JP2004288789A - 面発光型半導体レーザ素子の製造方法および結晶成長装置、ならびにこれらを用いて形成した面発光型半導体レーザ素子、該面発光型半導体レーザ素子を用いた光送信モジュール、光送受信モジュール、光通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】高品質で実用レベルのＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の製造方法および該製造方法を実現するための結晶成長装置、これらを用いて形成した面発光半導体レーザ素子、該面発光半導体レーザ素子を用いた光送信モジュール、光送受信モジュール、光通信システムを提供する。
【解決手段】半導体基板２０上に、活性層を含んだ活性領域２３と、活性層の上部及び下部に設けられた反射鏡２１，２５を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レーザ素子の製造方法で、活性層２３は、Ｇａ，Ｉｎ，Ｎ，Ａｓを主成分として含み、半導体基板２０と活性層２３との間に形成される下部反射鏡２１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、活性層２３はＭＢＥ法で成長し、反射鏡のうち少なくともｐ側の反射鏡（例えば、反射鏡２５）はＭＯＣＶＤ法で成長する。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に光通信用半導体レーザ技術に係り、特に面発光型半導体レーザ素子の製造方法、結晶成長装置、及びこれらを用いて形成した面発光型半導体レーザ素子、該面発光型半導体レーザ素子を用いた光送信モジュール、光送受信モジュール、光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットの爆発的普及に見られるように扱われる情報量が飛躍的に増大しており、今後さらに加速すると考えられる。このため幹線系のみならず、各家庭やオフィスといった加入者系やＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などのユーザに近い伝送路、さらには各機器間や機器内の配線へも光ファイバーが導入され、光による大容量情報伝送技術が極めて重要となる。
【０００３】
そして、安価で、距離を気にしないで、光ネットワーク，光配線の大容量化を図るためには、光源としてシリカファイバーの伝送ロスが小さく整合性の良い１．３μｍ帯、１．５５μｍ帯の面発光型半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ： Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：垂直空洞面発光型半導体レーザ素子）は極めて有望である。面発光型半導体レーザ素子は、端面発光型レーザに比べて、低価格，低消費電力，小型化，２次元集積化に向き、実際にＧａＡｓ基板上に形成できる０．８５μｍ帯ではすでに高速ＬＡＮである１Ｇｂｉｔ／ｓのイーサネットなどで実用化されている。
【０００４】
１．３μｍ帯ではＩｎＰ基板上の材料系が一般的であり、端面発光型レーザでは実績がある。しかし、この従来の長波長帯半導体レーザでは、環境温度が室温から８０℃になると動作電流が３倍にも増加するという大きな欠点を持っている。また、面発光型半導体レーザ素子においては反射鏡に適した材料がないため高性能化は困難であり、実用レベルの特性が得られていないのが現状である。
【０００５】
このため、ＩｎＰ基板上の活性層とＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ反射鏡を直接接合で張り合わせた構造により現状での最高性能が得られている（例えば非特許文献１を参照。）。
【０００６】
しかし、この方法はコスト上昇を避けられないので量産性の点で問題があると考えられる。そこで最近、ＧａＡｓ基板上に１．３μｍ帯を形成できる材料系が注目され、（Ｇａ）ＩｎＡｓ量子ドット、ＧａＡｓＳｂやＧａＩｎＮＡｓ（例えば特許文献１を参照。）が研究されている。新材料であるＧａＩｎＮＡｓは、レーザ特性の温度依存性を極めて小さくすることができる材料として注目されている。
【０００７】
ＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＮＡｓ系半導体レーザは、窒素添加によりバンドギャップが小さくなるので、ＧａＡｓ基板上に１．３μｍ帯など長波長帯を形成できるようになる。Ｉｎ組成１０％のとき窒素組成は約３％で１．３μｍ帯を形成できるが、窒素組成が大きいほどしきい値電流密度が急激に上昇するという問題がある。図９は、しきい値電流密度の窒素組成依存性を示す図であり、横軸は窒素組成割合（％）を、縦軸はしきい値電流密度を示している。このようにしきい値電流密度が窒素組成が大きくなるに伴って急激に上昇する理由は、ＧａＩｎＮＡｓ層の結晶性が窒素組成増加に伴い劣化するためである。
【０００８】
このため、如何にＧａＩｎＮＡｓを高品質に成長するかが課題となる。このようなＧａＩｎＮＡｓの結晶成長方法には、ＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；有機金属化学気相成長法）やＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ；分子線エピタキシャル成長法）が試みられている。
【０００９】
ＭＯＣＶＤ法は、ＭＢＥ法のような高真空を必要とせず、またＭＢＥ法では原料供給をセルの温度を変えて制御するのに対してＭＯＣＶＤ法は原料ガス流量を制御するだけでよく、また成長速度を高くすることができ、容易にスループットを上げられることから、極めて量産に適した成長方法である。実際に実用化されている０．８５μｍ帯面発光型半導体レーザ素子の生産には全て（ほとんどの場合）ＭＯＣＶＤ法が用いられている。
【００１０】
最近、この新規なＧａＩｎＮＡｓ系材料を用いた半導体レーザの報告が多数報告されるようになった。しかし、これらのほとんどの場合はＭＢＥ法によるものであった。また、ごく最近は面発光型半導体レーザ素子についても報告されるようになった。１９９８年に日立（１．１８μｍ）より最初の報告（Ｍ．Ｃ． Ｌａｒｓｏｎ， Ｍ． Ｋｏｎｄｏｗ， Ｔ． Ｋｉｔａｔａｎｉ， Ｋ． Ｎａｋａｈａｒａ， Ｋ． Ｔａｍｕｒａ， Ｈ． Ｉｎｏｕｅ， ａｎｄ Ｋ． Ｕｏｍｉ， ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．， １０， ｐｐ． １８８−１９０， １９９８．）があり、２０００年にはＳｔａｎｆｏｒｄ （１．２１５μｍ）、Ｓａｎｄｉａ＋Ｃｉｅｌｏ （１．２９４μｍ）、東工大＋リコー（１．２６２μｍ）、Ｉｎｆｉｎｅｏｎ （１．２８５μｍ）から報告されている。
【００１１】
【非特許文献１】
Ｖ． Ｊａｙａｒａｍａｎ， Ｊ．Ｃ． Ｇｅｓｋｅ， Ｍ．Ｈ． ＭａｃＤｏｕｇａｌ Ｆ．Ｈ． Ｐｅｔｅｒｓ， Ｔ．Ｄ． Ｌｏｗｅｓ， ａｎｄ Ｔ．Ｔ． Ｃｈａｒ， Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ．， ３４， （１４）， ｐｐ． １４０５−１４０６， １９９８．
【００１２】
【特許文献１】
特開平６−３７３５５号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この新規なＧａＩｎＮＡｓ系面発光型半導体レーザ素子の報告は、量産に適したＭＯＣＶＤ法では１件報告があるのみで、その他は全てＭＢＥ法によって成長されたものであり、十分な特性を有するものとなっていない。特にＭＢＥ法により成長されたものはｐ側多層膜反射鏡の抵抗が極めて高いので、ｐ側多層膜反射鏡を電流経路としない方法を用いたりしているが、結局、動作電圧が高くなってしまうなどの問題を有していた。このような問題を解消した新規なＧａＩｎＮＡｓ系面発光型半導体レーザ素子の製造方法，製造装置は未だ確立されていない。
【００１４】
本発明は、面発光半導体レーザ素子の製造技術を改良し、高品質で実用レベルのＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の製造方法（請求項１〜８）、ならびにこれらを用いて形成した面発光型半導体レーザ素子（請求項９〜１３）、該面発光型半導体レーザ素子を用いた光送信モジュール（請求項１４）、光送受信モジュール（請求項１５）、光通信システム（請求項１６）を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では次のような構成を採用したことを特徴としている。以下、各請求項毎に詳細に説明する。
【００１６】
（１）請求項１記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法は、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（２３）を含んだ活性領域と、レーザ光を得るために活性層（２３）の上部及び下部に設けられた反射鏡（２１，２５）を含んだ共振器構造を有し、活性層（２３）の上部及び下部に設けられた反射鏡（２１，２５）のうちの１つがｐ側半導体の反射鏡である面発光型半導体レーザにおいて、前記活性層（２３）はＧａ，Ｉｎ，Ｎ，Ａｓを主成分として含み、前記反射鏡のうち少なくともｐ側半導体の反射鏡は、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、前記活性層（２３）をＭＢＥ法で成長させ、前記反射鏡のうちの少なくともｐ側半導体の反射鏡をＭＯＣＶＤ法で成長させて、活性層と上部，下部の反射鏡を積層構造として成長させるときに、該積層構造を複数回（Ｎ回）の成長工程に分けて成長させるようになっており、その際、下地となる結晶成長層上に、次回の成長工程で次の結晶成長層を成長させることを再成長と称し（Ｎ回の成長工程では、再成長の工程数は（Ｎ−１）回となる）、下地となる結晶成長層との界面を再成長界面と称するとき、（Ｎ−１）回の再成長工程のうちの少なくとも１回の再成長工程において、再成長の開始に先立って、下地となる結晶成長層の表面の一部を、臭素を含むガスでエッチング除去することを特徴としている。
【００１７】
まず、請求項１に記載されているＭＯＣＶＤ法とＭＢＥ法の２つの成長方法について、図１および図２を用いて説明する。ＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ；有機金属化学気相成長法）は、少なくとも有機金属原料を一部に用い原料ガスの熱分解と被成長基板との表面反応により結晶成長させる気相成長方法である。
【００１８】
図１は、ＭＯＣＶＤ装置の概略図である。ＭＯＣＶＤ装置は、同図に示すように、原料ガスが供給される原料ガス供給部Ａと、被成長基板を加熱するための加熱手段（図示無し）と、加熱部（加熱体）Ｂと、反応済みのガスを排気するための排気部Ｃ（排気ポンプなど）を有した構成である。通常、空気が成長室（反応室）１２に入らないように基板は基板出し入れ口１１から入れ、排気部Ｃによる真空引き後に成長室（反応室）１２に搬送される。
【００１９】
成長室１２の圧力は５０Ｔｏｒｒ〜１００Ｔｏｒｒ程度の減圧がよく用いられる。その原料には、ＩＩＩ族原料として、Ｇａ：ＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ａｌ：ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｉｎ：ＴＭＩ（トリメチルインジウム）などの有機金属が用いられる。また、Ｖ族原料には、ＡｓＨ_３（アルシン），ＴＢＡ（ターシャルブチルアルシン）、ＰＨ_３（フォスフィン），ＴＢＰ（ターシャルブチルアルシン）などの水素化物ガスや有機化合物が一般に用いられる。
【００２０】
