(57)【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る半導体発光素子の製造方法において、
前記窒素を含む活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ系材料、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＡｓＮＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかからなる半導体層で構成され、
Ａｌを含む半導体層を成長した後であって、前記窒素を含む活性層の成長を開始させる前に、エッチングガスとして塩素系化合物ガスを成長室内に供給し、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を除去する工程を設けたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体発光素子の製造方法において、前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を除去する工程は、半導体発光素子の成長を中断して、半導体発光素子の被成長基板を成長室から別室に移動させてから、または、一度外部に取り出してから行うことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の半導体発光素子の製造方法において、前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をエッチングガスとしての塩素系化合物ガスで除去する工程を行った後であって、窒素を含む活性層を成長させる前に、ＧａＩｎＰ層、または、ＧａＰＡｓ層、または、ＧａＩｎＰＡｓ層を形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の窒素を含んだ活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために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、上部反射鏡と下部反射鏡とに挟まれた共振器構造とを有する面発光型半導体レーザ素子の製造方法において、
前記活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ系材料、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＡｓＮＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかからなる半導体層で構成され、
前記下部反射鏡は、屈折率が周期的に変化し入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡を有し、該半導体分布ブラッグ反射鏡の屈折率が小さい層はＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ≦１）からなり、半導体分布ブラッグ反射鏡の屈折率が大きい層はＡｌyＧａ1-yＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）からなり、前記Ａｌを含んだ下部反射鏡を成長した後、前記窒素を含んだ活性層を成長する前に、エッチングガスとして塩素系化合物ガスを成長室内に供給し、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を除去することを特徴とする面発光型半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法において、前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をエッチングガスとしての塩素系化合物ガスで除去する工程を行った後であって、窒素を含む活性層を成長する前に、ＧａＩｎＰ層、または、ＧａＰＡｓ層、または、ＧａＩｎＰＡｓ層を設け、また、前記エッチングガスで除去する工程は、半導体分布ブラッグ反射鏡を成長しているときに行なうことを特徴とする面発光型半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項６】
請求項４記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法において、前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をエッチングガスとしての塩素系化合物ガスで除去する工程を行った後であって、窒素を含む活性層を成長する前に、ＧａＩｎＰ層、または、ＧａＰＡｓ層、または、ＧａＩｎＰＡｓ層を設け、また、前記エッチングガスで除去する工程は、共振器構造を成長しているときに行なうことを特徴とする面発光型半導体レーザ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子の製造方法および面発光型半導体レーザ素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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）が極めて有望である。
【０００４】
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/sのイーサネットなどで実用化されている。
【０００５】
一方、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。
【０００６】
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（文献「V. Jayaraman, J.C. Geske, M.H. MacDougal F.H. Peters, T.D. Lowes, and T.T. Char, Electron. Lett., 34, (14), pp. 1405-1406, 1998.」を参照）。
【０００７】
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号公報参照）が研究されている。新材料である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。
【０００８】
ＧａＡｓ基板上の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。
【０００９】
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から、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ことがわかる。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。
【００１０】
このため、いかに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。
【００１１】
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、ＭＯＣＶＤ法は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。
【００１２】
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号には、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いた面発光レーザの提案がされている。ごく最近には、実際に、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いた面発光型半導体レーザ素子動作についても報告されるようになった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
