JP2005011995A - 半導体発光素子および光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通信システム - Google Patents
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Abstract
【課題】ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層を用いた半導体発光素子において、ＧａＩｎＮＡｓ系材料への水素（Ｈ）の取り込まれを低減して、温度特性が良く低しきい値である半導体発光素子を提供する。
【解決手段】窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有する半導体発光素子において、前記活性層は量子井戸活性層であり、導電型がｎ型であることを特徴としている。
【選択図】 図１
【解決手段】窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有する半導体発光素子において、前記活性層は量子井戸活性層であり、導電型がｎ型であることを特徴としている。
【選択図】 図１
Description
【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光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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）などのユーザーに近い伝送路、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】
このような光源として、シリカファイバーの伝送ロスが小さく、整合性が良い１．３μｍ 帯、１．５５μｍ帯の半導体レーザが必要であり、ユーザーに近い領域で普及させるためには、低コスト通信システムであることが絶対条件である。
【０００４】
１．３μｍ帯、１．５５μｍ帯の波長帯では、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。従って、冷却素子を使わない低コストシステムを実現するために、温度特性の良好な長波長帯半導体レーザの開発が極めて重要である。温度特性が悪い主な理由は伝導帯バンド不連続が小さいために電子がオーバーフローし易く、これの温度依存性が大きいためである。
【０００５】
最近、ＧａＡｓ基板上に１．３μｍ帯の半導体レーザ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１参照。）が研究されている。特に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。なお、ＧａＩｎＮＡｓ系材料とは、Ｐ，Ｓｂ，Ａｌ等の他のＩＩＩ−Ｖ族元素を含んでいる場合もある。
【０００６】
ＧａＩｎＮＡｓは、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体である。すなわち、ＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓより格子定数が大きいＧａＩｎＡｓに窒素（Ｎ）を添加することで格子定数をＧａＡｓに格子整合させることが可能であり、更にバンドギャップエネルギーが小さくなり、１．３μｍ，１．５５μｍ帯での発光が可能な材料である。
【０００７】
例えば非特許文献１では、近藤らにより、ＧａＩｎＮＡｓのバンドラインナップが計算されている。ＧａＩｎＮＡｓは、窒素（Ｎ）の添加によりバンドギャップエネルギーが小さくなるが、伝導帯と価電子帯ともにエネルギーが下がり、ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ等のＧａＡｓ格子整合系材料に対して伝導帯のバンド不連続が極めて大きくなり、このため、高特性温度半導体レーザが実現できると予想されている。実際に、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１は、本願の発明者が実験的に求めた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（％）を示し、縦軸はしきい値電流密度を示している。図１に示すようにしきい値電流密度が窒素組成増加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。このため、Ｉｎ組成を大きくして窒素組成を少なくする方法が取られており（例えば特許文献２，特許文献３参照。）、基板に対して２％程度以上と大きな圧縮歪を有したＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層が用いられている。これにより、半導体レーザのしきい値電流密度が１ｋＡ／ｃｍ２以下の低い値であって、かつ、環境温度が室温から８０℃になっても動作電流がわずか１．３倍にしか増加せず、特性温度が２００Ｋを越える良好なレーザが報告されている（例えば非特許文献２参照。）。
【０００８】
しかしながら、しきい値電流密度は、Ｎを添加しないＧａＩｎＡｓを活性層とした場合よりも数倍高い値であり、結晶性の改善がなお必要である。
【０００９】
ＧａＩｎＮＡｓ系材料の結晶性を落とす原因について、特許文献４には、水素（Ｈ）がＮとともにＧａＩｎＮＡｓ層に取り込まれ光学的特性を落としていることが述べられている。なお、Ｈの混入による光学的特性の劣化の機構は未解明である。この特許文献４では、成長後熱処理することで、Ｈ濃度が減少し光学的特性が向上することが示されている。しかしながら、熱処理によりＨ濃度は減少するものの残留しており、Ｈ濃度は光学的特性に影響を与えないまでには低減していない。
【００１０】
【特許文献１】
特開平６−３７３５５号公報
【００１１】
【非特許文献１】
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３５（１９９６）ｐｐ．１２７３−１２７５
【００１２】
【特許文献２】
特開２０００−３３２３６３号公報
【００１３】
【特許文献３】
特開２００２−１１８３２９号公報
【００１４】
【非特許文献２】
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｙｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２０００） ｐｐ．３４０３−３４０５
【００１５】
【特許文献４】
特開平１１−２７４０８３号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層を用いた半導体発光素子において、ＧａＩｎＮＡｓ系材料への水素（Ｈ）の取り込まれを低減して、温度特性が良く低しきい値である半導体発光素子および光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通信システムを提供することを目的としている。
【００１７】
【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、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有する半導体発光素子において、前記活性層は量子井戸活性層であり、導電型がｎ型であることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体発光素子において、前記活性層よりも後から結晶成長された層であって、活性層の近傍の層（例えば活性層と接する層）として、導電型がｎ型である水素進入防止層が形成されていることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の半導体発光素子において、量子井戸活性層の周囲には障壁層が形成され、障壁層も窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含み、量子井戸活性層と障壁層の導電型がｎ型であることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項４記載の発明は、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有する半導体発光素子において、前記活性層は量子井戸活性層であり、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つが添加されていることを特徴としている。
【００２１】
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、前記添加された元素の濃度は３×１０１８ｃｍ−３以下であることをことを特徴としている。
【００２２】
また、請求項６記載の発明は、請求項４記載の半導体発光素子において、前記活性層よりも後から結晶成長された層であって、活性層の近傍の層（例えば活性層と接する層）として、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つが添加されている水素進入防止層が形成されていることを特徴としている。
【００２３】
また、請求項７記載の発明は、請求項４記載の半導体発光素子において、量子井戸活性層の周囲には障壁層が形成され、障壁層も窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含み、量子井戸活性層と障壁層には、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つが添加されていることを特徴としている。
【００２４】
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、少なくとも前記活性層はＭＯＣＶＤ法によって結晶成長されたものであることを特徴としている。
【００２５】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、半導体発光素子は面発光型半導体レーザ素子であることを特徴としている。
【００２６】
また、請求項１０記載の発明は、請求項９記載の半導体発光素子が光源として用いられていることを特徴とする光送信モジュールである。
【００２７】
また、請求項１１記載の発明は、請求項９記載の半導体発光素子が光源として用いられていることを特徴とする光送受信モジュールである。
【００２８】
また、請求項１２記載の発明は、請求項９記載の半導体発光素子が光源として用いられていることを特徴とする光通信システムである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００３０】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態は、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有する半導体発光素子において、前記活性層は量子井戸活性層であり、導電型がｎ型であることを特徴としている。
【００３１】
原子状水素によってアクセプタ−が不活性化される現象は良く知られている。これは不活性化した試料を熱処理することで活性化することができる。結晶成長後の降温過程で成長室雰囲気中にあるＡｓＨ３，ＰＨ３，Ｈ２等のＨが結晶表面から原子状水素として結晶中に入り込み、アクセプタ−である不純物と入れ替わり結合してしまうことによって、不活性化すると考えられる。この現象は、表面がｐ型の場合は加速して進行するが、表面がｎ型の場合は原子状水素の混入が抑えられることが報告されている。これは原子状水素がｐ型材料中の正孔に電子を取られ陽子となり移動速度が速くなるためと考えられる。
【００３２】
ＧａＩｎＮＡｓ系材料は非混和性の強い材料なので、非平衡環境で成長する必要がある。したがって、成長温度は低い温度となっている。このような低温では、Ｈや、その他の不純物が結晶表面に吸着しやすくなり、原子状水素がＧａＩｎＮＡｓ系材料の成長中に膜中に取り込まれてしまうと考えられる。
【００３３】
これを解決するため、本発明の第１の実施形態では、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有する半導体発光素子において、前記活性層は量子井戸活性層であり、導電型がｎ型のものにしている。
【００３４】
このようにＧａＩｎＮＡｓ系材料の導電型をｎ型として結晶成長すれば、Ｈの結晶中への混入を抑えることができる。これにより、ＧａＩｎＮＡｓ系活性層の結晶性を向上することができる。
【００３５】
また、通常、量子井戸活性層を用いた半導体レーザでは、ｐ−ｉ−ｎ接合となっており、ｐ，ｎクラッド層に挟まれた活性領域（例えば端面発光型半導体レーザでは、量子井戸活性層＋障壁層＋光ガイド層、面発光型半導体レーザでは、量子井戸活性層＋障壁層＋スペーサ層）は、半絶縁性（例えば不純物濃度として１×１０１６ｃｍ−３未満）であるｉ層となっている。量子井戸活性層をアンドープとし、障壁層にのみドーピングした変調ドープ構造を用いる例はあるが、量子井戸活性層をドーピングしていない。
【００３６】
本発明の第１の実施形態のように、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる量子井戸活性層の導電型をｎ型として結晶成長すれば、成長中のＨの結晶中への混入を抑えることができ、活性層の結晶性を向上することができる。
【００３７】
（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、上述した第１の実施形態の半導体発光素子において、前記活性層よりも後から結晶成長された層であって、活性層の近傍の層（例えば活性層と接する層）として、導電型がｎ型である水素進入防止層が形成されていることを特徴としている。
【００３８】
ＧａＩｎＮＡｓ系材料からなる活性層の近傍についても、活性層と同様に導電型をｎ型とすることで、活性層近傍の膜中へのＨの取り込まれを低減でき、活性層近傍からの拡散による活性層へのＨの進入を抑制できる。
【００３９】
（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、上述した第１の実施形態の半導体発光素子において、量子井戸活性層の周囲には障壁層が形成され、障壁層も窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含み、量子井戸活性層と障壁層の導電型がｎ型であることを特徴としている。
【００４０】
このように、障壁層にＮを添加した材料を用いることで、障壁層と量子井戸活性層との間で良好な界面が得られる。
【００４１】
すなわち、ＧａＩｎＮＡｓ系材料をＭＯＣＶＤで成長する場合は、Ｎの原料の供給量はＡｓの原料の供給量に対してモル比（「Ｎ原料」／（「Ｎ原料」＋「Ａｓ原料」））が０．９を超えるほど大きくしなければならず、Ｎの原料は多量に供給する必要があり、原料供給のＯＮ，ＯＦＦ時の制御性、つまり界面の制御性を良くすることはむずかしい。また、ＧａＩｎＮＡｓ系材料をＭＢＥ法で成長する場合は、Ｎ原料をＲＦ等で活性化させて供給するため、ＯＮ，ＯＦＦを急峻に行うことは容易ではなく、ＭＯＣＶＤと同様に界面の制御性を良くすることはむずかしい。これに対し、障壁層にもＮが添加された構造の場合には、この界面で原料供給のＯＮ，ＯＦＦの必要がなく、良好な界面を制御して得ることが容易となる。
