(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の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を含む共振器構造を有し、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含み、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、前記活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ材料で形成され、前記下部反射鏡の最も活性層に近い低屈折率層は、ＧａｘＩｎ1-ｘＰｙＡｓ1-ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層である面発光型半導体レーザ素子の製造方法であって、
少なくとも有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料を用いたＭＯＣＶＤ法で面発光型半導体レーザ素子を結晶成長し、Ａｌを含んだ前記下部反射鏡の成長後、窒素を含む活性層の成長開始までの間に、窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所となるガス供給ライン中もしく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を除去する工程を設け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２】
請求項１記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法において、Ａｌを含んだ前記下部反射鏡の成長後、非発光再結合防止層の成長終了後までの間に、窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所となるガス供給ライン中もしく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をキャリアガスでパージする工程を設け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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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】
面発光型半導体レーザは、基板に対して垂直方向に光を出射する半導体レーザであり、光インターコネクションの光源、光ピックアップ用の光源等に用いられている。
【０００３】
そして、面発光型半導体レーザは、レーザ光を発生する活性層を含んだ活性領域を反射鏡で挟んだ構造となっている。その反射鏡としては、低屈折率層と高屈折率層を交互に積層した半導体分布ブラッグ反射鏡が広く用いられている。半導体分布ブラッグ反射鏡の材料としては、活性層から発生する光を吸収しない材料（一般に活性層よりワイドバンドギャップの材料）であって、格子緩和を発生させないために基板に格子整合する材料が用いられる。
【０００４】
ところで、反射鏡の反射率は９９％以上と極めて高くする必要がある。反射率は積層数を増やすことによって高くなる。しかし、積層数が増加すると、面発光型半導体レーザの作製が困難になってしまう。このため、低屈折率層と高屈折率層の屈折率差が大きい方が好ましい。ＡｌＧａＡｓ系材料は、ＡｌＡｓとＧａＡｓが終端物質であり、格子定数は基板であるＧａＡｓとほぼ同程度であり、屈折率差が大きく、少ない積層数で高反射率を得ることができるので良く用いられている。
【０００５】
しかし、Ａｌを含んだ材料は、化学的に非常に活性であり、Ａｌに起因する結晶欠陥を作りやすい。例えば、原料中や成長雰囲気中の酸素や水分と反応してこれらを結晶中に取り込み、結晶欠陥となって非発光再結合が導入され発光効率を低下させたり、この結晶欠陥が原因となって素子の信頼性を損なう恐れがある。
【０００６】
活性領域のみをＡｌを含まない層で構成しても、活性領域に接する反射鏡の低屈折率層（ワイドギャップ層）にＡｌを含んだ構造としたのでは、キャリアが注入され再結合する時、この界面で非発光再結合が生じ発光効率は低下する。この影響を避けるために、装置管理，原料純度管理，成長条件の最適化などを厳密に行う必要があり、高品質の素子を作製するのは容易ではなかった。
【０００７】
このため、特開平０８−３４０１４６号や特開平０７−３０７５２５号には、Ａｌを含まないＧａＩｎＰとＧａＡｓとから半導体分布ブラッグ反射鏡を構成する提案がなされている。しかしながら、ＧａＩｎＰとＧａＡｓとの屈折率差は、ＡｌＡｓとＧａＡｓとの屈折率差に比べて約半分であり、反射鏡の積層数が非常に増加してしまい、作製が困難になって、歩留まりが低下し、素子抵抗が増加し、作製に時間がかかり、面発光レーザの総厚が厚くなり、電気配線が困難になる等の問題があった。
【０００８】
また、低しきい値化のためには電流狭さく構造が用いられている。特開平７−２４０５０６号には、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる半導体分布ブラッグ反射鏡による共振器と、イオン注入により高抵抗層を形成した電流狭さく構造とを用いた構造が示されている。また、特許第２９１７９７１号には、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる半導体分布ブラッグ反射鏡による共振器と、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓの一部を選択的に酸化した酸化膜を用いた電流狭さく構造を用いた面発光レーザが示されている。ここで、酸化には、高温での水蒸気供給による酸化が用いられている。高温での水蒸気供給による酸化は、ＡｌxＯyのような完全な絶縁体になること、また、活性層と狭さく層との距離を結晶成長で厳密に制御できること、電流通路を極めて狭くできることから、無効電流の低減，活性領域の低減に向き、低消費電力化に適しており、最近良く用いられている。
【０００９】
特許第２９１７９７１号では、ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成が大きくなるに従って酸化速度が激増していくことを利用しており、酸化したい層のＡｌ組成を他より大きくすることで、酸化したい層のみ酸化するようにしている。これにより、選択酸化による電流狭さく構造を得ることができる。このため、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層のＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ酸化層のＡｌ組成よりも小さくしている（つまり、Ｇａ組成を大きくしている）。特許第２９１７９７１号では、被選択酸化層にＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｙ＝０．９７）を用い、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層にはＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．９２）が用いられている。
【００１０】
選択酸化による電流狭さく技術は、ＡｌＡｓ層の側面から酸化させる方法が用いられており、このために少なくとも被選択酸化層であるＡｌＡｓ層の側面が現れるまでメサエッチングして除去する必要がある。しかしながら、エッチング速度にばらつきがあるため、メサの高さの分布やロット間のばらつきが発生し、素子特性のばらつきが発生する恐れがある。
【００１１】
また、現在の光ファイバー通信には、石英系光ファイバーでの損失が小さい１．３μｍ，１．５５μｍ帯の長波長帯の半導体レーザが用いられている。今後は各端末へも光ファイバー化（Fiber To The Home (FTTH)等）が進み、更には各機器間，機器内においても光による情報伝送が導入され光による情報伝送技術がますます重要になる。これらを実現するためには、光通信モジュールの「桁違い」の低価格化が最重要課題の一つであり、消費電力が小さく、かつ冷却システムを必要としない良好な温度特性の長波長帯半導体レーザが強く求められている。
【００１２】
この波長に対応するバンドギャップを有するIII−Ｖ族半導体であるＩｎＰ基板上のＧａＩｎＰＡｓ系材料が市場を独占している。しかし、ＩｎＰ系材料は、クラッド層（スペーサ層）と発光層との間の伝導帯バンド不連続が小さく、発光層への注入電子の閉じ込めが温度上昇とともに悪い。更にＩｎＰ基板に格子整合する材料では、屈折率差が大きくて半導体分布ブラッグ反射鏡に適した材料がない。結果として実用に耐え得る良好な性能の長波長面発光レーザは得られていない。
【００１３】
これを解決できる材料として、特開平６−３７３５５号では、ＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＮＡｓ系材料が提案されている。ＧａＩｎＮＡｓは、Ｎと他のＶ族元素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体である。ＧａＡｓより格子定数が大きいＧａＩｎＡｓに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，１．５μｍ帯での発光が可能な材料である。文献「Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３５（１９９６）ｐｐ．１２７３−１２７５」では、近藤らによりバンドラインナップが計算されている。ＧａＡｓ格子整合系なのでＡｌＧａＡｓ等をクラッド層に用いることで伝導帯のバンド不連続が大きくなる。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。また、ＧａＡｓ基板に形成できることから、半導体多層膜反射鏡としてＡｌ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ系材料を用いることができ、ＩｎＰ基板上に形成する場合に比べて積層数を非常に低減できる。更にＡｌＡｓ選択酸化層を電流狭さく構造に用いることができるので低動作電流化にも適している。
【００１４】
しかしながら、特開平１０−３０３５１５号，特開平１１−１４５５６０号のように、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ系材料を半導体多層膜反射鏡として用いたり、ＡｌＡｓ選択酸化層を電流狭さく構造に用いる場合は、上記と同様の問題が生じる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、総厚を増加させることなく、作製が容易で、信頼性に優れた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。
【００１６】
【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、半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の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を含む共振器構造を有し、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含み、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、前記活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ材料で形成され、前記下部反射鏡の最も活性層に近い低屈折率層は、ＧａｘＩｎ1-ｘＰｙＡｓ1-ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層である面発光型半導体レーザ素子の製造方法であって、
少なくとも有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料を用いたＭＯＣＶＤ法で面発光型半導体レーザ素子を結晶成長し、Ａｌを含んだ前記下部反射鏡の成長後、窒素を含む活性層の成長開始までの間に、窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所となるガス供給ライン中もしく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を除去する工程を設けることを特徴としている。
【００２９】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法において、Ａｌを含んだ前記下部反射鏡の成長後、非発光再結合防止層の成長終了後までの間に、窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所となるガス供給ライン中もしく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をキャリアガスでパージする工程を設けることを特徴としている。
【００３１】
【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。
