半導体発光素子
【課題】ＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる引張り歪井戸層を有する半導体発光素子、もしくは、ＩｎＧａＡｓＰ系からなる引張り歪井戸層及びＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる障壁層を有する半導体発光素子であって、幅広い温度範囲においても高性能かつ高信頼な半導体発光素子の提供。
【解決手段】半導体発光素子の多重量子井戸層における井戸層と障壁層の界面歪の大きさが、該井戸層と該障壁層の層厚のうち大きい層厚値より定まる臨界界面歪の大きさより小さいことを特徴とする。
【解決手段】半導体発光素子の多重量子井戸層における井戸層と障壁層の界面歪の大きさが、該井戸層と該障壁層の層厚のうち大きい層厚値より定まる臨界界面歪の大きさより小さいことを特徴とする。
【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し、特に、半導体発光素子の広い温度範囲における特性向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば、情報通信分野などにおいて、幅広い温度範囲（例えば、−２０℃以上９５℃以下）で、閾値電流の低減化と高速動作を同時に実現する半導体発光素子の開発が行われている。
【０００３】
一般的な半導体発光素子の構造は、例えば、ＩｎＰ基板上に、下側光閉じ込め層、活性層、上側光閉じ込め層、ＩｎＰ層が、順に、形成されている構造となっている。通常、この活性層には、互いに大小の関係をもつバンドギャップの異なる半導体薄膜が交互に積層化されている。すなわち、いわゆる単一量子井戸（Single-Quantum Well：以下、ＳＱＷと記す）構造、もしくは、多重量子井戸（Multiple-Quantum Well：以下、ＭＱＷと記す）構造となっている。なお、本明細書において、ＭＱＷとは、通常のＭＱＷに加えて、ＳＱＷをも含むものとする。
【０００４】
このＭＱＷ構造において、バンドギャップの大きい半導体薄膜が障壁層となり、バンドギャップの小さい半導体膜が井戸層となる。障壁層によって、井戸層にキャリアが閉じ込められ、そのキャリアである電子とホールが結合することで、発光がなされる。
【０００５】
半導体発光素子において、ＭＱＷ層に用いられる代表的な半導体材料に、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＡｌＡｓ系がある。両者の主な違いは、これら材料によってＭＱＷ構造が形成されたときのバンドオフセットにある。バンドオフセットとは、伝導帯、価電子帯それぞれにおいて、井戸層バンド端に対する障壁層バンド端のエネルギー差で定義され、それぞれΔＥｃ、ΔＥｖと定義される。
【０００６】
ＩｎＧａＡｓＰ系では、ΔＥｃ＝０．４・ΔＥｇ、ΔＥｖ＝０．６・ΔＥｇであるのに対し、ＩｎＧａＡｌＡｓ系では、ΔＥｃ＝０．７・ΔＥｇ、ΔＥｖ＝０．３・ΔＥｇとなっている。量子効果が得られるように、通常、両材料ともＭＱＷの井戸層の層厚は、フェルミ波長程度の厚さとなっている。
【０００７】
半導体発光素子において、井戸層に歪がかかるように、井戸層の組成は、格子定数が基板の格子定数と異なるようにするのが一般的である。これは、歪のない井戸層の価電子帯のバンド端のバンド構造が、ライトホール（以下、ＬＨと記す）とヘビーホール（以下、ＨＨと記す）によってバンド混成しているためである。そして、井戸層に歪が導入されることにより、これらバンド混成を解くことが出来るからである。
【０００８】
ＩｎＰ基板より大きい格子定数を井戸層が有する場合、すなわち、圧縮歪においては、ＨＨが発振に寄与するようになり、閾値電流の低減化や高速動作化など発光素子特性が大幅に改善される。同様に、ＩｎＰ基板より小さい格子定数を有する場合、すなわち、引張り歪においては、ＬＨが発振に寄与することになる（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平５−１４５１７８号公報
【特許文献２】特開平９−１８０８９号公報
【特許文献３】特開平１０−２００２０５号公報
【特許文献４】特開平１０−２３３５５５号公報
【特許文献５】特開平１１−１１２０７９号公報
【特許文献６】特開平３−３３８４号公報
【特許文献７】特開平５−４１５６４号公報
【特許文献８】特開平７−１９３３２７号公報
【特許文献９】特開平８−７８７８６号公報
【特許文献１０】特開平９−２４６６７１号公報
【特許文献１１】特開平１０−２２３９８７号公報
【特許文献１２】特開平７−２４９８２８号公報
【特許文献１３】特開２００５−１７５２９５号公報
【特許文献１４】特開平５−２０６５７５号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】「半導体レーザ」（オーム社），第５章
【非特許文献２】IEEE J. Quantum. Electro., vol.30, No.2, p500-p509, Seki et. al.
【非特許文献３】IEEE J. Quantum. Electro., vol.30, No.2, p477-p499, Thijs et. al.
【非特許文献４】IEEE J. Lightwave Tech. vol.12,No.1, p28-p37, Thijs et. al.
【非特許文献５】J. Cryst. Growth 27, (1974)p118, Matthews et. al..
【非特許文献６】第５５回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集 ２００８年春 ２９ｐ−ＺＱ−５
【非特許文献７】IEEE J. Quantum. Electro., vol.30, No.2, p511-p523, Zah et. al.
【非特許文献８】Electron. Lett., vol.30, No.17,p1413-p1414, Wang et. al..
【非特許文献９】IEEE Photonics TechnologyLetters, vol．9，No.1，p25-p27，Matsui et. al.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この半導体発光素子におけるＭＱＷ構造の井戸層の歪は、ＩｎＧａＡｓＰ系材料について、理論的には引張り歪の方がよいことが予測されていた（非特許文献２）。それは、上述した通り、引張り歪井戸層の場合、ＬＨが発振に寄与することとなり、圧縮歪井戸層と比較して、状態密度と光学遷移行列が大きくなる。その結果、利得や微分利得が大きくなり、緩和振動周波数ｆｒを大きくできることが期待できるからである。
【００１２】
しかし、実際には、非特許文献３に示されるように、特許文献１に係る半導体発光素子は、実験的には、良好な特性が得られなかった。それは、ＩｎＧａＡｓＰ系材料では、井戸層に引張り歪を用いることによってΔＥｃが小さくなってしまい、このために、逆に、バンド混成がさらに起きてしまうためと解釈されている（非特許文献３）。また、ＩｎＧａＡｓＰ系材料で、１．３μｍ帯でも、井戸層が圧縮歪であるときと比較し、良好な特性を得ることは出来なかった（非特許文献４）。一方、ＩｎＧａＡｌＡｓ系材料においても、井戸層を引張り歪とすると、１．５５μｍ帯では、利得領域を設計することができなかった。
【００１３】
それゆえ、従来技術においては、理論的に良いとされた引張り歪ではなく、井戸層が圧縮歪を有する半導体発光素子が、発展することとなった。特に、ＩｎＧａＡｌＡｓ系では、井戸層が引張り歪を有すると、安定して良質な結晶が得られず、従って、安定して良好な特性をもつ半導体発光素子を作製することができなかったことも理由に挙げられる。
【００１４】
この原因は、引張り歪と圧縮歪では、歪が単純に真逆であるという認識が招いた誤りである。上述のように、圧縮歪井戸層ではＨＨバンドが発振に寄与するのに対し、引張り歪井戸層ではＬＨバンドが発振に寄与する。
【００１５】
しかしながら、ＨＨバンドとＬＨバンドでは、キャリアの有効質量が異なるため、バンド混成を回避させるためには、圧縮歪井戸層では、井戸層をなるべく薄く、引張り歪井戸層では、井戸層をなるべく厚くすることが望ましい。従って、安定的に結晶を得る条件は大きく異なるところ、従来技術において、この点を考慮して半導体発光素子が設計されることはほとんどなかった。
【００１６】
一般に、ある格子定数を有する層の上に、異なる格子定数を有する層、すなわち、歪（格子のミスフィットとも呼ばれている）がある層が積層される場合、その歪量に対して、積層される層の層厚値には限界値（以下、臨界層厚と記す）が生じてしまう。言いかえると、積層される層の層厚値に対して、その歪量には限界値（以下、臨界歪量と記す）が生じてしまう。すなわち、積層される層の歪量を大きくすると、臨界層厚は小さくなり、逆に、積層される層の層厚値を大きくすると、臨界歪量は小さくなる。これら限界値を超えて、層の積層がなされると、その層の結晶に欠陥が発生することとなる。
【００１７】
層厚値に対する臨界歪量の関係に関する理論は、非特許文献５によって記されており、次式にて、数式（１）として表される。
【００１８】
【数１】
【００１９】
ここで、εｃは臨界歪量、ｔは層厚値、ｂはバーガースベクトル、ψは転移線とバーガースベクトルのなす角、φはすべり方向と膜面とのなす角、νはポアソン比である。以下、数式（１）で表される関係式を、Matthewsの関係式として記す。
【００２０】
半導体発光素子のＭＱＷ層において、このような臨界層厚を超える層厚値によって、もしくは、このような臨界歪量を超える歪量によって、歪のある層を積層してしまうと、結晶の格子緩和や格子欠陥が発生してしまう。その結果、安定してＭＱＷ層を形成させることが出来ず、半導体発光素子として安定した特性が得られなくなる。
【００２１】
それゆえ、高速応答化や閾値電流の低減化などの観点から、ＭＱＷ構造の井戸層の層数を増大させたり、井戸層の歪量を増大させようとしても、臨界層厚もしくは臨界歪量のために、限界が生じてしまう。
【００２２】
このことについて、従来技術において、非特許文献５の理論を発展させた特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５のような発明がある。例えば、特許文献２や特許文献３、特許文献５では、ＧａＡｓ基板上に成長させる半導体薄膜の層に関して、臨界層厚の満たすべき条件について記述してある。また、例えば、特許文献４では、ＩｎＰ基板上に成長させる半導体薄膜の層に関して臨界層厚の満たすべき条件について記述してある。
【００２３】
しかし、いずれもＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷ層が満たすべき条件については記述されておらず、これらの条件をＩｎＧａＡｌＡｓ系のＭＱＷ層に適用するのには十分ではなかった。
【００２４】
その他のものとして、例えば、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０がある。しかし、特許文献６は、井戸層が圧縮歪に限定されており、引張り歪井戸層へ適用することは出来ない。特許文献７は、材料が異なる上、井戸数に関する非特許文献５のような制限がないので、不十分である。特許文献８は、ＧａＡｓ基板に関するもので、適用できない。特許文献９は、ＩｎＧａＡｓＰ系材料の圧縮歪井戸層に関するもので、適用できない。特許文献１０は、通常の基板とは異なる基板を用いており、適用できない。
【００２５】
さらに、特許文献１１のように、目的の特性を得るために、必ずしも井戸層の層厚や井戸層の歪量が各層で一致させる必要がない場合もある。それゆえ、このような観点においても、上述の非特許文献５、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０をそのままＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷ層へ適用するのには限界があり、不十分である。特に引張り歪井戸層では、上述のような理由などにより、従来技術において、系統的な作製方法が見出されていない。
【００２６】
その証拠に、圧縮歪井戸層をもつＩｎＧａＡｌＡｓ系半導体発光素子では、非特許文献６にあるようにＮｗ＝１５など、非特許文献での報告が多数なされているが、引張り歪井戸層については、非特許文献７と非特許文献８など少数に限られており、従来技術において、ＩｎＧａＡｌＡｓ系材料を用いた引張り歪量子井戸層を含むＭＱＷ層の作製方法は見出されておらず、これらＭＱＷ層の結晶作製の困難さを示している。
【００２７】
以上のように、従来技術において、理論的には幅広い温度範囲で良好な特性が得られることが期待されるＩｎＧａＡｌＡｓ系引張り歪井戸層による半導体発光素子の実現は困難であった。
【００２８】
同様に、従来技術において、１．３μｍ帯では、ＩｎＧａＡｓＰ系からなる井戸層とＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる障壁層とを備えるＭＱＷ層の形成も困難であった。１．５５μｍ帯では、例えば、非特許文献９に先駆的な研究が報告されているが、１．３μｍ帯での半導体発光素子は実現していない。これは、ＩｎＧａＡｓＰ系からなる井戸層と、ＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる障壁層とにおいて、各層の結晶の成長温度が異なるためである。それに加え、井戸層に含まれるＰの含有量と、障壁層に含まれるＡｌの含有量に起因するためである。
【００２９】
１．３μｍ帯で発光に必要な利得を得るには、１．５５μｍ帯と比較すると、一般に、井戸層に含まれるＰの含有量と、障壁層に含まれるＡｌの含有量とをそれぞれ増加させる必要がある。一方、成長温度はＩｎＧａＡｓＰ系では６００℃程度であるのに対し、ＩｎＧａＡｌＡｓ系では７００℃程度と，１００℃程度の差がある。
【００３０】
そのため、エピタキシャル成長のとき、６００℃でＩｎＧａＡｓＰ系からなる井戸層を成長させ、次にＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる障壁層を成長させるために７００℃にすると、井戸層に含まれるＰが蒸発してしまい、組成が変化してしまうためである。一方、成長温度が６００℃ではＩｎＧａＡｌＡｓ系の良好な結晶形成はできない。
【００３１】
特許文献１２に記述されているように、１．５５μｍ帯では、成長温度を中間の温度である６５０℃にすることにより、上記の問題を回避できた。しかし、１．３μｍ帯では井戸層に含まれるＰの含有量、または障壁層に含まれるＡｌの含有量が１．５５μｍ帯と比較し多いため、同様な手法では組成の変化を防止することが出来ず、そのため、従来技術において、１．３μｍ帯では良好な特性をもつウェハを得ることが出来なかった。
【００３２】
以上に述べた通り、ＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる引張り歪井戸層を有する１．３μｍ帯半導体発光素子、および、ＩｎＧａＡｓＰ系からなる引張り歪井戸層及びＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる障壁層を有する１．３μｍ帯半導体発光素子で、幅広い温度範囲においても、高性能かつ高信頼な半導体発光素子を作製することは困難であった。なお、従来技術に係る半導体発光素子の作製において、ＭＱＷ層における井戸層と障壁層との各界面に生じる界面歪の限界値（以下、臨界界面歪と記す）は考慮されていない。
【００３３】
本発明においては、このような課題を鑑みて、高性能かつ高信頼な半導体発光素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
（１）本発明に係る半導体発光素子は、交互に配置された、いずれもＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系からなる井戸層及び障壁層を含む多重量子井戸層を基板の上方に備えた半導体発光素子であって、前記各井戸層は、引張り歪を有し、前記各障壁層は、圧縮歪を有し、前記井戸層と前記障壁層との各界面における界面歪の大きさが、該界面を境に隣接する前記井戸層及び前記障壁層の層厚のうち大きい層厚値より定まる臨界界面歪の大きさより小さい、ことを特徴とする。
【００３５】
（２）上記（１）に記載の半導体発光素子であって、前記臨界界面歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量に基づいて定まっていてもよい。
【００３６】
（３）上記（２）に記載の半導体発光素子であって、前記臨界界面歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量の０．７倍であってもよい。
【００３７】
（４）上記（３）に記載の半導体発光素子であって、さらに、各界面歪の大きさが、０．７％以上２．２％以下であってもよい。
【００３８】
（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の半導体発光素子であって、前記多重量子井戸層の平均歪の大きさが、前記多重量子井戸層全体の層厚の値より定まる臨界平均歪の大きさより小さくてもよい。
【００３９】
（６）上記（５）に記載の半導体発光素子であって、前記臨界平均歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量に基づいて定まっていてもよい。
【００４０】
（７）上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の半導体発光素子であって、前記井戸層において、Ｉｎの組成量１−ｘ−ｙが、０．２１以上０．４４以下であってもよい。
【００４１】
（８）上記（７）に記載の半導体発光素子であって、前記障壁層において、Ｇａの組成量ｘが０以上であり、Ａｌの組成量ｙが０．４３−０．３６ｘ以上、０．４７６−１．０１７ｘ以下であってもよい。
【００４２】
（９）上記（８）に記載の半導体発光素子であって、前記井戸層の層数が５以上であってもよい。
【００４３】
（１０）本発明に係る半導体発光素子は、交互に配置された、Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ系からなる井戸層及びＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系からなる障壁層を含む多重量子井戸層を基板の上方に備えた半導体発光素子であって、前記各井戸層は、引張り歪を有し、前記各障壁層は、圧縮歪を有し、１．３μｍ帯の波長の光を出力する、ことを特徴とする。
【００４４】
（１１）本発明に係る半導体発光素子は、交互に配置された、Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ系からなる井戸層及びＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系からなる障壁層を含む多重量子井戸層を基板の上方に備えた半導体発光素子であって、前記各井戸層は、引張り歪を有し、前記各障壁層は、圧縮歪を有し、前記井戸層と前記障壁層との各界面における界面歪の大きさが、該界面を境に隣接する前記井戸層及び前記障壁層の層厚のうち大きい層厚値より定まる臨界界面歪の大きさより小さい、ことを特徴とする。
【００４５】
（１２）上記（１１）に記載の半導体発光素子であって、前記臨界界面歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量に基づいて定まっていてもよい。
【００４６】
（１３）上記（１２）に記載の半導体発光素子であって、前記臨界界面歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量の０．７倍であってもよい。
【００４７】
（１４）上記（１３）に記載の半導体発光素子であって、さらに、各界面歪の大きさが、０．７％以上２％以下であってもよい。
【００４８】
（１５）上記（１１）乃至（１４）のいずれかに記載の半導体発光素子であって、前記多重量子井戸層の平均歪の大きさが、前記多重量子井戸層全体の層厚値より定まる臨界平均歪の大きさより小さくてもよい。
【００４９】
（１６）上記（１５）に記載の半導体発光素子であって、前記臨界平均歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量に基づいて定まっていてもよい。
【００５０】
（１７）上記（１１）乃至（１６）のいずれかに記載の半導体発光素子であって、前記井戸層において、Ｉｎの組成量１−ｘが、０．４以上０．６以下であり、Ｐの組成量１−ｙが、０．０９以上０．３５以下であってもよい。
【００５１】
（１８）上記（１７）に記載の半導体発光素子であって、前記障壁層において、Ｇａの組成量ｘが０以上であり、Ａｓの組成量ｙが０．３８４−０．３３ｘ以上、０．４７６−１．０１７ｘ以下であってもよい。
【００５２】
（１９）上記（１８）に記載の半導体発光素子であって、前記井戸層の層数が５以上であってもよい。
【００５３】
（２０）上記（１）乃至（１９）のいずれかに記載の半導体発光素子であって、リッジストライプ型構造を有していてもよい。
【００５４】
（２１）上記（２０）に記載の半導体発光素子であって、リッジストライプ幅が３μｍ以下であってもよい。
【００５５】
（２２）上記（２０）に記載の半導体発光素子であって、ファブリー・ペロー構造を有していてもよい。
【００５６】
（２３）上記（２０）に記載の半導体発光素子であって、分布帰還型回折格子を有していてもよい。
【発明の効果】
【００５７】
従来技術に係る半導体発光素子の作製において、ＭＱＷ層における井戸層と障壁層との各界面に生じる臨界界面歪が考慮されていないところ、本発明において、臨界界面歪を考慮することにより、ＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる引張り歪井戸層を有する半導体発光素子、もしくは、ＩｎＧａＡｓＰ系からなる引張り歪井戸層及びＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる障壁層を有する半導体発光素子であって、幅広い温度範囲においても高性能かつ高信頼な半導体発光素子が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の界面歪の大きさと界面最大層厚との関係を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の多重量子井戸層における井戸層の層厚及び井戸層の歪量に対する分裂エネルギーの依存性を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るリッジストライプ型ファブリペローレーザ素子の構造を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の多重量子井戸層における平均歪の大きさと多重量子井戸層全体の層厚との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の井戸層のバンド構造を示す概略図である。
【図６】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の障壁層の歪量に対するエネルギー差Δξｖの依存性を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の障壁層の組成量の範囲を示す相図である。
【図８】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の井戸層の層厚に対する飽和電流の依存性を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の井戸層の層数に対する飽和電流の依存性を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る分布帰還型レーザ素子の構造を示す図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に係る半導体発光素子の多量子井戸層における井戸層の層厚及び井戸層の歪量に対する分裂エネルギーの依存性を示す図である。
【図１２】本発明の他の実施形態に係る半導体発光素子の障壁層の歪量に対するエネルギー差Δξｖの依存性を示す図である。
【図１３】本発明の他の実施形態に係る半導体発光素子の障壁層の組成量の範囲を示す相図である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
本発明に係る実施形態について、以下に、詳細な説明をする。ただし、以下に示す図は、あくまで、各実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【００６０】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子は、いずれもＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系からなる井戸層及び障壁層からなるＭＱＷ層がＩｎＰ基板の上方に形成された１．３μｍ帯半導体発光素子であり、ＭＱＷ層の各井戸層は引張り歪を有し、各障壁層は圧縮歪を有している。ここで、半導体発光素子とは、例えば、リッジストライプ型ファブリペローレーザ素子である。
【００６１】
ＩｎＰ基板の格子定数をａ０、井戸層の格子定数をａ、障壁層の格子定数をｂとすると、井戸層及び障壁層の歪量は、それぞれ、εｗ＝（ａ−ａ０）／ａ０，εｂ＝（ｂ−ａ０）／ａ０で定義される。ここで、引張り歪とは、この歪量が負、すなわち、格子定数が基板の格子定数より小さいことを示している。また、圧縮歪とは、この歪量が正、すなわち、格子定数が基板の格子定数より大きいことを示している。
【００６２】
図３は、リッジストライプ型ファブリペローレーザ素子の構造を示す図であり、図３（ａ）は、当該レーザ素子の全体斜視図、図３（ｂ）は、破線ｂによって図３（ａ）に示される部分の拡大断面図、図３（ｃ）は、破線ｃによって図３（ｂ）に示される部分の拡大断面図である。
【００６３】