キャリアガスには、水素ガス（Ｈ_２）が通常用いられ、通常、水素精製器を通して不純物を除去して供給している。そして、窒素の原料には、ＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン），ＭＭＨｙ（モノメチルヒドラジン）等の有機化合物を用いることができる。原料はこれに限られるものではない。有機金属や有機窒素化合物のような液体または固体の原料は、バブラー１４に入れられてキャリアガスを通してバブリングすることで供給される。また、水素化物はガスシリンダー１５に入れられ供給される。図１ではバブラー１４（液体、固体原料バブラー＃１、＃２）とガスシリンダー１５（ガスシリンダー＃１、＃２）はそれぞれ２種類の場合の例を示している。
【００２１】
原料ガスの経路はバルブ１６で切り変え、供給量をＭＦＣ（マスフローコントローラー）等で制御することで必要な材料、組成を成長する。一般にダミーライン（図中、ダミーライン＃１、＃２参照）を設けてガス流が極力乱れないようにしている。成長の厚さは原料ガスを供給する時間で制御する。これにより必要な構造を成長できるので、スループットは良く、量産向きな方法といえる。
【００２２】
次に、ＭＢＥ法について説明する。ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ；分子線エピタキシャル成長法）は真空蒸着法の一種で、原料セルから放出させた原料分子，原子が高真空のチャンバー内の加熱した基板に到達して吸着し結晶格子に取りこまれることで成長する方法である。
【００２３】
ＭＢＥ法は、原料供給の手法の違いからさまざまな呼び名がある。固体原料を用いる固体ソース（ＳＳ）−ＭＢＥ、ＩＩＩ族材料として有機金属を用いる有機金属（ＭＯ）−ＭＢＥ、Ｖ族材料として水素化物を用いるガスソース（ＧＳ）−ＭＢＥ、有機金属と水素化物を用いるＣＢＥ（ケミカルビームエピタキシー）がある。窒素の原料には、一般にラジカルセルを用い、Ｎ_２を分解・活性化して用いる。
【００２４】
図２は、ＭＢＥ装置の概略図である。図２では２種類の固体ソース（図中、原料の分子線セル１、原料の分子線セル２）と窒素原料（図中、窒素のラジカルセル）を用いた場合の例を示している。特に固体ソースＭＢＥでは、炭素，水素を原料に含まないので、低い不純物濃度で成長できる。原理的に高真空なので、原料供給量を大きくできない。大きくすると排気系に負担がかかるデメリットがある。高真空排気系の排気ポンプを必要とするが、ＭＢＥチャンバー内の残留原料等を除去するなどのために排気系に負担がかかり故障しやすいことからスループットは悪い。
【００２５】
ここで、ＧａＩｎＮＡｓの高品質化は、ＭＯＣＶＤ法に比べてＭＢＥ法の方が容易であることを見出した。ＧａＩｎＮＡｓは非混和性が極めて強い材料であり、低温成長などの非平衡成長が必要である。ＭＯＣＶＤ法は各原料に化合物ガスを用い、被成長基板を加熱し原料ガスの熱分解と基板表面反応を利用して成長されるので、その分解温度以上での成長が必要である。実際にＭＢＥ法はＭＯＣＶＤ法に比べて１００℃程度は低温成長可能である。また、ＭＯＣＶＤ法における原料は炭素（Ｃ），水素（Ｈ）が含まれており、不純物として膜中に取りこまれ結晶性を落としやすいこと等が考えられる。
【００２６】
一方、面発光型半導体レーザ素子は、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層を含んだ活性領域を半導体多層膜反射鏡で挟んで構成されている。端面発光型レーザの結晶成長層の厚さが３μｍ程度であるのに対して、例えば１．３μｍ波長帯面発光型半導体レーザ素子では１０μｍを超える厚さが必要になる。
【００２７】
活性領域の厚さは全体に比べて通常ごくわずかであり（１０％以下）、ほとんどが多層膜反射鏡を構成する層である。半導体多層膜反射鏡はそれぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さ（λ／４の厚さ）で低屈折率層と高屈折率層を交互に積層して（例えば２０〜４０ペア）形成されている。
【００２８】
ＧａＡｓ基板上の面発光型半導体レーザ素子では、ＡｌＧａＡｓ系材料を用い、Ａｌ組成を変えて低屈折率層（Ａｌ組成大）と高屈折率層（Ａｌ組成小）としている。しかし実際には、特にｐ側は各層のヘテロ障壁により抵抗が大きくなるので、低屈折率層と高屈折率層の間に、Ａｌ組成が両者の間となる中間層を挿入して多層膜反射鏡の抵抗を低減している。
【００２９】
このように、面発光型半導体レーザ素子は、１００層にも及ぶ組成の異なる半導体層を成長しなければならない他に、多層膜反射鏡の低屈折率層と高屈折率層の間にも中間層を設けるなど、瞬時に原料供給量を制御する必要がある素子である。しかしＭＢＥ法では原料供給を原料セルの温度を変えて供給量を制御しており臨機応変に組成をコントロールすることができない。よってＭＢＥ法により成長した半導体多層膜反射鏡は抵抗を低くするのは困難であり動作電圧が高い。
【００３０】
また、ＭＢＥ法では高真空を必要とすることから原料供給量を高くすることができず、成長速度は１μｍ／ｈ程度であり１０μｍの厚さを成長するには原料供給量を変えるための成長中断時間を設けないとしても最低１０時間かかる。
【００３１】
一方、ＭＯＣＶＤ法は原料ガス流量を制御するだけでよく、瞬時に組成をコントロールできるとともに、ＭＢＥ法のような高真空を必要とせず、また成長速度を例えば３μｍ／ｈ以上と高くでき、容易にスループットを上げられることから、極めて量産に適した成長方法であり、半導体多層膜反射鏡はＭＯＣＶＤ法で成長する方が容易であることを見出した。
【００３２】
よって本発明では、最初の第１ステップで下部半導体多層膜反射鏡をＭＯＣＶＤ法で成長し、次の第２ステップでＧａＩｎＮＡｓ活性層を含む活性領域をＭＢＥ法で成長し、第３ステップで上部多層膜反射鏡をＭＯＣＶＤ法で成長するようにした。これにより、容易に低抵抗の多層膜反射鏡を形成でき、また容易に高品質のＧａＩｎＮＡｓ活性層を形成できるようになった。
【００３３】
また、ＭＢＥ法で成長するのはわずか（１μｍ程度以下）なので、装置への負担が小さく故障しにくくなるとともに、全てをＭＢＥ法で成長する従来の方法に比べて成長に要する時間を短縮できるという効果がある。ただし、ｎ側（ｎ側半導体）の多層膜反射鏡は低屈折率層と高屈折率層を交互に積層するだけでもキャリア濃度を１×１０^１８ｃｍ^−３程度の高濃度にするだけで特別なことをしなくても低抵抗化しやすいので、ｐ側（ｐ側半導体）の多層膜反射鏡のみをＭＯＣＶＤ法で成長してもよい。これによれば成長工程を簡略化できる。
【００３４】
またさらに本発明では、活性層と上部，下部の反射鏡を積層構造として成長させるときに、該積層構造を複数回（Ｎ回）の成長工程に分けて成長させるようになっており、その際、下地となる結晶成長層上に、次回の成長工程で次の結晶成長層を成長させることを再成長と称し（Ｎ回の成長工程では、再成長の工程数は（Ｎ−１）回となる）、下地となる結晶成長層との界面を再成長界面と称するとき、（Ｎ−１）回の再成長工程のうちの少なくとも１回の再成長工程において、再成長の開始に先立って、下地となる結晶成長層の表面の一部を臭素を含むガスでエッチング除去することを特徴としている。
【００３５】
これは、本発明のように複数回の結晶成長工程で素子を形成する場合、再成長界面では汚染，酸化等が生じやすい。ＣＢｒ_４のような臭素を含むガスはＧａＡｓなどの化合物半導体材料をエッチングする効果がある。よって、再成長時の表面層を除去することにより、表面の酸化膜等を除去することができ、再成長界面の影響を低減させることが可能となる。
【００３６】
（２）請求項２記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法は、半導体基板（２０）上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層（２３）を含んだ活性領域と、レーザ光を得るために活性層の上部及び下部に設けられた反射鏡（２１，２５）を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レーザ素子において、前記活性層（２３）はＧａ，Ｉｎ，Ｎ，Ａｓを主成分として含み、前記反射鏡のうち少なくとも下部反射鏡は、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、前記活性層（２３）をＭＯＣＶＤ成長室で成長させ、前記上部，下部の反射鏡（２１，２５）のうちの少なくとも下部反射鏡（２１）を別のＭＯＣＶＤ成長室またはＭＢＥ成長室で成長させて、活性層と上部，下部の反射鏡を積層構造として成長させるときに、該積層構造を複数回（Ｎ回）の成長工程に分けて成長させるようになっており、その際、下地となる結晶成長層上に、次回の成長工程で次の結晶成長層を成長させることを再成長と称し（Ｎ回の成長工程では、再成長の工程数は（Ｎ−１）回となる）、下地となる結晶成長層との界面を再成長界面と称するとき、（Ｎ−１）回の再成長工程のうちの少なくとも１回の再成長工程において、再成長の開始に先立って、下地となる結晶成長層の表面の一部を、臭素を含むガスでエッチング除去することを特徴としている。
【００３７】
本願の発明者は、ＧａＩｎＮＡｓの高品質化が、ＭＯＣＶＤ法に比べてＭＢＥ法の方が容易である理由の一つとして、ＭＯＣＶＤ法では窒素の原料とＡｌの原料との反応が極めて強く、Ａｌを含んだ層と窒素を含んだ層とを含んで構造体を形成する場合次のような不具合が生じる場合があることを見出した。
【００３８】
まず、その高い反応性である。図３は、Ａｌ組成２０％のＡｌＧａＩｎＮＰとＧａＩｎＮＰ（ここではｐ系材料での実験結果を示す）を成長したときのＶ族原料に対する窒素原料であるＤＭＨｙのモル比［ＤＭＨｙ］／（［ＰＨ３］＋［ＤＭＨｙ］）と窒素取りこまれ量の関係を示す図であり、横軸がモル比［ＤＭＨｙ］／（［ＰＨ３］＋［ＤＭＨｙ］）を、縦軸が窒素取りこまれ量を示している。ここで、ＡｌＧａＩｎＮＰは７００℃で成長させて（実験点を白丸で示す）、ＧａＩｎＮＰは６５０℃で成長させた（実験点を黒丸で示す）。
【００３９】
一般的に、窒素の取りこまれ量は成長温度が低い方が高く、また［ＤＭＨｙ］／（［ＰＨ３］＋［ＤＭＨｙ］）が大きい方が高くなるはずであるが、図３に示す実験結果によると、成長温度が高く、［ＤＭＨｙ］／（［ＰＨ３］＋［ＤＭＨｙ］）がごくわずかであるにもかかわらず、Ａｌを含んだＡｌＧａＩｎＮＰの方（白丸参照）が圧倒的に窒素が取りこまれやすくなっていることがわかる。また、ＤＭＨｙ等の窒素原料である有機系窒素化合物は、その精製の過程で水を除外するのが難しくて、ある程度の水（Ｈ_２Ｏ）を含んでいる。Ａｌは、非常に反応性が強く、特に水とはよく反応する。
【００４０】
ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子は、Ａｌを含んだＡｌＧａＡｓ系材料からなる多層膜反射鏡と、窒素を含んだＧａＩｎＮＡｓからなる活性層を含んだ構造体である。Ａｌを含んだ層を含む下部多層膜反射鏡を成長したときに、もし反応管にＡｌ原料が残留することがあると、活性層を成長するときに窒素原料と反応してしまい、活性層中にＡｌや酸素（Ｏ）を取りこみ、品質に影響を与えてしまったり、事前に窒素原料と反応してしまい、成長層への窒素取りこまれ量が減少したり、極めて大きな問題が生じる。特に、酸素の取りこみは、活性層中に深い不純物準位を作り、光学特性に悪影響を及ぼす。つまり、発光効率を落とし、レーザの場合、しきい値電流が大きくなる。
【００４１】
具体的な実験結果について以下に示す。
【００４２】
図１０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／ＧａＡｓ ２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１１は半導体発光素子の試料構造を示す図である。図１１を参照すると、試料構造は、ＧａＡｓ基板２０１上に、下部クラッド層２０２、中間層２０３、窒素を含む活性層２０４、中間層２０３、上部クラッド層２０５が順次積層されたものとなっている。図１０において、符号ＡはＡｌＧａＡｓクラッド層２０２上にＧａＡｓ中間層２０３をはさんで２重量子井戸構造を形成した試料の活性層２０４からの室温フォトルミネッセンススペクトルであり、符号ＢはＧａＩｎＰクラッド層２０２上にＧａＡｓ中間層２０３をはさんで２重量子井戸構造を連続的に形成した試料の活性層２０４からの室温フォトルミネッセンススペクトルである。
