JP4321987B2 - 半導体分布ブラッグ反射鏡およびその製造方法および面発光型半導体レーザおよび光通信モジュールおよび光通信システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体分布ブラッグ反射鏡およびその製造方法および面発光型半導体レーザおよび光通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】
面発光型半導体レーザは、基板に対して垂直方向に光を出射する半導体レーザであり、光インターコネクションの光源，光ピックアップ用の光源等に用いられている。より詳細に、面発光型半導体レーザは、光を発生する活性層を含んだ活性領域を反射鏡で挟んだ構造となっており、その反射鏡としては、低屈折率層と高屈折率層を交互に積層した半導体分布ブラッグ反射鏡が広く用いられている。半導体分布ブラッグ反射鏡の材料としては、活性層から発生する光を吸収しない材料（一般に、活性層よりもワイドバンドギャップの材料）であって、格子緩和を発生させないために基板に格子整合する材料が用いられる。
【０００３】
面発光型半導体レーザにおいて、半導体分布ブラッグ反射鏡の反射率は、９９％以上と極めて高くする必要がある。半導体分布ブラッグ反射鏡の反射率は、積層数を増やすことによって高くなる。しかし、積層数が増加すると、半導体分布ブラッグ反射鏡の作製が困難になってしまう。このため、低屈折率層と高屈折率層の屈折率差が大きい方が好ましい。ＡｌＧａＡｓ系材料は、ＡｌＡｓとＧａＡｓが終端物質であり、格子定数は基板であるＧａＡｓとほぼ同程度であり、屈折率差が大きく、少ない積層数で高反射率を得ることができるので、半導体分布ブラッグ反射鏡に良く用いられている。
【０００４】
ＭＯＣＶＤ法により成長するＡｌＧａＡｓ系材料を用いて半導体分布ブラッグ反射鏡を作る際に、ｐ型の半導体を得るためにドープされる元素としてはＺｎ，Ｃ（炭素），Ｍｇがある。特にＣ（炭素）は比較的高いドーピング濃度を達成できる上に、半導体中での拡散係数が小さい。ＡｌＧａＡｓ系材料を用いた半導体分布ブラッグ反射鏡においても十分な反射率を得るには数十層以上の積層が必要とされるため、その成長時間は長くならざるを得ない。しかし、半導体ブラッグ反射鏡の成長に際しても、Ｃ（炭素）は拡散係数が小さいことで、その成長時間中に半導体中のドーピングプロファイルが変化しにくいためｐ型を成長する際にドープする元素としては比較的好ましい。これに対して、Ｚｎは有機金属原料を用いることでＭＯＣＶＤにおいて容易にドープすることが可能ではあるが、非常に拡散が起こりやすい。よってＺｎをドープした場合、長時間に及ぶ成長を必要とする半導体分布ブラッグ反射鏡の成長においては、成長時の温度による拡散でドーピングプロファイルの変化などが起きることがあり、好ましくない点がある。また、活性層に近い位置においてＺｎがドープされている場合には、活性層へのＺｎの拡散によって活性層の発光効率の低下などが起きる場合があることが良く知られている。特開平１１−４０４４号においては、レーザダイオードや発光ダイオードのしきい電流密度が高くなる原因の１つとしてＺｎの活性層への拡散を挙げており、その解決方法としてＣ（炭素）ドープを用いることを提案している。
【０００５】
以上のような理由によって、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いた半導体分布ブラッグ反射鏡をＭＯＣＶＤ法で成長するにおいては、ｐ型の結晶を成長する際、特にＧａＡｓを成長する際に、Ｃ（炭素）をドープすることが比較的多い。
【０００６】
このＣ（炭素）をＭＯＣＶＤ法においてＡｌＧａＡｓやＧａＡｓにドープする際に、ドーパントとしてはハロメタン、特にＣＢｒ4が良く用いられ、報告されている（例えば、文献「 N. I. Buchan et al. J. CrystalGrowth 110 (1991) 405」を参照）。これは、ＣＢｒ4はＭＯＣＶＤ法におけるｐ型のドーパントとして用いた場合、ドーピング濃度をコントロールできる範囲が比較的広いためである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このＣＢｒ4などのハロメタンをドーパントとして用いた場合、例えばコンタクト用にＧａＡｓへ高い濃度（１．０Ｅ１９ｃｍ-3程度）でＣ（炭素）をドープしようとした場合、ＧａＡｓの成長レートが不安定になり、通常の成長レートから遅くなってしまうという問題があった。
【０００８】
また、コンタクト層として用いるような高濃度のドープを施すためにはハロメタンの供給量をかなり多くしなければならないが、ＣＢｒ4等の供給が多くなるとハロゲン基に由来するエッチング作用によって半導体膜の表面のモホロジが悪化することもある。
【０００９】
特にｐ型半導体からなる半導体分布ブラッグ反射鏡を面発光型半導体レーザの上側反射鏡として用い、電流注入のためのｐ側コンタクト層をレーザ光を取り出す表面と同じにした場合、反射鏡の最表面の膜の厚さがコントロールしにくくなるのは好ましくない。反射鏡の最表面は光学周期の端の位置を決めるものであるため、この厚さがずれると反射鏡の反射帯域がずれ、また反射鏡の最大反射率も低下していくため好ましくない。さらにレーザ光の取り出し窓となるコンタクト層の表面モホロジが悪くなるのは好ましくない。
【００１０】
その上、このような高濃度のＣ（炭素）ドープを施すためにＣＢｒ4等を大量に供給した場合、ハロメタンは比較的吸着しやすい性質を持っているため、装置内部の反応管，配管等に残留しやすい。このようにＣＢｒ4等が残留した場合、その直後に同じ装置で例えば半導体レーザの活性層を成長したりすると、その発光効率が低下するなどの悪影響を及ぼすことがある。
【００１１】
本発明は、高いドーピング濃度を必要とするｐ型半導体のコンタクト層を含むときにも、安定に成長できるコンタクト層を有し、かつ特性の悪化の無い半導体分布ブラッグ反射鏡およびその製造方法および面発光型半導体レーザおよび光通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。
【００１２】
【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、ハロメタンをドーパントとして用い、炭素（Ｃ）をドープしたＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓをＭＯＣＶＤ法によって成長し、前記ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓを含むｐ型半導体層を積層することによって形成する半導体分布ブラッグ反射鏡の製造方法において、
前記半導体分布ブラッグ反射鏡の上部にコンタクト層を形成し、前記コンタクト層と該コンタクト層に近い側で前記半導体分布ブラッグ反射鏡に含まれる複数の層のうちの一部のＧａＡｓ層のドーパントに、ハロメタンに変えて、Ｚｎを含む有機金属化合物を用いることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体分布ブラッグ反射鏡の製造方法において、ハロメタンはＣＢｒ4であることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の半導体分布ブラッグ反射鏡の製造方法によって作製されたことを特徴としている。
【００１５】
また、請求項４記載の発明は、レーザ光を得るために活性層の上部及び下部に設けられた反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、請求項３に記載の半導体分布ブラッグ反射鏡を上部反射鏡とし、前記上部反射鏡を構成するｐ型半導体層のうち少なくとも活性層側に近接した層は炭素（Ｃ）をドープしたことを特徴としている。
【００１６】
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の面発光型半導体レーザにおいて、活性層がＧａＩｎＡｓあるいはＧａＩｎＮＡｓからなることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の面発光型半導体レーザを用いた光通信モジュールであることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項７記載の発明は、請求項６記載の光通信モジュールを用いた光通信システムであることを特徴としている。