まず、当該レーザ素子の作製方法について簡単に説明する。ｎ型ＩｎＰ基板１上に、厚さ５００ｎｍのｎ型ＩｎＰバッファ層２、厚さ５０ｎｍのＩｎＡｌＡｓからなるｎ側ＳＣＨ層３、後述の仕様を有するＭＱＷ層４、厚さ５０ｎｍのＩｎＡｌＡｓからなるｐ側ＳＣＨ層５、厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層６が、順に、エピタキシャル成長によって、形成される。ここで、ＭＱＷ層４は、井戸層と障壁層が交互に積層されて構成されており、両端の井戸層のさらに外側にはそれぞれ障壁層が位置している。また、ＭＱＷ層４の井戸層及び障壁層は、それぞれ、引張り歪及び圧縮歪を有しているが、ＭＱＷ層４以外の層はすべて、無歪となるよう形成されている。また、ＩｎＧａＡｓＰ層６は、組成波長λ＝１２００ｎｍとなるような組成で構成されている。
【００６４】
次に、ＩｎＧａＡｓＰ層６上に、厚さ２μｍのｐ型ＩｎＰ層７が形成され、さらに、ｐ型ＩｎＰ層７の幅が１．５μｍとなるようエッチングされる。これにより、ｐ型ＩｎＰ層７は、リッジストライプ構造となる。また、ｐ型ＩｎＰ層７の両脇近傍には、寄生容量の低減のため、アイソレーション溝１０が形成される。さらに、劈開や実装時などにｐ型ＩｎＰ層７へ余分な力が集中し破壊しないように、補強用として、肩部１１が、図３（ｂ）に示すように形成される。
【００６５】
ｐ型ＩｎＰ層７の頭頂部以外の素子上部表面に、パッシベーション膜８が形成される。さらに、ｐ型電極９が、図３（ａ）に示すように、形成され、ｐ型ＩｎＰ層７の頭頂部と良好なコンタクトが得られ、かつ電流を注入しやすい構造となっている。また、素子上部表面には、前方と後方を識別しやすいように、前方側に前方マーク１２が形成され（図３（ａ））、前端面及び後端面に、反射率がそれぞれ４０％及び９０％となるようにコーティング膜（図示せず）が形成される。なお、素子の共振器長は２００μｍである。
【００６６】
【表１】
【００６７】
表１は、本実施形態に係る実施例及び比較例を示す複数のレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。上記作製方法により、表１に示す仕様となるよう複数のウェハが作製され、これらウェハを用いて複数のレーザ素子が作製される。後に、これら複数のレーザ素子の特性について示す。
【００６８】
ここで、Ｎｗは井戸層の層数、Ｌｗは井戸層の層厚、Ｌｂは障壁層の層厚、εｗは井戸層の歪量、εｂは障壁層の歪量を示している。ＭＱＷ層４を構成する各井戸層及び各障壁層は、表１に示す層厚及び歪量をそれぞれ有し、ＭＱＷ層４以外の層は同一構造となるよう形成される。なお、全ての試料において、ＭＱＷ層４の障壁層は、無歪のときに組成波長がλｂ＝９００ｎｍとなるようなＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓによって形成される。
【００６９】
表１に示す仕様となるよう作製された複数のウェハについて、フォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、全てのウェハについて、１．３μｍ付近に１つ発振ピークが見られた。また、これらウェハの上部表面が目視によって調べられ、試料１−５，１−６，１−７，１−８，１−９，１−１０，１−１１，１−１４の上部表面には、わずかであるが格子緩和を示すクロスハッチが見られた。その他のウェハの上部表面は、鏡面であった。
【００７０】
これらウェハを用いて作製された各レーザ素子について、図３（ａ）に示す出力光１３が検出され、電流―光出力特性が測定された。２５℃では作製した全ての試料で発振することが確認された。また、全てのレーザ素子で、ＴＭモードを発振していることも確認された。尚、当該レーザ素子は、前述の通り、リッジストライプ幅は１．５μｍとなるように作製されている。異なるリッジストライプ幅を有し本構造を有するレーザ素子について研究を重ねた結果、リッジストライプ幅が３μｍ以下であれば、発光光の偏光方向が安定した状態で、レーザ素子は発光光を発振していることが、確認された。
【００７１】
次に、環境温度を上昇させて、電流―光出力特性が測定された。その結果、他の仕様と比較し、試料１−５，１−６，１−７，１−８，１−９，１−１０，１−１１，１−１２，１−１３，１−１４のレーザ素子について、温度上昇に対して、閾値電流の大幅な増大が見られた。さらに、環境温度５０℃あたりで、印加電流を増大させていくと、突然発光しなくなり、再度の通電を行っても、これ以上、発光は確認されなくなる現象が観測された。それぞれ同じ仕様の素子が複数作製され、これらの測定が行われたが、試料１−５，１−６，１−７，１−８，１−９，１−１０，１−１１，１−１４となるそれぞれ複数のレーザ素子のうち、８割から９割のレーザ素子で、また、試料１−１２，１−１３となるそれぞれ複数のレーザ素子のうち４割から６割のレーザ素子で、このような現象が観測された。
【００７２】
表１に示すそれぞれの仕様で作製された複数のレーザ素子のみならず、さらに、表１に示す仕様の以外の仕様のレーザ素子についても複数作製され、それらのレーザ素子について、特性を評価した結果、以下のような法則があることを発見した。
【００７３】
図１は、界面歪の大きさと界面最大層厚との関係を示す図である。ここで、界面歪をεｋａｉ＝εｗ−εｂと定義し、その大きさを横軸とし、界面最大層厚ｔｋａｉを、界面を境に隣接する井戸層及び障壁層のうちより厚い層の層厚と定義し、それを縦軸としている。表１に示すＭＱＷ層４の仕様では、ＭＱＷ層４に含まれる複数の井戸層の層厚Ｌｗ及び複数の障壁層の層厚Ｌｂはそれぞれ等しく、井戸層の層厚Ｌｗが障壁層の層厚Ｌｂより大きいので、ここで、界面最大層厚ｔｋａｉとは、井戸層の層厚Ｌｗとなる。
【００７４】
また、図１に示す曲線は、数１に示したMatthewsの関係式に界面最大層厚ｔｋａｉを適用し、Matthewsの関係式に基づいて定まる界面歪εｋａｉの大きさであり、次式にて数式（２）として表される。
【００７５】
【数２】
【００７６】
ここで、ｂ＝０．４ｎｍ，ｃｏｓψ＝０．５，ｃｏｓφ＝０．５，ν＝１／３としている。また、図１には、Ａの値がそれぞれＡ＝０．７，Ａ＝０．８，Ａ＝０．９，Ａ＝１．０をとなる４本の曲線が示されている。
【００７７】
上記複数のレーザ素子について、その特性を評価した結果、臨界界面歪とは、数式（２）においてＡの値が０．７であり、界面歪εｋａｉは、この臨界界面歪以下に作製されるのが望ましいことがわかった。
【００７８】
図４は、平均歪の大きさとＭＱＷ層４全体の総層厚との関係を示す図である。ここで、ＭＱＷ層４全体の総層厚ｔｔｏｔ及び平均歪εａｖは、次式にて、それぞれ数式（３），（４）として定義される。図４では、平均歪εａｖを横軸と、総層厚ｔｔｏｔを縦軸と、している。
【００７９】
【数３】
【００８０】
また、図４に示す曲線は、数１に示したMatthewsの関係式に、総層厚ｔｔｏｔを適用し、それに基づいて定まる平均歪εａｖの大きさであり、次式にて数式（５）として表される。
【００８１】
【数４】
【００８２】
ここで、図１と同様に、ｂ＝０．４ｎｍ，ｃｏｓψ＝０．５，ｃｏｓφ＝０．５，ν＝１／３としている。また、図４には、Ｂの値がそれぞれＢ＝０．７，Ｂ＝０．８，Ｂ＝０．９，Ｂ＝１．０をとなる４本の曲線が示されている。
【００８３】
上記複数のレーザ素子について、その特性を評価した結果、臨界平均歪とは、数式（５）においてＢの値が０．９であり、平均歪εａｖは、この臨界平均歪以下に作製されるのがさらに望ましいことがわかった。図４において、これら条件を満たす試料をシンボル○にて、満たしていない試料をシンボル×にて、示している。例えば、試料１−５，１−６，１−７，１−８が、Ｂ＝０．９の曲線を超えてしまっており、シンボル×にて、示されている。
【００８４】
上述した通り、試料１−５，１−６，１−７，１−８，１−９，１−１０，１−１１は、エピタキシャル成長後、その上部表面にクロスハッチが確認されており、これら仕様により実際に作製したレーザ素子は、特性測定の時に破壊されてしまっており、ＭＱＷ層４の仕様は、上記の条件を超えないように設計するのが望ましい。
【００８５】
さらに、上記の条件を満たすが、同様にクロスハッチが見られ、特性測定時に破壊されてしまった試料１−１４に関して調べたところ、上記の条件を満たすＭＱＷ層仕様であっても、界面歪εｋａｉの大きさが２．２％を超える多層では特性測定時に破壊されてしまうことを発見した。よって、界面歪εｋａｉの大きさを２．２％以下になるよう設計するのがさらに望ましい。この条件から、井戸層におけるＩｎの組成量１−ｘ−ｙの満たすべき条件が実験的に得られ、１−ｘ−ｙが０．２１以上である。
【００８６】
なお、図１において、これら条件を満たす試料をシンボル○にて、十分には満たしていない試料をシンボル△にて、満たしていない試料についてシンボル×にて、示されている。例えば、図１に示す通り、試料１−９，１−１０，１−１１が、Ａ＝０．７の曲線を超えてしまっており、シンボル×にて、示されている。
【００８７】
なお、表１に示すＭＱＷ層４の仕様については、以下の知見に基づいている。量子井戸層内の電子状態が２次元電子系とみなされるには、単純な自由電子モデル理論より量子井戸層の層厚が、Ｌｗ≦１／ｋＦを満たす必要がある。ここでｋＦとは、量子井戸層内キャリアのフェルミ波数である。ここから井戸層の層厚は、大きくとも１６ｎｍより薄くする必要があることがわかる。この条件の範囲内で、井戸層に引張り歪を導入した時のＬＨバンドとＨＨバンドの分裂エネルギーをＥｌｈ−Ｅｈｈとする。
【００８８】
図２は、井戸層の層厚Ｌｗ及び井戸層の歪量εｗに対する分裂エネルギーＥｌｈ−Ｅｈｈの依存性を計算した結果を示した図である。なお、図２に示す複数の曲線は、井戸層の歪量εｗがそれぞれの値を有する場合に対応している。図２に示す通り、井戸層の層厚Ｌｗが厚いほど、また、井戸層の歪量εｗの大きさが大きいほど、分裂エネルギーがＥｌｈ−Ｅｈｈが大きくなることがわかる。特に、環境温度が１００℃程度の高温でもレーザ発振させるには、ＬＨバンドとＨＨバンドが十分に分裂している必要があり、それには通電による活性層温度の上昇も考慮し、分裂エネルギーＥｌｈ−Ｅｈｈが、３５ｍｅＶ（温度に換算し１３０℃）以上であることが望ましい。
【００８９】
以上により、井戸層の層厚Ｌｗが１６ｎｍ以下であり、井戸層の歪量εｗの大きさが０．７％以上であることが望ましい。その範囲について、図２に破線で示している。図２により井戸層において、Ｉｎの組成量１−ｘ−ｙの満たすべき条件が実験的に得られ、１−ｘ−ｙが０．４４以下である。そして、障壁層における圧縮歪が最小である場合を考慮すると、少なくとも界面歪εｋａｉの大きさも０．７％以上が望ましい。
【００９０】
表１に示す仕様となるレーザ素子に加えて、井戸層の層厚Ｌｗが層によって異なる場合がある様々な仕様についても、レーザ素子を作製し、同様の実験を行った。
【００９１】
一般に、ｉ番目の井戸層には、ｉ番目の障壁層とｉ＋１番目の障壁層が接しており、それぞれ界面を形成している。ｉ番目の井戸層の層厚をＬｗｉ、ｉ番目の障壁層の層厚をＬｂｉとすると、ｉ番目の井戸層とｉ番目の障壁層との界面の界面歪εｋａｉは、εｋａｉ＝εｗｉ−εｂｉとして記され、その界面における界面最大層厚ｔｋａｉとは、ＬｗｉとＬｂｉのうち、いずれか大きい値をもつものである。同様に、ｉ番目の井戸層とｉ＋１番目の障壁層における界面歪はεｋａｉはεｋａｉ＝εｗｉ−εｂｉ＋１として記され、それの界面における界面最大層厚ｔｋａｉとは、ＬｗｉとＬｂｉ＋１のうち、いずれか大きい値をもつものである。
【００９２】
また、一般に、総層厚ｔｔｏｔ及び平均歪εａｖは、次式にて、それぞれ数式（６），（７）として定義される。
【００９３】
【数５】
【００９４】
上記様々な仕様のレーザ素子のうち、十分な特性を示すレーザ素子は、ＭＱＷ層４の各界面において界面歪εｋａｉは、Ａ＝０．７とした数式（２）により定まる臨界界面歪以下を満たしており、平均歪εａｖは、Ｂ＝０．９とした数式（５）により定まる臨界平均歪以下を満たしている。さらに、各界面における界面歪εｋａｉの大きさは、０．７％以上２．２％以下であればさらに望ましく、さらに、井戸層のＩｎの組成量１−ｘ−ｙが、０．２１以上０．４４以下であるとき、さらに望ましい。
【００９５】
なお、特許文献１３の実施例に、ＭＱＷ層における井戸層の層数Ｎｗ＝９、井戸層の層厚Ｌｗ＝８ｎｍ、障壁層の層厚Ｌｂ＝１０ｎｍ、井戸層の歪量εｗ＝−１．０％、障壁層の歪量εｂ＝０．０％、障壁層の組成波長λｂ＝１０００ｎｍとなる条件で、良好な特性がを示す素子が得られたという記述がある。これは、本実施形態にて示した条件を満たしていない。しかし、井戸層のＩｎ組成量１−ｘ−ｙ＝０．５２であることから、ＬＨバンドとＨＨバンドの分裂幅は２８ｍｅＶ（５０℃）程度となる。通電による活性層内部の温度上昇を考慮すると、この素子が、良好な特性が得られるのは環境温度が室温以下に限定され、本発明に係る半導体発光素子のように、幅広い温度範囲で特性を確保するための条件とは異なっている。また、本実施形態にて示した条件を満たさなくとも、エピタキシャル成長させたウェハの場所によっては、信頼性が確保できる半導体発光素子が、いくつか得られることがあるが、特性の歩留やバラツキ、再現性、量産性を得るには、やはり、本実施形態で示した条件が必要となる。さらに、本発明は、１００℃までの幅広い温度範囲においても高性能かつ高信頼な素子が作製可能なＩｎＰを基板とする多重量子井戸をエピタキシャル成長させたウェハを安定して得る条件を示すのに対し、特許文献１３に係る素子では、埋め込み構造を有していることで、上記の条件とは状況が異なってくるものと考えられる。
【００９６】
また、他に、特許文献１４に、Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系を用いた引張り歪井戸層に関する記述があるが、この井戸層のＩｎの組成量１−ｘ−ｙが０．４５以上０．５３以下の領域にある上、ＭＱＷ層の井戸層の層数や障壁層に関する開示がなく、本発明に対する示唆はない。
【００９７】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子は、第１の実施形態に係るリッジストライプ型ファブリペローレーザ素子に、さらに、障壁層の組成について考慮したものである。
【００９８】
ここで、井戸層が圧縮歪を有する場合、上述のようにＨＨバンドが発振に寄与する。ＨＨバンドの有効質量は伝導帯の有効質量と比較し、十分大きい。そのため、キャリアオーバーフローを抑制するために、例えば非特許文献７では、伝導帯のバンドオフセットの条件をΔＥｃ≧１５０ｍｅＶとするなど、これまでは伝導帯のバンドオフセットΔＥｃを大きくすることが注目されていた。しかし、井戸層が引張り歪を有する場合には、ＬＨバンドが発振に寄与する。このバンドにおける層の結晶成長の方向における有効質量は、伝導帯キャリアの有効質量程度に小さくなる。このため、引張り歪井戸層では、価電帯のバンドオフセットΔＥｖを十分大きくすることが望ましく、さらに、Δξｖを十分に大きくするとよい。ここで、Δξｖは、井戸層の価電子帯の第１状態のエネルギーと障壁層の価電子帯のバンド端のエネルギーとの差と定義される。Δξｖは、これまで注目されてこなかった点である。
【００９９】
【表２】
【０１００】
表２は、本実施形態に係る実施例及び比較例をそれぞれ示すレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。第１の実施形態において説明した作製方法により、表２に示す各仕様それぞれについて、複数のウェハが作製され、これらウェハを用いて複数のレーザ素子が作製される。後に、これら複数のレーザ素子の特性について示す。
【０１０１】
表２に示す仕様となるよう作製された複数のウェハについて、フォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、全てのウェハについて、１．３μｍ付近に１つ発振ピークが見られた。
【０１０２】
これらウェハを用いて作製された各レーザ素子について、第１の実施形態に係るレーザ素子と同様に、電流―光出力特性が測定された。２５℃では、試料２−１，２−２のレーザ素子は、ともに、閾値電流が５ｍＡ程度と良好な特性を示し、ほとんど差異はみられなかった。しかし、温度を上昇させ９５℃あたりで測定したところ、試料２−１のレーザ素子は閾値電流９ｍＡで発振したのに対して、試料２−２のレーザ素子は、素子によっては、閾値電流が４０ｍＡを超えて発振する素子もあれば、発振しない素子もあり、特性にばらつきがあった。さらに、試料２−１の素子について、環境温度１００℃まで上昇させて測定したところ、発振することが確認された。
【０１０３】
表２に示す２つの試料のレーザ素子について比較すると、主な違いは、障壁層の組成にある。そこで、これらの量子井戸層のバンド構造を実験的に調べた。
【０１０４】
図５は、表２に示す試料における量子井戸層のバンド構造を示す概略図である。ここで、図５（ａ）は試料２−１を、図５（ｂ）は試料２−２の量子井戸層の電子構造に対応している。なお、説明を簡単にするため、１つの量子井戸の伝導帯、価電子帯には、ともに、それぞれ第１状態のみを示してある。
【０１０５】
図５に示されるように、試料２−１において、井戸層の伝導帯の第１状態のエネルギーξｗと、障壁層の伝導帯のエネルギーξｂｃとの差Δξｃ（＝ξｂｃ−ξｗ）は、１９０ｍｅＶであるのに対して、試料２−２におけるΔξｃは１２０ｍｅＶと小さい。また、試料２−１において、井戸層の価電子帯の第１状態のエネルギーξｖと、障壁層の価電子帯のエネルギーξｂｖとの差Δξｖ（＝ξｖ−ξｂｖ）は５０ｍｅＶであるのに対して、試料２−２におけるΔξｖは３０ｍｅＶと小さい。
【０１０６】
上述の通り、引張り歪井戸層ではＬＨバンドが寄与し、そのキャリアの有効質量は伝導帯キャリア程度に小さくなることから、試料２−２のレーザ素子が高温で発振しなかったのは、Δξｃが小さいことに起因するというよりも、Δξｖが小さいため、キャリアのオーバーフローが発生したことに起因すると考えられる。
【０１０７】
これにより、井戸層に引張り歪を有する半導体発光素子では、温度特性を向上させるには、Δξｃだけでなく、Δξｖをも考慮にいれて設計を行うことが望ましいことがわかる。従来技術に係る井戸層に圧縮歪を有する素子では、ＨＨバンドが発振に寄与し、ＨＨバンドのキャリアの有効質量は伝導帯キャリアの有効質量よりも十分大きいので、素子の温度特性を向上させるにはΔξｃのみに注目し、それを大きくするように設計すればよかったのに対して対照的である。
【０１０８】
図６は、様々な障壁層の組成波長λｂについて、障壁層の歪量εｂに対するΔξｖの依存性を示す図である。なお、図６に示す複数の曲線は、障壁層の組成波長λｂがそれぞれの値を有する場合に対応している。歪量εｂの大きさが小さいほど、また、障壁層の組成波長λｂが短波長であるほど、Δξｖは大きくなることが示されている。
【０１０９】
１００℃といった高温でも良好な特性を得るには、第１の実施形態において示した分裂エネルギーＥｌｈ-Ｅｈｈ同様、Δξｖも３５ｍｅｖ（１３０℃）以上が望ましい。
【０１１０】
Δξｖが３５ｍｅＶ以上となる障壁層の組成の範囲を実験的に求めると、障壁層のＡｌの組成量ｙが、０．４３０−０．３６０ｘ以上であり、０．４７６−１．０１７ｘ以下のときである。障壁層のＡｌの組成量ｙがこの範囲に属している試料２−１のΔξｖはこの条件を満たしている。図７は、障壁層のＧａの組成量ｘとＡｌの組成量ｙが上記条件を満たす範囲を示す相図である。
【０１１１】
以上のように、従来技術において、井戸層に引張り歪を有するＩｎＧａＡｌＡｓ系１．３μｍ帯半導体発光素子では、Δξｖの条件があいまいであったため、幅広い温度範囲の温度において安定して、良好な特性が得られなかったものと考えられる。
【０１１２】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子は、第１の実施形態に係るリッジストライプ型ファブリペローレーザ素子に、さらに、ＭＱＷ層４の井戸層の層数Ｎｗについて考慮したものである。
【０１１３】
第１の実施形態に係る実施例及び比較例として示した複数の半導体発光素子の間には、飽和電流Ｉｓａｔに大きな差がみられる。現在、主流となっている井戸層に圧縮歪を有するをＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系１．３μｍ帯リッジストライプ型ファブリペローレーザ素子では、メサ幅が１．５μｍ、共振器長が２００μｍ、前端面と後端面のコーティングの反射率がそれぞれ４０％と９０％であるとき、８５℃では、飽和電流Ｉｓａｔが１２５ｍＡを超える。そのため、井戸層に引張歪を有するＩｎＧａＡｌＡｓ系１．３μｍ帯半導体発光素子においても、少なくとも同一条件において、飽和電流Ｉｓａｔが１２５ｍＡを超えることが望ましい。そこで、８５℃において飽和電流Ｉｓａｔが１２５ｍＡとなる条件について、表３に示される仕様となるよう作製された試料のレーザ素子の実験結果より示す。
【０１１４】
【表３】
【０１１５】
表３は、本実施形態に係る実施例及び比較例を示す複数のレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。これらのＭＱＷ層４の仕様は、いずれも第１及び第２の実施形態で説明した条件を満たしており、これら仕様で、第１の実施形態において説明した作製方法により、表３に示す仕様になるよう作製されたウェハの上部表面を目視によって調べたところ、すべてのウェハで上部表面は鏡面であった。
【０１１６】
表３に示す仕様となるよう作製された複数のウェハについて、フォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、試料３−１，３−２，３−３、３−７のウェハでは、１．３μｍ付近に１つの発振ピークと、それよりも強度が小さく短波長側にあるもう１つの発振ピークが見られた。これらの分裂エネルギー差Ｅｌｈ−Ｅｈｈは、いずれも４０ｍｅＶ以上であった。これら２つの発振ピークのうち、１．３μｍ付近のピークはＬＨバンドに起因し、また、それよりも短波長側のピークはＨＨバンドに起因すると考えられる。また、試料３−４，３−５、３−６のウェハでは、１．３μｍ付近に１つ発振ピークが見られた。
【０１１７】
さらに、これらのウェハを用いて、上記方法により、リッジストライプ型ファブリペローレーザ素子を作製し、以下の測定を行った。
【０１１８】
図８は、８５℃における井戸層の層厚Ｌｗに対する飽和電流Ｉｓａｔの依存性を示す図である。図８に示す通り、井戸層の層厚Ｌｗが８ｎｍから１１ｎｍの範囲において、飽和電流Ｉｓａｔは、井戸層の層厚Ｌｗによらず、ほとんど一定である。
【０１１９】
図９は、８５℃における井戸層の層数Ｎｗに対する飽和電流Ｉｓａｔの依存性を示す図である。図９に示す通り、飽和電流Ｉｓａｔは井戸層の層数Ｎｗにほぼ比例し、８５℃において飽和電流Ｉｓａｔが１２５ｍＡ以上を達成するには井戸層の層数Ｎｗは５以上必要となる。
【０１２０】
これにより、広い温度範囲において、３００μｍ以下の短長の共振器でも、高出力・高速動作化が可能となる。従来技術において、井戸層の層数Ｎｗ＝５となる報告例が、非特許文献８にあるが、障壁層に関する開示がなく、本発明を示唆するものではない。
【０１２１】
［第４の実施形態］
以上、ＭＱＷ層４の各井戸層は、同じ組成によって設計されたものについて、説明した。しかし、これに限られる必要はなく、本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子は、ＭＱＷ層４の各井戸層は、３層となる多重層によって構成されている。
【０１２２】
【表４】
【０１２３】
表４は、本実施形態に係る実施例及び比較例を示す複数のレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。これらのＭＱＷ層４の各井戸層は、３層となる多重層によって構成されている。
【０１２４】
ここで、各井戸層を構成する複数の層それぞれの層厚をＬｗとし、それら複数の層によって構成される各井戸層の総層厚をＬｗｔｏｔと定義している。また、各井戸層を構成する複数の層それぞれの歪量をεｗとし、それら複数の層によって構成される各井戸層の平均歪量をεｗａｖと定義している。
【０１２５】
第１の実施形態において説明した作製方法により、ＭＱＷ層４が表４に示す仕様にそれぞれなるよう複数のウェハが作製された。なお、全ての試料において、ＭＱＷ層４の障壁層は、無歪のときに組成波長がλｂ＝９００ｎｍとなるようなＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓによって形成される。
【０１２６】
以上の通り作製された複数のウェハについて、フォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、全てのウェハについて、１．３μｍ周辺にいくつか肩をもつ広い発振ピークが見られた。また、これらウェハの上部表面が目視によって調べられ、試料４−１，４−２，４−５の上部表面は鏡面であったのに対し、試料４−３，４−４の上部表面にはわずかであるがクロスハッチが見られた。
【０１２７】
これらウェハを用いて作製された各レーザ素子について、電流―光出力特性が測定された。２５℃では作製された全ての試料で発振することが確認された。また全てのレーザ素子で、ＴＭモードを発振していることも確認された。
【０１２８】
次に、環境温度を上昇させて、電流―光出力特性が測定された。その結果、他の仕様と比較し、試料４−２，４−３，４−４，４−５のレーザ素子について、温度上昇に対して、閾値電流の大幅な増大が見られた。さらに、環境温度５０℃あたりで、印加電流を増大させていくと、突然発光しなくなり、再度の通電を行っても、これ以上、発光は確認されなくなる現象が観測された。それぞれ同じ仕様の素子が複数作製され、これらの測定が行われたが、試料４−３，４−４，４−５となるそれぞれ複数のレーザ素子のうち、９割のレーザ素子で、また、試料４−２となる複数のレーザ素子のうち７割のレーザ素子で、このような現象が観測された。
【０１２９】
表４に示すそれぞれの仕様で作製された複数のレーザ素子のみならず、さらに、表４に示す仕様の以外の仕様のレーザ素子についても複数作製され、それらのレーザ素子について、特性を評価した結果、以下のような法則があることを発見した。
【０１３０】
