(57)【要約】【課題】  ＧａＡｓ基板と、ＧａＩｎＡｓＮ井戸層と、を用いた長波長の光半導体素子において、発光効率が高く、発振閾値が低い素子を得る。【解決手段】  ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に形成されたｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に形成された、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層と、前記半導体層上に形成され、Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）からなり、前記ｎ型半導体層および前記半導体層よりもバンドギャップエネルギーが小さい井戸層と、前記井戸層上に形成され、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいｐ型半導体層と、を備えることを特徴とする光半導体素子を提供する。【選択図】  図１
2005072470.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板上に形成されたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に形成された、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層と、
前記Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層上に形成され、Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）からなり、前記ｎ型半導体層および前記Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層よりもバンドギャップエネルギーが小さい井戸層と、
前記井戸層上に形成され、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいｐ型半導体層と、
を備えることを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
前記Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層の厚さが０．８ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、前記Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層のＳｅの濃度が２×１０１８ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下であり、
前記井戸層の厚さが３ｎｍ以上８ｎｍ以下であり、前記井戸層のバンドギャップエネルギーが１．０１ｅＶ以下であることを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記井戸層と前記Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層との間隔が３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光半導体素子。
【請求項４】
ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板上に形成され、Ａｌと、Ｇａと、Ａｓと、を含み、Ｓｉが添加されたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成され、Ａｌと、Ｇａと、Ａｓと、を含み、ｐ型不純物が添加されたｐ型半導体層と、
を備え、
前記活性層が、
前記ｎ型半導体層上に形成され、Ｇａと、Ａｓと、を含み、前記ｎ型半導体層よりもバンドギャップエネルギーが小さいｎ側ガイド層と、
前記ｎ側ガイド層上に形成され、２×１０１８ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下の濃度のＳｅが添加されたＧａＡｓからなり、厚さが０．８ｎｍ以上２０ｎｍ以下の、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層と、
前記Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層上に前記Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層と接してまたは前記Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層と３ｎｍ以下の間隔で形成され、Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）からなり、バンドギャップエネルギーが１．０１ｅＶ以下であり、前記ｎ側ガイド層および前記Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層よりもバンドギャプエネルギーが小さく、厚さが３ｎｍ以上８ｎｍ以下の井戸層と、
前記井戸層以上に形成され、Ｇａと、Ａｓと、を含み、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいｐ側ガイド層と、
を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項５】
ＭＯＣＶＤ法により、
ＧａＡｓ基板上にｎ型半導体層を形成し、
前記ｎ型半導体層上に、Ｓｅ原料としてセレン化水素を用いて、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層を形成し、
前記Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層上に、Ｎ原料としてジメチルヒドラジンを用いて、Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）からなり前記ｎ型半導体層および前記ＧａＡｓ（Ｓｅ）層よりもバンドギャップエネルギーが小さい井戸層を形成し、
前記井戸層上に前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいｐ型半導体層を形成することを特徴とする光半導体素子の製造方法。
【請求項６】
前記Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層の成長温度が４２０℃以上５５０℃以下であり、
前記井戸層の成長温度が４２０℃以上５５０℃以下であり、
