JP2002324935A - 光通信システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 動作電圧、発振閾値電流等を低くできる面発
光型半導体レーザ素子チップを発光光源として利用し、
受光素子として１．１μｍ〜１．７μｍの波長に感度を
有する受光素子を新規に必要としない光通信システムを
提案することにある。 【解決手段】 ｎ−ＧａＡｓ基板２上に、ｎ−半導体分
布ブラッグ反射鏡３を形成し、その上にλ／４の厚さの
ｎ−Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ層１１を積層し
た。そしてその上にアンドープ下部ＧａＡｓスペーサ層
４と、３層のＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ量子井戸層である活
性層（量子井戸活性層）１２とＧａＡｓバリア層（２０
ｎｍ）１３からなる多重量子井戸活性層と、アンドープ
上部ＧａＡｓスペーサ層４とが積層されて、媒質内にお
ける発振波長λの１波長分の厚さ（λの厚さ）の共振器
を形成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信などに用い
られる半導体レーザならびにその光送受信システムに関
し、さらに詳しくは、半導体レーザとして製作に使用す
る半導体基板面に対して垂直方向に光を発するいわゆる
面発光レーザを用い複数のレーザ素子を形成して、大容
量の通信を可能にした光通信システムに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】面発光半導体レーザは、基板の表面から
垂直方向にレーザ光を放射するので２次元並列集積が可
能であり、更に、その出力光の広がり角が比較的狭い
（１０度前後）ので光ファイバとの結合が容易であるほ
か、素子の検査が容易であるという特徴を有している。
そのため、特に、並列伝送型の光送信モジュール（光イ
ンタコネクション装置）を構成するのに適した素子とし
て開発が盛んに行なわれている。光インタコネクション
装置の当面の応用対象は、コンピュータ等の筐体間やボ
ード間の並列接続のほか、短距離の光ファイバー通信で
あるが、将来の期待される応用として大規模なコンピュ
ータ・ネットワークや長距離大容量通信の幹線系があ
る。一般に、面発光半導体レーザは、ＧａＡｓ又はＧａ
ＩｎＡｓからなる活性層と、当該活性層を上下に挟んで
配置された上部の半導体分布ブラッグ反射鏡と基板側の
下部の半導体分布ブラッグ反射鏡からなる光共振器をも
って構成するのが普通であるが、端面発光型半導体レー
ザの場合に比較して光共振器の長さが著しく短いため、
反射鏡の反射率を極めて高い値（９９％以上）に設定す
ることによってレーザ発振を起こし易くする必要があ
る。このため、通常は、ＡｌＡｓからなる低屈折率材料
とＧａＡｓからなる高屈折率材料を１／４波長の周期で
交互に積層することによって形成した半導体分布ブラッ
グ反射鏡が使用されている。

【０００３】ところで上記のように、光通信に使用され
るようなレーザ波長が１．１μｍ以上の長波長帯レー
ザ、例えばレーザ波長が１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯
であるような長波長帯レーザは、製作基板にＩｎＰが用
いられ、活性層にＩｎＧａＡｓＰが用いられるが、基板
のＩｎＰの格子定数が大きく、これに整合する反射鏡材
料では屈折率差が大きく取れず、従って積層数を４０対
以上とする必要がある。またＩｎＰ基板上に形成される
半導体レーザには、別の問題として、温度によって特性
が大きく変化する点がある。そのため、温度を一定にす
る装置を付加して使用する必要があり、民生用等一般用
に供することが困難であり、このような積層数と温度特
性の問題から、実用的な長波長帯面発光半導体は、未だ
実用化されるに至っていない。このような問題を解決す
るためになされた発明として、特開平９−２３７９４２
号公報に開示されたものが知られている。それによる
と、製作基板としてＧａＡｓ基板を用い、基板側の下部
上部のうち少なくとも一方の半導体分布ブラッグ反射鏡
の低屈折率層に同基板と格子整合が取れるＡｌＩｎＰか
らなる半導体層を用い、さらに、下部上部のうち少なく
とも一方の半導体分布ブラッグ反射鏡の高屈折率層にＧ
ａＩｎＮＡｓからなる半導体層を用い、従来よりも大き
い屈折率差を得るようにし、少ない積層数で高反射率の
半導体分布ブラッグ反射鏡を実現しようというものであ
る。また、ＧａＩｎＮＡｓを活性層の材料として使用し
ている。これは、Ｎ組成を増加させることによってバン
ドギャップ（禁制帯幅）を１．４ｅＶから０ｅＶへ向か
って低下させることができるので、０．８５μｍよりも
長い波長を発光する材料として用いることが可能となる
からである。しかもＧａＡｓ基板と格子整合が可能なの
で、ＧａＩｎＮＡｓからなる半導体層は、１．３μｍ帯
及び１．５５μｍ帯の長波長帯面発光半導体レーザのた
めの材料として好ましい点についても言及している。

【０００４】しかしながら、従来は０．８５μｍよりも
長い波長帯の面発光半導体レーザ実現の可能性を示唆す
るにとどまっているだけであり、実際にはそのようなも
のは実現していない。これは基本的な構成は理論的には
ほぼ決まってはいるものの、実際に安定したレーザ発光
が得られるようにするための、より具体的な構成がまだ
不明だからである。一例を挙げると、上記のようにＡｌ
Ａｓからなる低屈折率材料とＧａＡｓからなる高屈折率
材料を１／４波長の周期で交互に積層することによって
形成した半導体分布ブラッグ反射鏡を使用したものや、
あるいは特開平９−２３７９４２号公報に開示されたも
ののように、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層に
同基板と格子整合が取れるＡｌＩｎＰからなる半導体層
を用いたものにおいては、レーザ素子が全く発光しなか
ったり、あるいは、発光してもその発光効率が低く、実
用レベルには程遠いものであった。これは、Ａｌを含ん
だ材料が化学的に非常に活性であり、Ａｌに起因する結
晶欠陥が生じ易いためである。これを解決するために
は、特開平８−３４０１４６号公報や特開平７−３０７
５２５号公報に開示された発明のようにＡｌを含まない
ＧａＩｎＮＰ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ある。しかしながら、ＧａＩｎＮＰ
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、反射鏡の積層数を非常に多
くなり製作が困難となる。

【０００５】すなわち現状では、コンピュータ・ネット
ワークなどで光ファイバー通信が期待されているが、そ
れに使用できるレーザ波長が１．１μｍ〜１．７μｍの
長波長帯面発光半導体レーザおよびそれを用いた通信シ
ステムが存在せず、その出現が切望されている。また、
レーザ発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面
発光半導体レーザを用いた光通信システムにおいては、
通常のＳｉからなる受光素子では１．１μｍ〜１．７μ
ｍの波長を検出できないため、１．１μｍ〜１．７μｍ
の波長に感度を有する受光素子を使用しなければならな
い。しかしながら比較的低価格なＳｉ受光素子に比べ
て、１．１μｍ〜１．７μｍの波長に感度を有する受光
素子は価格が高く、単純にＳｉ受光素子を１．１μｍ〜
１．７μｍの波長に感度を有する受光素子へ置き換えた
だけでは、光通信システム全体の価格を上げてしまう原
因となってしまう。したがって１．１μｍ〜１．７μｍ
の長波長帯面発光半導体レーザを用いた光通信システム
に対しては、単純な受光素子の置き換えではないシステ
ムの実現が期待されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる課題
に鑑み、光通信などに用いられるレーザ発振波長が１．
１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発光半導体レーザなら
びにその光通信システムに関するものであり、その第１
の目的は、動作電圧、発振閾値電流等を低くできる面発
光型半導体レーザ素子チップを発光光源として利用し、
受光素子として１．１μｍ〜１．７μｍの波長に感度を
有する受光素子を新規に必要としない光通信システムを
提案することにある。また第２の目的は、安定して使用
できるレーザ発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍの長波
長帯面発光半導体レーザ素子チップを発光光源として利
用し、受光素子として１．１μｍ〜１．７μｍの波長に
感度を有する受光素子を新規に必要としない光通信シス
テムを提案することにある。さらに第３の目的は、この
ような光通信システムにおいて、前記面発光半導体レー
ザの出力検出用の受光素子を新規に必要としない構成を
提案することにある。また第４の目的は、このような光
通信システムにおいて、受信信号を検出する為の受光素
子を新規に必要としない構成を提案することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明はかかる課題を解
決するために、請求項１は、レーザチップと該レーザチ
ップと接続される光通信システムにおいて、前記レーザ
チップは発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍであり、光
を発生する活性層の主たる元素がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓ
からなる層、もしくはＧａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層と
し、レーザ光を得るために前記活性層の上部及び下部に
設けられた反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型
半導体レーザ素子チップであって、前記反射鏡は反射波
長が１．１μｍ以上で該反射鏡を構成する材料層の屈折
率が小大と異なる値に周期的に変化し、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であると
ともに、前記屈折率が小の材料層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡ
ｓ（０＜ｘ≦１）とし、前記屈折率が大の材料層はＡｌ
_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）とし、かつ前記屈
折率が小と大の材料層の間に該屈折率が小と大の間の値
をとるＡｌ_ｚＧａ_{１− ｚ}Ａｓ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）よ
りなるヘテロスパイク緩衝層を２０ｎｍ〜５０ｎｍの厚
さに設けた反射鏡であるような面発光型半導体レーザ素
子チップを発光光源とした光通信システムであって、前
記レーザチップ上には前記面発光型半導体レーザ素子に
対応した受光素子がモノリシックに集積されていること
を特徴とする。

