JP2002185079A

JP2002185079A - 面発光型レーザ装置、これを用いた光モジュール、及び光システム

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Publication number: JP2002185079A
Application number: JP2000381433A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kitatani; 健北谷; Masahiko Kondo; 正彦近藤; Toshiaki Tanaka; 俊明田中
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2002-06-28
Anticipated expiration: 2020-12-15
Also published as: US6697405B2; US20020075921A1; JP4034513B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】１０Ｇｂ／ｓ以上の高速動作が可能な面発光
半導体レーザ装置、および光モジュールを提供する。【解決手段】半導体基板１０２上に、光を発生する活
性層領域１０５と、この活性層領域を挟んで半導体基板
と逆側に配置された電流狭窄領域１０７と、当半導体層
の積層方向において、活性層領域と電流狭窄領域とを上
下で反射鏡で挟んだ光共振器と、電流狭窄領域を挟ん
で、半導体基板側に設けられた第１の電極と、半導体基
板と反対側に設けられた第２の電極とを少なくとも有
し、電流狭窄領域と第２の電極の間に２次元キャリアの
生成が可能な積層構造を有する半導体層領域を有する面
発光型レーザ装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本願発明は、垂直共振器を有
する面発光型レーザ装置とそれを用いた光モジュール、
及び、光システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年のインターネット人口の爆発的増大
により、オフィス等のローカルエリアネットワーク（Ｌ
ＡＮ）においては情報伝送の急速な高速化が求められて
いる。５〜１０年後には、末端ユーザにおいてはＧｂ／
ｓレベル、ＨＵＢ（中継器）間を結ぶバック・ボーン
（ｂａｃｋｂｏｎｅ）においては１０Ｇｂ／ｓレベル
を超える伝送速度が必要になると予測されている。その
ため近い将来には、末端ユーザーまで光ファイバーを用
いた光通信の全面的導入が必須であると考えられる。通
常、光通信には、半導体レーザ、受光素子、及び、それ
らの駆動回路等を組み込んだ光モジュールが用いられ
る。将来のＬＡＮで用いられる光モジュールにおいて
は、１０Ｇｂ／ｓを超える高速伝送が可能であるという
性能面での要求に加えて、莫大な数の一般ユーザが使用
することを念頭におき、低コストで提供することが必須
となる。

【０００３】図１に、これまでに知られている１０Ｇｂ
／ｓを超える高速光モジュールの概略図を示す。

【０００４】ここで、４０１は半導体レーザ装置、４０
２はレーザ駆動回路、４０３は半導体レーザ装置よりの
光出力のモニター用の受光素子、４０４は素子の温度安
定化のためのぺルチェ素子、４０５は受光素子、４０６
は受光素子駆動回路、４０７は光モジュールパッケージ
全体、４０８は光モジュールを動作させる外部回路、４
０９は光ファイバーである。光モジュールは、外部回路
４０８に従って、半導体レーザ装置４０１からレーザ光
を発生する。ここで、１０Ｇｂ／ｓを越える高速変調光
は、外部変調器４０３を通して送信される。また、相手
の光モジュールから送信された光信号を、受光素子４０
５によって受信する。全ての光信号は、光ファイバー４
０９を通して高速でやり取りされる。ここで、半導体レ
ーザ装置としては、ガリウムインジウム燐砒素（ＧａＩ
ｎＰＡｓ）系の半導体材料を活性層に用いた端面発光型
のレーザが主として用いられている。発振波長は、長距
離、高速伝送が可能なシングルモードファイバーへ適用
できる１.３μｍ、あるいは１.５５μｍである。

【０００５】一般に、ＧａＩｎＰＡｓ系レーザは、素子
温度が上昇した時に、しきい値電流が大きく増大すると
いう欠点を有している。そのため、温度安定用のぺルチ
ェ素子４０４を組み込む必要があった。以上により、光
モジュールを構成する部品数が多く、その為モジュール
サイズも大型であり、光モジュール自体のコストが高か
った。これは、従来１０Ｇｂ／ｓという伝送速度のレベ
ルが、主としてコストよりも性能が重視される幹線系伝
送網に用いられていたことと大きく関連している。こう
した観点から、従来の１０Ｇｂ／ｓ光モジュールは、低
コスト化が必須の将来のＬＡＮへの適用において本質的
に不向きである。尚、図中の点線は、半導体レーザ設置
の光送信側と、受光素子設置の光受信側との区切りを示
すが、それぞれの部分が独立して、光送信モジュール、
及び、光受信モジュールとして構成される場合もある。
また、図では、光出力モニター用の受光素子等は省略し
て示してある。

【０００６】それに対して、将来的にＬＡＮで使用され
る高速光モジュールに適した光源として、面発光レーザ
ーが注目を集めている。面発光レーザーは、その共振器
長が僅か数μｍであり、端面発光レーザの共振器長（数
１００μｍ）に比べてはるかに短く、基本的に高速特性
に優れる。さらに、（１）ビーム形状が円形に近く光フ
ァイバとの結合が容易であること、（２）製造工程中で
は、へき開工程が不要でウエハ単位の素子検査が可能で
あること、（３）低しきい値電流でレーザ発振し低消費
電力といった低コスト化においても優れた特徴を有す
る。また、レーザの発振波長に関しても、近年、ガリウ
ムインジウム窒素砒素（ＧａＩｎＮＡｓ）、ガリウム砒
素アンチモン（ＧａＡｓＳｂ）といったガリウム砒素
（ＧａＡｓ）基板上に形成可能な新しい半導体材料によ
る１.３μｍ帯の面発光レーザの発振が相次いで報告さ
れている。

【０００７】これらの半導体レーザ装置は、長距離、高
速伝送が可能なシングルモードファイバーに適合する長
波長帯面発光レーザ実用化の期待が非常に高まってい
る。特に、ＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いた場合には、
伝導帯における深いポテンシャル井戸で電子を閉じ込め
ることができ、温度に対する特性の安定性も大幅に改善
できると予測されている。ＧａＩｎＮＡｓを活性層に用
いた長波長帯面発光レーザ装置は、こうした利点によ
り、高性能、且つ低コストで、ＬＡＮでの使用に適した
光モジュールを提供することが、可能であると期待され
ている。

【０００８】面発光レーザーの基本構成は、光を発生す
る活性層と、活性層の微少領域に電流を注入するための
電流狭窄層、及び、当前記活性層を上下に挟むように配
置された１組の反射鏡からなる光共振器をもって構成さ
れている。通例、前記反射鏡は半導体多層膜反射鏡（Ｄ
ＢＲ）が用いられ、電流は、この反射鏡の半導体多層膜
を介して、活性層に注入される。

【０００９】一方、半導体多層膜反射鏡は抵抗が高いの
で、上部の例えば、半導体多層膜になる反射鏡を介さず
電流を注入する別構造の面発光レーザも検討されてい
る。一例として、日本国公開公報、特開平１１-２０４
８７５号公報（１９９９／７／３０公開）に記載の面発
光レーザがある。図２にその素子構造図を示す。ここ
で、５０１は下部電極、５０２は半導体基板、５０３は
下部多層膜反射鏡、５０４は第１スペーサー層、５０５
は活性層、５０６は第２スペーサー層、５０７は電流狭
窄層、５０８は電流導入層、５０９は第３スペーサー
層、５１０は上部電極、５１１は上部の多層膜反射鏡で
ある。上部電極５１０を、上部多層膜反射鏡５１１の横
に配置しているため、上方からの注入電流は、第３スペ
ーサー層５０９から電流導入層５０８を通して、電流狭
窄層５０７で限定されたアパーチャーに導かれ、活性層
５０５に導入される。即ち、注入される電流は、上部多
層膜反射鏡５１１を介さないので、素子抵抗の低減が図
れる。さらに本構造においては、ドーピング濃度を高く
した電流導入層５０８を導入し、電極とアパーチャー間
の基板面に対して水平方向の抵抗成分（以下、横方向抵
抗と記述する。）の低減を試みている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本願発明は、高速動作
が可能な面発光半導体レーザ装置を提供せんとするもの
である。本願発明は、例えば、１０Ｇｂ／ｓ以上の高速
動作を達成せんとする。