前記Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層の前記成長温度と前記井戸層の前記成長温度とが概略同一であることを特徴とする請求項５記載の光半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子、光半導体素子およびその製造方法に関し、特に、光通信用の半導体レーザ素子、光半導体素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光波長１．２μｍ〜１．６μｍ帯の長波長の半導体レーザ素子は、光通信用の光半導体素子として注目されている。この長波長の半導体レーザ素子としては、ＩｎＰからなる基板上に、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる発光層を形成した構造が主流となっている。この構造では、発光層と基板との格子定数が近く、実用可能な発光効率が得られている。
【０００３】
しかし、ＩｎＰ基板を使用した半導体レーザ素子は、高価でコストが高いという問題がある。そこで、近年、長波長光通信用の半導体レーザ素子として、安価で加工が容易なＧａＡｓ基板を用い、このＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＡｓＮ発光層（井戸層）を形成する素子が注目されている。
【０００４】
上記のＧａＡｓ基板を用いた長波長の半導体レーザ素子では、１．２μｍ〜１．６μｍ帯での発光を実現するために、発光層のＩｎ組成を３０〜４０％と高くする。もっとも、発光層のＩｎ組成を高くすると、活性層の格子定数が基板に比べて大きくなる。そこで、この素子では、発光層に原子半径の小さいＮを混ぜることで、発光層と、基板と、の格子定数差が大きくなりすぎないようにしている。また、この活性層を３〜８ｎｍ程度の薄膜として、ＧａＩｎＡｓＮ発光層への歪み量が増えすぎないようにしている。また、このＧａＩｎＡｓＮは、一般的に、窒素原料としてジメチルヒドラジン（ＤＭＨ）を用い、ＭＯＣＶＤ法により製造される。そして、ＧａＩｎＡｓＮ活性層にＮとＩｎが十分に取り込まれるようにするために、４２０℃〜５５０℃の低い成長温度で成長される。このような製造方法および構造を用いることで、上記のＧａＡｓ基板を用いたレーザ素子では、長波長で安価な素子を得ようとしている。
【０００５】
また、ＧａＡｓ基板を用いたうえで、ＧａＩｎＡｓＮ活性層にアンチモン（Ｓｂ）を添加する方法も試みられている。この方法は、例えば、特許第３２０９２６６号明細書に記載されている。
【特許文献１】特許第３２０９２６６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＡｓＮ発光層を形成した半導体レーザ素子には、発光効率が低く、閾値が高いという問題があった。これは、ＧａＩｎＡｓＮ発光層およびＧａＡｓ下地層は４２０℃〜５５０℃の低温で成長されるが、このような低温の成長では、結晶成長の観点から、高温での成長に比べ、良質の結晶を得ることが難しいからである。また、ＧａＩｎＡｓＮ系材料は、歪が極めて多い特殊な材料系であり、どのようにすれば発光効率や閾値の特性を高くすることができるのか、実験的にも理論的にも十分に解明されていなかったからである。以下、簡単に説明する。
【０００７】
一般的に、III−Ｖ族化合物半導体発光素子では、発光層の歪が大きくなると、発光層の転位が増加し光学特性が劣化しやすくなる。例えば、多くのIII−Ｖ族化合物半導体では、歪ヘテロ接合系において、膜厚を所定の値よりも厚くすることが困難であることが分かっている。これは、歪へテロ接合系では、膜厚を厚くするほど歪が増えるからである。そして、その歪量の臨界値は、Mathews Blakesleeの理論により、弾性変形よりも塑性変形で歪緩和が進む方がエネルギー的に有利になる量であると説明される。しかしＧａＩｎＡｓＮ系材料では、上記の理論による臨界歪み量を超えて結晶成長を行っても、発光効率等の素子特性が大幅には劣化しない場合が知られている。このように、ＧａＩｎＡｓＮ系材料は、III−Ｖ族化合物半導体の１つであるが、歪と、素子特性と、の関係に関すメカニズムが十分に分かっていない。また、ＧａＡｓ下地層とＧａＩｎＡｓＮ発光層との界面部分の数原子層の構造も明らかになっておらず、歪をどのように緩和することがこの材料系の光半導体素子にとって有利であるのか分かっていない。
【０００８】
また、上記の発光層の歪に着目し、ＧａＩｎＡｓＮ発光層の歪を低減して光学特性の劣化の問題を解決しようとする方法が行われているが、十分な効果が得られていない。
【０００９】
すなわち、ＧａＩｎＡｓＮ系材料では、上述のように下地層および発光層を低温成長するので、下地層にステップバンチング（原子サイズの凹凸）が生じやすくなる。そして、熱力学的には、下地層となるＧａＡｓ層の表面は、平坦であるよりも凹凸があるほうが、活性層の歪を低減しやすい。また、下地層に凹凸があると、ＧａＩｎＡｓＮ結晶が、ＩｎＡｓリッチ領域とＧａＮリッチ領域に相分離しやすくなり、エネルギー的にも有利になる。これらを利用して、発光層の歪を低減する方法が行われている。具体的には、下地層の凹部内に、ＧａＩｎＡｓ層の平均よりもＩｎ組成が高いＧａＩｎＡｓＮ層を形成する。これにより、凹部内の高Ｉｎ組成のＧａＩｎＡｓが弾性変形しやすくなる。これは、凹部内のＧａＩｎＡｓＮのＩｎ組成が高まることによりその延性が高くなり、しかもその体積が小さいためである。そして、この凹部内のＧａＩｎＡｓの弾性変形により、ＧａＩｎＡｓＮ活性層全体の歪が緩和される。また、この極限として、凹部内に量子ドットを形成する方法も行われている。しかし、このように活性層の歪を減らす方法を用いても、発光効率や閾値の特性を十分に改善することはできなかった。
【００１０】
また、発光層の平坦化や発光層の結晶性の向上に着目して、上述の特許第３２０９２６６号明細書のように、発光層にアンチモンを添加する方法も提案されている。この方法は、発光層を平坦化し、発光層の結晶性を向上させることで、特性を向上させようとするものである。しかし、この方法でも、発光効率や閾値の特性を十分に改善することはできていなかった。
【００１１】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたもので、その目的は、光通信用の１．２μｍ〜１．６μｍ帯の波長の光半導体素子において、ＧａＡｓ基板を用いて、発光効率が高く、発振閾値が低い半導体レーザ素子および光半導体素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の実施の形態の光半導体素子は、ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に形成されたｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に形成された、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層と、前記Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層上に形成され、Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）からなり、前記ｎ型半導体層および前記Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