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のほとんどは、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。そして、従来では、量産に適したＭＯＣＶＤ法による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。
【００１４】
本発明は、ＭＯＣＶＤ法によって作製可能な高品質で実用レベルのＧａＩｎＮＡｓ系半導体発光素子を製造可能な半導体発光素子の製造方法および面発光型半導体レーザ素子の製造方法を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、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る半導体発光素子の製造方法において、
前記窒素を含む活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ系材料、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＡｓＮＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかからなる半導体層で構成され、
Ａｌを含む半導体層を成長した後であって、前記窒素を含む活性層の成長を開始させる前に、エッチングガスとして塩素系化合物ガスを成長室内に供給し、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を除去する工程を設けたことを特徴としている。
【００１６】
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の製造方法において、前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を除去する工程は、半導体発光素子の成長を中断して、半導体発光素子の被成長基板を成長室から別室に移動させてから、または、一度外部に取り出してから行うことを特徴としている。
【００１７】
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の製造方法において、前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をエッチングガスとしての塩素系化合物ガスで除去する工程を行った後であって、窒素を含む活性層を成長させる前に、ＧａＩｎＰ層、または、ＧａＰＡｓ層、または、ＧａＩｎＰＡｓ層を形成することを特徴としている。
【００１９】
また、請求項４記載の発明は、半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の窒素を含んだ活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために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、上部反射鏡と下部反射鏡とに挟まれた共振器構造とを有する面発光型半導体レーザ素子の製造方法において、
前記活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ系材料、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＡｓＮＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかからなる半導体層で構成され、
前記下部反射鏡は、屈折率が周期的に変化し入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡を有し、該半導体分布ブラッグ反射鏡の屈折率が小さい層はＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ≦１）からなり、半導体分布ブラッグ反射鏡の屈折率が大きい層はＡｌyＧａ1-yＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）からなり、前記Ａｌを含んだ下部反射鏡を成長した後、前記窒素を含んだ活性層を成長する前に、エッチングガスとして塩素系化合物ガスを成長室内に供給し、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を除去することを特徴としている。
【００２０】
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法において、前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をエッチングガスとしての塩素系化合物ガスで除去する工程を行った後であって、窒素を含む活性層を成長する前に、ＧａＩｎＰ層、または、ＧａＰＡｓ層、または、ＧａＩｎＰＡｓ層を設け、また、前記エッチングガスで除去する工程は、半導体分布ブラッグ反射鏡を成長しているときに行なうことを特徴としている。
【００２１】
また、請求項６記載の発明は、請求項４記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法において、前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をエッチングガスとしての塩素系化合物ガスで除去する工程を行った後であって、窒素を含む活性層を成長する前に、ＧａＩｎＰ層、または、ＧａＰＡｓ層、または、ＧａＩｎＰＡｓ層を設け、また、前記エッチングガスで除去する工程は、共振器構造を成長しているときに行なうことを特徴としている。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２７】
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を、本願の発明者の実験結果に基づいて述べる。
【００２８】
図２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。ＭＯＣＶＤ装置は、図２に示すように、原料ガスが供給される原料ガス供給部と、被成長基板を加熱するための加熱手段（図示せず）と、加熱部（加熱体）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）とを有している。通常、基板は、空気が成長室（反応室）に入らないように基板出し入れ口から入れ、排気部による真空引き後に成長室（反応室）に搬送される。なお、反応室（成長室）内の圧力は５０Ｔｏｒｒ〜１００Ｔｏｒｒ程度の減圧がよく用いられる。また、原料ガス供給部は、通常、III族ガスラインとＶ族ガスラインとに分けられている。図２では、反応室入り口手前でIII族ガスラインとＶ族ガスラインとが合流している。
【００２９】
ここで、III族原料としては、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。また、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（ターシャルブチルアルシン）などの水素化物ガスや有機化合物が一般に用いられる。
【００３０】
また、キャリアガスには、水素ガス（Ｈ2）が通常用いられ、水素ガス（Ｈ2）は、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。なお、原料は、これに限られるものではない。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て供給される。図２では、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＴＭＩ，ＤＭＨｙについてバブラー（液体，固体原料バブラー）を用い、ＡｓＨ3とドーパントガス（図２では１種類のみ示している）についてガスシリンダーを用いている。
