JP4095306B2 - 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 - Google Patents
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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システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開平５−１５２６７４号，特開平５−９１６８４号には、面型半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子を集積した半導体発光素子が示されている。
【０００３】
このような半導体発光素子においては、面発光半導体レーザ素子でレーザ発振したレーザ光を、面型光変調器の光吸収層で吸収または透過させることにより、レーザ光強度を外部変調して出力可能になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、導波路型の光変調器に比べて面型光変調器は光吸収率が小さいため、レーザ光信号のＳ／Ｎ比を高くできないという問題がある。
【０００５】
この問題を解決するため、本願出願人の先願である特願２００１−６９８１６号に記載の半導体発光素子では、面型半導体光変調器を面発光半導体レーザ素子の内部に集積することにより、面型半導体光変調器の光吸収層の光吸収率を変化させて、面発光半導体レーザ素子の閾電流を変化させている。これにより、出力光をレーザ発振状態と自然放出光状態とでスイッチすることができるため、光変調のＳ／Ｎ比を高くすることができるという特徴がある。
【０００６】
この種の半導体発光素子では、面発光半導体レーザ素子の反射鏡として、一般的に、半導体分布ブラッグ反射鏡が用いられる。半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層としては、ＡｌＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＩｎＰ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＧａＮ等のように構成元素としてＡｌを含む材料が用いられる。すなわち、Ａｌを含むことにより、高屈折率層と低屈折率層との屈折率差を大きくすることができるため、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。特に、ＡｌＧａＡｓ材料系の半導体分布ブラッグ反射鏡を用いた面発光半導体レーザ素子では、温度特性が良好であることが知られている。
【０００７】
しかしながら、本願発明者の実験による結果、Ａｌを含む半導体分布ブラッグ反射鏡上に、ＧａＩｎＮＡｓ等のようにＮ（窒素）を含む半導体層を、１台のＭＯＣＶＤ装置を用いて連続的に成長すると、Ｎ（窒素）を含む半導体層の発光強度が低下したり、表面平坦性が劣化するという問題が生じた。
【０００８】
本発明は、面型半導体光変調器を面発光半導体レーザ素子の内部に集積した半導体発光素子において、発光特性や表面性の劣化を抑制することの可能な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を提供することを目的としている。
【０００９】
【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基板上に、
下部半導体分布ブラック反射鏡と、Ｎ（窒素）を構成元素として含むＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成される面発光半導体レーザ素子と、
Ｎを構成元素として含むＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積され、
前記半導体光変調器が、面発光半導体レーザ素子の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、前記下部半導体分布ブラッグ反射鏡または共振器または上部半導体分布ブラッグ反射鏡または半導体光変調器の一部が、Ａｌを構成元素として含む半導体層で構成されている半導体発光素子の製造方法において、
成長室に、窒素化合物原料またはＡｌ原料を供給して結晶成長する工程を有し、
さらに、Ａｌを構成元素として含む層の結晶成長工程と、Ｎを構成元素として含む層の結晶成長工程との間に、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。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、ＧａＡｓ基板上に、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成された面発光半導体レーザ素子と、
ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積されており、
前記半導体光変調器は、活性層よりも上側の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の上部半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と共振器との間に残留不純物が偏析した界面を有し、前記界面と前記共振器との間に、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる非発光再結合防止層が設けられていることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項３記載の発明は、ＧａＡｓ基板上に、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成された面発光半導体レーザ素子と、
ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積されており、
前記半導体光変調器は、活性層よりも下側の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の下部半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、
ＧａＡｓ基板側の下部半導体分布ブラッグ反射鏡と光吸収層との間に残留不純物が偏析した界面を有し、前記界面と前記光吸収層との間に、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる非発光再結合防止層が設けられていることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項４記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の半導体発光素子において、活性層と光吸収層との間に設けられている半導体層は、全てＧａＩｎＡｓＰ系材料で形成されていることを特徴としている。
【００１３】
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、活性層と光吸収層との間に設けられている半導体層は、導電型がｎ型のものであることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項６記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の半導体発光素子において、前記半導体光変調器は、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、光吸収層は、３／４波長の光学的厚さを有する高屈折率層中において、活性層に近い側から１／４波長の光学的厚さの位置に配置されていることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項７記載の発明は、請求項６記載の半導体発光素子において、光吸収層と共振器との間に２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡が設けられており、２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡において、共振器に近い側の高屈折率層にオーミック電極が形成されていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項８記載の発明は、請求項５記載の半導体発光素子において、光吸収層と活性層との間の領域を除いて、光吸収層と活性層のそれぞれ上下に選択酸化層が設けられていることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項９記載の発明は、請求項２乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体発光素子を用いたことを特徴としている。
【００１８】
【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。
【００１９】
図１は半導体発光素子の一例を示す図である。図１の半導体発光素子では、基板１上に、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層２と、中間層３と、Ｎ（窒素）を含む活性層４と、中間層３と、第２の半導体層５とが順次に積層されている。すなわち、図１の半導体発光素子は、基板１とＮ（窒素）を含む半導体層（活性層）４との間に、Ａｌを含む半導体層２が設けられたものとなっている。
【００２０】
ここで、基板１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。
【００２１】
また、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層２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２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。
【００２２】
また、中間層３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。
【００２３】
また、Ｎ（窒素）を含む活性層４としては、例えば、ＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等が用いられ、Ｎ（窒素）を含む活性層４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。なお、活性層４は、単一層の場合だけでなく、Ｎ（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。
【００２４】
また、図１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４，中間層３，第１の半導体層２，第２の半導体層５という順に大きくなっている。なお、第２の半導体層５は、第１の半導体層２と同じ材料（Ａｌを含む材料）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。
【００２５】
図１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。また、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。
【００２６】
図２は、図１に示した半導体発光素子の一例として、半導体層２，５をＡｌＧａＡｓとし、中間層３をＧａＡｓとし、活性層４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（Ｎ）濃度と酸素（Ｏ）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。次表（表１）に測定条件を示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】
図２において、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造に対応して、活性層４中に２つの窒素ピークが見られる。そして、活性層４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３における酸素濃度は活性層４の酸素濃度よりも約１桁低い濃度となっている。
【００２９】
一方、半導体層２，５をＧａＩｎＰとし、中間層３をＧａＡｓとし、活性層４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４中の酸素濃度はバックグラウンドレベルであった。
【００３０】
図３は、図１に示した半導体発光素子の一例として、半導体層２，５をＡｌＧａＡｓとし、中間層３をＧａＡｓとし、活性層４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す図である。なお、測定はＳＩＭＳによって行った。次表（表２）に測定条件を示す。
【００３１】
【表２】
【００３２】
図３から、本来Ａｌ原料を導入していない活性層４において、Ａｌが検出されている。しかし、Ａｌを含む半導体層２，５に隣接した中間層３においては、Ａｌ濃度は活性層４よりも約１桁低い濃度となっている。これは、活性層４中のＡｌがＡｌを含む半導体層２，５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。
【００３３】
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。
【００３４】
図２に示した同じ素子における、窒素（Ｎ）濃度と酸素（Ｏ）濃度の深さ方向分布と比較すると、２重量子井戸活性層中の２つの酸素ピークプロファイルは、窒素濃度のピークプロファイルと対応しておらず、図３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、本願発明者の実験から明らかとなった。
【００３５】
従って、活性層４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４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１と窒素（Ｎ）を含む活性層４との間にＡｌを含む半導体層２が設けられている半導体発光素子を連続的に結晶成長すると、Ｎ（窒素）を含む活性層４中に自然にＡｌが取りこまてしまう。
【００３６】
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４中に取りこまれるため、活性層４に同時に酸素が取りこまれる。活性層４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４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。
【００３７】
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。
【００３８】
第１の実施形態
本発明の第１の実施形態の半導体発光素子は、
ＧａＡｓ基板上に、
下部半導体分布ブラック反射鏡と、Ｎ（窒素）を構成元素として含むＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成される面発光半導体レーザ素子と、
Ｎを構成元素として含むＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積され、
前記半導体光変調器が、面発光半導体レーザ素子の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されている。
【００３９】
ここで、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長したＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層は、バンドギャップ波長が１．２〜１．６μｍの長波帯となっており、石英光ファイバの伝送に適している。そして、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層は、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ等の材料で構成された障壁層との伝導帯バンド不連続を大きくできるため、活性層へのキャリア閉じ込めが良好であり、温度特性が良好な面発光半導体レーザが形成できる。
【００４０】
また、半導体光変調器にバイアスを印加しない場合には、光吸収層は活性層で発生した光に対して透明となっている。従って、面発光半導体レーザ素子の内部において、光吸収層による光吸収損失がないため、低閾電流でレーザ発振する。一方、半導体光変調器に逆方向バイアスを印加すると、光吸収層のエネルギーバンドギャップが縮小して、活性層で発生した光を吸収する。そのため、面発光半導体レーザ素子内部の光吸収損失が増加して、閾電流が増加する。
【００４１】
従って、面発光半導体レーザ素子に注入する電流値を一定にした場合、光変調器にバイアスを印加しない場合にはレーザ発振し、光変調器にバイアスを印加するとレーザ発振が停止するように動作させることができる。これにより、レーザ光強度変調のＳ／Ｎ比を高くとることができる。
【００４２】
上記の電界吸収型の半導体光変調器は１０ＧＨｚ以上で高速に変調させることができる。従って、１０ＧＨｚ以上の高速変調が可能な長波長帯面発光半導体レーザを実現できる。
【００４３】
なお、光強度の変調を半導体レーザの直接変調ではなく、光変調器を用いて行なう場合には、半導体レーザ素子は連続通電となる。従って、消費電力や発熱を抑制する上で、半導体レーザ素子の低閾電流化は重要であるが、第１の実施形態に示した半導体レーザは、面発光半導体レーザとなっており、端面発光型半導体レーザを用いる場合と比較して、閾電流が低減できるため、消費電力を低減することが可能である。
【００４４】
また、面発光半導体レーザ素子の反射鏡には、半導体分布ブラッグ反射鏡が用いられている。半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層としては、ＡｌＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＩｎＰ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＧａＮ等のように構成元素としてＡｌを含む材料が用いられる。Ａｌを含むことにより、高屈折率層と低屈折率層との屈折率差を大きくすることができるため、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。特に、ＧａＡｓ基板上に形成する場合には、屈折率差が大きく、また熱伝導率が高いＡｌＧａＡｓ材料系で半導体分布ブラッグ反射鏡を構成できるため、面発光半導体レーザ素子の特性温度を向上させることができる。従って、半導体分布ブラッグ反射鏡にＡｌを用いることは必須である。
【００４５】
しかしながら、Ａｌを含む下部半導体分布ブラッグ反射鏡上にＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのようにＮ（窒素）を含む活性層または光吸収層を、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、連続的に結晶成長すると、Ｎ（窒素）を含む半導体層中に自然にＡｌやＯが取りこまてしまう。そのため、活性層の発光効率の低下や、表面平坦性の劣化が生じてしまう。
【００４６】
このような問題を回避するため、本発明の第１の実施形態においては、下部半導体分布ブラッグ反射鏡または共振器または上部半導体分布ブラッグ反射鏡または半導体光変調器の一部が、Ａｌを構成元素として含む半導体層で構成されている半導体発光素子の製造方法において、
成長室に、窒素化合物原料またはＡｌ原料を供給して結晶成長する工程を有し、
さらに、Ａｌを構成元素として含む層（例えば、下部半導体分布ブラッグ反射鏡）の結晶成長工程と、Ｎを構成元素として含む層（活性層または光吸収層）の結晶成長工程との間に、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。
【００４７】
これにより、Ａｌを構成元素として含む層（例えば、下部半導体分布ブラッグ反射鏡）の結晶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を一度除去して残留Ａｌ濃度を低減し、その後で、Ｎ（窒素）を含む活性層または光吸収層を成長しているので、発光効率の低下や表面平坦性の劣化を抑制することができる。
【００４８】
なお、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、具体的には、Ａｌを含む下部半導体分布ブラッグ反射鏡と光吸収層との間や、Ａｌを含む下部半導体分布ブラッグ反射鏡と活性層との間に設けることができる。例えば、活性層や光吸収層に隣接するスペーサ層にＧａＡｓのようにＡｌを含まない材料が用いられる場合には、下部半導体分布ブラッグ反射鏡とＧａＡｓスペーサ層との間にＡｌ除去工程を設けることができる。また、活性層や光吸収層に隣接するスペーサ層にＡｌを含むＡｌＧａＡｓスペーサ層が用いられる場合には、ＡｌＧａＡｓスペーサ層と活性層または光吸収層との間にＡｌ除去工程を設けることができる。
【００４９】