【００４３】
図１０に示すように、試料Ａでは試料Ｂに比べてフォトルミネッセンス強度が半分以下に低下している。従って、１台のＭＯＣＶＤ装置を用いてＡｌＧａＡｓ等のＡｌを構成元素として含む半導体層上に、ＧａＩｎＮＡｓ等の窒素を含む活性層を連続的に形成すると、活性層の発光強度が劣化してしまうという問題が生じた。そのため、ＡｌＧａＡｓクラッド層上に形成したＧａＩｎＮＡｓ系レーザの閾電流密度は、ＧａＩｎＰクラッド層上に形成した場合に比べて２倍以上高くなってしまう。
【００４４】
本願の発明者は、さらに、この原因解明について検討した。図１２は、図１１に示した半導体発光素子の一例として、クラッド層２０２，２０５をＡｌＧａＡｓとし、中間層２０３をＧａＡｓとし、活性層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装置）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。測定はＳＩＭＳによって行った。次表（表１）に測定条件を示す。
【００４５】
【表１】

【００４６】
図１２において、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造に対応して、活性層２０４中に２つの窒素（Ｎ）ピークが見られる。そして、活性層２０４において、酸素（Ｏ）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２０４の酸素濃度よりも約１桁低い濃度となっている。
【００４７】
一方、クラッド層２０２，２０５をＧａＩｎＰとし、中間層２０３をＧａＡｓとし、活性層２０４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（Ｏ）濃度の深さ方向分布を測定した場合には、活性層２０４中の酸素（Ｏ）濃度はバックグラウンドレベルであった。
【００４８】
すなわち、窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて、エピタキシャル成長装置により、基板２０１と窒素を含む活性層２０４との間にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子を連続的に結晶成長すると、窒素を含む活性層２０４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２０４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２０４の発光効率を低下させてしまう。この活性層２０４に取り込まれた酸素が、基板２０１と窒素を含む活性層２０４との間にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子における発光効率を低下させる原因であることが新たに判明した。この酸素の起源は、装置内に残留している酸素を含んだ物質、または、窒素化合物原料中に不純物として含まれる酸素を含んだ物質と考えられる。
【００４９】
次に、酸素の取り込まれる原因について検討した。図１３は、図１２と同じ試料のＡｌ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。
次表（表２）に測定条件を示す。
【００５０】
【表２】

【００５１】
図１３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（クラッド層２０２，２０５）に隣接した中間層（ＧａＡｓ層）２０３においては、Ａｌ濃度は活性層よりも約１桁低い濃度となっている。これは、活性層２０４中のＡｌがＡｌを含む半導体層（クラッド層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。
【００５２】
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。
【００５３】
従って、活性層２０４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，Ａｌ反応物，Ａｌ化合物，Ａｌのうちの少なくとも１つが、窒素化合物原料または窒素化合物原料中の不純物（水分，アルコール等）と結合して活性層２０４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２０１と窒素を含む活性層２０４との間にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子を連続的に結晶成長すると、窒素を含む活性層２０４中に自然にＡｌが取り込まれてしまうことが新たにわかった。
【００５４】
図１２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１３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ることがわかった。すなわち、成長室内に残留したＡｌ原料，Ａｌ反応物，Ａｌ化合物，Ａｌのうちの少なくとも１つ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２０４中にＡｌと酸素が取り込まれる。この活性層２０４に取り込まれた酸素が活性層２０４の発光効率を低下させる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。
【００５５】
よって、これを改善するためには、少なくとも成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に、Ａｌ原料，Ａｌ反応物，Ａｌ化合物，Ａｌのうちの少なくとも１つが存在しない状態で、窒素を含む活性層を成長することが好ましいことがわかった。
【００５６】
この方法として、Ａｌを含んだ半導体層を成長後、別の反応室に基板を移動させて窒素を含む活性層を成長させることが好ましい。つまり、Ａｌを含んだ半導体層を別のＭＯＣＶＤ成長室またはＭＢＥ成長室等の他の成長室で成長してから窒素を含む活性層をＭＯＣＶＤ成長することが好ましい。この方法によれば、窒素を含む活性層を成長するため成長室に窒素化合物原料を供給したときに、反応室に残留したＡｌ原料，Ａｌ反応物，Ａｌ化合物，Ａｌのうちの少なくとも１つと、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。
【００５７】
例えば、窒素を含む活性層中のＡｌ濃度を１×１０^１９ｃｍ^−３以下に低減することにより、室温連続発振が可能となった。さらに、窒素を含む活性層中のＡｌ濃度を２×１０^１８ｃｍ^−３以下に低減することにより、Ａｌを含まない半導体層上に形成した場合と同等の発光特性が得られた。
【００５８】
次表（表３）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が示されている。
【００５９】
【表３】

【００６０】
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２×１０^１９ｃｍ^−３以上のＡｌ及び１×１０^１８ｃｍ^−３以上の酸素が取り込まれており、閾電流密度は１０ｋＡ／ｃｍ^２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１×１０^１９ｃｍ^−３以下に低減することにより、活性層中の酸素濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３以下に低減され、閾電流密度２〜３ｋＡ／ｃｍ^２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／ｃｍ^２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提供することが可能となる。
【００６１】
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。
【００６２】
ＭＢＥ法は超減圧（高真空中）で結晶成長が行われるのに対して、ＭＯＣＶＤ法は、通常数１０Ｔｏｒｒから大気圧程度と、ＭＢＥ法に比べて反応室の圧力が高いため、平均自由行程が圧倒的に短く、供給された原料やキャリアガスがガスラインや反応室等で他と接触，反応するためと考えられる。よって、ＭＯＣＶＤ法のように、反応室やガスラインの圧力が高い成長方法の場合、Ａｌを含んだ半導体層を成長後、窒素を含んだ活性層を同じ反応室で成長するのではなく、別の反応室に基板を移動させて成長させることが好ましい。
【００６３】
上記のように本発明は、ＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ， ＧａＮＰＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等の窒素を含む活性層の場合に効果があることがわかった。
【００６４】
これにより量産化に有利なＭＯＣＶＤ法で良好な品質のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の多層膜構造体を結晶成長できる。
【００６５】
（３）請求項３記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法は、半導体基板（２０）上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層（２３）を含んだ活性領域と、レーザ光を得るために活性層の上部及び下部に設けられた反射鏡（２１，２５）を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レーザ素子において、前記活性層（２３）はＧａ，Ｉｎ，Ｎ，Ａｓを主成分として含み、前記反射鏡のうち少なくとも一方の反射鏡は、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、前記活性層（２３）と前記反射鏡（２１，２５（両方が半導体多層膜反射鏡の場合））とを、それぞれ別々のＭＯＣＶＤ成長室で成長させて、活性層と上部，下部の反射鏡を積層構造として成長させるときに、該積層構造を複数回（Ｎ回）の成長工程に分けて成長させるようになっており、その際、下地となる結晶成長層上に、次回の成長工程で次の結晶成長層を成長させることを再成長と称し（Ｎ回の成長工程では、再成長の工程数は（Ｎ−１）回となる）、下地となる結晶成長層との界面を再成長界面と称するとき、（Ｎ−１）回の再成長工程のうちの少なくとも１回の再成長工程において、再成長の開始に先立って、下地となる結晶成長層の表面の一部を、臭素を含むガスでエッチング除去することを特徴としている。
【００６６】
例えば下部及び上部反射鏡の両方が半導体多層膜反射鏡である場合には、これらを第１のＭＯＣＶＤ成長室で成長させ、活性層を第２の成長室で成長させる。
また、下部反射鏡のみが半導体多層膜反射鏡である場合には、これを第１のＭＯＣＶＤ成長室で成長させ、活性層を第２の成長室で成長させる。また、上部反射鏡のみが半導体多層膜反射鏡である場合には、これを第１のＭＯＣＶＤ成長室で成長させ、活性層を第２の成長室で成長させる場合が考えられる。
【００６７】
このように、上記製造方法では、Ａｌを含んだ材料系からなる多層膜反射鏡と、窒素を含んだ材料系からなる活性層とを、別々の成長室で成長するので、窒素を含んだ材料系からなる活性層を成長する反応室においてＡｌを含んだ材料を成長しないようにすることが可能であり、窒素を含んだ材料系からなる活性層中へＡｌとの反応に関係した酸素が取り込まれるのをを防止することが可能となる。
すなわち、酸素の取り込みは活性層中に深い不純物準位を作り光学特性に悪影響を及ぼすが（つまり発光効率を落とし、レーザの場合しきい値電流が大きくなるが）、本発明では、窒素を含んだ材料系からなる活性層中へＡｌとの反応に関係した酸素が取り込まれるのをを防止することが可能となるので、これにより、量産化に有利なＭＯＣＶＤ法で良好な品質のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の多層膜構造体を結晶成長できる。
