(57)【要約】【課題】  ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層を用いた半導体発光素子において、温度特性が良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】  ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層（バリア層）とからなる活性層を有する半導体発光素子において、前記障壁層は、量子井戸活性層と同様に窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んでいるが、Ｎ組成が量子井戸活性層よりも小さいIII−Ｖ族混晶半導体で形成されていることを特徴としている。【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族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層とからなる活性層を有する半導体発光素子において、前記障壁層は、量子井戸活性層と同様に窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んでいるが、Ｎ組成が量子井戸活性層よりも小さいIII−Ｖ族混晶半導体で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、前記障壁層は、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素と同時に、燐（Ｐ）も含むことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
請求項１記載の半導体発光素子において、前記障壁層は、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＰＡｓ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂのいずれか１つであることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
ＧａＡｓ基板上に、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層とからなる活性層と、活性層の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡とを含む共振器構造を有する半導体発光素子において、前記障壁層は、量子井戸活性層と同様に窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んでいるが、Ｎ組成が量子井戸活性層よりも小さいIII−Ｖ族混晶半導体で形成されており、反射鏡と活性層との間のスペーサ層は主にＧａＡｓよりバンドギャップの大きい材料からなることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項５】
請求項４記載の半導体発光素子において、前記ＧａＡｓよりバンドギャップの大きい材料は、ＧａＩｎＰＡｓまたはＡｌＧａＡｓであることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、半導体発光素子は面発光型半導体レーザ素子であることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項７】
請求項６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８】
請求項６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９】
請求項６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。
【請求項１０】
窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層とからなる活性層を有し、前記障壁層は、量子井戸活性層と同様に窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んでいるが、Ｎ組成が量子井戸活性層よりも小さいIII−Ｖ族混晶半導体で形成されている半導体発光素子の製造方法であって、Ｇａ原料セルを複数用意したＭＢＥ（分子線エピタキシー）装置を用い、量子井戸活性層と障壁層は別々のＧａ原料セルを用いて成長し、量子井戸活性層成長に用いるセルのＧａ供給量を障壁層成長に用いるセルのＧａ供給量よりも少なくすることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【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および半導体発光素子の製造方法に関する。
【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システムを実現するために、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。温度特性が悪い主な理由は伝導帯バンド不連続が小さいために電子がオーバーフローし易く、これの温度依存性が大きいためである。
【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した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。圧縮歪みを有するＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層を用いた場合、障壁層にはＧａＡｓが良く用いられている。また、Ｎを含まない高歪みＧａＩｎＡｓ量子井戸活性層を用いて１４０Ｋ〜１７０Ｋと良好な温度特性の報告がある（例えば非特許文献３参照）。障壁層にはＧａＡｓが用いられている。
【０００８】
しかし、このように大きな圧縮歪を有している場合、二次元成長から三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。従来では、低温成長法（例えば特許文献２参照。）や、Ｓｂを添加しサーファクタント的な効果を得る方法（例えば特許文献３参照。）が提案されているが、結晶欠陥の発生を抑えるために量子井戸数の制限があるなど、デバイス設計の制限が生じる。
【０００９】
これを改善する方法として、基板より格子定数が小さくＮを含んだＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＰｆＡｓ１−ｅ−ｆ系材料（例えば特許文献４参照。）、ＧａＮＰＡｓまたはＧａＮＡｓ層（例えば特許文献５参照。）、ＧａＮＡｓ層（例えば特許文献３参照。）、ＧａＮＡｓＳｂ（例えば非特許文献４参照。）を障壁層として、活性層の歪を低減（補償）する歪補償構造が提案されている。具体的なＮ組成としては、特許文献２ではＧａＩｎＮＡｓＳｂ井戸層０．９％とＧａＮＡｓ障壁層１．８％の組み合わせとなっており、また、非特許文献４ではＧａＩｎＮＡｓＳｂ井戸層１．７％とＧａＮＡｓＳｂ障壁層２％の組み合わせとなっており、また、特許文献５ではＧａＩｎＮＡｓ井戸層，ＧａＮＡｓ障壁層とも２％となっており、障壁層のＮ組成の方が大きいか井戸層と同じになっている。