【００１１】本願発明の別な目的は、高速動作が可能で
且つ安価な面発光半導体レーザ装置を提供せんとするも
のである。

【００１２】本願発明の更に別な目的は、より高速動作
が可能な面発光半導体レーザ装置搭載の光モジュールを
提供せんとするものである。

【００１３】こうした課題に対応する為に技術的には、
面発光レーザにおける以下の課題を解決することを要す
る。即ち、第１点は、抵抗の高い上部の半導体多層膜反
射鏡を介さずに電流を活性層領域に注入できる面発光型
レーザ装置構造を採用することである。この為には、電
極からアパーチャーを通過し、活性層領域に注入される
電流の横方向抵抗を低減できる新たな手法を提供し、１
０Ω前後の大幅な素子抵抗の低減を達成することが必要
となる。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本願発明の代表的な形態
は、半導体基板上に、光を発生する活性層領域と、この
活性層領域を挟んで前記半導体基板と逆側に配置された
電流狭窄領域と、当該半導体層の積層方向において、前
記活性層領域と前記電流狭窄領域とを上下で反射鏡で挟
んだ光共振器と、前記電流狭窄領域を挟んで、前記半導
体基板側に設けられた第１の電極と、前記半導体基板と
反対側に設けられた第２の電極とを少なくとも有し、前
記電流狭窄領域と前記第２の電極の間に２次元キャリア
の生成が可能な積層構造を有する半導体層領域を有する
ことを特徴とする面発光型レーザ装置である。

【００１５】前記２次元キャリアの生成が可能な積層構
造を有する半導体層領域は、本願発明の目的に、わけて
も、いわゆる変調ドープがなされていることが好まし
い。即ち、本願発明の第２の形態は、半導体基板上に、
光を発生する活性層領域と、この活性層領域を挟んで前
記半導体基板と逆側に配置された電流狭窄領域と、当該
半導体層の積層方向において、前記活性層領域と前記電
流狭窄領域とを上下で反射鏡で挟んだ光共振器と、前記
電流狭窄領域を挟んで、前記半導体基板側に設けられた
第１の電極と、前記半導体基板と反対側に設けられた第
２の電極とを少なくとも有し、前記電流狭窄領域と前記
第２の電極の間の少なくとも一部に２次元キャリアの生
成が可能な積層構造を有する半導体層領域を有し、且つ
前記２次元キャリアの生成が可能な積層構造を有する半
導体層領域が、高濃度に不純物を含有し且つ広い禁制帯
幅を有する第１の半導体層と、前記第１の半導体層より
低い濃度で不純物を含有するかあるいは実質的に不純物
を含有せず且つ前記第１の半導体層より狭い禁制帯幅を
有する第２の半導体層とを少なくとも有してなることを
特徴とする面発光型レーザ装置である。

【００１６】前記２次元キャリアの生成が可能な積層構
造を有する半導体層領域は、前記電流狭窄領域と前記第
２の電極の間の少なくとも一部に存在すれば、その効果
を発揮する。後述する実施例では、当該２次元キャリア
の生成が可能な積層構造を有する半導体層領域は基板面
に対してほぼ全面に形成されている。実際の製造におい
て、より現実的な形態が説明されているが、本願発明の
目的である、前記電流狭窄領域と前記第２の電極の間の
電流通路に２次元キャリアの生成が可能な積層構造が存
在することが重要なのである。あるいは、逆な見方をす
れば、２次元キャリアの生成が可能な積層構造を有する
領域が電流通路の主要部分を構成するのである。従っ
て、基板面に平行な面に対して全面に２次元キャリアの
生成が可能な積層構造を形成することは、必ずしも必要
ではない。また、２次元キャリアの生成が可能な積層構
造と電流狭窄領域の間に、更に半導体層が挿入されるこ
とも有り得る。この場合も、２次元キャリアの生成が可
能な積層構造を設けることによる効果は発揮される。

【００１７】このように、本願発明の基本構成は、電流
狭窄領域を挟んで基板と逆側に配置された電極から前記
電流狭窄領域へ流れる電流が、基板面に対して水平方向
の成分を有する面発光レーザにおいて、前記水平方向の
電流成分を、主として２次元キャリアガスのチャンネル
を介して伝導させるものである。具体的には、前記２次
元キャリアガスのチャンネルが、前記電極と電流狭窄領
域間の少なくとも一部に、少なくとも１種類の禁制帯幅
の広い半導体からなる高濃度ドーピング層と、少なくと
も１種類のそれより禁制帯幅の狭い半導体からなる低濃
度ドーピング層（この低濃度ドーピング層にはドーピン
グを施さない場合も含んで考えて十分である）とを積層
した変調ドープ構造によって形成されることにより達成
される。

【００１８】こうして、本願発明の主目的の達成に、ｐ
型伝導に起因する面発光レーザ装置の抵抗低減を図り、
そのために、主として正孔をキャリアにした２次元正孔
ガスを用いる。

【００１９】

【発明の実施の形態】本願発明の基本構成を上述した
が、次に、本願発明の主な実施の形態を列挙する。

【００２０】本願発明の第１の形態は、半導体基板上
に、光を発生する活性層領域と、この活性層領域を挟ん
で基板と逆側に配置された電流狭窄領域と、前記活性層
領域と前記電流狭窄領域の上下を反射鏡で挟んだ光共振
器とを有し、前記電流狭窄領域を挟んで前記半導体基板
と逆側に配置された電極から前記電流狭窄領域へ流れる
電流が、基板面に対して水平方向の成分を有し、前記水
平方向の電流成分が、主として２次元キャリアガスのチ
ャンネルを介して流れる面発光型レーザ装置である。

【００２１】本願発明の第２の形態は、前記第１の形態
における２次元キャリアガスのチャンネルが、前記電極
と電流狭窄領域間の少なくとも一部において、少なくと
も１種類の禁制帯幅の広い半導体からなる高濃度ドーピ
ング層と、少なくとも１種類のそれより禁制帯幅の狭い
半導体からなる低濃度ドーピング層(ドーピングを施さ
ない場合も含む)とを積層した変調ドープ構造によって
形成されている面発光型レーザ装置である。

【００２２】本願発明の第３の形態は、前記第２の形態
における変調ドープ構造によるレーザ波長光の吸収が１
％未満であり、前記変調ドープ構造が、光の導波する共
振器内を含んで設けられる面発光型レーザ装置である。
変調ドープ構造が光共振器の内部に組み込まれていて
も、この構造におけるレーザ光の吸収が１％未満であれ
ば、十分通例の面発光型レーザ装置と同様に駆動するこ
とが出来る。勿論、次に例示するように、変調ドープ構
造を光共振器の外部に設けると、こうしたレーザ光の吸
収の問題は回避される。

