JP2002252405A - Optical communication system - Google Patents

Optical communication system

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JP2002252405A
JP2002252405A JP2001051263A JP2001051263A JP2002252405A JP 2002252405 A JP2002252405 A JP 2002252405A JP 2001051263 A JP2001051263 A JP 2001051263A JP 2001051263 A JP2001051263 A JP 2001051263A JP 2002252405 A JP2002252405 A JP 2002252405A
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layer
refractive index
semiconductor laser
light
laser
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JP2001051263A
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Japanese (ja)
Inventor
Akira Sakurai
彰 桜井
Teruyuki Furuta
輝幸 古田
Kazuya Miyagaki
一也 宮垣
Atsuyuki Watada
篤行 和多田
Shunichi Sato
俊一 佐藤
Yukie Suzuki
幸栄 鈴木
Satoru Sugawara
悟 菅原
Shinji Sato
新治 佐藤
Shuichi Hikiji
秀一 曳地
Takuro Sekiya
卓朗 関谷
Takeshi Kanai
健 金井
Masayoshi Kato
正良 加藤
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical communication system having high reliability with respect to deterioration of a plane light-emission type semiconductor laser device. SOLUTION: In a lower semiconductor distribution Bragg reflector and an upper semiconductor distribution Bragg reflector, a low refraction index layer and a high refraction index layer, which constitute a structural layer of a long wavelength band plane light-emitting semiconductor laser device, are alternately and periodically laminated. Such a material layer that a refraction index takes a value between two layers is provided between the low refraction index layer and the high refraction index layer. This material layer varies a composition as having a slope from a composition of the high refraction index layer to a composition of the low refraction index layer, whereby the refraction index changes continuously or stepwise. Thus, the generation of a hetero barrier generated on an interface of two types of semiconductor layers which constitute the semiconductor Bragg reflector is prevented, thereby lowering electric resistance of the Bragg reflector. Such the material layer can be formed by controlling a gas flow rate when forming the layers.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は光通信などに用いら
れる半導体レーザならびにその光通信システムに関する
ものであり、中でも半導体レーザとして製作に使用する
半導体基板面に対して垂直方向に光を発するいわゆる面
発光レーザを用い複数のレーザ素子を形成して、大容量
の通信を可能にした光通信システムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser used for optical communication and the like and an optical communication system therefor, and more particularly to a so-called surface which emits light in a direction perpendicular to the surface of a semiconductor substrate used for manufacturing the semiconductor laser. The present invention relates to an optical communication system in which a plurality of laser elements are formed using a light emitting laser to enable large-capacity communication.

【0002】[0002]

【従来の技術】面発光半導体レーザは、基板の表面から
垂直方向にレーザ光を放射するので2次元並列集積が可
能であり、更に、その出力光の広がり角が比較的狭い
(10度前後)ので光ファイバとの結合が容易であるほ
か、素子の検査が容易であるという特徴を有している。
そのため、特に、並列伝送型の光送信モジュール(光イ
ンタコネクション装置)を構成するのに適した素子とし
て開発が盛んに行なわれている。
2. Description of the Related Art A surface emitting semiconductor laser emits laser light in a vertical direction from the surface of a substrate, so that two-dimensional parallel integration is possible, and the spread angle of the output light is relatively narrow (about 10 degrees). Therefore, it is easy to couple with an optical fiber and easy to inspect the element.
Therefore, in particular, development as an element suitable for configuring an optical transmission module (optical interconnection device) of a parallel transmission type has been actively conducted.

【0003】光インタコネクション装置の当面の応用対
象は、コンピュータ等の筐体間やボード間の並列接続の
ほか、短距離の光ファイバー通信であるが、将来の期待
される応用として大規模なコンピュータ・ネットワーク
や長距離大容量通信の幹線系がある。
[0003] The immediate application of the optical interconnection device is short-distance optical fiber communication in addition to parallel connection between housings of computers or the like and between boards. There are trunk systems for networks and long-distance large-capacity communications.

【0004】一般に、面発光半導体レーザは、GaAs
又はGaInAs からなる活性層と、当該活性層を上下に
挟んで配置された上部の半導体分布ブラッグ反射鏡と基
板側の下部の半導体分布ブラッグ反射鏡からなる光共振
器をもって構成するのが普通であるが、端面発光型半導
体レーザの場合に比較して光共振器の長さが著しく短い
ため、反射鏡の反射率を極めて高い値(99%以上)に設
定することによってレーザ発振を起こし易くする必要が
ある。このため、通常は、AlAs からなる低屈折率材
料とGaAs からなる高屈折率材料を1/4波長の周期
で交互に積層することによって形成した半導体分布ブラ
ッグ反射鏡が使用されている。
Generally, a surface emitting semiconductor laser is made of GaAs.
Or, it is common to comprise an active layer made of GaInAs, and an optical resonator consisting of an upper semiconductor distributed Bragg reflector disposed above and below the active layer and a lower semiconductor distributed Bragg reflector on the substrate side. However, since the length of the optical resonator is significantly shorter than that of the edge emitting semiconductor laser, it is necessary to set the reflectivity of the reflecting mirror to an extremely high value (99% or more) so as to easily cause laser oscillation. There is. For this reason, a semiconductor distributed Bragg reflector formed by alternately laminating a low-refractive-index material made of AlAs and a high-refractive-index material made of GaAs with a period of 1/4 wavelength is usually used.

【0005】ところで上記のように、光通信に使用され
るようなレーザ波長が1.1μm以上の長波長帯レー
ザ、例えばレーザ波長が1.3μm帯や1.55μm帯
であるような長波長帯レーザは、製作基板にInPが用
いられ、活性層にInGaAsPが用いられるが、基板の
InPの格子定数が大きく、これに整合する反射鏡材料
では屈折率差が大きく取れず、従って積層数を40対以
上とする必要がある。
By the way, as described above, a long wavelength band laser having a laser wavelength of 1.1 μm or more used for optical communication, for example, a long wavelength band having a laser wavelength of 1.3 μm or 1.55 μm. In the laser, InP is used for the production substrate and InGaAsP is used for the active layer. However, the lattice constant of InP of the substrate is large, and a large difference in the refractive index cannot be obtained with a reflecting mirror material that matches the substrate. Must be more than pairs.

【0006】またInP基板上に形成される半導体レー
ザには、別の問題として、温度によって特性が大きく変
化する点がある。そのため、温度を一定にする装置を付
加して使用する必要があり、民生用等一般用に供するこ
とが困難であり、このような積層数と温度特性の問題か
ら、実用的な長波長帯面発光半導体は、未だ実用化され
るに至っていない。
Another problem with semiconductor lasers formed on InP substrates is that the characteristics change significantly with temperature. For this reason, it is necessary to add a device for keeping the temperature constant, and it is difficult to use the device for general purposes such as consumer use. Light emitting semiconductors have not yet been put to practical use.

