JP2003218449A - 半導体発光素子およびその製造方法および光伝送システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 面型半導体光変調器を面発光半導体レーザ素
子の内部に集積した半導体発光素子において、発光特性
や表面性の劣化を抑制する。 【解決手段】 第１導電型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下
部分布ブラッグ反射鏡４０２の結晶成長工程とＧａＩｎ
ＮＡｓ光吸収層４０３の結晶成長工程との間に、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システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば特開平５−１５２６７４
号，特開平５−９１６８４号には、面型半導体光変調器
と面発光半導体レーザ素子を集積した半導体発光素子が
示されている。

【０００３】このような半導体発光素子においては、面
発光半導体レーザ素子でレーザ発振したレーザ光を、面
型光変調器の光吸収層で吸収または透過させることによ
り、レーザ光強度を外部変調して出力可能になってい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、導波路
型の光変調器に比べて面型光変調器は光吸収率が小さい
ため、レーザ光信号のＳ／Ｎ比を高くできないという問
題がある。

【０００５】この問題を解決するため、本願出願人の先
願である特願２００１−６９８１６号に記載の半導体発
光素子では、面型半導体光変調器を面発光半導体レーザ
素子の内部に集積することにより、面型半導体光変調器
の光吸収層の光吸収率を変化させて、面発光半導体レー
ザ素子の閾電流を変化させている。これにより、出力光
をレーザ発振状態と自然放出光状態とでスイッチするこ
とができるため、光変調のＳ／Ｎ比を高くすることがで
きるという特徴がある。

【０００６】この種の半導体発光素子では、面発光半導
体レーザ素子の反射鏡として、一般的に、半導体分布ブ
ラッグ反射鏡が用いられる。半導体分布ブラッグ反射鏡
の低屈折率層としては、ＡｌＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，Ａｌ
ＩｎＰ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＧａＮ等のように構成元素
としてＡｌを含む材料が用いられる。すなわち、Ａｌを
含むことにより、高屈折率層と低屈折率層との屈折率差
を大きくすることができるため、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。特
に、ＡｌＧａＡｓ材料系の半導体分布ブラッグ反射鏡を
用いた面発光半導体レーザ素子では、温度特性が良好で
あることが知られている。

【０００７】しかしながら、本願発明者の実験による結
果、Ａｌを含む半導体分布ブラッグ反射鏡上に、ＧａＩ
ｎＮＡｓ等のようにＮ（窒素）を含む半導体層を、１台
のＭＯＣＶＤ装置を用いて連続的に成長すると、Ｎ（窒
素）を含む半導体層の発光強度が低下したり、表面平坦
性が劣化するという問題が生じた。

【０００８】本発明は、面型半導体光変調器を面発光半
導体レーザ素子の内部に集積した半導体発光素子におい
て、発光特性や表面性の劣化を抑制することの可能な半
導体発光素子およびその製造方法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。

【０００９】

【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、ＧａＡｓ基板上に、下部半
導体分布ブラック反射鏡と、Ｎ（窒素）を構成元素とし
て含むＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，
ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性
層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを
積層して構成される面発光半導体レーザ素子と、Ｎを構
成元素として含むＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮ
ＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成
された光吸収層を含む半導体光変調器とが、積層方向に
モノリシックに集積され、前記半導体光変調器が、面発
光半導体レーザ素子の共振器内、または、面発光半導体
レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されて
おり、前記下部半導体分布ブラッグ反射鏡または共振器
または上部半導体分布ブラッグ反射鏡または半導体光変
調器の一部が、Ａｌを構成元素として含む半導体層で構
成されている半導体発光素子の製造方法において、成長
室に、窒素化合物原料またはＡｌ原料を供給して結晶成
長する工程を有し、さらに、Ａｌを構成元素として含む
層の結晶成長工程と、Ｎを構成元素として含む層の結晶
成長工程との間に、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。

【００１０】また、請求項２記載の発明は、ＧａＡｓ基
板上に、下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＮＡ
ｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓ
Ｓｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器
と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成さ
れた面発光半導体レーザ素子と、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎ
ＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれ
かの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器と
が、積層方向にモノリシックに集積されており、前記半
導体光変調器は、活性層よりも上側の共振器内、また
は、面発光半導体レーザ素子の上部半導体分布ブラッグ
反射鏡内に配置されており、下部半導体分布ブラッグ反
射鏡と共振器との間に、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる
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。

【００１１】また、請求項３記載の発明は、ＧａＡｓ基
板上に、下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＮＡ
ｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓ
Ｓｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器
と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成さ
れた面発光半導体レーザ素子と、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎ
ＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれ
かの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器と
が、積層方向にモノリシックに集積されており、前記半
導体光変調器は、活性層よりも下側の共振器内、また
は、面発光半導体レーザ素子の下部半導体分布ブラッグ
反射鏡内に配置されており、ＧａＡｓ基板側の下部半導
体分布ブラッグ反射鏡と光吸収層との間に、ＧａＩｎＡ
ｓＰ系材料からなる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。

【００１２】また、請求項４記載の発明は、請求項２ま
たは請求項３に記載の半導体発光素子において、活性層
と光吸収層との間に設けられている半導体層は、全てＧ
ａＩｎＡｓＰ系材料で形成されていることを特徴として
いる。

【００１３】また、請求項５記載の発明は、請求項４記
載の半導体発光素子において、活性層と光吸収層との間
に設けられている半導体層は、導電型がｎ型のものであ
ることを特徴としている。

【００１４】また、請求項６記載の発明は、請求項２ま
たは請求項３に記載の半導体発光素子において、前記半
導体光変調器は、面発光半導体レーザ素子の半導体分布
ブラッグ反射鏡内に配置されており、光吸収層は、３／
４波長の光学的厚さを有する高屈折率層中において、活
性層に近い側から１／４波長の光学的厚さの位置に配置
されていることを特徴としている。

【００１５】また、請求項７記載の発明は、請求項６記
載の半導体発光素子において、光吸収層と共振器との間
に２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡が設けられてお
り、２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡において、共振
器に近い側の高屈折率層にオーミック電極が形成されて
いることを特徴としている。

【００１６】また、請求項８記載の発明は、請求項５記
載の半導体発光素子において、光吸収層と活性層との間
の領域を除いて、光吸収層と活性層のそれぞれ上下に選
択酸化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９記載の発明は、請求項２乃
至請求項８のいずれか一項に記載の半導体発光素子を用
いたことを特徴としている。

【００１８】

【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。

【００１９】図１は半導体発光素子の一例を示す図であ
る。図１の半導体発光素子では、基板１上に、Ａｌを構
成元素として含む第１の半導体層２と、中間層３と、Ｎ
（窒素）を含む活性層４と、中間層３と、第２の半導体
層５とが順次に積層されている。すなわち、図１の半導
体発光素子は、基板１とＮ（窒素）を含む半導体層（活
性層）４との間に、Ａｌを含む半導体層２が設けられた
ものとなっている。

【００２０】ここで、基板１としては、例えば、ＧａＡ
ｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ等の化合物半導体基板が用いられ
る。

【００２１】また、Ａｌを構成元素として含む第１の半
導体層２の材料としては、ＡｌＡｓ，ＡｌＰ，ＡｌＧａ
Ａｓ，ＡｌＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＡｌＩｎＡｓ，Ａ
ｌＩｎＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓＰ等を用いることがで
きる。なお、第１の半導体層２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。

【００２２】また、中間層３は、構成元素としてＡｌと
Ｎを含んでおらず、例えばＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ，
ＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＡｓＰ等で構成さ
れている。

【００２３】また、Ｎ（窒素）を含む活性層４として
は、例えば、ＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，
ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等
が用いられ、Ｎ（窒素）を含む活性層４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。なお、
活性層４は、単一層の場合だけでなく、Ｎ（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。

【００２４】また、図１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４，中間層３，第１の
半導体層２，第２の半導体層５という順に大きくなって
いる。なお、第２の半導体層５は、第１の半導体層２と
同じ材料（Ａｌを含む材料）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。

【００２５】図１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。また、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。

【００２６】図２は、図１に示した半導体発光素子の一
例として、半導体層２，５をＡｌＧａＡｓとし、中間層
３をＧａＡｓとし、活性層４をＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡ
ｓ２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ＳＩＭＳによって行
った。次表（表１）に測定条件を示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】図２において、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ
２重量子井戸構造に対応して、活性層４中に２つの窒素
ピークが見られる。そして、活性層４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３における酸素濃度は活性層４の酸素濃度よりも
約１桁低い濃度となっている。

【００２９】一方、半導体層２，５をＧａＩｎＰとし、
中間層３をＧａＡｓとし、活性層４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４中の酸素濃度はバックグラウンドレベルであった。

