(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機能層を有する半導体レーザの製造方法であって、
該機能層の一部を構成し、且つＶ族元素を含有する第１の化合物半導体結晶（ＧａＡｓを除く。）からなる第１の層と、
該第１の層が有するＶ族元素よりも、窒素に置換されにくいＶ族元素を含有する第２の化合物半導体結晶からなる第２の層とを備えた部材を用意し、
該第１の層に対して、該第２の層とは反対側から窒素を含む材料を照射して、該第１の層が有するＶ族元素を窒素に置換することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
【請求項２】
機能層を有する半導体レーザの製造方法であって、
該機能層の一部を構成し、且つＶ族元素を含有する第１の化合物半導体結晶（ＧａＡｓを除く。）からなる第１の層と、
該第１の層に対して、窒素を含む材料を照射して、該第１の層が有するＶ族元素を窒素に置換する際に、窒化反応のストッパ層として機能する第２の層とを備えた部材を用意し、
該第１の層に対して、該第２の層とは反対側から窒素を含む材料を照射して、該第１の層が有するＶ族元素を窒素に置換することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
【請求項３】
前記第１の化合物半導体結晶が、III−Ｖ族化合物半導体結晶である請求項１あるいは２に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項４】
前記III−Ｖ族化合物半導体結晶は、III族元素としてＩｎ、Ｇａ、Ａｌから選択され、Ｖ族元素としてＳｂ、Ａｓ、Ｐから選択される請求項３に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項５】
前記第１の層がＩｎＧａＡｓ層であり、前記第２の層がＩｎＧａＡｓＰ層である請求項１あるいは２に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項６】
前記照射後の前記第１の層が、ＩｎＧａＡｓＮ層である請求項１あるいは２に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項７】
前記照射後の前記第１の層において窒化されている層厚が、１０ｎｍ以下である請求項１あるいは２に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項８】
前記機能層が、レーザの活性層、あるいは反射ミラー層である請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体レーザの製造方法。
【請求項９】
請求項１乃至８いずれかに記載の半導体レーザの製造方法において、前記窒素を含む材料を照射する際に、照射する部分である前記第１の層に含まれるＶ族元素を照射することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機能層を有する半導体レーザの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、光通信用として用いられている１．３μｍ帯あるいは１．５５μｍ帯の半導体レーザは、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系材料が基本となっている。この材料系では、ヘテロ接合を形成した場合、伝導帯の跳びすなわちバンドオフセット量ΔＥｃが小さく、温度の上昇によって容易にキャリアがオーバーフローしてしまう。その結果、熱特性が悪い、すなわち温度上昇によるデバイスのしきい値、効率等の悪化が大きな課題となっている。最近になって、Ａｌ混晶を導入したＡｌＧａＩｎＡｓを用いることで、この課題が僅かに改善されたが、温度制御不要な低コストレーザなどとして適用していくためには十分とは言えない。
【０００３】
一方、Ｖ族元素として窒素を導入した系として青色レーザの開発が活発である。窒素組成を微量にした混晶を用いれば、バンドギャップの小さい長波長帯レーザとして利用することができる。例えば、ＧａＡｓ基板上で、窒素組成０．５％のＩｎＧａＡｓＮを量子井戸層としＡｌＧａＡｓを障壁層とした単一量子井戸レーザにおいて、波長約１．２μｍのレーザ発振が報告されている（’９６  春季応用物理学会予稿集  ２７ｐ−Ｃ−６、近藤他）。この様な窒素を導入した系では、真空準位から伝導帯の底のエネルギが大幅に下がるため、バンドオフセット量ΔＥｃが非常に大きく、５００ｍｅＶ程度とＩｎＧａＡｓＰ系の５倍程度の値を示す。そこで、この様なデバイスは、温度特性が大幅に改善され、温度制御なしで高温まで実用的な性能を有する可能性がある。実際、上記のレーザでは特性温度Ｔ0＝１２６Ｋと通常のＩｎＰ系のレーザの約２倍も高い値が得られている（’９６  秋季応用物理学会予稿集  ８ｐ−ＫＨ−７、近藤他）。