【００３２】
第１の実施形態
図１（ａ），（ｂ）は本発明の第１の実施形態の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１（ｂ）は図１（ａ）の活性領域の拡大図である。図１（ａ），（ｂ）を参照すると、本発明の第１の実施形態の面発光型半導体レーザ素子は、半導体基板１上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層２を含む活性領域３と、レーザ光を得るために活性層２の上部および下部に設けられた上部反射鏡４および下部反射鏡５を含む共振器構造を有しており、下部反射鏡５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含み、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、また、活性層２と下部反射鏡５との間には非発光再結合防止層６が設けられていることを特徴としている。
【００３３】
第１の実施形態では、上部反射鏡４，下部反射鏡５に挟まれた、キャリアが注入される活性領域３（活性層２を含む）において、下部反射鏡５がＡｌを含んだ半導体層を含む半導体分布ブラッグ反射鏡からなっていても、活性層２と下部反射鏡５との間に非発光再結合防止層６を設けることにより、結晶成長時に生じるＡｌに起因する結晶欠陥の活性層２への這い上がりによる悪影響が抑えられ、活性層２を高品質に結晶成長させることができ、Ａｌに起因する結晶欠陥が原因となる非発光再結合が低減し、面発光レーザとして確実に動作させることができる。さらに、発光効率や信頼性を向上させることができる。また、下部反射鏡５は、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層のすべてをＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層に変えた場合に比べ、主に屈折率差が大きく少ない積層数で高反射率が得られるＡｌＧａＡｓ系からなる反射鏡であるので、反射鏡の積層数や素子全体の膜厚を大きく増加させることなく、上記効果を得ることができる。
【００３４】
なお、上部反射鏡４は、誘電体多層膜反射鏡で構成されても良く、この場合、上部反射鏡４と活性層６との間に、キャリアを閉じ込めるためのクラッド層を構成すれば良い。また、図１（ａ）では、上部反射鏡４から光出力を取り出すようにしているが、基板１側から光出力を取り出しても良い。
【００３５】
第２の実施形態
図２（ａ），（ｂ）は本発明の第２の実施形態の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２（ｂ）は図２（ａ）の活性領域の拡大図である。図２（ａ），（ｂ）を参照すると、本発明の第２の実施形態の面発光型半導体レーザ素子は、半導体基板１１上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層１２を含む活性領域１３と、レーザ光を得るために活性層１２の上部および下部に設けられた上部反射鏡１４および下部反射鏡１５を含む共振器構造を有しており、上部反射鏡１４および下部反射鏡１５は、それぞれ、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含み、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、活性層１２と上部反射鏡１４との間、および、活性層１２と下部反射鏡１５との間には、それぞれ、非発光再結合防止層１６，１７が設けられていることを特徴としている。
【００３６】
この第２の実施形態では、上下の半導体分布ブラッグ反射鏡に挟まれた、キャリアが注入される活性領域において、上下反射鏡１４，１５がＡｌを含んだ半導体層を含む半導体分布ブラッグ反射鏡からなっていても、活性層１２と反射鏡１４，１５との間に非発光再結合防止層１６，１７を設けることにより、結晶成長時に生じるＡｌに起因する結晶欠陥の活性層への這い上がりによる悪影響が抑えられ、Ａｌに起因する結晶欠陥の導入が低減し、活性層１２を高品質に結晶成長させることができる。さらに、キャリアが注入される活性領域１３の上下ともに非発光再結合防止層１６，１７で挟まれているので、Ａｌに起因する結晶欠陥が原因となる非発光再結合が低減し、容易に発光効率を高くでき、面発光レーザとして確実に動作させることができる。同様に、この結晶欠陥が原因となって素子の信頼性を損なうことがなくなる。第１の実施形態のように一方の反射鏡の片側だけに非発光再結合防止層を入れてもこれらの効果はあるが、第２の実施形態のように両方の反射鏡の側に非発光再結合防止層を設けると、その効果は大きい。また、上下反射鏡１４，１５は、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層のすべてをＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層に変えた場合に比べ、主に屈折率差が大きく少ない積層数で高反射率が得られるＡｌＧａＡｓ系からなる反射鏡なので、反射鏡の積層数や素子全体の膜厚を大きく増加させることなく、上記効果を得ることができる。
【００３７】
なお、図２（ａ）では、上部反射鏡１４から光出力を取り出すようにしているが、基板１１側から光出力を取り出しても良い。
【００３８】
第３の実施形態
本発明の第３の実施形態は、上記第１または第２の実施形態の面発光型半導体レーザ素子において、半導体基板１，１１がＧａＡｓであり、非発光再結合防止層６，１６，１７が、ＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層であることを特徴としている。
【００３９】
ＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層はＡｌを含まない構成（III族における組成が１％以下）となっており、さらにバンドギャップはＧａＡｓより大きくできるので、非発光再結合防止層６，１６，１７としてＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層を用いるときには、活性層材料のバンドギャップが例えばＧａＡｓより小さい材料を用いた場合にＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層を超えてＡｌを含む層に漏れるキャリアをほぼなくすことができ、非発光再結合を確実に防止できる。
【００４０】
第４の実施形態
また、本発明の第４の実施形態は、第３の実施形態の面発光型半導体レーザ素子において、非発光再結合防止層であるＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層の格子定数がＧａＡｓからなる半導体基板の格子定数よりも小さく、引張り歪を有していることを特徴としている。
【００４１】
エピタキシャル成長では下地の情報を反映して成長するので、基板表面に欠陥があると成長層へ這い上がっていく。しかし、歪層があると、そのような欠陥の這い上がりが抑えられる効果があることが知られている。上記欠陥が活性層に達すると発光効率を低減させてしまう。また、歪を有する活性層では、臨界膜厚が低減し、必要な厚さの層を成長できないなどの問題が生じる。特に、活性層の圧縮歪量が例えば２％以上と大きい場合や、歪層の厚さを臨界膜厚より厚く成長する場合、低温成長などの非平衡成長を行っても欠陥の存在で成長できないなど、特に問題となる。本発明では、非発光再結合防止層であるＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層の格子定数がＧａＡｓからなる半導体基板の格子定数よりも小さく、引張り歪を有していることにより、非発光再結合防止層であるＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層が歪層となり、上記のような欠陥の這い上がりが抑えられるので、発光効率を改善したり、活性層の圧縮歪量が例えば２％以上の層を成長できたり、歪層の厚さを臨界膜厚より厚く成長することが可能となる。
【００４２】
さらに、非発光再結合防止層であるＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層は、活性領域に接しており、活性領域にキャリアを閉じ込める役割も持っているが、ＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-s（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層は格子定数が小さくなるほどバンドギャップエネルギーを大きく取れる。例えばＧａxＩｎ1-xＰ（ｙ＝１）の場合、ｘが大きくなりＧａＰに近づくと格子定数が大きくなり、バンドギャップは大きくなる。バンドギャップＥｇは、直接遷移でＥｇ（Γ）＝1.351＋0.643ｘ＋0.786ｘ2、間接遷移でＥｇ（Ｘ）＝2.24＋0.02ｘと与えられている。よって活性領域とＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層のヘテロ障壁は大きくなるので、キャリア閉じ込めが良好となり、しきい値電流低減、温度特性改善などの効果がある。
【００４３】
第５の実施形態
本発明の第５の実施形態は、第３の実施形態の面発光型半導体レーザ素子において、非発光再結合防止層であるＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層の格子定数がＧａＡｓからなる半導体基板よりも大きく、圧縮歪を有しており、また、活性層の格子定数が前記ＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層の格子定数よりも大きく、圧縮歪を有していることを特徴としている。
【００４４】
前述のように、エピタキシャル成長では下地の情報を反映して成長するので、基板表面に欠陥があると成長層へ這い上がっていく。しかし、歪層があると、そのような欠陥の這い上がりが抑えられる効果があることが知られている。上記欠陥が活性層に達すると発光効率を低減させてしまう。また、歪を有する活性層では、臨界膜厚が低減し、必要な厚さの層を成長できないなどの問題が生じる。特に、活性層の圧縮歪量が例えば２％以上と大きい場合や、歪層の厚さ臨界膜厚より厚く成長する場合、低温成長などの非平衡成長を行っても欠陥の存在で成長できないなど、特に問題となる。本発明では、非発光再結合防止層であるＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層の格子定数がＧａＡｓからなる半導体基板よりも大きく、圧縮歪を有していることにより、非発光再結合防止層であるＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層が歪層となり、上記のような欠陥の這い上がりが抑えられるので、発光効率を改善したり、活性層の圧縮歪量が例えば２％以上の層を成長できたり、歪層の厚さを臨界膜厚より厚く成長することが可能となる。
【００４５】
さらにＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層の歪の方向は、活性層と同じ方向なので、活性層が感じる実質的な圧縮歪量を低減させる方向に働く。歪が大きいほど外的要因の影響を受けやすいので、活性層の圧縮歪量が例えば２％以上と大きい場合や、臨界膜厚を超えた場合に特に有効である。
【００４６】
例えば１．３μｍ帯面発光レーザはＧａＡｓ基板上に形成されるのが好ましく、共振器には半導体多層膜反射鏡を用いる場合が多く、トータル厚さが５〜８μｍで５０〜８０層の半導体層を活性層の成長前に成長する必要がある。この場合、高品質のＧａＡｓ基板を用いてもさまざまな原因（一度発生した欠陥は基本的には結晶成長方向に這い上がるし、ヘテロ界面での欠陥発生などがある）で、ＧａＡｓ基板表面の欠陥密度に比べて活性層成長直前の表面の欠陥密度はどうしても増えてしまう。活性層成長以前に、歪層の挿入や、活性層が感じる実質的な圧縮歪量が低減すると、活性層成長直前の表面にある欠陥の影響を低減できるようになる。
【００４７】
第６の実施形態
図３（ａ），（ｂ）は、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第１の構成例を示す図（図３（ｂ）は図３（ａ）の活性領域の拡大図）であり、また、図４（ａ），（ｂ）は、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第２の構成例を示す図（図４（ｂ）は図４（ａ）の活性領域の拡大図）である。なお、図３，図４は、それぞれ、第１の実施形態（図１），第２の実施形態（図２）の面発光型半導体レーザ素子に対応したものとなっている。
【００４８】
図３，図４を参照すると、第６の実施形態の面発光型半導体レーザ素子は、非発光再結合防止層であるＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層（図３では符号６，図４では符号１６）よりも上部には、Ａｌ，Ａｓを主成分とした被選択酸化層を選択的に酸化してなる電流狭さく層８，１８が設けられていることを特徴としている。
【００４９】