【００３０】図３は、図１に示した半導体発光素子の一
例として、半導体層２，５をＡｌＧａＡｓとし、中間層
３をＧａＡｓとし、活性層４をＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡ
ｓ２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す図である。なお、
測定はＳＩＭＳによって行った。次表（表２）に測定条
件を示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】図３から、本来Ａｌ原料を導入していない
活性層４において、Ａｌが検出されている。しかし、Ａ
ｌを含む半導体層２，５に隣接した中間層３において
は、Ａｌ濃度は活性層４よりも約１桁低い濃度となって
いる。これは、活性層４中のＡｌがＡｌを含む半導体層
２，５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。

【００３３】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。

【００３４】図２に示した同じ素子における、窒素
（Ｎ）濃度と酸素（Ｏ）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３のＡｌ濃度プロファイルと対応している。この
ことから、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中の酸素不純物は、窒
素原料と共に取りこまれるというよりも、むしろ井戸層
中に取りこまれたＡｌと結合して一緒に取りこまれてい
ることが、本願発明者の実験から明らかとなった。

【００３５】従って、活性層４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４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１と窒素（Ｎ）を含む活性
層４との間にＡｌを含む半導体層２が設けられている半
導体発光素子を連続的に結晶成長すると、Ｎ（窒素）を
含む活性層４中に自然にＡｌが取りこまてしまう。

【００３６】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４中に
取りこまれるため、活性層４に同時に酸素が取りこまれ
る。活性層４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４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。

【００３７】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。

【００３８】第１の実施形態 本発明の第１の実施形態の半導体発光素子は、ＧａＡｓ
基板上に、下部半導体分布ブラック反射鏡と、Ｎ（窒
素）を構成元素として含むＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡ
ｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの
材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分
布ブラッグ反射鏡とを積層して構成される面発光半導体
レーザ素子と、Ｎを構成元素として含むＧａＮＡｓ，Ｇ
ａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂの
いずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変
調器とが、積層方向にモノリシックに集積され、前記半
導体光変調器が、面発光半導体レーザ素子の共振器内、
または、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ
反射鏡内に配置されている。

【００３９】ここで、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル
成長したＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳ
ｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された
活性層は、バンドギャップ波長が１．２〜１．６μｍの
長波帯となっており、石英光ファイバの伝送に適してい
る。そして、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓ
Ｓｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成され
た活性層は、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ等の
材料で構成された障壁層との伝導帯バンド不連続を大き
くできるため、活性層へのキャリア閉じ込めが良好であ
り、温度特性が良好な面発光半導体レーザが形成でき
る。

【００４０】また、半導体光変調器にバイアスを印加し
ない場合には、光吸収層は活性層で発生した光に対して
透明となっている。従って、面発光半導体レーザ素子の
内部において、光吸収層による光吸収損失がないため、
低閾電流でレーザ発振する。一方、半導体光変調器に逆
方向バイアスを印加すると、光吸収層のエネルギーバン
ドギャップが縮小して、活性層で発生した光を吸収す
る。そのため、面発光半導体レーザ素子内部の光吸収損
失が増加して、閾電流が増加する。

【００４１】従って、面発光半導体レーザ素子に注入す
る電流値を一定にした場合、光変調器にバイアスを印加
しない場合にはレーザ発振し、光変調器にバイアスを印
加するとレーザ発振が停止するように動作させることが
できる。これにより、レーザ光強度変調のＳ／Ｎ比を高
くとることができる。

【００４２】上記の電界吸収型の半導体光変調器は１０
ＧＨｚ以上で高速に変調させることができる。従って、
１０ＧＨｚ以上の高速変調が可能な長波長帯面発光半導
体レーザを実現できる。

【００４３】なお、光強度の変調を半導体レーザの直接
変調ではなく、光変調器を用いて行なう場合には、半導
体レーザ素子は連続通電となる。従って、消費電力や発
熱を抑制する上で、半導体レーザ素子の低閾電流化は重
要であるが、第１の実施形態に示した半導体レーザは、
面発光半導体レーザとなっており、端面発光型半導体レ
ーザを用いる場合と比較して、閾電流が低減できるた
め、消費電力を低減することが可能である。

【００４４】また、面発光半導体レーザ素子の反射鏡に
は、半導体分布ブラッグ反射鏡が用いられている。半導
体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層としては、ＡｌＡ
ｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＩｎＰ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＧ
ａＮ等のように構成元素としてＡｌを含む材料が用いら
れる。Ａｌを含むことにより、高屈折率層と低屈折率層
との屈折率差を大きくすることができるため、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。特に、ＧａＡｓ基板上に形成する場合には、
屈折率差が大きく、また熱伝導率が高いＡｌＧａＡｓ材
料系で半導体分布ブラッグ反射鏡を構成できるため、面
発光半導体レーザ素子の特性温度を向上させることがで
きる。従って、半導体分布ブラッグ反射鏡にＡｌを用い
ることは必須である。

【００４５】しかしながら、Ａｌを含む下部半導体分布
ブラッグ反射鏡上にＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，Ｇａ
ＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのようにＮ（窒素）を
含む活性層または光吸収層を、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、連続的に結晶成長すると、Ｎ（窒素）を含む半導
体層中に自然にＡｌやＯが取りこまてしまう。そのた
め、活性層の発光効率の低下や、表面平坦性の劣化が生
じてしまう。

【００４６】このような問題を回避するため、本発明の
第１の実施形態においては、下部半導体分布ブラッグ反
射鏡または共振器または上部半導体分布ブラッグ反射鏡
または半導体光変調器の一部が、Ａｌを構成元素として
含む半導体層で構成されている半導体発光素子の製造方
法において、成長室に、窒素化合物原料またはＡｌ原料
を供給して結晶成長する工程を有し、さらに、Ａｌを構
成元素として含む層（例えば、下部半導体分布ブラッグ
反射鏡）の結晶成長工程と、Ｎを構成元素として含む層
（活性層または光吸収層）の結晶成長工程との間に、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。

【００４７】これにより、Ａｌを構成元素として含む層
（例えば、下部半導体分布ブラッグ反射鏡）の結晶成長
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
て残留Ａｌ濃度を低減し、その後で、Ｎ（窒素）を含む
活性層または光吸収層を成長しているので、発光効率の
低下や表面平坦性の劣化を抑制することができる。

【００４８】なお、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、具体的には、Ａｌ
を含む下部半導体分布ブラッグ反射鏡と光吸収層との間
や、Ａｌを含む下部半導体分布ブラッグ反射鏡と活性層
との間に設けることができる。例えば、活性層や光吸収
層に隣接するスペーサ層にＧａＡｓのようにＡｌを含ま
ない材料が用いられる場合には、下部半導体分布ブラッ
グ反射鏡とＧａＡｓスペーサ層との間にＡｌ除去工程を
設けることができる。また、活性層や光吸収層に隣接す
るスペーサ層にＡｌを含むＡｌＧａＡｓスペーサ層が用
いられる場合には、ＡｌＧａＡｓスペーサ層と活性層ま
たは光吸収層との間にＡｌ除去工程を設けることができ
る。

【００４９】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を除去する工程としては、例えば、成
長室（反応室）を水素等のキャリアガスでパージした
り、真空引きを行ったり、サセプターを加熱してベーキ
ングする等の方法が可能である。このとき、基板を成長
室内に保持したままでも可能であり、また基板を成長室
外に移動させても可能である。

【００５０】また、Ａｌを除去する工程は、半導体発光
素子の成長工程中の１箇所だけでなく複数箇所に設ける
こともできる。

【００５１】図４は本発明の第１の実施形態の半導体発
光素子の一例を示す図である。図４を参照すると、この
半導体発光素子では、第１導電型のＧａＡｓ基板４０１
上に、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０２が積
層されている。ここで、第１導電型の下部分布ブラッグ
反射鏡４０２は、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率
層をＡｌＧａＡｓ（例えばＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ）とし
て、交互に積層して形成されている。

【００５２】そして、第１導電型の下部分布ブラッグ反
射鏡４０２上には、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３，第
２導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０４，下部ＧａＡ
ｓスペーサ層４０５，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量
子井戸活性層４０６，上部ＧａＡｓスペーサ層４０７，
第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡４０８が、順次積
層されている。

【００５３】ここで、光吸収層４０３は、ＧａＩｎＮＡ
ｓバルク層で形成することもできるし、ＧａＩｎＮＡｓ
を量子井戸層とする多重量子井戸構造で形成することも
できる。また、第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡４
０８は、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率層をＡｌ
ＧａＡｓ（例えばＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ）として、交互に
積層して形成されている。

【００５４】そして、第１導電型の上部分布ブラッグ反
射鏡４０８上には、光出射部を除いて上部電極４０９が
形成されており、また、第１導電型のＧａＡｓ基板４０
１の裏面には、裏面電極４１１が形成されている。ま
た、積層構造表面から第２導電型の下部分布ブラッグ反
射鏡４０４までがエッチングされて矩形または円筒状の
メサ構造が形成されており、エッチングした底面には共
通電極４１０が形成されている。

