JP4357798B2 - 半導体発光素子およびその製造方法および光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システム - Google Patents
半導体発光素子およびその製造方法および光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP4357798B2 JP4357798B2 JP2002154156A JP2002154156A JP4357798B2 JP 4357798 B2 JP4357798 B2 JP 4357798B2 JP 2002154156 A JP2002154156 A JP 2002154156A JP 2002154156 A JP2002154156 A JP 2002154156A JP 4357798 B2 JP4357798 B2 JP 4357798B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- semiconductor
- light emitting
- semiconductor layer
- nitrogen
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
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その製造方法および光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＧａＩｎＮＡｓ活性層とＡｌを含む層を直接接して成長すると、界面に窒素が偏析して表面モフォロジーが劣化し、発光強度が著しく低下してしまう。それを改善する方法として、特開平１０−１２６００４号では、ＧａＩｎＮＡｓ層に直接接する層にはＡｌを含まないようにする構造が提案されている。
【０００３】
特開２０００−４０６８号では、ＧａＩｎＮＰ活性層とＡｌＧａＩｎＰクラッド層との間に、ＡｌとＮを構成元素として含まない中間層を設けることにより、結晶性、発光効率を改善している。
【０００４】
しかし、中間層を設けた場合でも、Ａｌを含む半導体層上に形成したＧａＩｎＮＡｓ活性層の発光効率の低下が報告されている。Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，２０００，３６（２１），ｐｐ１７７６−１７７７において、同じＭＯＣＶＤ成長室でＡｌＧａＡｓクラッド層上に連続的にＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層を成長すると、フォトルミネッセンス強度が著しく劣化することが報告されている。上記報告においては、フォトルミネッセンス強度を改善するために、ＡｌＧａＡｓクラッド層とＧａＩｎＮＡｓ活性層を異なるＭＯＣＶＤ成長室で成長させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１は、我々のＭＯＣＶＤ装置で作製したＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造の室温フォトルミネッセンススペクトルを示している。図１において、Ａは層厚１．５μｍのＡｌＧａＡｓクラッド層上にＧａＡｓ中間層をはさんで２重量子井戸構造を形成した試料であり、Ｂは層厚１．５μｍのＧａＩｎＰクラッド層上にＧａＡｓ中間層をはさんで２重量子井戸構造を連続的に形成した試料である。
【０００６】
図１に示すように、試料Ａでは試料Ｂに比べてフォトルミネッセンス強度が半分以下に低下している。従って、従来例と同様に、１台のＭＯＣＶＤ装置を用いてＡｌＧａＡｓ等のＡｌを構成元素として含む半導体層上に、ＧａＩｎＮＡｓ等の窒素を含む活性層を連続的に形成すると、活性層の発光強度が劣化してしまうという問題が生じた。そのため、ＡｌＧａＡｓクラッド層上に形成したＧａＩｎＮＡｓ系レーザの閾電流密度は、ＧａＩｎＰクラッド層上に形成した場合に比べて２倍以上高くなってしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、半導体基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子において、発光特性を著しく改善することができる半導体発光素子およびその製造方法および光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システムを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板と、基板上に積層されたＡｌを含む第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成され層厚が前記第１の半導体層よりも薄くＡｌを含む第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に形成された中間層と、
前記中間層上に形成された窒素系Ｖ族混晶半導体からなる活性層とを含む半導体発光素子において、
該半導体発光素子は、有機金属Ａｌ原料と有機窒素原料を用いて成長され、そのうち、前記第１の半導体層および第２の半導体層は、有機金属Ａｌ原料を用いて成長されており、
前記第１の半導体層の成長後と前記第２の半導体層の成長開始との間に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を行っており、前記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーは前記中間層よりも大きく、窒素を含む活性層における非発光再結合準位形成不純物の濃度が中間層における濃度と同じか、またはそれ以下であることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項２記載の発明では、請求項１記載の半導体発光素子において、前記窒素を含む活性層における非発光再結合準位形成不純物の濃度が酸素濃度であることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項３記載の発明では、請求項１記載の半導体発光素子において、前記窒素を含む活性層におけるＡｌ濃度が前記中間層におけるＡｌ濃度以下であることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項４記載の発明では、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、前記Ａｌを含む第２の半導体層のＡｌ含有量が前記Ａｌを含む第１の半導体層のＡｌ含有量よりも小さいことを特徴としている。
【００１６】
また、請求項５記載の発明では、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む第１の半導体層は、基板上に積層された第１のＡｌを含む低屈折率層と第１のＡｌを含まない高屈折率層とが交互に積層された第１半導体多層膜反射鏡であり、Ａｌを含む第２の半導体層は、前記第１半導体多層膜反射鏡上に形成され、第２のＡｌを含む低屈折率層と第２のＡｌを含まない高屈折率層が積層された第２半導体多層膜反射鏡であり、光を基板と垂直方向に出射することを特徴としている。
また、請求項６記載の発明では、請求項５記載の面発光型の半導体発光素子において、前記第２のＡｌを含む低屈折率層のＡｌ含有量が前記第１のＡｌを含む低屈折率層のＡｌ含有量より小さいことを特徴としている。
【００１７】
また、請求項７記載の発明では、基板と、基板上に積層されたＡｌを含む第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成され層厚が前記第１の半導体層よりも薄くＡｌを含む第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に形成された中間層と、
前記中間層上に形成された窒素系Ｖ族混晶半導体からなる活性層とを含む半導体発光素子の製造方法において、
前記第１の半導体層および第２の半導体層は、それぞれ有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料とを用いて成長されており、
前記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーは前記中間層よりも大きくなっており、
前記第１の半導体層の成長後と前記第２の半導体層の成長開始との間に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を有することを特徴としている。
【００１８】
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子が用いられることを特徴とする光伝送モジュールである。
【００１９】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子を備えていることを特徴とする光交換装置である。
【００２０】
また、請求項１０記載の発明は、請求項８記載の光伝送モジュールまたは請求項９記載の光交換装置を備えていることを特徴とする光伝送システムである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図２は、基板と窒素を含む半導体層との間にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子の一例を示す図である。図２の半導体発光素子では、基板２０１上に、Ａｌを含む第１の半導体層２０２、中間層２０３、窒素を含む活性層２０４、中間層２０３、第２の半導体層２０５が順次積層されている。
【００２３】
ここで、基板２０１としては、例えばＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ等の化合物半導体基板が用いられる。
【００２４】
また、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層２０２の材料としては、ＡｌＡｓ，ＡｌＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＩｎＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓＰ等を用いることができる。なお、第１の半導体層２０２は単一層の場合だけでなく、Ａｌを構成元素として含む半導体層を複数積層していてもよい。
【００２５】
また、中間層２０３は構成元素としてＡｌとＮを含んでおらず、例えばＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ，ＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＡｓＰ等で構成されている。
【００２６】
また、窒素を含む活性層２０４としては、例えばＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等が用いられる。窒素を含む活性層２０４は、Ａｌ原料を意図的に導入することなく結晶成長されている。また、活性層２０４は単一層の場合だけでなく、窒素を含む半導体を井戸層とし、中間層材料を障壁層とする多重量子井戸構造で構成することも可能である。
【００２７】
図２の半導体発光素子の各層のエネルギーバンドギャップは、活性層２０４，中間層２０３，第１の半導体層２０２及び第２の半導体層２０５という順に大きくなっている。なお、第２の半導体層２０５は第１の半導体層２０２と同じ材料で構成されることが一般的であるが、必ずしも同じ材料である必要はなく、Ａｌを含まない材料で構成することも可能である。
【００２８】
図２の半導体発光素子は、有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料を用いたエピタキシャル成長装置を用いて、結晶成長を行うことができる。ここで、有機金属Ａｌ原料としては、例えばＴＭＡ，ＴＥＡを用いることができる。また、窒素化合物原料としては、ＤＭＨｙ，ＭＭＨｙ等の有機窒素原料やＮＨ3を用いることができる。結晶成長方法としては、ＭＯＣＶＤ法あるいはＣＢＥ法を用いることができる。
【００２９】
図３は、図２に示した半導体発光素子の一例として、２０２，２０５をＡｌＧａＡｓとし、２０３をＧａＡｓとし、２０４をＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造として構成した素子を１台のエピタキシャル成長装置（ＭＯＣＶＤ）を用いて形成したときの、窒素と酸素濃度の深さ方向分布を示す図である。なお、この測定はＳＩＭＳによって行った。表１に測定条件を示す。
【００３０】
【表１】
【００３１】
図３において、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造に対応して、活性層２０４中に２つの窒素ピークが見られる。そして、活性層２０４において、酸素のピークが検出されている。しかし、ＮとＡｌを含まない中間層２０３における酸素濃度は活性層２０４の酸素濃度よりも約１桁低い濃度となっている。
【００３２】
一方、２０２，２０５をＧａＩｎＰとし、２０３をＧａＡｓとし、２０４をＧａＩｎＮＡｓ／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２０４中の酸素濃度はバックグラウンドレベルであった。
【００３３】
図４は、図２に示した半導体発光素子の一例として、２０２，２０５をＡｌＧａＡｓとし、２０３をＧａＡｓとし、２０４をＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造として構成した素子を１台のエピタキシャル成長装置（ＭＯＣＶＤ）を用いて形成したときの、Ａｌ濃度の深さ方向分布を示した図である。なお、測定はＳＩＭＳによって行った。表２に測定条件を示す。
【００３４】
【表２】
【００３５】
図４から、本来Ａｌ原料を導入していない活性層２０４において、Ａｌが検出されている。しかし、Ａｌを含む半導体層２０２，２０５に隣接した中間層２０３においては、Ａｌ濃度は活性層２０４よりも約１桁低い濃度となっている。これは、活性層２０４中のＡｌがＡｌを含む半導体層２０２，２０５から拡散，置換して混入したものではないことを示している。
【００３６】
一方、ＧａＩｎＰのようにＡｌを含まない半導体層上に窒素を含む活性層を成長した場合には、活性層中にＡｌは検出されなかった。
【００３７】
図３に示した同じ素子における、窒素と酸素濃度の深さ方向分布と比較すると、２重量子井戸活性層中の２つの酸素ピークプロファイルは、窒素濃度のピークプロファイルと対応しておらず、図４のＡｌ濃度プロファイルと対応している。このことから、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明らかとなった。
【００３８】
従って、活性層２０４中に検出されたＡｌは、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌが、窒素化合物原料または窒素化合物原料中の不純物（水分等）と結合して活性層中に取りこまれたものである。すなわち、窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて、１台のエピタキシャル成長装置により、基板と窒素を含む活性層との間に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、窒素を含む活性層中に自然にＡｌが取りこまてしまう。
【００３９】
そして、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌは、窒素化合物原料中に含まれる水分や、配管または反応管中に残留した酸素や水分と結合して活性層中に取りこまれるため、活性層に同時に酸素が取りこまれる。活性層に取りこまれた酸素は非発光再結合準位を形成するため、活性層の発光効率を低下させていたことが本願の発明者により新たに分かった。
【００４０】
本発明は、本願発明者による上記の知見に基づいてなされたものである。
【００４１】
（１）第１の実施形態
図５は、本発明の第１の実施形態による半導体発光素子の構成例を示す図である。図５の半導体発光素子は、基板２０１上に、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層５０１、Ａｌを構成元素として含む第２の半導体層５０２、下部中間層２０３、窒素を含む活性層２０４、上部中間層２０３、第３の半導体層５０３が順次積層されている。
【００４２】
図５の半導体発光素子の製造方法としては、有機金属Ａｌ原料と有機窒素原料を用いてエピタキシャル成長させることができる。そして、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層５０１成長後とＡｌを構成元素として含む第２の半導体層５０２の成長開始との間に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を設けたことを特徴としている。
【００４３】
上記工程を設けることにより、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層５０１の成長によって、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去することができる。
【００４４】
図６は、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造の室温フォトルミネッセンススペクトルを示す図である。なお、図６において、Ｂは、ＧａＩｎＰ層上にＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造を形成した場合であり、Ａは層厚１．５μｍのＡｌＧａＡｓ層上に形成した場合であり、Ｃは層厚０．２μｍのＡｌＧａＡｓ層上に形成した場合である。
【００４５】
図６に示すように、窒素を含む活性層より下のＡｌＧａＡｓ層の層厚を、一般的に半導体発光素子のクラッド層に用いられる１．５μｍより薄くして、例えば０．２μｍにすると、ＡｌＧａＡｓ層上に形成した場合でも、ＧａＩｎＰ層上に形成した場合と同等のフォトルミネッセンス強度が得られた。これは、窒素を含む活性層より下に位置するＡｌを含む半導体層の層厚を薄くすることで、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留するＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌの濃度を低減できるためである。
【００４６】
第１の実施形態による半導体発光素子においては、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層５０１の成長後に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を設けており、その後、層厚がＡｌを含む第１の半導体層５０１よりも薄いＡｌを含む第２の半導体層５０２を設けてから、窒素を含む活性層２０４を形成している。
【００４７】
従って、厚く形成したＡｌを含む第１の半導体層５０１の成長によって残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌは一度除去される。そして、Ａｌを含む第２の半導体層５０２の層厚を、例えば０．２μｍと薄く形成することで、残留するＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌの濃度を低減し、窒素を含む活性層２０４における非発光再結合準位形成不純物の濃度を低減している。これにより、Ａｌを含む半導体層上に窒素を含む活性層を積層した図２の半導体発光素子を室温連続発振させることが可能となる。
【００４８】
図１４は、下部中間層２０３の途中で、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、または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半導体発光素子の、窒素濃度と酸素濃度の深さ方向分布を示す図である。測定は、ＳＩＭＳによって行った。
【００４９】
Ａｌを除去する工程としては、基板を一旦反応室から試料交換室に移動して真空引きし、反応室をキャリアガスでパージする工程を１時間設けた。
【００５０】
図１４より、非発光再結合準位を形成する酸素の濃度は、窒素を含む活性層２０４においてバックグラウンド以下となっている。これは、下部中間層２０３の途中にＡｌを除去する工程を設けたことによる。
【００５１】
しかしながら、下部中間層２０３中でＡｌ除去工程を設けるために成長中断を行なったところ、界面に酸素のピークが検出されており、酸素が偏析していることがわかった。また、図１４には示していないが、酸素のほかにＣやＳｉのピークも検出されている。
【００５２】
図５の半導体発光素子のように、Ａｌを含む第１の半導体層５０１とＡｌを含む第２の半導体層５０２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場合にも、同様に界面に酸素，Ｃ，Ｓｉ等の不純物が偏析する場合がある。
【００５３】
界面に偏析した、酸素、Ｃ、Ｓｉ等の不純物は非発光再結合準位を形成してしまう。しかし、図５の半導体発光素子においては、残留Ａｌを除去する工程を設けるために成長中断した界面と、窒素を含む活性層２０４との間に、Ａｌを含む第２の半導体層５０２が設けられている。Ａｌを含む第２の半導体層５０２のバンドギャップエネルギーは、中間層２０３より大きくなっているため、窒素を含む活性層２０４から中間層２０３にオーバーフローしたキャリアはバンドギャップの大きいＡｌを含む第２の半導体層５０２でブロックされる。そのため、中間層２０３中に成長中断した界面を設ける場合に比べて、オーバーフローしたキャリアが成長中断した界面の非発光再結合準位で再結合して失われる割合が低減される。従って、リーク電流を抑制し、高効率の半導体発光素子を形成することができる。