【0007】このような問題を解決するためになされた
発明として、特開平9−237942号公報に開示され
たものが知られている。それによると、製作基板として
GaAs 基板を用い、基板側の下部上部のうち少なくと
も一方の半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層に同基
板と格子整合が取れるAlInPからなる半導体層を用
い、さらに、下部上部のうち少なくとも一方の半導体分
布ブラッグ反射鏡の高屈折率層にGaInNAs からなる
半導体層を用い、従来よりも大きい屈折率差を得るよう
にし、少ない積層数で高反射率の半導体分布ブラッグ反
射鏡を実現しようというものである。
As an invention made to solve such a problem, one disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-237942 is known. According to this, a GaAs substrate is used as a production substrate, and a semiconductor layer made of AlInP that can be lattice-matched with the substrate is used as a low refractive index layer of at least one of the semiconductor distributed Bragg reflectors in the lower part on the substrate side. A semiconductor layer made of GaInNAs is used as a high refractive index layer of at least one of the lower and upper semiconductor distributed Bragg reflecting mirrors so that a larger refractive index difference is obtained than in the prior art. It is to realize a mirror.

【0008】また、GaInNAs を活性層の材料として
使用している。これは、N組成を増加させることによっ
てバンドギャップ(禁制帯幅)を1.4eVから0eV
へ向かって低下させることができるので、0.85μm
よりも長い波長を発光する材料として用いることが可能
となるからである。しかもGaAs 基板と格子整合が可
能なので、GaInNAs からなる半導体層は、1.3μ
m帯及び1.55μm帯の長波長帯面発光半導体レーザ
のための材料として好ましい点についても言及してい
る。
Further, GaInNAs is used as a material for the active layer. This is because the band gap (forbidden band width) is increased from 1.4 eV to 0 eV by increasing the N composition.
0.85 μm
This is because it can be used as a material that emits a longer wavelength. In addition, since lattice matching with the GaAs substrate is possible, the semiconductor layer made of GaInNAs is 1.3 μm.
Reference is also made to the fact that it is preferable as a material for long-wavelength surface emitting semiconductor lasers in the m-band and 1.55 μm band.

【0009】しかしながら、従来は0.85μmよりも
長い波長帯の面発光半導体レーザ実現の可能性を示唆す
るにとどまっているだけであり、実際にはそのようなも
のは実現していない。これは基本的な構成は理論的には
ほぼ決まってはいるものの実際に安定したレーザ発光が
得られるようにするためのより具体的な構成がまだ不明
だからである。
[0009] However, the prior art merely suggests the possibility of realizing a surface emitting semiconductor laser in a wavelength band longer than 0.85 µm, and such a device is not actually realized. This is because the basic configuration is almost theoretically determined, but a more specific configuration for realizing stable laser emission is still unknown.

【0010】一例を挙げると、上記のようにAlAs か
らなる低屈折率材料とGaAs からなる高屈折率材料を
1/4波長の周期で交互に積層することによって形成し
た半導体分布ブラッグ反射鏡を使用したものや、あるい
は特開平9−237942号公報に開示されたもののよ
うに、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層に同基板
と格子整合が取れるAlInPからなる半導体層を用いた
ものにおいては、レーザ素子が全く発光しなかったり、
あるいは、発光してもその発光効率が低く、実用レベル
には程遠いものであった。
As an example, a semiconductor distributed Bragg reflector formed by alternately laminating a low-refractive-index material made of AlAs and a high-refractive-index material made of GaAs at a period of 1/4 wavelength as described above is used. Or a device using a semiconductor layer made of AlInP, which is lattice-matched to the same substrate as the low refractive index layer of the semiconductor distributed Bragg reflector, as disclosed in JP-A-9-237942. The laser element does not emit light at all,
Alternatively, even if light is emitted, the light emission efficiency is low, which is far from a practical level.

【0011】これは、Alを含んだ材料が化学的に非常
に活性であり、Alに起因する結晶欠陥が生じ易いため
である。これを解決するためには、特開平8−3401
46号公報や特開平7−307525号公報に開示され
た発明のようにAlを含まないGaInNPとGaAsとか
ら半導体分布ブラッグ反射鏡を構成する提案がある。し
かしながらGaInNPとGaAs との屈折率差はAlAs
とGaAsとの屈折率差に比べて約半分であり、反射鏡の
積層数を非常に多くなり製作が困難となる。
This is because the material containing Al is chemically very active, and crystal defects caused by Al are likely to occur. To solve this, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-34001
There is a proposal to form a semiconductor distributed Bragg reflector from GaInNP and GaAs that do not contain Al as in the inventions disclosed in Japanese Patent Application Publication No. 46-46 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-307525. However, the refractive index difference between GaInNP and GaAs is AlAs
The refractive index difference is about half the refractive index difference between GaAs and GaAs.

【0012】すなわち現状では、コンピュータ・ネット
ワークなどで光ファイバー通信が期待されているが、そ
れに使用できるレーザ波長が1.1μm〜1.7μmの
長波長帯面発光半導体レーザおよびそれを用いた通信シ
ステムが存在せず、その出現が切望されている。
That is, at present, optical fiber communication is expected in a computer network or the like. A long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a laser wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm and a communication system using the same are available. It does not exist and its appearance is longing for.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような光
通信などに用いられるレーザ発振波長が1.1μm〜
1.7μmの長波長帯面発光半導体レーザならびにその
光通信システムに関するものであり、その第1の目的
は、動作電圧、発振閾値電流等を低くできる面発光型半
導体レーザ素子チップを発光光源として利用し、当該複
数面発光型半導体レーザ素子に発光状態を監視するフォ
トダイオードと比較器を組み合わせた判定回路と切り替
え回路を付加することで、当該面発光型半導体レーザ素
子の劣化に対して信頼性の高い光通信システムを構築す
ることを可能とする光通信システムを提案することにあ
る。
According to the present invention, a laser oscillation wavelength used for such optical communication or the like is 1.1 μm or more.
1. Field of the Invention The present invention relates to a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a wavelength of 1.7 μm and an optical communication system using the same. In addition, by adding a judgment circuit and a switching circuit combining a photodiode and a comparator for monitoring an emission state to the surface emitting semiconductor laser element, the reliability of the surface emitting semiconductor laser element against degradation is improved. An object of the present invention is to propose an optical communication system capable of constructing a high optical communication system.

