(57)【要約】【課題】面発光半導体レーザ素子の製造技術を改良し、高品質で実用レベルのGaInNAs面発光型半導体レーザ素子の製造方法、半導体発光素子、面発光半導体レーザ素子、光送信モジュール、光送受信モジュール、光通信システムを提供。【解決手段】基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層はそれぞれ有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料を用いて成長されており、Ａｌを含む半導体層２０２と窒素を含む活性層２０４との間にＧａＮＡｓ層２１３（またはＧａＩｎＮＡｓ層）が形成されることを特徴とする。【選択図】図１０
2008103775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間に、活性層に直接接しない窒素を含む半導体層が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１記載の半導体発光素子において、窒素を含む半導体層と窒素を含む活性層との間に窒素を含む半導体層よりバンドギャップエネルギーが大きい半導体層が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子において、
Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間にＧａＮＡｓ層またはＧａＩｎＮＡｓ層が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
請求項３記載の半導体発光素子において、ＧａＮＡｓ層またはＧａＩｎＮＡｓ層と窒素を含む活性層との間にＧａＮＡｓ層またはＧａＩｎＮＡｓ層よりバンドギャップエネルギーが大きいＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＡｓＰ，ＧａＩｎＰＡｓ，ＧａＩｎＰ層のいずれか一つが形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間にＧａＩｎＮＰ層またはＧａＩｎＮＰＡｓ層が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項５記載の半導体発光素子において、ＧａＩｎＮＰ層またはＧａＩｎＮＰＡｓ層と窒素を含む活性層との間にＧａＩｎＮＰ層またはＧａＩｎＮＰＡｓ層よりバンドギャップエネルギーの大きいＧａＡｓＰ，ＧａＩｎＰＡｓ，ＧａＩｎＰ層のいずれか一つが形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に光通信用半導体レーザ技術に係り、特に面発光半導体レーザの製造方法、該方法を用いて形成した面発光半導体レーザ、該面発光半導体レーザ素子を用いた光送信モジュール，光送受信モジュール，光通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットの爆発的普及に見られるように扱われる情報量が飛躍的に増大しており、今後さらに加速すると考えられる。このため幹線系のみならず、各家庭やオフィスといった加入者系やＬＡＮ(Local Area Network)などのユーザに近い伝送路、さらには各機器間や機器内の配線へも光ファイバーが導入され、光による大容量情報伝送技術が極めて重要となる。
【０００３】
そして、安価で、距離を気にしないで光ネットワーク、光配線の大容量化を図るためには、光源としてシリカファイバーの伝送ロスが小さく整合性の良い１.３μｍ帯、１.５５μｍ帯の面発光型半導体レーザ素子（VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser：垂直空洞面発光型半導体レーザ素子)は極めて有望である。面発光型半導体レーザ素子は端面発光型レーザに比べて、低価格、低消費電力、小型、２次元集積化に向き、実際にGaAs基板上に形成できる０.８５μｍ帯ではすでに高速ＬＡＮである１Gbit/sのイーサネット（登録商標）などで実用化されている。
【０００４】
１.３μｍ帯ではInP基板上の材料系が一般的であり、端面発光型レーザでは実績がある。しかし、この従来の長波長帯半導体レーザでは、環境温度が室温から８０℃になると動作電流が３倍にも増加する大きな欠点を持っている。また、面発光型半導体レーザ素子においては反射鏡に適した材料がないため高性能化は困難であり、実用レベルの特性が得られていないのが現状である。
【０００５】
このためInP基板上の活性層とGaAs基板上のAlGaAs/GaAs反射鏡を直接接合で張り合わせた構造により現状での最高性能が得られている（V.Jayaraman，J.C.Geske，M.H.MacDougalF.H.Peters，T.D.Lowes，and T.T.Char，Electron.Lett.，34，(14)，pp.1405-1406，1998.（非特許文献１））。
【０００６】
しかしこの方法はコスト上昇を避けられないので量産性の点で問題があると考えられる。そこで最近、GaAs基板上に１.３μｍ帯を形成できる材料系が注目され、(Ga)InAs量子ドット、GaAsSbやGaInNAs（例えば、特開平６−３７３５５号公報（特許文献１）参照）が研究されている。新材料GaInNAsはレーザ特性の温度依存性を極めて小さくすることができる材料として注目されている。
【０００７】
GaAs基板上GaInNAs系半導体レーザは、窒素添加によりバンドギャップが小さくなるのでGaAs基板上に１.３μｍ帯など長波長帯を形成できるようになる。In組成１０％のとき窒素組成は約３％で１.３μｍ帯を形成できるが、窒素組成が大きいほどしきい値電流密度が急激に上昇するという問題がある。図１５は、発明者が実験的に求めたしきい値電流密度の窒素組成依存性を示す図であり、横軸は窒素組成割合（％）を、縦軸はしきい値電流密度を示している。このようにしきい値電流密度が窒素組成が大きくなるに伴って急激に上昇する理由は、GaInNAs層の結晶性が窒素組成増加に伴い劣化するためである。
【０００８】
このため、如何にGaInNAsを高品質に成長するかが課題となる。このようなGaInNAsの結晶成長方法にはＭＯＣＶＤ法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition；有機金属化学気相成長法）やＭＢＥ法（Molecular Beam Epitaxy;分子線エピタキシャル成長法）が試みられている。
【０００９】
ＭＯＣＶＤ法はＭＢＥ法のような高真空を必要とせず、またＭＢＥ法では原料供給をセルの温度を変えて制御するのに対して原料ガス流量を制御するだけでよく、また成長速度を高くすることができ、容易にスループットを上げられることから、極めて量産に適した成長方法である。実際に実用化されている０.８５μｍ帯面発光型半導体レーザ素子の生産には全て（ほとんどの場合）ＭＯＣＶＤ法が用いられている。
【００１０】
最近、この新規なGaInNAs系材料を用いた半導体レーザの報告が多数報告されるようになった。しかしこれらのほとんどの場合はＭＢＥ法によるものであった。また、特開平９−２３７９４２号公報（特許文献２）には面発光レーザの提案がされている。ごく最近は面発光型半導体レーザ素子についても報告されるようになった。1998年に日立(1.18μｍ)より最初の報告（M.C.Larson，M.Kondow，T.Kitatani，K.Nakahara，K.Tamura，H.Inoue，and K.Uomi，IEEE Photonics Technol.Lett.，10，pp.188-190，1998.（非特許文献２））があり、2000年にはStanford(1.215μｍ)、Sandia＆Cielo(1.294μｍ)、東工大＆リコー(1.262μｍ)、Infineon(1.285μｍ)から報告されている。
【００１１】
【特許文献１】特開平６−３７３５５号公報
【特許文献２】特開平９−２３７９４２号公報
【非特許文献１】V.Jayaraman，J.C.Geske，M.H.MacDougalF.H.Peters，T.D.Lowes，and T.T.Char，Electron.Lett.，34，(14)，pp.1405-1406，1998.