【０００４】
結晶中に窒素を含有させるには、通常の結晶成長のように成長中に他の元素と同時に窒素を供給する以外に、基板表面に窒素を照射することで結晶中のＶ族元素と窒素を置換させる、いわゆる窒化という技術もある（山本他、応用物理学会予稿集
第１分冊、１９９５年、春季２８ｐ−ＺＨ−１４、２８ｐ−ＺＨ−１６、１９９６年、秋季９ａ−ＺＦ−３）。この窒化技術は、主に青色発光素子や電子デバイスのためのＧａＮ系結晶成長用の基板を提供するためのものであり、ＧａＡｓ基板のＡｓをＮに置き換えてＧａＮ層を表面に形成している。窒化条件としては、例えば、基板温度９００℃でＮＨ3の１００％ガスを３ ｌ／ｍｉｎで１０分流し、表面の１μｍ程度の層をＧａＮに変えている。また、ＧａＡｓ基板上にＧａＮを形成しているため、格子定数差は少なくとも２０％位はあり、結晶品質は悪く、単結晶にはなっていない。一方、表面の極薄膜（約１０ｎｍ）だけＧａＮ層としている例もある（八百他、応用物理学会予稿集第１分冊、１９９６年 秋季７ａ−ＺＦ−２）。これは、高周波（ＲＦ）で励起した窒素プラズマをＧａＡｓ基板に照射しているが、基板表面の改質を目的としており、置換する窒素量をコントロールするものではなく、また立方晶のＧａＮの格子定数に近づけることを目標としている。
【０００５】
【発明が解決しようとしている課題】
ＩｎＧａＡｓＮを成長する場合には、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によって、窒素原料として高周波（ＲＦ）励起でプラズマ化したＮ原子をリアクタに供給すると同時に、他の原料、すなわちアルシン（ＡｓＨ３）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）などをもリアクタに供給して成長を行なう。その時、窒素の含有量が極端に小さいため、基板温度や他の原料の供給量の僅かな変化により窒素含有量がゆらぎ、その結果、結晶品質、光学特性の低下を招き、しきい値の上昇等につながっている。また、ヘテロ接合を作製する場合に、その界面状態を制御するために、リアクタ内の雰囲気の綿密な制御が必要となる。更に、上記の方法で成長する場合、Ｎの含有量に限界があって、レーザの発振波長の自由度が小さく、理論値ほどは特性温度を改善することができなかった。
【０００６】
ここで１．３μｍ程度の長波長帯で用いようとしているＩｎＧａＡｓＮの窒素の含有量は約１％であり、さらに歪み量を１％程度以下に押さえて高品質なヘテロ接合を積層させるには厳密な組成制御が必要になる。そこで、従来の窒化法で成長後に窒素を添加しようとする場合では、窒素置換される量が多すぎて膜厚、組成比、歪み等を制御できず、Ａｓ等のＶ族元素が蒸発して表面が荒れるという問題なども生じた。
【０００７】
上記窒化技術を示す文献、応用物理学会予稿集  第１分冊、１９９５年、春季２８ｐ−ＺＨ−１４、２８ｐ−ＺＨ−１６、１９９６年、秋季９ａ−ＺＦ−３、７ａ−ＺＦ−２では、ＧａＡｓのＡｓを全量窒素に置換することを目的とするものであり、窒素含有量の制御に関しては何ら述ベられていなかった。本願の発明者は、窒素を含有する層を形成する方法として、結晶中のＶ族元素と窒素を置換させる方法を用いると、窒素を含有する層における窒素の含有量を精度よく制御できることを見出した。本願においては、結晶中のＶ族元素と窒素を置換させる方法を用いた、化合物半導体結晶の作成方法を提供する。特に、本発明者が見出した、結晶中のＶ族元素と窒素を置換させる方法を用いると、窒素を含有する層における窒素の含有量を精度よく制御できる、という点に基づく化合物半導体結晶の作成方法や、結晶中のＶ族元素と窒素を置換させる際の精度をより高める方法を提供する。
【０００８】
【課題を解決する為の手段】
本発明の化合物半導体積層構造を含むデバイスの作成方法は以下の通りである。
機能層を有する半導体レーザの製造方法であって、
該機能層の一部を構成し、且つＶ族元素を含有する第１の化合物半導体結晶（ＧａＡｓを除く。）からなる第１の層と、
該第１の層が有するＶ族元素よりも、窒素に置換されにくいＶ族元素を含有する第２の化合物半導体結晶からなる第２の層とを備えた部材を用意し、
該第１の層に対して、該第２の層とは反対側から窒素を含む材料を照射して、該第１の層が有するＶ族元素を窒素に置換することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