【０００８】コンピュータ・ネットワーク、長距離大容
量通信の幹線系など光ファイバー通信が期待されている
レーザ発振波長が１．１μｍ帯〜１．７μｍ帯の分野に
おいて、動作電圧、発振閾値電流等を低くでき、レーザ
素子の発熱も少なく安定した発振ができる面発光型半導
体レーザおよびそれを用いた通信システムが存在しなか
ったが、本発明のように半導体分布ブラッグ反射鏡を工
夫することにより、動作電圧、発振閾値電流等を低くで
き、レーザ素子の発熱も少なく安定した発振ができ、ま
た低コストで実用的な光通信システムが実現できた。さ
らに、従来受光素子として１．１μｍ〜１．７μｍの波
長に感度を有する受光素子を新規に必要としていたが、
本発明により面発光型半導体レーザ素子に対応した受光
素子がチップ上にモノリシックに集積されているので、
新規に受光素子を必要としない低コストで実用的な光通
信システムが実現できた。かかる発明によれば、半導体
分布ブラッグ反射鏡を工夫することにより、動作電圧、
発振閾値電流等を低くでき、レーザ素子の発熱も少なく
安定した発振ができ、また低コストで実用的な光通信シ
ステムが実現できた。さらに、従来受光素子として１．
１μｍ〜１．７μｍの波長に感度を有する受光素子を新
規に必要としていたが、本発明により面発光型半導体レ
ーザ素子に対応した受光素子がチップ上にモノリシック
に集積されているので、新規に受光素子を必要としない
低コストで実用的な光通信システムが実現できた。

【０００９】請求項２は、レーザチップと該レーザチッ
プと接続される光通信システムにおいて、前記レーザチ
ップは発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍであり、光を
発生する活性層の主たる元素がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓか
らなる層、もしくはＧａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層とし、
レーザ光を得るために前記活性層の上部及び下部に設け
られた反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導
体レーザ素子チップであって、前記反射鏡は反射波長が
１．１μｍ以上でそれを構成する材料層の屈折率が小大
と異なる値に周期的に変化し、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であるとともに、
前記屈折率が小の材料層はＡｌ_ｘＧａ_{１ −ｘ}Ａｓ（０＜
ｘ≦１）とし、前記屈折率が大の材料層はＡｌ_ｙＧａ
_１−ｙＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）とした反射鏡であり、前
記活性層と前記反射鏡の間に主たる組成がＧａ_ｘＩｎ
_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）層よ
りなる非発光再結合防止層を設けてなる面発光型半導体
レーザ素子チップを発光光源とした光通信システムであ
って、前記レーザチップ上には前記面発光型半導体レー
ザ素子に対応した受光素子がモノリシックに集積されて
いることを特徴とする。コンピュータ・ネットワーク、
長距離大容量通信の幹線系など光ファイバー通信が期待
されているレーザ発振波長が１．１μｍ帯〜１．７μｍ
帯の分野において、安定して使用できる長波長帯面発光
半導体レーザおよびそれを用いた通信システムが存在し
なかったが、本発明のように、非発光再結合防止層を設
けてなる面発光型半導体レーザ素子チップとすることに
より安定した発振が可能となり、これを発光光源とした
実用的な光通信システムが実現できた。さらに、従来受
光素子として１．１μｍ〜１．７μｍの波長に感度を有
する受光素子を新規に必要としていたが、本発明により
面発光型半導体レーザ素子に対応した受光素子がチップ
上にモノリシックに集積されているので、新規に受光素
子を必要としない低コストで実用的な光通信システムが
実現できた。かかる発明によれば、非発光再結合防止層
を設けてなる面発光型半導体レーザ素子チップとするこ
とにより安定した発振が可能となり、これを発光光源と
した実用的な光通信システムが実現できた。さらに、従
来受光素子として１．１μｍ〜１．７μｍの波長に感度
を有する受光素子を新規に必要としていたが、本発明に
より面発光型半導体レーザ素子に対応した受光素子がチ
ップ上にモノリシックに集積されているので、新規に受
光素子を必要としない低コストで実用的な光通信システ
ムが実現できた。

【００１０】請求項３は、前記受光素子を用いて、対応
する面発光型半導体レーザ素子の光出力の検出を、該面
発光型半導体レーザ素子の主たる発光方向に対して横方
向に漏れた漏れ光を検出することによって行うことも本
発明の有効な手段である。かかる技術手段によれば、面
発光型半導体レーザチップ上にモノリシックに一体的に
受光素子を形成したハイブリッドチップを用いるように
し、面発光型半導体レーザ素子の漏れ光を検出するよう
にしたので、面発光半導体レーザの出力検出用の受光素
子を別物で独立に設ける必要がなく、低コストで実用的
な構成を実現できた。請求項４は、前記面発光型半導体
レーザ素子に対応して形成された受光素子を用いて、前
記光通信システムの相手側からの送信信号を検出するこ
とも本発明の有効な手段である。かかる技術手段によれ
ば、面発光型半導体レーザ素子に対応して受光素子を一
体的に形成されたハイブリッドチップを用いるように
し、光通信システムの相手側からの送信信号を検出する
ようにしたので、相手側からの送信信号を検出する為の
受光素子を別物で独立に設ける必要がなく、低コストで
実用的な構成を実現できた。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示した実施形
態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載
される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配
置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそ
れのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎな
い。まず最初に、本発明の光通信システムに適用される
発光素子である伝送ロスの少ないレーザ発振波長が１．
１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発光半導体レーザの一
例について図１を用いて説明する。前述のように、従来
は本発明が適用しようとしているレーザ発振波長が１．
１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発光半導体レーザに関
しては、その可能性の示唆があるのみで、実現のための
材料、ならびにより具体的、詳細な構成は不明であっ
た。本発明では、活性層としてＧａＩｎＮＡｓ等の材料
を使用し、さらに具体的な構成を明確にした。以下にそ
れを詳述する。本発明では、面方位（１００）のｎ−Ｇ
ａＡｓ基板２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−Ａｌ_ｘＧａ
_１−ｘＡｓ（ｘ＝１．０）（低屈折率層〜屈折率小の
層）とｎ−Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ＝０）（高屈折率
層〜屈折率大の層）を交互に３５周期積層したｎ−半導
体分布ブラッグ反射鏡３（ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ下部半導
体分布ブラッグ反射鏡）を形成し、その上にλ／４の厚
さのｎ−Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ（ｘ＝０．
５、ｙ＝１）層１１を積層した。この例ではｎ−Ｇａ_ｘ
Ｉｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_{１ −ｙ}（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層も
下部反射鏡の一部であり低屈折率層（屈折率小の層）と
なっている。

【００１２】そしてその上にアンドープ下部ＧａＡｓス
ペーサ層４と、３層のＧａ_ｘＩｎ_{１ −ｘ}Ａｓ量子井戸層
である活性層（量子井戸活性層）１２とＧａＡｓバリア
層（２０ｎｍ）１３からなる多重量子井戸活性層と、ア
ンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層とが積層されて、媒質
内における発振波長λの１波長分の厚さ（λの厚さ）の
共振器を形成している。さらにその上に、Ｃ（炭素）ド
ープのｐ−Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ（ｘ＝０．
５、ｙ＝１）層とＺｎドープｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ
（ｘ＝０）を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−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ
（ｘ＝０．９）とＺｎドープｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ
（ｘ＝０）を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５（Ａｌ_０．９Ｇａ
_０．１Ａｓ／ＧａＡｓ上部半導体分布ブラッグ反射鏡）
を形成している。この例ではｐ−Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ _ｙ
Ａｓ_１−ｙ（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層も上部反射鏡の一
部であり、低屈折率層（屈折率小の層）となっている。
なおここで、上部／下部反射鏡ともそれぞれ低屈折率層
（屈折率小の層）／高屈折率層（屈折率大の層）を交互
に積層して形成するが、本発明ではこれらの間に、屈折
率が小と大の間の値をとるＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦
ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）よりなるヘテロスパイク緩衝層を設け
ている。