【００２３】本願発明の第４の形態は、前記第２の形態
における変調ドープ構造が、光の導波する共振器外に設
けられることを特徴とする面発光型レーザ装置。

【００２４】本願発明の第５の形態は、前記第１より第
４の形態における変調ドープ構造における高濃度ドーピ
ング層がｐ型であり、２次元キャリアガスが正孔である
面発光型レーザ装置である。

【００２５】本願発明の第６の形態は、前記第２より第
５の形態における変調ドープ構造における高濃度ドーピ
ング層にＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、或いは、それ
らの積層構造、そして、低濃度ドーピング層にＧａＡ
ｓ、ＧａＩｎＡｓ、或いは、それらの積層構造が用いら
れている面発光型レーザ装置である。ここに列挙したＩ
ＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料は、本願発明の実施に極め
て好都合な材料である。これらの材料は、面発光型レー
ザ装置の各種特性の観点から優れた特性を得ることが容
易であるＧａＡｓ基板上に良好な膜が形成し易いのであ
る。従って、当該面発光型レーザ装置においても、より
良好な特性を容易に得ることが出来る。

【００２６】次に、具体的な実施の形態を説明するに先
立って、本願発明の基本思想の詳細を追加説明する。

【００２７】１０Ｇｂ／ｓを超える高速の動作特性を有
する光モジュール実現に対しては、当然のことながら、
光源として用いる面発光レーザにおいて１０Ｇｂ／ｓを
超える高速特性を達成する必要がある。そのためには、
面発光レーザ装置の抵抗（Ｒ）、及び、容量（Ｃ）の低
減が不可欠である。

【００２８】一般に、半導体レーザ装置の基礎的な変調
特性は、素子の光出力が３ｄＢ低下する変調周波数（ｆ
３ｄＢと略記する）で評価される。ここで、ｆ３ｄＢ
は、ＲとＣを用いて以下の式（１）で表される。ｆ３ｄＢ＝１／(２πＲ・Ｃ) ・・・・(１) こうした事実は、例えば、先端光エレクトロニクスシリ
ーズ「面発光レーザの基礎と応用」共立出版発行、伊
賀健一、小山二三夫共著、の第１８４頁に説明されてい
る。

【００２９】上記式（１）から、素子のｆ３ｄＢとし
て、数１０Ｇｂ／ｓを達成するには、素子抵抗を１０Ω
前後まで低減する必要があることが理解される。ここ
で、面発光レーザ装置の容量は、一般的な値として５０
０ｆＦと仮定した。素子容量をさらに低減できれば、素
子抵抗の許容量は、例えば１０Ωより大きくできるが、
その場合にも、低抵抗化が重要であることは言うまでも
ない。更に、約１０Ωの素子抵抗は端面発光型のレーザ
に匹敵する低い値であり、これが実現できれば、従来、
端面発光型レーザに用いてきたレーザの駆動回路等を流
用できる可能性がある。その場合、新たな開発コストな
どが不要になり、本願発明による面発光レーザ装置を用
いた光モジュールの低コスト化において有利である。＜
従来技術との比較考察＞面発光レーザには、ＡｌＡｓ／
ＧａＡｓ系の半導体多層膜になる反射鏡が主として用い
られていることは、既に述べた。従来素子では、上部に
ｐ型のＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系の半導体多層膜になる反射
鏡の上に電極が配置され、この半導体多層膜反射鏡を通
して活性層に電流が注入されていた。その際、ＡｌＡｓ
／ＧａＡｓ系半導体のヘテロ界面におけるエネルギー差
は、有効質量の重い正孔にとって大きな抵抗成分にな
り、素子抵抗を増大させてしまうことが問題である。そ
の対策として、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓヘテロ界面に組成を
徐々に変化させたＡｌＧａＡｓ半導体層を導入し、か
つ、そのＡｌＡｓ側のみにｐ型ドーピングを施して、ヘ
テロ界面の抵抗成分を低減する等の試みがなされてい
る。しかしながら、本質的にｐ型ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ系
半導体多層膜反射鏡の抵抗が高く、大幅な素子抵抗の低
減を達成することは困難である。

【００３０】一方、前述の特開平１１-２０４８７５
（１９９９／７／３０公開）に記載の面発光レーザにつ
いて検討してみる。この例は、抵抗の高い上部ｐ型半導
体多層膜反射鏡を介さず電流を注入する構造を有してい
る。

【００３１】横方向抵抗は、シート抵抗（Ｒｃ）に比例
する。ここで、Ｒｃは以下の式（２）で表される。Ｒｃ＝１／(Ｎｓ・ｅ・μ) ・・・・(２) ここで、Ｎｓは層のシート・キャリア濃度、ｅは電気素
量、μは層の移動度、ｔは層の膜厚である。Ｎｓは、キ
ャリア濃度（ｐ）と層の移動度（μ）の積（Ｎｓ＝ｐ
μ）で表される。

【００３２】前述の図２に示す従来素子では、電流導入
層５０８には通常の半導体膜が用いられる。半導体膜に
おいては、キャリア濃度ｐ（即ち、シート・キャリア濃
度Ｎｓ）を増大させれば、ドーピング材料等による散乱
要因が増大し、μが低下するというトレードオフの関係
が存在する。そのため、図２に示した従来構造では、１
×１０²⁰ｃｍ^-3以上の高濃度ドーピングを施さなくては
大幅な素子抵抗の低減を達成できない。また、電流狭窄
層５０７、電流導入層５０８を素子内部に埋め込むた
め、再成長工程が余分に必要となる。ここで、第３スペ
ーサー層５０９を再成長する際に、電流狭窄層５０７、
電流導入層５０８を除去した後のアパーチャー部の段差
が大きいと、段差部にファセットが生じ、僅か数μｍ径
のアパーチャー部へせり出す等の悪影響を及ぼす。見積
によれば、本構造において１０Ω前後の素子抵抗を達成
する際には３００ｎｍ以上の膜厚段差が生じる。よっ
て、既に記述した様な結晶成長上の観点から、目標の素
子抵抗値の達成は非常に困難であると考えられる。＜本願発明の代表形態＞次に、これらの例に見られる難
点を回避した本願発明の形態を詳細に説明する。図３に
本願発明による素子構造の断面図を示す。ここで、いわ
ゆる変調ドープ層１１１は図の左側に拡大して詳細を示
した。図４はこの上面図である。

【００３３】図３において、符号１０１は下部電極、１
０２は半導体基板、１０３は下部の多層膜反射鏡、１０
４は第１のスペーサー層、１０５は活性層領域、１０６
は第２のスペーサー層、１０７は電流狭窄層、１０８は
第３のスペーサー層、１０９は上部電極、１１０は上部
の多層膜反射鏡、１１１は変調ドープ層、１１２は高濃
度ドーピング層、１１３は低濃度ドーピング層である。
この層１１３にはドーピングを施さない場合もあり、符
号１１３はこうした層も含むものとする。電流狭窄層１
０７の形成方法は通例の方法に従って十分である。その
一例は後述される。