Ａｌ，Ａｓを主成分としたＡｌＧａＡｓ系に対して、Ｐを含んだＧａＩｎＰＡｓ系，すなわち非発光再結合防止層はエッチング停止層として機能することができるため、ＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層（図３では、符号６，図４では符号１６）よりも上部にＡｌ，Ａｓを主成分とした被選択酸化層を選択的に酸化してなる電流狭さく層８，１８を設ける場合、選択酸化のためのメサエッチングの高さを厳密に制御できる。これにより、第６の実施形態では、素子作製における制御性が良好になるとともに、素子特性の均一性，再現性を高められ、低コスト化が図れる。
【００５０】
第７の実施形態
本発明の第７の実施形態は、第１乃至第６のいずれかの実施形態において、活性層２，１２がＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＡｓのいずれかの材料で形成されていることを特徴としている。
【００５１】
すなわち、活性層２，１２にＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＡｓを用いると、ＧａＡｓ基板上に０．９μｍ以上の長波長帯面発光レーザを形成できる。屈折率差の大きいＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系の材料を用いることができるので、従来のＩｎＰ基板上に形成した場合に比べて、半導体分布ブラッグ反射鏡の積総数の低減効果は大きく、高反射率が得られる。また、ＧａＡｓ基板にはワイドギャップの材料を形成できるので、活性層とのバンド不連続を大きく取れ、これにより、キャリアの閉じ込めが良く温度特性の良い長波長帯面発光レーザを得ることができる。また、下部反射鏡５，１５，上部反射鏡１４は、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層のすべてをＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層に変えた場合に比べ、主に屈折率差が大きく少ない積層数で高反射率が得られるＡｌＧａＡｓ系からなる反射鏡であるので、反射鏡の積層数や素子全体の膜厚を大きく増加させることなく、Ａｌに起因する結晶欠陥が原因となる非発光再結合を低減でき、信頼性を向上させることができる。
【００５２】
第８の実施形態
本発明の第８の実施形態は、第１乃至第７のいずれかの実施形態において、活性層２，１２が圧縮歪を有し、その歪量が２．０％以上であることを特徴としている。
【００５３】
下地の基板に対して格子定数の違う材料を成長すると、格子は弾性変形してそのエネルギーを吸収する。しかし、下地の基板に対して格子定数の違う材料を厚く成長していくと、弾性的な変形だけでは歪みエネルギーを吸収できずにミスフィット転位が生じてしまう。この膜厚を臨界膜厚という。ミスフィット転位が生じてしまうと、良いデバイスを作製することは困難である。
【００５４】
理論的には、力学的にミスフィット転位が生じる厚さである臨界膜厚（ｈｃ）が、Ｍａｔｔｈｅｗｓ ａｎｄ Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ （文献「Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ．２７（１９７４ ）ｐｐ．１１８−１２５」を参照）によって次式により与えられている。
【００５５】
【数１】
0004931304.tif 000002
【００５６】
ここで、νはポアソン比（ν＝Ｃ12／（Ｃ21＋Ｃ12）；Ｃ12，Ｃ21は弾性スティフネス定数である）、αは界面でのバーガースベクトルと転位線の線分とのなす角（ｃｏｓ α＝１／２）、λは滑り面と界面の交差線に垂直な界面内での方向とバーガースベクトルとのなす角（ｃｏｓ λ＝１ ／２）、ｂ＝ａ／２1/2（ａ；格子定数）、ｆは格子不整合度つまり歪量であり、ｆ＝Δａ／ａと表される。Δａは下地の基板との格子定数の差であり、下地の基板の格子定数よりその上に成長した材料の格子定数が大きい場合は圧縮歪を有していると呼び、小さい場合は引張り歪を有していると呼ぶ。なお、数１は無限大の厚さの基板上に単層膜を成長する場合の式であり、以後、この数１によって与えられる臨界膜厚ｈｃを、Ｍａｔｔｈｅｗｓ  ａｎｄ Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの理論に基づく臨界膜厚と称す。
【００５７】
図５には、一般に支持されているＭａｔｔｈｅｗｓ ａｎｄ Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ の理論に基づいて計算されたＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＡｓ層の臨界膜厚が示されている。なお、Ｇａ1-xＩｎxＡｓに窒素（Ｎ）を添加したＧａ1-xＩｎxＮyＡｓ1-yの格子定数は、窒素添加１％当たり、Ｉｎ組成ｘが３％小さいＧａ1-xＩｎxＡｓ（ｙ＝ｘ−０．０３）とほぼ同じ格子定数となる。ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＡｓを形成する場合、Ｉｎ組成を増加すると歪み量が大きくなるので、平面に２次元で成長できる膜厚である臨界膜厚は薄くなっていく。ＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＡｓの場合、Ｉｎ組成の増加で半導体発光素子（半導体レーザ）の発振波長を長波長化することができるが、歪み量の増加をともなう。その限界歪み量は、約２％程度であり、発振波長は１．１μｍが限界であると言われていた（文献「ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．９（１１９７）ｐｐ．１３１９−１３２１」を参照）。
【００５８】
しかしながら、実際には、ＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＡｓ量子井戸層においてＩｎ組成を３０％を超える値、つまり、ＧａＡｓ基板に対する量子井戸層の歪み量が２％以上となる材料を、非平衡成長法であるＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法を用いて、更に例えば６００℃程度より低い温度での低温成長等の強い非平衡条件での成長により実質的な臨界膜厚ｈｃ’を、Ｍａｔｔｈｅｗｓ ａｎｄ Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの臨界膜厚ｈｃを越えた厚さとすることが可能であり、歪量を２％以上である高歪のＧａＩｎＡｓ量子井戸活性層であっても従来より厚くコヒーレント成長することが可能となり、波長は１．２μｍを超える長波長が得られる。つまり従来得られない波長の半導体レーザ等の半導体発光素子を得ることができる。この波長はＳｉ半導体基板に対して透明である。これにより、Ｓｉ基板上に電子素子と光素子を集積した回路チップにおいて、Ｓｉ基板を通した光伝送が可能となる。また、従来より高性能のＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｏｂｉｌｉｔｙ  ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ）等の電子素子を得ることもできる。
【００５９】
図５には実験例も示されている。図５を参照すると、例えば、Ｉｎ組成３２％、厚さ８．６ｎｍの場合、ＰＬ（フォルトミネセンス）中心波長は１．１３μｍであり、また、Ｉｎ組成３６％、厚さ７．８ｎｍの場合、ＰＬ中心波長は１．１６μｍであり、また、Ｉｎ組成３９％、厚さ７．２ｎｍの場合、ＰＬ中心波長は１．２μｍであった。これらは、Ｍａｔｔｈｅｗｓ ａｎｄ Ｂｌａｋｅｓｌｅｅの理論（数１）に基づいて計算した臨界膜厚ｈｃを越えた厚さとなっている。
【００６０】
また、図６には、ＧａＩｎＡｓ単一量子井戸層からのＰＬ中心波長とＰＬ強度との関係が示されている。ＧａＩｎＡｓ井戸層（図中実線部）のＩｎ組成ｘは３１％〜４２％とした。また、井戸層の厚さは、Ｉｎ組成ｘの増加に合わせて、約９ｎｍ〜約６ｎｍと薄くしていった。波長１．２μｍ程度までＰＬ強度の強い量子井戸層が得られた。波長１．２μｍまではＰＬ強度は徐々に低下しているのに対して、１．２μｍを越えると、ＰＬ強度は急激に低下していることがわかる。これは表面性にも対応しており１．２μｍまでは鏡面であった。これらの結果から、ＰＬ強度の上記急激な低下は量子井戸層の厚さが実質的な臨界膜厚ｈｃ’を越えたためと考えられる。一般にＭＯＣＶＤ 法やＭＢＥ 法において低温成長、高い成長速度等の強い非平衡成長条件で、実験的に得られる臨界膜厚が増加することが報告されている。また成長条件（例えば高温成長）により、理論に基づく臨界膜厚より薄い厚さでも三次元成長、表面荒れが起こることも報告されている。よって本結果は、理論に基づく臨界膜厚ｈｃよりも低温成長等の非平衡条件での成長による実質的な臨界膜厚ｈｃ’の方が厚いために、ミスフィット転位が生じることなく、より厚い膜を二次元に成長できたものと考えられる。
【００６１】
また、ＧａＩｎＮＡｓ活性層の場合、歪量を増加することは同一波長を得るのにＩｎ組成が増加することとなり、窒素組成を小さくできる。図７にはＩｎ組成１０％のＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ（端面発光型）の窒素組成に対するしきい値電流密度の例が示されている。図７から、窒素組成の増加でしきい値電流密度は大きく増加することがわかる。この理由は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。
【００６２】
また、図８には、本発明による高圧縮歪ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ−ＤＱＷレーザの発振波長としきい値電流密度との関係が示されている。従来報告されているＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓレーザの発振波長は１．１μｍ程度までであったが、我々の実験結果によると最長で１．２２５μｍまでの動作が室温で得られた。しかも１．２μｍ程度まで低しきい値であることがわかる。これらの結果は図６に示したＰＬ特性の結果を反映している。窒素フリーで１．２μｍ程度で発振する高歪ＧａＩｎＡｓ量子井戸層に窒素を添加すれば、１．３μｍを得るためには、わずか０．５％程度の窒素組成で良い。図７に示したＩｎ組成が１０％である格子整合厚膜活性層では３％程度の窒素添加が必要であったのに対して大きく低減でき、結晶性劣化が抑えられることによって高性能の１．３μｍ帯レーザの実現が期待できる。このように本発明によれば窒素組成を小さくすることができるので結晶性が改善し、ＧａＩｎＮＡｓレーザの特性を大きく改善できる。
【００６３】
また、活性層に高歪ＧａＡｓＳｂを用いても、ＧａＡｓ基板上に１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザを実現できる。
【００６４】
このように、波長１．１μｍ〜１．３μｍの半導体レーザは、従来適した材料がなかったが、高歪ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＡｓＳｂを用い、歪量を２．０％以上とすることにより可能となるとともに、ＧａＩｎＮＡｓを用いると、さらに長波長化が可能となる。
【００６５】
ただしこのような大きな歪の材料は非常に敏感であり、歪の小さい活性層では問題にならないような影響であっても、複数の層からなる面発光レーザ素子に適用すると他の層からの歪などの影響を受けやすい。しかしながら、非発光再結合防止層であるＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層を挿入すると、この影響を除外可能となる。例えばＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層は組成により歪量を調整できるので、反射鏡と活性層の間に設けると上記のような影響を補正できる。また、Ａｌは非常に活性で欠陥を取りこみやすいが、Ｉｎを含んだ層は下地（基板側）から這い上がってくる欠陥をブロックする働きを有するといわれており、Ａｌを含んだ層を有する反射鏡と活性層の間に設けるとこれを防止できると考えられる。
【００６６】
第９の実施形態
本発明の第９の実施形態は、第６の実施形態に示す面発光型半導体レーザ素子が複数個配列されている面発光型半導体レーザアレイである。
【００６７】
面発光型半導体レーザ素子をアレイ化した場合、面内の均一性が各素子間の特性ばらつきに影響する。ＡｌＧａＡｓ系に対してＧａＩｎＰＡｓ系はエッチング停止層として用いることができるため、選択酸化のためのメサエッチングの高さをアレイ中の各素子間で厳密に制御できる。このため、素子作製における制御性が良好になるとともに、アレイ中の各素子間での素子特性の均一性，再現性を高められる。
【００６８】
第１０の実施形態
本発明の第１０の実施形態は、第１乃至第９の実施形態のいずれか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。
【００６９】
第１０の実施形態では、第１乃至第９のいずれかの実施形態の低コストかつ高品質で信頼性の高い優れた面発光型半導体レーザ素子を用いることによって、低コストかつ高性能で信頼性の高い光送信モジュールを実現することができる。