【００５４】
（２）第２の実施形態
本発明の第２の実施形態においては、第１の実施形態に記載した半導体発光素子において、窒素を含む活性層の非発光再結合準位形成不純物濃度が中間層の濃度と同じか、またはそれ以下であることを特徴としている。
【００５５】
ここで、中間層は、構成元素としてＡｌとＮを含まない材料から構成されており、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層が直接接することがないようにしている。これにより、窒素を含む活性層を成長するため成長室に窒素原料を供給したときに、窒素との化学結合が強いＡｌが表面に露出していないため、表面に窒素が異常偏析することを抑制している。
【００５６】
ＭＯＣＶＤ法により、窒素を含まない活性層、例えばＧａＡｓやＧａＩｎＡｓ活性層を、Ａｌを含む半導体層上に形成した場合には、活性層の発光特性の劣化は報告されておらず、問題になっていない。従って、窒素を含まない中間層と同じ程度まで、窒素を含む活性層の非発光再結合準位形成不純物濃度を低減してやると、劣化のない高品質の活性層が得られるようになる。従って、Ａｌを構成元素として含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成した場合でも、Ａｌを含まない半導体層上に形成した場合と同等の発光特性が得られる。
【００５７】
（３）第３の実施形態
本発明の第３の実施形態においては、第１の実施形態に記載した半導体発光素子において、特に窒素を含む活性層における酸素濃度が室温連続発振可能となる濃度であることを特徴としている。
【００５８】
表３には、ＡｌＧａＡｓをクラッド層（Ａｌを含む層）とし、ＧａＩｎＮＡｓ２重量子井戸構造（窒素を含む層）を活性層としたブロードストライプレーザを試作して閾電流密度を評価した結果を示している。
【００５９】
【表３】
【００６０】
表３から、Ａｌを構成元素として含む半導体層に、窒素を含む活性層を連続的に形成した構造においては、活性層中に１×１０18ｃｍ-3以上の酸素が取りこまれており、閾電流密度は１０ｋＡ／ｃｍ2以上と著しく高い値となった。しかし、活性層中の酸素濃度を１×１０18ｃｍ-3以下に低減することにより、閾電流密度２〜３ｋＡ／ｃｍ2でブロードストライプレーザが発振した。ブロードストライプレーザの閾電流密度が数ｋＡ／ｃｍ2以下の活性層品質であれば、室温連続発振が可能である。従って、窒素を含む活性層中の酸素濃度を１×１０18ｃｍ-3以下に抑制することにより、室温連続発振可能な半導体レーザを作製することが可能である。
【００６１】
本発明の第３の実施形態においては、Ａｌを含む第１の半導体層の成長後に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を行い、その後Ａｌを含む第２の半導体層を薄く設けることにより、窒素を含む活性層の酸素濃度を例えば１×１０18ｃｍ-3以下に低減している。これにより、活性層の非発光再結合準位を低減して発光効率を改善し、室温連続発振する半導体発光素子を形成することが可能となった。
【００６２】
（４）第４の実施形態
図３に示した酸素濃度の深さ方向分布の測定結果より、中間層２０３における酸素濃度は２×１０17〜７×１０16ｃｍ-3となっている。従って、窒素を含む活性層の酸素濃度を少なくとも２×１０17ｃｍ-3以下に低減することで、高品質の活性層を得ることができる。
【００６３】
また、表３に示したように、活性層中の酸素濃度を２×１０17ｃｍ-3以下に低減すると、ブロードストライプレーザにおいて、ＡｌＧａＡｓクラッド層を用いた場合でもＧａＩｎＰクラッド層を用いた場合と同等の閾電流密度０．８ｋＡ／ｃｍ2が得られた。
【００６４】
従って、本発明の第４の実施形態においては、第２の実施形態の半導体発光素子において、窒素を含む活性層の酸素濃度を例えば２×１０17ｃｍ-3以下にして、窒素を含む活性層の酸素濃度が中間層の酸素濃度と同じか、またはそれ以下にすることにより、Ａｌを構成元素として含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成した場合でも、Ａｌを含まない半導体層上に形成した場合と同等の発光特性が得られる。
【００６５】
（５）第５の実施形態
表４には、ＡｌＧａＡｓをクラッド層（Ａｌを含む層）とし、ＧａＩｎＮＡｓ２重量子井戸構造（窒素を含む層）を活性層としたブロードストライプレーザを試作して閾電流密度を評価した結果を示している。
【００６６】
【表４】
【００６７】
Ａｌを構成元素として含む半導体層に、窒素を含む活性層を連続的に形成した構造においては、活性層中に２×１０19ｃｍ-3以上のＡｌが取りこまれており、閾電流密度は１０ｋＡ／ｃｍ2以上と著しく高い値となった。しかし、活性層中のＡｌ濃度を１×１０19ｃｍ-3以下に低減することにより、活性層中の酸素濃度が１×１０18ｃｍ-3以下に低減され、閾電流密度２〜３ｋＡ／ｃｍ2でブロードストライプレーザが発振した。ブロードストライプレーザの閾電流密度が数ｋＡ／ｃｍ2以下の活性層品質であれば、室温連続発振が可能である。従って、窒素を含む活性層中のＡｌ濃度を１×１０19ｃｍ-3以下に抑制することにより、室温連続発振可能な半導体レーザを作製することが可能である。
【００６８】
本発明の第５の実施形態においては、基板と、基板上に積層されたＡｌを含む第１の半導体層と、Ａｌを含む第１の半導体層上に形成された窒素を含む活性層とを含む半導体発光素子において、Ａｌを含む第１の半導体層と窒素を含む活性層との間に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を行った後に、層厚がＡｌを含む第１の半導体層よりも薄いＡｌを含む第２の半導体層が設けられており、窒素を含む活性層のＡｌ濃度を例えば１×１０19ｃｍ-3以下にすることによって、活性層の発光効率を改善した。従って、室温連続発振する半導体発光素子を形成することができる。
【００６９】
（６）第６の実施形態
本発明の第６の実施形態においては、第５の実施形態の半導体発光素子において、窒素を含む活性層のＡｌ濃度が中間層のＡｌ濃度と同じか、またはそれ以下であることを特徴としている。
【００７０】
図４から、窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を反応室に供給せずに成長した中間層２０３におけるＡｌ濃度は２×１０18ｃｍ-3以下となっている。活性層中に取りこまれたＡｌ濃度が２×１０18ｃｍ-3以下の場合に、活性層中の酸素不純物濃度は２×１０17ｃｍ-3以下に低減できる。
【００７１】
また、表４に示したように、活性層中のＡｌ濃度を１×１０18ｃｍ-3以下に低減すると、ブロードストライプレーザにおいて、ＡｌＧａＡｓクラッド層を用いた場合でもＧａＩｎＰクラッド層を用いた場合と同等の閾電流密度０．８ｋＡ／ｃｍ2が得られた。
【００７２】
従って、窒素を含む活性層のＡｌ濃度を２×１０18ｃｍ-3以下、望ましくは１×１０18ｃｍ-3以下にして、窒素を含む活性層のＡｌ濃度が中間層のＡｌ濃度と同じか、またはそれ以下にすることにより、Ａｌを構成元素として含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成した場合でも、Ａｌを含まない半導体層上に形成した場合と同等の発光特性が得られる。
【００７３】
（７）第７の実施形態
本発明の第７の実施形態においては、第１から第６の実施形態の半導体発光素子において、Ａｌを含む第２の半導体層のＡｌ含有量がＡｌを含む第１の半導体層のＡｌ含有量よりも小さいことを特徴としている。
【００７４】
Ａｌを含む第２の半導体層の層厚を、Ａｌを含む第１の半導体層の層厚よりも薄くすることに加えて、Ａｌを含む第２の半導体層のＡｌ含有量を、Ａｌを含む第１の半導体層のＡｌ含有量よりも小さくすることにより、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌの濃度を、より一層低減することができる。これにより、活性層の発光効率を改善して、低閾電流の半導体発光素子を実現できる。
【００７５】
（８）第８の実施形態
図７は、本発明の第８の実施形態による半導体発光素子の構成例を示す図である。図７の半導体発光素子は、基板２０１上に、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層５０１、中間層７０１、Ａｌを構成元素として含む第２の半導体層５０２、下部中間層２０３、窒素を含む活性層２０４、上部中間層２０３、第３の半導体層５０３が順次積層されている。
【００７６】
図７の半導体発光素子の製造方法としては、有機金属Ａｌ原料と有機窒素原料を用いてエピタキシャル成長させることができる。そして、Ａｌを含む第１の半導体層５０１とＡｌを含む第２の半導体層５０２との間に中間層７０１が設けられており、中間層の途中で成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を設けたことを特徴としている。
【００７７】
上記工程を設けることにより、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層５０１の成長によって、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去することができる。
【００７８】
中間層７０１は、例えばＧａＡｓのように、Ａｌを含まない半導体材料で構成されている。中間層７０１中で成長中断してＡｌ除去工程を設けることにより、Ａｌを含む第１の半導体層５０１成長直後にＡｌ除去工程を設けた場合に比べて、成長中断中にＯ等の不純物が偏析して、成長界面に非発光再結合準位が形成されるのを抑制することができる。従って、成長界面の非発光再結合準位を低減して、活性層の発光効率を向上させることができる。
【００７９】
（９）第９の実施形態
図８は、本発明の第９の実施形態による面発光型半導体発光素子の構成例を示す図である。図８の半導体発光素子は、半導体単結晶基板２０１上に、第１の下部半導体多層膜反射鏡８０１、第２の下部半導体多層膜反射鏡８０２、下部スペーサ層８０３、中間層２０３、窒素を含む活性層２０４、中間層２０３、上部スペーサ層８０４、上部多層膜反射鏡８０５が順次積層され形成されている。光は、基板２０１に対して垂直方向（上方）に取り出される構造となっている。
【００８０】
ここで、半導体単結晶基板２０１としては、例えばＧａＡｓ基板が用いられる。第１の下部多層膜反射鏡８０１と第２の下部多層膜反射８０２は、高屈折率の半導体層と低屈折率の半導体層とを発振波長の１／４光学波長厚さで交互に積層した分布ブラッグ反射鏡となっている。高屈折率層と低屈折率層の組み合わせとしては、例えばＧａＡｓ／ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ≦１），ＡｌxＧａ1-xＡｓ／ＡｌyＧａ1-yＡｓ（０＜ｘ＜ｙ≦１），ＧａＩｎＰ／（ＡｌxＧａ1-x）ＩｎＰ（０＜ｘ≦１）等が用いられる。
【００８１】
反射鏡にはさまれた下部スペーサ層８０３〜上部スペーサ層８０４の領域は共振器を構成しており、発振波長の１／２光学波長厚さの整数倍となっている。
【００８２】
中間層２０３は構成元素としてＡｌとＮを含まない材料で形成されており、例えばＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ等で構成されている。
【００８３】
窒素を含む活性層２０４は、例えばＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等で構成される。このような窒素系Ｖ族混晶半導体材料は、１．２〜１．６μｍ帯のバンドギャップ波長を有しており、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることができる。また、活性層２０４は１層の場合だけでなく、窒素を含む半導体を井戸層とする多重量子井戸構造で構成することも可能である。
【００８４】
上部多層膜反射鏡８０５は、下部半導体多層膜反射鏡８０１と同様に分布ブラッグ反射鏡となっている。材料としては、下部反射鏡８０１，８０２のように半導体結晶で構成したり、ＳｉＯ2／ＴｉＯ2等の誘電体材料で構成することが可能である。
【００８５】
下部半導体多層膜反射鏡８０１，８０２の低屈折率層としてＡｌを構成元素として含む半導体層を用いることにより、高屈折率層との屈折率差を大きくすることができる。これにより、より少ない層数で９９％以上の高反射率を得ることができる。そして、層数が少なくなると、半導体多層膜反射鏡の電気抵抗や熱抵抗が低減でき、温度特性が向上するという利点がある。
【００８６】
端面発光型半導体レーザの場合には、ＧａＩｎＰ，ＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ等のＡｌを含まない材料でクラッド層を構成することも可能である。しかしながら、面発光型半導体レーザの場合には、７０℃以上まで動作温度を向上させるためには、ＡｌＧａＡｓ材料系のように、下部半導体多層膜反射鏡８０１，８０２の低屈折率層にＡｌを含む半導体層を用いなければならない。
【００８７】
このように、Ａｌを含む下部半導体多層膜反射鏡８０１上に窒素を含む活性層２０４を形成する必要がある面発光型半導体レーザにおいて、窒素を含む活性層２０４の発光効率低下は大きな問題となる。特に、下部反射鏡は高反射率を得るために３０周期以上積層するため、層厚が５μｍ以上と厚く形成しなければならない。そのため、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留するＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌの濃度は増加してしまう。
【００８８】
本発明によれば、Ａｌを含む第１の下部半導体多層膜反射鏡８０１の成長後に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を行っている。これにより、第１の下部半導体多層膜反射鏡８０１成長によって成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを一度除去している。
【００８９】
その後、Ａｌを含む第２の下部半導体多層膜反射鏡８０２を成長しているが、その層厚を薄く形成することにより、成長室内に残留するＡｌ濃度を低減して、窒素を含む活性層２０４の発光効率を向上させている。
【００９０】
Ａｌを含む第２の半導体多層膜反射鏡８０２の層厚は、残留Ａｌ濃度を低減するために薄くした方がよいため、好ましくは１周期またはそれ以下の周期で構成することができる。
【００９１】
また、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程は、半導体多層膜反射鏡の高屈折率層中で成長中断して設けることが望ましい。高屈折率層は、ＧａＡｓまたはＡｌ0.1Ｇａ0.9ＡｓのようにＡｌ組成が非常に小さい材料で構成されるため、成長中断中にＯ等の不純物が偏析して、成長界面に非発光再結合準位が形成されるのを抑制することができる。
【００９２】
Ａｌを除去する工程を途中に設けた高屈折率層の層厚は、必ずしも発振波長の１／４光学波長厚さである必要はなく、光の位相整合条件を満たすように発振波長の１／４光学波長厚さのｎ倍（ｎ＝１，３，５，…）であればよい。
【００９３】
（１０）第１０の実施形態
本発明の第１０の実施形態は、第１の実施形態から第９の実施形態に示した半導体発光素子の製造方法を示すものである。第１０の実施形態においては、Ａｌを含む第１の半導体層の成長後とＡｌを含む第２の半導体層の成長開始との間、または、Ａｌを含む第１の半導体層とＡｌを含む第２の半導体層との間に設けた中間層の成長途中に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を設けたことを特徴としている。
【００９４】
より具体的には、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去するために、例えばキャリアガスでパージする工程を設けている。
【００９５】
ここで、パージ工程の時間は、Ａｌを含む第１の半導体層の成長が終了して成長室へのＡｌ原料の供給が停止してから、Ａｌを含む第２の半導体層の成長を開始するためにＡｌ原料を成長室に供給するまでの間隔をいう。
【００９６】
Ａｌを構成元素として含む半導体層を成長させると、成長室内にＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌが残留する。しかし、キャリアガスで成長室内をパージすることにより、成長室内に残留したＡｌの濃度を次第に低下させることが可能である。これにより、Ａｌを構成元素として含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成した場合でも、活性層に取りこまれるＡｌ及び酸素濃度を低減させて、活性層の発光効率を向上させることができる。
【００９７】
なお、上記の残留Ａｌを除去する工程は、窒素を含む活性層より下側のＡｌを含む半導体層の成長途中において、１回だけでなく複数回設けることも可能である。Ａｌを含む半導体層成長によって反応室内に残留したＡｌ濃度が高くならないうちに除去することにより、キャリアガスパージ等の除去工程にかかる時間を短縮化できる。
【００９８】
（１１）第１１の実施形態
本発明の第１１の実施形態は、光伝送モジュールにおいて、第１乃至第９のいずれかの実施形態に示した半導体発光素子を用いることを特徴としている。光伝送モジュールは、入力信号に応じて光信号を発生する光源を備えており、第１１の実施形態では、この光源に第１乃至第９のいずれかの実施形態に示した半導体発光素子が用いられる。光源から発した光信号は、光ファイバに結合されて外部に伝送される。
【００９９】
光源となる半導体発光素子には、半導体発光素子から出力される光強度をモニタするモニタ用受光素子を集積することも可能である。また、複数の半導体発光素子を備えたアレイ光源により、多チャンネルの光伝送モジュールを構成することもできる。また、１本の光ファイバを用いて双方向に光信号を伝送するために、光源に加えて、光分岐部と受光素子を集積して備えることも可能である。また、上記の光部品と共に光源の駆動回路や信号処理を行う電子回路を集積することもできる。
【０１００】
さらに、第９の実施形態に示した面発光型半導体発光素子を用いる場合には、光源を１次元アレイに加えて２次元アレイで用いることも可能となる。
【０１０１】
この第１１の実施形態の光伝送モジュールにおいて、その光源としての半導体発光素子には、活性層の材料として、例えばＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等が用いられている。このような窒素系Ｖ族混晶半導体材料は、１．２〜１．６μｍ帯のバンドギャップ波長を有しており、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることができる。従って、石英系光ファイバの低損失帯域に対応しており、長距離大容量伝送が可能である。また、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等の窒素系Ｖ族混晶半導体は、ＧａＡｓ障壁層との伝導帯バンド不連続を大きくとることができるため、特性温度が高い半導体レーザを実現することができる。従って、環境温度の変化に対して安定に動作する光伝送モジュールを形成できる。
【０１０２】
さらに、Ａｌを含む第１の半導体層と窒素を含む活性層との間に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を行った後に、層厚がＡｌを含む第１の半導体層よりも薄いＡｌを含む第２の半導体層を設けることにより、半導体発光素子の閾電流を大きく低減させることができ、これによって、光伝送モジュールの消費電力を低減できる。
【０１０３】
（１２）第１２の実施形態
本発明の第１２の実施形態は、光交換装置において、第１乃至第９のいずれかの実施形態に示した半導体発光素子を用いることを特徴としている。光交換装置は、Ｎ本の光ファイバから入力された光信号を、Ｍ本の光ファイバに任意に接続して光信号を出力する装置である。ここで、Ｎ及びＭは１以上の自然数である。
【０１０４】
光交換装置は、その接続の形態や機能により、トランシーバ，ハブ，リピータ，ブリッジ，ルータ，ゲートウェイ等として用いられる。
【０１０５】
光交換装置に入力された光信号は、受光素子で電気信号に変換され、電気的に回線がスイッチングされる。そして、半導体発光素子により、再び電気信号から光信号に変換されて出力される。この半導体発光素子に、第１乃至第９のいずれかの実施形態に示した半導体発光素子が用いられる。
【０１０６】
この第１２の実施形態の光交換装置において用いられる半導体発光素子には、活性層の材料として、例えばＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等が用いられる。このような窒素系Ｖ族混晶半導体材料は、１．２〜１．６μｍ帯のバンドギャップ波長を有しており、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることができる。従って、石英系光ファイバの低損失帯域に対応しており、長距離大容量伝送が可能である。また、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等の窒素系Ｖ族混晶半導体は、ＧａＡｓ障壁層との伝導帯バンド不連続を大きくとることができるため、特性温度が高い半導体レーザを実現することができる。従って、環境温度の変化に対して安定に動作する光交換装置を形成できる。