【００１３】図２により本発明に適用される面発光半導
体レーザの反射波長が１．１μｍ以上の反射鏡について
より具体的に説明する。本発明に適用される反射波長が
１．１μｍ以上の反射鏡では、低屈折率層（屈折率小の
層）と高屈折率層（屈折率大の層）の間に、屈折率が小
と大の間の値をとるヘテロスパイク緩衝層Ａｌ_ｚＧａ
_１−ｚＡｓ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）１５を設けている。
図２は半導体分布ブラッグ反射鏡の一部を示したもので
ある（図１では図が複雑になるので図示することを省略
している）。従来レーザ波長が０．８５μｍ帯の半導体
レーザに関して、このようなヘテロスパイク緩衝層１５
を設けることも検討はされているが、まだ検討段階であ
り、その材料、あるいはその厚さなどまで詳細には検討
されていない。また本発明のようなレーザ発振波長が
１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発光半導体レーザ
に関しては全く検討されていない。その理由はこの分野
（レーザ発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯
面発光半導体レーザ）が新しい分野であり、まだほとん
ど研究が進んでいないからである。本発明者はいち早く
この分野（レーザ発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍの
長波長帯面発光半導体レーザおよびそれを用いた光通
信）の有用性に気付き、それを実現するために鋭意検討
を行った。このようなヘテロスパイク緩衝層は形成時に
ガス流量をコントロールするなどして、そのＡｌ組成を
連続的もしくは段階的に変えるようにしてその材料層の
屈折率が連続的もしくは段階的に変化するようにして形
成する。より具体的には、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦
ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）層のｚの値を０から１．０まで変わる
ように、つまりＧａＡｓ〜ＡｌＧａＡｓ〜ＡｌＡｓとい
う具合にＡｌとＧａの比率が徐々に変わるようにして形
成する。これは前述のように層形成時にガス流量をコン
トロールすることによって作成される。また、ＡｌとＧ
ａの比率が前述のように連続的に変わるようにして形成
しても良いし、段階的にその比率が変わるようにしても
同等の効果がある。このようなヘテロスパイク緩衝層を
設ける理由は、半導体分布ブラッグ反射鏡の持つ問題点
の一つであるｐ−半導体分布ブラッグ反射鏡の電気抵抗
が高いという課題を解決するためである。これは半導体
分布ブラッグ反射鏡を構成する２種類の半導体層の界面
に生じるヘテロ障壁が原因であるが、本発明のように低
屈折率層１７と高屈折率層１６の界面に一方の組成から
他方の組成へ次第にＡｌ組成が変化するようにして、屈
折率も変化させることによってヘテロ障壁の発生を抑制
することが可能である。

【００１４】このようなヘテロスパイク緩衝層について
より具体的に説明する。図３は半導体分布ブラッグ反射
鏡を構成する２種類の半導体層の間にヘテロスパイク緩
衝層を設けた半導体分布ブラッグ反射鏡の例を示すもの
である。図では、半導体分布ブラッグ反射鏡の材料の例
としてＡｌＧａＡｓ系半導体材料（Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡ
ｓ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１））について示している。半導
体分布ブラッグ反射鏡を構成する２種類の半導体層はＡ
ｌＡｓ、ＧａＡｓであり、ＡｌＡｓ、ＧａＡｓの中間の
価電子帯エネルギーを持つヘテロスパイク緩衝層とし
て、これの間にＡｌ組成を変化させた組成傾斜層を設け
ている。すなわち、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｙ＜ｚ
＜ｘ≦１）層のｚの値を０から１．０まで変わるよう
に、つまりＧａＡｓ〜ＡｌＧａＡｓ〜ＡｌＡｓという具
合にＡｌとＧａの比率が徐々に変わるようにしている。
ＡｌＧａＡｓ系半導体材料は、Ａｌ組成の増加と伴に、
バンドギャップエネルギーが大きくなり、屈折率が低下
する。またこの際、伝導帯では、Ａｌ組成０．４３ま
で、エネルギーが増加した後減少を始めるが、価電子帯
では単調に、略Ａｌ組成の増加量に比例して価電子帯エ
ネルギーが低下する（トータルとして、バンドギャップ
エネルギーは組成に対して増加している。）。この他に
もＡｌＧａＩｎＰ系材料を例に挙げると、この材料は４
元材料であるが、ＡｌＩｎＰ組成の増加に伴い、ＡｌＧ
ａＡｓ系におけるＡｌ組成の増加と同様の傾向を示す。
伝導帯エネルギーは、ＡｌＩｎＰ組成０．７まで増加し
た後減少を始める。しかし価電子帯エネルギーは、Ａｌ
ＩｎＰ組成の増加に対し同様に単調に減少する。

【００１５】図３の例では、ＧａＡｓ層の近くの領域の
（図３では、領域I）組成傾斜率（バンドギャップエネ
ルギーの増加率）を、ＡｌＡｓ層の近くの領域の（図３
では領域II）組成傾斜率に比べて大きくしている。比較
のために、単に線形にＡｌ組成を変化させた線形組成傾
斜層をヘテロスパイク緩衝層とした構造を図４に示す。
図５は、反射波長１．３μｍのＡｌＡｓ・ＧａＡｓの界
面に厚さ２０ｎｍの図３のヘテロスパイク緩衝層を設け
た４ペアｐ−ＤＢＲの電気抵抗を見積もった結果であ
る。図５では、ヘテロスパイク緩衝層を含むＤＢＲの各
層のキャリア密度を１Ｅ１８［ｃｍ^−３］のＰ型として
おり、縦軸にゼロバイアス付近における微分シート抵抗
値を示している。横軸は、領域IのＡｌ組成傾斜率であ
り、異なる領域Iの厚さ（図中に示している）について
それぞれ示している。領域Iと領域IIの和は常に２０ｎ
ｍであり、領域IIの厚さ及び組成傾斜率は、領域Iの厚
さと組成傾斜率から決まる。単純にＧａＡｓ層とＡｌＡ
ｓ層間に線形組成傾斜層を設けた場合のＡｌ組成傾斜率
は０．０５［ｎｍ^−１］であり、これは、図のＡ点に当
たる。図５のように、領域IのＡｌ組成傾斜度を大きく
していくことにより、従来のように単に組成傾斜率を線
形とした場合に比べ、抵抗値が減少する。また、極小と
なる最適なＡｌ組成傾斜率が存在していることが分か
る。例えば、領域Iの厚さが１０ｎｍ（領域IIと同じ厚
さ）では、Ａｌ組成傾斜率０．０９［ｎｍ^−１］で従来
の８０％程度に低抵抗化している（また、この傾向は印
加電圧に依らない。）。

【００１６】次にこの理由について説明する。図６は、
ＡｌＡｓ／ＧａＡｓによるＤＢＲヘテロ界面の熱平衡状
態のバンド図を表すものである。図のように、バンド不
連続に起因するヘテロスパイクはおもに禁則帯幅の広い
ＡｌＡｓ層側で顕著に現れており、ほとんどＧａＡｓ層
側ではノッチが発生しない。ＧａＡｓ層側に発生するノ
ッチは、本来、高抵抗化の原因とはならないのでＡｌＡ
ｓ層側に発生するスパイクを、限られたヘテロスパイク
緩衝層の厚さで効率良く平坦にすることが、低抵抗化に
対し重要である。図３の構造では、ノッチが発生するＧ
ａＡｓ側で急激に組成を増加させて、スパイクが発生す
るＡｌＡｓ側の組成傾斜を緩やかに変化させたことに対
応している。これによって、ヘテロスパイク緩衝層の組
成変化を単純に線形とした場合に比べてスパイクの発生
を低減させる事ができる（従って、逆に領域IのＡｌ組
成傾斜率を領域IIより小さくすると、抵抗値が増加す
る。）。図７に、図３の熱平衡状態のバンド図の模式図
を示す。従来の単純な組成傾斜層に比べ、同じ厚さでＡ
ｌＡｓ側の組成傾斜率を緩やかにすることができる。以
上より、領域Iの組成傾斜率を大きくすることで、従来
よりも電気抵抗を低減することができることがわかる。