層よりもバンドギャップエネルギーが小さい井戸層と、前記井戸層上に形成され、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいｐ型半導体層と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の実施の形態の半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に形成され、Ａｌと、Ｇａと、Ａｓと、を含み、Ｓｉが添加されたｎ型半導体層と、前記ｎ型半導体層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成され、Ａｌと、Ｇａと、Ａｓと、を含み、ｐ型不純物が添加されたｐ型半導体層と、を備え、前記活性層が、前記ｎ型半導体層上に形成され、Ｇａと、Ａｓと、を含み、前記ｎ型半導体層よりもバンドギャップエネルギーが小さいｎ側ガイド層と、前記ｎ側ガイド層上に形成され、２×１０１８ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下の濃度のＳｅが添加されたＧａＡｓからなり、厚さが０．８ｎｍ以上２０ｎｍ以下の、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層と、前記Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層上に前記Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層と接してまたは前記Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層と３ｎｍ以下の間隔で形成され、Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）からなり、バンドギャップエネルギーが１．０１ｅＶ以下であり、前記ｎ側ガイド層および前記Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層よりもバンドギャプエネルギーが小さく、厚さが３ｎｍ以上８ｎｍ以下の井戸層と、前記井戸層以上に形成され、Ｇａと、Ａｓと、を含み、前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいｐ側ガイド層と、を有することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の実施の形態の光半導体素子の製造方法は、ＭＯＣＶＤ法により、ＧａＡｓ基板上にｎ型半導体層を形成し、前記ｎ型半導体層上に、Ｓｅ原料としてセレン化水素を用いて、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層を形成し、前記Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層上に、Ｎ原料としてジメチルヒドラジンを用いて、Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）からなり前記ｎ型半導体層および前記ＧａＡｓ（Ｓｅ）層よりもバンドギャップエネルギーが小さい井戸層を形成し、前記井戸層上に前記井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きいｐ型半導体層を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ＧａＡｓ基板と、ＧａＩｎＡｓＮ井戸層と、を用いた長波長の光半導体素子において、ＧａＩｎＡｓＮ井戸層の下地層としてＳｅが添加されたＧａＡｓ層を用いたので、発光効率が高く、発振閾値が低い素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照にしつつ、本発明の実施の形態について説明する。本発明の実施の形態の特徴の１つは、例えば図１に示すように、ＧａＩｎＡｓＮ井戸層６の下地層５として、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層を用いた点である。これにより、下地層５の表面を平坦化して、発光層６の結晶性を向上させ、発光効率や発振閾値の特性を高くすることができる。以下では、まず、実施の形態で主要部分の構造および製造方法につてい説明し、次に、第１〜第３の実施例で具体的な素子構造および製造方法について説明する。
【００１７】
（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態の半導体レーザ素子の断面図である。この半導体レーザ素子は、光通信用の長波長（１．２μｍ〜１．６μｍ）の素子である。厚さ数百μｍのｎ型ＧａＡｓ基板１上には、ｎ型ＧａＡｓからなるバッファー層２、ＡｌＧａＡｓからなる厚さ１．５μｍのｎ型クラッド層３、ｎ型ＧａＡｓからなる厚さ９０ｎｍのｎ側光ガイド層４、Ｓｅが添加されたｎ型ＧａＡｓからなる厚さ１０ｎｍの下地層（Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層）５、Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ＜１）からなる厚さ３〜８ｎｍの発光層（井戸層）６、ｐ型ＧａＡｓからなる厚さ１００ｎｍのｐ側光ガイド層７、ＡｌＧａＡｓからなる厚さ１．５μｍのｐ型クラッド層８、ＧａＡｓからなる厚さ０．１μｍのｐ型コンタクト層９、が順次形成されている。このうち、ｎ側光ガイド層４〜ｐ側ＧａＡｓ光ガイド層７までは、活性層１０として作用する。なお、実際には、基板１の厚さは数百μｍ、積層体２〜９の厚さは数μｍ、となるが、図１では理解を容易にするため縮尺を変えて示している。
【００１８】
図１の素子では、ｎ型ＧａＡｓ基板１の図中下側にｎ側電極（図示しない）が形成される。また、ｐ型コンタクト層９の図中上側にｐ側電極（図示しない）が形成される。そして、このｐ側電極とｎ側電極とからの電流注入により、発光層６から光が放射される。この光は、活性層１０で増幅される。増幅された光は、レーザ光として、紙面と垂直方向に放射される。
【００１９】
上記の半導体層２〜９は、ＭＯＣＶＤ法により成長する。このＭＯＣＶＤ法は、ＭＢＥ法等に比べ、結晶成長時間が短く、結晶成長装置の値段が安く、原料のコストも安いため、量産化に適している。この結晶成長において、まず、ｎ型クラッド層３は、結晶性を高くして動作電圧を下げるため、６００℃以上の高温で成長する。次に、活性層１０の各層４〜７は、概略同一の温度で連続的に成長する。これは、各層４〜７の成長毎に間隔をあけると、各層４〜７の表面が長時間熱にさらされて、結晶が劣化しやすくなるからである。ここで、活性層１０のＧａＩｎＡｓＮ発光層６は、Ｎが取り込まれるようにするために、５５０℃以下の低温で成長させる必要がある。このため、連続的に成長する活性層１０の成長温度は、５５０℃以下にする。次に、ｐ型クラッド層８は、結晶性を高くして動作電圧を下げるため、６００℃以上の高温で成長する。