また、機能層を有する半導体レーザの製造方法であって、
該機能層の一部を構成し、且つＶ族元素を含有する第１の化合物半導体結晶（ＧａＡｓを除く。）からなる第１の層と、
該第１の層に対して、窒素を含む材料を照射して、該第１の層が有するＶ族元素を窒素に置換する際に、窒化反応のストッパ層として機能する第２の層とを備えた部材を用意し、
該第１の層に対して、該第２の層とは反対側から窒素を含む材料を照射して、該第１の層が有するＶ族元素を窒素に置換することを特徴とする半導体レーザの製造方法。
【０００９】
本発明で扱うのは、Ｖ族元素を含む化合物半導体結晶であり、特にはＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶である。例えばＩｎＧａＡｓに少なくとも窒素を含む材料を照射することにより、ＩｎＧａＡｓＮ層を形成することができる。
【００１０】
デバイスの機能層においては、その特性（バンドギャップや屈折率や遷移エネルギーや利得スペクトルなど）を制御する為に、その組成を精度よく制御することが望まれる。本発明においては、窒素置換により機能層を作成するので、機能層の組成、特に窒素組成を精度よく制御することができる。少なくとも窒素を含む材料の照射には、例えばＥＣＲ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）やＲＦでプラズマ化した窒素などを照射すればよい。真空度は１０-4Ｔｏｒｒ以下に保つと好適である。この時、ＥＣＲなら投入パワー３０Ｗ程度、ＲＦなら投入パワー２００Ｗ程度でよく、ＧａＮ系の場合に比較して１桁程度小さい。また、窒素流量も１０ｓｃｃｍ程度でよく、これもＧａＮ系の場合よりも桁違いに小さい。また、少なくとも窒素を含む材料を照射する前の化合物半導体結晶は、窒素を含んでいても、含んでいなくてもよく、少なくとも窒素を含む材料の照射により、窒素の含有量を補償あるいは増加させることができる。具体的には、照射量や、保持時間や、基板温度を制御することで、容易に窒素の含有の程度を制御できる。窒素の含有量はホトルミネッセンスやＲＨＥＥＤ等によりｉｎ−ｓｉｔｕ（その場）評価できる。例えば、窒素を含む層に少なくとも窒素を含む材料を照射する際の窒素の補償量は、そのような窒素の含有量を評価した上で行えばよい。本発明では、少なくとも窒素を含む材料を照射することにより、表面のごく薄い層に窒素を含ませることができ、窒素を含むごく薄い層を得ることができる。例えば、赤外の帯域で必要とされる窒素量程度は十分に置換され、また、量子井戸層を形成することも容易である。本発明により、簡単に品質のよい窒素系ＩＩＩ−Ｖ族半導体を作成できる。本発明の機能層として適用できる層は様々であるが、例えばこのデバイスがレーザである時には、活性層として窒素を置換した層を用いることができる。また、面発光レーザにおいては、共振器を構成する為の反射ミラーの屈折率を所望に設定する必要があるが、本発明では窒素の置換の程度を良好に制御できる為、機能層である反射ミラー層において窒素置換した層を採用すると好適である。特に、窒素を含有する層はミラー層として用いることにより、屈折率差を大きくでき、また熱特性を大きく改善することができる為、好適である。
【００１１】
前記少なくとも窒素を含む材料を照射する部分から、所定の深さまで窒素が置換されるようにすることで窒素を含有する層の厚さを制御することができる。
【００１２】
また、前記少なくとも窒素を含む材料を照射する工程と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させる工程とを交互に行うことにより、窒素を置換した層を周期的に設けることができる。これにより多重量子井戸構造を容易に形成することができる。
【００１３】
また、前記窒素の置換により、階段状バンドダイヤグラムの井戸層を含む量子井戸構造を作成してもよい。多段の量子井戸構造とすることにより所望の特性のデバイスを得ることができる。
【００１４】
また、本願に関わる化合物半導体積層構造の作成方法の発明の一つは以下の通りである。
化合物半導体積層構造の作成方法であって、Ｖ族を含む化合物半導体結晶に、少なくとも窒素を含む材料を照射して、該照射した部分のＶ族元素を窒素に置換する工程を有しており、該工程において、窒素が置換される深さは、該窒素が置換された部分の臨界膜厚を超えない範囲であることを特徴とする化合物半導体積層構造の作成方法。
【００１５】