【００４２】
また、障壁層にＮを添加することで、ＧａＡｓに対して引張り歪み層とすることができ、圧縮歪み層を用いることの多いＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層において、歪み補償構造を形成可能であり、歪みの低減効果によって素子の信頼性が向上する。
【００４３】
なお、Ｎの添加は伝導帯エネルギーを下げる効果があり、障壁層にＮを添加すると、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層との伝導帯バンド不連続が小さくなり、量子準位エネルギーが下がるので、発振波長を長波長化する効果がある。よって、量子井戸活性層において必要な波長を得るためのＮ組成を低減することができ、活性層品質を向上することができる。
【００４４】
しかし、障壁層にＮが添加された材料を用いると、障壁層中にＮとともにＨが取り込まれやすい。量子井戸活性層に隣接する障壁層結晶性の影響は大きい。また量子井戸活性層へＨが拡散し進入する恐れがある。
【００４５】
この問題を回避するため、第３の実施形態では、量子井戸活性層に隣接する障壁層も同様に導電型をｎ型としている。これにより、障壁層の膜中へのＨの取り込まれを低減でき、量子井戸活性層と障壁層とからなる活性領域の結晶性を向上することができる。
【００４６】
（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、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有する半導体発光素子において、前記活性層は量子井戸活性層であり、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つの元素（不純物）が添加されていることを特徴としている。
【００４７】
導電型をｎ型にするために添加する不純物としては、ＶＩ族元素であるＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、もしくは、ＩＶ族元素であるＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂの少なくともいずれか１つを用いることができる。これにより、Ｈの結晶中への混入を抑えることができ、活性層の結晶性を向上することができる。
【００４８】
なお、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだ材料では、他のＶ族元素としてＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉが挙げられる。例えばＧａＩｎＮＡｓの例では、Ｎの原子半径が他のＩＩＩ−Ｖ族元素と比べて小さいので、結晶格子は微視的に大きな歪を受けてしまう。これに対して、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｎ、Ｐｂのような原子半径の大きな材料を添加すると、これを補償することができて、格子はより安定になるので、均一な混晶となりやすく平坦な結晶が得られやすい。
【００４９】
また、Ｖ族空孔の形成によってもｎ型化するが、この場合、Ｖ族空孔が非発光再結合センターともなるので、あまり好ましくない。
【００５０】
（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、前記添加された元素（不純物）の濃度が３×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴としている。
【００５１】
多量の上記不純物を添加しすぎると、結晶性の低下，光の吸収損失の増加が顕著になり、デバイス特性を低下させてしまうので、添加する不純物の濃度には上限がある。添加する不純物の濃度は３×１０１８ｃｍ−３以下であれば良い。より望ましくは、１×１０１８ｃｍ−３以下が好ましい。また、ｎ型となっていれば効果があるので、添加する不純物の濃度の下限についてはｐ型となる不純物濃度よりも大きければ良く、例えばバックグラウンドとして入りやすいｐ型となる不純物であるＣ（炭素）の濃度よりも大きければ良い。
【００５２】
なお、Ｎと他のＶ族元素を同時に含んだ材料として、ＧａＮＡｓＳｅの報告（例えば第６３回秋季応用物理学会、２４ｐ−ＹＤ−９ （２００２．９））がある。これは、ＳｅがＶ族元素中、７．６％の組成となっており、％オーダー（２×１０２０ｃｍ−３以上）添加されており、それ以下であるドーピングレベルの添加ではない。Ｓｅを混晶の一構成元素として用いているものであり、本発明とは異質のものである。
【００５３】
（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４の実施形態の半導体発光素子において、前記活性層よりも後から結晶成長された層であって、活性層の近傍の層（例えば活性層と接する層）として、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つが添加されている水素進入防止層が形成されていることを特徴としている。
【００５４】
ＧａＩｎＮＡｓ系材料からなる活性層の近傍についても、活性層と同様に、導電型をｎ型とするための不純物を添加すると、活性層近傍の膜中へのＨの取り込まれを低減でき、活性層近傍からの拡散による活性層へのＨの進入を抑制できる。
【００５５】
（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４の実施形態の半導体発光素子において、量子井戸活性層の周囲には障壁層が形成され、障壁層も窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含み、量子井戸活性層と障壁層には、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つが添加されていることを特徴としている。
【００５６】
導電型をｎ型にするために添加する不純物としてはＶＩ族元素であるＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、もしくは、ＩＶ族元素であるＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂの少なくともいずれか１つを用いることができる。これにより、Ｈの結晶中への混入を抑えることができ、量子井戸活性層と障壁層とからなる活性領域の結晶性を向上することができる。
【００５７】
さらに、障壁層にＮを添加した材料を用いることで、障壁層と量子井戸活性層の間で良好な界面が得られる。
【００５８】
また、障壁層にＮを添加することで、ＧａＡｓに対して引張り歪み層とすることができ、圧縮歪み量子井戸活性層を用いた場合に歪み補償構造を形成可能であり、歪みの低減効果によって素子の信頼性が向上する。
【００５９】
なお、Ｎの添加は伝導帯エネルギーを下げる効果があり、障壁層にＮを添加すると、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層との伝導帯バンド不連続が小さくなり、量子準位エネルギーが下がるので、発振波長を長波長化する効果がある。よって、量子井戸活性層において必要な波長を得るためのＮ組成を低減することができ、活性層品質を向上することができる。
【００６０】
（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１乃至第７のいずれかの実施形態の半導体発光素子において、少なくとも前記活性層はＭＯＣＶＤ法によって結晶成長されたものであることを特徴としている。
【００６１】
ＭＯＣＶＤ法では、Ｈを含んでいる原料ガスを用いる場合が多い。例えばＧａＩｎＮＡｓの成長では、Ａｓの原料としてＡｓＨ３（アルシン），ＴＢＡｓ（ターシャリブチルアルシン）、Ｎの原料としてＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン），ＭＭＨｙ（モノメチルヒドラジン）、Ｇａの原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ｉｎの原料としてＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＴＥＩ（トリエチルインジウム）など、Ｈを含む原料が良く用いられる。更に、原料ガスを基板表面に送るためのキャリアガスも、通常、Ｈ２が用いられる。Ｎ２が用いられる場合もある。
【００６２】
また、ＭＯＣＶＤ法でＧａＩｎＮＡｓ系材料を形成する場合、ＤＭＨｙのようなＮの原料やＩＩＩ族原料に炭素（Ｃ）を含むこと、低温成長が好ましいことなどから、膜中にＣが取り込まれ、ｐ型になり易い。
【００６３】
したがって、原子状水素の混入は、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）で成長する場合に起こりやすく、ＭＯＣＶＤ法の場合、特にｎ型化の効果がある。もちろん、ＭＯＭＢＥ，ＣＢＥ，ガスソースＭＢＥなどのＨを原料に用いたＭＢＥ法で成長する場合も効果が得られる。
【００６４】
（第９の実施形態）
本発明の第９の実施形態の半導体発光素子は、第１乃至第８のいずれかの実施形態の半導体発光素子において、半導体発光素子は面発光型半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ： Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ ：垂直キャビティ面発光型半導体レーザ素子）であることを特徴としている。
【００６５】
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が良い１．３μｍ 帯，１．５５μｍ帯の半導体レーザであって、温度特性が良く冷却素子を使用しない半導体レーザが必要であり、このような半導体レーザには面発光型半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ： Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ ：垂直キャビティ面発光型半導体レーザ素子）が極めて有望である。面発光型半導体レーザ素子（面発光レーザ）は、端面発光型レーザに比べて、低価格化，低消費電力化，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／秒のイーサネットなどで実用化されている。すなわち、面発光型半導体レーザ素子（面発光レーザ）において、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層にすることで、これらの波長に対応できる。
【００６６】
また、面発光レーザは、端面発光型レーザと比べて、活性層体積が極めて小さいので、低しきい値電流動作できる。ＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層に用いることで、伝導帯のバンド不連続が大きくなり、キャリアの漏れの温度依存性が小さく、温度特性が良い面発光レーザを実現できる。なお、ＭＯＣＶＤ法で形成すると、面発光レーザの半導体分布ブラッグ反射鏡の抵抗を低減できるので、低電圧駆動が可能となり、好ましい。
【００６７】
このような本発明の面発光レーザは、光送信モジュールの光源として用いることができる。
【００６８】
上述したような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（面発光レーザ）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。
【００６９】
また、本発明の面発光レーザは、光送受信モジュールの光源として用いることもできる。
【００７０】
上述したような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（面発光レーザ）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。
【００７１】
また、本発明の面発光レーザは、光通信システムの光源として用いることもできる。
【００７２】
上述したような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（面発光レーザ）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。
【００７３】
【実施例】
次に、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
【００７４】
（第１の実施例）
図２は本発明の第１の実施例のＧａＩｎＮＡｓ端面発光型半導体レーザを示す図である。なお、図２の例では、リッジストライプ型レーザとなっている。また、図２のＧａＩｎＮＡｓ端面発光型半導体レーザは、層構造としてはＳＣＨ−ＳＱＷ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｓｉｎｇｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造である。
【００７５】
図２の例では、面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板上に、Ｓｅドープｎ−ＧａＡｓバッファ層，Ｓｅドープｎ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層，アンドープＧａＡｓ下部光ガイド層，活性層，アンドープＧａＡｓ上部光ガイド層，Ｃドープｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層，Ｚｎドープｐ−ＧａＡｓコンタクト層が順次成長されている。
【００７６】
ここで、活性層は、圧縮歪みを有する２層のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層（井戸層）と、その上下に形成された３層のＧａＡｓ障壁層（バリア層）とからなっている。井戸層のＩｎ組成ｘは３３％，窒素組成は１．０％とした。また、井戸層の厚さは７ｎｍとした。成長方法はＭＯＣＶＤ法で行った。キャリアガスには、Ｈ２を用いた。また、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），ＡｓＨ３（アルシン）を用い、そして窒素の原料には、ＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので、６００℃以下のような低温成長に適している。この第１の実施例では、ＧａＩｎＮＡｓ層を５５０℃で成長した。特に歪みの大きい量子井戸層を成長する場合は例えば５００℃〜６００℃程度の低温成長が好ましい。ＧａＡｓ障壁層もＧａＩｎＮＡｓ層と同じ５５０℃で成長した。