【００３４】前記変調ドーピング層は、当該技術分野で
用いられる構成を用いて十分である。層の具体的仕様
は、材料、例えばＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料の選択
やレーザの特性に対する要求仕様によって選択される
が、その代表的な例を例示すれば、次の通りである。例
えば、ＧａＡｓを基板とする面発光レーザ装置では、高
濃度ドーピング層は、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａ
ＩｎＰ、あるいはこれらの積層構造体などが代表的な例
である。高濃度ドーピング層の厚さは、５０ｎｍ以下、
より好ましくは１０ｎｍ以下、ドープ量は例えば５×１
０¹⁸ｃｍ^-3以上が多用される。一方、低濃度ドーピング
層は、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、あるいはこれ
らの積層構造体などが代表的な例である。低濃度ドーピ
ング層の厚さは、１００ｎｍ以下、ドープ量は例えば５
×１０¹⁷ｃｍ^-3以下が多用される。

【００３５】変調ドープ層１１１においては、高濃度ド
ーピング層１１２から供給されたキャリアが、高濃度ド
ーピング層１１２と低濃度ドーピング層１１３の界面の
低濃度ドーピング層側に形成された移動度の高い２次元
キャリアのチャンネルを流れる。そのため、高濃度ドー
ピング層におけるドープ量を増大させる事で、キャリア
濃度ｐを増大でき、その時、移動度μは低下することが
殆ど無い。よって、キャリア濃度ｐと移動度μの各値を
それぞれ独立に高い値に設定できる。よって、前記
（２）式から判るように、Ｒｃの大幅な低減が可能とな
る。

【００３６】図２に示す従来素子では、電流導入層の膜
厚を２倍すれば、単純に２倍の抵抗低減効果しか得られ
ない。しかし、本願発明では、変調ドープ構造を２周期
繰り返せば、ヘテロ界面に形成される２次元キャリアの
チャンネルは３つとなるため、単純に２倍する以上の効
果が得られる。変調ドープ構造の繰り返し周期数（ｓ）
に対し、形成されるチャンネル数は２ｓ-１であり、変
調ドープ構造の繰り返し周期数sを多くすればするほ
ど、得られる効果は大きくなる。以上の効果により、本
願発明構造を用いることで、面発光レーザ装置の横方向
抵抗を、大幅に低減できる。尚、変調ドープ構造の繰り
返し周波数ｓは、ドーピング濃度に依存し、且つＤＢＲ
の反射率の低下の程度等を参酌して決められる。

【００３７】本願発明の素子構造において上部電極１０
９から注入された電流は、電流狭窄層１０７により形成
されたアパーチャーを通過して活性層領域に注入され
る。その際の電流は基板面に対して水平方向の成分を有
する。ここで、前記水平方向の電流成分は、変調ドープ
層により形成された低抵抗な２次元キャリア・チャンネ
ルを介して流れる。アパーチャー上部に達成したキャリ
アが活性層領域に注入されるために、最終的には、基板
面に対して垂直方向にキャリアが伝導する必要性が多少
生じる。しかし、本願発明においては、キャリアに対す
る障壁となる禁制帯幅の大きい高濃度ドーピング層の膜
厚は、５０ｎｍ以下と非常に薄いこと、そして、上部、
下部電極間には電圧差による電界が印加されていること
等から、それによって、特に大きな抵抗分が付加される
可能性は殆ど無い。

【００３８】図６に、本願発明によって達成できる素子
の横方向抵抗の例を示す。尚、本素子構造の抵抗は、横
方向抵抗によって支配されていると考えてよい。図６で
は、横軸は変調ドープ層の膜厚、縦軸はこの層の横方向
の抵抗値である。変調ドープ層の構造は、高濃度ドープ
層としてｐ型のアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡ
ｓ、膜厚５ｎｍ）、低濃度ドーピング層としてノンドー
プのＧａＡｓ（膜厚２５ｎｍ）とした。よって、一つの
チャンネルを形成する最低単位構造の膜厚は３０ｎｍで
ある。ここでは、高濃度ドープ層のｐ型ドーピング濃度
として１×１０ ¹⁹ｃｍ^-3と１×１０²⁰ｃｍ^-3の２種類の
場合の計算例である。そのときの正孔のシート・キャリ
ア濃度は、それぞれ１×１０¹³ｃｍ^-2と１×１０¹⁴ｃｍ
^-2、２次元チャンネルにおける正孔の移動度は、５００
ｃｍ²／Ｖｓｅｃと見積もられる。図６より、高濃度ド
ーピング層のキャリア濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3の場合、
変調ドープ層の膜厚が約３００ｎｍ以上あれば、１０Ω
以下の横方向抵抗が実現できる事が判る。一方、高濃度
ドーピング層のキャリア濃度が１×１０²⁰ｃｍ^-3の場合
には、更なる低抵抗化が可能となり、５０ｎｍ程度の膜
厚で、１０Ω以下の横方向抵抗が実現できる。

【００３９】次に、反射鏡と電流狭窄層の構成について
追加説明する。本願発明においても、これらの技術は、
これまで用いてきた一般的な技術を用いて十分である。

【００４０】前述のように、面発光レーザの光共振器の
長さは著しく短く、レーザー発振時の閾値電流値を低減
するためには、上下の反射鏡の反射率を極めて高くする
ことが必要である。実用に供する閾値電流値を得るに概
ね９９.５％以上の反射率を必要とする。

【００４１】反射鏡としては、屈折率の異なる２種類の
半導体を１／４波長厚（λ／４n：ここで、λは波長、n
は半導体材料の屈折率）で交互に積み重ねることにより
形成した多層膜反射鏡が、主として使用されている。多
層膜反射鏡に用いられる２種類の半導体材料には、少な
い積層数で高反射率を得るため、両者の屈折率差ができ
るだけ大きいことが望まれる。また、材料が半導体結晶
の場合、格子不整合転位の抑制のため、基板材料と格子
整合していることが好まれる。現状では、ＧａＡｓ／ア
ルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）系半導体材料、あるいは、
二酸化珪素（ＳｉＯ２）／二酸化チタン（ＴｉＯ２）等
の誘電体材料から構成した多層膜反射鏡が主として用い
られている。また、電流狭窄層は、素子の低しきい値電
流化、単一モード化のために必須であり、活性層と電流
を注入する電極の間の任意の位置に配置され、活性層に
注入される電流を数μｍ〜数１０μｍの微少領域（以下
アパーチャーと記述する。）に限定する役割を果たす。
具体的には、素子構造内に導入したＡｌＡｓ層を横方向
から選択的に酸化し、酸化アルミニウム（Ａｌ_xＯ_y）絶
縁層に変化させることで、中央に残った微小なＡｌＡｓ
領域のみで電流を狭窄する方法や、バンドギャップの大
きい半導体材料や、素子内の導電型とは逆の導電型にド
ーピングを施した材料を素子内に埋込むことにより電流
を狭窄する方法等が現在主流である。

【００４２】次に、レーザ光の発振波長が１.３μｍで
あることを考慮し、変調ドープ層による波長１.３μｍ
光の吸収について検討した。図７に、変調ドープ層の膜
厚とそれによる反射鏡の反射率の変化の例について示
す。ここでは、変調ドープ層として、図６の例と同様の
構造の例である。横軸は変調ドープ層の膜厚、縦軸はＤ
ＢＲ反射膜の反射率である。波長１.３μｍ光の吸収
は、主としてｐ型高濃度ドーピング層で起る。ここで
は、ｐ型ドープ濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3、５×１０¹⁹ｃ
ｍ^-3、１×１０²⁰ｃｍ^-3の場合についてそれぞれ算定し
た。各条件における吸収係数の値は、それぞれ１００ｃ
ｍ^-1、５００ｃｍ^-1、１０００ｃｍ^-1である。既に述べ
たように、面発光レーザにおいて高性能なレーザ特性を
確保するためには、９９.５％以上の反射率が必要であ
る。

