(57)【要約】【課題】  圧縮歪みのＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層を用いた半導体発光素子において、活性層の品質を向上させ、発光効率が高く低しきい値である半導体発光素子を提供する。【解決手段】  窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含みＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ量子井戸活性層と該量子井戸活性層の周囲に形成された障壁層（バリア層）とを有する活性層を備えた半導体発光素子において、前記活性層は、前記障壁層がアンチモン（Ｓｂ）を含むIII−Ｖ族混晶半導体で構成される一方、前記量子井戸活性層がアンチモン（Ｓｂ）を含まないように構成されている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含みＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ量子井戸活性層と該量子井戸活性層の周囲に形成された障壁層とを有する活性層を備えた半導体発光素子において、前記活性層は、前記障壁層がアンチモン（Ｓｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体で構成される一方、前記量子井戸活性層がアンチモン（Ｓｂ）を含まないように構成されていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
請求項１記載の半導体発光素子において、前記障壁層には、同時に窒素（Ｎ）も含まれていることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含みＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ量子井戸活性層と該量子井戸活性層の周囲に形成された障壁層とを有する活性層を備えた半導体発光素子において、前記活性層は、前記障壁層がアンチモン（Ｓｂ）及び窒素（Ｎ）を同時に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体で構成され、前記量子井戸活性層は、障壁層のＳｂ濃度よりも小さいＳｂ濃度を有するか、あるいは、Ｓｂを含まず、かつ、障壁層のＮ濃度よりも大きいＮ濃度を有し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１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、前記障壁層は、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓＳｂ、または、ＧａＩｎＡｓＳｂ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３のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、Ｓｂを含む障壁層は、ＧａＡｓ基板に対して引っ張り歪を有していることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含みＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ量子井戸活性層と該量子井戸活性層の周囲に形成された障壁層とを有する活性層を備えた半導体発光素子において、前記量子井戸活性層と障壁層との間には、アンチモン（Ｓｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる中間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７】
請求項６記載の半導体発光素子において、前記中間層は、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓＳｂ、または、ＧａＩｎＡｓＳｂ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６記載の半導体発光素子において、前記障壁層はＧａＡｓ基板に対して引っ張り歪を有し、Ｓｂを含む中間層の格子定数は障壁層の格子定数よりも大きく量子井戸活性層の格子定数よりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項９】
窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含む量子井戸活性層を有する半導体発光素子において、前記量子井戸活性層は、ＩｎとＳｂと他のＶ族元素を同時に含むＡ層と、Ｉｎを含まないかＡ層よりもＩｎ組成が小さくＮと他のＶ族元素を同時に含むＢ層とが周期的に積層されてなることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項９記載の半導体発光素子において、前記Ａ層はＧａＩｎＡｓＳｂであり、Ｂ層はＧａＮＡｓであることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の半導体発光素子を作製する半導体発光素子の製造方法において、少なくとも活性層はＭＯＣＶＤ法によって結晶成長されることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、該半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項１３】
請求項１２記載の半導体発光素子が光源として用いられていることを特徴とする光送信モジュール。
【請求項１４】
請求項１２記載の半導体発光素子が光源として用いられていることを特徴とする光送受信モジュール。
【請求項１５】
請求項１２記載の半導体発光素子が光源として用いられていることを特徴とする光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子およびその製造方法および光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび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）などのユーザーに近い伝送路、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】
このような光源として、シリカファイバーの伝送ロスが小さく、整合性が良い１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯の半導体レーザが必要であり、ユーザーに近い領域で普及させるためには、低コストの光通信システムであることが絶対条件である。
【０００４】
１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯の波長帯では、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倍にも増加するという大きな欠点を持っている。従って、冷却素子を使わない低コストのシステムを実現するためには、温度特性の良好な長波長帯半導体レーザの開発が極めて重要である。
【０００５】
最近、ＧａＡｓ基板上に１．３μｍ帯の半導体レーザを形成できる材料系が注目され、（Ｇａ）ＩｎＡｓ量子ドット、ＧａＡｓＳｂやＧａＩｎＮＡｓ（例えば特許文献１参照。）が研究されている。特に、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。なお、ＧａＩｎＮＡｓ系材料とは、Ｐ，Ｓｂ，Ａｌ等の他のＩＩＩ−Ｖ族元素を含んでいる場合もある。
【０００６】
ＧａＩｎＮＡｓは、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体である。すなわち、ＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓよりも格子定数が大きいＧａＩｎＡｓに窒素（Ｎ）を添加することで格子定数をＧａＡｓに格子整合させることが可能であり、更にバンドギャップエネルギーが小さくなり、１．３μｍ，１．５５μｍ帯での発光が可能な材料である。
【０００７】
例えば非特許文献１では、近藤らにより、ＧａＩｎＮＡｓのバンドラインナップが計算されている。ＧａＩｎＮＡｓは、窒素（Ｎ）の添加によりバンドギャップエネルギーが小さくなるが、伝導帯と価電子帯ともにエネルギーが下がり、ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＡｓ等のＧａＡｓ格子整合系材料に対して伝導帯のバンド不連続が極めて大きくなり、このため、高特性温度半導体レーザが実現できると予想されている。実際に、Ｉｎ組成が１０％のときに窒素組成が約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。
【０００８】