【００２０】
図１の半導体レーザ素子の特徴の１つは、ＧａＩｎＡｓＮ発光層６の下地層５として、ＳｅがドーピングされたＧａＡｓ層を形成した点である。これにより、下地層５の表面が平坦になる。  
すなわち、上記のように、活性層１０は、５５０℃以下の低温で形成される。ところが、このような低温の成長では、ステップバンチング（原子サイズの凹凸）による表面荒れが生じやすい。特に、ｎ側光ガイド層４のように、ＧａＡｓ系材料に、ｎ型不純物として一般的であるＳｉが添加されていると、表面荒れが生じやすい。そこで、本実施形態では、下地層５に、適切な量のＳｅをドーピングして、下地層５の表面を原子サイズで平坦化している。以下、図２を用いて説明する。
【００２１】
図２は、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層（下地層）５の表面が原子サイズで平坦化されるために必要な、成長温度と、Ｓｅの含有量と、の条件を示している。縦軸はＳｅ濃度［ｃｍ−３］を、横軸は成長温度［℃］を、それぞれ示している。図から容易に分かるように、縦軸は対数スケール、横軸はリニアスケールである。この図２の条件は、本発明者がシミュレーションおよび実験により得たものである。このシミュレーションおよび実験では、図１の構造において、ｎ側ガイド層４上に、温度とＳｅのドーピング濃度とを変化させて下地層５を形成している。下地層５の表面の平坦性は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により観察している。
【００２２】
図２に示すように、平坦化の効果が得られるＳｅの濃度は、２×１０１８ｃｍ−３以上２×１０１９ｃｍ−３以下である。ただし、成長温度が４００℃以下になると、Ｓｅをドーピングしても平坦化が困難となる。また、成長温度が高いほど、Ｓｅの濃度のマージンが広がる。このように、下地層５の成長温度とＳｅ濃度を図２中斜線の範囲に設定することで、この下地層５の平坦性を高めることができる。この斜線の範囲で平坦性が高くなる理由は、主に、次のように解析される。
【００２３】
（１）下地層５を構成するＧａＡｓの結晶成長時において、Ｓｅを添加すると、ステップ前進速度（横方向の成長速度）が速くなる。これにより、成長速度（縦方向の成長速度）に対するステップ前進速度の割合が大きくなって、結晶表面の平坦化が進行する。この平坦化の効果は、１原子層の成長が起こる間に、各ステップ上の各Ｇａサイトに平均１個以上のＳｅが取り込まれると、顕著にあらわれる。このため、Ｓｅ濃度を一定程度以上添加することにより、平坦性が高くなる。
（２）ステップフローモード（層成長モード）による結晶成長が起こるためには、成長速度よりも表面吸着原子の移動速度が速い必要がある。ここで、下地層５の成長速度は、発光層６におけるＩｎの相分離を防止するために、０．１５μｍ／ｈよりも速くしなければならない。他方、上記の表面吸着原子の移動速度は、温度を高くすれば速くなる。このため、成長温度を４００℃以上にすれば、平坦化の効果が得られるようになる。
（３）温度が高くなると、上記のように表面吸着原子の移動速度が速くなり、平坦化が容易になる。このため、温度が高いほど、低いＳｅ濃度で平坦化できる。
（４）一方、Ｓｅの濃度が高すぎると、不純物濃度が高くなりすぎて、良質な結晶成長が困難となる。具体的には、Ｓｅ濃度が約２×１０１９ｃｍ−３を超えると、結晶表面にＳｅのメタルが析出してしまい、ＧａＡｓ結晶の結晶性が低下する。
【００２４】
このようにして、下地層５として、図２に示す濃度のＳｅを添加したＧａＡｓ層を設けることで、この下地層５の表面が原子サイズで平坦化される。
【００２５】
図１の素子では、上記のように、下地層５が平坦化される。本発明者は、図１の素子では、この平坦化により、発光層６の発光効率が高くなり、発振しきい電流値が小さくなることを知得した。この理由を解明すべく、本発明者は、詳細な実験を行った。その結果、この理由は、成長プロセスと関連していることが分かった。以下、説明する。
【００２６】
本発明者は、鋭意研究の結果、ＧａＩｎＡｓＮ発光層６の成長原料のＤＭＨ（ジメチルヒドラジン）に特殊なエッチング効果があることを見出した。具体的には、ＧａＡｓ系結晶中にＤＭＨを流すと結晶成長速度が低下した。また、成長温度５２０℃でＧａＩｎＡｓの結晶成長中にＤＭＺを流すと、ＧａＩｎＡｓの成長速度が３割程度低下した。ＤＭＨからは、エッチング効果があるＮＨ２が供給される。このため、このＮＨ２により、エッチング効果が生じていると考えられる。このエッチングク効果のため、ＧａＡｓからなる下地層５上にＧａＩｎＡｓＮ発光層６を形成する際には、下地層５がエッチングされる。そして、下地層５に表面荒れ（ステップバンチング）が存在すると、ステップ部分において特にエッチング効果が強まるため、表面荒れが大きくなる。つまり、下地層５の結晶表面に凹凸があると、ＧａＩｎＡｓＮ発光層６を形成する際に、ＮＨ２のエッチングにより、この凹凸が大きくなってしまう。このように下地層５に大きな凹凸が生じると、その上の発光層６の結晶性が悪化してしまう。逆に、下地層５が平坦であれば、上記のエッチング効果の影響は小さくなる。このため、下地層５を平坦化させることにより、ＧａＩｎＡｓＮ発光層６の結晶性が高くなる。
【００２７】
また、下地層５の表面荒れが大きくなりすぎないことの効果は、このＧａＩｎＡｓＮ系材料においては、特に大きい。これは、ＧａＩｎＡｓＮ系材料においては発光層６の厚さが３〜８ｎｍと薄いため、下地層５の表面荒れが大きくなると、バンドギャップに大きな揺らぎが生じるためである。これを、図３により説明する。
【００２８】
図３は、Ｇａ０．６３Ｉｎ０．３７Ａｓ０．９９５Ｎ０．００５井戸層における、厚さと、バンドギャップエネルギーと、の関係（理論値）を示す図である。横軸は井戸層の厚さ［ｎｍ］を、縦軸はこの井戸層のバンドギャップエネルギー［ｅＶ］を、それぞれ示している。ここで、バンドギャップエネルギーＥ［ｅＶ］と波長λ［μｍ］との間にはλ＝１．２４／Ｅの関係があり、Ｅ＝０．９［ｅＶ］ではλ＝１．３８［μｍ］である。また、図３中、点線Ａは組成から決定されるバンドギャップエネルギー（量子効果を無視した計算）、実線は量子効果を加えたバンドギャップエネルギー、をそれぞれ示している。また、点線Ｂはバンドギャップエネルギーの変化の割合の近似的な直線を示している。図３の実線から分かるように、Ｇａ０．６３Ｉｎ０．３７Ａｓ０．９９５Ｎ０．００５井戸層では、厚さが１５ｎｍ以上の場合、量子効果はほとんどなく、バンドギャップエネルギーが約０．９ｅＶとなる。しかし、厚さが薄くなると、量子効果により、バンドギャップエネルギーが上昇する。例えば、厚さが約４〜６ｎｍでは、点線Ｂから分かるように、膜厚が１ｎｍ薄くなることによりバンドギャップエネルギーが約１２．５ｅＶ（バンドギャップ波長が約１００ｎｍ）小さくなる。
【００２９】