【００３１】
原料ガスの経路はバルブで切り替え、また、原料ガスの供給量を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，組成を成長することができる。一般に、III族ガスライン，Ｖ族ガスラインごとに、反応室にガスを供給するメインラインと、排気ポンプにガスを供給するベントラインとを有し、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、２参照）を設けてそれぞれメインラインまたはベントラインのどちらか一方に合流するようにバルブを切り替え、メインラインとベントライン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。なお、メインライン，ベントライン，ダミーラインもキャリアガスが供給されている。このようなＭＯＣＶＤ装置では、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、また、ダミーラインからのキャリアガス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、スループットが良く、量産に向いている。
【００３２】
図３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。図３において、符号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であり、符号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である。なお、図４には試料Ａ，Ｂの基本構造が示されている。すなわち、図４を参照すると、試料Ａ，Ｂは、基本的には、ＧａＡｓ基板２０１上に、下部クラッド層２０２、中間層２０３、窒素を含む活性層２０４、中間層２０３、上部クラッド層２０５が順次積層されて構成されている。
【００３３】
図３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。
【００３４】
本願の発明者は、この原因解明について検討した。図５は、図４に示した半導体発光素子の一例として、クラッド層２０２をＡｌＧａＡｓとし、中間層２０３をＧａＡｓとし、活性層２０４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（Ｎ）濃度と酸素（Ｏ）濃度の深さ方向分布を示す図である。なお、この測定はＳＩＭＳによって行った。次表（表１）に測定条件を示す。
【００３５】
【表１】
0004136369.tif 000002
【００３６】
図５において、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造に対応して、活性層２０４中に２つの窒素ピークが見られる。そして、活性層２０４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２０３における酸素濃度は活性層２０４の酸素濃度よりも約１桁低い濃度となっている。
【００３７】
一方、クラッド層２０２をＧａＩｎＰとし、中間層２０３をＧａＡｓとし、活性層２０４をＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造として構成した半導体レーザ素子について、酸素濃度の深さ方向分布を測定した場合には、活性層２０４中の酸素濃度はバックグラウンドレベルであった。
【００３８】
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（２０１）と窒素を含む活性層（２０４）との間にＡｌを含む半導体層（２０２）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（２０４）中に酸素が取りこまれることが本願の発明者の実験により明らかとなった。活性層（２０４）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（２０４）の発光効率を低下させてしまう。この活性層（２０４）に取りこまれた酸素が、基板（２０１）と窒素を含む活性層（２０４）との間にＡｌを含む半導体層（２０２）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。
【００３９】
次に、酸素の取りこまれる原因について検討した。図６は、図５と同じ試料でのＡｌ濃度の深さ方向分布を示す図である。なお、測定はＳＩＭＳによって行った。また、次表（表２）には測定条件を示す。
【００４０】
【表２】
0004136369.tif 000003
【００４１】
図６から、本来Ａｌ原料を導入していない活性層２０４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）２０２，２０５に隣接した中間層（ＧａＡｓ層）２０３においては、Ａｌ濃度は活性層２０４よりも約１桁低い濃度となっている。これは、活性層２０４中のＡｌがＡｌを含む半導体層（クラッド層）２０２，２０５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。
【００４２】
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。
【００４３】
従って、図６において、活性層２０４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２０４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本願の発明者により新たにわかった。
【００４４】
図５に示した同じ半導体発光素子における、窒素濃度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２０４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。すなわち、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２０４中にＡｌと酸素が取りこまれる。この活性層２０４に取り込まれた酸素が活性層２０４の発光効率を低下させていたことが本願の発明者の実験により初めて明らかとなった。
【００４５】
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。
【００４６】
これは、ＭＢＥ法が超減圧（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。
【００４７】
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。
【００４８】
このため、本発明の実施形態では、次のような構成を採用したことを特徴としている。以下、各実施形態毎に詳細に説明する。
【００４９】
第１の実施形態
先ず、本発明の第１の実施形態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る半導体発光素子の製造方法において、Ａｌを含む半導体層を成長した後であって、窒素を含む活性層の成長を開始させる前に、エッチングガスとして塩素系化合物ガスを成長室（反応室）内に供給し、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を除去する工程を設けたことを特徴としている。
【００５０】