【０１０７】
さらに、Ａｌを含む第１の半導体層と窒素を含む活性層との間に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を行った後に、層厚がＡｌを含む第１の半導体層よりも薄いＡｌを含む第２の半導体層を設けることにより、半導体発光素子の閾電流を大きく低減することができ、これによって、光交換装置の消費電力を低減できる。特に、面発光型半導体素子を用いる場合には、消費電力及びコストの低減効果が大きい。
【０１０８】
（１３）第１３の実施形態
本発明の第１３の実施形態は、光伝送システムにおいて、第１１の実施形態に記載した光伝送モジュール、または第１２の実施形態に記載した光交換装置を備えていることを特徴としている。光伝送システムは、光送信モジュールと、光ファイバケーブルと、光受信モジュールとによって構成されている。光送信モジュールから出力された光信号は、光ファイバケーブルを伝搬して光受信モジュールに伝送される。
【０１０９】
光伝送の形態としては、１本の光ファイバ中を双方向に伝送する方式や、２本の光ファイバを１組として上り方向と下り方向をそれぞれ伝送させる方式がある。また、複数本の光ファイバケーブルを用いて並列に光信号を伝送する方式や、１本の光ファイバ中を複数の波長の光信号で伝送する波長分割多重方式等を用いることもできる。また、光送信モジュールと光受信モジュールとの間に光交換装置を設けることも可能である。
【０１１０】
この第１３の実施形態では、環境温度の変化に安定で低消費電力である第１１の実施形態の光伝送モジュール、または第１２の実施形態の光交換装置を用いることによって、環境温度の変化に対して安定な光伝送システムを構築でき、消費電力も低減できる。
【０１１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【０１１２】
実施例１
図９は、本発明の実施例１による半導体レーザを示す図である。図９の半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板９０１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層９０２、層厚１．５μｍの第１のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０３、層厚０．２μｍの第２のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０４、ＧａＡｓ下部光導波層９０５、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６、ＧａＡｓ上部光導波層９０７、ｐ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０８、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９０９が順次積層されている。
【０１１３】
そして、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９０９の表面からｐ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０８の途中までストライプ状にエッチングされて、リッジストライプ構造が形成されている。リッジストライプ幅は４μｍとなっている。
【０１１４】
また、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９０９上にはｐ側電極９１０が形成されており、ｎ型ＧａＡｓ基板９０１裏面にはｎ側電極９１１が形成されている。
【０１１５】
図９に示した構造は、リッジストライプ構造に電流及び光を閉じ込めるリッジストライプ型半導体レーザとなっている。
【０１１６】
図９の半導体レーザの結晶成長は、１台のＭＯＣＶＤ装置を用いて行った。ここで、ＩＩＩ族原料として、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＴＭＩを使用し、Ｖ族原料としてＡｓＨ3，ＤＭＨｙを用いた。そして、実施例１の特徴は、第１のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０３成長後と第２のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０４の成長開始との間に成長中断工程を設けて結晶成長を行った点にある。
【０１１７】
本実施例では、成長中断工程として成長室にキャリガスを流してパージした。キャリガスで成長室をパージすることにより、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層９０３成長によって成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを、排出して濃度を低下させることができる。
【０１１８】
そして、成長中断パージ後に成長する、第２のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０４の層厚を０．２μｍと薄く形成することにより、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中に取りこまれるＡｌ及び酸素濃度を十分低減して、発光効率の低下を抑制することができる。これにより、ＡｌＧａＡｓクラッド層を備えた低閾電流のＧａＩｎＮＡｓ材料系半導体レーザを形成することができる。
【０１１９】
実施例２
図１０は、本発明の実施例２による半導体レーザを示す図である。なお、図１０において、図９と同様の箇所には同じ符号を付している。図１０の半導体レーザの構造は、図９の半導体レーザの構造と類似している。図９の構造と異なっている点は、第２のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０４の代わりに、ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓクラッド層１００１が設けられている点である。なお、ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓクラッド層１００１の層厚は０．２μｍとした。
【０１２０】
成長中断パージ後に成長するｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓクラッド層１００１の層厚を０．２μｍと薄くし、さらにｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓクラッド層１００１のＡｌ含有量を、第１のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０３のＡｌ含有量よりも小さくすることによって、ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓクラッド層１００１成長によって成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留するＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌの濃度を、より一層低減することができる。これにより、活性層の発光効率を改善して、低閾電流のＧａＩｎＮＡｓ材料系半導体レーザを形成することができる。
【０１２１】
実施例３
図１１は、本発明の実施例３による半導体レーザを示す図である。なお、図１１において、図９と同様の箇所には同じ符号を付している。図１１の半導体レーザの構造は、図９の半導体レーザの構造と類似している。図９の構造と異なっている点は、第１のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０３と第２のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０４との間に、ｎ型ＧａＡｓ第１中間層１１０１、ｎ型ＧａＡｓ第２中間層１１０２が積層されている点である。
【０１２２】
そして、実施例３においては、ｎ型ＧａＡｓ第１中間層１１０１成長後とｎ型ＧａＡｓ第２中間層１１０２の成長開始との間に、成長中断工程を設けて、成長室をキャリガスでパージしたことを特徴としている。キャリガスで成長室をパージすることにより、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層９０３成長によって成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを、排出して濃度を低下させることができる。
【０１２３】
また、中間層１１０１，１１０２は、ＧａＡｓ材料で構成されているため、成長中断パージ工程を実施している際に、最表面に酸素等の不純物が偏析し、成長界面に非発光再結合準位が形成されるのを抑制することができる。従って、成長界面の非発光再結合準位を低減して、活性層の発光効率をさらに向上させることができる。
【０１２４】
実施例４
図１２は、本発明の第４の実施例による面発光型半導体レーザを示す図である。図１２の半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板９０１上に、第１のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１、第２のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０２、ＧａＡｓ下部スペーサ層１２０３、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６、ＧａＡｓ上部スペーサ層１２０４、ｐ型ＡｌＡｓ層１２０５、ｐ型半導体多層膜反射鏡１２０６が順次形成されている。
【０１２５】
ｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層を交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成されている。同様に、ｐ型半導体多層膜反射鏡１２０６も、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層とｐ型Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層を交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成されている。
【０１２６】
ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６はバンドギャップ波長が１．３μｍ帯となっている。そして、第１のＧａＡｓ下部スペーサ層１２０２からＧａＡｓ上部スペーサ層１２０４までは、λ共振器を構成している。
【０１２７】
上記積層構造を、ｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１に達するまで円筒状にエッチングして、メサ構造が形成されている。メササイズは３０μｍφとなっている。そして、エッチングして表面が露出した側面からｐ型ＡｌＡｓ層１２０５を選択的に酸化させ、ＡｌＯx絶縁領域１２０７を形成することにより、電流狭窄構造が形成されている。電流は、ＡｌＯx絶縁領域１２０７によって約５μｍφの酸化開口領域に集中して活性層９０６に注入される。
【０１２８】
また、９１０はｐ型半導体多層膜反射鏡１２０６表面に形成されたリング状のｐ側電極であり、９１１はｎ型ＧａＡｓ基板９０１裏面に形成されたｎ側電極となっている。
【０１２９】
ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６で発光した光は、上下の半導体多層膜反射鏡１２０１，１２０２，１２０６で反射して増幅され、１．３μｍ帯のレーザ光を基板と垂直方向（図１２の矢印方向）に放射する。
【０１３０】
図１３は、図１２に示す面発光型半導体レーザにおける第１のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１と第２のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０２との接合部を詳細に示した図である。図１３に示すように、第１のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１は、ｎ型Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層１２０１ａとｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０１ｂとが交互に積層されて構成されている。ｎ型Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層１２０１ａとｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０１ｂの層厚は、それぞれ発振波長１．３μｍの１／４光学波長厚さとなっている。従って、第１のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１の最上層は、１／４光学波長厚さのｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０１ｂとなっている。
【０１３１】
また、第２のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０２は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０２ａとｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ低屈折率層１２０２ｂがそれぞれ１層積層されて構成されている。ここで、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０２ａの層厚は、発振波長１．３μｍの１／２光学波長厚さとなっており、また、ｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ低屈折率層１２０２ｂの層厚は、発振波長１．３μｍの１／４光学波長厚さとなっている。
【０１３２】
従って、第１のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１と第２のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０２の接合部では、合計３／４光学波長厚さのｎ型ＧａＡｓ高屈折率層が形成されている。これにより、分布ブラッグ反射鏡における光の位相整合条件を満足している。
【０１３３】
実施例４においては、結晶成長を１台のＭＯＣＶＤ装置を用いて行っており、III族原料として、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＴＭＩを使用し、Ｖ族原料としてＡｓＨ3，ＤＭＨｙを用いている。そして、第１のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１の最上層であるｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０１ｂ成長後と、第２のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０２のｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０２ａの成長開始との間に、成長中断工程を設けたことを特徴としている。
【０１３４】
成長中断中に成長室をキャリガスを流しながらパージすることにより、第１のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１の成長によって成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを、排出して濃度を低下させることができる。
【０１３５】
また、成長中断パージ後に成長する第２のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０２においては、Ａｌを含む半導体層は、層厚約０．１μｍのｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ低屈折率層１２０２ｂのみとなっている。従って、Ａｌを含む半導体層の層厚が約０．１μｍと薄くなっており、またＡｌ含有量も第１のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１を構成するｎ型Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層１２０１ａよりも小さくなっている。これにより、成長室内に残留するＡｌ濃度を抑制して、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中に取りこまれるＡｌ及び酸素濃度を低減することができる。従って、活性層の発光効率を向上させることができる。
【０１３６】
また、成長中断パージ工程は、第１のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１の最上層であるｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０１ｂと、第２のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０２のｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０２ａとの間に設けているため、ＧａＡｓ材料の成長途中に実施している。ＧａＡｓは、ＡｌＧａＡｓ等のＡｌを含む材料に比べて化学的に不活性であり、界面準位を形成しにくい安定な材料であることが知られている。従って、成長界面に非発光再結合準位が形成されにくくしている。
【０１３７】
また、図１２，図１３の面発光型半導体レーザにおいては、成長中断した界面と、窒素を含むＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６との間に、ｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ低屈折率層１２０２ｂが設けられている。ｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ低屈折率層１２０２ｂのバンドギャップエネルギーは、ＧａＡｓスペーサ層１２０２より大きくなっているため、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６からＧａＡｓスペーサ層１２０２にオーバーフローしたキャリアは、バンドギャップの大きいｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ低屈折率層１２０２ｂでブロックされる。そのため、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６からオーバーフローしたキャリアが、成長中断した界面の非発光再結合準位で再結合して失われる割合が低減される。従って、リーク電流を抑制することができる。これにより、高性能の１．３μｍ帯面発光型半導体レーザを実現することができる。
【０１３８】
なお、本実施例においては、成長中断工程を１回だけ設けている。しかし、ｎ型半導体多層膜反射鏡の成長途中に複数回設けることもできる。
【０１３９】
実施例５
図１５は、本発明の実施例５の光伝送モジュールを示す図である。図１５の光伝送モジュールでは、基板１５０１上に、光源である半導体発光素子（半導体レーザ）１５０２が設けられている。そして、半導体発光素子１５０２から出力される光の光強度をモニタするために、モニタ用受光素子１５０３が集積されている。半導体発光素子１５０２は、光伝送モジュールに入力された電気信号に応じて駆動回路１５０５で駆動されて光信号を発生させる。なお、半導体発光素子１５０２の光強度を一定に保つために、モニタ用受光素子１５０３からの信号が駆動回路１５０５にフィードバックされる。
【０１４０】
半導体発光素子１５０２で発生した光信号は、導波路で導波されて光ファイバ１５０８に結合されて、外部に出力される。
【０１４１】
一方、同じ光ファイバ１５０８から伝送されてきた光信号は、光伝送モジュール内の光分岐１５０７で分岐されて受光素子１５０４に導波される。受光素子１５０４に入力した光信号は電気信号に変換されて、受信回路１５０６で増幅され、所定の形式の電気信号として出力される。
【０１４２】
図１５の光伝送モジュールは、光源と受光部がハイブリッドに集積されており、１本の光ファイバで光信号を入出力させる方式となっている。
【０１４３】
この実施例５の特徴として、半導体発光素子１５０２には実施例３の半導体レーザが用いられている。実施例３の半導体レーザにおいて、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６は、石英光ファイバの伝送に適した１．３〜１．６μｍ帯でレーザ発振する。そして、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層との伝導帯バンド不連続を例えば２００ｍｅＶ以上と大きくとれるため、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層からＧａＡｓ障壁層にオーバーフローする電子を抑制できる。従って、１５０Ｋ以上の特性温度が得られる。従って、電子冷却素子を用いることなく環境温度の変化に対して安定して動作する光伝送モジュールを形成することができる。