【００７０】
第１１の実施形態
本発明の第１１の実施形態は、第１乃至第９の実施形態のいずれか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。
【００７１】
第１１の実施形態では、第１乃至第９のいずれかの実施形態の低コストかつ高品質で信頼性の高い優れた面発光型半導体レーザ素子を用いることによって、低コストかつ高性能で信頼性の高い光送受信モジュールを実現することができる。
【００７２】
第１２の実施形態
本発明の第１２の実施形態は、第１乃至第９の実施形態のいずれか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。
【００７３】
第１２の実施形態では、第１乃至第９のいずれかの実施形態の低コストかつ高品質で信頼性の高い優れた面発光型半導体レーザ素子を用いることによって、低コストかつ高性能で信頼性の高い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。
【００７４】
第１３の実施形態
本発明の第１３の実施形態は、上述した第１乃至第６の実施形態のいずれかの面発光型半導体レーザ素子を製造する面発光型半導体レーザ素子の製造方法であって、活性層２，１２が、窒素を含んだ半導体層で形成されており、Ａｌを含んだ半導体層の成長後、窒素を含む活性層の成長開始までの間に、窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所となるガス供給ライン中もしく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を除去する工程を設けることを特徴としている。
【００７５】
本発明は、活性層２，１２がＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＮＰＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等の窒素を含む活性層の場合に特に効果があることがわかった。
【００７６】
図１３は、本願の発明者のＭＯＣＶＤ装置で作製したＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層とＧａＡｓバリア層とからなるＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２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１３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１４には試料Ａ，Ｂの基本構造が示されている。すなわち、図１４を参照すると、試料Ａ，Ｂは、基本的には、ＧａＡｓ基板５０１上に、下部クラッド層５０２、中間層５０３、窒素を含む活性層５０４、中間層５０３、上部クラッド層５０５が順次積層されて構成されている。
【００７７】
図１３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２倍以上高くなってしまう。
【００７８】
本発明の発明者は、この原因解明について検討した。図１５は、図１４に示した半導体レーザ素子の一例として、クラッド層５０２をＡｌＧａＡｓとし、中間層５０３をＧａＡｓとし、活性層５０４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。
【００７９】
【表１】
0004931304.tif 000003
【００８０】
図１５において、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造に対応して、活性層５０４中に２つの窒素ピークが見られる。そして、活性層５０４において、酸素のピークが検出されている。しかし、Ａｌを含まない中間層５０３における酸素濃度は、活性層５０４の酸素濃度よりも約１桁低い濃度となっている。
【００８１】
一方、クラッド層５０２をＧａＩｎＰとし、中間層５０３をＧａＡｓとし、活性層５０４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５０４中の酸素濃度はバックグラウンドレベルであった。
【００８２】
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（５０１）と窒素を含む活性層（５０４）との間にＡｌを含む半導体層（５０２）を設けた半導体レーザ素子を連続的に結晶成長すると、窒素を含む活性層（５０４）中に酸素が取り込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（５０４）に取り込まれた酸素は非発光再結合準位を形成するため、活性層（５０４）の発光効率を低下させてしまう。この活性層（５０４）に取り込まれた酸素が、基板（５０１）と窒素を含む活性層（５０４）との間にＡｌを含む半導体層（５０２）を設けた半導体レーザ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。
【００８３】
次に、酸素の取り込まれる原因について検討した。図１６は、図１５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。
【００８４】
【表２】
0004931304.tif 000004
【００８５】
図１６から、本来Ａｌ原料を導入していない活性層５０４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）５０２，５０５に隣接した中間層（ＧａＡｓ層）５０３においては、Ａｌ濃度は活性層５０４よりも約１桁低い濃度となっている。これは、活性層５０４中のＡｌがＡｌを含む半導体層（クラッド層）５０２，５０５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。
【００８６】
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。
【００８７】
従って、図１６において活性層５０４中に検出されたＡｌは、成長室内またはガス供給ラインに残留した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５０４中に取り込まれたものである。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レーザ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。
【００８８】
図１５に示した同じ半導体レーザ素子における、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５０４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１６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込まれるというよりも、むしろ井戸層中に取り込まれたＡｌと結合して一緒に取り込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５０４中にＡｌと酸素が取り込まれる。この活性層５０４に取り込まれた酸素が活性層５０４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。
【００８９】
従って、これを改善するためには、少なくとも成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留した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ることが必要であることがわかった。
【００９０】
Ａｌを含んだ半導体層（５０２）の成長後、窒素を含む活性層（５０４）の成長開始までの間にこの工程を設けると、窒素を含む活性層（５０４）を成長するため成長室に窒素化合物原料を供給したときに、残留したＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌと、窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物及び装置内に残留する酸素を含んだ物質とが反応して、活性層に取り込まれるＡｌ及び酸素不純物の濃度を低減することができる。更に、非発光再結合防止層の成長終了後までに除去しておくと、電流注入によって活性層（５０４）にキャリアが注入される時、活性層（５０４）での非発光再結合への悪影響を抑えられるので好ましい。
【００９１】
例えば、窒素を含む活性層（５０４）中のＡｌ濃度を１×１０19ｃｍ-3以下に低減することにより、室温連続発振が可能となった。さらに、窒素を含む活性層（５０４）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。
【００９２】
次表（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。
【００９３】
【表３】
0004931304.tif 000005
【００９４】
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以上の酸素が取り込まれており、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。
【００９５】
このように、第１３の実施形態では、Ａｌを含んだ半導体層の成長後、窒素を含む活性層の成長開始までの間に、窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所となるガス供給ライン中もしく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を除去する工程を設けたので、窒素を含んだ活性層の成長時に酸素が取り込まれるのを低減でき、Ａｌを含んだ半導体層の上部に窒素を含んだ活性層が形成される半導体発光素子においても発光効率を低減させることなく半導体発光素子を結晶成長することができる。
【００９６】
第１４の実施形態
本発明の第１４の実施形態は、上述した第１３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、Ａｌを含んだ半導体層の成長後、非発光再結合防止層の成長終了後までの間に、窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所となるガス供給ライン中もしく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をキャリアガスでパージする工程を設けることを特徴としている。
【００９７】
すなわち、第１４の実施形態では、Ａｌを含む半導体層（５０２）の成長後と窒素を含む活性層（５０４）の成長開始との間に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌをキャリアガスでパージする工程を設けたことを特徴としている。
【００９８】
ここで、パージ工程の時間は、Ａｌを含む半導体層（５０２）の成長が終了して成長室へのＡｌ原料の供給を停止してから、窒素を含む活性層（５０４）の成長を開始するために窒素化合物原料を成長室に供給するまでの時間間隔をいう。
【００９９】
Ａｌを構成元素として含む半導体層を成長させると、前述のように、成長室内にＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌが残留するが、キャリアガスでガスラインや成長室内をパージすることにより、成長室内に残留したＡｌの濃度を次第に低下させることが可能である。
【０１００】
具体的には、パージ時間１０分程度で活性層中のＡｌ濃度を１×１０19ｃｍ-3以下に低減することができる。従って、１０分間以上のパージ時間を設けることにより、活性層の発光効率を改善して、室温連続発振する半導体レーザ素子を形成することができる。
【０１０１】
さらに、望ましくは３０分以上のパージ時間を設けることにより、Ａｌ濃度を１×１０18ｃｍ-3以下まで低減することができる。
【０１０２】
上記パージの方法として、Ａｌを含まない中間層中で成長中断をしてキャリアガスでパージする方法がある。成長中断をしてパージする場合は、成長中断する場所を、Ａｌを含んだ半導体層の成長後から非発光再結合防止層の途中までの間に設けることができる。
【０１０３】
図１７は、本発明の第１４の実施形態による半導体レーザ素子の一例を示す図である。図１７の半導体レーザ素子は、基板５０１上に、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層５０２と、第１の下部中間層６０１と、第２の下部中間層６０２と、窒素を含む活性層５０４と、上部中間層５０３と、第２の半導体層５０５とが順次に積層されて構成されている。
【０１０４】
図１７の半導体レーザ素子の結晶成長には、有機金属Ａｌ原料と有機窒素原料を用いたエピタキシャル成長装置を用いている。そして、第１の下部中間層６０１の成長後と第２の下部中間層６０２の成長開始との間に成長中断工程を設け、成長中断中に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを、キャリアガスである水素でパージして除去している。