【非特許文献２】M.C.Larson，M.Kondow，T.Kitatani，K.Nakahara，K.Tamura，H.Inoue，and K.Uomi，IEEE Photonics Technol.Lett.，10，pp.188-190，1998.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、この新規なGaInNAs系面発光型半導体レーザ素子の報告は、量産に適したＭＯＣＶＤ法では１件報告があるのみで、その他は全てＭＢＥ法によって成長されたものであり、十分な特性を有するものとなっていない。特にＭＢＥ法により成長されたものはｐ側多層膜反射鏡の抵抗が極めて高いので、ｐ側多層膜反射鏡を電流経路としない方法を用いたりしているが、結局、動作電圧が高くなってしまうなどの問題を有していた。しかしながらこのような問題を解消し量産に適したＭＯＣＶＤ法による新規なGaInNAs系面発光型半導体レーザ素子の製造方法、製造装置は未だ確立されていない。
【００１３】
そこで本発明は、面発光半導体レーザ素子の製造技術を改良し、高品質で実用レベルのGaInNAs面発光型半導体レーザ素子の製造方法（請求項１〜３）、ならびにこれらを用いて形成した半導体発光素子（請求項４〜１０）、面発光半導体レーザ素子（請求項１１〜１３）、該面発光半導体レーザ素子を用いた光送信モジュール（請求項１４）、光送受信モジュール（請求項１５）、光通信システム（請求項１６）を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
まず、ＭＯＣＶＤ法によるＧａＩｎＮＡｓ系面発光型半導体レーザ素子の高性能化を阻んでいる原因について発明者等の実験結果について述べる。
図１は、一般的なＭＯＣＶＤ装置の概略を示す図である。ＭＯＣＶＤ法は、少なくとも有機金属原料を一部に用い原料ガスの熱分解と被成長基板との表面反応により結晶成長させる気相成長方法である。
【００１５】
ＭＯＣＶＤ装置は、同図に示すように、原料ガスが供給される原料ガス供給部Ａと、被成長基板を加熱するための加熱手段（図示なし）と、加熱部（加熱体Ｂ）と、反応済みのガスを排気するための排気部（排気ポンプなど）Ｃを有した構成である。通常、空気が成長室（反応室）１２に入らないように基板は基板出し入れ口１１から入れ、排気部Ｃによる真空引き後に成長室（反応室）１２に搬送される。原料ガス供給部Ａは通常ＩＩＩ族ラインＡ１とＶ族ラインＡ２に分けられている。図２では成長室（反応室）１２入り口手前でＩＩＩ族とＶ族原料が合流している。
【００１６】
成長室の圧力は５０Ｔｏｒｒ〜１００Ｔｏｒｒ程度の減圧がよく用いられる。その原料にはＩＩＩ族原料として、Ｇａ：ＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ａｌ：ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｉｎ：ＴＭＩ（トリメチルインジウム）などの有機金属が用いられる。Ｖ族原料には、ＡｓＨ３（アルシン），ＴＢＡ（ターシャルブチルアルシン）、ＰＨ３（フォスフィン），ＴＢＰ（ターシャルブチルフォスフィン）などの水素化物ガスや有機化合物が一般に用いられる。
【００１７】
キャリアガスには水素ガス（Ｈ２）が通常用いられる。通常水素精製器を通して不純物を除去して供給している。そして窒素を含んだ半導体層の成長のための窒素の原料にはＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン），ＭＭＨｙ（モノメチルヒドラジン）等の有機化合物を用いることができる。原料はこれに限られるものではない。
【００１８】
有機金属や有機窒素化合物のような液体または固体の原料は、バブラーに入れられてキャリアガスを通してバブリングすることで供給される。また、水素化物はガスシリンダーに入れられ供給される。図１ではＴＭＧ，ＴＭＡ，ＴＭＩそしてＤＭＨｙがバブラー（液体、個体原料バブラー）を用い、ＡｓＨ３１５とドーパントガス１５’（図１では１種類のみ示している）がガスシリンダーを用いている。
【００１９】
原料ガスの経路はバルブ１６で切り変え、供給量をＭＦＣ（マスフローコントローラー）等で制御することで必要な材料、組成を成長する。一般にIII族ラインＡ１、Ｖ族ラインＡ２ごとに、反応室にガスを供給するメインラインａ１，ｂ１と、排気ポンプに供給するベントラインａ２，ｂ２を有し、かつ、原料ラインの他にダミーライン（図中、ダミーライン＃１〜＃４参照）を設けてそれぞれメインラインａ１，ｂ１またはベントラインａ２，ｂ２のどちらか一方に合流するようにバルブ１６を切り替え、メインラインａ１，ｂ１とベントラインａ２，ｂ２の圧力差をなくすことでガス流が極力乱れないようにしている。
【００２０】
なおメインラインａ１，ｂ１、ベントラインａ２，ｂ２、ダミーライン＃１〜＃４もキャリアガスが供給されている。複数の半導体層を有する半導体発光素子等を成長する場合、各層ごとに必要な原料をメインライン側に供給しキャリアガスを供給するダミーラインをベント側に供給し結晶成長が行われる。成長の厚さは原料ガスを供給する時間で制御する。これにより必要な構造を成長できるのでスループットは良く、量産向きな方法といえる。
【００２１】
図２は、このようなＭＯＣＶＤ装置で作製した窒素を含んだ半導体層であるGaInNAs量子井戸層とGaAsバリア層とからなるGaInNAs/GaAs ２重量子井戸構造からなる活性層からの室温フォトルミネッセンススペクトルを示す図である。
【００２２】
図３は、試料構造を示す図であり、GaAs基板１０１上に、下部クラッド層１０２、中間層１０３、窒素を含む活性層１０４、中間層１０３、上部クラッド層１０５が順次積層されている。
【００２３】
図２において、AはAlGaAsクラッド層上にGaAs中間層をはさんで２重量子井戸構造を形成した試料の室温フォトルミネッセンススペクトルであり、BはGaInPクラッド層上にGaAs中間層をはさんで２重量子井戸構造を連続的に形成した試料の室温フォトルミネッセンススペクトルである。
【００２４】
図２に示すように、試料Aでは試料Bに比べてフォトルミネッセンス強度が半分以下に低下している。従って、1台のＭＯＣＶＤ装置を用いてAlGaAs等のAlを構成元素として含む半導体層上に、GaInNAs等の窒素を含む活性層を連続的に形成すると、活性層の発光強度が劣化してしまうという問題が生じた。そのため、AlGaAsクラッド層上に形成したGaInNAs系レーザの閾電流密度は、GaInPクラッド層上に形成した場合に比べて数倍高くなってしまう。
【００２５】
次に、この原因について検討する。
図４は、図３に示した半導体発光素子の１例として、クラッド層をAlGaAsとし、中間層をGaAsとし、活性層をGaInNAs/GaAs２重量子井戸構造として構成した素子を1台のエピタキシャル成長装置（ＭＯＣＶＤ）を用いて形成したときの、窒素と酸素濃度の深さ方向分布を示した図である。測定はＳＩＭＳ（Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometer（Spectrometry)；二次イオン質量分析計(分析法)）によって行った。
【００２６】
図５は、その測定条件を示す図である。図４において、GaInNAs/GaAs２重量子井戸構造に対応して、活性層中に２つの窒素ピークが見られる。そして、活性層において、酸素のピークが検出されている。しかし、NとAlを含まない中間層における酸素濃度は活性層の酸素濃度よりも約１桁低い濃度となっている。
【００２７】
一方、クラッド層をGaInPとし、中間層をGaAsとし、活性層をGaInNAs/GaAs２重量子井戸構造として構成した素子について、酸素濃度の深さ方向分布を測定した場合には、活性層中の酸素濃度はバックグラウンドレベルであった。
【００２８】
即ち、窒素化合物原料と有機金属Al原料を用いて、１台のエピタキシャル成長装置により、基板と窒素を含む活性層との間にAlを含む半導体層を設けた半導体発光素子を連続的に結晶成長すると、窒素を含む活性層中に酸素が取りこまれることが我々の実験により明らかとなった。活性層に取りこまれた酸素は非発光再結合準位を形成するため、活性層の発光効率を低下させてしまう。
【００２９】
この活性層に取りこまれた酸素が、基板と窒素を含む活性層との間にAlを含む半導体層を設けた半導体発光素子における発光効率を低下させる原因であることが新たに判明した。この酸素の起源は装置内に残留している酸素を含んだ物質、または窒素化合物原料中に不純物として含まれる酸素を含んだ物質と考えられる。
【００３０】
次に、酸素の取りこまれる原因について検討する。
図６は、図４と同じ試料のAl濃度の深さ方向分布を示した図である。測定はＳＩＭＳによって行った。図７は、その測定条件を示す図である。
【００３１】
図６より、本来Al原料を導入していない活性層において、Alが検出されている。しかし、Alを含む半導体層（クラッド層）に隣接した中間層（GaAs層）においては、Al濃度は活性層よりも約１桁低い濃度となっている。これは、活性層中のAlがAlを含む半導体層（クラッド層）から拡散，置換して混入したものではないことを示している。
一方、GaInPのようにAlを含まない半導体層上に窒素を含む活性層を成長した場合には、活性層中にAlは検出されなかった。
【００３２】
従って、活性層中に検出されたAlは、装置内に残留したAl原料、またはAl反応物、またはAl化合物、またはAlが、窒素化合物原料または窒素化合物原料中の不純物（水分等）と結合して活性層中に取りこまれたものである。すなわち、窒素化合物原料と有機金属Al原料を用いて、１台のエピタキシャル成長装置により、基板と窒素を含む活性層との間にAlを含む半導体層を設けた半導体発光素子を連続的に結晶成長すると、窒素を含む活性層中に自然にAlが取りこまてしまうことが新たにわかった。
【００３３】
図６に示した同じ素子における、窒素と酸素濃度の深さ方向分布と比較すると、２重量子井戸活性層中の２つの酸素ピークプロファイルは、窒素濃度のピークプロファイルと対応しておらず、図６のAl濃度プロファイルと対応している。このことから、GaInNAs井戸層中の酸素不純物は、窒素原料と共に取りこまれるというよりも、むしろ井戸層中に取りこまれたAlと結合して一緒に取りこまれていることが明らかとなった。
【００３４】
即ち、成長室内に残留したAl原料、またはAl反応物、またはAl化合物、またはAlが窒素化合物原料と接触すると、Alと窒素化合物原料中に含まれる水分またはガスラインや反応室中に残留する水分などの酸素を含んだ物質とが結合して、活性層中にAlと酸素が取りこまれる。この活性層に取り込まれた酸素が活性層の発光効率を低下させていたことが我々の実験により初めて明らかとなった。