上記の図３から分かるように、図１の発光層６は、膜厚が３〜８ｎｍと薄いので、厚さの変化によるバンドギャップエネルギーの変化が大きい。このため、下地層５の表面の凹凸が大きくなると、発光層６の凹凸も大きくなり、バンドギャップの揺らぎが大きくなる。例えば、下地層５の表面に０．５ｎｍ以上の荒れが存在すると、図３から分かるように、バンドギャプにして１０ｍｅＶ以上の揺らぎとなる場合がある。このことから、下地層５の表面荒れが大きくなりすぎないことの効果は、このＧａＩｎＡｓＮ系材料においては、特に大きいことが分かる。
【００３０】
このようにして、図１の素子では、下地層５を平坦化させることにより、発光層６の結晶性が高まり、発光効率が高くなると解析される。また。発光層６のバンドギャップ揺らぎが減ることにより、発振しきい電流値が小さくなると解析される。
【００３１】
これに対し、従来は、下地層５にステップバンチングがあることは、必ずしも悪いことではないと考えられていた。これは、下地層５にステップバンチングがあっても、発光層６の結晶性の悪化は少ないと考えられていたからである。また、発光層６の歪を緩和するためには、下地層５にステップバンチングがある方が好ましいからである。しかしながら本発明者は、実験の結果、上述のように、発光層６の成長原料のＤＭＨにエッチング作用があり、下地層５のステップバンチングにより、下地層５および発光層６の結晶性が大きく悪化していることを独自に知得した。さらに、本発明者の実験によれば、下地層５を適量のＳｅがドーピングされたＧａＡｓにすることで、この下地層を平坦化できることが分かった。これらにより、本発明者は、Ｓｅが添加されたＧａＡｓからなる下地層５を設けることで、発光層６の結晶性を大きく改善できることを知得した。
【００３２】
もっとも、本実施形態では、下地層５の平坦化により、発光層６の歪が大きくなる。このように発光層６の歪が大きくなると、他の材料系では、通常、高い特性を得にくくなる。しかし、図１の素子では、発光層６の歪が大きいにもかかわらず、高い特性が得られる。この理由について、本発明は、ＧａＩｎＡｓＮ系材料では、他の材料系に比べ、歪が多くなることによる特性の悪化が少ないからであると考えている。
【００３３】
以上説明したように、図１の素子では、Ｓｅが添加されたＧａＡｓからなる下地層５を設けたので、ＩｎＧａＡｓＮ発光層６の結晶性を改善して、発光効率を高くすることができる。また、ＩｎＧａＡｓＮ発光層６の量子効果の揺らぎを低減して、発振しきい電流値を小さくすることもできる。
【００３４】
また、図１の素子では、下地層５のドーパントがＳｅである。このＳｅはｎ型不純物である。このため、下地層５にＳｅをドーピングしても、電気特性が悪化することはない。
【００３５】
次に、Ｓｅが添加されたＧａＡｓからなる下地層５の厚さについて検討する。すなわち、図１の素子では、下地層５の厚さを１０ｎｍとしたが、これを他の厚さとして製造することもできるので、その厚さの範囲について検討する。
【００３６】
本発明者の実験によれば、下地層５の厚さを０．８μｍ以上２０ｎｍ以下とすると、上述のように発光効率や発振閾値の特性を向上させる効果が得られた。この理由について、本発明者は、次のように考えている。
【００３７】
Ｓｅが添加されたＧａＡｓからなる下地層５は、ステップバンチングによる表面荒れを防止して、表面を平坦化することを目的として設けられる。例えば、図１の構造では、ｎ側光ガイド層４の表面に、ステップバンチングによる表面荒れが存在する。このため、下地層５は、ｎ側光ガイド層４の表面荒れを覆い尽くせる以上の厚さが必要である。このステップバンチングは、通常、２原子層程度である。このため、下地層５の厚さを３原子層以上、厚さにして０．８ｎｍ以上にすると、ステップバンチングのほとんどを覆い尽くし、表面を平坦にすることがきる。これにより、下地層５の厚さを０．８ｎｍ以上にすると、発光効率や発振閾値の特性を向上させる効果が得られる。
【００３８】
他方、図２の濃度のＳｅが添加されたＧａＡｓ層５は、アンドープのＧａＡｓ層と比べ、光吸収係数が大きい。このため、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層５が厚すぎると、内部損失係数が大きくなる。これを図４により説明する。
【００３９】
図４は、Ｓｅを添加しないＧａＡｓ層と、Ｓｅを添加したＧａＡｓ層と、の内部吸収損失の違いを示すグラフである。図中、実線は、図２に示す濃度でＳｅを含有するＧａＡｓ層の、厚さと、内部損失係数と、の関係を示している。また、図中の点線Ａは、Ｓｅを添加していないＧａＡｓ層の、厚さと、内部吸収損失と、の関係を示している。また、点線Ｂは、内部吸収損失の変化の割合の近似的な直線を示している。この図４によると、Ｓｅを含有するＧａＡｓ層の厚さを２０ｎｍ以上にすると、内部損失損失が急激に増加してしまうことが分かる。この内部吸収損失の観点から、発光効率や発振閾値の特性を向上させる効果を得るためには、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層５の厚さを２０ｎｍ以下にすることが好ましいと考えられる。
【００４０】
このように、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層５の厚さは、発光効率や発振閾値の特性を向上させるために、０．８μｍ以上２０ｎｍ以下とすることが好ましい。
【００４１】
以上説明した図１の素子では、本発明者の実験によれば、Ｓｅが添加されたＧａＡｓからなる下地層５の結晶成長時に、Ｓｅ原料としてセレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）を用いると、平坦化の効果をさらに高めることができる。このメカニズムについては詳しく判明していない。しかし、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）法においては、成長中の表面付近に水素ラジカルが存在すると、結晶表面の平坦化効果があることが知られている。また、前述したように、ＧａＩｎＡｓＮ系の結晶成長は、低温成長を特徴とする。これらから、本発明者は、低温での熱分解効率が高いＨ２Ｓｅが、水素ラジカルを生じることによって、同様の平坦化効果を生んでいると考えている。
【００４２】
また、図１の素子では、下地層５の直上にＧａＩｎＡｓＮ発光層６を設けたが、必要に応じて、この下地層５と発光層６との間に薄膜の層を介在させることもできる。ただし、本発明者の実験によれば、上記の平坦化の効果を十分に得るためには、介在させる薄膜の層の厚さを３ｎｍ以下にすることが好ましい。
【００４３】
また、図１の素子では、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層５を半導体レーザ素子に用いる場合について説明したが、これをＬＥＤや受光素子等の他の光半導体素子に用いることもできる。ここで、半導体レーザ素子やＬＥＤなどの発光素子では、井戸層が発光層となる。また、受光素子では、井戸層が受光層となる。
【００４４】
（実施例）
次に、上記の実施の形態で説明した基本構造を用いた光半導体素子の具体的な構造について説明する。以下では、光半導体素子として、半導体レーザ素子を用いた場合について説明する。
【００４５】
（実施例１）
