JP4666967B2 - 半導体発光素子、面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザアレイ、光送信モジュール、光送受信モジュール及び光通信システム - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光素子、面発光型半導体レーザ、面発光型半導体レーザアレイ、光送信モジュール、光送受信モジュール及び光通信システムに関する。

近年、インターネットの爆発的普及に見られるように、扱われる情報量が飛躍的に増大しており、今後さらに加速すると考えられる。このため、幹線系のみならず、各家庭やオフィスといった加入者系やＬＡＮ（Local Area Network）などのユーザに近い伝送路、さらには各機器間や機器内の配線にも光ファイバが導入され、光による大容量情報伝送技術が極めて重要となる。

このような光源として、シリカファイバ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。

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。

特開平６−３７３５５号公報 特開２０００−３３２３６３公報 特開２００２−１１８３２９公報 特開平１０−１２６００４号公報 特開平１０−１４５００３号公報 特開２００４−１８６４８４公報 Jpn. J. Appl. Phys. Vol.35 (1996) pp.1273-1275 Jpn. J. Appl. Pyys. Vol.39 (2000) pp.3403-3405 IEEE Photon. Technol. Lett. Vol.12 (2000) pp.125-127 Electron. Lett. Vol.38, (2002) pp277-278

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。

ＧａＩｎＮＡｓは、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素とを含んだIII−Ｖ族混晶半導体である。即ち、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。

例えば、非特許文献１では、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閾値電流密度が急激に上昇するという問題がある。

図８は、本発明者が実験的に求めた閾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、縦軸は閾値電流密度を示している。図８に示すように閾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、半導体レーザの閾値電流密度が１ｋＡ／ｃｍ^２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）。なお、障壁層にはＧａＡｓ層が用いられている。圧縮歪みを有するＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層を用いた場合、障壁層にはＧａＡｓが良く用いられている。また、Ｎを含まない高歪みＧａＩｎＡｓ量子井戸活性層を用いて１４０Ｋ〜１７０Ｋと良好な温度特性の報告がある（例えば、非特許文献３参照）。障壁層にはＧａＡｓが用いられている。

しかし、このように大きな圧縮歪を有している場合、二次元成長から三次元成長に変わる実質的な臨界膜厚に近い厚さを成長させる必要があり、このための工夫が必要である。従来では、低温成長法（例えば、特許文献２参照）や、Ｓｂを添加しサーファクタント的な効果を得る方法（例えば、特許文献３参照）が提案されているが、結晶欠陥の発生を抑えるために量子井戸数の制限があるなど、デバイス設計の制限が生じる。

これを改善する方法として、基板より格子定数が小さくＮを含んだＧａ_ｄＩｎ_１−ｄＮ_ｅＰ_ｆＡｓ_{１−ｅ−ｆ}系材料（例えば、特許文献４参照）、ＧａＮＰＡｓ又はＧａＮＡｓ層（例えば、特許文献５参照）、ＧａＮＡｓ層（例えば、特許文献３参照）、ＧａＮＡｓＳｂ（例えば、非特許文献４参照。）を障壁層として、活性層の歪を低減（補償）する歪補償構造が提案されている。具体的なＮ組成としては、特許文献２ではＧａＩｎＮＡｓＳｂ井戸層０．９％とＧａＮＡｓ障壁層１．８％の組み合わせ、非特許文献４ではＧａＩｎＮＡｓＳｂ井戸層１．７％とＧａＮＡｓＳｂ障壁層２％の組み合わせ、特許文献５ではＧａＩｎＮＡｓ井戸層，ＧａＮＡｓ障壁層とも２％となっており、障壁層のＮ組成の方が大きいか井戸層と同じになっている。また、同一素子内に複数形成されている障壁層のＮ組成は全て同じ組成となっている。

障壁層にＮを添加した材料を用いる理由としては、特許文献４では、歪補償層を形成し活性層の歪みを低減するため、及び、井戸層と障壁層の界面の制御を容易に行うためと述べられている。また、特許文献５では、歪補償層を形成し活性層の歪みを低減するためと述べられている。また、特許文献３では、伝導帯バンド不連続を小さくして量子準位を下げて長波長化させるため、及び井戸層と障壁層の両方にＮが添加されているとホモエピタキシャルに近づくので結晶性が向上するためと述べられている。

ＧａＡｓに対してＮを添加すると格子定数が小さくなる。また、ＧａＡｓにＮを添加したＧａＮＡｓは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、活性層の品質を向上させることができると考えられる。

しかしながら、障壁層のＮ組成が大きくなると、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層の結晶性が低下し、閾値電流の増加などが生じる欠点があった。

本発明は、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層と、量子井戸活性層と同様に窒素（Ｎ）と他のＶ族元素とを同時に含んだ障壁層とを用いた半導体発光素子において、閾値電流の増加を防止して低閾値化を図ることを目的としている。

請求項１記載の発明は、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素とを同時に含んだ量子井戸活性層とその下層及び上層に形成された下層障壁層及び上層障壁層とからなる活性層を有する半導体発光素子において、前記下層障壁層及び上層障壁層は、前記下層障壁層及び上層障壁層の組成が、少なくとも、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＰＡｓ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂの何れか一つであり、かつ、前記上層障壁層のＮ組成が前記下層障壁層のＮ組成よりも大きい。

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、前記活性層は、多重量子井戸構造からなり、最下層となる量子井戸層の下層に形成される下層障壁層のＮ組成より、最上層となる量子井戸活性層の上層に形成される上層障壁層のＮ組成が大きい。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の半導体発光素子において、前記量子井戸活性層は、圧縮歪を有し、前記障壁層は、引っ張り歪を有する。

請求項４記載の発明は、請求項１ないし３の何れか一記載の半導体発光素子において、当該半導体発光素子は、前記活性層の上層及び下層に上層反射鏡及び下層反射鏡が設けられた共振器構造を有する面発光型半導体レーザである。

請求項５記載の発明は、ＧａＡｓ基板上に、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素とを同時に含んだ量子井戸活性層とその下層及び上層に形成された下層障壁層及び上層障壁層とからなる活性層と、当該活性層の上層及び下層に設けられた上層反射鏡及び下層反射鏡を含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、前記下層障壁層及び上層障壁層は、前記下層障壁層及び上層障壁層の組成が、少なくとも、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＰＡｓ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂの何れか一つであり、前記上層障壁層のＮ組成が前記下層障壁層のＮ組成よりも大きく、かつ、前記反射鏡と前記活性層との間のスペーサ層は主にＧａＡｓよりバンドギャップの大きい材料からなる。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記ＧａＡｓよりバンドギャップの大きい材料は、ＧａＩｎＰ（Ａｓ）又はＡｌＧａＡｓである。

請求項７記載の発明の面発光型半導体レーザアレイは、請求項４又は５記載の面発光型半導体レーザが同一基板上に複数個配列させて搭載されている。

請求項８記載の発明の光送信モジュールは、請求項４又は５記載の面発光型半導体レーザ又は請求項７記載の面発光型半導体レーザアレイを光源として備える。

請求項９記載の発明の光送受信モジュールは、請求項４又は５記載の面発光型半導体レーザ又は請求項７記載の面発光型半導体レーザアレイを光源として備える。

請求項１０記載の発明の光通信システムは、請求項４又は５記載の面発光型半導体レーザ又は請求項７記載の面発光型半導体レーザアレイを光源として備える。

請求項１又は２記載の発明によれば、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素とを同時に含んだ量子井戸活性層とその下層及び上層に形成された下層障壁層及び上層障壁層とからなる活性層を有する半導体発光素子において、これらの障壁層は、障壁層の組成が、少なくとも、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＰＡｓ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂの何れか一つであり、かつ、上層障壁層のＮ組成を下層障壁層のＮ組成よりも大きくしたので、障壁層に窒素（Ｎ）を添加した効果を維持しつつ、以下の効果を得ることができる。つまり、量子井戸活性層の結晶性への影響の大きい下層障壁層のＮ組成のみ小さくし、影響の小さい上層障壁層のＮ組成は相対的に大きくしているので、量子井戸活性層成長時の下地の悪影響を低減するとともに、上下とも小さいＮ組成とした場合に比べて量子井戸活性層のＮ組成を低減でき、極めて低閾値での動作を可能にすることができる。

請求項３記載の発明によれば、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、圧縮歪みの量子井戸活性層を用いた場合に、歪補償構造を形成可能であり、歪みの低減効果により、素子の信頼性を向上させることができる。

請求項４記載の発明によれば、請求項１ないし３の何れか一記載の半導体発光素子において、当該半導体発光素子が面発光型半導体レーザ素子であるので、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次元集積化に好適となる。ここで、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層にしているので、シリカファイバ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、また、面発光型半導体レーザは、端面発光型レーザと比べて共振器長が極端に短く、利得領域が小さいので、閾値電流密度は大きくなり易いが、本発明によれば極めて低閾値電流動作可能となり、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することができる。なお、ＭＯＣＶＤ法で形成すると、面発光レーザ型半導体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、より一層好ましく、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。

請求項５，６記載の発明によれば、面発光型半導体レーザにおいて、反射鏡と活性層との間のスペーサ層は主にＧａＡｓよりバンドギャップの大きい材料からなるので、閾値電流密度が大きくなり易い面発光型半導体レーザにおいても量子井戸活性層からスペーサ層にあふれる電子を低減でき、低閾値電流で温度特性の良好な面発光レーザを得ることができる。なお、ＧａＡｓよりバンドギャップの大きい材料として、例えばＧａＩｎＰＡｓ又はＡｌＧａＡｓで構成することができる。

請求項７記載の発明によれば、閾値上昇が抑えられた、高出力動作可能な面発光型半導体レーザを同一基板上に多数集積することで、例えば、光通信に応用した場合、同時に多数ビームによるデータ伝送が可能となるので高速通信ができる。さらに、面発光型半導体レーザは低消費電力で動作するので、特に機器の中に組み込んで利用した場合、温度上昇を低減させることもできる。

請求項８記載の発明によれば、請求項４又は５記載の面発光型半導体レーザ又は請求項７記載の面発光型半導体レーザアレイ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の光送信モジュールを実現することができる。

請求項９記載の発明によれば、請求項４又は５記載の面発光型半導体レーザ又は請求項７記載の面発光型半導体レーザアレイ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の光送受信モジュールを実現することができる。

請求項１０記載の発明によれば、請求項４又は５記載の面発光型半導体レーザ又は請求項７記載の面発光型半導体レーザアレイ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の光ファイバ通信システム，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。

本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

［第一の実施の形態］
本実施の形態は、本発明の半導体発光素子の原理的構成例及びその動作例に関するものである。

（１） 第一の構成例
まず、本実施の形態の半導体発光素子は、第一の構成例として、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素とを同時に含んだ量子井戸活性層とその下層及び上層に形成された下層障壁層及び上層障壁層とからなる活性層を有する半導体発光素子において、下層障壁層及び上層障壁層は、量子井戸活性層と同様に、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素とを同時に含み、かつ、上層障壁層のＮ組成が下層障壁層のＮ組成よりも大きい構成とされている。

ＧａＡｓに対して窒素Ｎを１％添加した材料では、バンドギャップは１５６ｍｅＶ小さくなり、かつ、伝導帯は１７５ｍｅＶ下がり、価電子帯は１９ｍｅＶ下がる（Kitatani等による文献「16th Semiconductor Laser Symposium」を参照）。このようにわずかのＮ組成で伝導帯が大きく低下することが判る。また、閃亜鉛構造のＧａＮの格子定数は４．５オングストロームであるので、ＧａＡｓに対してＮ１％当たり０．２０４％の引張り歪みとなる。

まず、第一の構成例では、障壁層にＮを添加したことにより、次の効果は維持される。即ち、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。具体的に、ＧａＩｎＮＡｓ系材料をＭＯＣＶＤ法で成長する場合は、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難しい。また、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法と同様に、界面の制御性を良くすることは難しい。しかしながら、障壁層にもＮが添加された構造であると、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。

障壁層にＮを添加すると、バンドギャップが小さくなり、同一波長を得る場合の量子井戸活性層のＮ組成を低減することができる。また、本発明者らの実験によると、Ｎを添加しない場合に比べて閾値が大幅に低減できることが判った。しかしながら、Ｎ組成が大きくなるほど、特に量子井戸活性層のＮ組成よりも大きくなると、閾値電流が増加してしまうことが本発明者らの実験により判った。表１にＧａＩｎＮＡｓを量子井戸活性層とした端面型ストライプレーザにおける閾値電流密度を示す。障壁層はＧａＡｓ、ＧａＮＡｓを用いた。ＧａＮＡｓのＮ組成は３種類とした。障壁層にＮを含ませたことにより閾値電流密度が大幅に低減していることが判る。また、障壁層のＮ組成が大きいと閾値電流密度が増加することが判る。なお、ＧａＮＡｓ障壁層のＮ組成が０．８％の場合、０．２７％の場合に比べて閾値電流密度がわずかに大きくなっているが、量子井戸活性層のＮ組成に違いがあり、別途同一組成とした比較では、０．８％と０．２７％とで両者の閾値電流密度は同等であることを確認しており、障壁層のＮ組成は量子井戸活性層のＮ組成より小さいことが好ましいことが判った。

エピタキシャル成長では下地の結晶品質が成長層の成長品質に及ぼす影響は大きい。障壁層のＮ組成が小さい場合、量子井戸活性層成長時の下地層となる障壁層の結晶性が向上する。よって、量子井戸活性層の結晶性が向上する。しかしながら、障壁層のＮ組成を小さくすると量子井戸活性層との伝導帯バンド不連続が大きくなり量子準位が大きくなるので、同一波長を得る場合の量子井戸活性層のＮ組成低減量が小さくなる。

そこで、第一の構成例では、量子井戸活性層に対して上層に位置する上層障壁層のＮ組成が量子井戸活性層に対して下層に位置する下層障壁層のＮ組成よりも大きいことを特徴としている。つまり、量子井戸活性層の結晶性への影響の大きい下層障壁層のＮ組成のみ小さくし、影響の小さい上層障壁層のＮ組成は相対的に大きくしている。これにより、量子井戸活性層成長時の下地の悪影響を低減するとともに量子井戸活性層のＮ組成を低減できるので、極めて低閾値での動作が可能になる。

ちなみに、特許文献６によれば、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素とを同時に含む量子井戸活性層を有し、障壁層にＰとＳｂとを同時に含み、さらには、当該障壁層に窒素（Ｎ）を同時に含む場合がある点について開示されている。即ち、特許文献６の提案によれば、上述の第一の構成例と同様に、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素とを同時に含む量子井戸活性層を有し、かつ、障壁層も窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含む場合がある構成例が提案されている。しかしながら、特許文献６においては、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含む障壁層のＮ組成として、その実施例２中に記載されているように、障壁層が計５層あるにもかかわらず、０．８％とされており、これは、同一組成であることを意味し、特許文献２，４等の場合と同様に、量子井戸活性層のＮ組成より大きくなっている。一般的にも、複数の量子井戸活性層や複数の障壁層からなる多重量子井戸活性層は、通常同じ組成で用いられる。ここに、障壁層のＮ組成は、上述したように、大きいより小さい方が低閾値電流密度が得られ好ましい。これは、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素とを同時に含む半導体は、一般に、Ｎ組成が大きくなると結晶性が悪くなることに起因していると考えられる。しかしながら、障壁層のＮ組成が小さいと、障壁層と量子井戸活性層の伝導帯バンド不連続が大きくなるので同一波長を得るためには量子井戸活性層のＮ組成は大きくしなければならなくなる。そこで、上層障壁層及び下層障壁層のＮ組成を共に下げれば、結果として量子井戸活性層のＮ組成が若干大きくなるデメリットを超えてメリットがあるが、当該第一の構成例では、より改善しているものである。

即ち、第一の構成例では、上記Ｎ組成の小さな障壁層により低閾値化された寄与度として、上層障壁層より下層障壁層の寄与度が大きいと考えたものである。半導体レーザでは量子井戸活性層の結晶性が最も重要であり、エピタキシャル成長では下地の結晶性を反映する傾向がある。従って、量子井戸活性層下層の障壁層の結晶性が、上層障壁層より重要であると考えられる。従って、第一の構成例のように、下層障壁層のＮ組成を小さくし、上層障壁層のＮ組成を大きくすると、特許文献６の如く共に大きい場合や、共に小さい場合の各々のメリットのみを活かすことができる。つまり、量子井戸活性層のＮ組成を小さくできるので、共に小さい場合よりさらに低閾値化できることとなる。

なお、量子井戸活性層のＮ組成よりも障壁層のＮ組成を小さくすることは特にＭＢＥ法では容易ではない。ＭＢＥ法の場合は通常シャッターのＯＮ、ＯＦＦによってヘテロ構造を形成する。例えば、ＧａＩｎＮＡｓとＧａＮＡｓのヘテロ構造を形成する場合はＧａのシャッターのＯＮ、ＯＦＦで行う。従って、成長速度はＧａＩｎＮＡｓの方が速い。ＭＢＥ法では成長速度が小さい場合、Ｎ組成は大きくなる。更に、Ｎ取り込まれのＩｎ組成依存性は小さいので、ＧａＮＡｓ障壁層の方がＮ組成は大きくなってしまう。成長速度を変える場合は原料セルの温度を変えて原料の供給量を制御する必要があるが、時間を要するため、成長中断時間を設けた場合の最適化が必要であるなど容易ではない。この場合、Ｇａ原料セルを複数設け各々のセルで供給量を変えることを可能とした装置構成として、量子井戸活性層成長に用いるセルのＧａ供給量が障壁層成長に用いるセルのＧａ供給量より少なくし、ＧａＩｎＮＡｓとＧａＮＡｓとで切り替えて成長することで対応できる。また、ＭＯＣＶＤ法の場合はＮ取り込まれのＩｎ組成依存性が極めて大きく、Ｉｎ組成とともにＮ取り込まれ効率は急激に小さくなっていくので、特に、Ａｓ、Ｎの原料供給量比を大きく変えてやる必要がある。この場合は原料ガス供給量を応答速度の速いマスフローコントローラで制御して成長することで可能である。

このような障壁層の組成としては、具体的には、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＰＡｓ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂなどにより形成されている。

また、複数の量子井戸活性層と複数の障壁層とからなる多重量子井戸活性層の場合は、最上層の量子井戸活性層の上層に形成される上層障壁層のＮ組成を、それより下層の障壁層のＮ組成に対して大きくすることで達成できる。なお、障壁層は複数の層から構成されていても良い。要は、量子井戸活性層の下層にあって一番近い層のＮ組成が、量子井戸活性層の上層にあって一番近い層のＮ組成より小さければ良い。

（２） 第二の構成例
本実施の形態の半導体発光素子は、第二の構成例として、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る。圧縮歪みの量子井戸活性層を用いた場合に、歪補償構造を形成可能であり、歪みの低減効果により、素子の信頼性が向上する。

（３） 第三の構成例
本実施の形態の半導体発光素子は、第三の構成例として、上述した第一又は第二の構成例の半導体発光素子を、具体的には、例えば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）として構成したものである。

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る。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）が極めて有望である。面発光型半導体レーザ素子は、端面発光型レーザに比べて、低価格化、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帯では既に高速ＬＡＮである１Ｇｂｉｔ／秒のイーサネット（登録商標）などで実用化されている。即ち、面発光型半導体レーザ素子において、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。

また、面発光型半導体レーザは、端面発光型レーザと比べて共振器長が極端に短く、利得領域が小さいので、閾値電流密度は大きくなり易い。当該第三の構成例によれば、極めて低閾値電流で動作可能となるので、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。なお、ＭＯＣＶＤ法で形成すると、面発光レーザ型半導体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。

（４） 第四の構成例
本実施の形態の半導体発光素子は、第四の構成例として、面発光型半導体レーザに関するものであり、ＧａＡｓ基板上に、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素とを同時に含んだ量子井戸活性層とその下層及び上層に形成された下層障壁層及び上層障壁層とからなる活性層と、当該活性層の上層及び下層に設けられた上層反射鏡及び下層反射鏡を含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、下層障壁層及び上層障壁層は、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素とを同時に含み、上層障壁層のＮ組成が下層障壁層のＮ組成よりも大きく、かつ、反射鏡と活性層との間のスペーサ層は主にＧａＡｓよりバンドギャップの大きい材料からなることを特徴とする。

障壁層にＮを添加したことにより、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。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、圧縮歪みの量子井戸活性層を用いた場合に、歪補償構造を形成可能であり、歪みの低減効果により、素子の信頼性が向上する。

また、ＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層とした面発光型半導体レーザにおいて、活性層と反射鏡との間にあって、活性層に光とキャリアを閉じ込めるとともに共振器長を調整する役割をもつスペーサ層として通常ＧａＡｓが用いられている。ＧａＡｓとＧａＩｎＮＡｓ系活性層の伝導帯バンド不連続が大きいため電子を良く閉じ込めることができる。しかしながら、面発光型半導体レーザの場合は端面発光型レーザに比べて発振に必要なキャリア密度は大きく、スペーサ層にあふれる電子が増えるので、スペーサ層と量子井戸活性層との間でより大きな伝導帯バンド不連続が必要である。スペーサ層を主にＧａＡｓよりバンドギャップの大きい材料で構成すると、面発光型半導体レーザにおいても量子井戸活性層からスペーサ層にあふれる電子を低減でき、閾値電流を低減できる。また、温度特性も良好になる。

このようにＧａＡｓよりバンドギャップの大きい材料は、例えばＧａＩｎＰ（Ａｓ）又はＡｌＧａＡｓで構成することができる。Ｓｂ、Ｎなど他のIII−Ｖ族が含まれていても構わない。

［第二の実施の形態］
本発明の第二の実施の形態を図１に基づいて説明する。本実施の形態は、前述の第一の構成例の半導体発光素子をより具体化した構成例に関するものである。図１は、本実施の形態のＧａＩｎＮＡｓ端面発光型半導体レーザの構造例を示す原理的断面図である。なお、図１に示す例では、リッジストライプ型レーザとなっており、かつ、図１に示すＧａＩｎＮＡｓ端面発光型半導体レーザは、層構造としてはＳＣＨ−ＤＱＷ（Separate Confinement Heterostructure Double Quantum Well）構造である。

本実施の形態のＧａＩｎＮＡｓ端面発光型半導体レーザは、面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板１上に、Ｓｅドープｎ−ＧａＡｓバッファ層２，Ｓｅドープｎ−ＡｌＧａＡｓ下層クラッド層３，アンドープＧａＡｓ下層光ガイド層４，活性層５，アンドープＧａＡｓ上層光ガイド層６，Ｚｎドープp−ＡｌＧａＡｓ上層クラッド層７，Ｚｎドープｐ−ＧａＡｓコンタクト層８が順次成長されている。

ここで、活性層５は、圧縮歪みを有する２層のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層（井戸層）９ａ，９ｂ、その上下に形成された引張り歪みを有する３層のＧａＮＡｓバリア層（障壁層）１０ａ，１０ｂ，１０ｃとからなっている。井戸層９ａ，９ｂのＩｎ組成ｘは３３％，窒素組成は１．０％とした。また、井戸層９ａ，９ｂの厚さは７ｎｍとした。また、障壁層１０ａ，１０ｂ，１０ｃについては、基板１側から２つの障壁層１０ａ，１０ｂのＮ組成は０．３％、最上層の障壁層１０ｃは１．５％と非対称にした。成長方法はＭＯＣＶＤ法で行った。キャリアガスには、Ｈ_２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)，ＡｓＨ_３(アルシン)，ＰＨ_３（フォスフィン）を用い、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。本実施の形態では、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。ＧａＮＡｓ障壁層１０ａ〜１０ｃもＧａＩｎＮＡｓ層と同じ５５０℃で成長した。

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クラッド層７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１１を、電流注入部となる部分を除去したＳｉＯ_２絶縁膜１２を介して形成した。また、基板１の裏面には、ｎ側電極１３を形成した。

本実施の形態のＧａＩｎＮＡｓ端面発光型半導体レーザでは、最上層となる量子井戸活性層９ｂの上層障壁層１０ｃのＮ組成を、他の下層障壁層１０ａ，１０ｂのＮ組成よりも大きくしている。つまり、量子井戸活性層９ａ，９ｂの結晶性への影響の大きい下層障壁層１０ａ，１０ｂのＮ組成のみ小さくし、影響の小さい上層障壁層１０ｃのＮ組成は相対的に大きくしている。これにより量子井戸活性層９ａ，９ｂの成長時の下地の悪影響を低減することができる。更に、全ての障壁層１０ａ〜１０ｃのＮ組成を小さくする場合に比べて、量子準位が小さくなるので同一波長を得る場合の量子井戸活性層９ａ，９ｂのＮ組成を低減でき、量子井戸活性層９ａ，９ｂの結晶性が向上し、発光効率が高く、極めて低閾値での動作が可能になった。

なお、本実施の形態では量子井戸活性層９ａ，９ｂが圧縮歪組成となっているが、格子整合組成や引っ張り歪組成でもこれらの効果が得られる。

更に、本実施の形態では、ＧａＡｓ光ガイド層４，６とＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層９ａ，９ｂとの間に、ＧａＮＡｓバリア層（障壁層）１０ａ〜１０ｃが歪補償構造となって形成されており、歪みの低減効果により、素子の信頼性が向上した。

上述の例では、ＭＯＣＶＤ法での成長の例を示したが、ＭＢＥ法等の他の成長方法を用いることもできる。また、窒素の原料にＤＭＨｙを用いたが、活性化した窒素やＮＨ_３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、他の井戸数とした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３，７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構わない。

［第三の実施の形態］
本発明の第三の実施の形態を図２に基づいて説明する。図１で示した部分と同一又は対応する部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する（以降の実施の形態でも同様とする）。本実施の形態は、前述の第二の構成例の半導体発光素子をより具体化した構成例に関するものである。図２は、本実施の形態のＧａＩｎＮＡｓ端面発光型半導体レーザの構造例を示す原理的断面図である。本実施の形態が第二の実施の形態と異なる点は、活性層（井戸層）９を１層とし、その上下に形成した引張り歪みを有する下層障壁層及び上層障壁層１０ａ，１０ｃをＧａＮＰＡｓとした点である。量子井戸活性層９に対して下層に位置する下層障壁層１０ａのＮ組成は０．３％、Ｐ組成は７％、上層障壁層１０ｃのＮ組成は１．５％、Ｐ組成は７％とした。

本実施の形態では、障壁層１０ａ，１０ｃとしてＧａＮＡｓに対して更にＰを添加している。圧縮歪の量子井戸活性層９を用いた場合、ＧａＮＡｓの場合Ｎ組成増加で引っ張り歪が大きくなりＮ組成を調整することで歪補償構造を最適化することができる。しかし、量子井戸活性層９の品質を低下させてしまうのでＮ組成の上限には限界がある。本実施の形態では障壁層１０ａ，１０ｃにＰも添加しており、Ｎ組成とは独立に引っ張り歪量を調整できるので充分な引張り歪み組成を得ることができ、歪みの低減効果（歪補償効果）により素子の信頼性が向上した。

また、障壁層１０ａ，１０ｃにＰを添加していることで伝導帯バンド不連続は第二の実施の形態のＧａＮＡｓ障壁層の場合より大きくなり、キャリア閉じ込めが良好になった。これにより温度特性の良好な半導体レーザを得ることができた。なお、上層障壁層１０ｃのＮ組成を下層障壁層１０ａに比べて相対的に大きくしていることで、過剰に量子準位を高くせずに歪量を調整することができ、量子井戸活性層９のＮ組成を過剰に増加させないで済んだものである。

［第四の実施の形態］
本発明の第四の実施の形態を図３に基づいて説明する。本実施の形態は、前述の第三の構成例の半導体発光素子、即ち、面発光型半導体レーザをより具体化した構成例に関するものである。図３は、本実施の形態のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザの構造例を示す原理的断面図である。

本実施の形態の面発光型半導体レーザ素子は、例えば３インチの大きさの面方位（１００）のｎ−ＧａＡｓ基板２１上に、各々の媒質内における発振波長の１／４倍の厚さでｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９）とｎ−ＧａＡｓを交互に３５周期積層した周期構造からなるｎ−半導体分布ブラッグ反射鏡（下層半導体分布ブラッグ反射鏡：単に下層反射鏡ともいう）２２が形成されている。

この下層反射鏡２２の上に、アンドープ下層ＧａＡｓスペーサ層２３，３層のＧａＩｎＮＡｓ井戸層２４と４層のＧａＮＡｓ障壁層２５ａ〜２５ｄからなる多重量子井戸活性層２６，アンドープ上層ＧａＡｓスペーサ層２７が積層形成されている。

そして、その上に、ｐ−半導体分布ブラッグ反射鏡（上層半導体分布ブラッグ反射鏡：単に上層反射鏡ともいう）２８が形成されている。上層反射鏡２８は、Ｃドープのｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０ ．９）とｐ−ＧａＡｓを各々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、上層反射鏡２８中の活性層２６に近い位置には、ＡｌＡｓからなる被選択酸化層２９が例えば３０ｎｍの厚さで設けられている。また、上層反射鏡２８の最上層のＧａＡｓ層は、ｐ電極３０とのコンタクトを取るコンタクト層３１を兼ねている。

本実施の形態では、活性層２６内の井戸層２４のＩｎ組成ｘは３３％，窒素組成は１．０％とした。また、井戸層２４は、厚さが７ｎｍであり、ＧａＡｓ基板２１に対して約２．１％の圧縮歪（高歪）を有していた。また、ＧａＮＡｓ障壁層２５は、下から３つの障壁層（下層障壁層）２５ａ〜２５ｃのＮ組成は０．８％、最上層に位置する上層障壁層２５ｄのＮ組成は１．５％とした。

成長方法はＭＯＣＶＤ法で行なった。キャリアガスには、Ｈ_２を用いた。また、ＧａＩｎＮＡｓ活性層２６の原料には、ＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＩ（トリメチルインジウム），ＡｓＨ_３（アルシン）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２４を成長する場合好ましい原料である。本実施の形態のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ素子の活性層２６のように歪が大きい場合は、非平衡となる低温成長が好ましい。本実施の形態では、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層２４は５４０℃で成長させた。

本実施の形態では、所定の大きさのメサを少なくともｐ−ＡｌＡｓ被選択酸化層２９の側面を露出させて形成し、側面の現れたＡｌＡｓを水蒸気で側面から酸化してＡｌ_ｘＯ_ｙ電流狭窄部３２を形成した。次に、ポリイミドでエッチング部３３を埋め込んで平坦化し、ｐコンタクト層３１と光出射部のある上層反射鏡２８上のポリイミドを除去し、ｐコンタクト層３１上の光出射部以外にｐ側電極３０を形成し、また、基板２１の裏面にｎ側電極３４を形成した。３５はＳｉＯ_２絶縁膜である。

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２６に用いたので、ＧａＡｓ基板２１上に長波長帯の面発光型半導体レーザ素子を形成できた。

また、エピタキシャル成長では、下地の結晶品質が成長層の成長品質に及ぼす影響は大きい。量子井戸活性層２６の下層側に位置する下層障壁層２５ａ〜２５ｃのＮ組成が小さい場合、特に量子井戸活性層２６のＮ組成よりも小さい場合、量子井戸活性層２６の成長時の下地層となる下層障壁層２５ａ〜２５ｃの結晶性が向上することになり、量子井戸活性層２６の結晶性が向上する。また、最上層に位置する上層障壁層２５ｄのＮ組成は相対的に大きくしており、全ての障壁層２５ａ〜２５ｄのＮ組成を小さくする場合に比べて、量子準位が小さくなるので同一波長を得る場合の量子井戸活性層２６のＮ組成を低減できるので、量子井戸活性層２６の結晶性が更に向上し、発光効率が高く、極めて低閾値での動作が可能になった。

また、ＡｌとＡｓを主成分とした被選択酸化層２９の選択酸化により電流狭窄を行ったので、閾値電流は低かった。被選択酸化層２９を選択酸化したＡｌ酸化膜からなる電流狭窄層３２を用いた電流狭窄構造によると、電流狭窄層３２を活性層２６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、閾値電流は低減される。また、容易に電流狭窄構造を形成できることから、製造コストを低減できる。

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。即ち、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。

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２２，２８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。

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２２，２８を構成する層である。半導体多層膜反射鏡２２，２８は各々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２１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。

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２２，２８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。

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。

なお、本実施の形態では、障壁層２５ａ〜２５ｄとしてＧａＮＡｓを用いたが、Ｎと他のＶ族を含んでいれば良く、ＧａＮＡｓ，ＧａＮＰＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＮＰＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂの何れかであって、下層障壁層２５ａ〜２５ｃのＮ組成が上層障壁層２５ｄのＮ組成よりも小さい値であれば良い。更には、ＧａＡｓよりも格子定数が小さい組成であれば通常用いられる圧縮歪ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層２６を用いた場合に歪補償構造とすることができ、井戸層数を増加可能になり高出力化できるなどの効果があり好ましい。また、量子井戸活性層２６のＮ組成よりも小さい組成であればより好ましい。

なお、障壁層２５ａ〜２５ｄは複数の層から構成されていても良く、量子井戸活性層２６に一番近い層のＮ組成が量子井戸活性層のＮ組成より小さければ構わない。例えば、障壁層をＧａＮＡｓとＧａＰＡｓの２つの材料から構成し、ＧａＮＡｓを量子井戸活性層２６に接する層とすることができる。これにより量子井戸活性層２４と障壁層２５との界面を良好に形成することと、歪補償することと、伝導帯バンド不連続を大きくすることを独立にコントロールすることができるようになる。

このように、本実施の形態によれば、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。

［第五の実施の形態］
本発明の第五の実施の形態を図４に基づいて説明する。本実施の形態は、前述の第四の構成例の面発光型半導体レーザをより具体化した構成例に関するものである。図４は、本実施の形態のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザの構造例を示す原理的断面図である。本実施の形態が、第四の実施の形態と異なる点は、スペーサ層２３，２７に代えて、スペーサ層３６，３７をＧａＩｎＰとしたことである。

ＧａＩｎＮＡｓ系材料を活性層２６とした面発光型半導体レーザにおいて、活性層２６と反射鏡２２，２８との間にあって、活性層２６に光とキャリアを閉じ込めるとともに共振器長を調整する役割をもつスペーサ層として通常ＧａＡｓが用いられている。ＧａＡｓとＧａＩｎＮＡｓ系活性層の伝導帯バンド不連続が大きいため電子を良く閉じ込めることができる。しかしながら、面発光型半導体レーザは端面発光型レーザに比べて発振に必要なキャリア密度は大きく、スペーサ層にあふれる電子が増えるので、スペーサ層と量子井戸活性層との間でより大きな伝導帯バンド不連続を持つことが好ましい。本実施の形態ではスペーサ層３６，３７を主にＧａＡｓよりバンドギャップの大きいＧａＩｎＰで構成したので、面発光型半導体レーザにおいても量子井戸活性層２６からスペーサ層３５にあふれる電子を低減でき、閾値電流を低減できた。また、温度特性も良好になった。

なお、本実施の形態では、スペーサ層３６，３７としてＧａＩｎＰを用いたが、Ｇａ_ｘＩｎ_1-ｘＰ_ｙＡｓ_1-ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）やＡｌＧａＡｓを用いることができる。また、Ｓｂ、Ｎなど他のIII−Ｖ族が含まれていても構わない。

また、本実施の形態では反射鏡２２，２８で挟まれた共振器部（上下のスペーサ層３６，３７と量子井戸活性層２６と障壁層２５）の厚さを１λ分としたが、２λなど１／２λの整数倍とすることができる。

［第六の実施の形態］
本発明の第六の実施の形態を図５に基づいて説明する。本実施の形態は、前述したような面発光型半導体レーザを利用した面発光型半導体レーザアレイに関する。図５は本実施の形態の面発光型半導体レーザアレイの構成例を示す原理的な平面図である。

本実施の形態の面発光型半導体レーザアレイ４１は、アレイチップ基板４２上に前述の各実施の形態で説明したような構成の複数個の面発光型半導体レーザ４３を一列（１次元）に配列させて搭載させることにより構成されている。４４は各面発光型半導体レーザ４３毎に設けられた電極パッドである。ただし、本実施の形態では、面発光型半導体レーザ４３に関して前述した構成例の場合とはｐとｎとが逆とされている。即ち、ｐ型ＧａＡｓ半導体基板上に形成されており、表面にｎ側個別電極、裏面にｐ側共通電極が形成されている。なお、面発光型半導体レーザアレイ４１を構成する上で、面発光型半導体レーザ４３は２次元配列であっても構わない。

本実施の形態によれば、閾値上昇が抑えられた、高出力動作可能な面発光型半導体レーザ４３を同一基板４２上に多数集積することで、例えば、光通信に応用した場合、同時に多数ビームによるデータ伝送が可能となるので高速通信ができる。さらに、面発光型半導体レーザは低消費電力で動作するので、特に機器の中に組み込んで利用した場合、温度上昇を低減させることもできる。

［第七の実施の形態］
本発明の第七の実施の形態を図６に基づいて説明する。本実施の形態は、前述の第六の実施の形態で説明した面発光型半導体レーザアレイ４１を光源として安価なシリカファイバ（光ファイバ）５１とを組み合わせた光送信モジュール５２への適用例を示し、図６はその構成例を示す概要図である。

本実施の形態の光送信モジュール５２では、各面発光型半導体レーザ４３からのレーザ光が対応する光ファイバ５１に入力され、伝送される。ここで、光ファイバ５１には、シングルモードファイバを用いている。光通信の分野では、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。本実施の形態では、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る。

さらに、本発明による面発光型半導体レーザ４３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を用いた面発光型半導体レーザ４３は、温度特性が良いこと、及び、低閾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。

さらに、本実施の形態では、面発光型半導体レーザ４３と光ファイバ５１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次元又は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。

［第八の実施の形態］
本発明の第八の実施の形態を図７に基づいて説明する。本実施の形態は、前述したような面発光型半導体レーザ４３を光源とし、受信用フォトダイオード６１を受光素子とし、光ファイバ６２と組み合わせた光送受信モジュール６３への適用例を示し、図７はこの光送受信モジュール６３の構成例を示す概要図である。

前述したような面発光型半導体レーザ４３を光通信システムに用いる場合、面発光型半導体レーザ４３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４３（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６１と、光ファイバ６２とを組み合わせた光送受信モジュール６３を用いた低コストの光通信システムを実現できる。また、ＧａＩｎＮＡｓを用いた面発光型半導体レーザ４３は、温度特性が良いこと、動作電圧が低いこと、及び、低閾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。

さらに、１．３μｍ等の長波長帯で低損失となるフッ素添加ＰＯＦ（プラスチック光ファイバ）とＧａＩｎＮＡｓ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。

本実施の形態の面発光型半導体レーザを用いた光通信システムとしては、光ファイバ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。

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。

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。

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端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窄構造が適用でき、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帯等の長波長端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。

本発明の第二の実施の形態のＧａＩｎＮＡｓ端面発光型半導体レーザの構造例を示す原理的断面図である。 本発明の第三の実施の形態のＧａＩｎＮＡｓ端面発光型半導体レーザの構造例を示す原理的断面図である。 本発明の第四の実施の形態のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザの構造例を示す原理的断面図である。 本発明の第五の実施の形態のＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザの構造例を示す原理的断面図である。 本発明の第六の実施の形態の面発光型半導体レーザアレイの構成例を示す原理的な平面図である。 本発明の第七の実施の形態の光送信モジュールの構成例を示す概要図である。 本発明の第八の実施の形態の光送受信モジュールの構成例を示す概要図である。 本発明者が実験的に求めた閾値電流密度の窒素組成依存性を示す図である。

符号の説明

５ 活性層
９ 量子井戸活性層
１０ａ 下層障壁層
１０ｃ 上層障壁層
２１ ＧａＡｓ基板
２２ 下層反射鏡
２３ スペーサ層
２４ 量子井戸活性層
２５ａ〜２５ｃ 下層障壁層
２５ｄ 上層活性層
２６ 活性層
２７ スペーサ層
３６，３７ スペーサ層
４１ 面発光型半導体レーザアレイ
４３ 面発光型半導体レーザ

Claims (10)

1. 窒素（Ｎ）と他のＶ族元素とを同時に含んだ量子井戸活性層とその下層及び上層に形成された下層障壁層及び上層障壁層とからなる活性層を有する半導体発光素子において、
   前記下層障壁層及び上層障壁層は、前記下層障壁層及び上層障壁層の組成が、少なくとも、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＰＡｓ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂの何れか一つであり、かつ、前記上層障壁層のＮ組成が前記下層障壁層のＮ組成よりも大きい、ことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記活性層は、多重量子井戸構造からなり、最下層となる量子井戸層の下層に形成される下層障壁層のＮ組成より、最上層となる量子井戸活性層の上層に形成される上層障壁層のＮ組成が大きいことを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記量子井戸活性層は、圧縮歪を有し、
   前記障壁層は、引っ張り歪を有する、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の半導体発光素子。
4. 当該半導体発光素子は、前記活性層の上層及び下層に上層反射鏡及び下層反射鏡が設けられた共振器構造を有する面発光型半導体レーザであることを特徴とする請求項１ないし３の何れか一記載の半導体発光素子。
5. ＧａＡｓ基板上に、窒素（Ｎ）と他のＶ族元素とを同時に含んだ量子井戸活性層とその下層及び上層に形成された下層障壁層及び上層障壁層とからなる活性層と、当該活性層の上層及び下層に設けられた上層反射鏡及び下層反射鏡を含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、
   前記下層障壁層及び上層障壁層は、前記下層障壁層及び上層障壁層の組成が、少なくとも、ＧａＮＡｓ、ＧａＮＰＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＰＡｓ、ＧａＮＡｓＳｂ、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂの何れか一つであり、前記上層障壁層のＮ組成が前記下層障壁層のＮ組成よりも大きく、かつ、前記反射鏡と前記活性層との間のスペーサ層は主にＧａＡｓよりバンドギャップの大きい材料からなる、ことを特徴とする面発光型半導体レーザ。
6. 前記ＧａＡｓよりバンドギャップの大きい材料は、ＧａＩｎＰ（Ａｓ）又はＡｌＧａＡｓであることを特徴とする請求項５記載の面発光型半導体レーザ。
7. 請求項４又は５記載の面発光型半導体レーザが同一基板上に複数個配列させて搭載されていることを特徴とする面発光型半導体レーザアレイ。
8. 請求項４又は５記載の面発光型半導体レーザ又は請求項７記載の面発光型半導体レーザアレイを光源として備えることを特徴とする光送信モジュール。
9. 請求項４又は５記載の面発光型半導体レーザ又は請求項７記載の面発光型半導体レーザアレイを光源として備える光送受信モジュール。
10. 請求項４又は５記載の面発光型半導体レーザ又は請求項７記載の面発光型半導体レーザアレイを光源として備えることを特徴とする光通信システム。

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