【００１９】
【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。
【００２０】
本発明の半導体分布ブラッグ反射鏡は、ハロメタンをドーパントとして用い、炭素（Ｃ）をドープしたＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓをＭＯＣＶＤ法によって成長し、前記ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓを含むｐ型半導体層を積層することによって形成され、この際に、少なくともコンタクト層を含む高濃度のドープを施す層のドーパントにＺｎを含む有機金属化合物を用いることを特徴としている。
【００２１】
ここで、ハロメタンはＣＢｒ4である。
【００２２】
本発明では、ハロメタンをドーパントとして用い、炭素（Ｃ）をドープしたＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓをＭＯＣＶＤ法によって成長し、前記ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓを含むｐ型半導体層を積層することによって半導体分布ブラッグ反射鏡を形成するときに、少なくともコンタクト層を含む高濃度のドープを施す層のドーパントにＺｎを含む有機金属化合物を用いるので、コンタクト層を含む高濃度のドープを施した層を成長する際に高濃度のハロメタンの影響でＧａＡｓの成長レートの低下が起きたり、モホロジの悪化などが起きたりすることを防止することができ、反射鏡の性能の悪化を防ぎ、安定に良質の半導体分布ブラッグ反射鏡を作製することができる。
【００２３】
また、ハロメタンとしてＣＢｒ4を用いる場合には、ＭＯＣＶＤ法におけるｐ型のドーパントとしてＣ（炭素）のドーピング濃度をコントロールできる範囲が比較的広いため、良質の半導体分布ブラッグ反射鏡を作製できる。
【００２４】
また、本発明では、レーザ光を得るために活性層の上部及び下部に設けられた反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、上述のように作製された半導体分布ブラッグ反射鏡を上部反射鏡とし、上部反射鏡を構成するｐ型半導体層のうち少なくとも活性層側に近接した層をＣ（炭素）ドープしたものとすることができる。
【００２５】
このように、上述のように作製された半導体分布ブラッグ反射鏡を上部反射鏡とし、前記上部反射鏡を構成するｐ型半導体層のうち少なくとも活性層側に近接した層をＣ（炭素）ドープしたものとする場合には、ドープした元素の拡散による活性層の発光効率の低下などが生じることがなく、かつ、反射鏡の性能の悪化を防ぎ、安定で良質の半導体分布ブラッグ反射鏡を作製でき、また、多量のハロメタンの利用に伴うＭＯＣＶＤ装置内部へのハロメタンの吸着が抑えられるため、連続的にレーザを成長した際にも残留したハロメタンによる活性層の劣化を避けることができ、安定で高品質な面発光型半導体レーザを作製できる。
【００２６】
ここで、この面発光型半導体レーザにおいて、活性層はＧａＩｎＡｓあるいはＧａＩｎＮＡｓからなっている。このように、活性層がＧａＩｎＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓからなるときには、ＧａＩｎＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓからなる活性層に対して、熱による劣化が起きない温度で容易に成長できるｐ型半導体を用いて上側の反射鏡を作成した場合でも、ドープした元素の拡散による活性層の発光効率の低下などが生じることがなく、かつ、反射鏡の性能の悪化を防ぎ、安定に良質の半導体分布ブラッグ反射鏡を作製でき、安定で高品質な面発光型半導体レーザを提供できる。
【００２７】
図１は本発明により作製された半導体分布ブラッグ反射鏡を含む面発光型半導体レーザの構成例を示す図である。図１を参照すると、この面発光型半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡２と、ＧａＡｓ下部スペーサ層３と、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４と、ＧａＡｓ上部スペーサ層５と、ＡｌＡｓ層６と、ｐ型半導体多層膜反射鏡７とが順次形成されている。
【００２８】
そして、この積層構造は、ｎ型半導体多層膜反射鏡２に達するまで円筒状にエッチングされて、メサ構造が形成されている。メササイズは直径が３０μｍとなっている。そして、エッチングして表面が露出した側面からＡｌＡｓ層６を選択的に酸化させ、ＡｌＯx絶縁領域を形成することにより、電流狭窄構造が形成されている。この場合、電流は、ＡｌＯx絶縁領域によって直径が約５μｍの酸化開口領域に集中して活性層４に注入される。
【００２９】
また、図１の例では、ｐ型半導体多層膜反射鏡７の表面には（ｐ型ＧａＡｓコンタクト層７a上には）、リング状のｐ側電極９が形成され、また、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面には、ｎ側電極１０が形成されている。
【００３０】
ここで、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４は、バンドギャップ波長が１．３μｍ帯となっている。そして、ＧａＡｓ下部スペーサ層３からＧａＡｓ上部スペーサ層５までは、λ共振器を構成している。
【００３１】
活性層４用の材料としてのＧａＩｎＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓは、成長後７００℃を越えるような温度でアニールされると、その結晶が劣化し、発光効率の低下などが起きることが知られている。ＭＯＣＶＤ法で特にＡｌＧａＡｓを成長した場合、７００℃を下回るような温度で成長しようとすると、有機金属原料に由来するＣ（炭素）がアクセプタとして大量に導入されやすくなる。そのため、ｎ型半導体多層膜反射鏡をＡｌＧａＡｓ系の材料で成長しようとすると、どうしても高温での成長が望まれることとなる。ゆえにＧａＩｎＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓ成長後に成長する上側の半導体多層膜反射鏡７はＡｌＧａＡｓ系材料を用いて作る場合、ｐ型の方が低温で成長しやすく、好ましい。
【００３２】
図１の例では、ｎ型半導体多層膜反射鏡２は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層とを交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成されている。同様に、ｐ型半導体多層膜反射鏡７も、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層とｐ型Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層とを交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成されている。
【００３３】
ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層は、ドーパントとしてＣＢｒ4を用いて成長されており、ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層と共にＣ（炭素）ドープとなっている。ＣＢｒ4は、ＭＯＣＶＤ法におけるｐ型のドーパントとして用いた場合、Ｃ（炭素）ドープの時にドーピング濃度をコントロールできる範囲が比較的広いため、好適である。
【００３４】
Ｃ（炭素）は、拡散係数が小さいため、ｐ型半導体多層膜を成長する際にドーピングプロファイルが変化することも無く、また、活性領域へ拡散してレーザの発光特性を低下させることもない。
【００３５】