図５は本発明の実施例１の半導体レーザ素子を示す断面図である。この半導体レーザ素子は、リッジストライプ型の光通信用半導体レーザ素子である、なお、図５では、リッジ形状や電極を省略し、層構造について示している。この図５の半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板１１の上に半導体層１２〜２３を積層させた構造を有する。ＧａＡｓ基板１１の側から順に各層の材料、層厚および不純物含有量を列挙すると、以下の如くである。
ｎ型ＧａＡｓ基板１１
ｎ型ＧａＡｓバッファー層１２  （厚さ０．５μｍ）
ｎ型Ａｌ０．５５Ｇａ０．４５Ａｓクラッド層１３
（厚さ１．５μｍ、Ｓｉ添加濃度１×１０１８ｃｍ−３）
ｎ型ＧａＡｓ光ガイド層１４
（厚さ０．０９μｍ、Ｓｉ添加濃度５×１０１７ｃｍ−３）
下地層（Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層）１５
（厚さ０．０１μｍ、Ｓｅ添加濃度６×１０１８ｃｍ−３）
Ｇａ０．６３Ｉｎ０．３７Ａｓ０．９９５Ｎ０．００５井戸層１６  （厚さ６ｎｍ）
障壁層（Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層）１７
（厚さ０．０１μｍ、Ｓｅ添加濃度６×１０１８ｃｍ−３）
Ｇａ０．６３Ｉｎ０．３７Ａｓ０．９９５Ｎ０．００５井戸層１８  （厚さ６ｎｍ）
障壁層（Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層）１９
（厚さ０．０１μｍ、Ｓｅ添加濃度６×１０１８ｃｍ−３）
Ｇａ０．６３Ｉｎ０．３７Ａｓ０．９９５Ｎ０．００５井戸層２０  （厚さ６ｎｍ）
ｐ型ＧａＡｓ光ガイド層２１
（厚さ０．１μｍ、Ｚｎ添加濃度１×１０１７ｃｍ−３）
ｐ型Ａｌ０．５５Ｇａ０．４５Ａｓクラッド層２２
（厚さ１．５μｍ、Ｚｎ添加濃度１×１０１８ｃｍ−３）
ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２３
（厚さ０．１μｍ、Ｚｎ添加濃度７×１０１８ｃｍ−３）
【００４６】
この図５の半導体レーザ素子では、ｎ型ＧａＡｓ光ガイド層１４からｐ型ＧａＡｓ光ガイド層２１までが、活性層２４として作用する。この活性層２４は、井戸層（ウェル層）１６、１８、２０と、障壁層（バリア層）１７、１９と、を交互に複数回積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を有している。
【００４７】
図５の半導体レーザ素子では第１の井戸層１６の下地層１５として、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層を形成している。この下地層１５は、図１、図２で説明した下地層５と同様の層である。このようにＳｅが添加されたＧａＡｓからなる下地層１５を形成することにより、第１の井戸層１６の結晶性を高くして、素子の特性を高くすることができる。
【００４８】
さらに、図５の半導体レーザ素子では、多重量子井戸構造１６〜２０の第１および第２の障壁層１７、１９として、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層を形成している。この障壁層１７、１９も、図１、図２で説明した下地層５と同様の層である。このような多重量子井戸構造を用いることにより、第２および第３の井戸層１８、２０の結晶性も高くして、特性をさらに高くすることができる。
【００４９】
すなわち、従来、他の材料系では、多重量子井戸構造により、特性の高いレーザを得る方法が知れらていた。しかし、ＧａＩｎＡｓＮ系材料の結晶成長においては、前述したように、４８０〜５５０℃の低温で、Ｉｎ組成の高い歪み量の大きい条件で成長するのが一般的である。このため、ＧａＩｎＡｓＮ結晶成長は、組成の制御や結晶品質を高くすることが非常に難しい。これにより、多重量子井戸を形成しても、結晶の質が悪いため、量子井戸層を多く積むほど組成や膜厚の制御が困難になり、特性の優れた半導体レーザ素子が得られないという問題点があった。そこで、本実施例のように障壁層１７、１９に図２に示す濃度のＳｅが添加されたＧａＡｓ層を適用すると、前述した平坦化の効果によって、ＧａＩｎＡｓＮ井戸層１８、２０が平坦に成長でき、結晶の質が向上する。このため、特性の優れた半導体レーザ素子を得ることができる。
【００５０】
次に、本実施例の具体的な製造方法について説明する。
【００５１】
（１）まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の上にｎ型ＧａＡｓバッファー層１２、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層１３を６７０℃で成長する。
（２）次に、成長温度を５２０℃まで下げて、ｎ側ＧａＡｓ光ガイド層１４を成長する。その後、同温でＳｅが添加されたＧａＡｓからなる下地層１５を成長し、その上に同温で、ＧａＩｎＡｓＮからなる井戸層１６、１８、２０、Ｓｅが添加されたＧａＡｓからなる障壁層１７、１９、ｐ型ＧａＡｓ光ガイド層２１、を順次成長する。
（３）次に、６４０℃に昇温し、ｐ側ＡｌＧａＡｓクラッド層２２を成長する。
（４）次に、５５０℃に降温し、ＧａＡｓコンタクト層２３を成長する。
【００５２】
以上説明した製造方法では、ＧａＩｎＡｓＮ井戸層１６、１８、２０前後で成長温度の上げ下げが無いため、ＧａＩｎＡｓＮ井戸層１６、１８、２０の成長直後にその上の層１７、１９、２１を成長することができる。これにより、井戸層１６、１８、２０の劣化を防止し、結晶性を高めることができる。これに対し、ＧａＩｎＡｓＮ井戸層１６、１８、２０を成長してからその上の層１７、１９、２１を成長するまでの時間が１分を超えると、ＧａＩｎＡｓＮ井戸層１６、１８、２０が直接高温にさらされ、ＧａＩｎＡｓＮ結晶の表面が非常に荒れる。
【００５３】
また、活性層２４の成長速度は０．３〜１．５μｍ／ｈが望ましい。成長速度がこの範囲よりも遅いと、ＧａＩｎＡｓＮ結晶の相分離により発光効率が低下する。また、成長速度が速いと、ヘテロ接合界面での急峻性が損なわれ、量子化順位のブロードニングが生じる。本実施例では、この成長速度は、０．６μｍ／ｈとしている。
【００５４】
ＭＯＣＶＤの原料としては、Ｇａ原料としてＴＭＧ（トリメチル・ガリウム）、Ａｌ原料としてＴＭＡ（トリメチル・アルミニウム）、Ｉｎ原料としてＴＭＩ（トリメチル・インジウム）、Ｓｉ原料としてＳｉＨ４（シラン）、Ａｓ原料としてＡｓＨ３（アルシン）、Ｎ原料としてＤＭＨ（ジメチルヒドラジン）、を用いることができる。
【００５５】
ここで、III族（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎ）有機金属としては、エチル系、クロライド系等をもちいてもよい。Ａｓの原料としてはＴＢＡ（ターシャルブチルアルシン）を用いても良い。Ｎの原料としては、ＤＭＨを用いることが好ましい。ただし、アンモニア、ヒドラジンあるいはモノメチルヒドラジンを併用することも可能である。Ｓｅの原料としては、Ｈ２Ｓｅ（セレン化水素）を用いることが好ましい。ただし、有機金属系原料を用いてもよい。