【０１０５】
図１８は、第１の下部中間層６０１と第２の下部中間層６０２との間で成長中断し、パージ時間を６０分設けた半導体レーザ素子におけるＡｌ濃度の深さ方向分布の測定結果を示す図である。この場合、図１８に示すように、活性層５０４中のＡｌ濃度は３×１０17ｃｍ-3以下まで低減することができた。この値は、中間層中のＡｌ濃度と同程度となっている。
【０１０６】
また、図１９は、図１８の場合と同じ素子について、窒素（Ｎ）濃度と酸素（Ｏ）濃度の深さ方向分布を測定した結果を示す図である。図１９に示すように、活性層５０４中の酸素濃度は、１×１０17ｃｍ-3とバックグラウンドレベルまで低減できた。
【０１０７】
なお、下部中間層（６０１，６０２）中で酸素濃度にピークが現れているのは、成長中断界面に酸素が偏析したためである。よって、成長中断をしてパージする場合は、成長中断する場所を、Ａｌを含んだ半導体層の成長後から非発光再結合防止層の成長終了までの間に設けることが好ましい。非発光再結合防止層は量子井戸活性層や障壁層よりバンドギャップエネルギーを大きくすることができ、電流注入によって活性層にキャリアが注入される時、成長中断界面に偏析した酸素による非発光再結合による悪影響を抑えられるからである。
【０１０８】
この半導体レーザ素子は、第１の下部中間層６０１と第２の下部中間層６０２との間で成長中断し、パージ時間を６０分設けることにより、窒素を含む活性層５０４中のＡｌや酸素等の不純物濃度を低減することができた。これにより、窒素を含む活性層５０４の発光効率を改善することができた。
【０１０９】
なお、成長室内をキャリアガスでパージする工程において、サセプターを加熱しながらパージすることにより、サセプターまたはサセプター周辺に吸着したＡｌ原料や反応生成物を脱ガスさせて、効率良く除去することができる。
【０１１０】
ただし、基板を同時に加熱する場合は、最表面の半導体層５０５が熱分解するのを防止するため、成長中断中においてもＡｓＨ3もしくはＰＨ3等のＶ族原料ガスを成長室に供給し続ける必要がある。
【０１１１】
また、成長室内をキャリアガスでパージする際に、基板を成長室から別室に搬送しておくこともできる。基板を成長室から別室に搬送することにより、サセプターを加熱しながらパージを行う最に、ＡｓＨ3もしくはＰＨ3等のＶ族原料ガスを成長室に供給する必要がない。従って、サセプターまたはサセプター周辺に堆積したＡｌを含む反応生成物の熱分解をより促進させることができる。これにより、効率よく成長室内のＡｌ濃度を低減することができる。
【０１１２】
また、中間層を成長しながらパージを行う方法もある。Ａｌを含んだＡｌＧａＡｓ系からなる反射鏡と窒素を含む活性層との間に非発光再結合防止層を設けていることから、Ａｌを含んだ層と窒素を含む活性層との距離が長くなるため、成長しながらパージを行う場合でもパージの時間を長くできるメリットがある。この場合は成長速度を遅くして時間を長くすると良い。
【０１１３】
第１５の実施形態
本発明の第１５の実施形態は、上述した第１３，第１４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、少なくとも有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料を用いたＭＯＣＶＤ法で面発光型半導体レーザ素子を結晶成長することを特徴としている。
【０１１４】
通常のＭＢＥ法のように、有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料を用いない結晶成長方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著しい発光効率低下については特に報告されていない。一方、ＭＯＣＶＤ法では、Ａｌを含む半導体層上に形成したＧａＩｎＮＡｓ活性層の発光効率の低下が報告されている。例えば、文献「Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，２０００，３６（２１），ｐｐ１７７６−１７７７」において、同じＭＯＣＶＤ成長室でＡｌＧａＡｓクラッド層上にＧａＡｓからなる中間層を設けた場合でも、連続的にＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層を成長すると、フォトルミネッセンス強度が著しく劣化することが報告されている。上記報告においては、フォトルミネッセンス強度を改善するために、ＡｌＧａＡｓクラッド層とＧａＩｎＮＡｓ活性層を異なるＭＯＣＶＤ成長装置で成長させている。従って、ＭＯＣＶＤ法のように、有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料を用いる結晶成長方法の場合には少なくても起きる問題である。
【０１１５】
ＭＢＥ法は超減圧（高真空中）で結晶成長が行われるのに対して、ＭＯＣＶＤ法は通常数１０Ｔｏｒｒから大気圧程度と、ＭＢＥ法に比べて反応室の圧力が高いため、平均自由行程が圧倒的に短く、供給された原料やキャリアガスがガスラインや反応室等で他と接触，反応するためと考えられる。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、Ａｌを含んだ半導体層の成長後、窒素を含んだ活性層の成長前までに（更に好ましくは非発光再結合防止層成長終了後までの間に）、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留した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ると、窒素を含んだ活性層へ酸素が取り込まれることを防止する効果が高い。
【０１１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
【０１１７】
実施例１
図９（ａ），（ｂ）は実施例１の面発光型半導体レーザ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。図９（ａ），（ｂ）の面発光型半導体レーザは、面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板１０１上に、それぞれの媒質内における発振波長λの１／４倍の厚さ（λ／４の厚さ）でｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝１．０）とｎ−ＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｙ＝０）を交互に３５周期積層したｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡（ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ下部反射鏡）１０４を形成し、その上に、λ／４の厚さのｎ−ＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層（非発光再結合防止層）１０３を積層した。なお、この実施例１では、ｎ−ＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層１０３も下部反射鏡１０４の一部であり低屈折率層となっている。
【０１１８】
そして、その上に、アンドープ下部ＧａＡｓスペーサ層１０５と、３層のＧａxＩｎ1-xＡｓ量子井戸層である活性層（量子井戸活性層）１０６ａとＧａＡｓバリア層（２０ｎｍ）１０６ｂからなる多重量子井戸活性層１０６と、アンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層１０７とが積層されて、媒質内における発振波長の１波長分の厚さ（λの厚さ）の共振器を形成している。
【０１１９】
そして、その上に、Ｃ（炭素）ドープのｐ−ＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層（非発光再結合防止層）１０８とＺｎドープｐ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０）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（１周期）を積層し、その上にＣドープのｐ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．９）とＺｎドープｐ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０）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（２５周期）とからなる半導体分布ブラッグ反射鏡（Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ／ＧａＡｓ上部反射鏡）１０９が形成されている。なお、この実施例１では、ｐ−ＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層１０８も上部反射鏡１０９の一部であり低屈折率層となっている。
【０１２０】
そして、最上部のｐ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０）層１１０は、ｐ側電極１１２とコンタクトを取るためのコンタクト層（ｐ−コンタクト層）としての役割も持っている。
【０１２１】
ここで、量子井戸活性層１０６ａのＩｎ組成ｘは３９％（Ｇａ0.61Ｉｎ0.39Ａｓ）とした。また、量子井戸活性層１０６ａの厚さは７ｎｍとした。また、量子井戸活性層１０６ａは、ＧａＡｓ基板１０１に対して約２．８％の圧縮歪を有していた。
【０１２２】
また、この面発光型半導体レーザ全体の成長方法は、ＭＯＣＶＤ法で行った。この場合、格子緩和は見られなかった。半導体レーザの各層を構成する原料には、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），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）を用いた。また、キャリアガスにはＨ2を用いた。実施例１の素子の活性層（量子井戸活性層）１０６ａ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。実施例１では、ＧａＩｎＡｓ層（量子井戸活性層）１０６ａは５５０℃で成長した。ＭＯＣＶＤ法は過飽和度が高く高歪活性層の結晶成長に適している。また、ＭＢＥ法のような高真空を必要とせず、原料ガスの供給流量や供給時間を制御すれば良いので量産性にも優れている。
【０１２３】
また、実施例１では、電流経路外の部分をプロトン（Ｈ+）照射によって絶縁層（高抵抗部）１１１を作って、電流狭さく部を形成した。
【０１２４】
そして、実施例１では、上部反射鏡の最上部の層であり、上部反射鏡の一部となっているｐ−コンタクト層１１０上に、光出射部１１４を除いてｐ側電極１１２を形成し、基板の裏面にｎ側電極１１３を形成した。
【０１２５】
実施例１では、上下反射鏡１０４，１０９に挟まれた、キャリアが注入され再結合する活性領域（実施例１では、上部及び下部スペーサ層１０５，１０７と多重量子井戸活性層１０６とからなる共振器）において、活性領域内にはＡｌを含んだ材料（III族に占める割合が１％以上）を用いず、さらに、下部反射鏡１０４および上部反射鏡１０９の低屈折率層の最も活性層１０６に近い層１０３，１０８をＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）としている。キャリアは、活性層１０６に最も近くワイドギャップである上部反射鏡１０９および下部反射鏡１０４の低屈折率層間に閉じ込められるので、活性領域のみをＡｌを含まない層（III族に占める割合が１％以下）で構成しても活性領域に接する反射鏡の低屈折率層（ワイドギャップ層）にＡｌを含んだ構造としたのでは、キャリアが注入され再結合する時、この界面で非発光再結合が生じ発光効率は低下してしまう。本発明の主旨から活性領域はＡｌを含まない層で構成することが望ましい。
【０１２６】
実施例１では、活性領域内、及び、反射鏡１０４，１０９と活性領域との界面に、Ａｌを含まない構成としているので、キャリア注入時に、Ａｌに起因していた結晶欠陥が原因となる非発光再結合がなくなり、非発光再結合が低減した。
【０１２７】
実施例１のように、反射鏡と活性領域との界面にＡｌを含まない構成を、上下反射鏡１０４，１０９ともに適用することが好ましいが、一方の反射鏡に適用するだけでも効果がある。また、実施例１では、上下反射鏡１０４，１０９とも半導体分布ブラッグ反射鏡としたが、一方の反射鏡を半導体分布ブラッグ反射鏡とし、他方の反射鏡を誘電体反射鏡としても良い。また、上述の例では、反射鏡１０４，１０９の低屈折率層の最も活性層１０６に近い層のみをＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）としているが、反射鏡１０４，１０９の複数層をＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）としても良い。
【０１２８】
