JP2002324939A - 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、
半導体レーザ駆動ＩＣがＣＭＯＳからなる回路を用いる
事により、システム全体の消費電力の低減及び低コスト
化を可能とする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送受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】しかしながら上述したような構造の半導体
分布ブラッグ反射鏡では、バンドギャップの異なる物質
を交互に成長させるため、ヘテロ界面でのバンドの不連
続によりバンドにスパイクが生じ、これがキャリヤーに
対する障壁となってしまい、半導体多層膜部分での電気
抵抗が非常に高くなってしまっていた。そのため一般的
なＧａＡｓからなる面発光レーザの動作電圧は２．５Ｖ
程度と高く、ＣＭＯＳからなる半導体レーザ駆動ＩＣ
（半導体レーザ駆動電圧は２Ｖ以下）と組み合わせて用
いる事はできなかった。この動作電圧２．５Ｖの内訳
は、ダイオードの部分で１．５Ｖ、素子抵抗で１Ｖとな
るため、２Ｖ以下で動作させるためには素子抵抗を半分
以下にしなければならず、現状では非常に困難な課題で
ある。一方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、ダイオードの部分に１Ｖ以下の電圧しかかからない
ため、低電圧動作が期待できるのだが、実際にはそうで
はない。従来の長波長帯レーザでは製作基板に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。これにより反射鏡部分での抵
抗が大きくなってしまい、やはりＣＭＯＳからなる半導
体レーザ駆動ＩＣと組み合わせて用いる事はできなかっ
た。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。

【０００４】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ＧａＩｎＮＡｓ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、ＧａＩｎ
ＮＡｓ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。

【０００５】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７−３０７５２５
号公報に開示された発明のようにＡｌを含まないＧａＩ
ｎＮＰ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ＧａＡ
ｓ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多くなり低
抵抗化が困難となる。この様に従来の面発光レーザで
は、ＣＭＯＳからなる半導体レーザ駆動ＩＣを使用する
事が出来なかったが、量産の容易なＣＭＯＳ半導体レー
ザ駆動ＩＣが使えればシステムの低価格が容易に実現で
きるのである。またＣＭＯＳの回路を利用する事が可能
であれば、レーザ駆動ＩＣの電源電圧を５Ｖ系から３．
３Ｖ系に低くする事も可能である。そうするとシステム
の消費電力はおよそ半分近くまで下げる事が可能とな
り、消費電力低減の効果も非常に大きいのである。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おり、特に一般への普及のた
めには低価格なシステムの実現が必要とされているが、
それに使用できる、ＣＭＯＳ半導体レーザ駆動ＩＣと組
み合わせて用いる事が可能な、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していなかった。

【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、
半導体レーザ駆動ＩＣがＣＭＯＳからなる回路を用いる
事により、システム全体の消費電力の低減及び低コスト
化を可能とする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、半導体レーザ駆
動ＩＣがＣＭＯＳからなる回路を用いる事により、シス
テム全体の消費電力の低減及び低コスト化を可能とする
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、半導体レー
ザ駆動ＩＣと面発光型半導体レーザ素子チップ間での不
要輻射の低減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
チップを駆動する半導体レーザ駆動ＩＣとを含んでなる
光通信システムにおいて、前記半導体レーザ駆動ＩＣは
ＣＭＯＳからなり、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Ｇ
ａ、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以上で該そ
れ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−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、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
源としたものであ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、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、従来不可能であっ
た、ＣＭＯＳからなる半導体レーザ駆動ＩＣを用いる事
によりシステム全体の消費電力の低減及び低コスト化が
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、従来不可能であった、ＣＭＯＳからな
る半導体レーザ駆動ＩＣを用いる事によりシステム全体
の消費電力の低減及び低コスト化が実現できた。