【００５５】図４の半導体発光素子では、上部電極４０
９と共通電極４１０との間に順方向バイアスを加える
と、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０
６に電流が注入されて、活性層４０６からは波長１．３
μｍ帯の光が発生する。活性層４０６で発生した光は、
下部分布ブラッグ反射鏡４０２，４０４と上部分布ブラ
ッグ反射鏡４０８とで挟まれた共振器で共振し、レーザ
発振して、基板と垂直方向（図４中の矢印方向）に出力
される。すなわち、図４の半導体発光素子は面発光半導
体レーザとして動作する。

【００５６】このとき、共通電極４１０と裏面電極４１
１との間にバイアスを印加しない場合には、光吸収層４
０３は活性層４０６で発生した光に対して透明となって
いる。これに対し、共通電極４１０と裏面電極４１１と
の間に逆方向バイアスを印加すると、光吸収層４０３の
バンドギャップが縮小して活性層４０６からの光を吸収
するため、面発光半導体レーザの内部損失が増加する。
これにより、面発光半導体レーザの閾電流が変化して、
レーザ出力強度を大きく変調することができる。

【００５７】なお、図４の例においては、光変調を行う
光吸収層４０３は、光を発生する活性層４０６に対し
て、光出射面とは反対の側（基板側）に設けられてい
る。すなわち、従来例のように半導体レーザから出力さ
れたレーザ光を電界吸収方式で外部変調する場合には、
光変調器は半導体レーザの光出射面側に設けなければな
らないが、本発明のように、半導体レーザ内部に光変調
器を集積する場合には、光変調器は光出射面側だけでな
く、図４の例のように、光出射面とは反対の側に設ける
ことも可能となる。

【００５８】また、図４の半導体発光素子を作製すると
き、第１導電型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部分布ブラ
ッグ反射鏡４０２の結晶成長工程とＧａＩｎＮＡｓ光吸
収層４０３の結晶成長工程との間に、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
ることができる。

【００５９】より具体的には、例えば、第１導電型のＧ
ａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部分布ブラッグ反射鏡４０２を
成長した後に、成長室（反応室）を水素キャリアガスで
１時間以上パージし、その後、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層
４０３を成長することができる。上記パージにより、Ａ
ｌを含む下部半導体分布ブラッグ反射鏡４０２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、残留Ａｌ濃度を低減している。その後で、Ｎ（窒
素）を含む光吸収層及び活性層を成長しているので、発
光効率の低下や表面平坦性の劣化を抑制することができ
る。

【００６０】なお、図４の例では、光吸収層４０３を下
部半導体分布ブラッグ反射鏡４０２中に設けたが、上部
半導体分布ブラッグ反射鏡４０８中や共振器中に設ける
こともできる。

【００６１】第２の実施形態 本発明の第２の実施形態の半導体発光素子は、ＧａＡｓ
基板上に、下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＮＡ
ｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓ
Ｓｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器
と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成さ
れた面発光半導体レーザ素子と、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎ
ＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれ
かの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器と
が、積層方向にモノリシックに集積されており、前記半
導体光変調器は、活性層よりも上側の共振器内、また
は、面発光半導体レーザ素子の上部半導体分布ブラッグ
反射鏡内に配置されており、下部半導体分布ブラッグ反
射鏡と共振器との間に、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる
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。

【００６２】ここで、非発光再結合防止層は、Ａｌを構
成元素として含んでおらず、ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＩｎ
Ｐ，ＧａＡｓＰ等の材料で構成されている。すなわち、
非発光再結合防止層は、Ａｌが含まれていないことが重
要であり、Ｂ，Ｎ，Ｓｂ等の他のIII族またはＶ族元素
を含んでいても良い。

【００６３】第２の実施形態の半導体発光素子を作製す
る方法（製造方法）としては、第１の実施形態と同様の
製造方法を用いることができる。すなわち、下部半導体
分布ブラッグ反射鏡と活性層との間に（より具体的には
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と非発光再結合防止層と
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を除去する工程を設けることができる。

【００６４】これにより、Ａｌを含む下部半導体分布ブ
ラッグ反射鏡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を一度除去して残留Ａｌ濃度を低減し、その後
で、Ｎ（窒素）を含む光吸収層を成長しているので、発
光効率の低下や表面平坦性の劣化を抑制することができ
る。

【００６５】しかしながら、上記のＡｌ除去工程によっ
て、下部半導体分布ブラッグ反射鏡成長後に、成長中断
界面が生じる。成長中断界面には、Ｏ，Ｓｉ，Ｃ等の残
留不純物が偏析するため、非発光再結合準位が増加す
る。そこで、第２の実施形態では、成長中断界面と共振
器との間に非発光再結合防止層を設けることにより、リ
ーク電流を抑制している。

【００６６】非発光再結合防止層はＧａＩｎＡｓＰ系材
料で構成されているため、共振器を構成しているＧａＡ
ｓスペーサ層よりもバンドギャップエネルギーが大きく
なっている。そのため、ＧａＡｓスペーサ層からオーバ
ーフローするキャリアを非発光再結合防止層でブロック
することができ、成長中断界面で非発光再結合すること
を抑制できる。これにより、リーク電流を減少させて、
活性層の発光効率を更に向上させることができる。

【００６７】また、非発光再結合防止層は、Ａｌを構成
元素として含んでいないので、Ａｌ除去工程を行なって
からＮ（窒素）を含む活性層を成長するまでに、成長室
内の残留Ａｌ濃度を増加させることがない。

【００６８】図５は本発明の第２の実施形態の半導体発
光素子の一例を示す図である。なお、図５において図４
と同様の箇所には同じ符号を付している。図５を参照す
ると、この半導体発光素子では、第１導電型のＧａＡｓ
基板４０１上に、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡
４０２が積層されている。ここで、第１導電型の下部分
布ブラッグ反射鏡４０２は、高屈折率層をＧａＡｓと
し、低屈折率層をＡｌＧａＡｓ（例えばＡｌ_0.8Ｇａ_0.2
Ａｓ）として、交互に積層して形成されている。

【００６９】そして、第１導電型の下部分布ブラッグ反
射鏡４０２上には、ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層５０
１，下部ＧａＡｓスペーサ層４０５，ＧａＩｎＮＡｓ／
ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６，上部ＧａＡｓスペ
ーサ層４０７，第２導電型の上部分布ブラッグ反射鏡５
０２，ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３，第１導電型の上
部分布ブラッグ反射鏡５０３が、順次積層されている。

【００７０】ここで、第１導電型の上部分布ブラッグ反
射鏡５０３は、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率層
をＡｌＧａＡｓ（例えばＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ）として、
交互に積層して形成されている。

【００７１】そして、第１導電型の上部分布ブラッグ反
射鏡５０３上には、光出射部を除いて上部電極４０９が
形成されており、また、第１導電型のＧａＡｓ基板４０
１の裏面には、裏面電極４１１が形成されている。ま
た、積層構造表面から第２導電型の上部分布ブラッグ反
射鏡５０２までがエッチングされて矩形または円筒状の
メサ構造が形成されており、エッチングした底面には共
通電極４１０が形成されている。

【００７２】図５の半導体発光素子では、共通電極４１
０と裏面電極４１１との間に順方向バイアスを加える
と、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０
６に電流が注入されて、活性層４０６からは波長１．３
μｍ帯の光が発生する。活性層４０６で発生した光は、
下部分布ブラッグ反射鏡４０２と上部分布ブラッグ反射
鏡５０２，５０３とで挟まれた共振器で共振し、レーザ
発振して基板と垂直方向（図５中の矢印方向）に出力さ
れる。

【００７３】このとき、上部電極４０９と共通電極４１
０との間にバイアスを印加しない場合には、光吸収層４
０３は活性層４０６で発生した光に対して透明となって
いる。これに対し、上部電極４０９と共通電極４１０と
の間に逆方向バイアスを印加すると、光吸収層４０３の
バンドギャップが縮小して活性層４０６からの光を吸収
するため、面発光半導体レーザの内部損失が増加する。
これにより、面発光半導体レーザの閾電流が変化して、
レーザ出力強度を大きく変調することができる。

【００７４】また、図５の半導体発光素子の作製（結晶
成長）には、ＭＯＣＶＤ法を用いることができる。この
場合、Ｇａ原料としてＴＭＧ、Ａｌ原料としてＴＭＡ、
Ｉｎ原料としてＴＭＩ、Ｎ原料としてＤＭＨｙを用いる
ことができる。ＭＯＣＶＤ法は、量産性に優れているこ
とから、ＭＯＣＶＤ法を用いる場合には、半導体発光素
子を低コストで製造することが可能となる。

【００７５】また、図５の半導体発光素子を作製すると
き、第１導電型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部分布ブラ
ッグ反射鏡４０２の結晶成長後に、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る
ことができる。

【００７６】より具体的には、例えば、成長室（反応
室）を水素キャリアガスでパージしながらサセプターを
加熱する。これにより、Ａｌを含む下部半導体分布ブラ
ッグ反射鏡４０２の成長によって成長室内に残留したＡ
ｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、ま
たは、Ａｌを一度除去して、残留Ａｌ濃度を低減してい
る。