さらに、実施例１では、ＧａＡｓ基板１０１と活性層１０６との間の下部反射鏡１０４に本発明を適用しているので，活性層１０６の成長時に問題となる、Ａｌに起因する結晶欠陥の活性層１０６への這い上がりによる悪影響が抑えられ、活性層１０６を高品質に結晶成長することができる。これらにより、発光効率は高く、信頼性は実用上十分であった。また、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層のすべてではなく、少なくとも活性領域に最も近い部分をＡｌを含まないＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層としただけなので、反射鏡の積層数を特に増加させることなく、上記効果を得ることができる。
【０１２９】
このように作製した面発光型半導体レーザ素子の発振波長は約１．２μｍであった。ＧａＡｓ基板１０１上のＧａＩｎＡｓは、Ｉｎ組成の増加で長波長化するが、歪み量の増加を伴ない、従来１．１μｍまでが長波長化の限界と考えられていた（文献「ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．９（１９９７）ｐｐ．１３１９−１３２１」参照）。しかしながら、本発明では、６００℃以下の低温成長などの非平衡度の高い成長法により高歪のＧａＩｎＡｓ量子井戸活性層を従来より厚くコヒーレント成長することが可能となり、波長は１．２μｍまで到達できる。この波長はＳｉ半導体基板に対して透明である。従って、Ｓｉ基板上に電子素子と光素子を集積した回路チップにおいてＳｉ基板を通した光伝送が可能となる。このように、Ｉｎ組成が大きい高圧縮歪のＧａＩｎＡｓを活性層に用いることにより、ＧａＡｓ基板上に長波長帯の面発光型半導体レーザを形成できた。
【０１３０】
図９の面発光型半導体レーザ素子は、ＭＯＣＶＤ法で成長させることができるが、ＭＢＥ法等の他の成長方法を用いることもできる。また、実施例１では、活性層１０６の積層構造として、３重量子井戸構造（ＴＱＷ）の例を示したが、他の井戸数の量子井戸を用いた構造（ＳＱＷ，ＭＱＷ）等を用いることもできる。レーザの構造も他の構造のものにすることもできる。また、共振器長はλの厚さとしたが、λ／２の整数倍、望ましくはλの整数倍とすることができる。また半導体基板１０１としてＧａＡｓを用いた例を示したが、ＩｎＰなどの他の半導体基板を用いた場合でも本発明を適用できる。また、反射鏡１０４，１０９の周期は他の周期でも良い。
【０１３１】
また、実施例１では、活性層１０６として、ＧａＩｎＡｓを用いたが、ＧａＩｎＮＡｓを用いることもできる。この場合、ＧａＩｎＮＡｓ活性層の組成を変えることで、１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯、更にはもっと長波長の面発光型半導体レーザも可能となる。また、活性層１０６にＧａＡｓＳｂを用いても、ＧａＡｓ基板１０１上に１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザを実現できる。このように、波長１．１μｍ〜１．３μｍの半導体レーザは、従来適した材料がなかったが、高歪ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＡｓＳｂを用いることにより、ＧａＡｓ基板１０１上に、波長１．１μｍ 〜１．３μｍの半導体レーザが可能となる。更に、従来高性能化が困難であった波長１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯等の長波長において、ＧａＡｓ基板１０１上に結晶成長可能な材料系を用いることで、高性能な面発光型半導体レーザを実現できる。
【０１３２】
実施例２
図１０（ａ），（ｂ）は実施例２の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。図１０（ａ），（ｂ）の面発光型半導体レーザ素子は、面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に、それぞれの媒質内における発振波長（λ）の１／４倍の厚さでｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．９）とｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０）を交互に３５周期積層したｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡（Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ＧａＡｓ下部反射鏡）２０４を形成し、その上にλ／４の厚さのｎ−ＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層（非発光再結合防止層）２０３を積層した。なお、この実施例２では、ｎ−ＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層２０３も下部反射鏡２０４の一部であり低屈折率層となっている。
【０１３３】
そして、その上に、アンドープ下部ＧａＡｓスペーサ層２０５と、３層のＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y量子井戸層である活性層（量子井戸活性層）２０６ａとＧａＡｓバリア層２０６ｂ（１５ｎｍ）とから構成される多重量子井戸活性層（この実施例２では３重量子井戸(TQW)）２０６と、アンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層２０７とが積層されて、媒質内における発振波長の１波長分の厚さ（λの厚さ）の共振器を形成している。
【０１３４】
そして、その上に、ｐ−半導体分布ブラッグ反射鏡（上部反射鏡）２０９が形成されている。すなわち、上部反射鏡２０９は、被選択酸化層となるＡｌＡｓ層２３０をＧａＩｎＰ層２０８とＡｌＧａＡｓ層で挟んだ３λ／４の厚さの低屈折率層（厚さが（λ／４−１５ｎｍ）のＣドープｐ−ＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層（非発光再結合防止層）２０８、Ｃドープｐ−ＡｌzＧａ1-zＡｓ（ｚ＝１）被選択酸化層２３０（厚さ３０ｎｍ）、厚さが（２λ／４−１５ｎｍ）のＣドープｐ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ層（ｘ＝０．９））と厚さがλ／４のＧａＡｓ層（１周期）とＣドープのｐ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ層（ｘ＝０．９）とｐ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０）層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（２２周期）とから構成されている半導体分布ブラッグ反射鏡（Ａｌ0.9Ｇａ0.1Ａｓ／ＧａＡｓ上部反射鏡）として、形成されている。
【０１３５】
そして、最上部のｐ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０）層２１０は、ｐ側電極２１２とコンタクトを取るためのコンタクト層（ｐ−コンタクト層）としての役割も持っている。
【０１３６】
ここで、量子井戸活性層２０６ａのＩｎ組成ｘは３７％，Ｎ（窒素）組成は０．５％とした。また、量子井戸活性層２０６ａの厚さは７ｎｍとした。また、この面発光型半導体レーザ素子の成長方法は、ＭＯＣＶＤ法で行った。半導体レーザの各層を構成する原料には、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），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），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に好ましい。なお、キャリアガスにはＨ2を用いた。また、実施例２では、ＧａＩｎＮＡｓ層（量子井戸活性層）２０６ａは５４０℃で成長した。ＭＯＣＶＤ法は過飽和度が高く、Ｎと他のＶ族を同時に含んだ材料の結晶成長に適している。また、ＭＢＥ法のような高真空を必要とせず、原料ガスの供給流量や供給時間を制御すれば良いので、量産性にも優れている。
【０１３７】
また、実施例２では、所定の大きさのメサをｐ−ＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層２０８に達するまで、ｐ−ＡｌzＧａ1-zＡｓ（ｚ＝１）被選択酸化層２３０の側面を露出させて形成し、側面の現れたＡｌzＧａ1-zＡｓ（ｚ＝１）層２３０を水蒸気で側面から酸化してＡｌxＯy電流狭さく部２２０を形成した。そして、次に、ポリイミド（絶縁膜）２２１でエッチング部を埋め込んで平坦化し、上部反射鏡２０９上のポリイミドを除去し、ｐ−コンタクト層２１０上に光出射部２１４を除いてｐ側電極２１２を形成し、ＧａＡｓ基板２０１の裏面にｎ側電極２１３を形成した。
【０１３８】
実施例２では、被選択酸化層２３０の下部に上部反射鏡２０９の一部としてＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層２０８が挿入されている。例えばウエットエッチングの場合では、硫酸系エッチャントを用いれば、ＡｌＧａＡｓ系に対してＧａＩｎＰＡｓ系はエッチング停止層として用いることができるため、ＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層２０８が挿入されていることで、選択酸化のためのメサエッチングの高さを厳密に制御できる。このため、均一性，再現性を高められ、低コスト化が図れる。
【０１３９】
また、実施例２の面発光型半導体レーザ素子を一次元または二次元に集積した場合、素子作製における制御性が良好になるとともに、アレイ内の各素子の素子特性の均一性，再現性も極めて良好になるという効果がある。
【０１４０】
なお、実施例２では、エッチングストップ層を兼ねるＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層２０８を上部反射鏡２０９側に設けたが、下部反射鏡２０４側に設けても良い。
【０１４１】
また、実施例２では、上下反射鏡２０４，２０９に挟まれた、キャリアが注入され再結合する活性領域（この実施例２では、上部スペーサ層２０７と下部スペーサ層２０５と多重量子井戸活性層２０６とからなる共振器）において、活性領域内にはＡｌを含んだ材料を用いず、さらに、下部反射鏡２０４および上部反射鏡２０９の低屈折率層の最も活性層に近い層をＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）としている。つまり、実施例２では、活性領域内、及び、反射鏡と活性領域との界面に、Ａｌを含まない構成としているので、キャリア注入時に、Ａｌに起因していた結晶欠陥が原因となる非発光再結合を低減させることができる。本発明の主旨から活性領域はＡｌを含まない層で構成することが望ましい。
【０１４２】
反射鏡２０４，２０９と活性領域との界面にＡｌを含まない構成を、実施例２のように上下反射鏡２０４，２０９に適用することが好ましいが、いずれか一方の反射鏡に適用するだけでも効果がある。また、実施例２では、上下反射鏡２０４，２０９とも半導体分布ブラッグ反射鏡としたが、一方の反射鏡を半導体分布ブラッグ反射鏡とし、他方の反射鏡を誘電体反射鏡としても良い。
【０１４３】
さらに、実施例２では、ＧａＡｓ基板２０１と活性層２０６との間の下部反射鏡２０４に本発明を適用しているので，活性層２０６の成長時に問題となるＡｌに起因する結晶欠陥の活性層２０６への這い上がりによる悪影響が抑えられ、活性層２０６を高品質に結晶成長することができる。これらにより、発光効率は高く、信頼性は実用上十分であった。また、半導体分布ブラッグ反射鏡２０４，２０９の低屈折率層のすべてではなく、少なくとも活性領域に最も近い部分をＡｌを含まないＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層２０３，２０８としただけなので、反射鏡の積層数を特に増加させることなく、上記効果を得ることができた。このため、ポリイミドの埋め込みは容易であり、配線（実施例２ではｐ側電極２１２）が段切れしにくく、特に素子の歩留まりは低下しなかった。
【０１４４】
このように作製した面発光型半導体レーザの発振波長は約１．３μｍであった。実施例２では、ＧａＩｎＮＡｓを活性層２０６に用いたので、ＧａＡｓ基板２０１上に長波長帯の面発光型半導体レーザを形成できた。また、ＡｌとＡｓを主成分とした被選択酸化層２３０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２３０を選択酸化したＡｌ酸化膜からなる電流狭さく部２２０を用いた電流狭さく構造によると、電流狭さく部２２０を活性層２０６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。更に酸化して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。これらのように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を実現できた。
【０１４５】