【００３５】
通常のＭＢＥ法で作製した場合には、基板と窒素を含む活性層との間にAlを含む半導体層を設けた半導体発光素子における発光効率低下については報告されていない。
【００３６】
ＭＢＥ法は超減圧（高真空中）で結晶成長が行われるのに対して、ＭＯＣＶＤ法は通常数１０Ｔｏｒｒから大気圧程度と、ＭＢＥ法に比べて反応室の圧力が高いため、平均自由行程が圧倒的に短く、供給された原料やキャリアガス等が反応室等でＡｌ系残留物と接触、反応するためと考えられる。
【００３７】
よって、ＭＯＣＶＤ法のように、反応室やガスラインの圧力が高い成長方法の場合、これを改善するためには、少なくとも装置内に残留したＡｌが窒素を含む活性層成長時に酸素とともに膜中に取りこまれないように、Ａｌ系残留物を除去する工程が必要なことがわかった。
【００３８】
以上のことを考慮し、本発明では、上記目的を達成するために、次のような構成を採用したことを特徴としている。以下、各請求項毎に詳細に説明する。
【００３９】
（１）請求項１記載の半導体発光素子の製造方法は、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子の製造方法において、上記Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層はそれぞれ有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料を用いて成長されるとともに、Ａｌを含む半導体層成長後と窒素を含む活性層の成長開始との間に、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌをエッチングガスで除去する工程を設けたことを特徴としている。
【００４０】
上述の説明のようにＡｌ系残留物が非発光再結合の原因となる酸素を、窒素を含んだ活性層に取りこむ原因となっているので、Ａｌを含んだ半導体層成長後、窒素を含んだ活性層成長の前までに、反応室側壁、加熱体、基板を保持する治具等に残留しているＡｌ系残留物と反応し除去することのできるガスを反応室に供給することで、活性層への酸素の取り込みを抑えることができる。
【００４１】
この手法により窒素を含む活性層中のAl濃度を1×10１９cm−３以下に低減することにより、室温連続発振が可能となった。さらに、窒素を含む活性層中のAl濃度を2×10１８cm−３以下に低減することにより、Alを含まない半導体層上に形成した場合と同等の発光特性が得られた。
【００４２】
図８は、AlGaAsをクラッド層（Alを含む層）とし、GaInNAs２重量子井戸構造（窒素を含む層）を活性層としたブロードストライプレーザを試作して閾電流密度を評価した結果を示している。Alを構成元素として含む半導体層に、窒素を含む活性層を連続的に形成した構造においては、活性層中に2×10１９cm−３以上のAl及び1×10１８cm−３以上の酸素が取りこまれており、閾電流密度は10kA/cm２2以上と著しく高い値となった。
【００４３】
しかし、活性層中のAl濃度を1×10１９cm−３以下に低減することにより、活性層中の酸素濃度が1×10１８cm−３以下に低減され、閾電流密度2〜3kA/cm２でブロードストライプレーザが発振した。ブロードストライプレーザの閾電流密度が数kA/cm２以下の活性層品質であれば、室温連続発振が可能である。従って、窒素を含む活性層中のAl濃度を1×10１９cm−３以下に抑制することにより、室温連続発振可能な半導体レーザを作製することが可能である。
【００４４】
（２）請求項２記載の半導体発光素子の製造方法は、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌをエッチングガスで除去する工程は、有機系窒素化合物ガスを成長室内に供給する工程であることを特徴とする。
【００４５】
Ａｌ系残留物と反応し除去することのできるガスの１例として有機系化合物ガスが上げられる。上述のように窒素を含んだ活性層成長時に有機系化合物ガスの一つであるＤＭＨｙガスをＤＭＨｙシリンダーを用いて供給するとＡｌ系残留物と反応することは明らかである。
【００４６】
よってＡｌを含んだ半導体層成長後、窒素を含んだ活性層成長の前までに、有機系化合物ガスシリンダーを用いて有機系化合物ガスを供給すると反応室側壁、加熱体、基板を保持する治具等に残留しているＡｌ系残留物と反応し除去することのできるので、活性層への酸素の取り込みを抑えることができる。更に窒素を含む活性層の窒素原料と同じガスを用いると、特別にガスラインを追加する必要がないので好ましい。
【００４７】
（３）請求項３記載の半導体発光素子の製造方法は、上記成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌをエッチングガスで除去する工程は、酸素（Ｏ）を含んだガスを成長室内に供給する工程であることを特徴としている。
【００４８】
Ａｌ系残留物と反応し除去することのできるガスの１例としてＯ２，Ｈ２Ｏ等酸素を含んだガスが上げられる。上述のように窒素を含んだ活性層成長時にＡｌとともに酸素が活性層に取りこまれることがわかっている。よってＯ２，Ｈ２Ｏ等酸素を含んだガスはＡｌ系残留物と反応することがわかる。
【００４９】
したがってＡｌを含んだ半導体層成長後、窒素を含んだ活性層成長の前までに、Ｏ２，Ｈ２Ｏ等酸素を含んだガスを供給すると反応室側壁、加熱体、基板を保持する治具等に残留しているＡｌ系残留物と反応し除去することのできるので、活性層への酸素の取り込みを抑えることができる。よって活性層への酸素の取り込みを抑えることができる。
【００５０】
図６のＳＩＭＳプロファイルを見るとわかるように窒素を含んだ活性層の１層目に多くのＡｌが取りこまれていて２層目にはほとんど取り込まれないことから、ごくわずかの酸素を含んだガスを供給するだけでＡｌ系残留物を除去することができる。もちろん過剰に供給した酸素を含んだガスは活性層成長前に除去する必要があるので、あまり過剰にならない適量を供給することが望ましい。逆に酸素を含んだガスの除外が困難になるからである。
【００５１】
（４）請求項４記載の半導体発光素子は、請求項１または２または３の製造方法により形成された半導体発光素子において、上記成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌをエッチングガスで除去する工程を行った半導体領域と窒素を含む活性層との間にＧａｘＩｎ1-ｘＰｙＡｓ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層を成長することを特徴としている。
【００５２】
上記成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌをエッチングガスで除去する工程は、例えば成長中断して行うことができる。この場合、エピ基板表面にはエッチングガス等によるダメージを受け欠陥が発生する可能性がある。もしこの界面が、キャリアが注入される活性領域であれば、非発光再結合中心となり発光素子動作時発光効率を落としてしまう。
【００５３】
成長中断時の表面材料のバンドギャップエネルギーより高いバンドギャップエネルギーを有するＧａｘＩｎ1-ｘＰｙＡｓ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層を窒素を含む活性層との間に成長すると、エッチングガスで除去するための成長中断界面への注入キャリアはほとんどなくなるので発光効率を落とすことはなくなる。この成長中断界面をＳＩＭＳ分析すれば、酸素（Ｏ）または窒素（Ｎ）またはアルミニューム（Ａｌ）が観察されるであろう。なお、Ａｌと窒素を含まず、成長中断時の表面材料のバンドギャップエネルギーより高いバンドギャップエネルギーを有していれば他の材料でもかまわない。
【００５４】
（５）請求項５記載の半導体発光素子は、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間に、活性層に直接接しない窒素を含む半導体層が形成されていることを特徴としている。
【００５５】
上記成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌをエッチングガスで除去する工程は、結晶成長により行うことができる。たとえば上記Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層の間に中間層として窒素とＡｌを含まない半導体層を設け、その途中で少なくともＩＩＩ族原料と同時に上記エッチングガスであるＤＭＨｙガス等有機系窒素化合物ガスを供給すると、Ａｌと酸素を取りこむ形で窒素を含む半導体層が成長される。これにより成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去できるので、活性層への酸素の取り込みを抑えることができる。
【００５６】
この場合、窒素を含む半導体層は活性層のバンドギャップより大きいバンドギャップとなるように条件を設定する必要がある。また窒素を含む半導体層には非発光再結合センターの原因となる酸素が取りこまれることから、活性層と直接接しない方が好ましい。
【００５７】
本構成の半導体発光素子によれば、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間に窒素を含む半導体層が形成されている。つまり、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌをエッチングガスで除去する工程を、窒素の原料としてＤＭＨｙ等有機系窒素化合物ガスを供給して窒素を含む半導体層を結晶成長しながら行っているので、Ａｌと酸素を取りこむ形で窒素を含む半導体層が成長される。
【００５８】
これにより成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去できるので、活性層への酸素の取り込みを抑えることができ、発光効率を高くできた。半導体レーザの場合しきい値電流を充分低いものとすることができた。
【００５９】
（６）請求項６記載の半導体発光素子は、請求項５記載の半導体発光素子において、窒素を含む半導体層と窒素を含む活性層との間に窒素を含む半導体層よりバンドギャップエネルギーが大きい半導体層が形成されていることを特徴としている。
【００６０】