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を除去する工程としては、例えば、成長室（反応室）を水素等のキャリアガスでパージしたり、真空引きを行ったり、サセプターを加熱してベーキングする等の方法が可能である。このとき、基板を成長室内に保持したままでも可能であり、また基板を成長室外に移動させても可能である。
【００５０】
また、Ａｌを除去する工程は、半導体発光素子の成長工程中の１箇所だけでなく複数箇所に設けることもできる。
【００５１】
図４は本発明の第１の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。図４を参照すると、この半導体発光素子では、第１導電型のＧａＡｓ基板４０１上に、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０２が積層されている。ここで、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０２は、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率層をＡｌＧａＡｓ（例えばＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ）として、交互に積層して形成されている。
【００５２】
そして、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０２上には、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３，第２導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０４，下部ＧａＡｓスペーサ層４０５，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６，上部ＧａＡｓスペーサ層４０７，第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡４０８が、順次積層されている。
【００５３】
ここで、光吸収層４０３は、ＧａＩｎＮＡｓバルク層で形成することもできるし、ＧａＩｎＮＡｓを量子井戸層とする多重量子井戸構造で形成することもできる。また、第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡４０８は、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率層をＡｌＧａＡｓ（例えばＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ）として、交互に積層して形成されている。
【００５４】
そして、第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡４０８上には、光出射部を除いて上部電極４０９が形成されており、また、第１導電型のＧａＡｓ基板４０１の裏面には、裏面電極４１１が形成されている。また、積層構造表面から第２導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０４までがエッチングされて矩形または円筒状のメサ構造が形成されており、エッチングした底面には共通電極４１０が形成されている。
【００５５】
図４の半導体発光素子では、上部電極４０９と共通電極４１０との間に順方向バイアスを加えると、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６に電流が注入されて、活性層４０６からは波長１．３μｍ帯の光が発生する。活性層４０６で発生した光は、下部分布ブラッグ反射鏡４０２，４０４と上部分布ブラッグ反射鏡４０８とで挟まれた共振器で共振し、レーザ発振して、基板と垂直方向（図４中の矢印方向）に出力される。すなわち、図４の半導体発光素子は面発光半導体レーザとして動作する。
【００５６】
このとき、共通電極４１０と裏面電極４１１との間にバイアスを印加しない場合には、光吸収層４０３は活性層４０６で発生した光に対して透明となっている。これに対し、共通電極４１０と裏面電極４１１との間に逆方向バイアスを印加すると、光吸収層４０３のバンドギャップが縮小して活性層４０６からの光を吸収するため、面発光半導体レーザの内部損失が増加する。これにより、面発光半導体レーザの閾電流が変化して、レーザ出力強度を大きく変調することができる。
【００５７】
なお、図４の例においては、光変調を行う光吸収層４０３は、光を発生する活性層４０６に対して、光出射面とは反対の側（基板側）に設けられている。すなわち、従来例のように半導体レーザから出力されたレーザ光を電界吸収方式で外部変調する場合には、光変調器は半導体レーザの光出射面側に設けなければならないが、本発明のように、半導体レーザ内部に光変調器を集積する場合には、光変調器は光出射面側だけでなく、図４の例のように、光出射面とは反対の側に設けることも可能となる。
【００５８】
また、図４の半導体発光素子を作製するとき、第１導電型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部分布ブラッグ反射鏡４０２の結晶成長工程とＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３の結晶成長工程との間に、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ることができる。
【００５９】
より具体的には、例えば、第１導電型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部分布ブラッグ反射鏡４０２を成長した後に、成長室（反応室）を水素キャリアガスで１時間以上パージし、その後、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３を成長することができる。上記パージにより、Ａｌを含む下部半導体分布ブラッグ反射鏡４０２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、残留Ａｌ濃度を低減している。その後で、Ｎ（窒素）を含む光吸収層及び活性層を成長しているので、発光効率の低下や表面平坦性の劣化を抑制することができる。
【００６０】
なお、図４の例では、光吸収層４０３を下部半導体分布ブラッグ反射鏡４０２中に設けたが、上部半導体分布ブラッグ反射鏡４０８中や共振器中に設けることもできる。
【００６１】
第２の実施形態
本発明の第２の実施形態の半導体発光素子は、
ＧａＡｓ基板上に、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成された面発光半導体レーザ素子と、
ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積されており、
前記半導体光変調器は、活性層よりも上側の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の上部半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と共振器との間に、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる非発光再結合防止層が設けられていることを特徴としている。
【００６２】
ここで、非発光再結合防止層は、Ａｌを構成元素として含んでおらず、ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＩｎＰ，ＧａＡｓＰ等の材料で構成されている。すなわち、非発光再結合防止層は、Ａｌが含まれていないことが重要であり、Ｂ，Ｎ，Ｓｂ等の他のIII族またはＶ族元素を含んでいても良い。
【００６３】
第２の実施形態の半導体発光素子を作製する方法（製造方法）としては、第１の実施形態と同様の製造方法を用いることができる。すなわち、下部半導体分布ブラッグ反射鏡と活性層との間に（より具体的には下部半導体分布ブラッグ反射鏡と非発光再結合防止層との間に、）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を除去する工程を設けることができる。
【００６４】
これにより、Ａｌを含む下部半導体分布ブラッグ反射鏡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を一度除去して残留Ａｌ濃度を低減し、その後で、Ｎ（窒素）を含む光吸収層を成長しているので、発光効率の低下や表面平坦性の劣化を抑制することができる。
【００６５】
しかしながら、上記のＡｌ除去工程によって、下部半導体分布ブラッグ反射鏡成長後に、成長中断界面が生じる。成長中断界面には、Ｏ，Ｓｉ，Ｃ等の残留不純物が偏析するため、非発光再結合準位が増加する。そこで、第２の実施形態では、成長中断界面と共振器との間に非発光再結合防止層を設けることにより、リーク電流を抑制している。
【００６６】
非発光再結合防止層はＧａＩｎＡｓＰ系材料で構成されているため、共振器を構成しているＧａＡｓスペーサ層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなっている。そのため、ＧａＡｓスペーサ層からオーバーフローするキャリアを非発光再結合防止層でブロックすることができ、成長中断界面で非発光再結合することを抑制できる。これにより、リーク電流を減少させて、活性層の発光効率を更に向上させることができる。
【００６７】
また、非発光再結合防止層は、Ａｌを構成元素として含んでいないので、Ａｌ除去工程を行なってからＮ（窒素）を含む活性層を成長するまでに、成長室内の残留Ａｌ濃度を増加させることがない。
【００６８】
図５は本発明の第２の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。なお、図５において図４と同様の箇所には同じ符号を付している。図５を参照すると、この半導体発光素子では、第１導電型のＧａＡｓ基板４０１上に、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０２が積層されている。ここで、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０２は、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率層をＡｌＧａＡｓ（例えばＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ）として、交互に積層して形成されている。
【００６９】
そして、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０２上には、ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層５０１，下部ＧａＡｓスペーサ層４０５，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６，上部ＧａＡｓスペーサ層４０７，第２導電型の上部分布ブラッグ反射鏡５０２，ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３，第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡５０３が、順次積層されている。
【００７０】
ここで、第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡５０３は、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率層をＡｌＧａＡｓ（例えばＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ）として、交互に積層して形成されている。
【００７１】
そして、第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡５０３上には、光出射部を除いて上部電極４０９が形成されており、また、第１導電型のＧａＡｓ基板４０１の裏面には、裏面電極４１１が形成されている。また、積層構造表面から第２導電型の上部分布ブラッグ反射鏡５０２までがエッチングされて矩形または円筒状のメサ構造が形成されており、エッチングした底面には共通電極４１０が形成されている。
【００７２】
図５の半導体発光素子では、共通電極４１０と裏面電極４１１との間に順方向バイアスを加えると、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６に電流が注入されて、活性層４０６からは波長１．３μｍ帯の光が発生する。活性層４０６で発生した光は、下部分布ブラッグ反射鏡４０２と上部分布ブラッグ反射鏡５０２，５０３とで挟まれた共振器で共振し、レーザ発振して基板と垂直方向（図５中の矢印方向）に出力される。
【００７３】
このとき、上部電極４０９と共通電極４１０との間にバイアスを印加しない場合には、光吸収層４０３は活性層４０６で発生した光に対して透明となっている。これに対し、上部電極４０９と共通電極４１０との間に逆方向バイアスを印加すると、光吸収層４０３のバンドギャップが縮小して活性層４０６からの光を吸収するため、面発光半導体レーザの内部損失が増加する。これにより、面発光半導体レーザの閾電流が変化して、レーザ出力強度を大きく変調することができる。
【００７４】
また、図５の半導体発光素子の作製（結晶成長）には、ＭＯＣＶＤ法を用いることができる。この場合、Ｇａ原料としてＴＭＧ、Ａｌ原料としてＴＭＡ、Ｉｎ原料としてＴＭＩ、Ｎ原料としてＤＭＨｙを用いることができる。ＭＯＣＶＤ法は、量産性に優れていることから、ＭＯＣＶＤ法を用いる場合には、半導体発光素子を低コストで製造することが可能となる。
【００７５】
また、図５の半導体発光素子を作製するとき、第１導電型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部分布ブラッグ反射鏡４０２の結晶成長後に、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ることができる。
【００７６】
より具体的には、例えば、成長室（反応室）を水素キャリアガスでパージしながらサセプターを加熱する。これにより、Ａｌを含む下部半導体分布ブラッグ反射鏡４０２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、残留Ａｌ濃度を低減している。
【００７７】
しかしながら、上記のＡｌ除去工程によって、下部半導体分布ブラッグ反射鏡４０２の成長後に、成長中断界面が生じる。成長中断界面には、Ｏ，Ｓｉ，Ｃ等の残留不純物が偏析するため、非発光再結合準位が増加する。そこで、図５の例では、成長中断界面と下部ＧａＡｓスペーサ層４０５との間にＧａＩｎＰ非発光再結合防止層５０１を設けている。
【００７８】
非発光再結合防止層５０１はＧａＩｎＰで構成されているため、共振器を構成している下部ＧａＡｓスペーサ層４０５よりもバンドギャップエネルギーが大きくなっている。そのため、下部ＧａＡｓスペーサ層４０５からオーバーフローするキャリアを非発光再結合防止層５０１でブロックすることができ、成長中断界面で非発光再結合することを抑制している。これにより、リーク電流を減少させて、活性層４０６の発光効率を更に向上させることができる。
【００７９】
また、非発光再結合防止層５０１は、Ａｌを構成元素として含んでいないので、Ａｌ除去工程を行なってからＮ（窒素）を含む活性層４０６を成長するまでに、成長室内の残留Ａｌ濃度を増加させることがない。
【００８０】
第３の実施形態
本発明の第３の実施形態の半導体発光素子は、
ＧａＡｓ基板上に、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成された面発光半導体レーザ素子と、
ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積されており、
前記半導体光変調器は、活性層よりも下側の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の下部半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、
ＧａＡｓ基板側の下部半導体分布ブラッグ反射鏡と光吸収層との間に、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる非発光再結合防止層が設けられていることを特徴としている。
【００８１】
ここで、非発光再結合防止層は、Ａｌを構成元素として含んでおらず、ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＩｎＰ，ＧａＡｓＰ等の材料で構成されている。すなわち、非発光再結合防止層は、Ａｌが含まれていないことが重要であり、Ｂ，Ｎ，Ｓｂ等の他のIII族またはＶ族元素を含んでいても良い。
【００８２】
第３の実施形態の半導体発光素子を作製する方法（製造方法）としては、第１の実施形態と同様の製造方法を用いることができる。すなわち、下部半導体分布ブラッグ反射鏡と光吸収層との間に（より具体的には下部半導体分布ブラッグ反射鏡と非発光再結合防止層との間に）、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を除去する工程を設けることができる。
【００８３】
これにより、Ａｌを含む下部半導体分布ブラッグ反射鏡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を一度除去して残留Ａｌ濃度を低減し、その後でＮ（窒素）を含む光吸収層を成長しているので、発光効率の低下や表面平坦性の劣化を抑制することができる。
【００８４】
しかしながら、上記のＡｌ除去工程によって、下部半導体分布ブラッグ反射鏡成長後に、成長中断界面が生じる。成長中断界面には、Ｏ，Ｓｉ，Ｃ等の残留不純物が偏析するため、非発光再結合準位が増加する。そこで、第３の実施形態では、成長中断界面と光吸収層との間に非発光再結合防止層を設けることにより、リーク電流を抑制している。
【００８５】
非発光再結合防止層はＧａＩｎＡｓＰ系材料で構成されているため、光吸収層及び光吸収層に隣接したＧａＡｓ障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなっている。そのため、光吸収層からオーバーフローする少数キャリアを非発光再結合防止層でブロックしている。これにより、光吸収層に逆バイアスを印加した時に、成長中断界面の非発光再結合準位で生じるリーク電流を抑制し、ブレークダウンが生じないようにすることができ、これによって、素子の信頼性を向上させることができる。
【００８６】
また、非発光再結合防止層は、Ａｌを構成元素として含んでいないので、Ａｌ除去工程を行なってからＮ（窒素）を含む光吸収層を成長するまでに、成長室内の残留Ａｌ濃度を増加させることがない。
【００８７】
図６は本発明の第３の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。なお、図６において図４と同様の箇所には同じ符号を付している。図６を参照すると、この半導体発光素子では、第１導電型のＧａＡｓ基板４０１上に、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０２が積層されている。ここで、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０２は、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率層をＡｌＧａＡｓ（例えばＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ）として、交互に積層して形成されている。
【００８８】
そして、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０２上には、ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層５０１，ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３，第２導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０４，下部ＧａＡｓスペーサ層４０５，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６，上部ＧａＡｓスペーサ層４０７，第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡４０８が、順次積層されている。
【００８９】
ここで、第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡４０８は、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率層をＡｌＧａＡｓ（例えばＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ）として、交互に積層して形成されている。
【００９０】
そして、第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡４０８上には、光出射部を除いて上部電極４０９が形成されており、また、第１導電型のＧａＡｓ基板４０１の裏面には、裏面電極４１１が形成されている。また、積層構造表面から第２導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０４までがエッチングされて矩形または円筒状のメサ構造が形成されており、エッチングした底面には共通電極４１０が形成されている。