【００４３】図７より、本反射率を確保するためには、
ｐ型ドーピング濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3の場合には約６
００ｎｍ、１×１０²⁰ｃｍ^-3の場合には、約１５０ｎｍ
が限界膜厚となることが判る。

【００４４】従って、図６及び図７の結果と考え併せる
と、本願発明においては、１０Ω前後の素子抵抗を実現
する際に、変調ドープ層を共振器内に配置しても、レー
ザ光の吸収の観点からは何ら問題にならないことが判明
した。

【００４５】このことは、本願発明の構造においては、
例えば図２に示す従来構造では必須であった再成長工程
が不要となり、一度の結晶成長で全素子構造を得ること
ができる。従って、本願発明の構造を用いると、素子作
製時の歩留まりが高いため、大幅な低コスト化を実現で
きる。

【００４６】一方、高濃度ドープ層による光の吸収を完
全に避ける場合には、変調ドープ構造を共振器外に設け
ても良い。その際には再成長工程が必要となるが、アパ
ーチャー部に生じる膜厚段差は、図２に示す従来手法よ
りも低くすることができ、再成長に起因する問題は生じ
難い。

【００４７】本願発明において、さらに大きな効果を得
るには、シート・キャリア濃度Ｎｓを増大させることが
有効である。そのためには、変調ドープ構造を構成する
ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの界面に、禁制帯幅の狭い、一
例としてガリウムインジウム砒素（ＧａＩｎＡｓ）など
の半導体材料を低濃度ドーピング層として挿入すること
は有効である。すなわち、変調ドープ構造を複数の半導
体の積層構造にすることは有効である。それにより、２
次元キャリアのチャンネル幅（厚み）を増大でき、シー
ト・キャリア濃度Ｎｓを増大させることができる。図５
はこの変形された変調ドープ層の断面図を例示する。１
１２は高濃度ドーピング層、１１３は低濃度ドーピング
層、１１４は禁制帯幅の狭い低濃度ドーピング層であ
る。

【００４８】これまでに述べた諸点を考慮すれば、本願
発明は、波長１μｍ以下の面発光レーザ構造においても
適用可能である。その際には、レーザ波長光の吸収を抑
制するために、変調ドープ構造を構成する半導体材料
は、レーザ波長光の光子エネルギーよりも禁制帯幅が大
きいものから選ばれる必要がある。例えば、Ａｌ混晶組
成の高いＡｌＧａＡｓやＡｌＧａＩｎＰ等が適してい
る。

【００４９】図８は光モジュールの斜視図を示す。図９
に、本発明による面発光レーザを用いた光システムの構
成図を示す。図８及び図９において、３０１は本発明に
よる面発光型レーザ装置、３０２はレーザ駆動回路、３
０３は受光素子、３０４は受光素子駆動回路、３０５は
光モジュールパッケージ全体、３０６は光モジュールを
動作させる外部回路、３０７は光ファイバーである。面
発光型レーザ装置３０１及び受光素子３０３は、枠体３
０９に保持されている。光モジュールパッケージの内
の、例えば、各駆動回路などは、外部回路に接続（３０
８）されている。図中の矢印３１０、３１１は、各々光
の射出、入射を示している。

【００５０】本願発明による面発光レーザは、素子抵抗
が低いため素子自体の発熱が小さく、温度変動が小さ
い。それに加えて、面発光レーザ自体のしきい値電流値
が小さいことも相まって、使用時のしきい値電流値の変
化が非常に小さくなる。それにより、従来の高速光モジ
ュールで必要であったペルチエ素子を不要とすることが
出来る。更に、小型かつ単純な回路で素子を駆動するこ
とが可能となる。また、面発光レーザ装置を直接的に変
調駆動するため、外部変調器も不要とすることが出来
る。以上により、部品点数を大幅に少なくでき、また、
駆動回路のサイズも小さく出来る。よって、光モジュー
ル自体のサイズも小型化し、合わせて、大幅な低コスト
化を実現できる。また、素子作製時の歩留まりが高いこ
とも、低コスト化に有効である。

【００５１】更に、本願発明の係る光モジュールは、面
発光レーザの抵抗が低く、素子自体の発熱が小さいこと
から、活性層の劣下が生じにくいので、従来の光モジュ
ールと比較してより長時間に渡って安定な特性を提供す
ることができる。

【００５２】以上の効果は、既に述べたように、活性層
における深いポテンシャル井戸で電子を閉じ込めること
ができる温度特性に優れた活性層材料、一例としてＧａ
ＩｎＮＡｓ等を用いた面発光レーザにおいては、さらに
顕著となる。

【００５３】尚、図９の光システムの図では、図中の点
線は、半導体レーザ設置の光送信側と、受光素子設置の
光受信側との区切りを示すが、それぞれの部分が独立し
て、光送信モジュール、及び光受信モジュールとして構
成される場合などもある。また、図では、光出力モニタ
ー用の受光素子等は省略して示してある。＜発明の実施の形態１＞実施の形態例１として、本願発
明による再成長工程が不要な面発光レーザ構造の作製に
ついて具体的に記述する。その素子構造の断面図は図
３、上面図は図４に示した通りである。図１０に製造工
程順に示した素子の断面図を示す。

【００５４】面発光レーザ構造の作製においては、精密
な膜厚制御や急峻なヘテロ界面作製の必要性から、材料
の瞬時の切り替えが可能な分子線エピタキシー(ＭＢＥ)
法や有機金属化学気相成長(ＭＯＣＶＤ)法、化学ビーム
エピタキシー(ＣＢＥ)法等が適している。また、活性層
にＧａＩｎＮＡｓを用いる場合には、窒素（Ｎ）の導入
において、非平衡状態での成長法が有利であり、その点
でも、先に述べたＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法、ＣＢＥ法等
が成長方法として適している。勿論、本願発明の面発光
レーザ装置の製造に、上記成長手法のみに限定されるも
のではない。ここでは成長方法を固体ソースＭＢＥ(Ｓ
Ｓ−ＭＢＥ：ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅ−Ｍｏｌｅｃｕｌ
ａｒＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ)法とした。ＧＳ―Ｍ
ＢＥ法では、ＩＩＩ族元素の供給源として、ガリウム
（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）を用い、Ｖ族元素の供給
源として、砒素（Ａｓ）に関しては金属Ａｓを用いた。
また、n型不純物としてシリコン(Ｓｉ)、高濃度にｐ型
ドーピングできる不純物原料として四臭化炭素(ＣＢ
ｒ₄)用いた。なお、同様のドーピング濃度が達成できれ
ば、ｐ型不純物としてベリリウム(Ｂｅ)や亜鉛（Ｚｎ）
を用いても良い。窒素（Ｎ）についてはＮ₂ガスをＲＦ
（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）プラズマ励起した
窒素（Ｎ）ラジカルを使用した。なお、窒素プラズマの
励起は、その他にＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｒ
ｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ：電子サイクロトロン
共鳴）プラズマを用いても行うことができる。