図１は、本願の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（％）を示し、縦軸はしきい値電流密度を示している。図１に示すようにしきい値電流密度が窒素組成の増加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の増加に伴い劣化するためである。このため、Ｉｎ組成を大きくして窒素組成を少なくする方法が取られており（例えば特許文献２，特許文献３参照。）、基板に対して２％程度以上と大きな圧縮歪を有するＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層が用いられている。これにより、半導体レーザのしきい値電流密度が１ｋＡ／ｃｍ２以下の低い値であって、かつ、環境温度が室温から８０℃になっても、動作電流がわずか１．３倍にしか増加せず、特性温度が２００Ｋを越える良好なレーザが報告されている（例えば非特許文献２参照。）。なお、障壁層にはＧａＡｓ層が用いられている。すなわち、圧縮歪みを有するＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層を用いる場合、障壁層にはＧａＡｓが良く用いられている。
【０００９】
しかし、このように大きな圧縮歪を有している場合、２次元成長から３次元成長に変わる実質的な臨界膜厚に近い厚さを成長させる必要があり、このための工夫が必要である。例えばＳｂを添加しサーファクタント的な効果を得て、３次元成長を抑制し２次元成長させる方法（例えば特許文献３参照。）が提案されている。成長法はＭＢＥ法である。また、ＭＢＥ法では障壁層と量子井戸活性層の両方にＳｂとＮを添加した例（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  Ｖｏｌ．３８，  Ｎｏ．６  （２００２）  ｐｐ．２７７  −  ２７８）も報告されている。Ｓｂ組成は、障壁層，井戸層ともに同じであり、Ｎ組成は障壁層の方が大きくなっている。
【００１０】
しかしながら、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層へのＳｂ添加はＧａＡｓ基板に対する圧縮歪が更に大きくなるので、Ｓｂ添加量はできるだけ小さくすることが望ましい。
【００１１】
またＭＯＣＶＤ法のような有機金属や水素化物原料を用いた成長方法においては、Ｓｂ組成はＶ族供給比に大きく依存することが報告されている。例えばＧａＮＡｓＳｂの成長において、Ｎ供給量を増加するとＳｂ組成が極端に小さくなること（非特許文献３）や、Ｓｂ原料導入によりＮ組成が抑制されること（非特許文献４）が報告されており、組成制御が極めて困難であることがわかる。
【特許文献１】特開平６−３７３５５号公報
【特許文献２】特開２０００−３３２３６３号公報
【特許文献３】特開２００２−１１８３２９号公報
【非特許文献１】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３５（１９９６）ｐｐ．１２７３−１２７５
【非特許文献２】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｙｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２０００）ｐｐ．３４０３−３４０５
【非特許文献３】植杉ら、第６２回応用物理学会、１３ｐ−Ｔ−１３
【非特許文献４】舘野ら、第６２回応用物理学会、１３ｐ−Ｔ−１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、圧縮歪みのＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層を用いた半導体発光素子において、活性層の品質を向上させ、発光効率が高く低しきい値である半導体発光素子および光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通信システム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】
【００１３】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含みＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ量子井戸活性層と該量子井戸活性層の周囲に形成された障壁層とを有する活性層を備えた半導体発光素子において、前記活性層は、前記障壁層がアンチモン（Ｓｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体で構成される一方、前記量子井戸活性層がアンチモン（Ｓｂ）を含まないように構成されていることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体発光素子において、前記障壁層には、同時に窒素（Ｎ）も含まれていることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項３記載の発明は、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含みＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ量子井戸活性層と該量子井戸活性層の周囲に形成された障壁層とを有する活性層を備えた半導体発光素子において、前記活性層は、前記障壁層がアンチモン（Ｓｂ）及び窒素（Ｎ）を同時に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体で構成され、前記量子井戸活性層は、障壁層のＳｂ濃度よりも小さいＳｂ濃度を有するか、あるいは、Ｓｂを含まず、かつ、障壁層のＮ濃度よりも大きいＮ濃度を有していることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、前記障壁層は、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓＳｂ、または、ＧａＩｎＡｓＳｂであることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、Ｓｂを含む障壁層は、ＧａＡｓ基板に対して引っ張り歪を有していることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項６記載の発明は、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含みＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ量子井戸活性層と該量子井戸活性層の周囲に形成された障壁層とを有する活性層を備えた半導体発光素子において、前記量子井戸活性層と障壁層との間には、アンチモン（Ｓｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる中間層が形成されていることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項７記載の発明は、請求項６記載の半導体発光素子において、前記中間層は、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓＳｂ、または、ＧａＩｎＡｓＳｂであることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項８記載の発明は、請求項６記載の半導体発光素子において、前記障壁層はＧａＡｓ基板に対して引っ張り歪を有し、Ｓｂを含む中間層の格子定数は障壁層の格子定数よりも大きく量子井戸活性層の格子定数よりも小さいことを特徴としている。
【００２１】
また、請求項９記載の発明は、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含む量子井戸活性層を有する半導体発光素子において、前記量子井戸活性層は、ＩｎとＳｂと他のＶ族元素を同時に含むＡ層と、Ｉｎを含まないかＡ層よりもＩｎ組成が小さくＮと他のＶ族元素を同時に含むＢ層とが周期的に積層されてなることを特徴としている。
【００２２】
また、請求項１０記載の発明は、請求項９記載の半導体発光素子において、前記Ａ層はＧａＩｎＡｓＳｂであり、Ｂ層はＧａＮＡｓであることを特徴としている。
【００２３】
また、請求項１１記載の発明は、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の半導体発光素子を作製する半導体発光素子の製造方法において、少なくとも活性層はＭＯＣＶＤ法によって結晶成長されることを特徴としている。
【００２４】
また、請求項１２記載の発明は、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、該半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであることを特徴としている。
【００２５】
また、請求項１３記載の発明は、請求項１２記載の半導体発光素子が光源として用いられていることを特徴とする光送信モジュールである。
【００２６】
また、請求項１４記載の発明は、請求項１２記載の半導体発光素子が光源として用いられていることを特徴とする光送受信モジュールである。
