量子準位と井戸幅との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０１ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
１０３ＧａＡｓ下部光導波層
１０４量子井戸活性層
１０５ＧａＡｓ上部光導波層
１０６ｐ型ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層
１０７ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１０８ｐ側電極
１０９ｎ側電極
１０４ａＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層
１０４ｂＧａＩｎＡｓＰ中間層
１０４ｃＧａＡｓＰ歪補償層
３０１ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲ
３０２ＧａＡｓ下部スペーサ層
３０３多重量子井戸活性層
３０４ＧａＡｓ上部スペーサ層
３０５ＡｌＡｓ層
３０６ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ上部ＤＢＲ
３０７ＡｌＯ_ｘ絶縁領域
３０３ａＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層
３０３ｂＧａＩｎＡｓＰ中間層
３０３ｃＧａＡｓＰ歪補償層
５０１ａＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層
５０１ｂＧａＩｎＡｓＰ中間層
５０１ｃＧａＮＡｓＰ歪補償層
６０１ａＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層
６０１ｂＧａＩｎＡｓＰ組成傾斜層
６０１ｃＧａＡｓＰ歪補償層
７０１光送信モジュール
７０２光受信モジュール
７０３光送受信装置
７０４石英光ファイバ

Claims

Ｉｎと窒素と他のＶ族元素を含み、圧縮歪を有する量子井戸層と、量子井戸層の上下に形成された障壁層とで構成された量子井戸構造において、前記障壁層は、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層と、引張歪を有する層とが積層されて構成されていることを特徴とする量子井戸構造。
Ｉｎと窒素と他のＶ族元素を含み、圧縮歪を有する量子井戸層と、量子井戸層の上下に形成された障壁層とで構成された量子井戸構造を活性層とする半導体発光素子において、前記障壁層は、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層と、引張歪を有する層とが積層されて構成されていることを特徴とする半導体発光素子。
請求項２記載の半導体発光素子において、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層は、バンドギャップエネルギーがＧａＡｓのバンドギャップエネルギー以下であることを特徴とする半導体発光素子。
請求項２記載の半導体発光素子において、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層は、歪量が±０．１％以下であることを特徴とする半導体発光素子。
請求項２記載の半導体発光素子において、障壁層に組成傾斜層を含むことを特徴とする半導体発光素子。
請求項２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、活性層が多重量子井戸構造であることを特徴とする半導体発光素子。
請求項２乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、該半導体発光素子は面発光型半導体レーザ素子であることを特徴とする半導体発光素子。
請求項２乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、量子井戸層に隣接するＩｎと燐（Ｐ）を含む層は、ＧａＩｎＡｓＰであることを特徴とする半導体発光素子。
請求項２乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体発光素子が用いられることを特徴とする光送信モジュール。
請求項９記載の光送信モジュールが用いられることを特徴とする光伝送システム。