【００７７】
そして、フォトリソグラフィとエッチング技術により幅３μｍのストライプ領域以外をｐ−ＡｌＧａＡｓ層の途中まで除去し、リッジ構造を形成した。そして、このリッジ構造上に、ｐ側電極を、電流注入部となる部分を除去した絶縁膜を介して形成した。また、基板の裏面には、ｎ側電極を形成した。
【００７８】
通常、量子井戸活性層を用いた半導体レーザでは、ｐ−ｉ−ｎ接合となっており、ｐ，ｎクラッド層に挟まれた活性領域（本実施例では、量子井戸活性層＋障壁層＋光ガイド層）は、半絶縁性（例えば不純物濃度として１×１０１６ｃｍ−３未満）であるｉ層となっている。障壁層にドーピングして変調ドープ構造を用いる例はあるが、量子井戸活性層のみがドーピングされることはない。これに対し、この第１の実施例の素子では、ＧａＩｎＮＡｓ成長時にＨ２Ｓｅを供給し、量子井戸活性層をｎ型にした。これにより、原料及びキャリアガスであるＨ２からのＨの結晶中への移動速度が遅くなり、取り込まれを抑えることができ、光学的特性が向上した。これにより、発光効率が高く、低しきい値電流で動作した。
【００７９】
上述の例では、ＭＯＣＶＤ法での成長の例を示したが、Ｈを含んだ原料を用いたＭＢＥ法など、Ｈが結晶中に含まれてしまう場合に効果が得られる。また、窒素の原料にＤＭＨｙ を用いたが、活性化した窒素やＮＨ３等の他の窒素化合物を用いることもできる。また、積層構造として二重量子井戸構造（ＤＱＷ）の例を示したが、他の井戸数の量子井戸構造を用いることもできる。また、各層の組成厚さ等は必要に応じて設定できる。また、クラッド層には、ＡｌＧａＡｓ系材料と同様にワイドギャップのＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いることもできる。また、レーザの構造も他の構造にしてもかまわない。
【００８０】
（第２の実施例）
図３は本発明の第２の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子を示す図である。図３に示すように、この第２の実施例における面発光型半導体レーザ素子（面発光レーザ）は、３インチの大きさの面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板上に、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−ＡｌｘＧａ１−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）が形成されている。
【００８１】
そして、その上に、アンドープ下部ＧａＡｓスペーサ層，４層のＧａＩｎＮＡｓ井戸層と井戸層の間に設けたアンドープＧａＡｓ障壁層（バリア層）からなる多重量子井戸活性層，アンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層が形成されている。なお、この第２の実施例では、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層成長時にＳｉＨ４を供給した。
【００８２】
そして、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）が形成されている。上部反射鏡は、Ｃドープのｐ−ＡｌｘＧａ１−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）で構成されている。なお、上部反射鏡中の活性層に近い位置には、ＡｌＡｓからなる被選択酸化層が例えば３０ｎｍの厚さで設けられている。また、上部反射鏡の最上部のＧａＡｓ層は、電極とのコンタクトを取るコンタクト層を兼ねている。
【００８３】
この第２の実施例では、活性層内の井戸層のＩｎ組成ｘは３３％，窒素組成は１ ．０％とした。また、井戸層は、厚さが７ｎｍであり、ＧａＡｓ基板に対して約２．１％の圧縮歪（高歪）を有していた。また、ＧａＡｓ障壁層の厚さは２０ｎｍとした。
【００８４】
成長方法はＭＯＣＶＤ法で行なった。キャリアガスには、Ｈ２を用いた。また、ＧａＩｎＮＡｓ活性層の原料には、ＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＡｓＨ３（アルシン）を用い、そして窒素の原料には、ＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので、６００℃以下のような低温成長に適しており、特に低温成長の必要な歪みの大きい量子井戸層を成長する場合好ましい原料である。この第２の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ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。この第２の実施例では、ＧａＩｎＮＡｓ層は５４０℃で成長させた。
【００８５】
この第２の実施例では、所定の大きさのメサを少なくともｐ−ＡｌＡｓ被選択酸化層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ＡｌｘＯｙ電流狭さく部を形成した。そして、次にポリイミドでエッチング部を埋め込んで平坦化し、ｐコンタクト部と光出射部のある上部反射鏡上のポリイミドを除去し、ｐコンタクト層上の光出射部以外にｐ側電極を形成し、また、基板の裏面にｎ側電極を形成した。
【００８６】
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。
【００８７】
通常、量子井戸活性層を用いた半導体レーザでは、ｐ−ｉ−ｎ接合となっており、ｐ，ｎクラッド層に挟まれた活性領域（例えば本実施例では、量子井戸活性層＋障壁層＋スペーサ層）は、半絶縁性（例えば不純物濃度として１×１０１６ｃｍ−３未満）であるｉ層となっている。これに対し、この第２の実施例の素子では、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層をｎ型にした。これにより、原料及びキャリアガスであるＨ２からのＨの結晶中への移動速度が遅くなり、取り込まれを抑えることができ、光学的特性が向上した。これにより、発光効率が高く、低しきい値電流で動作した。
【００８８】
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。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。
【００８９】
ＧａＩｎＮＡｓ等の窒素と他のＶ族を含んだ半導体層の作製にはＭＢＥ法が主に用いられていたが、原理的に高真空中での成長なので原料供給量を大きくできない。すなわち、原料供給量を大きくすると、排気系に負担がかかるというデメリットがある。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。
【００９０】
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波長帯の面発光型半導体レーザ素子では、結晶成長層の厚さとして１０μｍ を超える厚さが必要になるが、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／時程度であり、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。
【００９１】
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。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との間に、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。
【００９２】
このように、面発光型半導体レーザ素子は、１００層を超える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と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、原料供給量を原料セルの温度を変えて制御しており、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。
【００９３】
一方、ＭＯＣＶＤ法は、原料ガス流量を制御するだけで良く、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／時以上と高くでき、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る。
【００９４】
なお、この第２の実施例では、Ｎと他のＶ族元素を同時に含んだ量子井戸活性層としてＧａＩｎＮＡｓを用いたが、ＧａＮＡｓ，ＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ等を用いることもできる。
【００９５】
このように、この第２の実施例によれば、低抵抗，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。
【００９６】
（第３の実施例）
本発明の第３の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子も、第２の実施例と同様に、基本的には図３の構造のものとなっているが、第２の実施例の素子との違いは、一番最初に成長する（基板側）ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層よりも上部に形成するＧａＡｓ障壁層（バリア層）成長時にもＳｉＨ４を供給して、ＧａＡｓ障壁層（バリア層）にＳｉを添加し、ＧａＡｓ障壁層（バリア層）をｎ型としている点である。
【００９７】
量子井戸活性層上部の障壁層（バリア層）の成長温度は活性層と同様に低温が好ましい。つまり、量子井戸活性層上部の障壁層成長時に表面からＨが進入する恐れがある。この問題を回避するため、第３の実施例では、ＧａＩｎＮＡｓ系材料からなる量子井戸活性層の上部にあたる障壁層も同様に導電型をｎ型とする。これにより、障壁層の膜中へのＨの取り込まれを低減できて、拡散による活性層へのＨの進入を抑制でき、より確実に活性層へのＨの混入を抑制でき、発光効率が高く、低しきい値である半導体発光素子を得ることができる。
【００９８】
（第４の実施例）
図４は本発明の第４の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子を示す図である。この第４の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の第２の実施例の素子との主な違いは、障壁層（バリア層）をＧａＮＰＡｓとし、量子井戸活性層と障壁層をｎ型としたことである。
【００９９】
具体的には、第４の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子では、下部反射鏡上に、アンドープ下部ＧａＡｓスペーサ層，４層のＧａＩｎＮＡｓ井戸層と５層のＧａＮＰＡｓ障壁層からなる多重量子井戸活性層，アンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層が形成されている。なお、この第４の実施例では、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層とＧａＮＰＡｓ障壁層の成長時にＳｉＨ４を供給した。
【０１００】
また、活性層内の井戸層のＩｎ組成ｘは３３％，窒素組成は１ ．０％とした。また、井戸層は、厚さが８ｎｍであり、ＧａＡｓ基板に対して約２．１％の圧縮歪（高歪）を有していた。また、ＧａＮＰＡｓ障壁層は、Ｎ組成０．３％，Ｐ組成４．５％、厚さは１８ｎｍとし、ＧａＡｓ基板に対して０．２２％の引張り歪みを有している。
【０１０１】
本実施例では、障壁層（バリア層）にもＮが添加されており、障壁層中にＮとともにＨが取り込まれやすい。量子井戸活性層に隣接する障壁層の結晶性の影響は大きい。また量子井戸活性層へＨが進入する恐れがある。本実施例のようにＧａＩｎＮＡｓ系材料からなる量子井戸活性層に隣接する障壁層も、量子井戸活性層と同様に導電型をｎ型とすることで障壁層の膜中へのＨの取り込まれを低減でき、発光効率が高く、低しきい値である半導体発光素子を得ることができる。
【０１０２】
また、本実施例のように障壁層（バリア層）にＮを添加した材料を用いることで、障壁層と量子井戸活性層の間で良好な界面が得られる。
【０１０３】
すなわち、ＧａＩｎＮＡｓ系材料をＭＯＣＶＤで成長する場合は、Ｎの原料の供給量はＡｓの原料の供給量に対してモル比（「Ｎ原料」／（「Ｎ原料」＋「Ａｓ原料」））が０．９を超えるほど大きくしなければならず、Ｎの原料は多量に供給する必要があり、原料供給のＯＮ，ＯＦＦ時の制御性、つまり界面の制御性を良くすることはむずかしい。また、ＧａＩｎＮＡｓ系材料をＭＢＥ法で成長する場合は、Ｎ原料をＲＦ等で活性化させて供給するため、ＯＮ，ＯＦＦを急峻に行うことは容易ではなく、ＭＯＣＶＤと同様に界面の制御性を良くすることはむずかしい。これに対し、障壁層にもＮが添加された構造の場合には、この界面で原料供給のＯＮ，ＯＦＦの必要がなく、良好な界面を制御して得ることが容易となる。
【０１０４】
また、障壁層にＮを添加することで、ＧａＡｓに対して引張り歪み層とすることができ、圧縮歪み量子井戸活性層を用いた場合に歪み補償構造を形成可能であり、歪みの低減効果によって素子の信頼性が向上する。
【０１０５】
なお、Ｎの添加は伝導帯エネルギーを下げる効果があり、障壁層にＮを添加すると、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層との伝導帯バンド不連続が小さくなり量子準位エネルギーが下がるので、発振波長を長波長化する効果がある。よって、量子井戸活性層において必要な波長を得るためのＮ組成を低減することができ、活性層品質を向上することができる。しかしながら、同じ理由（ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸層との伝導帯バンド不連続が小さくなること）で、電子のオーバーフローが増え、温度特性が悪くなる欠点がある。そこで本実施例では、障壁層のＮ組成を量子井戸活性層よりも小さくしている。Ｎ添加による伝導帯エネルギーの低下は量子井戸活性層の伝導帯エネルギーの方が障壁層よりも大きくなる。さらにＰを添加しているので、Ｎ添加による伝導帯エネルギーの低下が補償されている。これによって、充分大きな伝導帯バンド不連続を維持することができ、温度特性の良好な面発光レーザを得ることができる。
【０１０６】
また、障壁層のＮ組成は小さいが、Ｐを添加しているので、充分な引張り歪み組成を得ることができ、大きな圧縮歪みを有した活性層を用いていても、結晶欠陥が発生することなく井戸数を増やすことができ、高出力が得られ、また、歪みの低減効果により素子の信頼性が向上した。
【０１０７】