図１０の面発光型半導体レーザ素子は、ＭＯＣＶＤ法で成長させることができるが、ＭＢＥ法等の他の成長方法を用いることもできる。また、実施例２では、窒素の原料に、ＤＭＨｙを用いたが、活性化した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもできる。また、実施例２では、活性層２０６の積層構造として、３重量子井戸構造（ＴＱＷ）の例を示したが、他の井戸数の量子井戸を用いた構造（ＳＱＷ，ＤＱＷ，ＭＱＷ）等を用いることもできる。レーザの構造も他の構造のものにすることもできる。
【０１４６】
また、図１０の面発光型半導体レーザ素子において、ＧａＩｎＮＡｓ活性層２０６ａの組成を変えることで、１．５５μｍ帯、更にはもっと長波長の面発光型半導体レーザも可能となる。また、ＧａＩｎＮＡｓ活性層２０６ａにＴｌ、Ｓｂ、Ｐなど他のIII−Ｖ元素が含まれていても良い。また、活性層２０６ａにＧａＡｓＳｂを用いても、ＧａＡｓ基板２０１上に１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザを実現できる。更に、活性層２０６ａにＧａＩｎＡｓを用いた場合、従来１．１μｍまでが長波長化の限界と考えられていたが、６００℃以下の低温成長により高歪のＧａＩｎＡｓ量子井戸活性層を従来よりも厚く成長することが可能となり、波長は１．２μｍまで到達できる。このように、波長１．１μｍ 〜１．３μｍの半導体レーザには、従来適した材料がなかったが、高歪ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＡｓＳｂを用いることにより、波長１．１μｍ 〜１．３μｍの半導体レーザが可能となる。更に、従来高性能化が困難であった波長１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯等の長波長において、高性能な面発光型半導体レーザを実現できる。
【０１４７】
実施例３
実施例３は、光送信モジュールに関するものである。図１１は実施例２の１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザと石英系光ファイバーとを組み合わせた光送信モジュールの概要を示す図である。図１１を参照すると、半導体レーザから光信号（レーザ光）が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半導体レーザを１次元または２次元にアレイ状に配置して、波長多重送信により伝送速度を増加できる。また、半導体レーザを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、伝送速度を増加できる。
【０１４８】
また、本発明による面発光型半導体レーザを光通信システムに用いる場合、本発明による面発光型半導体レーザは低コストのものであるので、送信用半導体レーザと光ファイバーとを組み合わせた光送信モジュールを用いた低コストの光通信システムを実現できる。また、ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザの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。更に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。
【０１４９】
実施例４
実施例４は、光送受信モジュールに関するものである。図１２は実施例２の１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ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を示す図である。
【０１５０】
本発明による面発光型半導体レーザを光通信システムに用いる場合、本発明による面発光型半導体レーザは低コストのものであるので、送信用半導体レーザ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信モジュールを用いた低コストの光通信システムを実現できる。また、ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザの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。更に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。
【０１５１】
本発明による面発光型半導体レーザ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。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で行うと、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、超高速コンピュータシステムが可能となる。また、複数のコンピュータシステム等を上記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できる。
【０１５２】
特に面発光型半導体レーザは、端面発光型レーザに比べて、桁違いに低消費電力化ができ、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。
【０１５３】
実施例５
実施例５の面発光型半導体レーザ素子は、図１０の構成において、非発光再結合防止層であるＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層２０３，２０８がＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（ｘ＝０．５５、ｙ＝１）となっている点で、実施例２と相違している。
【０１５４】
実施例５の面発光型半導体レーザ素子では、実施例２の効果の他に、ＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層２０３，２０８が歪を有しているので、成長中に生じた欠陥や、基板の欠陥の成長層へ這い上がりを一部この層で抑えることができ、発光効率を改善することができた。また、そこそこの結晶品質のｎ側多層膜反射鏡（下部反射鏡）２０４でも容易に高歪を有する活性層を成長できた。このように、活性層の圧縮歪量が例えば２％以上の層を成長できたり、歪層の厚さを臨界膜厚より厚く成長することが可能となった。
【０１５５】
さらに、このＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層２０３，２０８は活性領域に接しており、ＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層２０３，２０８は格子定数が小さくなるほどバンドギャップエネルギーを大きく取れるので、活性領域とＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層のヘテロ障壁は大きくなり、キャリア閉じ込めが良好となり、しきい値電流低減、温度特性改善などの効果があった。具体的に、実施例５では、バンドギャップは実施例２の素子（Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐ）に比べて、７０ｍｅＶ程度大きくなった。
【０１５６】
実施例６
実施例６の面発光型半導体レーザ素子は、図１０の構成において、非発光再結合防止層であるＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層２０３，２０８がＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（ｘ＝０．４５、ｙ＝１）となっている点で、実施例２と相違している。
【０１５７】
実施例６の面発光型半導体レーザ素子では、実施例２の効果の他に、ＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層２０３，２０８が歪を有しているので、成長中に生じた欠陥や、基板の欠陥の成長層へ這い上がりを一部この層で抑えることができ、発光効率を改善することができた。また、そこそこの結晶品質のｎ側多層膜反射鏡（下部反射鏡）２０４でも容易に高歪を有する活性層を成長できた。このように、活性層の圧縮歪量が例えば２％以上の層を成長できたり、歪層の厚さを臨界膜厚より厚く成長することが可能となった。
【０１５８】
さらに、実施例６では、ＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層２０３，２０８の歪の方向が活性層２０６ａと同じ方向なので、歪層の挿入効果のほかに、活性層２０６ａが感じる実質的な圧縮歪量を低減する方向に働き、活性層成長直前の表面にある欠陥の影響を低減できた。このため更に高品質に活性層を成長でき、特性が向上した。
【０１５９】
特に、厚膜成長が必要な長波長帯の面発光レーザの場合、有効であることがわかった。例えば１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ面発光レーザはＧａＡｓ基板上に形成し、共振器には半導体多層膜反射鏡を用いる場合が多く、全体の厚さが５〜８μｍで５０〜８０層の半導体層を活性層成長前に成長する必要がある。一方、端面型の場合、活性層成長前の全体の厚さは２μｍ程度で３層程度の半導体層を成長するだけで良い。この場合、高品質のＧａＡｓ基板を用いてもさまざまな原因で（一度発生した欠陥は基本的には結晶成長方向に這い上がるし、ヘテロ界面での欠陥発生などがある）、ＧａＡｓ基板表面の欠陥密度に比べて活性層成長直前の表面の欠陥密度はどうしても増えてしまう。活性層成長以前に、歪層の挿入や、活性層が感じる実質的な圧縮歪量が低減すると、活性層成長直前の表面にある欠陥の影響を低減できるので、面発光レーザなどの厚膜成長層を高品質に得ることが容易になる。
【０１６０】
実施例７
図２０（ａ），（ｂ）は実施例７の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２０（ｂ）は図２０（ａ）の活性領域の拡大図である。
【０１６１】
図２０（ａ），（ｂ）を参照すると、実施例７の面発光型半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上に、下部反射鏡３０２と、非発光再結合防止層３０３と、多重量子井戸活性層３０６と、上部反射鏡３０９とが積層されて形成されている。ここで、下部反射鏡３０２は、ｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．９）とｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０）を交互に積層して形成されている。また、多重量子井戸活性層３０６は、３層のＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y量子井戸層である活性層（量子井戸活性層）３０６ａとＧａＡｓバリア層３０６ｂとから構成されている。すなわち、実施例７の面発光型半導体レーザ素子では、下部反射鏡３０２がＡｌを含んだ層であり、活性層３０６が窒素を含んだ層である。また、図２０（ａ），（ｂ）において、符号３４０は３λ／４の厚さの低屈折率層である。
【０１６２】
図２０（ａ），（ｂ）の面発光型半導体レーザ素子の結晶成長は、ＭＯＣＶＤ法で行った。この際、Ａｌを含んだ層のＡｌ原料としてＴＭＡを用い、窒素を含んだ層（ＧａＩｎＮＡｓ）の窒素の原料にはＤＭＨｙを用いた。
【０１６３】
実施例７の素子の実施例２の素子との違いは、非発光再結合防止層３０３の下のＧａＡｓ層３１０の途中（破線Ｂで示す部分）で成長中断して、成長中断中に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌを、キャリアガスである水素でパージして除去している点である。ここで、パージ時間は６０分とした。また、この実施例７では、成長中断中、ウエハは反応室に入れたままとした。
【０１６４】
これにより、ＧａＩｎＮＡｓ活性層３０６中のＡｌ濃度を３×１０17ｃｍ-3以下まで低減することができ、ＧａＩｎＮＡｓ活性層３０６中の酸素濃度を１×１０17ｃｍ-3とバックグラウンドレベルまで低減できた。この結果、窒素を含む活性層３０６の発光効率を改善することができ、素子のしきい値を低減することができた。
【０１６５】
なお、実施例７では、成長中断を非発光再結合防止層３０３の下のＧａＡｓ層３１０で行ったが、成長中断を非発光再結合防止層３０３の途中で行なっても良い。
【０１６６】
また、実施例７では、成長中断してＡｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌをパージしたが、成長中断をせずに成長速度を遅くし、Ａｌを含んだ層と窒素を含んだ活性層との間の成長時間を長くして、成長させながらパージしても良い。
【０１６７】
また、実施例７では、実施例２と異なり、上部非発光再結合防止層は設けておらず、また非発光再結合防止層をエッチングストップ層としても用いていないが、実施例２のように用いても良い。
【０１６８】
実施例８
図２１（ａ），（ｂ）は実施例８の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２１（ｂ）は図２１（ａ）の活性領域の拡大図である。
【０１６９】