【０１４４】
また、ｎ型ＧａＡｓ第１中間層１１０１の成長後とｎ型ＧａＡｓ第２中間層１１０２の成長開始との間に、成長中断工程を設けて、成長室をキャリガスでパージすることにより、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層９０３の成長によって成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを排出してＡｌ濃度を低下させることができる。これにより、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中に取りこまれるＡｌ及び酸素濃度を十分低減して、発光効率の低下を抑制することができるため、ＡｌＧａＡｓクラッド層を備えた低閾電流のＧａＩｎＮＡｓ材料系半導体レーザを形成することができる。従って、光伝送モジュールの消費電力を低減することができる。
【０１４５】
実施例６
図１６は、本発明の実施例６の光伝送モジュールを示す図である。図１６の光伝送モジュールでは、基板１５０１上に、光源である半導体レーザアレイ１６０１が設けられている。半導体レーザアレイ１６０１の各半導体レーザは、駆動回路１５０５によって個別に動作する。半導体レーザアレイ１６０１の各半導体レーザから出力された光信号は、それぞれ光ファイバ１５０８に結合されて外部に出力される。なお、図１６においては４チャンネルの場合を例として示している。
【０１４６】
図１６の光伝送モジュールは、並列に光信号を伝送することができるため、伝送容量を更に増大させることができる。
【０１４７】
半導体レーザアレイ１６０１には、実施例３の半導体レーザをモノリシック集積した素子が用いられている。これにより、実施例５と同様に、電子冷却素子を用いることなく環境温度の変化に対して安定して動作する光伝送モジュールを形成することができ、また、光伝送モジュールの消費電力を低減することができる。
【０１４８】
実施例７
図１７は、本発明の実施例７の光交換装置１７０１を示す図である。図１７において、ポートＡの光ファイバ１５０８から入力された４チャンネルの光信号は、受光素子アレイ１７０３にそれぞれ入力され、電気信号に変換される。そしてマトリクススイッチ１７０４で信号経路が選択され、各チャンネルに分配される。面発光型レーザアレイ１７０２では、分配された信号に応じて面発光型レーザアレイ１７０２の各素子が駆動され、光信号に変換されて、ポートＢの光ファイバから出力される。
【０１４９】
同様に、ポートＤから入力された光信号も、マトリスクスイッチ１７０４で経路が選択されて、ポートＣから出力される。
【０１５０】
図１７においては、４本の光ファイバに入力された光信号が４本の光ファイバに出力される例を示したが、入力本数と出力本数は、必ずしも同じである必要はない。
【０１５１】
図１７において、面発光型レーザアレイ１７０２は、実施例４の垂直共振器型面発光レーザ素子がモノリシックに集積されて形成されている。垂直共振器型面発光レーザ素子を用いることにより、動作電流を数ｍＡ以下と低減することができ、また製造コストを低減できるメリットがある。
【０１５２】
また、実施例４の垂直共振器型面発光レーザ素子において、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６は、井戸層への電子閉じ込め効果が高い。さらに、半導体多層膜反射鏡１２０１，１２０２，１２０６は、ＧａＡｓ高屈折率層とＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層を交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成されているため、電気抵抗や熱抵抗が低い高反射率反射鏡を形成することができる。そのため、温度特性が良好な１．３μｍ帯面発光レーザを実現できる。
【０１５３】
さらに、Ａｌを含む第１の下部半導体多層膜反射鏡１２０１の成長後に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を行っている。これにより、第１の下部半導体多層膜反射鏡１２０１の成長によって成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを一度除去している。
【０１５４】
その後、Ａｌを含む第２の下部半導体多層膜反射鏡１２０２を成長しているが、その層厚を薄く形成することにより、成長室内に残留するＡｌ濃度を低減して、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６の発光効率を向上させている。
【０１５５】
従って、実施例４に示した垂直共振器型面発光レーザ素子を光交換装置に用いることにより、光交換装置は、環境温度の変化に対して安定に動作し、また消費電力を低減することができる。
【０１５６】
実施例８
図１８は、本発明の実施例８の光伝送システムを示す図である。図１８の光伝送システムは、光送信部１８０１で発生した光信号が光ファイバ１５０８を通って光受信部１８０２に伝送されるようになっている。図１８の例では、光送信部１８０１、光ファイバ１５０８、光受信部１８０２が２系列備えており、双方向に通信できるようになっている。光送信部１８０１と光受信部１８０２は、１つのパッケージに集積されており、光送受信モジュール１８０３を構成している。
【０１５７】
この実施例８では、光送信部１８０１の光源に、実施例４の垂直共振器型面発光レーザ素子を用いることを特徴としている。これにより、電子冷却素子を用いることなく環境温度の変化に対して安定して動作する光送信部を形成することができる。また、光送信部の消費電力を低減することができる。
【０１５８】
光送受信モジュール１８０３として、実施例５に示した構成を用いる場合には、１本の光ファイバで双方向に通信することが可能となる。また、光送信部１８０１に実施例６に示した構成を用いた場合には、複数本の光ファイバを使用して並列に光信号を伝送できるため、伝送容量を増加させることができる。
【０１５９】
実施例９
図１９は、本発明の実施例９の光伝送システムを示す図である。この実施例９の光伝送システムでは、４個の光送受信モジュール１８０３との間に実施例７の光交換装置１７０１を設けて、光ファイバ１５０８で接続した構成となっている。これにより、４個の装置間で光信号を相互に伝送できる。なお、光交換装置１７０１の入出力数を変えることで、任意の数の装置間で接続することが可能である。
【０１６０】
光送受信モジュール１８０３及び光交換装置１７０１の光源には、実施例４に示した垂直共振器型面発光レーザ素子を用いており、これにより、環境温度の変化に対して安定に動作し、また消費電力を低減することができる。
【０１６１】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６記載の発明によれば、基板と、基板上に積層されたＡｌを含む第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成され層厚が前記第１の半導体層よりも薄くＡｌを含む第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に形成された中間層と、
前記中間層上に形成された窒素系Ｖ族混晶半導体からなる活性層とを含む半導体発光素子において、
該半導体発光素子は、有機金属Ａｌ原料と有機窒素原料を用いて成長され、そのうち、前記第１の半導体層および第２の半導体層は、有機金属Ａｌ原料を用いて成長されており、
前記第１の半導体層の成長後と前記第２の半導体層の成長開始との間に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を行っており、前記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーは前記中間層よりも大きく、窒素を含む活性層における非発光再結合準位形成不純物の濃度が中間層における濃度と同じか、またはそれ以下であるので、Ａｌを含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成した場合でも、Ａｌを含まない半導体層上に形成した場合と同等の発光特性が得られる。
【０１６７】
特に、請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、前記Ａｌを含む第２の半導体層のＡｌ含有量が前記Ａｌを含む第１の半導体層のＡｌ含有量よりも小さいことにより、窒素を含む活性層中のＡｌ濃度及び酸素濃度をより低減することができ、活性層の発光効率を向上させることができる。
【０１６９】
また、請求項５、請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む第１の半導体層は、基板上に積層された第１のＡｌを含む低屈折率層と第１のＡｌを含まない高屈折率層とが交互に積層された第１半導体多層膜反射鏡であり、Ａｌを含む第２の半導体層は、前記第１半導体多層膜反射鏡上に形成され、第２のＡｌを含む低屈折率層と第２のＡｌを含まない高屈折率層が積層された第２半導体多層膜反射鏡であり、光を基板と垂直方向に出射する面発光型の半導体発光素子であり、面型半導体発光素子においても活性層の発光効率を向上させることができる。
【０１７０】
また、請求項７記載の発明によれば、基板と、基板上に積層されたＡｌを含む第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成され層厚が前記第１の半導体層よりも薄くＡｌを含む第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に形成された中間層と、
前記中間層上に形成された窒素系Ｖ族混晶半導体からなる活性層とを含む半導体発光素子の製造方法において、
前記第１の半導体層および第２の半導体層は、それぞれ有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料とを用いて成長されており、
前記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーは前記中間層よりも大きくなっており、
前記第１の半導体層の成長後と前記第２の半導体層の成長開始との間に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を有するので、活性層中のＡｌ濃度を低減することができる。従って、Ａｌと結合して活性層に取りこまれる酸素濃度を低減でき、活性層の発光効率を向上できる。
【０１７１】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子が用いられることを特徴とする光伝送モジュールであるので、環境温度の変化に対して安定に動作し、低消費電力の光伝送モジュールを提供できる。
【０１７２】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子を備えていることを特徴とする光交換装置であるので、環境温度の変化に対して安定に動作し、低消費電力の光交換装置を提供できる。
【０１７３】
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項８記載の光伝送モジュールまたは請求項９記載の光交換装置を備えていることを特徴とする光伝送システムであるので、環境温度の変化に対して安定な光伝送システムを構築でき、消費電力も低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造の室温フォトルミネッセンススペクトルを示す図である。
【図２】基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子の一例を示す図である。
【図３】半導体発光素子の窒素濃度，酸素濃度の深さ方向分布を示す図である。
【図４】半導体発光素子のＡｌ濃度の深さ方向分布を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による半導体発光素子の構成例を示す図である。
【図６】ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造の室温フォトルミネッセンススペクトルを示す図である。
【図７】本発明の第８の実施形態による半導体発光素子の構成例を示す図である。
【図８】本発明の第９の実施形態による半導体発光素子の構成例を示す図である。
【図９】実施例１によるリッジストライプ型半導体レーザを示す図である。
【図１０】実施例２によるリッジストライプ型半導体レーザを示す図である。
【図１１】実施例３によるリッジストライプ型半導体レーザを示す図である。
【図１２】実施例４による面発光半導体レーザを示す図である。
【図１３】実施例４の中断界面を説明する図である。
【図１４】成長中断を設けた半導体発光素子の窒素濃度、酸素濃度の深さ方向分布を示す図である。
【図１５】実施例５による光送受信モジュールを示す図である。
【図１６】実施例６による光送信モジュールを示す図である。
【図１７】実施例７による光交換装置を示す図である。
【図１８】実施例８による光伝送システムを示す図である。
【図１９】実施例９による光伝送システムを示す図である。
【符号の説明】
２０１ 基板
２０２ Ａｌを含む第１の半導体層
２０３ 中間層
２０４ 窒素を含む活性層
２０５ 第２の半導体層
５０１ Ａｌを含む第１の半導体層
５０２ Ａｌを含む第２の半導体層
５０３ 第３の半導体層
７０１ 中間層
８０１ 第１の下部半導体多層膜反射鏡
８０２ 第２の下部半導体多層膜反射鏡
８０３ 下部スペーサ層
８０４ 上部スペーサ層
８０５ 上部多層膜反射鏡
９０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
９０２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
９０３ 第１のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層
９０４ 第２のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層
９０５ ＧａＡｓ下部光導波層
９０６ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
９０７ ＧａＡｓ上部光導波層
９０８ ｐ型 Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層
９０９ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
９１０ ｐ側電極
９１１ ｎ側電極
１００１ ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓクラッド層
１１０１ ｎ型ＧａＡｓ第１中間層
１１０２ ｎ型ＧａＡｓ第２中間層
１２０１ 第１のｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ半導体多層膜反射鏡
１２０２ 第２のｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ半導体多層膜反射鏡
１２０３ ＧａＡｓ下部スペーサ層
１２０４ ＧａＡｓ上部スペーサ層
１２０５ ＡｌＡｓ層
１２０６ ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ半導体多層膜反射鏡
１２０７ ＡｌＯx絶縁領域
１５０１ 基板
１５０２ 半導体発光素子
１５０３ モニタ受光素子
１５０４ 受光素子
１５０５ 駆動回路
１５０６ 受信回路
１５０７ 光分岐
１５０８ 光ファイバ
１６０１ 半導体レーザアレイ
１７０１ 光交換装置
１７０２ 面発光レーザアレイ
１７０３ 受光素子アレイ
１７０４ マトリクススイッチ
１８０１ 光送信部
１８０２ 光受信部
１８０３ 光送受信モジュール
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子およびその製造方法および光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＧａＩｎＮＡｓ活性層とＡｌを含む層を直接接して成長すると、界面に窒素が偏析して表面モフォロジーが劣化し、発光強度が著しく低下してしまう。それを改善する方法として、特開平１０−１２６００４号では、ＧａＩｎＮＡｓ層に直接接する層にはＡｌを含まないようにする構造が提案されている。
【０００３】
特開２０００−４０６８号では、ＧａＩｎＮＰ活性層とＡｌＧａＩｎＰクラッド層との間に、ＡｌとＮを構成元素として含まない中間層を設けることにより、結晶性、発光効率を改善している。
【０００４】
しかし、中間層を設けた場合でも、Ａｌを含む半導体層上に形成したＧａＩｎＮＡｓ活性層の発光効率の低下が報告されている。Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，２０００，３６（２１），ｐｐ１７７６−１７７７において、同じＭＯＣＶＤ成長室でＡｌＧａＡｓクラッド層上に連続的にＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層を成長すると、フォトルミネッセンス強度が著しく劣化することが報告されている。上記報告においては、フォトルミネッセンス強度を改善するために、ＡｌＧａＡｓクラッド層とＧａＩｎＮＡｓ活性層を異なるＭＯＣＶＤ成長室で成長させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１は、我々のＭＯＣＶＤ装置で作製したＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造の室温フォトルミネッセンススペクトルを示している。図１において、Ａは層厚１．５μｍのＡｌＧａＡｓクラッド層上にＧａＡｓ中間層をはさんで２重量子井戸構造を形成した試料であり、Ｂは層厚１．５μｍのＧａＩｎＰクラッド層上にＧａＡｓ中間層をはさんで２重量子井戸構造を連続的に形成した試料である。
【０００６】
図１に示すように、試料Ａでは試料Ｂに比べてフォトルミネッセンス強度が半分以下に低下している。従って、従来例と同様に、１台のＭＯＣＶＤ装置を用いてＡｌＧａＡｓ等のＡｌを構成元素として含む半導体層上に、ＧａＩｎＮＡｓ等の窒素を含む活性層を連続的に形成すると、活性層の発光強度が劣化してしまうという問題が生じた。そのため、ＡｌＧａＡｓクラッド層上に形成したＧａＩｎＮＡｓ系レーザの閾電流密度は、ＧａＩｎＰクラッド層上に形成した場合に比べて２倍以上高くなってしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、半導体基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子において、発光特性を著しく改善することができる半導体発光素子およびその製造方法および光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システムを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、基板と、基板上に積層されたＡｌを含む第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成され層厚が前記第１の半導体層よりも薄くＡｌを含む第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に形成された中間層と、
前記中間層上に形成された窒素系Ｖ族混晶半導体からなる活性層とを含む半導体発光素子において、
該半導体発光素子は、有機金属Ａｌ原料と有機窒素原料を用いて成長され、そのうち、前記第１の半導体層および第２の半導体層は、有機金属Ａｌ原料を用いて成長されており、
前記第１の半導体層の成長後と前記第２の半導体層の成長開始との間に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を行っており、前記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーは前記中間層よりも大きく、窒素を含む活性層における非発光再結合準位形成不純物の濃度が中間層における濃度と同じか、またはそれ以下であることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項２記載の発明では、請求項１記載の半導体発光素子において、前記窒素を含む活性層における非発光再結合準位形成不純物の濃度が酸素濃度であることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項３記載の発明では、請求項１記載の半導体発光素子において、前記窒素を含む活性層におけるＡｌ濃度が前記中間層におけるＡｌ濃度以下であることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項４記載の発明では、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、前記Ａｌを含む第２の半導体層のＡｌ含有量が前記Ａｌを含む第１の半導体層のＡｌ含有量よりも小さいことを特徴としている。
【００１６】
また、請求項５記載の発明では、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む第１の半導体層は、基板上に積層された第１のＡｌを含む低屈折率層と第１のＡｌを含まない高屈折率層とが交互に積層された第１半導体多層膜反射鏡であり、Ａｌを含む第２の半導体層は、前記第１半導体多層膜反射鏡上に形成され、第２のＡｌを含む低屈折率層と第２のＡｌを含まない高屈折率層が積層された第２半導体多層膜反射鏡であり、光を基板と垂直方向に出射することを特徴としている。