【0014】また第2の目的は、安定して使用できるレ
ーザ発振波長が1.1μm〜1.7μmの長波長帯面発
光半導体レーザ素子チップを発光光源として利用し、当
該複数面発光型半導体レーザ素子に発光状態を監視する
フォトダイオードと比較器を組み合わせた判定回路と切
り替え回路を付加することで、当該面発光型半導体レー
ザ素子の劣化に対して信頼性の高い光通信システムを構
築することを可能とする光通信システムを提案すること
にある。
A second object is to use a long-wavelength surface emitting semiconductor laser device chip having a laser oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm, which can be used stably, as a light emitting light source. By adding a decision circuit and a switching circuit combining a photodiode and a comparator for monitoring the light emitting state of the device, an optical communication system with high reliability against the deterioration of the surface emitting semiconductor laser device can be constructed. An object of the present invention is to propose an optical communication system which enables the optical communication system.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明は前記目的を達成
するために第1に、レーザチップと該レーザチップと接
続される光通信システムにおいて、前記レーザチップは
発振波長が1.1μm〜1.7μmであり、光を発生す
る活性層を、主たる元素がGa、In、N、Asからな
る層、もしくはGa、In、Asよりなる層とし、レー
ザ光を得るために前記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
ーザ素子チップであって、前記反射鏡はそれを構成する
材料層の屈折率が小/大と周期的に変化し入射光を光波
干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡である
とともに、前記屈折率が小の材料層はAlxGa1-xAs
(0<x≦1)とし、前記屈折率が大の材料層はAly
Ga1-yAs(0≦y<x≦1)とした反射鏡であり、
かつ前記屈折率が小と大の材料層の間に該屈折率が小と
大の間の値をとる材料層AlzGa1-zAs(0≦y<z
<x≦1)を設けてなる面発光型半導体レーザ素子チッ
プを発光光源としたものであり、前記光通信システムは
2N個の前記面発光型半導体レーザとN個の光ファイバ
と前記面発光型半導体レーザ素子の発光状態を監視する
判定回路と切り替え回路とよりなるようにした。
According to the present invention, in order to achieve the above object, first, in a laser chip and an optical communication system connected to the laser chip, the laser chip has an oscillation wavelength of 1.1 μm to 1 μm. 0.7 μm, and the light-generating active layer is a layer whose main element is Ga, In, N, As or a layer consisting of Ga, In, As. What is claimed is: 1. A surface-emitting type semiconductor laser device chip having a resonator structure including a reflecting mirror provided at a lower portion, wherein the reflecting mirror periodically changes the refractive index of a material layer constituting the reflecting mirror to be small / large and is incident. A semiconductor distributed Bragg reflector for reflecting light by light wave interference, and the material layer having a small refractive index is made of Al x Ga 1 -x As.
(0 <x ≦ 1) and then, the material layer of the refractive index is large is Al y
A reflecting mirror having Ga 1-y As (0 ≦ y <x ≦ 1),
And a material layer Al z Ga 1 -z As (0 ≦ y <z) in which the refractive index takes a value between small and large between the material layers with small and large refractive indexes.
<X ≦ 1) is used as a light emitting light source, and the optical communication system includes 2N surface emitting semiconductor lasers, N optical fibers, and the surface emitting semiconductor laser. The semiconductor laser device includes a determination circuit for monitoring the light emission state of the semiconductor laser device and a switching circuit.

【0016】また第2に、レーザチップと該レーザチッ
プと接続される光通信システムにおいて、前記レーザチ
ップは発振波長が1.1μm〜1.7μmであり、光を
発生する活性層を、主たる元素がGa、In、N、As
からなる層、もしくはGa、In、Asよりなる層と
し、レーザ光を得るために前記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
半導体レーザ素子チップであって、前記反射鏡はそれを
構成する材料の屈折率が小/大と周期的に変化し入射光
を光波干渉によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡
であるとともに、前記屈折率が小の材料はAlxGa1-x
As(0<x≦1)とし、前記屈折率が大の材料はAl
yGa1-yAs(0≦y<x≦1)とした反射鏡であり、
前記活性層と前記反射鏡の間にGaInPもしくはGa
InPAsよりなる非発光再結合防止層を設けてなる面
発光型半導体レーザ素子チップを発光光源としたもので
あり、前記光通信システムは2N個の前記面発光型半導
体レーザとN個の光ファイバと前記面発光型半導体レー
ザ素子の発光状態を監視する判定回路と切り替え回路と
よりなるようにした。
Secondly, in a laser chip and an optical communication system connected to the laser chip, the laser chip has an oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm, and the active layer for generating light includes a main element. Is Ga, In, N, As
Or a layer made of Ga, In, As, and a surface emitting semiconductor laser device chip having a resonator structure including reflectors provided above and below the active layer in order to obtain a laser beam. The reflector is a semiconductor distributed Bragg reflector in which the refractive index of the material constituting the reflector changes periodically as small / large and reflects incident light by light wave interference. Al x Ga 1-x
As (0 <x ≦ 1), the material having a large refractive index is Al
a reflecting mirror with y Ga 1-y As (0 ≦ y <x ≦ 1),
GaInP or Ga between the active layer and the reflector.
A surface-emitting type semiconductor laser device chip provided with a non-light-emitting recombination prevention layer made of InPAs is used as a light-emitting source, and the optical communication system comprises 2N surface-emitting type semiconductor lasers and N optical fibers. The switching device includes a determination circuit for monitoring a light emitting state of the surface emitting semiconductor laser device and a switching circuit.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】最初に本発明の光通信システムに
適用される発光素子である伝送ロスの少ないレーザ発振
波長が1.1μm〜1.7μmの長波長帯面発光半導体
レーザの1例について図1を用いて説明する。前述のよ
うに、従来は本発明が適用しようとしているレーザ発振
波長が1.1μm〜1.7μmの長波長帯面発光半導体
レーザに関しては、その可能性の示唆があるのみで、実
現のための材料、ならびにより具体的、詳細な構成は不
明であった。本発明では、活性層としてGaInNAs等
の材料を使用し、さらに具体的な構成を明確にした。以
下にそれを詳述する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, an example of a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a small laser oscillation wavelength of 1.1 to 1.7 .mu.m, which is a light emitting element applied to the optical communication system of the present invention, having a small transmission loss. This will be described with reference to FIG. As described above, a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a laser oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm to which the present invention is conventionally applied only suggests the possibility. The material, as well as the more specific and detailed composition, were unknown. In the present invention, a material such as GaInNAs is used for the active layer, and a more specific configuration is clarified. The details are described below.

【0018】本発明では、面方位(100)のn−Ga
As基板上に、それぞれの媒質内における発振波長λの
1/4倍の厚さ(λ/4の厚さ)でn−AlxGa1-x
s(x=1.0)(低屈折率層〜屈折率小の層)とn−
AlyGa1-yAs(y=0)(高屈折率層〜屈折率大の
層)を交互に35周期積層したn−半導体分布ブラッグ
反射鏡(AlAs/GaAs下部半導体分布ブラッグ反射鏡)を
形成し、その上にλ/4の厚さのn−GaxIn1-xy
As1-y(x=0.5、y=1)層を積層した。この例
ではn−GaxIn1-xyAs1-y(x=0.5、y=
1)層も下部反射鏡の一部であり低屈折率層(屈折率小
の層)となっている。
In the present invention, n-Ga having a plane orientation of (100) is used.
On the As substrate, n-Al x Ga 1 -x A with a thickness (thickness of λ / 4) of 発 振 of the oscillation wavelength λ in each medium.
s (x = 1.0) (low refractive index layer to low refractive index layer) and n−
An n-semiconductor distributed Bragg reflector (AlAs / GaAs lower semiconductor distributed Bragg reflector) in which 35 cycles of Al y Ga 1-y As (y = 0) (high refractive index layer to high refractive index layer) are alternately stacked. And n-Ga x In 1-x P y having a thickness of λ / 4 is formed thereon.
As 1-y (x = 0.5, y = 1) layers were laminated. In this example n-Ga x In 1-x P y As 1-y (x = 0.5, y =
1) The layer is also a part of the lower reflecting mirror and is a low refractive index layer (a layer having a small refractive index).