前記請求項５のように成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程は、窒素を含む半導体層の成長であり、Ａｌと酸素を膜中に取りこむ。窒素を含む半導体層がキャリアが注入される活性領域内にあれば、酸素が非発光再結合中心となり発光素子動作時発光効率を落としてしまう。窒素を含む半導体層と窒素を含む活性層との間に窒素を含む半導体層よりバンドギャップエネルギーが高くＡｌと窒素を含まない半導体層が形成されていると、窒素を含む半導体層への注入キャリアはほとんど無くなるので発光効率を落とすことは無くなる。
【００６１】
本構成の半導体発光素子によれば、発光素子動作時発光効率を落としてしまう非発光再結合中心となる酸素が膜中に取りこまれた窒素を含む半導体層と窒素を含む活性層との間に窒素を含む半導体層よりバンドギャップエネルギーの高い半導体層を形成したので、窒素を含む半導体層へのキャリア注入を抑制でき、発光効率低下を抑制できるので発光効率を高くできた。半導体レーザの場合しきい値電流を充分低いものとすることができた。
【００６２】
（７）請求項７記載の半導体発光素子は、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間にＧａＮＡｓ層またはＧａＩｎＮＡｓ層が形成されていることを特徴としている。
【００６３】
上記成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌをエッチングガスで除去する工程は、結晶成長しながら行うことができる。たとえば上記Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層の間に中間層として窒素とＡｌを含まないＧａＡｓを設ける場合、ＧａＡｓ層またはＧａＩｎＡｓ層成長途中に上記エッチングガスであるＤＭＨｙガスを供給すると、Ａｌと酸素を取りこむ形でＧａＮＡｓ層またはＧａＩｎＮＡｓ層が成長される。
【００６４】
これにより成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去できるので、活性層への酸素の取り込みを抑えることができる。この場合、ＧａＮＡｓ層またはＧａＩｎＮＡｓ層は活性層のバンドギャップより大きいバンドギャップとなるように条件を設定する必要がある。例えばＤＭＨｙ気相比：[ＤＭＨｙ]／（[ＤＭＨｙ]＋[ＡｓＨ３]）を小さくすること、成長温度を高くすること、Ｉｎ組成を大きくすることにより窒素のとりこまれは低減する。
【００６５】
（８）請求項８記載の半導体発光素子は、請求項５記載の半導体発光素子において、ＧａＮＡｓ層またはＧａＩｎＮＡｓ層と窒素を含む活性層との間にＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＡｓＰ，ＧａＩｎＰＡｓ，ＧａＩｎＰ層のいずれかが形成されていることを特徴としている。
【００６６】
請求項７のように成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程は、ＧａＮＡｓ層またはＧａＩｎＮＡｓ層成長であり、Ａｌと酸素を膜中に取りこむ。ＧａＮＡｓ層またはＧａＩｎＮＡｓ層がキャリアが注入される活性領域内にあれば、酸素が非発光再結合中心となり発光素子動作時発光効率を落としてしまう。
【００６７】
ＧａＮＡｓ層またはＧａＩｎＮＡｓ層と窒素を含む活性層との間にＧａＮＡｓ層またはＧａＩｎＮＡｓ層よりバンドギャップエネルギーが高くＡｌと窒素を含まないＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＡｓＰ，ＧａＩｎＰＡｓ，ＧａＩｎＰ層のいずれかが形成されていると、ＧａＮＡｓ層またはＧａＩｎＮＡｓ層への注入キャリアはほとんどなくなるので発光効率を落とすことはなくなる。
【００６８】
（９）請求項９記載の半導体発光素子は、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子において、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間にＧａＩｎＮＰ層またはＧａＩｎＮＰＡｓ層が形成されていることを特徴としている。
【００６９】
上記成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌをエッチングガスで除去する工程は、結晶成長しながら行うことができる。たとえば上記Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層の間に中間層として窒素とＡｌを含まないＧａＩｎＰ層またはＧａＩｎＰＡｓ層を設ける場合、中間層成長途中に上記エッチングガスであるＤＭＨｙガスを供給すると、Ａｌと酸素を取りこむ形でＧａＩｎＮＰ層またはＧａＩｎＮＰＡｓ層が成長される。
【００７０】
これにより成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去できるので、活性層への酸素の取り込みを抑えることができる。この場合、活性層のバンドギャップより大きいバンドギャップとなるように条件を設定する必要がある。例えばＤＭＨｙ気相比：[ＤＭＨｙ]／（[ＤＭＨｙ]＋[ＡｓＨ３]＋[ＰＨ３]）を小さくすること、成長温度を高くすることにより窒素のとりこまれは低減する。
【００７１】
（１０）請求項１０記載の半導体発光素子は、請求項９記載の半導体発光素子において、ＧａＩｎＮＰ層またはＧａＩｎＮＰＡｓ層と窒素を含む活性層との間にＧａＩｎＮＰ層またはＧａＩｎＮＰＡｓ層よりバンドギャップエネルギーの大きいＧａＡｓＰ，ＧａＩｎＰＡｓ，ＧａＩｎＰ層が形成されていることを特徴としている。
【００７２】
請求項９のように成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程は、ＧａＩｎＮＰ層またはＧａＩｎＮＰＡｓ層成長であり、Ａｌと酸素を膜中に取りこむ。ＧａＩｎＮＰ層またはＧａＩｎＮＰＡｓ層がキャリアが注入される活性領域内にあれば、酸素が非発光再結合中心となり発光素子動作時発光効率を落としてしまう。
【００７３】
ＧａＩｎＮＰ層またはＧａＩｎＮＰＡｓ層と窒素を含む活性層との間にＧａＩｎＮＰ層またはＧａＩｎＮＰＡｓ層よりバンドギャップエネルギーが高くＡｌと窒素を含まない，ＧａＡｓＰ，ＧａＩｎＰＡｓ，ＧａＩｎＰ層のいずれかが形成されていると、ＧａＩｎＮＰ層またはＧａＩｎＮＰＡｓ層への注入キャリアはほとんどなくなるので発光効率を落とすことはなくなる。
【００７４】
（１１）請求項１１記載の面発光型半導体レーザ素子は、請求項１から３のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法、または請求項４から１０のいずれかに記載の構成を用いて形成されたことを特徴としている。
【００７５】
窒素を含んだ半導体層はＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＩｎＮＡｓ，ＧａＡｓＮＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＰＡｓ等が上げられる。例えばＧａＩｎＮＡｓについて以下説明する。ＧａＡｓより格子定数が大きいＧａＩｎＡｓにＮを添加することで、ＧａＩｎＮＡｓはＧａＡｓに格子整合させることが可能となるとともに、そのバンドギャップが小さくなり、１．３μｍ、１．５５μｍ帯での発光が可能となる。ＧａＡｓ基板格子整合系なので、ワイドギャップのＡｌＧａＡｓやＧａＩｎＰをクラッド層に用いることができる。
【００７６】
さらに、Ｎの添加により上記のようにバンドギャップが小さくなるとともに、伝導帯、価電子帯のエネルギーレベルがともに下がり、ヘテロ接合における伝導帯のバンド不連続が極めて大きくなる結果レーザの動作電流の温度依存性を極めて小さくできる。
【００７７】
さらに、面発光型半導体レーザ素子は、小型、低消費電力及び２次元集積化による並列伝送に有利である。面発光型半導体レーザ素子は従来のＧａＩｎＰＡｓ／ＩｎＰ系では実用化に絶え得る性能を得るのは困難であるが、ＧａＩｎＮＡｓ系材料によるとＧａＡｓ基板を用いた０．８５μｍ帯面発光型半導体レーザ素子などで実績のあるＡｌ（Ｇａ）Ａｓ／（Ａｌ）ＧａＡｓ系半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡や、ＡｌＡｓの選択酸化による電流狭さく構造が適用できるので、実用化が期待できる。
【００７８】
これを実現するためにはＧａＩｎＮＡｓ活性層の結晶品質の向上や、多層膜反射鏡の低抵抗化、面発光型半導体レーザ素子としての多層膜構造体の結晶品質や制御性の向上が重要であったが、本発明の請求項１から３のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法、または請求項４から８のいずれかに記載の構成を用いているので、低抵抗で駆動電圧が低く、発光効率が高く低しきい値電流動作し、温度特性が良い面発光型半導体レーザ素子を容易に低コストで実現できる。
【００７９】
（１２）請求項１２記載の面発光型半導体レーザ素子は、上記成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌをエッチングガスで除去する工程を行った半導体領域と窒素を含む活性層との間にＧａｘＩｎ1-ｘＰｙＡｓ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層が設けられ、上記エッチングガスで除去する工程を行う領域は半導体分布ブラッグ反射鏡部分としたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法を用いて形成されたことを特徴としている。
【００８０】
キャリアが注入される活性領域中で除去工程を設けると、酸化等により非発光再結合が生じ発光効率を落とす可能性があるが、請求項１２のように成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌをエッチングガスで除去する工程を行った後、活性層を成長する前に反射鏡の低屈折率層の一部としてＧａｘＩｎ1-ｘＰｙＡｓ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層を成長した構造とすると、ＧａｘＩｎ1-ｘＰｙＡｓ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）より活性層に近い領域で、ナローギャップの材料（例えばＧａＡｓ）を用いて活性領域を形成することが可能となるので上記発光効率低下の心配はなく、Ａｌ系残留物除去工程を行った領域での非発光再結合センターによる素子性能への影響をなくすることができ、低しきい値電流動作し、温度特性が良い面発光型半導体レーザ素子を得ることができる。