【００６８】
（４）請求項４記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法は、請求項２または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、活性層を成長させる成長室は、Ａｌを含んだ材料を成長しない成長室であることを特徴としている。
【００６９】
請求項４記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法では、活性層を成長させる成長室内には、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌが残留していないので、窒素を含んだ活性層にＡｌとともに酸素が取りこまれることを確実に防止でき、発光効率の高い、しきい値電流の低い面発光型半導体レーザ素子を得ることができる。
【００７０】
（５）請求項５記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法は、請求項２または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、活性層を成長させる成長室は、Ａｌを含んだ材料を成長する場合がある成長室であり、Ａｌを含んだ材料を成長した後、活性層を成長するまでの間に、成長室内に残留したＡｌ原料，Ａｌ反応物，Ａｌ化合物，Ａｌのうちの少なくとも１つを除去する工程を設けたことを特徴としている。
【００７１】
請求項５記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法では、窒素を含む活性層を成長させる成長室で、成長前に、あらかじめ成長室内に残留しているＡｌ原料，Ａｌ反応物，Ａｌ化合物，Ａｌのうちの少なくとも１つを除去してあるので、活性層を成長させる成長室内には、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌが残留しておらず、窒素を含んだ活性層にＡｌとともに酸素が取りこまれることを確実に防止でき、発光効率の高い、しきい値電流の低い面発光型半導体レーザ素子を得ることができる。
【００７２】
Ａｌ原料，Ａｌ反応物，Ａｌ化合物，Ａｌのうちの少なくとも１つを除去する工程は、例えばガスラインや成長室の真空引き、またはキャリアガス（例えば水素ガス）を供給、またはキャリアガス（例えば水素ガス）を供給しながら成長室内の加熱体を加熱すると良いが、これに限るものではない。加熱体を加熱する場合、成長温度より高い温度で行なうのが好ましい。これらの工程は、被成長基板を成長室に導入する前に行なうのが好ましい。
【００７３】
（６）請求項６記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法は、請求項１または２または３または４または５記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法において、活性層を成長する成長室において、活性層を成長する前にＧａ_ｘＩｎ_{１− ｘ}Ｐ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層を成長することを特徴としている。
【００７４】
キャリアが注入される活性領域中を再成長界面とすると、酸化等により非発光再結合が生じ発光効率を落とす恐れがあるが、請求項４のように成長室移動後、活性層を成長する前にＧａ_ｘＩｎ_{１− ｘ}Ｐ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層を成長すると、Ｇａ_ｘＩｎ_{１− ｘ}Ｐ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）よりナローギャップの材料（例えばＧａＡｓ）で活性領域を形成することが可能となるので、上記発光効率低下の心配がなくなり、再成長界面による素子性能への影響をなくすことができる。なお、Ｇａ_ｘＩｎ_{１− ｘ}Ｐ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層にはＡｌが含まれておらず、キャリアが主に注入される領域よりワイドギャップであれば良く、Ｂ、Ｎ、Ｓｂ、等、他のＩＩＩ−Ｖ族元素が含まれていても良い。
【００７５】
（７）請求項７記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法は、請求項１または２または３または４または５記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法において、各成長間の界面である再成長界面を半導体分布ブラッグ反射鏡部分とすることを特徴としている。
【００７６】
キャリアが注入される活性領域中を再成長界面とすると、酸化等により非発光再結合が生じ発光効率を落とす恐れがあるが、請求項５のように再成長界面を反射鏡部分に設けると、成長界面と活性領域との間にワイドギャップである低屈折率層が存在するので、上記恐れがなくなり、再成長界面による素子性能への影響をなくすことができる。
【００７７】
（８）請求項８記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法は、請求項１または２または３または４または５記載の面発光半導体レーザ素子の製造方法において、複数の結晶成長室が真空搬送路等で連結されており、大気中にさらすことなく被成長基板を搬送して結晶成長することを特徴としている。
【００７８】
請求項８の構成によれば、大気にさらすことがないので、大気にさらしたとき生じる再成長界面での酸化膜などの形成を抑制でき、良好な多層膜構造体を成長できる。
【００７９】
（９）請求項９記載の面発光型半導体レーザ素子は、請求項１から８のいずれか一項に記載の製造方法を用いて形成されたことを特徴としている。
【００８０】
すなわち、ＧａＡｓよりも格子定数が大きいＧａＩｎＡｓにＮを添加することで、ＧａＩｎＮＡｓはＧａＡｓに格子整合させることが可能となるとともに、そのバンドギャップが小さくなり、１．３μｍ，１．５５μｍ帯での発光が可能となる。ＧａＡｓ基板格子整合系なので、ワイドギャップのＡｌＧａＡｓやＧａＩｎＰをクラッド層に用いることができる。
【００８１】
さらに、Ｎの添加により上記のようにバンドギャップが小さくなるとともに、伝導帯，価電子帯のエネルギーレベルがともに下がり、ヘテロ接合における伝導帯のバンド不連続が極めて大きくなる結果、レーザの動作電流の温度依存性を極めて小さくできる。
【００８２】
さらに、面発光型半導体レーザ素子は、小型，低消費電力及び２次元集積化による並列伝送に有利である。面発光型半導体レーザ素子は、従来のＧａＩｎＰＡｓ／ＩｎＰ系では実用化に絶え得る性能を得るのは困難であるが、ＧａＩｎＮＡｓ系材料によるとＧａＡｓ基板を用いた０．８５μｍ帯面発光型半導体レーザ素子などで実績のあるＡｌ（Ｇａ）Ａｓ／（Ａｌ）ＧａＡｓ系半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡や、ＡｌＡｓの選択酸化による電流狭さく構造が適用できるので、実用化が期待できる。
【００８３】
これを実現するためには、ＧａＩｎＮＡｓ活性層の結晶品質の向上や、多層膜反射鏡の低抵抗化、面発光型半導体レーザ素子としての多層膜構造体の結晶品質や制御性の向上が重要であったが、本発明の請求項１から８による製造方法、請求項９、１０の製造装置のいずれかまたは複数を用いることで、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流動作し、温度特性が良い面発光型半導体レーザ素子を容易に実現できる。
【００８４】
（１０）請求項１０記載の面発光型半導体レーザ素子は、請求項１記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法によって作製され、前記活性層と前記再成長界面との間に、再成長界面となる半導体材料よりもバンドギャップが大きいＡｌを含む半導体材料が形成されていることを特徴としている。
【００８５】
ＧａＩｎＮＡｓ系活性層をＭＢＥ法で成長する場合においては、再成長界面となる半導体材料よりもバンドギャップが大きい材料として、Ａｌを含んだ材料を用いることができる。Ａｌを含んだ材料としては、ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓなどが挙げられる。しかし、本発明は、これらの材料だけに限定されるものではない。再成長界面と活性層と間の半導体材料を、再成長界面となる半導体層よりもバンドギャップの大きい材料とすることにより、キャリア注入時に、再成長界面でのキャリアの再結合を低減でき、酸化等により非発光再結合センターが増加しやすい再成長界面があっても、素子特性に与える悪影響を低減することができる。
【００８６】
（１１）請求項１１記載の面発光型半導体レーザ素子は、請求項１０記載の面発光型半導体レーザ素子において、再成長界面となる半導体材料よりもバンドギャップが大きいＡｌを含む半導体材料は、ＡｌＧａＡｓであることを特徴としている。
【００８７】
再成長界面となる半導体材料よりもバンドギャップが大きいＡｌを含む半導体材料としては、再成長界面となる半導体層としては成長の容易なＧａＡｓが好ましいが、他の材料でもかまわない。さらに、Ａｌを含んだ材料としては、組成により格子定数がほとんど変わらないＡｌＧａＡｓが好ましい。
【００８８】
（１２）請求項１２記載の面発光型半導体レーザ素子は、請求項１乃至請求項３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よって作製され、再成長界面を半導体分布ブラッグ反射鏡で挟まれた共振器内部としていることを特徴としている。
【００８９】
再成長界面を共振器内部とした場合は、半導体多層膜反射鏡は１回目の成長（１ｓｔ成長）または３回目の成長（３ｒｄ成長）でそれぞれ一括して成長できる。半導体多層膜反射鏡の一部を別途成長すると、厚さや組成を同一にするのは難しい。そのため一括で成長した方が、膜厚や組成の揺らぎが小さくなり、反射帯域の制御性が向上し、反射率の低下も抑えることが可能である。
【００９０】
（１３）請求項１３記載の面発光型半導体レーザ素子は、半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層と活性層よりバンドギャップが大きく屈折率が小さいスペーサ層とを含む共振器領域を有し、共振器領域が共振器領域の上部及び下部に設けられた反射鏡に挟まれた構造からなる面発光型半導体レーザ素子において、前記活性層は、Ｇａ，Ｉｎ，Ｎ，Ａｓを主成分として含み、前記上部，下部の反射鏡のうちの少なくとも一方の反射鏡は、屈折率が周期的に変化するｎ型またはｐ型からな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と活性層との間のスペーサ層中に、スペーサ層よりもバンドギャップが大きいワイドギャップ層を含み、半導体分布ブラッグ反射鏡からワイドギャップ層まで連続してｎ型またはｐ型となっていることを特徴としている。
【００９１】
再成長界面は、酸化膜形成等により抵抗が高くなる傾向がある。またさらにキャリアをトラップしてしまう効果もあり、電気的特性を悪くしてしまう。しかし少なくとも再成長界面を含んだ領域をｎ型またはｐ型にドーピングすることで、キャリアをスムーズに流すことができるようになり、上記問題を抑えることが可能となる。
【００９２】
（１４）請求項１４記載の光送信モジュールは、請求項９乃至請求項１３のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いたことを特徴としている。上記の如き低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流動作し、温度特性が良い面発光型半導体レーザ素子を用いることによって、冷却素子が不要な低コストな光送信モジュールを実現することができる。