図１の例では、ｐ型半導体多層膜反射鏡７の最表面は、例えばＤＭＺｎ（ジメチル亜鉛）をドーパントとして用い、Ｚｎを１．０Ｅ１９ｃｍ-3ドープして成長したＧａＡｓ層からなっている。ＤＭＺｎは、高濃度のＺｎ用のドーパントとして用いる場合でも、ＧａＡｓの成長レートを大きく変化させるようなことは無く、また、表面モホロジが荒れることも無い。Ｚｎは、最表面でのみドープされているため、熱による拡散が起きる時間もほとんど無いため、問題が起きることは無い。
【００３６】
また、この例では、図２に示すように、ｐ型半導体多層膜反射鏡７の最表面である１／４λの厚さのＧａＡｓ層のすべてにＺｎをドープしてコンタクト層７ａとしているが、本発明は特に１／４λの厚さのＧａＡｓ層のすべてにＺｎをドープすることに限定はされない。例えば１．３μｍ帯においては１／４λに相当するＧａＡｓの厚さは１００ｎｍ弱ほどになるが、表面をコンタクト層７ａとして利用する場合、例えば図３に示すように、表面から５０ｎｍの厚さのみをコンタクト層７ａとして機能させるために、表面から５０ｎｍの厚さのＧａＡｓ層のみに高濃度でＺｎドープし、残りのＧａＡｓ層を通常濃度のＣ（炭素）ドープにしても良い。この時は、コンタクト層７ａは５０ｎｍ厚であるが、最表面のＧａＡｓ層はコンタクト層７ａのＺｎドープ部分とＣ（炭素）ドープ部分とを合わせて１／４λになるようになっていれば、反射鏡としては特に問題はない。
【００３７】
図１の面発光型半導体レーザでは、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４で発光した光は、上下の半導体多層膜反射鏡２，７で反射されて増幅され、１．３μｍ帯のレーザ光を基板１と垂直方向に放射する。
【００３８】
ＧａＡｓ基板１上での半導体多層膜反射鏡２，７としては、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ積層型が最も容易に高性能の反射鏡を作製でき、ＡｌＡｓの選択酸化プロセスが利用でき、ＧａＡｓ基板との格子整合性が良いため利用しやすい。実際、０．８５μｍ帯および０．９８μｍ帯の面発光型半導体レーザは、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ積層型の半導体多層膜反射鏡を用いて実際に製造販売されており、ＧａＡｓ基板上の面発光型半導体レーザにおいては、このＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ積層型の半導体多層膜反射鏡は必須ともいえるものである。従来のように、ｐ型のドーパントとしてＣＢｒ4等のハロメタンのみを用いた場合には、ｐ型コンタクト層７ａを成長させる際にＧａＡｓの成長レートの低下が起きたり、表面モホロジの悪化などが起き、半導体分布ブラッグ反射鏡の性能を低下させることがあった。また、ＤＭＺｎ等のＺｎを含む有機金属化合物のみをドーパントとして用いた場合、Ｚｎの熱による拡散でドーピングプロファイルの変化が生じたり、活性領域へのＺｎの拡散による発光効率の低下などが生じることがあった。しかし、本発明においては、コンタクト層７ａをＺｎドープ、その他のｐ型半導体分布ブラッグ反射鏡７をＣ（炭素）ドープとしたことで、反射鏡の性能の悪化を防ぎ、安定に良質の反射鏡を作製でき、これを用いて面発光型半導体レーザを作ることができる。
【００３９】
また、活性層用の材料としてＧａＩｎＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓを用いた場合には、高温による活性層の劣化を避けるために上部反射鏡としてはｎ型より低温で成長しやすいｐ型半導体多層膜反射鏡を用いることが多い。よって必然的に光の出射口である最表面のＧａＡｓ等からなる高屈折率層は、通電のためのコンタクト層としても用いられるため、高ドープのｐ型にしなければならない。図１の例では、ｐ型半導体分布ブラッグ反射鏡を上部反射鏡として用いる際の問題点を解決しているため、このような構成を取らねばならないＧａＩｎＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓを用いた面発光型半導体レーザを作製するのに好適である。
【００４０】
さらに、高濃度のＣ（炭素）ドープのために大量のＣＢｒ4等のハロメタンを反応の際に導入して成長した場合には、装置内部へのＣＢｒ4等の吸着が起き、連続して半導体レーザなどを成長した場合、活性層の発光効率の低下などが起きることがある。本発明では、コンタクト層以外の部分のドーパントとしてのみＣＢｒ4を用いており、コンタクト層以外の部分のＣ（炭素）ドープ濃度はコンタクト層のそれに対して１／１０以下の１．０Ｅ１８ｃｍ-3より低い濃度で良いことから、反応の際にＣＢｒ4等の導入量を最小限に抑えられる。よって、連続的に図１の例のような半導体レーザを作製した場合においても、装置内の反応管や配管等へのＣＢｒ4等の吸着が最小限に抑えられ、活性層４へのＣＢｒ4等による悪影響が最小限に抑えられる。
【００４１】
図４は本発明により作製された半導体分布ブラッグ反射鏡を含む面発光型半導体レーザの他の構成例を示す図である。なお、図４において図１と同様の箇所には同じ符号を付している。図４を参照すると、この面発光型半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡２と、ＧａＡｓ下部スペーサ層３と、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４と、ＧａＡｓ上部スペーサ層５と、ＡｌＡｓ層６と、ｐ型半導体多層膜反射鏡１７とが順次形成されている。
【００４２】
そして、この積層構造は、ｎ型半導体多層膜反射鏡２に達するまで円筒状にエッチングされて、メサ構造が形成されている。メササイズは直径が３０μｍとなっている。そして、エッチングして表面が露出した側面からＡｌＡｓ層６を選択的に酸化させ、ＡｌＯx絶縁領域を形成することにより、電流狭窄構造が形成されている。この場合、電流は、ＡｌＯx絶縁領域によって直径が約５μｍの酸化開口領域に集中して活性層４に注入される。
【００４３】
また、図４の例では、ｐ型半導体多層膜反射鏡１７の表面には（ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７a上には）、リング状のｐ側電極９が形成され、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面にはｎ側電極１０が形成されている。
【００４４】
ここで、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４は、バンドギャップ波長が１．３μｍ帯となっている。そして、ＧａＡｓ下部スペーサ層３からＧａＡｓ上部スペーサ層５までは、λ共振器を構成している。
【００４５】
このように、図４の基本的な構成は、図１の構成とほとんど同じであるが、図４の面発光型半導体レーザでは、図５に示すように、Ｚｎドープにした層が最表面のコンタクト層１７ａだけでなく、多層膜反射鏡を構成するＧａＡｓ層のうち、表面に近い側の複数の層にＺｎをドープし、活性層４に近接した側をＣ（炭素）ドープとした点で、図１の面発光型半導体レーザと相違している。
【００４６】
すなわち、図４，図５の構成例では、ｐ型半導体多層膜反射鏡１７の中で活性層４に近い下側ではＧａＡｓ層のドーパントとしてＣＢｒ4を用いて比較的低濃度でＣドープを行い、ドープした元素の拡散による活性層４への悪影響を避けるようにしている。ＡｌＧａＡｓは例えばＡｌ原料としてＴＭＡ（トリメチルＡｌ）を用い、成長時の有機金属原料の分解に伴うＣ（炭素）の取り込みを利用したＣ（炭素）のオートドーピングでＣ（炭素）を導入している。そして、ｐ型半導体多層膜反射鏡１７の上側では、ＧａＡｓ層にはＤＭＺｎをドーパントとしてＺｎがドープされ、ＡｌＧａＡｓ層にはオートドープによるＣ（炭素）ドープがなされている。このような構成により、ｐ型半導体多層膜反射鏡１７の活性層４に近い部分でのドープした元素（特にＺｎ）の拡散による活性層４への悪影響を避けることができる。
【００４７】