臨界膜厚は、窒素が置換された層の歪みの程度によって決まる。例えば、窒素が置換された層の格子定数と、基板側の格子定数の差が大きいと歪みが生じてしまう。臨界膜厚を越えてしまうと、この歪みにより膜質が劣化してしまうので、好ましくないのである。本発明で窒化する層厚としてはおおよそ１０ｎｍ以下が望ましい。
【００１６】
また、本願に関わる化合物半導体積層構造の作成方法の発明の一つは以下の通りである。
化合物半導体積層構造の作成方法であって、Ｖ族を含む化合物半導体結晶からなる第１の層と、Ｖ族を含む化合物半導体結晶からなる第２の層とを形成し、該第２の層の前記第１の層とは反対の側から、少なくとも窒素を含む材料を照射して、該照射した部分のＶ族元素を窒素に置換するものであり、前記第１の層は、前記第２の層において窒素に置換されるＶ族元素よりも窒素に置換されにくいＶ族元素を含むことを特徴とする化合物半導体積層構造の作成方法。
【００１７】
この発明は、前記窒素の置換を行う部分の下に、窒素に置換されにくい材料を含む部分を設ける工程を有するものである。既に述べた作成方法においても同様な工程を設けてもよい。例えば窒素の置換をある深さ（例えば臨界膜厚や、所望の量子井戸の幅や、所望の反射ミラーの一つの層の厚さ）まで行い、それより深い部分での窒素の置換を抑制したい時には、その部分に窒素に置換されにくいＶ族元素を含ませればよい。例えば、ＩｎＧａＡｓに少なくとも窒素を含む材料を照射する時に、ＩｎＧａＡｓの下に、リンを含む層を設けておけば、リンはＡｓよりも置換されにくい為、所望の範囲を超えて窒素置換が進んでしまうことを抑制することができる。
【００１８】
以上述べてきた発明では、要件として、少なくとも窒素を含む材料を照射して窒素を置換させることを含んでおり、その窒素置換の程度を良好に制御できることから、本発明は、少なくとも窒素を含む材料を照射する部分が含むＶ族元素のうちの一部を窒素に置換する時に適用するのが好適である。具体的には、Ｖ族元素のおおよそ２０％以下を窒素に置換したり、窒素の置換を行った部分の歪みがおおよそ数％以下（特に望ましくは１％以下）になるように窒素を置換すれば特に好適であり、膜質（単結晶性や、表面の荒れの少なさなど）も維持することができる。特に活性層として用いる際には、膜質を良好に維持することが重要である。また、窒素を置換した層の上に再成長を行う際にも膜質を良好に維持することが重要である。
【００１９】
また、前記少なくとも窒素を含む材料の照射は、プラズマ化した窒素ガスあるいはアンモニアガスの照射により行うことができる。プラズマ化した窒素ガスは最初から活性化した窒素であり、アンモニアガスなどの窒素を含む原料は、基板上に照射された後、そこで容易に熱分解されて活性化した窒素を生むのである。
【００２０】
また、少なくとも窒素を含む材料を照射する際に、該照射する部分に含まれるＶ族元素を照射してもよい。
【００２１】
また、少なくとも窒素を含む材料を照射する工程の後、化合物半導体結晶の成長（ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のヘテロエピタキシャル成長）を行う工程を有してもよい。少なくとも窒素を含む材料を照射する工程以外の、化合物半導体結晶を成長させる工程においては、少なくとも窒素を含む材料の供給は停止しておくことが望ましい。また、化合物半導体結晶の成長と、少なくとも窒素を含む材料の照射は、ガスソースを導入できる結晶成長装置において、連続して行うことが望ましい。
【００２２】
また、少なくとも窒素を含む材料を照射する工程の後に成長される層が、窒素が置換された部分の歪みと逆の歪みを有するようにしてもよい。それにより窒素が置換された部分の歪みを緩和することができる。特に、多重量子井戸構造として窒素が置換された層を複数設ける時には、歪み緩和することにより、多数の窒化層を設けることができる。
【００２３】
また、少なくとも窒素を含む材料を照射する部分に、凹凸を形成しておき、少なくとも窒素を含む材料の照射を行うと、結合ポテンシャルの低い凹部において置換が多く起こる為、選択的に窒素系ＩＩＩ−Ｖ族半導体を形成することができる。それにより量子細線構造のような微細構造を簡単に作成できる。
【００２４】
また、上記のような方法で形成した窒素置換層を機能層とすることにより、機能層を精度よく形成したデバイスを実現できる。例えば半導体レーザである。この半導体レーザは熱特性にも優れる。
【００２５】
また、階段状のバンドダイヤグラムを持つ量子井戸構造により、高速性に優れた半導体レーザ等のデバイスが実現できる。
【００２６】
また、量子井戸構造によりデバイスのしきい値などの特性を向上できるが、さらに多重量子井戸構造にしてもよい。また、量子細線構造とすることにより更にしきい値を下げた半導体レーザを実現することができる。
【００２７】