【００９３】
（１５）請求項１５記載の光送受信モジュールは、請求項９乃至請求項１３のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いたことを特徴としている。上記の如き低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流動作し、温度特性が良い面発光型半導体レーザ素子を用いることによって、冷却素子が不要な低コストな光送受信モジュールを実現することができる。
【００９４】
（１６）請求項１６記載の光通信システムは、請求項９乃至請求項１３のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いたことを特徴としている。上記の如き低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流動作し、温度特性が良い面発光型半導体レーザ素子を用いることによって、冷却素子不要な低コストな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。
【００９５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
【００９６】
（第１の実施例＜請求項１，６，７，８，９＞）
本発明の第１の実施例に係るＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子について説明する。
【００９７】
図４は、本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザ素子の構造を示す図である。図４に示すように、本実施例における面発光型半導体レーザ素子は、２インチの大きさの面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板２０上に，それぞれの媒質内における発振波長の１／４倍の厚さでｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９）とｎ−ＧａＡｓを交互に３５周期積層した周期構造からなるｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡（下部半導体分布ブラッグ反射鏡：単に下部反射鏡ともいう）２１が形成（図４では詳細は省略）されている。その上にアンドープ下部ＧａＡｓスペーサ層２２，３層のＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＮ_ｙＡｓ_１−ｙ（ｘ、ｙ）井戸層とＧａＡｓバリア層１５ｎｍからなる多重量子井戸活性層２３，アンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層２４が形成されている。
【００９８】
その上にｐ−半導体分布ブラッグ反射鏡（上部半導体分布ブラッグ反射鏡：単に上部反射鏡ともいう）２５が形成されている。上部反射鏡２５は、被選択酸化層となるＡｌＡｓをＡｌＧａＡｓで挟んだ３λ／４厚さの低屈折率層（λ／４−１５ｎｍのＣドープｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９）、３０ｎｍのＣドープｐ−ＡｌＡｓ被選択酸化層２５１、２λ／４−１５ｎｍのＣドープのｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９））と厚さλ／４のＧａＡｓ（１周期）、及びＣドープのｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９）とｐ−ＧａＡｓ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 例えば、２５周期から構成されている（図では詳細は省略）。
【００９９】
上部反射鏡２５の最上部のＧａＡｓ層２５２は電極とコンタクトを取るコンタクト層を兼ねている。活性層２３内の井戸層のＩｎ組成ｘは３７％，窒素組成は０．５％とした。井戸層の厚さは７ｎｍとした。ＧａＡｓ基板２０に対して約２．５％の圧縮歪（高歪）を有していた。
【０１００】
本実施例における図４の面発光型半導体レーザ素子の各層の結晶成長は、図５に示すような結晶成長装置で行われる。図５に示すように、本実施例に係る結晶成長装置においては、ＭＯＣＶＤ成長室３１とＭＢＥ成長室３２とが真空搬送路を通して結合されており、反射鏡をＭＯＣＶＤ成長室３１で成長させ、ＧａＩｎＮＡｓ活性層をＭＢＥ成長室３２で成長させるように、ＧａＡｓスペーサ層の途中でＧａＡｓ基板２０を移動した。結晶成長装置におけるＭＯＣＶＤ装置とＭＢＥ装置とをそれぞれ別々とし、ＧａＡｓ基板２０を一度大気中に取り出すようにしてもよいが、望ましくは図５のように一体化して大気にさらさないようにした方がよい。再成長界面に取り込まれてしまう酸素の濃度を低減できるからである。
【０１０１】
本実施例において、ＭＢＥ法でのＧａＩｎＮＡｓ成長には固体ソースのＧａ，Ｉｎ，Ａｓ，そしてＮ_２ガスをＲＦラジカルセルで分解した窒素を用いた。またＭＯＣＶＤ装置によるＡｌＧａＡｓ系成長にはＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＡｓＨ_３（アルシン）を用い、キャリアガスにはＨ_２（水素）を用いた。本実施例の素子の活性層のように歪が大きい場合は、非平衡となる低温成長が好ましい。本実施例ではＧａＩｎＮＡｓ層は４３０℃で成長させた。
【０１０２】
所定の大きさのメサを少なくともｐ−ＡｌＡｓ被選択酸化層２５１の側面を露出させて形成し、側面の現れたＡｌＡｓを水蒸気で側面から酸化してＡｌ_ｘＯ_ｙ電流狭さく層２６を形成した。そして次にポリイミド２７でエッチング部を埋め込んで平坦化し、ｐコンタクト層２５２と光出射部２８のある上部反射鏡上のポリイミドを除去し、ｐコンタクト層２５２上の光出射部２８以外にｐ側電極２９を形成し、基板２０の裏面にｎ側電極３０を形成した。
【０１０３】
作製した面発光型半導体レーザ素子の発振波長は約１．３μｍであった。ＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いたので、ＧａＡｓ基板上に長波長帯の面発光型半導体レーザ素子を形成できた。また、ＡｌとＡｓを主成分とした被選択酸化層の選択酸化により電流狭さくを行ったので、しきい値電流は低かった。被選択酸化層を選択酸化したＡｌ酸化膜からなる電流狭さく層を用いた電流狭さく構造によると、電流狭さく層を活性層に近づけて形成することで電流の広がりを抑えられ、大気に触れない微小領域に効率良くキャリアを閉じ込めることができる。
【０１０４】
さらに酸化して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。このように本実施例によれば、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素子を実現できる。なお、移動回数を低減し製造時間を短縮するために、ｎ側多層膜反射鏡２１と活性層２３をＭＢＥ成長室で成長し、ｐ側多層膜反射鏡２５のみをＭＯＣＶＤ成長室で成長することもできる。
【０１０５】
（第２の実施例＜請求項２，３，６，７，８，９＞）
本発明の第２の実施例に係るＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子について説明する。本実施例におけるＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の構造は、第１の実施例と同様に図４の通りであり、第１の実施例と異なる点は結晶成長方法である。本実施例での結晶成長は、２つのＭＯＣＶＤ成長室を有するＭＯＣＶＤ装置で行った。
【０１０６】
図６は、本実施例でＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の結晶成長を行う２つのＭＯＣＶＤ成長室４１，４２を有するＭＯＣＶＤ装置の概要図である。
【０１０７】
本実施例では、Ａｌを含んだ層を用いた反射鏡（図４の下部反射鏡２１と上部反射鏡２５）は第１のＭＯＣＶＤ成長室４１で成長させ、窒素を含んだ層を用いたＧａＩｎＮＡｓ活性層（図４のＧａＩｎＮＡｓ活性層２３）は第２のＭＯＣＶＤ成長室４２で成長させた。なお、本実施例では第１のＭＯＣＶＤ成長室４１は縦型反応管を用い、第２のＭＯＣＶＤ成長室４２は横型反応管を用いた。ＧａＡｓスペーサ層２２の成長途中で基板を真空搬送路４３を通して移動して成長させた。
【０１０８】
ＭＯＣＶＤ法によるＧａＩｎＮＡｓ活性層２３の原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＡｓＨ_３（アルシン），そして窒素の原料にはＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を用いた。キャリアガスにはＨ_２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好ましい原料である。本実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の活性層２３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。本実施例ではＧａＩｎＮＡｓ層２３は５４０℃で成長させた。また、窒素の原料とＡｌ原料はガスライン中で出会わないようにした。具体的には、図６に示すＯＮ，ＯＦＦバルブの開け閉めで出会わないようにしている。
【０１０９】
第１のＭＯＣＶＤ成長室４１に用いた縦型反応管は均一性に優れており多層膜反射鏡の成長に適している。また、第２のＭＯＣＶＤ成長室４２に用いた横型反応管は層流を作りやすいという特徴がある。また上流と下流が存在するので原料ガスの事前分解などもでき、低温成長化に有利であり、ＧａＩｎＮＡｓの成長に適している。図６のような縦型反応管と横型反応管の組み合わせに限らず、例えば複数の形態の違った縦型反応管の組み合わせ等、複数の成長室を有すると、それぞれの成長層に適した成長室形態にすることができ、様々な多層膜構造体を容易に最適化して成長できるメリットがある。
【０１１０】
本実施例では、全てＭＯＣＶＤ装置を用い、しかも真空搬送路４３で結合しているので、再成長界面の悪影響も無く、スループット良くＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子を製造できた。
【０１１１】
また、再成長界面をＧａＡｓスペーサ層の途中としたが、これに限るものではない（第１の実施例でも同様である）。キャリアが注入される活性領域中を再成長界面とすると酸化等により非発光再結合が生じ発光効率を落とす可能性があるので、反射鏡部分に設けるとよい。例えば反射鏡を構成する高屈折率層と低屈折率層を１ペア２ｎｄ成長（活性領域を成長するステップ）で成長するとよい。
【０１１２】
この場合、Ａｌを含まない層を再成長界面とするのが好ましいので（Ａｌを含む層を再成長界面とすると真空搬送を行っても酸化による悪影響が問題になる場合がある）、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率層をＡｌ（Ｇａ）Ａｓとし、ＧａＡｓ層中を再成長界面とするとよい。特にＭＯＣＶＤ法では、ＧａＩｎＮＡｓを成長する反応室でＡｌを含んだ層を成長すると問題が生じる場合（特に、基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含んだ層を成長する場合）があるので、低屈折率層にはＧａ_ｘＩｎ_{１− ｘ}Ｐ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）などＡｌを含まない材料を用いることが好ましい。
【０１１３】