【００１０】
障壁層にＮを添加した材料を用いる理由としては、特許文献４では、歪補償層を形成し活性層の歪みを低減するため、及び、井戸層と障壁層の界面の制御を容易に行うためと述べられている。また、特許文献５では、歪補償層を形成し活性層の歪みを低減するためと述べられている。また、特許文献３では、伝導帯バンド不連続を小さくして量子準位を下げて長波長化させるため、及び井戸層と障壁層の両方にＮが添加されているとホモエピタキシャルに近づくので結晶性が向上するためと述べられている。
【００１１】
ＧａＡｓに対してＮを添加すると格子定数が小さくなる。また、ＧａＮＡｓはＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層との伝導帯バンド不連続が小さくなり量子準位エネルギーが下がるので、発振波長を長波長化する効果がある。よって、量子井戸活性層において必要な波長を得るためのＮ組成を低減することができ、活性層の品質を向上させることができる。しかしながら、同じ理由（ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸層との伝導帯バンド不連続が小さくなる。）で、電子のオーバーフローが増え、温度特性が悪くなるという欠点がある。
【特許文献１】特開平６−３７３５５号公報
【非特許文献１】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３５（１９９６）ｐｐ．１２７３−１２７５
【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２】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｙｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２０００）  ｐｐ．３４０３−３４０５
【非特許文献３】ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ｌｅｔｔ．  Ｖｏｌ．１２  （２０００）  ｐｐ．１２５−１２７
【特許文献４】特開平１０−１２６００４号公報
【特許文献５】特開平１０−１４５００３号公報
【非特許文献４】Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．  Ｌｅｔｔ．  Ｖｏｌ．３８，  （２００２）  ｐｐ２７７−２７８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層を用いた半導体発光素子において、温度特性が良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族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層とからなる活性層を有する半導体発光素子において、前記障壁層は、量子井戸活性層と同様に窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んでいるが、Ｎ組成が量子井戸活性層よりも小さいIII−Ｖ族混晶半導体で形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、前記障壁層は、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素と同時に、燐（Ｐ）も含むことを特徴としている。
【００１５】
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の半導体発光素子において、前記障壁層は、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＰＡｓ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂのいずれか１つであることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項４記載の発明は、ＧａＡｓ基板上に、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層とからなる活性層と、活性層の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡とを含む共振器構造を有する半導体発光素子において、前記障壁層は、量子井戸活性層と同様に窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んでいるが、Ｎ組成が量子井戸活性層よりも小さいIII−Ｖ族混晶半導体で形成されており、反射鏡と活性層との間のスペーサ層は主にＧａＡｓよりバンドギャップの大きい材料からな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４記載の半導体発光素子において、前記ＧａＡｓよりバンドギャップの大きい材料は、ＧａＩｎＰＡｓまたはＡｌＧａＡｓであることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、半導体発光素子は面発光型半導体レーザ素子であることを特徴としている。
【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。
【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。
【００２１】
また、請求項９記載の発明は、請求項６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。
【００２２】
また、請求項１０記載の発明は、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層とからなる活性層を有し、前記障壁層は、量子井戸活性層と同様に窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んでいるが、Ｎ組成が量子井戸活性層よりも小さいIII−Ｖ族混晶半導体で形成されている半導体発光素子の製造方法であって、Ｇａ原料セルを複数用意したＭＢＥ（分子線エピタキシー）装置を用い、量子井戸活性層と障壁層は別々のＧａ原料セルを用いて成長し、量子井戸活性層成長に用いるセルのＧａ供給量を障壁層成長に用いるセルのＧａ供給量よりも少なくすることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２３】
以上に説明したように、請求項１乃至請求項４記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層とからなる活性層を有する半導体発光素子において、前記障壁層は、量子井戸活性層と同様に窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んでいるが、Ｎ組成が量子井戸活性層よりも小さいIII−Ｖ族混晶半導体で形成されているので、障壁層にＮを添加した効果を有したまま、以下の効果が得られる。つまり、障壁層のＮ組成を量子井戸活性層のＮ組成より小さくしたので、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レーザを得ることができる。