【００１７】次にこのような屈折率が小と大の間の値を
とるヘテロスパイク緩衝層Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦
ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）の最適厚さについて、検討した結果を
説明する。図８は、１．３μｍに反射中心波長を持つＡ
ｌＡｓ／ＧａＡｓによる４ペアＤＢＲについて、ヘテロ
スパイク緩衝層厚さを変えて、ゼロバイアス付近での微
分電気抵抗率を計算した結果である。ＤＢＲ層のドーピ
ング密度は１Ｅ１８ｃｍ^{− ３}とし、ヘテロスパイク緩衝
層を含む各層のドーピング密度は一様としている。ま
た、破線で示す値は、各半導体層のバルク抵抗から求め
た抵抗率であり、ヘテロ界面の影響が全く無いとした場
合に得られるＤＢＲの抵抗率を示したものである。図８
の様にヘテロスパイク緩衝層を設けないＤＢＲ（ヘテロ
スパイク緩衝層厚さが０）では抵抗率が１Ωｃｍ^２と非
常に高抵抗であり、現実的な問題として２０ペア以上積
層したＤＢＲを通し素子に通電させる事自体が困難であ
り、更に通電させる為には非常に高い電圧を必要とす
る。従って、この様なＤＢＲを備えた面発光レーザ素子
は現実に発振させる事は困難である。しかしながら、５
ｎｍのヘテロスパイク緩衝層を設けた場合には、ヘテロ
スパイク緩衝層を設けない場合に比べて、約２桁程度抵
抗率を低減する事が可能であり、素子の通電が容易にな
って発振を得る事が可能となる。更に、通電に必要な電
圧も低減するので、素子の破壊、故障等、信頼性に関す
る諸問題も大きく改善する。更に、ヘテロスパイク緩衝
層を厚くするに従って抵抗率は急激に低減しており、特
に２０ｎｍ以上では、抵抗率はほぼ一定の値となる。図
８はヘテロスパイク緩衝層、及び各層のｐ型ドーピング
密度を１Ｅ１８ｃｍ ^−３として一様のドープした場合の
構造について示したものである。なお、このドーピング
濃度は通常ＤＢＲに用いられる標準的な値である。図８
のＤＢＲの構造では抵抗率の減少が飽和し始めるヘテロ
スパイク緩衝層の厚さは約２０ｎｍであり、この時の抵
抗率は、バルク抵抗率のおよそ２．５倍程度と非常に低
い値まで低減されている。

【００１８】つまり、テロスパイク緩衝層厚さの下限値
を２０ｎｍとし、それ以上の厚さにすれば素子の動作電
圧を最も低い値とすることができ、素子発熱も最小限に
することができる。従って発振を維持できる温度、並び
に得られる光出力が増加する。しかしながら、これに反
してＤＢＲの光学的特性には、ヘテロスパイク緩衝層が
厚くなるに従って反射率が低下するという問題がある。
図９は、ヘテロスパイク緩衝層厚さの変化に対するＤＢ
Ｒの反射率の減少の様子を詳しく示したものである。図
に示した直線と比較すると、ヘテロスパイク緩衝層の厚
さが５０ｎｍ以上から急激に反射率の変化率が大きくな
る様子が分かる。素子の発振閾値電流はこれに対応して
急激に増加し始める。従って、ヘテロスパイク緩衝層の
厚さの上限は５０ｎｍとするのが適当である。以上の様
に２０ｎｍ以上、５０ｎｍ以下のヘテロスパイク緩衝層
を設けたＤＢＲでは、ヘテロ界面の影響による抵抗を有
効に低減する事が可能であり、また、高い反射率を同時
に得る事ができる。これを用いた面発光レーザ素子で
は、現実的な駆動条件において、容易に低閾値電流での
発振を得る事が可能である。

【００１９】本発明のようなレーザ発振波長が１．１μ
ｍ〜１．７μｍの長波長帯面発光半導体レーザの場合、
２０ｎｍ〜５０ｎｍの厚さとするのが良く、これより薄
いと抵抗が大となり電流が流れにくく、素子が発熱した
り、駆動エネルギーが高くなるという不具合がある。ま
た厚いと抵抗が小となり、素子の発熱や、駆動エネルギ
ーの面で有利になるが、今度は反射率がとれないという
不具合があり、前述のように最適の範囲（２０ｎｍ〜５
０ｎｍの厚さ）を選ぶ必要がある。なお、前述のように
従来のレーザ波長が０．８５μｍ帯の半導体レーザに関
してこのようなヘテロスパイク緩衝層を設けることも検
討されているが、本発明のようなレーザ発振波長が１．
１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発光半導体レーザの場
合は、より効果的である。なぜなら、例えば同等の反射
率（例えば９９．５％以上）を得るためには、０．８５
μｍ帯よりも１．１μｍ帯〜１．７μｍ帯の場合、この
ような材料層を約２倍程度にすることができるので、半
導体分布ブラッグ反射鏡の抵抗値を低減させることがで
き、動作電圧、発振閾値電流等が低くなり、レーザ素子
の発熱防止ならびに安定発振、少エネルギー駆動の面で
有利となる。つまり半導体分布ブラッグ反射鏡にこのよ
うなヘテロスパイク緩衝層を設けることは、本発明のよ
うなレーザ発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍの長波長
帯面発光半導体レーザの場合に特に効果的な工夫といえ
る。なお効果的な反射率を得るためのより詳細な検討結
果の一例を挙げると、例えば１．３μｍ帯面発光型レー
ザ素子では、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝１．０）（低
屈折率層〜屈折率小の層）とＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（ｙ
＝０）（高屈折率層〜屈折率大の層）を２０周期積層し
た場合においては、半導体分布ブラッグ反射鏡の反射率
が９９．７％以下となるＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｙ
＜ｚ＜ｘ≦１）層の厚さは３０ｎｍである．また、反射
率が９９．５％以上となる波長帯域は５３ｎｍであり、
反射率を９９．５％以上と設計した場合、±２％の膜厚
制御ができればよい．そこでこれと同等およびこれより
薄い、１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍのものを試作した
ところ、反射率を実用上問題のない程度に保つことがで
き、半導体分布ブラッグ反射鏡の抵抗値を低減させるこ
とができた１．３μｍ帯面発光型レーザ素子を実現、レ
ーザ発振に成功した。なお試作したレーザ素子の他の構
成は後述のとおりである。

【００２０】なお多層膜反射鏡においては設計波長（膜
厚制御が完全にできたとして）を含んで反射率の高い帯
域がある。高反射率の帯域（反射率が狙いの波長に対し
て必要値以上である領域を含む）と呼ぶ。設計波長の反
射率が最も高く、波長が離れるにしたがってごくわずか
ずつ低下している領域である。これはある領域から急激
に低下する。そして狙いの波長に対して必要な反射率以
上となるように、本来、多層膜反射鏡の膜厚を原子層レ
ベルで完全に制御する必要がある。しかし実際には±１
％程度の膜厚誤差は生じるので狙いの波長と最も反射率
の高い波長はずれてしまう。例えば狙いの波長が１．３
μｍの場合、膜厚制御が１％ずれたとき、最も反射率の
高い波長は１３ｎｍずれてしまう。よってこの高反射率
の帯域（ここでは反射率が狙いの波長に対して必要値以
上である領域）は広い方が望ましい。このように本発明
のようなレーザ発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍの長
波長帯面発光半導体レーザにおいて、このような半導体
分布ブラッグ反射鏡の構成を工夫、最適化することによ
り、反射率を高く維持したまま抵抗値を低減させること
ができるので、動作電圧、発振閾値電流等を低くでき、
レーザ素子の発熱防止ならびに安定発振、少エネルギー
駆動が可能となる。

【００２１】再び図１に戻り、最上部の、ｐ−Ａｌ_ｘＧ
ａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０）層は、電極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。ここで、量子井戸活性層のＩｎ組成ｘは
３９％（Ｇａ_０．６１Ｉｎ_０．３９Ａｓ）とした。また
量子井戸活性層の厚さは７ｎｍとした。なお量子井戸活
性層は、ＧａＡｓ基板に対して約２．８％の圧縮歪を有
していた。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）、Ａｓ
Ｈ_３（アルシン）、ＰＨ_３（フォスフィン）を用いた。
また、キャリアガスにはＨ_２を用いた。図１に示した素
子の活性層（量子井戸活性層）のように歪が大きい場合
は、非平衡となる低温成長が好ましい。ここでは、Ｇａ
ＩｎＡｓ層（量子井戸活性層）は５５０℃で成長させて
いる。ここで使用した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。

【００２２】またこの例では、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）を作っ
て、電流狭さく部を形成した。そしてこの例では、上部
反射鏡の最上部の層であり上部反射鏡一部となっている
ｐ−コンタクト層上に光出射部を除いてｐ側電極を形成
し、基板の裏面にｎ側電極を形成した。この例では、上
下反射鏡に挟まれた、キャリアが注入され再結合する活
性領域（本実施例では上部及び下部スペーサ層と多重量
子井戸活性層とからなる共振器）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、下部及び上部反射鏡の低屈折率
層の最も活性層に近い層をＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ
_１−ｙ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）の非発光再結合防止
層としている。すなわちｘあるいはｙの値を適宜選ぶこ
とにより、ＧａＩｎＰもしくはＧａＩｎＰＡｓもしくは
ＧａＰＡｓが非発光再結合防止層とされる。なおこの層
には、Ａｌ以外の他の材料を微量添加する場合もある
が、主たる材料は、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ
_１−ｙ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）である。キャリア
は、活性層に最も近くワイドギャップである上部及び下
部反射鏡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。よって活性
領域はＡｌを含まない層で構成することが望ましい。ま
たこの主たる組成がＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ
_１−ｙ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）よりなる非発光再結
合防止層は、その格子定数がＧａＡｓ基板よりも小さ
く、引張り歪を有している。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。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。