【００９１】
図６の半導体発光素子では、上部電極４０９と共通電極４１０との間に順方向バイアスを加えると、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６に電流が注入されて、活性層４０６からは波長１．３μｍ帯の光が発生する。活性層４０６で発生した光は、下部分布ブラッグ反射鏡４０２，４０４と上部分布ブラッグ反射鏡４０８とで挟まれた共振器で共振し、レーザ発振して、基板と垂直方向（図６中の矢印方向）に出力される。
【００９２】
このとき、共通電極４１０と裏面電極４１１との間にバイアスを印加しない場合には、光吸収層４０３は活性層４０６で発生した光に対して透明となっている。これに対し、共通電極４１０と裏面電極４１１との間に逆方向バイアスを印加すると、光吸収層４０３のバンドギャップが縮小して活性層４０６からの光を吸収するため、面発光半導体レーザの内部損失が増加する。これにより、面発光半導体レーザの閾電流が変化して、レーザ出力強度を大きく変調することができる。
【００９３】
また、図６の半導体発光素子を作製するとき、第１導電型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部分布ブラッグ反射鏡４０２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ることができる。
【００９４】
より具体的には、例えば第１導電型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部分布ブラッグ反射鏡４０２の成長後に、成長室（反応室）を水素キャリアガスで１時間以上パージする。これにより、Ａｌを含む下部半導体分布ブラッグ反射鏡４０２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、残留Ａｌ濃度を低減している。
【００９５】
しかしながら、上記のＡｌ除去工程によって、下部半導体分布ブラッグ反射鏡４０２の成長後に、成長中断界面が生じる。成長中断界面には、Ｏ，Ｓｉ，Ｃ等の残留不純物が偏析するため、非発光再結合準位が増加する。そこで、図６の例では、成長中断界面とＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３との間にＧａＩｎＰ非発光再結合防止層５０１を設けている。
【００９６】
非発光再結合防止層５０１はＧａＩｎＰで構成されているため、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３及び光吸収層に隣接したＧａＡｓ障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなっている。そのため、光吸収層４０３からオーバーフローする少数キャリアを非発光再結合防止層５０１でブロックしている。これにより、光吸収層４０３に逆バイアスを印加した時に、成長中断界面の非発光再結合準位で生じるリーク電流を抑制し、ブレークダウンが生じないようにすることができ、これによって、素子の信頼性を向上できる。
【００９７】
また、非発光再結合防止層５０１は、Ａｌを構成元素として含んでいないので、Ａｌ除去工程を行なってからＮ（窒素）を含む光吸収層４０３を成長するまでに、成長室内の残留Ａｌ濃度を増加させることがない。
【００９８】
第４の実施形態
本発明の第４の実施形態の半導体発光素子は、第２または第３の実施形態の半導体発光素子において、活性層と光吸収層との間に設けられている半導体層が、全てＧａＩｎＡｓＰ系材料で形成されていることを特徴としている。
【００９９】
ここで、ＧａＩｎＡｓＰ系材料とは、Ａｌを含んでいないＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＡｓＰ，ＧａＩｎＡｓ等を意味している。また、ＧａＩｎＡｓＰ系材料に、Ｂ，Ｎ，Ｓｂ等の元素や、ドーパントを添加することもできる。
【０１００】
第４の実施形態の半導体発光素子では、活性層と光吸収層との間の半導体層に、Ａｌを含まないＧａＩｎＡｓＰ系材料を用いることにより、Ａｌ除去工程の後から、Ｎ（窒素）を含む活性層及び光吸収層の成長まで、Ａｌを用いることがない。従って、Ａｌ除去工程を行なってからＮ（窒素）を含む活性層及び光吸収層を成長するまでに、成長室内の残留Ａｌ濃度を増加させることがない。
【０１０１】
また、第４の実施形態の半導体発光素子では、活性層と光吸収層との間にＡｌ除去工程を設けていないため、成長中断による非発光再結合準位が形成されることがない。従って、活性層の発光効率を向上させ、かつ、光変調器のリーク電流を抑制して、信頼性の高い半導体発光素子を形成することができる。
【０１０２】
図７は本発明の第４の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。なお、図７において図４と同様の箇所には同じ符号を付している。図７を参照すると、この半導体発光素子では、図６に示した半導体発光素子と構造が類似している。図７の半導体発光素子が図６の半導体発光素子と異なっている点は、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３と下部ＧａＡｓスペーサ層４０５との間に設けられている第２導電型の下部分布ブラッグ反射鏡７０１が、ＧａＩｎＡｓＰ系材料で構成されている点である。ここで、第２導電型の下部分布ブラッグ反射鏡７０１は、高屈折率層がＧａＡｓで構成されており、低屈折率層がＧａＡｓと格子整合するＧａＩｎＰで構成されている。
【０１０３】
このように、図７の半導体発光素子では、第２導電型の下部分布ブラッグ反射鏡７０１が、ＧａＩｎＡｓＰ系材料で構成されていることにより、Ａｌ除去工程を行なってから、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３及びＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６を成長するまでに、Ａｌを構成元素として用いることなく層構造を形成できる。従って、Ａｌ除去工程を行なってからＮ（窒素）を含む光吸収層４０３及び活性層４０６を成長するまでに、成長室内の残留Ａｌ濃度を増加させることがない。
【０１０４】
また、光吸収層４０３と活性層４０６との間にＡｌ除去工程を設けていないため、成長中断による非発光再結合準位が形成されることがない。従って、活性層４０６の発光効率を向上させ、かつ、光変調器のリーク電流を抑制して、信頼性の高い半導体発光素子を形成することができる。
【０１０５】
第５の実施形態
本発明の第５の実施形態の半導体発光素子は、第４の実施形態の半導体発光素子において、活性層と光吸収層との間に設けられている半導体層の導電型がｎ型のものであることを特徴としている。
【０１０６】
面発光半導体レーザにおいて、活性層の電流狭窄構造として、ＡｌＡｓ層を選択酸化して電流注入領域を形成する方法が用いられる。ＡｌＡｓを選択酸化すると、ＡｌＯx絶縁層となって電流が流れなくなり、酸化されていない領域は低抵抗の半導体層であるため、電流が流れる。このとき、ＡｌＡｓ層は、主にｐ型の側に設けられる。これは、正孔の方が電子よりも移動度が小さいため、ＡｌＡｓ選択酸化構造で電流を狭窄してから活性層に注入されるまでに、電子では横方向に広がってしまうのに対して、正孔は横方向の広がりが抑制されて電流を狭い領域に集中させることができるためである。従って、ＡｌＡｓ選択酸化により有効に電流狭窄を行うためには、ＡｌＡｓ層をｐ型の側に設ける必要がある。
【０１０７】
この第５の実施形態では、活性層と光吸収層との間に設けられている半導体層の導電型をｎ型としているため、電流狭窄を行うＡｌＡｓ層は活性層と光吸収層との間ではなく、外側のｐ型の側に設けられる。従って、活性層と光吸収層との間にＡｌを含む半導体層を設ける必要がなくなり、これにより、Ａｌ除去工程を行なってから活性層及び光吸収層を成長するまでに、成長室内の残留Ａｌ濃度を増加させることがなく、活性層の発光効率低下を抑制することができる。
【０１０８】
また、ＡｌＡｓ選択酸化を用いた電流狭窄構造を用いることができ、面発光半導体レーザの閾電流を低減することができる。なお、選択酸化する層はＡｌＡｓに限定されるものではなく、Ａｌ組成が９０％以上のＡｌＧａＡｓのようにＡｌ組成が著しく大きい材料であればよい。
【０１０９】
図８は本発明の第５の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。なお、図８において図４と同様の箇所には同じ符号を付している。図８を参照すると、この半導体発光素子では、ｐ型ＧａＡｓ基板８０１上に、ｐ型下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡８０２が積層されている。
【０１１０】
そして、ｐ型下部分布ブラッグ反射鏡８０２上には、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３，ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３，ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４，下部ＧａＡｓスペーサ層４０５，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６，上部ＧａＡｓスペーサ層４０７，ｐ型ＡｌＡｓ層８０５，ｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡８０６が、順次積層されている。
【０１１１】
そして、ｐ型上部分布ブラッグ反射鏡８０６上には、光出射部を除いて上部電極４０９が形成されており、ｐ型ＧａＡｓ基板８０１の裏面には、裏面電極４１１が形成されている。また、積層構造表面からｎ型下部分布ブラッグ反射鏡８０４までエッチングされて矩形または円筒状のメサ構造が形成されており、エッチングした底面には共通電極４１０が形成されている。
【０１１２】
そして、図８の半導体発光素子では、さらに、ｐ型ＡｌＡｓ層８０５が、エッチング側面から水蒸気により選択的に酸化されて、ＡｌＯx絶縁領域８０７が形成されている。
【０１１３】
前述したように、面発光半導体レーザにおいて、活性層の電流狭窄構造として、ＡｌＡｓ層を選択酸化して電流注入領域を形成する方法が用いられる。ＡｌＡｓを選択酸化すると、ＡｌＯx絶縁層となって電流が流れなくなり、酸化されていない領域は低抵抗の半導体層であるため、電流が流れる。このとき、ＡｌＡｓ層は、主にｐ型の側に設けられる。これは、正孔の方が電子よりも移動度が小さいため、ＡｌＡｓ選択酸化構造で電流を狭窄してから活性層に注入されるまでに、電子では横方向に広がってしまうのに対して、正孔は横方向の広がりが抑制されて電流を狭い領域に集中させることができるためである。従って、ＡｌＡｓ選択酸化により有効に電流狭窄を行うためには、ＡｌＡｓ層をｐ型の側に設ける必要がある。
【０１１４】
図８の例では、活性層４０６と光吸収層４０３との間に設けられている下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４の導電型をｎ型としている。そのため、電流狭窄を行うｐ型ＡｌＡｓ層８０５は、活性層４０６と光吸収層４０３との間ではなく、上部ＧａＡｓスペーサ層４０７の上側に設けられている。従って、活性層４０６と光吸収層４０３との間にＡｌを含む半導体層を設けることなく構成することができる。これによって、Ａｌ除去工程を行なってから光吸収層４０３及び活性層４０６を成長するまでに、成長室内の残留Ａｌ濃度が増加することがなく、活性層４０６の発光効率低下を抑制することができる。
【０１１５】
また、図８の例では、ｐ型ＡｌＡｓ層８０５を選択的に酸化することにより、電流狭窄構造（８０７）を形成している。この場合、上部電極４０９から注入された正孔は、ｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡８０６を通ってから、ＡｌＯx絶縁領域８０７で狭窄されて活性層４０６に注入される。そのため、レーザ発振領域に電流を集中させることができ、面発光半導体レーザの閾電流を低減することができる。
【０１１６】
第６の実施形態
本発明の第６の実施形態の半導体発光素子は、第２または第３の実施形態の半導体発光素子において、半導体光変調器が、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、光吸収層が、３／４波長の光学的厚さを有する高屈折率層中において、活性層に近い側から１／４波長の光学的厚さの位置に配置されていることを特徴としている。
【０１１７】
面発光半導体レーザ中に光変調器を構成する場合、面発光半導体レーザの位相整合条件を乱さないようにする必要がある。この第６の実施形態においては、光吸収層が、３／４波長の光学的厚さを有する高屈折率層中において、活性層に近い側から１／４波長の光学的厚さの位置に配置されており、半導体分布ブラッグ反射鏡の位相整合条件を満足している。
【０１１８】
また、光吸収層は、光の定在波の腹に位置している。従って、活性層で発生した光を効率よく吸収することができる。従って、光変調器の動作電圧を低減することができる。
【０１１９】
なお、半導体分布ブラッグ反射鏡の定在波の腹は、λ共振器を用いた場合、活性層側からみて高屈折率層と低屈折率層との界面になる。ここに光吸収層を設けた場合、光吸収層の屈折率は半導体分布ブラッグ反射鏡の高屈折率層よりも高くなっているため、定在波の分布を乱してしまう。そこで、光吸収層を３／４波長の光学的厚さを有する高屈折率層中に設けている。従って、位相整合条件を得られやすい。
【０１２０】
図９は本発明の第６の実施形態の半導体発光素子の一例を部分的に示す図であり、図９には、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３からｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４までの間の層構成が詳細に示されている。第６の実施形態の半導体発光素子の構造は、図８に示した半導体発光素子と類似しているが、図８に示した半導体発光素子と異なっている点は、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３とｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４との間に設けられた光吸収層の構造である。
【０１２１】
図９を参照すると、第６の実施形態の半導体発光素子は、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３上に、下部ＧａＡｓ中間層９０１，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸光吸収層９０２，上部ＧａＡｓ中間層９０３が積層され、さらにその上に、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４が積層されている。
【０１２２】
ここで、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４は、レーザ発振波長の１／４波長の光学的厚さを有するｎ型ＧａＡｓ高屈折率層８０４ｂと、レーザ発振波長の１／４波長の光学的厚さを有するｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層８０４ａとが交互に積層されて構成されており、上部ＧａＡｓ中間層９０３に隣接した層は、ｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層８０４ａとなっている。
【０１２３】
また、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３の層厚は、レーザ発振波長の１／４波長の光学的厚さとなっており、また、下部ＧａＡｓ中間層９０１，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸光吸収層９０２，上部ＧａＡｓ中間層９０３を合計した厚さは、レーザ発振波長の３／４波長の光学的厚さとなっている。そして、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸光吸収層９０２は、上記３／４波長の光学的厚さの中で、活性層に近い側から１／４波長の光学的厚さの位置近傍となるように配置されている。
【０１２４】
図９の半導体発光素子では、下部ＧａＡｓ中間層９０１とＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸光吸収層９０２と上部ＧａＡｓ中間層９０３とを合計した領域と、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３とは、それぞれレーザ発振波長の１／４波長の光学的厚さの整数倍となっており、面発光半導体レーザの下部分布ブラッグ反射鏡の一部として機能している。従って、面発光半導体レーザの位相整合条件を乱すことがない。
【０１２５】
また、光吸収層９０２は、光の定在波の腹に位置しており、活性層で発生した光を効率よく吸収することができる。従って、光変調器の動作電圧を低減することができる。
【０１２６】
第７の実施形態
本発明の第７の実施形態の半導体発光素子は、第６の実施形態の半導体発光素子において、光吸収層と共振器との間に２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡が設けられており、２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡において、共振器に近い側の高屈折率層にオーミック電極が形成されていることを特徴としている。
【０１２７】
ここで、光吸収層の共振器との間に設けられている２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡のうち、共振器に近い側の低屈折率層（即ち、バンドギャップエネルギーが大きい層）は、ＧａＡｓスペーサ層からオーバーフローする少数キャリアをブロックする働きをしている。これにより、活性領域に対するキャリアの閉じ込めを高くして、温度特性を向上させている。
【０１２８】
また、光吸収層と共振器との間に設けられている２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡のうち、光吸収層に近い側の低屈折率層は、光吸収層で発生した少数キャリアをブロックして、ブレークダウンを抑制する働きをしている。
【０１２９】
また、第７の実施形態の半導体発光素子では、上記の低屈折率層の間に設けられている高屈折率層に、オーミック電極が形成されている。これは、面発光半導体レーザの電流注入電極と光変調器の変調用電極との共通電極となっている。従って、オーミックコンタクト層と活性領域との間、及びオーミックコンタクト層と光吸収層との間には、それぞれ、バンドギャップエネルギーが大きい低屈折率層が設けられている。従って、リーク電流が電極に直接流れ込むことがない。
【０１３０】
また、光吸収層は、半導体分布ブラッグ反射鏡の中で、共振器に近い位置に配置されている。そのため、光の定在波の強度分布において、強度が強い腹の位置に対応している。従って、光吸収層で効率よく光を吸収することができる。
【０１３１】
なお、光吸収層と共振器との間に設けられている２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡は、Ａｌを構成元素として含まないＧａＩｎＡｓＰ系材料で構成されるのが好ましい。この場合には、光吸収層または活性層の成長前に、成長室内の残留Ａｌ濃度が増加することがない。
【０１３２】
図１０は本発明の第７の実施形態の半導体発光素子の一例を部分的に示す図であり、図１０には、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３から下部ＧａＡｓスペーサ層４０５までの間の層構成が詳細に示されている。第７の実施形態の半導体発光素子の構造は、図９に示した半導体発光素子において、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４の構造がより具体化されている。
【０１３３】
図１０を参照すると、第７の実施形態の半導体発光素子は、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３上に、下部ＧａＡｓ中間層９０１，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸光吸収層９０２，上部ＧａＡｓ中間層９０３が積層され、さらにその上に、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４が積層されている。
【０１３４】
ここで、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４は、レーザ発振波長の１／４波長の光学的厚さを有するｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層８０４ａと、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層８０４ｂと、ｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層８０４ａとの３層が積層されて構成されている。
【０１３５】