【０００８】請求項２は、レーザチップと、該レーザチ
ップを駆動する半導体レーザ駆動ＩＣとを含んでなる光
通信システムにおいて、前記半導体レーザ駆動ＩＣはＣ
ＭＯＳからなり、前記レーザチップは発振波長が１．１
μｍ〜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Ｇ
ａ、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−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_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
光光源としたものであ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１．１
μｍ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、従来不可能であった、ＣＭＯＳからなる半
導体レーザ駆動ＩＣを用いる事によりシステム全体の消
費電力の低減及び低コスト化が実現できた。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、従来不可能であった、ＣＭ
ＯＳからなる半導体レーザ駆動ＩＣを用いる事によりシ
ステム全体の消費電力の低減及び低コスト化が実現でき
た。

【０００９】請求項３は、前記半導体レーザ駆動ＩＣと
レーザチップの間が、高周波伝送線路で接続されている
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、前記半導体レーザ駆動ＩＣとレーザチップの間が
高周波伝送線路で接続されているので、半導体レーザ駆
動ＩＣと面発光型半導体レーザ素子チップ間での不要輻
射の低減を実現できた。

【００１０】

【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。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。

【００１１】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。

【００１２】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
Ｇａ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。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_ｚ
Ｇａ_１−ｚＡｓ（０≦ｙ＜ｚ＜ｘ≦１））について示し
ている。

【００１３】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ＡｌＡｓ、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−ｚＡ
ｓ（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〜Ａｌ
Ａｓ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、ＡｌＧａＡｓ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、ＡｌＩｎＰ組成の増加に対し同様に単調に
減少する。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。

【００１４】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２０ｎｍ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Ｇａ
Ａｓ層とＡｌＡｓ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。）。

【００１５】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。

【００１６】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。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。

【００１７】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ＤＢＲ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５０
ｎｍ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。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、２
０ｎｍ〜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。

【００１８】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−ｙ
Ａｓ（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。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１．３μｍ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。

【００１９】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。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_ｘＩ
ｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）で
ある。

【００２０】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。このＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡ
ｓ_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_ｘＩ
ｎ_１−ｘＰ（ｙ＝１の場合）の場合、ｘが大きくなりＧ
ａＰ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_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は、その格子定数
がＧａＡｓ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_ｙＡ
ｓ_{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。

【００２１】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。
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Ｇ
ａ _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Ａｌを含まないＧａ_ｘ
Ｉｎ_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。

【００２２】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.Tec
hnol.Lett.Vol.9(1997)pp.1319-1321」参照）。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ＧａＩ
ｎＡｓ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、Ｇ
ａＡｓ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。

【００２３】なお前述のように、このような面発光型半
導体レーザは、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。
また活性層の積層構造として、３重量子井戸構造（ＴＱ
Ｗ）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Ｇ
ａＡｓ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Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層、すな
わちＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＡｓ（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Ｇａ
ＩｎＮＡｓ活性層の組成を変えることにより、１．３μ
ｍ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１．３μｍ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Ｇ
ａＩｎＡｓ、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
ようになった。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_ｘ
Ｇａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９）とｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ
Ａｓ（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／Ｇ
ａＡｓ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−ｘ
Ｐ_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３３（量子井戸活性層）とＧａＡｓバリア層３４（１
５ｎｍ）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ＧａＡ
ｓ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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。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。

【００２８】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、ＭＢＥ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ＮＨ_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（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III−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１．３μｍ帯の面発光型半導体レ
ーザを実現できる。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。

【００２９】図１１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を示し
ている。図１２は試料構造である。ＧａＡｓ基板上２０
１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ＡｌＧａ
Ａｓ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。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】

【００３０】図１３において、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡ
ｓ２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。

【００３１】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。

【００３２】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、ＧａＩｎ
ＮＡｓ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Ａ
ｌ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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】図１７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、Ａ
ｌ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。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。

【００３６】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。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.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ＧａＩｎＮ
Ａｓ活性層を異なるＭＯＣＶＤ成長室で成長させてい
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。

【００３７】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１０Ｔｏ
ｒｒ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。
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Ａｌ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、ＧａＩｎＮＡｓ、Ｇａ
ＩｎＮＰ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。

【００３８】なお活性層に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〜１．７μｍ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、Ｇ
ａＩｎＮＡｓ、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。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。