【００８１】
（１３）請求項１３記載の面発光型半導体レーザ素子は、上記成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌをエッチングガスで除去する工程を行う半導体領域と窒素を含む活性層との間にＧａｘＩｎ１−ｘＰｙＡｓ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層が設けられ、上記エッチングガスで除去する工程を行う領域は共振器部分としたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法を用いて形成されたことを特徴としている。
【００８２】
成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌをエッチングガスで除去する工程は、Ａｌを含んだ下部反射鏡と窒素を含んだ活性層の間であれば良く、共振器内でも良い。ただしキャリアが注入される活性領域中で除去工程を設けると、酸化等により非発光再結合が生じ発光効率を落とす可能性があるが、共振器部分で成長中断して、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌをエッチングガスで除去する工程を行った後、活性層を成長する前にＧａＩｎＰ、またはＧａＰＡｓ、またはＧａＩｎＰＡｓ層を成長した構造とすると、ＧａＩｎＰ、またはＧａＰＡｓ、またはＧａＩｎＰＡｓ層より活性層に近い領域で、ナローギャップの材料（例えばＧａＡｓ）を用いて活性領域を形成することが可能となるので、共振器内で成長中断しても上記発光効率低下の心配はなく、Ａｌ系残留物除去工程を行った領域での非発光再結合センターによる素子性能への影響を無くすることができ、低しきい値電流動作し、温度特性が良い面発光型半導体レーザ素子を得ることができる。
【００８３】
本構成の半導体発光素子によれば、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌをエッチングガスで除去する工程を行った半導体領域と窒素を含む活性層との間にＧａＩｎＰ、またはＧａＰＡｓ、またはＧａＩｎＰＡｓ層を形成したので、エッチングガスで除去する工程中に発生したダメージや、成長中断により酸素の取りこまれが発生し非発光再結合中心が形成された半導体領域のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する半導体層が活性層との間にあるので、非発光再結合中心が形成された半導体領域への注入キャリアを低減でき、発光効率低下を抑制できるので発光効率を高くできた。半導体レーザの場合しきい値電流を充分低いものとすることができた。
【００８４】
（１４）請求項１４記載の光送信モジュールは、請求項１１〜１３のいずれかに記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いたことを特徴としている。
上記の如き低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流動作し、温度特性が良い面発光型半導体レーザ素子を用いることによって、冷却素子が不要な低コストな光送信モジュールを実現することができる。
【００８５】
（１５）請求項１５記載の光送受信モジュールは、請求項１１〜１３のいずれかに記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いたことを特徴としている。
上記の如き低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流動作し、温度特性が良い面発光型半導体レーザ素子を用いることによって、冷却素子が不要な低コストな光送受信モジュールを実現することができる。
【００８６】
（１６）請求項１６記載の光通信システムは、請求項１１〜１３のいずれかに記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いたことを特徴としている。
上記の如き低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流動作し、温度特性が良い面発光型半導体レーザ素子を用いることによって、冷却素子不要な低コストな光ファイバー通信システム、光インターコネクションシステムなどの光通信システムを実現することができる。
【発明の効果】
【００８７】
本発明によれば、高品質で実用レベルのＧａＩｎＮＡｓ等窒素を含んだ活性層を用いた半導体発光素子の製造方法（請求項１から３）、ならびにこれらを用いて形成した半導体発光素子（請求項４から８）、面発光半導体レーザ素子（請求項９、１０）、該面発光半導体レーザ素子を用いた光送信モジュール（請求項１１）、光送受信モジュール（請求項１２）、光通信システム（請求項１３）を実現できる。
【００８８】
さらに詳しくは、
（１）請求項１記載の半導体発光素子の製造方法によれば、Ａｌを含んだ半導体層成長後、窒素を含んだ活性層成長の前までに、反応室側壁、加熱体、基板を保持する治具等に残留しているＡｌ系残留物と反応し除去することのできるガスを反応室に供給したので、活性層への酸素の取り込みを抑えることができ、発光効率が高い半導体発光素子を形成できた。
【００８９】
（２）請求項２記載の半導体発光素子の製造方法によれば、Ａｌを含んだ半導体層成長後、窒素を含んだ活性層成長の前までに、エッチングガスとしてＤＭＨｙ等有機系窒素化合物原料シリンダーを用いてを成長室内に供給したので、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌと反応するので、反応室側壁、加熱体、基板を保持する治具等に残留しているＡｌ系残留物と反応し除去することができ、活性層への酸素の取り込みを抑えることができた。これにより発光効率が高い半導体発光素子を形成できた。
【００９０】
（３）請求項３記載の半導体発光素子の製造方法によれば、Ａｌを含んだ半導体層成長後、窒素を含んだ活性層成長の前までに、エッチングガスとして酸素（Ｏ）を含んだガスを成長室内に供給したので、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌと反応するので、反応室側壁、加熱体、基板を保持する治具等に残留しているＡｌ系残留物と反応し除去することができ、活性層への酸素の取り込みを抑えることができた。これにより発光効率が高い半導体発光素子を形成できた。
【００９１】
（４）請求項４記載の半導体発光素子によれば、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌをエッチングガスで除去する工程を行う半導体領域と窒素を含む活性層との間にＧａｘＩｎ1-ｘＰｙＡｓ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層を形成したので、エッチングガスで除去する工程中に発生したダメージや、酸素の取りこまれが発生し非発光再結合中心が形成された半導体領域のバンドギャップより大きいバンドギャップを有する半導体層が活性層との間にあるので、非発光再結合中心が形成された半導体領域への注入キャリアを低減でき、発光効率低下を抑制できるので発光効率を高くできた。半導体レーザの場合しきい値電流を充分低いものとすることができた。
【００９２】
（５）請求項５記載の半導体発光素子によれば、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去できるので、活性層への酸素の取り込みを抑えることができ、発光効率を高くできる。半導体レーザの場合しきい値電流を充分低いものとすることができる。
【００９３】
（６）請求項６記載の半導体発光素子によれば、窒素を含む半導体層へのキャリア注入を抑制でき、発光効率低下を抑制できるので発光効率を高くできる。また半導体レーザの場合しきい値電流を充分低いものとすることができる。
【００９４】
（７）請求項７記載の半導体発光素子によれば、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間にＧａＮＡｓ層またはＧａＩｎＮＡｓ層が形成されている。つまり、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌをエッチングガスで除去する工程を、窒素の原料としてＤＭＨｙ等有機系窒素化合物ガスを供給してＧａＮＡｓ層またはＧａＩｎＮＡｓ層を結晶成長しながら行っている。
【００９５】
ＧａＡｓ層またはＧａＩｎＡｓ層成長途中に有機系窒素化合物ガスを供給すると、Ａｌと酸素を取りこむ形でＧａＮＡｓ層またはＧａＩｎＮＡｓ層が成長される。これにより成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去できるので、活性層への酸素の取り込みを抑えることができ、発光効率を高くできた。半導体レーザの場合しきい値電流を充分低いものとすることができた。
【００９６】
（８）請求項８記載の半導体発光素子によれば、発光素子動作時発光効率を落としてしまう非発光再結合中心となる酸素が膜中に取りこまれたＧａＮＡｓ層またはＧａＩｎＮＡｓ層と窒素を含む活性層との間にＧａＮＡｓ層またはＧａＩｎＮＡｓ層よりバンドギャップエネルギーの高いＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＡｓＰ，ＧａＩｎＰＡｓ，ＧａＩｎＰ層のいずれかを形成したので、ＧａＮＡｓ層またはＧａＩｎＮＡｓ層へのキャリア注入を抑制でき、発光効率低下を抑制できるので発光効率を高くできた。半導体レーザの場合しきい値電流を充分低いものとすることができた。
【００９７】
（９）請求項９記載の半導体発光素子によれば、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層との間にＧａＩｎＮＰ層またはＧａＩｎＮＰＡｓ層が形成されている。つまり、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌをエッチングガスで除去する工程を、窒素の原料としてＤＭＨｙ等有機系窒素化合物ガスを供給してＧａＩｎＮＰ層またはＧａＩｎＮＰＡｓ層を結晶成長しながら行っている。ＧａＩｎＰ層またはＧａＩｎＰＡｓ層成長途中に有機系窒素化合物ガスを供給すると、Ａｌと酸素を取りこむ形でＧａＩｎＮＰ層またはＧａＩｎＮＰＡｓ層が成長される。
【００９８】