また、光吸収層９０２と下部ＧａＡｓスペーサ層４０５との間には、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４と上部ＧａＡｓ中間層９０３とを合わせて、およそ２周期の分布ブラッグ反射鏡が設けられている。
【０１３６】
２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡のうち、下部ＧａＡｓスペーサ層４０５に近い側のｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層８０４ａは、ＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが大きいため、下部ＧａＡｓスペーサ層４０５からオーバーフローする少数キャリアをブロックする働きをしている。これにより、活性領域に対するキャリアの閉じ込めを高くして、温度特性を向上させている。
【０１３７】
また、２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡のうち、光吸収層９０２に近い側のｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層８０４ａは、光吸収によって光吸収層９０２で発生した少数キャリアをブロックすることにより、逆バイアスが印加された光吸収層９０２がブレークダウンすることを抑制している。
【０１３８】
また、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層８０４ｂには、共通電極４０９が形成されている。この共通電極４０９は、面発光半導体レーザの電流注入電極と光変調器の変調用電極との共通電極となっている。従って、共通電極４０９と活性領域との間、及び共通電極４０９と光吸収層９０２との間には、それぞれ、バンドギャップエネルギーが大きいｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層８０４ａが１層設けられている。これによって、リーク電流が共通電極４０９に直接流れ込むことがない。
【０１３９】
また、光吸収層９０２は、下部半導体分布ブラッグ反射鏡の中で、共振器に近い位置（すなわち、光の定在波の強度分布において、活性層４０６から３個目の腹の位置）に設けられている。これによって、光強度分布が強い腹の位置で、効率よく光を吸収することができる。
【０１４０】
第８の実施形態
本発明の第８の実施形態の半導体発光素子は、第５の実施形態の半導体発光素子において、光吸収層と活性層との間の領域を除いて、光吸収層と活性層のそれぞれ上下に選択酸化層が設けられていることを特徴としている。
【０１４１】
活性層に隣接したｐ型領域に設けられた選択酸化層は、活性層に電流が注入される領域を限定して、面発光半導体レーザの閾電流を低減している。
【０１４２】
一方、光吸収層に隣接したｐ型領域に設けられた選択酸化層は、電流狭窄されたレーザ発振領域に対応した光吸収層の場所に電界を集中させる働きをしている。これにより、面発光半導体レーザ内部において、横方向の光強度分布が強い位置で、光吸収層の電界を集中させてバンドギャップを縮小し、光を効率よく吸収させることが可能となる。
【０１４３】
図１１は本発明の第８の実施形態の半導体発光素子を示す図である。図１１を参照すると、第８の実施形態の半導体発光素子は、ｐ型ＧａＡｓ基板８０１上に、ｐ型下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡８０２が積層され、さらに、ｐ型下部分布ブラッグ反射鏡８０２上に、ｐ型ＡｌＡｓ層１１０１，ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３，ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３，ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４，下部ＧａＡｓスペーサ層４０５，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６，上部ＧａＡｓスペーサ層４０７，ｐ型ＡｌＡｓ層８０５，ｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡８０６が、順次積層されている。
【０１４４】
また、ｐ型上部分布ブラッグ反射鏡８０６上には、光出射部を除いて上部電極４０９が形成されており、ｐ型のＧａＡｓ基板８０１の裏面には、裏面電極４１１が形成されている。また、積層構造表面からｎ型下部分布ブラッグ反射鏡８０４までエッチングされて、１段目の円筒状のメサ構造が形成されており、エッチングした底面には共通電極４１０が形成されている。さらに、ｐ型下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡８０２に達するまでエッチングされて、２段目の円筒状のメサ構造が形成されている。
【０１４５】
そして、ｐ型ＡｌＡｓ層８０５及びｐ型ＡｌＡｓ層１１０１は、メサエッチングされた側面からそれぞれ水蒸気により選択的に酸化されて、ＡｌＯx絶縁領域８０７が形成されている。
【０１４６】
ここで、上部ＧａＡｓスペーサ層４０７の上に設けたｐ型ＡｌＡｓ層８０５は、選択酸化されることにより、活性層４０６に電流が注入される領域を限定して、面発光半導体レーザの閾電流を低減している。
【０１４７】
一方、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３の下に設けたｐ型ＡｌＡｓ層１１０１は、選択酸化されることにより、電流狭窄されたレーザ発振領域に対応した光吸収層４０３の場所に電界を集中させる働きをしている。これにより、面発光半導体レーザ内部において、横方向の光強度分布が強い位置で、光吸収層４０３の電界を集中させてバンドギャップを縮小し、光を効率よく吸収させることができる。
【０１４８】
なお、図１１の例において、Ａｌ除去工程はｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３の途中に設けられている。
【０１４９】
第９の実施形態
本発明の第９の実施形態の光伝送システムは、第１〜第８のいずれかの実施形態の半導体発光素子を用いたことを特徴としている。
【０１５０】
第１〜第８のいずれかの実施形態の半導体発光素子は、石英光ファイバの伝送に適した１．２〜１．６μｍの波長でレーザ発振する半導体レーザ素子である。そして、面発光型であるため、消費電力が低く、製造コストが低減できる。また、光変調器が集積されており、１０ＧＨｚ以上の高速変調が可能となっている。そして、光変調器と半導体レーザがモノリシックに集積されているため、光伝送モジュールの部品数が少なくなり、小型化できる。従って、１０Ｇｂｐｓ以上、例えば２０〜４０Ｇｂｐｓの大容量光伝送システムを低コストで実現することができる。
【０１５１】
図１２は本発明の第９の実施形態の光伝送システムの構成例を示す図である。図１２の光伝送システムは、光送信モジュール１２０１と、光受信モジュール１２０２と、石英光ファイバケーブル１２０３とを備えている。ここで、光送信モジュール１２０１には、変調器集積面発光半導体レーザ１２０４と、駆動制御回路１２０５とが設けられ、また、光受信モジュール１２０２には、受光素子１２０６と、受信回路１２０７とが設けられている。
【０１５２】
図１２の光伝送システムでは、光送信モジュール１２０１に入力された電気信号は、駆動制御回路１２０５に入力される。駆動制御回路１２０５では、変調器集積面発光半導体レーザ１２０４の面発光レーザ部に連続通電し、かつ光変調器に印加するバイアス電圧を入力信号に応じて変調させることにより、レーザ光強度を変調して光信号を発生させる。
【０１５３】
変調器集積面発光半導体レーザ１２０４からの光信号は、光ファイバケーブル１２０３を導波して光受信モジュール１２０２中の受光素子１２０６に入力される。受光素子１２０６は、受光した光信号を電気信号に変換する。その後、受信回路１２０７で、信号を増幅，符号化して出力する。
【０１５４】
図１２の光伝送システムにおいて、変調器集積面発光半導体レーザ１２０４には、第１〜第８のいずれかの実施形態の変調器集積面発光半導体レーザ素子を用いることができる。
【０１５５】
第１〜第８のいずれかの実施形態の半導体発光素子は、石英光ファイバの伝送に適した１．２〜１．６μｍの波長でレーザ発振する半導体レーザ素子である。そして、面発光型であるため、製造コストが低減できる。また、光変調器が集積されており、１０ＧＨｚ以上の高速変調が可能となっている。そして、光変調器と半導体レーザがモノリシックに集積されているため、光伝送モジュールの部品数が少なくなり、小型化できる。従って、２０〜４０Ｇｂｐｓの大容量光伝送システムを低コストで実現することができる。
【０１５６】
また、成長室に残留したＡｌ濃度を低減して、ＧａＩｎＮＡｓ活性層及びＧａＩｎＮＡｓ光吸収層を成長することによって、発光効率が高い半導体レーザを形成できる。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。
【０１５７】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板上に、
下部半導体分布ブラック反射鏡と、Ｎ（窒素）を構成元素として含むＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成される面発光半導体レーザ素子と、
Ｎを構成元素として含むＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積され、
前記半導体光変調器が、面発光半導体レーザ素子の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、前記下部半導体分布ブラッグ反射鏡または共振器または上部半導体分布ブラッグ反射鏡または半導体光変調器の一部が、Ａｌを構成元素として含む半導体層で構成されている半導体発光素子の製造方法において、
成長室に、窒素化合物原料またはＡｌ原料を供給して結晶成長する工程を有し、
さらに、Ａｌを構成元素として含む層の結晶成長工程と、Ｎを構成元素として含む層の結晶成長工程との間に、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ので、活性層の発光効率を改善でき、また、表面平坦性の劣化を抑制することができる。
【０１５８】
また、請求項２記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板上に、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成された面発光半導体レーザ素子と、
ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積されており、
前記半導体光変調器は、活性層よりも上側の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の上部半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と共振器との間に残留不純物が偏析した界面を有し、前記界面と前記共振器との間に、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる非発光再結合防止層が設けられているので、活性層の発光効率を更に向上させることができる。
【０１５９】
また、請求項３記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板上に、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成された面発光半導体レーザ素子と、
ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積されており、
前記半導体光変調器は、活性層よりも下側の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の下部半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、
ＧａＡｓ基板側の下部半導体分布ブラッグ反射鏡と光吸収層との間に残留不純物が偏析した界面を有し、前記界面と前記光吸収層との間に、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる非発光再結合防止層が設けられているので、光変調器のリーク電流を抑制して、信頼性を向上させることができる。
【０１６０】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項２または請求項３に記載の半導体発光素子において、活性層と光吸収層との間に設けられている半導体層は、全てＧａＩｎＡｓＰ系材料で形成されているので、活性層の発光効率をより一層向上させ、また、これと同時に、信頼性を向上させることができる。
【０１６１】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の半導体発光素子において、活性層と光吸収層との間に設けられている半導体層は、導電型がｎ型のものであるので、活性層の発光効率を低下させることなく、面発光半導体レーザの電流狭窄が可能となる。従って、低閾電流で動作させることができる。
【０１６２】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項２または請求項３に記載の半導体発光素子において、前記半導体光変調器は、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、光吸収層は、３／４波長の光学的厚さを有する高屈折率層中において、活性層に近い側から１／４波長の光学的厚さの位置に配置されているので、活性層で発生した光を効率良く吸収することができる。
【０１６３】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項６記載の半導体発光素子において、光吸収層と共振器との間に２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡が設けられており、
２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡において、共振器に近い側の高屈折率層にオーミック電極が形成されているので、活性層と光吸収層の両方に対してキャリア閉じ込めを高くすることができる。
【０１６４】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項５記載の半導体発光素子において、
光吸収層と活性層との間の領域を除いて、光吸収層と活性層のそれぞれ上下に選択酸化層が設けられているので、活性層への電流狭窄に加えて、発振領域の光吸収層に電界を集中させることができる。従って、光を効率良く吸収させることができる。
【０１６５】
また、請求項９記載の発明によれば、光伝送システムに請求項２乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体発光素子を用いたことを特徴とする光伝送システムので、１０Ｇｂｐｓ以上の大容量伝送を低コストで実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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２】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３】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４】第１の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。
【図５】第２の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。
【図６】第３の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。
【図７】第４の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。
【図８】第５の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。
【図９】第６の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。
【図１０】第７の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。
【図１１】第８の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。
【図１２】第９の実施形態の光伝送システムの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ Ａｌを含む第１の半導体層
３ 中間層
４ 窒素を含む活性層
５ 第２の半導体層
４０１ 第１導電型のＧａＡｓ基板
４０２ 第１導電型の下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡
４０３ ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層
４０４ 第２導電型の下部分布ブラッグ反射鏡
４０５ 下部ＧａＡｓスペーサ層
４０６ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
４０７ 上部ＧａＡｓスペーサ層
４０８ 第１導電型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡
４０９ 上部電極
４１０ 共通電極
４１１ 裏面電極
５０１ ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層
５０２ 第２導電型の上部分布ブラッグ反射鏡
５０３ 第１導電型の上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡
７０１ 第２導電型の下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡
８０１ ｐ型ＧａＡｓ基板
８０２ ｐ型下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡
８０３ ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層
８０４ ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡
８０５ ｐ型ＡｌＡｓ層
８０６ ｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡
８０７ ＡｌＯx絶縁領域
８０４ａ ｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層
８０４ｂ ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層
９０１ 下部ＧａＡｓ中間層
９０２ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸光吸収層
９０３ 上部ＧａＡｓ中間層
１１０１ ｐ型ＡｌＡｓ層
１２０１ 光送信モジュール
１２０２ 光受信モジュール
１２０３ 光ファイバケーブル
１２０４ 変調器集積面発光レーザ素子
１２０５ 駆動制御回路
１２０６ 受光素子
１２０７ 受信回路
【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システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開平５−１５２６７４号，特開平５−９１６８４号には、面型半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子を集積した半導体発光素子が示されている。
【０００３】
このような半導体発光素子においては、面発光半導体レーザ素子でレーザ発振したレーザ光を、面型光変調器の光吸収層で吸収または透過させることにより、レーザ光強度を外部変調して出力可能になっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、導波路型の光変調器に比べて面型光変調器は光吸収率が小さいため、レーザ光信号のＳ／Ｎ比を高くできないという問題がある。
【０００５】
この問題を解決するため、本願出願人の先願である特願２００１−６９８１６号に記載の半導体発光素子では、面型半導体光変調器を面発光半導体レーザ素子の内部に集積することにより、面型半導体光変調器の光吸収層の光吸収率を変化させて、面発光半導体レーザ素子の閾電流を変化させている。これにより、出力光をレーザ発振状態と自然放出光状態とでスイッチすることができるため、光変調のＳ／Ｎ比を高くすることができるという特徴がある。
【０００６】
この種の半導体発光素子では、面発光半導体レーザ素子の反射鏡として、一般的に、半導体分布ブラッグ反射鏡が用いられる。半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層としては、ＡｌＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＩｎＰ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＧａＮ等のように構成元素としてＡｌを含む材料が用いられる。すなわち、Ａｌを含むことにより、高屈折率層と低屈折率層との屈折率差を大きくすることができるため、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。特に、ＡｌＧａＡｓ材料系の半導体分布ブラッグ反射鏡を用いた面発光半導体レーザ素子では、温度特性が良好であることが知られている。