なお、圧縮歪を有したＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層の歪補償をするために、障壁層として基板であるＧａＡｓよりも格子定数が小さいＧａＮＰＡｓを用いたが、格子整合材料であるＧａＡｓを用いることができるほか、ＧａＮＡｓ，ＧａＰＡｓ，ＧａＮＰＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＮＰＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ等を用いることができる。
【０１０８】
（第５の実施例）
図５は本発明の第５の実施例の面発光レーザアレイを示す図（上面図）である。この第５の実施例の面発光レーザアレイは、第４の実施例の面発光レーザが１０素子、１次元に並んだものとなっている。これは、２次元に集積させてもかまわない。ただし、第５の実施例の面発光レーザアレイは、第４の実施例と導電型ｐ，ｎが逆になっている。すなわち、第５の実施例の面発光レーザアレイでは、上面にｎ側個別電極が形成され、基板裏面にｐ側共通電極が形成されている。これはアノードコモンとして高速動作が可能なバイポーラトランジスタ駆動回路を用いることができるので、複数の素子により同時により多くのデータを伝送することができるからである。これにより、同時により多くのデータを伝送する並列伝送が可能となる。
【０１０９】
更に、最表面がｎ型となっており、成長終了後の降温時におけるＨの進入を抑制できる。
【０１１０】
（第６の実施例）
図６は本発明の第６の実施例の光送信モジュールを示す図であり、第６の実施例の光送信モジュールは、第５の実施例の面発光レーザアレイチップとシリカファイバーとを組み合わせたものとなっている。この第６の実施例では、面発光レーザアレイチップからのレーザ光が光ファイバーに入力され伝送される。ここで、光ファイバーには、シングルモードファイバーを用いている。同時により多くのデータを伝送するために、複数の半導体レーザが集積したレーザアレイを用いた並列伝送が試みられている。この第６の実施例では、シングルモード高出力面発光レーザを用いているので、高速な並列伝送が可能となり、従来よりも多くのデータを同時に伝送できるようになった。
【０１１１】
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に、これを用いた低コスト，高信頼性の光通信システムを実現できる。また、ＧａＩｎＮＡｓ系材料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。
【０１１２】
この第６の実施例では、面発光型半導体レーザ素子と光ファイバーとを１対１に対応させたが、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、伝送速度を更に増大することが可能となる。
【０１１３】
（第７の実施例）
図７は本発明の第７の実施例の光送受信モジュールを示す図であり、この第７の実施例の光送受信モジュールは、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ものとなっている。
【０１１４】
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７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）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は、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。
【０１１５】
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系材料を活性層に用いた面発光型半導体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。
【０１１６】
本発明の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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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すると、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。
【０１１９】
以上説明したように、窒素を含んだ半導体層である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、また本発明を採用することにより、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。
【０１２０】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１乃至請求項３記載の発明によれば、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有する半導体発光素子において、前記活性層は量子井戸活性層であり、導電型がｎ型であるので、原料及びキャリアガス等成長雰囲気からのＨの結晶中への移動速度が遅くなり、取り込まれを抑えることができて光学的特性を向上させることができ、発光効率が高く、低しきい値電流で動作する良好な半導体発光素子を得ることができる。
【０１２１】
特に、請求項２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、前記活性層よりも後から結晶成長された層であって、活性層の近傍の層（例えば活性層と接する層）として、導電型がｎ型である水素進入防止層が形成されているので、活性層近傍の膜中へのＨの取り込まれを低減でき、活性層近傍からの拡散による活性層へのＨの進入を抑制でき、より確実に発光効率が高く、低しきい値電流で動作する良好な半導体発光素子を得ることができる。
【０１２２】
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、量子井戸活性層の周囲には、障壁層が形成され、障壁層も窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含み、量子井戸活性層と障壁層の導電型がｎ型であるので、一層、発光効率が高く、低しきい値電流で動作する良好な半導体発光素子を得ることができる。すなわち、請求項３記載の発明では、障壁層にもＮを添加することにより、障壁層と量子井戸活性層の間で良好な界面を得ることができ、また、量子井戸活性層において必要な波長を得るためのＮ組成を低減することができ、活性層品質を向上することができる。また、障壁層の導電型もｎ型としたので、原料及びキャリアガス等成長雰囲気からのＨの結晶中への移動速度が遅くなり、取り込まれを抑えることができ光学的特性が向上する。これにより、一層、発光効率が高く、低しきい値電流で動作する良好な半導体発光素子を得ることができる。
【０１２３】
また、請求項４乃至請求項７記載の発明によれば、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有する半導体発光素子において、前記活性層は量子井戸活性層であり、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つが添加されており、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる量子井戸活性層成長中にｎ型となるドーパントを供給し添加したので、原料及びキャリアガス等成長雰囲気からのＨの結晶中への移動速度が遅くなり、取り込まれを抑えることができ、光学的特性が向上する。これにより、発光効率が高く、低しきい値電流で動作する良好な半導体発光素子を得ることができる。
【０１２４】
特に、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、前記添加された元素の濃度は３×１０１８ｃｍ−３以下であるので、光吸収損失を大きくせず特性を悪化させることなく、請求項４の効果を得ることができる。
【０１２５】
また、請求項６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、前記活性層よりも後から結晶成長された層であって、活性層の近傍の層（例えば活性層と接する層）として、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つが添加されている水素進入防止層が形成されており、ＧａＩｎＮＡｓ系材料からなる活性層の近傍にも同様にｎ型となるドーパントを供給し添加したので、活性層近傍の膜中へのＨの取り込まれを低減でき、近傍からの拡散による活性層へのＨの進入を抑制でき、より確実に発光効率が高く、低しきい値電流で動作する良好な半導体発光素子を得ることができる。
【０１２６】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項４に記載の半導体発光素子において、量子井戸活性層の周囲には、障壁層が形成され、障壁層も窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含み、量子井戸活性層と障壁層には、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つが添加されており、障壁層にもＮを添加することにより、障壁層と量子井戸活性層の間で良好な界面を得ることができ、また、量子井戸活性層において必要な波長を得るためのＮ組成を低減することができ、活性層品質を向上することができる。また、障壁層の成長中にもｎ型となるドーパントを供給し添加したので、原料及びキャリアガス等成長雰囲気からのＨの結晶中への移動速度が遅くなり、取り込まれを抑えることができ、光学的特性が向上する。これにより、一層、発光効率が高く、低しきい値電流で動作する良好な半導体発光素子を得ることができる。
【０１２７】
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、少なくとも前記活性層はＭＯＣＶＤ法によって結晶成長されたものであるＭＯＣＶＤ法で成長する場合であっても、発光効率が高く、低しきい値電流で動作する良好な半導体発光素子を容易に得ることができる。すなわち、ＭＯＣＶＤ法ではＨを含んでいる原料ガスを用いる場合が多いので、原子状水素の混入はＭＯＣＶＤ法で成長する場合に起こりやすく、ＭＯＣＶＤ法の場合、特に本発明は有用であり、本発明によって、ＭＯＣＶＤ法で成長する場合であっても、発光効率が高く、低しきい値電流で動作する良好な半導体発光素子を容易に得ることができる。
【０１２８】
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、半導体発光素子は面発光型半導体レーザ素子であるので、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ことができる。すなわち、面発光型半導体レーザは、端面発光型半導体レーザに比べて、低価格化，低消費電力化，小型化，２次元集積化に向く。ここで、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層にするときには、シリカファイバーの伝送ロスが小さく整合性が良い１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯の波長に対応できる。また、本発明では、Ｈ混入が低減されるので、低しきい値電流動作し、高出力であり、温度特性が良い面発光型半導体レーザを実現できる。これにより、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ことができる。
【０１２９】
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項９記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いた光送信モジュールであるので、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。
【０１３０】
また、請求項１１記載の発明によれば、請求項９記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いた光送受信モジュールであるので、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。
【０１３１】
また、請求項１２記載の発明によれば、請求項９記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いた光通信システムであるので、冷却素子が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】本願の発明者が実験的に求めたしきい値電流密度の窒素組成依存性を示す図である。
【図２】第１の実施例の半導体発光素子を示す図である。
【図３】第２の実施例の半導体発光素子を示す図である。
【図４】第４の実施例の半導体発光素子を示す図である。
【図５】第５の実施例の面発光レーザアレイを示す図である。
【図６】第６の実施例の光送信モジュールを示す図である。
【図７】第７の実施例の光送受信モジュールを示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子および光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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）などのユーザーに近い伝送路、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】
このような光源として、シリカファイバーの伝送ロスが小さく、整合性が良い１．３μｍ 帯、１．５５μｍ帯の半導体レーザが必要であり、ユーザーに近い領域で普及させるためには、低コスト通信システムであることが絶対条件である。
【０００４】
１．３μｍ帯、１．５５μｍ帯の波長帯では、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。従って、冷却素子を使わない低コストシステムを実現するために、温度特性の良好な長波長帯半導体レーザの開発が極めて重要である。温度特性が悪い主な理由は伝導帯バンド不連続が小さいために電子がオーバーフローし易く、これの温度依存性が大きいためである。
【０００５】
最近、ＧａＡｓ基板上に１．３μｍ帯の半導体レーザ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１参照。）が研究されている。特に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。なお、ＧａＩｎＮＡｓ系材料とは、Ｐ，Ｓｂ，Ａｌ等の他のＩＩＩ−Ｖ族元素を含んでいる場合もある。
【０００６】