複数層によって構成される各井戸層と、当該井戸層に隣り合う障壁層との各界面において、通常の界面歪に加えて、さらに、界面歪εｋａｉ＝εｗａｖ−εｂと定義する。さらに、界面最大層厚ｔｋａｉを、当該井戸層の総層厚Ｌｗｔｏｔ及び障壁層の層厚Ｌｂのうち、大きい方の値であると定義する。臨界界面歪とは、第１の実施形態に係る半導体発光素子と同様に、数式（２）においてＡの値が０．７であり、界面歪εｋａｉは、この臨界界面歪以下に作製されるのが望ましいことがわかった。
【０１３１】
さらに、ＭＱＷ層４全体の総層厚ｔｔｏｔ及び平均歪εａｖを、それぞれ数式（３）及び数式（４）に記されるＬｗ及びεｗを、それぞれ、Ｌｗｔｏｔ及びεｗａｖに置き換えたものとする。臨界平均歪とは、同様に、数式（５）においてＢの値が０．９であり、平均歪εａｖは、この臨界平均歪以下に作製されるのが、さらに望ましいことがわかった。
【０１３２】
上述した通り、試料４−３，４−４は、エピタキシャル成長後、その上部表面にクロスハッチが確認されており、これら仕様により実際に作製したレーザ素子は特性測定の時に破壊されてしまっており、ＭＱＷ層４の仕様は、上記の条件を超えないように設計するのが望ましい。
【０１３３】
さらに、上記の条件を満たすが、特性測定時に破壊されてしまった試料４−２，４−５に関して調べたところ、上記の条件を満たすＭＱＷ層仕様であっても、試料４−２では、界面歪εｋａｉの大きさが、もしくは、試料４−５では、隣接する層同士の界面の歪ε（＝εｗ−εｂ）の大きさが２．２％を超える多層では特性測定時に破壊されてしまうことを発見した。よって、界面歪εｋａｉの大きさ及び隣接する層同士の界面の歪εの大きさがともに２．２％以下となるように、設計するのが望ましい。
【０１３４】
表４に示す仕様となるレーザ素子に加えて、井戸層及び障壁層の構成がそれぞれ層によって異なる場合を含む様々な仕様についても、レーザ素子を作製し、同様の実験を行った。この場合も、ｉ番目の井戸層の総層厚を（Ｌｗｔｏｔ）ｉと、ｉ番目の井戸層の平均歪（εｗａｖ）ｉとして、ＭＱＷ層４全体の総層厚ｔｔｏｔ及び平均歪εａｖについて、それぞれ、数式（６）及び数式（７）などに適用すれば、上述した法則を満たすことがわかった。
【０１３５】
すなわち、ＭＱＷ層４において、障壁層と障壁層に挟まれた井戸層の組成が、結晶成長の方向に沿って、一定ではない場合であっても、その井戸層全体として、引張り歪を有しており、その層全体の平均歪と障壁層の歪との間に生じる界面歪が、上記の条件をさらに満たしていることが望ましい。
【０１３６】
[第５の実施形態]
同様に、ＭＱＷ層４の各障壁層についても、同じ組成に限られる必要はなく、本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子は、ＭＱＷ層４の各障壁層は、３層となる多重層によって構成されている。
【０１３７】
【表５】
【０１３８】
表５は、本実施形態に係る実施例及び比較例を示す複数のレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。これらのＭＱＷ層４の各障壁層は、３層となる多重層によって構成されている。
【０１３９】
ここで、各障壁層を構成する複数の層それぞれの層厚をＬｂとし、それら複数の層によって構成される各障壁層の総層厚をＬｂｔｏｔと定義している。また、各障壁層を構成する複数の層それぞれの歪量をεｂとし、それら複数の層によって構成される各井戸層の平均歪量をεｂａｖと定義している。
【０１４０】
第１の実施形態において説明した作製方法により、ＭＱＷ層４が表５に示す仕様にそれぞれなるよう複数のウェハが作製された。なお、全ての試料において、ＭＱＷ層４の障壁層は、無歪のときに組成波長がλｂ＝１０５０ｎｍとなるようなＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓによって形成される。
【０１４１】
以上の通り作製された複数のウェハについて、フォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、全てのウェハについて、１．３μｍ周辺に、１つもしくは２つの発振ピークが見られた。２つの発振ピークの起因は上記のものと同じである。また、ウェハの上面表面が目視によって調べられ、試料５−１，５−２，５−５の上部表面は鏡面であったのに対し、試料５−３，５−４の上部表面にはわずかであるがクロスハッチが見られた。
【０１４２】
これらウェハを用いて作製された各レーザ素子について、電流―光出力特性が測定された。２５℃では作製された全ての試料で発振することが確認された。また全てのレーザ素子で、ＴＭモードを発振していることも確認された。
【０１４３】
次に、環境温度を上昇させて、電流―光出力特性がカーブを測定された。その結果、他の仕様と比較し、試料５−２，５−３，５−４，５−５のレーザ素子について、温度上昇に対して、閾値電流の大幅な増大がみられた。さらに、環境温度５０℃あたりで、印加電流を増大させていくと、突然発光しなくなり、再度の通電を行っても、これ以上、発光は確認されなくなる現象が観測された。それぞれ同じ仕様の素子が複数作製され、これらの測定が行われたが、試料５−３，５−４，５−５となるそれぞれ複数のレーザ素子のうち、９割のレーザ素子で、また、試料５−２となる複数の素子のうち、７割のレーザ素子いで、このような現象が観測された。
【０１４４】
表５に示すそれぞれの仕様で作製された複数のレーザ素子のみならず、さらに、表５に示す仕様の以外の仕様のレーザ素子についても複数作製され、それらのレーザ素子について、特性を評価した結果、以下のような法則があることを発見した。
【０１４５】
複数層によって構成される各障壁層と、当該障壁層に隣り合う井戸層との各界面において、通常の界面歪に加えて、さらに、界面歪εｋａｉ＝εｗ−εｂａｖと定義する。さらに、界面最大層厚ｔｋａｉを、当該障壁層の総層厚Ｌｂｔｏｔ及び井戸層の層厚Ｌｗのうち、大きい方の値であると定義する。臨界界面歪とは、第１の実施形態に係る半導体発光素子と同様に、数式（２）においてＡの値が０．７であり、界面歪εｋａｉは、この臨界界面歪以下に作製されるのが望ましいことがわかった。
【０１４６】
さらに、ＭＱＷ層４全体の総層厚ｔｔｏｔ及び平均歪εａｖを、それぞれ数式（３）及び数式（４）に記されるＬｂ及びεｂを、それぞれ、Ｌｂｔｏｔ及びεｂａｖに置き換えたものとする。臨界平均歪とは、同様に、数式（５）においてＢの値が０．９であり、平均歪εａｖは、この臨界平均歪以下に作製されるのが、さらに望ましいことがわかった。
【０１４７】
上述した通り、試料５−３，５−４は、エピタキシャル成長後、その上部表面にクロスハッチが確認されており、これら仕様により実際に作製したレーザ素子は特性測定の時に破壊されてしまっており、ＭＱＷ層４の仕様は、上記の条件を超えないように設計するのが望ましい。
【０１４８】
さらに、上記の条件を満たすが、特性測定時に破壊されてしまった試料５−２，５−５に関して調べたところ、上記の条件を満たすＭＱＷ層仕様であっても、試料５−２では、界面歪εｋａｉの大きさが、もしくは、試料５−５では、隣接する層同士の界面の歪ε（＝εｗ−εｂ）の大きさが２．２％を超える多層では特性測定時に破壊されてしまうことを発見した。よって、界面歪εｋａｉの大きさ及び隣接する層同士の界面の歪εの大きさがともに２．２％以下となるように、設計するのが望ましい。
【０１４９】
表５に示す仕様となるレーザ素子に加えて、井戸層及び障壁層の構成がそれぞれ層によって異なる場合を含む様々な仕様についても、レーザ素子を作製し、同様の実験を行った。この場合も、ｉ番目の障壁層の総層厚を（Ｌｂｔｏｔ）ｉと、ｉ番目の障壁層の平均歪（εｂａｖ）ｉとして、ＭＱＷ層４全体の総層厚ｔｔｏｔ及び平均歪εａｖについて、それぞれ、数式（６）及び数式（７）などに適用すれば、上述した法則を満たすことがわかった。
【０１５０】
すなわち、ＭＱＷ層４において、井戸層と井戸層に挟まれた障壁層の組成が、結晶成長の方向に沿って、一定ではない場合であっても、その障壁層全体として、引張り歪を有しており、その層全体の平均歪と障壁層の歪との間に生じる界面歪が、上記の条件をさらに満たしていることが望ましい。
【０１５１】
【表６】
【０１５２】
表６は、本実施形態に係る別の実施例及び比較例を示す複数のレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。さらに、第１の実施形態において説明した作製方法により、表６に示すそれぞれ仕様となるよう複数のウェハが作製される。ここで、それぞれの仕様において、ＭＱＷ層４の障壁層は、無歪のときに組成波長がλｂ＝１０５０ｎｍとなるようなＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓによって形成される。
【０１５３】
ここで、試料５−６の障壁層には、一様にεｂ＝＋０．５％の歪が加えられているのに対し、試料５−７の障壁層は両側を厚さ３ｎｍかつ歪量０．０％、中心を厚さ６ｎｍかつ歪量＋１．０％とした平均歪が＋０．５％となる３層からなる。これらのＭＱＷ層４の仕様は、上述の条件を満たしている。
【０１５４】
このようにして作製された複数のウェハの上部表面が目視によって調べられ、試料５−６，５−７の上部表面はともに鏡面であった。また、ＭＱＷ層以外の層は無歪としてあり、いずれのウェハもＭＱＷ層４以外は上記と同様に同一な構造となっている。
【０１５５】
表６に示す仕様となるよう作製された作製された複数のウェハについて、フォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、全てのウェハについて、１．３μｍ付近に２つの発振ピークが見られた。２つの発振ピークの起因は上記のものと同じである。
【０１５６】
さらに、これらのウェハを用いて、上記方法により、リッジストライプ型ファブリペローレーザ素子を作製し、電流−光出力特性が測定された。２５℃において、試料５−６，５−７のレーザ素子の閾値電流は、ともに４ｍＡ程度と良好な特性を示し、ほとんど差異はなかった。しかし、温度を上昇させ９５℃あたりで測定が行われ、試料５−７のレーザ素子は閾値電流８ｍＡで発振したものの、試料５−６のレーザ素子の場合、素子によって閾値電流が４０ｍＡを超えて発振するものもあれば、発振しない素子もあり、特性にばらつきがあった。さらに、試料５−７の素子について、環境温度を１００℃まで上昇させて測定してみたところ、発振することが確認された。
【０１５７】
表６に示す２つの試料のレーザ素子について比較すると、主な違いは、井戸層の価電子帯のΔξｖ（＝ξｖ−ξｂｖ）に起因する。即ち、試料５−６では、図６よりΔξｖが２５ｍｅＶ程度であるのに対し、試料５−７では、障壁層のうちその両端部には、厚さ３ｎｍかつ歪量０．０％となっているので、Δξｖが５８ｍｅＶ程度となっているからである。このため、試料５−６では、高温でキャリアのオーバーフローが発生するのに対し、試料５−７では、それが抑制したものと解釈される。以上により、障壁層をより長波長化することにより、ＭＱＷ層全体の平均屈折率を大きくし、光閉じ込めを大きくし、しきい利得を低減すると共に、長波長化に伴うキャリアオーバーフローを抑制し、臨界層厚および界面歪の条件を越えることなく、温度特性の改善が可能となる。
【０１５８】
なお、第４及び第５の実施形態において、井戸層及び障壁層がそれぞれ多重構造を有する場合について説明したが、井戸層及び障壁層の少なくともそれぞれ一部がともに多重構造を有していても、本発明の効果が得られることは言うまでもない。
【０１５９】
[第６の実施形態]
以上、半導体発光素子として、ファブリペローレーザ素子の場合について説明したが、これに限られないことは言うまでもない。分布帰還型（Distributed Feedback）レーザ素子であってもよいし、その他、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザ素子やＤＲ（Distributed Reflector）レーザ素子などであってもよい。
【０１６０】
ここに、リッジストライプ型構造を有し、かつ、井戸層に引張り歪を有する分布帰還型レーザ素子について説明する。図１０は、分布帰還型回折格子を有する分布帰還型レーザ素子の構造を示す図であり、図１０（ａ）は、当該レーザ素子の全体斜視図、図１０（ｂ）は、破線ｂによって図１０（ａ）に示される部分の拡大断面図、図１０（ｃ）は、破線ｃによって図１０（ｂ）に示される部分の拡大断面図である。
【０１６１】
まず、当該レーザ素子の作製方法について簡単に説明する。ｎ型ＩｎＰ基板１上に、厚さ５００ｎｍのｎ型ＩｎＰバッファ層２、厚さ５０ｎｍのＩｎＡｌＡｓからなるｎ側ＳＣＨ層３、後述の仕様を有するＭＱＷ層４、厚さ５０ｎｍのＩｎＡｌＡｓからなるｐ側ＳＣＨ層５、厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層６、厚さ０．２μｍのＩｎＰスペーサ層１４、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１５、厚さ１．５μｍのｐ型ＩｎＰ層７が、順に、形成される。ここで、ＭＱＷ層４において、井戸層及び障壁層は、それぞれ、引張り歪及び圧縮歪を有しているが、ＭＱＷ層４以外の層はすべて、無歪となるよう形成されている。また、ＩｎＧａＡｓＰ層６は、組成波長λ＝１２００ｎｍとなるような組成で構成されている。
【０１６２】
ｐ型ＩｎＰ層７の幅、すなわち、リッジストライプ幅は１．５μｍであり、ｐ型ＩｎＰ層７の両脇近傍には、寄生容量の低減のため、アイソレーション溝１０が形成される。さらに、劈開や実装時などにｐ型ＩｎＰ層７へ余分な力が集中し破壊しないように、補強用として肩部１１が、図１０（ｂ）に示すように形成される。
【０１６３】
ｐ型ＩｎＰ層７の頭頂部以外の素子上部表面に、パッシベーション膜８が形成される。さらに、ｐ型電極９が、図１０（ａ）に示すように、形成され、ｐ型ＩｎＰ層７の頭頂部と良好なコンタクトが得られ、かつ電流を注入しやすい構造となっている。また、素子上部表面には、前方と後方を識別しやすいように、前方側に前方マーク１２が形成され（図１０（ａ））、前端面及び後端面に、反射率がそれぞれ１％及び９０％となるようにコーティング膜（図示せず）が形成される。なお、素子の共振器長は２００μｍである。
【０１６４】
次に、いくつかのレーザ素子について、説明する。まず、第１のレーザ素子において、Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系で形成されたＭＱＷ層４は、井戸層の層数Ｎｗ＝６、井戸層の層厚Ｌｗ＝８ｎｍ、井戸層のＩｎの組成量１−ｘ−ｙが０．３２（ｘ＝０．６６，ｙ＝０．０２）、障壁層の層厚Ｌｂ＝１０ｎｍ、障壁層のＧａの組成量ｘ＝０、０００、障壁層のＡｌの組成量ｙ＝０．４００となるよう、形成されている。
【０１６５】
ここで、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１５には、周期が２０１．５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰからなるλ／４シフト回折格子（分布帰還型回折格子）が形成されている。その発光する光と回折格子との結合の強さκが７５ｃｍ−１程度となるように、ＩｎＧａＡｓＰの厚さが調節される。
【０１６６】
このＭＱＷ層４の仕様は、いずれも第１及び第２の実施形態において示した条件を満たしており、これらウェハの上部表面が目視によって調べられ、いずれのウェハの上部表面も鏡面であった。こうして作製された複数のウェハについてフォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、１．３μｍ付近で１つの発振ピークが見られた。
【０１６７】
第１のレーザ素子について評価され、８５℃において、閾値電流は１７ｍＡ、飽和電流Ｉｓａｔは１１５ｍＡと良好な特性が得られた。また、ｆｒ電流効率ｆｒ／√Ｉｍ（緩和振動周波数ｆｒに対する駆動電流と閾値電流との差Ｉｍの平方根との比）が測定され、８５℃において、２．６ＧＨｚ／√ｍＡが得られた。さらに、環境温度９５℃のもとで、出力が８ｍＷ一定となるように電流を印加する寿命試験を行ったところ、５０００時間以上印加電流はほとんど変化せず、本発明が有効であることが確認された。
【０１６８】
次に、第２のレーザ素子において、Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系で形成されたＭＱＷ層４は、井戸層の層数Ｎｗ＝５、井戸層の層厚Ｌｗ＝９ｎｍ、井戸層のＩｎの組成量１−ｘ−ｙが０．３３（ｘ＝０．６４，ｙ＝０．０３）、障壁層の層厚Ｌｂ＝１０ｎｍ、障壁層のＧａの組成量ｘ＝０、０７６、障壁層のＡｌの組成量ｙ＝０．３２６となるよう、形成されている。
【０１６９】
ここで、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１５には、周期が２０１．３ｎｍのＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰからなるλ／４シフト回折格子が形成されている。その発光する光と回折格子との結合の強さκが７５ｃｍ−１程度となるように、ＩｎＧａＡｓＰの厚さが調節される。また、ｐ型電極９上には厚さ３μｍの金メッキが施されている。
【０１７０】
このＭＱＷ層４の仕様は、第１のレーザ素子と同様に、いずれも第１及び第２の実施形態において示した条件を満たしており、いずれのウェハの上部表面は鏡面であった。こうして作製された複数のウェハについてフォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、１．３μｍ付近で１つの発振ピークが見られた。
【０１７１】
第２のレーザ素子について評価され、８５℃において、閾値電流は１５．６ｍＡ、飽和電流Ｉｓａｔは１２７ｍＡと良好な特性が得られた。また、ｆｒ電流効率が測定され、８５℃において、２．５ＧＨｚ／√ｍＡが得られた。このように、第１のレーザ素子よりも良好な飽和電流Ｉｓａｔが得られたのは、ｐ型電極９に金メッキが施されたことにより、放熱性が向上したからである。さらに、環境温度９５℃のもとで、出力が８ｍＷ一定となるように電流を印加する寿命試験を行ったところ、これも５０００時間以上印加電流はほとんど変化せず、本発明が有効であることが確認された。
【０１７２】
最後に、第３のレーザ素子において、Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系で形成されたＭＱＷ層４は、戸層の層数Ｎｗ＝８、井戸層の層厚Ｌｗ＝１１ｎｍ、井戸層のＩｎの組成量１−ｘ−ｙが０．３９（ｘ＝０．５６，ｙ＝０．０５）、障壁層の層厚Ｌｂ＝１０ｎｍ、障壁層のＧａの組成量ｘ＝０、０７３、障壁層のＡｌの組成量ｙ＝０．３１５となるよう、形成されている。
【０１７３】
ここで、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１５には、周期が２０１．８ｎｍのＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰからなるλ／４シフト回折格子が形成されている。その発光する光と回折格子との結合の強さκが１００ｃｍ−１程度となるように、ＩｎＧａＡｓＰの厚さが調節される。
【０１７４】
このＭＱＷ層４の仕様は、第１及び第２のレーザ素子と同様に、いずれも第１及び第２の実施形態において示した条件を満たしており、いずれのウェハの上部表面は鏡面であった。こうして作製された複数のウェハについてフォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、１．３μｍ付近と１．２５μｍ付近と、２つの発振ピークが見られた。この２つの発振ピークの起因は上記のものと同じである。
【０１７５】
第３のレーザ素子は、リッジストライプ幅が１．３μｍであり、素子の前端面と後端面に形成されるコーティング膜が、それぞれ１％及び９５％であり、レーザ素子の共振器長は１５０μｍである点などが、第１及び第２のレーザ素子と異なっている。
【０１７６】
第３のレーザ素子について評価され、８５℃において、閾値電流は１９．６ｍＡ、飽和電流Ｉｓａｔは９０ｍＡと良好な特性が得られた。また、ｆｒ電流効率が測定され、８５℃において、２．７ＧＨｚ／√ｍＡが得られた。さらに、環境温度９５℃のもとで出力が８ｍＷ一定となるように電流を印加する寿命試験を行ったところ、５０００時間以上印加電流はほとんど変化せず、本発明が有効であることが確認された。
【０１７７】
以上、本発明のいくつかの実施形態に係る半導体発光素子について、具体的な実施例及び比較例を用いて説明したが、これはあくまで発見した法則を説明するためにピックアップした例であって、これだけが満たすものでなく、その他のＭＱＷ層仕様でも満たすことも確認した。またＭＱＷ層各層で厚さや歪などを変更し、同様に調べたところ、上述した法則を満たすことがわかった。以上のようにして、ＩｎＧａＡｌＡｓ系半導体発光素子のウェハを安定して得ることができるようになった。
【０１７８】
[第７の実施形態]
本発明の第７の実施形態に係る半導体発光素子は、井戸層がＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−y系からなり、障壁層がＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系からなる、ＭＱＷ層がＩｎＰ基板の上方に形成された１．３μｍ帯半導体発光素子であり、ＭＱＷ層の各井戸層は引張り歪を有し、各障壁層は圧縮歪を有している。ここで、半導体発光素子とは、例えば、リッジストライプ型ファブリペローレーザ素子である。当該レーザ素子は、第１の実施形態において説明した作製方法によって、作製される。なお、以下に説明する実施形態に係る半導体発光素子のＭＱＷ層４において、特別な言及がない限り、引張り歪井戸層がＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−y系からなり、圧縮歪障壁層がＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系からなる。
【０１７９】
【表７】
【０１８０】
表７は、本実施形態に係る実施例及び比較例を示す複数のレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。また、ＭＱＷ層４の障壁層は、無歪のときに組成波長がλｂ＝８３０ｎｍとなるようなＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓもしくはＩｎ１−ｙＡｌｙＡｓによって形成される。
【０１８１】
表７に示す仕様となるよう作製された複数のウェハについて、フォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、全てのウェハについて、１．３μｍ付近に１つもしくは２つの発振ピークが見られた。２つの発振ピークの起因は上記のものと同じである。
【０１８２】
また、これらウェハの上部表面が目視によって調べられ、試料７−２，７−３，７−４の上部表面には、格子緩和を示すクロスハッチが見られた。その他のウェハの上部表面は、鏡面であった。
【０１８３】
これらウェハを用いて作製された各レーザ素子について、電流―光出力特性が測定された。２５℃では作製した全ての試料で発振することが確認された。また、全てのレーザ素子で、ＴＭモードを発振していることも確認された。尚、当該レーザ素子は、前述の通り、リッジストライプ幅は１．５μｍとなるように作製されている。異なるリッジストライプ幅を有し本構造を有するレーザ素子について研究を重ねた結果、リッジストライプ幅が３μｍ以下であれば、発光光の偏光方向が安定した状態で、レーザ素子は発光光を発振していることが、確認された。
【０１８４】
次に、環境温度を上昇させて、電流―光出力特性が測定された。その結果、他の仕様と比較し、試料７−２，７−３，７−４のレーザ素子について、温度上昇に対して、閾値電流の大幅な増大が見られた。さらに、環境温度５０℃あたりで、印加電流を増大させていくと、突然発光しなくなり、再度の通電を行っても、これ以上、発光は確認されなくなる現象が観測された。それぞれ同じ仕様の素子が複数作製され、これらの測定が行われたが、試料７−２，７−４となるそれぞれ複数のレーザ素子のうち、８割から９割のレーザ素子で、また、試料７−３となる複数のレーザ素子のうち５割のレーザ素子で、このような現象が観測された。
【０１８５】
表７に示すそれぞれの仕様で作製された複数のレーザ素子のみならず、さらに、表７に示す仕様の以外の仕様のレーザ素子についても複数作製され、それらのレーザ素子について、特性を評価した結果、第１の実施形態に係る法則と同様の法則があることを発見した。
【０１８６】
すなわち、臨界界面歪とは、数式（２）においてＡの値が０．７であり、界面歪εｋａｉは、この臨界界面歪以下に作製されるのが望ましいことがわかった。この条件を満たしていないのは、試料７−２である。
【０１８７】
また、臨界平均歪とは、数式（５）においてＢの値が０．９であり、平均歪εａｖは、この臨界平均歪以下に作製されるのがさらに望ましいことがわかった。この条件を満たしていないのは、試料７−４である。
【０１８８】
上述した通り、試料７−２，７−４は、エピタキシャル成長後、その上部表面にクロスハッチが確認されており、これら仕様により実際に作製したレーザ素子は、特性測定の時に破壊されてしまっており、ＭＱＷ層４の仕様は、上記の条件を満たすように設計するのが望ましい。
【０１８９】
さらに、上記の条件を満たすが、同様にクロスハッチが見られ、特性測定時に破壊されてしまった試料７−３に関して調べたところ、上記の条件を満たすＭＱＷ層仕様であっても、界面歪εｋａｉの大きさが２．０％を超える多層では特性測定時に破壊されてしまうことを発見した。よって、界面歪εｋａｉの大きさを２．０％以下になるよう設計するのがさらに望ましい。この条件から、井戸層におけるＩｎの組成量１−ｘ及びＰの組成量１−ｙの満たすべき条件が実験的に得られ、１−ｘが０．４以上で、かつ、１−ｙが０．０９以上である。
【０１９０】