【００２４】
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、量子井戸活性層の結晶性が向上し、発光効率を向上させることができる。
【００２５】
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、前記障壁層は、Ｎと他のＶ族元素と同時に、燐（Ｐ）も含むので、引張り歪み量を調整できるようになる。すなわち、ＧａＡｓに対して引張り歪みを有する材料としては、ＧａＡｓに対して少なくともＮまたはＰの一方を添加する材料が挙げられる。請求項１では、障壁層のＮ組成を井戸層より小さくしているので、障壁層の引張り歪み量には制限が生じる。これに対し、請求項２のようにＰを添加することで、引張り歪み量を調整できるようになる。よって、歪補償構造の最適化ができるので、井戸数の数を増加できるようになり、デバイス設計の自由度が高くなる。更には信頼性の改善が得られるようになる。
【００２６】
更に、Ｐ添加は伝導帯エネルギーを高くする効果があり、Ｎ添加で低下した伝導帯エネルギーを補償して井戸層との伝導帯バンド不連続を極めて充分なものとし、電子の閉じ込めを良好にすることができるので、極めて温度特性の良好な半導体レーザを得ることができる。
【００２７】
また、請求項４，請求項５記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板上に、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層とからなる活性層と、活性層の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡とを含む共振器構造を有する半導体発光素子において、前記障壁層は、量子井戸活性層と同様に窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んでいるが、Ｎ組成が量子井戸活性層よりも小さいIII−Ｖ族混晶半導体で形成されており、反射鏡と活性層との間のスペーサ層は主にＧａＡｓよりバンドギャップの大きい材料からなるので、障壁層のＮ組成が量子井戸活性層より小さいことに加えて、スペーサ層を主にＧａＡｓよりバンドギャップの大きい材料で構成したので、面発光レーザにおいても量子井戸活性層からスペーサ層にあふれる電子を低減でき、低しきい値電流で温度特性の良好な面発光レーザを得ることができる。なお、前記ＧａＡｓよりもバンドギャップの大きい材料としては、例えばＧａＩｎＰＡｓまたはＡｌＧａＡｓがある。
【００２８】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、半導体発光素子は面発光型半導体レーザ素子であり、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。また、面発光型半導体レーザは、端面発光型レーザと比べて共振器長が極端に短く、利得領域が小さいので、大きな活性層利得を必要とする。素子の特性を良好にするためには量子井戸活性層の数を複数にして利得を増加させる必要がある。本発明のように伝導帯や価電子帯のバンド不連続を制御した歪補償層を設けたので、井戸層を多重化することが可能となり低しきい値電流動作し、高出力であり、温度特性が良い面発光型半導体レーザを実現できる。なお、ＭＯＣＶＤ法で形成すると、面発光レーザ型半導体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。
【００２９】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項６記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いた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実現することができる。
【００３０】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項６記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いた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実現することができる。
【００３１】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項６記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いた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実現することができる。
【００３２】
また、請求項１０記載の発明によれば、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、量子井戸活性層成長に用いるセルのＧａ供給量を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、容易に障壁層のＮ組成を量子井戸活性層のＮ組成よりも小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態は、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層とからなる活性層を有する半導体発光素子において、前記障壁層は、量子井戸活性層と同様に窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んでいるが、Ｎ組成が量子井戸活性層よりも小さいIII−Ｖ族混晶半導体で形成されていることを特徴としている。
【００３４】
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「１６ｔｈ  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。また、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。
【００３５】
まず、本発明では、障壁層にＮを添加したことにより、次の効果は維持される。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。
【００３６】
また、障壁層にＮを添加することで、ＧａＡｓに対して引張り歪み層とすることができ、圧縮歪み量子井戸活性層を用いた場合に、歪補償構造を形成可能であり、歪みの低減効果により、素子の信頼性が向上する。
【００３７】