このように、図４，図５の構成では、コンタクト層においてキャリア濃度を高くしたい場合、ハロメタン（特にＣＢｒ4）を用いたＣドープのみでは前述の不具合が発生するような高い濃度では、ハロメタンの代わりにＤＭＺｎを用いてＺｎドープとすることで不具合無しに高いキャリア濃度が得られる。また、活性層に近いところではＺｎを用いていないので、Ｚｎ拡散が活性層に悪影響を及ぼすことがない。
【００４８】
上述したような本発明の面発光型半導体レーザを用いて光通信モジュールを構成することができる。図６は本発明に係る光通信（光送受信）モジュールの構成例を示す図である。図６の例では、光通信モジュールは、面発光型半導体レーザ素子２１と、受信用フォトダイオード２２と、光ファイバー２３とを組み合わせて構成されている。
【００４９】
ここで、面発光型半導体レーザ素子２１には、上述した（図１，図２，図３、または、図４，図５に示したような）本発明の面発光型半導体レーザ素子（例えば１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザ素子）が用いられている。
【００５０】
高歪ＧａＩｎＡｓあるいはＧａＩｎＮＡｓを用いた面発光型半導体レーザは、１．２〜１．３μｍ帯での発振を得られる素子であり、これらの波長では石英系の光ファイバに対しての損失が少ないなどの理由により、通信用の光源として好適であるとされている。さらには、特に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、また、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。また、ＧａＩｎＮＡｓは、その優れた温度特性から、強力な冷却用の構成を必要としない。そのため、冷却用のコストが削減でき、安価な光通信モジュールを得られる。
【００５１】
そして、このような本発明の光通信モジュールを用いて光通信システムを構成することができる。
【００５２】
このように、本発明によれば、上部反射鏡を高品質のｐ型半導体多層膜で成長することができるため、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ＡｌＧａＡｓ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、上述した例のように面発光型半導体レーザ素子を製造することがより容易に行なえるようになり、高性能の通信用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て、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。
【００５３】
【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、ハロメタンをドーパントとして用い、炭素（Ｃ）をドープしたＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓをＭＯＣＶＤ法によって成長し、前記ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓを含むｐ型半導体層を積層することによって形成する半導体分布ブラッグ反射鏡の製造方法において、
前記半導体分布ブラッグ反射鏡の上部にコンタクト層を形成し、前記コンタクト層と該コンタクト層に近い側で前記半導体分布ブラッグ反射鏡に含まれる複数の層のうちの一部のＧａＡｓ層のドーパントに、ハロメタンに変えて、Ｚｎを含む有機金属化合物を用いるので、コンタクト層を含む高濃度のドープを施した層を成長する際に高濃度のハロメタンの影響でＧａＡｓの成長レートの低下が起きたり、モホロジの悪化などが起きたりすることを防止することができ、反射鏡の性能の悪化を防ぎ、安定に良質の半導体分布ブラッグ反射鏡を作製することができる。
【００５４】
また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明においてハロメタンとしてＣＢｒ4を用いることで、ＭＯＣＶＤ法におけるｐ型のドーパントとしてＣ（炭素）のドーピング濃度をコントロールできる範囲が比較的広いため、良質の半導体分布ブラッグ反射鏡を作製できる。
【００５５】
また、請求項４記載の発明によれば、レーザ光を得るために活性層の上部及び下部に設けられた反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、請求項１に記載の半導体分布ブラッグ反射鏡を上部反射鏡とし、前記上部反射鏡を構成するｐ型半導体層のうち少なくとも活性層側に近接した層をＣ（炭素）ドープしたものとすることで、ドープした元素の拡散による活性層の発光効率の低下などが生じることがなく、かつ、反射鏡の性能の悪化を防ぎ、安定で良質の半導体分布ブラッグ反射鏡を作製でき、また、多量のハロメタンの利用に伴うＭＯＣＶＤ装置内部へのハロメタンの吸着が抑えられるため、連続的にレーザを成長した際にも残留したハロメタンによる活性層の劣化を避けることができ、安定で高品質な面発光型半導体レーザを作製できる。
【００５６】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の面発光型半導体レーザにおいて、活性層をＧａＩｎＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓとしたことで、熱による劣化が起きない温度で容易に成長できるｐ型半導体を用いて上側の反射鏡を作成した場合でも、ドープした元素の拡散による活性層の発光効率の低下などが生じることがなく、かつ、反射鏡の性能の悪化を防ぎ、安定に良質の半導体分布ブラッグ反射鏡を作製でき、安定で高品質な面発光型半導体レーザを提供できる。
【００５７】
また、請求項６記載の発明によれば、光通信モジュールの光源として請求項５に記載の面発光型半導体レーザを用いたことにより、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いた高品質のｐ型半導体分布ブラッグ反射鏡を利用してＧａＩｎＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓなどの光ファイバーとマッチングの良い材料を用いた面発光型半導体レーザを光源として用いる、低コストで小型の光通信モジュールを提供できる。
【００５８】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項６に記載の光通信モジュールを用いることで、低コストで小型の光通信システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体分布ブラッグ反射鏡を含む面発光型半導体レーザの構成例を示す図である。
【図２】図１の面発光型半導体レーザにおいてｐ型半導体多層膜反射鏡の構成例を示す図である。
【図３】図１の面発光型半導体レーザにおいてｐ型半導体多層膜反射鏡の他の構成例を示す図である。
【図４】半導体分布ブラッグ反射鏡を含む面発光型半導体レーザの他の構成例を示す図である。
【図５】図４の面発光型半導体レーザにおいてｐ型半導体多層膜反射鏡の構成例を示す図である。
【図６】本発明の光通信モジュールの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型半導体多層膜反射鏡
３ ＧａＡｓ下部スペーサ層
４ 活性層
５ ＧａＡｓ上部スペーサ層
６ ＡｌＡｓ層
７ ｐ型半導体多層膜反射鏡
７ａ コンタクト層
９ ｐ側電極
１０ ｎ側電極
１７ ｐ型半導体多層膜反射鏡
１７ａ コンタクト層
２１ 面発光型半導体レーザ素子
２２ 受信用フォトダイオード
２３ 光ファイバー
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体分布ブラッグ反射鏡およびその製造方法および面発光型半導体レーザおよび光通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】
面発光型半導体レーザは、基板に対して垂直方向に光を出射する半導体レーザであり、光インターコネクションの光源，光ピックアップ用の光源等に用いられている。より詳細に、面発光型半導体レーザは、光を発生する活性層を含んだ活性領域を反射鏡で挟んだ構造となっており、その反射鏡としては、低屈折率層と高屈折率層を交互に積層した半導体分布ブラッグ反射鏡が広く用いられている。半導体分布ブラッグ反射鏡の材料としては、活性層から発生する光を吸収しない材料（一般に、活性層よりもワイドバンドギャップの材料）であって、格子緩和を発生させないために基板に格子整合する材料が用いられる。