これにより成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去できるので、活性層への酸素の取り込みを抑えることができ、発光効率を高くできた。半導体レーザの場合しきい値電流を充分低いものとすることができた。
【００９９】
（１０）請求項１０記載の半導体発光素子によれば、発光素子動作時発光効率を落としてしまう非発光再結合中心となる酸素が膜中に取りこまれたＧａＩｎＮＰ層またはＧａＩｎＮＰＡｓ層と窒素を含む活性層との間にＧａＩｎＮＰ層またはＧａＩｎＮＰＡｓ層よりバンドギャップエネルギーが高くＡｌと窒素を含まないＧａＡｓＰ，ＧａＩｎＰＡｓ，ＧａＩｎＰ層のいずれかを形成したので、ＧａＩｎＮＰ層またはＧａＩｎＮＰＡｓ層へのキャリア注入を抑制でき、発光効率低下を抑制できるので発光効率を高くできた。半導体レーザの場合しきい値電流を充分低いものとすることができた。
【０１００】
（１１）請求項１１記載の面発光型半導体レーザ素子によれば、請求項１から３のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法、または請求項４から１０のいずれかに記載の構成を用いているので、低抵抗で駆動電圧が低く、発光効率が高く低しきい値電流動作し、温度特性が良い面発光型半導体レーザ素子を容易に低コストで実現できる。
【０１０１】
（１２）請求項１２記載の面発光型半導体レーザ素子によれば、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌをエッチングガスで除去する工程を行った後、活性層を成長する前にＧａｘＩｎ1-ｘＰｙＡｓ（０＜ｘ＜１，０＜ｙ≦１）層を成長したことにより、エッチングガスで除去する工程中に発生したダメージや、酸素の取りこまれが発生し非発光再結合中心が形成された半導体領域への注入キャリアを低減でき、発光効率低下を抑制できるので発光効率が高くしきい値電流の小さい特性が得られた。
【０１０２】
（１３）請求項１３記載の面発光型半導体レーザ素子によれば、非発光再結合中心が形成された半導体領域への注入キャリアを低減でき、発光効率低下を抑制できるので発光効率を高くできる。半導体レーザの場合しきい値電流を充分低いものとすることができる。
【０１０３】
（１４）請求項１４記載の光送信モジュールは、請求項１１〜１３のいずれかに記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いたものであり、冷却素子が不要な低コストな光送信モジュールを実現することができる。
【０１０４】
（１５）請求項１５記載の光送受信モジュールは、請求項１１〜１３のいずれかに記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いたものであり、冷却素子が不要な低コストな光送受信モジュールを実現することができる。
【０１０５】
（１６）請求項１６記載の光通信システムは、請求項１１〜１３のいずれかに記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いたものであり、冷却素子不要な低コストな光ファイバー通信システム、光インターコネクションシステムなどの光通信システムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１０６】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
【０１０７】
（第１の実施例）
本発明の第１の実施例に係るＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子について説明する。図９は、第１の実施例（および第２の実施例）におけるＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の構造を示す図である。
【０１０８】
図９に示すように、本実施例における面発光型半導体レーザ素子は、２インチの大きさの面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に，それぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さでｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９）とｎ−ＧａＡｓを交互に３５周期積層した周期構造からなるｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡（下部半導体分布ブラッグ反射鏡：単に下部反射鏡ともいう）２０２が形成（図９では詳細は省略）されている。その上にアンドープ下部ＧａＡｓスペーサ層２０３，３層のＧａｘＩｎ１−ｘＮｙＡｓ１−ｙ（ｘ、ｙ）井戸層とＧａＡｓバリア層からなる多重量子井戸活性層２０４，アンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層２０５が形成されている。
【０１０９】
その上にｐ−半導体分布ブラッグ反射鏡（上部半導体分布ブラッグ反射鏡：単に上部反射鏡ともいう）２０６が形成されている。上部反射鏡２０６は、被選択酸化層となるＡｌＡｓをＡｌＧａＡｓで挟んだ３λ／４厚さの低屈折率層（λ／４−１５ｎｍのＣドープｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９）、Ｃ ドープｐ−ＡｌＡｓ被選択酸化層３０ｎｍ、２λ／４−１５ｎｍのＣドープのｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９））と厚さλ／４のＧａＡｓ（１ 周期）、及びＣドープのｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９）とｐ−ＧａＡｓをそれぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造 例えば、２５周期から構成されている（図では詳細は省略）。
【０１１０】
上部反射鏡２０６の最上部のＧａＡｓ層は電極とコンタクトを取るコンタクト層２０７を兼ねている。活性層内の井戸層のＩｎ組成ｘは３７％，窒素組成は０．５％とした。井戸層の厚さは７ｎｍとした。ＧａＡｓ基板２０１に対して約２．５％の圧縮歪（高歪）を有していた。
【０１１１】
ＭＯＣＶＤ法によるＧａＩｎＮＡｓ活性層の原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＡｓＨ３（アルシン），そして窒素の原料にはＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を用いた。キャリアガスにはＨ２を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので６００℃以下のような低温成長に適しており，特に低温成長の必要な歪みの大きい量子井戸層を成長する場合好ましい原料である。本実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の活性層のように歪が大きい場合は、非平衡となる低温成長が好ましい。本実施例ではＧａＩｎＮＡｓ層は５４０℃で成長させた。
【０１１２】
なお本実施例では活性層への酸素の取り込みを抑え発光効率を低下させないようにするため、下部ＧａＡｓスペーサ層２０３成長途中で成長中断し、ＤＭＨｙガスを用いてＡｌ系残留物を除外した。ＤＭＨｙシリンダーを用いてＤＭＨｙを供給すると反応室側壁、加熱体、基板を保持する治具等に残留しているＡｌ系残留物と反応し除去することのできるので、活性層への酸素の取り込みを抑えることができた。この工程はＡｌを含んだ半導体層成長後、窒素を含んだ活性層成長の前までに行えば良い。
【０１１３】
所定の大きさのメサを少なくともｐ−ＡｌＡｓ被選択酸化層２０８の側面を露出させて形成し、側面の現れたＡｌＡｓを水蒸気で側面から酸化してＡｌｘＯｙ電流狭さく部２０９を形成した。そして、次にポリイミド２１０でエッチング部を埋め込んで平坦化し、ｐコンタクト部と光出射部のある上部反射鏡２０６上のポリイミドを除去し、ｐコンタクト層２０７上の光出射部以外にｐ側電極２１１、裏面にｎ側電極２１２を形成した。
【０１１４】
作製した面発光型半導体レーザ素子の発振波長は約１．３μｍであった。ＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いたのでＧａＡｓ基板上に長波長帯の面発光型半導体レーザ素子を形成できた。装置内に残留したＡｌを含んだ化合物が、窒素を含む活性層成長時に酸素とともに膜中に取りこまれないように、エッチングガスを用いて除外したので、活性層に酸素がＡｌとともに混入することを抑えることができた。これにより発光効率が高く低しきい値で発振するＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子を量産に有利なＭＯＣＶＤ法で製造できた。
【０１１５】
また、ＡｌとＡｓを主成分とした被選択酸化層の選択酸化により電流狭さくを行ったのでしきい値電流は低かった。被選択酸化層を選択酸化したＡｌ酸化膜からなる電流狭さく層を用いた電流狭さく構造によると、電流狭さく層を活性層に近づけて形成することで電流の広がりを抑えられ大気に触れない微小領域に効率良くキャリアを閉じ込めることができる。さらに酸化してＡｌ酸化膜となることで屈折率が小さくなり凸レンズの効果でキャリアの閉じ込められた微小領域に効率良く光を閉じ込めることができ、極めて効率が良くなり、しきい値電流は低減される。また、容易に電流狭さく構造を形成できることから製造コストを低減できる。
【０１１６】
ＧａＩｎＮＡｓ等の窒素と他のＶ族を含んだ半導体層はＭＢＥ法が主に用いられていたが、原理的に高真空中での成長なので原料供給量を大きくできない。大きくすると排気系に負担がかかるデメリットがある。高真空排気系の排気ポンプを必要とするが、ＭＢＥチャンバー内の残留原料等を除去するなどのために排気系に負担がかかり故障しやすいことからスループットは悪い。
【０１１７】
面発光型半導体レーザ素子はレーザ光を発生する少なくとも１層の活性層を含んだ活性領域を半導体多層膜反射鏡で挟んで構成されている。端面発光型レーザの結晶成長層の厚さが３μｍ程度であるのに対して、例えば１．３μｍ波長帯面発光型半導体レーザ素子では１０μｍを超える厚さが必要になるが、ＭＢＥ法では高真空を必要とすることから原料供給量を高くすることができず、成長速度は１μｍ／ｈ程度であり１０μｍの厚さを成長するには原料供給量を変えるための成長中断時間を設けないとしても最低１０時間かかる。
【０１１８】