さらに、本発明では、障壁層のＮ組成が井戸層よりも小さいことによって、更なる効果が得られる。つまり、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。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の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、比較として用いた量子井戸活性層，障壁層ともにＮを含まない材料としては、例えば井戸層として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の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。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。
【００３８】
しかしながら、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供給量を障壁層成長に用いるセルのＧａ供給量よりも少なくし、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。
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態の半導体発光素子は、上述した第１の実施形態の半導体発光素子において、前記障壁層は、Ｎと他のＶ族元素と同時に、燐（Ｐ）も含むことを特徴としている。
【００３９】
ＧａＡｓに対して引張り歪みを有する材料としては、ＧａＡｓに対して少なくともＮまたはＰの一方を添加した材料が挙げられる。第１の実施形態では、障壁層のＮ組成を井戸層よりも小さくしているので、障壁層の引張り歪み量には制限が生じる。第２の実施形態のようにＰを添加することで、引張り歪み量を調整できるようになる。よって、歪補償構造の最適化ができるので、井戸数の数を増加できるようになり、デバイス設計の自由度が高くなる。更には信頼性の改善が得られるようになる。
【００４０】
更に、Ｐの添加は伝導帯エネルギーを高くする効果があり、Ｎの添加で低下した伝導帯エネルギーを補償して、井戸層との伝導帯バンド不連続を充分なものとし、電子の閉じ込めを良好なものにすることができる。
【００４１】
具体的に、ＧａＡｓに対してＰを１％添加した材料では、バンドギャップは１１．７ｍｅＶ程度大きくなる。伝導帯は７ｍｅＶ上がり、価電子帯は４．７ｍｅＶ下がる（Ａ．Ｇ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ等による文献「Ｐｙｓ．Ｒｅｖ．１４６（１９６６）  ｐ６０１」、Ｓｕ−Ｈｕａｉ  Ｗｅｉ等による文献「Ａｐｐｌ．  Ｐｙｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７２  （１９９８）  ｐ２０１１」などを参照）。また、ＧａＡｓ，ＧａＰの格子定数は、それぞれ、５．６５３２５オングストローム，５．４４９５オングストロームであるので、ＧａＡｓに対してＰ１％当たり０．０３６０％の引張り歪みとなる。
【００４２】
上述した第１（さらには第２）の実施形態の半導体発光素子において、障壁層は、具体的には、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＰＡｓ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、あるいは、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂなどにより形成されている。
【００４３】
なお、障壁層は複数の層から構成されていても良い。量子井戸活性層に一番近い層のＮ組成が量子井戸活性層のＮ組成より小さければかまわない。
【００４４】
また、上述した第１あるいは第２の実施形態の半導体発光素子は、具体的には、例えば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）である。
【００４５】
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、このような半導体レーザ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。すなわち、面発光型半導体レーザ素子（面発光レーザ）において、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層にすることで、これらの波長に対応できる。
【００４６】
また、面発光レーザは、端面発光型レーザと比べて、共振器長が極端に短く、利得領域が小さいので、大きな活性層利得を必要とする。素子の特性を良好にするためには、量子井戸活性層の数を複数にして、利得を増加させる必要がある。本発明のように歪補償構造（障壁層）が設けられることで、活性層の数を増やすことができ、低しきい値電流動作し、高出力であり、温度特性が良い面発光レーザを実現できる。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。
（第３の実施形態）
また、本発明の第３の実施形態の半導体発光素子は、ＧａＡｓ基板上に、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層とからなる活性層と、活性層の上部および下部に設けられた上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造を有する面発光レーザにおいて、
前記障壁層は、量子井戸活性層と同様に窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んでいるが、Ｎ組成が量子井戸活性層よりも小さいIII−Ｖ族混晶半導体で形成されており、反射鏡と活性層との間のスペーサ層は主にＧａＡｓよりバンドギャップの大きい材料からなることを特徴としている。
【００４７】
障壁層にＮを添加したことにより、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。また、障壁層にＮを添加することで、ＧａＡｓに対して引張り歪み層とすることができ、圧縮歪み量子井戸活性層を用いた場合に、歪補償構造を形成可能であり、歪みの低減効果により、素子の信頼性が向上する。
【００４８】
さらに、障壁層のＮ組成が量子井戸活性層のＮ組成よりも小さいことによって、量子井戸活性層の伝導帯エネルギーの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、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、障壁層のＮ組成の方が大きい場合に比べて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ので、量子井戸活性層の結晶性が向上する。
【００４９】
また、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層とした面発光レーザにおいて、活性層と反射鏡との間にあって、活性層に光とキャリアを閉じ込めるとともに共振器長を調整する役割をもつスペーサ層として通常ＧａＡｓが用いられている。ＧａＡｓとＧａＩｎＮＡｓ系活性層の伝導帯バンド不連続が大きいため、電子を良く閉じ込めることができる。しかしながら、面発光レーザの場合は端面型レーザに比べて発振に必要なキャリア密度は大きく、スペーサ層にあふれる電子が増えるので、スペーサ層と量子井戸活性層との間でより大きな伝導帯バンド不連続が必要である。スペーサ層を主にＧａＡｓよりバンドギャップの大きい材料で構成すると、面発光レーザにおいても量子井戸活性層からスペーサ層にあふれる電子を低減でき、しきい値電流を低減できる。また温度特性も良好になる。