この例を図１４に示す。図１４では、活性領域を成長するステップ（２ｎｄ成長）においてＧａＩｎＮＡｓ活性層を成長する前にＧａ_ｘＩｎ_{１− ｘ}Ｐ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層を成長している。また、このＧａ_ｘＩｎ_{１− ｘ}Ｐ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層は、下部反射鏡を構成する低屈折率層のうちの１層となっている。なお、上部反射鏡は図４と同じ構成とし、下部反射鏡の低屈折率層のみがＧａ_ｘＩｎ_{１− ｘ}Ｐ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）となっている。活性領域を成長するステップ（２ｎｄ成長）で上部反射鏡を構成する低屈折率層部分（被選択酸化層となるＡｌＡｓをＡｌＧａＡｓで挟んだ３λ／４厚さの低屈折率層）をＡｌＧａＡｓ系材料で構成したが、次回の窒素を含む活性層成長までに充分時間があるので、その間に装置を真空引き等でクリーニングすることでＡｌ及び酸素の活性層への混入を防ぐことができる。なお、このクリーニングは通常でも行うので特に製造工程は増加しない。また、クリーニング方法としては、キャリアガスである水素ガスを供給しながら成長室内の加熱体を加熱すると効率が良い。加熱体を加熱する場合、成長温度より高い温度で行なうのが好ましい。望ましくは、活性層を成長させる成長室は、Ａｌを含んだ材料を成長しない、つまりＡｌ原料を供給しない成長室であると良い。確実にＡｌとともに酸素が窒素を含む活性層に取りこまれるのを防止できるからである。
【０１１４】
（第３の実施例＜請求項１４，１６＞）
図７は、本発明の第３の実施例を示す図で、第１の実施例に係る面発光型半導体レーザ素子と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図である。本実施例では１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓの面発光型半導体レーザ素子５１からのレーザ光５３が石英系光ファイバー５２に入力され、伝送される。発振波長の異なる複数の面発光型半導体レーザ素子を１次元または２次元にアレイ状に配置して、波長多重送信することにより伝送速度を増大することが可能となる。また、面発光型半導体レーザ素子を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５２からなる光ファイバー束とを結合させて伝送速度を増大することもできる。
【０１１５】
さらに、本発明による面発光型半導体レーザ素子を光通信システムに用いると、低コストで信頼性が高い光送信モジュールを実現できる他、これを用いた低コスト，高信頼の光通信システムを実現できる。また、ＧａＩｎＮＡｓを用いた面発光型半導体レーザ素子は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。
【０１１６】
（第４の実施例＜請求項１５，１６＞）
図８は、本発明の第４の実施例を示す図で、第２の実施例の面発光型半導体レーザ素子と、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図である。
【０１１７】
本発明による面発光型半導体レーザ素子を光通信システムに用いる場合、面発光型半導体レーザ素子は低コストであるので、図８に示すように送信用の面発光型半導体レーザ素子（１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子）６１と、受信用フォトダイオード６２と、光ファイバー６３とを組み合わせた光送信モジュールを用いた低コスト高信頼性の光通信システムを実現できる。また、本発明に係るＧａＩｎＮＡｓを用いた面発光型半導体レーザ素子の場合，温度特性が良いこと、動作電圧が低いこと、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より低コストのシステムを実現できる。
【０１１８】
さらに、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を活性層に用いた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。
【０１１９】
本発明に係る面発光型半導体レーザ素子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（Ｌｏｃａｌ 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。
【０１２０】
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に変えると、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内の素子間等を本発明に係る光送信モジュールや光送受信モジュールを用いて接続すると、超高速コンピュータシステムが可能となる。
【０１２１】
また、複数のコンピュータシステム等を本発明に係る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構築できる。特に面発光型半導体レーザ素子は端面発光型レーザに比べて桁違いに低消費電力化でき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。
【０１２２】
以上説明したように、ＧａＩｎＮＡｓ系材料によるとＧａＡｓ基板を用いた０．８５μｍ帯面発光型半導体レーザ素子などで実績のあるＡｌ（Ｇａ）Ａｓ／（Ａｌ）ＧａＡｓ系半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡や、ＡｌＡｓの選択酸化による電流狭さく構造が適用でき、第１の実施例や第２の実施例または後述の第５の実施例のように面発光型半導体レーザ素子を製造することにより、ＧａＩｎＮＡｓ活性層の結晶品質の向上や、多層膜反射鏡の低抵抗化、面発光型半導体レーザ素子としての多層膜構造体の結晶品質や制御性の向上ができるので、実用レベルの高性能の１．３μｍ帯等の長波長帯面発光型半導体レーザ素子を実現でき、さらにこれらの素子を用いると、冷却素子不要で低コストの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。
【０１２３】
（第５の実施例＜請求項２，３，６，７，８，９＞）
図１５は第５の実施例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、活性領域付近の拡大図も示されている。第２の実施例の素子（図１４）との違いはＧａ_ｘＩｎ_{１− ｘ}Ｐ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層（第二スペーサ層）が共振器の中にあることである。本実施例では共振器部の厚さは１波長分の厚さとなっている。共振器部は３層からなるＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層とＧａＡｓ障壁層とからなる活性層と、ＧａＡｓを第一スペーサ層、Ｇａ_ｘＩｎ_{１− ｘ}Ｐ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ１）層を第二スペーサ層とした構造となっている。Ｇａ_ｘＩｎ_{１− ｘ}Ｐ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層は、ＧａＡｓ層よりバンドギャップが大きいので、キャリアが注入される活性領域は実質ＧａＡｓ第一スペーサ層までとなり、実施例２の素子と同様な効果が得られる。
【０１２４】
なお、成長室を移すための成長中断界面はＧａ_ｘＩｎ_{１− ｘ}Ｐ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層の途中に設けたが、Ｇａ_ｘＩｎ_{１− ｘ}Ｐ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層とＡｌを含んだ層との間にＧａＡｓ層を設けてその層の途中などで行うこともできる。
【０１２５】
また成長装置としてはＭＯＣＶＤ反応室とＭＢＥ反応室が真空搬送路で結合された装置を用いることもできる。この場合、ｎ側の下部反射鏡をＭＢＥ反応室で成長し、窒素を含んだ活性層とｐ側反射鏡は連続してＭＯＣＶＤ成長室で成長することができる。このときには、基板の成長室間の移動は１回で済むので短時間で成長できる。この場合でもＭＯＣＶＤ成長による窒素を含んだ活性層中の酸素の取り込まれを低減できる。またｐ側反射鏡の抵抗を低減できる。
【０１２６】
（第６の実施例＜請求項１，９，１２，１３＞）
図１６は本発明の第６の実施例に係る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、活性領域付近の拡大図も示されている。第１の実施例の素子（図４）との違いは、各再成長界面となる半導体材料（本実施例ではＧａＡｓスペーサ層７１）よりもバンドギャップが大きいＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）が、各再成長界面と活性層との間に設けられていることである（７２）。なお、本実施例ではＧａＡｓＰを用いているが、これに限られるものではない。しかし、ＧａＡｓＰは、再成長界面となるＧａＡｓよりもバンドギャップが大きいので、第２の実施例の素子と同様な効果が得られる。
【０１２７】
また、結晶成長は、ＭＯＣＶＤ，ＭＢＥの各反応室が連結されていない別個の装置で行った。
【０１２８】
バンドギャップの大きいＧａＡｓＰを各再成長界面と活性層との間に設けたため、界面の酸化等の影響を低減することができる。
【０１２９】
なお、本実施例での再成長界面は、共振器内部にある。つまり、半導体多層膜反射鏡は、１回目の成長（１ｓｔ成長７３）と３回目の成長（３ｒｄ成長７５）でそれぞれ一括して成長している。半導体多層膜反射鏡の一部は別途成長すると、厚さや組成を同一にするのは難しい。これに対し、一括で成長すると、膜厚や組成の揺らぎが小さくなり、反射帯域の制御性が向上し、反射率の低下も抑えられることができる。
【０１３０】
また、少なくとも再成長界面を含んだ領域は、ｎ型（７６），ｐ型（７７）にドーピングされている。本実施例において、ｎ型多層膜反射鏡側（７８）は、反射鏡部分から連続してＧａＡｓＰワイドギャップ層までをｎ型に制御し、ｐ型多層膜反射鏡側（７９）は、反射鏡から連続してＧａＡｓＰワイドギャップ層までをｐ型に制御している。再成長界面は、酸化膜等により抵抗が高くなる傾向がある。さらにキャリアをトラップしてしまい、電気的特性を悪くする傾向がみられることから、少なくとも再成長界面を含んだ領域をｎ型（７６），ｐ型（７７）にドーピングすることで、キャリアをスムーズに流すことができるようになり、上記問題を抑えることが可能となる。なお、キャリア濃度は少なくとも１×１０^１７ｃｍ^−３以上、好ましくは５×１０^１７ｃｍ^−３以上とすると良い。また、ｐ型層とｎ型層とで挟まれたアンドープ領域（故意にはドーピングしていない領域）は通常、極めて低いキャリア濃度であるのが普通であるが、材料によっては不純物が高濃度で入ってしまい、明らかに導電型を持つ層となることがある。例えばＡｌＧａＡｓは炭素（Ｃ）が混入されやすく、ｐ型になりやすい。ｐ型層またはｎ型層と活性層との間に複数の材料を設けた場合、ｐ型とｎ型が入り乱れて電気特性を悪くする可能性があるため、本実施例のように一様にドーピングすることが好ましい。
【０１３１】
（第７の実施例＜請求項１，９，１０，１１，１２＞）
本発明の第７の実施例に係る面発光型半導体レーザ素子は、第６の実施例で説明した図１６において、各再成長界面となる半導体材料（本実施例ではＧａＡｓスペーサ層７１）よりもバンドギャップが大きいＡｌを含んだ材料が、各再成長界面と活性層との間に設けられている構成（７２）となっている。具体的に、本実施例では、ＡｌＧａＡｓを用いているが、これに限られるものではない。他に、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＡｓ，Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＰなどを用いることができる。