活性領域の厚さは全体に比べて通常ごくわずかであり（１０％以下）、ほとんどが多層膜反射鏡を構成する層である。半導体多層膜反射鏡はそれぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さ（λ／４の厚さ）で低屈折率層と高屈折率層を交互に積層して（例えば２０〜４０ペア）形成されている。
【０１１９】
ＧａＡｓ基板上の面発光型半導体レーザ素子ではＡｌＧａＡｓ系材料を用いＡｌ組成を変えて低屈折率層（Ａｌ組成大）と高屈折率層（Ａｌ組成小）としている。しかし実際には、特にｐ側は各層のヘテロ障壁により抵抗が大きくなるので低屈折率層と高屈折率層の間に、Ａｌ組成が両者の間となる中間層を挿入して多層膜反射鏡の抵抗を低減している。
【０１２０】
このように、面発光型半導体レーザ素子は１００層を超える組成の異なる半導体層を成長しなければならない他に多層膜反射鏡の低屈折率層と高屈折率層の間にも中間層を設けるなど、瞬時に原料供給量を制御する必要がある素子である。しかしＭＢＥ法では原料供給を原料セルの温度を変えて供給量を制御しており臨機応変に組成をコントロールすることができない。よってＭＢＥ法により成長した半導体多層膜反射鏡は抵抗を低くするのは困難であり動作電圧が高い。
【０１２１】
一方、ＭＯＣＶＤ法は原料ガス流量を制御するだけでよく瞬時に組成をコントロールできるとともに、ＭＢＥ法のような高真空を必要とせず、また成長速度を例えば３μｍ／ｈ以上と高くでき、容易にスループットを上げられることから、極めて量産に適した成長方法である。
【０１２２】
このように本実施例によれば、低消費電力で低コストの１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザ素子を実現できる。
【０１２３】
（第２の実施例）
本発明の第２の実施例に係るＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子について説明する。第１の実施例と違うところは、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去するためにＧａＡｓ下部スペーサ層２０３の成長途中で成長中断し酸素（Ｏ２）を供給したことである。
【０１２４】
作製した面発光型半導体レーザ素子の発振波長は約１．３μｍであった。ＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いたのでＧａＡｓ基板上に長波長帯の面発光型半導体レーザ素子を形成できた。
【０１２５】
装置内に残留したＡｌを含んだ化合物が、窒素を含む活性層成長時に酸素とともに膜中に取りこまれないように、Ａｌを含んだ層と窒素を含んだ活性層との間で成長中断してエッチングガスである酸素（Ｏ２）を供給したので、成長中断界面に酸素とともにＡｌが取りこまれたが、反応室内に残留したＡｌを含んだ化合物は活性層成長前に除外され、活性層に酸素がＡｌとともに混入することを抑えることができた。これにより発光効率が高く低しきい値で発振するＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子を量産に有利なＭＯＣＶＤ法で製造できた。
【０１２６】
（第３の実施例）
本発明の第３の実施例に係るＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子について説明する。図１０は、第３の実施例におけるＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の構造を示す図である。
【０１２７】
第１の実施例と違うところは、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程はＧａＡｓ下部スペーサ層２０３の成長途中でＤＭＨｙを供給しＧａＩｎＮＡｓ層を成長したことである。このＧａＩｎＮＡｓ層はＧａＩｎＮＡｓ活性層よりバンドギャップエネルギーが大きい条件となっている。
【０１２８】
作製した面発光型半導体レーザ素子の発振波長は約１．３μｍであった。ＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いたのでＧａＡｓ基板上に長波長帯の面発光型半導体レーザ素子を形成できた。装置内に残留したＡｌを含んだ化合物が、窒素を含む活性層成長時に酸素とともに膜中に取りこまれないように、エッチングガスであるＤＭＨｙを供給しＧａＩｎＮＡｓ層を成長したので、除去工程を行ったＧａＩｎＮＡｓ層に酸素とともにＡｌが取りこまれたが、反応室内に残留したＡｌを含んだ化合物は活性層成長前に除外され、活性層に酸素がＡｌとともに混入することを抑えることができた。この除去工程を行ったＧａＩｎＮＡｓ層は活性層のダミー層といえる。これにより発光効率が高く低しきい値で発振するＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子を量産に有利なＭＯＣＶＤ法で製造できた。
【０１２９】
（第４の実施例）
本発明の第４の実施例に係るＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子について説明する。図１１は、第４の実施例におけるＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の構造を示す図である。
【０１３０】
第１の実施例と違うところは、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程は下部反射鏡領域で行っていることである。下部反射鏡を構成する低屈折率層はほとんどＡｌＧａＡｓで構成されているが、最も活性層側の一層がＧａｘＩｎ１-ｘＰｙＡｓ（ｘ＝０．５，ｙ＝１）とし、その下部の高屈折率層であるＧａＡｓ層の途中で成長中断しＤＭＨｙを供給した。
【０１３１】
作製した面発光型半導体レーザ素子の発振波長は約１．３μｍであった。ＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いたのでＧａＡｓ基板上に長波長帯の面発光型半導体レーザ素子を形成できた。
【０１３２】
装置内に残留したＡｌを含んだ化合物が、窒素を含む活性層成長時に酸素とともに膜中に取りこまれないように、Ａｌを含んだ半導体層と窒素を含んだ活性層との間でエッチングガスであるＤＭＨｙを供給したので、反応室内に残留したＡｌを含んだ化合物は活性層成長前に除外され、活性層に酸素がＡｌとともに混入することを抑えることができた。ただしこの界面にはエッチングガス等によるダメージを受け欠陥が発生する可能性がある。また窒素、酸素、Ａｌが取りこまれることもある。これらにより非発光再結合センターが形成される可能性がある。
【０１３３】
しかしながら本実施例では、成長中断した界面とＧａＩｎＮＡｓ活性層の間にワイドバンドギャップであるＧａＩｎＰＡｓ層が挿入されているので、成長中断界面にキャリアが注入されるのを抑制できるので成長中断界面の非発光再結合センターによる発光効率低下が防止できる。
これにより発光効率が高く低しきい値で発振するＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子を量産に有利なＭＯＣＶＤ法で製造できた。
【０１３４】
（第５の実施例）
本発明の第５の実施例に係るＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子について説明する。図１２は、第５の実施例におけるＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の構造を示す図である。
【０１３５】
第４の実施例と違うところは、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程は下部反射鏡を構成する低屈折率層を構成しているＧａｘＩｎ１-ｘＰｙＡｓ（ｘ＝０．５，ｙ＝１）層中となっていてＧａＩｎＰ層の成長途中でＤＭＨｙを供給しＧａＩｎＮＰ層を成長したことである。
【０１３６】
作製した面発光型半導体レーザ素子の発振波長は約１．３μｍであった。ＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いたのでＧａＡｓ基板上に長波長帯の面発光型半導体レーザ素子を形成できた。装置内に残留したＡｌを含んだ化合物が、窒素を含む活性層成長時に酸素とともに膜中に取りこまれないように、エッチングガスであるＤＭＨｙを供給しＧａＩｎＮＰ層を成長したので、ＧａＩｎＮＰ層に酸素とともにＡｌが取りこまれたが、反応室内に残留したＡｌを含んだ化合物は活性層成長前に除外され、活性層に酸素がＡｌとともに混入することを抑えることができた。
【０１３７】
更に、ＧａＩｎＮＰ層とＧａＩｎＮＡｓ活性層の間にワイドバンドギャップであるＧａＩｎＰ層があるので、非発光再結合センターとなる酸素が取りこまれるＧａＮＡｓ層がキャリアの注入される活性領域ではないのでＧａＩｎＮＰ層中の非発光再結合センターによる発光効率低下が防止できる。
これにより発光効率が高く低しきい値で発振するＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子を量産に有利なＭＯＣＶＤ法で製造できた。
ＧａＩｎＰ層の途中にＧａＩｎＮＰ層を形成したが、下部反射鏡の低屈折率層一層全てをＧａＩｎＮＰ層としてもよい。
【０１３８】
（第６の実施例）
図１３は、本発明の第６の実施例を示す図で、第４の実施例に係る面発光型半導体レーザ素子とファイバーとを組み合わせた光送信モジュールの概要図である。本実施例では１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓの面発光型半導体レーザ素子３０１からのレーザ光が石英系光光ファイバー３０２に入力され、伝送される。
【０１３９】
発振波長の異なる複数の面発光型半導体レーザ素子を１次元または２次元にアレイ状に配置して、波長多重送信することにより伝送速度を増大することが可能となる。また、面発光型半導体レーザ素子を１次元または２次元にアレイ状に配置し、それぞれに対応する複数の光ファイバーからなる光ファイバー束とを結合させて伝送速度を増大することもできる。
【０１４０】
さらに、本発明による面発光型半導体レーザ素子を光通信システムに用いると、低コストで信頼性が高い光送信モジュールを実現できる他、これを用いた低コスト高信頼光通信システムを実現できる。また、ＧａＩｎＮＡｓを用いた面発光型半導体レーザ素子は温度特性が良いこと、及び低しきい値であることにより、発熱が少なく高温まで冷却なしで使えるシステムを実現できる。
【０１４１】
（第７の実施例）