【００５０】
前記ＧａＡｓよりもバンドギャップが大きい材料は、例えばＧａＩｎＰＡｓ、またはＡｌＧａＡｓで構成することができる。Ｓｂ，Ｎなど他のIII−Ｖ族が含まれていてもかまわない。
【００５１】
このような本発明の面発光レーザは、光送信モジュールの光源として用いることができる。
【００５２】
上述したような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（面発光レーザ）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。
【００５３】
また、本発明の面発光レーザは、光送受信モジュールの光源として用いることもできる。
【００５４】
上述したような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（面発光レーザ）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。
【００５５】
また、本発明の面発光レーザは、光通信システムの光源として用いることもできる。
【００５６】
上述したような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（面発光レーザ）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。
【実施例１】
【００５７】
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）構造である。
【００５８】
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。
【００５９】
ここで、活性層は、圧縮歪みを有する２層のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層（井戸層）と、その上下に形成された引張り歪みを有する３層のＧａＮＡｓ障壁層（バリア層）とからなっている。井戸層のＩｎ組成ｘは３３％，窒素組成は１．０％とした。また、井戸層の厚さは７ｎｍとした。また、障壁層のＮ組成は０．８％とした。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。ＧａＮＡｓ障壁層もＧａＩｎＮＡｓ層と同じ５５０℃で成長した。
【００６０】
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。
【００６１】
この実施例１の素子では、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、これにより、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。
【００６２】
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ことになり、量子井戸活性層の結晶性が向上し、発光効率が高く、低しきい値電流で動作した。
【００６３】
なお、障壁層と量子井戸活性層の界面の結晶性は重要である。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、この実施例１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る。
【００６４】
なお、本実施例では量子井戸活性層が圧縮歪組成となっているが、格子整合組成や引っ張り歪組成でもこれらの効果が得られる。
【００６５】
更に、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、ＧａＮＡｓ障壁層（バリア層）が歪補償構造となって形成されており、歪みの低減効果により、素子の信頼性が向上した。
【００６６】
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。また、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】
【００６７】
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、活性層（井戸層）は１層とし、その上下に形成した引張り歪みを有する障壁層をＧａＮＰＡｓ（障壁層のＮ組成は０．３％、Ｐ組成は７％）とした点である。
【００６８】
この実施例２の素子では、伝導帯バンド不連続はＧａＡｓ障壁層の場合と同程度であった。障壁層の引張り歪み量は０．３％であった。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、歪みの低減効果により素子の信頼性が向上した。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、更に障壁層はＰ添加により伝導帯低下を補償しているので、充分大きな伝導帯バンド不連続を得ることができ、単一量子井戸構造であるが、温度特性の良好な半導体レーザを得ることができた。
【実施例３】
【００６９】
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。
【００７０】
そして、その上に、アンドープ下部ＧａＡｓスペーサ層，４層のＧａＩｎＮＡｓ井戸層と５層のＧａＮＰＡｓ障壁層からなる多重量子井戸活性層，アンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層が形成されている。
【００７１】
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。
【００７２】
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、ＧａＮＰＡｓ障壁層は、Ｎ組成０．８％，Ｐ組成４％、厚さは２０ｎｍとし、ＧａＡｓ基板に対して０．３％の引張り歪みを有している。
【００７３】
成長方法はＭＯＣＶＤ法で行なった。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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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が向上した。
【００７８】
また、障壁層としてＧａＡｓにＰのみ添加したＧａＰＡｓを用いると、ＧａＡｓを用いた場合に比べて伝導帯バンド不連続は大きくなり、電子閉じ込めは良好になるが、量子準位が上がるので、同じ発振波長を得るための井戸層のＮ組成が大きくなってしまい、井戸層の結晶品質が低下してしまう。文献「Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｙｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２０００）ｐｐ．３４０３−３４０５」では、ＧａＡｓ障壁層で２００Ｋを越える温度特性が得られており、伝導帯バンド不連続をこれ以上大きくしなくとも充分であるので、井戸層の結晶性を悪化させないためにＧａＰＡｓにＮを添加して伝導帯バンド不連続を適正化したＧａＮＰＡｓが障壁層として好ましい。