【００２７】
また、請求項１５記載の発明は、請求項１２記載の半導体発光素子が光源として用いられていることを特徴とする光通信システムである。
【発明の効果】
【００２８】
請求項１，請求項２，請求項４，請求項５記載の発明によれば、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含みＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ量子井戸活性層と該量子井戸活性層の周囲に形成された障壁層とを有する活性層を備えた半導体発光素子において、前記活性層は、前記障壁層がアンチモン（Ｓｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体で構成される一方、前記量子井戸活性層がアンチモン（Ｓｂ）を含まないように構成されているので、活性層の品質を向上させ、発光効率が高く低しきい値である半導体発光素子を提供することができる。
【００２９】
すなわち、歪を有する量子井戸活性層を成長する時の下地となる障壁層の被成長表面には、表面エネルギーを下げ３次元成長を抑制し２次元成長を促進させるサーファクタント的な効果のあるＳｂが含まれるので、まず歪を有する量子井戸活性層の成長初期は良好に２次元成長が行われ、その後は、この良好な活性層成長初期部上に、活性層の残りの部分のエピタキシャル成長が行われるので、臨界膜厚までは良好に２次元成長が行われる。したがって、歪を有する量子井戸活性層中にＳｂが含まれていなくても、良好に２次元成長する。
【００３０】
また、量子井戸活性層中に格子定数をＧａＡｓ基板よりも大きくするＳｂを含まないので、格子定数が大きくならずに済み、格子緩和や３次元成長等のＳｂ添加による副作用を防ぐことができ、効率が高くしきい値の低い半導体発光素子を提供することができる。
【００３１】
特に、請求項２記載の発明では、請求項１記載の半導体発光素子において、前記障壁層には、同時に窒素（Ｎ）も含まれているので、更に発光効率が高くしきい値の低い半導体発光素子を提供することができる。
【００３２】
すなわち、ＧａＡｓへのＳｂ添加は格子定数を大きくする作用がある。一方、Ｎの添加は格子定数を小さくする効果があり、Ｓｂを含んだ障壁層にＮを添加すると歪を補償することができるので、圧縮歪を有する量子井戸活性層の臨界膜厚を薄くしてしまう事が避けられる。また、障壁層にもＮを添加したことにより、活性層との界面のコントロール性が向上し、障壁層と量子井戸活性層との間で良好な界面が得られる。よって、請求項２記載の発明では、更に発光効率が高くしきい値の低い半導体発光素子を提供することができる。
【００３３】
また、請求項３乃至請求項５記載の発明によれば、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含みＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ量子井戸活性層と該量子井戸活性層の周囲に形成された障壁層とを有する活性層を備えた半導体発光素子において、前記活性層は、前記障壁層がアンチモン（Ｓｂ）及び窒素（Ｎ）を同時に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体で構成され、前記量子井戸活性層は、障壁層のＳｂ濃度よりも小さいＳｂ濃度を有するか、あるいは、Ｓｂを含まず、かつ、障壁層のＮ濃度よりも大きいＮ濃度を有しているので、発光効率が高くしきい値が低く、温度特性の良好な半導体発光素子を提供することができる。
【００３４】
すなわち、請求項３では、更に、障壁層のＮ組成を量子井戸活性層のＮ組成よりも小さくしたので、Ｎ添加による伝導帯の低下は量子井戸活性層の方が大きく、充分大きな伝導帯バンド不連続を得ることができ、温度特性の良好な半導体発光素子を提供することができる。
【００３５】
また、エピタキシャル成長では下地の結晶品質が成長層の成長品質に及ぼす影響は大きい。障壁層のＮ組成が量子井戸活性層のＮ組成よりも小さい場合、量子井戸活性層成長時の下地層となる障壁層の結晶性が向上する。よって、さらに量子井戸活性層の結晶性が向上し、発光効率が高くしきい値が低く、温度特性の良好な半導体発光素子を提供することができる。
【００３６】
また、請求項５記載の発明では、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、Ｓｂを含む障壁層は、ＧａＡｓ基板に対して引っ張り歪を有しているので、より発光効率が高くしきい値の低い半導体発光素子を提供することができる。更に活性層の歪が低減（補償）されることで、井戸数を増加させることができ、活性層の設計自由度が大きくなる。
【００３７】
すなわち、圧縮歪を有する量子井戸活性層に対して引っ張り歪を有する障壁層を用いることで歪補償構造となり、Ｓｂ添加の効果との相乗効果により量子井戸活性層の結晶性が向上し、より発光効率が高くしきい値の低い半導体発光素子を提供することができる。更に活性層の歪が低減（補償）されることで、井戸数を増加させることができ、活性層の設計自由度が大きくなる。
【００３８】
また、請求項６乃至請求項８記載の発明によれば、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含みＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ量子井戸活性層と該量子井戸活性層の周囲に形成された障壁層とを有する活性層を備えた半導体発光素子において、前記量子井戸活性層と障壁層との間には、アンチモン（Ｓｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる中間層が形成されているので、発光効率が高くしきい値の低い半導体発光素子を提供することができる。
【００３９】
すなわち、表面エネルギーを下げ３次元成長を抑制し２次元成長を促進させるサーファクタント的な効果を得るためには、Ｓｂは必ずしも障壁層全体に添加される必要はなく、歪を有する量子井戸活性層成長開始時の被成長基板表面層にＳｂが含まれていれば良い。請求項６では、Ｓｂを含まない障壁層と歪を有する量子井戸活性層との間にＳｂを含んだ中間層を挿入することで、発光効率が高くしきい値の低い半導体発光素子を提供することができる。
【００４０】
特に、請求項８記載の発明では、請求項６記載の半導体発光素子において、前記障壁層はＧａＡｓ基板に対して引っ張り歪を有し、Ｓｂを含む中間層の格子定数は障壁層の格子定数よりも大きく量子井戸活性層の格子定数よりも小さいので、歪補償効果を確実に得ることが可能となる。
【００４１】
すなわち、大きな圧縮歪を有する量子井戸活性層と引っ張り歪を有する障壁層とを積層することで歪補償構造となり、活性層の歪が低減（補償）されるが、界面ではより歪差が大きくなっているので、場合によっては歪補償効果が得られない場合がある。請求項８のように圧縮歪層と引っ張り歪層との間に格子定数がその間にある中間層を挿入することで、歪差を低減でき、歪補償効果を確実に得ることが可能となる。
【００４２】
また、請求項９乃至請求項１０記載の発明によれば、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含む量子井戸活性層を有する半導体発光素子において、前記量子井戸活性層は、ＩｎとＳｂと他のＶ族元素を同時に含むＡ層と、Ｉｎを含まないかＡ層よりもＩｎ組成が小さくＮと他のＶ族元素を同時に含むＢ層とが周期的に積層されて構成されているので、発光効率が高くしきい値の低い半導体発光素子を提供することができる。
【００４３】
上記量子井戸活性層は、ＮとＳｂが同時に含まれないＡ層とＢ層を数原子層程度で周期的に積層することで、Ａ層とＢ層の平均組成の混晶とみなすことが可能となる。例えばＡ層をＧａＩｎＡｓＳｂとし、Ｂ層をＧａＮＡｓとすると、ＭＯＣＶＤ法では成長が困難であるＧａＩｎＮＡｓＳｂを擬似的に得ることができる。
【００４４】
ＧａＩｎＮＡｓではＮ添加によってＩｎの組成偏析が起こりやすくなり３次元成長が問題となるが、Ｉｎは主にＡ層、Ｎは主にＢ層に取り込んでいるので、３次元成長を抑制できる。ＧａＩｎＡｓＳｂ層はＩｎを含んでおり圧縮歪を有するが、Ｓｂ添加によりサーファクタント的な効果を得てＧａＩｎＡｓＳｂ層自体の３次元成長を抑制できるとともに、ＧａＮＡｓ層成長時の下地結晶にＳｂが含まれることから、ＧａＮＡｓ層のＮの組成偏析を低減できる。
【００４５】
また、請求項１１記載の発明によれば、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の半導体発光素子を作製する半導体発光素子の製造方法において、少なくとも前記活性層はＭＯＣＶＤ法によって結晶成長されるので、量子井戸活性層の結晶成長を極めて容易に行なうことができる。
【００４６】