図１１は、図２と同様に、当該レーザ素子において、井戸層の層厚Ｌｗ及び井戸層の歪量εｗに対する分裂エネルギーＥｌｈ−Ｅｈｈの依存性を計算した結果を示した図である。なお、図１１に示す複数の曲線は、図２の同様に、井戸層の歪量εｗがそれぞれの値を有する場合に対応している。上述の通り、分裂エネルギーＥｌｈ−Ｅｈｈが、３５ｍｅＶ（１３０℃）以上であり、井戸層の層厚Ｌｗが１６ｎｍ以下であり、井戸層の歪量εｗの大きさが０．７％以上であることが望ましい。その範囲について、図１１に破線で示している。図１１により井戸層において、Ｉｎの組成量１−ｘ及びＰの組成量１−ｙの満たすべき条件が実験的に得られ、１−ｘが０．６以下であり、１−ｙが０．３５以下である。そして、障壁層における圧縮歪が最小である場合を考慮すると、少なくとも界面歪εｋａｉの大きさも０．７％以上が望ましい。
【０１９１】
よって、各界面における界面歪εｋａｉの大きさは、０．７％以上２．０％以下であればさらに望ましく、さらに、井戸層のＩｎの組成量１−ｘが、０．４以上０．６以下であり、Ｐの組成量１−ｙが、０．０７以上０．３５以下であるとき、さらに望ましい。
【０１９２】
なお、特許文献１２には歪補償に関する記述がみられるが、井戸数の開示がなく、本発明に対する示唆はない。
【０１９３】
[第８の実施形態]
本発明の第８の実施形態に係る半導体発光素子は、第７の実施形態に係るリッジストライプ型ファブリペローレーザ素子に、さらに、障壁層の組成について考慮したものである。
【０１９４】
【表８】
【０１９５】
表８は、本実施形態に係る実施例及び比較例をそれぞれ示すレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。第７の実施形態において説明した作製方法により、表８に示す各仕様それぞれについて、複数のウェハが作製され、これらウェハを用いて複数のレーザ素子が作製される。なお、これらウェハの上部表面が目視によって調べられ、試料８−１，８−２とも、上部表面は鏡面であった。
【０１９６】
当該レーザ素子について、第７の実施形態に係るレーザ素子と同様に、電流―光出力特性が測定された。２５℃では、試料８−１，８−２のレーザ素子は、ともに、閾値電流が４ｍＡ程度と良好な特性を示し、ほとんど差異はみられなかった。しかし、温度を上昇させ９５℃あたりで測定したところ、試料８−１のレーザ素子は閾値電流８ｍＡで発振したのに対して、試料８−２のレーザ素子は、素子によっては、閾値電流が５０ｍＡを超えて発振する素子もあれば、発振しない素子もあり、特性にばらつきがあた。さらに、試料８−１の素子について、環境温度１００℃まで上昇させて測定したところ、発振することが確認された。
【０１９７】
表８に示す２つの試料のレーザ素子について比較すると、主な違いは、障壁層の組成にあり、高温において、試料８−１のレーザ素子が発振するのに対して、試料８−２のレーザ素子が十分に発振しないのは、第２の実施形態において説明したのと同様の理由によるものと考えられる。
【０１９８】
図１２は、様々な障壁層の組成波長λｂについて、障壁層の歪量εｂに対するΔξｖの依存性を示す図である。なお、図６に示す複数の曲線は、障壁層の組成波長λｂがそれぞれの値を有する場合に対応している。歪量εｂの大きさが小さいほど、また、障壁層の組成波長λｂが短波長であるほど、Δξｖは大きくなることが示されている。
【０１９９】
図６と同様に、１００℃といった高温でも良好な特性を得るには、分裂エネルギーＥｌｈ-Ｅｈｈ同様、Δξｖも３５ｍｅｖ（１３０℃）以上が望ましい。
【０２００】
Δξｖが３５ｍｅＶ以上となる障壁層の組成の範囲を実験的に求めると、障壁層のＧａの組成量ｘが０．０以上であり、かつ、Ａｌの組成量ｙが、０．３８４−０．３３０ｘ以上０．４７６−１．０１７ｘ以下のときである。障壁層のＡｌの組成量ｙがこの範囲に属している試料８−１のΔξｖはこの条件を満たしている。図１３は、障壁層のＧａの組成量ｘとＡｌの組成量ｙが上記条件を満たす範囲を示す相図である。
【０２０１】
[第９の実施形態]
本発明の第９の実施形態に係る半導体発光素子は、第７の実施形態に係るリッジストライプ型ファブリペローレーザ素子に、さらに、ＭＱＷ層４の井戸層の層数Ｎｗについて考慮したものである。
【０２０２】
第３の実施形態で説明した通り、８５℃において飽和電流Ｉｓａｔが１２５ｍＡとなる条件について、表９に示される仕様となるよう作製された試料のレーザ素子の実験結果より示す。
【０２０３】
【表９】
【０２０４】
表９は、本実施形態に係る実施例及び比較例を示す複数のレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。これらのＭＱＷ層４の仕様は、いずれも第７及び第８の実施形態で説明した条件を満たしており、これら仕様で、第１の実施形態において説明した作製方法により、表９に示す仕様になるよう作製されたウェハの上部表面を目視によって調べたところ、すべてのウェハで上部表面は鏡面であった。
【０２０５】
さらに、これらのウェハを用いて、上記方法により、リッジストライプ型ファブリペローレーザ素子を作製し、以下の測定が行われ、第３の実施形態に係るレーザ素子と同様の結果が得られた。すなわち、８５℃において飽和電流Ｉｓａｔが１２５ｍＡ以上を達成するには井戸層の層数Ｎｗは５以上必要となる。
【０２０６】
[第１０の実施形態]
第４の実施形態と同様に、本発明の第１０の実施形態に係る半導体発光素子は、ＭＱＷ層４の各井戸層は、３層となる多重層によって構成されている。
【０２０７】
【表１０】
【０２０８】
表１０は、本実施形態に係る実施例及び比較例を示す複数のレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。これらのＭＱＷ層４の各井戸層は、３層となる多重層によって構成されている。
【０２０９】
表１０に示されている総層厚Ｌｗｔｏｔや平均歪量εｗａｖとは、第４の実施形態において記している通りである。
【０２１０】
第１の実施形態において説明した作製方法により、ＭＱＷ層４が表１０に示す仕様にそれぞれなるよう複数のウェハが作製された。なお、全ての試料において、ＭＱＷ層４の障壁層は、無歪のときに組成波長がλｂ＝９００ｎｍとなるようなＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓによって形成される。
【０２１１】
以上の通り作製された複数のウェハについて、フォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、全てのウェハについて、１．３μｍ周辺にいくつか肩をもつ広い発振ピークが見られた。また、これらウェハの上部表面が目視によって調べられ、試料１０−１，１０−２，１０−５の上部表面は鏡面であったのに対し、試料１０−３，１０−４の上部表面にはわずかであるがクロスハッチが見られた。
【０２１２】
これらウェハを用いて作製された各レーザ素子について、電流―光出力特性が測定された。２５℃では作製された全ての試料で発振することが確認された。また全てのレーザ素子で、ＴＭモードを発振していることも確認された。
【０２１３】
次に、環境温度を上昇させて、電流―光出力特性が測定された。その結果、他の仕様と比較し、試料１０−２，１０−３，１０−４，１０−５のレーザ素子について、温度上昇に対して、閾値電流の大幅な増大が見られた。さらに、環境温度５０℃あたりで、印加電流を増大させていくと、突然発光しなくなり、再度の通電を行っても、これ以上、発光は確認されなくなる現象が観測された。それぞれ同じ仕様の素子が複数作製され、これらの測定が行われたが、試料１０−３，１０−４，１０−５となるそれぞれ複数のレーザ素子のうち、９割のレーザ素子で、また、試料１０−２となる複数のレーザ素子のうち８割のレーザ素子で、このような現象が観測された。
【０２１４】
表１０に示すそれぞれの仕様で作製された複数のレーザ素子のみならず、さらに、表１０に示す仕様の以外の仕様のレーザ素子についても複数作製され、それらのレーザ素子について、特性を評価した結果、以下のような法則があることを発見した。
【０２１５】
複数層によって構成される各井戸層と、当該井戸層に隣り合う障壁層との各界面において、通常の界面歪に加えて、さらに、界面歪εｋａｉ＝εｗａｖ−εｂと定義する。さらに、界面最大層厚ｔｋａｉを、当該井戸層の総層厚Ｌｗｔｏｔ及び障壁層の層厚Ｌｂのうち、大きい方の値であると定義する。臨界界面歪とは、第１の実施形態に係る半導体発光素子と同様に、数式（２）においてＡの値が０．７であり、界面歪εｋａｉは、この臨界界面歪以下に作製されるのが望ましいことがわかった。
【０２１６】
さらに、ＭＱＷ層４全体の総層厚ｔｔｏｔ及び平均歪εａｖを、それぞれ数式（３）及び数式（４）に記されるＬｗ及びεｗを、それぞれ、Ｌｗｔｏｔ及びεｗａｖに置き換えたものとする。臨界平均歪とは、同様に、数式（５）においてＢの値が０．９であり、平均歪εａｖは、この臨界平均歪以下に作製されるのが、さらに望ましいことがわかった。
【０２１７】
上述した通り、試料１０−３，１０−４は、エピタキシャル成長後、その上部表面にクロスハッチが確認されており、これら仕様により実際に作製したレーザ素子は特性測定の時に破壊されてしまっており、ＭＱＷ層４の仕様は、上記の条件を超えないように設計するのが望ましい。
【０２１８】
さらに、上記の条件を満たすが、特性測定時に破壊されてしまった試料１０−２，１０−５に関して調べたところ、上記の条件を満たすＭＱＷ層仕様であっても、試料１０−２では、界面歪εｋａｉの大きさが、もしくは、試料１０−５では、隣接する層同士の界面の歪ε（＝εｗ−εｂ）の大きさが２．０％を超える多層では特性測定時に破壊されてしまうことを発見した。よって、界面歪εｋａｉの大きさ及び隣接する層同士の界面の歪εの大きさがともに２．０％以下となるように、設計するのが望ましい。
【０２１９】
表１０に示す仕様となるレーザ素子に加えて、井戸層及び障壁層の構成がそれぞれ層によって異なる場合を含む様々な仕様についても、第４の実施形態に係る半導体発光素子と同様の結果が得られた。
【０２２０】
[第１１の実施形態]
第５の実施形態と同様に、本発明の第１１の実施形態に係る半導体発光素子は、ＭＱＷ層４の各障壁層は、３層となる多重層によって構成されている。
【０２２１】
【表１１】
【０２２２】
表１１は、本実施形態に係る実施例及び比較例を示す複数のレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。これらのＭＱＷ層４の各障壁層は、３層となる多重層によって構成されている。
【０２２３】
表１１に示されている総層厚Ｌｂｔｏｔや平均歪量εｂａｖとは、第５の実施形態において記している通りである。
【０２２４】
第１の実施形態において説明した作製方法により、ＭＱＷ層４が表１１に示す仕様にそれぞれなるよう複数のウェハが作製された。なお、全ての試料において、ＭＱＷ層４の障壁層は、無歪のときに組成波長がλｂ＝１０５０ｎｍとなるようなＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓによって形成される。
【０２２５】
以上の通り作製された複数のウェハについて、フォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、全てのウェハについて、１．３μｍ周辺に、１つもしくは２つの発振ピークが見られた。２つの発振ピークの起因は上記のものと同じである。また、ウェハの上面表面が目視によって調べられ、試料１１−１，１１−２の上部表面は鏡面であったのに対し、試料１１−３，１１−４，１１−５の上部表面にはわずかであるがクロスハッチが見られた。
【０２２６】
これらウェハを用いて作製された各レーザ素子について、電流―光出力特性が測定された。２５℃では作製された全ての試料で発振することが確認された。また全てのレーザ素子で、ＴＭモードを発振していることも確認された。
【０２２７】
次に、環境温度を上昇させて、電流―光出力特性がカーブを測定された。その結果、他の仕様と比較し、試料１１−２，１１−３，１１−４，１１−５のレーザ素子について、温度上昇に対して、閾値電流の大幅な増大がみられた。さらに、環境温度５０℃あたりで、印加電流を増大させていくと、突然発光しなくなり、再度の通電を行っても、これ以上、発光は確認されなくなる現象が観測された。それぞれ同じ仕様の素子が複数作製され、これらの測定が行われたが、試料１１−３，１１−４，１１−５となるそれぞれ複数のレーザ素子のうち、９割のレーザ素子で、また、試料１１−２となる複数の素子のうち、８割のレーザ素子いで、このような現象が観測された。
【０２２８】
表１１に示すそれぞれの仕様で作製された複数のレーザ素子のみならず、さらに、表１１に示す仕様の以外の仕様のレーザ素子についても複数作製され、それらのレーザ素子について、特性を評価した結果、以下のような法則があることを発見した。
【０２２９】
複数層によって構成される各障壁層と、当該障壁層に隣り合う井戸層との各界面において、通常の界面歪に加えて、さらに、界面歪εｋａｉ＝εｗ−εｂａｖと定義する。さらに、界面最大層厚ｔｋａｉを、当該障壁層の総層厚Ｌｂｔｏｔ及び井戸層の層厚Ｌｗのうち、大きい方の値であると定義する。臨界界面歪とは、第１の実施形態に係る半導体発光素子と同様に、数式（２）においてＡの値が０．７であり、界面歪εｋａｉは、この臨界界面歪以下に作製されるのが望ましいことがわかった。
【０２３０】
さらに、ＭＱＷ層４全体の総層厚ｔｔｏｔ及び平均歪εａｖを、それぞれ数式（３）及び数式（４）に記されるＬｂ及びεｂを、それぞれ、Ｌｂｔｏｔ及びεｂａｖに置き換えたものとする。臨界平均歪とは、同様に、数式（５）においてＢの値が０．９であり、平均歪εａｖは、この臨界平均歪以下に作製されるのが、さらに望ましいことがわかった。
【０２３１】
上述した通り、試料１１−３，１１−４は、エピタキシャル成長後、その上部表面にクロスハッチが確認されており、これら仕様により実際に作製したレーザ素子は特性測定の時に破壊されてしまっており、ＭＱＷ層４の仕様は、上記の条件を超えないように設計するのが望ましい。
【０２３２】
さらに、上記の条件を満たすが、特性測定時に破壊されてしまった試料１１−２，１１−５に関して調べたところ、上記の条件を満たすＭＱＷ層仕様であっても、試料１０−２では、界面歪εｋａｉの大きさが、もしくは、試料１０−５では、隣接する層同士の界面の歪ε（＝εｗ−εｂ）の大きさが２．０％を超える多層では特性測定時に破壊されてしまうことを発見した。よって、界面歪εｋａｉの大きさ及び隣接する層同士の界面の歪εの大きさがともに２．０％以下となるように、設計するのが望ましい。
【０２３３】
表１１に示す仕様となるレーザ素子に加えて、井戸層及び障壁層の構成がそれぞれ層によって異なる場合を含む様々な仕様についても、第５の実施形態に係る半導体発光素子と同様の結果が得られた。
【０２３４】
【表１２】
【０２３５】
表１２は、本実施形態に係る別の実施例及び比較例を示す複数のレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。さらに、第１の実施形態において説明した作製方法により、表１２に示すそれぞれ仕様となるよう複数のウェハが作製される。ここで、それぞれの仕様において、ＭＱＷ層４の障壁層は、無歪のときに組成波長がλｂ＝９００ｎｍとなるようなＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓによって形成される。
【０２３６】
ここで、試料１１−６の障壁層には、一様にεｂ＝＋０．５％の歪が加えられているのに対し、試料１１−７の障壁層は両側を厚さ３ｎｍかつ歪量０．０％、中心を厚さ６ｎｍかつ歪量＋１．０％とした平均歪が＋０．５％となる３層からなる。これらのＭＱＷ層４の仕様は、上述の条件を満たしている。
【０２３７】
このようにして作製された複数のウェハの上部表面が目視によって調べられ、試料１１−６，１１−７の上部表面はともに鏡面であった。また、ＭＱＷ層以外の層は無歪かつ同一多層としてあり、いずれのウェハもＭＱＷ層４以外は上記と同様な多層仕様となっている。
【０２３８】
表１２に示す仕様となるよう作製された作製された複数のウェハについて、フォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、全てのウェハについて、１．３μｍ付近に２つの発振ピークが見られた。２つの発振ピークの起因は上記のものと同じである。
【０２３９】
さらに、これらのウェハを用いて、上記方法により、リッジストライプ型ファブリペローレーザ素子を作製し、電流−光出力特性が測定された。２５℃において、試料１１−６，１１−７のレーザ素子の閾値電流は、ともに５ｍＡ程度と良好な特性を示し、ほとんど差異はなかった。しかし、温度を上昇させ９５℃あたりで測定が行われ、試料１１−７のレーザ素子は閾値電流１０ｍＡで発振したものの、試料１１−６のレーザ素子の場合、素子によって閾値電流が５０ｍＡを超えて発振するものもあれば、発振しない素子もあり、特性にばらつきがあった。さらに、試料１１−７の素子について、環境温度を１００℃まで上昇させて測定してみたところ、発振することが確認された。
【０２４０】
表１２に示す２つの試料のレーザ素子について比較すると、主な違いは、井戸層の価電子帯のΔξｖ（＝ξｖ−ξｂｖ）に起因する。即ち、試料１１−６では、図１２よりΔξｖが２０ｍｅＶ程度であるのに対し、試料１１−７では、障壁層のうちその両端部には、厚さ３ｎｍかつ歪量０．０％となっているので、Δξｖが６３ｍｅＶ程度となっているからである。このため、試料１１−６では、高温でキャリアのオーバーフローが発生するのに対し、試料１１−７では、それが抑制したものと解釈される。以上により、障壁層をより長波長化することにより、ＭＱＷ層全体の平均屈折率を大きくし、光閉じ込めを大きくし、しきい利得を低減すると共に、長波長化に伴うキャリアオーバーフローを抑制し、臨界層厚および界面歪の条件を越えることなく、温度特性の改善が可能となる。
【０２４１】
なお、第１０及び第１１の実施形態において、井戸層及び障壁層がそれぞれ多重構造を有する場合について説明したが、井戸層及び障壁層の少なくともそれぞれ一部がともに多重構造を有していても、本発明の効果が得られることは言うまでもない。
【０２４２】
[第１２の実施形態]
第６の実施形態と同様、半導体発光素子として、ファブリペローレーザ素子に限られないことは言うまでもない。分布帰還型レーザ素子であってもよいし、その他、ＤＢＲレーザ素子やＤＲレーザ素子などであってもよい。
【０２４３】
第６の実施形態において示した作製方法により、作製された分布帰還型レーザ素子について、説明する。ＭＱＷ層４において、井戸層がＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−y系からなり、障壁層がＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系からなる点が、第６の実施形態に係る半導体発光素子と異なる。そして、ＭＱＷ層４は、井戸層の層数Ｎｗ＝５、井戸層の層厚Ｌｗ＝１１ｎｍ、井戸層のＧａの組成量ｘが０．４５、井戸層のＡｓの組成量ｙが０．７５、障壁層の層厚Ｌｂ＝１０ｎｍ、障壁層のＧａの組成量ｘ＝０、０６４、障壁層のＡｌの組成量ｙ＝０．３６８となるよう、形成されている。
【０２４４】
ここで、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１５には、周期が２００．７ｎｍのＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰからなるλ／４シフト回折格子が形成されている。その発光する光と回折格子との結合の強さκが７５ｃｍ−１程度となるように、ＩｎＧａＡｓＰの厚さが調節される。
【０２４５】
このＭＱＷ層４の仕様は、いずれも第７及び第８の実施形態において示した条件を満たしており、これらウェハの上部表面が目視によって調べられ、いずれのウェハの上部表面も鏡面であった。こうして作製された複数のウェハについてフォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、１．３μｍ付近で２つの発振ピークが見られた。
【０２４６】
このレーザ素子について評価され、８５℃において、閾値電流は１９ｍＡ、飽和電流Ｉｓａｔは１１５ｍＡと良好な特性が得られた。また、ｆｒ電流効率が測定され、８５℃において、２．３ＧＨｚ／√ｍＡが得られた。さらに、環境温度９５℃のもとで、出力が８ｍＷ一定となるように電流を印加する寿命試験を行ったところ、５０００時間以上印加電流はほとんど変化せず、本発明が有効であることが確認された。
【０２４７】
以上、本発明のいくつかの実施形態に係る半導体発光素子について、具体的な実施例及び比較例を用いて説明したが、これはあくまで発見した法則を説明するためにピックアップした例であって、これだけが満たすものでなく、その他のＭＱＷ層仕様でも満たすことも確認した。またＭＱＷ層各層で厚さや歪などを変更し、同様に調べたところ、上述した法則を満たすことがわかった。以上のようにして、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体発光素子のウェハを安定して得ることができるようになった。
【０２４８】
なお、本発明は、半導体発光素子のＭＱＷ層に含まれる井戸層と障壁層の界面歪に注目したものである。ＭＱＷ構造とは、一般には、井戸層と障壁層が交互に積層されている。それら複数の井戸層において、各井戸層の層厚や組成が同じ場合もあるし、違う場合もある。また、１つの井戸層の組成も、結晶成長方向に対して均一なものもあるし、変化するものもある。しかし、本明細書において、いくつか示した通り、たとえ、ある井戸層において、結晶成長方向に対して変化する場合であっても、その層全体の平均歪が引張り歪であるならば、本発明は適用される。また、ＭＱＷ層全体をみると、不規則な積層の仕方をしていたとしても、井戸層と障壁層とが交互に配置された箇所を含んでいれば、本発明は適用される。これは、障壁層についても、同様であり、ある障壁層において、組成が変化する場合であっても、その層全体の平均歪が圧縮歪であれば、本発明は適用できる。
【符号の説明】
【０２４９】
１ ｎ型ＩｎＰ基板、２ ｎ型ＩｎＰバッファ層、３ ｎ側ＳＣＨ層、４ ＭＱＷ層、５ ｐ側ＳＣＨ層、６ ＩｎＧａＡｓＰ層、７ ｐ型ＩｎＰ層、８ パッシベーション膜、９ ｐ型電極、１０ アイソレーション溝、１１ 肩部、１２ 前方マーク、１３ 出力光、１４ ＩｎＰスペーサ層、１５ ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に関し、特に、半導体発光素子の広い温度範囲における特性向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば、情報通信分野などにおいて、幅広い温度範囲（例えば、−２０℃以上９５℃以下）で、閾値電流の低減化と高速動作を同時に実現する半導体発光素子の開発が行われている。
【０００３】
一般的な半導体発光素子の構造は、例えば、ＩｎＰ基板上に、下側光閉じ込め層、活性層、上側光閉じ込め層、ＩｎＰ層が、順に、形成されている構造となっている。通常、この活性層には、互いに大小の関係をもつバンドギャップの異なる半導体薄膜が交互に積層化されている。すなわち、いわゆる単一量子井戸（Single-Quantum Well：以下、ＳＱＷと記す）構造、もしくは、多重量子井戸（Multiple-Quantum Well：以下、ＭＱＷと記す）構造となっている。なお、本明細書において、ＭＱＷとは、通常のＭＱＷに加えて、ＳＱＷをも含むものとする。
【０００４】
このＭＱＷ構造において、バンドギャップの大きい半導体薄膜が障壁層となり、バンドギャップの小さい半導体膜が井戸層となる。障壁層によって、井戸層にキャリアが閉じ込められ、そのキャリアである電子とホールが結合することで、発光がなされる。
【０００５】
半導体発光素子において、ＭＱＷ層に用いられる代表的な半導体材料に、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＡｌＡｓ系がある。両者の主な違いは、これら材料によってＭＱＷ構造が形成されたときのバンドオフセットにある。バンドオフセットとは、伝導帯、価電子帯それぞれにおいて、井戸層バンド端に対する障壁層バンド端のエネルギー差で定義され、それぞれΔＥｃ、ΔＥｖと定義される。
【０００６】
ＩｎＧａＡｓＰ系では、ΔＥｃ＝０．４・ΔＥｇ、ΔＥｖ＝０．６・ΔＥｇであるのに対し、ＩｎＧａＡｌＡｓ系では、ΔＥｃ＝０．７・ΔＥｇ、ΔＥｖ＝０．３・ΔＥｇとなっている。量子効果が得られるように、通常、両材料ともＭＱＷの井戸層の層厚は、フェルミ波長程度の厚さとなっている。
【０００７】
半導体発光素子において、井戸層に歪がかかるように、井戸層の組成は、格子定数が基板の格子定数と異なるようにするのが一般的である。これは、歪のない井戸層の価電子帯のバンド端のバンド構造が、ライトホール（以下、ＬＨと記す）とヘビーホール（以下、ＨＨと記す）によってバンド混成しているためである。そして、井戸層に歪が導入されることにより、これらバンド混成を解くことが出来るからである。
【０００８】
ＩｎＰ基板より大きい格子定数を井戸層が有する場合、すなわち、圧縮歪においては、ＨＨが発振に寄与するようになり、閾値電流の低減化や高速動作化など発光素子特性が大幅に改善される。同様に、ＩｎＰ基板より小さい格子定数を有する場合、すなわち、引張り歪においては、ＬＨが発振に寄与することになる（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平５−１４５１７８号公報
【特許文献２】特開平９−１８０８９号公報
【特許文献３】特開平１０−２００２０５号公報
【特許文献４】特開平１０−２３３５５５号公報
【特許文献５】特開平１１−１１２０７９号公報
【特許文献６】特開平３−３３８４号公報
【特許文献７】特開平５−４１５６４号公報
【特許文献８】特開平７−１９３３２７号公報
【特許文献９】特開平８−７８７８６号公報
【特許文献１０】特開平９−２４６６７１号公報
【特許文献１１】特開平１０−２２３９８７号公報
【特許文献１２】特開平７−２４９８２８号公報
【特許文献１３】特開２００５−１７５２９５号公報
【特許文献１４】特開平５−２０６５７５号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】「半導体レーザ」（オーム社），第５章
【非特許文献２】IEEE J. Quantum. Electro., vol.30, No.2, p500-p509, Seki et. al.