【0019】そしてその上にアンドープ下部GaAsス
ペーサ層と、3層のGaxIn1-xAs量子井戸層である
活性層(量子井戸活性層)とGaAsバリア層(20n
m)からなる多重量子井戸活性層と、アンドープ上部G
aAsスペーサ層とが積層されて、媒質内における発振
波長λの1波長分の厚さ(λの厚さ)の共振器を形成し
ている。
An undoped lower GaAs spacer layer, an active layer (quantum well active layer), which is a three-layer Ga x In 1-x As quantum well layer, and a GaAs barrier layer (20 n
m) and an undoped upper G layer
The aAs spacer layer is laminated to form a resonator having a thickness of one oscillation wavelength λ (thickness of λ) in the medium.

【0020】さらにその上に、C(炭素)ドープのp−
GaxIn1-xyAs1-y(x=0.5、y=1)層とZ
nドープp−AlxGa1-xAs(x=0)をそれぞれの
媒質内における発振波長λの1/4倍の厚さで交互に積
層した周期構造(1周期)を積層し、その上にCドープ
のp−AlxGa1-xAs(x=0.9)とZnドープp
−AlxGa1-xAs(x=0)をそれぞれの媒質内にお
ける発振波長λの1/4倍の厚さで交互に積層した周期
構造(25周期)とからなる半導体分布ブラッグ反射鏡
(Al0.9Ga0.1As/GaAs上部半導体分布ブラッグ反射鏡)
を形成している。この例ではp−GaxIn1-xyAs
1-y(x=0.5、y=1)層も上部反射鏡の一部であ
り、低屈折率層(屈折率小の層)となっている。
In addition, C (carbon) doped p-
Ga x In 1-x Py As 1-y (x = 0.5, y = 1) layer and Z
A periodic structure (one cycle) in which n-doped p-Al x Ga 1-x As (x = 0) is alternately stacked with a thickness of 1 / times the oscillation wavelength λ in each medium is stacked. C-doped p-Al x Ga 1 -x As (x = 0.9) and Zn-doped p
A semiconductor distributed Bragg reflector (a periodic structure (25 periods) in which -Al x Ga 1 -x As (x = 0) is alternately stacked with a thickness of 1 / times the oscillation wavelength λ in each medium; Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs upper semiconductor distributed Bragg reflector)
Is formed. In this example p-Ga x In 1-x P y As
The 1-y (x = 0.5, y = 1) layer is also a part of the upper reflecting mirror and is a low refractive index layer (a layer having a small refractive index).

【0021】なおここで、上部/下部反射鏡ともそれぞ
れ低屈折率層(屈折率小の層)/高屈折率層(屈折率大
の層)を交互に積層して形成するが、本発明ではこれら
の間に、屈折率が小と大の間の値をとる材料層Alz
1-zAs(0≦y<z<x≦1)を設けている。
Here, both the upper and lower reflectors are formed by alternately laminating a low refractive index layer (a layer having a low refractive index) / a high refractive index layer (a layer having a high refractive index). Between these, the material layer Al z G whose refractive index takes a value between small and large
a 1-z As (0 ≦ y <z <x ≦ 1) is provided.

【0022】図2は、低屈折率層(屈折率小の層)と高
屈折率層(屈折率大の層)の間に、屈折率が小と大の間
の値をとる材料層AlzGa1−zAs(0≦y<z<
x≦1)を設けた半導体分布ブラッグ反射鏡の一部を示
したものである(図1では図が複雑になるので図示する
ことを省略している)。
FIG. 2 shows a material layer AlzGa1- having a refractive index between a small and a large value between a low refractive index layer (a layer with a small refractive index) and a high refractive index layer (a layer with a large refractive index). zAs (0 ≦ y <z <
FIG. 1 shows a part of a semiconductor distributed Bragg reflector provided with x ≦ 1 (in FIG. 1, illustration is omitted because the figure becomes complicated).

【0023】従来レーザ波長が0.85μm帯の半導体
レーザに関して、このような材料層を設けることも検討
はされているが、まだ検討段階であり、その材料、ある
いはその厚さなどまで詳細には検討されていない。また
本発明のようなレーザ発振波長が1.1μm〜1.7μ
mの長波長帯面発光半導体レーザに関しては全く検討さ
れていない。その理由はこの分野(レーザ発振波長が
1.1μm〜1.7μmの長波長帯面発光半導体レー
ザ)が新しい分野であり、まだほとんど研究が進んでい
ないからである。
Conventionally, it has been studied to provide such a material layer for a semiconductor laser having a laser wavelength of 0.85 μm band. However, it is still in the stage of study, and the material or its thickness is not described in detail. Not considered. Further, the laser oscillation wavelength as in the present invention is 1.1 μm to 1.7 μm.
No consideration has been given to a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a wavelength of m. The reason for this is that this field (a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a laser oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm) is a new field, and little research has yet been made.

【0024】本発明者はいち早くこの分野(レーザ発振
波長が1.1μm〜1.7μmの長波長帯面発光半導体
レーザおよびそれを用いた光通信)の有用性に気付き、
それを実現するために鋭意検討を行った。このような材
料層は形成時にガス流量をコントロールするなどして、
そのAl組成を連続的もしくは段階的に変えるようにし
てその材料層の屈折率が連続的もしくは段階的に変化す
るようにして形成する。より具体的には、AlzGa1-z
As(0≦y<z<x≦1)層のzの値を0から1.0
まで変わるように、つまりGaAs〜AlGaAs〜A
lAsという具合にAlとGaの比率が徐々に変わるよ
うにして形成する。これは前述のように層形成時にガス
流量をコントロールすることによって作成される。ま
た、AlとGaの比率が前述のように連続的に変わるよ
うにして形成しても良いし、段階的にその比率が変わる
ようにしても同等の効果がある。
The present inventor has quickly noticed the usefulness of this field (a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a laser oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm and optical communication using the same).
In order to realize it, we studied diligently. Such a material layer controls the gas flow rate during formation, etc.
The Al layer is formed so that the Al composition is changed continuously or stepwise so that the refractive index of the material layer is changed continuously or stepwise. More specifically, Al z Ga 1-z
The value of z of the As (0 ≦ y <z <x ≦ 1) layer is changed from 0 to 1.0.
GaAs to AlGaAs to A
It is formed such that the ratio of Al and Ga gradually changes to 1As. This is created by controlling the gas flow during layer formation as described above. Further, it may be formed so that the ratio of Al and Ga changes continuously as described above, or the same effect can be obtained even if the ratio changes stepwise.