すなわち、ＭＯＣＶＤ法のような有機金属や水素化物原料を用いた原料同士の反応を含んだ成長方法においては、Ｓｂ組成はＶ族供給比に大きく依存し、Ｎと他のＶ族元素を同時に含んだ層へ更にＳｂを添加するのは容易ではない。特にＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層は通常Ｉｎを３０〜４０％含まれているが、ＭＯＣＶＤ法ではＩｎ組成の増加とともにＮの取り込まれが激減し、より多量のＮ原料を供給する必要があり、更にＳｂを添加するのは極めて困難である。よって、量子井戸活性層にＳｂが含まれないかＳｂが微量で結晶性の向上する本発明はＭＯＣＶＤ法において特に効果がある。つまり、Ｎを含む量子井戸活性層にＳｂを同時に含まない場合は、Ｓｂを含めた場合に比べてＭＯＣＶＤ法においては量子井戸活性層の結晶成長を極めて容易に行なうことができる。
【００４７】
また、請求項１２記載の発明では、請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、該半導体発光素子が面発光型半導体レーザ素子であることを特徴としている。面発光型半導体レーザは、端面発光型半導体レーザに比べて、低価格化，低消費電力化，小型化，２次元集積化に向く。ここで、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層にしているので、シリカファイバーの伝送ロスが小さく整合性が良い１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯の波長に対応できる。本発明のようにＳｂを含んだ障壁層または中間層を直接量子井戸活性層に接して形成したので、活性層は良好に２次元成長し、発光効率が高くしきい値の低い長波長面発光型半導体レーザを提供することができる。なお、ＭＯＣＶＤ法で形成すると、面発光型半導体レーザの半導体分布ブラッグ反射鏡の抵抗を低減できるので、低電圧駆動が可能となり、好ましい。これにより、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ことができる。
【００４８】
また、請求項１３記載の発明によれば、請求項１２記載の半導体発光素子が光源として用いられていることを特徴とする光送信モジュールであるので、冷却素子が不要な低コストな光送信モジュールを提供することができる。
【００４９】
また、請求項１４記載の発明によれば、請求項１２記載の半導体発光素子が光源として用いられていることを特徴とする光送受信モジュールであるので、冷却素子が不要な低コストな光送受信モジュールを提供することができる。
【００５０】
また、請求項１５記載の発明によれば、請求項１２記載の半導体発光素子が光源として用いられていることを特徴とする光通信システムであるので、冷却素子が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提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００５２】
（第１の形態）
本発明の第１の形態は、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含みＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ量子井戸活性層と該量子井戸活性層の周囲に形成された障壁層（バリア層）とを有する活性層を備えた半導体発光素子において、前記活性層は、前記障壁層がアンチモン（Ｓｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体で構成される一方、前記量子井戸活性層がアンチモン（Ｓｂ）を含まないように構成されていることを特徴としている。
【００５３】
エピタキシャル成長は、下地の影響を受けて成長が行われる。歪を有する量子井戸活性層の成長においては、異種材料が結合しヘテロ接合部分となる成長初期（例えば第１層）が最も重要であり、まず成長初期において２次元成長させることが必要である。その下地となる障壁層の被成長表面には、表面エネルギーを下げ３次元成長を抑制し２次元成長を促進させるサーファクタント的な効果のあるＳｂが含まれるので、まず歪を有する量子井戸活性層の成長初期は良好に２次元成長が行われる。その後は、この良好な活性層成長初期部上に、同一材料である活性層の残り部分のエピタキシャル成長が行われるので、臨界膜厚までは良好に２次元成長が行われる。したがって、歪を有する量子井戸活性層中にＳｂが含まれていなくても、良好に２次元成長する。
【００５４】
また、量子井戸活性層が格子定数をＧａＡｓ基板よりも大きくするＳｂを含まないので、量子井戸活性層の格子定数が大きくならずに済み、格子定数が大きくなることによる格子緩和や３次元成長等の、Ｓｂ添加による副作用を防ぐことができる。
【００５５】
（第２の形態）
本発明の第２の形態は、第１の形態の半導体発光素子において、前記障壁層には、同時に窒素（Ｎ）も含まれていることを特徴としている。
【００５６】
この第２の形態では、障壁層にＮを添加したことにより、次の効果が得られる。すなわち、障壁層と量子井戸活性層との間で良好な界面が得られる。具体的に、ＧａＩｎＮＡｓ系材料をＭＯＣＶＤ法で成長する場合は、Ｎの原料の供給量はＡｓの原料の供給量に対してモル比（「Ｎ原料」／（「Ｎ原料」＋「Ａｓ原料」））が０．９を超えるほど大きくしなければならず、Ｎの原料は多量に供給する必要があり、原料供給のＯＮ，ＯＦＦ時の制御性、つまり界面の制御性を良くすることは難かしい。また、ＭＢＥ法で成長する場合は、Ｎ原料をＲＦ等で活性化させて供給するため、ＯＮ，ＯＦＦを急峻に行うことは容易ではなく、ＭＯＣＶＤ法と同様に、界面の制御性を良くすることは難かしい。しかしながら、障壁層にもＮが添加された構造であると、この界面で原料供給のＯＮ，ＯＦＦの必要がなく、良好な界面を制御して得ることが容易となる。
【００５７】
また、ＧａＳｂの格子定数は６．０９４オングストロームであるので、ＧａＡｓに対してＳｂ１％当たり０．０７８０％の圧縮歪みとなる。障壁層が圧縮歪であることはその上部に成長される圧縮歪を有する量子井戸活性層の臨界膜厚を薄くしてしまうので好ましくはない。
【００５８】
一方、閃亜鉛構造のＧａＮの格子定数は４．５オングストロームであるので、ＧａＡｓに対してＮ１％当たり０．２０４％の引張り歪みとなる。したがって、Ｓｂを含んだ障壁層にＮを添加すると、Ｓｂ添加により生じた歪を補償することができるので、圧縮歪を有する量子井戸活性層の臨界膜厚を薄くしてしまうことが避けられる。Ｓｂ添加による歪を補償する方法としては、Ｎの添加以外にも燐（Ｐ）の添加も効果がある。
【００５９】
（第３の形態）
本発明の第３の形態は、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含みＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ量子井戸活性層と該量子井戸活性層の周囲に形成された障壁層とを有する活性層を備えた半導体発光素子において、前記活性層は、前記障壁層がアンチモン（Ｓｂ）及び窒素（Ｎ）を同時に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体で構成され、前記量子井戸活性層は、障壁層のＳｂ濃度よりも小さいＳｂ濃度を有するか、あるいは、Ｓｂを含まず、かつ、障壁層のＮ濃度よりも大きいＮ濃度を有していることを特徴としている。
【００６０】
前述のように、エピタキシャル成長は、下地の影響を受けて成長が行われる。歪を有する量子井戸活性層の成長においては、ヘテロ接合部分となる成長初期が最も重要である。その下地となる障壁層の被成長表面には、表面エネルギーを下げ３次元成長を抑制し２次元成長を促進させるサーファクタント的な効果のあるＳｂが含まれるので、歪を有する量子井戸活性層の成長初期は良好に２次元成長が行われる。その後は、この良好な活性層成長初期部上に、同一材料のエピタキシャル成長が行われるので、臨界膜厚までは良好に２次元成長が行われる。したがって、歪を有する量子井戸活性層中にＳｂが含まれていなくても、良好に２次元成長する。もちろん、量子井戸活性層がＳｂを微量に含んでいてもかまわない。
【００６１】
また、量子井戸活性層中に格子定数をＧａＡｓ基板よりも大きくするＳｂを含まないか、含まれていても障壁層中のＳｂ濃度よりも小さく微量なので、従来よりも格子定数が大きくならずに済み、格子定数が大きくなることによる格子緩和や３次元成長等を防ぐことができる。
【００６２】