また、ＧａＡｓ基板を用い、井戸層としてＩｎＧａＡｓを上記方法で窒素処理したＩｎＧａＡｓＮを作成し、障壁層にＧａＡｓを用いることで、熱特性に優れた１．３μｍから１．５５μｍ帯の特に通信用に適したレーザを実現できる。
【００２８】
また、面発光レーザの多層（エピタキシャル）ミラーとしてＧａＡｓ／ＡｌＡｓを用いるのに代えて、ＧａＩｎＡｓＮ／ＡｌＡｓを上記作成方法により作成して用いてもよい。これにより、屈折率差や熱特性を改善することができる。
【００２９】
又、本発明により作成したレーザとその出力光を変調する制御回路により光信号を出力する光送信器を構成することができる。前記レーザを制御回路により直接変調してもよい。具体的には、レーザに所定の電流あるいは電圧を加えた状態で送信信号に応じて変調された電流を供給すればよい。
【００３０】
また、上記した作成方法で光受光器を作成することができる。本発明のレーザや受光器は、熱特性に優れる、高速応答性に優れる、高効率であるという特質のうちの少なくとも１つを備える。よって、これらを用いる事によって良質な光送信器や、光受信器を実現することができる。また、これらを用いて実用的で性能のよい光通信システムを実現することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
第１の参考例
本発明の実施例を説明する前に、第１の参考例を説明する。図１に、本参考例による作製方法で作製されたレーザウェハ構造の例を示す。これは共振器方向に垂直な方向での断面を示す。この第１の参考例では、先ず、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、１μｍ厚のｎ−ＧａＡｓバッファ層２、格子整合した１μｍ厚のｎ−ＩｎＧａＰクラッド層３、５０ｎｍ厚のノンドープＧａＡｓ光閉じ込めＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅｃａｒｒｉｅｒ ａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層４、圧縮歪みの５ｎｍ厚のノンドープＩｎＧａＡｓ層（Ｉｎ含有率１５％、Ｇａ含有率８５％）を化学ビームエピタキシー（ＣｈｅｍｉｃａｌＢｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ：ＣＢＥ）法により成長する。この際、原料には、Ｖ族元素として９００℃で熱分解したアルシン（ＡｓＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）を用い、ＩＩＩ族元素としてトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）を用い、成長温度は５５０℃とした。その後、基板温度を８００℃に保持して、アルシンとＥＣＲによりプラズマ化したＮを基板に照射する。この時、アルシン流量を０．１ｓｃｃｍ、Ｎ流量を１０ｓｃｃｍとして、１０分間放置した。ＥＣＲの投入パワーは３０Ｗ、真空度は約５×１０-5Ｔｏｒｒでよい。これにより、圧縮歪みの５ｎｍ厚のノンドープＩｎＧａＡｓ層が窒化処理されてＩｎＧａＡｓＮになる。
【００３２】
上記窒素照射なしのＩｎＧａＡｓと本参考例の処理後形成されたＩｎＧａＡｓＮ間で、フォトルミネッセンス（ＰＬ）により発光ピーク波長を比較すると、前者は１．１μｍであるのに対して、窒化処理された後者は１．３μｍに長波長化していることが確認された。これは、ＩｎＧａＡｓのＡｓの一部がＮに置換された為であり、１．３μｍ帯で発振するレーザ活性層として利用できることを意味する。Ｘ線回折による格子定数評価とＰＬ波長の評価からＮの置換量は約１％と見積もられた。
【００３３】
図１に戻って、このように窒化処理を行った後に、再びノンドープＧａＡｓバリア層１０ｎｍ、ノンドープＩｎＧａＡｓ層５ｎｍをＣＢＥ法により成長する。そして同様に窒化処理を行い、ＩｎＧａＡｓＮ層を形成する。これを５回繰り返して５ｗｅｌｌ構造の活性層５とし、５層目のＩｎＧａＡｓＮ層を形成した後に、５０ｎｍ厚のノンドープＧａＡｓ  ＳＣＨ層６、１μｍ厚のｐ−ＩｎＧａＰクラッド層７、０．３μｍ厚のｐ−ＧａＡｓコンタクト層８を連続して成長する。これにより、温度の上昇によって容易にキャリアがオーバーフローしない充分深いｗｅｌｌ構造を持った図１の如きレーザ構造を得る。
【００３４】