【００７７】しかしながら、上記のＡｌ除去工程によっ
て、下部半導体分布ブラッグ反射鏡４０２の成長後に、
成長中断界面が生じる。成長中断界面には、Ｏ，Ｓｉ，
Ｃ等の残留不純物が偏析するため、非発光再結合準位が
増加する。そこで、図５の例では、成長中断界面と下部
ＧａＡｓスペーサ層４０５との間にＧａＩｎＰ非発光再
結合防止層５０１を設けている。

【００７８】非発光再結合防止層５０１はＧａＩｎＰで
構成されているため、共振器を構成している下部ＧａＡ
ｓスペーサ層４０５よりもバンドギャップエネルギーが
大きくなっている。そのため、下部ＧａＡｓスペーサ層
４０５からオーバーフローするキャリアを非発光再結合
防止層５０１でブロックすることができ、成長中断界面
で非発光再結合することを抑制している。これにより、
リーク電流を減少させて、活性層４０６の発光効率を更
に向上させることができる。

【００７９】また、非発光再結合防止層５０１は、Ａｌ
を構成元素として含んでいないので、Ａｌ除去工程を行
なってからＮ（窒素）を含む活性層４０６を成長するま
でに、成長室内の残留Ａｌ濃度を増加させることがな
い。

【００８０】第３の実施形態 本発明の第３の実施形態の半導体発光素子は、ＧａＡｓ
基板上に、下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＮＡ
ｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓ
Ｓｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器
と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成さ
れた面発光半導体レーザ素子と、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎ
ＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれ
かの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器と
が、積層方向にモノリシックに集積されており、前記半
導体光変調器は、活性層よりも下側の共振器内、また
は、面発光半導体レーザ素子の下部半導体分布ブラッグ
反射鏡内に配置されており、ＧａＡｓ基板側の下部半導
体分布ブラッグ反射鏡と光吸収層との間に、ＧａＩｎＡ
ｓＰ系材料からなる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。

【００８１】ここで、非発光再結合防止層は、Ａｌを構
成元素として含んでおらず、ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＩｎ
Ｐ，ＧａＡｓＰ等の材料で構成されている。すなわち、
非発光再結合防止層は、Ａｌが含まれていないことが重
要であり、Ｂ，Ｎ，Ｓｂ等の他のIII族またはＶ族元素
を含んでいても良い。

【００８２】第３の実施形態の半導体発光素子を作製す
る方法（製造方法）としては、第１の実施形態と同様の
製造方法を用いることができる。すなわち、下部半導体
分布ブラッグ反射鏡と光吸収層との間に（より具体的に
は下部半導体分布ブラッグ反射鏡と非発光再結合防止層
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を除去する工程を設けることができる。

【００８３】これにより、Ａｌを含む下部半導体分布ブ
ラッグ反射鏡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を一度除去して残留Ａｌ濃度を低減し、その後
でＮ（窒素）を含む光吸収層を成長しているので、発光
効率の低下や表面平坦性の劣化を抑制することができ
る。

【００８４】しかしながら、上記のＡｌ除去工程によっ
て、下部半導体分布ブラッグ反射鏡成長後に、成長中断
界面が生じる。成長中断界面には、Ｏ，Ｓｉ，Ｃ等の残
留不純物が偏析するため、非発光再結合準位が増加す
る。そこで、第３の実施形態では、成長中断界面と光吸
収層との間に非発光再結合防止層を設けることにより、
リーク電流を抑制している。

【００８５】非発光再結合防止層はＧａＩｎＡｓＰ系材
料で構成されているため、光吸収層及び光吸収層に隣接
したＧａＡｓ障壁層よりもバンドギャップエネルギーが
大きくなっている。そのため、光吸収層からオーバーフ
ローする少数キャリアを非発光再結合防止層でブロック
している。これにより、光吸収層に逆バイアスを印加し
た時に、成長中断界面の非発光再結合準位で生じるリー
ク電流を抑制し、ブレークダウンが生じないようにする
ことができ、これによって、素子の信頼性を向上させる
ことができる。

【００８６】また、非発光再結合防止層は、Ａｌを構成
元素として含んでいないので、Ａｌ除去工程を行なって
からＮ（窒素）を含む光吸収層を成長するまでに、成長
室内の残留Ａｌ濃度を増加させることがない。

【００８７】図６は本発明の第３の実施形態の半導体発
光素子の一例を示す図である。なお、図６において図４
と同様の箇所には同じ符号を付している。図６を参照す
ると、この半導体発光素子では、第１導電型のＧａＡｓ
基板４０１上に、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡
４０２が積層されている。ここで、第１導電型の下部分
布ブラッグ反射鏡４０２は、高屈折率層をＧａＡｓと
し、低屈折率層をＡｌＧａＡｓ（例えばＡｌ_0.8Ｇａ_0.2
Ａｓ）として、交互に積層して形成されている。

【００８８】そして、第１導電型の下部分布ブラッグ反
射鏡４０２上には、ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層５０
１，ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３，第２導電型の下部
分布ブラッグ反射鏡４０４，下部ＧａＡｓスペーサ層４
０５，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４
０６，上部ＧａＡｓスペーサ層４０７，第１導電型の上
部分布ブラッグ反射鏡４０８が、順次積層されている。

【００８９】ここで、第１導電型の上部分布ブラッグ反
射鏡４０８は、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率層
をＡｌＧａＡｓ（例えばＡｌ_0.8Ｇａ_0.2Ａｓ）として、
交互に積層して形成されている。

【００９０】そして、第１導電型の上部分布ブラッグ反
射鏡４０８上には、光出射部を除いて上部電極４０９が
形成されており、また、第１導電型のＧａＡｓ基板４０
１の裏面には、裏面電極４１１が形成されている。ま
た、積層構造表面から第２導電型の下部分布ブラッグ反
射鏡４０４までがエッチングされて矩形または円筒状の
メサ構造が形成されており、エッチングした底面には共
通電極４１０が形成されている。

【００９１】図６の半導体発光素子では、上部電極４０
９と共通電極４１０との間に順方向バイアスを加える
と、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０
６に電流が注入されて、活性層４０６からは波長１．３
μｍ帯の光が発生する。活性層４０６で発生した光は、
下部分布ブラッグ反射鏡４０２，４０４と上部分布ブラ
ッグ反射鏡４０８とで挟まれた共振器で共振し、レーザ
発振して、基板と垂直方向（図６中の矢印方向）に出力
される。

【００９２】このとき、共通電極４１０と裏面電極４１
１との間にバイアスを印加しない場合には、光吸収層４
０３は活性層４０６で発生した光に対して透明となって
いる。これに対し、共通電極４１０と裏面電極４１１と
の間に逆方向バイアスを印加すると、光吸収層４０３の
バンドギャップが縮小して活性層４０６からの光を吸収
するため、面発光半導体レーザの内部損失が増加する。
これにより、面発光半導体レーザの閾電流が変化して、
レーザ出力強度を大きく変調することができる。

【００９３】また、図６の半導体発光素子を作製すると
き、第１導電型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部分布ブラ
ッグ反射鏡４０２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ること
ができる。

【００９４】より具体的には、例えば第１導電型のＧａ
Ａｓ／ＡｌＧａＡｓ下部分布ブラッグ反射鏡４０２の成
長後に、成長室（反応室）を水素キャリアガスで１時間
以上パージする。これにより、Ａｌを含む下部半導体分
布ブラッグ反射鏡４０２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、残留Ａｌ濃度を低減
している。

【００９５】しかしながら、上記のＡｌ除去工程によっ
て、下部半導体分布ブラッグ反射鏡４０２の成長後に、
成長中断界面が生じる。成長中断界面には、Ｏ，Ｓｉ，
Ｃ等の残留不純物が偏析するため、非発光再結合準位が
増加する。そこで、図６の例では、成長中断界面とＧａ
ＩｎＮＡｓ光吸収層４０３との間にＧａＩｎＰ非発光再
結合防止層５０１を設けている。

【００９６】非発光再結合防止層５０１はＧａＩｎＰで
構成されているため、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３及
び光吸収層に隣接したＧａＡｓ障壁層よりもバンドギャ
ップエネルギーが大きくなっている。そのため、光吸収
層４０３からオーバーフローする少数キャリアを非発光
再結合防止層５０１でブロックしている。これにより、
光吸収層４０３に逆バイアスを印加した時に、成長中断
界面の非発光再結合準位で生じるリーク電流を抑制し、
ブレークダウンが生じないようにすることができ、これ
によって、素子の信頼性を向上できる。

【００９７】また、非発光再結合防止層５０１は、Ａｌ
を構成元素として含んでいないので、Ａｌ除去工程を行
なってからＮ（窒素）を含む光吸収層４０３を成長する
までに、成長室内の残留Ａｌ濃度を増加させることがな
い。