【０００７】
しかしながら、本願発明者の実験による結果、Ａｌを含む半導体分布ブラッグ反射鏡上に、ＧａＩｎＮＡｓ等のようにＮ（窒素）を含む半導体層を、１台のＭＯＣＶＤ装置を用いて連続的に成長すると、Ｎ（窒素）を含む半導体層の発光強度が低下したり、表面平坦性が劣化するという問題が生じた。
【０００８】
本発明は、面型半導体光変調器を面発光半導体レーザ素子の内部に集積した半導体発光素子において、発光特性や表面性の劣化を抑制することの可能な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を提供することを目的としている。
【０００９】
【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基板上に、
下部半導体分布ブラック反射鏡と、Ｎ（窒素）を構成元素として含むＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成される面発光半導体レーザ素子と、
Ｎを構成元素として含むＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積され、
前記半導体光変調器が、面発光半導体レーザ素子の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、前記下部半導体分布ブラッグ反射鏡または共振器または上部半導体分布ブラッグ反射鏡または半導体光変調器の一部が、Ａｌを構成元素として含む半導体層で構成されている半導体発光素子の製造方法において、
成長室に、窒素化合物原料またはＡｌ原料を供給して結晶成長する工程を有し、
さらに、Ａｌを構成元素として含む層の結晶成長工程と、Ｎを構成元素として含む層の結晶成長工程との間に、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。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、ＧａＡｓ基板上に、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成された面発光半導体レーザ素子と、
ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積されており、
前記半導体光変調器は、活性層よりも上側の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の上部半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と共振器との間に残留不純物が偏析した界面を有し、前記界面と前記共振器との間に、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる非発光再結合防止層が設けられていることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項３記載の発明は、ＧａＡｓ基板上に、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成された面発光半導体レーザ素子と、
ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積されており、
前記半導体光変調器は、活性層よりも下側の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の下部半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、
ＧａＡｓ基板側の下部半導体分布ブラッグ反射鏡と光吸収層との間に残留不純物が偏析した界面を有し、前記界面と前記光吸収層との間に、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる非発光再結合防止層が設けられていることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項４記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の半導体発光素子において、活性層と光吸収層との間に設けられている半導体層は、全てＧａＩｎＡｓＰ系材料で形成されていることを特徴としている。
【００１３】
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、活性層と光吸収層との間に設けられている半導体層は、導電型がｎ型のものであることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項６記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の半導体発光素子において、前記半導体光変調器は、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、光吸収層は、３／４波長の光学的厚さを有する高屈折率層中において、活性層に近い側から１／４波長の光学的厚さの位置に配置されていることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項７記載の発明は、請求項６記載の半導体発光素子において、光吸収層と共振器との間に２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡が設けられており、２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡において、共振器に近い側の高屈折率層にオーミック電極が形成されていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項８記載の発明は、請求項５記載の半導体発光素子において、光吸収層と活性層との間の領域を除いて、光吸収層と活性層のそれぞれ上下に選択酸化層が設けられていることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項９記載の発明は、請求項２乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体発光素子を用いたことを特徴としている。
【００１８】
【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。
【００１９】
図１は半導体発光素子の一例を示す図である。図１の半導体発光素子では、基板１上に、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層２と、中間層３と、Ｎ（窒素）を含む活性層４と、中間層３と、第２の半導体層５とが順次に積層されている。すなわち、図１の半導体発光素子は、基板１とＮ（窒素）を含む半導体層（活性層）４との間に、Ａｌを含む半導体層２が設けられたものとなっている。
【００２０】
ここで、基板１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。
【００２１】
また、Ａｌを構成元素として含む第１の半導体層２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２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。
【００２２】
また、中間層３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。
【００２３】
また、Ｎ（窒素）を含む活性層４としては、例えば、ＧａＮＡｓ，ＧａＰＮ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＮＰ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等が用いられ、Ｎ（窒素）を含む活性層４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。なお、活性層４は、単一層の場合だけでなく、Ｎ（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。
【００２４】
また、図１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４，中間層３，第１の半導体層２，第２の半導体層５という順に大きくなっている。なお、第２の半導体層５は、第１の半導体層２と同じ材料（Ａｌを含む材料）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。
【００２５】
図１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。また、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。
【００２６】
図２は、図１に示した半導体発光素子の一例として、半導体層２，５をＡｌＧａＡｓとし、中間層３をＧａＡｓとし、活性層４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（Ｎ）濃度と酸素（Ｏ）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。次表（表１）に測定条件を示す。
【００２７】
【表１】
図２において、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２重量子井戸構造に対応して、活性層４中に２つの窒素ピークが見られる。そして、活性層４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３における酸素濃度は活性層４の酸素濃度よりも約１桁低い濃度となっている。
【００２９】
一方、半導体層２，５をＧａＩｎＰとし、中間層３をＧａＡｓとし、活性層４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４中の酸素濃度はバックグラウンドレベルであった。
【００３０】
図３は、図１に示した半導体発光素子の一例として、半導体層２，５をＡｌＧａＡｓとし、中間層３をＧａＡｓとし、活性層４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す図である。なお、測定はＳＩＭＳによって行った。次表（表２）に測定条件を示す。
【００３１】
【表２】
図３から、本来Ａｌ原料を導入していない活性層４において、Ａｌが検出されている。しかし、Ａｌを含む半導体層２，５に隣接した中間層３においては、Ａｌ濃度は活性層４よりも約１桁低い濃度となっている。これは、活性層４中のＡｌがＡｌを含む半導体層２，５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。
【００３３】
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。
【００３４】
図２に示した同じ素子における、窒素（Ｎ）濃度と酸素（Ｏ）濃度の深さ方向分布と比較すると、２重量子井戸活性層中の２つの酸素ピークプロファイルは、窒素濃度のピークプロファイルと対応しておらず、図３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、本願発明者の実験から明らかとなった。
【００３５】
従って、活性層４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４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１と窒素（Ｎ）を含む活性層４との間にＡｌを含む半導体層２が設けられている半導体発光素子を連続的に結晶成長すると、Ｎ（窒素）を含む活性層４中に自然にＡｌが取りこまてしまう。
【００３６】
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４中に取りこまれるため、活性層４に同時に酸素が取りこまれる。活性層４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４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。
【００３７】
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。
【００３８】
第１の実施形態
本発明の第１の実施形態の半導体発光素子は、
ＧａＡｓ基板上に、
下部半導体分布ブラック反射鏡と、Ｎ（窒素）を構成元素として含むＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成される面発光半導体レーザ素子と、
Ｎを構成元素として含むＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積され、
前記半導体光変調器が、面発光半導体レーザ素子の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されている。
【００３９】
ここで、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長したＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層は、バンドギャップ波長が１．２〜１．６μｍの長波帯となっており、石英光ファイバの伝送に適している。そして、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層は、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ等の材料で構成された障壁層との伝導帯バンド不連続を大きくできるため、活性層へのキャリア閉じ込めが良好であり、温度特性が良好な面発光半導体レーザが形成できる。
【００４０】
また、半導体光変調器にバイアスを印加しない場合には、光吸収層は活性層で発生した光に対して透明となっている。従って、面発光半導体レーザ素子の内部において、光吸収層による光吸収損失がないため、低閾電流でレーザ発振する。一方、半導体光変調器に逆方向バイアスを印加すると、光吸収層のエネルギーバンドギャップが縮小して、活性層で発生した光を吸収する。そのため、面発光半導体レーザ素子内部の光吸収損失が増加して、閾電流が増加する。
【００４１】
従って、面発光半導体レーザ素子に注入する電流値を一定にした場合、光変調器にバイアスを印加しない場合にはレーザ発振し、光変調器にバイアスを印加するとレーザ発振が停止するように動作させることができる。これにより、レーザ光強度変調のＳ／Ｎ比を高くとることができる。
【００４２】
上記の電界吸収型の半導体光変調器は１０ＧＨｚ以上で高速に変調させることができる。従って、１０ＧＨｚ以上の高速変調が可能な長波長帯面発光半導体レーザを実現できる。
【００４３】
なお、光強度の変調を半導体レーザの直接変調ではなく、光変調器を用いて行なう場合には、半導体レーザ素子は連続通電となる。従って、消費電力や発熱を抑制する上で、半導体レーザ素子の低閾電流化は重要であるが、第１の実施形態に示した半導体レーザは、面発光半導体レーザとなっており、端面発光型半導体レーザを用いる場合と比較して、閾電流が低減できるため、消費電力を低減することが可能である。
【００４４】
また、面発光半導体レーザ素子の反射鏡には、半導体分布ブラッグ反射鏡が用いられている。半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層としては、ＡｌＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＩｎＰ，ＡｌＩｎＡｓ，ＡｌＧａＮ等のように構成元素としてＡｌを含む材料が用いられる。Ａｌを含むことにより、高屈折率層と低屈折率層との屈折率差を大きくすることができるため、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。特に、ＧａＡｓ基板上に形成する場合には、屈折率差が大きく、また熱伝導率が高いＡｌＧａＡｓ材料系で半導体分布ブラッグ反射鏡を構成できるため、面発光半導体レーザ素子の特性温度を向上させることができる。従って、半導体分布ブラッグ反射鏡にＡｌを用いることは必須である。
【００４５】
しかしながら、Ａｌを含む下部半導体分布ブラッグ反射鏡上にＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのようにＮ（窒素）を含む活性層または光吸収層を、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、連続的に結晶成長すると、Ｎ（窒素）を含む半導体層中に自然にＡｌやＯが取りこまてしまう。そのため、活性層の発光効率の低下や、表面平坦性の劣化が生じてしまう。
【００４６】
このような問題を回避するため、本発明の第１の実施形態においては、下部半導体分布ブラッグ反射鏡または共振器または上部半導体分布ブラッグ反射鏡または半導体光変調器の一部が、Ａｌを構成元素として含む半導体層で構成されている半導体発光素子の製造方法において、
成長室に、窒素化合物原料またはＡｌ原料を供給して結晶成長する工程を有し、
さらに、Ａｌを構成元素として含む層（例えば、下部半導体分布ブラッグ反射鏡）の結晶成長工程と、Ｎを構成元素として含む層（活性層または光吸収層）の結晶成長工程との間に、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。
【００４７】
これにより、Ａｌを構成元素として含む層（例えば、下部半導体分布ブラッグ反射鏡）の結晶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を一度除去して残留Ａｌ濃度を低減し、その後で、Ｎ（窒素）を含む活性層または光吸収層を成長しているので、発光効率の低下や表面平坦性の劣化を抑制することができる。
【００４８】
なお、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、具体的には、Ａｌを含む下部半導体分布ブラッグ反射鏡と光吸収層との間や、Ａｌを含む下部半導体分布ブラッグ反射鏡と活性層との間に設けることができる。例えば、活性層や光吸収層に隣接するスペーサ層にＧａＡｓのようにＡｌを含まない材料が用いられる場合には、下部半導体分布ブラッグ反射鏡とＧａＡｓスペーサ層との間にＡｌ除去工程を設けることができる。また、活性層や光吸収層に隣接するスペーサ層にＡｌを含むＡｌＧａＡｓスペーサ層が用いられる場合には、ＡｌＧａＡｓスペーサ層と活性層または光吸収層との間にＡｌ除去工程を設けることができる。
【００４９】
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を除去する工程としては、例えば、成長室（反応室）を水素等のキャリアガスでパージしたり、真空引きを行ったり、サセプターを加熱してベーキングする等の方法が可能である。このとき、基板を成長室内に保持したままでも可能であり、また基板を成長室外に移動させても可能である。
【００５０】
また、Ａｌを除去する工程は、半導体発光素子の成長工程中の１箇所だけでなく複数箇所に設けることもできる。
【００５１】
図４は本発明の第１の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。図４を参照すると、この半導体発光素子では、第１導電型のＧａＡｓ基板４０１上に、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０２が積層されている。ここで、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０２は、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率層をＡｌＧａＡｓ（例えばＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ）として、交互に積層して形成されている。
【００５２】
そして、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０２上には、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３，第２導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０４，下部ＧａＡｓスペーサ層４０５，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６，上部ＧａＡｓスペーサ層４０７，第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡４０８が、順次積層されている。
【００５３】
ここで、光吸収層４０３は、ＧａＩｎＮＡｓバルク層で形成することもできるし、ＧａＩｎＮＡｓを量子井戸層とする多重量子井戸構造で形成することもできる。また、第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡４０８は、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率層をＡｌＧａＡｓ（例えばＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ）として、交互に積層して形成されている。
