JP2003168846A - 半導体発光素子およびその製造方法および光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体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いて、発光
特性を著しく改善することができる半導体発光素子及び
その製造方法を提供する。 【解決手段】 Ａｌを構成元素として含む第１の半導体
層５０１の成長後に、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ており、その後、層厚
がＡｌを含む第１の半導体層５０１よりも薄いＡｌを含
む第２の半導体層５０２を設けてから、窒素を含む活性
層２０４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、半導体発光素子お
よびその製造方法および光伝送モジュールおよび光交換
装置および光伝送システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＧａＩｎＮＡｓ活性層とＡｌを含
む層を直接接して成長すると、界面に窒素が偏析して表
面モフォロジーが劣化し、発光強度が著しく低下してし
まう。それを改善する方法として、特開平１０−１２６
００４号では、ＧａＩｎＮＡｓ層に直接接する層にはＡ
ｌを含まないようにする構造が提案されている。

【０００３】特開２０００−４０６８号では、ＧａＩｎ
ＮＰ活性層とＡｌＧａＩｎＰクラッド層との間に、Ａｌ
とＮを構成元素として含まない中間層を設けることによ
り、結晶性、発光効率を改善している。

【０００４】しかし、中間層を設けた場合でも、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。Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ．Ｌ
ｅｔｔ．，２０００，３６（２１），ｐｐ１７７６−１
７７７において、同じＭＯＣＶＤ成長室でＡｌＧａＡｓ
クラッド層上に連続的に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
室で成長させている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図１は、我々のＭＯＣ
ＶＤ装置で作製したＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子
井戸構造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１において、Ａは層厚１．５μｍの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は層厚１．５μｍの
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。

【０００６】図１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、従来例と同様に、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という問題がある。

【０００７】本発明は、半導体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
おいて、発光特性を著しく改善することができる半導体
発光素子およびその製造方法および光伝送モジュールお
よび光交換装置および光伝送システムを提供することを
目的としている。

【０００８】

【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、基板と、基板上に積層され
たＡｌを含む第１の半導体層と、Ａｌを含む第１の半導
体層上に形成された窒素を含む活性層とを含む半導体発
光素子において、上記半導体層は、それぞれ有機金属Ａ
ｌ原料と窒素化合物原料とを用いて成長されており、Ａ
ｌを含む第１の半導体層と窒素を含む活性層との間に、
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を除去する
工程を行った後に、層厚がＡｌを含む第１の半導体層よ
りも薄いＡｌを含む第２の半導体層が設けられており、
窒素を含む活性層における非発光再結合準位形成不純物
の濃度は、半導体発光素子が室温連続発振可能となる濃
度であることを特徴としている。

【０００９】また、請求項２記載の発明では、基板と、
基板上に積層されたＡｌを含む第１の半導体層と、Ａｌ
を含む第１の半導体層上に形成された中間層と、中間層
上に形成された窒素を含む活性層とを含む半導体発光素
子において、上記半導体層は、それぞれ有機金属Ａｌ原
料と窒素化合物原料とを用いて成長されており、Ａｌを
含む第１の半導体層と中間層との間に、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を除去する工程を行った後
に、層厚がＡｌを含む第１の半導体層よりも薄いＡｌを
含む第２の半導体層が設けられており、窒素を含む活性
層における非発光再結合準位形成不純物の濃度が中間層
の濃度と同じか、またはそれ以下であることを特徴とし
ている。

【００１０】また、請求項３記載の発明では、請求項１
記載の半導体発光素子において、窒素を含む活性層にお
ける酸素濃度は、半導体発光素子が室温連続発振可能と
なる濃度であることを特徴としている。

【００１１】また、請求項４記載の発明では、請求項２
記載の半導体発光素子において、窒素を含む活性層にお
ける酸素濃度が中間層の酸素濃度と同じか、またはそれ
以下であることを特徴としている。

【００１２】また、請求項５記載の発明では、基板と、
基板上に積層されたＡｌを含む第１の半導体層と、Ａｌ
を含む第１の半導体層上に形成された窒素を含む活性層
とを含む半導体発光素子において、上記半導体層は、そ
れぞれ有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料とを用いて成
長されており、Ａｌを含む第１の半導体層と窒素を含む
活性層との間に、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を除去する工程を行った後に、層厚がＡｌを含む
第１の半導体層よりも薄いＡｌを含む第２の半導体層が
設けられており、窒素を含む活性層のＡｌ濃度は、半導
体発光素子が室温連続発振可能となる濃度であることを
特徴としている。

【００１３】また、請求項６記載の発明では、基板と、
基板上に積層されたＡｌを含む第１の半導体層と、Ａｌ
を含む第１の半導体層上に形成された中間層と、中間層
上に形成された窒素を含む活性層とを含む半導体発光素
子において、上記半導体層は、それぞれ有機金属Ａｌ原
料と窒素化合物原料とを用いて成長されており、Ａｌを
含む第１の半導体層と中間層との間に、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を除去する工程を行った後
に、層厚がＡｌを含む第１の半導体層よりも薄いＡｌを
含む第２の半導体層が設けられており、窒素を含む活性
層におけるＡｌ濃度が中間層の濃度と同じか、またはそ
れ以下であることを特徴としている。

【００１４】また、請求項７記載の発明では、請求項１
乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子に
おいて、Ａｌを含む第２の半導体層のＡｌ含有量がＡｌ
を含む第１の半導体層のＡｌ含有量よりも小さいことを
特徴としている。

【００１５】また、請求項８記載の発明では、請求項１
乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体発光素子に
おいて、Ａｌを含む第１の半導体層とＡｌを含む第２の
半導体層との間に中間層が設けられており、中間層の途
中で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
する工程を設けたことを特徴としている。

【００１６】また、請求項９記載の発明では、請求項１
乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体発光素子に
おいて、Ａｌを含む第１の半導体層及びＡｌを含む第２
の半導体層は分布ブラッグ反射鏡を構成しており、光を
基板と垂直方向に出射することを面発光型の半導体発光
素子であることを特徴としている。

【００１７】また、請求項１０記載の発明では、請求項
１乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体発光素子
の製造方法において、Ａｌを含む第１の半導体層の成長
後とＡｌを含む第２の半導体層の成長開始との間、また
は、Ａｌを含む第１の半導体層とＡｌを含む第２の半導
体層との間に設けた中間層の成長途中に、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を除去する工程を設けた
ことを特徴としている。

【００１８】また、請求項１１記載の発明は、請求項１
乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体発光素子が
用いられることを特徴とする光伝送モジュールである。

【００１９】また、請求項１２記載の発明は、請求項１
乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体発光素子を
備えていることを特徴とする光交換装置である。

【００２０】また、請求項１３記載の発明は、請求項１
１記載の光伝送モジュールまたは請求項１２記載の光交
換装置を備えていることを特徴とする光伝送システムで
ある。

【００２１】

【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。

【００２２】図２は、基板と窒素を含む半導体層との間
にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子の一例を
示す図である。図２の半導体発光素子では、基板２０１
上に、Ａｌを含む第１の半導体層２０２、中間層２０
３、窒素を含む活性層２０４、中間層２０３、第２の半
導体層２０５が順次積層されている。

【００２３】ここで、基板２０１としては、例えばＧａ
Ａｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ等の化合物半導体基板が用いられ
る。

【００２４】また、Ａｌを構成元素として含む第１の半
導体層２０２の材料としては、ＡｌＡｓ，ＡｌＰ，Ａｌ
ＧａＡｓ，ＡｌＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＡｌＩｎＡ
ｓ，ＡｌＩｎＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓＰ等を用いるこ
とができる。なお、第１の半導体層２０２は単一層の場
合だけでなく、Ａｌを構成元素として含む半導体層を複
数積層していてもよい。

【００２５】また、中間層２０３は構成元素としてＡｌ
とＮを含んでおらず、例えばＧａＡｓ，ＧａＰ，Ｉｎ
Ｐ，ＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＡｓＰ等で構
成されている。

【００２６】また、窒素を含む活性層２０４としては、
例えばＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩ
ｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等が用い
られる。窒素を含む活性層２０４は、Ａｌ原料を意図的
に導入することなく結晶成長されている。また、活性層
２０４は単一層の場合だけでなく、窒素を含む半導体を
井戸層とし、中間層材料を障壁層とする多重量子井戸構
造で構成することも可能である。

【００２７】図２の半導体発光素子の各層のエネルギー
バンドギャップは、活性層２０４，中間層２０３，第１
の半導体層２０２及び第２の半導体層２０５という順に
大きくなっている。なお、第２の半導体層２０５は第１
の半導体層２０２と同じ材料で構成されることが一般的
であるが、必ずしも同じ材料である必要はなく、Ａｌを
含まない材料で構成することも可能である。