【0025】このような材料層を設ける理由は、半導体
分布ブラッグ反射鏡の持つ問題点の一つであるp−半導
体分布ブラッグ反射鏡の電気抵抗が高いという課題を解
決するためである。これは半導体分布ブラッグ反射鏡を
構成する2種類の半導体層の界面に生じるヘテロ障壁が
原因であるが、本発明のように低屈折率層と高屈折率層
の界面に一方の組成から他方の組成へ次第にAl組成が
変化するようにして、屈折率も変化させることによって
ヘテロ障壁の発生を抑制することが可能である。
The reason for providing such a material layer is to solve the problem that the electrical resistance of the p-semiconductor distributed Bragg reflector, which is one of the problems of the distributed Bragg reflector, is high. This is due to the hetero barrier generated at the interface between the two types of semiconductor layers constituting the semiconductor distributed Bragg reflector. However, as in the present invention, the interface between the low refractive index layer and the high refractive index layer is changed from one composition to the other. It is possible to suppress the generation of the hetero barrier by changing the Al composition gradually to the composition and changing the refractive index.

【0026】またこのような屈折率が小と大の間の値を
とる材料層AlzGa1−zAs(0≦y<z<x≦
1)は本発明のようなレーザ発振波長が1.1μm〜
1.7μmの長波長帯面発光半導体レーザの場合、5n
m〜50nmの厚さとするのが良く、これより薄いと抵
抗が大となり電流が流れにくく、素子が発熱したり、駆
動エネルギーが高くなるという不具合がある。また厚い
と抵抗が小となり、素子の発熱や、駆動エネルギーの面
で有利になるが、今度は反射率がとれないという不具合
があり、前述のように最適の範囲(5nm〜50nmの
厚さ)を選ぶ必要がある。
The material layer AlzGa1-zAs having such a refractive index between a small value and a large value (0 ≦ y <z <x ≦
1) The laser oscillation wavelength as in the present invention is 1.1 μm or more.
In the case of a long-wavelength surface emitting semiconductor laser of 1.7 μm, 5n
The thickness is preferably from m to 50 nm. If the thickness is smaller than this, there is a problem that the resistance becomes large and current does not easily flow, and the element generates heat and the driving energy becomes high. If the thickness is large, the resistance becomes small, which is advantageous in terms of heat generation of the element and driving energy. However, there is a problem that the reflectance cannot be obtained, and the optimum range (thickness of 5 nm to 50 nm) as described above. You need to choose

【0027】なお、前述のように従来のレーザ波長が
0.85μm帯の半導体レーザに関してこのような材料
層を設けることも検討されているが、本発明のようなレ
ーザ発振波長が1.1μm〜1.7μmの長波長帯面発
光半導体レーザの場合は、より効果的である。なぜな
ら、例えば同等の反射率(例えば99.5%以上)を得
るためには、0.85μm帯よりも1.1μm帯〜1.
7μm帯の場合、このような材料層を約2倍程度にする
ことができるので、半導体分布ブラッグ反射鏡の抵抗値
を低減させることができ、動作電圧、発振閾値電流等が
低くなり、レーザ素子の発熱防止ならびに安定発振、少
エネルギー駆動の面で有利となる。つまり半導体分布ブ
ラッグ反射鏡にこのような材料層を設けることは、本発
明のようなレーザ発振波長が1.1μm〜1.7μmの
長波長帯面発光半導体レーザの場合に特に効果的な工夫
といえる。
As described above, it has been considered to provide such a material layer for a conventional semiconductor laser having a laser wavelength in the 0.85 μm band. In the case of a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a wavelength of 1.7 μm, it is more effective. This is because, for example, in order to obtain the same reflectance (for example, 99.5% or more), the band from 1.1 μm to 1.0 μm is more than 0.85 μm.
In the case of the 7 μm band, such a material layer can be approximately doubled, so that the resistance value of the semiconductor distributed Bragg reflector can be reduced, the operating voltage, the oscillation threshold current, and the like are reduced, and the laser device This is advantageous in terms of preventing heat generation, stable oscillation, and low energy driving. In other words, providing such a material layer on the semiconductor distributed Bragg reflector is particularly effective in the case of a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a laser oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm as in the present invention. I can say.

【0028】なお効果的な反射率を得るためのより詳細
な検討結果の一例を挙げると、例えば1.3μm帯面発
光型レーザ素子では、AlxGa1-xAs(x=1.0)
(低屈折率層〜屈折率小の層)とAlyGa1-yAs(y
=0)(高屈折率層〜屈折率大の層)を20周期積層し
た場合においては、半導体分布ブラッグ反射鏡の反射率
が99.7%以下となるAlzGa1-zAs(0≦y<z
<x≦1)層の厚さは30nmである。
As an example of a more detailed examination result for obtaining an effective reflectance, for example, in a 1.3 μm band surface emitting laser device, Al x Ga 1 -x As (x = 1.0)
(Low refractive index layer to low refractive index layer) and Al y Ga 1-y As (y
= 0) (in the case of a high refractive index layer-refractive index large layer) 20 period stacking, the reflectance of the semiconductor distributed Bragg reflector is 99.7% or less Al z Ga 1-z As ( 0 ≦ y <z
<X ≦ 1) The thickness of the layer is 30 nm.

【0029】また、反射率が99.5%以上となる波長
帯域は53nmであり、反射率を99.5%以上と設計
した場合、±2%の膜厚制御ができればよい。そこでこ
れと同等およびこれより薄い、10nm、20nm、3
0nmのものを試作したところ、反射率を実用上問題の
ない程度に保つことができ、半導体分布ブラッグ反射鏡
の抵抗値を低減させることができた1.3μm帯面発光
型レーザ素子を実現、レーザ発振に成功した。なお試作
したレーザ素子の他の構成は後述のとおりである。
The wavelength band in which the reflectivity is 99.5% or more is 53 nm. When the reflectivity is designed to be 99.5% or more, it is only necessary to control the film thickness by ± 2%. Therefore, 10 nm, 20 nm, 3
When a prototype of 0 nm was fabricated, a 1.3 μm band surface emitting laser device which could keep the reflectivity to a practically acceptable level and reduced the resistance value of the semiconductor distributed Bragg reflector was realized. Laser oscillation succeeded. Other configurations of the prototyped laser element are as described below.

【0030】なお多層膜反射鏡においては設計波長(膜
厚制御が完全にできたとして)を含んで反射率の高い帯
域がある。高反射率の帯域(反射率が狙いの波長に対し
て必要値以上である領域を含む)と呼ぶ。設計波長の反
射率が最も高く、波長が離れるにしたがってごくわずか
ずつ低下している領域である。これはある領域から急激
に低下する。そして狙いの波長に対して必要な反射率以
上となるように、本来、多層膜反射鏡の膜厚を原子層レ
ベルで完全に制御する必要がある。
In the multilayer mirror, there is a band having a high reflectance including the design wavelength (assuming that the film thickness can be completely controlled). It is referred to as a high-reflectance band (including a region where the reflectivity is equal to or more than a required value for a target wavelength). This is the region where the reflectance at the design wavelength is the highest and decreases very little as the wavelength increases. It drops off sharply from some area. Originally, it is necessary to completely control the film thickness of the multilayer mirror at the atomic layer level so that the reflectance is higher than the required reflectance for the target wavelength.