【００２３】このＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−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、Ｇａ
_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ（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
ルギーを大きく取り得る。例えばＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ
（ｙ＝１の場合）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＋０．７８６ｘ^２、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Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ _１−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。さらにこのＧａ_ｘ
Ｉｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）
層よりなる非発光再結合防止層は、その格子定数がＧａ
Ａｓ基板よりも大きく、圧縮歪を有しており、かつ前記
活性層の格子定数が前記Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１
−ｙ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）層よりも大きく圧縮歪
を有している。またこのＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ
_１−ｙ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）層の歪の方向が活性
層と同じ方向なので、活性層が感じる実質的な圧縮歪量
を低減する方向に働く。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。例えば発振波長が１．３μｍ帯の面発光型レーザは
ＧａＡｓ基板上に形成するのが好ましく、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成長前に
成長する必要がある（一方、端面発光型レーザの場合、
活性層成長前のトータル厚さは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（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。この例では、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たので、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。

【００２４】前述のように、反射鏡と活性領域との界面
にＡｌを含まない構成とする、すなわち非発光再結合防
止層を設けることを、上下反射鏡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。またこの例では、上下反射鏡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。また前述の例では、反射鏡低屈折率層の最も活性層
に近い層のみをＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜
ｘ≦１、０＜ｙ≦１）の非発光再結合防止層としている
が、複数層のＧａ _ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ
≦１、０＜ｙ≦１）を非発光再結合防止層としても良
い。さらにこの例では、ＧａＡｓ基板と活性層との間の
下部反射鏡にこの考えを適用し、活性層の成長時に問題
となる、Ａｌに起因する結晶欠陥の活性層への這い上が
りによる悪影響が押さえられ、活性層を高品質に結晶成
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な面発光型半導体レーザが得られ
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Ａ
ｌを含まないＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ _１−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
きている。このようにして製作した面発光型半導体レー
ザの発振波長は約１．２μｍであった。ＧａＡｓ基板上
のＧａＩｎＡｓは、Ｉｎ組成の増加で長波長化するが歪
み量の増加をともない、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.Techn
ol.Lett.Vol.9(1997)pp.1319-1321」参照）。

【００２５】しかしながら今回発明者が製作したよう
に、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まで到達できた。なおこの波長は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。以上の説明より明らかなように
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ることがわかった。なお前述の
ように、このような面発光型半導体レーザは、ＭＯＣＶ
Ｄ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。また活性層の積層構造と
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にして
もかまわない。また共振器長はλの厚さとしたがλ／２
の整数倍とすることができる。望ましくはλの整数倍で
ある。また半導体基板として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上
記の考え方を適用できる。反射鏡の周期は他の周期でも
良い。なおこの例では活性層として、主たる元素がＧ
ａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層、すなわちＧａ_ｘＩｎ_１−ｘ
Ａｓ（ＧａＩｎＡｓ活性層）の例を示したが、より長波
長のレーザ発振を行うためには、Ｎを添加し主たる元素
がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓからなる層（ＧａＩｎＮＡｓ活
性層）とすればよい。実際にＧａＩｎＮＡｓ活性層の組
成を変えることにより、１．３μｍ帯、１．５５μｍ帯
のそれぞれにおいて、レーザ発振を行うことが可能であ
った。組成を検討することにより、さらに長波長の例え
ば１．７μｍ帯の面発光レーザも可能となる。また、活
性層にＧａＡｓＳｂを用いてもＧａＡｓ基板上に１．３
μｍ帯面発光レーザを実現できる。このように波長１．
１μｍ〜１．７μｍの半導体レーザは従来適した材料が
なかったが、活性層に高歪のＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮ
Ａｓ、ＧａＡｓＳｂを用い、かつ、非発光再結合防止層
を設けることにより、従来安定発振が困難であった波長
１．１μｍ〜１．７μｍ帯の長波長領域において、高性
能な面発光レーザを実現できるようになった。

【００２６】次に本発明の光送受信システムに適用され
る発光素子である長波長帯面発光型半導体レーザの他の
構成について、図１０を用いて説明する。この場合も図
１の場合と同様に面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板
２１を使用している。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−Ａｌ_ｘＧ
ａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９）とｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡ
ｓ（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２４（Ａｌ _０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／Ｇａ
Ａｓ下部反射鏡）を形成し、その上にλ／４の厚さのｎ
−Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ（ｘ＝０．５、ｙ＝
１）層を積層した。この例ではｎ−Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ
_ｙＡｓ_１−ｙ（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層も下部反射鏡の
一部であり低屈折率層となっている。そしてその上に、
アンドープ下部ＧａＡｓスペーサ層２３と、３層のＧａ
_ｘＩｎ_１−ｘＮ_ｙＡｓ_１−ｙ量子井戸層である活性層３
３（量子井戸活性層）とＧａＡｓバリア層３４（１５ｎ
ｍ）から構成される多重量子井戸活性層（この例では３
重量子井戸（ＴＱＷ））と、アンドープ上部ＧａＡｓス
ペーサ層２３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。さらにその上に、ｐ−半導体分布ブラッグ反射鏡
（上部反射鏡）２４が形成されている。上部反射鏡は、
被選択酸化層となるＡｌＡｓ層２７を、ＧａＩｎＰ層と
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−Ｇａ_ｘＩ
ｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層、Ｃ
ドープｐ−Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（ｚ＝１）被選択酸化
層（厚さ３０ｎｍ）、厚さが（２λ／４−１５ｎｍ）の
Ｃドープｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．９））
と、厚さがλ／４のＧａＡｓ層（１周期）と、Ｃドープ
のｐ−Ａｌ_ｘＧａ_{１ −ｘ}Ａｓ層（ｘ＝０．９）とｐ−Ａ
ｌ_ｘＧａ_１−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（Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／ＧａＡｓ上部
反射鏡）である。

【００２７】なおこの例においても、図１０では複雑に
なるので図示することは省略しているが、半導体分布ブ
ラッグ反射鏡の構造は、図２に示したような低屈折率層
（屈折率小の層）と高屈折率層（屈折率大の層）の間
に、屈折率が小と大の間の値をとるＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＡ
ｓ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）よりなるヘテロスパイク緩衝
層を設けたものである。そして、最上部の、ｐ−Ａｌ_ｘ
Ｇａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０）層は、電極とコンタクトを取
るためのコンタクト層（ｐ−コンタクト層）としての役
割も持たせている。ここで量子井戸活性層のＩｎ組成ｘ
は３７％、Ｎ（窒素）組成は０．５％とした。また量子
井戸活性層の厚さは７ｎｍとした。またこの面発光型半
導体レーザの成長方法は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）、ＴＭ
Ｉ（トリメチルインジウム）、ＡｓＨ_３（アルシン）、
ＰＨ_３（フォスフィン）、そして窒素の原料にはＤＭＨ
ｙ（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Ｈ_２を用
いた。またこの例では、ＧａＩｎＮＡｓ層（量子井戸活
性層）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。さらにこの例では、所定の大きさ
のメサ部分をｐ−Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ _１−ｙ（ｘ
＝０．５、ｙ＝１）層に達するまで、ｐ−Ａｌ_ｚＧａ
_１−ｚＡｓ（ｚ＝１）被選択酸化層の側面を露出させて
形成し、側面の現れたＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（ｚ＝１）
層を水蒸気で側面から酸化してＡｌ_ｘＯ_ｙ電流狭さく層
を形成している。