【０１３２】
ＧａＩｎＮＡｓ系活性層はＭＢＥ法で成長しているので、バンドギャップの大きい材料としてＡｌを含んだ材料を用いることができる。また、ＡｌＧａＡｓは、成長界面となるＧａＡｓよりもバンドギャップが大きいので、第２の実施例の素子と同様の効果が得られる。
【０１３３】
また結晶成長は、ＭＯＣＶＤ，ＭＢＥの各反応室が連結されていない別個の装置で行った。バンドギャップの大きいＡｌＧａＡｓを各再成長界面と活性層との間に設けることで、界面の酸化等による電流注入時の非発光再結合が増えるといった影響を低減することができる。なお、ＡｌＧａＡｓはＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）に比べて格子定数依存性の組成依存性が極めて小さく、制御が容易である。
【０１３４】
また、ＭＢＥによる２ｎｄ成長（７４）開始前に、高温で熱処理を行うことにより、表面での酸化膜の除去を行った。さらに、ＭＯＣＶＤによる３ｒｄ成長（７５）開始前に、下地層であるＧａＡｓの一部（表面）を、臭素を含むガスでエッチングした。ここでは、具体的にＣＢｒ_４を用いた。これを用いることにより、表面の酸化膜を除去することができ、更に再成長界面の影響を低減することができる。
【０１３５】
なお、本実施例のように再成長界面を多層膜反射鏡で挟まれた共振器部内部に設ける場合、共振器長を厳密に制御するために、エッチング深さを予想して、あらかじめエッチングする分を厚く成長しておくか、または再成長時にエッチングする分を厚く成長する必要がある。また、ＣＢｒ_４以外にも、ＣＨ_３Ｂｒ等のガスを用いることができる。また、本実施例のように再成長時の表面層を除去しているので非発光再結合等の悪影響を極めて低減することができるので、バンドギャップの大きい材料を活性層との間に挿入しなくとも問題が生じる可能性は低い。しかし、より確実に対処するためには、バンドギャップの大きい材料を２つの成長界面のうちの片側だけ、もしくは両方に挿入することが好ましい。
【０１３６】
また、本実施例では反射鏡ではさまれた共振器部の厚さを１λ分としているが、２λなど１／２λの整数倍とすることができる。
【０１３７】
【発明の効果】
本発明によれば、高品質で実用レベルのＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の製造方法（請求項１〜８）、ならびにこれらを用いて形成した面発光型半導体レーザ素子（請求項９〜１３）、該面発光型半導体レーザ素子を用いた光送信モジュール（請求項１４）、光送受信モジュール（請求項１５）、光通信システム（請求項１６）を実現できる。
【０１３８】
さらに詳しくは、
（１）請求項１記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法によれば、半導体多層膜反射鏡をＭＯＣＶＤ法で、ＧａＩｎＮＡｓ活性層を含む活性領域をＭＢＥ法で成長することにより、容易に低抵抗の多層膜反射鏡を形成でき、また容易に高品質のＧａＩｎＮＡｓ活性層を形成できる。また、ＣＢｒ_４のような臭素を含むガスは、ＧａＡｓなどの化合物半導体材料をエッチングする効果があるので、再成長時の表面層を除去することができ、再成長界面の非発光再結合等の悪影響が低減され、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流で動作し、温度特性が良い面発光型半導体レーザ素子を容易に実現できる。
【０１３９】
（２）請求項２記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法によれば、活性層をＭＯＣＶＤ成長室で成長させ、下部反射鏡を別のＭＯＣＶＤ成長室またはＭＢＥ成長室で成長させることにより、量産化に有利なＭＯＣＶＤ法で良好な品質のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の多層膜構造体を結晶成長できる。また、ＣＢｒ_４のような臭素を含むガスは、ＧａＡｓなどの化合物半導体材料をエッチングする効果があるので、再成長時の表面層を除去することができ、再成長界面の非発光再結合等の悪影響が低減され、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流で動作し、温度特性が良い面発光型半導体レーザ素子を容易に実現できる。
【０１４０】
（３）請求項３記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法によれば、活性層と反射鏡とを、それぞれ別々のＭＯＣＶＤ成長室で成長させることにより、量産化に有利なＭＯＣＶＤ法で良好な品質のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の多層膜構造体を結晶成長できる。また、ＣＢｒ_４のような臭素を含むガスは、ＧａＡｓなどの化合物半導体材料をエッチングする効果があるので、再成長時の表面層を除去することができ、再成長界面の非発光再結合等の悪影響が低減され、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流で動作し、温度特性が良い面発光型半導体レーザ素子を容易に実現できる。
【０１４１】
（４）請求項４記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法によれば、請求項２または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、活性層を成長させる成長室は、Ａｌを含んだ材料を成長しない成長室であることにより、活性層を成長させる成長室内には、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌが残留していないので、窒素を含んだ活性層にＡｌとともに酸素が取りこまれることを確実に防止でき、発光効率の高い、しきい値電流の低い面発光型半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１４２】
（５）請求項５記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法によれば、請求項２または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、活性層を成長させる成長室は、Ａｌを含んだ材料を成長する場合がある成長室であり、Ａｌを含んだ材料を成長した後、活性層を成長するまでの間に、成長室内に残留したＡｌ原料，Ａｌ反応物，Ａｌ化合物，Ａｌのうちの少なくとも１つを除去する工程を設けており、窒素を含む活性層を成長させる成長室で、成長前に、あらかじめ成長室内に残留しているＡｌ原料，Ａｌ反応物，Ａｌ化合物，Ａｌのうちの少なくとも１つを除去してあるので、活性層を成長させる成長室内には、Ａｌ原料、または、Ａｌ反応物、または、Ａｌ化合物、または、Ａｌが残留しておらず、窒素を含んだ活性層にＡｌとともに酸素が取りこまれることを確実に防止でき、発光効率の高い、しきい値電流の低い面発光型半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１４３】
（６）請求項６記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法によれば、活性層を成長するステップにおいて、活性層を成長する前にＧａ_ｘＩｎ_{１− ｘ}Ｐ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層を成長することにより、再成長界面による素子性能への影響をなくすことができる。
【０１４４】
（７）請求項７記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法によれば、各成長間の界面である再成長界面を半導体分布ブラッグ反射鏡部分とすることにより、再成長界面による素子性能への影響をなくすことができる。
【０１４５】
（８）請求項８記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法によれば、複数の結晶成長室が真空搬送路等で連結されており、大気中にさらすことなく被成長基板を搬送して結晶成長するようにしたことにより、大気にさらしたときに生じる再成長界面での酸化膜などの形成を抑制でき、良好な多層膜構造体を成長できる。
【０１４６】
（９）請求項９記載の面発光半導体レーザ素子は、請求項１から８のいずれか一項に記載の製造方法を用いて形成されたものであり、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流で動作し、温度特性が良い面発光型半導体レーザ素子を容易に実現できる。
【０１４７】
（１０）請求項１０記載の面発光半導体レーザ素子は、再成長界面の影響を低減でき、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流で動作し、温度特性が良い面発光レーザ素子を容易に実現することができる。
【０１４８】
（１１）請求項１１記載の面発光半導体レーザ素子は、再成長界面の影響を低減でき、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流で動作し、温度特性が良い面発光レーザ素子を容易に実現することができる。
【０１４９】
（１２）請求項１２記載の面発光半導体レーザ素子は、半導体多層膜反射鏡を一括成長することで膜厚や組成の揺らぎが小さくなり、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流で動作し、温度特性が良い面発光レーザ素子を容易に実現することができる。
【０１５０】
（１３）請求項１３記載の面発光半導体レーザ素子は、少なくとも再成長界面を含んだ領域をｎ型、またはｐ型にドーピングすることで、キャリアをスムーズに流すことができ、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流で動作し、温度特性が良い面発光レーザ素子を容易に実現することができる。
【０１５１】
（１４）請求項１４記載の光送信モジュールは、請求項９乃至請求項１３のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いたものであり、冷却素子が不要な低コストな光送信モジュールを実現することができる。
【０１５２】
（１５）請求項１５記載の光送受信モジュールは、請求項９乃至請求項１３のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いたものであり、冷却素子が不要な低コストな光送受信モジュールを実現することができる。
【０１５３】
（１６）請求項１６記載の光通信システムは、請求項９乃至請求項１３のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いたものであり、冷却素子不要な低コストな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。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭＯＣＶＤ装置の概略図である。
【図２】ＭＢＥ装置の概略図である。
【図３】Ａｌ組成２０％のＡｌＧａＩｎＮＰとＧａＩｎＮＰを成長したときのＶ族原料に対する窒素原料である［ＤＭＨｙ］／（［ＰＨ３］＋［ＤＭＨｙ］）と窒素取りこまれ量の関係を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施例に係る面発光型半導体レーザ素子の構造を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施例に係る結晶成長装置の概念図である。
【図６】本発明の第２の実施例に係る２つのＭＯＣＶＤ成長室を有するＭＯＣＶＤ装置の概要図である。