ＧａＩｎＮＡｓは、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体である。すなわち、ＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓより格子定数が大きいＧａＩｎＡｓに窒素（Ｎ）を添加することで格子定数をＧａＡｓに格子整合させることが可能であり、更にバンドギャップエネルギーが小さくなり、１．３μｍ，１．５５μｍ帯での発光が可能な材料である。
【０００７】
例えば非特許文献１では、近藤らにより、ＧａＩｎＮＡｓのバンドラインナップが計算されている。ＧａＩｎＮＡｓは、窒素（Ｎ）の添加によりバンドギャップエネルギーが小さくなるが、伝導帯と価電子帯ともにエネルギーが下がり、ＧａＩｎＰ，ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓ等のＧａＡｓ格子整合系材料に対して伝導帯のバンド不連続が極めて大きくなり、このため、高特性温度半導体レーザが実現できると予想されている。実際に、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１は、本願の発明者が実験的に求めた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（％）を示し、縦軸はしきい値電流密度を示している。図１に示すようにしきい値電流密度が窒素組成増加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。このため、Ｉｎ組成を大きくして窒素組成を少なくする方法が取られており（例えば特許文献２，特許文献３参照。）、基板に対して２％程度以上と大きな圧縮歪を有したＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層が用いられている。これにより、半導体レーザのしきい値電流密度が１ｋＡ／ｃｍ２以下の低い値であって、かつ、環境温度が室温から８０℃になっても動作電流がわずか１．３倍にしか増加せず、特性温度が２００Ｋを越える良好なレーザが報告されている（例えば非特許文献２参照。）。
【０００８】
しかしながら、しきい値電流密度は、Ｎを添加しないＧａＩｎＡｓを活性層とした場合よりも数倍高い値であり、結晶性の改善がなお必要である。
【０００９】
ＧａＩｎＮＡｓ系材料の結晶性を落とす原因について、特許文献４には、水素（Ｈ）がＮとともにＧａＩｎＮＡｓ層に取り込まれ光学的特性を落としていることが述べられている。なお、Ｈの混入による光学的特性の劣化の機構は未解明である。この特許文献４では、成長後熱処理することで、Ｈ濃度が減少し光学的特性が向上することが示されている。しかしながら、熱処理によりＨ濃度は減少するものの残留しており、Ｈ濃度は光学的特性に影響を与えないまでには低減していない。
【００１０】
【特許文献１】
特開平６−３７３５５号公報
【００１１】
【非特許文献１】
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３５（１９９６）ｐｐ．１２７３−１２７５
【００１２】
【特許文献２】
特開２０００−３３２３６３号公報
【００１３】
【特許文献３】
特開２００２−１１８３２９号公報
【００１４】
【非特許文献２】
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｙｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２０００） ｐｐ．３４０３−３４０５
【００１５】
【特許文献４】
特開平１１−２７４０８３号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層を用いた半導体発光素子において、ＧａＩｎＮＡｓ系材料への水素（Ｈ）の取り込まれを低減して、温度特性が良く低しきい値である半導体発光素子および光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通信システムを提供することを目的としている。
【００１７】
【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、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有する半導体発光素子において、前記活性層は量子井戸活性層であり、導電型がｎ型であることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体発光素子において、前記活性層よりも後から結晶成長された層であって、活性層の近傍の層（例えば活性層と接する層）として、導電型がｎ型である水素進入防止層が形成されていることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の半導体発光素子において、量子井戸活性層の周囲には障壁層が形成され、障壁層も窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含み、量子井戸活性層と障壁層の導電型がｎ型であることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項４記載の発明は、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有する半導体発光素子において、前記活性層は量子井戸活性層であり、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つが添加されていることを特徴としている。
【００２１】
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、前記添加された元素の濃度は３×１０１８ｃｍ−３以下であることをことを特徴としている。
【００２２】
また、請求項６記載の発明は、請求項４記載の半導体発光素子において、前記活性層よりも後から結晶成長された層であって、活性層の近傍の層（例えば活性層と接する層）として、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つが添加されている水素進入防止層が形成されていることを特徴としている。
【００２３】
また、請求項７記載の発明は、請求項４記載の半導体発光素子において、量子井戸活性層の周囲には障壁層が形成され、障壁層も窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含み、量子井戸活性層と障壁層には、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つが添加されていることを特徴としている。
【００２４】
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、少なくとも前記活性層はＭＯＣＶＤ法によって結晶成長されたものであることを特徴としている。
【００２５】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、半導体発光素子は面発光型半導体レーザ素子であることを特徴としている。
【００２６】
また、請求項１０記載の発明は、請求項９記載の半導体発光素子が光源として用いられていることを特徴とする光送信モジュールである。
【００２７】
また、請求項１１記載の発明は、請求項９記載の半導体発光素子が光源として用いられていることを特徴とする光送受信モジュールである。
【００２８】
また、請求項１２記載の発明は、請求項９記載の半導体発光素子が光源として用いられていることを特徴とする光通信システムである。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００３０】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態は、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有する半導体発光素子において、前記活性層は量子井戸活性層であり、導電型がｎ型であることを特徴としている。
【００３１】
原子状水素によってアクセプタ−が不活性化される現象は良く知られている。これは不活性化した試料を熱処理することで活性化することができる。結晶成長後の降温過程で成長室雰囲気中にあるＡｓＨ３，ＰＨ３，Ｈ２等のＨが結晶表面から原子状水素として結晶中に入り込み、アクセプタ−である不純物と入れ替わり結合してしまうことによって、不活性化すると考えられる。この現象は、表面がｐ型の場合は加速して進行するが、表面がｎ型の場合は原子状水素の混入が抑えられることが報告されている。これは原子状水素がｐ型材料中の正孔に電子を取られ陽子となり移動速度が速くなるためと考えられる。
【００３２】
ＧａＩｎＮＡｓ系材料は非混和性の強い材料なので、非平衡環境で成長する必要がある。したがって、成長温度は低い温度となっている。このような低温では、Ｈや、その他の不純物が結晶表面に吸着しやすくなり、原子状水素がＧａＩｎＮＡｓ系材料の成長中に膜中に取り込まれてしまうと考えられる。
【００３３】
これを解決するため、本発明の第１の実施形態では、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有する半導体発光素子において、前記活性層は量子井戸活性層であり、導電型がｎ型のものにしている。
【００３４】
このようにＧａＩｎＮＡｓ系材料の導電型をｎ型として結晶成長すれば、Ｈの結晶中への混入を抑えることができる。これにより、ＧａＩｎＮＡｓ系活性層の結晶性を向上することができる。
【００３５】
また、通常、量子井戸活性層を用いた半導体レーザでは、ｐ−ｉ−ｎ接合となっており、ｐ，ｎクラッド層に挟まれた活性領域（例えば端面発光型半導体レーザでは、量子井戸活性層＋障壁層＋光ガイド層、面発光型半導体レーザでは、量子井戸活性層＋障壁層＋スペーサ層）は、半絶縁性（例えば不純物濃度として１×１０１６ｃｍ−３未満）であるｉ層となっている。量子井戸活性層をアンドープとし、障壁層にのみドーピングした変調ドープ構造を用いる例はあるが、量子井戸活性層をドーピングしていない。
【００３６】
本発明の第１の実施形態のように、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる量子井戸活性層の導電型をｎ型として結晶成長すれば、成長中のＨの結晶中への混入を抑えることができ、活性層の結晶性を向上することができる。
【００３７】
（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、上述した第１の実施形態の半導体発光素子において、前記活性層よりも後から結晶成長された層であって、活性層の近傍の層（例えば活性層と接する層）として、導電型がｎ型である水素進入防止層が形成されていることを特徴としている。
【００３８】
ＧａＩｎＮＡｓ系材料からなる活性層の近傍についても、活性層と同様に導電型をｎ型とすることで、活性層近傍の膜中へのＨの取り込まれを低減でき、活性層近傍からの拡散による活性層へのＨの進入を抑制できる。
【００３９】
（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、上述した第１の実施形態の半導体発光素子において、量子井戸活性層の周囲には障壁層が形成され、障壁層も窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含み、量子井戸活性層と障壁層の導電型がｎ型であることを特徴としている。
【００４０】
このように、障壁層にＮを添加した材料を用いることで、障壁層と量子井戸活性層との間で良好な界面が得られる。
【００４１】
すなわち、ＧａＩｎＮＡｓ系材料をＭＯＣＶＤで成長する場合は、Ｎの原料の供給量はＡｓの原料の供給量に対してモル比（「Ｎ原料」／（「Ｎ原料」＋「Ａｓ原料」））が０．９を超えるほど大きくしなければならず、Ｎの原料は多量に供給する必要があり、原料供給のＯＮ，ＯＦＦ時の制御性、つまり界面の制御性を良くすることはむずかしい。また、ＧａＩｎＮＡｓ系材料をＭＢＥ法で成長する場合は、Ｎ原料をＲＦ等で活性化させて供給するため、ＯＮ，ＯＦＦを急峻に行うことは容易ではなく、ＭＯＣＶＤと同様に界面の制御性を良くすることはむずかしい。これに対し、障壁層にもＮが添加された構造の場合には、この界面で原料供給のＯＮ，ＯＦＦの必要がなく、良好な界面を制御して得ることが容易となる。
【００４２】
また、障壁層にＮを添加することで、ＧａＡｓに対して引張り歪み層とすることができ、圧縮歪み層を用いることの多いＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層において、歪み補償構造を形成可能であり、歪みの低減効果によって素子の信頼性が向上する。
【００４３】
なお、Ｎの添加は伝導帯エネルギーを下げる効果があり、障壁層にＮを添加すると、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層との伝導帯バンド不連続が小さくなり、量子準位エネルギーが下がるので、発振波長を長波長化する効果がある。よって、量子井戸活性層において必要な波長を得るためのＮ組成を低減することができ、活性層品質を向上することができる。
【００４４】
しかし、障壁層にＮが添加された材料を用いると、障壁層中にＮとともにＨが取り込まれやすい。量子井戸活性層に隣接する障壁層結晶性の影響は大きい。また量子井戸活性層へＨが拡散し進入する恐れがある。
【００４５】
この問題を回避するため、第３の実施形態では、量子井戸活性層に隣接する障壁層も同様に導電型をｎ型としている。これにより、障壁層の膜中へのＨの取り込まれを低減でき、量子井戸活性層と障壁層とからなる活性領域の結晶性を向上することができる。
【００４６】
（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、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有する半導体発光素子において、前記活性層は量子井戸活性層であり、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つの元素（不純物）が添加されていることを特徴としている。
【００４７】
導電型をｎ型にするために添加する不純物としては、ＶＩ族元素であるＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、もしくは、ＩＶ族元素であるＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂの少なくともいずれか１つを用いることができる。これにより、Ｈの結晶中への混入を抑えることができ、活性層の結晶性を向上することができる。
【００４８】
なお、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだ材料では、他のＶ族元素としてＰ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉが挙げられる。例えばＧａＩｎＮＡｓの例では、Ｎの原子半径が他のＩＩＩ−Ｖ族元素と比べて小さいので、結晶格子は微視的に大きな歪を受けてしまう。これに対して、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｎ、Ｐｂのような原子半径の大きな材料を添加すると、これを補償することができて、格子はより安定になるので、均一な混晶となりやすく平坦な結晶が得られやすい。