【００７９】
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ことになり、量子井戸活性層の結晶性が向上し、発光効率が高く、低しきい値電流で動作した。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
なお、この実施例３では、障壁層として、ＧａＮＰＡｓを用いたが、ＧａＡｓよりも格子定数が小さいＧａＮＡｓ，ＧａＮＰＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＮＰＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂのいずれかであって、障壁層のＮ組成が井戸層のＮ組成よりも小さい値であれば用いることができる。
【００８７】
なお、障壁層は複数の層から構成されていても良く、量子井戸活性層に一番近い層のＮ組成が量子井戸活性層のＮ組成より小さければかまわない。例えば障壁層をＧａＮＡｓとＧａＰＡｓの二つの材料から構成し、ＧａＮＡｓを量子井戸活性層に接する層とすることができる。これにより、量子井戸活性層と障壁層との界面を良好に形成することと、歪補償することと、伝導帯バンド不連続を大きくすることとを独立にコントロールすることができるようになる。
【００８８】
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】
【００８９】
図５は本発明の実施例４の面発光レーザアレイを示す図（上面図）である。この実施例４の面発光レーザアレイは、実施例３の面発光レーザが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４の面発光レーザアレイは、実施例２と導電型ｐ，ｎが逆になっている。すなわち、実施例４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５】
【００９０】
図６は本発明の実施例５の光送信モジュールを示す図であり、実施例５の光送信モジュールは、実施例４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５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５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。
【００９１】
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。
【００９２】
この実施例５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６】
【００９３】
図７は本発明の実施例６の光送受信モジュールを示す図であり、この実施例６の光送受信モジュールは、第３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ものとなっている。
【００９４】
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７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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【実施例７】
【０１００】
図８は本発明の実施例７のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子を示す図である。この実施例７の実施例３との違いは、スペーサ層をＧａＩｎＰとしたことである。
【０１０１】
ＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層とした面発光レーザにおいて、活性層と反射鏡との間にあって、活性層に光とキャリアを閉じ込めるとともに共振器長を調整する役割をもつスペーサ層として、通常、ＧａＡｓが用いられている。この場合、ＧａＡｓとＧａＩｎＮＡｓ系活性層の伝導帯バンド不連続が大きいため、電子を良く閉じ込めることができる。しかしながら、面発光レーザは端面型レーザに比べて発振に必要なキャリア密度は大きく、スペーサ層にあふれる電子が増えるので、スペーサ層と量子井戸活性層との間でより大きな伝導帯バンド不連続を持つことが好ましい。本実施例では、スペーサ層を主にＧａＡｓよりもバンドギャップの大きいＧａＩｎＰで構成したので、面発光レーザにおいても量子井戸活性層からスペーサ層にあふれる電子を低減でき、しきい値電流を低減できた。また温度特性も良好になった。
【０１０２】
なお本実施例ではスペーサ層としてＧａＩｎＰを用いたが、ＧａＡｓよりもバンドギャップの大きいＧａｘＩｎ１−ｘＰｙＡｓ１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）やＡｌＧａＡｓを用いることもできる。また、Ｓｂ，Ｎなど他のIII−Ｖ族が含まれていてもかまわない。
【０１０３】
また、本実施例では反射鏡ではさまれた共振器部（上下のスペーサ層と量子井戸活性層と障壁層）の厚さを１λ分としたが、２λなど１／２λの整数倍とすることができる。
【実施例８】
【０１０４】
本発明の実施例８のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の構成は、図８に示す実施例７と同じであるが、実施例７の違いは、少なくとも活性層をＭＢＥ法で成長していることである。この場合、Ｇａ原料セルを２つ用意した装置を用い、供給量の大きいセルはＧａＮＰＡｓ障壁層成長に用い、供給量の小さいセルはＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層成長に用いる。それぞれの原料セルのシャッターをＯＮ，ＯＦＦするだけで、容易に障壁層のＮ組成を量子井戸活性層よりも小さくすることができた。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【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】実施例１の半導体発光素子を示す図である。
【図３】実施例２の半導体発光素子を示す図である。
【図４】実施例３の半導体発光素子を示す図である。
【図５】実施例４の面発光レーザアレイを示す図である。
【図６】実施例５の光送信モジュールを示す図である。
【図７】実施例６の光送受信モジュールを示す図である。
【図８】実施例７の面発光レーザを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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