【００９８】第４の実施形態 本発明の第４の実施形態の半導体発光素子は、第２また
は第３の実施形態の半導体発光素子において、活性層と
光吸収層との間に設けられている半導体層が、全てＧａ
ＩｎＡｓＰ系材料で形成されていることを特徴としてい
る。

【００９９】ここで、ＧａＩｎＡｓＰ系材料とは、Ａｌ
を含んでいないＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓ
Ｐ，ＧａＡｓＰ，ＧａＩｎＡｓ等を意味している。ま
た、ＧａＩｎＡｓＰ系材料に、Ｂ，Ｎ，Ｓｂ等の元素
や、ドーパントを添加することもできる。

【０１００】第４の実施形態の半導体発光素子では、活
性層と光吸収層との間の半導体層に、Ａｌを含まないＧ
ａＩｎＡｓＰ系材料を用いることにより、Ａｌ除去工程
の後から、Ｎ（窒素）を含む活性層及び光吸収層の成長
まで、Ａｌを用いることがない。従って、Ａｌ除去工程
を行なってからＮ（窒素）を含む活性層及び光吸収層を
成長するまでに、成長室内の残留Ａｌ濃度を増加させる
ことがない。

【０１０１】また、第４の実施形態の半導体発光素子で
は、活性層と光吸収層との間にＡｌ除去工程を設けてい
ないため、成長中断による非発光再結合準位が形成され
ることがない。従って、活性層の発光効率を向上させ、
かつ、光変調器のリーク電流を抑制して、信頼性の高い
半導体発光素子を形成することができる。

【０１０２】図７は本発明の第４の実施形態の半導体発
光素子の一例を示す図である。なお、図７において図４
と同様の箇所には同じ符号を付している。図７を参照す
ると、この半導体発光素子では、図６に示した半導体発
光素子と構造が類似している。図７の半導体発光素子が
図６の半導体発光素子と異なっている点は、ＧａＩｎＮ
Ａｓ光吸収層４０３と下部ＧａＡｓスペーサ層４０５と
の間に設けられている第２導電型の下部分布ブラッグ反
射鏡７０１が、ＧａＩｎＡｓＰ系材料で構成されている
点である。ここで、第２導電型の下部分布ブラッグ反射
鏡７０１は、高屈折率層がＧａＡｓで構成されており、
低屈折率層がＧａＡｓと格子整合するＧａＩｎＰで構成
されている。

【０１０３】このように、図７の半導体発光素子では、
第２導電型の下部分布ブラッグ反射鏡７０１が、ＧａＩ
ｎＡｓＰ系材料で構成されていることにより、Ａｌ除去
工程を行なってから、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３及
びＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６
を成長するまでに、Ａｌを構成元素として用いることな
く層構造を形成できる。従って、Ａｌ除去工程を行なっ
てからＮ（窒素）を含む光吸収層４０３及び活性層４０
６を成長するまでに、成長室内の残留Ａｌ濃度を増加さ
せることがない。

【０１０４】また、光吸収層４０３と活性層４０６との
間にＡｌ除去工程を設けていないため、成長中断による
非発光再結合準位が形成されることがない。従って、活
性層４０６の発光効率を向上させ、かつ、光変調器のリ
ーク電流を抑制して、信頼性の高い半導体発光素子を形
成することができる。

【０１０５】第５の実施形態 本発明の第５の実施形態の半導体発光素子は、第４の実
施形態の半導体発光素子において、活性層と光吸収層と
の間に設けられている半導体層の導電型がｎ型のもので
あることを特徴としている。

【０１０６】面発光半導体レーザにおいて、活性層の電
流狭窄構造として、ＡｌＡｓ層を選択酸化して電流注入
領域を形成する方法が用いられる。ＡｌＡｓを選択酸化
すると、ＡｌＯ_x絶縁層となって電流が流れなくなり、
酸化されていない領域は低抵抗の半導体層であるため、
電流が流れる。このとき、ＡｌＡｓ層は、主にｐ型の側
に設けられる。これは、正孔の方が電子よりも移動度が
小さいため、ＡｌＡｓ選択酸化構造で電流を狭窄してか
ら活性層に注入されるまでに、電子では横方向に広がっ
てしまうのに対して、正孔は横方向の広がりが抑制され
て電流を狭い領域に集中させることができるためであ
る。従って、ＡｌＡｓ選択酸化により有効に電流狭窄を
行うためには、ＡｌＡｓ層をｐ型の側に設ける必要があ
る。

【０１０７】この第５の実施形態では、活性層と光吸収
層との間に設けられている半導体層の導電型をｎ型とし
ているため、電流狭窄を行うＡｌＡｓ層は活性層と光吸
収層との間ではなく、外側のｐ型の側に設けられる。従
って、活性層と光吸収層との間にＡｌを含む半導体層を
設ける必要がなくなり、これにより、Ａｌ除去工程を行
なってから活性層及び光吸収層を成長するまでに、成長
室内の残留Ａｌ濃度を増加させることがなく、活性層の
発光効率低下を抑制することができる。

【０１０８】また、ＡｌＡｓ選択酸化を用いた電流狭窄
構造を用いることができ、面発光半導体レーザの閾電流
を低減することができる。なお、選択酸化する層はＡｌ
Ａｓに限定されるものではなく、Ａｌ組成が９０％以上
のＡｌＧａＡｓのようにＡｌ組成が著しく大きい材料で
あればよい。

【０１０９】図８は本発明の第５の実施形態の半導体発
光素子の一例を示す図である。なお、図８において図４
と同様の箇所には同じ符号を付している。図８を参照す
ると、この半導体発光素子では、ｐ型ＧａＡｓ基板８０
１上に、ｐ型下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ
反射鏡８０２が積層されている。

【０１１０】そして、ｐ型下部分布ブラッグ反射鏡８０
２上には、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３，
ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３，ｎ型下部ＧａＡｓ／Ｇ
ａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４，下部ＧａＡｓスペ
ーサ層４０５，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸
活性層４０６，上部ＧａＡｓスペーサ層４０７，ｐ型Ａ
ｌＡｓ層８０５，ｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布
ブラッグ反射鏡８０６が、順次積層されている。

【０１１１】そして、ｐ型上部分布ブラッグ反射鏡８０
６上には、光出射部を除いて上部電極４０９が形成され
ており、ｐ型ＧａＡｓ基板８０１の裏面には、裏面電極
４１１が形成されている。また、積層構造表面からｎ型
下部分布ブラッグ反射鏡８０４までエッチングされて矩
形または円筒状のメサ構造が形成されており、エッチン
グした底面には共通電極４１０が形成されている。

【０１１２】そして、図８の半導体発光素子では、さら
に、ｐ型ＡｌＡｓ層８０５が、エッチング側面から水蒸
気により選択的に酸化されて、ＡｌＯ_x絶縁領域８０７
が形成されている。

【０１１３】前述したように、面発光半導体レーザにお
いて、活性層の電流狭窄構造として、ＡｌＡｓ層を選択
酸化して電流注入領域を形成する方法が用いられる。Ａ
ｌＡｓを選択酸化すると、ＡｌＯ_x絶縁層となって電流
が流れなくなり、酸化されていない領域は低抵抗の半導
体層であるため、電流が流れる。このとき、ＡｌＡｓ層
は、主にｐ型の側に設けられる。これは、正孔の方が電
子よりも移動度が小さいため、ＡｌＡｓ選択酸化構造で
電流を狭窄してから活性層に注入されるまでに、電子で
は横方向に広がってしまうのに対して、正孔は横方向の
広がりが抑制されて電流を狭い領域に集中させることが
できるためである。従って、ＡｌＡｓ選択酸化により有
効に電流狭窄を行うためには、ＡｌＡｓ層をｐ型の側に
設ける必要がある。

【０１１４】図８の例では、活性層４０６と光吸収層４
０３との間に設けられている下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ
分布ブラッグ反射鏡８０４の導電型をｎ型としている。
そのため、電流狭窄を行うｐ型ＡｌＡｓ層８０５は、活
性層４０６と光吸収層４０３との間ではなく、上部Ｇａ
Ａｓスペーサ層４０７の上側に設けられている。従っ
て、活性層４０６と光吸収層４０３との間にＡｌを含む
半導体層を設けることなく構成することができる。これ
によって、Ａｌ除去工程を行なってから光吸収層４０３
及び活性層４０６を成長するまでに、成長室内の残留Ａ
ｌ濃度が増加することがなく、活性層４０６の発光効率
低下を抑制することができる。

【０１１５】また、図８の例では、ｐ型ＡｌＡｓ層８０
５を選択的に酸化することにより、電流狭窄構造（８０
７）を形成している。この場合、上部電極４０９から注
入された正孔は、ｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布
ブラッグ反射鏡８０６を通ってから、ＡｌＯ_x絶縁領域
８０７で狭窄されて活性層４０６に注入される。そのた
め、レーザ発振領域に電流を集中させることができ、面
発光半導体レーザの閾電流を低減することができる。