図１４は、本発明の第７の実施例を示す図で、第５の実施例の面発光型半導体レーザ素子と、受信用フォトダイオードと、光ファイバーとを組み合わせた光送受信モジュールの概要図である。
【０１４２】
本発明による面発光型半導体レーザ素子を光通信システムに用いる場合、面発光型半導体レーザ素子は低コストであるので、図１４に示すように送信用の面発光型半導体レーザ素子（１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子）３０５と、受信用フォトダイオード３０６と、光ファイバー３０７とを組み合わせた光送信モジュールを用いた低コスト高信頼性の光通信システムを実現できる。
【０１４３】
また、本発明に係るＧａＩｎＮＡｓを用いた面発光型半導体レーザ素子の場合，温度特性が良いこと、動作電圧が低いこと、及び、低しきい値であることにより、発熱が少なく、高温まで冷却なしで使えるより低コストのシステムを実現できる。
【０１４４】
さらに、１．３μｍ等の長波長帯で低損失となるフッ素添加ＰＯＦ（プラスチックファイバ）とＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いた面発光型レーザとを組み合わせるとファイバが低コストであること、ファイバの径が大きくてファイバとのカップリングが容易で実装コストを低減できることから、極めて低コストのモジュールを実現できる。
【０１４５】
（第８の実施例）
本発明の第８の実施例に係るＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子について説明する。本実施例におけるＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の構造を図１６に示す。
【０１４６】
実施例１と違うところは、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程は共振器部分にＧａＰＡｓ層を形成してその途中で成長中断し、ＤＭＨｙガスを反応室に供給してＡｌ系残留物を除外していることである。具体的に本実施例では下部反射鏡を形成する最も上部にあるＡｌＧａＡｓ低屈折率層の上部に形成した。ＡｌＧａＡｓ低屈折率層とＧａＰＡｓ層との間にＧａＡｓ層を形成してその途中でＡｌ系残留物を除外しても良い。
【０１４７】
作製した面発光型半導体レーザ素子の発振波長は約１．３μｍであった。ＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いたのでＧａＡｓ基板上に長波長帯の面発光型半導体レーザ素子を形成できた。装置内に残留したＡｌを含んだ化合物が、窒素を含む活性層成長時に酸素とともに膜中に取りこまれないように、Ａｌを含んだ半導体層と窒素を含んだ活性層との間でエッチングガスであるＤＭＨｙを供給したので、反応室内に残留したＡｌを含んだ化合物は活性層成長前に除外され、活性層に酸素がＡｌとともに混入することを抑えることができた。ただしこの界面には成長中断による酸化膜が形成され欠陥が発生する可能性がある。これにより非発光再結合センターが形成される可能性がある。
【０１４８】
しかしながら本実施例では、成長中断した界面とＧａＩｎＮＡｓ活性層の間にＧａＡｓスペーサ層よりワイドバンドギャップであるＧａＰＡｓ層が挿入されているので、確実に成長中断界面にキャリアが注入されるのを抑制できるので成長中断界面の非発光再結合センターによる発光効率低下が防止できる。ＧａＰＡｓ層はＧａＡｓ基板に対して引張り歪を有している。活性層が本実施例のように高圧縮歪組成の場合は、引っ張り歪組成とすると活性層の歪を補償する効果があり活性層の格子緩和を抑制できるので好ましい。なお本実施例では、ＧａＰＡｓ層としたが、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰＡｓ層でも良い。
これにより発光効率が高く低しきい値で発振するＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子を量産に有利なＭＯＣＶＤ法で製造できた。
【０１４９】
本発明に係る面発光型半導体レーザ素子を用いた光通信システムとしては光ファイバーを用いた長距離通信に用いることができるのみならず、ＬＡＮ（Local Area Network）などのコンピュータ等の機器間伝送、さらにはボード間のデータ伝送、ボード内のＬＳＩ間、ＬＳＩ内の素子間等、光インターコネクションとして短距離通信に用いることができる。
【０１５０】
近年ＬＳＩ等の処理性能は向上しているが、これらを接続する部分の伝送速度が今後ボトルネックとなる。システム内の信号接続を従来の電気接続から光インターコネクトに変えると、例えばコンピュータシステムのボード間、ボード内のＬＳＩ間、ＬＳＩ内の素子間等を本発明に係る光送信モジュールや光送受信モジュールを用いて接続すると、超高速コンピュータシステムが可能となる。
【０１５１】
また、複数のコンピュータシステム等を本発明に係る光送信モジュールや光送受信モジュールを用いて接続した場合、超高速ネットワークシステムが構築できる。特に面発光型半導体レーザ素子は端面発光型レーザに比べて桁違いに低消費電力化でき２次元アレイ化が容易なので並列伝送型の光通信システムに適している。
【０１５２】
以上説明したように、窒素を含んだ半導体層であるＧａＩｎＮＡｓ系材料によるとＧａＡｓ基板を用いた０．８５μｍ帯面発光型半導体レーザ素子などで実績のあるＡｌ（Ｇａ）Ａｓ／（Ａｌ）ＧａＡｓ系半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡や、ＡｌＡｓの選択酸化による電流狭さく構造が適用でき、本発明による製造方法で面発光型半導体レーザ素子を製造することにより、ＧａＩｎＮＡｓ活性層の結晶品質の向上や、多層膜反射鏡の低抵抗化、面発光型半導体レーザ素子としての多層膜構造体の結晶品質や制御性の向上ができるので、実用レベルの高性能の１．３μｍ帯等の長波長帯面発光型半導体レーザ素子を実現でき、さらにこれらの素子を用いると、冷却素子不要で低コストの光ファイバー通信システム、光インターコネクションシステムなどの光通信システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５３】
【図１】一般的なＭＯＣＶＤ装置の概略を示す図である。
【図２】ＭＯＣＶＤ装置で作製した窒素を含んだ半導体層であるGaInNAs量子井戸層とGaAsバリア層とからなるGaInNAs/GaAs ２重量子井戸構造からなる活性層からの室温フォトルミネッセンススペクトルを示す図である。
【図３】半導体発光素子の試料構造を示す図である。
【図４】図３に示した半導体発光素子の１例として、クラッド層をAlGaAsとし、中間層をGaAsとし、活性層をGaInNAs/GaAs２重量子井戸構造として構成した素子を1台のエピタキシャル成長装置（ＭＯＣＶＤ）を用いて形成したときの、窒素と酸素濃度の深さ方向分布を示した図である。
【図５】図４の測定条件を示す図である。
【図６】図４と同じ試料のAl濃度の深さ方向分布を示した図である。
【図７】図６の測定条件を示す図である。
【図８】AlGaAsをクラッド層（Alを含む層）とし、GaInNAs２重量子井戸構造（窒素を含む層）を活性層としたブロードストライプレーザを試作して閾電流密度を評価した結果を示す図である。
【図９】第１および２の実施例におけるＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の構造を示す図である。
【図１０】第３の実施例におけるＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の構造を示す図である。
【図１１】第４の実施例におけるＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の構造を示す図である。
【図１２】第５の実施例におけるＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の構造を示す図である。
【図１３】本発明の第６の実施例を示す図である。
【図１４】本発明の第７の実施例を示す図である。
【図１５】発明者が実験的に求めたしきい値電流密度の窒素組成依存性を示す図である。
【図１６】本発明の第８の実施例を示す図である。
【符号の説明】
【０１５４】
Ａ：原料ガス供給部、Ａ１：III族ガスライン、Ａ２：V族ガスライン、Ｂ：加熱体、Ｃ：排気部、
１１：基板出し入れ口、１２：成長室（反応室）、１３：水素精製器、１４：バブラー、１５：ＡｓＨ３ガスシリンダー、１５’：ドーパントガスシリンダー、１６：バルブ、
１０１：GaAs基板、１０２：下部クラッド層、１０３：中間層１０３、１０４：活性層、１０５：上部クラッド層、
ａ１，ｂ１：メインライン、ａ２，ｂ２：ベントライン、ダミーライン＃１〜＃４：ダミーライン、
２０１：ｎ−ＧａＡｓ基板、２０２：ｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡（下部半導体分布ブラッグ反射鏡：単に下部反射鏡ともいう）、２０３：下部ＧａＡｓスペーサ層、２０４：多重量子井戸活性層、２０５：上部ＧａＡｓスペーサ層、２０６：ｐ−半導体分布ブラッグ反射鏡（上部半導体分布ブラッグ反射鏡：単に上部反射鏡ともいう）、２０７：コンタクト層、２０８：ｐ−ＡｌＡｓ被選択酸化層、２０９：ＡｌｘＯｙ電流狭さく部、２１０：ポリイミド、２１１：ｐ側電極、２１２：ｎ側電極、２１３：ＧａＩｎＮＡｓ層、２１４：ＧａＩｎＮＰ層、
３０１，３０５：半導体レーザ素子、３０２，３０７：光ファイバー、３０６：受信用フォトダイオード。
【図１】
2008103775.tif 000003
【図２】
2008103775.tif 000004
【図３】
2008103775.tif 000005
【図４】
2008103775.tif 000006
【図５】
2008103775.tif 000007
【図６】
2008103775.tif 000008
【図７】
2008103775.tif 000009
【図８】
2008103775.tif 000010
【図９】
2008103775.tif 000011
【図１０】
2008103775.tif 000012
【図１１】
2008103775.tif 000013
【図１２】
2008103775.tif 000014
【図１３】
2008103775.tif 000015
【図１４】
2008103775.tif 000016
【図１５】
2008103775.tif 000017
【図１６】
2008103775.tif 000018