また、障壁層にＮを添加することの効果は第２の形態に示しているが、更に、この第３の形態では、障壁層のＮ組成が量子井戸活性層のＮ組成よりも小さいことによって、障壁層にＮを添加しない場合と同様に良好な温度特性が得られる。すなわち、ＧａＡｓに対してＮを１％添加した材料では、バンドギャップは１５６ｍｅＶ小さくなり、かつ、伝導帯は１７５ｍｅＶ下がり、価電子帯は１９ｍｅＶ下がる（Ｋｉｔａｔａｎｉ  等による文献「１６  ｔｈ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｌａｓｅｒ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  」を参照）。このようにわずかのＮ組成で伝導帯が大きく低下することがわかる。よって、障壁層のＮ組成を量子井戸活性層よりも大きくすると、障壁層の伝導帯エネルギー低下の方が大きくなり、量子井戸活性層，障壁層ともにＮを含まない材料で形成した場合に比べて、伝導帯バンド不連続が小さくなってしまい、半導体レーザの温度特性が悪くなる。ここで、比較として説明した量子井戸活性層，障壁層ともにＮを含まない材料としては、例えば量子井戸活性層としてＧａＩｎＡｓ、障壁層としてＧａＡｓの組み合わせがあり、例えば文献「ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ｌｅｔｔ．  Ｖｏｌ．１２  （２０００）  ｐｐ．１２５−１２７  」に示されているように１４０Ｋ〜１７０Ｋと良好な温度特性が得られており、充分な伝導帯バンド不連続となっている。一方、障壁層のＮ組成が量子井戸活性層のＮ組成よりも小さい場合は、量子井戸活性層の伝導帯エネルギー低下の方が大きいので、充分大きな伝導帯バンド不連続を得ることができ、温度特性の良好な半導体レーザを得ることができる。また、エピタキシャル成長では、下地の結晶品質が成長層の成長品質に及ぼす影響は大きい。Ｎ組成の増加に伴い結晶性は低下する傾向がある。障壁層のＮ組成が量子井戸活性層のＮ組成よりも小さい場合、量子井戸活性層成長時の下地層となる障壁層の結晶性が向上する。よって、量子井戸活性層の結晶性が向上する。
【００６３】
なお、量子井戸活性層のＮ組成よりも障壁層のＮ組成を小さくすることは、特にＭＢＥ法では容易ではない。ＭＢＥ法の場合は、通常、シャッターのＯＮ，ＯＦＦによってヘテロ構造を形成する。例えばＧａＩｎＮＡｓとＧａＮＡｓのヘテロ構造を形成する場合は、ＧａのシャッターのＯＮ，ＯＦＦで行う。したがって成長速度はＧａＩｎＮＡｓの方が速い。ＭＢＥ法では成長速度が小さい場合、Ｎ組成は大きくなる。更に、Ｎ取り込まれのＩｎ組成依存性は小さいので、ＧａＮＡｓ障壁層の方がＮ組成は大きくなってしまう。成長速度を変える場合は原料セルの温度を変えて原料の供給量を制御する必要があるが、時間を要するため、成長中断時間を設けた場合の最適化が必要であるなど容易ではない。この場合、Ｇａ原料セルを複数設けそれぞれのセルで供給量を変えることを可能とした装置構成として、量子井戸活性層成長に用いるセルのＧａ供給量が障壁層成長に用いるセルのＧａ供給量より少なくし、ＧａＩｎＮＡｓとＧａＮＡｓとで切り替えて成長することで対応できる。また、ＭＯＣＶＤ法の場合は、Ｎ取り込まれのＩｎ組成依存性が極めて大きく、Ｉｎ組成とともにＮ取り込まれ効率は急激に小さくなっていくので、特にＡｓ、Ｎの原料供給量比を大きく変えてやる必要がある。この場合は、原料ガス供給量を応答速度の速いマスフローコントローラで制御して成長することで可能である。
【００６４】
また、上述した第１（更には第２、第３）の形態の半導体発光素子において、前記障壁層は、具体的には、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓＳｂ、または、ＧａＩｎＡｓＳｂなどにより形成されている。
【００６５】
（第４の形態）
本発明の第４の形態は、上述した第１，第２、第３の形態の半導体発光素子において、Ｓｂを含む障壁層または中間層はＧａＡｓ基板に対して引っ張り歪を有していることを特徴としている。
【００６６】
圧縮歪を有する量子井戸活性層に対して引っ張り歪を有する障壁層を用いることで歪補償構造となり、Ｓｂ添加の効果との相乗効果により量子井戸活性層の結晶性が向上する。更に活性層の歪が低減（補償）されることで、井戸数を増加することができ、多重量子井戸活性層の設計自由度が大きくなる。
【００６７】
（第５の形態）
本発明の第５の形態は、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含みＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ量子井戸活性層と該量子井戸活性層の周囲に形成された障壁層とを有する活性層を備えた半導体発光素子において、前記量子井戸活性層と障壁層との間には、アンチモン（Ｓｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる中間層が形成されていることを特徴としている。
【００６８】
表面エネルギーを下げ３次元成長を抑制し２次元成長を促進させるサーファクタント的な効果を得るために、Ｓｂは必ずしも障壁層全体に添加される必要はなく、歪を有する量子井戸活性層成長開始時の被成長基板表面層にＳｂが含まれていれば、上記効果が得られる。例えば障壁層にＳｂを含まない材料を用いた場合、障壁層と歪を有する量子井戸活性層との間にＳｂを含んだ中間層を挿入した構造とすることで、量子井戸活性層の結晶性を向上することができる。もちろん、障壁層にＳｂが含まれていてもかまわない。
【００６９】
この第５の形態の半導体発光素子において、前記中間層は、具体的には、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓＳｂ、または、ＧａＩｎＡｓＳｂなどにより形成されている。
【００７０】
（第６の形態）
本発明の第６の形態は、上述した第５の形態の半導体発光素子において、障壁層はＧａＡｓ基板に対して引っ張り歪を有し、Ｓｂを含む中間層の格子定数は障壁層の格子定数よりも大きく量子井戸活性層の格子定数よりも小さいことを特徴としている。
【００７１】
大きな圧縮歪を有する量子井戸活性層と引っ張り歪を有する障壁層とを積層することで歪補償構造となり、活性層の歪が低減（補償）されるが、界面ではより歪差が大きくなっているので、場合によっては歪補償効果が得られない場合がある。圧縮歪層と引っ張り歪層との間に、格子定数がその間にある中間層を挿入することで、歪差を低減でき、歪補償効果を確実に得ることが可能となる。
【００７２】
（第７の形態）  
本発明の第７の形態は、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含む量子井戸活性層を有する半導体発光素子において、前記量子井戸活性層は、ＩｎとＳｂと他のＶ族元素を同時に含むＡ層と、Ｉｎを含まないかＡ層よりもＩｎ組成が小さくＮと他のＶ族元素を同時に含むＢ層とが周期的に積層されてなることを特徴としている。
【００７３】
表面エネルギーを下げ３次元成長を抑制し２次元成長を促進させるサーファクタント的な効果を得るために、ＩｎとＳｂと他のＶ族元素を同時に含むＡ層と、Ｉｎを含まないかＡ層よりもＩｎ組成が小さくＮと他のＶ族元素を同時に含むＢ層とを周期的に積層させた短周期超格子構造からなる量子井戸活性層とすることもできる。
【００７４】
まず、Ｎ組成の微視的な面内分布はＮ組成増加とともに大きくなり、またＩｎを同時に含む場合、更に分布が大きくなる。これが進むと結果的に３次元成長する。よって、ＮとＩｎが同時に含まれない方が好ましい。また、ＭＯＣＶＤ法においては、Ｎと他のＶ族元素を同時に含む混晶にＳｂを添加するのは容易ではないので、ＮとＳｂを同時に含まない方が好ましい。したがって、ＧａＡｓ基板上に形成することを考えると、ＩｎとＡｓとＳｂを同時に含む層と、ＮとＡｓを同時に含む層とを周期的に積層させた短周期超格子構造からなる量子井戸活性層とすることが好ましい。
【００７５】
上記量子井戸活性層は、ＮとＳｂが同時に含まれないＡ層とＢ層を数原子層程度で周期的に積層することで、Ａ層とＢ層の平均組成の混晶とみなすことが可能となる。
【００７６】
この第７の形態の半導体発光素子において、前記短周期超格子構造からなる量子井戸活性層を構成するＡ層（ＩｎとＳｂと他のＶ族元素を同時に含む層）とＢ層（Ｉｎを含まずＮと他のＶ族元素を同時に含む層）は、具体的には、それぞれＧａＩｎＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓなどにより構成されている。
【００７７】
例えば、Ａ層をＧａＩｎＡｓＳｂとし、Ｂ層をＧａＮＡｓとすると、ＭＯＣＶＤ法では成長が困難であるＩｎ、Ｓｂ、Ｎと他のＶ族元素とを同時に含んだ混晶であるＧａＩｎＮＡｓＳｂを擬似的に得ることができる。また、ＧａＩｎＮＡｓではＮ添加によるＩｎの組成偏析による３次元成長が問題となるが、Ｉｎは主にＡ層、Ｎは主にＢ層に取り込んでいるので、３次元成長を抑制できる。
【００７８】
ＧａＩｎＡｓＳｂ層は、Ｉｎを含んでおり圧縮歪を有するが、Ｓｂ添加によりサーファクタント的な効果を得てＧａＩｎＡｓＳｂ層自体の３次元成長を抑制できるとともに、ＧａＮＡｓ層成長時の下地結晶にＳｂが含まれることからＧａＮＡｓ層のＮの組成偏析を低減できる。
【００７９】
なお、Ａ層にはＢ層よりも少ない量であればＮを含んでいてもかまわない。また、Ｂ層にはＡ層よりも少ない量であればＩｎを含んでいてもかまわない。また、両方の層とも、Ｐなど他のＩＩＩ−Ｖ族元素を含んでいてもかまわない。
【００８０】
上述した第１から第７の形態の半導体発光素子を作製する場合において、少なくとも活性層はＭＯＣＶＤ法によって結晶成長されるのが良い。すなわち、本発明の半導体発光素子は、ＭＯＣＶＤ法によって結晶成長される場合に特に有効である。ＭＯＣＶＤ法のような有機金属や水素化物原料を用いた原料同士の反応を含んだ成長方法においては、Ｓｂ組成はＶ族供給比に大きく依存し、Ｎと他のＶ族元素を同時に含んだ層へ更にＳｂを添加するのは容易ではないが、Ｉｎを含まない場合は十分成長可能である。しかしＩｎを含んだ場合は極めて困難である。ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層は通常Ｉｎが３０〜４０％含まれているが、ＭＯＣＶＤ法ではＩｎ組成の増加とともにＮの取り込まれが激減し、より多量のＮ原料を供給する必要があり、更にＳｂを添加するのは極めて困難である。よって、量子井戸活性層（またはＮを主に含むＢ層）にＳｂが含まれないか微量で結晶性を向上させる本発明は、ＭＯＣＶＤ法において特に効果がある。