【０１１６】第６の実施形態 本発明の第６の実施形態の半導体発光素子は、第２また
は第３の実施形態の半導体発光素子において、半導体光
変調器が、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッ
グ反射鏡内に配置されており、光吸収層が、３／４波長
の光学的厚さを有する高屈折率層中において、活性層に
近い側から１／４波長の光学的厚さの位置に配置されて
いることを特徴としている。

【０１１７】面発光半導体レーザ中に光変調器を構成す
る場合、面発光半導体レーザの位相整合条件を乱さない
ようにする必要がある。この第６の実施形態において
は、光吸収層が、３／４波長の光学的厚さを有する高屈
折率層中において、活性層に近い側から１／４波長の光
学的厚さの位置に配置されており、半導体分布ブラッグ
反射鏡の位相整合条件を満足している。

【０１１８】また、光吸収層は、光の定在波の腹に位置
している。従って、活性層で発生した光を効率よく吸収
することができる。従って、光変調器の動作電圧を低減
することができる。

【０１１９】なお、半導体分布ブラッグ反射鏡の定在波
の腹は、λ共振器を用いた場合、活性層側からみて高屈
折率層と低屈折率層との界面になる。ここに光吸収層を
設けた場合、光吸収層の屈折率は半導体分布ブラッグ反
射鏡の高屈折率層よりも高くなっているため、定在波の
分布を乱してしまう。そこで、光吸収層を３／４波長の
光学的厚さを有する高屈折率層中に設けている。従っ
て、位相整合条件を得られやすい。

【０１２０】図９は本発明の第６の実施形態の半導体発
光素子の一例を部分的に示す図であり、図９には、ｐ型
ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３からｎ型下部Ｇａ
Ａｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４までの間の
層構成が詳細に示されている。第６の実施形態の半導体
発光素子の構造は、図８に示した半導体発光素子と類似
しているが、図８に示した半導体発光素子と異なってい
る点は、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３とｎ
型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４
との間に設けられた光吸収層の構造である。

【０１２１】図９を参照すると、第６の実施形態の半導
体発光素子は、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０
３上に、下部ＧａＡｓ中間層９０１，ＧａＩｎＮＡｓ／
ＧａＡｓ多重量子井戸光吸収層９０２，上部ＧａＡｓ中
間層９０３が積層され、さらにその上に、ｎ型下部Ｇａ
Ａｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４が積層され
ている。

【０１２２】ここで、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分
布ブラッグ反射鏡８０４は、レーザ発振波長の１／４波
長の光学的厚さを有するｎ型ＧａＡｓ高屈折率層８０４
ｂと、レーザ発振波長の１／４波長の光学的厚さを有す
るｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層８０４ａとが交互に積層さ
れて構成されており、上部ＧａＡｓ中間層９０３に隣接
した層は、ｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層８０４ａとなって
いる。

【０１２３】また、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層
８０３の層厚は、レーザ発振波長の１／４波長の光学的
厚さとなっており、また、下部ＧａＡｓ中間層９０１，
ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸光吸収層９０
２，上部ＧａＡｓ中間層９０３を合計した厚さは、レー
ザ発振波長の３／４波長の光学的厚さとなっている。そ
して、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸光吸収層
９０２は、上記３／４波長の光学的厚さの中で、活性層
に近い側から１／４波長の光学的厚さの位置近傍となる
ように配置されている。

【０１２４】図９の半導体発光素子では、下部ＧａＡｓ
中間層９０１とＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸
光吸収層９０２と上部ＧａＡｓ中間層９０３とを合計し
た領域と、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３と
は、それぞれレーザ発振波長の１／４波長の光学的厚さ
の整数倍となっており、面発光半導体レーザの下部分布
ブラッグ反射鏡の一部として機能している。従って、面
発光半導体レーザの位相整合条件を乱すことがない。

【０１２５】また、光吸収層９０２は、光の定在波の腹
に位置しており、活性層で発生した光を効率よく吸収す
ることができる。従って、光変調器の動作電圧を低減す
ることができる。

【０１２６】第７の実施形態 本発明の第７の実施形態の半導体発光素子は、第６の実
施形態の半導体発光素子において、光吸収層と共振器と
の間に２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡が設けられて
おり、２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡において、共
振器に近い側の高屈折率層にオーミック電極が形成され
ていることを特徴としている。

【０１２７】ここで、光吸収層の共振器との間に設けら
れている２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡のうち、共
振器に近い側の低屈折率層（即ち、バンドギャップエネ
ルギーが大きい層）は、ＧａＡｓスペーサ層からオーバ
ーフローする少数キャリアをブロックする働きをしてい
る。これにより、活性領域に対するキャリアの閉じ込め
を高くして、温度特性を向上させている。

【０１２８】また、光吸収層と共振器との間に設けられ
ている２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡のうち、光吸
収層に近い側の低屈折率層は、光吸収層で発生した少数
キャリアをブロックして、ブレークダウンを抑制する働
きをしている。

【０１２９】また、第７の実施形態の半導体発光素子で
は、上記の低屈折率層の間に設けられている高屈折率層
に、オーミック電極が形成されている。これは、面発光
半導体レーザの電流注入電極と光変調器の変調用電極と
の共通電極となっている。従って、オーミックコンタク
ト層と活性領域との間、及びオーミックコンタクト層と
光吸収層との間には、それぞれ、バンドギャップエネル
ギーが大きい低屈折率層が設けられている。従って、リ
ーク電流が電極に直接流れ込むことがない。

【０１３０】また、光吸収層は、半導体分布ブラッグ反
射鏡の中で、共振器に近い位置に配置されている。その
ため、光の定在波の強度分布において、強度が強い腹の
位置に対応している。従って、光吸収層で効率よく光を
吸収することができる。

【０１３１】なお、光吸収層と共振器との間に設けられ
ている２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡は、Ａｌを構
成元素として含まないＧａＩｎＡｓＰ系材料で構成され
るのが好ましい。この場合には、光吸収層または活性層
の成長前に、成長室内の残留Ａｌ濃度が増加することが
ない。

【０１３２】図１０は本発明の第７の実施形態の半導体
発光素子の一例を部分的に示す図であり、図１０には、
ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３から下部Ｇａ
Ａｓスペーサ層４０５までの間の層構成が詳細に示され
ている。第７の実施形態の半導体発光素子の構造は、図
９に示した半導体発光素子において、ｎ型下部ＧａＡｓ
／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４の構造がより具
体化されている。

【０１３３】図１０を参照すると、第７の実施形態の半
導体発光素子は、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８
０３上に、下部ＧａＡｓ中間層９０１，ＧａＩｎＮＡｓ
／ＧａＡｓ多重量子井戸光吸収層９０２，上部ＧａＡｓ
中間層９０３が積層され、さらにその上に、ｎ型下部Ｇ
ａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４が積層さ
れている。

【０１３４】ここで、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分
布ブラッグ反射鏡８０４は、レーザ発振波長の１／４波
長の光学的厚さを有するｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層８０
４ａと、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層８０４ｂと、ｎ型Ｇａ
ＩｎＰ低屈折率層８０４ａとの３層が積層されて構成さ
れている。

【０１３５】また、光吸収層９０２と下部ＧａＡｓスペ
ーサ層４０５との間には、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎ
Ｐ分布ブラッグ反射鏡８０４と上部ＧａＡｓ中間層９０
３とを合わせて、およそ２周期の分布ブラッグ反射鏡が
設けられている。

【０１３６】２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡のう
ち、下部ＧａＡｓスペーサ層４０５に近い側のｎ型Ｇａ
ＩｎＰ低屈折率層８０４ａは、ＧａＡｓよりもバンドギ
ャップエネルギーが大きいため、下部ＧａＡｓスペーサ
層４０５からオーバーフローする少数キャリアをブロッ
クする働きをしている。これにより、活性領域に対する
キャリアの閉じ込めを高くして、温度特性を向上させて
いる。

【０１３７】また、２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡
のうち、光吸収層９０２に近い側のｎ型ＧａＩｎＰ低屈
折率層８０４ａは、光吸収によって光吸収層９０２で発
生した少数キャリアをブロックすることにより、逆バイ
アスが印加された光吸収層９０２がブレークダウンする
ことを抑制している。

【０１３８】また、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層８０４ｂに
は、共通電極４０９が形成されている。この共通電極４
０９は、面発光半導体レーザの電流注入電極と光変調器
の変調用電極との共通電極となっている。従って、共通
電極４０９と活性領域との間、及び共通電極４０９と光
吸収層９０２との間には、それぞれ、バンドギャップエ
ネルギーが大きいｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層８０４ａが
１層設けられている。これによって、リーク電流が共通
電極４０９に直接流れ込むことがない。

【０１３９】また、光吸収層９０２は、下部半導体分布
ブラッグ反射鏡の中で、共振器に近い位置（すなわち、
光の定在波の強度分布において、活性層４０６から３個
目の腹の位置）に設けられている。これによって、光強
度分布が強い腹の位置で、効率よく光を吸収することが
できる。