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、窒素を含む活性層に取りこむ原因となっているので、Ａｌを含んだ半導体層を成長した後、窒素を含む活性層の成長の前までに、反応室（成長室）側壁，加熱帯，基板を保持する治具等に残留しているＡｌ系残留物と反応してＡｌ系残留物を除去することのできるガスを成長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。ＨＣｌのような塩素系化合物ガスは、成長室内の反応生成堆積物と反応し、エッチング除去する効果がある。よって、Ａｌを含んだ半導体層を成長した後、窒素を含む活性層の成長の前までに、エッチングガスとして塩素系化合物ガスを供給すると、このエッチングガスは反応室側壁，加熱帯，基板を保持する治具等に残留しているＡｌ系残留物と反応してＡｌ系残留物を除去することができるので、活性層への酸素の取り込みを抑えることができる。塩素系化合物ガス（例えば、ＨＣｌガス）はガスシリンダーに充填して使用することができる。この場合、酸素，水分等が少ない高純度のものが好ましい。
【００５１】
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ができ、これにより、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。
【００５２】
表３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。
【００５３】
【表３】
0004136369.tif 000004
【００５４】
表３から、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／ｃｍ2以上と著しく高い値となった。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。
【００５５】
このように、第１の実施形態では、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る半導体発光素子の製造方法において、Ａｌを含む半導体層を成長した後であって、窒素を含む活性層の成長を開始させる前に、エッチングガスとして塩素系化合物ガスを成長室内に供給し、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得ることができる。
【００５６】
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の製造方法は、上記第１の実施形態の半導体発光素子の製造方法において、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を除去する工程を行なうときには、半導体発光素子の成長を中断して、半導体発光素子の被成長基板を成長室から別室に移動させるか、または、一度外部に取り出すことを特徴としている。
【００５７】
塩素系化合物ガスは、成長室内の反応生成堆積物と反応しエッチング除去する効果があるとともに、被成長基板をもエッチングする効果があるので、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を除去する工程を行なうときには、成長室内に半導体発光素子の被成長基板を置かない方が好ましい。もちろん、被成長基板がエッチングされるのをあらかじめ想定して、その分厚く成長しておくことで被成長基板を移動しないで連続して行うことも可能ではある。
【００５８】
第３の実施形態
本発明の第３の実施形態の半導体発光素子の製造方法は、上記第１の半導体発光素子の製造方法において、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をエッチングガスとしての塩素系化合物ガスで除去する工程を行った後であって、窒素を含む活性層を成長させる前に、ＧａＩｎＰ層、または、ＧａＰＡｓ層、または、ＧａＩｎＰＡｓ層を形成することを特徴としている。
【００５９】
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を塩素系化合物ガスで除去する工程は、前述したように、例えば、半導体発光素子の成長を中断して、半導体発光素子の被成長基板を成長室から別室に移動させるか、または、一度外部に取り出してから行うことができる。しかしながら、被成長基板を別室に移動させてから行う場合、被成長基板を別室に移動させることで、エピ基板表面には酸化膜が形成されてしまう。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が低下してしまう。
【００６０】
これに対し、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も高いバンドギャップエネルギーを有する材料を窒素を含む活性層との間に成長すると、成長中断界面への注入キャリアはほとんど無くなるので、発光効率の低下を防止できる。この成長中断界面をＳＩＭＳ分析すれば、酸素（Ｏ）または窒素（Ｎ）または塩素（Ｃｌ）が観察されるであろう。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も高いバンドギャップエネルギーを有する材料としては、発明の主旨からＡｌを含まない材料であれば良く、ＧａＩｎＰ層、または、ＧａＰＡｓ層、または、ＧａＩｎＰＡｓ層を用いることができる。もちろん、Ｎ，Ｓｂなど他の元素を含んでいてもかまわない。また、これらの材料は格子整合していても良く、臨界膜厚以下の厚さであれば歪を有していても良い。例えば活性層が圧縮歪を有している場合、これらの材料を引張り歪にすれば活性層の歪を補償する効果がある。
【００６１】
第４の実施形態
本発明の第４の実施形態の半導体発光素子は、第１乃至第３の実施形態のいずれかの製造方法によって作製されたことを特徴としている。
【００６２】
本発明の第４の実施形態の半導体発光素子は、第１乃至第３の実施形態のいずれかの製造方法によって作製されたので、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提供できる。
【００６３】
第５の実施形態
本発明の第５の実施形態の面発光型半導体レーザ素子の製造方法は、半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の窒素を含んだ活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために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、上部反射鏡と下部反射鏡とに挟まれた共振器構造とを有する面発光型半導体レーザ素子の製造方法において、前記下部反射鏡は、屈折率が周期的に変化し入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡を有し、該半導体分布ブラッグ反射鏡の屈折率が小さい層はＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ≦１）からなり、半導体分布ブラッグ反射鏡の屈折率が大きい層はＡｌyＧａ1-yＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）からなり、前記Ａｌを含んだ下部反射鏡を成長した後、前記窒素を含んだ活性層を成長する前に、エッチングガスとして塩素系化合物ガスを成長室内に供給し、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を除去することを特徴としている。
【００６４】