【００５５】図１０の（ａ）を参酌する。半導体基板は
n型ＧａＡｓ (１００)基板１０２（ｎ型ドーピング濃度
＝２×１０¹⁸ｃｍ^-3）を用いた。Ａｓ雰囲気において、
基板を昇温した後、基板上にn型ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ
（ｎ型不純物濃度＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3）による下部の半
導体多層膜反射鏡１０３を３０周期積層する。尚、Ａｌ
Ａｓ／ＧａＡｓは、ＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層との積層を
意味する。以下、こうした表示は同様の積層を意味す
る。その膜厚は、それぞれ半導体中で１／４波長厚にな
るようにした。その後、１／２波長厚のノンドープＧａ
Ａｓ層第１スぺーサー層１０４、さらに、厚さ１０ｎｍ
のノンドープＧａ₀ _. ₇Ｉｎ₀ _. ₃Ｎ₀ _. ₀₁Ａｓ₀ _. ₉₉の単層膜か
らなる活性層１０５、１／２波長厚のノンドープＧａＡ
ｓ層第２スぺーサー層１０６、１／４波長厚のノンドー
プＡｌＡｓ上部電流狭窄層１０７の順に形成した。

【００５６】続いて、わけても本願発明の特徴構造をな
すＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる変調ドープ層１１１
を積層した。変調ドープ層１１１における低濃度ドーピ
ング層１１３として厚さ２５ｎｍのノンドープＧａＡｓ
層、高濃度ドーピング層１１２として厚さ５ｎｍのｐ型
ＡｌＧａＡｓ層（ｐ型ドーピング濃度＝１×１０¹⁹ｃｍ
^-3）を用いた。尚、ＡｌＧａＡｓ層におけるＡｌ組成は
３０％とした。これによって、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ
界面には、２次元正孔ガスのチャンネルが形成される。
本変調ドーピングの構造を２０回繰り返して積層した。
続いて、ｐ型ＧａＡｓになる第３スぺーサー層１０８
（ｐ型ドーピング濃度＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を形成す
る。この第３スぺーサー層１０８の膜厚は、変調ドープ
構造を含めた合計の膜厚が、１／２波長厚の整数倍にな
るように調整した。最後に、ノンドープＡｌＧａＡｓ／
ＧａＡｓによる上部の半導体多層膜になる反射鏡１１０
を２５周期積層し、結晶成長工程は完了した。尚、上部
の半導体多層膜になる反射鏡１１０のＡｌＧａＡｓ層に
おけるＡｌ組成は１０％とした。また、膜厚は、それぞ
れ半導体中で１／４波長厚になるようにした。

【００５７】続いて、完成した多層成長ウエハに対し、
素子構造作製のためのプロセス工程を施した。最初に二
酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜１２０を全面に蒸着し、ホ
ト工程にて円形状にパターニングした。この状態が図１
０の（ａ）である。

【００５８】これをマスク領域にして、ＡｌＡｓ上部電
流狭窄層１０７の直下までメサエッチングを行う（図１
０の（ｂ））。

【００５９】ここで、エッチング液としては、臭化水素
（ＨＢｒ）：過酸化水素水（Ｈ₂Ｏ₂）：水（Ｈ₂Ｏ）を
混合した液を用いる。続いて、形成されたメサ構造に、
電流狭窄を行うための選択酸化を施す。水蒸気雰囲気中
にて、ウエハを４００℃に加熱することで、ＡｌＡｓ上
部電流狭窄層１０７の側面部分１２１、１２２がＡｌｘ
Ｏｙ絶縁層に変化した。これにより、直径φが５μｍの
アパーチャー部が素子中央に形成された（図１０の
（ｃ））。

【００６０】その後、ＳｉＯ₂膜１２０を除去し、ホト
工程を経て、上部半導体多層膜反射鏡１１０の両側を、
第３スぺーサー層１０８直上までエッチングにて除去し
た（図１０の（ｄ））。

【００６１】尚、本エッチング工程での分留りを向上さ
せるため、上部半導体多層膜反射鏡１１０と第３スぺー
サー層１０８の間に、１／４波長厚のアルミニウムガリ
ウムインジウム燐（ＡｌＧａＩｎＰ）からなるエッチン
グに対するストップ層を導入してもよい。最後に、リン
グ状ｐ側上部電極１０９（図１０の（ｅ））、n側下部
電極１０１を形成し（図１０の（ｆ））、面発光レーザ
装置として完成した。尚、図１０の例では、ウエットエ
ッチングを用いたので、素子のメサ形状が図３に例示し
た断面とやや異なっている。しかし、この点は本願発明
の基本には関係なく、素子特性も本質的に変わるもので
はない。また、ドライエッチングを用いることで、図３
に例示した断面と同じものを、容易に得ることが出来
る。

【００６２】このようにして作製された面発光レーザ装
置は、発振波長１.３μｍ、閾値電流０.１ｍＡで室温に
おいて連続発振し、素子抵抗は９Ωであった。本素子の
変調特性は、３０ＧＨｚにおいても良好であった。

【００６３】続いて、本素子を用いて、図８に示す光モ
ジュールを作製した。又、図９のごとき光システムを構
成することが出来た。

【００６４】本願発明による光システムは部品点数が少
なくでき、また、素子の駆動回路が単純で良いためサイ
ズが小型である。特に、活性層材料として温度特性の良
いＧａＩｎＮＡｓを用いていることも、その一因であ
る。また、素子作製時の歩留まりも高く、大幅な低コス
ト化を達成できた。さらに、本光モジュールは、面発光
レーザの抵抗が低く、発熱が少ないので、活性層の劣下
が生じにくい。よって、従来の光モジュールと比較して
より長時間に渡って安定な特性を提供することができ
た。＜発明の実施の形態２＞発明の実施の形態例２として、
本発明による再成長工程を駆使した面発光レーザ構造の
作製について具体的に記述する。その素子構造は、図１
１に示した通りである。

【００６５】本素子構造の作製にはＭＯＣＶＤ法を用い
る。ここで、ＩＩＩ族元素であるＧａ、Ｉｎの供給源と
して、それぞれ有機金属のトリエチルガリウム(ＴＥ
Ｇ)、トリメチルインジウム(ＴＭＩ)を用い、Ｖ族元素
であるＡｓの供給源として、ＡｓＨ₃を用いた。また、
ｎ型不純物としてシラン（ＳｉＨ₄）、ｐ型不純物とし
てＣＢｒ₄を用いた。Ｎの供給源としては、ジメチルヒ
ドラジン（ＤＭＨｙ）を使用した。

【００６６】作製する半導体基板はn型ＧａＡｓの(１０
０)面の基板（ｎ型不純物濃度＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3）２
０２を用いる。ＡｓＨ₃の供給下のAs雰囲気において基
板を昇温し、基板を昇温した後、基板上にn型ＡｌＡｓ
／ＧａＡｓ（ｎ型不純物濃度＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3）によ
る下部の半導体多層膜になる反射鏡２０３を３０周期積
層する。その膜厚は、それぞれ半導体中で１／４波長厚
になるようにした。その後、１／２波長厚のノンドープ
ＧａＡｓ層になる第１のスぺーサー層２０４、さらに、
厚さ１０ｎｍのノンドープＧａ₀ _. ₇Ｉｎ₀ _. ₃Ｎ₀ _. ₀₄Ａｓ₀ _.
₉₆の井戸層、厚さ１０ｎｍのノンドープＧａＡｓ障壁層
からなる多重量井戸活性層２０５を形成した。尚、井戸
層数は３とした。続いて、１／２波長厚のノンドープＧ
ａＡｓ層第２スぺーサー層２０６、厚さ１０ｎｍのn型
のＧａＩｎＰからなる電流狭窄層２０７を形成した。