【００８１】
また、上述した各形態の半導体発光素子は、具体的には、面発光型半導体レーザとして構成することができる。
【００８２】
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が良い１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯の半導体レーザであって、温度特性が良く冷却素子を使用しない半導体レーザが必要であり、これには、面発光型半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ：  Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ：垂直キャビティ面発光型半導体レーザ素子）が極めて有望である。面発光型半導体レーザ素子（面発光レーザ）は、端面発光型半導体レーザに比べて、低価格化，低消費電力化，小型化，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／秒のイーサネットなどで実用化されている。上述した各実施形態の半導体発光素子は、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層にしているので、これらの波長に対応できる。
【００８３】
また、本発明のようにＳｂを含んだ障壁層または中間層を直接量子井戸活性層に接して形成することで、活性層は良好に２次元成長し、発光効率が高くしきい値の低い長波長面発光型半導体レーザを得ることができる。なお、ＭＯＣＶＤ法で形成すると面発光レーザの半導体分布ブラッグ反射鏡の抵抗を低減できるので、低電圧駆動が可能となり、好ましい。
【００８４】
また、上述した本発明の面発光型半導体レーザを光源として用いた光送信モジュールを構成することができる。
【００８５】
上述したように、本発明の面発光型半導体レーザは、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流動作し、温度特性が良いので、この面発光型半導体レーザ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。
【００８６】
また、上述した本発明の面発光型半導体レーザを光源として用いた光送受信モジュールを構成することができる。
【００８７】
上述したように、本発明の面発光型半導体レーザは、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流動作し、温度特性が良いので、この面発光型半導体レーザ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。
【００８８】
また、上述した本発明の面発光型半導体レーザを光源として用いた光通信システムを構成することができる。
【００８９】
上述したように、本発明の面発光型半導体レーザは、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流動作し、温度特性が良いので、この面発光型半導体レーザを用いることによって、冷却素子が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。
【実施例１】
【００９０】
図２は本発明の実施例１のＧａＩｎＮＡｓ端面発光型半導体レーザを示す図である。なお、図２の例では、リッジストライプ型レーザとなっている。また、図２のＧａＩｎＮＡｓ端面発光型半導体レーザは、層構造としては、ＳＣＨ−ＳＱＷ（Ｓｅｐａｒａｔｅ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造となっている。
【００９１】
図２の例では、面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板上に、Ｓｅドープｎ−ＧａＡｓバッファ層，Ｓｅドープｎ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層，アンドープＧａＡｓ下部光ガイド層，活性層，アンドープＧａＡｓ上部光ガイド層，Ｚｎドープｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層，Ｚｎドープｐ−ＧａＡｓコンタクト層が順次成長されている。
【００９２】
ここで、活性層は、圧縮歪みを有する１層のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層（井戸層）と、その上下に形成された基板に格子整合するＧａＰＡｓＳｂ障壁層（バリア層）とからなっている。井戸層のＩｎ組成ｘは３５％，窒素（Ｎ）組成は０．８％とした。また、井戸層の厚さは８ｎｍとした。また、成長方法はＭＯＣＶＤ法で行った。キャリアガスには、Ｈ２を用いた。また、原料には、ＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＡｓＨ３（アルシン），ＰＨ３（フォスフィン）を用い、そして、窒素（Ｎ）の原料には、ＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので、６００℃以下のような低温成長に適している。この実施例１では、ＧａＩｎＮＡｓ層を５５０℃で成長した。特に歪みの大きい量子井戸層を成長する場合は例えば５００℃〜６００℃程度の低温成長が好ましい。ＧａＰＡｓＳｂ障壁層もＧａＩｎＮＡｓ層と同じ５５０℃で成長した。
【００９３】
そして、フォトリソグラフィとエッチング技術により幅３μｍのストライプ領域以外をｐ−ＡｌＧａＡｓ層の途中まで除去し、リッジ構造を形成した。そして、このリッジ構造上に、ｐ側電極を、電流注入部となる部分を除去した絶縁膜を介して形成した。また、基板の裏面には、ｎ側電極を形成した。
【００９４】
この実施例１では、ＧａＡｓ光ガイド層とＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層との間にＧａＰＡｓＳｂ障壁層が形成されている。ＧａＡｓに対して、Ｐ１％あたり０．０３６％だけ格子定数は小さくなり、Ｓｂ１％あたり０．０７８％だけ格子定数が大きくなる。よって、格子整合させるためにＰ組成をＳｂ組成の約２．２倍とした。具体的には、Ｐ組成６％、Ｓｂ組成２．７％とした。
【００９５】
この実施例１では、量子井戸活性層中に格子定数をＧａＡｓ基板よりも大きくするＳｂを含まないので、格子定数が大きくならずに済み、格子定数が大きくなることによる格子緩和や３次元成長等の、Ｓｂ添加による副作用を防ぐことができた。
【００９６】
また、大きな圧縮歪を有するＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層成長時の下地層となる障壁層として、表面エネルギーを下げ３次元成長を抑制し２次元成長を促進させるサーファクタント的な効果のあるＳｂが含まれることにより、量子井戸活性層の結晶性が向上し、発光効率が高くしきい値の低い半導体レーザを得ることができた。
【００９７】
更に、障壁層にＰが含まれていることで、伝導帯バンド不連続が従来のＧａＡｓ障壁層に比べて大きくなり、キャリア（電子）のオーバーフローが減り、井戸層が１層のものであっても、温度特性は良好であった。
【００９８】
また、ＭＯＣＶＤ法のような有機金属や水素化物原料を用いた原料同士の反応を含んだ成長方法においては、Ｓｂ組成はＶ族供給比に大きく依存し、Ｎと他のＶ族元素を同時に含んだ層へ更にＳｂを添加するのは容易ではない。特にＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層は通常Ｉｎを３０〜４０％含んでいるが、ＭＯＣＶＤ法ではＩｎ組成の増加とともにＮの取り込まれが激減し、より多量のＮ原料を供給する必要があり、更にＳｂを添加するのは極めて困難である。この実施例１では、ＭＯＣＶＤ法で結晶成長しているが、量子井戸活性層にＳｂが含まれていないので、Ｓｂが含まれている場合に比べて量子井戸活性層の結晶成長が極めて容易となる。
【００９９】
また、上述の例では、ＭＯＣＶＤ法での成長の例を示したが、ＭＢＥ法等の他の成長方法を用いることもできる。また、窒素の原料にＤＭＨｙを用いたが、活性化した窒素やＮＨ３等の他の窒素化合物を用いることもできる。
【０１００】
また、この実施例１では、障壁層としてＧａＰＡｓＳｂを用いたが、障壁層としては、少なくともＳｂが含まれていれば良く、ＧａＰＡｓＳｂの他にも、ＧａＡｓＳｂ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓＳｂ、または、ＧａＩｎＡｓＳｂなどを用いることができる。
【０１０１】