【０００３】
面発光型半導体レーザにおいて、半導体分布ブラッグ反射鏡の反射率は、９９％以上と極めて高くする必要がある。半導体分布ブラッグ反射鏡の反射率は、積層数を増やすことによって高くなる。しかし、積層数が増加すると、半導体分布ブラッグ反射鏡の作製が困難になってしまう。このため、低屈折率層と高屈折率層の屈折率差が大きい方が好ましい。ＡｌＧａＡｓ系材料は、ＡｌＡｓとＧａＡｓが終端物質であり、格子定数は基板であるＧａＡｓとほぼ同程度であり、屈折率差が大きく、少ない積層数で高反射率を得ることができるので、半導体分布ブラッグ反射鏡に良く用いられている。
【０００４】
ＭＯＣＶＤ法により成長するＡｌＧａＡｓ系材料を用いて半導体分布ブラッグ反射鏡を作る際に、ｐ型の半導体を得るためにドープされる元素としてはＺｎ，Ｃ（炭素），Ｍｇがある。特にＣ（炭素）は比較的高いドーピング濃度を達成できる上に、半導体中での拡散係数が小さい。ＡｌＧａＡｓ系材料を用いた半導体分布ブラッグ反射鏡においても十分な反射率を得るには数十層以上の積層が必要とされるため、その成長時間は長くならざるを得ない。しかし、半導体ブラッグ反射鏡の成長に際しても、Ｃ（炭素）は拡散係数が小さいことで、その成長時間中に半導体中のドーピングプロファイルが変化しにくいためｐ型を成長する際にドープする元素としては比較的好ましい。これに対して、Ｚｎは有機金属原料を用いることでＭＯＣＶＤにおいて容易にドープすることが可能ではあるが、非常に拡散が起こりやすい。よってＺｎをドープした場合、長時間に及ぶ成長を必要とする半導体分布ブラッグ反射鏡の成長においては、成長時の温度による拡散でドーピングプロファイルの変化などが起きることがあり、好ましくない点がある。また、活性層に近い位置においてＺｎがドープされている場合には、活性層へのＺｎの拡散によって活性層の発光効率の低下などが起きる場合があることが良く知られている。特開平１１−４０４４号においては、レーザダイオードや発光ダイオードのしきい電流密度が高くなる原因の１つとしてＺｎの活性層への拡散を挙げており、その解決方法としてＣ（炭素）ドープを用いることを提案している。
【０００５】
以上のような理由によって、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いた半導体分布ブラッグ反射鏡をＭＯＣＶＤ法で成長するにおいては、ｐ型の結晶を成長する際、特にＧａＡｓを成長する際に、Ｃ（炭素）をドープすることが比較的多い。
【０００６】
このＣ（炭素）をＭＯＣＶＤ法においてＡｌＧａＡｓやＧａＡｓにドープする際に、ドーパントとしてはハロメタン、特にＣＢｒ4が良く用いられ、報告されている（例えば、文献「 N. I. Buchan et al. J. CrystalGrowth 110 (1991) 405」を参照）。これは、ＣＢｒ4はＭＯＣＶＤ法におけるｐ型のドーパントとして用いた場合、ドーピング濃度をコントロールできる範囲が比較的広いためである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このＣＢｒ4などのハロメタンをドーパントとして用いた場合、例えばコンタクト用にＧａＡｓへ高い濃度（１．０Ｅ１９ｃｍ-3程度）でＣ（炭素）をドープしようとした場合、ＧａＡｓの成長レートが不安定になり、通常の成長レートから遅くなってしまうという問題があった。
【０００８】
また、コンタクト層として用いるような高濃度のドープを施すためにはハロメタンの供給量をかなり多くしなければならないが、ＣＢｒ4等の供給が多くなるとハロゲン基に由来するエッチング作用によって半導体膜の表面のモホロジが悪化することもある。
【０００９】
特にｐ型半導体からなる半導体分布ブラッグ反射鏡を面発光型半導体レーザの上側反射鏡として用い、電流注入のためのｐ側コンタクト層をレーザ光を取り出す表面と同じにした場合、反射鏡の最表面の膜の厚さがコントロールしにくくなるのは好ましくない。反射鏡の最表面は光学周期の端の位置を決めるものであるため、この厚さがずれると反射鏡の反射帯域がずれ、また反射鏡の最大反射率も低下していくため好ましくない。さらにレーザ光の取り出し窓となるコンタクト層の表面モホロジが悪くなるのは好ましくない。
【００１０】
その上、このような高濃度のＣ（炭素）ドープを施すためにＣＢｒ4等を大量に供給した場合、ハロメタンは比較的吸着しやすい性質を持っているため、装置内部の反応管，配管等に残留しやすい。このようにＣＢｒ4等が残留した場合、その直後に同じ装置で例えば半導体レーザの活性層を成長したりすると、その発光効率が低下するなどの悪影響を及ぼすことがある。
【００１１】
本発明は、高いドーピング濃度を必要とするｐ型半導体のコンタクト層を含むときにも、安定に成長できるコンタクト層を有し、かつ特性の悪化の無い半導体分布ブラッグ反射鏡およびその製造方法および面発光型半導体レーザおよび光通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。
【００１２】
【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、ハロメタンをドーパントとして用い、炭素（Ｃ）をドープしたＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓをＭＯＣＶＤ法によって成長し、前記ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓを含むｐ型半導体層を積層することによって形成する半導体分布ブラッグ反射鏡の製造方法において、
前記半導体分布ブラッグ反射鏡の上部にコンタクト層を形成し、前記コンタクト層と該コンタクト層に近い側で前記半導体分布ブラッグ反射鏡に含まれる複数の層のうちの一部のＧａＡｓ層のドーパントに、ハロメタンに変えて、Ｚｎを含む有機金属化合物を用いることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体分布ブラッグ反射鏡の製造方法において、ハロメタンはＣＢｒ4であることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の半導体分布ブラッグ反射鏡の製造方法によって作製されたことを特徴としている。
【００１５】
また、請求項４記載の発明は、レーザ光を得るために活性層の上部及び下部に設けられた反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、請求項３に記載の半導体分布ブラッグ反射鏡を上部反射鏡とし、前記上部反射鏡を構成するｐ型半導体層のうち少なくとも活性層側に近接した層は炭素（Ｃ）をドープしたことを特徴としている。
【００１６】
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の面発光型半導体レーザにおいて、活性層がＧａＩｎＡｓあるいはＧａＩｎＮＡｓからなることを特徴としている。
【００１７】
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の面発光型半導体レーザを用いた光通信モジュールであることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項７記載の発明は、請求項６記載の光通信モジュールを用いた光通信システムであることを特徴としている。
【００１９】
【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。
【００２０】
本発明の半導体分布ブラッグ反射鏡は、ハロメタンをドーパントとして用い、炭素（Ｃ）をドープしたＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓをＭＯＣＶＤ法によって成長し、前記ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓを含むｐ型半導体層を積層することによって形成され、この際に、少なくともコンタクト層を含む高濃度のドープを施す層のドーパントにＺｎを含む有機金属化合物を用いることを特徴としている。