【００６７】続いて、本願発明をわけても特徴ずける構
造であるＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓからな
る変調ドープ層２１１を積層した。変調ドープ層２１１
における低濃度ドーピング層２１３として厚さ５ｎｍの
ノンドープＧａＡｓ層と厚さ５ｎｍのノンドープＧａＩ
ｎAs層の積層構造とし、高濃度ドーピング層２１２とし
て厚さ５ｎｍのｐ型ＡｌＧａＡｓ層（ｐ型ドーピング濃
度＝１×１０²⁰ｃｍ^-3）を用いた。尚、ＡｌＧａＡｓ層
におけるＡｌの組成は４０％とした。これによって、主
としてＧａＩｎＡｓ層内に２次元の正孔ガスによるチ
ャンネルが形成される。こうした変調ドーピング構造を
６回繰り返して積層した。続いて、ｐ型ＧａＡｓ第３ス
ぺーサー層２０８（ｐ型ドーピング濃度＝１×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3）の一部を形成して、一回目の結晶成長工程を終了
する。

【００６８】大気中に取り出したウエハに対し、ホト工
程で所望のパターンを形成し、直径φがμｍのアパーチ
ャー部形成のため、変調ドープ層２１１と電流狭窄層２
０６をエッチングにより除去した。

【００６９】ここで、再びウエハを成長装置内に導入
し、１／２波厚のｐ型ＧａＡｓ第３スぺーサー層２０８
（ｐ型ドーピング濃度＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を形成し
た。尚、アパーチャー部における段差は１００ｎｍ程度
であり、それによる再成長時の悪影響は観測されなかっ
た。最後に、ノンドープＡｌＡｓ／ＧａＡｓによる上部
半導体多層膜反射鏡２１０を２５周期積層し、結晶成長
工程は完了した。尚、膜厚はそれぞれ半導体中で１／４
波長厚になるようにした。完成した多層成長ウエハに対
し、素子構造作製のためのプロセス工程を施した。最初
にＳｉＯ₂を全面に蒸着し、ホト工程にて円形状にパタ
ーニングした後、これをマスクにして、上部半導体多層
膜反射鏡２１０の両側を、第３スぺーサー層２０８直上
までエッチングにて除去した。尚、本エッチング工程で
の分留りを向上させるため、上部の半導体多層膜反射鏡
２１０と第３スぺーサー層２０８の間に、１／４波長厚
のＡｌＧａＩｎＰからなるエッチングストップ層を導入
してもよい。最後に、リング状ｐ側の上部電極２０９、
n側の下部電極２０１を形成し、素子として完成した。

【００７０】このようにして作製された面発光レーザ装
置は、発振波長１.３オm、閾値電流０.１ｍＡで室温にお
いて連続発振し、素子抵抗は８Ωであった。本素子の変
調特性は、３０ＧＨｚにおいても良好であった。

【００７１】尚、第３スぺーサー層２０８とｐ側電極２
０９間の接触抵抗を低減するために、第３スぺーサー層
２０８成長後に、ＣＢｒ₄による炭素（Ｃ）デルタドー
ピングを施すことは有効である。

【００７２】本素子を用いて、図８に示す光モジュール
を作製した。又、図９のごとき光システムを構成するこ
とが出来た。実施例１の場合と同様に、高性能、かつ、
長寿命であった。さらに、モジュール自体のコストも大
幅に低減できた。

【００７３】本実施例では、活性層としてＧａＩｎＮＡ
ｓを用いたもののみの例を説明したが、それのみに限定
されものではなく、各種面発光半導体レーザ装置を提供
することが出来ることは言うまでもない。例えば、Ｇａ
ＡｓＳｂなどの材料を用いても、１.３μｍ帯の面発光
レーザ装置を提供することが可能である。また、前述し
たように、低濃度ドーピング層としてＡｌ組成の高いＡ
ｌＧａＡｓなどを用いれば、１μｍ以下の光に対して材
料自体が透明となり、波長１μｍ以下の面発光レーザに
応用することも可能である。また、インジウム燐（Ｉｎ
Ｐ）基板上においても、２次元キャリアが形成できる良
好な半導体材料の組み合わせがあれば、同様の効果を得
ることが可能となる。それによって、高性能で、かつ、
低コストな光モジュールを提供することができる。

【００７４】以上、各実施例をもって示して説明したよ
うに、本願発明によれば、面発光レーザにおける素子抵
抗を格段に低下させることにより、前記面発光レーザを
光源として用いる高速光モジュールの高性能化、低コス
ト化が図れる。懸かる低抵抗な面発光レーザは、半導体
基板上に、光を発生する活性層と、活性層を挟んで基板
と逆側に配置された電流狭窄領域と、前記活性層と前記
電流狭窄領域の上下を反射鏡で挟んだ共振器とを有し、
電流狭窄領域を挟んで基板と逆側に配置された電極から
前記電流狭窄領域へ流れる電流が、基板面に対して水平
方向の成分を有し、前記水平方向の電流成分を、主とし
て２次元キャリアガスのチャンネルを介して伝導させる
事により達成される。具体的には、電流狭窄層と上部電
極の間に変調ドープ層を導入することによって達成され
る。

【００７５】

【発明の効果】本願発明によれば、高速動作が可能な面
発光半導体レーザ装置を提供することが出来る。本願発
明は、例えば、１０Ｇｂ／ｓ以上の高速動作を達成が可
能である。

【００７６】本願発明によれば、より高速動作が可能な
面発光半導体レーザ装置搭載の光モジュールを提供する
ことが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、従来に光システムの例を示す概略説明
図である。