【００５４】
そして、第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡４０８上には、光出射部を除いて上部電極４０９が形成されており、また、第１導電型のＧａＡｓ基板４０１の裏面には、裏面電極４１１が形成されている。また、積層構造表面から第２導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０４までがエッチングされて矩形または円筒状のメサ構造が形成されており、エッチングした底面には共通電極４１０が形成されている。
【００５５】
図４の半導体発光素子では、上部電極４０９と共通電極４１０との間に順方向バイアスを加えると、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６に電流が注入されて、活性層４０６からは波長１．３μｍ帯の光が発生する。活性層４０６で発生した光は、下部分布ブラッグ反射鏡４０２，４０４と上部分布ブラッグ反射鏡４０８とで挟まれた共振器で共振し、レーザ発振して、基板と垂直方向（図４中の矢印方向）に出力される。すなわち、図４の半導体発光素子は面発光半導体レーザとして動作する。
【００５６】
このとき、共通電極４１０と裏面電極４１１との間にバイアスを印加しない場合には、光吸収層４０３は活性層４０６で発生した光に対して透明となっている。これに対し、共通電極４１０と裏面電極４１１との間に逆方向バイアスを印加すると、光吸収層４０３のバンドギャップが縮小して活性層４０６からの光を吸収するため、面発光半導体レーザの内部損失が増加する。これにより、面発光半導体レーザの閾電流が変化して、レーザ出力強度を大きく変調することができる。
【００５７】
なお、図４の例においては、光変調を行う光吸収層４０３は、光を発生する活性層４０６に対して、光出射面とは反対の側（基板側）に設けられている。すなわち、従来例のように半導体レーザから出力されたレーザ光を電界吸収方式で外部変調する場合には、光変調器は半導体レーザの光出射面側に設けなければならないが、本発明のように、半導体レーザ内部に光変調器を集積する場合には、光変調器は光出射面側だけでなく、図４の例のように、光出射面とは反対の側に設けることも可能となる。
【００５８】
また、図４の半導体発光素子を作製するとき、第１導電型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部分布ブラッグ反射鏡４０２の結晶成長工程とＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３の結晶成長工程との間に、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ることができる。
【００５９】
より具体的には、例えば、第１導電型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部分布ブラッグ反射鏡４０２を成長した後に、成長室（反応室）を水素キャリアガスで１時間以上パージし、その後、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３を成長することができる。上記パージにより、Ａｌを含む下部半導体分布ブラッグ反射鏡４０２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、残留Ａｌ濃度を低減している。その後で、Ｎ（窒素）を含む光吸収層及び活性層を成長しているので、発光効率の低下や表面平坦性の劣化を抑制することができる。
【００６０】
なお、図４の例では、光吸収層４０３を下部半導体分布ブラッグ反射鏡４０２中に設けたが、上部半導体分布ブラッグ反射鏡４０８中や共振器中に設けることもできる。
【００６１】
第２の実施形態
本発明の第２の実施形態の半導体発光素子は、
ＧａＡｓ基板上に、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成された面発光半導体レーザ素子と、
ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積されており、
前記半導体光変調器は、活性層よりも上側の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の上部半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と共振器との間に、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる非発光再結合防止層が設けられていることを特徴としている。
【００６２】
ここで、非発光再結合防止層は、Ａｌを構成元素として含んでおらず、ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＩｎＰ，ＧａＡｓＰ等の材料で構成されている。すなわち、非発光再結合防止層は、Ａｌが含まれていないことが重要であり、Ｂ，Ｎ，Ｓｂ等の他のIII族またはＶ族元素を含んでいても良い。
【００６３】
第２の実施形態の半導体発光素子を作製する方法（製造方法）としては、第１の実施形態と同様の製造方法を用いることができる。すなわち、下部半導体分布ブラッグ反射鏡と活性層との間に（より具体的には下部半導体分布ブラッグ反射鏡と非発光再結合防止層との間に、）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を除去する工程を設けることができる。
【００６４】
これにより、Ａｌを含む下部半導体分布ブラッグ反射鏡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を一度除去して残留Ａｌ濃度を低減し、その後で、Ｎ（窒素）を含む光吸収層を成長しているので、発光効率の低下や表面平坦性の劣化を抑制することができる。
【００６５】
しかしながら、上記のＡｌ除去工程によって、下部半導体分布ブラッグ反射鏡成長後に、成長中断界面が生じる。成長中断界面には、Ｏ，Ｓｉ，Ｃ等の残留不純物が偏析するため、非発光再結合準位が増加する。そこで、第２の実施形態では、成長中断界面と共振器との間に非発光再結合防止層を設けることにより、リーク電流を抑制している。
【００６６】
非発光再結合防止層はＧａＩｎＡｓＰ系材料で構成されているため、共振器を構成しているＧａＡｓスペーサ層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなっている。そのため、ＧａＡｓスペーサ層からオーバーフローするキャリアを非発光再結合防止層でブロックすることができ、成長中断界面で非発光再結合することを抑制できる。これにより、リーク電流を減少させて、活性層の発光効率を更に向上させることができる。
【００６７】
また、非発光再結合防止層は、Ａｌを構成元素として含んでいないので、Ａｌ除去工程を行なってからＮ（窒素）を含む活性層を成長するまでに、成長室内の残留Ａｌ濃度を増加させることがない。
【００６８】
図５は本発明の第２の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。なお、図５において図４と同様の箇所には同じ符号を付している。図５を参照すると、この半導体発光素子では、第１導電型のＧａＡｓ基板４０１上に、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０２が積層されている。ここで、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０２は、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率層をＡｌＧａＡｓ（例えばＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ）として、交互に積層して形成されている。
【００６９】
そして、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０２上には、ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層５０１，下部ＧａＡｓスペーサ層４０５，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６，上部ＧａＡｓスペーサ層４０７，第２導電型の上部分布ブラッグ反射鏡５０２，ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３，第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡５０３が、順次積層されている。
【００７０】
ここで、第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡５０３は、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率層をＡｌＧａＡｓ（例えばＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ）として、交互に積層して形成されている。
【００７１】
そして、第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡５０３上には、光出射部を除いて上部電極４０９が形成されており、また、第１導電型のＧａＡｓ基板４０１の裏面には、裏面電極４１１が形成されている。また、積層構造表面から第２導電型の上部分布ブラッグ反射鏡５０２までがエッチングされて矩形または円筒状のメサ構造が形成されており、エッチングした底面には共通電極４１０が形成されている。
【００７２】
図５の半導体発光素子では、共通電極４１０と裏面電極４１１との間に順方向バイアスを加えると、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６に電流が注入されて、活性層４０６からは波長１．３μｍ帯の光が発生する。活性層４０６で発生した光は、下部分布ブラッグ反射鏡４０２と上部分布ブラッグ反射鏡５０２，５０３とで挟まれた共振器で共振し、レーザ発振して基板と垂直方向（図５中の矢印方向）に出力される。
【００７３】
このとき、上部電極４０９と共通電極４１０との間にバイアスを印加しない場合には、光吸収層４０３は活性層４０６で発生した光に対して透明となっている。これに対し、上部電極４０９と共通電極４１０との間に逆方向バイアスを印加すると、光吸収層４０３のバンドギャップが縮小して活性層４０６からの光を吸収するため、面発光半導体レーザの内部損失が増加する。これにより、面発光半導体レーザの閾電流が変化して、レーザ出力強度を大きく変調することができる。
【００７４】
また、図５の半導体発光素子の作製（結晶成長）には、ＭＯＣＶＤ法を用いることができる。この場合、Ｇａ原料としてＴＭＧ、Ａｌ原料としてＴＭＡ、Ｉｎ原料としてＴＭＩ、Ｎ原料としてＤＭＨｙを用いることができる。ＭＯＣＶＤ法は、量産性に優れていることから、ＭＯＣＶＤ法を用いる場合には、半導体発光素子を低コストで製造することが可能となる。
【００７５】
また、図５の半導体発光素子を作製するとき、第１導電型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部分布ブラッグ反射鏡４０２の結晶成長後に、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ることができる。
【００７６】
より具体的には、例えば、成長室（反応室）を水素キャリアガスでパージしながらサセプターを加熱する。これにより、Ａｌを含む下部半導体分布ブラッグ反射鏡４０２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、残留Ａｌ濃度を低減している。
【００７７】
しかしながら、上記のＡｌ除去工程によって、下部半導体分布ブラッグ反射鏡４０２の成長後に、成長中断界面が生じる。成長中断界面には、Ｏ，Ｓｉ，Ｃ等の残留不純物が偏析するため、非発光再結合準位が増加する。そこで、図５の例では、成長中断界面と下部ＧａＡｓスペーサ層４０５との間にＧａＩｎＰ非発光再結合防止層５０１を設けている。
【００７８】
非発光再結合防止層５０１はＧａＩｎＰで構成されているため、共振器を構成している下部ＧａＡｓスペーサ層４０５よりもバンドギャップエネルギーが大きくなっている。そのため、下部ＧａＡｓスペーサ層４０５からオーバーフローするキャリアを非発光再結合防止層５０１でブロックすることができ、成長中断界面で非発光再結合することを抑制している。これにより、リーク電流を減少させて、活性層４０６の発光効率を更に向上させることができる。
【００７９】
また、非発光再結合防止層５０１は、Ａｌを構成元素として含んでいないので、Ａｌ除去工程を行なってからＮ（窒素）を含む活性層４０６を成長するまでに、成長室内の残留Ａｌ濃度を増加させることがない。
【００８０】
第３の実施形態
本発明の第３の実施形態の半導体発光素子は、
ＧａＡｓ基板上に、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成された面発光半導体レーザ素子と、
ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積されており、
前記半導体光変調器は、活性層よりも下側の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の下部半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、
ＧａＡｓ基板側の下部半導体分布ブラッグ反射鏡と光吸収層との間に、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる非発光再結合防止層が設けられていることを特徴としている。
【００８１】
ここで、非発光再結合防止層は、Ａｌを構成元素として含んでおらず、ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＩｎＰ，ＧａＡｓＰ等の材料で構成されている。すなわち、非発光再結合防止層は、Ａｌが含まれていないことが重要であり、Ｂ，Ｎ，Ｓｂ等の他のIII族またはＶ族元素を含んでいても良い。
【００８２】
第３の実施形態の半導体発光素子を作製する方法（製造方法）としては、第１の実施形態と同様の製造方法を用いることができる。すなわち、下部半導体分布ブラッグ反射鏡と光吸収層との間に（より具体的には下部半導体分布ブラッグ反射鏡と非発光再結合防止層との間に）、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を除去する工程を設けることができる。
【００８３】
これにより、Ａｌを含む下部半導体分布ブラッグ反射鏡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を一度除去して残留Ａｌ濃度を低減し、その後でＮ（窒素）を含む光吸収層を成長しているので、発光効率の低下や表面平坦性の劣化を抑制することができる。
【００８４】
しかしながら、上記のＡｌ除去工程によって、下部半導体分布ブラッグ反射鏡成長後に、成長中断界面が生じる。成長中断界面には、Ｏ，Ｓｉ，Ｃ等の残留不純物が偏析するため、非発光再結合準位が増加する。そこで、第３の実施形態では、成長中断界面と光吸収層との間に非発光再結合防止層を設けることにより、リーク電流を抑制している。
【００８５】
非発光再結合防止層はＧａＩｎＡｓＰ系材料で構成されているため、光吸収層及び光吸収層に隣接したＧａＡｓ障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなっている。そのため、光吸収層からオーバーフローする少数キャリアを非発光再結合防止層でブロックしている。これにより、光吸収層に逆バイアスを印加した時に、成長中断界面の非発光再結合準位で生じるリーク電流を抑制し、ブレークダウンが生じないようにすることができ、これによって、素子の信頼性を向上させることができる。
【００８６】
また、非発光再結合防止層は、Ａｌを構成元素として含んでいないので、Ａｌ除去工程を行なってからＮ（窒素）を含む光吸収層を成長するまでに、成長室内の残留Ａｌ濃度を増加させることがない。
【００８７】
図６は本発明の第３の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。なお、図６において図４と同様の箇所には同じ符号を付している。図６を参照すると、この半導体発光素子では、第１導電型のＧａＡｓ基板４０１上に、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０２が積層されている。ここで、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０２は、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率層をＡｌＧａＡｓ（例えばＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ）として、交互に積層して形成されている。
【００８８】
そして、第１導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０２上には、ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層５０１，ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３，第２導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０４，下部ＧａＡｓスペーサ層４０５，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６，上部ＧａＡｓスペーサ層４０７，第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡４０８が、順次積層されている。
【００８９】
ここで、第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡４０８は、高屈折率層をＧａＡｓとし、低屈折率層をＡｌＧａＡｓ（例えばＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ）として、交互に積層して形成されている。
【００９０】
そして、第１導電型の上部分布ブラッグ反射鏡４０８上には、光出射部を除いて上部電極４０９が形成されており、また、第１導電型のＧａＡｓ基板４０１の裏面には、裏面電極４１１が形成されている。また、積層構造表面から第２導電型の下部分布ブラッグ反射鏡４０４までがエッチングされて矩形または円筒状のメサ構造が形成されており、エッチングした底面には共通電極４１０が形成されている。
【００９１】
図６の半導体発光素子では、上部電極４０９と共通電極４１０との間に順方向バイアスを加えると、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６に電流が注入されて、活性層４０６からは波長１．３μｍ帯の光が発生する。活性層４０６で発生した光は、下部分布ブラッグ反射鏡４０２，４０４と上部分布ブラッグ反射鏡４０８とで挟まれた共振器で共振し、レーザ発振して、基板と垂直方向（図６中の矢印方向）に出力される。
【００９２】
このとき、共通電極４１０と裏面電極４１１との間にバイアスを印加しない場合には、光吸収層４０３は活性層４０６で発生した光に対して透明となっている。これに対し、共通電極４１０と裏面電極４１１との間に逆方向バイアスを印加すると、光吸収層４０３のバンドギャップが縮小して活性層４０６からの光を吸収するため、面発光半導体レーザの内部損失が増加する。これにより、面発光半導体レーザの閾電流が変化して、レーザ出力強度を大きく変調することができる。
【００９３】
また、図６の半導体発光素子を作製するとき、第１導電型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部分布ブラッグ反射鏡４０２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ることができる。
【００９４】
より具体的には、例えば第１導電型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部分布ブラッグ反射鏡４０２の成長後に、成長室（反応室）を水素キャリアガスで１時間以上パージする。これにより、Ａｌを含む下部半導体分布ブラッグ反射鏡４０２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、残留Ａｌ濃度を低減している。
【００９５】
しかしながら、上記のＡｌ除去工程によって、下部半導体分布ブラッグ反射鏡４０２の成長後に、成長中断界面が生じる。成長中断界面には、Ｏ，Ｓｉ，Ｃ等の残留不純物が偏析するため、非発光再結合準位が増加する。そこで、図６の例では、成長中断界面とＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３との間にＧａＩｎＰ非発光再結合防止層５０１を設けている。
【００９６】