【００４９】
また、Ｖ族空孔の形成によってもｎ型化するが、この場合、Ｖ族空孔が非発光再結合センターともなるので、あまり好ましくない。
【００５０】
（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、前記添加された元素（不純物）の濃度が３×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴としている。
【００５１】
多量の上記不純物を添加しすぎると、結晶性の低下，光の吸収損失の増加が顕著になり、デバイス特性を低下させてしまうので、添加する不純物の濃度には上限がある。添加する不純物の濃度は３×１０１８ｃｍ−３以下であれば良い。より望ましくは、１×１０１８ｃｍ−３以下が好ましい。また、ｎ型となっていれば効果があるので、添加する不純物の濃度の下限についてはｐ型となる不純物濃度よりも大きければ良く、例えばバックグラウンドとして入りやすいｐ型となる不純物であるＣ（炭素）の濃度よりも大きければ良い。
【００５２】
なお、Ｎと他のＶ族元素を同時に含んだ材料として、ＧａＮＡｓＳｅの報告（例えば第６３回秋季応用物理学会、２４ｐ−ＹＤ−９ （２００２．９））がある。これは、ＳｅがＶ族元素中、７．６％の組成となっており、％オーダー（２×１０２０ｃｍ−３以上）添加されており、それ以下であるドーピングレベルの添加ではない。Ｓｅを混晶の一構成元素として用いているものであり、本発明とは異質のものである。
【００５３】
（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４の実施形態の半導体発光素子において、前記活性層よりも後から結晶成長された層であって、活性層の近傍の層（例えば活性層と接する層）として、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つが添加されている水素進入防止層が形成されていることを特徴としている。
【００５４】
ＧａＩｎＮＡｓ系材料からなる活性層の近傍についても、活性層と同様に、導電型をｎ型とするための不純物を添加すると、活性層近傍の膜中へのＨの取り込まれを低減でき、活性層近傍からの拡散による活性層へのＨの進入を抑制できる。
【００５５】
（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４の実施形態の半導体発光素子において、量子井戸活性層の周囲には障壁層が形成され、障壁層も窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含み、量子井戸活性層と障壁層には、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つが添加されていることを特徴としている。
【００５６】
導電型をｎ型にするために添加する不純物としてはＶＩ族元素であるＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、もしくは、ＩＶ族元素であるＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂの少なくともいずれか１つを用いることができる。これにより、Ｈの結晶中への混入を抑えることができ、量子井戸活性層と障壁層とからなる活性領域の結晶性を向上することができる。
【００５７】
さらに、障壁層にＮを添加した材料を用いることで、障壁層と量子井戸活性層の間で良好な界面が得られる。
【００５８】
また、障壁層にＮを添加することで、ＧａＡｓに対して引張り歪み層とすることができ、圧縮歪み量子井戸活性層を用いた場合に歪み補償構造を形成可能であり、歪みの低減効果によって素子の信頼性が向上する。
【００５９】
なお、Ｎの添加は伝導帯エネルギーを下げる効果があり、障壁層にＮを添加すると、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層との伝導帯バンド不連続が小さくなり、量子準位エネルギーが下がるので、発振波長を長波長化する効果がある。よって、量子井戸活性層において必要な波長を得るためのＮ組成を低減することができ、活性層品質を向上することができる。
【００６０】
（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１乃至第７のいずれかの実施形態の半導体発光素子において、少なくとも前記活性層はＭＯＣＶＤ法によって結晶成長されたものであることを特徴としている。
【００６１】
ＭＯＣＶＤ法では、Ｈを含んでいる原料ガスを用いる場合が多い。例えばＧａＩｎＮＡｓの成長では、Ａｓの原料としてＡｓＨ３（アルシン），ＴＢＡｓ（ターシャリブチルアルシン）、Ｎの原料としてＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン），ＭＭＨｙ（モノメチルヒドラジン）、Ｇａの原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、Ｉｎの原料としてＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＴＥＩ（トリエチルインジウム）など、Ｈを含む原料が良く用いられる。更に、原料ガスを基板表面に送るためのキャリアガスも、通常、Ｈ２が用いられる。Ｎ２が用いられる場合もある。
【００６２】
また、ＭＯＣＶＤ法でＧａＩｎＮＡｓ系材料を形成する場合、ＤＭＨｙのようなＮの原料やＩＩＩ族原料に炭素（Ｃ）を含むこと、低温成長が好ましいことなどから、膜中にＣが取り込まれ、ｐ型になり易い。
【００６３】
したがって、原子状水素の混入は、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）で成長する場合に起こりやすく、ＭＯＣＶＤ法の場合、特にｎ型化の効果がある。もちろん、ＭＯＭＢＥ，ＣＢＥ，ガスソースＭＢＥなどのＨを原料に用いたＭＢＥ法で成長する場合も効果が得られる。
【００６４】
（第９の実施形態）
本発明の第９の実施形態の半導体発光素子は、第１乃至第８のいずれかの実施形態の半導体発光素子において、半導体発光素子は面発光型半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ： Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ ：垂直キャビティ面発光型半導体レーザ素子）であることを特徴としている。
【００６５】
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が良い１．３μｍ 帯，１．５５μｍ帯の半導体レーザであって、温度特性が良く冷却素子を使用しない半導体レーザが必要であり、このような半導体レーザには面発光型半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ： Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ ：垂直キャビティ面発光型半導体レーザ素子）が極めて有望である。面発光型半導体レーザ素子（面発光レーザ）は、端面発光型レーザに比べて、低価格化，低消費電力化，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／秒のイーサネットなどで実用化されている。すなわち、面発光型半導体レーザ素子（面発光レーザ）において、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層にすることで、これらの波長に対応できる。
【００６６】
また、面発光レーザは、端面発光型レーザと比べて、活性層体積が極めて小さいので、低しきい値電流動作できる。ＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層に用いることで、伝導帯のバンド不連続が大きくなり、キャリアの漏れの温度依存性が小さく、温度特性が良い面発光レーザを実現できる。なお、ＭＯＣＶＤ法で形成すると、面発光レーザの半導体分布ブラッグ反射鏡の抵抗を低減できるので、低電圧駆動が可能となり、好ましい。
【００６７】
このような本発明の面発光レーザは、光送信モジュールの光源として用いることができる。
【００６８】
上述したような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（面発光レーザ）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。
【００６９】
また、本発明の面発光レーザは、光送受信モジュールの光源として用いることもできる。
【００７０】
上述したような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（面発光レーザ）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。
【００７１】
また、本発明の面発光レーザは、光通信システムの光源として用いることもできる。
【００７２】
上述したような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（面発光レーザ）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。
【００７３】
【実施例】
次に、本発明の実施例を、図面を用いて詳細に説明する。
【００７４】
（第１の実施例）
図２は本発明の第１の実施例のＧａＩｎＮＡｓ端面発光型半導体レーザを示す図である。なお、図２の例では、リッジストライプ型レーザとなっている。また、図２のＧａＩｎＮＡｓ端面発光型半導体レーザは、層構造としてはＳＣＨ−ＳＱＷ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｓｉｎｇｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造である。
【００７５】
図２の例では、面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板上に、Ｓｅドープｎ−ＧａＡｓバッファ層，Ｓｅドープｎ−ＡｌＧａＡｓ下部クラッド層，アンドープＧａＡｓ下部光ガイド層，活性層，アンドープＧａＡｓ上部光ガイド層，Ｃドープｐ−ＡｌＧａＡｓ上部クラッド層，Ｚｎドープｐ−ＧａＡｓコンタクト層が順次成長されている。
【００７６】
ここで、活性層は、圧縮歪みを有する２層のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層（井戸層）と、その上下に形成された３層のＧａＡｓ障壁層（バリア層）とからなっている。井戸層のＩｎ組成ｘは３３％，窒素組成は１．０％とした。また、井戸層の厚さは７ｎｍとした。成長方法はＭＯＣＶＤ法で行った。キャリアガスには、Ｈ２を用いた。また、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），ＡｓＨ３（アルシン）を用い、そして窒素の原料には、ＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので、６００℃以下のような低温成長に適している。この第１の実施例では、ＧａＩｎＮＡｓ層を５５０℃で成長した。特に歪みの大きい量子井戸層を成長する場合は例えば５００℃〜６００℃程度の低温成長が好ましい。ＧａＡｓ障壁層もＧａＩｎＮＡｓ層と同じ５５０℃で成長した。
【００７７】
そして、フォトリソグラフィとエッチング技術により幅３μｍのストライプ領域以外をｐ−ＡｌＧａＡｓ層の途中まで除去し、リッジ構造を形成した。そして、このリッジ構造上に、ｐ側電極を、電流注入部となる部分を除去した絶縁膜を介して形成した。また、基板の裏面には、ｎ側電極を形成した。
【００７８】
通常、量子井戸活性層を用いた半導体レーザでは、ｐ−ｉ−ｎ接合となっており、ｐ，ｎクラッド層に挟まれた活性領域（本実施例では、量子井戸活性層＋障壁層＋光ガイド層）は、半絶縁性（例えば不純物濃度として１×１０１６ｃｍ−３未満）であるｉ層となっている。障壁層にドーピングして変調ドープ構造を用いる例はあるが、量子井戸活性層のみがドーピングされることはない。これに対し、この第１の実施例の素子では、ＧａＩｎＮＡｓ成長時にＨ２Ｓｅを供給し、量子井戸活性層をｎ型にした。これにより、原料及びキャリアガスであるＨ２からのＨの結晶中への移動速度が遅くなり、取り込まれを抑えることができ、光学的特性が向上した。これにより、発光効率が高く、低しきい値電流で動作した。
【００７９】
上述の例では、ＭＯＣＶＤ法での成長の例を示したが、Ｈを含んだ原料を用いたＭＢＥ法など、Ｈが結晶中に含まれてしまう場合に効果が得られる。また、窒素の原料にＤＭＨｙ を用いたが、活性化した窒素やＮＨ３等の他の窒素化合物を用いることもできる。また、積層構造として二重量子井戸構造（ＤＱＷ）の例を示したが、他の井戸数の量子井戸構造を用いることもできる。また、各層の組成厚さ等は必要に応じて設定できる。また、クラッド層には、ＡｌＧａＡｓ系材料と同様にワイドギャップのＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いることもできる。また、レーザの構造も他の構造にしてもかまわない。
【００８０】
（第２の実施例）
図３は本発明の第２の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子を示す図である。図３に示すように、この第２の実施例における面発光型半導体レーザ素子（面発光レーザ）は、３インチの大きさの面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板上に、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−ＡｌｘＧａ１−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）が形成されている。
【００８１】
そして、その上に、アンドープ下部ＧａＡｓスペーサ層，４層のＧａＩｎＮＡｓ井戸層と井戸層の間に設けたアンドープＧａＡｓ障壁層（バリア層）からなる多重量子井戸活性層，アンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層が形成されている。なお、この第２の実施例では、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層成長時にＳｉＨ４を供給した。
【００８２】