【0031】しかし実際には±1%程度の膜厚誤差は生
じるので狙いの波長と最も反射率の高い波長はずれてし
まう。例えば狙いの波長が1.3μmの場合、膜厚制御
が1%ずれたとき、最も反射率の高い波長は13nmず
れてしまう。よってこの高反射率の帯域(ここでは反射
率が狙いの波長に対して必要値以上である領域)は広い
方が望ましい。しかし中間層を厚くするとこの帯域が狭
くなる傾向にある。
However, a film thickness error of about ± 1% actually occurs, so that the target wavelength deviates from the wavelength having the highest reflectance. For example, when the target wavelength is 1.3 μm, when the film thickness control is shifted by 1%, the wavelength having the highest reflectance is shifted by 13 nm. Therefore, it is desirable that the band of the high reflectance (here, the region where the reflectance is equal to or more than a required value with respect to a target wavelength) is wide. However, thickening the intermediate layer tends to narrow this band.

【0032】このように本発明のようなレーザ発振波長
が1.1μm〜1.7μmの長波長帯面発光半導体レー
ザにおいて、このような半導体分布ブラッグ反射鏡の構
成を工夫、最適化することにより、反射率を高く維持し
たまま抵抗値を低減させることができるので、動作電
圧、発振閾値電流等を低くでき、レーザ素子の発熱防止
ならびに安定発振、少エネルギー駆動が可能となる。
As described above, in a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a laser oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm as in the present invention, the configuration of such a semiconductor distributed Bragg reflector is devised and optimized. Since the resistance value can be reduced while maintaining a high reflectance, the operating voltage, the oscillation threshold current, and the like can be reduced, so that heat generation of the laser element, stable oscillation, and low-energy driving can be achieved.

【0033】再び図1に戻り、最上部の、p−Alx
1-xAs(x=0)層は、電極とコンタクトを取るた
めのコンタクト層(p−コンタクト層)としての役割も
持っている。ここで、量子井戸活性層のIn組成xは3
9%(Ga0.61In0.39As)とした。また量子井戸活性層の
厚さは7nmとした。なお量子井戸活性層は、GaAs
基板に対して約2.8%の圧縮歪を有していた。
Returning again to FIG. 1, the uppermost p-Al x G
The a 1-x As (x = 0) layer also has a role as a contact layer (p-contact layer) for making contact with the electrode. Here, the In composition x of the quantum well active layer is 3
9% (Ga0.61In0.39As). The thickness of the quantum well active layer was 7 nm. The quantum well active layer is made of GaAs.
It had a compression strain of about 2.8% with respect to the substrate.

【0034】またこの面発光型半導体レーザ全体の成長
方法はMOCVD法で行った。この場合、格子緩和は見
られなかった。半導体レーザの各層を構成する原料に
は、TMA(トリメチルアルミニウム)、TMG(トリ
メチルガリウム)、TMI(トリメチルインジウム)、
AsH3(アルシン)、PH3(フォスフィン)を用い
た。また、キャリアガスにはH2を用いた。図1に示し
た素子の活性層(量子井戸活性層)のように歪が大きい
場合は、非平衡となる低温成長が好ましい。ここでは、
GaInAs層(量子井戸活性層)は550℃で成長さ
せている。
The whole surface emitting semiconductor laser was grown by MOCVD. In this case, no lattice relaxation was observed. The materials constituting each layer of the semiconductor laser include TMA (trimethylaluminum), TMG (trimethylgallium), TMI (trimethylindium),
AsH 3 (arsine) and PH 3 (phosphine) were used. H 2 was used as a carrier gas. In the case where the strain is large as in the active layer (quantum well active layer) of the device shown in FIG. here,
The GaInAs layer (quantum well active layer) is grown at 550 ° C.

【0035】ここで使用したMOCVD法は過飽和度が
高く高歪活性層の結晶成長に適している。またMBE法
のような高真空を必要とせず、原料ガスの供給流量や供
給時間を制御すれば良いので量産性にも優れている。
The MOCVD method used here has a high degree of supersaturation and is suitable for crystal growth of a high strain active layer. In addition, high vacuum is not required as in the MBE method, and the supply flow rate and supply time of the source gas may be controlled.

【0036】またこの例では、電流経路外の部分をプロ
トン(H+)照射によって絶縁層(高抵抗部)を作っ
て、電流狭さく部を形成した。そしてこの例では、上部
反射鏡の最上部の層であり上部反射鏡一部となっている
p−コンタクト層上に光出射部を除いてp側電極を形成
し、基板の裏面にn側電極を形成した。
In this example, the portion outside the current path was irradiated with protons (H + ) to form an insulating layer (high resistance portion) to form a current narrowing portion. In this example, a p-side electrode is formed on the p-contact layer which is the uppermost layer of the upper reflector and is a part of the upper reflector, excluding the light emitting portion, and an n-side electrode is formed on the back surface of the substrate. Was formed.

【0037】この例では、上下反射鏡に挟まれた、キャ
リアが注入され再結合する活性領域(本実施例では上部
及び下部スペーサ層と多重量子井戸活性層とからなる共
振器)において、活性領域内にはAlを含んだ材料(II
I 族に占める割合が1%以上)を用いず、さらに、下部
及び上部反射鏡の低屈折率層の最も活性層に近い層をG
xIn1-xyAs1-y(0<x<1、0<y≦1)の非
発光再結合防止層としている。キャリアは、活性層に最
も近くワイドギャップである上部及び下部反射鏡の低屈
折率層間に閉じ込められるので、活性領域のみをAlを
含まない層(III 族に占める割合が1%以下)で構成し
ても活性領域に接する反射鏡の低屈折率層(ワイドギャ
ップ層)にAlを含んだ構造としたのでは、キャリアが
注入され再結合する時、この界面で非発光再結合が生じ
発光効率は低下してしまう。よって活性領域はAlを含
まない層で構成することが望ましい。
In this example, an active region (in this embodiment, a resonator composed of upper and lower spacer layers and a multiple quantum well active layer) sandwiched between upper and lower reflectors and into which carriers are injected and recombined, is used as an active region. In the material containing Al (II
The ratio of the low refractive index layer of the lower and upper reflectors closest to the active layer is G.
It is set to a x In 1-x P y As 1-y (0 <x <1,0 <y ≦ 1) non-radiative recombination preventing layer. Since the carriers are confined between the low-refractive index layers of the upper and lower reflectors, which are closest to the active layer and have a wide gap, only the active region is constituted by a layer containing no Al (the percentage of group III is 1% or less). However, if the low-refractive index layer (wide gap layer) of the reflector in contact with the active region has a structure including Al, when carriers are injected and recombined, non-radiative recombination occurs at this interface, and the luminous efficiency is reduced. Will drop. Therefore, it is desirable that the active region be formed of a layer containing no Al.