【００２８】図２の半導体発光素子は、有機金属Ａｌ原
料と窒素化合物原料を用いたエピタキシャル成長装置を
用いて、結晶成長を行うことができる。ここで、有機金
属Ａｌ原料としては、例えばＴＭＡ，ＴＥＡを用いるこ
とができる。また、窒素化合物原料としては、ＤＭＨ
ｙ，ＭＭＨｙ等の有機窒素原料やＮＨ₃を用いることが
できる。結晶成長方法としては、ＭＯＣＶＤ法あるいは
ＣＢＥ法を用いることができる。

【００２９】図３は、図２に示した半導体発光素子の一
例として、２０２，２０５をＡｌＧａＡｓとし、２０３
をＧａＡｓとし、２０４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す図である。なお、
この測定はＳＩＭＳによって行った。表１に測定条件を
示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】図３において、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ
２重量子井戸構造に対応して、活性層２０４中に２つの
窒素ピークが見られる。そして、活性層２０４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２０３における酸素濃度は活性層２０
４の酸素濃度よりも約１桁低い濃度となっている。

【００３２】一方、２０２，２０５をＧａＩｎＰとし、
２０３をＧａＡｓとし、２０４をＧａＩｎＮＡｓ／Ｇａ
Ａｓ２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２０
４中の酸素濃度はバックグラウンドレベルであった。

【００３３】図４は、図２に示した半導体発光素子の一
例として、２０２，２０５をＡｌＧａＡｓとし、２０３
をＧａＡｓとし、２０４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、
Ａｌ濃度の深さ方向分布を示した図である。なお、測定
はＳＩＭＳによって行った。表２に測定条件を示す。

【００３４】

【表２】

【００３５】図４から、本来Ａｌ原料を導入していない
活性層２０４において、Ａｌが検出されている。しか
し、Ａｌを含む半導体層２０２，２０５に隣接した中間
層２０３においては、Ａｌ濃度は活性層２０４よりも約
１桁低い濃度となっている。これは、活性層２０４中の
ＡｌがＡｌを含む半導体層２０２，２０５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。

【００３６】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。

【００３７】図３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４のＡｌ濃度プ
ロファイルと対応している。このことから、ＧａＩｎＮ
Ａｓ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。

【００３８】従って、活性層２０４中に検出されたＡｌ
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Ａ
ｌ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
こまてしまう。

【００３９】そして、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は、窒
素化合物原料中に含まれる水分や、配管または反応管中
に残留した酸素や水分と結合して活性層中に取りこまれ
るため、活性層に同時に酸素が取りこまれる。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いたことが本願の発明者
により新たに分かった。

【００４０】本発明は、本願発明者による上記の知見に
基づいてなされたものである。

【００４１】（１）第１の実施形態 図５は、本発明の第１の実施形態による半導体発光素子
の構成例を示す図である。図５の半導体発光素子は、基
板２０１上に、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体
層５０１、Ａｌを構成元素として含む第２の半導体層５
０２、下部中間層２０３、窒素を含む活性層２０４、上
部中間層２０３、第３の半導体層５０３が順次積層され
ている。

【００４２】図５の半導体発光素子の製造方法として
は、有機金属Ａｌ原料と有機窒素原料を用いてエピタキ
シャル成長させることができる。そして、Ａｌを構成元
素として含む第１の半導体層５０１成長後とＡｌを構成
元素として含む第２の半導体層５０２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を除去
する工程を設けたことを特徴としている。

【００４３】上記工程を設けることにより、Ａｌを構成
元素として含む第１の半導体層５０１の成長によって、
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
ことができる。

【００４４】図６は、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量
子井戸構造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。なお、図６において、Ｂは、ＧａＩｎＰ層
上にＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造を形成
した場合であり、Ａは層厚１．５μｍのＡｌＧａＡｓ層
上に形成した場合であり、Ｃは層厚０．２μｍのＡｌＧ
ａＡｓ層上に形成した場合である。

【００４５】図６に示すように、窒素を含む活性層より
下のＡｌＧａＡｓ層の層厚を、一般的に半導体発光素子
のクラッド層に用いられる１．５μｍより薄くして、例
えば０．２μｍにすると、ＡｌＧａＡｓ層上に形成した
場合でも、ＧａＩｎＰ層上に形成した場合と同等のフォ
トルミネッセンス強度が得られた。これは、窒素を含む
活性層より下に位置するＡｌを含む半導体層の層厚を薄
くすることで、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するＡ
ｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、または
Ａｌの濃度を低減できるためである。

【００４６】第１の実施形態による半導体発光素子にお
いては、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層５０
１の成長後に、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Ａ
ｌ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ており、その後、層厚がＡｌ
を含む第１の半導体層５０１よりも薄いＡｌを含む第２
の半導体層５０２を設けてから、窒素を含む活性層２０
４を形成している。

【００４７】従って、厚く形成したＡｌを含む第１の半
導体層５０１の成長によって残留したＡｌ原料、または
Ａｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌは一度除去
される。そして、Ａｌを含む第２の半導体層５０２の層
厚を、例えば０．２μｍと薄く形成することで、残留す
るＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、ま
たはＡｌの濃度を低減し、窒素を含む活性層２０４にお
ける非発光再結合準位形成不純物の濃度を低減してい
る。これにより、Ａｌを含む半導体層上に窒素を含む活
性層を積層した図２の半導体発光素子を室温連続発振さ
せることが可能となる。

【００４８】図１４は、下部中間層２０３の途中で、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Ａ
ｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工
程を設けた半導体発光素子の、窒素濃度と酸素濃度の深
さ方向分布を示す図である。測定は、ＳＩＭＳによって
行った。

【００４９】Ａｌを除去する工程としては、基板を一旦
反応室から試料交換室に移動して真空引きし、反応室を
キャリアガスでパージする工程を１時間設けた。

【００５０】図１４より、非発光再結合準位を形成する
酸素の濃度は、窒素を含む活性層２０４においてバック
グラウンド以下となっている。これは、下部中間層２０
３の途中にＡｌを除去する工程を設けたことによる。

【００５１】しかしながら、下部中間層２０３中でＡｌ
除去工程を設けるために成長中断を行なったところ、界
面に酸素のピークが検出されており、酸素が偏析してい
ることがわかった。また、図１４には示していないが、
酸素のほかにＣやＳｉのピークも検出されている。

【００５２】図２の半導体発光素子のように、Ａｌを含
む第１の半導体層５０１とＡｌを含む第２の半導体層５
０２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Ａ
ｌ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場合にも、同様に界面に酸
素，Ｃ，Ｓｉ等の不純物が偏析する場合がある。

【００５３】界面に偏析した、酸素、Ｃ、Ｓｉ等の不純
物は非発光再結合準位を形成してしまう。しかし、図２
の半導体発光素子においては、残留Ａｌを除去する工程
を設けるために成長中断した界面と、窒素を含む活性層
２０４との間に、Ａｌを含む第２の半導体層５０２が設
けられている。Ａｌを含む第２の半導体層５０２のバン
ドギャップエネルギーは、中間層２０３より大きくなっ
ているため、窒素を含む活性層２０４から中間層２０３
にオーバーフローしたキャリアはバンドギャップの大き
いＡｌを含む第２の半導体層５０２でブロックされる。
そのため、中間層２０３中に成長中断した界面を設ける
場合に比べて、オーバーフローしたキャリアが成長中断
した界面の非発光再結合準位で再結合して失われる割合
が低減される。従って、リーク電流を抑制し、高効率の
半導体発光素子を形成することができる。

【００５４】（２）第２の実施形態 本発明の第２の実施形態においては、第１の実施形態に
記載した半導体発光素子において、窒素を含む活性層の
非発光再結合準位形成不純物濃度が中間層の濃度と同じ
か、またはそれ以下であることを特徴としている。

【００５５】ここで、中間層は、構成元素としてＡｌと
Ｎを含まない材料から構成されており、Ａｌを含む半導
体層と窒素を含む活性層が直接接することがないように
している。これにより、窒素を含む活性層を成長するた
め成長室に窒素原料を供給したときに、窒素との化学結
合が強いＡｌが表面に露出していないため、表面に窒素
が異常偏析することを抑制している。

【００５６】ＭＯＣＶＤ法により、窒素を含まない活性
層、例えばＧａＡｓやＧａＩｎＡｓ活性層を、Ａｌを含
む半導体層上に形成した場合には、活性層の発光特性の
劣化は報告されておらず、問題になっていない。従っ
て、窒素を含まない中間層と同じ程度まで、窒素を含む
活性層の非発光再結合準位形成不純物濃度を低減してや
ると、劣化のない高品質の活性層が得られるようにな
る。従って、Ａｌを構成元素として含む半導体層上に窒
素を含む活性層を形成した場合でも、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る。

【００５７】（３）第３の実施形態 本発明の第３の実施形態においては、第１の実施形態に
記載した半導体発光素子において、特に窒素を含む活性
層における酸素濃度が室温連続発振可能となる濃度であ
ることを特徴としている。