【００２８】最後にポリイミド（絶縁膜）でメサエッチ
ングで除去した部分を埋め込んで平坦化し、上部反射鏡
上のポリイミドを除去し、ｐ−コンタクト層上に光出射
部を除いてｐ側電極を形成し、ＧａＡｓ基板の裏面にｎ
側電極を形成した。この例においては、被選択酸化層の
下部に上部反射鏡の一部としてＧａ_ｘＩｎ _１−ｘＰ_ｙＡ
ｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）層を挿入してい
る。例えばウェ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ＧａＩｎ
ＰＡｓ系はエッチング停止層として用いることができる
ため、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１、
０＜ｙ≦１）層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。
またこの例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、素子製作時における制御性
が良好になることにより、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。なおこの例では、エッチングストップ層を兼ねるＧ
ａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_{１ −ｙ}（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦
１）層を上部反射鏡側に設けたが、下部反射鏡側に設け
ても良い。またこの例においても、上下反射鏡に挟まれ
た、キャリアが注入され再結合する活性領域（本実施例
では上部及び下部スペーサ層と多重量子井戸活性層とか
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、さらに下部及び上部反射鏡の低屈折率層
の最も活性層に近い層をＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ
_１−ｙ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）の非発光再結合防止
層としている。つまりこの例では、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。なお反射鏡と活性領域との界面にＡｌを含まない構
成を、この例のように上下反射鏡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。またこの例では、上下反射鏡とも半導体分布ブ
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。さらにこの例でも、ＧａＡｓ基板と活性層との間
の下部反射鏡に図１の例の場合と同様の考えを適用した
ので、活性層の成長時に問題となる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押さえら
れ、活性層を高品質に結晶成長することができる。な
お、このような非発光再結合防止層は、図１、図１０の
いずれの構成においても半導体分布ブラッグ反射鏡の一
部を構成するので、その厚さは、媒質内における発振波
長λの１／４倍の厚さ（λ／４の厚さ）としている。あ
るいはそれを複数層も設けても良い。

【００２９】以上、半導体ブラッグ反射鏡の一部に非発
光再結合防止層を設けた例について示してきたが、非発
光再結合防止層を共振器の中に設けても良い。例えば、
共振器部をＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層とＧａＡｓ障壁層
とからなる活性層と、ＧａＡｓを第１の障壁層、ＧａＩ
ｎＰＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰからなる非発光再結
合防止層を第二の障壁層とした構造があげられる。共振
器部の厚さは１波長分の厚さとすることができる。非発
光再結合防止層はＧａＡｓ第１の障壁層よりバンドギャ
ップが大きいのでキャリアが注入される活性領域は実質
ＧａＡｓ障壁層までとなる。また、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場合は、非発光再結合防止層の途中
で設けたり、非発光再結合防止層とＡｌを含んだ層との
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。以上の説明より明らかなように、このような構
成により、発光効率は高く、信頼性は実用上十分な面発
光型半導体レーザが得られた。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Ｇａ_ｘＩｎ
_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）の非
発光再結合防止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
た。またこのような構成にしても、ポリイミドの埋め込
みは容易であるので、配線（この例ではｐ側電極）が段
切れしにくく、素子の信頼性は高いものが得られる。こ
のように製作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。この例では、主たる元素がＧａ、
Ｉｎ、Ｎ、Ａｓからなる層を活性層に用いた（ＧａＩｎ
ＮＡｓ活性層）ので、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。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。

【００３０】被選択酸化層を選択酸化したＡｌ酸化膜か
らなる電流狭さく層を用いた電流狭さく構造によると、
電流狭さく層を活性層に近づけて形成することで電流の
広がりを抑えられ、大気に触れない微小領域に効率良く
キャリアを閉じ込めることができる。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
電流は低減できる。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。以上の説明か
ら明らかなように図１０のような構成においても図１の
場合と同様に、１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザを
実現でき、しかも低消費電力で低コストの素子が得られ
る。なお、図１０の面発光型半導体レーザも図１の場合
と同様にＭＯＣＶＤ法で成長させることができるが、Ｍ
ＢＥ法等の他の成長方法を用いることもできる。また窒
素の原料に、ＤＭＨｙを用いたが、活性化した窒素やＮ
Ｈ_３等他の窒素化合物を用いることもできる。さらに活
性層の積層構造として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（ＳＱ
Ｗ、ＤＱＷ、ＭＱＷ）等を用いることもできる。レーザ
の構造も他の構造にしてもかまわない。また図１０の面
発光型半導体レーザにおいて、ＧａＩｎＮＡｓ活性層の
組成を変えることで、１．５５μｍ帯、更にはもっと長
波長の１．７μｍ帯の面発光型半導体レーザも可能とな
る。ＧａＩｎＮＡｓ活性層にＴｌ、Ｓｂ、Ｐなど他のII
I−Ｖ族元素が含まれていてもかまわない。また活性層
にＧａＡｓＳｂを用いても、ＧａＡｓ基板上に１．３μ
ｍ帯の面発光型半導体レーザを実現できる。

【００３１】なお本発明では活性層として、主たる元素
がＧａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層（ＧａＩｎＡｓ活性
層）、あるいはＮを添加し主たる元素がＧａ、Ｉｎ、
Ｎ、Ａｓからなる層（ＧａＩｎＮＡｓ活性層）を用いる
説明をしてきたが、他にＧａＮＡｓ、ＧａＰＮ、ＧａＮ
ＰＡｓ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡ
ｓＳｂ等も好適に使用できる。特にこれらの例のよう
に、窒素を含む活性層の場合、本発明の非発光再結合防
止層は特に効果的である。以下にそれを説明する。図１
１は、我々の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ＧａＩｎＮＡ
ｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造からなる活性層の室温フ
ォトルミネッセンススペクトルを示している。図１２は
試料構造である。ＧａＡｓ基板上２０１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
いる。図１１において、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、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。図１１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ＡｌＧａ
Ａｓ等のＡｌを構成元素として含む半導体層上に、Ｇａ
ＩｎＮＡｓ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。

【００３２】この原因解明について検討した。図１３は
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、窒素と酸素濃
度の深さ方向分布を示した図である。測定はＳＩＭＳに
よって行った。表１に測定条件を示す。

【表１】 図１３において、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井
戸構造に対応して、活性層中に２つの窒素ピークが見ら
れる。そして、活性層において、酸素のピークが検出さ
れている。しかし、ＮとＡｌを含まない中間層における
酸素濃度は活性層の酸素濃度よりも約１桁低い濃度とな
っている。一方、クラッド層をＧａＩｎＰ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、活性層中の酸素濃
度はバックグラウンドレベルであった。即ち、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酸素が取りこま
れることが我々の実験により明らかとなった。活性層に
取りこまれた酸素は非発光再結合準位を形成するため、
活性層の発光効率を低下させてしまう。この活性層に取
りこまれた酸素が、基板と窒素を含む活性層との間にＡ
ｌ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。

【００３３】次に酸素の取りこまれる原因について検討
した。図１４は、図１３と同じ試料のＡｌ濃度の深さ方
向分布を示した図である。測定はＳＩＭＳによって行っ
た。表２に測定条件を示す。

【表２】 図１４より、本来Ａｌ原料を導入していない活性層にお
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）に隣接した中間層（ＧａＡｓ層）に
おいては、Ａｌ濃度は活性層よりも約１桁低い濃度とな
っている。これは、活性層中のＡｌがＡｌを含む半導体
層（クラッド層）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。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。従って、
活性層中に検出された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が取りこまれ
てしまうことが新たにわかった。図１４に示した同じ素
子における窒素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１４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。即ち、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
性層中にＡｌと酸素が取りこまれる。この活性層に取り
込まれた酸素が活性層の発光効率を低下させていたこと
が我々の実験により初めて明らかとなった。よってこれ
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Ａ
ｌ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。

【００３４】Ａｌを含んだ半導体層成長後、窒素を含む
活性層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
た。更に、非発光再結合防止層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にキャリアが注入さ
れる時、活性層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。例えば、窒素を含む活性層中のＡｌ濃
度を１×１０^１９ｃｍ^−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
層中のＡｌ濃度を２×１０^１８ｃｍ^−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。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を除去する工程とは例えば、キャリ
アガスでパージする工程を設けることがあげられる。こ
こで、パージ工程の時間は、Ａｌを含む半導体層の成長
が終了して成長室へのＡｌ原料の供給が停止してから、
窒素を含む半導体層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間隔をいう。上記パージ
の方法として、Ａｌと窒素のいずれも含まない中間層中
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。

【００３５】図１５は、本発明におけるキャリアガスで
パージする工程を設けることを説明するための半導体発
光素子の断面構造図の１例を示している。図１５におい
て、基板上２０１にＡｌを構成元素として含む第１の半
導体層２０２、第１の下部中間層６０１、第２の下部中
間層６０２、窒素を含む活性層２０４、上部中間層２０
３、第２の半導体層２０５が順次積層されている。結晶
成長は有機金属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
間層成長後と第２の下部中間層の成長開始との間に成長
中断工程を設けたことを特徴としている。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。図１
６は、第１の下部中間層６０１と第２の下部中間層６０
２の間で成長中断し、パージ時間を６０分設けた半導体
発光素子におけるＡｌ濃度の深さ方向分布の測定結果で
ある。図１６に示すように、活性層中のＡｌ濃度は３×
１０^１７ｃｍ^−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。図１
７は、同じ素子について、窒素と酸素濃度の深さ方向分
布を測定した結果である。図１７に示すように、活性層
中の酸素濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３とバックグラウ
ンドレベルまで低減できた。なお、下部中間層中で酸素
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
成長後から非発光再結合防止層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。このように
窒素を含む活性層を用いる場合は非発光再結合防止層を
設けることは特に効果がある。この半導体発光素子は、
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分設けることにより、窒素を含む
活性層中のＡｌやＯ等の不純物濃度を低減することがで
きた。これにより、窒素を含む活性層の発光効率を改善
することができた。