【0038】またこのGaxIn1-xyAs1-y(0<x
<1、0<y≦1)層よりなる非発光再結合防止層は、
その格子定数がGaAs基板よりも小さく、引張り歪を
有している。エピタキシャル成長では下地の情報を反映
して成長するので基板表面に欠陥があると成長層へ這い
上がっていく。しかし歪層があるとそのような欠陥の這
い上がりが抑えられ効果があることが知られている。
The Ga x In 1-x Py As 1-y (0 <x
The non-radiative recombination preventing layer composed of <1, 0 <y ≦ 1)
Its lattice constant is smaller than that of a GaAs substrate and has tensile strain. In the epitaxial growth, the growth is performed by reflecting the information of the base, and if there is a defect on the surface of the substrate, it goes up to the growth layer. However, it is known that the presence of a strained layer is effective in preventing such defects from climbing.

【0039】上記欠陥が活性層に達すると発光効率を低
減させてしまう。また、歪を有する活性層では臨界膜厚
が低減し必要な厚さの層を成長できないなどの問題が生
じる。特に活性層の圧縮歪量が例えば2%以上と大きい
場合や、歪層の厚さ臨界膜厚より厚く成長する場合、低
温成長などの非平衡成長を行っても欠陥の存在で成長で
きないなど、特に問題となる。歪層があるとそのような
欠陥の這い上がりが抑えられるので、発光効率を改善し
たり、活性層の圧縮歪量が例えば2%以上の層を成長で
きたり、歪層の厚さを臨界膜厚より厚く成長することが
可能となる。
When the above defects reach the active layer, the luminous efficiency is reduced. In the case of an active layer having a strain, there arises a problem that the critical thickness is reduced and a layer having a required thickness cannot be grown. In particular, when the amount of compressive strain of the active layer is large, for example, 2% or more, or when the thickness of the strained layer is larger than the critical thickness, even if non-equilibrium growth such as low-temperature growth is performed, growth cannot be performed due to the presence of defects. This is particularly problematic. If a strained layer is present, such a defect can be prevented from climbing up, so that the luminous efficiency can be improved, a layer having a compressive strain of 2% or more of the active layer can be grown, or the thickness of the strained layer can be reduced to a critical film. It becomes possible to grow thicker than thick.

【0040】このGaxIn1-xyAs1-y(0<x<
1、0<y≦1)層は活性領域に接しており活性領域に
キャリアを閉じ込める役割も持っているが、GaxIn
1-xyAs1-y(0<x<1、0<y≦1)層は格子定
数が小さくなるほどバンドギャップエネルギーを大きく
取り得る。
This Ga x In 1-x Py As 1-y (0 <x <
1,0 <y ≦ 1) layer also has the role of carrier confinement in which the active region in contact with the active region but, Ga x an In
The 1-x Py As 1-y (0 <x <1, 0 <y ≦ 1) layer can have a larger band gap energy as the lattice constant decreases.

【0041】例えばGaxIn1-xP(y=1の場合)の
場合、xが大きくなりGaPに近づくと格子定数が大き
くなり、バンドギャップは大きくなる。バンドギャップ
Egは、直接遷移でEg(Γ)=1.351+0.643x+0.78
6x2、間接遷移でEg(X)=2.24+0.02xと与えられ
ている。よって活性領域とGaxIn1-xyAs1-y(0
<x<1、0<y≦1)層のヘテロ障壁は大きくなるの
でキャリア閉じ込めが良好となり、しきい値電流低減、
温度特性改善などの効果がある。
For example, in the case of Ga x In 1 -x P (when y = 1), the lattice constant increases and the band gap increases as x increases and approaches x GaP. The band gap Eg is Eg (Γ) = 1.351 + 0.643x + 0.78 by direct transition.
6x 2 , and Eg (X) = 2.24 + 0.02x in the indirect transition. Therefore, the active region and Ga x In 1-x Py As 1-y (0
<X <1, 0 <y ≦ 1) The hetero barrier in the layer is large, so that the carrier confinement is good, the threshold current is reduced,
This has the effect of improving temperature characteristics.

【0042】さらにこのGaxIn1-xyAs1-y(0<
x<1、0<y≦1)層よりなる非発光再結合防止層
は、その格子定数がGaAs基板よりも大きく、圧縮歪
を有しており、かつ前記活性層の格子定数が前記Gax
In1-xyAs1-y(0<x<1、0<y≦1)層より
も大きく圧縮歪を有している。
Further, the Ga x In 1-x Py As 1-y (0 <
x <1, 0 <y ≦ 1) The non-radiative recombination preventing layer has a larger lattice constant than the GaAs substrate, has a compressive strain, and has a lattice constant of the active layer of Ga x.
It has a larger compressive strain than the In 1-x Py As 1-y (0 <x <1, 0 <y ≦ 1) layer.

【0043】またこのGaxIn1-xyAs1-y(0<x
<1、0<y≦1)層の歪の方向が活性層と同じ方向な
ので、活性層が感じる実質的な圧縮歪量を低減する方向
に働く。歪が大きいほど外的要因の影響を受けやすいの
で、活性層の圧縮歪量が例えば2%以上と大きい場合
や、臨界膜厚を超えた場合に特に有効である。
The Ga x In 1-x Py As 1-y (0 <x
<1, 0 <y ≦ 1) Since the direction of strain of the layer is the same as that of the active layer, it acts in the direction of reducing the substantial amount of compressive strain felt by the active layer. The larger the strain is, the more easily affected by external factors. Therefore, it is particularly effective when the amount of compressive strain of the active layer is as large as 2% or more, or when it exceeds the critical film thickness.

【0044】例えば発振波長が1.3μm帯の面発光型
レーザはGaAs基板上に形成するのが好ましく、共振
器には半導体多層膜反射鏡を用いる場合が多く、トータ
ル厚さが5〜8μmで50〜80層の半導体層を活性層
成長前に成長する必要がある。(一方、端面発光型レー
ザの場合、活性層成長前のトータル厚さは2μm程度で
3層程度の半導体層を成長するだけで良い。)この場
合、高品質のGaAs基板を用いてもさまざまな原因
(一度発生した欠陥は基本的には結晶成長方向に這い上
がるし、ヘテロ界面での欠陥発生などがある)でGaA
s基板表面の欠陥密度に比べて活性層成長直前の表面の
欠陥密度はどうしても増えてしまう。活性層成長以前
に、歪層の挿入や、活性層が感じる実質的な圧縮歪量が
低減すると、活性層成長直前の表面にある欠陥の影響を
低減できるようになる。
For example, a surface emitting laser having an oscillation wavelength in the 1.3 μm band is preferably formed on a GaAs substrate, and a semiconductor multilayer mirror is often used for the resonator, and the total thickness is 5 to 8 μm. It is necessary to grow 50 to 80 semiconductor layers before growing the active layer. (On the other hand, in the case of an edge-emitting laser, the total thickness before growing the active layer is about 2 μm, and it is only necessary to grow about three semiconductor layers.) In this case, even if a high-quality GaAs substrate is used, various methods are used. Due to the cause (defects once generated basically creep up in the crystal growth direction and defects are generated at the hetero interface).
The defect density on the surface immediately before the active layer growth is inevitably higher than the defect density on the s substrate surface. If the insertion of a strained layer or the substantial amount of compressive strain felt by the active layer is reduced before the growth of the active layer, the influence of defects on the surface immediately before the growth of the active layer can be reduced.

