JP2003101140A - 面発光型半導体レーザ素子およびその製造方法および面発光型半導体レーザアレイおよび光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通信システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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を提供する。 【解決手段】 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Ａｌ _xＧａ_1-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Ａｌ_yＧａ
_1-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。

Description

【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
ーザ素子およびその製造方法および面発光型半導体レー
ザアレイおよび光送信モジュールおよび光送受信モジュ
ールおよび光通信システムに関する。

【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Ｇａ
ＩｎＰ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／Ｇａ
Ａｓ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、Ａｌ_xＯ_y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、ＡｌＧａＡ
ｓ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、Ａ
ｌ（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２９１
７９７１号では、被選択酸化層にＡｌ_yＧａ_1-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Ａｌ_xＧａ_1-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、ＡｌＡ
ｓ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，１．５５
μｍ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 (F
TTH)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ＧａＩｎＰＡ
ｓ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（Ｇ
ａ）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およびその製造方法および面発光型
半導体レーザアレイおよび光送信モジュールおよび光送
受信モジュールおよび光通信システムを提供することを
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
する面発光型半導体レーザ素子において、前記下部反射
鏡は、屈折率が周期的に変化し入射光を光波干渉によっ
て反射する半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、該半導体
分布ブラッグ反射鏡の屈折率が小さい層はＡｌ_xＧａ_1-x
Ａｓ（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Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０≦ｙ＜ｘ
≦１）からなり、また、前記活性層と前記下部反射鏡と
の間には、非発光再結合防止層が設けられていることを
特徴としている。

【００１７】また、請求項２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
共振器構造を有する面発光型半導体レーザ素子におい
て、前記上部反射鏡および下部反射鏡は、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Ａｌ_xＧａ_1-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Ａｌ _yＧａ_1-yＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）から
なり、また、前記活性層と前記上部反射鏡との間、およ
び、前記活性層と前記下部反射鏡との間には、それぞ
れ、非発光再結合防止層が設けられていることを特徴と
している。

【００１８】また、請求項３記載の発明は、請求項１ま
たは請求項２記載の面発光型半導体レーザ素子におい
て、前記半導体基板はＧａＡｓであり、前記非発光再結
合防止層はＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ≦１，０＜
ｙ≦１）層であることを特徴としている。

【００１９】また、請求項４記載の発明は、請求項３記
載の面発光型半導体レーザ素子において、前記Ｇａ_xＩ
ｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層は、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。

【００２０】また、請求項５記載の発明は、請求項３記
載の面発光型半導体レーザ素子において、前記Ｇａ_xＩ
ｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層は、格
子定数がＧａＡｓからなる半導体基板の格子定数よりも
大きく、圧縮歪を有しており、また、前記活性層は、格
子定数が前記Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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。

【００２１】また、請求項６記載の発明は、請求項３乃
至請求項５のいずれか一項に記載の面発光型半導体レー
ザ素子において、前記Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ
≦１，０＜ｙ≦１）層よりも上部には、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
さく層が設けられていることを特徴としている。

【００２２】また、請求項７記載の発明は、請求項１乃
至請求項６のいずれか一項に記載の面発光型半導体レー
ザ素子において、前記活性層は、ＧａＩｎＮＡｓ,Ｇａ
ＩｎＡｓ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。

【００２３】また、請求項８記載の発明は、請求項１乃
至請求項７のいずれか一項に記載の面発光型半導体レー
ザ素子において、前記活性層は、歪量が２．０％以上の
圧縮歪を有していることを特徴としている。

【００２４】また、請求項９記載の発明は、請求項６記
載の面発光型半導体レーザ素子が複数個配列されて構成
されていることを特徴としている。

【００２５】また、請求項１０記載の発明は、請求項１
乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光型半導体レ
ーザ素子、または、請求項９記載の面発光型半導体レー
ザアレイが光源として用いられていることを特徴として
いる。

【００２６】また、請求項１１記載の発明は、請求項１
乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光型半導体レ
ーザ素子、または、請求項９記載の面発光型半導体レー
ザアレイが光源として用いられていることを特徴として
いる。

【００２７】また、請求項１２記載の発明は、請求項１
乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光型半導体レ
ーザ素子、または、請求項９記載の面発光型半導体レー
ザアレイが光源として用いられていることを特徴として
いる。

【００２８】また、請求項１３記載の発明は、請求項１
乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光型半導体レ
ーザ素子の製造方法において、前記活性層は、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、Ａ
ｌ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１４記載の発明は、請求項１
３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。

【００３０】また、請求項１５記載の発明は、請求項１
３または請求項１４記載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。

【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Ａｌ_xＧａ_1-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Ａｌ_yＧａ_1-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Ａ
ｌ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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_y
Ａｓ_1-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１
４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Ａｌ_xＧａ_1-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
Ａｌ_yＧａ_1-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１
３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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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Ａｌ
ＧａＡｓ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６，１
６，１７が、Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ≦１，０
＜ｙ≦１）層であることを特徴としている。

【００３９】Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_{1 -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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ
_yＡｓ_1-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Ｇａ_x
Ｉｎ_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-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Ｇａ_x
Ｉｎ_1-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。

【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
Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ
_1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層の格子定数がＧａＡ
ｓ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Ｇａ_xＩｎ_1-x
Ｐ_yＡｓ_1-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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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ＧａＡ
ｓ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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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、Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ≦１，
０＜ｙ≦１）層（図３では、符号６，図４では符号１
６）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ＧａＩｎＮＡ
ｓ，ＧａＩｎＡｓを用いると、ＧａＡｓ基板上に０．９
μｍ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１
４は、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層のすべて
をＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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、Ｍａｔｔｈｅｗ
ｓ ａｎｄ Ｂｌａｋｅｓｌｅｅ （文献「Ｊ．Ｃｒｙｓ
ｔａｌ 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】

【００５６】ここで、νはポアソン比（ν＝Ｃ₁₂／（Ｃ
₂₁＋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／２
^1/2（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 Ｂｌａ
ｋｅｓｌｅｅ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Ｍａｔｔ
ｈｅｗｓ 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、Ｇａ_1-xＩｎ_xＡｓに窒素
（Ｎ）を添加したＧａ_1-xＩｎ_xＮ _yＡｓ_1-yの格子定数
は、窒素添加１％当たり、Ｉｎ組成ｘが３％小さいＧａ
_1-xＩｎ_xＡｓ（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「ＩＥＥ
Ｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔ
ｔ．Ｖｏｌ．９（１１９７）ｐｐ．１３１９−１３２
１」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Ｍ
ＯＣＶＤ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１．２
μｍ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 ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔ
ｅｒ）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１．１３
μｍ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 ａ
ｎｄ 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ＧａＩｎＮ
Ａｓ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Ｇ
ａＩｎＡｓ／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１．１
μｍ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ＧａＩ
ｎＡｓ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Ｇａ_xＩｎ_1-x
Ｐ_yＡｓ_1-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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ
_yＡｓ_1-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，ＧａＩｎＮ
Ｐ，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Ａｌ
ＧａＡｓ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ＧａＩｎ
Ｐ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、ＧａＡ
ｓ基板５０１上に、下部クラッド層５０２、中間層５０
３、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。

【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ＧａＩｎ
ＮＡｓ／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ＳＩＭ
Ｓによって行った。次表（表１）に測定条件を示す。

【００７９】

【表１】

【００８０】図１５において、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡ
ｓ２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Ｇａ
ＩｎＮＡｓ／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（５０
４）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（５
０４）の発光効率を低下させてしまう。この活性層（５
０４）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（５
０２）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】

【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、Ａ
ｌ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、Ａ
ｌ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】

【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、Ａ
ｌ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６
０１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３×１０¹⁷
ｃｍ^-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、ＭＯＣ
ＶＤ法では、Ａｌを含む半導体層上に形成したＧａＩｎ
ＮＡｓ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．，２００
０，３６（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、Ａ
ｌ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−Ｇ
ａＡｓ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−Ａｌ_x
Ｇａ_1-xＡｓ（ｘ＝１．０）とｎ−Ａｌ_yＧａ_1-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−Ｇａ_xＩｎ_1-x
Ｐ_yＡｓ_1-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
−Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層１
０３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ＧａＡ
ｓスペーサ層１０５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）１０６ａとＧａＡ
ｓ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１
０７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
−Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層
（非発光再結合防止層）１０８とＺｎドープｐ−Ａｌ_x
Ｇａ_1-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−Ａｌ_xＧａ_1-x
Ａｓ（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−Ｇａ_xＩｎ_{1 -x}Ｐ_yＡ
ｓ_1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層１０８も上部反射鏡１
０９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−Ａｌ_xＧａ_1-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％（Ｇａ_0.61Ｉｎ_0.39Ａｓ）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）１０
６ａ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）１１
１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１０５，１０
７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１０
４および上部反射鏡１０９の低屈折率層の最も活性層１
０６に近い層１０３，１０８をＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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（II
I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１０４，１０
９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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y
（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）としているが、反射鏡１０
４，１０９の複数層をＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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１０
１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Ｇａ_xＩ
ｎ_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 Ｐ
ｈｏｔｏｎｉｃｓ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏ
ｌ．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ＧａＩｎ
Ａｓ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、ＭＯ
ＣＶＤ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、ＧａＡ
ｓ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〜１．３μ
ｍ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１．１μ
ｍ 〜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，１．５
５μｍ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−
Ａｌ_xＧａ_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（Ａｌ_0.9Ｇａ_0.1Ａｓ／ＧａＡｓ下部反
射鏡）２０４を形成し、その上にλ／４の厚さのｎ−Ｇ
ａ_xＩｎ_{1 -x}Ｐ_yＡｓ_1-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−Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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ＧａＡ
ｓスペーサ層２０５と、３層のＧａ _xＩｎ_1-xＮ_yＡｓ_1-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ＡｌＡ
ｓ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／４−１
５ｎｍ）のＣドープｐ−Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（ｘ＝
０．５、ｙ＝１）層（非発光再結合防止層）２０８、Ｃ
ドープｐ−Ａｌ_zＧａ_{1 -z}Ａｓ（ｚ＝１）被選択酸化層２
３０（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-xＡｓ層（ｘ＝０．９）とｐ−Ａｌ_xＧａ_1-x
Ａｓ（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）として、
形成されている。

【０１３５】そして、最上部のｐ−Ａｌ_xＧａ_1-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、ＭＯ
ＣＶＤ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−Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（ｘ＝０．５、ｙ＝１）
層２０８に達するまで、ｐ−Ａｌ_zＧａ_1-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Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ（ｚ＝１）層２３０を水蒸
気で側面から酸化してＡｌ_xＯ_y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、Ｇａ
Ａｓ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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ
_1-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ＧａＩ
ｎＰＡｓ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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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Ｇａ_xＩｎ
_1-xＰ_yＡｓ_1-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２０
１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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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、Ｇ
ａＩｎＮＡｓ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２
３０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、Ｍ
ＯＣＶＤ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ＧａＡ
ｓＳｂ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１．１μ
ｍ 〜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，Ｇ
ａＡｓＳｂ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ＧａＩｎＮＡ
ｓ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（Ｌｏ
ｃａｌ 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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_y
Ａｓ_1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層２０３，２０８
がＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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、Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ
_1-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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０
＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層２０３，２０８は活性領域に
接しており、Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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（Ｇａ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ）に比べて、７０
ｍｅＶ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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_y
Ａｓ_1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層２０３，２０８
がＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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、Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ
_1-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、Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_y
Ａｓ_1-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３
０９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−Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０．９）とｎ
−Ａｌ_xＧａ_1-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
Ｇａ_xＩｎ_1-xＮ_yＡｓ_1-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ＤＭ
Ｈｙ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、Ａ
ｌ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、Ａｌ
ＧａＡｓ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ＧａＩ
ｎＮＡｓ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４０
５，４０７と、Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（ｘ＝０．５，
ｙ＝１）非発光再結合防止層（第二障壁層）４０３，４
０８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、Ｇ
ａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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、上下反射鏡に挟まれた、キャリアが注入
される活性領域（活性層を含む）において、下部反射鏡
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、活性層と前記反射鏡との間に非発
光再結合防止層を設けたことにより、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、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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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。

【０１７４】また、請求項２記載の発明によれば、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、活性層と前記反射鏡との間に非発光再結合防止層
を設けたことにより、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
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の上下ともに非発光再結合防
止層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より信頼性良く動作させるこ
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。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、両方の反射鏡の側に非発光再結合防止層を用いる
と、その効果は大きい。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Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-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Ａｌ
ＧａＡｓ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２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、より一層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。

【０１７５】また、請求項３記載の発明によれば、非発
光再結合防止層としてＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ
≦１，０＜ｙ≦１）層を用いているので、次のような効
果を奏することができる。すなわち、Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_y
Ａｓ_1-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、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、Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y
（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層を超えてＡｌを含んだ層
に漏れるキャリアをほぼなくすことができ、非発光再結
合を防止できる。このため、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。

【０１７６】また、請求項４記載の発明によれば、前記
Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層
の格子定数はＧａＡｓ基板よりも小さく、引張り歪を有
しているので、次のような効果を奏することができる。
すなわち、Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ≦１，０＜
ｙ≦１）層が歪層となるので、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抑えられ、発光効率
が改善されたり、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。

【０１７７】さらに、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、Ｇ
ａ_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
大きく取れるので、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
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る。

【０１７８】また、請求項５記載の発明によれば、前記
Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層
は、格子定数がＧａＡｓからなる半導体基板の格子定数
よりも大きく、圧縮歪を有しているので、次のような効
果を奏することができる。すなわち、Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_y
Ａｓ_1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層が歪層となるの
で、成長中に生じた欠陥や、基板の欠陥の成長層へ這い
上がりを抑えられ、発光効率が改善されたり、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。

【０１７９】さらに、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、歪層の挿入効果の他に、活性層が感じる実質的な
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るようになり、高品質に活
性層を成長でき特性が向上する。特に、厚膜成長が必要
な長波長帯の面発光レーザの場合に有効である。

【０１８０】また、請求項６記載の発明では、Ａｌ，Ａ
ｓ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、非発光
再結合防止層よりも上部に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、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、歩留まりは高くなり低コスト化できる。

【０１８１】また、請求項７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。

【０１８２】また、請求項８記載の発明によれば、活性
層は、歪量が２．０％以上の圧縮歪を有していることに
より、従来できなかった波長の面発光レーザの実現が可
能となる。例えばＧａＩｎＡｓを活性層に用いた場合
は、１．１μｍよりも長波長の面発光型半導体レーザを
提供することができる。また、ＧａＩｎＮＡｓを活性層
に用いると、活性層の結晶性に優れ、しきい値電流密度
が小さく、信頼性に優れた１．３μｍよりも長波長の面
発光型半導体レーザを提供することができる。

【０１８３】また、請求項９記載の発明によれば、請求
項６記載の面発光型半導体レーザが一次元または二次元
に集積されて構成されているので、均一性，再現性に優
れた面発光型半導体レーザアレイを提供することができ
る。すなわち、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。前述のようにＡｌＧａ
Ａｓ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
現性に優れた面発光型半導体レーザアレイを提供でき
る。

【０１８４】また、請求項１０記載の発明によれば、請
求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光型半
導体レーザ、または、請求項９記載の面発光型半導体レ
ーザアレイが光源として用いられているので（すなわ
ち、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提供することが
できる。

【０１８５】また、請求項１１記載の発明によれば、請
求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光型半
導体レーザ、または、請求項９記載の面発光型半導体レ
ーザアレイが光源として用いられているので（すなわ
ち、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提供すること
ができる。

【０１８６】また、請求項１２記載の発明によれば、請
求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の面発光型半
導体レーザ、または、請求項９記載の面発光型半導体レ
ーザアレイが光源として用いられているので（すなわ
ち、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提供
することができる。

【０１８７】また、請求項１３記載の発明によれば、請
求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の面発光型半
導体レーザ素子の製造方法において、前記活性層は、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。

【０１８８】また、請求項１４記載の発明によれば、請
求項１３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。

【０１８９】また、請求項１５記載の発明によれば、請
求項１３または請求項１４記載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ので、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を除去することにより、除去しない場合に比べ
て、半導体発光素子の発光効率を極めて高くすることが
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）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 上西 盛聖 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 伊藤 彰浩 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 AA51 AA53 AA74 AB17 BA01 BA04 CA07 CB02 DA05 EA15 EA28 5K002 BA13 BA15 FA01

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【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する面発光型
   半導体レーザ素子において、前記下部反射鏡は、屈折率
   が周期的に変化し入射光を光波干渉によって反射する半
   導体分布ブラッグ反射鏡を含み、該半導体分布ブラッグ
   反射鏡の屈折率が小さい層はＡｌ_xＧａ_1-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Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０≦ｙ＜ｘ≦１）からな
   り、また、前記活性層と前記下部反射鏡との間には、非
   発光再結合防止層が設けられていることを特徴とする面
   発光型半導体レーザ素子。
2. 【請求項２】 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する面発光型
   半導体レーザ素子において、前記上部反射鏡および下部
   反射鏡は、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
   Ａｌ_xＧａ_1-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Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ
   （０≦ｙ＜ｘ≦１）からなり、また、前記活性層と前記
   上部反射鏡との間、および、前記活性層と前記下部反射
   鏡との間には、それぞれ、非発光再結合防止層が設けら
   れていることを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載の面発光型
   半導体レーザ素子において、前記半導体基板はＧａＡｓ
   であり、前記非発光再結合防止層はＧａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡ
   ｓ_1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層であることを特徴
   とする面発光型半導体レーザ素子。
4. 【請求項４】 請求項３記載の面発光型半導体レーザ素
   子において、前記Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ≦
   １，０＜ｙ≦１）層は、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
   ることを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
5. 【請求項５】 請求項３記載の面発光型半導体レーザ素
   子において、前記Ｇａ_xＩｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ≦
   １，０＜ｙ≦１）層は、格子定数がＧａＡｓからなる半
   導体基板の格子定数よりも大きく、圧縮歪を有してお
   り、また、前記活性層は、格子定数が前記Ｇａ_xＩｎ_1-x
   Ｐ_yＡｓ_1-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する面発
   光型半導体レーザ素子。
6. 【請求項６】 請求項３乃至請求項５のいずれか一項に
   記載の面発光型半導体レーザ素子において、前記Ｇａ_x
   Ｉｎ_1-xＰ_yＡｓ_1-y（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層より
   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が設けられているこ
   とを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
7. 【請求項７】 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に
   記載の面発光型半導体レーザ素子において、前記活性層
   は、ＧａＩｎＮＡｓ,ＧａＩｎＡｓのいずれかの材料で
   形成されていることを特徴とする面発光型半導体レーザ
   素子。
8. 【請求項８】 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に
   記載の面発光型半導体レーザ素子において、前記活性層
   は、歪量が２．０％以上の圧縮歪を有していることを特
   徴とする面発光型半導体レーザ素子。
9. 【請求項９】 請求項６記載の面発光型半導体レーザ素
   子が複数個配列されて構成されていることを特徴とする
   面発光型半導体レーザアレイ。
10. 【請求項１０】 請求項１乃至請求項８のいずれか一項
    に記載の面発光型半導体レーザ素子、または、請求項９
    記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いら
    れていることを特徴とする光送信モジュール。
11. 【請求項１１】 請求項１乃至請求項８のいずれか一項
    に記載の面発光型半導体レーザ素子、または、請求項９
    記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いら
    れていることを特徴とする光送受信モジュール。
12. 【請求項１２】 請求項１乃至請求項８のいずれか一項
    に記載の面発光型半導体レーザ素子、または、請求項９
    記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いら
    れていることを特徴とする光通信システム。
13. 【請求項１３】 請求項１乃至請求項６のいずれか一項
    に記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法におい
    て、前記活性層は、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する面発光型半導体
    レーザ素子の製造方法。
14. 【請求項１４】 請求項１３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、Ａ
    ｌ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。
15. 【請求項１５】 請求項１３または請求項１４記載の面
    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ＭＯＣＶ
    Ｄ法で面発光型半導体レーザ素子を結晶成長することを
    特徴とする面発光型半導体レーザ素子の製造方法。