また、請求項６記載の発明では、請求項５記載の面発光型の半導体発光素子において、前記第２のＡｌを含む低屈折率層のＡｌ含有量が前記第１のＡｌを含む低屈折率層のＡｌ含有量より小さいことを特徴としている。
【００１７】
また、請求項７記載の発明では、基板と、基板上に積層されたＡｌを含む第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成され層厚が前記第１の半導体層よりも薄くＡｌを含む第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に形成された中間層と、
前記中間層上に形成された窒素系Ｖ族混晶半導体からなる活性層とを含む半導体発光素子の製造方法において、
前記第１の半導体層および第２の半導体層は、それぞれ有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料とを用いて成長されており、
前記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーは前記中間層よりも大きくなっており、
前記第１の半導体層の成長後と前記第２の半導体層の成長開始との間に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を有することを特徴としている。
【００１８】
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子が用いられることを特徴とする光伝送モジュールである。
【００１９】
また、請求項９記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子を備えていることを特徴とする光交換装置である。
【００２０】
また、請求項１０記載の発明は、請求項８記載の光伝送モジュールまたは請求項９記載の光交換装置を備えていることを特徴とする光伝送システムである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図２は、基板と窒素を含む半導体層との間にＡｌを含む半導体層を設けた半導体発光素子の一例を示す図である。図２の半導体発光素子では、基板２０１上に、Ａｌを含む第１の半導体層２０２、中間層２０３、窒素を含む活性層２０４、中間層２０３、第２の半導体層２０５が順次積層されている。
【００２３】
ここで、基板２０１としては、例えばＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰ等の化合物半導体基板が用いられる。
【００２４】
また、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層２０２の材料としては、ＡｌＡｓ，ＡｌＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＩｎＰ，ＡｌＧａＩｎＰ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＩｎＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＡｓＰ等を用いることができる。なお、第１の半導体層２０２は単一層の場合だけでなく、Ａｌを構成元素として含む半導体層を複数積層していてもよい。
【００２５】
また、中間層２０３は構成元素としてＡｌとＮを含んでおらず、例えばＧａＡｓ，ＧａＰ，ＩｎＰ，ＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＡｓＰ等で構成されている。
【００２６】
また、窒素を含む活性層２０４としては、例えばＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等が用いられる。窒素を含む活性層２０４は、Ａｌ原料を意図的に導入することなく結晶成長されている。また、活性層２０４は単一層の場合だけでなく、窒素を含む半導体を井戸層とし、中間層材料を障壁層とする多重量子井戸構造で構成することも可能である。
【００２７】
図２の半導体発光素子の各層のエネルギーバンドギャップは、活性層２０４，中間層２０３，第１の半導体層２０２及び第２の半導体層２０５という順に大きくなっている。なお、第２の半導体層２０５は第１の半導体層２０２と同じ材料で構成されることが一般的であるが、必ずしも同じ材料である必要はなく、Ａｌを含まない材料で構成することも可能である。
【００２８】
図２の半導体発光素子は、有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料を用いたエピタキシャル成長装置を用いて、結晶成長を行うことができる。ここで、有機金属Ａｌ原料としては、例えばＴＭＡ，ＴＥＡを用いることができる。また、窒素化合物原料としては、ＤＭＨｙ，ＭＭＨｙ等の有機窒素原料やＮＨ3を用いることができる。結晶成長方法としては、ＭＯＣＶＤ法あるいはＣＢＥ法を用いることができる。
【００２９】
図３は、図２に示した半導体発光素子の一例として、２０２，２０５をＡｌＧａＡｓとし、２０３をＧａＡｓとし、２０４をＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造として構成した素子を１台のエピタキシャル成長装置（ＭＯＣＶＤ）を用いて形成したときの、窒素と酸素濃度の深さ方向分布を示す図である。なお、この測定はＳＩＭＳによって行った。表１に測定条件を示す。
【００３０】
【表１】
図３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つの窒素ピークが見られる。そして、活性層２０４において、酸素のピークが検出されている。しかし、ＮとＡｌを含まない中間層２０３における酸素濃度は活性層２０４の酸素濃度よりも約１桁低い濃度となっている。
【００３２】
一方、２０２，２０５をＧａＩｎＰとし、２０３をＧａＡｓとし、２０４をＧａＩｎＮＡｓ／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２０４中の酸素濃度はバックグラウンドレベルであった。
【００３３】
図４は、図２に示した半導体発光素子の一例として、２０２，２０５をＡｌＧａＡｓとし、２０３をＧａＡｓとし、２０４をＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造として構成した素子を１台のエピタキシャル成長装置（ＭＯＣＶＤ）を用いて形成したときの、Ａｌ濃度の深さ方向分布を示した図である。なお、測定はＳＩＭＳによって行った。表２に測定条件を示す。
【００３４】
【表２】
図４から、本来Ａｌ原料を導入していない活性層２０４において、Ａｌが検出されている。しかし、Ａｌを含む半導体層２０２，２０５に隣接した中間層２０３においては、Ａｌ濃度は活性層２０４よりも約１桁低い濃度となっている。これは、活性層２０４中のＡｌがＡｌを含む半導体層２０２，２０５から拡散，置換して混入したものではないことを示している。
【００３６】
一方、ＧａＩｎＰのようにＡｌを含まない半導体層上に窒素を含む活性層を成長した場合には、活性層中にＡｌは検出されなかった。
【００３７】
図３に示した同じ素子における、窒素と酸素濃度の深さ方向分布と比較すると、２重量子井戸活性層中の２つの酸素ピークプロファイルは、窒素濃度のピークプロファイルと対応しておらず、図４のＡｌ濃度プロファイルと対応している。このことから、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明らかとなった。
【００３８】
従って、活性層２０４中に検出されたＡｌは、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌが、窒素化合物原料または窒素化合物原料中の不純物（水分等）と結合して活性層中に取りこまれたものである。すなわち、窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を用いて、１台のエピタキシャル成長装置により、基板と窒素を含む活性層との間に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、窒素を含む活性層中に自然にＡｌが取りこまてしまう。
【００３９】
そして、成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌは、窒素化合物原料中に含まれる水分や、配管または反応管中に残留した酸素や水分と結合して活性層中に取りこまれるため、活性層に同時に酸素が取りこまれる。活性層に取りこまれた酸素は非発光再結合準位を形成するため、活性層の発光効率を低下させていたことが本願の発明者により新たに分かった。
【００４０】
本発明は、本願発明者による上記の知見に基づいてなされたものである。
【００４１】
（１）第１の実施形態
図５は、本発明の第１の実施形態による半導体発光素子の構成例を示す図である。図５の半導体発光素子は、基板２０１上に、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層５０１、Ａｌを構成元素として含む第２の半導体層５０２、下部中間層２０３、窒素を含む活性層２０４、上部中間層２０３、第３の半導体層５０３が順次積層されている。
【００４２】
図５の半導体発光素子の製造方法としては、有機金属Ａｌ原料と有機窒素原料を用いてエピタキシャル成長させることができる。そして、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層５０１成長後とＡｌを構成元素として含む第２の半導体層５０２の成長開始との間に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を設けたことを特徴としている。
【００４３】
上記工程を設けることにより、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層５０１の成長によって、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去することができる。
【００４４】
図６は、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造の室温フォトルミネッセンススペクトルを示す図である。なお、図６において、Ｂは、ＧａＩｎＰ層上にＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造を形成した場合であり、Ａは層厚１．５μｍのＡｌＧａＡｓ層上に形成した場合であり、Ｃは層厚０．２μｍのＡｌＧａＡｓ層上に形成した場合である。
【００４５】
図６に示すように、窒素を含む活性層より下のＡｌＧａＡｓ層の層厚を、一般的に半導体発光素子のクラッド層に用いられる１．５μｍより薄くして、例えば０．２μｍにすると、ＡｌＧａＡｓ層上に形成した場合でも、ＧａＩｎＰ層上に形成した場合と同等のフォトルミネッセンス強度が得られた。これは、窒素を含む活性層より下に位置するＡｌを含む半導体層の層厚を薄くすることで、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留するＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌの濃度を低減できるためである。
【００４６】
第１の実施形態による半導体発光素子においては、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層５０１の成長後に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を設けており、その後、層厚がＡｌを含む第１の半導体層５０１よりも薄いＡｌを含む第２の半導体層５０２を設けてから、窒素を含む活性層２０４を形成している。
【００４７】
従って、厚く形成したＡｌを含む第１の半導体層５０１の成長によって残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌは一度除去される。そして、Ａｌを含む第２の半導体層５０２の層厚を、例えば０．２μｍと薄く形成することで、残留するＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌの濃度を低減し、窒素を含む活性層２０４における非発光再結合準位形成不純物の濃度を低減している。これにより、Ａｌを含む半導体層上に窒素を含む活性層を積層した図２の半導体発光素子を室温連続発振させることが可能となる。
【００４８】
図１４は、下部中間層２０３の途中で、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、または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半導体発光素子の、窒素濃度と酸素濃度の深さ方向分布を示す図である。測定は、ＳＩＭＳによって行った。
【００４９】
Ａｌを除去する工程としては、基板を一旦反応室から試料交換室に移動して真空引きし、反応室をキャリアガスでパージする工程を１時間設けた。
【００５０】
図１４より、非発光再結合準位を形成する酸素の濃度は、窒素を含む活性層２０４においてバックグラウンド以下となっている。これは、下部中間層２０３の途中にＡｌを除去する工程を設けたことによる。
【００５１】
しかしながら、下部中間層２０３中でＡｌ除去工程を設けるために成長中断を行なったところ、界面に酸素のピークが検出されており、酸素が偏析していることがわかった。また、図１４には示していないが、酸素のほかにＣやＳｉのピークも検出されている。
【００５２】
図５の半導体発光素子のように、Ａｌを含む第１の半導体層５０１とＡｌを含む第２の半導体層５０２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場合にも、同様に界面に酸素，Ｃ，Ｓｉ等の不純物が偏析する場合がある。
【００５３】
界面に偏析した、酸素、Ｃ、Ｓｉ等の不純物は非発光再結合準位を形成してしまう。しかし、図５の半導体発光素子においては、残留Ａｌを除去する工程を設けるために成長中断した界面と、窒素を含む活性層２０４との間に、Ａｌを含む第２の半導体層５０２が設けられている。Ａｌを含む第２の半導体層５０２のバンドギャップエネルギーは、中間層２０３より大きくなっているため、窒素を含む活性層２０４から中間層２０３にオーバーフローしたキャリアはバンドギャップの大きいＡｌを含む第２の半導体層５０２でブロックされる。そのため、中間層２０３中に成長中断した界面を設ける場合に比べて、オーバーフローしたキャリアが成長中断した界面の非発光再結合準位で再結合して失われる割合が低減される。従って、リーク電流を抑制し、高効率の半導体発光素子を形成することができる。
【００５４】
（２）第２の実施形態
本発明の第２の実施形態においては、第１の実施形態に記載した半導体発光素子において、窒素を含む活性層の非発光再結合準位形成不純物濃度が中間層の濃度と同じか、またはそれ以下であることを特徴としている。
【００５５】
ここで、中間層は、構成元素としてＡｌとＮを含まない材料から構成されており、Ａｌを含む半導体層と窒素を含む活性層が直接接することがないようにしている。これにより、窒素を含む活性層を成長するため成長室に窒素原料を供給したときに、窒素との化学結合が強いＡｌが表面に露出していないため、表面に窒素が異常偏析することを抑制している。
【００５６】
ＭＯＣＶＤ法により、窒素を含まない活性層、例えばＧａＡｓやＧａＩｎＡｓ活性層を、Ａｌを含む半導体層上に形成した場合には、活性層の発光特性の劣化は報告されておらず、問題になっていない。従って、窒素を含まない中間層と同じ程度まで、窒素を含む活性層の非発光再結合準位形成不純物濃度を低減してやると、劣化のない高品質の活性層が得られるようになる。従って、Ａｌを構成元素として含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成した場合でも、Ａｌを含まない半導体層上に形成した場合と同等の発光特性が得られる。
【００５７】
（３）第３の実施形態
本発明の第３の実施形態においては、第１の実施形態に記載した半導体発光素子において、特に窒素を含む活性層における酸素濃度が室温連続発振可能となる濃度であることを特徴としている。
【００５８】
表３には、ＡｌＧａＡｓをクラッド層（Ａｌを含む層）とし、ＧａＩｎＮＡｓ２重量子井戸構造（窒素を含む層）を活性層としたブロードストライプレーザを試作して閾電流密度を評価した結果を示している。
【００５９】
【表３】
表３から、Ａｌを構成元素として含む半導体層に、窒素を含む活性層を連続的に形成した構造においては、活性層中に１×１０18ｃｍ-3以上の酸素が取りこまれており、閾電流密度は１０ｋＡ／ｃｍ2以上と著しく高い値となった。しかし、活性層中の酸素濃度を１×１０18ｃｍ-3以下に低減することにより、閾電流密度２〜３ｋＡ／ｃｍ2でブロードストライプレーザが発振した。ブロードストライプレーザの閾電流密度が数ｋＡ／ｃｍ2以下の活性層品質であれば、室温連続発振が可能である。従って、窒素を含む活性層中の酸素濃度を１×１０18ｃｍ-3以下に抑制することにより、室温連続発振可能な半導体レーザを作製することが可能である。
【００６１】
本発明の第３の実施形態においては、Ａｌを含む第１の半導体層の成長後に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を行い、その後Ａｌを含む第２の半導体層を薄く設けることにより、窒素を含む活性層の酸素濃度を例えば１×１０18ｃｍ-3以下に低減している。これにより、活性層の非発光再結合準位を低減して発光効率を改善し、室温連続発振する半導体発光素子を形成することが可能となった。
【００６２】
（４）第４の実施形態
図３に示した酸素濃度の深さ方向分布の測定結果より、中間層２０３における酸素濃度は２×１０17〜７×１０16ｃｍ-3となっている。従って、窒素を含む活性層の酸素濃度を少なくとも２×１０17ｃｍ-3以下に低減することで、高品質の活性層を得ることができる。
【００６３】
また、表３に示したように、活性層中の酸素濃度を２×１０17ｃｍ-3以下に低減すると、ブロードストライプレーザにおいて、ＡｌＧａＡｓクラッド層を用いた場合でもＧａＩｎＰクラッド層を用いた場合と同等の閾電流密度０．８ｋＡ／ｃｍ2が得られた。
【００６４】
従って、本発明の第４の実施形態においては、第２の実施形態の半導体発光素子において、窒素を含む活性層の酸素濃度を例えば２×１０17ｃｍ-3以下にして、窒素を含む活性層の酸素濃度が中間層の酸素濃度と同じか、またはそれ以下にすることにより、Ａｌを構成元素として含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成した場合でも、Ａｌを含まない半導体層上に形成した場合と同等の発光特性が得られる。
【００６５】
（５）第５の実施形態
表４には、ＡｌＧａＡｓをクラッド層（Ａｌを含む層）とし、ＧａＩｎＮＡｓ２重量子井戸構造（窒素を含む層）を活性層としたブロードストライプレーザを試作して閾電流密度を評価した結果を示している。
【００６６】
【表４】
Ａｌを構成元素として含む半導体層に、窒素を含む活性層を連続的に形成した構造においては、活性層中に２×１０19ｃｍ-3以上のＡｌが取りこまれており、閾電流密度は１０ｋＡ／ｃｍ2以上と著しく高い値となった。しかし、活性層中のＡｌ濃度を１×１０19ｃｍ-3以下に低減することにより、活性層中の酸素濃度が１×１０18ｃｍ-3以下に低減され、閾電流密度２〜３ｋＡ／ｃｍ2でブロードストライプレーザが発振した。ブロードストライプレーザの閾電流密度が数ｋＡ／ｃｍ2以下の活性層品質であれば、室温連続発振が可能である。従って、窒素を含む活性層中のＡｌ濃度を１×１０19ｃｍ-3以下に抑制することにより、室温連続発振可能な半導体レーザを作製することが可能である。
【００６８】
本発明の第５の実施形態においては、基板と、基板上に積層されたＡｌを含む第１の半導体層と、Ａｌを含む第１の半導体層上に形成された窒素を含む活性層とを含む半導体発光素子において、Ａｌを含む第１の半導体層と窒素を含む活性層との間に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を行った後に、層厚がＡｌを含む第１の半導体層よりも薄いＡｌを含む第２の半導体層が設けられており、窒素を含む活性層のＡｌ濃度を例えば１×１０19ｃｍ-3以下にすることによって、活性層の発光効率を改善した。従って、室温連続発振する半導体発光素子を形成することができる。
【００６９】
（６）第６の実施形態
本発明の第６の実施形態においては、第５の実施形態の半導体発光素子において、窒素を含む活性層のＡｌ濃度が中間層のＡｌ濃度と同じか、またはそれ以下であることを特徴としている。
【００７０】
図４から、窒素化合物原料と有機金属Ａｌ原料を反応室に供給せずに成長した中間層２０３におけるＡｌ濃度は２×１０18ｃｍ-3以下となっている。活性層中に取りこまれたＡｌ濃度が２×１０18ｃｍ-3以下の場合に、活性層中の酸素不純物濃度は２×１０17ｃｍ-3以下に低減できる。
【００７１】
また、表４に示したように、活性層中のＡｌ濃度を１×１０18ｃｍ-3以下に低減すると、ブロードストライプレーザにおいて、ＡｌＧａＡｓクラッド層を用いた場合でもＧａＩｎＰクラッド層を用いた場合と同等の閾電流密度０．８ｋＡ／ｃｍ2が得られた。
【００７２】