窒素を含んだ半導体層としては、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＩｎＮＡｓ，ＧａＡｓＮＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等が挙げられる。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。また、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。
【００６５】
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。
【００６６】
さらに、面発光型半導体レーザ素子は、小型化，低消費電力化及び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系では実用化に耐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。
【００６７】
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、この第５の実施形態では、Ａｌを含んだ下部反射鏡を成長した後であって、窒素を含んだ活性層を成長する前に、塩素系化合物ガスを成長室内に供給し、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を除去するので、非発光再結合中心となる酸素が窒素を含む活性層へ取りこまれるのを抑制することができ、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。なお、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、被成長基板を成長室から別室に移動させてから、または一度外部に取り出してから行うことが好ましい。
【００６８】
第６の実施形態
本発明の第６の実施形態の面発光型半導体レーザ素子の製造方法は、第５の実施形態の面発光型半導体レーザ素子の製造方法において、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をエッチングガスとしての塩素系化合物ガスで除去する工程を行った後であって、窒素を含む活性層を成長する前に、ＧａＩｎＰ層、または、ＧａＰＡｓ層、または、ＧａＩｎＰＡｓ層を設け、また、前記エッチングガスで除去する工程は、半導体分布ブラッグ反射鏡を成長しているときに行なうことを特徴としている。
【００６９】
キャリアが注入される活性領域中でエッチング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が低下する恐れがあるが、この第６の実施形態のように、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をエッチングガスとしての塩素系化合物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ＧａＩｎＰ層、または、ＧａＰＡｓ層、または、ＧａＩｎＰＡｓ層を成長すると、ＧａＩｎＰ層、または、ＧａＰＡｓ層、または、ＧａＩｎＰＡｓ層よりも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無くすことができ、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。
【００７０】
第７の実施形態
本発明の第７の実施形態の面発光型半導体レーザ素子の製造方法は、第５の実施形態の面発光型半導体レーザ素子の製造方法において、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をエッチングガスとしての塩素系化合物ガスで除去する工程を行った後であって、窒素を含む活性層を成長する前に、ＧａＩｎＰ層、または、ＧａＰＡｓ層、または、ＧａＩｎＰＡｓ層を設け、また、前記エッチングガスで除去する工程は、共振器構造を成長しているときに行なうことを特徴としている。なお、ここで、共振器構造は、下部反射鏡と上部反射鏡とに挟まれた領域である。
【００７１】
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を塩素系化合物ガスで除去する工程は、Ａｌを含んだ下部反射鏡を成長した後であって、窒素を含んだ活性層を成長する前に行なわれれば良く、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が低下する恐れがあるが、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（例えば塩素系化合物ガス）で除去する工程を行った後、活性層を成長する前に、ＧａＩｎＰ層、または、ＧａＰＡｓ層、または、ＧａＩｎＰＡｓ層を成長すると、ＧａＩｎＰ層、または、ＧａＰＡｓ層、または、ＧａＩｎＰＡｓ層よりも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。
【００７２】
第８の実施形態
本発明の第８の実施形態の面発光型半導体レーザ素子は、第５乃至第７の実施形態のいずれかの製造方法によって作製されたことを特徴としている。
【００７３】
本発明の第８の実施形態の面発光型半導体レーザ素子は、第５乃至第７の実施形態のいずれかの製造方法によって作製されたので、非発光再結合中心となる酸素が窒素を含む活性層へ取りこまれるのを抑制することができ、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。
【００７４】
第９の実施形態
本発明の第９の実施形態の光送信モジュールは、第８の実施形態の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いることを特徴としている。
【００７５】
第８の実施形態の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。
【００７６】
第１０の実施形態
本発明の第１０の実施形態の光送受信モジュールは、第８の実施形態の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いることを特徴としている。
【００７７】
第８の実施形態の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。
【００７８】
第１１の実施形態
本発明の第１１の実施形態の光通信システムは、第８の実施形態の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いることを特徴としている。
【００７９】
第８の実施形態の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。
【００８０】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。
【００８１】
（第１の実施例）
図７（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の構成例を示す図である。なお、図７（ｂ）は図７（ａ）の活性領域の拡大図である。
【００８２】
図７（ａ），（ｂ）を参照すると、この第１の実施例の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３０１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３０２（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。そして、下部反射鏡３０２の上に、アンドープ下部ＧａＡｓスペーサ層３１０，３層のＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y（ｘ、ｙ）井戸層３０６ａとＧａＡｓバリア層３０６ｂとからなる多重量子井戸活性層３０６，アンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層３１１が形成されている。