【００３６】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。ただし、基板を同時に加熱する場合
は、最表面の半導体層が熱分解するのを防止するため、
成長中断中においてもＡｓＨ_３もしくはＰＨ_３等のＶ族
原料ガスを成長室に供給し続ける必要がある。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、ＡｓＨ_３もしくはＰＨ_３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。また、中間層を成長しながらパージを行う方法が
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。また、Ａｌ
を含んだＡｌＧａＡｓ系からなる反射鏡と窒素を含む活
性層とを別装置で形成する方法もある。この場合でも再
成長界面を非発光再結合防止層の下部に設けると、窒素
を含む活性層のＡｌやＯ等の不純物濃度を低減すること
ができる。

【００３７】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発光効率低下
については報告されていない。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。Electron.Let
t.、 2000、 36 (21)、 pp1776-1777において、同じＭＯＣ
ＶＤ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、Ａ
ｌＧａＡｓクラッド層とＧａＩｎＮＡｓ活性層を異なる
ＭＯＣＶＤ成長室で成長させている。従って、ＭＯＣＶ
Ｄ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。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
を含んだ半導体層成長後、窒素を含んだ活性層成長前ま
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
が取りこまれることを防止する効果が高い。

【００３８】たとえばＡｌを含んだ半導体層を成長後、
窒素を含む活性層を成長する前に、ガスラインや成長室
を真空引きする方法もある。この場合加熱して行うと効
果が高い。また、Ａｌを含んだ半導体層を成長後、窒素
を含む活性層を成長する前に、エッチングガスを流して
除去する方法もある。Ａｌ系残留物と反応し除去するこ
とのできるガスの一例として有機系化合物ガスが上げら
れる。上述のように窒素を含んだ活性層成長時に有機系
化合物ガスの一つであるＤＭＨｙガスをＤＭＨｙシリン
ダーを用いて供給するとＡｌ系残留物と反応することは
明らかである。よってＡｌを含んだ半導体層成長後、窒
素を含んだ活性層成長の前までに、有機系化合物ガスシ
リンダーを用いて有機系化合物ガスを供給すると反応室
側壁、加熱帯、基板を保持する治具等に残留しているＡ
ｌ系残留物と反応し除去することのできるので、活性層
への酸素の取り込みを抑えることができる。更に窒素を
含む活性層の窒素原料と同じガスを用いると、特別にガ
スラインを追加する必要がないので好ましい。この工程
は成長中断して行っても良く、ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮ
Ａｓ、ＧａＩｎＮＰ層など窒素を含む層を活性層とは別
にダミー層として結晶成長して行っても良い。成長中断
して行う場合に比べて、結晶成長でＡｌ除去工程を行う
と時間的ロスがなくなり好ましい。なお活性層にＧａＩ
ｎＡｓ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〜１．７μｍの半
導体レーザは従来適した材料がなかったが、活性層に高
歪のＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＡｓＳｂを用
い、かつ非発光再結合防止層を設けることにより、従来
安定発振が困難であった波長１．１μｍ〜１．７μｍ帯
の長波長領域において、高性能な面発光レーザを実現で
きるようになり、光通信システムへの応用ができるよう
になった。

【００３９】図１８はこのような長波長帯面発光半導体
レーザ素子を、面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓウエハ
４０に多数のチップとして形成した例、ならびにレーザ
素子チップを示したものである。ここで示したレーザ素
子チップには、１〜ｎ個のレーザ素子４１が形成されて
いるが、その個数ｎはその用途に応じて、数ならびに配
列方法が決められる。図１９は本発明による長波長帯面
発光半導体レーザを用いた光通信システムで使用される
半導体レーザチップの一例であり、図１９（ａ）は平面
図を、図１９（ｂ）はＡ−Ａ’での断面図をそれぞれ示
している。なお、図１９（ａ）と図１９（ｂ）の縮尺は
同じではない。この半導体レーザチップ上には、長波長
帯面発光半導体レーザ素子５０とそれに対応する受光素
子５１がモノリシックに形成されている。受光素子５１
は長波長帯面発光半導体レーザ素子５０と同様な半導体
積層構造を有しており、面発光半導体レーザ素子と同じ
工程で一括して形成される（面発光半導体レーザ素子の
半導体積層構造を逆バイアスまたは無バイアスで使用す
る事により、受光素子として使用する）。この受光素子
は面発光半導体レーザ素子の波長に対して感度を有し、
光量を検出する事が可能である。受光素子５１の外形は
平面図からわかる様に長波長帯面発光半導体レーザ素子
５０を取り囲むような形に形成されている。各素子の平
面には上部電極５２が形成されており、半導体レーザチ
ップ５３の下面には下部電極５４が形成されている。長
波長帯面発光半導体レーザ素子５０の上部電極５２には
光出力取り出し用の窓が開いているが、受光素子の上部
電極５２には窓が形成されていない。

【００４０】図２０は図１９に示した半導体レーザチッ
プの動作を説明するための図である。面発光半導体レー
ザチップ５３のレーザ発光面は、光ファイバー５５の端
面に対向した構成となっており、面発光半導体レーザ素
子５０からの出射光５６が光ファイバー５５のコア５９
に入射するよう位置合わせされている。面発光半導体レ
ーザ素子５０の側面からは、主たる発光方向に対して横
方向に出射光の漏れ光５７が発生しており、隣接した受
光素子５１により検出される。面発光半導体レーザ５０
の側面からの漏れ光量はそれほど多くはないが、受光素
子５１は面発光半導体レーザ素子５０を取り囲むように
近接して形成されているため、漏れ光５７を検出する事
が可能となっている。ここで受光素子５１の上面には、
半導体分布ブラッグ反射鏡や上部電極が形成されている
ため、図示しない相手側からの光通信情報である光ファ
イバーからの入射光５８等は図中の矢印で示されるよう
に受光素子５１上面で反射され、受光素子５１では検出
されない。以上の様な構成及び動作説明より明らかなよ
うに、面発光半導体レーザの出力検出用の受光素子を面
発光半導体レーザチップ上に一体的に形成したハイブリ
ッドチップを用いた光通信システムを構成することが可
能となる。

【００４１】図２１は本発明による長波長帯面発光半導
体レーザを用いた光通信システムで使用される半道程レ
ーザチップの他の例であり、図２１（ａ）は平面図を、
図２１（ｂ）はＡ−Ａ’での断面図をそれぞれ示してい
る。なお、図２１（ａ）と図２１（ｂ）の縮尺は同じで
はない。この半導体レーザチップ上には、長波長帯面発
光半導体レーザ素子６０とそれに対応する受光素子６１
がモノリシックに形成されている。受光素子６１は長波
長帯面発光半導体レーザ素子６０と同様な半導体積層構
造を有しており、面発光半導体レーザ素子と同じ工程で
一括して形成される（面発光半導体レーザ素子の半導体
積層構造を逆バイアスまたは無バイアスで使用する事に
より、受光素子として使用する）。この受光素子６１は
面発光半導体レーザ素子６０の波長に対して感度を有
し、光量を検出する事が可能である。ただし受光素子６
１の上部半導体分布ブラッグ反射鏡はエッチングで除去
されており、外形は平面図からわかる様に長波長帯面発
光半導体レーザ素子６０を取り囲むような形に形成され
ている。各素子の上面には光入出力用の窓が開いた上部
電極６２が形成されており、半導体レーザチップ６３の
下面には下部電極６４が形成されている。

【００４２】図２２は図２１に示した半導体レーザチッ
プの動作を説明するための図である。面発光半導体レー
ザチップ６３のレーザ発光面は、光ファイバー６５の端
面に対向した構成となっており、面発光半導体レーザ素
子６０からの出射光が光ファイバー６５のコア６９に入
射するよう位置合わせされている。面発光半導体レーザ
素子６０や受光素子６１の側面は上部電極６２で覆われ
ているため、素子側面からの漏れ光は発生しない。ここ
で図示しない相手側からの光通信情報である光ファイバ
ーからの入射光６８は図中の矢印で示されるように受光
素子上面に広がりながら入射するので、面発光半導体レ
ーザ６０を取り囲む形で形成された受光素子６１で検出
される。面発光半導体レーザ６０の上面には半導体分布
ブラッグ反射鏡が形成されているので、入射光６８は面
発光半導体レーザ内部にはほとんど入射しない。以上の
様な構成及び動作説明より明らかなように、面発光半導
体レーザの出力検出用の受光素子を面発光半導体レーザ
チップ上に一体的に形成したハイブリッドチップを用い
た光通信システムを構成することが可能となる。なお上
記の実施例に示した面発光半導体レーザと受光素子の組
み合わせは一例であるが、これを複数並べてアレイ化し
たり、面発光半導体レーザの出力検出用の受光素子と入
射光検出用の受光素子を組み合わせる場合も本発明の範
疇に入るものである。また当然の事ではあるが、本発明
は上記実施例に示した面発光半導体レーザ素子と受光素
子の互いの位置関係や形状に限定されるものではない。