従って、窒素を含む活性層のＡｌ濃度を２×１０18ｃｍ-3以下、望ましくは１×１０18ｃｍ-3以下にして、窒素を含む活性層のＡｌ濃度が中間層のＡｌ濃度と同じか、またはそれ以下にすることにより、Ａｌを構成元素として含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成した場合でも、Ａｌを含まない半導体層上に形成した場合と同等の発光特性が得られる。
【００７３】
（７）第７の実施形態
本発明の第７の実施形態においては、第１から第６の実施形態の半導体発光素子において、Ａｌを含む第２の半導体層のＡｌ含有量がＡｌを含む第１の半導体層のＡｌ含有量よりも小さいことを特徴としている。
【００７４】
Ａｌを含む第２の半導体層の層厚を、Ａｌを含む第１の半導体層の層厚よりも薄くすることに加えて、Ａｌを含む第２の半導体層のＡｌ含有量を、Ａｌを含む第１の半導体層のＡｌ含有量よりも小さくすることにより、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌの濃度を、より一層低減することができる。これにより、活性層の発光効率を改善して、低閾電流の半導体発光素子を実現できる。
【００７５】
（８）第８の実施形態
図７は、本発明の第８の実施形態による半導体発光素子の構成例を示す図である。図７の半導体発光素子は、基板２０１上に、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層５０１、中間層７０１、Ａｌを構成元素として含む第２の半導体層５０２、下部中間層２０３、窒素を含む活性層２０４、上部中間層２０３、第３の半導体層５０３が順次積層されている。
【００７６】
図７の半導体発光素子の製造方法としては、有機金属Ａｌ原料と有機窒素原料を用いてエピタキシャル成長させることができる。そして、Ａｌを含む第１の半導体層５０１とＡｌを含む第２の半導体層５０２との間に中間層７０１が設けられており、中間層の途中で成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を設けたことを特徴としている。
【００７７】
上記工程を設けることにより、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層５０１の成長によって、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去することができる。
【００７８】
中間層７０１は、例えばＧａＡｓのように、Ａｌを含まない半導体材料で構成されている。中間層７０１中で成長中断してＡｌ除去工程を設けることにより、Ａｌを含む第１の半導体層５０１成長直後にＡｌ除去工程を設けた場合に比べて、成長中断中にＯ等の不純物が偏析して、成長界面に非発光再結合準位が形成されるのを抑制することができる。従って、成長界面の非発光再結合準位を低減して、活性層の発光効率を向上させることができる。
【００７９】
（９）第９の実施形態
図８は、本発明の第９の実施形態による面発光型半導体発光素子の構成例を示す図である。図８の半導体発光素子は、半導体単結晶基板２０１上に、第１の下部半導体多層膜反射鏡８０１、第２の下部半導体多層膜反射鏡８０２、下部スペーサ層８０３、中間層２０３、窒素を含む活性層２０４、中間層２０３、上部スペーサ層８０４、上部多層膜反射鏡８０５が順次積層され形成されている。光は、基板２０１に対して垂直方向（上方）に取り出される構造となっている。
【００８０】
ここで、半導体単結晶基板２０１としては、例えばＧａＡｓ基板が用いられる。第１の下部多層膜反射鏡８０１と第２の下部多層膜反射８０２は、高屈折率の半導体層と低屈折率の半導体層とを発振波長の１／４光学波長厚さで交互に積層した分布ブラッグ反射鏡となっている。高屈折率層と低屈折率層の組み合わせとしては、例えばＧａＡｓ／ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０＜ｘ≦１），ＡｌxＧａ1-xＡｓ／ＡｌyＧａ1-yＡｓ（０＜ｘ＜ｙ≦１），ＧａＩｎＰ／（ＡｌxＧａ1-x）ＩｎＰ（０＜ｘ≦１）等が用いられる。
【００８１】
反射鏡にはさまれた下部スペーサ層８０３〜上部スペーサ層８０４の領域は共振器を構成しており、発振波長の１／２光学波長厚さの整数倍となっている。
【００８２】
中間層２０３は構成元素としてＡｌとＮを含まない材料で形成されており、例えばＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ等で構成されている。
【００８３】
窒素を含む活性層２０４は、例えばＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等で構成される。このような窒素系Ｖ族混晶半導体材料は、１．２〜１．６μｍ帯のバンドギャップ波長を有しており、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることができる。また、活性層２０４は１層の場合だけでなく、窒素を含む半導体を井戸層とする多重量子井戸構造で構成することも可能である。
【００８４】
上部多層膜反射鏡８０５は、下部半導体多層膜反射鏡８０１と同様に分布ブラッグ反射鏡となっている。材料としては、下部反射鏡８０１，８０２のように半導体結晶で構成したり、ＳｉＯ2／ＴｉＯ2等の誘電体材料で構成することが可能である。
【００８５】
下部半導体多層膜反射鏡８０１，８０２の低屈折率層としてＡｌを構成元素として含む半導体層を用いることにより、高屈折率層との屈折率差を大きくすることができる。これにより、より少ない層数で９９％以上の高反射率を得ることができる。そして、層数が少なくなると、半導体多層膜反射鏡の電気抵抗や熱抵抗が低減でき、温度特性が向上するという利点がある。
【００８６】
端面発光型半導体レーザの場合には、ＧａＩｎＰ，ＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ等のＡｌを含まない材料でクラッド層を構成することも可能である。しかしながら、面発光型半導体レーザの場合には、７０℃以上まで動作温度を向上させるためには、ＡｌＧａＡｓ材料系のように、下部半導体多層膜反射鏡８０１，８０２の低屈折率層にＡｌを含む半導体層を用いなければならない。
【００８７】
このように、Ａｌを含む下部半導体多層膜反射鏡８０１上に窒素を含む活性層２０４を形成する必要がある面発光型半導体レーザにおいて、窒素を含む活性層２０４の発光効率低下は大きな問題となる。特に、下部反射鏡は高反射率を得るために３０周期以上積層するため、層厚が５μｍ以上と厚く形成しなければならない。そのため、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留するＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌの濃度は増加してしまう。
【００８８】
本発明によれば、Ａｌを含む第１の下部半導体多層膜反射鏡８０１の成長後に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を行っている。これにより、第１の下部半導体多層膜反射鏡８０１成長によって成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを一度除去している。
【００８９】
その後、Ａｌを含む第２の下部半導体多層膜反射鏡８０２を成長しているが、その層厚を薄く形成することにより、成長室内に残留するＡｌ濃度を低減して、窒素を含む活性層２０４の発光効率を向上させている。
【００９０】
Ａｌを含む第２の半導体多層膜反射鏡８０２の層厚は、残留Ａｌ濃度を低減するために薄くした方がよいため、好ましくは１周期またはそれ以下の周期で構成することができる。
【００９１】
また、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程は、半導体多層膜反射鏡の高屈折率層中で成長中断して設けることが望ましい。高屈折率層は、ＧａＡｓまたはＡｌ0.1Ｇａ0.9ＡｓのようにＡｌ組成が非常に小さい材料で構成されるため、成長中断中にＯ等の不純物が偏析して、成長界面に非発光再結合準位が形成されるのを抑制することができる。
【００９２】
Ａｌを除去する工程を途中に設けた高屈折率層の層厚は、必ずしも発振波長の１／４光学波長厚さである必要はなく、光の位相整合条件を満たすように発振波長の１／４光学波長厚さのｎ倍（ｎ＝１，３，５，…）であればよい。
【００９３】
（１０）第１０の実施形態
本発明の第１０の実施形態は、第１の実施形態から第９の実施形態に示した半導体発光素子の製造方法を示すものである。第１０の実施形態においては、Ａｌを含む第１の半導体層の成長後とＡｌを含む第２の半導体層の成長開始との間、または、Ａｌを含む第１の半導体層とＡｌを含む第２の半導体層との間に設けた中間層の成長途中に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を設けたことを特徴としている。
【００９４】
より具体的には、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去するために、例えばキャリアガスでパージする工程を設けている。
【００９５】
ここで、パージ工程の時間は、Ａｌを含む第１の半導体層の成長が終了して成長室へのＡｌ原料の供給が停止してから、Ａｌを含む第２の半導体層の成長を開始するためにＡｌ原料を成長室に供給するまでの間隔をいう。
【００９６】
Ａｌを構成元素として含む半導体層を成長させると、成長室内にＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌが残留する。しかし、キャリアガスで成長室内をパージすることにより、成長室内に残留したＡｌの濃度を次第に低下させることが可能である。これにより、Ａｌを構成元素として含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成した場合でも、活性層に取りこまれるＡｌ及び酸素濃度を低減させて、活性層の発光効率を向上させることができる。
【００９７】
なお、上記の残留Ａｌを除去する工程は、窒素を含む活性層より下側のＡｌを含む半導体層の成長途中において、１回だけでなく複数回設けることも可能である。Ａｌを含む半導体層成長によって反応室内に残留したＡｌ濃度が高くならないうちに除去することにより、キャリアガスパージ等の除去工程にかかる時間を短縮化できる。
【００９８】
（１１）第１１の実施形態
本発明の第１１の実施形態は、光伝送モジュールにおいて、第１乃至第９のいずれかの実施形態に示した半導体発光素子を用いることを特徴としている。光伝送モジュールは、入力信号に応じて光信号を発生する光源を備えており、第１１の実施形態では、この光源に第１乃至第９のいずれかの実施形態に示した半導体発光素子が用いられる。光源から発した光信号は、光ファイバに結合されて外部に伝送される。
【００９９】
光源となる半導体発光素子には、半導体発光素子から出力される光強度をモニタするモニタ用受光素子を集積することも可能である。また、複数の半導体発光素子を備えたアレイ光源により、多チャンネルの光伝送モジュールを構成することもできる。また、１本の光ファイバを用いて双方向に光信号を伝送するために、光源に加えて、光分岐部と受光素子を集積して備えることも可能である。また、上記の光部品と共に光源の駆動回路や信号処理を行う電子回路を集積することもできる。
【０１００】
さらに、第９の実施形態に示した面発光型半導体発光素子を用いる場合には、光源を１次元アレイに加えて２次元アレイで用いることも可能となる。
【０１０１】
この第１１の実施形態の光伝送モジュールにおいて、その光源としての半導体発光素子には、活性層の材料として、例えばＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等が用いられている。このような窒素系Ｖ族混晶半導体材料は、１．２〜１．６μｍ帯のバンドギャップ波長を有しており、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることができる。従って、石英系光ファイバの低損失帯域に対応しており、長距離大容量伝送が可能である。また、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等の窒素系Ｖ族混晶半導体は、ＧａＡｓ障壁層との伝導帯バンド不連続を大きくとることができるため、特性温度が高い半導体レーザを実現することができる。従って、環境温度の変化に対して安定に動作する光伝送モジュールを形成できる。
【０１０２】
さらに、Ａｌを含む第１の半導体層と窒素を含む活性層との間に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を行った後に、層厚がＡｌを含む第１の半導体層よりも薄いＡｌを含む第２の半導体層を設けることにより、半導体発光素子の閾電流を大きく低減させることができ、これによって、光伝送モジュールの消費電力を低減できる。
【０１０３】
（１２）第１２の実施形態
本発明の第１２の実施形態は、光交換装置において、第１乃至第９のいずれかの実施形態に示した半導体発光素子を用いることを特徴としている。光交換装置は、Ｎ本の光ファイバから入力された光信号を、Ｍ本の光ファイバに任意に接続して光信号を出力する装置である。ここで、Ｎ及びＭは１以上の自然数である。
【０１０４】
光交換装置は、その接続の形態や機能により、トランシーバ，ハブ，リピータ，ブリッジ，ルータ，ゲートウェイ等として用いられる。
【０１０５】
光交換装置に入力された光信号は、受光素子で電気信号に変換され、電気的に回線がスイッチングされる。そして、半導体発光素子により、再び電気信号から光信号に変換されて出力される。この半導体発光素子に、第１乃至第９のいずれかの実施形態に示した半導体発光素子が用いられる。
【０１０６】
この第１２の実施形態の光交換装置において用いられる半導体発光素子には、活性層の材料として、例えばＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等が用いられる。このような窒素系Ｖ族混晶半導体材料は、１．２〜１．６μｍ帯のバンドギャップ波長を有しており、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させることができる。従って、石英系光ファイバの低損失帯域に対応しており、長距離大容量伝送が可能である。また、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等の窒素系Ｖ族混晶半導体は、ＧａＡｓ障壁層との伝導帯バンド不連続を大きくとることができるため、特性温度が高い半導体レーザを実現することができる。従って、環境温度の変化に対して安定に動作する光交換装置を形成できる。
【０１０７】
さらに、Ａｌを含む第１の半導体層と窒素を含む活性層との間に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を行った後に、層厚がＡｌを含む第１の半導体層よりも薄いＡｌを含む第２の半導体層を設けることにより、半導体発光素子の閾電流を大きく低減することができ、これによって、光交換装置の消費電力を低減できる。特に、面発光型半導体素子を用いる場合には、消費電力及びコストの低減効果が大きい。
【０１０８】
（１３）第１３の実施形態
本発明の第１３の実施形態は、光伝送システムにおいて、第１１の実施形態に記載した光伝送モジュール、または第１２の実施形態に記載した光交換装置を備えていることを特徴としている。光伝送システムは、光送信モジュールと、光ファイバケーブルと、光受信モジュールとによって構成されている。光送信モジュールから出力された光信号は、光ファイバケーブルを伝搬して光受信モジュールに伝送される。
【０１０９】
光伝送の形態としては、１本の光ファイバ中を双方向に伝送する方式や、２本の光ファイバを１組として上り方向と下り方向をそれぞれ伝送させる方式がある。また、複数本の光ファイバケーブルを用いて並列に光信号を伝送する方式や、１本の光ファイバ中を複数の波長の光信号で伝送する波長分割多重方式等を用いることもできる。また、光送信モジュールと光受信モジュールとの間に光交換装置を設けることも可能である。
【０１１０】
この第１３の実施形態では、環境温度の変化に安定で低消費電力である第１１の実施形態の光伝送モジュール、または第１２の実施形態の光交換装置を用いることによって、環境温度の変化に対して安定な光伝送システムを構築でき、消費電力も低減できる。
【０１１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【０１１２】
実施例１
図９は、本発明の実施例１による半導体レーザを示す図である。図９の半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板９０１上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層９０２、層厚１．５μｍの第１のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０３、層厚０．２μｍの第２のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０４、ＧａＡｓ下部光導波層９０５、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６、ＧａＡｓ上部光導波層９０７、ｐ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０８、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９０９が順次積層されている。
【０１１３】
そして、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９０９の表面からｐ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０８の途中までストライプ状にエッチングされて、リッジストライプ構造が形成されている。リッジストライプ幅は４μｍとなっている。
【０１１４】
また、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層９０９上にはｐ側電極９１０が形成されており、ｎ型ＧａＡｓ基板９０１裏面にはｎ側電極９１１が形成されている。
【０１１５】
図９に示した構造は、リッジストライプ構造に電流及び光を閉じ込めるリッジストライプ型半導体レーザとなっている。
【０１１６】
図９の半導体レーザの結晶成長は、１台のＭＯＣＶＤ装置を用いて行った。ここで、ＩＩＩ族原料として、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＴＭＩを使用し、Ｖ族原料としてＡｓＨ3，ＤＭＨｙを用いた。そして、実施例１の特徴は、第１のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０３成長後と第２のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０４の成長開始との間に成長中断工程を設けて結晶成長を行った点にある。
【０１１７】
本実施例では、成長中断工程として成長室にキャリガスを流してパージした。キャリガスで成長室をパージすることにより、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層９０３成長によって成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを、排出して濃度を低下させることができる。
【０１１８】
そして、成長中断パージ後に成長する、第２のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０４の層厚を０．２μｍと薄く形成することにより、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中に取りこまれるＡｌ及び酸素濃度を十分低減して、発光効率の低下を抑制することができる。これにより、ＡｌＧａＡｓクラッド層を備えた低閾電流のＧａＩｎＮＡｓ材料系半導体レーザを形成することができる。
【０１１９】
実施例２
図１０は、本発明の実施例２による半導体レーザを示す図である。なお、図１０において、図９と同様の箇所には同じ符号を付している。図１０の半導体レーザの構造は、図９の半導体レーザの構造と類似している。図９の構造と異なっている点は、第２のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０４の代わりに、ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓクラッド層１００１が設けられている点である。なお、ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓクラッド層１００１の層厚は０．２μｍとした。
【０１２０】
成長中断パージ後に成長するｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓクラッド層１００１の層厚を０．２μｍと薄くし、さらにｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓクラッド層１００１のＡｌ含有量を、第１のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０３のＡｌ含有量よりも小さくすることによって、ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓクラッド層１００１成長によって成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留するＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌの濃度を、より一層低減することができる。これにより、活性層の発光効率を改善して、低閾電流のＧａＩｎＮＡｓ材料系半導体レーザを形成することができる。