【００５８】表３には、ＡｌＧａＡｓをクラッド層（Ａ
ｌ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。

【００５９】

【表３】

【００６０】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１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上の酸素が取り
こまれており、閾電流密度は１０ｋＡ／ｃｍ²以上と著
しく高い値となった。しかし、活性層中の酸素濃度を１
×１０¹⁸ｃｍ^-3以下に低減することにより、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酸素濃度を１
×１０¹⁸ｃｍ^-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。

【００６１】本発明の第３の実施形態においては、Ａｌ
を含む第１の半導体層の成長後に、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を除去する工程を行い、その後
Ａｌを含む第２の半導体層を薄く設けることにより、窒
素を含む活性層の酸素濃度を例えば１×１０¹⁸ｃｍ^-3以
下に低減している。これにより、活性層の非発光再結合
準位を低減して発光効率を改善し、室温連続発振する半
導体発光素子を形成することが可能となった。

【００６２】（４）第４の実施形態 図３に示した酸素濃度の深さ方向分布の測定結果より、
中間層２０３における酸素濃度は２×１０¹⁷〜７×１０
¹⁶ｃｍ^-3となっている。従って、窒素を含む活性層の酸
素濃度を少なくとも２×１０¹⁷ｃｍ^-3以下に低減するこ
とで、高品質の活性層を得ることができる。

【００６３】また、表３に示したように、活性層中の酸
素濃度を２×１０¹⁷ｃｍ^-3以下に低減すると、ブロード
ストライプレーザにおいて、ＡｌＧａＡｓクラッド層を
用いた場合でもＧａＩｎＰクラッド層を用いた場合と同
等の閾電流密度０．８ｋＡ／ｃｍ²が得られた。

【００６４】従って、本発明の第４の実施形態において
は、第２の実施形態の半導体発光素子において、窒素を
含む活性層の酸素濃度を例えば２×１０¹⁷ｃｍ^-3以下に
して、窒素を含む活性層の酸素濃度が中間層の酸素濃度
と同じか、またはそれ以下にすることにより、Ａｌを構
成元素として含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成
した場合でも、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る。

【００６５】（５）第５の実施形態 表４には、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。

【００６６】

【表４】

【００６７】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が取りこまれてお
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１×１０¹⁹ｃ
ｍ^-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２〜３ｋ
Ａ／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１×１０
¹⁹ｃｍ^-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。

【００６８】本発明の第５の実施形態においては、基板
と、基板上に積層されたＡｌを含む第１の半導体層と、
Ａｌを含む第１の半導体層上に形成された窒素を含む活
性層とを含む半導体発光素子において、Ａｌを含む第１
の半導体層と窒素を含む活性層との間に、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を除去する工程を行った
後に、層厚がＡｌを含む第１の半導体層よりも薄いＡｌ
を含む第２の半導体層が設けられており、窒素を含む活
性層のＡｌ濃度を例えば１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下にするこ
とによって、活性層の発光効率を改善した。従って、室
温連続発振する半導体発光素子を形成することができ
る。

【００６９】（６）第６の実施形態 本発明の第６の実施形態においては、第５の実施形態の
半導体発光素子において、窒素を含む活性層のＡｌ濃度
が中間層のＡｌ濃度と同じか、またはそれ以下であるこ
とを特徴としている。

【００７０】図４から、窒素化合物原料と有機金属Ａｌ
原料を反応室に供給せずに成長した中間層２０３におけ
るＡｌ濃度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下となっている。活性
層中に取りこまれたＡｌ濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下の
場合に、活性層中の酸素不純物濃度は２×１０¹⁷ｃｍ^-3
以下に低減できる。

【００７１】また、表４に示したように、活性層中のＡ
ｌ濃度を１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下に低減すると、ブロード
ストライプレーザにおいて、ＡｌＧａＡｓクラッド層を
用いた場合でもＧａＩｎＰクラッド層を用いた場合と同
等の閾電流密度０．８ｋＡ／ｃｍ²が得られた。

【００７２】従って、窒素を含む活性層のＡｌ濃度を２
×１０¹⁸ｃｍ^-3以下、望ましくは１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下
にして、窒素を含む活性層のＡｌ濃度が中間層のＡｌ濃
度と同じか、またはそれ以下にすることにより、Ａｌを
構成元素として含む半導体層上に窒素を含む活性層を形
成した場合でも、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る。

【００７３】（７）第７の実施形態 本発明の第７の実施形態においては、第１から第６の実
施形態の半導体発光素子において、Ａｌを含む第２の半
導体層のＡｌ含有量がＡｌを含む第１の半導体層のＡｌ
含有量よりも小さいことを特徴としている。

【００７４】Ａｌを含む第２の半導体層の層厚を、Ａｌ
を含む第１の半導体層の層厚よりも薄くすることに加え
て、Ａｌを含む第２の半導体層のＡｌ含有量を、Ａｌを
含む第１の半導体層のＡｌ含有量よりも小さくすること
により、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
の濃度を、より一層低減することができる。これによ
り、活性層の発光効率を改善して、低閾電流の半導体発
光素子を実現できる。

【００７５】（８）第８の実施形態 図７は、本発明の第８の実施形態による半導体発光素子
の構成例を示す図である。図７の半導体発光素子は、基
板２０１上に、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体
層５０１、中間層７０１、Ａｌを構成元素として含む第
２の半導体層５０２、下部中間層２０３、窒素を含む活
性層２０４、上部中間層２０３、第３の半導体層５０３
が順次積層されている。

【００７６】図７の半導体発光素子の製造方法として
は、有機金属Ａｌ原料と有機窒素原料を用いてエピタキ
シャル成長させることができる。そして、Ａｌを含む第
１の半導体層５０１とＡｌを含む第２の半導体層５０２
との間に中間層７０１が設けられており、中間層の途中
で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
る工程を設けたことを特徴としている。

【００７７】上記工程を設けることにより、Ａｌを構成
元素として含む第１の半導体層５０１の成長によって、
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
ことができる。

【００７８】中間層７０１は、例えばＧａＡｓのよう
に、Ａｌを含まない半導体材料で構成されている。中間
層７０１中で成長中断してＡｌ除去工程を設けることに
より、Ａｌを含む第１の半導体層５０１成長直後にＡｌ
除去工程を設けた場合に比べて、成長中断中にＯ等の不
純物が偏析して、成長界面に非発光再結合準位が形成さ
れるのを抑制することができる。従って、成長界面の非
発光再結合準位を低減して、活性層の発光効率を向上さ
せることができる。

【００７９】（９）第９の実施形態 図８は、本発明の第９の実施形態による面発光型半導体
発光素子の構成例を示す図である。図８の半導体発光素
子は、半導体単結晶基板２０１上に、第１の下部半導体
多層膜反射鏡８０１、第２の下部半導体多層膜反射鏡８
０２、下部スペーサ層８０３、中間層２０３、窒素を含
む活性層２０４、中間層２０３、上部スペーサ層８０
４、上部多層膜反射鏡８０５が順次積層され形成されて
いる。光は、基板２０１に対して垂直方向（上方）に取
り出される構造となっている。

【００８０】ここで、半導体単結晶基板２０１として
は、例えばＧａＡｓ基板が用いられる。第１の下部多層
膜反射鏡８０１と第２の下部多層膜反射８０２は、高屈
折率の半導体層と低屈折率の半導体層とを発振波長の１
／４光学波長厚さで交互に積層した分布ブラッグ反射鏡
となっている。高屈折率層と低屈折率層の組み合わせと
しては、例えばＧａＡｓ／Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０＜ｘ≦
１），Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ／Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０＜ｘ＜
ｙ≦１），ＧａＩｎＰ／（Ａｌ_xＧａ_1-x）ＩｎＰ（０＜
ｘ≦１）等が用いられる。

【００８１】反射鏡にはさまれた下部スペーサ層８０３
〜上部スペーサ層８０４の領域は共振器を構成してお
り、発振波長の１／２光学波長厚さの整数倍となってい
る。

【００８２】中間層２０３は構成元素としてＡｌとＮを
含まない材料で形成されており、例えばＧａＡｓ，Ｇａ
ＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ等で構成されている。

【００８３】窒素を含む活性層２０４は、例えばＧａＮ
Ａｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡ
ｓＳｂ等で構成される。このような窒素系Ｖ族混晶半導
体材料は、１．２〜１．６μｍ帯のバンドギャップ波長
を有しており、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長さ
せることができる。また、活性層２０４は１層の場合だ
けでなく、窒素を含む半導体を井戸層とする多重量子井
戸構造で構成することも可能である。

【００８４】上部多層膜反射鏡８０５は、下部半導体多
層膜反射鏡８０１と同様に分布ブラッグ反射鏡となって
いる。材料としては、下部反射鏡８０１，８０２のよう
に半導体結晶で構成したり、ＳｉＯ₂／ＴｉＯ₂等の誘電
体材料で構成することが可能である。