このように成長したウェハを図１のように導波路幅２μｍのリッジ型に加工し、共振器長３００μｍのレーザとして評価した。室温連続動作でのしきい値は約２０ｍＡであり、パルス測定で特性温度Ｔ０（これが大きい程、しきい値の温度に対する変化量が小さい）を測定したところ、Ｔ０＝１５０Ｋが得られた。この値は、従来のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系での平均的な値６０Ｋに比較して、格段に優れている。よって、窒化処理、電流閉じ込め構造等の条件（例えば、上記の例で言えば、アルシン流量、Ｎ流量、基板温度などの条件）を最適化して成長膜質等を向上させ、低しきい値化することで、温度制御フリーで駆動できる通信用レーザとして適用できる。
【００３５】
以上の参考例ではＩｎＧａＡｓ層の表面の窒化処理を行なったが、成長時にもＮを供給してＧａＩｎＮＡｓを成長した後に窒素組成をｉｎ−ｓｉｔｕ評価し、上記の様な窒化処理を行なってもよい。その場合、活性層のバンドダイアグラムは図１と同様で、井戸層の最も深い基底準位を構成する層すなわちレーザ発振に主に寄与する層がこの窒化処理した層となる。従って、窒化処理した層の導入によってレーザの特性を向上させることができる。
【００３６】
尚、９は絶縁膜、１０と１１は夫々ｎ側とｐ側の電極である。また、本参考例ではファブリペロ構造として説明したが、回折格子を形成して分布帰還型レーザなどとして構成してもよい。
【００３７】
本発明の実施例
ここで、本発明の実施例を説明する。上記の第１の参考例は、端面発光型レーザとして動作させたが、活性層近傍を同様の層構造にして、図２に断面を示す様な面発光レーザとして動作させることもできる。この構造について説明する。図２において、ｎ−ＧａＡｓ基板２０１上に、一層がλ／４の厚さのｎ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ２０ペアから成る分布反射ミラー２０２、ｎ−ＩｎＧａＰクラッド層２０３、ＧａＡｓスペーサ層２０４、図１と同様のＩｎＧａＡｓＮ／ＧａＡｓ多層からなるＭＱＷ活性層（ただし１０ｗｅｌｌ）２０５、ＧａＡｓスペーサ層２０６、一層がλ／４の厚さのｐ−ＧａＡｓ／ＡｌＡｓ３０ペアから成る分布反射ミラー２０７、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層２０８を本発明による方法により結晶成長する。
【００３８】
このとき活性層は１０ｗｅｌｌと井戸層が厚いため，ＩｎＧａＡｓＮの歪みによる臨界膜厚に達してしまう場合もある。この場合、障壁層をＩｎＧａＡＰ層として、井戸層と逆方向の歪みを導入して歪み補償型としてもよい。このとき、結晶にＰが含まれると、窒化が深さ方向に設計値以上に進んでしまったときのストッパ層としての役割も果たす。これは、ＡｓがＮに置換される方向は熱力学的に安定な方向であるのに対して，Ｐと置換することはエネルギー的に高いためである。
【００３９】
ＧａＡｓスペーサ層２０４と２０６は共振器の長さの調整、注入電流の調整などの為に設けられ、光に対して透明な材料から成っている。活性層２０５上部の分布反射ミラー２０７およびコンタクト層２０８は直径１０μｍの円形にパターニングされ、反射ミラー２０７および２０２で短共振器が構成されていて、基板２０１側から発振光を取り出す。この為に、基板２０１の下面は鏡面研磨されている。尚、２０９は絶縁層、２１０はコンタクト層２０８上に形成された電極、２１１は基板２０１の下面に形成された環状の電極でありその中央の開口部から発振光が取り出される。
【００４０】
この様な構造では共振器が短いため、構造の最適化によって極低しきい値が得られる。従来、この様な面発光レーザを１．３μｍ帯で発振させる場合、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系結晶の温度特性が悪いため、高温での発振特性が極端に悪く実用的ではなかった。本発明によって通信用波長帯での面発光レーザを実用化することができる。
【００４１】
また、面発光型の場合、共振器を構成する反射ミラーに本発明を適用してもよい。例えば、窒素で置換して得たＧａＩｎＡｓＮを用い、それをＡｌＡｓと積層して多層ミラーとすることができる。この構成により熱特性を良好にすることができる。
【００４２】
第１の参考例と本発明の実施例では、材料については、１．３μｍ帯ということでＩｎＧａＡｓの窒化によりＩｎＧａＡｓＮを作製しているが、他のＩＩＩ−Ｖ半導体でも作製が可能である。ＩＩＩ族元素としてＩｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｖ族元素としてＳｂ、Ａｓ、Ｐなどを組み合わせ、Ｖ族元素の一部を窒化処理によってＮに置換することで、広い範囲でエネルギバンドギャップが異なる半導体薄膜を形成できる。これにより、様々な波長帯で同様の作製方法が利用できる。
【００４３】
第２の参考例