【００３９】図１９は本発明による長波長帯面発光半導
体レーザを用いた通信システムの一例であり、図１８で
切出した長波長帯面発光半導体レーザ素子が形成された
レーザ素子チップ５０とＣＭＯＳからなるレーザ駆動用
ＩＣ５１が接続されている様子を示す概念図である。図
１９（ａ）は側面図を、図１９（ｂ）は上面図をそれぞ
れ示している。レーザ素子チップ５０とＣＭＯＳからな
るレーザ駆動用ＩＣ５１はそれぞれ導電性のサブマウン
ト５２上に導電性接着剤により実装されている。レーザ
素子チップ５０とレーザ駆動用ＩＣ５１の間には高周波
伝送線路５３（本実施例ではマイクロストリップライ
ン）が形成されており、各チップはそれぞれこのマイク
ロストリップラインにワイヤーボンド５４で接続されて
いる。光通信用の面発光レーザは、数百ＭＨｚ〜数ＧＨ
ｚといった非常に高速な変調が必要なため、レーザ素子
チップ５０とレーザ駆動用ＩＣ５１の間は出来るだけ短
くした方が良いのだが、光学系のレイアウト上、それが
不可能な場合がある。その場合通常の配線でレーザ素子
チップ５０とレーザ駆動用ＩＣ５１の間をつないでしま
うと、この配線部分から不要な電磁波を放射してしまう
事になる。この様な事が無いように、本発明ではレーザ
素子チップ５０とレーザ駆動用ＩＣ５１の間を高周波伝
送線路にて接続している。これにより数ＧＨｚの変調を
行ってもこの配線部分から不要な電磁波を放射してしま
う事がない。これにより特別な不要輻射対策が必要なく
なるので、システムの更なる低価格化も可能である。な
お本実施例では高周波伝送線路としてマイクロストリッ
プラインを使用したが、これはコプレーナー線路やトリ
プレート線路等の不平衡な伝送線路であればどれを用い
ても実現可能である。レーザ素子チップ５０やレーザ駆
動用ＩＣ５１と伝送線路５３の接続に関しても、本実施
例のワイヤーボンディングに限らず、フリップチップ
や、ＴＡＢ、マイクロバンプ接続等、必要に応じて変え
る事が可能である。

【００４０】

【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、従来不可能で
あった、ＣＭＯＳからなる半導体レーザ駆動ＩＣを用い
る事によりシステム全体の消費電力の低減及び低コスト
化が実現できた。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、
従来不可能であった、ＣＭＯＳからなる半導体レーザ駆
動ＩＣを用いる事によりシステム全体の消費電力の低減
及び低コスト化が実現できた。また請求項３では、前記
半導体レーザ駆動ＩＣとレーザチップの間が高周波伝送
線路で接続されているので、半導体レーザ駆動ＩＣと面
発光型半導体レーザ素子チップ間での不要輻射の低減を
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
導体レーザ素子とレーザ駆動用ＣＭＯＳ ＩＣを、高周
波伝送線路をかいしてサブマウント上に実装した例を示
す図である。

【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 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 菅原 悟 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 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 関谷 卓朗 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） 5F073 AA53 AA74 AB28 BA02 CA07 CA17 CB02 DA05 DA21 EA23 FA15 FA22 FA27 GA38

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザチップと、該レーザチップを駆動
   する半導体レーザ駆動ＩＣとを含んでなる光通信システ
   ムにおいて、前記半導体レーザ駆動ＩＣはＣＭＯＳから
   なり、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Ｇ
   ａ、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−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、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２
   ０ｎｍ〜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もので
   あ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、該レーザチップを駆動
   する半導体レーザ駆動ＩＣとを含んでなる光通信システ
   ムにおいて、前記半導体レーザ駆動ＩＣはＣＭＯＳから
   なり、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Ｇ
   ａ、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−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_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
   としたものであることを特徴とする光通信システム。
3. 【請求項３】 前記半導体レーザ駆動ＩＣとレーザチッ
   プの間が、高周波伝送線路で接続されていることを特徴
   とする請求項１又は２に記載の光通信システム。