非発光再結合防止層５０１はＧａＩｎＰで構成されているため、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３及び光吸収層に隣接したＧａＡｓ障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きくなっている。そのため、光吸収層４０３からオーバーフローする少数キャリアを非発光再結合防止層５０１でブロックしている。これにより、光吸収層４０３に逆バイアスを印加した時に、成長中断界面の非発光再結合準位で生じるリーク電流を抑制し、ブレークダウンが生じないようにすることができ、これによって、素子の信頼性を向上できる。
【００９７】
また、非発光再結合防止層５０１は、Ａｌを構成元素として含んでいないので、Ａｌ除去工程を行なってからＮ（窒素）を含む光吸収層４０３を成長するまでに、成長室内の残留Ａｌ濃度を増加させることがない。
【００９８】
第４の実施形態
本発明の第４の実施形態の半導体発光素子は、第２または第３の実施形態の半導体発光素子において、活性層と光吸収層との間に設けられている半導体層が、全てＧａＩｎＡｓＰ系材料で形成されていることを特徴としている。
【００９９】
ここで、ＧａＩｎＡｓＰ系材料とは、Ａｌを含んでいないＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＡｓＰ，ＧａＩｎＡｓ等を意味している。また、ＧａＩｎＡｓＰ系材料に、Ｂ，Ｎ，Ｓｂ等の元素や、ドーパントを添加することもできる。
【０１００】
第４の実施形態の半導体発光素子では、活性層と光吸収層との間の半導体層に、Ａｌを含まないＧａＩｎＡｓＰ系材料を用いることにより、Ａｌ除去工程の後から、Ｎ（窒素）を含む活性層及び光吸収層の成長まで、Ａｌを用いることがない。従って、Ａｌ除去工程を行なってからＮ（窒素）を含む活性層及び光吸収層を成長するまでに、成長室内の残留Ａｌ濃度を増加させることがない。
【０１０１】
また、第４の実施形態の半導体発光素子では、活性層と光吸収層との間にＡｌ除去工程を設けていないため、成長中断による非発光再結合準位が形成されることがない。従って、活性層の発光効率を向上させ、かつ、光変調器のリーク電流を抑制して、信頼性の高い半導体発光素子を形成することができる。
【０１０２】
図７は本発明の第４の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。なお、図７において図４と同様の箇所には同じ符号を付している。図７を参照すると、この半導体発光素子では、図６に示した半導体発光素子と構造が類似している。図７の半導体発光素子が図６の半導体発光素子と異なっている点は、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３と下部ＧａＡｓスペーサ層４０５との間に設けられている第２導電型の下部分布ブラッグ反射鏡７０１が、ＧａＩｎＡｓＰ系材料で構成されている点である。ここで、第２導電型の下部分布ブラッグ反射鏡７０１は、高屈折率層がＧａＡｓで構成されており、低屈折率層がＧａＡｓと格子整合するＧａＩｎＰで構成されている。
【０１０３】
このように、図７の半導体発光素子では、第２導電型の下部分布ブラッグ反射鏡７０１が、ＧａＩｎＡｓＰ系材料で構成されていることにより、Ａｌ除去工程を行なってから、ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３及びＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６を成長するまでに、Ａｌを構成元素として用いることなく層構造を形成できる。従って、Ａｌ除去工程を行なってからＮ（窒素）を含む光吸収層４０３及び活性層４０６を成長するまでに、成長室内の残留Ａｌ濃度を増加させることがない。
【０１０４】
また、光吸収層４０３と活性層４０６との間にＡｌ除去工程を設けていないため、成長中断による非発光再結合準位が形成されることがない。従って、活性層４０６の発光効率を向上させ、かつ、光変調器のリーク電流を抑制して、信頼性の高い半導体発光素子を形成することができる。
【０１０５】
第５の実施形態
本発明の第５の実施形態の半導体発光素子は、第４の実施形態の半導体発光素子において、活性層と光吸収層との間に設けられている半導体層の導電型がｎ型のものであることを特徴としている。
【０１０６】
面発光半導体レーザにおいて、活性層の電流狭窄構造として、ＡｌＡｓ層を選択酸化して電流注入領域を形成する方法が用いられる。ＡｌＡｓを選択酸化すると、ＡｌＯx絶縁層となって電流が流れなくなり、酸化されていない領域は低抵抗の半導体層であるため、電流が流れる。このとき、ＡｌＡｓ層は、主にｐ型の側に設けられる。これは、正孔の方が電子よりも移動度が小さいため、ＡｌＡｓ選択酸化構造で電流を狭窄してから活性層に注入されるまでに、電子では横方向に広がってしまうのに対して、正孔は横方向の広がりが抑制されて電流を狭い領域に集中させることができるためである。従って、ＡｌＡｓ選択酸化により有効に電流狭窄を行うためには、ＡｌＡｓ層をｐ型の側に設ける必要がある。
【０１０７】
この第５の実施形態では、活性層と光吸収層との間に設けられている半導体層の導電型をｎ型としているため、電流狭窄を行うＡｌＡｓ層は活性層と光吸収層との間ではなく、外側のｐ型の側に設けられる。従って、活性層と光吸収層との間にＡｌを含む半導体層を設ける必要がなくなり、これにより、Ａｌ除去工程を行なってから活性層及び光吸収層を成長するまでに、成長室内の残留Ａｌ濃度を増加させることがなく、活性層の発光効率低下を抑制することができる。
【０１０８】
また、ＡｌＡｓ選択酸化を用いた電流狭窄構造を用いることができ、面発光半導体レーザの閾電流を低減することができる。なお、選択酸化する層はＡｌＡｓに限定されるものではなく、Ａｌ組成が９０％以上のＡｌＧａＡｓのようにＡｌ組成が著しく大きい材料であればよい。
【０１０９】
図８は本発明の第５の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。なお、図８において図４と同様の箇所には同じ符号を付している。図８を参照すると、この半導体発光素子では、ｐ型ＧａＡｓ基板８０１上に、ｐ型下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡８０２が積層されている。
【０１１０】
そして、ｐ型下部分布ブラッグ反射鏡８０２上には、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３，ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３，ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４，下部ＧａＡｓスペーサ層４０５，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６，上部ＧａＡｓスペーサ層４０７，ｐ型ＡｌＡｓ層８０５，ｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡８０６が、順次積層されている。
【０１１１】
そして、ｐ型上部分布ブラッグ反射鏡８０６上には、光出射部を除いて上部電極４０９が形成されており、ｐ型ＧａＡｓ基板８０１の裏面には、裏面電極４１１が形成されている。また、積層構造表面からｎ型下部分布ブラッグ反射鏡８０４までエッチングされて矩形または円筒状のメサ構造が形成されており、エッチングした底面には共通電極４１０が形成されている。
【０１１２】
そして、図８の半導体発光素子では、さらに、ｐ型ＡｌＡｓ層８０５が、エッチング側面から水蒸気により選択的に酸化されて、ＡｌＯx絶縁領域８０７が形成されている。
【０１１３】
前述したように、面発光半導体レーザにおいて、活性層の電流狭窄構造として、ＡｌＡｓ層を選択酸化して電流注入領域を形成する方法が用いられる。ＡｌＡｓを選択酸化すると、ＡｌＯx絶縁層となって電流が流れなくなり、酸化されていない領域は低抵抗の半導体層であるため、電流が流れる。このとき、ＡｌＡｓ層は、主にｐ型の側に設けられる。これは、正孔の方が電子よりも移動度が小さいため、ＡｌＡｓ選択酸化構造で電流を狭窄してから活性層に注入されるまでに、電子では横方向に広がってしまうのに対して、正孔は横方向の広がりが抑制されて電流を狭い領域に集中させることができるためである。従って、ＡｌＡｓ選択酸化により有効に電流狭窄を行うためには、ＡｌＡｓ層をｐ型の側に設ける必要がある。
【０１１４】
図８の例では、活性層４０６と光吸収層４０３との間に設けられている下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４の導電型をｎ型としている。そのため、電流狭窄を行うｐ型ＡｌＡｓ層８０５は、活性層４０６と光吸収層４０３との間ではなく、上部ＧａＡｓスペーサ層４０７の上側に設けられている。従って、活性層４０６と光吸収層４０３との間にＡｌを含む半導体層を設けることなく構成することができる。これによって、Ａｌ除去工程を行なってから光吸収層４０３及び活性層４０６を成長するまでに、成長室内の残留Ａｌ濃度が増加することがなく、活性層４０６の発光効率低下を抑制することができる。
【０１１５】
また、図８の例では、ｐ型ＡｌＡｓ層８０５を選択的に酸化することにより、電流狭窄構造（８０７）を形成している。この場合、上部電極４０９から注入された正孔は、ｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡８０６を通ってから、ＡｌＯx絶縁領域８０７で狭窄されて活性層４０６に注入される。そのため、レーザ発振領域に電流を集中させることができ、面発光半導体レーザの閾電流を低減することができる。
【０１１６】
第６の実施形態
本発明の第６の実施形態の半導体発光素子は、第２または第３の実施形態の半導体発光素子において、半導体光変調器が、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、光吸収層が、３／４波長の光学的厚さを有する高屈折率層中において、活性層に近い側から１／４波長の光学的厚さの位置に配置されていることを特徴としている。
【０１１７】
面発光半導体レーザ中に光変調器を構成する場合、面発光半導体レーザの位相整合条件を乱さないようにする必要がある。この第６の実施形態においては、光吸収層が、３／４波長の光学的厚さを有する高屈折率層中において、活性層に近い側から１／４波長の光学的厚さの位置に配置されており、半導体分布ブラッグ反射鏡の位相整合条件を満足している。
【０１１８】
また、光吸収層は、光の定在波の腹に位置している。従って、活性層で発生した光を効率よく吸収することができる。従って、光変調器の動作電圧を低減することができる。
【０１１９】
なお、半導体分布ブラッグ反射鏡の定在波の腹は、λ共振器を用いた場合、活性層側からみて高屈折率層と低屈折率層との界面になる。ここに光吸収層を設けた場合、光吸収層の屈折率は半導体分布ブラッグ反射鏡の高屈折率層よりも高くなっているため、定在波の分布を乱してしまう。そこで、光吸収層を３／４波長の光学的厚さを有する高屈折率層中に設けている。従って、位相整合条件を得られやすい。
【０１２０】
図９は本発明の第６の実施形態の半導体発光素子の一例を部分的に示す図であり、図９には、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３からｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４までの間の層構成が詳細に示されている。第６の実施形態の半導体発光素子の構造は、図８に示した半導体発光素子と類似しているが、図８に示した半導体発光素子と異なっている点は、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３とｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４との間に設けられた光吸収層の構造である。
【０１２１】
図９を参照すると、第６の実施形態の半導体発光素子は、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３上に、下部ＧａＡｓ中間層９０１，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸光吸収層９０２，上部ＧａＡｓ中間層９０３が積層され、さらにその上に、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４が積層されている。
【０１２２】
ここで、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４は、レーザ発振波長の１／４波長の光学的厚さを有するｎ型ＧａＡｓ高屈折率層８０４ｂと、レーザ発振波長の１／４波長の光学的厚さを有するｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層８０４ａとが交互に積層されて構成されており、上部ＧａＡｓ中間層９０３に隣接した層は、ｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層８０４ａとなっている。
【０１２３】
また、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３の層厚は、レーザ発振波長の１／４波長の光学的厚さとなっており、また、下部ＧａＡｓ中間層９０１，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸光吸収層９０２，上部ＧａＡｓ中間層９０３を合計した厚さは、レーザ発振波長の３／４波長の光学的厚さとなっている。そして、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸光吸収層９０２は、上記３／４波長の光学的厚さの中で、活性層に近い側から１／４波長の光学的厚さの位置近傍となるように配置されている。
【０１２４】
図９の半導体発光素子では、下部ＧａＡｓ中間層９０１とＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸光吸収層９０２と上部ＧａＡｓ中間層９０３とを合計した領域と、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３とは、それぞれレーザ発振波長の１／４波長の光学的厚さの整数倍となっており、面発光半導体レーザの下部分布ブラッグ反射鏡の一部として機能している。従って、面発光半導体レーザの位相整合条件を乱すことがない。
【０１２５】
また、光吸収層９０２は、光の定在波の腹に位置しており、活性層で発生した光を効率よく吸収することができる。従って、光変調器の動作電圧を低減することができる。
【０１２６】
第７の実施形態
本発明の第７の実施形態の半導体発光素子は、第６の実施形態の半導体発光素子において、光吸収層と共振器との間に２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡が設けられており、２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡において、共振器に近い側の高屈折率層にオーミック電極が形成されていることを特徴としている。
【０１２７】
ここで、光吸収層の共振器との間に設けられている２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡のうち、共振器に近い側の低屈折率層（即ち、バンドギャップエネルギーが大きい層）は、ＧａＡｓスペーサ層からオーバーフローする少数キャリアをブロックする働きをしている。これにより、活性領域に対するキャリアの閉じ込めを高くして、温度特性を向上させている。
【０１２８】
また、光吸収層と共振器との間に設けられている２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡のうち、光吸収層に近い側の低屈折率層は、光吸収層で発生した少数キャリアをブロックして、ブレークダウンを抑制する働きをしている。
【０１２９】
また、第７の実施形態の半導体発光素子では、上記の低屈折率層の間に設けられている高屈折率層に、オーミック電極が形成されている。これは、面発光半導体レーザの電流注入電極と光変調器の変調用電極との共通電極となっている。従って、オーミックコンタクト層と活性領域との間、及びオーミックコンタクト層と光吸収層との間には、それぞれ、バンドギャップエネルギーが大きい低屈折率層が設けられている。従って、リーク電流が電極に直接流れ込むことがない。
【０１３０】
また、光吸収層は、半導体分布ブラッグ反射鏡の中で、共振器に近い位置に配置されている。そのため、光の定在波の強度分布において、強度が強い腹の位置に対応している。従って、光吸収層で効率よく光を吸収することができる。
【０１３１】
なお、光吸収層と共振器との間に設けられている２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡は、Ａｌを構成元素として含まないＧａＩｎＡｓＰ系材料で構成されるのが好ましい。この場合には、光吸収層または活性層の成長前に、成長室内の残留Ａｌ濃度が増加することがない。
【０１３２】
図１０は本発明の第７の実施形態の半導体発光素子の一例を部分的に示す図であり、図１０には、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３から下部ＧａＡｓスペーサ層４０５までの間の層構成が詳細に示されている。第７の実施形態の半導体発光素子の構造は、図９に示した半導体発光素子において、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４の構造がより具体化されている。
【０１３３】
図１０を参照すると、第７の実施形態の半導体発光素子は、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３上に、下部ＧａＡｓ中間層９０１，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸光吸収層９０２，上部ＧａＡｓ中間層９０３が積層され、さらにその上に、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４が積層されている。
【０１３４】
ここで、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４は、レーザ発振波長の１／４波長の光学的厚さを有するｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層８０４ａと、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層８０４ｂと、ｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層８０４ａとの３層が積層されて構成されている。
【０１３５】
また、光吸収層９０２と下部ＧａＡｓスペーサ層４０５との間には、ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４と上部ＧａＡｓ中間層９０３とを合わせて、およそ２周期の分布ブラッグ反射鏡が設けられている。
【０１３６】
２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡のうち、下部ＧａＡｓスペーサ層４０５に近い側のｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層８０４ａは、ＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが大きいため、下部ＧａＡｓスペーサ層４０５からオーバーフローする少数キャリアをブロックする働きをしている。これにより、活性領域に対するキャリアの閉じ込めを高くして、温度特性を向上させている。
【０１３７】
また、２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡のうち、光吸収層９０２に近い側のｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層８０４ａは、光吸収によって光吸収層９０２で発生した少数キャリアをブロックすることにより、逆バイアスが印加された光吸収層９０２がブレークダウンすることを抑制している。
【０１３８】
また、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層８０４ｂには、共通電極４０９が形成されている。この共通電極４０９は、面発光半導体レーザの電流注入電極と光変調器の変調用電極との共通電極となっている。従って、共通電極４０９と活性領域との間、及び共通電極４０９と光吸収層９０２との間には、それぞれ、バンドギャップエネルギーが大きいｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層８０４ａが１層設けられている。これによって、リーク電流が共通電極４０９に直接流れ込むことがない。
【０１３９】
また、光吸収層９０２は、下部半導体分布ブラッグ反射鏡の中で、共振器に近い位置（すなわち、光の定在波の強度分布において、活性層４０６から３個目の腹の位置）に設けられている。これによって、光強度分布が強い腹の位置で、効率よく光を吸収することができる。
【０１４０】
第８の実施形態
本発明の第８の実施形態の半導体発光素子は、第５の実施形態の半導体発光素子において、光吸収層と活性層との間の領域を除いて、光吸収層と活性層のそれぞれ上下に選択酸化層が設けられていることを特徴としている。
【０１４１】