【００２１】
ここで、ハロメタンはＣＢｒ4である。
【００２２】
本発明では、ハロメタンをドーパントとして用い、炭素（Ｃ）をドープしたＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓをＭＯＣＶＤ法によって成長し、前記ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓを含むｐ型半導体層を積層することによって半導体分布ブラッグ反射鏡を形成するときに、少なくともコンタクト層を含む高濃度のドープを施す層のドーパントにＺｎを含む有機金属化合物を用いるので、コンタクト層を含む高濃度のドープを施した層を成長する際に高濃度のハロメタンの影響でＧａＡｓの成長レートの低下が起きたり、モホロジの悪化などが起きたりすることを防止することができ、反射鏡の性能の悪化を防ぎ、安定に良質の半導体分布ブラッグ反射鏡を作製することができる。
【００２３】
また、ハロメタンとしてＣＢｒ4を用いる場合には、ＭＯＣＶＤ法におけるｐ型のドーパントとしてＣ（炭素）のドーピング濃度をコントロールできる範囲が比較的広いため、良質の半導体分布ブラッグ反射鏡を作製できる。
【００２４】
また、本発明では、レーザ光を得るために活性層の上部及び下部に設けられた反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、上述のように作製された半導体分布ブラッグ反射鏡を上部反射鏡とし、上部反射鏡を構成するｐ型半導体層のうち少なくとも活性層側に近接した層をＣ（炭素）ドープしたものとすることができる。
【００２５】
このように、上述のように作製された半導体分布ブラッグ反射鏡を上部反射鏡とし、前記上部反射鏡を構成するｐ型半導体層のうち少なくとも活性層側に近接した層をＣ（炭素）ドープしたものとする場合には、ドープした元素の拡散による活性層の発光効率の低下などが生じることがなく、かつ、反射鏡の性能の悪化を防ぎ、安定で良質の半導体分布ブラッグ反射鏡を作製でき、また、多量のハロメタンの利用に伴うＭＯＣＶＤ装置内部へのハロメタンの吸着が抑えられるため、連続的にレーザを成長した際にも残留したハロメタンによる活性層の劣化を避けることができ、安定で高品質な面発光型半導体レーザを作製できる。
【００２６】
ここで、この面発光型半導体レーザにおいて、活性層はＧａＩｎＡｓあるいはＧａＩｎＮＡｓからなっている。このように、活性層がＧａＩｎＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓからなるときには、ＧａＩｎＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓからなる活性層に対して、熱による劣化が起きない温度で容易に成長できるｐ型半導体を用いて上側の反射鏡を作成した場合でも、ドープした元素の拡散による活性層の発光効率の低下などが生じることがなく、かつ、反射鏡の性能の悪化を防ぎ、安定に良質の半導体分布ブラッグ反射鏡を作製でき、安定で高品質な面発光型半導体レーザを提供できる。
【００２７】
図１は本発明により作製された半導体分布ブラッグ反射鏡を含む面発光型半導体レーザの構成例を示す図である。図１を参照すると、この面発光型半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡２と、ＧａＡｓ下部スペーサ層３と、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４と、ＧａＡｓ上部スペーサ層５と、ＡｌＡｓ層６と、ｐ型半導体多層膜反射鏡７とが順次形成されている。
【００２８】
そして、この積層構造は、ｎ型半導体多層膜反射鏡２に達するまで円筒状にエッチングされて、メサ構造が形成されている。メササイズは直径が３０μｍとなっている。そして、エッチングして表面が露出した側面からＡｌＡｓ層６を選択的に酸化させ、ＡｌＯx絶縁領域を形成することにより、電流狭窄構造が形成されている。この場合、電流は、ＡｌＯx絶縁領域によって直径が約５μｍの酸化開口領域に集中して活性層４に注入される。
【００２９】
また、図１の例では、ｐ型半導体多層膜反射鏡７の表面には（ｐ型ＧａＡｓコンタクト層７a上には）、リング状のｐ側電極９が形成され、また、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面には、ｎ側電極１０が形成されている。
【００３０】
ここで、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４は、バンドギャップ波長が１．３μｍ帯となっている。そして、ＧａＡｓ下部スペーサ層３からＧａＡｓ上部スペーサ層５までは、λ共振器を構成している。
【００３１】
活性層４用の材料としてのＧａＩｎＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓは、成長後７００℃を越えるような温度でアニールされると、その結晶が劣化し、発光効率の低下などが起きることが知られている。ＭＯＣＶＤ法で特にＡｌＧａＡｓを成長した場合、７００℃を下回るような温度で成長しようとすると、有機金属原料に由来するＣ（炭素）がアクセプタとして大量に導入されやすくなる。そのため、ｎ型半導体多層膜反射鏡をＡｌＧａＡｓ系の材料で成長しようとすると、どうしても高温での成長が望まれることとなる。ゆえにＧａＩｎＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓ成長後に成長する上側の半導体多層膜反射鏡７はＡｌＧａＡｓ系材料を用いて作る場合、ｐ型の方が低温で成長しやすく、好ましい。
【００３２】
図１の例では、ｎ型半導体多層膜反射鏡２は、ｎ型ＧａＡｓ高屈折率層とｎ型Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層とを交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成されている。同様に、ｐ型半導体多層膜反射鏡７も、ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層とｐ型Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ低屈折率層とを交互に積層した分布ブラッグ反射鏡で構成されている。
【００３３】
ｐ型ＧａＡｓ高屈折率層は、ドーパントとしてＣＢｒ4を用いて成長されており、ｐ型ＡｌＧａＡｓ低屈折率層と共にＣ（炭素）ドープとなっている。ＣＢｒ4は、ＭＯＣＶＤ法におけるｐ型のドーパントとして用いた場合、Ｃ（炭素）ドープの時にドーピング濃度をコントロールできる範囲が比較的広いため、好適である。
【００３４】
Ｃ（炭素）は、拡散係数が小さいため、ｐ型半導体多層膜を成長する際にドーピングプロファイルが変化することも無く、また、活性領域へ拡散してレーザの発光特性を低下させることもない。
【００３５】
図１の例では、ｐ型半導体多層膜反射鏡７の最表面は、例えばＤＭＺｎ（ジメチル亜鉛）をドーパントとして用い、Ｚｎを１．０Ｅ１９ｃｍ-3ドープして成長したＧａＡｓ層からなっている。ＤＭＺｎは、高濃度のＺｎ用のドーパントとして用いる場合でも、ＧａＡｓの成長レートを大きく変化させるようなことは無く、また、表面モホロジが荒れることも無い。Ｚｎは、最表面でのみドープされているため、熱による拡散が起きる時間もほとんど無いため、問題が起きることは無い。
【００３６】
また、この例では、図２に示すように、ｐ型半導体多層膜反射鏡７の最表面である１／４λの厚さのＧａＡｓ層のすべてにＺｎをドープしてコンタクト層７ａとしているが、本発明は特に１／４λの厚さのＧａＡｓ層のすべてにＺｎをドープすることに限定はされない。例えば１．３μｍ帯においては１／４λに相当するＧａＡｓの厚さは１００ｎｍ弱ほどになるが、表面をコンタクト層７ａとして利用する場合、例えば図３に示すように、表面から５０ｎｍの厚さのみをコンタクト層７ａとして機能させるために、表面から５０ｎｍの厚さのＧａＡｓ層のみに高濃度でＺｎドープし、残りのＧａＡｓ層を通常濃度のＣ（炭素）ドープにしても良い。この時は、コンタクト層７ａは５０ｎｍ厚であるが、最表面のＧａＡｓ層はコンタクト層７ａのＺｎドープ部分とＣ（炭素）ドープ部分とを合わせて１／４λになるようになっていれば、反射鏡としては特に問題はない。