【００５６】
図５に示す結晶成長終了後は、メサ構造等を形成し、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の図中下側にｎ側電極を形成し、ｐ型コンタクト層２３の図中上側にｐ側電極を形成し、さらにＳｉＯ２からなる絶縁膜を形成する。
【００５７】
以上の製造方法で得られる本実施例の半導体レーザ素子では、ストライプ幅３μｍのリッジストライプ型で、室温において、発振波長約１．３μｍ、しきい電流値約５ｍＡ、発光効率約０．３Ｗ／Ａの優れた特性が得られる。これに対して、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層１５、１７、１９を設けない比較例においては、しきい電流値は約８ｍＡ以上である。
【００５８】
（実施例２）
実施例２の半導体レーザの特徴の１つは、図６に示すように、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層２９と、ＧａＩｎＡｓＮ発光層３１と、の間に、アンドープのＧａＡｓ層３０を０．５ｎｍ成長した点である。これにより、ｎ型光ガイド層２８やＳｅが添加されたＧａＡｓ層２９から発光層３１への不純物（Ｓｉ、Ｓｅ）の拡散を防止し、発振しきい値をさらに低くすることができる。
【００５９】
図６は、本発明の実施例２のリッジストライプ型光通信用半導体レーザ素子の断面図である。この半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板２５上に、半導体層２６〜３４を積層させた構造を有する。ＧａＡｓ基板２５の側から順に各層の材料および層厚および不純物含有量を列挙すると、以下の如くである。
ｎ型ＧａＡｓ基板２５
ｎ型ＧａＡｓバッファー層２６  （厚さ０．５μｍ）
ｎ型Ａｌ０．５５Ｇａ０．４５Ａｓクラッド層２７
（厚さ１．５μｍ、Ｓｉ添加濃度１×１０１８ｃｍ−３）
ｎ型ＧａＡｓ光ガイド層２８
（厚さ０．０９μｍ、Ｓｉ添加濃度５×１０１７ｃｍ−３）
Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層２９
（厚さ０．０１μｍ、Ｓｅ添加濃度６×１０１８ｃｍ−３）
アンドープＧａＡｓ層３０  （厚さ０．５ｎｍ、アンドープ）
Ｇａ０．６３Ｉｎ０．３７Ａｓ０．９９５Ｎ０．００５発光層３１  （厚さ６ｎｍ）
ｐ型ＧａＡｓ光ガイド層３２
（厚さ０．１μｍ、Ｚｎ添加濃度１×１０１７ｃｍ−３）
ｐ型Ａｌ０．５５Ｇａ０．４５Ａｓクラッド層３３
（厚さ１．５μｍ、Ｚｎ添加濃度１×１０１８ｃｍ−３）
ｐ型ＧａＡｓコンタクト層３４
（厚さ０．１μｍ、Ｚｎ添加濃度７×１０１８ｃｍ−３）
【００６０】
この図６の半導体レーザ素子では、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層２９とＧａＩｎＡｓＮ発光層３１との間に、アンドープＧａＡｓ層３０を０．５ｎｍ成長している。これにより、発光層３１への不純物の拡散を抑制することができる。
【００６１】
すなわち、前述したように、ＧａＩｎＡｓＮは、低温で成長することが一般的である。このため、ＧａＩｎＡｓＮ発光層３１の成長温度よりも高温でｐ側ＡｌＧａＡｓクラッド層３３を成長する際に、ｎ型光ガイド層２８に含まれる不純物（Ｓｉ）がＧａＩｎＡｓＮ発光層３１に拡散してしまうことがある。また、図６の素子では、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層２９のＳｅ濃度が２×１０１８ｃｍ−３以上５×１０１９ｃｍ−３以下と高い。このため、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層２９に含まれる不純物（Ｓｅ）がＧａＩｎＡｓＮ発光層３１に拡散してしまうおそれもある。特に、Ｓｅ濃度を高めに設定したり、ｐ側ＡｌＧａＡｓクラッド層３３の成長温度を高めに設定したりする場合は、ＳｅがＧａＩｎＡｓＮ井戸層３１に拡散しやすくなる。このように発光層３１に不純物（Ｓｅ、Ｓｉ）が拡散すると、ＧａＩｎＡｓＮ発光層３１のキャリア濃度が高くなり、半導体レーザ素子の光出力特性が劣化するおそれがある。そこで、本実施例では、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層２９とＧａＩｎＡｓＮ発光層３１との間に、アンドープＧａＡｓ層３０を０．５ｎｍ成長している。これにより、高温で成長する過程において、ＧａＩｎＡｓＮ発光層３１に不純物が拡散することが抑制される。
【００６２】
このように、図６の素子では、発光層３１への不純物の拡散を抑制することができる。これにより、活性層３５全体のキャリア濃度の制御性を向上させ、光出力特性の劣化を抑制することができる。具体的には、アンドープＧａＡｓ層３０を成長していない比較例の素子の発振しきい値が６ｍＡであるのに対し、本実施例の素子では発振しきい値を３ｍＡとすることができる。
【００６３】
以上説明した図６の素子では、アンドープＧａＡｓ層３０の膜厚を０．５ｎｍとしたが、この厚さを変えることもできる。ただし、このアンドープＧａＡｓ層３０の膜厚が厚すぎると、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層２９による平坦化の効果を失わせてしまう。Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層２９による平坦化の効果を高めるためには、このアンドープＧａＡｓ層３０の厚さを３ｎｍ以下、好ましくは１ｎｍ以下にすると良い。
【００６４】
（実施例３）
実施例３の半導体レーザ素子は、面発光レーザである。図７は本発明の実施例３の面発光型光通信用半導体レーザ素子の断面図である。また、図８は、この素子の共振器５０の拡大図である。この半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板３６の上に、半導体層３７〜４９を積層させた構造を有する。ＧａＡｓ基板３６の側から順に各層を列挙すると、以下の如くである。
ｎ型ＧａＡｓ基板３６
ｎ型ＧａＡｓバッファー層３７  （厚さ０．５μｍ）
ｎ側ＤＢＲ層３８  （ＧａＡｓ／Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ ３５ｐａｉｒ）
選択酸化電流狭窄層３９  
（Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ／ＡｌｘＯｙ  厚さ６ｎｍ）
ｎ型ＧａＡｓクラッド層４０
下地層（Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層）４１  
（厚さ０．０１μｍ、Ｓｅ添加濃度６×１０１８ｃｍ−３）
Ｇａ０．６３Ｉｎ０．３７Ａｓ０．９９５Ｎ０．００５井戸層４２  （厚さ６ｎｍ）
第１障壁層（アンドープＧａＡｓ層）４３
第２障壁層（Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層）４４