【００８５】下部半導体多層膜反射鏡８０１，８０２の
低屈折率層としてＡｌを構成元素として含む半導体層を
用いることにより、高屈折率層との屈折率差を大きくす
ることができる。これにより、より少ない層数で９９％
以上の高反射率を得ることができる。そして、層数が少
なくなると、半導体多層膜反射鏡の電気抵抗や熱抵抗が
低減でき、温度特性が向上するという利点がある。

【００８６】端面発光型半導体レーザの場合には、Ｇａ
ＩｎＰ，ＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ等のＡｌを含まない材
料でクラッド層を構成することも可能である。しかしな
がら、面発光型半導体レーザの場合には、７０℃以上ま
で動作温度を向上させるためには、ＡｌＧａＡｓ材料系
のように、下部半導体多層膜反射鏡８０１，８０２の低
屈折率層にＡｌを含む半導体層を用いなければならな
い。

【００８７】このように、Ａｌを含む下部半導体多層膜
反射鏡８０１上に窒素を含む活性層２０４を形成する必
要がある面発光型半導体レーザにおいて、窒素を含む活
性層２０４の発光効率低下は大きな問題となる。特に、
下部反射鏡は高反射率を得るために３０周期以上積層す
るため、層厚が５μｍ以上と厚く形成しなければならな
い。そのため、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するＡ
ｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、または
Ａｌの濃度は増加してしまう。

【００８８】本発明によれば、Ａｌを含む第１の下部半
導体多層膜反射鏡８０１の成長後に、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を除去する工程を行ってい
る。これにより、第１の下部半導体多層膜反射鏡８０１
成長によって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を一度除去して
いる。

【００８９】その後、Ａｌを含む第２の下部半導体多層
膜反射鏡８０２を成長しているが、その層厚を薄く形成
することにより、成長室内に残留するＡｌ濃度を低減し
て、窒素を含む活性層２０４の発光効率を向上させてい
る。

【００９０】Ａｌを含む第２の半導体多層膜反射鏡８０
２の層厚は、残留Ａｌ濃度を低減するために薄くした方
がよいため、好ましくは１周期またはそれ以下の周期で
構成することができる。

【００９１】また、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を除去する工程は、半導体多層膜反射鏡の高屈
折率層中で成長中断して設けることが望ましい。高屈折
率層は、ＧａＡｓまたはＡｌ_0.1Ｇａ_0.9ＡｓのようにＡ
ｌ組成が非常に小さい材料で構成されるため、成長中断
中にＯ等の不純物が偏析して、成長界面に非発光再結合
準位が形成されるのを抑制することができる。

【００９２】Ａｌを除去する工程を途中に設けた高屈折
率層の層厚は、必ずしも発振波長の１／４光学波長厚さ
である必要はなく、光の位相整合条件を満たすように発
振波長の１／４光学波長厚さのｎ倍（ｎ＝１，３，５，
…）であればよい。

【００９３】（１０）第１０の実施形態 本発明の第１０の実施形態は、第１の実施形態から第９
の実施形態に示した半導体発光素子の製造方法を示すも
のである。第１０の実施形態においては、Ａｌを含む第
１の半導体層の成長後とＡｌを含む第２の半導体層の成
長開始との間、または、Ａｌを含む第１の半導体層とＡ
ｌを含む第２の半導体層との間に設けた中間層の成長途
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を除
去する工程を設けたことを特徴としている。

【００９４】より具体的には、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を除去するために、例えばキャリア
ガスでパージする工程を設けている。

【００９５】ここで、パージ工程の時間は、Ａｌを含む
第１の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、Ａｌを含む第２の半導体層の成長
を開始するためにＡｌ原料を成長室に供給するまでの間
隔をいう。

【００９６】Ａｌを構成元素として含む半導体層を成長
させると、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。しかし、キャ
リアガスで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。これにより、Ａｌを構成元素として含む半導体層
上に窒素を含む活性層を形成した場合でも、活性層に取
りこまれるＡｌ及び酸素濃度を低減させて、活性層の発
光効率を向上させることができる。

【００９７】なお、上記の残留Ａｌを除去する工程は、
窒素を含む活性層より下側のＡｌを含む半導体層の成長
途中において、１回だけでなく複数回設けることも可能
である。Ａｌを含む半導体層成長によって反応室内に残
留したＡｌ濃度が高くならないうちに除去することによ
り、キャリアガスパージ等の除去工程にかかる時間を短
縮化できる。

【００９８】（１１）第１１の実施形態 本発明の第１１の実施形態は、光伝送モジュールにおい
て、第１乃至第９のいずれかの実施形態に示した半導体
発光素子を用いることを特徴としている。光伝送モジュ
ールは、入力信号に応じて光信号を発生する光源を備え
ており、第１１の実施形態では、この光源に第１乃至第
９のいずれかの実施形態に示した半導体発光素子が用い
られる。光源から発した光信号は、光ファイバに結合さ
れて外部に伝送される。

【００９９】光源となる半導体発光素子には、半導体発
光素子から出力される光強度をモニタするモニタ用受光
素子を集積することも可能である。また、複数の半導体
発光素子を備えたアレイ光源により、多チャンネルの光
伝送モジュールを構成することもできる。また、１本の
光ファイバを用いて双方向に光信号を伝送するために、
光源に加えて、光分岐部と受光素子を集積して備えるこ
とも可能である。また、上記の光部品と共に光源の駆動
回路や信号処理を行う電子回路を集積することもでき
る。

【０１００】さらに、第９の実施形態に示した面発光型
半導体発光素子を用いる場合には、光源を１次元アレイ
に加えて２次元アレイで用いることも可能となる。

【０１０１】この第１１の実施形態の光伝送モジュール
において、その光源としての半導体発光素子には、活性
層の材料として、例えばＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，
ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等が用いられてい
る。このような窒素系Ｖ族混晶半導体材料は、１．２〜
１．６μｍ帯のバンドギャップ波長を有しており、Ｇａ
Ａｓ基板上にエピタキシャル成長させることができる。
従って、石英系光ファイバの低損失帯域に対応してお
り、長距離大容量伝送が可能である。また、ＧａＮＡ
ｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓ
Ｓｂ等の窒素系Ｖ族混晶半導体は、ＧａＡｓ障壁層との
伝導帯バンド不連続を大きくとることができるため、特
性温度が高い半導体レーザを実現することができる。従
って、環境温度の変化に対して安定に動作する光伝送モ
ジュールを形成できる。

【０１０２】さらに、Ａｌを含む第１の半導体層と窒素
を含む活性層との間に、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を除去する工程を行った後に、層厚がＡ
ｌを含む第１の半導体層よりも薄いＡｌを含む第２の半
導体層を設けることにより、半導体発光素子の閾電流を
大きく低減させることができ、これによって、光伝送モ
ジュールの消費電力を低減できる。

【０１０３】（１２）第１２の実施形態 本発明の第１２の実施形態は、光交換装置において、第
１乃至第９のいずれかの実施形態に示した半導体発光素
子を用いることを特徴としている。光交換装置は、Ｎ本
の光ファイバから入力された光信号を、Ｍ本の光ファイ
バに任意に接続して光信号を出力する装置である。ここ
で、Ｎ及びＭは１以上の自然数である。

【０１０４】光交換装置は、その接続の形態や機能によ
り、トランシーバ，ハブ，リピータ，ブリッジ，ルー
タ，ゲートウェイ等として用いられる。

【０１０５】光交換装置に入力された光信号は、受光素
子で電気信号に変換され、電気的に回線がスイッチング
される。そして、半導体発光素子により、再び電気信号
から光信号に変換されて出力される。この半導体発光素
子に、第１乃至第９のいずれかの実施形態に示した半導
体発光素子が用いられる。

【０１０６】この第１２の実施形態の光交換装置におい
て用いられる半導体発光素子には、活性層の材料とし
て、例えばＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳ
ｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等が用いられる。このような窒
素系Ｖ族混晶半導体材料は、１．２〜１．６μｍ帯のバ
ンドギャップ波長を有しており、ＧａＡｓ基板上にエピ
タキシャル成長させることができる。従って、石英系光
ファイバの低損失帯域に対応しており、長距離大容量伝
送が可能である。また、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，
ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等の窒素系Ｖ族混
晶半導体は、ＧａＡｓ障壁層との伝導帯バンド不連続を
大きくとることができるため、特性温度が高い半導体レ
ーザを実現することができる。従って、環境温度の変化
に対して安定に動作する光交換装置を形成できる。

【０１０７】さらに、Ａｌを含む第１の半導体層と窒素
を含む活性層との間に、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を除去する工程を行った後に、層厚がＡ
ｌを含む第１の半導体層よりも薄いＡｌを含む第２の半
導体層を設けることにより、半導体発光素子の閾電流を
大きく低減することができ、これによって、光交換装置
の消費電力を低減できる。特に、面発光型半導体素子を
用いる場合には、消費電力及びコストの低減効果が大き
い。