【００３７】
図１の面発光型半導体レーザでは、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４で発光した光は、上下の半導体多層膜反射鏡２，７で反射されて増幅され、１．３μｍ帯のレーザ光を基板１と垂直方向に放射する。
【００３８】
ＧａＡｓ基板１上での半導体多層膜反射鏡２，７としては、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ積層型が最も容易に高性能の反射鏡を作製でき、ＡｌＡｓの選択酸化プロセスが利用でき、ＧａＡｓ基板との格子整合性が良いため利用しやすい。実際、０．８５μｍ帯および０．９８μｍ帯の面発光型半導体レーザは、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ積層型の半導体多層膜反射鏡を用いて実際に製造販売されており、ＧａＡｓ基板上の面発光型半導体レーザにおいては、このＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ積層型の半導体多層膜反射鏡は必須ともいえるものである。従来のように、ｐ型のドーパントとしてＣＢｒ4等のハロメタンのみを用いた場合には、ｐ型コンタクト層７ａを成長させる際にＧａＡｓの成長レートの低下が起きたり、表面モホロジの悪化などが起き、半導体分布ブラッグ反射鏡の性能を低下させることがあった。また、ＤＭＺｎ等のＺｎを含む有機金属化合物のみをドーパントとして用いた場合、Ｚｎの熱による拡散でドーピングプロファイルの変化が生じたり、活性領域へのＺｎの拡散による発光効率の低下などが生じることがあった。しかし、本発明においては、コンタクト層７ａをＺｎドープ、その他のｐ型半導体分布ブラッグ反射鏡７をＣ（炭素）ドープとしたことで、反射鏡の性能の悪化を防ぎ、安定に良質の反射鏡を作製でき、これを用いて面発光型半導体レーザを作ることができる。
【００３９】
また、活性層用の材料としてＧａＩｎＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓを用いた場合には、高温による活性層の劣化を避けるために上部反射鏡としてはｎ型より低温で成長しやすいｐ型半導体多層膜反射鏡を用いることが多い。よって必然的に光の出射口である最表面のＧａＡｓ等からなる高屈折率層は、通電のためのコンタクト層としても用いられるため、高ドープのｐ型にしなければならない。図１の例では、ｐ型半導体分布ブラッグ反射鏡を上部反射鏡として用いる際の問題点を解決しているため、このような構成を取らねばならないＧａＩｎＡｓおよびＧａＩｎＮＡｓを用いた面発光型半導体レーザを作製するのに好適である。
【００４０】
さらに、高濃度のＣ（炭素）ドープのために大量のＣＢｒ4等のハロメタンを反応の際に導入して成長した場合には、装置内部へのＣＢｒ4等の吸着が起き、連続して半導体レーザなどを成長した場合、活性層の発光効率の低下などが起きることがある。本発明では、コンタクト層以外の部分のドーパントとしてのみＣＢｒ4を用いており、コンタクト層以外の部分のＣ（炭素）ドープ濃度はコンタクト層のそれに対して１／１０以下の１．０Ｅ１８ｃｍ-3より低い濃度で良いことから、反応の際にＣＢｒ4等の導入量を最小限に抑えられる。よって、連続的に図１の例のような半導体レーザを作製した場合においても、装置内の反応管や配管等へのＣＢｒ4等の吸着が最小限に抑えられ、活性層４へのＣＢｒ4等による悪影響が最小限に抑えられる。
【００４１】
図４は本発明により作製された半導体分布ブラッグ反射鏡を含む面発光型半導体レーザの他の構成例を示す図である。なお、図４において図１と同様の箇所には同じ符号を付している。図４を参照すると、この面発光型半導体レーザは、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型半導体多層膜反射鏡２と、ＧａＡｓ下部スペーサ層３と、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４と、ＧａＡｓ上部スペーサ層５と、ＡｌＡｓ層６と、ｐ型半導体多層膜反射鏡１７とが順次形成されている。
【００４２】
そして、この積層構造は、ｎ型半導体多層膜反射鏡２に達するまで円筒状にエッチングされて、メサ構造が形成されている。メササイズは直径が３０μｍとなっている。そして、エッチングして表面が露出した側面からＡｌＡｓ層６を選択的に酸化させ、ＡｌＯx絶縁領域を形成することにより、電流狭窄構造が形成されている。この場合、電流は、ＡｌＯx絶縁領域によって直径が約５μｍの酸化開口領域に集中して活性層４に注入される。
【００４３】
また、図４の例では、ｐ型半導体多層膜反射鏡１７の表面には（ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１７a上には）、リング状のｐ側電極９が形成され、ｎ型ＧａＡｓ基板１の裏面にはｎ側電極１０が形成されている。
【００４４】
ここで、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層４は、バンドギャップ波長が１．３μｍ帯となっている。そして、ＧａＡｓ下部スペーサ層３からＧａＡｓ上部スペーサ層５までは、λ共振器を構成している。
【００４５】
このように、図４の基本的な構成は、図１の構成とほとんど同じであるが、図４の面発光型半導体レーザでは、図５に示すように、Ｚｎドープにした層が最表面のコンタクト層１７ａだけでなく、多層膜反射鏡を構成するＧａＡｓ層のうち、表面に近い側の複数の層にＺｎをドープし、活性層４に近接した側をＣ（炭素）ドープとした点で、図１の面発光型半導体レーザと相違している。
【００４６】
すなわち、図４，図５の構成例では、ｐ型半導体多層膜反射鏡１７の中で活性層４に近い下側ではＧａＡｓ層のドーパントとしてＣＢｒ4を用いて比較的低濃度でＣドープを行い、ドープした元素の拡散による活性層４への悪影響を避けるようにしている。ＡｌＧａＡｓは例えばＡｌ原料としてＴＭＡ（トリメチルＡｌ）を用い、成長時の有機金属原料の分解に伴うＣ（炭素）の取り込みを利用したＣ（炭素）のオートドーピングでＣ（炭素）を導入している。そして、ｐ型半導体多層膜反射鏡１７の上側では、ＧａＡｓ層にはＤＭＺｎをドーパントとしてＺｎがドープされ、ＡｌＧａＡｓ層にはオートドープによるＣ（炭素）ドープがなされている。このような構成により、ｐ型半導体多層膜反射鏡１７の活性層４に近い部分でのドープした元素（特にＺｎ）の拡散による活性層４への悪影響を避けることができる。
【００４７】
このように、図４，図５の構成では、コンタクト層においてキャリア濃度を高くしたい場合、ハロメタン（特にＣＢｒ4）を用いたＣドープのみでは前述の不具合が発生するような高い濃度では、ハロメタンの代わりにＤＭＺｎを用いてＺｎドープとすることで不具合無しに高いキャリア濃度が得られる。また、活性層に近いところではＺｎを用いていないので、Ｚｎ拡散が活性層に悪影響を及ぼすことがない。
【００４８】
上述したような本発明の面発光型半導体レーザを用いて光通信モジュールを構成することができる。図６は本発明に係る光通信（光送受信）モジュールの構成例を示す図である。図６の例では、光通信モジュールは、面発光型半導体レーザ素子２１と、受信用フォトダイオード２２と、光ファイバー２３とを組み合わせて構成されている。
【００４９】
ここで、面発光型半導体レーザ素子２１には、上述した（図１，図２，図３、または、図４，図５に示したような）本発明の面発光型半導体レーザ素子（例えば１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザ素子）が用いられている。
【００５０】