（厚さ０．０１μｍ、Ｓｅ添加濃度６×１０１８ｃｍ−３）
Ｇａ０．６３Ｉｎ０．３７Ａｓ０．９９５Ｎ０．００５井戸層４５  （厚さ６ｎｍ）
ｐ型ＧａＡｓクラッド層４６
選択酸化電流狭窄層４７  
（Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ／ＡｌｘＯｙ  厚さ６ｎｍ）
ｐ側ＤＢＲ層４８  （Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ／ＧａＡｓ ２４ｐａｉｒ）
ＧａＡｓコンタクト層４９
（厚さ０．１μｍ、Ｚｎ添加濃度７×１０１８ｃｍ−３）
【００６５】
図７の素子では、設計発振波長λ＝１．３μｍである。ｎ側ＤＢＲ３８におけるＡｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓ層の厚さｄ１は、屈折率をｎ１として、ｄ１ｎ１＝λ／４＝０．３２５μｍとなるように定めている。同様に、ｎ側ＤＢＲ３８におけるＧａＡｓ層の厚さｄ２は、屈折率をｎ２として、ｄ２ｎ２＝λ／４＝０．３２５μｍとなるように定めている。また、ｐ側ＤＢＲ４８も同様である。このように膜厚を定めることで、両側のＤＢＲ３８、４８によって、波長λの光が効果的に反射される。
【００６６】
また、上記のＤＢＲ３８、４８の間には、共振器５０が挟まれている。共振器５０全体の厚さは、各層の屈折率と厚さの積の合計で設計発振波長１．３μｍになるよう設計している。この共振器５０は、第１および第２の井戸層４２、４５と、それらの間の障壁層４３、４４と、を含む多重量子井戸構造を有する。また、本実施例では、この障壁層４３、４４の構造として、アンドープのＧａＡｓからなる第１障壁層４３と、Ｓｅが添加されたＧａＡｓからなる第２障壁層４４と、の２層構造を用いている。障壁層の厚さを１ｎｍ以上にする場合は、このように、障壁層を２層構造とすることができる。ただし、前述したＳｅが添加されたＧａＡｓ層の平坦化効果を得るために、第２障壁層４４の厚さは０．８ｎｍ以上とする。
【００６７】
また、選択酸化電流狭窄層３９、４８は、Ａｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層を積層後、水蒸気雰囲気中でこのＡｌ０．９８Ｇａ０．０２Ａｓ層を選択酸化して得る。この選択酸化電流狭窄層３９、４８により、共振器５０に対して電流を絞り込んで注入する。
【００６８】
以上説明した図７、図８の素子では、下地層４１および障壁層４４としてＳｅが添加されたＧａＡｓ層を用いたので、これらの層４１、４４を平坦化して、井戸層４２、４５の結晶性を高くすることができる。これにより、素子の特性を高くすることができる。このように、面発光型の半導体レーザ素子においても、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層４１、４４を形成することにより、特性を高くすることができる。
【００６９】
具体的には、図７の素子では、電流狭窄系を５μｍφとする電流狭窄構造において、発振波長１．３μｍ、発振しきい電流値１．５ｍＡの特性を得ることができる。これに対し、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層４１、４４を形成していない比較例では、しきい電流値は約３．０ｍＡである。
【００７０】
以上説明した実施例１〜実施例３では、Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層を半導体レーザ素子に用いる場合について説明した。しかし、このＳｅが添加されたＧａＡｓ層は、ＬＥＤや受光素子等の他の光半導体素子に用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の実施の形態の半導体レーザ素子の断面図。
【図２】Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層の平坦化効果が起きる、Ｓｅ含有量と、成長温度と、を示す図。
【図３】Ｇａ０．６３Ｉｎ０．３７Ａｓ０．９９５Ｎ０．００５井戸層における、厚さと、バンドギャップエネルギーと、の関係（理論値）を示す図である。
【図４】Ｓｅを添加しないＧａＡｓ層と、Ｓｅを添加したＧａＡｓ層と、の内部吸収損失の違いを示すグラフである。
【図５】本発明の実施例１の半導体レーザ素子の断面図。
【図６】本発明の実施例２の半導体レーザ素子の断面図。
【図７】本発明の実施例３の半導体レーザ素子の断面図。
【図８】本発明の実施例３の半導体レーザ素子の共振器５０の拡大図。
【符号の説明】
【００７２】
１  ｎ型ＧａＡｓ基板
３  ｎ型クラッド層
５  下地層（Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層）
６  ＧａＩｎＡｓＮ発光層（井戸層）
８  ｐ型クラッド層
１１  ｎ型ＧａＡｓ基板
１３  ｎ型クラッド層
１５  下地層（Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層）
１６  Ｇａ０．６３Ｉｎ０．３７Ａｓ０．９９５Ｎ０．００５井戸層（第１の井戸層）
１７  第１の障壁層（Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層）
１８  Ｇａ０．６３Ｉｎ０．３７Ａｓ０．９９５Ｎ０．００５井戸層（第２の井戸層）
１９  第２の障壁層（Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層）
２０  Ｇａ０．６３Ｉｎ０．３７Ａｓ０．９９５Ｎ０．００５井戸層（第３の井戸層）
２２  ｐ型クラッド層
２５  ｎ型ＧａＡｓ基板
２７  ｎ型クラッド層
２９  Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層
３０  アンドープｎ型ＧａＡｓ層
３１  Ｇａ０．６３Ｉｎ０．３７Ａｓ０．９９５Ｎ０．００５発光層（井戸層）
３３  ｐ型クラッド層
３６  ｎ型ＧａＡｓ基板
４０  ｎ型クラッド層
４１  下地層（Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層）
４２  Ｇａ０．６３Ｉｎ０．３７Ａｓ０．９９５Ｎ０．００５井戸層（第１の井戸層）
４３  第１障壁層（アンドープＧａＡｓ層）
４４  第２障壁層（Ｓｅが添加されたＧａＡｓ層）
４５  Ｇａ０．６３Ｉｎ０．３７Ａｓ０．９９５Ｎ０．００５井戸層（第２の井戸層）
４６  ｐ型クラッド層
【図１】
2005072470.tif 000003
【図２】
2005072470.tif 000004
【図３】
2005072470.tif 000005
【図４】
2005072470.tif 000006
【図５】
2005072470.tif 000007
【図６】
2005072470.tif 000008
【図７】
2005072470.tif 000009
【図８】
2005072470.tif 000010