【非特許文献３】IEEE J. Quantum. Electro., vol.30, No.2, p477-p499, Thijs et. al.
【非特許文献４】IEEE J. Lightwave Tech. vol.12,No.1, p28-p37, Thijs et. al.
【非特許文献５】J. Cryst. Growth 27, (1974)p118, Matthews et. al..
【非特許文献６】第５５回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集 ２００８年春 ２９ｐ−ＺＱ−５
【非特許文献７】IEEE J. Quantum. Electro., vol.30, No.2, p511-p523, Zah et. al.
【非特許文献８】Electron. Lett., vol.30, No.17,p1413-p1414, Wang et. al..
【非特許文献９】IEEE Photonics TechnologyLetters, vol．9，No.1，p25-p27，Matsui et. al.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この半導体発光素子におけるＭＱＷ構造の井戸層の歪は、ＩｎＧａＡｓＰ系材料について、理論的には引張り歪の方がよいことが予測されていた（非特許文献２）。それは、上述した通り、引張り歪井戸層の場合、ＬＨが発振に寄与することとなり、圧縮歪井戸層と比較して、状態密度と光学遷移行列が大きくなる。その結果、利得や微分利得が大きくなり、緩和振動周波数ｆｒを大きくできることが期待できるからである。
【００１２】
しかし、実際には、非特許文献３に示されるように、特許文献１に係る半導体発光素子は、実験的には、良好な特性が得られなかった。それは、ＩｎＧａＡｓＰ系材料では、井戸層に引張り歪を用いることによってΔＥｃが小さくなってしまい、このために、逆に、バンド混成がさらに起きてしまうためと解釈されている（非特許文献３）。また、ＩｎＧａＡｓＰ系材料で、１．３μｍ帯でも、井戸層が圧縮歪であるときと比較し、良好な特性を得ることは出来なかった（非特許文献４）。一方、ＩｎＧａＡｌＡｓ系材料においても、井戸層を引張り歪とすると、１．５５μｍ帯では、利得領域を設計することができなかった。
【００１３】
それゆえ、従来技術においては、理論的に良いとされた引張り歪ではなく、井戸層が圧縮歪を有する半導体発光素子が、発展することとなった。特に、ＩｎＧａＡｌＡｓ系では、井戸層が引張り歪を有すると、安定して良質な結晶が得られず、従って、安定して良好な特性をもつ半導体発光素子を作製することができなかったことも理由に挙げられる。
【００１４】
この原因は、引張り歪と圧縮歪では、歪が単純に真逆であるという認識が招いた誤りである。上述のように、圧縮歪井戸層ではＨＨバンドが発振に寄与するのに対し、引張り歪井戸層ではＬＨバンドが発振に寄与する。
【００１５】
しかしながら、ＨＨバンドとＬＨバンドでは、キャリアの有効質量が異なるため、バンド混成を回避させるためには、圧縮歪井戸層では、井戸層をなるべく薄く、引張り歪井戸層では、井戸層をなるべく厚くすることが望ましい。従って、安定的に結晶を得る条件は大きく異なるところ、従来技術において、この点を考慮して半導体発光素子が設計されることはほとんどなかった。
【００１６】
一般に、ある格子定数を有する層の上に、異なる格子定数を有する層、すなわち、歪（格子のミスフィットとも呼ばれている）がある層が積層される場合、その歪量に対して、積層される層の層厚値には限界値（以下、臨界層厚と記す）が生じてしまう。言いかえると、積層される層の層厚値に対して、その歪量には限界値（以下、臨界歪量と記す）が生じてしまう。すなわち、積層される層の歪量を大きくすると、臨界層厚は小さくなり、逆に、積層される層の層厚値を大きくすると、臨界歪量は小さくなる。これら限界値を超えて、層の積層がなされると、その層の結晶に欠陥が発生することとなる。
【００１７】
層厚値に対する臨界歪量の関係に関する理論は、非特許文献５によって記されており、次式にて、数式（１）として表される。
【００１８】
【数１】
【００１９】
ここで、εｃは臨界歪量、ｔは層厚値、ｂはバーガースベクトル、ψは転移線とバーガースベクトルのなす角、φはすべり方向と膜面とのなす角、νはポアソン比である。以下、数式（１）で表される関係式を、Matthewsの関係式として記す。
【００２０】
半導体発光素子のＭＱＷ層において、このような臨界層厚を超える層厚値によって、もしくは、このような臨界歪量を超える歪量によって、歪のある層を積層してしまうと、結晶の格子緩和や格子欠陥が発生してしまう。その結果、安定してＭＱＷ層を形成させることが出来ず、半導体発光素子として安定した特性が得られなくなる。
【００２１】
それゆえ、高速応答化や閾値電流の低減化などの観点から、ＭＱＷ構造の井戸層の層数を増大させたり、井戸層の歪量を増大させようとしても、臨界層厚もしくは臨界歪量のために、限界が生じてしまう。
【００２２】
このことについて、従来技術において、非特許文献５の理論を発展させた特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５のような発明がある。例えば、特許文献２や特許文献３、特許文献５では、ＧａＡｓ基板上に成長させる半導体薄膜の層に関して、臨界層厚の満たすべき条件について記述してある。また、例えば、特許文献４では、ＩｎＰ基板上に成長させる半導体薄膜の層に関して臨界層厚の満たすべき条件について記述してある。
【００２３】
しかし、いずれもＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷ層が満たすべき条件については記述されておらず、これらの条件をＩｎＧａＡｌＡｓ系のＭＱＷ層に適用するのには十分ではなかった。
【００２４】
その他のものとして、例えば、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０がある。しかし、特許文献６は、井戸層が圧縮歪に限定されており、引張り歪井戸層へ適用することは出来ない。特許文献７は、材料が異なる上、井戸数に関する非特許文献５のような制限がないので、不十分である。特許文献８は、ＧａＡｓ基板に関するもので、適用できない。特許文献９は、ＩｎＧａＡｓＰ系材料の圧縮歪井戸層に関するもので、適用できない。特許文献１０は、通常の基板とは異なる基板を用いており、適用できない。
【００２５】
さらに、特許文献１１のように、目的の特性を得るために、必ずしも井戸層の層厚や井戸層の歪量が各層で一致させる必要がない場合もある。それゆえ、このような観点においても、上述の非特許文献５、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０をそのままＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷ層へ適用するのには限界があり、不十分である。特に引張り歪井戸層では、上述のような理由などにより、従来技術において、系統的な作製方法が見出されていない。
【００２６】
その証拠に、圧縮歪井戸層をもつＩｎＧａＡｌＡｓ系半導体発光素子では、非特許文献６にあるようにＮｗ＝１５など、非特許文献での報告が多数なされているが、引張り歪井戸層については、非特許文献７と非特許文献８など少数に限られており、従来技術において、ＩｎＧａＡｌＡｓ系材料を用いた引張り歪量子井戸層を含むＭＱＷ層の作製方法は見出されておらず、これらＭＱＷ層の結晶作製の困難さを示している。
【００２７】
以上のように、従来技術において、理論的には幅広い温度範囲で良好な特性が得られることが期待されるＩｎＧａＡｌＡｓ系引張り歪井戸層による半導体発光素子の実現は困難であった。
【００２８】
同様に、従来技術において、１．３μｍ帯では、ＩｎＧａＡｓＰ系からなる井戸層とＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる障壁層とを備えるＭＱＷ層の形成も困難であった。１．５５μｍ帯では、例えば、非特許文献９に先駆的な研究が報告されているが、１．３μｍ帯での半導体発光素子は実現していない。これは、ＩｎＧａＡｓＰ系からなる井戸層と、ＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる障壁層とにおいて、各層の結晶の成長温度が異なるためである。それに加え、井戸層に含まれるＰの含有量と、障壁層に含まれるＡｌの含有量に起因するためである。
【００２９】
１．３μｍ帯で発光に必要な利得を得るには、１．５５μｍ帯と比較すると、一般に、井戸層に含まれるＰの含有量と、障壁層に含まれるＡｌの含有量とをそれぞれ増加させる必要がある。一方、成長温度はＩｎＧａＡｓＰ系では６００℃程度であるのに対し、ＩｎＧａＡｌＡｓ系では７００℃程度と，１００℃程度の差がある。
【００３０】
そのため、エピタキシャル成長のとき、６００℃でＩｎＧａＡｓＰ系からなる井戸層を成長させ、次にＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる障壁層を成長させるために７００℃にすると、井戸層に含まれるＰが蒸発してしまい、組成が変化してしまうためである。一方、成長温度が６００℃ではＩｎＧａＡｌＡｓ系の良好な結晶形成はできない。
【００３１】
特許文献１２に記述されているように、１．５５μｍ帯では、成長温度を中間の温度である６５０℃にすることにより、上記の問題を回避できた。しかし、１．３μｍ帯では井戸層に含まれるＰの含有量、または障壁層に含まれるＡｌの含有量が１．５５μｍ帯と比較し多いため、同様な手法では組成の変化を防止することが出来ず、そのため、従来技術において、１．３μｍ帯では良好な特性をもつウェハを得ることが出来なかった。
【００３２】
以上に述べた通り、ＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる引張り歪井戸層を有する１．３μｍ帯半導体発光素子、および、ＩｎＧａＡｓＰ系からなる引張り歪井戸層及びＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる障壁層を有する１．３μｍ帯半導体発光素子で、幅広い温度範囲においても、高性能かつ高信頼な半導体発光素子を作製することは困難であった。なお、従来技術に係る半導体発光素子の作製において、ＭＱＷ層における井戸層と障壁層との各界面に生じる界面歪の限界値（以下、臨界界面歪と記す）は考慮されていない。
【００３３】
本発明においては、このような課題を鑑みて、高性能かつ高信頼な半導体発光素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
（１）本発明に係る半導体発光素子は、交互に配置された、いずれもＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系からなる井戸層及び障壁層を含む多重量子井戸層を基板の上方に備えた半導体発光素子であって、前記各井戸層は、引張り歪を有し、前記各障壁層は、圧縮歪を有し、前記井戸層と前記障壁層との各界面における界面歪の大きさが、該界面を境に隣接する前記井戸層及び前記障壁層の層厚のうち大きい層厚値より定まる臨界界面歪の大きさより小さい、ことを特徴とする。
【００３５】
（２）上記（１）に記載の半導体発光素子であって、前記臨界界面歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量に基づいて定まっていてもよい。
【００３６】
（３）上記（２）に記載の半導体発光素子であって、前記臨界界面歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量の０．７倍であってもよい。
【００３７】
（４）上記（３）に記載の半導体発光素子であって、さらに、各界面歪の大きさが、０．７％以上２．２％以下であってもよい。
【００３８】
（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の半導体発光素子であって、前記多重量子井戸層の平均歪の大きさが、前記多重量子井戸層全体の層厚の値より定まる臨界平均歪の大きさより小さくてもよい。
【００３９】
（６）上記（５）に記載の半導体発光素子であって、前記臨界平均歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量に基づいて定まっていてもよい。
【００４０】
（７）上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の半導体発光素子であって、前記井戸層において、Ｉｎの組成量１−ｘ−ｙが、０．２１以上０．４４以下であってもよい。
【００４１】
（８）上記（７）に記載の半導体発光素子であって、前記障壁層において、Ｇａの組成量ｘが０以上であり、Ａｌの組成量ｙが０．４３−０．３６ｘ以上、０．４７６−１．０１７ｘ以下であってもよい。
【００４２】
（９）上記（８）に記載の半導体発光素子であって、前記井戸層の層数が５以上であってもよい。
【００４３】
（１０）本発明に係る半導体発光素子は、交互に配置された、Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ系からなる井戸層及びＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系からなる障壁層を含む多重量子井戸層を基板の上方に備えた半導体発光素子であって、前記各井戸層は、引張り歪を有し、前記各障壁層は、圧縮歪を有し、１．３μｍ帯の波長の光を出力する、ことを特徴とする。
【００４４】
（１１）本発明に係る半導体発光素子は、交互に配置された、Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ系からなる井戸層及びＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系からなる障壁層を含む多重量子井戸層を基板の上方に備えた半導体発光素子であって、前記各井戸層は、引張り歪を有し、前記各障壁層は、圧縮歪を有し、前記井戸層と前記障壁層との各界面における界面歪の大きさが、該界面を境に隣接する前記井戸層及び前記障壁層の層厚のうち大きい層厚値より定まる臨界界面歪の大きさより小さい、ことを特徴とする。
【００４５】
（１２）上記（１１）に記載の半導体発光素子であって、前記臨界界面歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量に基づいて定まっていてもよい。
【００４６】
（１３）上記（１２）に記載の半導体発光素子であって、前記臨界界面歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量の０．７倍であってもよい。
【００４７】
（１４）上記（１３）に記載の半導体発光素子であって、さらに、各界面歪の大きさが、０．７％以上２％以下であってもよい。
【００４８】
（１５）上記（１１）乃至（１４）のいずれかに記載の半導体発光素子であって、前記多重量子井戸層の平均歪の大きさが、前記多重量子井戸層全体の層厚値より定まる臨界平均歪の大きさより小さくてもよい。
【００４９】
（１６）上記（１５）に記載の半導体発光素子であって、前記臨界平均歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量に基づいて定まっていてもよい。
【００５０】
（１７）上記（１１）乃至（１６）のいずれかに記載の半導体発光素子であって、前記井戸層において、Ｉｎの組成量１−ｘが、０．４以上０．６以下であり、Ｐの組成量１−ｙが、０．０９以上０．３５以下であってもよい。
【００５１】
（１８）上記（１７）に記載の半導体発光素子であって、前記障壁層において、Ｇａの組成量ｘが０以上であり、Ａｓの組成量ｙが０．３８４−０．３３ｘ以上、０．４７６−１．０１７ｘ以下であってもよい。
【００５２】
（１９）上記（１８）に記載の半導体発光素子であって、前記井戸層の層数が５以上であってもよい。
【００５３】
（２０）上記（１）乃至（１９）のいずれかに記載の半導体発光素子であって、リッジストライプ型構造を有していてもよい。
【００５４】
（２１）上記（２０）に記載の半導体発光素子であって、リッジストライプ幅が３μｍ以下であってもよい。
【００５５】
（２２）上記（２０）に記載の半導体発光素子であって、ファブリー・ペロー構造を有していてもよい。
【００５６】
（２３）上記（２０）に記載の半導体発光素子であって、分布帰還型回折格子を有していてもよい。
【発明の効果】
【００５７】
従来技術に係る半導体発光素子の作製において、ＭＱＷ層における井戸層と障壁層との各界面に生じる臨界界面歪が考慮されていないところ、本発明において、臨界界面歪を考慮することにより、ＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる引張り歪井戸層を有する半導体発光素子、もしくは、ＩｎＧａＡｓＰ系からなる引張り歪井戸層及びＩｎＧａＡｌＡｓ系からなる障壁層を有する半導体発光素子であって、幅広い温度範囲においても高性能かつ高信頼な半導体発光素子が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の界面歪の大きさと界面最大層厚との関係を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の多重量子井戸層における井戸層の層厚及び井戸層の歪量に対する分裂エネルギーの依存性を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係るリッジストライプ型ファブリペローレーザ素子の構造を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の多重量子井戸層における平均歪の大きさと多重量子井戸層全体の層厚との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の井戸層のバンド構造を示す概略図である。
【図６】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の障壁層の歪量に対するエネルギー差Δξｖの依存性を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の障壁層の組成量の範囲を示す相図である。
【図８】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の井戸層の層厚に対する飽和電流の依存性を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る半導体発光素子の井戸層の層数に対する飽和電流の依存性を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る分布帰還型レーザ素子の構造を示す図である。
【図１１】本発明の他の実施形態に係る半導体発光素子の多量子井戸層における井戸層の層厚及び井戸層の歪量に対する分裂エネルギーの依存性を示す図である。
【図１２】本発明の他の実施形態に係る半導体発光素子の障壁層の歪量に対するエネルギー差Δξｖの依存性を示す図である。
【図１３】本発明の他の実施形態に係る半導体発光素子の障壁層の組成量の範囲を示す相図である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
本発明に係る実施形態について、以下に、詳細な説明をする。ただし、以下に示す図は、あくまで、各実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【００６０】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子は、いずれもＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系からなる井戸層及び障壁層からなるＭＱＷ層がＩｎＰ基板の上方に形成された１．３μｍ帯半導体発光素子であり、ＭＱＷ層の各井戸層は引張り歪を有し、各障壁層は圧縮歪を有している。ここで、半導体発光素子とは、例えば、リッジストライプ型ファブリペローレーザ素子である。
【００６１】
ＩｎＰ基板の格子定数をａ０、井戸層の格子定数をａ、障壁層の格子定数をｂとすると、井戸層及び障壁層の歪量は、それぞれ、εｗ＝（ａ−ａ０）／ａ０，εｂ＝（ｂ−ａ０）／ａ０で定義される。ここで、引張り歪とは、この歪量が負、すなわち、格子定数が基板の格子定数より小さいことを示している。また、圧縮歪とは、この歪量が正、すなわち、格子定数が基板の格子定数より大きいことを示している。
【００６２】
図３は、リッジストライプ型ファブリペローレーザ素子の構造を示す図であり、図３（ａ）は、当該レーザ素子の全体斜視図、図３（ｂ）は、破線ｂによって図３（ａ）に示される部分の拡大断面図、図３（ｃ）は、破線ｃによって図３（ｂ）に示される部分の拡大断面図である。
【００６３】
まず、当該レーザ素子の作製方法について簡単に説明する。ｎ型ＩｎＰ基板１上に、厚さ５００ｎｍのｎ型ＩｎＰバッファ層２、厚さ５０ｎｍのＩｎＡｌＡｓからなるｎ側ＳＣＨ層３、後述の仕様を有するＭＱＷ層４、厚さ５０ｎｍのＩｎＡｌＡｓからなるｐ側ＳＣＨ層５、厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層６が、順に、エピタキシャル成長によって、形成される。ここで、ＭＱＷ層４は、井戸層と障壁層が交互に積層されて構成されており、両端の井戸層のさらに外側にはそれぞれ障壁層が位置している。また、ＭＱＷ層４の井戸層及び障壁層は、それぞれ、引張り歪及び圧縮歪を有しているが、ＭＱＷ層４以外の層はすべて、無歪となるよう形成されている。また、ＩｎＧａＡｓＰ層６は、組成波長λ＝１２００ｎｍとなるような組成で構成されている。
【００６４】
次に、ＩｎＧａＡｓＰ層６上に、厚さ２μｍのｐ型ＩｎＰ層７が形成され、さらに、ｐ型ＩｎＰ層７の幅が１．５μｍとなるようエッチングされる。これにより、ｐ型ＩｎＰ層７は、リッジストライプ構造となる。また、ｐ型ＩｎＰ層７の両脇近傍には、寄生容量の低減のため、アイソレーション溝１０が形成される。さらに、劈開や実装時などにｐ型ＩｎＰ層７へ余分な力が集中し破壊しないように、補強用として、肩部１１が、図３（ｂ）に示すように形成される。
【００６５】
ｐ型ＩｎＰ層７の頭頂部以外の素子上部表面に、パッシベーション膜８が形成される。さらに、ｐ型電極９が、図３（ａ）に示すように、形成され、ｐ型ＩｎＰ層７の頭頂部と良好なコンタクトが得られ、かつ電流を注入しやすい構造となっている。また、素子上部表面には、前方と後方を識別しやすいように、前方側に前方マーク１２が形成され（図３（ａ））、前端面及び後端面に、反射率がそれぞれ４０％及び９０％となるようにコーティング膜（図示せず）が形成される。なお、素子の共振器長は２００μｍである。
【００６６】
【表１】
【００６７】
表１は、本実施形態に係る実施例及び比較例を示す複数のレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。上記作製方法により、表１に示す仕様となるよう複数のウェハが作製され、これらウェハを用いて複数のレーザ素子が作製される。後に、これら複数のレーザ素子の特性について示す。
【００６８】
ここで、Ｎｗは井戸層の層数、Ｌｗは井戸層の層厚、Ｌｂは障壁層の層厚、εｗは井戸層の歪量、εｂは障壁層の歪量を示している。ＭＱＷ層４を構成する各井戸層及び各障壁層は、表１に示す層厚及び歪量をそれぞれ有し、ＭＱＷ層４以外の層は同一構造となるよう形成される。なお、全ての試料において、ＭＱＷ層４の障壁層は、無歪のときに組成波長がλｂ＝９００ｎｍとなるようなＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓによって形成される。
【００６９】
表１に示す仕様となるよう作製された複数のウェハについて、フォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、全てのウェハについて、１．３μｍ付近に１つ発振ピークが見られた。また、これらウェハの上部表面が目視によって調べられ、試料１−５，１−６，１−７，１−８，１−９，１−１０，１−１１，１−１４の上部表面には、わずかであるが格子緩和を示すクロスハッチが見られた。その他のウェハの上部表面は、鏡面であった。
【００７０】
これらウェハを用いて作製された各レーザ素子について、図３（ａ）に示す出力光１３が検出され、電流―光出力特性が測定された。２５℃では作製した全ての試料で発振することが確認された。また、全てのレーザ素子で、ＴＭモードを発振していることも確認された。尚、当該レーザ素子は、前述の通り、リッジストライプ幅は１．５μｍとなるように作製されている。異なるリッジストライプ幅を有し本構造を有するレーザ素子について研究を重ねた結果、リッジストライプ幅が３μｍ以下であれば、発光光の偏光方向が安定した状態で、レーザ素子は発光光を発振していることが、確認された。
【００７１】
次に、環境温度を上昇させて、電流―光出力特性が測定された。その結果、他の仕様と比較し、試料１−５，１−６，１−７，１−８，１−９，１−１０，１−１１，１−１２，１−１３，１−１４のレーザ素子について、温度上昇に対して、閾値電流の大幅な増大が見られた。さらに、環境温度５０℃あたりで、印加電流を増大させていくと、突然発光しなくなり、再度の通電を行っても、これ以上、発光は確認されなくなる現象が観測された。それぞれ同じ仕様の素子が複数作製され、これらの測定が行われたが、試料１−５，１−６，１−７，１−８，１−９，１−１０，１−１１，１−１４となるそれぞれ複数のレーザ素子のうち、８割から９割のレーザ素子で、また、試料１−１２，１−１３となるそれぞれ複数のレーザ素子のうち４割から６割のレーザ素子で、このような現象が観測された。
【００７２】
表１に示すそれぞれの仕様で作製された複数のレーザ素子のみならず、さらに、表１に示す仕様の以外の仕様のレーザ素子についても複数作製され、それらのレーザ素子について、特性を評価した結果、以下のような法則があることを発見した。
【００７３】
図１は、界面歪の大きさと界面最大層厚との関係を示す図である。ここで、界面歪をεｋａｉ＝εｗ−εｂと定義し、その大きさを横軸とし、界面最大層厚ｔｋａｉを、界面を境に隣接する井戸層及び障壁層のうちより厚い層の層厚と定義し、それを縦軸としている。表１に示すＭＱＷ層４の仕様では、ＭＱＷ層４に含まれる複数の井戸層の層厚Ｌｗ及び複数の障壁層の層厚Ｌｂはそれぞれ等しく、井戸層の層厚Ｌｗが障壁層の層厚Ｌｂより大きいので、ここで、界面最大層厚ｔｋａｉとは、井戸層の層厚Ｌｗとなる。
【００７４】
また、図１に示す曲線は、数１に示したMatthewsの関係式に界面最大層厚ｔｋａｉを適用し、Matthewsの関係式に基づいて定まる界面歪εｋａｉの大きさであり、次式にて数式（２）として表される。
【００７５】
【数２】
【００７６】
ここで、ｂ＝０．４ｎｍ，ｃｏｓψ＝０．５，ｃｏｓφ＝０．５，ν＝１／３としている。また、図１には、Ａの値がそれぞれＡ＝０．７，Ａ＝０．８，Ａ＝０．９，Ａ＝１．０をとなる４本の曲線が示されている。
【００７７】
上記複数のレーザ素子について、その特性を評価した結果、臨界界面歪とは、数式（２）においてＡの値が０．７であり、界面歪εｋａｉは、この臨界界面歪以下に作製されるのが望ましいことがわかった。
【００７８】
図４は、平均歪の大きさとＭＱＷ層４全体の総層厚との関係を示す図である。ここで、ＭＱＷ層４全体の総層厚ｔｔｏｔ及び平均歪εａｖは、次式にて、それぞれ数式（３），（４）として定義される。図４では、平均歪εａｖを横軸と、総層厚ｔｔｏｔを縦軸と、している。