また、図２の例では、積層構造として、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）の例を示したが、多重量子井戸構造を用いることもできる。また、各層の組成厚さ等は、必要に応じて設定できる。また、クラッド層には、ＡｌＧａＡｓ系材料と同様にワイドギャップのＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いることもできる。また、レーザの構造も他の構造にしてもかまわない。
【実施例２】
【０１０２】
図３は本発明の実施例２のＧａＩｎＮＡｓ端面発光型半導体レーザを示す図である。この実施例２の実施例１との違いは、量子井戸活性層（井戸層）を２層とし、その上下に形成した障壁層を、引張り歪みを有するＧａＮＡｓＳｂとしたことである。
【０１０３】
ＧａＮＡｓＳｂでは、ＧａＡｓに対して、Ｎ１％当たり０．２０４％の引張り歪みとなり、また、Ｓｂ１％あたり０．０７８％の圧縮歪となる。よって、引っ張り歪とするために、Ｎ組成をＳｂ組成の約０．３８倍よりも大きくした。具体的には、Ｎ組成１．５％、Ｓｂ組成２％とした。このように、圧縮歪を有する量子井戸活性層に対して引っ張り歪を有する障壁層を用いることで、歪補償構造となり、井戸層を３層としたが、Ｓｂ添加の効果との相乗効果によって量子井戸活性層の結晶性が向上した。
【０１０４】
また、エピタキシャル成長では、下地の結晶品質が成長層の成長品質に及ぼす影響は大きい。ＧａＩｎＮＡｓ系材料をＭＯＣＶＤ法で成長する場合は、Ｎの原料の供給量は、Ａｓの原料の供給量に対して、モル比（「Ｎ原料」／（「Ｎ原料」＋「Ａｓ原料」））が０．９を超えるほど大きくしなければならず、Ｎの原料を多量に供給する必要があり、原料供給のＯＮ，ＯＦＦ時の制御性、つまり界面の制御性を良くすることは難かしい。また、別の成長法であるＭＢＥ法で成長する場合は、Ｎ原料をＲＦ等で活性化させて供給するため、ＯＮ，ＯＦＦを急峻に行うことは容易ではなく、ＭＯＣＶＤ法と同様に界面の制御性を良くすることは難かしい。しかしながら、この実施例２のように障壁層にもＮが添加された構造であると、この界面で原料供給のＯＮ，ＯＦＦの必要がなく、良好な界面を制御して得ることが容易となり、より発光効率が高くしきい値の低い半導体レーザを得ることができた。
【実施例３】
【０１０５】
図４は本発明の実施例３のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子を示す図である。図４に示すように、この実施例３における面発光型半導体レーザ素子（面発光レーザ）は、３インチの大きさの面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板上に、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）が形成されている。
【０１０６】
そして、その上に、アンドープ下部ＧａＡｓスペーサ層，４層のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層と５層のＧａＮＰＡｓＳｂ障壁層（バリア層）とからなる活性層，アンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層が形成されている。
【０１０７】
そして、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）が形成されている。上部反射鏡は、Ｃドープのｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９）とｐ−ＧａＡｓと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）で構成されている。なお、上部反射鏡中の活性層に近い位置には、ＡｌＡｓからなる被選択酸化層が例えば３０ｎｍの厚さで設けられている。また、上部反射鏡の最上部のＧａＡｓ層は、電極とのコンタクトを取るコンタクト層を兼ねている。
【０１０８】
この実施例３では、活性層内の井戸層のＩｎ組成ｘは３３％，窒素（Ｎ）組成は１．０％とした。また、井戸層は、厚さが７ｎｍであり、ＧａＡｓ基板に対して約２．１％の圧縮歪（高歪）を有していた。また、ＧａＮＰＡｓＳｂ障壁層は、Ｎ組成が０．５％，Ｐ組成が９％、Ｓｂ組成が３％であり、厚さが２０ｎｍであり、ＧａＡｓ基板に対して約０．２％の引張り歪みを有している。
【０１０９】
成長方法にはＭＯＣＶＤ法を用いた。キャリアガスには、Ｈ２を用いた。また、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）を用い、そして、窒素（Ｎ）の原料には、ＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので、６００℃以下のような低温成長に適しており、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。この実施例３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。この実施例３では、ＧａＩｎＮＡｓ層は５４０℃で成長させた。
【０１１０】
この実施例３では、所定の大きさのメサを少なくともｐ−ＡｌＡｓ被選択酸化層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電流狭さく部を形成した。そして、次に、ポリイミド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上のポリイミドを除去し、ｐコンタクト層上の光出射部以外にｐ側電極を形成し、また、基板の裏面にｎ側電極を形成した。
【０１１１】
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。
【０１１２】
また、エピタキシャル成長では、下地の結晶品質が成長層の成長品質に及ぼす影響は大きい。この実施例３のように障壁層のＮ組成が量子井戸活性層のＮ組成よりも小さい場合、量子井戸活性層成長時の下地層となる障壁層の結晶性が向上することになり、量子井戸活性層の結晶性が向上し、より発光効率が高く、低しきい値電流で動作した。
【０１１３】
また、障壁層のＮ組成を量子井戸活性層よりも小さくしているので、Ｎ添加による伝導帯エネルギーの低下は量子井戸活性層の伝導帯エネルギーの方が障壁層よりも大きくなり、これによって、充分大きな伝導帯バンド不連続を得ることができ、温度特性の良好な面発光レーザを得ることができた。
【０１１４】
また、障壁層のＮ組成は小さいが、Ｐを添加しているので、充分な引張り歪み組成を得ることができ、大きな圧縮歪みを有した活性層を用いていても、結晶欠陥が発生することなく井戸数を増やすことができ、高出力が得られ、また、歪みの低減効果により素子の信頼性も向上した。
【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の作製には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。すなわち、原料供給量を大きくすると、排気系に負担がかかるというデメリットがある。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波長帯の面発光型半導体レーザ素子では、結晶成長層の厚さとして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／時程度であり、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。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との間に、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。
【０１１９】
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ことの他に、多層膜反射鏡の低屈折率層と高屈折率層と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、原料供給量を原料セルの温度を変えて制御しており、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。
【０１２０】
一方、ＭＯＣＶＤ法は、原料ガス流量を制御するだけで良く、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／時以上と高くでき、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。
【０１２１】
このように、この実施例３によれば、低抵抗，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。
【実施例４】
【０１２２】
図５は本発明の実施例４の１．３μｍ帯面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【０１２３】
この実施例４が実施例３と違うところは、障壁層として引っ張り歪を有するＧａＮＰＡｓが用いられ、大きな圧縮歪を有する量子井戸活性層と引っ張り歪を有する障壁層との間に、両者の間の格子定数を持つＧａＡｓＳｂからなる中間層が形成されていることである。この中間層は、Ｓｂ組成が５％であり、ＧａＡｓ基板に対して約０．４％の圧縮歪を有していた。また、この中間層の厚さは１ｎｍとした。