【図７】本発明の第３の実施例に係る、面発光型半導体レーザ素子とファイバーとを組み合わせた光送信モジュールの概要図である。
【図８】本発明の第４の実施例に係る、面発光型半導体レーザ素子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図である。
【図９】しきい値電流密度の窒素組成依存性を示す図である。
【図１０】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／ＧａＡｓ ２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１１】半導体発光素子の試料構造を示す図である。
【図１２】図１１に示した半導体発光素子の一例として、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装置）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１３】図１２と同じ試料のＡｌ濃度の深さ方向分布を示す図である。
【図１４】第２の実施例の面発光型半導体レーザの構造を示す図である。
【図１５】第５の実施例の面発光型半導体レーザの構造を示す図である。
【図１６】第６及び第７の実施例の面発光型半導体レーザの構造を示す図である。
【符号の説明】
１１ 基板出し入れ口
１２ 成長室（反応室）
１３ 水素精製機
１４ 液体、固体バブラー
１５ ガスシリンダー
１６ バルブ
Ａ 原料ガス供給部
Ｂ 加熱部
Ｃ 排気部
２０ ｎ−ＧａＡｓ基板
２１ ｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡（下部半導体分布ブラッグ反射鏡）
２２ 下部ＧａＡｓスペーサ層
２３ 多重量子井戸活性層
２４ 上部ＧａＡｓスペーサ層
２５ ｐ−半導体分布ブラッグ反射鏡（上部半導体分布ブラッグ反射鏡）
２５１ 被選択酸化層
２５２ ｐ−ＧａＡｓ層（コンタクト層）
２６ Ａｌ_ｘＯ_ｙ電流狭さく部
２７ ポリイミド
２８ 光出射部
２９ ｐ側電極
３０ ｎ側電極
３１ ＭＯＣＶＤ成長室
３２ ＭＢＥ成長室
４１ 第１のＭＯＣＶＤ成長室
４２ 第２のＭＯＣＶＤ成長室
４３ 真空搬送路
４４ 基板出し入れ室
４５ ガス供給部
５１ １．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓの面発光型半導体レーザ素子
５２ 石英系光光ファイバー
５３，６４ レーザ光
６１ １．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子
６２ 受信用フォトダイオード
６３ 光ファイバー
２０１ ＧａＡｓ基板
２０２ 下部クラッド層
２０３ 中間層
２０４ 活性層
２０５ 上部クラッド層
７１ ＧａＡｓスペーサ層
７２ ＧａＩｎＰＡｓ層またはＡｌＧａＡｓ層
７３ １ｓｔ成長
７４ ２ｎｄ成長
７５ ３ｒｄ成長
７６ ｎ型ドーピング領域
７７ ｐ型ドーピング領域
７８ ｎ型半導体層多層反射鏡
７９ ｐ型半導体層多層反射鏡
８０ 低屈折率層（ＡｌＧａＡｓ）

Claims (16)

1. 半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層を含んだ活性領域と、レーザ光を得るために前記活性層の上部及び下部に設けられた反射鏡を含んだ共振器構造を有し、前記活性層の上部及び下部に設けられた反射鏡のうちの１つがｐ側半導体の反射鏡である面発光型半導体レーザ素子の製造方法であって、前記活性層は、Ｇａ，Ｉｎ，Ｎ，Ａｓを主成分として含み、前記反射鏡のうち少なくともｐ側半導体の反射鏡は、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、前記活性層をＭＢＥ法で成長させ、前記反射鏡のうちの少なくともｐ側半導体の反射鏡をＭＯＣＶＤ法で成長させて、活性層と上部，下部の反射鏡を積層構造として成長させるときに、該積層構造を複数回（Ｎ回）の成長工程に分けて成長させるようになっており、その際、下地となる結晶成長層上に、次回の成長工程で次の結晶成長層を成長させることを再成長と称し（Ｎ回の成長工程では、再成長の工程数は（Ｎ−１）回となる）、下地となる結晶成長層との界面を再成長界面と称するとき、（Ｎ−１）回の再成長工程のうちの少なくとも１回の再成長工程において、再成長の開始に先立って、下地となる結晶成長層の表面の一部を臭素を含むガスでエッチング除去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。
2. 半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層を含んだ活性領域と、レーザ光を得るために前記活性層の上部及び下部に設けられた反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レーザ素子の製造方法であって、前記活性層は、Ｇａ，Ｉｎ，Ｎ，Ａｓを主成分として含み、前記反射鏡のうち少なくとも下部反射鏡は、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、前記活性層をＭＯＣＶＤ成長室で成長させ、前記下部反射鏡を別のＭＯＣＶＤ成長室またはＭＢＥ成長室で成長させて、活性層と上部，下部の反射鏡を積層構造として成長させるときに、該積層構造を複数回（Ｎ回）の成長工程に分けて成長させるようになっており、その際、下地となる結晶成長層上に、次回の成長工程で次の結晶成長層を成長させることを再成長と称し（Ｎ回の成長工程では、再成長の工程数は（Ｎ−１）回となる）、下地となる結晶成長層との界面を再成長界面と称するとき、（Ｎ−１）回の再成長工程のうちの少なくとも１回の再成長工程において、再成長の開始に先立って、下地となる結晶成長層の表面の一部を臭素を含むガスでエッチング除去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。
3. 半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層を含んだ活性領域と、レーザ光を得るために前記活性層の上部及び下部に設けられた反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レーザ素子の製造方法であって、前記活性層は、Ｇａ，Ｉｎ，Ｎ，Ａｓを主成分として含み、前記反射鏡のうち少なくとも一方の反射鏡は、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、前記活性層と前記反射鏡とを、それぞれ別々のＭＯＣＶＤ成長室で成長させて、活性層と上部，下部の反射鏡を積層構造として成長させるときに、該積層構造を複数回（Ｎ回）の成長工程に分けて成長させるようになっており、その際、下地となる結晶成長層上に、次回の成長工程で次の結晶成長層を成長させることを再成長と称し（Ｎ回の成長工程では、再成長の工程数は（Ｎ−１）回となる）、下地となる結晶成長層との界面を再成長界面と称するとき、（Ｎ−１）回の再成長工程のうちの少なくとも１回の再成長工程において、再成長の開始に先立って、下地となる結晶成長層の表面の一部を臭素を含むガスでエッチング除去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。
4. 活性層を成長させる成長室は、Ａｌを含んだ材料を成長しない成長室であることを特徴とする請求項２または３記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法。
5. 活性層を成長させる成長室は、Ａｌを含んだ材料を成長する場合がある成長室であり、Ａｌを含んだ材料を成長した後、活性層を成長するまでの間に成長室内に残留したＡｌ原料，Ａｌ反応物，Ａｌ化合物，Ａｌのうちの少なくとも１つを除去する工程を設けたことを特徴とする請求項２または３記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法。
6. 活性層を成長する成長室において、活性層を成長する前にＧａ_ｘＩｎ_{１− ｘ}Ｐ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１，０＜ｙ≦１）層を成長することを特徴とする請求項１または２または３または４または５記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法。
7. 各成長間の界面である再成長界面を半導体分布ブラッグ反射鏡部分とすることを特徴とする請求項１または２または３または４または５記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法。
8. 複数の結晶成長室が真空搬送路等で連結されており、大気中にさらすことなく被成長基板を搬送して結晶成長することを特徴とする請求項１または２または３または４または５記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法。
9. 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の製造方法を用いて形成されたことを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
10. 請求項１記載の面発光型半導体レーザ素子の製造方法で作製される面発光型半導体レーザ素子において、前記活性層と前記再成長界面との間に、再成長界面となる半導体材料よりもバンドギャップが大きいＡｌを含む半導体材料が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。
11. 請求項１０記載の面発光型半導体レーザ素子において、前記再成長界面となる半導体材料よりもバンドギャップが大きいＡｌを含む半導体材料は、ＡｌＧａＡｓであることを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
12. 請求項１乃至請求項３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で作製される面発光型半導体レーザ素子において、前記再成長界面を半導体分布ブラッグ反射鏡で挟まれた共振器内部とすることを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
13. 半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも１層の活性層と活性層よりバンドギャップが大きく屈折率が小さいスペーサ層とを含む共振器領域を有し、共振器領域が共振器領域の上部及び下部に設けられた反射鏡に挟まれた構造からなる面発光型半導体レーザ素子において、前記活性層は、Ｇａ，Ｉｎ，Ｎ，Ａｓを主成分として含み、前記上部，下部の反射鏡のうちの少なくとも一方の反射鏡は、屈折率が周期的に変化するｎ型またはｐ型からな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と活性層との間のスペーサ層中に、スペーサ層よりもバンドギャップが大きいワイドギャップ層を含み、半導体分布ブラッグ反射鏡からワイドギャップ層まで連続してｎ型またはｐ型となっていることを特徴とする面発光型半導体レーザ素子。
14. 請求項９乃至請求項１３のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いたことを特徴とする光送信モジュール。
15. 請求項９乃至請求項１３のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いたことを特徴とする光送受信モジュール。
16. 請求項９乃至請求項１３のいずれか一項に記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いたことを特徴とする光通信システム。

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