【００７９】
【数３】
【００８０】
また、図４に示す曲線は、数１に示したMatthewsの関係式に、総層厚ｔｔｏｔを適用し、それに基づいて定まる平均歪εａｖの大きさであり、次式にて数式（５）として表される。
【００８１】
【数４】
【００８２】
ここで、図１と同様に、ｂ＝０．４ｎｍ，ｃｏｓψ＝０．５，ｃｏｓφ＝０．５，ν＝１／３としている。また、図４には、Ｂの値がそれぞれＢ＝０．７，Ｂ＝０．８，Ｂ＝０．９，Ｂ＝１．０をとなる４本の曲線が示されている。
【００８３】
上記複数のレーザ素子について、その特性を評価した結果、臨界平均歪とは、数式（５）においてＢの値が０．９であり、平均歪εａｖは、この臨界平均歪以下に作製されるのがさらに望ましいことがわかった。図４において、これら条件を満たす試料をシンボル○にて、満たしていない試料をシンボル×にて、示している。例えば、試料１−５，１−６，１−７，１−８が、Ｂ＝０．９の曲線を超えてしまっており、シンボル×にて、示されている。
【００８４】
上述した通り、試料１−５，１−６，１−７，１−８，１−９，１−１０，１−１１は、エピタキシャル成長後、その上部表面にクロスハッチが確認されており、これら仕様により実際に作製したレーザ素子は、特性測定の時に破壊されてしまっており、ＭＱＷ層４の仕様は、上記の条件を超えないように設計するのが望ましい。
【００８５】
さらに、上記の条件を満たすが、同様にクロスハッチが見られ、特性測定時に破壊されてしまった試料１−１４に関して調べたところ、上記の条件を満たすＭＱＷ層仕様であっても、界面歪εｋａｉの大きさが２．２％を超える多層では特性測定時に破壊されてしまうことを発見した。よって、界面歪εｋａｉの大きさを２．２％以下になるよう設計するのがさらに望ましい。この条件から、井戸層におけるＩｎの組成量１−ｘ−ｙの満たすべき条件が実験的に得られ、１−ｘ−ｙが０．２１以上である。
【００８６】
なお、図１において、これら条件を満たす試料をシンボル○にて、十分には満たしていない試料をシンボル△にて、満たしていない試料についてシンボル×にて、示されている。例えば、図１に示す通り、試料１−９，１−１０，１−１１が、Ａ＝０．７の曲線を超えてしまっており、シンボル×にて、示されている。
【００８７】
なお、表１に示すＭＱＷ層４の仕様については、以下の知見に基づいている。量子井戸層内の電子状態が２次元電子系とみなされるには、単純な自由電子モデル理論より量子井戸層の層厚が、Ｌｗ≦１／ｋＦを満たす必要がある。ここでｋＦとは、量子井戸層内キャリアのフェルミ波数である。ここから井戸層の層厚は、大きくとも１６ｎｍより薄くする必要があることがわかる。この条件の範囲内で、井戸層に引張り歪を導入した時のＬＨバンドとＨＨバンドの分裂エネルギーをＥｌｈ−Ｅｈｈとする。
【００８８】
図２は、井戸層の層厚Ｌｗ及び井戸層の歪量εｗに対する分裂エネルギーＥｌｈ−Ｅｈｈの依存性を計算した結果を示した図である。なお、図２に示す複数の曲線は、井戸層の歪量εｗがそれぞれの値を有する場合に対応している。図２に示す通り、井戸層の層厚Ｌｗが厚いほど、また、井戸層の歪量εｗの大きさが大きいほど、分裂エネルギーがＥｌｈ−Ｅｈｈが大きくなることがわかる。特に、環境温度が１００℃程度の高温でもレーザ発振させるには、ＬＨバンドとＨＨバンドが十分に分裂している必要があり、それには通電による活性層温度の上昇も考慮し、分裂エネルギーＥｌｈ−Ｅｈｈが、３５ｍｅＶ（温度に換算し１３０℃）以上であることが望ましい。
【００８９】
以上により、井戸層の層厚Ｌｗが１６ｎｍ以下であり、井戸層の歪量εｗの大きさが０．７％以上であることが望ましい。その範囲について、図２に破線で示している。図２により井戸層において、Ｉｎの組成量１−ｘ−ｙの満たすべき条件が実験的に得られ、１−ｘ−ｙが０．４４以下である。そして、障壁層における圧縮歪が最小である場合を考慮すると、少なくとも界面歪εｋａｉの大きさも０．７％以上が望ましい。
【００９０】
表１に示す仕様となるレーザ素子に加えて、井戸層の層厚Ｌｗが層によって異なる場合がある様々な仕様についても、レーザ素子を作製し、同様の実験を行った。
【００９１】
一般に、ｉ番目の井戸層には、ｉ番目の障壁層とｉ＋１番目の障壁層が接しており、それぞれ界面を形成している。ｉ番目の井戸層の層厚をＬｗｉ、ｉ番目の障壁層の層厚をＬｂｉとすると、ｉ番目の井戸層とｉ番目の障壁層との界面の界面歪εｋａｉは、εｋａｉ＝εｗｉ−εｂｉとして記され、その界面における界面最大層厚ｔｋａｉとは、ＬｗｉとＬｂｉのうち、いずれか大きい値をもつものである。同様に、ｉ番目の井戸層とｉ＋１番目の障壁層における界面歪はεｋａｉはεｋａｉ＝εｗｉ−εｂｉ＋１として記され、それの界面における界面最大層厚ｔｋａｉとは、ＬｗｉとＬｂｉ＋１のうち、いずれか大きい値をもつものである。
【００９２】
また、一般に、総層厚ｔｔｏｔ及び平均歪εａｖは、次式にて、それぞれ数式（６），（７）として定義される。
【００９３】
【数５】
【００９４】
上記様々な仕様のレーザ素子のうち、十分な特性を示すレーザ素子は、ＭＱＷ層４の各界面において界面歪εｋａｉは、Ａ＝０．７とした数式（２）により定まる臨界界面歪以下を満たしており、平均歪εａｖは、Ｂ＝０．９とした数式（５）により定まる臨界平均歪以下を満たしている。さらに、各界面における界面歪εｋａｉの大きさは、０．７％以上２．２％以下であればさらに望ましく、さらに、井戸層のＩｎの組成量１−ｘ−ｙが、０．２１以上０．４４以下であるとき、さらに望ましい。
【００９５】
なお、特許文献１３の実施例に、ＭＱＷ層における井戸層の層数Ｎｗ＝９、井戸層の層厚Ｌｗ＝８ｎｍ、障壁層の層厚Ｌｂ＝１０ｎｍ、井戸層の歪量εｗ＝−１．０％、障壁層の歪量εｂ＝０．０％、障壁層の組成波長λｂ＝１０００ｎｍとなる条件で、良好な特性がを示す素子が得られたという記述がある。これは、本実施形態にて示した条件を満たしていない。しかし、井戸層のＩｎ組成量１−ｘ−ｙ＝０．５２であることから、ＬＨバンドとＨＨバンドの分裂幅は２８ｍｅＶ（５０℃）程度となる。通電による活性層内部の温度上昇を考慮すると、この素子が、良好な特性が得られるのは環境温度が室温以下に限定され、本発明に係る半導体発光素子のように、幅広い温度範囲で特性を確保するための条件とは異なっている。また、本実施形態にて示した条件を満たさなくとも、エピタキシャル成長させたウェハの場所によっては、信頼性が確保できる半導体発光素子が、いくつか得られることがあるが、特性の歩留やバラツキ、再現性、量産性を得るには、やはり、本実施形態で示した条件が必要となる。さらに、本発明は、１００℃までの幅広い温度範囲においても高性能かつ高信頼な素子が作製可能なＩｎＰを基板とする多重量子井戸をエピタキシャル成長させたウェハを安定して得る条件を示すのに対し、特許文献１３に係る素子では、埋め込み構造を有していることで、上記の条件とは状況が異なってくるものと考えられる。
【００９６】
また、他に、特許文献１４に、Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系を用いた引張り歪井戸層に関する記述があるが、この井戸層のＩｎの組成量１−ｘ−ｙが０．４５以上０．５３以下の領域にある上、ＭＱＷ層の井戸層の層数や障壁層に関する開示がなく、本発明に対する示唆はない。
【００９７】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子は、第１の実施形態に係るリッジストライプ型ファブリペローレーザ素子に、さらに、障壁層の組成について考慮したものである。
【００９８】
ここで、井戸層が圧縮歪を有する場合、上述のようにＨＨバンドが発振に寄与する。ＨＨバンドの有効質量は伝導帯の有効質量と比較し、十分大きい。そのため、キャリアオーバーフローを抑制するために、例えば非特許文献７では、伝導帯のバンドオフセットの条件をΔＥｃ≧１５０ｍｅＶとするなど、これまでは伝導帯のバンドオフセットΔＥｃを大きくすることが注目されていた。しかし、井戸層が引張り歪を有する場合には、ＬＨバンドが発振に寄与する。このバンドにおける層の結晶成長の方向における有効質量は、伝導帯キャリアの有効質量程度に小さくなる。このため、引張り歪井戸層では、価電帯のバンドオフセットΔＥｖを十分大きくすることが望ましく、さらに、Δξｖを十分に大きくするとよい。ここで、Δξｖは、井戸層の価電子帯の第１状態のエネルギーと障壁層の価電子帯のバンド端のエネルギーとの差と定義される。Δξｖは、これまで注目されてこなかった点である。
【００９９】
【表２】
【０１００】
表２は、本実施形態に係る実施例及び比較例をそれぞれ示すレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。第１の実施形態において説明した作製方法により、表２に示す各仕様それぞれについて、複数のウェハが作製され、これらウェハを用いて複数のレーザ素子が作製される。後に、これら複数のレーザ素子の特性について示す。
【０１０１】
表２に示す仕様となるよう作製された複数のウェハについて、フォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、全てのウェハについて、１．３μｍ付近に１つ発振ピークが見られた。
【０１０２】
これらウェハを用いて作製された各レーザ素子について、第１の実施形態に係るレーザ素子と同様に、電流―光出力特性が測定された。２５℃では、試料２−１，２−２のレーザ素子は、ともに、閾値電流が５ｍＡ程度と良好な特性を示し、ほとんど差異はみられなかった。しかし、温度を上昇させ９５℃あたりで測定したところ、試料２−１のレーザ素子は閾値電流９ｍＡで発振したのに対して、試料２−２のレーザ素子は、素子によっては、閾値電流が４０ｍＡを超えて発振する素子もあれば、発振しない素子もあり、特性にばらつきがあった。さらに、試料２−１の素子について、環境温度１００℃まで上昇させて測定したところ、発振することが確認された。
【０１０３】
表２に示す２つの試料のレーザ素子について比較すると、主な違いは、障壁層の組成にある。そこで、これらの量子井戸層のバンド構造を実験的に調べた。
【０１０４】
図５は、表２に示す試料における量子井戸層のバンド構造を示す概略図である。ここで、図５（ａ）は試料２−１を、図５（ｂ）は試料２−２の量子井戸層の電子構造に対応している。なお、説明を簡単にするため、１つの量子井戸の伝導帯、価電子帯には、ともに、それぞれ第１状態のみを示してある。
【０１０５】
図５に示されるように、試料２−１において、井戸層の伝導帯の第１状態のエネルギーξｗと、障壁層の伝導帯のエネルギーξｂｃとの差Δξｃ（＝ξｂｃ−ξｗ）は、１９０ｍｅＶであるのに対して、試料２−２におけるΔξｃは１２０ｍｅＶと小さい。また、試料２−１において、井戸層の価電子帯の第１状態のエネルギーξｖと、障壁層の価電子帯のエネルギーξｂｖとの差Δξｖ（＝ξｖ−ξｂｖ）は５０ｍｅＶであるのに対して、試料２−２におけるΔξｖは３０ｍｅＶと小さい。
【０１０６】
上述の通り、引張り歪井戸層ではＬＨバンドが寄与し、そのキャリアの有効質量は伝導帯キャリア程度に小さくなることから、試料２−２のレーザ素子が高温で発振しなかったのは、Δξｃが小さいことに起因するというよりも、Δξｖが小さいため、キャリアのオーバーフローが発生したことに起因すると考えられる。
【０１０７】
これにより、井戸層に引張り歪を有する半導体発光素子では、温度特性を向上させるには、Δξｃだけでなく、Δξｖをも考慮にいれて設計を行うことが望ましいことがわかる。従来技術に係る井戸層に圧縮歪を有する素子では、ＨＨバンドが発振に寄与し、ＨＨバンドのキャリアの有効質量は伝導帯キャリアの有効質量よりも十分大きいので、素子の温度特性を向上させるにはΔξｃのみに注目し、それを大きくするように設計すればよかったのに対して対照的である。
【０１０８】
図６は、様々な障壁層の組成波長λｂについて、障壁層の歪量εｂに対するΔξｖの依存性を示す図である。なお、図６に示す複数の曲線は、障壁層の組成波長λｂがそれぞれの値を有する場合に対応している。歪量εｂの大きさが小さいほど、また、障壁層の組成波長λｂが短波長であるほど、Δξｖは大きくなることが示されている。
【０１０９】
１００℃といった高温でも良好な特性を得るには、第１の実施形態において示した分裂エネルギーＥｌｈ-Ｅｈｈ同様、Δξｖも３５ｍｅｖ（１３０℃）以上が望ましい。
【０１１０】
Δξｖが３５ｍｅＶ以上となる障壁層の組成の範囲を実験的に求めると、障壁層のＡｌの組成量ｙが、０．４３０−０．３６０ｘ以上であり、０．４７６−１．０１７ｘ以下のときである。障壁層のＡｌの組成量ｙがこの範囲に属している試料２−１のΔξｖはこの条件を満たしている。図７は、障壁層のＧａの組成量ｘとＡｌの組成量ｙが上記条件を満たす範囲を示す相図である。
【０１１１】
以上のように、従来技術において、井戸層に引張り歪を有するＩｎＧａＡｌＡｓ系１．３μｍ帯半導体発光素子では、Δξｖの条件があいまいであったため、幅広い温度範囲の温度において安定して、良好な特性が得られなかったものと考えられる。
【０１１２】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子は、第１の実施形態に係るリッジストライプ型ファブリペローレーザ素子に、さらに、ＭＱＷ層４の井戸層の層数Ｎｗについて考慮したものである。
【０１１３】
第１の実施形態に係る実施例及び比較例として示した複数の半導体発光素子の間には、飽和電流Ｉｓａｔに大きな差がみられる。現在、主流となっている井戸層に圧縮歪を有するをＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系１．３μｍ帯リッジストライプ型ファブリペローレーザ素子では、メサ幅が１．５μｍ、共振器長が２００μｍ、前端面と後端面のコーティングの反射率がそれぞれ４０％と９０％であるとき、８５℃では、飽和電流Ｉｓａｔが１２５ｍＡを超える。そのため、井戸層に引張歪を有するＩｎＧａＡｌＡｓ系１．３μｍ帯半導体発光素子においても、少なくとも同一条件において、飽和電流Ｉｓａｔが１２５ｍＡを超えることが望ましい。そこで、８５℃において飽和電流Ｉｓａｔが１２５ｍＡとなる条件について、表３に示される仕様となるよう作製された試料のレーザ素子の実験結果より示す。
【０１１４】
【表３】
【０１１５】
表３は、本実施形態に係る実施例及び比較例を示す複数のレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。これらのＭＱＷ層４の仕様は、いずれも第１及び第２の実施形態で説明した条件を満たしており、これら仕様で、第１の実施形態において説明した作製方法により、表３に示す仕様になるよう作製されたウェハの上部表面を目視によって調べたところ、すべてのウェハで上部表面は鏡面であった。
【０１１６】
表３に示す仕様となるよう作製された複数のウェハについて、フォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、試料３−１，３−２，３−３、３−７のウェハでは、１．３μｍ付近に１つの発振ピークと、それよりも強度が小さく短波長側にあるもう１つの発振ピークが見られた。これらの分裂エネルギー差Ｅｌｈ−Ｅｈｈは、いずれも４０ｍｅＶ以上であった。これら２つの発振ピークのうち、１．３μｍ付近のピークはＬＨバンドに起因し、また、それよりも短波長側のピークはＨＨバンドに起因すると考えられる。また、試料３−４，３−５、３−６のウェハでは、１．３μｍ付近に１つ発振ピークが見られた。
【０１１７】
さらに、これらのウェハを用いて、上記方法により、リッジストライプ型ファブリペローレーザ素子を作製し、以下の測定を行った。
【０１１８】
図８は、８５℃における井戸層の層厚Ｌｗに対する飽和電流Ｉｓａｔの依存性を示す図である。図８に示す通り、井戸層の層厚Ｌｗが８ｎｍから１１ｎｍの範囲において、飽和電流Ｉｓａｔは、井戸層の層厚Ｌｗによらず、ほとんど一定である。
【０１１９】
図９は、８５℃における井戸層の層数Ｎｗに対する飽和電流Ｉｓａｔの依存性を示す図である。図９に示す通り、飽和電流Ｉｓａｔは井戸層の層数Ｎｗにほぼ比例し、８５℃において飽和電流Ｉｓａｔが１２５ｍＡ以上を達成するには井戸層の層数Ｎｗは５以上必要となる。
【０１２０】
これにより、広い温度範囲において、３００μｍ以下の短長の共振器でも、高出力・高速動作化が可能となる。従来技術において、井戸層の層数Ｎｗ＝５となる報告例が、非特許文献８にあるが、障壁層に関する開示がなく、本発明を示唆するものではない。
【０１２１】
［第４の実施形態］
以上、ＭＱＷ層４の各井戸層は、同じ組成によって設計されたものについて、説明した。しかし、これに限られる必要はなく、本発明の第４の実施形態に係る半導体発光素子は、ＭＱＷ層４の各井戸層は、３層となる多重層によって構成されている。
【０１２２】
【表４】
【０１２３】
表４は、本実施形態に係る実施例及び比較例を示す複数のレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。これらのＭＱＷ層４の各井戸層は、３層となる多重層によって構成されている。
【０１２４】
ここで、各井戸層を構成する複数の層それぞれの層厚をＬｗとし、それら複数の層によって構成される各井戸層の総層厚をＬｗｔｏｔと定義している。また、各井戸層を構成する複数の層それぞれの歪量をεｗとし、それら複数の層によって構成される各井戸層の平均歪量をεｗａｖと定義している。
【０１２５】
第１の実施形態において説明した作製方法により、ＭＱＷ層４が表４に示す仕様にそれぞれなるよう複数のウェハが作製された。なお、全ての試料において、ＭＱＷ層４の障壁層は、無歪のときに組成波長がλｂ＝９００ｎｍとなるようなＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓによって形成される。
【０１２６】
以上の通り作製された複数のウェハについて、フォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、全てのウェハについて、１．３μｍ周辺にいくつか肩をもつ広い発振ピークが見られた。また、これらウェハの上部表面が目視によって調べられ、試料４−１，４−２，４−５の上部表面は鏡面であったのに対し、試料４−３，４−４の上部表面にはわずかであるがクロスハッチが見られた。
【０１２７】
これらウェハを用いて作製された各レーザ素子について、電流―光出力特性が測定された。２５℃では作製された全ての試料で発振することが確認された。また全てのレーザ素子で、ＴＭモードを発振していることも確認された。
【０１２８】
次に、環境温度を上昇させて、電流―光出力特性が測定された。その結果、他の仕様と比較し、試料４−２，４−３，４−４，４−５のレーザ素子について、温度上昇に対して、閾値電流の大幅な増大が見られた。さらに、環境温度５０℃あたりで、印加電流を増大させていくと、突然発光しなくなり、再度の通電を行っても、これ以上、発光は確認されなくなる現象が観測された。それぞれ同じ仕様の素子が複数作製され、これらの測定が行われたが、試料４−３，４−４，４−５となるそれぞれ複数のレーザ素子のうち、９割のレーザ素子で、また、試料４−２となる複数のレーザ素子のうち７割のレーザ素子で、このような現象が観測された。
【０１２９】
表４に示すそれぞれの仕様で作製された複数のレーザ素子のみならず、さらに、表４に示す仕様の以外の仕様のレーザ素子についても複数作製され、それらのレーザ素子について、特性を評価した結果、以下のような法則があることを発見した。
【０１３０】
複数層によって構成される各井戸層と、当該井戸層に隣り合う障壁層との各界面において、通常の界面歪に加えて、さらに、界面歪εｋａｉ＝εｗａｖ−εｂと定義する。さらに、界面最大層厚ｔｋａｉを、当該井戸層の総層厚Ｌｗｔｏｔ及び障壁層の層厚Ｌｂのうち、大きい方の値であると定義する。臨界界面歪とは、第１の実施形態に係る半導体発光素子と同様に、数式（２）においてＡの値が０．７であり、界面歪εｋａｉは、この臨界界面歪以下に作製されるのが望ましいことがわかった。
【０１３１】
さらに、ＭＱＷ層４全体の総層厚ｔｔｏｔ及び平均歪εａｖを、それぞれ数式（３）及び数式（４）に記されるＬｗ及びεｗを、それぞれ、Ｌｗｔｏｔ及びεｗａｖに置き換えたものとする。臨界平均歪とは、同様に、数式（５）においてＢの値が０．９であり、平均歪εａｖは、この臨界平均歪以下に作製されるのが、さらに望ましいことがわかった。
【０１３２】
上述した通り、試料４−３，４−４は、エピタキシャル成長後、その上部表面にクロスハッチが確認されており、これら仕様により実際に作製したレーザ素子は特性測定の時に破壊されてしまっており、ＭＱＷ層４の仕様は、上記の条件を超えないように設計するのが望ましい。
【０１３３】
さらに、上記の条件を満たすが、特性測定時に破壊されてしまった試料４−２，４−５に関して調べたところ、上記の条件を満たすＭＱＷ層仕様であっても、試料４−２では、界面歪εｋａｉの大きさが、もしくは、試料４−５では、隣接する層同士の界面の歪ε（＝εｗ−εｂ）の大きさが２．２％を超える多層では特性測定時に破壊されてしまうことを発見した。よって、界面歪εｋａｉの大きさ及び隣接する層同士の界面の歪εの大きさがともに２．２％以下となるように、設計するのが望ましい。
【０１３４】
表４に示す仕様となるレーザ素子に加えて、井戸層及び障壁層の構成がそれぞれ層によって異なる場合を含む様々な仕様についても、レーザ素子を作製し、同様の実験を行った。この場合も、ｉ番目の井戸層の総層厚を（Ｌｗｔｏｔ）ｉと、ｉ番目の井戸層の平均歪（εｗａｖ）ｉとして、ＭＱＷ層４全体の総層厚ｔｔｏｔ及び平均歪εａｖについて、それぞれ、数式（６）及び数式（７）などに適用すれば、上述した法則を満たすことがわかった。
【０１３５】
すなわち、ＭＱＷ層４において、障壁層と障壁層に挟まれた井戸層の組成が、結晶成長の方向に沿って、一定ではない場合であっても、その井戸層全体として、引張り歪を有しており、その層全体の平均歪と障壁層の歪との間に生じる界面歪が、上記の条件をさらに満たしていることが望ましい。
【０１３６】
[第５の実施形態]
同様に、ＭＱＷ層４の各障壁層についても、同じ組成に限られる必要はなく、本発明の第５の実施形態に係る半導体発光素子は、ＭＱＷ層４の各障壁層は、３層となる多重層によって構成されている。
【０１３７】
【表５】
【０１３８】
表５は、本実施形態に係る実施例及び比較例を示す複数のレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。これらのＭＱＷ層４の各障壁層は、３層となる多重層によって構成されている。
【０１３９】
ここで、各障壁層を構成する複数の層それぞれの層厚をＬｂとし、それら複数の層によって構成される各障壁層の総層厚をＬｂｔｏｔと定義している。また、各障壁層を構成する複数の層それぞれの歪量をεｂとし、それら複数の層によって構成される各井戸層の平均歪量をεｂａｖと定義している。
【０１４０】
第１の実施形態において説明した作製方法により、ＭＱＷ層４が表５に示す仕様にそれぞれなるよう複数のウェハが作製された。なお、全ての試料において、ＭＱＷ層４の障壁層は、無歪のときに組成波長がλｂ＝１０５０ｎｍとなるようなＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓによって形成される。
【０１４１】
以上の通り作製された複数のウェハについて、フォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、全てのウェハについて、１．３μｍ周辺に、１つもしくは２つの発振ピークが見られた。２つの発振ピークの起因は上記のものと同じである。また、ウェハの上面表面が目視によって調べられ、試料５−１，５−２，５−５の上部表面は鏡面であったのに対し、試料５−３，５−４の上部表面にはわずかであるがクロスハッチが見られた。
【０１４２】
これらウェハを用いて作製された各レーザ素子について、電流―光出力特性が測定された。２５℃では作製された全ての試料で発振することが確認された。また全てのレーザ素子で、ＴＭモードを発振していることも確認された。
【０１４３】
次に、環境温度を上昇させて、電流―光出力特性がカーブを測定された。その結果、他の仕様と比較し、試料５−２，５−３，５−４，５−５のレーザ素子について、温度上昇に対して、閾値電流の大幅な増大がみられた。さらに、環境温度５０℃あたりで、印加電流を増大させていくと、突然発光しなくなり、再度の通電を行っても、これ以上、発光は確認されなくなる現象が観測された。それぞれ同じ仕様の素子が複数作製され、これらの測定が行われたが、試料５−３，５−４，５−５となるそれぞれ複数のレーザ素子のうち、９割のレーザ素子で、また、試料５−２となる複数の素子のうち、７割のレーザ素子いで、このような現象が観測された。
【０１４４】
表５に示すそれぞれの仕様で作製された複数のレーザ素子のみならず、さらに、表５に示す仕様の以外の仕様のレーザ素子についても複数作製され、それらのレーザ素子について、特性を評価した結果、以下のような法則があることを発見した。
【０１４５】
複数層によって構成される各障壁層と、当該障壁層に隣り合う井戸層との各界面において、通常の界面歪に加えて、さらに、界面歪εｋａｉ＝εｗ−εｂａｖと定義する。さらに、界面最大層厚ｔｋａｉを、当該障壁層の総層厚Ｌｂｔｏｔ及び井戸層の層厚Ｌｗのうち、大きい方の値であると定義する。臨界界面歪とは、第１の実施形態に係る半導体発光素子と同様に、数式（２）においてＡの値が０．７であり、界面歪εｋａｉは、この臨界界面歪以下に作製されるのが望ましいことがわかった。
【０１４６】
さらに、ＭＱＷ層４全体の総層厚ｔｔｏｔ及び平均歪εａｖを、それぞれ数式（３）及び数式（４）に記されるＬｂ及びεｂを、それぞれ、Ｌｂｔｏｔ及びεｂａｖに置き換えたものとする。臨界平均歪とは、同様に、数式（５）においてＢの値が０．９であり、平均歪εａｖは、この臨界平均歪以下に作製されるのが、さらに望ましいことがわかった。
【０１４７】
上述した通り、試料５−３，５−４は、エピタキシャル成長後、その上部表面にクロスハッチが確認されており、これら仕様により実際に作製したレーザ素子は特性測定の時に破壊されてしまっており、ＭＱＷ層４の仕様は、上記の条件を超えないように設計するのが望ましい。
【０１４８】
さらに、上記の条件を満たすが、特性測定時に破壊されてしまった試料５−２，５−５に関して調べたところ、上記の条件を満たすＭＱＷ層仕様であっても、試料５−２では、界面歪εｋａｉの大きさが、もしくは、試料５−５では、隣接する層同士の界面の歪ε（＝εｗ−εｂ）の大きさが２．２％を超える多層では特性測定時に破壊されてしまうことを発見した。よって、界面歪εｋａｉの大きさ及び隣接する層同士の界面の歪εの大きさがともに２．２％以下となるように、設計するのが望ましい。
【０１４９】
表５に示す仕様となるレーザ素子に加えて、井戸層及び障壁層の構成がそれぞれ層によって異なる場合を含む様々な仕様についても、レーザ素子を作製し、同様の実験を行った。この場合も、ｉ番目の障壁層の総層厚を（Ｌｂｔｏｔ）ｉと、ｉ番目の障壁層の平均歪（εｂａｖ）ｉとして、ＭＱＷ層４全体の総層厚ｔｔｏｔ及び平均歪εａｖについて、それぞれ、数式（６）及び数式（７）などに適用すれば、上述した法則を満たすことがわかった。
【０１５０】
すなわち、ＭＱＷ層４において、井戸層と井戸層に挟まれた障壁層の組成が、結晶成長の方向に沿って、一定ではない場合であっても、その障壁層全体として、引張り歪を有しており、その層全体の平均歪と障壁層の歪との間に生じる界面歪が、上記の条件をさらに満たしていることが望ましい。
【０１５１】
【表６】
【０１５２】