【０１０８】（１３）第１３の実施形態 本発明の第１３の実施形態は、光伝送システムにおい
て、第１１の実施形態に記載した光伝送モジュール、ま
たは第１２の実施形態に記載した光交換装置を備えてい
ることを特徴としている。光伝送システムは、光送信モ
ジュールと、光ファイバケーブルと、光受信モジュール
とによって構成されている。光送信モジュールから出力
された光信号は、光ファイバケーブルを伝搬して光受信
モジュールに伝送される。

【０１０９】光伝送の形態としては、１本の光ファイバ
中を双方向に伝送する方式や、２本の光ファイバを１組
として上り方向と下り方向をそれぞれ伝送させる方式が
ある。また、複数本の光ファイバケーブルを用いて並列
に光信号を伝送する方式や、１本の光ファイバ中を複数
の波長の光信号で伝送する波長分割多重方式等を用いる
こともできる。また、光送信モジュールと光受信モジュ
ールとの間に光交換装置を設けることも可能である。

【０１１０】この第１３の実施形態では、環境温度の変
化に安定で低消費電力である第１１の実施形態の光伝送
モジュール、または第１２の実施形態の光交換装置を用
いることによって、環境温度の変化に対して安定な光伝
送システムを構築でき、消費電力も低減できる。

【０１１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。

【０１１２】実施例１ 図９は、本発明の実施例１による半導体レーザを示す図
である。図９の半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板９０
１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層９０２、層厚１．５μ
ｍの第１のｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層９０３、
層厚０．２μｍの第２のｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッ
ド層９０４、ＧａＡｓ下部光導波層９０５、ＧａＩｎＮ
Ａｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６、ＧａＡｓ上
部光導波層９０７、ｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層
９０８、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９０９が順次積層さ
れている。

【０１１３】そして、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９０９
の表面からｐ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層９０８の
途中までストライプ状にエッチングされて、リッジスト
ライプ構造が形成されている。リッジストライプ幅は４
μｍとなっている。

【０１１４】また、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９０９上
にはｐ側電極９１０が形成されており、ｎ型ＧａＡｓ基
板９０１裏面にはｎ側電極９１１が形成されている。

【０１１５】図９に示した構造は、リッジストライプ構
造に電流及び光を閉じ込めるリッジストライプ型半導体
レーザとなっている。

【０１１６】図９の半導体レーザの結晶成長は、１台の
ＭＯＣＶＤ装置を用いて行った。ここで、ＩＩＩ族原料
として、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＴＭＩを使用し、Ｖ族原料と
してＡｓＨ₃，ＤＭＨｙを用いた。そして、実施例１の
特徴は、第１のｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層９０
３成長後と第２のｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層９
０４の成長開始との間に成長中断工程を設けて結晶成長
を行った点にある。

【０１１７】本実施例では、成長中断工程として成長室
にキャリガスを流してパージした。キャリガスで成長室
をパージすることにより、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
９０３成長によって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、排出
して濃度を低下させることができる。

【０１１８】そして、成長中断パージ後に成長する、第
２のｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層９０４の層厚を
０．２μｍと薄く形成することにより、ＧａＩｎＮＡｓ
井戸層中に取りこまれるＡｌ及び酸素濃度を十分低減し
て、発光効率の低下を抑制することができる。これによ
り、ＡｌＧａＡｓクラッド層を備えた低閾電流のＧａＩ
ｎＮＡｓ材料系半導体レーザを形成することができる。

【０１１９】実施例２ 図１０は、本発明の実施例２による半導体レーザを示す
図である。なお、図１０において、図９と同様の箇所に
は同じ符号を付している。図１０の半導体レーザの構造
は、図９の半導体レーザの構造と類似している。図９の
構造と異なっている点は、第２のｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａ
ｓクラッド層９０４の代わりに、ｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａ
ｓクラッド層１００１が設けられている点である。な
お、ｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓクラッド層１００１の層厚
は０．２μｍとした。

【０１２０】成長中断パージ後に成長するｎ型Ａｌ_0.2
Ｇａ_0.8Ａｓクラッド層１００１の層厚を０．２μｍと
薄くし、さらにｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓクラッド層１０
０１のＡｌ含有量を、第１のｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓク
ラッド層９０３のＡｌ含有量よりも小さくすることによ
って、ｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓクラッド層１００１成長
によって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するＡｌ原
料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌ
の濃度を、より一層低減することができる。これによ
り、活性層の発光効率を改善して、低閾電流のＧａＩｎ
ＮＡｓ材料系半導体レーザを形成することができる。

【０１２１】実施例３ 図１１は、本発明の実施例３による半導体レーザを示す
図である。なお、図１１において、図９と同様の箇所に
は同じ符号を付している。図１１の半導体レーザの構造
は、図９の半導体レーザの構造と類似している。図９の
構造と異なっている点は、第１のｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａ
ｓクラッド層９０３と第２のｎ型Ａｌ_{0. 4}Ｇａ_0.6Ａｓク
ラッド層９０４との間に、ｎ型ＧａＡｓ第１中間層１１
０１、ｎ型ＧａＡｓ第２中間層１１０２が積層されてい
る点である。

【０１２２】そして、実施例３においては、ｎ型ＧａＡ
ｓ第１中間層１１０１成長後とｎ型ＧａＡｓ第２中間層
１１０２の成長開始との間に、成長中断工程を設けて、
成長室をキャリガスでパージしたことを特徴としてい
る。キャリガスで成長室をパージすることにより、ｎ型
ＡｌＧａＡｓクラッド層９０３成長によって成長室内に
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、排出して濃度を低下させることがで
きる。

【０１２３】また、中間層１１０１，１１０２は、Ｇａ
Ａｓ材料で構成されているため、成長中断パージ工程を
実施している際に、最表面に酸素等の不純物が偏析し、
成長界面に非発光再結合準位が形成されるのを抑制する
ことができる。従って、成長界面の非発光再結合準位を
低減して、活性層の発光効率をさらに向上させることが
できる。

【０１２４】実施例４ 図１２は、本発明の第４の実施例による面発光型半導体
レーザを示す図である。図１２の半導体レーザは、ｎ型
ＧａＡｓ基板９０１上に、第１のｎ型半導体多層膜反射
鏡１２０１、第２のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０２、
ＧａＡｓ下部スペーサ層１２０３、ＧａＩｎＮＡｓ／Ｇ
ａＡｓ多重量子井戸活性層９０６、ＧａＡｓ上部スペー
サ層１２０４、ｐ型ＡｌＡｓ層１２０５、ｐ型半導体多
層膜反射鏡１２０６が順次形成されている。

【０１２５】ｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１は、ｎ型
ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ低屈折率
層を交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成されてい
る。同様に、ｐ型半導体多層膜反射鏡１２０６も、ｐ型
ＧａＡｓ高屈折率層とｐ型Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ低屈折率
層を交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成されてい
る。

【０１２６】ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活
性層９０６はバンドギャップ波長が１．３μｍ帯となっ
ている。そして、第１のＧａＡｓ下部スペーサ層１２０
２からＧａＡｓ上部スペーサ層１２０４までは、λ共振
器を構成している。

【０１２７】上記積層構造を、ｎ型半導体多層膜反射鏡
１２０１に達するまで円筒状にエッチングして、メサ構
造が形成されている。メササイズは３０μｍφとなって
いる。そして、エッチングして表面が露出した側面から
ｐ型ＡｌＡｓ層１２０５を選択的に酸化させ、ＡｌＯ_x
絶縁領域１２０７を形成することにより、電流狭窄構造
が形成されている。電流は、ＡｌＯ_x絶縁領域１２０７
によって約５μｍφの酸化開口領域に集中して活性層９
０６に注入される。

【０１２８】また、９１０はｐ型半導体多層膜反射鏡１
２０６表面に形成されたリング状のｐ側電極であり、９
１１はｎ型ＧａＡｓ基板９０１裏面に形成されたｎ側電
極となっている。

【０１２９】ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活
性層９０６で発光した光は、上下の半導体多層膜反射鏡
１２０１，１２０２，１２０６で反射して増幅され、
１．３μｍ帯のレーザ光を基板と垂直方向（図１２の矢
印方向）に放射する。

【０１３０】図１３は、図１２に示す面発光型半導体レ
ーザにおける第１のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１と
第２のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０２との接合部を詳
細に示した図である。図１３に示すように、第１のｎ型
半導体多層膜反射鏡１２０１は、ｎ型Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａ
ｓ低屈折率層１２０１ａとｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２
０１ｂとが交互に積層されて構成されている。ｎ型Ａｌ
_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ低屈折率層１２０１ａとｎ型ＧａＡｓ高
屈折率層１２０１ｂの層厚は、それぞれ発振波長１．３
μｍの１／４光学波長厚さとなっている。従って、第１
のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１の最上層は、１／４
光学波長厚さのｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０１ｂとな
っている。