活性層に隣接したｐ型領域に設けられた選択酸化層は、活性層に電流が注入される領域を限定して、面発光半導体レーザの閾電流を低減している。
【０１４２】
一方、光吸収層に隣接したｐ型領域に設けられた選択酸化層は、電流狭窄されたレーザ発振領域に対応した光吸収層の場所に電界を集中させる働きをしている。これにより、面発光半導体レーザ内部において、横方向の光強度分布が強い位置で、光吸収層の電界を集中させてバンドギャップを縮小し、光を効率よく吸収させることが可能となる。
【０１４３】
図１１は本発明の第８の実施形態の半導体発光素子を示す図である。図１１を参照すると、第８の実施形態の半導体発光素子は、ｐ型ＧａＡｓ基板８０１上に、ｐ型下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡８０２が積層され、さらに、ｐ型下部分布ブラッグ反射鏡８０２上に、ｐ型ＡｌＡｓ層１１０１，ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３，ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層４０３，ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡８０４，下部ＧａＡｓスペーサ層４０５，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４０６，上部ＧａＡｓスペーサ層４０７，ｐ型ＡｌＡｓ層８０５，ｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡８０６が、順次積層されている。
【０１４４】
また、ｐ型上部分布ブラッグ反射鏡８０６上には、光出射部を除いて上部電極４０９が形成されており、ｐ型のＧａＡｓ基板８０１の裏面には、裏面電極４１１が形成されている。また、積層構造表面からｎ型下部分布ブラッグ反射鏡８０４までエッチングされて、１段目の円筒状のメサ構造が形成されており、エッチングした底面には共通電極４１０が形成されている。さらに、ｐ型下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡８０２に達するまでエッチングされて、２段目の円筒状のメサ構造が形成されている。
【０１４５】
そして、ｐ型ＡｌＡｓ層８０５及びｐ型ＡｌＡｓ層１１０１は、メサエッチングされた側面からそれぞれ水蒸気により選択的に酸化されて、ＡｌＯx絶縁領域８０７が形成されている。
【０１４６】
ここで、上部ＧａＡｓスペーサ層４０７の上に設けたｐ型ＡｌＡｓ層８０５は、選択酸化されることにより、活性層４０６に電流が注入される領域を限定して、面発光半導体レーザの閾電流を低減している。
【０１４７】
一方、ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３の下に設けたｐ型ＡｌＡｓ層１１０１は、選択酸化されることにより、電流狭窄されたレーザ発振領域に対応した光吸収層４０３の場所に電界を集中させる働きをしている。これにより、面発光半導体レーザ内部において、横方向の光強度分布が強い位置で、光吸収層４０３の電界を集中させてバンドギャップを縮小し、光を効率よく吸収させることができる。
【０１４８】
なお、図１１の例において、Ａｌ除去工程はｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層８０３の途中に設けられている。
【０１４９】
第９の実施形態
本発明の第９の実施形態の光伝送システムは、第１〜第８のいずれかの実施形態の半導体発光素子を用いたことを特徴としている。
【０１５０】
第１〜第８のいずれかの実施形態の半導体発光素子は、石英光ファイバの伝送に適した１．２〜１．６μｍの波長でレーザ発振する半導体レーザ素子である。そして、面発光型であるため、消費電力が低く、製造コストが低減できる。また、光変調器が集積されており、１０ＧＨｚ以上の高速変調が可能となっている。そして、光変調器と半導体レーザがモノリシックに集積されているため、光伝送モジュールの部品数が少なくなり、小型化できる。従って、１０Ｇｂｐｓ以上、例えば２０〜４０Ｇｂｐｓの大容量光伝送システムを低コストで実現することができる。
【０１５１】
図１２は本発明の第９の実施形態の光伝送システムの構成例を示す図である。図１２の光伝送システムは、光送信モジュール１２０１と、光受信モジュール１２０２と、石英光ファイバケーブル１２０３とを備えている。ここで、光送信モジュール１２０１には、変調器集積面発光半導体レーザ１２０４と、駆動制御回路１２０５とが設けられ、また、光受信モジュール１２０２には、受光素子１２０６と、受信回路１２０７とが設けられている。
【０１５２】
図１２の光伝送システムでは、光送信モジュール１２０１に入力された電気信号は、駆動制御回路１２０５に入力される。駆動制御回路１２０５では、変調器集積面発光半導体レーザ１２０４の面発光レーザ部に連続通電し、かつ光変調器に印加するバイアス電圧を入力信号に応じて変調させることにより、レーザ光強度を変調して光信号を発生させる。
【０１５３】
変調器集積面発光半導体レーザ１２０４からの光信号は、光ファイバケーブル１２０３を導波して光受信モジュール１２０２中の受光素子１２０６に入力される。受光素子１２０６は、受光した光信号を電気信号に変換する。その後、受信回路１２０７で、信号を増幅，符号化して出力する。
【０１５４】
図１２の光伝送システムにおいて、変調器集積面発光半導体レーザ１２０４には、第１〜第８のいずれかの実施形態の変調器集積面発光半導体レーザ素子を用いることができる。
【０１５５】
第１〜第８のいずれかの実施形態の半導体発光素子は、石英光ファイバの伝送に適した１．２〜１．６μｍの波長でレーザ発振する半導体レーザ素子である。そして、面発光型であるため、製造コストが低減できる。また、光変調器が集積されており、１０ＧＨｚ以上の高速変調が可能となっている。そして、光変調器と半導体レーザがモノリシックに集積されているため、光伝送モジュールの部品数が少なくなり、小型化できる。従って、２０〜４０Ｇｂｐｓの大容量光伝送システムを低コストで実現することができる。
【０１５６】
また、成長室に残留したＡｌ濃度を低減して、ＧａＩｎＮＡｓ活性層及びＧａＩｎＮＡｓ光吸収層を成長することによって、発光効率が高い半導体レーザを形成できる。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。
【０１５７】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板上に、
下部半導体分布ブラック反射鏡と、Ｎ（窒素）を構成元素として含むＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成される面発光半導体レーザ素子と、
Ｎを構成元素として含むＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積され、
前記半導体光変調器が、面発光半導体レーザ素子の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、前記下部半導体分布ブラッグ反射鏡または共振器または上部半導体分布ブラッグ反射鏡または半導体光変調器の一部が、Ａｌを構成元素として含む半導体層で構成されている半導体発光素子の製造方法において、
成長室に、窒素化合物原料またはＡｌ原料を供給して結晶成長する工程を有し、
さらに、Ａｌを構成元素として含む層の結晶成長工程と、Ｎを構成元素として含む層の結晶成長工程との間に、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ので、活性層の発光効率を改善でき、また、表面平坦性の劣化を抑制することができる。
【０１５８】
また、請求項２記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板上に、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成された面発光半導体レーザ素子と、
ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積されており、
前記半導体光変調器は、活性層よりも上側の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の上部半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と共振器との間に残留不純物が偏析した界面を有し、前記界面と前記共振器との間に、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる非発光再結合防止層が設けられているので、活性層の発光効率を更に向上させることができる。
【０１５９】
また、請求項３記載の発明によれば、ＧａＡｓ基板上に、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成された面発光半導体レーザ素子と、
ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積されており、
前記半導体光変調器は、活性層よりも下側の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の下部半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、
ＧａＡｓ基板側の下部半導体分布ブラッグ反射鏡と光吸収層との間に残留不純物が偏析した界面を有し、前記界面と前記光吸収層との間に、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる非発光再結合防止層が設けられているので、光変調器のリーク電流を抑制して、信頼性を向上させることができる。
【０１６０】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項２または請求項３に記載の半導体発光素子において、活性層と光吸収層との間に設けられている半導体層は、全てＧａＩｎＡｓＰ系材料で形成されているので、活性層の発光効率をより一層向上させ、また、これと同時に、信頼性を向上させることができる。
【０１６１】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の半導体発光素子において、活性層と光吸収層との間に設けられている半導体層は、導電型がｎ型のものであるので、活性層の発光効率を低下させることなく、面発光半導体レーザの電流狭窄が可能となる。従って、低閾電流で動作させることができる。
【０１６２】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項２または請求項３に記載の半導体発光素子において、前記半導体光変調器は、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、光吸収層は、３／４波長の光学的厚さを有する高屈折率層中において、活性層に近い側から１／４波長の光学的厚さの位置に配置されているので、活性層で発生した光を効率良く吸収することができる。
【０１６３】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項６記載の半導体発光素子において、光吸収層と共振器との間に２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡が設けられており、
２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡において、共振器に近い側の高屈折率層にオーミック電極が形成されているので、活性層と光吸収層の両方に対してキャリア閉じ込めを高くすることができる。
【０１６４】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項５記載の半導体発光素子において、
光吸収層と活性層との間の領域を除いて、光吸収層と活性層のそれぞれ上下に選択酸化層が設けられているので、活性層への電流狭窄に加えて、発振領域の光吸収層に電界を集中させることができる。従って、光を効率良く吸収させることができる。
【０１６５】
また、請求項９記載の発明によれば、光伝送システムに請求項２乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体発光素子を用いたことを特徴とする光伝送システムので、１０Ｇｂｐｓ以上の大容量伝送を低コストで実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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２】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３】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４】第１の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。
【図５】第２の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。
【図６】第３の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。
【図７】第４の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。
【図８】第５の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。
【図９】第６の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。
【図１０】第７の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。
【図１１】第８の実施形態の半導体発光素子の一例を示す図である。
【図１２】第９の実施形態の光伝送システムの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ Ａｌを含む第１の半導体層
３ 中間層
４ 窒素を含む活性層
５ 第２の半導体層
４０１ 第１導電型のＧａＡｓ基板
４０２ 第１導電型の下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡
４０３ ＧａＩｎＮＡｓ光吸収層
４０４ 第２導電型の下部分布ブラッグ反射鏡
４０５ 下部ＧａＡｓスペーサ層
４０６ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
４０７ 上部ＧａＡｓスペーサ層
４０８ 第１導電型のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡
４０９ 上部電極
４１０ 共通電極
４１１ 裏面電極
５０１ ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層
５０２ 第２導電型の上部分布ブラッグ反射鏡
５０３ 第１導電型の上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡
７０１ 第２導電型の下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡
８０１ ｐ型ＧａＡｓ基板
８０２ ｐ型下部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡
８０３ ｐ型ＧａＩｎＰ非発光再結合防止層
８０４ ｎ型下部ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ分布ブラッグ反射鏡
８０５ ｐ型ＡｌＡｓ層
８０６ ｐ型上部ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ分布ブラッグ反射鏡
８０７ ＡｌＯx絶縁領域
８０４ａ ｎ型ＧａＩｎＰ低屈折率層
８０４ｂ ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層
９０１ 下部ＧａＡｓ中間層
９０２ ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸光吸収層
９０３ 上部ＧａＡｓ中間層
１１０１ ｐ型ＡｌＡｓ層
１２０１ 光送信モジュール
１２０２ 光受信モジュール
１２０３ 光ファイバケーブル
１２０４ 変調器集積面発光レーザ素子
１２０５ 駆動制御回路
１２０６ 受光素子
１２０７ 受信回路
Claims (9)
- ＧａＡｓ基板上に、
下部半導体分布ブラック反射鏡と、Ｎ（窒素）を構成元素として含むＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成される面発光半導体レーザ素子と、
Ｎを構成元素として含むＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積され、
前記半導体光変調器が、面発光半導体レーザ素子の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、前記下部半導体分布ブラッグ反射鏡または共振器または上部半導体分布ブラッグ反射鏡または半導体光変調器の一部が、Ａｌを構成元素として含む半導体層で構成されている半導体発光素子の製造方法において、
成長室に、窒素化合物原料またはＡｌ原料を供給して結晶成長する工程を有し、
さらに、Ａｌを構成元素として含む層の結晶成長工程と、Ｎを構成元素として含む層の結晶成長工程との間に、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する半導体発光素子の製造方法。 - ＧａＡｓ基板上に、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成された面発光半導体レーザ素子と、
ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積されており、
前記半導体光変調器は、活性層よりも上側の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の上部半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と共振器との間に残留不純物が偏析した界面を有し、前記界面と前記共振器との間に、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる非発光再結合防止層が設けられていることを特徴とする半導体発光素子。 - ＧａＡｓ基板上に、
下部半導体分布ブラッグ反射鏡と、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む共振器と、上部半導体分布ブラッグ反射鏡とを積層して構成された面発光半導体レーザ素子と、
ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された光吸収層を含む半導体光変調器とが、
積層方向にモノリシックに集積されており、
前記半導体光変調器は、活性層よりも下側の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の下部半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、
ＧａＡｓ基板側の下部半導体分布ブラッグ反射鏡と光吸収層との間に残留不純物が偏析した界面を有し、前記界面と前記光吸収層との間に、ＧａＩｎＡｓＰ系材料からなる非発光再結合防止層が設けられていることを特徴とする半導体発光素子。 - 請求項２または請求項３に記載の半導体発光素子において、活性層と光吸収層との間に設けられている半導体層は、全てＧａＩｎＡｓＰ系材料で形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項４記載の半導体発光素子において、活性層と光吸収層との間に設けられている半導体層は、導電型がｎ型のものであることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項２または請求項３に記載の半導体発光素子において、前記半導体光変調器は、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に配置されており、光吸収層は、３／４波長の光学的厚さを有する高屈折率層中において、活性層に近い側から１／４波長の光学的厚さの位置に配置されていることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項６記載の半導体発光素子において、光吸収層と共振器との間に２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡が設けられており、２周期の半導体分布ブラッグ反射鏡において、共振器に近い側の高屈折率層にオーミック電極が形成されていることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項５記載の半導体発光素子において、光吸収層と活性層との間の領域を除いて、光吸収層と活性層のそれぞれ上下に選択酸化層が設けられていることを特徴とする半導体発光素子。
- 請求項２乃至請求項８のいずれか一項に記載の半導体発光素子を用いたことを特徴とする光伝送システム。
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