本発明に対する第２の参考例は、第１の参考例と本発明の実施例のように簡単に窒化物半導体が作製できることを利用して、量子井戸のバンド構造を自由に設定することを目的としている。活性層近傍のバンド構造の例を図３に示す。
【００４４】
第１の参考例と本発明の実施例とは活性層の構造のみが異なるレーザ構造となっている。すなわち、７ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓ井戸層を成長した後に、第１の参考例と本発明の実施例と同様に窒化処理を行って伝導帯準位を減少させるが、表面から５ｎｍの深さの領域までＩｎＧａＡｓＮ３０４に窒化し、残り２ｎｍはＩｎＧａＡｓ３０３の状態を保っている。この処理の後に、２ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓ３０５、５ｎｍ厚のＧａＡｓバリア層３０６、７ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓ井戸層、５ｎｍの深さの窒化処理という繰り返しで、図３のように、階段状の井戸構造を持つ５ｗｅｌｌの活性層が形成できる。尚、３０１はクラッド層、３０２はＳＣＨ層である。
【００４５】
この様な構造にすることで、伝導帯の高エネルギー側が比較的広くて低エネルギー側で狭くなった井戸構造へのキャリアの量子捕獲確率の向上などが期待でき、高速応答性に優れ高速変調が可能な半導体レーザを提供することができる。
【００４６】
第３の参考例
同様の作製方法で形成したもう１つのバンド構造の例を図４に示す。厚いＩｎＧａＡｓ井戸層を１０ｎｍ成長して、窒化処理の後に５ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓ層４０３、５ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＮ層４０４となる。続いて薄い３ｎｍ厚のＧａＡｓバリア層４０５を形成することで、図４のような構造となる。尚、４０１はクラッド層、４０２はＳＣＨ層である。
【００４７】
この様な構造では、バリア層４０５が薄いので電子のトンネル効果を利用した高速光素子として機能させることができる。例えば、逆電界を印加しておいて超高速の光検出器として動作させられる。また、逆電界を印加した状態において高速変調するキャリアを注入することで電子のトンネル現象によって量子井戸内の基底量子準位と第１量子準位間で反転分布を生じさせて、電子のサブバンド間遷移を利用した半導体レーザの超高速変調が可能になる。
【００４８】
この様に、窒化処理の条件、化合物半導体の組成、厚さなどを制御することで、同様の階段状バンドダイアグラムを持つ構造を簡単に作製することができる。
【００４９】
第４の参考例
本発明に対する第４の参考例は、図５のようにＧａＡｓ基板に凹凸を形成して、量子井戸にもその凹凸を反映させることで、量子細線構造のＩｎＧａＡｓＮを作製する方法を提供するものである。
【００５０】
図５はリッジ部を共振器方向に沿って切断した断面図である。ＧａＡｓ基板５０１上に深さ１００ｎｍ、ピッチ２００ｎｍの回折格子５０２を形成し、第１の参考例と同様にＩｎＧａＰクラッド層５０３、ＧａＡｓＳＣＨ層５０４、ＩｎＧａＡｓ井戸層を成長する。井戸層では、回折格子の深さは少し浅くなるが凹凸形状があり、窒化処理を行なうと凹部における結合のポテンシャルが低いために、その部分を中心に窒化が進行する。したがって、凹部に沿って幅１０ｎｍ程度の量子準位の低いＩｎＧａＡｓＮの量子細線５０５を多数形成することができる。これを、第１の参考例のように積層することで多重量子細線活性層５０６を作製することができる。
尚、５０７はＧａＡｓＳＣＨ層、５０８はＩｎＧａＰクラッド層５０３、５０９はコンタクト層、５１０と５１１は電極である。動作は通常のＤＦＢレーザと同じ様に単一縦モード発振が可能である。
【００５１】
レーザ構造は本発明の実施例で述べたような面発光型でもよい。この場合、凹凸形状は光の分布帰還動作は行なわない。この様に、量子細線構造とすることで、より低しきい値で高速動作の可能なレーザ等を提供できる。
【００５２】
第５の参考例
図６に、本発明による半導体デバイスを波長多重光ＬＡＮシステムに応用する場合の各端末に接続される光−電気変換部（ノード）の構成例を示し、図７、図８にそのノード７０１を用いた光ＬＡＮシステムの構成例を示す。
【００５３】