そして、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）が形成されている。上部反射鏡は、Ｃドープのｐ−ＡｌｘＧａ１−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）で構成されている。なお、上部反射鏡中の活性層に近い位置には、ＡｌＡｓからなる被選択酸化層が例えば３０ｎｍの厚さで設けられている。また、上部反射鏡の最上部のＧａＡｓ層は、電極とのコンタクトを取るコンタクト層を兼ねている。
【００８３】
この第２の実施例では、活性層内の井戸層のＩｎ組成ｘは３３％，窒素組成は１ ．０％とした。また、井戸層は、厚さが７ｎｍであり、ＧａＡｓ基板に対して約２．１％の圧縮歪（高歪）を有していた。また、ＧａＡｓ障壁層の厚さは２０ｎｍとした。
【００８４】
成長方法はＭＯＣＶＤ法で行なった。キャリアガスには、Ｈ２を用いた。また、ＧａＩｎＮＡｓ活性層の原料には、ＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＡｓＨ３（アルシン）を用い、そして窒素の原料には、ＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので、６００℃以下のような低温成長に適しており、特に低温成長の必要な歪みの大きい量子井戸層を成長する場合好ましい原料である。この第２の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ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。この第２の実施例では、ＧａＩｎＮＡｓ層は５４０℃で成長させた。
【００８５】
この第２の実施例では、所定の大きさのメサを少なくともｐ−ＡｌＡｓ被選択酸化層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ＡｌｘＯｙ電流狭さく部を形成した。そして、次にポリイミドでエッチング部を埋め込んで平坦化し、ｐコンタクト部と光出射部のある上部反射鏡上のポリイミドを除去し、ｐコンタクト層上の光出射部以外にｐ側電極を形成し、また、基板の裏面にｎ側電極を形成した。
【００８６】
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。
【００８７】
通常、量子井戸活性層を用いた半導体レーザでは、ｐ−ｉ−ｎ接合となっており、ｐ，ｎクラッド層に挟まれた活性領域（例えば本実施例では、量子井戸活性層＋障壁層＋スペーサ層）は、半絶縁性（例えば不純物濃度として１×１０１６ｃｍ−３未満）であるｉ層となっている。これに対し、この第２の実施例の素子では、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層をｎ型にした。これにより、原料及びキャリアガスであるＨ２からのＨの結晶中への移動速度が遅くなり、取り込まれを抑えることができ、光学的特性が向上した。これにより、発光効率が高く、低しきい値電流で動作した。
【００８８】
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。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。
【００８９】
ＧａＩｎＮＡｓ等の窒素と他のＶ族を含んだ半導体層の作製にはＭＢＥ法が主に用いられていたが、原理的に高真空中での成長なので原料供給量を大きくできない。すなわち、原料供給量を大きくすると、排気系に負担がかかるというデメリットがある。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。
【００９０】
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波長帯の面発光型半導体レーザ素子では、結晶成長層の厚さとして１０μｍ を超える厚さが必要になるが、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／時程度であり、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。
【００９１】
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。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との間に、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。
【００９２】
このように、面発光型半導体レーザ素子は、１００層を超える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と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、原料供給量を原料セルの温度を変えて制御しており、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。
【００９３】
一方、ＭＯＣＶＤ法は、原料ガス流量を制御するだけで良く、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／時以上と高くでき、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る。
【００９４】
なお、この第２の実施例では、Ｎと他のＶ族元素を同時に含んだ量子井戸活性層としてＧａＩｎＮＡｓを用いたが、ＧａＮＡｓ，ＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ等を用いることもできる。
【００９５】
このように、この第２の実施例によれば、低抵抗，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。
【００９６】
（第３の実施例）
本発明の第３の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子も、第２の実施例と同様に、基本的には図３の構造のものとなっているが、第２の実施例の素子との違いは、一番最初に成長する（基板側）ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層よりも上部に形成するＧａＡｓ障壁層（バリア層）成長時にもＳｉＨ４を供給して、ＧａＡｓ障壁層（バリア層）にＳｉを添加し、ＧａＡｓ障壁層（バリア層）をｎ型としている点である。
【００９７】
量子井戸活性層上部の障壁層（バリア層）の成長温度は活性層と同様に低温が好ましい。つまり、量子井戸活性層上部の障壁層成長時に表面からＨが進入する恐れがある。この問題を回避するため、第３の実施例では、ＧａＩｎＮＡｓ系材料からなる量子井戸活性層の上部にあたる障壁層も同様に導電型をｎ型とする。これにより、障壁層の膜中へのＨの取り込まれを低減できて、拡散による活性層へのＨの進入を抑制でき、より確実に活性層へのＨの混入を抑制でき、発光効率が高く、低しきい値である半導体発光素子を得ることができる。
【００９８】
（第４の実施例）
図４は本発明の第４の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子を示す図である。この第４の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の第２の実施例の素子との主な違いは、障壁層（バリア層）をＧａＮＰＡｓとし、量子井戸活性層と障壁層をｎ型としたことである。
【００９９】
具体的には、第４の実施例のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子では、下部反射鏡上に、アンドープ下部ＧａＡｓスペーサ層，４層のＧａＩｎＮＡｓ井戸層と５層のＧａＮＰＡｓ障壁層からなる多重量子井戸活性層，アンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層が形成されている。なお、この第４の実施例では、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層とＧａＮＰＡｓ障壁層の成長時にＳｉＨ４を供給した。
【０１００】
また、活性層内の井戸層のＩｎ組成ｘは３３％，窒素組成は１ ．０％とした。また、井戸層は、厚さが８ｎｍであり、ＧａＡｓ基板に対して約２．１％の圧縮歪（高歪）を有していた。また、ＧａＮＰＡｓ障壁層は、Ｎ組成０．３％，Ｐ組成４．５％、厚さは１８ｎｍとし、ＧａＡｓ基板に対して０．２２％の引張り歪みを有している。
【０１０１】
本実施例では、障壁層（バリア層）にもＮが添加されており、障壁層中にＮとともにＨが取り込まれやすい。量子井戸活性層に隣接する障壁層の結晶性の影響は大きい。また量子井戸活性層へＨが進入する恐れがある。本実施例のようにＧａＩｎＮＡｓ系材料からなる量子井戸活性層に隣接する障壁層も、量子井戸活性層と同様に導電型をｎ型とすることで障壁層の膜中へのＨの取り込まれを低減でき、発光効率が高く、低しきい値である半導体発光素子を得ることができる。
【０１０２】
また、本実施例のように障壁層（バリア層）にＮを添加した材料を用いることで、障壁層と量子井戸活性層の間で良好な界面が得られる。
【０１０３】
すなわち、ＧａＩｎＮＡｓ系材料をＭＯＣＶＤで成長する場合は、Ｎの原料の供給量はＡｓの原料の供給量に対してモル比（「Ｎ原料」／（「Ｎ原料」＋「Ａｓ原料」））が０．９を超えるほど大きくしなければならず、Ｎの原料は多量に供給する必要があり、原料供給のＯＮ，ＯＦＦ時の制御性、つまり界面の制御性を良くすることはむずかしい。また、ＧａＩｎＮＡｓ系材料をＭＢＥ法で成長する場合は、Ｎ原料をＲＦ等で活性化させて供給するため、ＯＮ，ＯＦＦを急峻に行うことは容易ではなく、ＭＯＣＶＤと同様に界面の制御性を良くすることはむずかしい。これに対し、障壁層にもＮが添加された構造の場合には、この界面で原料供給のＯＮ，ＯＦＦの必要がなく、良好な界面を制御して得ることが容易となる。
【０１０４】
また、障壁層にＮを添加することで、ＧａＡｓに対して引張り歪み層とすることができ、圧縮歪み量子井戸活性層を用いた場合に歪み補償構造を形成可能であり、歪みの低減効果によって素子の信頼性が向上する。
【０１０５】
なお、Ｎの添加は伝導帯エネルギーを下げる効果があり、障壁層にＮを添加すると、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層との伝導帯バンド不連続が小さくなり量子準位エネルギーが下がるので、発振波長を長波長化する効果がある。よって、量子井戸活性層において必要な波長を得るためのＮ組成を低減することができ、活性層品質を向上することができる。しかしながら、同じ理由（ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸層との伝導帯バンド不連続が小さくなること）で、電子のオーバーフローが増え、温度特性が悪くなる欠点がある。そこで本実施例では、障壁層のＮ組成を量子井戸活性層よりも小さくしている。Ｎ添加による伝導帯エネルギーの低下は量子井戸活性層の伝導帯エネルギーの方が障壁層よりも大きくなる。さらにＰを添加しているので、Ｎ添加による伝導帯エネルギーの低下が補償されている。これによって、充分大きな伝導帯バンド不連続を維持することができ、温度特性の良好な面発光レーザを得ることができる。
【０１０６】
また、障壁層のＮ組成は小さいが、Ｐを添加しているので、充分な引張り歪み組成を得ることができ、大きな圧縮歪みを有した活性層を用いていても、結晶欠陥が発生することなく井戸数を増やすことができ、高出力が得られ、また、歪みの低減効果により素子の信頼性が向上した。
【０１０７】
なお、圧縮歪を有したＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層の歪補償をするために、障壁層として基板であるＧａＡｓよりも格子定数が小さいＧａＮＰＡｓを用いたが、格子整合材料であるＧａＡｓを用いることができるほか、ＧａＮＡｓ，ＧａＰＡｓ，ＧａＮＰＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＮＰＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ等を用いることができる。
【０１０８】
（第５の実施例）
図５は本発明の第５の実施例の面発光レーザアレイを示す図（上面図）である。この第５の実施例の面発光レーザアレイは、第４の実施例の面発光レーザが１０素子、１次元に並んだものとなっている。これは、２次元に集積させてもかまわない。ただし、第５の実施例の面発光レーザアレイは、第４の実施例と導電型ｐ，ｎが逆になっている。すなわち、第５の実施例の面発光レーザアレイでは、上面にｎ側個別電極が形成され、基板裏面にｐ側共通電極が形成されている。これはアノードコモンとして高速動作が可能なバイポーラトランジスタ駆動回路を用いることができるので、複数の素子により同時により多くのデータを伝送することができるからである。これにより、同時により多くのデータを伝送する並列伝送が可能となる。
【０１０９】
更に、最表面がｎ型となっており、成長終了後の降温時におけるＨの進入を抑制できる。
【０１１０】
（第６の実施例）
図６は本発明の第６の実施例の光送信モジュールを示す図であり、第６の実施例の光送信モジュールは、第５の実施例の面発光レーザアレイチップとシリカファイバーとを組み合わせたものとなっている。この第６の実施例では、面発光レーザアレイチップからのレーザ光が光ファイバーに入力され伝送される。ここで、光ファイバーには、シングルモードファイバーを用いている。同時により多くのデータを伝送するために、複数の半導体レーザが集積したレーザアレイを用いた並列伝送が試みられている。この第６の実施例では、シングルモード高出力面発光レーザを用いているので、高速な並列伝送が可能となり、従来よりも多くのデータを同時に伝送できるようになった。
【０１１１】
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に、これを用いた低コスト，高信頼性の光通信システムを実現できる。また、ＧａＩｎＮＡｓ系材料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。
【０１１２】
この第６の実施例では、面発光型半導体レーザ素子と光ファイバーとを１対１に対応させたが、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、伝送速度を更に増大することが可能となる。
【０１１３】
（第７の実施例）
図７は本発明の第７の実施例の光送受信モジュールを示す図であり、この第７の実施例の光送受信モジュールは、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ものとなっている。
【０１１４】
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７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）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は、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。