【０１３１】また、第２のｎ型半導体多層膜反射鏡１２
０２は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０２ａとｎ型Ａｌ
_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ低屈折率層１２０２ｂがそれぞれ１層積
層されて構成されている。ここで、ｎ型ＧａＡｓ高屈折
率層１２０２ａの層厚は、発振波長１．３μｍの１／２
光学波長厚さとなっており、また、ｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_{0 .6}
Ａｓ低屈折率層１２０２ｂの層厚は、発振波長１．３μ
ｍの１／４光学波長厚さとなっている。

【０１３２】従って、第１のｎ型半導体多層膜反射鏡１
２０１と第２のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０２の接合
部では、合計３／４光学波長厚さのｎ型ＧａＡｓ高屈折
率層が形成されている。これにより、分布ブラッグ反射
鏡における光の位相整合条件を満足している。

【０１３３】実施例４においては、結晶成長を１台のＭ
ＯＣＶＤ装置を用いて行っており、III族原料として、
ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＴＭＩを使用し、Ｖ族原料としてＡｓ
Ｈ₃，ＤＭＨｙを用いている。そして、第１のｎ型半導
体多層膜反射鏡１２０１の最上層であるｎ型ＧａＡｓ高
屈折率層１２０１ｂ成長後と、第２のｎ型半導体多層膜
反射鏡１２０２のｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０２ａ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。

【０１３４】成長中断中に成長室をキャリガスを流しな
がらパージすることにより、第１のｎ型半導体多層膜反
射鏡１２０１の成長によって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、排出して濃度を低下させることができる。

【０１３５】また、成長中断パージ後に成長する第２の
ｎ型半導体多層膜反射鏡１２０２においては、Ａｌを含
む半導体層は、層厚約０．１μｍのｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6
Ａｓ低屈折率層１２０２ｂのみとなっている。従って、
Ａｌを含む半導体層の層厚が約０．１μｍと薄くなって
おり、またＡｌ含有量も第１のｎ型半導体多層膜反射鏡
１２０１を構成するｎ型Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ低屈折率層
１２０１ａよりも小さくなっている。これにより、成長
室内に残留するＡｌ濃度を抑制して、ＧａＩｎＮＡｓ井
戸層中に取りこまれるＡｌ及び酸素濃度を低減すること
ができる。従って、活性層の発光効率を向上させること
ができる。

【０１３６】また、成長中断パージ工程は、第１のｎ型
半導体多層膜反射鏡１２０１の最上層であるｎ型ＧａＡ
ｓ高屈折率層１２０１ｂと、第２のｎ型半導体多層膜反
射鏡１２０２のｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０２ａとの
間に設けているため、ＧａＡｓ材料の成長途中に実施し
ている。ＧａＡｓは、ＡｌＧａＡｓ等のＡｌを含む材料
に比べて化学的に不活性であり、界面準位を形成しにく
い安定な材料であることが知られている。従って、成長
界面に非発光再結合準位が形成されにくくしている。

【０１３７】また、図１２，図１３の面発光型半導体レ
ーザにおいては、成長中断した界面と、窒素を含むＧａ
ＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６との間
に、ｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ低屈折率層１２０２ｂが設
けられている。ｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ低屈折率層１２
０２ｂのバンドギャップエネルギーは、ＧａＡｓスペー
サ層１２０２より大きくなっているため、ＧａＩｎＮＡ
ｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６からＧａＡｓス
ペーサ層１２０２にオーバーフローしたキャリアは、バ
ンドギャップの大きいｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ低屈折率
層１２０２ｂでブロックされる。そのため、ＧａＩｎＮ
Ａｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６からオーバー
フローしたキャリアが、成長中断した界面の非発光再結
合準位で再結合して失われる割合が低減される。従っ
て、リーク電流を抑制することができる。これにより、
高性能の１．３μｍ帯面発光型半導体レーザを実現する
ことができる。

【０１３８】なお、本実施例においては、成長中断工程
を１回だけ設けている。しかし、ｎ型半導体多層膜反射
鏡の成長途中に複数回設けることもできる。

【０１３９】実施例５ 図１５は、本発明の実施例５の光伝送モジュールを示す
図である。図１５の光伝送モジュールでは、基板１５０
１上に、光源である半導体発光素子（半導体レーザ）１
５０２が設けられている。そして、半導体発光素子１５
０２から出力される光の光強度をモニタするために、モ
ニタ用受光素子１５０３が集積されている。半導体発光
素子１５０２は、光伝送モジュールに入力された電気信
号に応じて駆動回路１５０５で駆動されて光信号を発生
させる。なお、半導体発光素子１５０２の光強度を一定
に保つために、モニタ用受光素子１５０３からの信号が
駆動回路１５０５にフィードバックされる。

【０１４０】半導体発光素子１５０２で発生した光信号
は、導波路で導波されて光ファイバ１５０８に結合され
て、外部に出力される。

【０１４１】一方、同じ光ファイバ１５０８から伝送さ
れてきた光信号は、光伝送モジュール内の光分岐１５０
７で分岐されて受光素子１５０４に導波される。受光素
子１５０４に入力した光信号は電気信号に変換されて、
受信回路１５０６で増幅され、所定の形式の電気信号と
して出力される。

【０１４２】図１５の光伝送モジュールは、光源と受光
部がハイブリッドに集積されており、１本の光ファイバ
で光信号を入出力させる方式となっている。

【０１４３】この実施例５の特徴として、半導体発光素
子１５０２には実施例３の半導体レーザが用いられてい
る。実施例３の半導体レーザにおいて、ＧａＩｎＮＡｓ
／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６は、石英光ファイ
バの伝送に適した１．３〜１．６μｍ帯でレーザ発振す
る。そして、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層と
の伝導帯バンド不連続を例えば２００ｍｅＶ以上と大き
くとれるため、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層からＧａＡｓ障壁
層にオーバーフローする電子を抑制できる。従って、１
５０Ｋ以上の特性温度が得られる。従って、電子冷却素
子を用いることなく環境温度の変化に対して安定して動
作する光伝送モジュールを形成することができる。

【０１４４】また、ｎ型ＧａＡｓ第１中間層１１０１の
成長後とｎ型ＧａＡｓ第２中間層１１０２の成長開始と
の間に、成長中断工程を設けて、成長室をキャリガスで
パージすることにより、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層９
０３の成長によって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を排出し
てＡｌ濃度を低下させることができる。これにより、Ｇ
ａＩｎＮＡｓ井戸層中に取りこまれるＡｌ及び酸素濃度
を十分低減して、発光効率の低下を抑制することができ
るため、ＡｌＧａＡｓクラッド層を備えた低閾電流のＧ
ａＩｎＮＡｓ材料系半導体レーザを形成することができ
る。従って、光伝送モジュールの消費電力を低減するこ
とができる。

【０１４５】実施例６ 図１６は、本発明の実施例６の光伝送モジュールを示す
図である。図１６の光伝送モジュールでは、基板１５０
１上に、光源である半導体レーザアレイ１６０１が設け
られている。半導体レーザアレイ１６０１の各半導体レ
ーザは、駆動回路１５０５によって個別に動作する。半
導体レーザアレイ１６０１の各半導体レーザから出力さ
れた光信号は、それぞれ光ファイバ１５０８に結合され
て外部に出力される。なお、図１６においては４チャン
ネルの場合を例として示している。

【０１４６】図１６の光伝送モジュールは、並列に光信
号を伝送することができるため、伝送容量を更に増大さ
せることができる。

【０１４７】半導体レーザアレイ１６０１には、実施例
３の半導体レーザをモノリシック集積した素子が用いら
れている。これにより、実施例５と同様に、電子冷却素
子を用いることなく環境温度の変化に対して安定して動
作する光伝送モジュールを形成することができ、また、
光伝送モジュールの消費電力を低減することができる。

【０１４８】実施例７ 図１７は、本発明の実施例７の光交換装置１７０１を示
す図である。図１７において、ポートＡの光ファイバ１
５０８から入力された４チャンネルの光信号は、受光素
子アレイ１７０３にそれぞれ入力され、電気信号に変換
される。そしてマトリクススイッチ１７０４で信号経路
が選択され、各チャンネルに分配される。面発光型レー
ザアレイ１７０２では、分配された信号に応じて面発光
型レーザアレイ１７０２の各素子が駆動され、光信号に
変換されて、ポートＢの光ファイバから出力される。

【０１４９】同様に、ポートＤから入力された光信号
も、マトリスクスイッチ１７０４で経路が選択されて、
ポートＣから出力される。

【０１５０】図１７においては、４本の光ファイバに入
力された光信号が４本の光ファイバに出力される例を示
したが、入力本数と出力本数は、必ずしも同じである必
要はない。

【０１５１】図１７において、面発光型レーザアレイ１
７０２は、実施例４の垂直共振器型面発光レーザ素子が
モノリシックに集積されて形成されている。垂直共振器
型面発光レーザ素子を用いることにより、動作電流を数
ｍＡ以下と低減することができ、また製造コストを低減
できるメリットがある。