【００８３】
そして、アンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層３１１の上には、ｐ−半導体分布ブラッグ反射鏡３０９（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３０９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３４０（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）とにより構成されている。
【００８４】
なお、図７（ａ）において、符号３１２はｐ側電極、符号３１３はｎ側電極、符号３１４は絶縁膜（ポリイミド）である。
【００８５】
また、上部反射鏡３０９の最上部のＧａＡｓ層３０９ａは、電極３１２とコンタクトを取るコンタクト層を兼ねている。また、活性層３０６内の井戸層３０６ａのＩｎ組成ｘは３７％，窒素組成は０．５％とした。また、井戸層３０６ａの厚さは７ｎｍとした。井戸層３０６ａは、ＧａＡｓ基板３０１に対して約２．５％の圧縮歪（高歪）を有していた。
【００８６】
ＭＯＣＶＤ法によるＧａＩｎＮＡｓ活性層３０６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、窒素の原料には、ＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を用いた。また、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に、好ましい原料である。この第１の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の活性層３０６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。この第１の実施例では、ＧａＩｎＮＡｓ層は５４０℃で成長させた。
【００８７】
また、この第１の実施例では、活性層３０６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、図７（ａ）に破線で示すところで、すなわち、下部ＧａＡｓスペーサ層３１０の成長途中で、成長中断し、被成長基板のみを別室に移動させてから、ＨＣｌガスを用いて反応室（成長室）内のＡｌ系残留物を除外した。ＨＣｌガスを供給すると、ＨＣｌガスは、反応室（成長室）側壁，加熱帯，基板を保持する治具等に残留しているＡｌ系残留物と反応してエッチング除去することができるので、活性層３０６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（図７（ａ），（ｂ）の例では、下部反射鏡３０２）の成長後、窒素を含んだ活性層３０６の成長の前までに行えば良い。
【００８８】
図７（ａ），（ｂ）の面発光型半導体レーザ素子の作製では、基板３０１上に、下部反射鏡３０２，下部スペーサ層３１０，活性層３０６，上部スペーサ層３１１，上部反射鏡３０９を順次に形成した後、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３１４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３０９上のポリイミドを除去し、ｐコンタクト部上の光出射部以外にｐ側電極３１２を形成し、また、基板３０１の裏面にｎ側電極３１３を形成した。
【００８９】
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。また、この第１の実施例では、ＧａＩｎＮＡｓを活性層３０６に用いたので、ＧａＡｓ基板３０１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。また、第１の実施例では、装置内に残留したＡｌを含んだ化合物が、窒素を含む活性層の成長時に酸素とともに膜中に取りこまれないように、装置内に残留したＡｌを含んだ化合物を塩素系化合物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。
【００９０】
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、電流の広がりが抑えられ、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。
【００９１】
従来では、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。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。すなわち、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。
【００９２】
具体的に、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。
【００９３】
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。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。
【００９４】
しかし、ＭＢＥ法では、原料セルの温度を変えて原料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。
【００９５】
これに対し、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／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。
【００９６】
このように、第１の実施例によれば、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。
【００９７】
（第２の実施例）
図８（ａ），（ｂ）は本発明の第２の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の構成例を示す図である。なお、図８（ｂ）は図８（ａ）の活性領域の拡大図である。また、図８（ａ），（ｂ）において、図７（ａ），（ｂ）と同様の箇所には同じ符号を付している。
【００９８】
この第２の実施例が前述の第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を除去する工程を下部反射鏡３０２の領域で行っていることである。下部反射鏡３０２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（具体的に、下部反射鏡３０２は、そのほとんどがＡｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ層とＧａＡｓ層とが交互に積層されて構成されているが）、最も活性層３０６側の一層３０２ａをＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（例えば、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、被成長基板のみを別室に移動させてからＨＣｌガスを反応室（成長室）に供給して、反応室内のＡｌ系残留物を除外した。
【００９９】
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。また、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。
【０１００】