表６は、本実施形態に係る別の実施例及び比較例を示す複数のレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。さらに、第１の実施形態において説明した作製方法により、表６に示すそれぞれ仕様となるよう複数のウェハが作製される。ここで、それぞれの仕様において、ＭＱＷ層４の障壁層は、無歪のときに組成波長がλｂ＝１０５０ｎｍとなるようなＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓによって形成される。
【０１５３】
ここで、試料５−６の障壁層には、一様にεｂ＝＋０．５％の歪が加えられているのに対し、試料５−７の障壁層は両側を厚さ３ｎｍかつ歪量０．０％、中心を厚さ６ｎｍかつ歪量＋１．０％とした平均歪が＋０．５％となる３層からなる。これらのＭＱＷ層４の仕様は、上述の条件を満たしている。
【０１５４】
このようにして作製された複数のウェハの上部表面が目視によって調べられ、試料５−６，５−７の上部表面はともに鏡面であった。また、ＭＱＷ層以外の層は無歪としてあり、いずれのウェハもＭＱＷ層４以外は上記と同様に同一な構造となっている。
【０１５５】
表６に示す仕様となるよう作製された作製された複数のウェハについて、フォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、全てのウェハについて、１．３μｍ付近に２つの発振ピークが見られた。２つの発振ピークの起因は上記のものと同じである。
【０１５６】
さらに、これらのウェハを用いて、上記方法により、リッジストライプ型ファブリペローレーザ素子を作製し、電流−光出力特性が測定された。２５℃において、試料５−６，５−７のレーザ素子の閾値電流は、ともに４ｍＡ程度と良好な特性を示し、ほとんど差異はなかった。しかし、温度を上昇させ９５℃あたりで測定が行われ、試料５−７のレーザ素子は閾値電流８ｍＡで発振したものの、試料５−６のレーザ素子の場合、素子によって閾値電流が４０ｍＡを超えて発振するものもあれば、発振しない素子もあり、特性にばらつきがあった。さらに、試料５−７の素子について、環境温度を１００℃まで上昇させて測定してみたところ、発振することが確認された。
【０１５７】
表６に示す２つの試料のレーザ素子について比較すると、主な違いは、井戸層の価電子帯のΔξｖ（＝ξｖ−ξｂｖ）に起因する。即ち、試料５−６では、図６よりΔξｖが２５ｍｅＶ程度であるのに対し、試料５−７では、障壁層のうちその両端部には、厚さ３ｎｍかつ歪量０．０％となっているので、Δξｖが５８ｍｅＶ程度となっているからである。このため、試料５−６では、高温でキャリアのオーバーフローが発生するのに対し、試料５−７では、それが抑制したものと解釈される。以上により、障壁層をより長波長化することにより、ＭＱＷ層全体の平均屈折率を大きくし、光閉じ込めを大きくし、しきい利得を低減すると共に、長波長化に伴うキャリアオーバーフローを抑制し、臨界層厚および界面歪の条件を越えることなく、温度特性の改善が可能となる。
【０１５８】
なお、第４及び第５の実施形態において、井戸層及び障壁層がそれぞれ多重構造を有する場合について説明したが、井戸層及び障壁層の少なくともそれぞれ一部がともに多重構造を有していても、本発明の効果が得られることは言うまでもない。
【０１５９】
[第６の実施形態]
以上、半導体発光素子として、ファブリペローレーザ素子の場合について説明したが、これに限られないことは言うまでもない。分布帰還型（Distributed Feedback）レーザ素子であってもよいし、その他、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザ素子やＤＲ（Distributed Reflector）レーザ素子などであってもよい。
【０１６０】
ここに、リッジストライプ型構造を有し、かつ、井戸層に引張り歪を有する分布帰還型レーザ素子について説明する。図１０は、分布帰還型回折格子を有する分布帰還型レーザ素子の構造を示す図であり、図１０（ａ）は、当該レーザ素子の全体斜視図、図１０（ｂ）は、破線ｂによって図１０（ａ）に示される部分の拡大断面図、図１０（ｃ）は、破線ｃによって図１０（ｂ）に示される部分の拡大断面図である。
【０１６１】
まず、当該レーザ素子の作製方法について簡単に説明する。ｎ型ＩｎＰ基板１上に、厚さ５００ｎｍのｎ型ＩｎＰバッファ層２、厚さ５０ｎｍのＩｎＡｌＡｓからなるｎ側ＳＣＨ層３、後述の仕様を有するＭＱＷ層４、厚さ５０ｎｍのＩｎＡｌＡｓからなるｐ側ＳＣＨ層５、厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ層６、厚さ０．２μｍのＩｎＰスペーサ層１４、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１５、厚さ１．５μｍのｐ型ＩｎＰ層７が、順に、形成される。ここで、ＭＱＷ層４において、井戸層及び障壁層は、それぞれ、引張り歪及び圧縮歪を有しているが、ＭＱＷ層４以外の層はすべて、無歪となるよう形成されている。また、ＩｎＧａＡｓＰ層６は、組成波長λ＝１２００ｎｍとなるような組成で構成されている。
【０１６２】
ｐ型ＩｎＰ層７の幅、すなわち、リッジストライプ幅は１．５μｍであり、ｐ型ＩｎＰ層７の両脇近傍には、寄生容量の低減のため、アイソレーション溝１０が形成される。さらに、劈開や実装時などにｐ型ＩｎＰ層７へ余分な力が集中し破壊しないように、補強用として肩部１１が、図１０（ｂ）に示すように形成される。
【０１６３】
ｐ型ＩｎＰ層７の頭頂部以外の素子上部表面に、パッシベーション膜８が形成される。さらに、ｐ型電極９が、図１０（ａ）に示すように、形成され、ｐ型ＩｎＰ層７の頭頂部と良好なコンタクトが得られ、かつ電流を注入しやすい構造となっている。また、素子上部表面には、前方と後方を識別しやすいように、前方側に前方マーク１２が形成され（図１０（ａ））、前端面及び後端面に、反射率がそれぞれ１％及び９０％となるようにコーティング膜（図示せず）が形成される。なお、素子の共振器長は２００μｍである。
【０１６４】
次に、いくつかのレーザ素子について、説明する。まず、第１のレーザ素子において、Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系で形成されたＭＱＷ層４は、井戸層の層数Ｎｗ＝６、井戸層の層厚Ｌｗ＝８ｎｍ、井戸層のＩｎの組成量１−ｘ−ｙが０．３２（ｘ＝０．６６，ｙ＝０．０２）、障壁層の層厚Ｌｂ＝１０ｎｍ、障壁層のＧａの組成量ｘ＝０、０００、障壁層のＡｌの組成量ｙ＝０．４００となるよう、形成されている。
【０１６５】
ここで、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１５には、周期が２０１．５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰからなるλ／４シフト回折格子（分布帰還型回折格子）が形成されている。その発光する光と回折格子との結合の強さκが７５ｃｍ−１程度となるように、ＩｎＧａＡｓＰの厚さが調節される。
【０１６６】
このＭＱＷ層４の仕様は、いずれも第１及び第２の実施形態において示した条件を満たしており、これらウェハの上部表面が目視によって調べられ、いずれのウェハの上部表面も鏡面であった。こうして作製された複数のウェハについてフォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、１．３μｍ付近で１つの発振ピークが見られた。
【０１６７】
第１のレーザ素子について評価され、８５℃において、閾値電流は１７ｍＡ、飽和電流Ｉｓａｔは１１５ｍＡと良好な特性が得られた。また、ｆｒ電流効率ｆｒ／√Ｉｍ（緩和振動周波数ｆｒに対する駆動電流と閾値電流との差Ｉｍの平方根との比）が測定され、８５℃において、２．６ＧＨｚ／√ｍＡが得られた。さらに、環境温度９５℃のもとで、出力が８ｍＷ一定となるように電流を印加する寿命試験を行ったところ、５０００時間以上印加電流はほとんど変化せず、本発明が有効であることが確認された。
【０１６８】
次に、第２のレーザ素子において、Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系で形成されたＭＱＷ層４は、井戸層の層数Ｎｗ＝５、井戸層の層厚Ｌｗ＝９ｎｍ、井戸層のＩｎの組成量１−ｘ−ｙが０．３３（ｘ＝０．６４，ｙ＝０．０３）、障壁層の層厚Ｌｂ＝１０ｎｍ、障壁層のＧａの組成量ｘ＝０、０７６、障壁層のＡｌの組成量ｙ＝０．３２６となるよう、形成されている。
【０１６９】
ここで、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１５には、周期が２０１．３ｎｍのＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰからなるλ／４シフト回折格子が形成されている。その発光する光と回折格子との結合の強さκが７５ｃｍ−１程度となるように、ＩｎＧａＡｓＰの厚さが調節される。また、ｐ型電極９上には厚さ３μｍの金メッキが施されている。
【０１７０】
このＭＱＷ層４の仕様は、第１のレーザ素子と同様に、いずれも第１及び第２の実施形態において示した条件を満たしており、いずれのウェハの上部表面は鏡面であった。こうして作製された複数のウェハについてフォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、１．３μｍ付近で１つの発振ピークが見られた。
【０１７１】
第２のレーザ素子について評価され、８５℃において、閾値電流は１５．６ｍＡ、飽和電流Ｉｓａｔは１２７ｍＡと良好な特性が得られた。また、ｆｒ電流効率が測定され、８５℃において、２．５ＧＨｚ／√ｍＡが得られた。このように、第１のレーザ素子よりも良好な飽和電流Ｉｓａｔが得られたのは、ｐ型電極９に金メッキが施されたことにより、放熱性が向上したからである。さらに、環境温度９５℃のもとで、出力が８ｍＷ一定となるように電流を印加する寿命試験を行ったところ、これも５０００時間以上印加電流はほとんど変化せず、本発明が有効であることが確認された。
【０１７２】
最後に、第３のレーザ素子において、Ｉｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系で形成されたＭＱＷ層４は、戸層の層数Ｎｗ＝８、井戸層の層厚Ｌｗ＝１１ｎｍ、井戸層のＩｎの組成量１−ｘ−ｙが０．３９（ｘ＝０．５６，ｙ＝０．０５）、障壁層の層厚Ｌｂ＝１０ｎｍ、障壁層のＧａの組成量ｘ＝０、０７３、障壁層のＡｌの組成量ｙ＝０．３１５となるよう、形成されている。
【０１７３】
ここで、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１５には、周期が２０１．８ｎｍのＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰからなるλ／４シフト回折格子が形成されている。その発光する光と回折格子との結合の強さκが１００ｃｍ−１程度となるように、ＩｎＧａＡｓＰの厚さが調節される。
【０１７４】
このＭＱＷ層４の仕様は、第１及び第２のレーザ素子と同様に、いずれも第１及び第２の実施形態において示した条件を満たしており、いずれのウェハの上部表面は鏡面であった。こうして作製された複数のウェハについてフォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、１．３μｍ付近と１．２５μｍ付近と、２つの発振ピークが見られた。この２つの発振ピークの起因は上記のものと同じである。
【０１７５】
第３のレーザ素子は、リッジストライプ幅が１．３μｍであり、素子の前端面と後端面に形成されるコーティング膜が、それぞれ１％及び９５％であり、レーザ素子の共振器長は１５０μｍである点などが、第１及び第２のレーザ素子と異なっている。
【０１７６】
第３のレーザ素子について評価され、８５℃において、閾値電流は１９．６ｍＡ、飽和電流Ｉｓａｔは９０ｍＡと良好な特性が得られた。また、ｆｒ電流効率が測定され、８５℃において、２．７ＧＨｚ／√ｍＡが得られた。さらに、環境温度９５℃のもとで出力が８ｍＷ一定となるように電流を印加する寿命試験を行ったところ、５０００時間以上印加電流はほとんど変化せず、本発明が有効であることが確認された。
【０１７７】
以上、本発明のいくつかの実施形態に係る半導体発光素子について、具体的な実施例及び比較例を用いて説明したが、これはあくまで発見した法則を説明するためにピックアップした例であって、これだけが満たすものでなく、その他のＭＱＷ層仕様でも満たすことも確認した。またＭＱＷ層各層で厚さや歪などを変更し、同様に調べたところ、上述した法則を満たすことがわかった。以上のようにして、ＩｎＧａＡｌＡｓ系半導体発光素子のウェハを安定して得ることができるようになった。
【０１７８】
[第７の実施形態]
本発明の第７の実施形態に係る半導体発光素子は、井戸層がＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−y系からなり、障壁層がＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系からなる、ＭＱＷ層がＩｎＰ基板の上方に形成された１．３μｍ帯半導体発光素子であり、ＭＱＷ層の各井戸層は引張り歪を有し、各障壁層は圧縮歪を有している。ここで、半導体発光素子とは、例えば、リッジストライプ型ファブリペローレーザ素子である。当該レーザ素子は、第１の実施形態において説明した作製方法によって、作製される。なお、以下に説明する実施形態に係る半導体発光素子のＭＱＷ層４において、特別な言及がない限り、引張り歪井戸層がＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−y系からなり、圧縮歪障壁層がＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系からなる。
【０１７９】
【表７】
【０１８０】
表７は、本実施形態に係る実施例及び比較例を示す複数のレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。また、ＭＱＷ層４の障壁層は、無歪のときに組成波長がλｂ＝８３０ｎｍとなるようなＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓもしくはＩｎ１−ｙＡｌｙＡｓによって形成される。
【０１８１】
表７に示す仕様となるよう作製された複数のウェハについて、フォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、全てのウェハについて、１．３μｍ付近に１つもしくは２つの発振ピークが見られた。２つの発振ピークの起因は上記のものと同じである。
【０１８２】
また、これらウェハの上部表面が目視によって調べられ、試料７−２，７−３，７−４の上部表面には、格子緩和を示すクロスハッチが見られた。その他のウェハの上部表面は、鏡面であった。
【０１８３】
これらウェハを用いて作製された各レーザ素子について、電流―光出力特性が測定された。２５℃では作製した全ての試料で発振することが確認された。また、全てのレーザ素子で、ＴＭモードを発振していることも確認された。尚、当該レーザ素子は、前述の通り、リッジストライプ幅は１．５μｍとなるように作製されている。異なるリッジストライプ幅を有し本構造を有するレーザ素子について研究を重ねた結果、リッジストライプ幅が３μｍ以下であれば、発光光の偏光方向が安定した状態で、レーザ素子は発光光を発振していることが、確認された。
【０１８４】
次に、環境温度を上昇させて、電流―光出力特性が測定された。その結果、他の仕様と比較し、試料７−２，７−３，７−４のレーザ素子について、温度上昇に対して、閾値電流の大幅な増大が見られた。さらに、環境温度５０℃あたりで、印加電流を増大させていくと、突然発光しなくなり、再度の通電を行っても、これ以上、発光は確認されなくなる現象が観測された。それぞれ同じ仕様の素子が複数作製され、これらの測定が行われたが、試料７−２，７−４となるそれぞれ複数のレーザ素子のうち、８割から９割のレーザ素子で、また、試料７−３となる複数のレーザ素子のうち５割のレーザ素子で、このような現象が観測された。
【０１８５】
表７に示すそれぞれの仕様で作製された複数のレーザ素子のみならず、さらに、表７に示す仕様の以外の仕様のレーザ素子についても複数作製され、それらのレーザ素子について、特性を評価した結果、第１の実施形態に係る法則と同様の法則があることを発見した。
【０１８６】
すなわち、臨界界面歪とは、数式（２）においてＡの値が０．７であり、界面歪εｋａｉは、この臨界界面歪以下に作製されるのが望ましいことがわかった。この条件を満たしていないのは、試料７−２である。
【０１８７】
また、臨界平均歪とは、数式（５）においてＢの値が０．９であり、平均歪εａｖは、この臨界平均歪以下に作製されるのがさらに望ましいことがわかった。この条件を満たしていないのは、試料７−４である。
【０１８８】
上述した通り、試料７−２，７−４は、エピタキシャル成長後、その上部表面にクロスハッチが確認されており、これら仕様により実際に作製したレーザ素子は、特性測定の時に破壊されてしまっており、ＭＱＷ層４の仕様は、上記の条件を満たすように設計するのが望ましい。
【０１８９】
さらに、上記の条件を満たすが、同様にクロスハッチが見られ、特性測定時に破壊されてしまった試料７−３に関して調べたところ、上記の条件を満たすＭＱＷ層仕様であっても、界面歪εｋａｉの大きさが２．０％を超える多層では特性測定時に破壊されてしまうことを発見した。よって、界面歪εｋａｉの大きさを２．０％以下になるよう設計するのがさらに望ましい。この条件から、井戸層におけるＩｎの組成量１−ｘ及びＰの組成量１−ｙの満たすべき条件が実験的に得られ、１−ｘが０．４以上で、かつ、１−ｙが０．０９以上である。
【０１９０】
図１１は、図２と同様に、当該レーザ素子において、井戸層の層厚Ｌｗ及び井戸層の歪量εｗに対する分裂エネルギーＥｌｈ−Ｅｈｈの依存性を計算した結果を示した図である。なお、図１１に示す複数の曲線は、図２の同様に、井戸層の歪量εｗがそれぞれの値を有する場合に対応している。上述の通り、分裂エネルギーＥｌｈ−Ｅｈｈが、３５ｍｅＶ（１３０℃）以上であり、井戸層の層厚Ｌｗが１６ｎｍ以下であり、井戸層の歪量εｗの大きさが０．７％以上であることが望ましい。その範囲について、図１１に破線で示している。図１１により井戸層において、Ｉｎの組成量１−ｘ及びＰの組成量１−ｙの満たすべき条件が実験的に得られ、１−ｘが０．６以下であり、１−ｙが０．３５以下である。そして、障壁層における圧縮歪が最小である場合を考慮すると、少なくとも界面歪εｋａｉの大きさも０．７％以上が望ましい。
【０１９１】
よって、各界面における界面歪εｋａｉの大きさは、０．７％以上２．０％以下であればさらに望ましく、さらに、井戸層のＩｎの組成量１−ｘが、０．４以上０．６以下であり、Ｐの組成量１−ｙが、０．０７以上０．３５以下であるとき、さらに望ましい。
【０１９２】
なお、特許文献１２には歪補償に関する記述がみられるが、井戸数の開示がなく、本発明に対する示唆はない。
【０１９３】
[第８の実施形態]
本発明の第８の実施形態に係る半導体発光素子は、第７の実施形態に係るリッジストライプ型ファブリペローレーザ素子に、さらに、障壁層の組成について考慮したものである。
【０１９４】
【表８】
【０１９５】
表８は、本実施形態に係る実施例及び比較例をそれぞれ示すレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。第７の実施形態において説明した作製方法により、表８に示す各仕様それぞれについて、複数のウェハが作製され、これらウェハを用いて複数のレーザ素子が作製される。なお、これらウェハの上部表面が目視によって調べられ、試料８−１，８−２とも、上部表面は鏡面であった。
【０１９６】
当該レーザ素子について、第７の実施形態に係るレーザ素子と同様に、電流―光出力特性が測定された。２５℃では、試料８−１，８−２のレーザ素子は、ともに、閾値電流が４ｍＡ程度と良好な特性を示し、ほとんど差異はみられなかった。しかし、温度を上昇させ９５℃あたりで測定したところ、試料８−１のレーザ素子は閾値電流８ｍＡで発振したのに対して、試料８−２のレーザ素子は、素子によっては、閾値電流が５０ｍＡを超えて発振する素子もあれば、発振しない素子もあり、特性にばらつきがあた。さらに、試料８−１の素子について、環境温度１００℃まで上昇させて測定したところ、発振することが確認された。
【０１９７】
表８に示す２つの試料のレーザ素子について比較すると、主な違いは、障壁層の組成にあり、高温において、試料８−１のレーザ素子が発振するのに対して、試料８−２のレーザ素子が十分に発振しないのは、第２の実施形態において説明したのと同様の理由によるものと考えられる。
【０１９８】
図１２は、様々な障壁層の組成波長λｂについて、障壁層の歪量εｂに対するΔξｖの依存性を示す図である。なお、図６に示す複数の曲線は、障壁層の組成波長λｂがそれぞれの値を有する場合に対応している。歪量εｂの大きさが小さいほど、また、障壁層の組成波長λｂが短波長であるほど、Δξｖは大きくなることが示されている。
【０１９９】
図６と同様に、１００℃といった高温でも良好な特性を得るには、分裂エネルギーＥｌｈ-Ｅｈｈ同様、Δξｖも３５ｍｅｖ（１３０℃）以上が望ましい。
【０２００】
Δξｖが３５ｍｅＶ以上となる障壁層の組成の範囲を実験的に求めると、障壁層のＧａの組成量ｘが０．０以上であり、かつ、Ａｌの組成量ｙが、０．３８４−０．３３０ｘ以上０．４７６−１．０１７ｘ以下のときである。障壁層のＡｌの組成量ｙがこの範囲に属している試料８−１のΔξｖはこの条件を満たしている。図１３は、障壁層のＧａの組成量ｘとＡｌの組成量ｙが上記条件を満たす範囲を示す相図である。
【０２０１】
[第９の実施形態]
本発明の第９の実施形態に係る半導体発光素子は、第７の実施形態に係るリッジストライプ型ファブリペローレーザ素子に、さらに、ＭＱＷ層４の井戸層の層数Ｎｗについて考慮したものである。
【０２０２】
第３の実施形態で説明した通り、８５℃において飽和電流Ｉｓａｔが１２５ｍＡとなる条件について、表９に示される仕様となるよう作製された試料のレーザ素子の実験結果より示す。
【０２０３】
【表９】
【０２０４】
表９は、本実施形態に係る実施例及び比較例を示す複数のレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。これらのＭＱＷ層４の仕様は、いずれも第７及び第８の実施形態で説明した条件を満たしており、これら仕様で、第１の実施形態において説明した作製方法により、表９に示す仕様になるよう作製されたウェハの上部表面を目視によって調べたところ、すべてのウェハで上部表面は鏡面であった。
【０２０５】
さらに、これらのウェハを用いて、上記方法により、リッジストライプ型ファブリペローレーザ素子を作製し、以下の測定が行われ、第３の実施形態に係るレーザ素子と同様の結果が得られた。すなわち、８５℃において飽和電流Ｉｓａｔが１２５ｍＡ以上を達成するには井戸層の層数Ｎｗは５以上必要となる。
【０２０６】
[第１０の実施形態]
第４の実施形態と同様に、本発明の第１０の実施形態に係る半導体発光素子は、ＭＱＷ層４の各井戸層は、３層となる多重層によって構成されている。
【０２０７】
【表１０】
【０２０８】
表１０は、本実施形態に係る実施例及び比較例を示す複数のレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。これらのＭＱＷ層４の各井戸層は、３層となる多重層によって構成されている。
【０２０９】
表１０に示されている総層厚Ｌｗｔｏｔや平均歪量εｗａｖとは、第４の実施形態において記している通りである。
【０２１０】
第１の実施形態において説明した作製方法により、ＭＱＷ層４が表１０に示す仕様にそれぞれなるよう複数のウェハが作製された。なお、全ての試料において、ＭＱＷ層４の障壁層は、無歪のときに組成波長がλｂ＝９００ｎｍとなるようなＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓによって形成される。
【０２１１】
以上の通り作製された複数のウェハについて、フォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、全てのウェハについて、１．３μｍ周辺にいくつか肩をもつ広い発振ピークが見られた。また、これらウェハの上部表面が目視によって調べられ、試料１０−１，１０−２，１０−５の上部表面は鏡面であったのに対し、試料１０−３，１０−４の上部表面にはわずかであるがクロスハッチが見られた。
【０２１２】
これらウェハを用いて作製された各レーザ素子について、電流―光出力特性が測定された。２５℃では作製された全ての試料で発振することが確認された。また全てのレーザ素子で、ＴＭモードを発振していることも確認された。
【０２１３】
次に、環境温度を上昇させて、電流―光出力特性が測定された。その結果、他の仕様と比較し、試料１０−２，１０−３，１０−４，１０−５のレーザ素子について、温度上昇に対して、閾値電流の大幅な増大が見られた。さらに、環境温度５０℃あたりで、印加電流を増大させていくと、突然発光しなくなり、再度の通電を行っても、これ以上、発光は確認されなくなる現象が観測された。それぞれ同じ仕様の素子が複数作製され、これらの測定が行われたが、試料１０−３，１０−４，１０−５となるそれぞれ複数のレーザ素子のうち、９割のレーザ素子で、また、試料１０−２となる複数のレーザ素子のうち８割のレーザ素子で、このような現象が観測された。
【０２１４】
表１０に示すそれぞれの仕様で作製された複数のレーザ素子のみならず、さらに、表１０に示す仕様の以外の仕様のレーザ素子についても複数作製され、それらのレーザ素子について、特性を評価した結果、以下のような法則があることを発見した。
【０２１５】
複数層によって構成される各井戸層と、当該井戸層に隣り合う障壁層との各界面において、通常の界面歪に加えて、さらに、界面歪εｋａｉ＝εｗａｖ−εｂと定義する。さらに、界面最大層厚ｔｋａｉを、当該井戸層の総層厚Ｌｗｔｏｔ及び障壁層の層厚Ｌｂのうち、大きい方の値であると定義する。臨界界面歪とは、第１の実施形態に係る半導体発光素子と同様に、数式（２）においてＡの値が０．７であり、界面歪εｋａｉは、この臨界界面歪以下に作製されるのが望ましいことがわかった。
【０２１６】
さらに、ＭＱＷ層４全体の総層厚ｔｔｏｔ及び平均歪εａｖを、それぞれ数式（３）及び数式（４）に記されるＬｗ及びεｗを、それぞれ、Ｌｗｔｏｔ及びεｗａｖに置き換えたものとする。臨界平均歪とは、同様に、数式（５）においてＢの値が０．９であり、平均歪εａｖは、この臨界平均歪以下に作製されるのが、さらに望ましいことがわかった。
【０２１７】
上述した通り、試料１０−３，１０−４は、エピタキシャル成長後、その上部表面にクロスハッチが確認されており、これら仕様により実際に作製したレーザ素子は特性測定の時に破壊されてしまっており、ＭＱＷ層４の仕様は、上記の条件を超えないように設計するのが望ましい。
【０２１８】
さらに、上記の条件を満たすが、特性測定時に破壊されてしまった試料１０−２，１０−５に関して調べたところ、上記の条件を満たすＭＱＷ層仕様であっても、試料１０−２では、界面歪εｋａｉの大きさが、もしくは、試料１０−５では、隣接する層同士の界面の歪ε（＝εｗ−εｂ）の大きさが２．０％を超える多層では特性測定時に破壊されてしまうことを発見した。よって、界面歪εｋａｉの大きさ及び隣接する層同士の界面の歪εの大きさがともに２．０％以下となるように、設計するのが望ましい。
【０２１９】
表１０に示す仕様となるレーザ素子に加えて、井戸層及び障壁層の構成がそれぞれ層によって異なる場合を含む様々な仕様についても、第４の実施形態に係る半導体発光素子と同様の結果が得られた。
【０２２０】
[第１１の実施形態]
第５の実施形態と同様に、本発明の第１１の実施形態に係る半導体発光素子は、ＭＱＷ層４の各障壁層は、３層となる多重層によって構成されている。