図２１（ａ），（ｂ）を参照すると、実施例８の面発光型半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板４０１上に、ｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡（下部反射鏡）４１０と、共振器部４１３と、ｐ−半導体分布ブラッグ反射鏡（上部反射鏡）４１２とが積層されて構成されている。ここで、下部反射鏡４１０の最上層は、ＡｌＧａＡｓ低屈折率層４０９となっており、また、上部反射鏡４１２の最下層は、ＡｌＧａＡｓ低屈折率層４１１となつている。また、共振器部４１３は、３層のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層４０６ａとＧａＡｓ障壁層４０６ｂとからなる活性層４０６と、ＧａＡｓ第一障壁層４０５，４０７と、ＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（ｘ＝０．５，ｙ＝１）非発光再結合防止層（第二障壁層）４０３，４０８とからなっている。
【０１７０】
実施例８の面発光型半導体レーザ素子の実施例２の素子との違いは、非発光再結合防止層４０３，４０８が共振器部４１３の中にあることである。また、実施例８では、共振器部４１３の厚さは１波長分の厚さとなっている。
【０１７１】
図２１（ａ），（ｂ）の構造において、ＧａxＩｎ1-xＰyＡｓ1-y（ｘ＝０．５，ｙ＝１）非発光再結合防止層（第二障壁層）４０３，４０８のバンドギャップはＧａＡｓ第一障壁層４０５，４０７のバンドギャップよりも大きく、キャリアが注入される活性領域は実質ＧａＡｓ第一障壁層４０５，４０７までとなるので、実施例２の素子と同様な効果が得られる。
【０１７２】
また、実施例７の素子のように成長中断を設ける場合は、下部非発光再結合防止層４０３の途中に設けたり、下部非発光再結合防止層４０３とＡｌを含んだ層（例えば、４０９）との間にＧａＡｓ層を設けてその層の途中などで行うことができる。
【０１７３】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１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を含む共振器構造を有し、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含み、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、前記活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ材料で形成され、前記下部反射鏡の最も活性層に近い低屈折率層は、ＧａｘＩｎ1-ｘＰｙＡｓ1-ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層であるので、結晶成長時に生じるＡｌに起因する結晶欠陥の活性層への這い上がりによる悪影響が抑えられ、活性層を高品質に結晶成長させることができ、Ａｌに起因する結晶欠陥が原因となる非発光再結合が低減し、面発光レーザとして動作させることができる。さらに、発光効率や信頼性を向上させることができる。また、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層のすべてをＧａｘＩｎ1-ｘＰｙＡｓ1-ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層に変えた場合に比べ、主に屈折率差が大きく少ない積層数で高反射率が得られるＡｌＧａＡｓ系からなる反射鏡なので、反射鏡の積層数や素子全体の膜厚を大きく増加させることなく、上記効果を得ることができる。すなわち、請求項１記載の発明によれば、総厚を増加させることなく、作製が容易で、動作電流が小さく、信頼性に優れた面発光型半導体レーザ素子を提供することができる。
【０１８１】
また、請求項１記載の発明によれば、活性層にＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＡｓのいずれかの材料を用いることにより、ＧａＡｓ基板上に０．９μｍ以上の長波長帯面発光レーザを形成できる。
【０１８７】
また、請求項１記載の発明によれば、少なくとも有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料を用いたＭＯＣＶＤ法で面発光型半導体レーザ素子を結晶成長し、Ａｌを含んだ下部反射鏡の成長後、窒素を含む活性層の成長開始までの間に、窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所となるガス供給ライン中もしく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を除去する工程を設けたので、窒素を含んだ活性層の成長時に酸素が取り込まれるのを低減でき、Ａｌを含んだ下部反射鏡の上部に窒素を含んだ活性層が形成される半導体発光素子においても発光効率を低減させることなく半導体発光素子を結晶成長することができる。
【０１８８】
また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法において、Ａｌを含んだ下部反射鏡の成長後、非発光再結合防止層の成長終了後までの間に、窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所となるガス供給ライン中もしく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をキャリアガスでパージする工程を設けるので、窒素を含んだ活性層の成長時に酸素が取り込まれるのを低減できるとともに、素子動作時に電流注入させたとき、成長中断界面に取り込まれる酸素に起因した非発光再結合の悪影響を受けることが無くなり、Ａｌを含んだ半導体層の上部に窒素を含んだ活性層が形成される半導体発光素子においても更に、発光効率の高い半導体発光素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の面発光型半導体レーザ素子の構成例を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の面発光型半導体レーザ素子の構成例を示す図である。
【図３】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第１の構成例を示す図である。
【図４】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第２の構成例を示す図である。
【図５】ＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＡｓ層の臨界膜厚の理論値と実験値とを示す図である。
【図６】ＧａＩｎＡｓ単一量子井戸層からのＰＬ中心波長とＰＬ強度との関係を示す図である。
【図７】Ｉｎ組成１０％のＧａＩｎＮＡｓ半導体レーザ（端面発光型）の窒素組成に対するしきい値電流密度の例を示す図である。
【図８】本発明による高圧縮歪ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ−ＤＱＷレーザの発振波長としきい値電流密度との関係を示す図である。
【図９】実施例１の面発光型半導体レーザの構成を示す図である。
【図１０】実施例２の面発光型半導体レーザの構成を示す図である。
【図１１】実施例２の１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザと石英系光ファイバーとを組み合わせた光送信モジュールの概要を示す図である。
【図１２】実施例２の１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ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を示す図である。
【図１３】ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２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１４】第１３の実施形態を説明するのに用いられた試料の基本構造を示す図である。
【図１５】図１４に示した半導体レーザ素子の一例として、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１６】図１５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１７】第１４の実施形態による半導体レーザ素子の一例を示す図である。
【図１８】図１７の半導体レーザ素子の第１の下部中間層と第２の下部中間層の間で成長中断し、パージ時間を６０分設けた半導体レーザ素子におけるＡｌ濃度の深さ方向分布の測定結果を示す図である。
【図１９】図１８の場合と同じ素子について、窒素（Ｎ）濃度と酸素（Ｏ）濃度の深さ方向分布を測定した結果を示す図である。
【図２０】実施例７の面発光型半導体レーザ素子の構成例を示す図である。
【図２１】実施例８の面発光型半導体レーザ素子の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１，１１        半導体基板
２，１２        活性層
３，１３        活性領域
４，１４        上部反射鏡
５，１５        下部反射鏡
６，１６，１７    非発光再結合防止層
８，１８        電流狭さく層
１０１          ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２          ｎ−ＡｌＧａＡｓ／ｎ−ＧａＡｓ層
１０３          ｎ−ＧａＩｎＰ層
１０４          下部反射鏡
１０５          下部ＧａＡｓスペーサ層
１０６          多重量子井戸活性層
１０６ａ          量子井戸活性層
１０６ｂ          ＧａＡｓバリア層
１０７          上部ＧａＡｓスペーサ層
１０８          ＣドープＰ−ＧａＩｎＰ層
１０９          上部反射鏡
１１０          コンタクト層
１１１          高抵抗部
１１２          ｐ側電極
１１３          ｎ側電極
１１４          光出射部
２０１          ｎ−ＧａＡｓ基板
２０２          ｎ−ＡｌＧａＡｓ／ｎ−ＧａＡｓ層
２０３          ｎ−ＧａＩｎＰ層
２０４          下部反射鏡
２０５          下部ＧａＡｓスペーサ層
２０６          多重量子井戸活性層
２０７          上部ＧａＡｓスペーサ層
２０８          ＧａＩｎＰ層
２０９          上部反射鏡
２３０          ＡｌＡｓ層
２１０          コンタクト層
２２０          電流狭さく部
２２１          ポリイミド（絶縁膜）
２１４          光出射部
２１２          ｐ側電極
２１３          ｎ側電極
５０１          ＧａＡｓ基板
５０２          下部クラッド層（第１の半導体層）
５０３          中間層
５０４          活性層
５０５          上部クラッド層（第２の半導体層）
６０１          第１下部中間層
６０２          第２下部中間層
３０１          ｎ−ＧａＡｓ基板
３０２          下部反射鏡
３０３          非発光再結合防止層
３０６          活性層
３０９          上部反射鏡
３４０          低屈折率層
４０１          ｎ−ＧａＡｓ基板
４１０          下部反射鏡
４１３          共振器部
４１２          上部反射鏡
４０９，４１１  ＡｌＧａＡｓ低屈折率層
４０６          活性層
４０５，４０７  ＧａＡｓ第一障壁層
４０３，４０８  非発光再結合防止層（第二障壁層）
【図１】
0004931304.tif 000006
【図２】
0004931304.tif 000007
【図３】
0004931304.tif 000008
【図４】
0004931304.tif 000009
【図５】
0004931304.tif 000010
【図６】
0004931304.tif 000011
【図７】
0004931304.tif 000012
【図８】
0004931304.tif 000013
【図９】
0004931304.tif 000014
【図１０】
0004931304.tif 000015
【図１１】
0004931304.tif 000016
【図１２】
0004931304.tif 000017
【図１３】
0004931304.tif 000018
【図１４】
0004931304.tif 000019
【図１５】
0004931304.tif 000020
【図１６】
0004931304.tif 000021
【図１７】
0004931304.tif 000022
【図１８】
0004931304.tif 000023
【図１９】
0004931304.tif 000024
【図２０】
0004931304.tif 000025
【図２１】
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