高歪ＧａＩｎＡｓあるいはＧａＩｎＮＡｓを用いた面発光型半導体レーザは、１．２〜１．３μｍ帯での発振を得られる素子であり、これらの波長では石英系の光ファイバに対しての損失が少ないなどの理由により、通信用の光源として好適であるとされている。さらには、特に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、また、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。また、ＧａＩｎＮＡｓは、その優れた温度特性から、強力な冷却用の構成を必要としない。そのため、冷却用のコストが削減でき、安価な光通信モジュールを得られる。
【００５１】
そして、このような本発明の光通信モジュールを用いて光通信システムを構成することができる。
【００５２】
このように、本発明によれば、上部反射鏡を高品質のｐ型半導体多層膜で成長することができるため、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ＡｌＧａＡｓ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、上述した例のように面発光型半導体レーザ素子を製造することがより容易に行なえるようになり、高性能の通信用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て、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。
【００５３】
【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、ハロメタンをドーパントとして用い、炭素（Ｃ）をドープしたＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓをＭＯＣＶＤ法によって成長し、前記ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓを含むｐ型半導体層を積層することによって形成する半導体分布ブラッグ反射鏡の製造方法において、
前記半導体分布ブラッグ反射鏡の上部にコンタクト層を形成し、前記コンタクト層と該コンタクト層に近い側で前記半導体分布ブラッグ反射鏡に含まれる複数の層のうちの一部のＧａＡｓ層のドーパントに、ハロメタンに変えて、Ｚｎを含む有機金属化合物を用いるので、コンタクト層を含む高濃度のドープを施した層を成長する際に高濃度のハロメタンの影響でＧａＡｓの成長レートの低下が起きたり、モホロジの悪化などが起きたりすることを防止することができ、反射鏡の性能の悪化を防ぎ、安定に良質の半導体分布ブラッグ反射鏡を作製することができる。
【００５４】
また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明においてハロメタンとしてＣＢｒ4を用いることで、ＭＯＣＶＤ法におけるｐ型のドーパントとしてＣ（炭素）のドーピング濃度をコントロールできる範囲が比較的広いため、良質の半導体分布ブラッグ反射鏡を作製できる。
【００５５】
また、請求項４記載の発明によれば、レーザ光を得るために活性層の上部及び下部に設けられた反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、請求項１に記載の半導体分布ブラッグ反射鏡を上部反射鏡とし、前記上部反射鏡を構成するｐ型半導体層のうち少なくとも活性層側に近接した層をＣ（炭素）ドープしたものとすることで、ドープした元素の拡散による活性層の発光効率の低下などが生じることがなく、かつ、反射鏡の性能の悪化を防ぎ、安定で良質の半導体分布ブラッグ反射鏡を作製でき、また、多量のハロメタンの利用に伴うＭＯＣＶＤ装置内部へのハロメタンの吸着が抑えられるため、連続的にレーザを成長した際にも残留したハロメタンによる活性層の劣化を避けることができ、安定で高品質な面発光型半導体レーザを作製できる。
【００５６】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の面発光型半導体レーザにおいて、活性層をＧａＩｎＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓとしたことで、熱による劣化が起きない温度で容易に成長できるｐ型半導体を用いて上側の反射鏡を作成した場合でも、ドープした元素の拡散による活性層の発光効率の低下などが生じることがなく、かつ、反射鏡の性能の悪化を防ぎ、安定に良質の半導体分布ブラッグ反射鏡を作製でき、安定で高品質な面発光型半導体レーザを提供できる。
【００５７】
また、請求項６記載の発明によれば、光通信モジュールの光源として請求項５に記載の面発光型半導体レーザを用いたことにより、ＡｌＧａＡｓ系材料を用いた高品質のｐ型半導体分布ブラッグ反射鏡を利用してＧａＩｎＡｓまたはＧａＩｎＮＡｓなどの光ファイバーとマッチングの良い材料を用いた面発光型半導体レーザを光源として用いる、低コストで小型の光通信モジュールを提供できる。
【００５８】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項６に記載の光通信モジュールを用いることで、低コストで小型の光通信システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体分布ブラッグ反射鏡を含む面発光型半導体レーザの構成例を示す図である。
【図２】図１の面発光型半導体レーザにおいてｐ型半導体多層膜反射鏡の構成例を示す図である。
【図３】図１の面発光型半導体レーザにおいてｐ型半導体多層膜反射鏡の他の構成例を示す図である。
【図４】半導体分布ブラッグ反射鏡を含む面発光型半導体レーザの他の構成例を示す図である。
【図５】図４の面発光型半導体レーザにおいてｐ型半導体多層膜反射鏡の構成例を示す図である。
【図６】本発明の光通信モジュールの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１ ｎ型ＧａＡｓ基板
２ ｎ型半導体多層膜反射鏡
３ ＧａＡｓ下部スペーサ層
４ 活性層
５ ＧａＡｓ上部スペーサ層
６ ＡｌＡｓ層
７ ｐ型半導体多層膜反射鏡
７ａ コンタクト層
９ ｐ側電極
１０ ｎ側電極
１７ ｐ型半導体多層膜反射鏡
１７ａ コンタクト層
２１ 面発光型半導体レーザ素子
２２ 受信用フォトダイオード
２３ 光ファイバー
Claims (7)
- ハロメタンをドーパントとして用い、炭素（Ｃ）をドープしたＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓをＭＯＣＶＤ法によって成長し、前記ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓを含むｐ型半導体層を積層することによって形成する半導体分布ブラッグ反射鏡の製造方法において、
前記半導体分布ブラッグ反射鏡の上部にコンタクト層を形成し、前記コンタクト層と該コンタクト層に近い側で前記半導体分布ブラッグ反射鏡に含まれる複数の層のうちの一部のＧａＡｓ層のドーパントに、ハロメタンに変えて、Ｚｎを含む有機金属化合物を用いることを特徴とする半導体分布ブラッグ反射鏡の製造方法。 - 請求項１記載の半導体分布ブラッグ反射鏡の製造方法において、ハロメタンはＣＢｒ４であることを特徴とする半導体分布ブラッグ反射鏡の製造方法。
- 請求項１または請求項２に記載の半導体分布ブラッグ反射鏡の製造方法によって作製されたことを特徴とする半導体分布ブラッグ反射鏡。
- レーザ光を得るために活性層の上部及び下部に設けられた反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、請求項３に記載の半導体分布ブラッグ反射鏡を上部反射鏡とし、前記上部反射鏡を構成するｐ型半導体層のうち少なくとも活性層側に近接した層は炭素（Ｃ）をドープしたことを特徴とする面発光型半導体レーザ。
- 請求項４記載の面発光型半導体レーザにおいて、活性層がＧａＩｎＡｓあるいはＧａＩｎＮＡｓからなることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
- 請求項５記載の面発光型半導体レーザを用いたことを特徴とする光通信モジュール。
- 請求項６記載の光通信モジュールを用いたことを特徴とする光通信システム。
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