【０１２１】
実施例３
図１１は、本発明の実施例３による半導体レーザを示す図である。なお、図１１において、図９と同様の箇所には同じ符号を付している。図１１の半導体レーザの構造は、図９の半導体レーザの構造と類似している。図９の構造と異なっている点は、第１のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０３と第２のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層９０４との間に、ｎ型ＧａＡｓ第１中間層１１０１、ｎ型ＧａＡｓ第２中間層１１０２が積層されている点である。
【０１２２】
そして、実施例３においては、ｎ型ＧａＡｓ第１中間層１１０１成長後とｎ型ＧａＡｓ第２中間層１１０２の成長開始との間に、成長中断工程を設けて、成長室をキャリガスでパージしたことを特徴としている。キャリガスで成長室をパージすることにより、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層９０３成長によって成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを、排出して濃度を低下させることができる。
【０１２３】
また、中間層１１０１，１１０２は、ＧａＡｓ材料で構成されているため、成長中断パージ工程を実施している際に、最表面に酸素等の不純物が偏析し、成長界面に非発光再結合準位が形成されるのを抑制することができる。従って、成長界面の非発光再結合準位を低減して、活性層の発光効率をさらに向上させることができる。
【０１２４】
実施例４
図１２は、本発明の第４の実施例による面発光型半導体レーザを示す図である。図１２の半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板９０１上に、第１のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１、第２のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０２、ＧａＡｓ下部スペーサ層１２０３、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６、ＧａＡｓ上部スペーサ層１２０４、ｐ型ＡｌＡｓ層１２０５、ｐ型半導体多層膜反射鏡１２０６が順次形成されている。
【０１２５】
ｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層を交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成されている。同様に、ｐ型半導体多層膜反射鏡１２０６も、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層とｐ型Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層を交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成されている。
【０１２６】
ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６はバンドギャップ波長が１．３μｍ帯となっている。そして、第１のＧａＡｓ下部スペーサ層１２０２からＧａＡｓ上部スペーサ層１２０４までは、λ共振器を構成している。
【０１２７】
上記積層構造を、ｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１に達するまで円筒状にエッチングして、メサ構造が形成されている。メササイズは３０μｍφとなっている。そして、エッチングして表面が露出した側面からｐ型ＡｌＡｓ層１２０５を選択的に酸化させ、ＡｌＯx絶縁領域１２０７を形成することにより、電流狭窄構造が形成されている。電流は、ＡｌＯx絶縁領域１２０７によって約５μｍφの酸化開口領域に集中して活性層９０６に注入される。
【０１２８】
また、９１０はｐ型半導体多層膜反射鏡１２０６表面に形成されたリング状のｐ側電極であり、９１１はｎ型ＧａＡｓ基板９０１裏面に形成されたｎ側電極となっている。
【０１２９】
ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６で発光した光は、上下の半導体多層膜反射鏡１２０１，１２０２，１２０６で反射して増幅され、１．３μｍ帯のレーザ光を基板と垂直方向（図１２の矢印方向）に放射する。
【０１３０】
図１３は、図１２に示す面発光型半導体レーザにおける第１のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１と第２のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０２との接合部を詳細に示した図である。図１３に示すように、第１のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１は、ｎ型Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層１２０１ａとｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０１ｂとが交互に積層されて構成されている。ｎ型Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層１２０１ａとｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０１ｂの層厚は、それぞれ発振波長１．３μｍの１／４光学波長厚さとなっている。従って、第１のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１の最上層は、１／４光学波長厚さのｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０１ｂとなっている。
【０１３１】
また、第２のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０２は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０２ａとｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ低屈折率層１２０２ｂがそれぞれ１層積層されて構成されている。ここで、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０２ａの層厚は、発振波長１．３μｍの１／２光学波長厚さとなっており、また、ｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ低屈折率層１２０２ｂの層厚は、発振波長１．３μｍの１／４光学波長厚さとなっている。
【０１３２】
従って、第１のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１と第２のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０２の接合部では、合計３／４光学波長厚さのｎ型ＧａＡｓ高屈折率層が形成されている。これにより、分布ブラッグ反射鏡における光の位相整合条件を満足している。
【０１３３】
実施例４においては、結晶成長を１台のＭＯＣＶＤ装置を用いて行っており、III族原料として、ＴＭＧ，ＴＭＡ，ＴＭＩを使用し、Ｖ族原料としてＡｓＨ3，ＤＭＨｙを用いている。そして、第１のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１の最上層であるｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０１ｂ成長後と、第２のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０２のｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０２ａの成長開始との間に、成長中断工程を設けたことを特徴としている。
【０１３４】
成長中断中に成長室をキャリガスを流しながらパージすることにより、第１のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１の成長によって成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを、排出して濃度を低下させることができる。
【０１３５】
また、成長中断パージ後に成長する第２のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０２においては、Ａｌを含む半導体層は、層厚約０．１μｍのｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ低屈折率層１２０２ｂのみとなっている。従って、Ａｌを含む半導体層の層厚が約０．１μｍと薄くなっており、またＡｌ含有量も第１のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１を構成するｎ型Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層１２０１ａよりも小さくなっている。これにより、成長室内に残留するＡｌ濃度を抑制して、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中に取りこまれるＡｌ及び酸素濃度を低減することができる。従って、活性層の発光効率を向上させることができる。
【０１３６】
また、成長中断パージ工程は、第１のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０１の最上層であるｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０１ｂと、第２のｎ型半導体多層膜反射鏡１２０２のｎ型ＧａＡｓ高屈折率層１２０２ａとの間に設けているため、ＧａＡｓ材料の成長途中に実施している。ＧａＡｓは、ＡｌＧａＡｓ等のＡｌを含む材料に比べて化学的に不活性であり、界面準位を形成しにくい安定な材料であることが知られている。従って、成長界面に非発光再結合準位が形成されにくくしている。
【０１３７】
また、図１２，図１３の面発光型半導体レーザにおいては、成長中断した界面と、窒素を含むＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６との間に、ｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ低屈折率層１２０２ｂが設けられている。ｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ低屈折率層１２０２ｂのバンドギャップエネルギーは、ＧａＡｓスペーサ層１２０２より大きくなっているため、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６からＧａＡｓスペーサ層１２０２にオーバーフローしたキャリアは、バンドギャップの大きいｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ低屈折率層１２０２ｂでブロックされる。そのため、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６からオーバーフローしたキャリアが、成長中断した界面の非発光再結合準位で再結合して失われる割合が低減される。従って、リーク電流を抑制することができる。これにより、高性能の１．３μｍ帯面発光型半導体レーザを実現することができる。
【０１３８】
なお、本実施例においては、成長中断工程を１回だけ設けている。しかし、ｎ型半導体多層膜反射鏡の成長途中に複数回設けることもできる。
【０１３９】
実施例５
図１５は、本発明の実施例５の光伝送モジュールを示す図である。図１５の光伝送モジュールでは、基板１５０１上に、光源である半導体発光素子（半導体レーザ）１５０２が設けられている。そして、半導体発光素子１５０２から出力される光の光強度をモニタするために、モニタ用受光素子１５０３が集積されている。半導体発光素子１５０２は、光伝送モジュールに入力された電気信号に応じて駆動回路１５０５で駆動されて光信号を発生させる。なお、半導体発光素子１５０２の光強度を一定に保つために、モニタ用受光素子１５０３からの信号が駆動回路１５０５にフィードバックされる。
【０１４０】
半導体発光素子１５０２で発生した光信号は、導波路で導波されて光ファイバ１５０８に結合されて、外部に出力される。
【０１４１】
一方、同じ光ファイバ１５０８から伝送されてきた光信号は、光伝送モジュール内の光分岐１５０７で分岐されて受光素子１５０４に導波される。受光素子１５０４に入力した光信号は電気信号に変換されて、受信回路１５０６で増幅され、所定の形式の電気信号として出力される。
【０１４２】
図１５の光伝送モジュールは、光源と受光部がハイブリッドに集積されており、１本の光ファイバで光信号を入出力させる方式となっている。
【０１４３】
この実施例５の特徴として、半導体発光素子１５０２には実施例３の半導体レーザが用いられている。実施例３の半導体レーザにおいて、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６は、石英光ファイバの伝送に適した１．３〜１．６μｍ帯でレーザ発振する。そして、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とＧａＡｓ障壁層との伝導帯バンド不連続を例えば２００ｍｅＶ以上と大きくとれるため、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層からＧａＡｓ障壁層にオーバーフローする電子を抑制できる。従って、１５０Ｋ以上の特性温度が得られる。従って、電子冷却素子を用いることなく環境温度の変化に対して安定して動作する光伝送モジュールを形成することができる。
【０１４４】
また、ｎ型ＧａＡｓ第１中間層１１０１の成長後とｎ型ＧａＡｓ第２中間層１１０２の成長開始との間に、成長中断工程を設けて、成長室をキャリガスでパージすることにより、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層９０３の成長によって成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを排出してＡｌ濃度を低下させることができる。これにより、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層中に取りこまれるＡｌ及び酸素濃度を十分低減して、発光効率の低下を抑制することができるため、ＡｌＧａＡｓクラッド層を備えた低閾電流のＧａＩｎＮＡｓ材料系半導体レーザを形成することができる。従って、光伝送モジュールの消費電力を低減することができる。
【０１４５】
実施例６
図１６は、本発明の実施例６の光伝送モジュールを示す図である。図１６の光伝送モジュールでは、基板１５０１上に、光源である半導体レーザアレイ１６０１が設けられている。半導体レーザアレイ１６０１の各半導体レーザは、駆動回路１５０５によって個別に動作する。半導体レーザアレイ１６０１の各半導体レーザから出力された光信号は、それぞれ光ファイバ１５０８に結合されて外部に出力される。なお、図１６においては４チャンネルの場合を例として示している。
【０１４６】
図１６の光伝送モジュールは、並列に光信号を伝送することができるため、伝送容量を更に増大させることができる。
【０１４７】
半導体レーザアレイ１６０１には、実施例３の半導体レーザをモノリシック集積した素子が用いられている。これにより、実施例５と同様に、電子冷却素子を用いることなく環境温度の変化に対して安定して動作する光伝送モジュールを形成することができ、また、光伝送モジュールの消費電力を低減することができる。
【０１４８】
実施例７
図１７は、本発明の実施例７の光交換装置１７０１を示す図である。図１７において、ポートＡの光ファイバ１５０８から入力された４チャンネルの光信号は、受光素子アレイ１７０３にそれぞれ入力され、電気信号に変換される。そしてマトリクススイッチ１７０４で信号経路が選択され、各チャンネルに分配される。面発光型レーザアレイ１７０２では、分配された信号に応じて面発光型レーザアレイ１７０２の各素子が駆動され、光信号に変換されて、ポートＢの光ファイバから出力される。
【０１４９】
同様に、ポートＤから入力された光信号も、マトリスクスイッチ１７０４で経路が選択されて、ポートＣから出力される。
【０１５０】
図１７においては、４本の光ファイバに入力された光信号が４本の光ファイバに出力される例を示したが、入力本数と出力本数は、必ずしも同じである必要はない。
【０１５１】
図１７において、面発光型レーザアレイ１７０２は、実施例４の垂直共振器型面発光レーザ素子がモノリシックに集積されて形成されている。垂直共振器型面発光レーザ素子を用いることにより、動作電流を数ｍＡ以下と低減することができ、また製造コストを低減できるメリットがある。
【０１５２】
また、実施例４の垂直共振器型面発光レーザ素子において、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６は、井戸層への電子閉じ込め効果が高い。さらに、半導体多層膜反射鏡１２０１，１２０２，１２０６は、ＧａＡｓ高屈折率層とＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層を交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成されているため、電気抵抗や熱抵抗が低い高反射率反射鏡を形成することができる。そのため、温度特性が良好な１．３μｍ帯面発光レーザを実現できる。
【０１５３】
さらに、Ａｌを含む第１の下部半導体多層膜反射鏡１２０１の成長後に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を行っている。これにより、第１の下部半導体多層膜反射鏡１２０１の成長によって成長室内に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを一度除去している。
【０１５４】
その後、Ａｌを含む第２の下部半導体多層膜反射鏡１２０２を成長しているが、その層厚を薄く形成することにより、成長室内に残留するＡｌ濃度を低減して、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層９０６の発光効率を向上させている。
【０１５５】
従って、実施例４に示した垂直共振器型面発光レーザ素子を光交換装置に用いることにより、光交換装置は、環境温度の変化に対して安定に動作し、また消費電力を低減することができる。
【０１５６】
実施例８
図１８は、本発明の実施例８の光伝送システムを示す図である。図１８の光伝送システムは、光送信部１８０１で発生した光信号が光ファイバ１５０８を通って光受信部１８０２に伝送されるようになっている。図１８の例では、光送信部１８０１、光ファイバ１５０８、光受信部１８０２が２系列備えており、双方向に通信できるようになっている。光送信部１８０１と光受信部１８０２は、１つのパッケージに集積されており、光送受信モジュール１８０３を構成している。
【０１５７】
この実施例８では、光送信部１８０１の光源に、実施例４の垂直共振器型面発光レーザ素子を用いることを特徴としている。これにより、電子冷却素子を用いることなく環境温度の変化に対して安定して動作する光送信部を形成することができる。また、光送信部の消費電力を低減することができる。
【０１５８】
光送受信モジュール１８０３として、実施例５に示した構成を用いる場合には、１本の光ファイバで双方向に通信することが可能となる。また、光送信部１８０１に実施例６に示した構成を用いた場合には、複数本の光ファイバを使用して並列に光信号を伝送できるため、伝送容量を増加させることができる。
【０１５９】
実施例９
図１９は、本発明の実施例９の光伝送システムを示す図である。この実施例９の光伝送システムでは、４個の光送受信モジュール１８０３との間に実施例７の光交換装置１７０１を設けて、光ファイバ１５０８で接続した構成となっている。これにより、４個の装置間で光信号を相互に伝送できる。なお、光交換装置１７０１の入出力数を変えることで、任意の数の装置間で接続することが可能である。
【０１６０】
光送受信モジュール１８０３及び光交換装置１７０１の光源には、実施例４に示した垂直共振器型面発光レーザ素子を用いており、これにより、環境温度の変化に対して安定に動作し、また消費電力を低減することができる。
【０１６１】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６記載の発明によれば、基板と、基板上に積層されたＡｌを含む第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成され層厚が前記第１の半導体層よりも薄くＡｌを含む第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に形成された中間層と、
前記中間層上に形成された窒素系Ｖ族混晶半導体からなる活性層とを含む半導体発光素子において、