【０１４０】第８の実施形態 本発明の第８の実施形態の半導体発光素子は、第５の実
施形態の半導体発光素子において、光吸収層と活性層と
の間の領域を除いて、光吸収層と活性層のそれぞれ上下
に選択酸化層が設けられていることを特徴としている。

【０１４１】活性層に隣接したｐ型領域に設けられた選
択酸化層は、活性層に電流が注入される領域を限定し
て、面発光半導体レーザの閾電流を低減している。

【０１４２】一方、光吸収層に隣接したｐ型領域に設け
られた選択酸化層は、電流狭窄されたレーザ発振領域に
対応した光吸収層の場所に電界を集中させる働きをして
いる。これにより、面発光半導体レーザ内部において、
横方向の光強度分布が強い位置で、光吸収層の電界を集
中させてバンドギャップを縮小し、光を効率よく吸収さ
せることが可能となる。

【０１４３】図１１は本発明の第８の実施形態の半導体
発光素子を示す図である。図１１を参照すると、第８の
実施形態の半導体発光素子は、ｐ型ＧａＡｓ基板８０１
上に、ｐ型下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反
射鏡８０２が積層され、さらに、ｐ型下部分布ブラッグ
反射鏡８０２上に、ｐ型ＡｌＡｓ層１１０１，ｐ型Ｇａ
ＩｎＰ非発光再結合防止層８０３，ＧａＩｎＮＡｓ光吸
収層４０３，ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッ
グ反射鏡８０４，下部ＧａＡｓスペーサ層４０５，Ｇａ
ＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６，上部
ＧａＡｓスペーサ層４０７，ｐ型ＡｌＡｓ層８０５，ｐ
型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡８０
６が、順次積層されている。

【０１４４】また、ｐ型上部分布ブラッグ反射鏡８０６
上には、光出射部を除いて上部電極４０９が形成されて
おり、ｐ型のＧａＡｓ基板８０１の裏面には、裏面電極
４１１が形成されている。また、積層構造表面からｎ型
下部分布ブラッグ反射鏡８０４までエッチングされて、
１段目の円筒状のメサ構造が形成されており、エッチン
グした底面には共通電極４１０が形成されている。さら
に、ｐ型下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射
鏡８０２に達するまでエッチングされて、２段目の円筒
状のメサ構造が形成されている。

【０１４５】そして、ｐ型ＡｌＡｓ層８０５及びｐ型Ａ
ｌＡｓ層１１０１は、メサエッチングされた側面からそ
れぞれ水蒸気により選択的に酸化されて、ＡｌＯ_x絶縁
領域８０７が形成されている。

【０１４６】ここで、上部ＧａＡｓスペーサ層４０７の
上に設けたｐ型ＡｌＡｓ層８０５は、選択酸化されるこ
とにより、活性層４０６に電流が注入される領域を限定
して、面発光半導体レーザの閾電流を低減している。

【０１４７】一方、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層
８０３の下に設けたｐ型ＡｌＡｓ層１１０１は、選択酸
化されることにより、電流狭窄されたレーザ発振領域に
対応した光吸収層４０３の場所に電界を集中させる働き
をしている。これにより、面発光半導体レーザ内部にお
いて、横方向の光強度分布が強い位置で、光吸収層４０
３の電界を集中させてバンドギャップを縮小し、光を効
率よく吸収させることができる。

【０１４８】なお、図１１の例において、Ａｌ除去工程
はｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３の途中に設
けられている。

【０１４９】第９の実施形態 本発明の第９の実施形態の光伝送システムは、第１〜第
８のいずれかの実施形態の半導体発光素子を用いたこと
を特徴としている。

【０１５０】第１〜第８のいずれかの実施形態の半導体
発光素子は、石英光ファイバの伝送に適した１．２〜
１．６μｍの波長でレーザ発振する半導体レーザ素子で
ある。そして、面発光型であるため、消費電力が低く、
製造コストが低減できる。また、光変調器が集積されて
おり、１０ＧＨｚ以上の高速変調が可能となっている。
そして、光変調器と半導体レーザがモノリシックに集積
されているため、光伝送モジュールの部品数が少なくな
り、小型化できる。従って、１０Ｇｂｐｓ以上、例えば
２０〜４０Ｇｂｐｓの大容量光伝送システムを低コスト
で実現することができる。

【０１５１】図１２は本発明の第９の実施形態の光伝送
システムの構成例を示す図である。図１２の光伝送シス
テムは、光送信モジュール１２０１と、光受信モジュー
ル１２０２と、石英光ファイバケーブル１２０３とを備
えている。ここで、光送信モジュール１２０１には、変
調器集積面発光半導体レーザ１２０４と、駆動制御回路
１２０５とが設けられ、また、光受信モジュール１２０
２には、受光素子１２０６と、受信回路１２０７とが設
けられている。

【０１５２】図１２の光伝送システムでは、光送信モジ
ュール１２０１に入力された電気信号は、駆動制御回路
１２０５に入力される。駆動制御回路１２０５では、変
調器集積面発光半導体レーザ１２０４の面発光レーザ部
に連続通電し、かつ光変調器に印加するバイアス電圧を
入力信号に応じて変調させることにより、レーザ光強度
を変調して光信号を発生させる。

【０１５３】変調器集積面発光半導体レーザ１２０４か
らの光信号は、光ファイバケーブル１２０３を導波して
光受信モジュール１２０２中の受光素子１２０６に入力
される。受光素子１２０６は、受光した光信号を電気信
号に変換する。その後、受信回路１２０７で、信号を増
幅，符号化して出力する。

【０１５４】図１２の光伝送システムにおいて、変調器
集積面発光半導体レーザ１２０４には、第１〜第８のい
ずれかの実施形態の変調器集積面発光半導体レーザ素子
を用いることができる。

【０１５５】第１〜第８のいずれかの実施形態の半導体
発光素子は、石英光ファイバの伝送に適した１．２〜
１．６μｍの波長でレーザ発振する半導体レーザ素子で
ある。そして、面発光型であるため、製造コストが低減
できる。また、光変調器が集積されており、１０ＧＨｚ
以上の高速変調が可能となっている。そして、光変調器
と半導体レーザがモノリシックに集積されているため、
光伝送モジュールの部品数が少なくなり、小型化でき
る。従って、２０〜４０Ｇｂｐｓの大容量光伝送システ
ムを低コストで実現することができる。

【０１５６】また、成長室に残留したＡｌ濃度を低減し
て、ＧａＩｎＮＡｓ活性層及びＧａＩｎＮＡｓ光吸収層
を成長することによって、発光効率が高い半導体レーザ
を形成できる。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。

【０１５７】

【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、ＧａＡｓ基板上に、下部半導体分布ブラ
ック反射鏡と、Ｎ（窒素）を構成元素として含むＧａＮ
Ａｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡ
ｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振
器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成
される面発光半導体レーザ素子と、Ｎを構成元素として
含むＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，Ｇ
ａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収
層を含む半導体光変調器とが、積層方向にモノリシック
に集積され、前記半導体光変調器が、面発光半導体レー
ザ素子の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の
半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、前記下
部半導体分布ブラッグ反射鏡または共振器または上部半
導体分布ブラッグ反射鏡または半導体光変調器の一部
が、Ａｌを構成元素として含む半導体層で構成されてい
る半導体発光素子の製造方法において、成長室に、窒素
化合物原料またはＡｌ原料を供給して結晶成長する工程
を有し、さらに、Ａｌを構成元素として含む層の結晶成
長工程と、Ｎを構成元素として含む層の結晶成長工程と
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ので、活性層の発光効
率を改善でき、また、表面平坦性の劣化を抑制すること
ができる。

【０１５８】また、請求項２記載の発明によれば、Ｇａ
Ａｓ基板上に、下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、Ｇａ
ＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮ
ＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共
振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構
成された面発光半導体レーザ素子と、ＧａＮＡｓ，Ｇａ
ＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのい
ずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調
器とが、積層方向にモノリシックに集積されており、前
記半導体光変調器は、活性層よりも上側の共振器内、ま
たは、面発光半導体レーザ素子の上部半導体分布ブラッ
グ反射鏡内に配置されており、下部半導体分布ブラッグ
反射鏡と共振器との間に、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からな
る非発光再結合防止層が設けられているので、活性層の
発光効率を更に向上させることができる。

【０１５９】また、請求項３記載の発明によれば、Ｇａ
Ａｓ基板上に、下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、Ｇａ
ＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮ
ＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共
振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構
成された面発光半導体レーザ素子と、ＧａＮＡｓ，Ｇａ
ＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのい
ずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調
器とが、積層方向にモノリシックに集積されており、前
記半導体光変調器は、活性層よりも下側の共振器内、ま
たは、面発光半導体レーザ素子の下部半導体分布ブラッ
グ反射鏡内に配置されており、ＧａＡｓ基板側の下部半
導体分布ブラッグ反射鏡と光吸収層との間に、ＧａＩｎ
ＡｓＰ系材料からなる非発光再結合防止層が設けられて
いるので、光変調器のリーク電流を抑制して、信頼性を
向上させることができる。

【０１６０】また、請求項４記載の発明によれば、請求
項２または請求項３に記載の半導体発光素子において、
活性層と光吸収層との間に設けられている半導体層は、
全てＧａＩｎＡｓＰ系材料で形成されているので、活性
層の発光効率をより一層向上させ、また、これと同時
に、信頼性を向上させることができる。

【０１６１】また、請求項５記載の発明によれば、請求
項４記載の半導体発光素子において、活性層と光吸収層
との間に設けられている半導体層は、導電型がｎ型のも
のであるので、活性層の発光効率を低下させることな
く、面発光半導体レーザの電流狭窄が可能となる。従っ
て、低閾電流で動作させることができる。

【０１６２】また、請求項６記載の発明によれば、請求
項２または請求項３に記載の半導体発光素子において、
前記半導体光変調器は、面発光半導体レーザ素子の半導
体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、光吸収層
は、３／４波長の光学的厚さを有する高屈折率層中にお
いて、活性層に近い側から１／４波長の光学的厚さの位
置に配置されているので、活性層で発生した光を効率良
く吸収することができる。

【０１６３】また、請求項７記載の発明によれば、請求
項６記載の半導体発光素子において、光吸収層と共振器
との間に２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡が設けられ
ており、２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡において、
共振器に近い側の高屈折率層にオーミック電極が形成さ
れているので、活性層と光吸収層の両方に対してキャリ
ア閉じ込めを高くすることができる。

【０１６４】また、請求項８記載の発明によれば、請求
項５記載の半導体発光素子において、光吸収層と活性層
との間の領域を除いて、光吸収層と活性層のそれぞれ上
下に選択酸化層が設けられているので、活性層への電流
狭窄に加えて、発振領域の光吸収層に電界を集中させる
ことができる。従って、光を効率良く吸収させることが
できる。

【０１６５】また、請求項９記載の発明によれば、光伝
送システムに請求項２乃至請求項８のいずれか一項に記
載の半導体発光素子を用いたことを特徴とする光伝送シ
ステムので、１０Ｇｂｐｓ以上の大容量伝送を低コスト
で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】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２】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３】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４】第１の実施形態の半導体発光素子の一例を示す
図である。

【図５】第２の実施形態の半導体発光素子の一例を示す
図である。

【図６】第３の実施形態の半導体発光素子の一例を示す
図である。

【図７】第４の実施形態の半導体発光素子の一例を示す
図である。

【図８】第５の実施形態の半導体発光素子の一例を示す
図である。

【図９】第６の実施形態の半導体発光素子の一例を示す
図である。

【図１０】第７の実施形態の半導体発光素子の一例を示
す図である。

【図１１】第８の実施形態の半導体発光素子の一例を示
す図である。

【図１２】第９の実施形態の光伝送システムの構成例を
示す図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ Ａｌを含む第１の半導体層 ３ 中間層 ４ 窒素を含む活性層 ５ 第２の半導体層 ４０１ 第１導電型のＧａＡｓ基板 ４０２ 第１導電型の下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａ
Ａｓ分布ブラッグ反射鏡 ４０３ ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層 ４０４ 第２導電型の下部分布ブラッグ反射鏡 ４０５ 下部ＧａＡｓスペーサ層 ４０６ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井
戸活性層 ４０７ 上部ＧａＡｓスペーサ層 ４０８ 第１導電型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ
分布ブラッグ反射鏡 ４０９ 上部電極 ４１０ 共通電極 ４１１ 裏面電極 ５０１ ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層 ５０２ 第２導電型の上部分布ブラッグ反射鏡 ５０３ 第１導電型の上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａ
Ａｓ分布ブラッグ反射鏡 ７０１ 第２導電型の下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎ
Ｐ分布ブラッグ反射鏡 ８０１ ｐ型ＧａＡｓ基板 ８０２ ｐ型下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布
ブラッグ反射鏡 ８０３ ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層 ８０４ ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブ
ラッグ反射鏡 ８０５ ｐ型ＡｌＡｓ層 ８０６ ｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布
ブラッグ反射鏡 ８０７ ＡｌＯ_x絶縁領域 ８０４ａ ｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層 ８０４ｂ ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層 ９０１ 下部ＧａＡｓ中間層 ９０２ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井
戸光吸収層 ９０３ 上部ＧａＡｓ中間層 １１０１ ｐ型ＡｌＡｓ層 １２０１ 光送信モジュール １２０２ 光受信モジュール １２０３ 光ファイバケーブル １２０４ 変調器集積面発光レーザ素子 １２０５ 駆動制御回路 １２０６ 受光素子 １２０７ 受信回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H079 AA02 AA13 BA01 CA05 DA16 EB06 5F073 AA09 AA11 AA65 AA74 AB17 AB21 BA02 CA17 CB02 DA05 DA35 EA24

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＧａＡｓ基板上に、 下部半導体分布ブラック反射鏡と、Ｎ（窒素）を構成元
   素として含むＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓ
   Ｓｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成され
   た活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射
   鏡とを積層して構成される面発光半導体レーザ素子と、 Ｎを構成元素として含むＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，
   ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料
   で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、 積層方向にモノリシックに集積され、 前記半導体光変調器が、面発光半導体レーザ素子の共振
   器内、または、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブ
   ラッグ反射鏡内に配置されており、前記下部半導体分布
   ブラッグ反射鏡または共振器または上部半導体分布ブラ
   ッグ反射鏡または半導体光変調器の一部が、Ａｌを構成
   元素として含む半導体層で構成されている半導体発光素
   子の製造方法において、 成長室に、窒素化合物原料またはＡｌ原料を供給して結
   晶成長する工程を有し、 さらに、Ａｌを構成元素として含む層の結晶成長工程
   と、Ｎを構成元素として含む層の結晶成長工程との間
   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する半導体発光素
   子の製造方法。
2. 【請求項２】 ＧａＡｓ基板上に、 下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＮＡｓ，ＧａＩ
   ｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいず
   れかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半
   導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成された面発光
   半導体レーザ素子と、 ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩ
   ｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を
   含む半導体光変調器とが、 積層方向にモノリシックに集積されており、 前記半導体光変調器は、活性層よりも上側の共振器内、
   または、面発光半導体レーザ素子の上部半導体分布ブラ
   ッグ反射鏡内に配置されており、 下部半導体分布ブラッグ反射鏡と共振器との間に、Ｇａ
   ＩｎＡｓＰ系材料からなる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半導体発光素子。
3. 【請求項３】 ＧａＡｓ基板上に、 下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＮＡｓ，ＧａＩ
   ｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいず
   れかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半
   導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成された面発光
   半導体レーザ素子と、 ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩ
   ｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を
   含む半導体光変調器とが、 積層方向にモノリシックに集積されており、 前記半導体光変調器は、活性層よりも下側の共振器内、
   または、面発光半導体レーザ素子の下部半導体分布ブラ
   ッグ反射鏡内に配置されており、 ＧａＡｓ基板側の下部半導体分布ブラッグ反射鏡と光吸
   収層との間に、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる非発光再
   結合防止層が設けられていることを特徴とする半導体発
   光素子。
4. 【請求項４】 請求項２または請求項３に記載の半導体
   発光素子において、活性層と光吸収層との間に設けられ
   ている半導体層は、全てＧａＩｎＡｓＰ系材料で形成さ
   れていることを特徴とする半導体発光素子。
5. 【請求項５】 請求項４記載の半導体発光素子におい
   て、活性層と光吸収層との間に設けられている半導体層
   は、導電型がｎ型のものであることを特徴とする半導体
   発光素子。
6. 【請求項６】 請求項２または請求項３に記載の半導体
   発光素子において、前記半導体光変調器は、面発光半導
   体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置され
   ており、光吸収層は、３／４波長の光学的厚さを有する
   高屈折率層中において、活性層に近い側から１／４波長
   の光学的厚さの位置に配置されていることを特徴とする
   半導体発光素子。
7. 【請求項７】 請求項６記載の半導体発光素子におい
   て、光吸収層と共振器との間に２周期の半導体分布ブラ
   ッグ反射鏡が設けられており、２周期の半導体分布ブラ
   ッグ反射鏡において、共振器に近い側の高屈折率層にオ
   ーミック電極が形成されていることを特徴とする半導体
   発光素子。
8. 【請求項８】 請求項５記載の半導体発光素子におい
   て、光吸収層と活性層との間の領域を除いて、光吸収層
   と活性層のそれぞれ上下に選択酸化層が設けられている
   ことを特徴とする半導体発光素子。
9. 【請求項９】 請求項２乃至請求項８のいずれか一項に
   記載の半導体発光素子を用いたことを特徴とする光伝送
   システム。