また、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を含んだ半導体層を成長した後、窒素を含んだ活性層を成長する前に、エッチングガスであるＨＣｌを供給したので、反応室（成長室）内に残留したＡｌを含んだ化合物は、活性層を成長する前に除外され、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、成長中断した界面には、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。
【０１０１】
しかしながら、第２の実施例では、成長中断した界面とＧａＩｎＮＡｓ活性層３０６との間にワイドバンドギャップであるＧａＩｎＰＡｓ層３０２ａ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て、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。なお、第２の実施例では、ＧａＩｎＰＡｓ層は格子整合組成としたが、活性層３０６がこの第２の実施例のように高圧縮歪組成の場合は、ＧａＩｎＰＡｓ層３０２ａを引っ張り歪組成とすると、活性層３０６の歪を補償する効果があり、活性層３０６の格子緩和を抑制できるので好ましい。
【０１０２】
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。
【０１０３】
（第３の実施例）
図９（ａ），（ｂ）は本発明の第３の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の構成例を示す図である。なお、図９（ｂ）は図９（ａ）の活性領域の拡大図である。また、図９（ａ），（ｂ）において、図７（ａ），（ｂ），図８（ａ），（ｂ）と同様の箇所には同じ符号を付している。
【０１０４】
この第３の実施例が前述の第２の実施例と違うところは、この第３の実施例では、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を除去する工程が、下部反射鏡３０２の低屈折率層を構成しているＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（例えば、ｘ＝０．５，ｙ＝１）層３０２ａ中となっていて、ＧａＩｎＰＡｓ層３０２ａの成長途中で成長を中断して、被成長基板のみを別室に移動させてからＨＣｌガスを反応室（成長室）に供給してＡｌ系残留物を除外したことである。
【０１０５】
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。また、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。
【０１０６】
また、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ＨＣｌを供給して、装置内に残留したＡｌを含んだ化合物を除去した。これにより、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。
【０１０７】
さらに、この第３の実施例では、成長中断界面とＧａＩｎＮＡｓ活性層との間にワイドバンドギャップであるＧａＩｎＰＡｓ層３０２ａがあるので、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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
（第４の実施例）
図１０（ａ），（ｂ）は本発明の第４の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の構成例を示す図である。なお、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の活性領域の拡大図である。また、図１０（ａ），（ｂ）において、図７（ａ），（ｂ），図８（ａ），（ｂ），図９（ａ），（ｂ）と同様の箇所には同じ符号を付している。
【０１１０】
この第４の実施例が前述の第１の実施例と違うところは、この第４の実施例では、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を除去する工程が共振器部分に形成したＧａＰＡｓ層３２０中となっていて、ＧａＰＡｓ層３２０の成長途中で成長を中断して、被成長基板のみを別室に移動させてからＨＣｌガスを反応室（成長室）に供給してＡｌ系残留物を除外したことである。
【０１１１】
具体的に、この第４の実施例では、下部反射鏡３０２の最も上部のＡｌＧａＡｓ低屈折率層３０２ａの上部に、ＧａＰＡｓ層３２０を形成し、ＧａＰＡｓ層３２０の成長途中でＡｌ系残留物を除外した。なお、ＡｌＧａＡｓ低屈折率層３０２ａとＧａＰＡｓ層３２０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。
【０１１２】
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。また、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。
【０１１３】
また、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ＨＣｌを供給したので、反応室（成長室）内に残留したＡｌを含んだ化合物は、活性層を成長する前に除外され、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、成長中断した界面には、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。
【０１１４】
しかしながら、第４の実施例では、成長中断した界面とＧａＩｎＮＡｓ活性層３０６との間にＧａＡｓスペーサ層よりワイドバンドギャップであるＧａＰＡｓ層３２０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て、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。なお、ＧａＰＡｓ層３２０はＧａＡｓ基板３０１に対して引張り歪を有している。活性層３０６がこの第４の実施例のように高圧縮歪組成の場合は、ＧａＰＡｓ層３２０が引っ張り歪を有していると、活性層３０６の歪を補償する効果があり、活性層３０６の格子緩和を抑制できるので好ましい。なお、この第４の実施例では、ＧａＰＡｓ層３２０を設けたが、これのかわりに、ＧａＩｎＰ層，ＧａＩｎＰＡｓ層を設けても良い。
【０１１５】
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。
【０１１６】
（第５の実施例）
図１１は本発明の第５の実施例を示す図であり、図１１には、第２の実施例の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が示されている。
【０１１７】
この第５の実施例の光送信モジュールでは、１．３μｍ帯のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子からのレーザ光が石英系光ファイバーに入力され、伝送される。この場合、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。
【０１１８】
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の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。
【０１１９】
（第６の実施例）
図１２は本発明の第６の実施例を示す図であり、図１２には、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光送受信モジュールの概要が示されている。
【０１２０】