該半導体発光素子は、有機金属Ａｌ原料と有機窒素原料を用いて成長され、そのうち、前記第１の半導体層および第２の半導体層は、有機金属Ａｌ原料を用いて成長されており、
前記第１の半導体層の成長後と前記第２の半導体層の成長開始との間に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を行っており、前記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーは前記中間層よりも大きく、窒素を含む活性層における非発光再結合準位形成不純物の濃度が中間層における濃度と同じか、またはそれ以下であるので、Ａｌを含む半導体層上に窒素を含む活性層を形成した場合でも、Ａｌを含まない半導体層上に形成した場合と同等の発光特性が得られる。
【０１６７】
特に、請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、前記Ａｌを含む第２の半導体層のＡｌ含有量が前記Ａｌを含む第１の半導体層のＡｌ含有量よりも小さいことにより、窒素を含む活性層中のＡｌ濃度及び酸素濃度をより低減することができ、活性層の発光効率を向上させることができる。
【０１６９】
また、請求項５、請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む第１の半導体層は、基板上に積層された第１のＡｌを含む低屈折率層と第１のＡｌを含まない高屈折率層とが交互に積層された第１半導体多層膜反射鏡であり、Ａｌを含む第２の半導体層は、前記第１半導体多層膜反射鏡上に形成され、第２のＡｌを含む低屈折率層と第２のＡｌを含まない高屈折率層が積層された第２半導体多層膜反射鏡であり、光を基板と垂直方向に出射する面発光型の半導体発光素子であり、面型半導体発光素子においても活性層の発光効率を向上させることができる。
【０１７０】
また、請求項７記載の発明によれば、基板と、基板上に積層されたＡｌを含む第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成され層厚が前記第１の半導体層よりも薄くＡｌを含む第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に形成された中間層と、
前記中間層上に形成された窒素系Ｖ族混晶半導体からなる活性層とを含む半導体発光素子の製造方法において、
前記第１の半導体層および第２の半導体層は、それぞれ有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料とを用いて成長されており、
前記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーは前記中間層よりも大きくなっており、
前記第１の半導体層の成長後と前記第２の半導体層の成長開始との間に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を有するので、活性層中のＡｌ濃度を低減することができる。従って、Ａｌと結合して活性層に取りこまれる酸素濃度を低減でき、活性層の発光効率を向上できる。
【０１７１】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子が用いられることを特徴とする光伝送モジュールであるので、環境温度の変化に対して安定に動作し、低消費電力の光伝送モジュールを提供できる。
【０１７２】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子を備えていることを特徴とする光交換装置であるので、環境温度の変化に対して安定に動作し、低消費電力の光交換装置を提供できる。
【０１７３】
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項８記載の光伝送モジュールまたは請求項９記載の光交換装置を備えていることを特徴とする光伝送システムであるので、環境温度の変化に対して安定な光伝送システムを構築でき、消費電力も低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造の室温フォトルミネッセンススペクトルを示す図である。
【図２】基板と窒素を含む活性層との間にＡｌを含む半導体層が設けられている半導体発光素子の一例を示す図である。
【図３】半導体発光素子の窒素濃度，酸素濃度の深さ方向分布を示す図である。
【図４】半導体発光素子のＡｌ濃度の深さ方向分布を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による半導体発光素子の構成例を示す図である。
【図６】ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造の室温フォトルミネッセンススペクトルを示す図である。
【図７】本発明の第８の実施形態による半導体発光素子の構成例を示す図である。
【図８】本発明の第９の実施形態による半導体発光素子の構成例を示す図である。
【図９】実施例１によるリッジストライプ型半導体レーザを示す図である。
【図１０】実施例２によるリッジストライプ型半導体レーザを示す図である。
【図１１】実施例３によるリッジストライプ型半導体レーザを示す図である。
【図１２】実施例４による面発光半導体レーザを示す図である。
【図１３】実施例４の中断界面を説明する図である。
【図１４】成長中断を設けた半導体発光素子の窒素濃度、酸素濃度の深さ方向分布を示す図である。
【図１５】実施例５による光送受信モジュールを示す図である。
【図１６】実施例６による光送信モジュールを示す図である。
【図１７】実施例７による光交換装置を示す図である。
【図１８】実施例８による光伝送システムを示す図である。
【図１９】実施例９による光伝送システムを示す図である。
【符号の説明】
２０１ 基板
２０２ Ａｌを含む第１の半導体層
２０３ 中間層
２０４ 窒素を含む活性層
２０５ 第２の半導体層
５０１ Ａｌを含む第１の半導体層
５０２ Ａｌを含む第２の半導体層
５０３ 第３の半導体層
７０１ 中間層
８０１ 第１の下部半導体多層膜反射鏡
８０２ 第２の下部半導体多層膜反射鏡
８０３ 下部スペーサ層
８０４ 上部スペーサ層
８０５ 上部多層膜反射鏡
９０１ ｎ型ＧａＡｓ基板
９０２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
９０３ 第１のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層
９０４ 第２のｎ型Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層
９０５ ＧａＡｓ下部光導波層
９０６ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
９０７ ＧａＡｓ上部光導波層
９０８ ｐ型 Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓクラッド層
９０９ ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
９１０ ｐ側電極
９１１ ｎ側電極
１００１ ｎ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓクラッド層
１１０１ ｎ型ＧａＡｓ第１中間層
１１０２ ｎ型ＧａＡｓ第２中間層
１２０１ 第１のｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ半導体多層膜反射鏡
１２０２ 第２のｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ半導体多層膜反射鏡
１２０３ ＧａＡｓ下部スペーサ層
１２０４ ＧａＡｓ上部スペーサ層
１２０５ ＡｌＡｓ層
１２０６ ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ半導体多層膜反射鏡
１２０７ ＡｌＯx絶縁領域
１５０１ 基板
１５０２ 半導体発光素子
１５０３ モニタ受光素子
１５０４ 受光素子
１５０５ 駆動回路
１５０６ 受信回路
１５０７ 光分岐
１５０８ 光ファイバ
１６０１ 半導体レーザアレイ
１７０１ 光交換装置
１７０２ 面発光レーザアレイ
１７０３ 受光素子アレイ
１７０４ マトリクススイッチ
１８０１ 光送信部
１８０２ 光受信部
１８０３ 光送受信モジュール
Claims (10)
- 基板と、基板上に積層されたＡｌを含む第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成され層厚が前記第１の半導体層よりも薄くＡｌを含む第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に形成された中間層と、
前記中間層上に形成された窒素系Ｖ族混晶半導体からなる活性層とを含む半導体発光素子において、
該半導体発光素子は、有機金属Ａｌ原料と有機窒素原料を用いて成長され、そのうち、前記第１の半導体層および第２の半導体層は、有機金属Ａｌ原料を用いて成長されており、
前記第１の半導体層の成長後と前記第２の半導体層の成長開始との間に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を行っており、前記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーは前記中間層よりも大きく、窒素を含む活性層における非発光再結合準位形成不純物の濃度が中間層における濃度と同じか、またはそれ以下であることを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項１記載の半導体発光素子において、前記窒素を含む活性層における非発光再結合準位形成不純物の濃度が酸素濃度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、前記窒素を含む活性層におけるＡｌ濃度が前記中間層におけるＡｌ濃度以下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３のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、前記Ａｌを含む第２の半導体層のＡｌ含有量が前記Ａｌを含む第１の半導体層のＡｌ含有量よりも小さいことを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、Ａｌを含む第１の半導体層は、基板上に積層された第１のＡｌを含む低屈折率層と第１のＡｌを含まない高屈折率層とが交互に積層された第１半導体多層膜反射鏡であり、Ａｌを含む第２の半導体層は、前記第１半導体多層膜反射鏡上に形成され、第２のＡｌを含む低屈折率層と第２のＡｌを含まない高屈折率層が積層された第２半導体多層膜反射鏡であり、光を基板と垂直方向に出射することを特徴とする面発光型の半導体発光素子。
- 請求項５記載の面発光型の半導体発光素子において、前記第２のＡｌを含む低屈折率層のＡｌ含有量が前記第１のＡｌを含む低屈折率層のＡｌ含有量より小さいことを特徴とする面発光型の半導体発光素子。
- 基板と、基板上に積層されたＡｌを含む第１の半導体層と、
前記第１の半導体層上に形成され層厚が前記第１の半導体層よりも薄くＡｌを含む第２の半導体層と、
前記第２の半導体層上に形成された中間層と、
前記中間層上に形成された窒素系Ｖ族混晶半導体からなる活性層とを含む半導体発光素子の製造方法において、
前記第１の半導体層および第２の半導体層は、それぞれ有機金属Ａｌ原料と窒素化合物原料とを用いて成長されており、
前記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーは前記中間層よりも大きくなっており、
前記第１の半導体層の成長後と前記第２の半導体層の成長開始との間に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したＡｌ原料、またはＡｌ反応物、またはＡｌ化合物、またはＡｌを除去する工程を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子が用いられることを特徴とする光伝送モジュール。
- 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子を備えていることを特徴とする光交換装置。
- 請求項８記載の光伝送モジュールまたは請求項９記載の光交換装置を備えていることを特徴とする光伝送システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002154156A JP4357798B2 (ja) | 2001-09-21 | 2002-05-28 | 半導体発光素子およびその製造方法および光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システム |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001288367 | 2001-09-21 | ||
| JP2001-288367 | 2001-09-21 | ||
| JP2002154156A JP4357798B2 (ja) | 2001-09-21 | 2002-05-28 | 半導体発光素子およびその製造方法および光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システム |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2009135659A Division JP5067813B2 (ja) | 2001-09-21 | 2009-06-05 | 半導体発光素子およびその製造方法および光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003168846A JP2003168846A (ja) | 2003-06-13 |
| JP4357798B2 true JP4357798B2 (ja) | 2009-11-04 |
Family
ID=26622660
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002154156A Expired - Fee Related JP4357798B2 (ja) | 2001-09-21 | 2002-05-28 | 半導体発光素子およびその製造方法および光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4357798B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009206520A (ja) * | 2001-09-21 | 2009-09-10 | Ricoh Co Ltd | 半導体発光素子およびその製造方法および光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システム |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4815772B2 (ja) * | 2004-09-02 | 2011-11-16 | 株式会社デンソー | 面発光型半導体レーザ素子およびその製造方法 |
| JP6555260B2 (ja) * | 2014-06-17 | 2019-08-07 | ソニー株式会社 | 発光素子及びその製造方法 |
-
2002
- 2002-05-28 JP JP2002154156A patent/JP4357798B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009206520A (ja) * | 2001-09-21 | 2009-09-10 | Ricoh Co Ltd | 半導体発光素子およびその製造方法および光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2003168846A (ja) | 2003-06-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7940827B2 (en) | Vertical-cavity, surface-emission type laser diode and fabrication process thereof | |
| US8279519B2 (en) | Semiconductor optical modulator, an optical amplifier and an integrated semiconductor light-emitting device | |
| JP2003202529A (ja) | 半導体光変調器および半導体発光装置および波長可変レーザ装置および多波長レーザ装置および光伝送システム | |
| JP4095306B2 (ja) | 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 | |
| JPH06283812A (ja) | 半導体レーザ素子 | |
| JP4357798B2 (ja) | 半導体発光素子およびその製造方法および光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システム | |
| JP2007219561A (ja) | 半導体発光装置 | |
| JP5067813B2 (ja) | 半導体発光素子およびその製造方法および光伝送モジュールおよび光交換装置および光伝送システム | |
| JP4253207B2 (ja) | 半導体発光素子の製造方法および半導体発光素子および面発光型半導体レーザ素子の製造方法および面発光型半導体レーザ素子および面発光型半導体レーザアレイおよび光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通信システム | |
| JP4931304B2 (ja) | 面発光型半導体レーザ素子の製造方法 | |
| JP2002329928A (ja) | 光通信システム | |
| JP4322020B2 (ja) | 半導体発光素子および光送信用モジュールおよび光通信システム | |
| JP2019102581A (ja) | 光半導体集積装置、光半導体集積装置の製造方法および光通信システム | |
| JP4281987B2 (ja) | 半導体発光素子の製造方法 | |
| JP2002324940A (ja) | 光通信システム | |
| JP2004288789A (ja) | 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 | |
| JP2002324935A (ja) | 光通信システム | |
| JP2002324941A (ja) | 光送受信システム | |
| JP4136369B2 (ja) | 半導体発光素子の製造方法および面発光型半導体レーザ素子の製造方法 | |
| JP5013611B2 (ja) | 半導体発光素子 | |
| JP4410975B2 (ja) | 半導体発光素子の製造方法および面発光型半導体レーザ素子 | |
| JP2002329923A (ja) | 光通信システム | |
| JP2008034889A (ja) | 半導体発光素子 | |
| JP2002329930A (ja) | 光送受信システム | |
| JP2007073584A (ja) | 半導体発光素子および光送信用モジュールおよび光通信システム |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20041216 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20071011 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20071023 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20071222 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080425 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080623 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20090401 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090605 |
|
| A911 | Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20090707 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20090804 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20090805 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120814 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120814 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130814 Year of fee payment: 4 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |