JP2004186484A - 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
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 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】圧縮歪みのＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層を用いた半導体発光素子において、設計の自由度を大きくして量子井戸活性層の歪みを軽減させて、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】ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層（バリア層）とからなる活性層を有する半導体発光素子において、障壁層が燐（Ｐ）とアンチモン（Ｓｂ）を同時に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であることを特徴としている。
【選択図】 図２
【解決手段】ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層（バリア層）とからなる活性層を有する半導体発光素子において、障壁層が燐（Ｐ）とアンチモン（Ｓｂ）を同時に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であることを特徴としている。
【選択図】 図２
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、低コストの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のシステムを実現するためには、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。
【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、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。）。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。
【０００８】
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。
【０００９】
これを改善する方法として、基板より格子定数が小さいＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＰｆＡｓ１−ｅ−ｆ系材料（例えば特許文献４参照。）、ＧａＮＰＡｓまたはＧａＮＡｓ層（例えば特許文献５参照。）、ＧａＮＡｓ層（例えば特許文献３参照。）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。
【００１０】
ＧａＡｓに対して窒素（Ｎ）を添加すると、格子定数が小さくなる。また、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。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。）で、電子のオーバーフローが増え、温度特性が悪くなるという欠点がある。
【００１１】
また、ＧａＡｓに対してＰを添加すると、格子定数が小さくなるとともに、バンドギャップが大きくなり、伝導帯のエネルギーは大きくなる。よって、ＧａＮＰＡｓを障壁層とした場合、ＰとＮの組成を調整することで、伝導帯のエネルギーをＧａＡｓとＧａＩｎＮＡｓとの接合のそれと同程度にすることが可能となる。しかしながら、Ｐ及びＮの添加は、ともに格子定数をＧａＡｓよりも小さくするので、伝導帯バンド不連続と歪み量との両方を独立に制御することはできない。このため、引張り歪量が大きくなってしまい、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層との歪差が大きすぎるために良好な界面が得られないなどの問題が生じる。これにより、デバイス設計の自由度が制限されてしまうという問題が生じる。
【００１２】
この場合、Ｉｎを添加すると格子定数を大きくすることが可能となる。しかしながら、ＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＰｆＡｓ１−ｅ−ｆ系材料でＧａＡｓよりも格子定数が小さい歪み補償層を形成する場合、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層との価電子帯バンド不連続を制御することが困難であることがわかった。具体的には、価電子帯バンド不連続をＧａＡｓ障壁層との接合に比べて小さくすることが困難であることがわかった。よって、デバイス設計の自由度が制限されてしまうことがわかった。
【００１３】
【特許文献１】
特開平６−３７３５５号公報
【００１４】
【非特許文献１】
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３５（１９９６）ｐｐ．１２７３−１２７５
【００１５】
【特許文献２】
特開２０００−３３２３６３号公報
【００１６】
【特許文献３】
特開２００２−１１８３２９号公報
【００１７】
【非特許文献２】
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｙｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２０００） ｐｐ．３４０３−３４０５
【００１８】
【特許文献４】
特開平１０−１２６００４号公報
【００１９】
【特許文献５】
特開平１０−１４５００３号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、圧縮歪みのＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層を用いた半導体発光素子において、設計の自由度を大きくして量子井戸活性層の歪みを軽減させて、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。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された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、前記障壁層は、燐（Ｐ）とアンチモン（Ｓｂ）を同時に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であることを特徴としている。
【００２２】
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、前記障壁層には、同時に窒素（Ｎ）も含まれていることを特徴としている。
【００２３】
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、前記障壁層は、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ、または、ＧａＩｎＰＡｓＳｂであることを特徴としている。
【００２４】
また、請求項４記載の発明は、ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つＧａ，Ａｓ，Ｓｂを同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された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、前記障壁層は、燐（Ｐ）とアンチモン（Ｓｂ）を同時に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であることを特徴としている。
【００２５】
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、前記障壁層は、ＧａＰＡｓＳｂ、ＡｌＧａＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓＳｂ、または、ＡｌＧａＩｎＰＡｓＳｂであることを特徴としている。
【００２６】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、前記量子井戸活性層は、多重量子井戸活性層であることを特徴としている。
【００２７】
また、請求項７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において、該半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであることを特徴としている。
【００２８】
また、請求項８記載の発明は、請求項７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。
【００２９】
また、請求項９記載の発明は、請求項７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。
【００３０】
また、請求項１０記載の発明は、請求項７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。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００３２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態は、ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された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、障壁層が燐（Ｐ）とアンチモン（Ｓｂ）を同時に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であることを特徴としている。
【００３３】
ＧａＡｓに対してＰを１％添加した材料では、バンドギャップは１１．７ｍｅＶ程度大きくなる。すなわち、伝導帯は７ｍｅＶ上がり、価電子帯は４．７ｍｅＶ下がる（Ａ．Ｇ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ等による文献「Ｐｙｓ．Ｒｅｖ．１４６（１９６６） ｐ６０１」、Ｓｕ−Ｈｕａｉ Ｗｅｉ等による文献「Ａｐｐｌ． Ｐｙｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７２ （１９９８） ｐ２０１１」などを参照）。また、ＧａＡｓ，ＧａＰの格子定数は、それぞれ、５．６５３２５オングストローム，５．４４９５オングストロームであるので、ＧａＡｓに対してＰ１％当たり０．０３６０％の引張り歪みとなる。
【００３４】
ＧａＡｓに対して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、価電子帯は１９ｍｅＶ下がる（Ｋｉｔａｔａｎｉ等による文献「１６ｔｈ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＬａｓｅｒＳｙｍｐｏｓｉｕｍ」を参照）。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。
【００３５】
ＧａＡｓに対してＩｎを１％添加した材料では、バンドギャップは１５ｍｅＶ程度小さくなる。Ｉｎを添加すると価電子帯エネルギーは上がるが、ＧａＡｓとＩｎＡｓとでわずか６０ｍｅＶであり、バンドギャップ低下分のほとんどは伝導帯が下がることによっている（Ｙｕ．Ｆ．Ｂｉｒｙｕｌｉｎ等による文献「Ｓｏｖ．Ｐｙｓ．Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．１７（１９８３） ｐ６８」、Ｓｕ−ＨｕａｉＷｅｉ等による文献「Ａｐｐｌ． Ｐｙｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７２ （１９９８） ｐ２０１１」などを参照）。また、ＩｎＡｓの格子定数は６．０５８オングストロームであるので、ＧａＡｓに対してＩｎ１％当たり０．０７１６％の圧縮歪みとなる。
【００３６】
以上より、ＧａＡｓに、Ｎ、及び／またはＰ、及び／またはＩｎを添加したＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＰｆＡｓ１−ｅ−ｆ系材料（特開平１０−１２６００４号公報を参照）で、ＧａＡｓよりも格子定数が小さい歪み補償層を形成する場合、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層との価電子帯バンド不連続は、ＧａＡｓ障壁層に比べて大きくなってしまうことがわかった。例えばＧａＡｓにＰを１％添加して引張り歪みとすると、価電子帯は４．７ｍｅＶ下がるが、これをＩｎで補償するためにはＩｎを８％程度添加する必要があり、圧縮歪みとなってしまう。また、ＧａＡｓにＮを１％添加して引張り歪みとすると、価電子帯は１９ｍｅＶ下がるが、これをＩｎで補償するためにはＩｎを３２％程度添加する必要があり、圧縮歪みとなってしまう。
【００３７】
ホール（正孔）の有効質量は電子の有効質量よりも大きく、ホールの注入均一性は障壁高さに敏感に依存する。そのため、価電子帯バンド不連続が大きくなると、特に多重量子井戸構造の各井戸層に正孔を均一に注入することが困難となってしまい、しきい値電流の上昇など、デバイス特性に悪影響を与えてしまう。また、量子井戸活性層と障壁層とからなるＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層の周囲は、ほとんどの場合、ＧａＡｓ層が用いられている。この場合、障壁層の価電子帯エネルギーがＧａＡｓのそれより低くなっていると、井戸層へのホール注入の障壁となってしまい、ホールが注入されにくくなるという問題が生じる。
【００３８】
一方、山田らによる文献「信学技報ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＲＥＰＯＲＴ ＯＦＩＥＩＣＥ， ＬＱＥ９９−１３３（２０００−０２）」には、ＧａＡｓ基板上に成長したＧａＡｓＳｂ量子井戸活性層を用いた１．３μｍ帯半導体レーザが報告されている。ＧａＡｓとＧａＡｓ０．６４Ｓｂ０．３６との伝導帯バンド不連続は３５ｍｅＶ程度と見積もられており、価電子帯バンド不連続は４３０ｍｅＶとなり、Ｓｂ添加でのバンドギャップ減少分のほとんどは価電子帯エネルギーが高くなること（Ｓｂ１％当たり１２ｍｅＶ）によっていることがわかる。また、Ｓｂ添加は格子定数を大きくする。従って、本願の発明者は、ＧａＡｓに対して引っ張り歪みを有する材料にＳｂを添加すると、価電子帯バンド不連続増加分を補償することができるということを見出した。なお、ＧａＳｂの格子定数は６．０９４オングストロームであるので、ＧａＡｓに対してＳｂ１％当たり０．０７８０％の圧縮歪みとなる。
【００３９】
ＧａＡｓに対して引っ張り歪みを有する材料としては、ＧａＡｓに対して少なくともＮまたはＰの一方を添加する必要がある。Ｐを添加せずにＮとＳｂを添加したＧａ（Ｉｎ）ＮＡｓＳｂ引っ張り歪み層では、ＧａＮＡｓ障壁層と同様に伝導帯バンド不連続が小さくなるので、半導体レーザの温度特性が悪くなってしまう。なお、Ｇａ（Ｉｎ）ＮＡｓＳｂにＡｌを添加すると、格子定数をほとんど変えずに伝導帯エネルギーを高める効果があるが、Ｎを含んだ材料は、６００℃以下のような低温成長が必要であり、Ａｌを含んだ層の成長には好ましくなく、ＡｌとＮを同時に含まないことが望ましい。
【００４０】
以上より、圧縮歪みを有するＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層を用いた構造において、ＧａＡｓに少なくともＰとＳｂを同時に添加した材料を障壁層とすると、電子のオーバーフローが問題になるほど伝導帯バンド不連続を小さくすることがなく、かつホールの注入に障害が起きるほど価電子帯バンド不連続を大きくすることがないひずみ補償量子井戸活性層構造を得ることができる。
【００４１】
なお、上述した第１の実施形態の半導体発光素子において、障壁層には同時にＮも含ませることができる。
【００４２】
前述した文献「Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｙｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２０００）ｐｐ．３４０３−３４０５」には、ＧａＡｓ障壁層を用いた二重量子井戸活性層により特性温度が２００Ｋ以上と良好な温度特性を有した端面発光型半導体レーザが示されており、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層と障壁層との伝導帯バンド不連続をこれ以上大きくしなくとも使用可能な用途は充分にある。逆に、障壁層の伝導帯エネルギーを更に増加させると、量子準位が大きくなり短波長化してしまうので、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層の窒素組成を増加させる必要があり、結晶性低下の問題が生じる可能性がある。障壁層へのＮの添加は、主に伝導帯エネルギーを下げるので、ほぼ独立に伝導帯バンド不連続をコントロールでき、これを補償できるので好ましい。
【００４３】
さらに、障壁層と量子井戸活性層の界面の結晶性は重要である。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かしい。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、原料供給の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かしい。しかしながら、障壁層にもＮが添加された構造にすると、この界面で原料供給のＯＮ，ＯＦＦを行なう必要がなく、良好な界面を制御して得ることが容易となる。
【００４４】
また、上述した第１の実施形態の半導体発光素子において、障壁層は、具体的には、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ、あるいは、ＧａＩｎＰＡｓＳｂなどで構成することができる。
【００４５】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つＧａ，Ａｓ，Ｓｂを同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された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、障壁層が、燐（Ｐ）とアンチモン（Ｓｂ）を同時に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であることを特徴としている。
【００４６】
ＰとＳｂを同時に含んだ障壁層は、ＧａＡｓＳｂ系圧縮歪み量子井戸活性層を用いた場合でも有効である。前述したように、ＧａＡｓ（障壁層）とＧａＡｓ０．６４Ｓｂ０．３６（圧縮歪み量子井戸活性層）との伝導帯バンド不連続は３５ｍｅＶ程度と見積もられており、価電子帯バンド不連続は４３０ｍｅＶとなり、Ｓｂ添加でのバンドギャップ減少分のほとんどは価電子帯エネルギーが高くなること（Ｓｂ１％当たり１２ｍｅＶ）によっていることがわかる。従って、ＧａＡｓ障壁層とした場合、電子のオーバーフローが大きく温度特性が極めて悪い。さらに、価電子帯バンド不連続が極めて大きく、多重量子井戸活性層ではホールの注入の不均一が問題となっており、障壁層をｐ型にしたｐ型変調ドープ構造とすることで改善が図られている（文献「信学技報ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＲＥＰＯＲＴ ＯＦ ＩＥＩＣＥ， ＬＱＥ９９−１３３（２０００−０２）」）。
【００４７】
ＧａＡｓへのＰの添加は、伝導帯バンド不連続を大きくし、また、ＧａＡｓへのＳｂ添加は、価電子帯バンド不連続を小さくする効果があり、さらに、互いに格子定数変化を補償するので好ましい。これにより、ＧａＡｓ障壁層を用いた場合に比べて伝導帯バンド不連続を大きくでき、かつ価電子帯バンド不連続を小さくできる接合が可能となり、電子のオーバーフローを低減し、かつホールの注入効率を向上させることができる。
【００４８】
上述した第２の実施形態の半導体発光素子において、障壁層は、具体的には、ＧａＰＡｓＳｂ、ＡｌＧａＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓＳｂ、あるいは、ＡｌＧａＩｎＰＡｓＳｂなどで構成することができる。
【００４９】
また、上述した第１，第２の半導体発光素子において、量子井戸活性層は、例えば多重量子井戸活性層とすることができる。
【００５０】
ホール（正孔）の有効質量は電子の有効質量よりも大きく、ホールの注入均一性は障壁高さに敏感に依存する。そのため、価電子帯バンド不連続が大きくなると、特に多重量子井戸構造の各井戸層に正孔を均一に注入することが困難となってしまい、しきい値電流の上昇など、デバイス特性に悪影響を与えてしまう。ＧａＡｓにＰ及び／またはＮを添加してＧａＡｓよりも格子定数の小さい材料を形成した場合、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層との価電子帯バンド不連続は、ＧａＡｓ障壁層に比べて大きくなってしまう。Ｉｎの添加は小さくする効果があるが、その効果はわずかである。これに対し、本発明のようにＳｂを添加することで充分な効果を得ることができる。
【００５１】
また、ＧａＡｓＳｂ系量子井戸活性層の場合も障壁層にＳｂを添加することで、ＧａＡｓ障壁層に比べて価電子帯バンド不連続を低減でき、各井戸層への正孔注入が均一になる。
【００５２】
また、上述した第１，第２の半導体発光素子は、具体的には、面発光型半導体レーザとして構成することができる。
【００５３】
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、これには、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。ＧａＩｎＮＡｓ系材料またはＧａＡｓＳｂ系材料を活性層にしているので、これらの波長に対応できる。
【００５４】
また、面発光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、大きな活性層利得を必要とする。素子の特性を良好にするためには、量子井戸活性層の数を複数にして利得を増加させる必要がある。本発明のように歪み補償層を設けることで、活性層の数を増やすことができ、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。
【００５５】
また、上述した本発明の面発光レーザを光源として用いた光送信モジュールを構成することができる。
【００５６】
上述したように、本発明の面発光レーザは、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流動作し、温度特性が良いので、この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。
【００５７】
また、上述した本発明の面発光レーザを光源として用いた光送受信モジュールを構成することができる。
【００５８】
上述したように、本発明の面発光レーザは、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流動作し、温度特性が良いので、この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。
【００５９】
また、上述した本発明の面発光レーザを光源として用いた光通信システムを構成することができる。
【００６０】
上述したように、本発明の面発光レーザは、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流動作し、温度特性が良いので、この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。
【００６１】
【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。
【００６２】
（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。
【００６３】
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，Ｚｎ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。
【００６４】
ここで、活性層は、圧縮歪みを有する１層のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層（井戸層）と、その上下に形成された引張り歪みを有するＧａＰＡｓＳｂ障壁層（バリア層）とからなっている。井戸層のＩｎ組成ｘは３５％，窒素組成は０．８％とした。また、井戸層の厚さは８ｎｍ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），ＰＨ３（フォスフィン）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。ＧａＰＡｓＳｂ障壁層もＧａＩｎＮＡｓ層と同じ５５０℃で成長した。
【００６５】
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。
【００６６】
この第１の実施例では、ＧａＡｓ光ガイド層とＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層との間にＧａＰＡｓＳｂ障壁層が形成されている。障壁層がＧａＰＡｓである場合はＧａＡｓとＧａＰＡｓとの間に価電子帯バンド不連続が形成されるが、Ｓｂが適量添加されていることで価電子帯バンド不連続が低減されており、ホール注入の障害はない。一方、Ｐが添加されていることで伝導帯バンド不連続は大きくなり、有効質量が小さいためにオーバーフローしやすい電子が量子井戸中に効果的に閉じ込められるようになった。これにより、単一量子井戸構造であるが極めて温度特性が良好になった。更に、歪み補償構造となっており、歪みの低減効果により素子の信頼性が向上した。
【００６７】
上述の例では、ＭＯＣＶＤ法での成長の例を示したが、ＭＢＥ法等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ＮＨ３等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、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）の例を示したが、多重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。
【００６８】
（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。
【００６９】
この第２の実施例における面発光型半導体レーザ素子は、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。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５層のＧａＮＰＡｓＳｂ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。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。
【００７０】
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。
【００７１】
この第２の実施例では、活性層内の井戸層のＩｎ組成ｘは３７％，窒素組成は０．５％とした。また、井戸層は、厚さが７ｎｍであり、ＧａＡｓ基板に対して約２．５％の圧縮歪（高歪）を有していた。また、ＧａＮＰＡｓＳｂ障壁層は、２０ｎｍの厚さとし、ＧａＡｓ基板に対して０．２％の引張り歪みを有し、かつ伝導帯，価電子帯ともにＧａＡｓを障壁層として用いた場合とほぼ同じになるような組成に調整した。具体的に、ＧａＮＰＡｓＳｂ障壁層のＰ組成は２１％、Ｎ組成は０．８％、Ｓｂ組成は９．２％とした。概念的には以下のように説明できる。すなわち、ＧａＡｓに対してＰを添加すると、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸との伝導帯，価電子帯バンド不連続が大きくなる形で引張り歪みとなる。このＧａＰＡｓに更にＮを添加すると、主に伝導帯バンド不連続が小さくなる形で更に引張り歪みとなる。そして、このＧａＮＰＡｓに更にＳｂを添加すると、価電子帯バンド不連続が小さくなる形で引張り歪み量を小さくする。これにより、ＧａＡｓ基板に対して引張り歪みを有し、かつ伝導帯，価電子帯ともにＧａＡｓを障壁層として用いた場合と同じになるように設計できる。したがって、電子のオーバーフローが問題になるほど伝導帯バンド不連続を小さくすることなく、かつホールの注入に障害が起きるほど価電子帯バンド不連続を大きくすることのない歪補償構造を形成できる。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
作製した面発光型半導体レーザ素子の発振波長は約１．３μｍであった。ＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いたので、ＧａＡｓ基板上に長波長帯の面発光型半導体レーザ素子を形成できた。また、歪み補償構造を採用しているので、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発生することなく井戸数を増やすことができ、更に伝導帯，価電子帯ともにバンド不連続を、ＧａＡｓ障壁層を用いた時と同程度にコントロールできたので、温度特性は良好であり、高温まで動作した。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
なお、この第２の実施例では、障壁層として、ＧａＮＰＡｓＳｂを用いたが、ＧａＡｓよりも格子定数が小さいＧａＰＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ，ＧａＩｎＰＡｓＳｂのいずれかを用いることもできる。また、量子井戸活性層として、ＧａＩｎＮＡｓを用いたが、ＧａＡｓよりも格子定数の大きいＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＰＡｓ，ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂを用いることもできる。また、１．３μｍ帯よりは短波長となってしまうが、Ｎを含まないＧａＩｎＡｓでもＩｎ組成を大きくして例えば波長１．１μｍ以上とした場合においては、従来障壁層としてＧａＡｓが用いられているので、本発明により同様な効果が得られる。
【００８２】
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。
【００８３】
（第３の実施例）
図４は本発明の第３の実施例の１．３μｍ帯ＧａＡｓＳｂ面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【００８４】
この第３の実施例が第２の実施例と違うところは、量子井戸活性層としてＧａＡｓＳｂ（Ｓｂ組成３６％）、障壁層（バリア層）としてＧａＰＡｓＳｂ（Ｐ組成３９％、Ｓｂ組成１８％）を用いた点である。井戸数は２とした。また、障壁層はＧａＡｓ基板にほぼ格子整合している。この第３の実施例では、ＧａＡｓ障壁層を用いた場合に比べて伝導帯バンド不連続は２５５ｍｅＶ大きくなり、価電子帯バンド不連続は３３ｍｅＶ小さくなった。これにより、温度特性は良好になり、更にしきい値電流は小さくなった。この第３の実施例では、量子井戸活性層としてＧａＡｓＳｂを用いたが、Ｉｎ，Ａｌ，Ｐをわずかに含んでいてもかまわない。
【００８５】
（第４の実施例）
図５は本発明の第４の実施例の面発光レーザアレイを示す図（上面図）である。
【００８６】
この第４の実施例の面発光レーザアレイは、第２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４の実施例の面発光レーザアレイは、第２の実施例と導電型ｐ，ｎが逆になっている。すなわち、第４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。
【００８７】
（第５の実施例）
図６は本発明の第５の実施例の光送信モジュールを示す図であり、第５の実施例の光送信モジュールは、第４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５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５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。
【００８８】
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。
【００８９】
この第５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。
【００９０】
（第６の実施例）
図７は本発明の第６の実施例の光送受信モジュールを示す図であり、この第６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。
【００９１】
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。
【００９２】
さらに、１．３μｍ等の長波長帯で低損失となるフッ素添加ＰＯＦ（プラスチックファイバ）とＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いた面発光型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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
以上説明したように、窒素を含んだ半導体層であるＧａＩｎＮＡｓ系材料またはＧａＡｓＳｂ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。
【００９７】
【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、ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された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、前記障壁層は、燐（Ｐ）とアンチモン（Ｓｂ）を同時に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であるので（すなわち、圧縮歪みを有するＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層を用いた構造において、ＧａＡｓに少なくともＰとＳｂを同時に添加した材料を障壁層とすることにより）、電子のオーバーフローが問題になるほど伝導帯バンド不連続を小さくすることがなく、かつホールの注入に障害が起きるほど価電子帯バンド不連続を大きくすることがない歪補償量子井戸活性層構造を得ることができ、設計の自由度が向上し、温度特性が良好で高温まで動作し、かつ信頼性の高い半導体発光素子を提供することができる。
【００９８】
特に、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、前記障壁層には、同時に窒素（Ｎ）も含まれており、窒素（Ｎ）の添加は主に伝導帯エネルギーを下げるので、Ｐ，Ｓｂとはほぼ独立に伝導帯バンド不連続をコントロールでき、更にＰ添加により伝導帯エネルギーが増加して量子準位が大きくなり短波長化してしまうことを補償できるので好ましい。よって、より設計の自由度が向上し、温度特性が良好で高温まで動作し、かつ信頼性の高い半導体発光素子を提供することができる。更に、Ｎ原料の切り替え時の制御は、ＭＯＣＶＤ法でもＭＢＥ法でも難しいが、障壁層にもＮが添加された構造であると、この界面でＮ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。
【００９９】
また、請求項４乃至請求項５記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つＧａ，Ａｓ，Ｓｂを同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された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、前記障壁層は、燐（Ｐ）とアンチモン（Ｓｂ）を同時に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であり、ＰとＳｂを同時に含んだ障壁層はＧａＡｓＳｂ系圧縮歪み量子井戸活性層を用いた場合でも有効である。ＧａＡｓへのＰの添加は伝導帯バンド不連続を大きくし、Ｓｂ添加は価電子帯バンド不連続を小さくする効果があり、更に、互いに格子定数変化を補償するので好ましい。これにより、ＧａＡｓ障壁層を用いた場合に比べて、伝導帯バンド不連続を大きく、かつ価電子帯バンド不連続を小さくできる接合が可能となり、電子のオーバーフローを低減し、かつホールの注入効率を向上できるので、温度特性が良好でしきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することができる。
【０１００】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、前記量子井戸活性層は、多重量子井戸活性層であること特徴としている。ホール（正孔）の有効質量は電子の有効質量よりも大きく、ホールの注入均一性は障壁高さに敏感に依存する。そのため、価電子帯バンド不連続が大きくなると特に多重量子井戸構造の各井戸層に正孔を均一に注入することが困難となってしまい、しきい値電流の上昇など、デバイス特性に悪影響を与えてしまう。ＧａＡｓにＰ及び（または）Ｎを添加してＧａＡｓより格子定数の小さい材料を形成した場合、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層との価電子帯バンド不連続は、ＧａＡｓ障壁層に比べて大きくなってしまう。Ｉｎの添加は、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層との価電子帯バンド不連続を小さくする効果があるが、その効果はわずかである。本発明のように障壁層にＳｂを添加することで、充分な効果を得ることができる。また、ＧａＡｓＳｂ系量子井戸活性層の場合も障壁層にＳｂを添加することで、ＧａＡｓ障壁層に比べて価電子帯バンド不連続を低減でき、各井戸層への正孔注入が均一になり、しきい値が低減する。
【０１０１】
また、請求項７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において、該半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであり、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系材料またはＧａＡｓＳｂ系材料を活性層にしているので、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、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、大きな活性層利得を必要とする。素子の特性を良好にするためには量子井戸活性層の数を複数にして利得を増加させる必要がある。本発明のように伝導帯や価電子帯のバンド不連続を制御した歪補償層を設けたので、井戸層を多重化することが可能となり、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。なお、ＭＯＣＶＤ法で形成すると、面発光型半導体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。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。
【０１０２】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項７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。
【０１０３】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項７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。
【０１０４】
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項７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３の実施例の半導体発光素子を示す図である。
【図５】第４の実施例の面発光レーザアレイを示す図である。
【図６】第５の実施例の光送信モジュールを示す図である。
【図７】第６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、低コストの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のシステムを実現するためには、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。
【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、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。）。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。
【０００８】
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。
【０００９】
これを改善する方法として、基板より格子定数が小さいＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＰｆＡｓ１−ｅ−ｆ系材料（例えば特許文献４参照。）、ＧａＮＰＡｓまたはＧａＮＡｓ層（例えば特許文献５参照。）、ＧａＮＡｓ層（例えば特許文献３参照。）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。
【００１０】
ＧａＡｓに対して窒素（Ｎ）を添加すると、格子定数が小さくなる。また、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。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。）で、電子のオーバーフローが増え、温度特性が悪くなるという欠点がある。
【００１１】
また、ＧａＡｓに対してＰを添加すると、格子定数が小さくなるとともに、バンドギャップが大きくなり、伝導帯のエネルギーは大きくなる。よって、ＧａＮＰＡｓを障壁層とした場合、ＰとＮの組成を調整することで、伝導帯のエネルギーをＧａＡｓとＧａＩｎＮＡｓとの接合のそれと同程度にすることが可能となる。しかしながら、Ｐ及びＮの添加は、ともに格子定数をＧａＡｓよりも小さくするので、伝導帯バンド不連続と歪み量との両方を独立に制御することはできない。このため、引張り歪量が大きくなってしまい、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層との歪差が大きすぎるために良好な界面が得られないなどの問題が生じる。これにより、デバイス設計の自由度が制限されてしまうという問題が生じる。
【００１２】
この場合、Ｉｎを添加すると格子定数を大きくすることが可能となる。しかしながら、ＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＰｆＡｓ１−ｅ−ｆ系材料でＧａＡｓよりも格子定数が小さい歪み補償層を形成する場合、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層との価電子帯バンド不連続を制御することが困難であることがわかった。具体的には、価電子帯バンド不連続をＧａＡｓ障壁層との接合に比べて小さくすることが困難であることがわかった。よって、デバイス設計の自由度が制限されてしまうことがわかった。
【００１３】
【特許文献１】
特開平６−３７３５５号公報
【００１４】
【非特許文献１】
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３５（１９９６）ｐｐ．１２７３−１２７５
【００１５】
【特許文献２】
特開２０００−３３２３６３号公報
【００１６】
【特許文献３】
特開２００２−１１８３２９号公報
【００１７】
【非特許文献２】
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｙｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２０００） ｐｐ．３４０３−３４０５
【００１８】
【特許文献４】
特開平１０−１２６００４号公報
【００１９】
【特許文献５】
特開平１０−１４５００３号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、圧縮歪みのＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層を用いた半導体発光素子において、設計の自由度を大きくして量子井戸活性層の歪みを軽減させて、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。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された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、前記障壁層は、燐（Ｐ）とアンチモン（Ｓｂ）を同時に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であることを特徴としている。
【００２２】
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、前記障壁層には、同時に窒素（Ｎ）も含まれていることを特徴としている。
【００２３】
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、前記障壁層は、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ、または、ＧａＩｎＰＡｓＳｂであることを特徴としている。
【００２４】
また、請求項４記載の発明は、ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つＧａ，Ａｓ，Ｓｂを同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された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、前記障壁層は、燐（Ｐ）とアンチモン（Ｓｂ）を同時に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であることを特徴としている。
【００２５】
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、前記障壁層は、ＧａＰＡｓＳｂ、ＡｌＧａＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓＳｂ、または、ＡｌＧａＩｎＰＡｓＳｂであることを特徴としている。
【００２６】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、前記量子井戸活性層は、多重量子井戸活性層であることを特徴としている。
【００２７】
また、請求項７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において、該半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであることを特徴としている。
【００２８】
また、請求項８記載の発明は、請求項７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。
【００２９】
また、請求項９記載の発明は、請求項７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。
【００３０】
また、請求項１０記載の発明は、請求項７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。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００３２】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態は、ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された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、障壁層が燐（Ｐ）とアンチモン（Ｓｂ）を同時に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であることを特徴としている。
【００３３】
ＧａＡｓに対してＰを１％添加した材料では、バンドギャップは１１．７ｍｅＶ程度大きくなる。すなわち、伝導帯は７ｍｅＶ上がり、価電子帯は４．７ｍｅＶ下がる（Ａ．Ｇ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ等による文献「Ｐｙｓ．Ｒｅｖ．１４６（１９６６） ｐ６０１」、Ｓｕ−Ｈｕａｉ Ｗｅｉ等による文献「Ａｐｐｌ． Ｐｙｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７２ （１９９８） ｐ２０１１」などを参照）。また、ＧａＡｓ，ＧａＰの格子定数は、それぞれ、５．６５３２５オングストローム，５．４４９５オングストロームであるので、ＧａＡｓに対してＰ１％当たり０．０３６０％の引張り歪みとなる。
【００３４】
ＧａＡｓに対して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、価電子帯は１９ｍｅＶ下がる（Ｋｉｔａｔａｎｉ等による文献「１６ｔｈ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ＬａｓｅｒＳｙｍｐｏｓｉｕｍ」を参照）。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。
【００３５】
ＧａＡｓに対してＩｎを１％添加した材料では、バンドギャップは１５ｍｅＶ程度小さくなる。Ｉｎを添加すると価電子帯エネルギーは上がるが、ＧａＡｓとＩｎＡｓとでわずか６０ｍｅＶであり、バンドギャップ低下分のほとんどは伝導帯が下がることによっている（Ｙｕ．Ｆ．Ｂｉｒｙｕｌｉｎ等による文献「Ｓｏｖ．Ｐｙｓ．Ｓｅｍｉｃｏｎｄ．１７（１９８３） ｐ６８」、Ｓｕ−ＨｕａｉＷｅｉ等による文献「Ａｐｐｌ． Ｐｙｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７２ （１９９８） ｐ２０１１」などを参照）。また、ＩｎＡｓの格子定数は６．０５８オングストロームであるので、ＧａＡｓに対してＩｎ１％当たり０．０７１６％の圧縮歪みとなる。
【００３６】
以上より、ＧａＡｓに、Ｎ、及び／またはＰ、及び／またはＩｎを添加したＧａｄＩｎ１−ｄＮｅＰｆＡｓ１−ｅ−ｆ系材料（特開平１０−１２６００４号公報を参照）で、ＧａＡｓよりも格子定数が小さい歪み補償層を形成する場合、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層との価電子帯バンド不連続は、ＧａＡｓ障壁層に比べて大きくなってしまうことがわかった。例えばＧａＡｓにＰを１％添加して引張り歪みとすると、価電子帯は４．７ｍｅＶ下がるが、これをＩｎで補償するためにはＩｎを８％程度添加する必要があり、圧縮歪みとなってしまう。また、ＧａＡｓにＮを１％添加して引張り歪みとすると、価電子帯は１９ｍｅＶ下がるが、これをＩｎで補償するためにはＩｎを３２％程度添加する必要があり、圧縮歪みとなってしまう。
【００３７】
ホール（正孔）の有効質量は電子の有効質量よりも大きく、ホールの注入均一性は障壁高さに敏感に依存する。そのため、価電子帯バンド不連続が大きくなると、特に多重量子井戸構造の各井戸層に正孔を均一に注入することが困難となってしまい、しきい値電流の上昇など、デバイス特性に悪影響を与えてしまう。また、量子井戸活性層と障壁層とからなるＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層の周囲は、ほとんどの場合、ＧａＡｓ層が用いられている。この場合、障壁層の価電子帯エネルギーがＧａＡｓのそれより低くなっていると、井戸層へのホール注入の障壁となってしまい、ホールが注入されにくくなるという問題が生じる。
【００３８】
一方、山田らによる文献「信学技報ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＲＥＰＯＲＴ ＯＦＩＥＩＣＥ， ＬＱＥ９９−１３３（２０００−０２）」には、ＧａＡｓ基板上に成長したＧａＡｓＳｂ量子井戸活性層を用いた１．３μｍ帯半導体レーザが報告されている。ＧａＡｓとＧａＡｓ０．６４Ｓｂ０．３６との伝導帯バンド不連続は３５ｍｅＶ程度と見積もられており、価電子帯バンド不連続は４３０ｍｅＶとなり、Ｓｂ添加でのバンドギャップ減少分のほとんどは価電子帯エネルギーが高くなること（Ｓｂ１％当たり１２ｍｅＶ）によっていることがわかる。また、Ｓｂ添加は格子定数を大きくする。従って、本願の発明者は、ＧａＡｓに対して引っ張り歪みを有する材料にＳｂを添加すると、価電子帯バンド不連続増加分を補償することができるということを見出した。なお、ＧａＳｂの格子定数は６．０９４オングストロームであるので、ＧａＡｓに対してＳｂ１％当たり０．０７８０％の圧縮歪みとなる。
【００３９】
ＧａＡｓに対して引っ張り歪みを有する材料としては、ＧａＡｓに対して少なくともＮまたはＰの一方を添加する必要がある。Ｐを添加せずにＮとＳｂを添加したＧａ（Ｉｎ）ＮＡｓＳｂ引っ張り歪み層では、ＧａＮＡｓ障壁層と同様に伝導帯バンド不連続が小さくなるので、半導体レーザの温度特性が悪くなってしまう。なお、Ｇａ（Ｉｎ）ＮＡｓＳｂにＡｌを添加すると、格子定数をほとんど変えずに伝導帯エネルギーを高める効果があるが、Ｎを含んだ材料は、６００℃以下のような低温成長が必要であり、Ａｌを含んだ層の成長には好ましくなく、ＡｌとＮを同時に含まないことが望ましい。
【００４０】
以上より、圧縮歪みを有するＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層を用いた構造において、ＧａＡｓに少なくともＰとＳｂを同時に添加した材料を障壁層とすると、電子のオーバーフローが問題になるほど伝導帯バンド不連続を小さくすることがなく、かつホールの注入に障害が起きるほど価電子帯バンド不連続を大きくすることがないひずみ補償量子井戸活性層構造を得ることができる。
【００４１】
なお、上述した第１の実施形態の半導体発光素子において、障壁層には同時にＮも含ませることができる。
【００４２】
前述した文献「Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｙｙｓ．Ｖｏｌ．３９（２０００）ｐｐ．３４０３−３４０５」には、ＧａＡｓ障壁層を用いた二重量子井戸活性層により特性温度が２００Ｋ以上と良好な温度特性を有した端面発光型半導体レーザが示されており、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層と障壁層との伝導帯バンド不連続をこれ以上大きくしなくとも使用可能な用途は充分にある。逆に、障壁層の伝導帯エネルギーを更に増加させると、量子準位が大きくなり短波長化してしまうので、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層の窒素組成を増加させる必要があり、結晶性低下の問題が生じる可能性がある。障壁層へのＮの添加は、主に伝導帯エネルギーを下げるので、ほぼ独立に伝導帯バンド不連続をコントロールでき、これを補償できるので好ましい。
【００４３】
さらに、障壁層と量子井戸活性層の界面の結晶性は重要である。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かしい。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、原料供給の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かしい。しかしながら、障壁層にもＮが添加された構造にすると、この界面で原料供給のＯＮ，ＯＦＦを行なう必要がなく、良好な界面を制御して得ることが容易となる。
【００４４】
また、上述した第１の実施形態の半導体発光素子において、障壁層は、具体的には、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ、あるいは、ＧａＩｎＰＡｓＳｂなどで構成することができる。
【００４５】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態は、ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つＧａ，Ａｓ，Ｓｂを同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された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、障壁層が、燐（Ｐ）とアンチモン（Ｓｂ）を同時に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であることを特徴としている。
【００４６】
ＰとＳｂを同時に含んだ障壁層は、ＧａＡｓＳｂ系圧縮歪み量子井戸活性層を用いた場合でも有効である。前述したように、ＧａＡｓ（障壁層）とＧａＡｓ０．６４Ｓｂ０．３６（圧縮歪み量子井戸活性層）との伝導帯バンド不連続は３５ｍｅＶ程度と見積もられており、価電子帯バンド不連続は４３０ｍｅＶとなり、Ｓｂ添加でのバンドギャップ減少分のほとんどは価電子帯エネルギーが高くなること（Ｓｂ１％当たり１２ｍｅＶ）によっていることがわかる。従って、ＧａＡｓ障壁層とした場合、電子のオーバーフローが大きく温度特性が極めて悪い。さらに、価電子帯バンド不連続が極めて大きく、多重量子井戸活性層ではホールの注入の不均一が問題となっており、障壁層をｐ型にしたｐ型変調ドープ構造とすることで改善が図られている（文献「信学技報ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＲＥＰＯＲＴ ＯＦ ＩＥＩＣＥ， ＬＱＥ９９−１３３（２０００−０２）」）。
【００４７】
ＧａＡｓへのＰの添加は、伝導帯バンド不連続を大きくし、また、ＧａＡｓへのＳｂ添加は、価電子帯バンド不連続を小さくする効果があり、さらに、互いに格子定数変化を補償するので好ましい。これにより、ＧａＡｓ障壁層を用いた場合に比べて伝導帯バンド不連続を大きくでき、かつ価電子帯バンド不連続を小さくできる接合が可能となり、電子のオーバーフローを低減し、かつホールの注入効率を向上させることができる。
【００４８】
上述した第２の実施形態の半導体発光素子において、障壁層は、具体的には、ＧａＰＡｓＳｂ、ＡｌＧａＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓＳｂ、あるいは、ＡｌＧａＩｎＰＡｓＳｂなどで構成することができる。
【００４９】
また、上述した第１，第２の半導体発光素子において、量子井戸活性層は、例えば多重量子井戸活性層とすることができる。
【００５０】
ホール（正孔）の有効質量は電子の有効質量よりも大きく、ホールの注入均一性は障壁高さに敏感に依存する。そのため、価電子帯バンド不連続が大きくなると、特に多重量子井戸構造の各井戸層に正孔を均一に注入することが困難となってしまい、しきい値電流の上昇など、デバイス特性に悪影響を与えてしまう。ＧａＡｓにＰ及び／またはＮを添加してＧａＡｓよりも格子定数の小さい材料を形成した場合、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層との価電子帯バンド不連続は、ＧａＡｓ障壁層に比べて大きくなってしまう。Ｉｎの添加は小さくする効果があるが、その効果はわずかである。これに対し、本発明のようにＳｂを添加することで充分な効果を得ることができる。
【００５１】
また、ＧａＡｓＳｂ系量子井戸活性層の場合も障壁層にＳｂを添加することで、ＧａＡｓ障壁層に比べて価電子帯バンド不連続を低減でき、各井戸層への正孔注入が均一になる。
【００５２】
また、上述した第１，第２の半導体発光素子は、具体的には、面発光型半導体レーザとして構成することができる。
【００５３】
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、これには、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。ＧａＩｎＮＡｓ系材料またはＧａＡｓＳｂ系材料を活性層にしているので、これらの波長に対応できる。
【００５４】
また、面発光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、大きな活性層利得を必要とする。素子の特性を良好にするためには、量子井戸活性層の数を複数にして利得を増加させる必要がある。本発明のように歪み補償層を設けることで、活性層の数を増やすことができ、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。
【００５５】
また、上述した本発明の面発光レーザを光源として用いた光送信モジュールを構成することができる。
【００５６】
上述したように、本発明の面発光レーザは、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流動作し、温度特性が良いので、この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。
【００５７】
また、上述した本発明の面発光レーザを光源として用いた光送受信モジュールを構成することができる。
【００５８】
上述したように、本発明の面発光レーザは、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流動作し、温度特性が良いので、この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。
【００５９】
また、上述した本発明の面発光レーザを光源として用いた光通信システムを構成することができる。
【００６０】
上述したように、本発明の面発光レーザは、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流動作し、温度特性が良いので、この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。
【００６１】
【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。
【００６２】
（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。
【００６３】
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，Ｚｎ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。
【００６４】
ここで、活性層は、圧縮歪みを有する１層のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層（井戸層）と、その上下に形成された引張り歪みを有するＧａＰＡｓＳｂ障壁層（バリア層）とからなっている。井戸層のＩｎ組成ｘは３５％，窒素組成は０．８％とした。また、井戸層の厚さは８ｎｍ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），ＰＨ３（フォスフィン）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。ＧａＰＡｓＳｂ障壁層もＧａＩｎＮＡｓ層と同じ５５０℃で成長した。
【００６５】
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。
【００６６】
この第１の実施例では、ＧａＡｓ光ガイド層とＧａＩｎＮＡｓ量子井戸活性層との間にＧａＰＡｓＳｂ障壁層が形成されている。障壁層がＧａＰＡｓである場合はＧａＡｓとＧａＰＡｓとの間に価電子帯バンド不連続が形成されるが、Ｓｂが適量添加されていることで価電子帯バンド不連続が低減されており、ホール注入の障害はない。一方、Ｐが添加されていることで伝導帯バンド不連続は大きくなり、有効質量が小さいためにオーバーフローしやすい電子が量子井戸中に効果的に閉じ込められるようになった。これにより、単一量子井戸構造であるが極めて温度特性が良好になった。更に、歪み補償構造となっており、歪みの低減効果により素子の信頼性が向上した。
【００６７】
上述の例では、ＭＯＣＶＤ法での成長の例を示したが、ＭＢＥ法等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ＮＨ３等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、単一量子井戸構造（ＳＱＷ）の例を示したが、多重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。
【００６８】
（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。
【００６９】
この第２の実施例における面発光型半導体レーザ素子は、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。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５層のＧａＮＰＡｓＳｂ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。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。
【００７０】
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。
【００７１】
この第２の実施例では、活性層内の井戸層のＩｎ組成ｘは３７％，窒素組成は０．５％とした。また、井戸層は、厚さが７ｎｍであり、ＧａＡｓ基板に対して約２．５％の圧縮歪（高歪）を有していた。また、ＧａＮＰＡｓＳｂ障壁層は、２０ｎｍの厚さとし、ＧａＡｓ基板に対して０．２％の引張り歪みを有し、かつ伝導帯，価電子帯ともにＧａＡｓを障壁層として用いた場合とほぼ同じになるような組成に調整した。具体的に、ＧａＮＰＡｓＳｂ障壁層のＰ組成は２１％、Ｎ組成は０．８％、Ｓｂ組成は９．２％とした。概念的には以下のように説明できる。すなわち、ＧａＡｓに対してＰを添加すると、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸との伝導帯，価電子帯バンド不連続が大きくなる形で引張り歪みとなる。このＧａＰＡｓに更にＮを添加すると、主に伝導帯バンド不連続が小さくなる形で更に引張り歪みとなる。そして、このＧａＮＰＡｓに更にＳｂを添加すると、価電子帯バンド不連続が小さくなる形で引張り歪み量を小さくする。これにより、ＧａＡｓ基板に対して引張り歪みを有し、かつ伝導帯，価電子帯ともにＧａＡｓを障壁層として用いた場合と同じになるように設計できる。したがって、電子のオーバーフローが問題になるほど伝導帯バンド不連続を小さくすることなく、かつホールの注入に障害が起きるほど価電子帯バンド不連続を大きくすることのない歪補償構造を形成できる。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
作製した面発光型半導体レーザ素子の発振波長は約１．３μｍであった。ＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いたので、ＧａＡｓ基板上に長波長帯の面発光型半導体レーザ素子を形成できた。また、歪み補償構造を採用しているので、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発生することなく井戸数を増やすことができ、更に伝導帯，価電子帯ともにバンド不連続を、ＧａＡｓ障壁層を用いた時と同程度にコントロールできたので、温度特性は良好であり、高温まで動作した。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
なお、この第２の実施例では、障壁層として、ＧａＮＰＡｓＳｂを用いたが、ＧａＡｓよりも格子定数が小さいＧａＰＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ，ＧａＩｎＰＡｓＳｂのいずれかを用いることもできる。また、量子井戸活性層として、ＧａＩｎＮＡｓを用いたが、ＧａＡｓよりも格子定数の大きいＧａＩｎＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＰＡｓ，ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂを用いることもできる。また、１．３μｍ帯よりは短波長となってしまうが、Ｎを含まないＧａＩｎＡｓでもＩｎ組成を大きくして例えば波長１．１μｍ以上とした場合においては、従来障壁層としてＧａＡｓが用いられているので、本発明により同様な効果が得られる。
【００８２】
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。
【００８３】
（第３の実施例）
図４は本発明の第３の実施例の１．３μｍ帯ＧａＡｓＳｂ面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【００８４】
この第３の実施例が第２の実施例と違うところは、量子井戸活性層としてＧａＡｓＳｂ（Ｓｂ組成３６％）、障壁層（バリア層）としてＧａＰＡｓＳｂ（Ｐ組成３９％、Ｓｂ組成１８％）を用いた点である。井戸数は２とした。また、障壁層はＧａＡｓ基板にほぼ格子整合している。この第３の実施例では、ＧａＡｓ障壁層を用いた場合に比べて伝導帯バンド不連続は２５５ｍｅＶ大きくなり、価電子帯バンド不連続は３３ｍｅＶ小さくなった。これにより、温度特性は良好になり、更にしきい値電流は小さくなった。この第３の実施例では、量子井戸活性層としてＧａＡｓＳｂを用いたが、Ｉｎ，Ａｌ，Ｐをわずかに含んでいてもかまわない。
【００８５】
（第４の実施例）
図５は本発明の第４の実施例の面発光レーザアレイを示す図（上面図）である。
【００８６】
この第４の実施例の面発光レーザアレイは、第２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４の実施例の面発光レーザアレイは、第２の実施例と導電型ｐ，ｎが逆になっている。すなわち、第４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。
【００８７】
（第５の実施例）
図６は本発明の第５の実施例の光送信モジュールを示す図であり、第５の実施例の光送信モジュールは、第４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５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５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。
【００８８】
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。
【００８９】
この第５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。
【００９０】
（第６の実施例）
図７は本発明の第６の実施例の光送受信モジュールを示す図であり、この第６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。
【００９１】
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。
【００９２】
さらに、１．３μｍ等の長波長帯で低損失となるフッ素添加ＰＯＦ（プラスチックファイバ）とＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いた面発光型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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
以上説明したように、窒素を含んだ半導体層であるＧａＩｎＮＡｓ系材料またはＧａＡｓＳｂ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。
【００９７】
【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、ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された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、前記障壁層は、燐（Ｐ）とアンチモン（Ｓｂ）を同時に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であるので（すなわち、圧縮歪みを有するＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層を用いた構造において、ＧａＡｓに少なくともＰとＳｂを同時に添加した材料を障壁層とすることにより）、電子のオーバーフローが問題になるほど伝導帯バンド不連続を小さくすることがなく、かつホールの注入に障害が起きるほど価電子帯バンド不連続を大きくすることがない歪補償量子井戸活性層構造を得ることができ、設計の自由度が向上し、温度特性が良好で高温まで動作し、かつ信頼性の高い半導体発光素子を提供することができる。
【００９８】
特に、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、前記障壁層には、同時に窒素（Ｎ）も含まれており、窒素（Ｎ）の添加は主に伝導帯エネルギーを下げるので、Ｐ，Ｓｂとはほぼ独立に伝導帯バンド不連続をコントロールでき、更にＰ添加により伝導帯エネルギーが増加して量子準位が大きくなり短波長化してしまうことを補償できるので好ましい。よって、より設計の自由度が向上し、温度特性が良好で高温まで動作し、かつ信頼性の高い半導体発光素子を提供することができる。更に、Ｎ原料の切り替え時の制御は、ＭＯＣＶＤ法でもＭＢＥ法でも難しいが、障壁層にもＮが添加された構造であると、この界面でＮ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。
【００９９】
また、請求項４乃至請求項５記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つＧａ，Ａｓ，Ｓｂを同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された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、前記障壁層は、燐（Ｐ）とアンチモン（Ｓｂ）を同時に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体であり、ＰとＳｂを同時に含んだ障壁層はＧａＡｓＳｂ系圧縮歪み量子井戸活性層を用いた場合でも有効である。ＧａＡｓへのＰの添加は伝導帯バンド不連続を大きくし、Ｓｂ添加は価電子帯バンド不連続を小さくする効果があり、更に、互いに格子定数変化を補償するので好ましい。これにより、ＧａＡｓ障壁層を用いた場合に比べて、伝導帯バンド不連続を大きく、かつ価電子帯バンド不連続を小さくできる接合が可能となり、電子のオーバーフローを低減し、かつホールの注入効率を向上できるので、温度特性が良好でしきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することができる。
【０１００】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、前記量子井戸活性層は、多重量子井戸活性層であること特徴としている。ホール（正孔）の有効質量は電子の有効質量よりも大きく、ホールの注入均一性は障壁高さに敏感に依存する。そのため、価電子帯バンド不連続が大きくなると特に多重量子井戸構造の各井戸層に正孔を均一に注入することが困難となってしまい、しきい値電流の上昇など、デバイス特性に悪影響を与えてしまう。ＧａＡｓにＰ及び（または）Ｎを添加してＧａＡｓより格子定数の小さい材料を形成した場合、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層との価電子帯バンド不連続は、ＧａＡｓ障壁層に比べて大きくなってしまう。Ｉｎの添加は、ＧａＩｎＮＡｓ系量子井戸活性層との価電子帯バンド不連続を小さくする効果があるが、その効果はわずかである。本発明のように障壁層にＳｂを添加することで、充分な効果を得ることができる。また、ＧａＡｓＳｂ系量子井戸活性層の場合も障壁層にＳｂを添加することで、ＧａＡｓ障壁層に比べて価電子帯バンド不連続を低減でき、各井戸層への正孔注入が均一になり、しきい値が低減する。
【０１０１】
また、請求項７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において、該半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであり、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系材料またはＧａＡｓＳｂ系材料を活性層にしているので、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、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、大きな活性層利得を必要とする。素子の特性を良好にするためには量子井戸活性層の数を複数にして利得を増加させる必要がある。本発明のように伝導帯や価電子帯のバンド不連続を制御した歪補償層を設けたので、井戸層を多重化することが可能となり、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。なお、ＭＯＣＶＤ法で形成すると、面発光型半導体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。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。
【０１０２】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項７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。
【０１０３】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項７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。
【０１０４】
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項７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３の実施例の半導体発光素子を示す図である。
【図５】第４の実施例の面発光レーザアレイを示す図である。
【図６】第５の実施例の光送信モジュールを示す図である。
【図７】第６の実施例の光送受信モジュールを示す図である。
Claims (10)
- ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つ窒素（Ｎ）と他のＶ族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された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、前記障壁層は、燐（Ｐ）とアンチモン（Ｓｂ）を同時に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体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、前記障壁層には、同時に窒素（Ｎ）も含ま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、前記障壁層は、ＧａＮＰＡｓＳｂ、ＧａＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＮＰＡｓＳｂ、または、ＧａＩｎＰＡｓＳｂであることを特徴とする半導体発光素子。
- ＧａＡｓ基板に対して圧縮歪を持つＧａ，Ａｓ，Ｓｂを同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された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、前記障壁層は、燐（Ｐ）とアンチモン（Ｓｂ）を同時に含むＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体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、前記障壁層は、ＧａＰＡｓＳｂ、ＡｌＧａＰＡｓＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓＳｂ、または、ＡｌＧａＩｎＰＡｓＳｂ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５のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、前記量子井戸活性層は、多重量子井戸活性層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６のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、該半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項７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７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７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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Cited By (2)
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