【０１５２】また、実施例４の垂直共振器型面発光レー
ザ素子において、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井
戸活性層９０６は、井戸層への電子閉じ込め効果が高
い。さらに、半導体多層膜反射鏡１２０１，１２０２，
１２０６は、ＧａＡｓ高屈折率層とＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ
低屈折率層を交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成
されているため、電気抵抗や熱抵抗が低い高反射率反射
鏡を形成することができる。そのため、温度特性が良好
な１．３μｍ帯面発光レーザを実現できる。

【０１５３】さらに、Ａｌを含む第１の下部半導体多層
膜反射鏡１２０１の成長後に、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を除去する工程を行っている。これ
により、第１の下部半導体多層膜反射鏡１２０１の成長
によって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を一度除去してい
る。

【０１５４】その後、Ａｌを含む第２の下部半導体多層
膜反射鏡１２０２を成長しているが、その層厚を薄く形
成することにより、成長室内に残留するＡｌ濃度を低減
して、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９
０６の発光効率を向上させている。

【０１５５】従って、実施例４に示した垂直共振器型面
発光レーザ素子を光交換装置に用いることにより、光交
換装置は、環境温度の変化に対して安定に動作し、また
消費電力を低減することができる。

【０１５６】実施例８ 図１８は、本発明の実施例８の光伝送システムを示す図
である。図１８の光伝送システムは、光送信部１８０１
で発生した光信号が光ファイバ１５０８を通って光受信
部１８０２に伝送されるようになっている。図１８の例
では、光送信部１８０１、光ファイバ１５０８、光受信
部１８０２が２系列備えており、双方向に通信できるよ
うになっている。光送信部１８０１と光受信部１８０２
は、１つのパッケージに集積されており、光送受信モジ
ュール１８０３を構成している。

【０１５７】この実施例８では、光送信部１８０１の光
源に、実施例４の垂直共振器型面発光レーザ素子を用い
ることを特徴としている。これにより、電子冷却素子を
用いることなく環境温度の変化に対して安定して動作す
る光送信部を形成することができる。また、光送信部の
消費電力を低減することができる。

【０１５８】光送受信モジュール１８０３として、実施
例５に示した構成を用いる場合には、１本の光ファイバ
で双方向に通信することが可能となる。また、光送信部
１８０１に実施例６に示した構成を用いた場合には、複
数本の光ファイバを使用して並列に光信号を伝送できる
ため、伝送容量を増加させることができる。

【０１５９】実施例９ 図１９は、本発明の実施例９の光伝送システムを示す図
である。この実施例９の光伝送システムでは、４個の光
送受信モジュール１８０３との間に実施例７の光交換装
置１７０１を設けて、光ファイバ１５０８で接続した構
成となっている。これにより、４個の装置間で光信号を
相互に伝送できる。なお、光交換装置１７０１の入出力
数を変えることで、任意の数の装置間で接続することが
可能である。

【０１６０】光送受信モジュール１８０３及び光交換装
置１７０１の光源には、実施例４に示した垂直共振器型
面発光レーザ素子を用いており、これにより、環境温度
の変化に対して安定に動作し、また消費電力を低減する
ことができる。

【０１６１】

【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、基板と、基板上に積層されたＡｌを含む
第１の半導体層と、Ａｌを含む第１の半導体層上に形成
された窒素を含む活性層とを含む半導体発光素子におい
て、上記半導体層は、それぞれ有機金属Ａｌ原料と窒素
化合物原料とを用いて成長されており、Ａｌを含む第１
の半導体層と窒素を含む活性層との間に、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を除去する工程を行った
後に、層厚がＡｌを含む第１の半導体層よりも薄いＡｌ
を含む第２の半導体層が設けられており、窒素を含む活
性層における非発光再結合準位形成不純物の濃度は、半
導体発光素子が室温連続発振可能となる濃度であるた
め、活性層の発光効率を改善でき、室温連続発振可能と
なる。

【０１６２】また、請求項２記載の発明によれば、基板
と、基板上に積層されたＡｌを含む第１の半導体層と、
Ａｌを含む第１の半導体層上に形成された中間層と、中
間層上に形成された窒素を含む活性層とを含む半導体発
光素子において、上記半導体層は、それぞれ有機金属Ａ
ｌ原料と窒素化合物原料とを用いて成長されており、Ａ
ｌを含む第１の半導体層と中間層との間に、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を除去する工程を行
った後に、層厚がＡｌを含む第１の半導体層よりも薄い
Ａｌを含む第２の半導体層が設けられており、窒素を含
む活性層における非発光再結合準位形成不純物の濃度が
中間層の濃度と同じか、またはそれ以下であるため、Ａ
ｌを含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成した場合
でも、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る。

【０１６３】また、請求項３記載の発明によれば、請求
項１記載の半導体発光素子において、窒素を含む活性層
における酸素濃度は、半導体発光素子が室温連続発振可
能となる濃度、例えば１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下にすること
によって、活性層の発光効率を改善でき、室温連続発振
可能となる。

【０１６４】また、請求項４記載の発明によれば、請求
項２記載の半導体発光素子において、窒素を含む活性層
における酸素濃度が中間層の酸素濃度と同じか、または
それ以下（例えば２×１０¹⁷ｃｍ^-3以下）にすることに
より、Ａｌを含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成
した場合でも、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る。

【０１６５】また、請求項５記載の発明によれば、基板
と、基板上に積層されたＡｌを含む第１の半導体層と、
Ａｌを含む第１の半導体層上に形成された窒素を含む活
性層とを含む半導体発光素子において、上記半導体層
は、それぞれ有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料とを用
いて成長されており、Ａｌを含む第１の半導体層と窒素
を含む活性層との間に、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を除去する工程を行った後に、層厚がＡ
ｌを含む第１の半導体層よりも薄いＡｌを含む第２の半
導体層が設けられており、窒素を含む活性層のＡｌ濃度
は、半導体発光素子が室温連続発振可能となる濃度（例
えば１×１０ ¹⁹ｃｍ^-3以下）であるため、活性層の発光
効率を改善でき、室温連続発振可能となる。

【０１６６】また、請求項６記載の発明によれば、基板
と、基板上に積層されたＡｌを含む第１の半導体層と、
Ａｌを含む第１の半導体層上に形成された中間層と、中
間層上に形成された窒素を含む活性層とを含む半導体発
光素子において、上記半導体層は、それぞれ有機金属Ａ
ｌ原料と窒素化合物原料とを用いて成長されており、Ａ
ｌを含む第１の半導体層と中間層との間に、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を除去する工程を行
った後に、層厚がＡｌを含む第１の半導体層よりも薄い
Ａｌを含む第２の半導体層が設けられており、窒素を含
む活性層におけるＡｌ濃度が中間層の濃度と同じか、ま
たはそれ以下（例えば１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下）にするこ
とにより、Ａｌを含む半導体層上に窒素を含む活性層を
形成した場合でも、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る。

【０１６７】また、請求項７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半導体発光素
子において、Ａｌを含む第２の半導体層のＡｌ含有量が
Ａｌを含む第１の半導体層のＡｌ含有量よりも小さいこ
とにより、窒素を含む活性層中のＡｌ濃度及び酸素濃度
をより低減することができ、活性層の発光効率を向上さ
せることができる。

【０１６８】また、請求項８記載の発明によれば、請求
項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体発光素
子において、Ａｌを含む第１の半導体層とＡｌを含む第
２の半導体層との間に中間層が設けられており、中間層
の途中で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たことにより、成長界面の非発光
再結合準位を低減して、活性層の発光効率を向上させる
ことができる。

【０１６９】また、請求項９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半導体発光素
子において、Ａｌを含む第１の半導体層及びＡｌを含む
第２の半導体層は分布ブラッグ反射鏡を構成しており、
光を基板と垂直方向に出射する面発光型の半導体発光素
子であり、面型半導体発光素子においても活性層の発光
効率を向上させることができる。また、低抵抗で高熱伝
導率の分布ブラッグ反射鏡で構成されているため、低閾
電流でかつ７０℃以上で室温連続発振する面発光型半導
体発光素子を実現できる。

【０１７０】また、請求項１０記載の発明によれば、請
求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体発光
素子の製造方法において、Ａｌを含む第１の半導体層の
成長後とＡｌを含む第２の半導体層の成長開始との間、
または、Ａｌを含む第１の半導体層とＡｌを含む第２の
半導体層との間に設けた中間層の成長途中に、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を除去する工程を設
けているため、活性層中のＡｌ濃度を低減することがで
きる。従って、Ａｌと結合して活性層に取りこまれる酸
素濃度を低減でき、活性層の発光効率を向上できる。

【０１７１】また、請求項１１記載の発明によれば、請
求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体発光
素子が用いられることを特徴とする光伝送モジュールで
あるので、環境温度の変化に対して安定に動作し、低消
費電力の光伝送モジュールを提供できる。

【０１７２】また、請求項１２記載の発明によれば、請
求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の半導体発光
素子を備えていることを特徴とする光交換装置であるの
で、環境温度の変化に対して安定に動作し、低消費電力
の光交換装置を提供できる。

【０１７３】また、請求項１３記載の発明によれば、請
求項１１記載の光伝送モジュールまたは請求項１２記載
の光交換装置を備えていることを特徴とする光伝送シス
テムであるので、環境温度の変化に対して安定な光伝送
システムを構築でき、消費電力も低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造の
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２】基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半
導体層が設けられている半導体発光素子の一例を示す図
である。

【図３】半導体発光素子の窒素濃度，酸素濃度の深さ方
向分布を示す図である。

【図４】半導体発光素子のＡｌ濃度の深さ方向分布を示
す図である。

【図５】本発明の第１の実施形態による半導体発光素子
の構成例を示す図である。

【図６】ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造の
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７】本発明の第８の実施形態による半導体発光素子
の構成例を示す図である。

【図８】本発明の第９の実施形態による半導体発光素子
の構成例を示す図である。

【図９】実施例１によるリッジストライプ型半導体レー
ザを示す図である。

【図１０】実施例２によるリッジストライプ型半導体レ
ーザを示す図である。

【図１１】実施例３によるリッジストライプ型半導体レ
ーザを示す図である。

【図１２】実施例４による面発光半導体レーザを示す図
である。

【図１３】実施例４の中断界面を説明する図である。

【図１４】成長中断を設けた半導体発光素子の窒素濃
度、酸素濃度の深さ方向分布を示す図である。

【図１５】実施例５による光送受信モジュールを示す図
である。

【図１６】実施例６による光送信モジュールを示す図で
ある。

【図１７】実施例７による光交換装置を示す図である。

【図１８】実施例８による光伝送システムを示す図であ
る。

【図１９】実施例９による光伝送システムを示す図であ
る。

【符号の説明】

２０１ 基板 ２０２ Ａｌを含む第１の半導体層 ２０３ 中間層 ２０４ 窒素を含む活性層 ２０５ 第２の半導体層 ５０１ Ａｌを含む第１の半導体層 ５０２ Ａｌを含む第２の半導体層 ５０３ 第３の半導体層 ７０１ 中間層 ８０１ 第１の下部半導体多層膜反射鏡 ８０２ 第２の下部半導体多層膜反射鏡 ８０３ 下部スペーサ層 ８０４ 上部スペーサ層 ８０５ 上部多層膜反射鏡 ９０１ ｎ型ＧａＡｓ基板 ９０２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層 ９０３ 第１のｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層 ９０４ 第２のｎ型Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層 ９０５ ＧａＡｓ下部光導波層 ９０６ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性
層 ９０７ ＧａＡｓ上部光導波層 ９０８ ｐ型 Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層 ９０９ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層 ９１０ ｐ側電極 ９１１ ｎ側電極 １００１ ｎ型Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓクラッド層 １１０１ ｎ型ＧａＡｓ第１中間層 １１０２ ｎ型ＧａＡｓ第２中間層 １２０１ 第１のｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ
半導体多層膜反射鏡 １２０２ 第２のｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ
半導体多層膜反射鏡 １２０３ ＧａＡｓ下部スペーサ層 １２０４ ＧａＡｓ上部スペーサ層 １２０５ ＡｌＡｓ層 １２０６ ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ半導体
多層膜反射鏡 １２０７ ＡｌＯ_x絶縁領域 １５０１ 基板 １５０２ 半導体発光素子 １５０３ モニタ受光素子 １５０４ 受光素子 １５０５ 駆動回路 １５０６ 受信回路 １５０７ 光分岐 １５０８ 光ファイバ １６０１ 半導体レーザアレイ １７０１ 光交換装置 １７０２ 面発光レーザアレイ １７０３ 受光素子アレイ １７０４ マトリクススイッチ １８０１ 光送信部 １８０２ 光受信部 １８０３ 光送受信モジュール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 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 Ｆターム(参考） 5F073 AA13 AA65 AA74 AB17 BA02 CA07 CA17 CA20 CB02 DA05 EA23 EA24

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、基板上に積層されたＡｌを含む
   第１の半導体層と、Ａｌを含む第１の半導体層上に形成
   された窒素を含む活性層とを含む半導体発光素子におい
   て、上記半導体層は、それぞれ有機金属Ａｌ原料と窒素
   化合物原料とを用いて成長されており、Ａｌを含む第１
   の半導体層と窒素を含む活性層との間に、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を除去する工程を行った
   後に、層厚がＡｌを含む第１の半導体層よりも薄いＡｌ
   を含む第２の半導体層が設けられており、窒素を含む活
   性層における非発光再結合準位形成不純物の濃度は、半
   導体発光素子が室温連続発振可能となる濃度であること
   を特徴とする半導体発光素子。
2. 【請求項２】 基板と、基板上に積層されたＡｌを含む
   第１の半導体層と、Ａｌを含む第１の半導体層上に形成
   された中間層と、中間層上に形成された窒素を含む活性
   層とを含む半導体発光素子において、上記半導体層は、
   それぞれ有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料とを用いて
   成長されており、Ａｌを含む第１の半導体層と中間層と
   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
   を除去する工程を行った後に、層厚がＡｌを含む第１の
   半導体層よりも薄いＡｌを含む第２の半導体層が設けら
   れており、窒素を含む活性層における非発光再結合準位
   形成不純物の濃度が中間層の濃度と同じか、またはそれ
   以下であることを特徴とする半導体発光素子。
3. 【請求項３】 請求項１記載の半導体発光素子におい
   て、窒素を含む活性層における酸素濃度は、半導体発光
   素子が室温連続発振可能となる濃度であることを特徴と
   する半導体発光素子。
4. 【請求項４】 請求項２記載の半導体発光素子におい
   て、窒素を含む活性層における酸素濃度が中間層の酸素
   濃度と同じか、またはそれ以下であることを特徴とする
   半導体発光素子。
5. 【請求項５】 基板と、基板上に積層されたＡｌを含む
   第１の半導体層と、Ａｌを含む第１の半導体層上に形成
   された窒素を含む活性層とを含む半導体発光素子におい
   て、上記半導体層は、それぞれ有機金属Ａｌ原料と窒素
   化合物原料とを用いて成長されており、Ａｌを含む第１
   の半導体層と窒素を含む活性層との間に、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を除去する工程を行った
   後に、層厚がＡｌを含む第１の半導体層よりも薄いＡｌ
   を含む第２の半導体層が設けられており、窒素を含む活
   性層のＡｌ濃度は、半導体発光素子が室温連続発振可能
   となる濃度であることを特徴とする半導体発光素子。
6. 【請求項６】 基板と、基板上に積層されたＡｌを含む
   第１の半導体層と、Ａｌを含む第１の半導体層上に形成
   された中間層と、中間層上に形成された窒素を含む活性
   層とを含む半導体発光素子において、上記半導体層は、
   それぞれ有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料とを用いて
   成長されており、Ａｌを含む第１の半導体層と中間層と
   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
   を除去する工程を行った後に、層厚がＡｌを含む第１の
   半導体層よりも薄いＡｌを含む第２の半導体層が設けら
   れており、窒素を含む活性層におけるＡｌ濃度が中間層
   の濃度と同じか、またはそれ以下であることを特徴とす
   る半導体発光素子。
7. 【請求項７】 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に
   記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む第２の半導
   体層のＡｌ含有量がＡｌを含む第１の半導体層のＡｌ含
   有量よりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。
8. 【請求項８】 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に
   記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む第１の半導
   体層とＡｌを含む第２の半導体層との間に中間層が設け
   られており、中間層の途中で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たことを特徴と
   する半導体発光素子。
9. 【請求項９】 請求項１乃至請求項８のいずれか一項に
   記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む第１の半導
   体層及びＡｌを含む第２の半導体層は分布ブラッグ反射
   鏡を構成しており、光を基板と垂直方向に出射すること
   を特徴とする面発光型の半導体発光素子。
10. 【請求項１０】 請求項１乃至請求項９のいずれか一項
    に記載の半導体発光素子の製造方法において、Ａｌを含
    む第１の半導体層の成長後とＡｌを含む第２の半導体層
    の成長開始との間、または、Ａｌを含む第１の半導体層
    とＡｌを含む第２の半導体層との間に設けた中間層の成
    長途中に、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
    を除去する工程を設けたことを特徴とする半導体発光素
    子の製造方法。
11. 【請求項１１】 請求項１乃至請求項９のいずれか一項
    に記載の半導体発光素子が用いられることを特徴とする
    光伝送モジュール。
12. 【請求項１２】 請求項１乃至請求項９のいずれか一項
    に記載の半導体発光素子を備えていることを特徴とする
    光交換装置。
13. 【請求項１３】 請求項１１記載の光伝送モジュールま
    たは請求項１２記載の光交換装置を備えていることを特
    徴とする光伝送システム。