【００４３】

【発明の効果】以上記載のごとく請求項１の発明によれ
ば、半導体分布ブラッグ反射鏡を工夫することにより、
動作電圧、発振閾値電流等を低くでき、レーザ素子の発
熱も少なく安定した発振ができ、また低コストで実用的
な光通信システムが実現できた。さらに、従来受光素子
として１．１μｍ〜１．７μｍの波長に感度を有する受
光素子を新規に必要としていたが、本発明により面発光
型半導体レーザ素子に対応した受光素子がチップ上にモ
ノリシックに集積されているので、新規に受光素子を必
要としない低コストで実用的な光通信システムが実現で
きた。また請求項２では、非発光再結合防止層を設けて
なる面発光型半導体レーザ素子チップとすることにより
安定した発振が可能となり、これを発光光源とした実用
的な光通信システムが実現できた。さらに、従来受光素
子として１．１μｍ〜１．７μｍの波長に感度を有する
受光素子を新規に必要としていたが、本発明により面発
光型半導体レーザ素子に対応した受光素子がチップ上に
モノリシックに集積されているので、新規に受光素子を
必要としない低コストで実用的な光通信システムが実現
できた。また請求項３では、面発光型半導体レーザチッ
プ上にモノリシックに一体的に受光素子を形成したハイ
ブリッドチップを用いるようにし、面発光型半導体レー
ザ素子の漏れ光を検出するようにしたので、面発光半導
体レーザの出力検出用の受光素子を別物で独立に設ける
必要がなく、低コストで実用的な構成を実現できた。ま
た請求項４では、面発光型半導体レーザ素子に対応して
受光素子を一体的に形成されたハイブリッドチップを用
いるようにし、光通信システムの相手側からの送信信号
を検出するようにしたので、相手側からの送信信号を検
出する為の受光素子を別物で独立に設ける必要がなく、
低コストで実用的な構成を実現できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザの素子部断面図である。

【図２】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザの半導体分布ブラッグ反射鏡の構成の部分断面
図である。

【図３】本発明に適用される半導体分布ブラッグ反射鏡
のヘテロスパイク緩衝層の組成傾斜率をＡｌＡｓ層より
もＧａＡｓ層の近くで大きくした例を示す図である。

【図４】ヘテロスパイク緩衝層のＡｌ組成を線形に変化
させた例を示す図である。

【図５】図３のヘテロスパイク緩衝層の微分シート抵抗
を見積った結果を示す図である。

【図６】ＡｌＡｓ／ＧａＡｓによる半導体分布ブラッグ
反射鏡のＤＢＲヘテロ界面の熱平衡状態のバンド図であ
る。

【図７】図３のヘテロスパイク緩衝層の熱平衡状態のバ
ンド図である。

【図８】ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ（ｐ＝１Ｅ１８ｃｍ^−３）
４ペアの抵抗率を示す図である。

【図９】ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ半導体分布ブラッグ反射鏡
の反射率の変化率を示す図である。

【図１０】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザの他の構成の素子部断面図である。

【図１１】本発明の一実施形態に係るＧａＩｎＮＡｓ／
ＧａＡｓ２重量子井戸構造からなる活性層の室温フォト
ルミネッセンススペクトル図である。

【図１２】試料構造図である。

【図１３】窒素と酸素濃度の深さ方向分布を示す図であ
る。

【図１４】Ａｌ濃度の深さ方向分布を示す図である。

【図１５】キャリアガスパージで成長中断する場合の説
明構造図である。

【図１６】成長中断工程を設けて水素でパージした場合
のＡｌ濃度の深さ方向分布を示す図である。

【図１７】成長中断工程を設けて水素でパージした場合
の窒素と酸素濃度の深さ方向分布を示す図である。

【図１８】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザ素子を形成したウエハ基板ならびにレーザ素
子チップを示す平面図である。

【図１９】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザチップの図である。

【図２０】本発明の半導体レーザチップの動作を説明す
るための図である。

【図２１】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザチップの図である。

【図２２】本発明の半導体レーザチップの動作を説明す
るための図である。

【符号の説明】

１ ｎ側電極、２ ｎ−ＧａＡｓ基板、３ 下部半導体
分布ブラッグ反射鏡、４ ＧａＡｓスペーサ層、５ 上
部半導体分布ブラッグ反射鏡、６ ｐ−コンタクト層、
１２ ＴＱＷ活性層、１３ ＧａＡｓバリア層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 正良 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 古田 輝幸 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 宮垣 一也 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 金井 健 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 和多田 篤行 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 佐藤 俊一 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 鈴木 幸栄 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 曳地 秀一 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 佐藤 新治 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 軸谷 直人 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 (72)発明者 高橋 孝志 東京都大田区中馬込１丁目３番６号 株式 会社リコー内 Ｆターム(参考） 5F004 AA15 DA00 DA01 DA17 DA20 5F045 AC02 BB14 CA15 EB13 HA03 HA13 5F073 AA03 AA55 AA74 AB13 AB20 BA01 CA17 CB02 CB19 DA05 DA14 EA02

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザチップと該レーザチップと接続さ
   れる光通信システムにおいて、前記レーザチップは発振
   波長が１．１μｍ〜１．７μｍであり、光を発生する活
   性層の主たる元素がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓからなる層、
   もしくはＧａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層とし、レーザ光を
   得るために前記活性層の上部及び下部に設けられた反射
   鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レーザ素
   子チップであって、前記反射鏡は反射波長が１．１μｍ
   以上で該反射鏡を構成する材料層の屈折率が小大異なる
   値に周期的に変化し、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であるとともに、前記屈折
   率が小の材料層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）
   とし、前記屈折率が大の材料層はＡｌ_ｙＧａ_{１− ｙ}Ａｓ
   （０≦ｙ＜ｘ≦１）とし、かつ前記屈折率が小と大の材
   料層の間に該屈折率が小と大の間の値をとるＡｌ_ｚＧａ
   _１−ｚＡｓ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１）よりなるヘテロスパ
   イク緩衝層を２０ｎｍ〜５０ｎｍの厚さに設けた反射鏡
   であるような面発光型半導体レーザ素子チップを発光光
   源とした光通信システムであって、前記レーザチップ上
   には前記面発光型半導体レーザ素子に対応した受光素子
   がモノリシックに集積されていることを特徴とする光通
   信システム。
2. 【請求項２】 レーザチップと該レーザチップと接続さ
   れる光通信システムにおいて、前記レーザチップは発振
   波長が１．１μｍ〜１．７μｍであり、光を発生する活
   性層の主たる元素がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓからなる層、
   もしくはＧａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層とし、レーザ光を
   得るために前記活性層の上部及び下部に設けられた反射
   鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レーザ素
   子チップであって、前記反射鏡は反射波長が１．１μｍ
   以上でそれを構成する材料層の屈折率が小大異なる値に
   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であるとともに、前記屈折率が
   小の材料層はＡｌ_ｘＧａ _１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）と
   し、前記屈折率が大の材料層はＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ
   （０≦ｙ＜ｘ≦１）とした反射鏡であり、前記活性層と
   前記反射鏡の間に主たる組成がＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡ
   ｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）層よりなる非発光
   再結合防止層を設けてなる面発光型半導体レーザ素子チ
   ップを発光光源とした光通信システムであって、前記レ
   ーザチップ上には前記面発光型半導体レーザ素子に対応
   した受光素子がモノリシックに集積されていることを特
   徴とする光通信システム。
3. 【請求項３】 前記受光素子を用いて、対応する面発光
   型半導体レーザ素子の光出力の検出を、該面発光型半導
   体レーザ素子の主たる発光方向に対して横方向に漏れた
   漏れ光を検出することによって行うことを特徴とする請
   求項１又は２に記載の光通信システム。
4. 【請求項４】 前記面発光型半導体レーザ素子に対応し
   て形成された受光素子を用いて、前記光通信システムの
   相手側からの送信信号を検出することを特徴とする請求
   項１又は２に記載の光通信システム。