【０２２１】
【表１１】
【０２２２】
表１１は、本実施形態に係る実施例及び比較例を示す複数のレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。これらのＭＱＷ層４の各障壁層は、３層となる多重層によって構成されている。
【０２２３】
表１１に示されている総層厚Ｌｂｔｏｔや平均歪量εｂａｖとは、第５の実施形態において記している通りである。
【０２２４】
第１の実施形態において説明した作製方法により、ＭＱＷ層４が表１１に示す仕様にそれぞれなるよう複数のウェハが作製された。なお、全ての試料において、ＭＱＷ層４の障壁層は、無歪のときに組成波長がλｂ＝１０５０ｎｍとなるようなＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓによって形成される。
【０２２５】
以上の通り作製された複数のウェハについて、フォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、全てのウェハについて、１．３μｍ周辺に、１つもしくは２つの発振ピークが見られた。２つの発振ピークの起因は上記のものと同じである。また、ウェハの上面表面が目視によって調べられ、試料１１−１，１１−２の上部表面は鏡面であったのに対し、試料１１−３，１１−４，１１−５の上部表面にはわずかであるがクロスハッチが見られた。
【０２２６】
これらウェハを用いて作製された各レーザ素子について、電流―光出力特性が測定された。２５℃では作製された全ての試料で発振することが確認された。また全てのレーザ素子で、ＴＭモードを発振していることも確認された。
【０２２７】
次に、環境温度を上昇させて、電流―光出力特性がカーブを測定された。その結果、他の仕様と比較し、試料１１−２，１１−３，１１−４，１１−５のレーザ素子について、温度上昇に対して、閾値電流の大幅な増大がみられた。さらに、環境温度５０℃あたりで、印加電流を増大させていくと、突然発光しなくなり、再度の通電を行っても、これ以上、発光は確認されなくなる現象が観測された。それぞれ同じ仕様の素子が複数作製され、これらの測定が行われたが、試料１１−３，１１−４，１１−５となるそれぞれ複数のレーザ素子のうち、９割のレーザ素子で、また、試料１１−２となる複数の素子のうち、８割のレーザ素子いで、このような現象が観測された。
【０２２８】
表１１に示すそれぞれの仕様で作製された複数のレーザ素子のみならず、さらに、表１１に示す仕様の以外の仕様のレーザ素子についても複数作製され、それらのレーザ素子について、特性を評価した結果、以下のような法則があることを発見した。
【０２２９】
複数層によって構成される各障壁層と、当該障壁層に隣り合う井戸層との各界面において、通常の界面歪に加えて、さらに、界面歪εｋａｉ＝εｗ−εｂａｖと定義する。さらに、界面最大層厚ｔｋａｉを、当該障壁層の総層厚Ｌｂｔｏｔ及び井戸層の層厚Ｌｗのうち、大きい方の値であると定義する。臨界界面歪とは、第１の実施形態に係る半導体発光素子と同様に、数式（２）においてＡの値が０．７であり、界面歪εｋａｉは、この臨界界面歪以下に作製されるのが望ましいことがわかった。
【０２３０】
さらに、ＭＱＷ層４全体の総層厚ｔｔｏｔ及び平均歪εａｖを、それぞれ数式（３）及び数式（４）に記されるＬｂ及びεｂを、それぞれ、Ｌｂｔｏｔ及びεｂａｖに置き換えたものとする。臨界平均歪とは、同様に、数式（５）においてＢの値が０．９であり、平均歪εａｖは、この臨界平均歪以下に作製されるのが、さらに望ましいことがわかった。
【０２３１】
上述した通り、試料１１−３，１１−４は、エピタキシャル成長後、その上部表面にクロスハッチが確認されており、これら仕様により実際に作製したレーザ素子は特性測定の時に破壊されてしまっており、ＭＱＷ層４の仕様は、上記の条件を超えないように設計するのが望ましい。
【０２３２】
さらに、上記の条件を満たすが、特性測定時に破壊されてしまった試料１１−２，１１−５に関して調べたところ、上記の条件を満たすＭＱＷ層仕様であっても、試料１０−２では、界面歪εｋａｉの大きさが、もしくは、試料１０−５では、隣接する層同士の界面の歪ε（＝εｗ−εｂ）の大きさが２．０％を超える多層では特性測定時に破壊されてしまうことを発見した。よって、界面歪εｋａｉの大きさ及び隣接する層同士の界面の歪εの大きさがともに２．０％以下となるように、設計するのが望ましい。
【０２３３】
表１１に示す仕様となるレーザ素子に加えて、井戸層及び障壁層の構成がそれぞれ層によって異なる場合を含む様々な仕様についても、第５の実施形態に係る半導体発光素子と同様の結果が得られた。
【０２３４】
【表１２】
【０２３５】
表１２は、本実施形態に係る別の実施例及び比較例を示す複数のレーザ素子についての、ＭＱＷ層４の仕様を示している。さらに、第１の実施形態において説明した作製方法により、表１２に示すそれぞれ仕様となるよう複数のウェハが作製される。ここで、それぞれの仕様において、ＭＱＷ層４の障壁層は、無歪のときに組成波長がλｂ＝９００ｎｍとなるようなＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓによって形成される。
【０２３６】
ここで、試料１１−６の障壁層には、一様にεｂ＝＋０．５％の歪が加えられているのに対し、試料１１−７の障壁層は両側を厚さ３ｎｍかつ歪量０．０％、中心を厚さ６ｎｍかつ歪量＋１．０％とした平均歪が＋０．５％となる３層からなる。これらのＭＱＷ層４の仕様は、上述の条件を満たしている。
【０２３７】
このようにして作製された複数のウェハの上部表面が目視によって調べられ、試料１１−６，１１−７の上部表面はともに鏡面であった。また、ＭＱＷ層以外の層は無歪かつ同一多層としてあり、いずれのウェハもＭＱＷ層４以外は上記と同様な多層仕様となっている。
【０２３８】
表１２に示す仕様となるよう作製された作製された複数のウェハについて、フォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、全てのウェハについて、１．３μｍ付近に２つの発振ピークが見られた。２つの発振ピークの起因は上記のものと同じである。
【０２３９】
さらに、これらのウェハを用いて、上記方法により、リッジストライプ型ファブリペローレーザ素子を作製し、電流−光出力特性が測定された。２５℃において、試料１１−６，１１−７のレーザ素子の閾値電流は、ともに５ｍＡ程度と良好な特性を示し、ほとんど差異はなかった。しかし、温度を上昇させ９５℃あたりで測定が行われ、試料１１−７のレーザ素子は閾値電流１０ｍＡで発振したものの、試料１１−６のレーザ素子の場合、素子によって閾値電流が５０ｍＡを超えて発振するものもあれば、発振しない素子もあり、特性にばらつきがあった。さらに、試料１１−７の素子について、環境温度を１００℃まで上昇させて測定してみたところ、発振することが確認された。
【０２４０】
表１２に示す２つの試料のレーザ素子について比較すると、主な違いは、井戸層の価電子帯のΔξｖ（＝ξｖ−ξｂｖ）に起因する。即ち、試料１１−６では、図１２よりΔξｖが２０ｍｅＶ程度であるのに対し、試料１１−７では、障壁層のうちその両端部には、厚さ３ｎｍかつ歪量０．０％となっているので、Δξｖが６３ｍｅＶ程度となっているからである。このため、試料１１−６では、高温でキャリアのオーバーフローが発生するのに対し、試料１１−７では、それが抑制したものと解釈される。以上により、障壁層をより長波長化することにより、ＭＱＷ層全体の平均屈折率を大きくし、光閉じ込めを大きくし、しきい利得を低減すると共に、長波長化に伴うキャリアオーバーフローを抑制し、臨界層厚および界面歪の条件を越えることなく、温度特性の改善が可能となる。
【０２４１】
なお、第１０及び第１１の実施形態において、井戸層及び障壁層がそれぞれ多重構造を有する場合について説明したが、井戸層及び障壁層の少なくともそれぞれ一部がともに多重構造を有していても、本発明の効果が得られることは言うまでもない。
【０２４２】
[第１２の実施形態]
第６の実施形態と同様、半導体発光素子として、ファブリペローレーザ素子に限られないことは言うまでもない。分布帰還型レーザ素子であってもよいし、その他、ＤＢＲレーザ素子やＤＲレーザ素子などであってもよい。
【０２４３】
第６の実施形態において示した作製方法により、作製された分布帰還型レーザ素子について、説明する。ＭＱＷ層４において、井戸層がＩｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−y系からなり、障壁層がＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系からなる点が、第６の実施形態に係る半導体発光素子と異なる。そして、ＭＱＷ層４は、井戸層の層数Ｎｗ＝５、井戸層の層厚Ｌｗ＝１１ｎｍ、井戸層のＧａの組成量ｘが０．４５、井戸層のＡｓの組成量ｙが０．７５、障壁層の層厚Ｌｂ＝１０ｎｍ、障壁層のＧａの組成量ｘ＝０、０６４、障壁層のＡｌの組成量ｙ＝０．３６８となるよう、形成されている。
【０２４４】
ここで、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１５には、周期が２００．７ｎｍのＩｎＧａＡｓＰとＩｎＰからなるλ／４シフト回折格子が形成されている。その発光する光と回折格子との結合の強さκが７５ｃｍ−１程度となるように、ＩｎＧａＡｓＰの厚さが調節される。
【０２４５】
このＭＱＷ層４の仕様は、いずれも第７及び第８の実施形態において示した条件を満たしており、これらウェハの上部表面が目視によって調べられ、いずれのウェハの上部表面も鏡面であった。こうして作製された複数のウェハについてフォトルミネッセンスにより発光波長が調べられ、１．３μｍ付近で２つの発振ピークが見られた。
【０２４６】
このレーザ素子について評価され、８５℃において、閾値電流は１９ｍＡ、飽和電流Ｉｓａｔは１１５ｍＡと良好な特性が得られた。また、ｆｒ電流効率が測定され、８５℃において、２．３ＧＨｚ／√ｍＡが得られた。さらに、環境温度９５℃のもとで、出力が８ｍＷ一定となるように電流を印加する寿命試験を行ったところ、５０００時間以上印加電流はほとんど変化せず、本発明が有効であることが確認された。
【０２４７】
以上、本発明のいくつかの実施形態に係る半導体発光素子について、具体的な実施例及び比較例を用いて説明したが、これはあくまで発見した法則を説明するためにピックアップした例であって、これだけが満たすものでなく、その他のＭＱＷ層仕様でも満たすことも確認した。またＭＱＷ層各層で厚さや歪などを変更し、同様に調べたところ、上述した法則を満たすことがわかった。以上のようにして、ＩｎＧａＡｓＰ系半導体発光素子のウェハを安定して得ることができるようになった。
【０２４８】
なお、本発明は、半導体発光素子のＭＱＷ層に含まれる井戸層と障壁層の界面歪に注目したものである。ＭＱＷ構造とは、一般には、井戸層と障壁層が交互に積層されている。それら複数の井戸層において、各井戸層の層厚や組成が同じ場合もあるし、違う場合もある。また、１つの井戸層の組成も、結晶成長方向に対して均一なものもあるし、変化するものもある。しかし、本明細書において、いくつか示した通り、たとえ、ある井戸層において、結晶成長方向に対して変化する場合であっても、その層全体の平均歪が引張り歪であるならば、本発明は適用される。また、ＭＱＷ層全体をみると、不規則な積層の仕方をしていたとしても、井戸層と障壁層とが交互に配置された箇所を含んでいれば、本発明は適用される。これは、障壁層についても、同様であり、ある障壁層において、組成が変化する場合であっても、その層全体の平均歪が圧縮歪であれば、本発明は適用できる。
【符号の説明】
【０２４９】
１ ｎ型ＩｎＰ基板、２ ｎ型ＩｎＰバッファ層、３ ｎ側ＳＣＨ層、４ ＭＱＷ層、５ ｐ側ＳＣＨ層、６ ＩｎＧａＡｓＰ層、７ ｐ型ＩｎＰ層、８ パッシベーション膜、９ ｐ型電極、１０ アイソレーション溝、１１ 肩部、１２ 前方マーク、１３ 出力光、１４ ＩｎＰスペーサ層、１５ ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交互に配置された、いずれもＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系からなる井戸層及び障壁層を含む多重量子井戸層を基板の上方に備えた半導体発光素子であって、
前記各井戸層は、引張り歪を有し、
前記各障壁層は、圧縮歪を有し、
前記井戸層と前記障壁層との各界面における界面歪の大きさが、該界面を境に隣接する前記井戸層及び前記障壁層の層厚のうち大きい層厚値より定まる臨界界面歪の大きさより小さい、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体発光素子であって、
前記臨界界面歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量に基づいて定まる、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体発光素子であって、
前記臨界界面歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量の０．７倍である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体発光素子であって、
さらに、各界面歪の大きさが、０．７％以上２．２％以下である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体発光素子であって、
前記多重量子井戸層の平均歪の大きさが、前記多重量子井戸層全体の層厚の値より定まる臨界平均歪の大きさより小さい、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体発光素子であって、
前記臨界平均歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量に基づいて定まる、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の半導体発光素子であって、
前記井戸層において、Ｉｎの組成量１−ｘ−ｙが、０．２１以上０．４４以下である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体発光素子であって、
前記障壁層において、Ｇａの組成量ｘが０以上であり、Ａｌの組成量ｙが０．４３−０．３６ｘ以上、０．４７６−１．０１７ｘ以下である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体発光素子であって、
前記井戸層の層数が５以上である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
交互に配置された、Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ系からなる井戸層及びＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系からなる障壁層を含む多重量子井戸層を基板の上方に備えた半導体発光素子であって、
前記各井戸層は、引張り歪を有し、
前記各障壁層は、圧縮歪を有し、
１．３μｍ帯の波長の光を出力する、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１１】
交互に配置された、Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ系からなる井戸層及びＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系からなる障壁層を含む多重量子井戸層を基板の上方に備えた半導体発光素子であって、
前記各井戸層は、引張り歪を有し、
前記各障壁層は、圧縮歪を有し、
前記井戸層と前記障壁層との各界面における界面歪の大きさが、該界面を境に隣接する前記井戸層及び前記障壁層の層厚のうち大きい層厚値より定まる臨界界面歪の大きさより小さい、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１２】
請求項１１に記載の半導体発光素子であって、
前記臨界界面歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量に基づいて定まる、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１３】
請求項１２に記載の半導体発光素子であって、
前記臨界界面歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量の０．７倍である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１４】
請求項１３に記載の半導体発光素子であって、
さらに、各界面歪の大きさが、０．７％以上２％以下である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１５】
請求項１１乃至請求項１４のいずれかに記載の半導体発光素子であって、
前記多重量子井戸層の平均歪の大きさが、前記多重量子井戸層全体の層厚値より定まる臨界平均歪の大きさより小さい、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１６】
請求項１５に記載の半導体発光素子であって、
前記臨界平均歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量に基づいて定まる、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１７】
請求項１１乃至請求項１６のいずれかに記載の半導体発光素子であって、
前記井戸層において、Ｉｎの組成量１−ｘが、０．４以上０．６以下であり、Ｐの組成量１−ｙが、０．０９以上０．３５以下である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１８】
請求項１７に記載の半導体発光素子であって、
前記障壁層において、Ｇａの組成量ｘが０以上であり、Ａｓの組成量ｙが０．３８４−０．３３ｘ以上、０．４７６−１．０１７ｘ以下である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１９】
請求項１８に記載の半導体発光素子であって、
前記井戸層の層数が５以上である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２０】
請求項１乃至請求項１９のいずれかに記載の半導体発光素子であって、リッジストライプ型構造を有している、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２１】
請求項２０に記載の半導体発光素子であって、リッジストライプ幅が３μｍ以下である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２２】
請求項２０に記載の半導体発光素子であって、ファブリー・ペロー構造を有している、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２３】
請求項２０に記載の半導体発光素子であって、分布帰還型回折格子を有している、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１】
交互に配置された、いずれもＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系からなる井戸層及び障壁層を含む多重量子井戸層を基板の上方に備えた半導体発光素子であって、
前記各井戸層は、引張り歪を有し、
前記各障壁層は、圧縮歪を有し、
前記井戸層と前記障壁層との各界面における界面歪の大きさが、該界面を境に隣接する前記井戸層及び前記障壁層の層厚のうち大きい層厚値より定まる臨界界面歪の大きさより小さい、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体発光素子であって、
前記臨界界面歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量に基づいて定まる、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体発光素子であって、
前記臨界界面歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量の０．７倍である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体発光素子であって、
さらに、各界面歪の大きさが、０．７％以上２．２％以下である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体発光素子であって、
前記多重量子井戸層の平均歪の大きさが、前記多重量子井戸層全体の層厚の値より定まる臨界平均歪の大きさより小さい、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項５に記載の半導体発光素子であって、
前記臨界平均歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量に基づいて定まる、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の半導体発光素子であって、
前記井戸層において、Ｉｎの組成量１−ｘ−ｙが、０．２１以上０．４４以下である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体発光素子であって、
前記障壁層において、Ｇａの組成量ｘが０以上であり、Ａｌの組成量ｙが０．４３−０．３６ｘ以上、０．４７６−１．０１７ｘ以下である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
請求項８に記載の半導体発光素子であって、
前記井戸層の層数が５以上である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
交互に配置された、Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ系からなる井戸層及びＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系からなる障壁層を含む多重量子井戸層を基板の上方に備えた半導体発光素子であって、
前記各井戸層は、引張り歪を有し、
前記各障壁層は、圧縮歪を有し、
１．３μｍ帯の波長の光を出力する、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１１】
交互に配置された、Ｉｎ１−ｘＧａｘＡｓｙＰ１−ｙ系からなる井戸層及びＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＡｓ系からなる障壁層を含む多重量子井戸層を基板の上方に備えた半導体発光素子であって、
前記各井戸層は、引張り歪を有し、
前記各障壁層は、圧縮歪を有し、
前記井戸層と前記障壁層との各界面における界面歪の大きさが、該界面を境に隣接する前記井戸層及び前記障壁層の層厚のうち大きい層厚値より定まる臨界界面歪の大きさより小さい、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１２】
請求項１１に記載の半導体発光素子であって、
前記臨界界面歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量に基づいて定まる、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１３】
請求項１２に記載の半導体発光素子であって、
前記臨界界面歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量の０．７倍である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１４】
請求項１３に記載の半導体発光素子であって、
さらに、各界面歪の大きさが、０．７％以上２％以下である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１５】
請求項１１乃至請求項１４のいずれかに記載の半導体発光素子であって、
前記多重量子井戸層の平均歪の大きさが、前記多重量子井戸層全体の層厚値より定まる臨界平均歪の大きさより小さい、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１６】
請求項１５に記載の半導体発光素子であって、
前記臨界平均歪の大きさとは、Matthewsの関係式により求まる最大歪量に基づいて定まる、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１７】
請求項１１乃至請求項１６のいずれかに記載の半導体発光素子であって、
前記井戸層において、Ｉｎの組成量１−ｘが、０．４以上０．６以下であり、Ｐの組成量１−ｙが、０．０９以上０．３５以下である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１８】
請求項１７に記載の半導体発光素子であって、
前記障壁層において、Ｇａの組成量ｘが０以上であり、Ａｓの組成量ｙが０．３８４−０．３３ｘ以上、０．４７６−１．０１７ｘ以下である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１９】
請求項１８に記載の半導体発光素子であって、
前記井戸層の層数が５以上である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２０】
請求項１乃至請求項１９のいずれかに記載の半導体発光素子であって、リッジストライプ型構造を有している、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２１】
請求項２０に記載の半導体発光素子であって、リッジストライプ幅が３μｍ以下である、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２２】
請求項２０に記載の半導体発光素子であって、ファブリー・ペロー構造を有している、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２３】
請求項２０に記載の半導体発光素子であって、分布帰還型回折格子を有している、
ことを特徴とする半導体発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−２８７８７３（Ｐ２０１０−２８７８７３Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５０８０８（Ｐ２００９−２５０８０８）
【出願日】平成２１年１０月３０日（２００９．１０．３０）
【出願人】（３０１００５３７１）日本オプネクスト株式会社 (311)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２４日（２０１０．１２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月３０日（２００９．１０．３０）
【出願人】（３０１００５３７１）日本オプネクスト株式会社 (311)
【Ｆターム（参考）】
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