【図２】図２は、面発光レーザ装置の従来例を示す断面
図である。

【図３】図３は、本願発明の面発光レーザ装置の例を示
す断面図である。

【図４】図４は、本願発明の面発光レーザ装置の例を示
す上面図である。

【図５】図５は、変調ドープ層の別な形態を示す断面図
である。

【図６】図６は、本願発明による変調ドープ層の膜厚と
この横方向の抵抗値の関係を示す図である。

【図７】図７は、本願発明による変調ドープ層の膜厚と
反射鏡における反射率の関係を示す図である。

【図８】図８は、光モジュールの例を示す斜視図であ
る。

【図９】図９は、光システムの例を示す概略説明図であ
る。

【図１０】図１０は、本願発明の面発光レーザ装置の製
造工程の例を示す断面図である。

【図１１】図１１は、本願発明の面発光レーザ装置の別
な例を示す断面図である。

【符号の説明】

１０１：下部電極、１０２：半導体基板、１０３：下部
の多層膜反射鏡、１０４：第１スペ：サー層、１０５：
活性層領域、１０６：第２スペーサー層、１０７：電流
狭窄層、１０８：第３スペーサー層、１０９：上部電
極、１１０：上部の多層膜反射鏡、１１１：変調ドープ
層、１１２：高濃度ドーピング層、１１３：低濃度ドー
ピング層、２０１：下部電極、２０２：半導体基板、２
０３：下部の多層膜反射鏡、２０４：第１スペーサー
層、２０５：活性層領域、２０６：第２スペーサー層、
２０７：電流狭窄層、２０８：第３スペーサー層、２０
９：上部電極、２１０：上部の多層膜反射鏡、２１１：
変調ドープ層、２１２：高濃度ドーピング層、２１３：
低濃度ドーピング層、３０１：面発光レーザ装置、３０
２：レーザ駆動回路、３０３：受光素子、３０４：受光
素子駆動回路、３０５：光モジュールパッケージ全体、
３０６：外部回路、３０７：光ファイバー、４０１：半
導体レーザ、４０２：レーザ駆動回路、４０３：外部変
調器、４０４：ペルチェ素子、４０５：受光素子、４０
６：受光素子駆動回路、４０７：光モジュールパッケー
ジ全体、４０８：外部回路、４０９：光ファイバー、５
０１：下部電極、５０２：半導体基板、５０３：下部の
多層膜反射鏡、５０４：第１スペーサー層、５０５：活
性層領域、５０６：第２スペーサー層、５０７：電流狭
窄層、５０８：電流導入層、５０９：第３スペーサー層
上部電極、５１０：上部電極、５１１：上部の多層膜反
射鏡。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中俊明東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内Ｆターム(参考） 5F073 AB17 AB28 BA01 CA05 CB02 DA05 DA22 DA35 EA14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に、光を発生する活性層領
域と、この活性層領域を挟んで前記半導体基板と逆側に
配置された電流狭窄領域と、当該半導体層の積層方向に
おいて、前記活性層領域と前記電流狭窄領域とを上下で
反射鏡で挟んだ光共振器と、前記電流狭窄領域を挟ん
で、前記半導体基板側に設けられた第１の電極と、前記
半導体基板と反対側に設けられた第２の電極とを少なく
とも有し、前記電流狭窄領域と前記第２の電極の間に２
次元キャリアの生成が可能な積層構造を有する半導体層
領域を有することを特徴とする面発光型レーザ装置。
【請求項２】半導体基板上に、光を発生する活性層領
域と、この活性層領域を挟んで前記半導体基板と逆側に
配置された電流狭窄領域と、当該半導体層の積層方向に
おいて、前記活性層領域と前記電流狭窄領域とを上下で
反射鏡で挟んだ光共振器と、前記電流狭窄領域を挟ん
で、前記半導体基板側に設けられた第１の電極と、前記
半導体基板と反対側に設けられた第２の電極とを少なく
とも有し、前記電流狭窄領域と前記第２の電極の間の少
なくとも一部に２次元キャリアの生成が可能な積層構造
を有する半導体層領域を有し、且つ前記２次元キャリア
の生成が可能な積層構造を有する半導体層領域が、高濃
度に不純物を含有し且つ広い禁制帯幅を有する第１の半
導体層と、前記第１の半導体層より低い濃度で不純物を
含有するかあるいは実質的に不純物を含有せず且つ前記
第１の半導体層より狭い禁制帯幅を有する第２の半導体
層とを少なくとも有してなることを特徴とする面発光型
レーザ装置。
【請求項３】半導体基板上に、光を発生する活性層領
域と、この活性層領域を挟んで前記半導体基板と逆側に
配置された電流狭窄領域と、当該半導体層の積層方向に
おいて、前記活性層領域と前記電流狭窄領域とを上下で
反射鏡で挟んだ光共振器と、前記電流狭窄領域を挟ん
で、前記半導体基板側に設けられた第１の電極と、前記
半導体基板と反対側に設けられた第２の電極とを少なく
とも有し、前記電流狭窄領域と前記第２の電極の間に２
次元キャリアの生成が可能な積層構造を有する半導体層
領域を有し、且つ当該２次元キャリアの生成が可能な積
層構造を有する半導体層領域の少なくとも一部が前記光
共振器内に含まれることを特徴とする面発光型レーザ装
置。
【請求項４】半導体基板上に、光を発生する活性層領
域と、この活性層領域を挟んで前記半導体基板と逆側に
配置された電流狭窄領域と、当該半導体層の積層方向に
おいて、前記活性層領域と前記電流狭窄領域とを上下で
反射鏡で挟んだ光共振器と、前記電流狭窄領域を挟ん
で、前記半導体基板側に設けられた第１の電極と、前記
半導体基板と反対側に設けられた第２の電極とを少なく
とも有し、前記電流狭窄領域と前記第２の電極の間の少
なくとも一部に２次元キャリアの生成が可能な積層構造
を有する半導体層領域を有し、当該２次元キャリアの生
成が可能な積層構造を有する半導体層領域の少なくとも
一部が前記光共振器内に含まれ、且つ前記２次元キャリ
アの生成が可能な積層構造を有する半導体層領域が、高
濃度に不純物を含有し且つ広い禁制帯幅を有する第１の
半導体層と、前記第１の半導体層より低い濃度で不純物
を含有するかあるいは実質的に不純物を含有せず且つ前
記第１の半導体層より狭い禁制帯幅を有する第２の半導
体層とを少なくとも有してなることを特徴とする面発光
型レーザ装置。
【請求項５】前記２次元キャリアの生成が可能な積層
構造を有する半導体層領域の当該レーザ光の吸収が１％
未満であることを特徴とする請求項３及び請求項４のい
ずれかに記載の面発光型レーザ装置。
【請求項６】半導体基板上に、光を発生する活性層領
域と、この活性層領域を挟んで前記半導体基板と逆側に
配置された電流狭窄領域と、当該半導体層の積層方向に
おいて、前記活性層領域と前記電流狭窄領域とを上下で
反射鏡で挟んだ光共振器と、前記電流狭窄領域を挟ん
で、前記半導体基板側に設けられた第１の電極と、前記
半導体基板と反対側に設けられた第２の電極とを少なく
とも有し、前記電流狭窄領域と前記第２の電極の間に２
次元キャリアの生成が可能な積層構造を有する半導体層
領域を有し、且つ当該２次元キャリアの生成が可能な積
層構造を有する半導体層領域が前記光共振器の外部にあ
ることを特徴とする面発光型レーザ装置。
【請求項７】半導体基板上に、光を発生する活性層領
域と、この活性層領域を挟んで前記半導体基板と逆側に
配置された電流狭窄領域と、当該半導体層の積層方向に
おいて、前記活性層領域と前記電流狭窄領域とを上下で
反射鏡で挟んだ光共振器と、前記電流狭窄領域を挟ん
で、前記半導体基板側に設けられた第１の電極と、前記
半導体基板と反対側に設けられた第２の電極とを少なく
とも有し、前記電流狭窄領域と前記第２の電極の間の少
なくとも一部に２次元キャリアの生成が可能な積層構造
を有する半導体層領域を有し、当該２次元キャリアの生
成が可能な積層構造を有する半導体層領域が前記光共振
器外にあり、且つ前記２次元キャリアの生成が可能な積
層構造を有する半導体層領域が、高濃度に不純物を含有
し且つ広い禁制帯幅を有する第１の半導体層と、前記第
１の半導体層より低い濃度で不純物を含有するかあるい
は実質的に不純物を含有せず且つ前記第１の半導体層よ
り狭い禁制帯幅を有する第２の半導体層とを少なくとも
有してなることを特徴とする面発光型レーザ装置。
【請求項８】前記高濃度に不純物を含有する第１の半
導体層がｐ導電型を有し、当該２次元キャリアの生成が
可能な積層構造を有する半導体層領域におけるキャリア
が正孔であることを特徴とする請求項２より請求項７の
いずれかに記載の面発光型レーザ装置。
【請求項９】所定の枠体に、請求項１より請求項８の
いずれかに記載の面発光型レーザ装置を光源として有す
ることを特徴とする光モジュール。
【請求項１０】請求項１より請求項８のいずれかに記
載の面発光型レーザ装置あるいは請求項９に記載の光モ
ジュールの少なくとも一者を有することを特徴とする光
システム。