【０１２４】
表面エネルギーを下げ３次元成長を抑制し２次元成長を促進させるサーファクタント的な効果を得るために、Ｓｂは必ずしも障壁層全体に添加される必要はなく、歪を有する量子井戸活性層成長開始時の被成長基板表面層にＳｂが含まれていれば良い。例えばこの実施例４のように障壁層にＳｂを含まない材料を用いた場合、障壁層と歪を有する量子井戸活性層との間にＳｂを含んだ中間層を挿入した構造とすることで、量子井戸活性層の結晶性を向上することができた。
【０１２５】
また、大きな圧縮歪を有する量子井戸活性層と引っ張り歪を有する障壁層とを積層することで歪補償構造となり、活性層の歪が低減（補償）されるが、界面ではより歪差が大きくなっているので、場合によっては歪補償効果が得られない場合がある。この第４の実施例のように圧縮歪層と引っ張り歪層との間に格子定数がその間にある中間層を挿入することで、歪差を低減でき、歪補償効果を容易に得ることができた。
【０１２６】
なお、この実施例４では、中間層としてＧａＡｓＳｂを用いたが、Ｓｂを含んでいれば良く、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓＳｂ、または、ＧａＩｎＡｓＳｂなどを用いることができる。
【０１２７】
ただし、ＭＯＣＶＤ法のような有機金属や水素化物原料を用いた原料同士の反応を含んだ成長方法においては、Ｓｂ組成はＶ族供給比に大きく依存し、Ｎと他のＶ族元素を同時に含んだ層へ更にＳｂを添加するのは容易ではない。よって、ＧａＡｓ基板に成長する場合は、中間層としては、ＧａＡｓＳｂが最も容易に結晶成長できるので好ましい。
【実施例５】
【０１２８】
図６は本発明の実施例５の面発光レーザアレイを示す図（上面図）である。
【０１２９】
この実施例５の面発光レーザアレイは、実施例４の面発光型半導体レーザが１０素子、１次元に並んだものとなっている。これは、２次元に集積させてもかまわない。ただし、実施例５の面発光レーザアレイは、実施例４と導電型（ｐ，ｎ）が逆になっている。すなわち、実施例５の面発光レーザアレイでは、上面にｎ側個別電極が形成され、基板裏面にｐ側共通電極が形成されている。これはアノードコモンとして高速動作が可能なバイポーラトランジスタ駆動回路を用いることができるので、複数の素子により同時により多くのデータを伝送することができるからである。これにより、同時により多くのデータを伝送する並列伝送が可能となる。
【実施例６】
【０１３０】
図７は本発明の実施例６の光送信モジュールを示す図であり、実施例６の光送信モジュールは、実施例５の面発光レーザアレイチップとシリカファイバーとを組み合わせたものとなっている。この実施例６では、面発光レーザアレイチップからのレーザ光が光ファイバーに入力され伝送される。ここで、光ファイバーには、シングルモードファイバーを用いている。同時により多くのデータを伝送するために、複数の半導体レーザが集積したレーザアレイを用いた並列伝送が試みられている。この実施例６では、シングルモード高出力面発光レーザを用いているので、高速な並列伝送が可能となり、従来よりも多くのデータを同時に伝送できるようになった。
【０１３１】
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に、これを用いた低コスト，高信頼性の光通信システムを実現できる。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。
【０１３２】
この実施例６では、面発光型半導体レーザ素子と光ファイバーとを１対１に対応させたが、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、伝送速度を更に増大することが可能となる。
【実施例７】
【０１３３】
図８は本発明の実施例７の光送受信モジュールを示す図であり、この実施例７の光送受信モジュールは、実施例３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ものとなっている。
【０１３４】
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８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）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低コスト，高信頼性の光通信システムを実現できる。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は、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。
【０１３５】
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半導体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。
【０１３６】
本発明の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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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すると、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。
【０１３９】
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、また、本発明を採用することにより、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ことで、低コストで信頼性が高い光送信モジュール，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。
【実施例８】
【０１４０】
図９は本発明の実施例８の１．３μｍ帯面発光型半導体レーザ素子の活性層構造を示す図である。
【０１４１】
この実施例８が実施例３と違うところは、障壁層としてＧａＮＰＡｓを用い、また量子井戸活性層として６分子層のＧａＩｎＡｓＳｂ層と２分子層のＧａＮＡｓ層を交互に３．５周期積層した短周期超格子構造としたことである。ＧａＩｎＡｓＳｂ層のＩｎ組成は４０％、Ｓｂ組成は４％とした。また、ＧａＮＡｓ層のＮ組成は２％とした。これは他の組成でもかまわない。
【０１４２】
本実施例の量子井戸活性層は、ＮとＳｂの組み合わせ、ＩｎとＮの組み合わせが同時に含まれないＧａＩｎＡｓＳｂ層とＧａＮＡｓ層を数原子層程度で周期的に積層することで、ＧａＩｎＡｓＳｂ層とＧａＮＡｓ層との平均組成のＧａＩｎＮＡｓＳｂ混晶と同等な材料とみなせる。ＧａＩｎＮＡｓではＮ添加によるＩｎの組成偏析による３次元成長が問題となるが、ＩｎとＮを同時に含んでいないので、Ｎ添加による３次元成長を抑制できる。また、ＧａＩｎＡｓＳｂ層はＩｎを含んでおり大きな圧縮歪を有するが、Ｓｂ添加によりサーファクタント的な効果を得てＧａＩｎＡｓＳｂ層自体の３次元成長を抑制できるとともに、ＧａＮＡｓ層成長時の下地結晶にＳｂが含まれることからＧａＮＡｓ層のＮ組成偏析も低減でき、平坦で均一な活性層を形成できる。このようにＭＯＣＶＤ法では成長が困難であるＩｎ、Ｓｂ、Ｎ、Ａｓを同時に含んだＧａＩｎＮＡｓＳｂの物性に近い特性を得ることができる。
【０１４３】
これにより、この実施例８によれば、発光効率が高く、低抵抗，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た。
【図面の簡単な説明】
【０１４４】
【図１】本願の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２】本発明の実施例１のＧａＩｎＮＡｓ端面発光型半導体レーザを示す図である。
【図３】本発明の実施例２のＧａＩｎＮＡｓ端面発光型半導体レーザを示す図である。
【図４】本発明の実施例３のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【図５】本発明の実施例４の１．３μｍ帯面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【図６】本発明の実施例５の面発光レーザアレイを示す図（上面図）である。
【図７】本発明の実施例６の光送信モジュールを示す図である。
【図８】本発明の実施例７の光送受信モジュールを示す図である。
【図９】本発明の実施例８の面発光レーザの活性層構造を示す図である。
【図１】
2004289112.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004289112.tif 000008
【図７】
2004289112.tif 000009
【図８】
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【図９】
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