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１２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光送受信モジュールを用いた低コストで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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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場合、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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１乃至請求項３記載の発明によれば、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る半導体発光素子の製造方法において、
前記窒素を含む活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ系材料、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＡｓＮＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかからなる半導体層で構成され、
Ａｌを含む半導体層を成長した後であって、前記窒素を含む活性層の成長を開始させる前に、エッチングガスとして塩素系化合物ガスを成長室内に供給し、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を除去する工程を設けたので、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得ることができる。
【０１２７】
特に、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の半導体発光素子の製造方法において、前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を除去する工程は、半導体発光素子の成長を中断して、半導体発光素子の被成長基板を成長室から別室に移動させてから、または、一度外部に取り出してから行うので、被成長基板はエッチング等のダメージを受けることなく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得ることができる。
【０１２８】
また、請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の半導体発光素子の製造方法において、前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をエッチングガスとしての塩素系化合物ガスで除去する工程を行った後であって、窒素を含む活性層を成長させる前に、ＧａＩｎＰ層、または、ＧａＰＡｓ層、または、ＧａＩｎＰＡｓ層を形成するので、成長中断界面への注入キャリアはほとんど無くなり、発光効率の低下を防止できる。すなわち、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も高いバンドギャップエネルギーを有する材料を窒素を含む活性層との間に成長すると、成長中断界面への注入キャリアはほとんど無くなるので、発光効率の低下を防止できる。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。
【０１３０】
また、請求項４乃至請求項６記載の発明によれば、半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の窒素を含んだ活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために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、上部反射鏡と下部反射鏡とに挟まれた共振器構造とを有する面発光型半導体レーザ素子の製造方法において、
前記活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ系材料、ＧａＮＡｓ、ＩｎＮＡｓ、ＧａＡｓＮＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかからなる半導体層で構成され、
前記下部反射鏡は、屈折率が周期的に変化し入射光を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡を有し、該半導体分布ブラッグ反射鏡の屈折率が小さい層はＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ≦１）からなり、半導体分布ブラッグ反射鏡の屈折率が大きい層はＡｌyＧａ1-yＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）からなり、前記Ａｌを含んだ下部反射鏡を成長した後、前記窒素を含んだ活性層を成長する前に、エッチングガスとして塩素系化合物ガスを成長室内に供給し、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を除去するので、活性層への酸素の取りこまれを抑えることができ、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。
【０１３１】
また、請求項５，請求項６記載の発明によれば、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、ＧａＩｎＰ層、または、ＧａＰＡｓ層、または、ＧａＩｎＰＡｓ層を成長するので、発光効率低下を抑制でき、発光効率が高くしきい値電流の小さい特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【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】一般的なＭＯＣＶＤ装置の概略を示す図である。
【図３】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４】試料の基本構造を示す図である。
【図５】図４に示した半導体発光素子の一例として、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（Ｎ）濃度と酸素（Ｏ）濃度の深さ方向分布を示す図である。
【図６】図５と同じ試料でのＡｌ濃度の深さ方向分布を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の構成例を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の構成例を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の構成例を示す図である。
【図１０】本発明の第４の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の構成例を示す図である。
【図１１】本発明の第５の実施例を示す図である。
【図１２】本発明の第６の実施例を示す図である。
【符号の説明】
３０１          ｎ−ＧａＡｓ基板
３０２          下部反射鏡
３１０          下部スペーサ層
３０６          活性層
３１１          上部スペーサ層
３１２          ｐ側電極
３１３          ｎ側電極
３１４          ポリイミド
３０２ａ        ＧａＩｎＰＡｓ層
３２０          ＧａＰＡｓ層
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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