外部に接続された光ファイバ７００を媒体として光信号がノード７０１に取り込まれ、分岐部７０２によりその一部が波長可変光フィルタ等を備えた受信装置７０３に入射する。この受信器７０３により所望の波長の光信号だけ取り出して信号検波を行う。これを制御回路で適当な方法で処理して端末に送る。受信装置７０３の光検出器には、第３の参考例で説明したデバイスを用いてもよい。一方、ノード７０１から光信号を送信する場合には、上記本発明の実施例の半導体レーザ７０４を信号に従って制御回路で適当な方法で駆動し、振幅強度変調信号である出力光を合流部７０６を介して光伝送路７００に入射せしめる。また、半導体レーザ及び波長可変光フィルタを２つ以上の複数設けて、波長可変範囲を広げることもできる。
【００５４】
光ＬＡＮシステムのネットワークとして、図７に示すものはバス型であり、ＡおよびＢの方向にノード８０１〜８０５を接続しネットワーク化された多数の端末及びセンタ８１１〜８１５を設置することができる。ただし、多数のノードを接続するためには、光の減衰を補償するために光増幅器を伝送路８００上に直列に配することが必要となる。また、各端末８１１〜８１５にノード８０１〜８０５を２つ接続し伝送路を２本にすることでＤＱＤＢ方式による双方向の伝送が可能となる。また、ネットワークの方式として、図７のＡとＢをつなげたループ型（図８に示す）やスター型あるいはそれらを複合した形態等のものでもよい。
【００５５】
図８において、９００は光伝送路、９０１〜９０６は光ノード、９１１〜９１４は端末である。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によって、以下の様な効果が奏される。
【００５７】
結晶成長中の窒素流量の綿密な制御が不要になる。窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体層から構成されるヘテロエピタキシャル層の作製方法を提供できる。窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体を活性層に用いた熱特性に優れた半導体レーザ等の光半導体装置を提供することができる。窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体を活性層に用いた高速応答性に優れた半導体レーザ等の光半導体装置を提供できる。選択的に窒素置換を行なって、窒素を含む半導体層と含まない層の分布を形成して量子細線等の微細構造を簡単に作製できる。窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体で形成される量子細線を活性層とした高効率な半導体レーザ等の光半導体装置を提供できる。熱特性に優れた１．３〜１．５５μｍ帯の光通信用の半導体レーザを提供できる。
【００５８】
また、本発明のデバイスを用いた安定且つ高速に動作する光送信機、光送受信機を実現できる。本発明のデバイスを用いた安定且つ高速に光通信を行なえる光通信システム、通信方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に対する第１の参考例であるリッジレーザの横断面図である。
【図２】図２は本発明による実施例である面発光レーザの断面図である。
【図３】図３は本発明に対する第２の参考例の活性層のバンド構造の例を示す図である。
【図４】図４は本発明に対する第３の参考例の活性層のバンド構造の例を示す図である。
【図５】図５は本発明に対する第４の参考例である量子細線レーザの縦断面図である。
【図６】図７、図８のシステムにおけるノードの参考例を示す模式図である。
【図７】本発明の光半導体装置を用いたバス型光ＬＡＮシステムの参考例を示す模式図である。
【図８】本発明の光半導体装置を用いたループ型光ＬＡＮシステムの参考例を示す模式図である。
【符号の説明】
１、２０１、５０１ 基板
２ バッファ層
３、７、２０３、３０１、４０１、５０３、５０８ クラッド層
４、６、３０２、４０２、５０４、５０７ 光閉じ込め層
５、２０５、５０６ 活性層
８、２０８、５０９ コンタクト層
９、２０９ 絶縁層
１０、１１、２１０、２１１、５１０、５１１ 電極
２０２、２０７ 分布反射ミラー
２０４、２０６ スペーサ層
３０３、３０５、４０３ ＩｎＧａＡｓ井戸層
３０４、４０４ ＩｎＧａＡｓＮ井戸層
５０２ 回折格子
５０５ ＩｎＧａＡｓＮ量子細線
７００、８００、９００ 光伝送路
７０１、８０１〜８０５、９０１〜９０６ ノード
７０２ 光分岐部
７０３ 受信器
７０４ 本発明のレーザ
７０６ 合流部
８１１〜８１５、９１１〜９１６ 端末装置
【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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