【０１１５】
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系材料を活性層に用いた面発光型半導体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。
【０１１６】
本発明の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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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すると、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。
【０１１９】
以上説明したように、窒素を含んだ半導体層である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、また本発明を採用することにより、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。
【０１２０】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１乃至請求項３記載の発明によれば、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有する半導体発光素子において、前記活性層は量子井戸活性層であり、導電型がｎ型であるので、原料及びキャリアガス等成長雰囲気からのＨの結晶中への移動速度が遅くなり、取り込まれを抑えることができて光学的特性を向上させることができ、発光効率が高く、低しきい値電流で動作する良好な半導体発光素子を得ることができる。
【０１２１】
特に、請求項２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、前記活性層よりも後から結晶成長された層であって、活性層の近傍の層（例えば活性層と接する層）として、導電型がｎ型である水素進入防止層が形成されているので、活性層近傍の膜中へのＨの取り込まれを低減でき、活性層近傍からの拡散による活性層へのＨの進入を抑制でき、より確実に発光効率が高く、低しきい値電流で動作する良好な半導体発光素子を得ることができる。
【０１２２】
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、量子井戸活性層の周囲には、障壁層が形成され、障壁層も窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含み、量子井戸活性層と障壁層の導電型がｎ型であるので、一層、発光効率が高く、低しきい値電流で動作する良好な半導体発光素子を得ることができる。すなわち、請求項３記載の発明では、障壁層にもＮを添加することにより、障壁層と量子井戸活性層の間で良好な界面を得ることができ、また、量子井戸活性層において必要な波長を得るためのＮ組成を低減することができ、活性層品質を向上することができる。また、障壁層の導電型もｎ型としたので、原料及びキャリアガス等成長雰囲気からのＨの結晶中への移動速度が遅くなり、取り込まれを抑えることができ光学的特性が向上する。これにより、一層、発光効率が高く、低しきい値電流で動作する良好な半導体発光素子を得ることができる。
【０１２３】
また、請求項４乃至請求項７記載の発明によれば、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有する半導体発光素子において、前記活性層は量子井戸活性層であり、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つが添加されており、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる量子井戸活性層成長中にｎ型となるドーパントを供給し添加したので、原料及びキャリアガス等成長雰囲気からのＨの結晶中への移動速度が遅くなり、取り込まれを抑えることができ、光学的特性が向上する。これにより、発光効率が高く、低しきい値電流で動作する良好な半導体発光素子を得ることができる。
【０１２４】
特に、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、前記添加された元素の濃度は３×１０１８ｃｍ−３以下であるので、光吸収損失を大きくせず特性を悪化させることなく、請求項４の効果を得ることができる。
【０１２５】
また、請求項６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、前記活性層よりも後から結晶成長された層であって、活性層の近傍の層（例えば活性層と接する層）として、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つが添加されている水素進入防止層が形成されており、ＧａＩｎＮＡｓ系材料からなる活性層の近傍にも同様にｎ型となるドーパントを供給し添加したので、活性層近傍の膜中へのＨの取り込まれを低減でき、近傍からの拡散による活性層へのＨの進入を抑制でき、より確実に発光効率が高く、低しきい値電流で動作する良好な半導体発光素子を得ることができる。
【０１２６】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項４に記載の半導体発光素子において、量子井戸活性層の周囲には、障壁層が形成され、障壁層も窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含み、量子井戸活性層と障壁層には、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つが添加されており、障壁層にもＮを添加することにより、障壁層と量子井戸活性層の間で良好な界面を得ることができ、また、量子井戸活性層において必要な波長を得るためのＮ組成を低減することができ、活性層品質を向上することができる。また、障壁層の成長中にもｎ型となるドーパントを供給し添加したので、原料及びキャリアガス等成長雰囲気からのＨの結晶中への移動速度が遅くなり、取り込まれを抑えることができ、光学的特性が向上する。これにより、一層、発光効率が高く、低しきい値電流で動作する良好な半導体発光素子を得ることができる。
【０１２７】
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、少なくとも前記活性層はＭＯＣＶＤ法によって結晶成長されたものであるＭＯＣＶＤ法で成長する場合であっても、発光効率が高く、低しきい値電流で動作する良好な半導体発光素子を容易に得ることができる。すなわち、ＭＯＣＶＤ法ではＨを含んでいる原料ガスを用いる場合が多いので、原子状水素の混入はＭＯＣＶＤ法で成長する場合に起こりやすく、ＭＯＣＶＤ法の場合、特に本発明は有用であり、本発明によって、ＭＯＣＶＤ法で成長する場合であっても、発光効率が高く、低しきい値電流で動作する良好な半導体発光素子を容易に得ることができる。
【０１２８】
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、半導体発光素子は面発光型半導体レーザ素子であるので、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ことができる。すなわち、面発光型半導体レーザは、端面発光型半導体レーザに比べて、低価格化，低消費電力化，小型化，２次元集積化に向く。ここで、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層にするときには、シリカファイバーの伝送ロスが小さく整合性が良い１．３μｍ帯，１．５５μｍ帯の波長に対応できる。また、本発明では、Ｈ混入が低減されるので、低しきい値電流動作し、高出力であり、温度特性が良い面発光型半導体レーザを実現できる。これにより、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ことができる。
【０１２９】
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項９記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いた光送信モジュールであるので、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。
【０１３０】
また、請求項１１記載の発明によれば、請求項９記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いた光送受信モジュールであるので、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。
【０１３１】
また、請求項１２記載の発明によれば、請求項９記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いた光通信システムであるので、冷却素子が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】本願の発明者が実験的に求めたしきい値電流密度の窒素組成依存性を示す図である。
【図２】第１の実施例の半導体発光素子を示す図である。
【図３】第２の実施例の半導体発光素子を示す図である。
【図４】第４の実施例の半導体発光素子を示す図である。
【図５】第５の実施例の面発光レーザアレイを示す図である。
【図６】第６の実施例の光送信モジュールを示す図である。
【図７】第７の実施例の光送受信モジュールを示す図である。
Claims (12)
- 窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有する半導体発光素子において、前記活性層は量子井戸活性層であり、導電型がｎ型であることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項１記載の半導体発光素子において、前記活性層よりも後から結晶成長された層であって、活性層の近傍の層として、導電型がｎ型である水素進入防止層が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項１記載の半導体発光素子において、量子井戸活性層の周囲には障壁層が形成され、障壁層も窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含み、量子井戸活性層と障壁層の導電型がｎ型であることを特徴とする半導体発光素子。
- 窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体からなる活性層を有する半導体発光素子において、前記活性層は量子井戸活性層であり、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つが添加されていることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項４記載の半導体発光素子において、前記添加された元素の濃度は３×１０１８ｃｍ−３以下であることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項４記載の半導体発光素子において、前記活性層よりも後から結晶成長された層であって、活性層の近傍の層として、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つが添加されている水素進入防止層が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項４記載の半導体発光素子において、量子井戸活性層の周囲には障壁層が形成され、障壁層も窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含み、量子井戸活性層と障壁層には、少なくともＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂのいずれか１つが添加されていることを特徴とする半導体発光素子。
- 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、少なくとも前記活性層はＭＯＣＶＤ法によって結晶成長されたものであることを特徴とする半導体発光素子。
- 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、半導体発光素子は面発光型半導体レーザ素子であることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項９記載の半導体発光素子が光源として用いられていることを特徴とする光送信モジュール。
- 請求項９記載の半導体発光素子が光源として用いられていることを特徴とする光送受信モジュール。
- 請求項９記載の半導体発光素子が光源として用いられていることを特徴とする光通信システム。
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| JP2003174553A JP2005011995A (ja) | 2003-06-19 | 2003-06-19 | 半導体発光素子および光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通信システム |
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| JP2003174553A Pending JP2005011995A (ja) | 2003-06-19 | 2003-06-19 | 半導体発光素子および光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通信システム |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009004637A (ja) * | 2007-06-22 | 2009-01-08 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体デバイス |
| JP2009043785A (ja) * | 2007-08-06 | 2009-02-26 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体デバイスの作製方法 |
| JP2019033152A (ja) * | 2017-08-07 | 2019-02-28 | 住友電気工業株式会社 | 垂直共振型面発光レーザ、垂直共振型面発光レーザを作製する方法 |
-
2003
- 2003-06-19 JP JP2003174553A patent/JP2005011995A/ja active Pending
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