【0045】この例では、活性領域内及び反射鏡と活性
領域との界面にAlを含まない構成としたので、キャリ
ア注入時にAlに起因していた結晶欠陥が原因となる非
発光再結合がなくなり、非発光再結合が低減した。
In this example, since Al is not contained in the active region and at the interface between the reflector and the active region, non-radiative recombination caused by crystal defects caused by Al during carrier injection is eliminated. And non-radiative recombination was reduced.

【0046】前述のように、反射鏡と活性領域との界面
にAlを含まない構成とする、すなわち非発光再結合防
止層を設けることを、上下反射鏡ともに適用することが
好ましいが、一方の反射鏡に適用するだけでも効果があ
る。またこの例では、上下反射鏡とも半導体分布ブラッ
グ反射鏡としたが、一方の反射鏡を半導体分布ブラッグ
反射鏡とし、他方の反射鏡を誘電体反射鏡としても良
い。
As described above, it is preferable to apply a structure in which Al is not contained at the interface between the reflector and the active region, that is, to provide a non-radiative recombination preventing layer for both the upper and lower reflectors. It is effective even when applied to a reflector. In this example, both the upper and lower reflecting mirrors are semiconductor distributed Bragg reflecting mirrors, but one reflecting mirror may be a semiconductor distributed Bragg reflecting mirror and the other reflecting mirror may be a dielectric reflecting mirror.

【0047】また前述の例では、反射鏡低屈折率層の最
も活性層に近い層のみをGaxIn1 -xyAs1-y(0<
x<1、0<y≦1)の非発光再結合防止層としている
が、複数層のGaxIn1-xyAs1-y(0<x<1,0
<y≦1)を非発光再結合防止層としても良い。
Further, in the above-described example, the uppermost layer of the low refractive index layer of the reflecting mirror is used.
Only the layer close to the active layer is GaxIn1 -xPyAs1-y(0 <
x <1, 0 <y ≦ 1)
Has a plurality of layers of GaxIn1-xPyAs1-y(0 <x <1,0
<Y ≦ 1) may be used as the non-radiative recombination preventing layer.

【0048】さらにこの例では、GaAs基板と活性層
との間の下部反射鏡にこの考えを適用し、活性層の成長
時に問題となる、Alに起因する結晶欠陥の活性層への
這い上がりによる悪影響が押さえられ、活性層を高品質
に結晶成長することができる。これらにより、発光効率
は高く、信頼性は実用上十分な面発光型半導体レーザが
得られた。また、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率
層のすべてではなく、少なくとも活性領域に最も近い部
分をAlを含まないGaxIn1-xyAs1-y(0<x<
1,0<y≦1)層としただけなので、反射鏡の積層数
を特に増加させることなく、上記効果を得ることができ
ている。
Further, in this example, this idea is applied to the lower reflector between the GaAs substrate and the active layer, and a crystal defect caused by Al, which is a problem during the growth of the active layer, rises into the active layer. The adverse effect is suppressed, and the active layer can be crystal-grown with high quality. As a result, a surface-emitting type semiconductor laser having high luminous efficiency and sufficient reliability for practical use was obtained. In addition, not all of the low refractive index layers of the semiconductor distributed Bragg reflector but at least a portion closest to the active region is Ga x In 1 -x Py As 1 -y (0 <x <
Since only 1,0 <y ≦ 1) layers are provided, the above-described effect can be obtained without particularly increasing the number of stacked reflectors.

【0049】このようにして製作した面発光型半導体レ
ーザの発振波長は約1.2μmであった。GaAs基板
上のGaInAsは、In組成の増加で長波長化するが
歪み量の増加をともない、従来1.1μmまでが長波長
化の限界と考えられていた(文献「IEEE Phot
onics.Technol.Lett.Vol.9
(1997)pp.1319−1321」参照)。
The oscillation wavelength of the surface emitting semiconductor laser manufactured as described above was about 1.2 μm. GaInAs on a GaAs substrate has a longer wavelength due to an increase in the In composition, but with an increase in the amount of strain. Conventionally, up to 1.1 μm has been considered to be the limit of a longer wavelength (see the document “IEEE Photo”).
onics. Technol. Lett. Vol. 9
(1997) p. 1319-1321 ").

【0050】しかしながら今回発明者が製作したよう
に、600℃以下の低温成長などの非平衡度の高い成長
法により高歪のGaInAs量子井戸活性層を従来より
厚くコヒーレント成長することが可能となり、波長は
1.2μmまで到達できた。なおこの波長はSi半導体
基板に対して透明である。従ってSi基板上に電子素子
と光素子を集積した回路チップにおいてSi基板を通し
た光伝送が可能となる。
However, as manufactured by the inventor of the present invention, a high strain GaInAs quantum well active layer can be grown coherently thicker than before by a non-equilibrium growth method such as low-temperature growth at 600 ° C. or less. Reached 1.2 μm. This wavelength is transparent to the Si semiconductor substrate. Therefore, light transmission through the Si substrate becomes possible in a circuit chip in which an electronic element and an optical element are integrated on the Si substrate.

【0051】以上の説明より明らかなようにIn組成が
大きい高圧縮歪のGaInAsを活性層に用いることに
より、GaAs基板上に長波長帯の面発光型半導体レー
ザを形成できることがわかった。なお前述のように、こ
のような面発光型半導体レーザは、MOCVD法で成長
させることができるが、MBE法等の他の成長方法を用
いることもできる。また活性層の積層構造として、3重
量子井戸構造(TQW)の例を示したが、他の井戸数の
量子井戸を用いた構造(SQW、MQW)等を用いるこ
ともできる。
As is clear from the above description, it was found that a surface emitting semiconductor laser in a long wavelength band can be formed on a GaAs substrate by using GaInAs having a large In composition and a high compression strain for the active layer. As described above, such a surface emitting semiconductor laser can be grown by MOCVD, but other growth methods such as MBE can also be used. Although the triple quantum well structure (TQW) has been described as an example of the stacked structure of the active layer, a structure (SQW, MQW) using a quantum well of another number of wells may be used.

【0052】レーザの構造も他の構造にしてもかまわな
い。また共振器長はλの厚さとしたがλ/2の整数倍と
することができる。望ましくはλの整数倍である。また
半導体基板としてGaAsを用いた例を示したが、In
Pなどの他の半導体基板を用いた場合でも上記の考え方
を適用できる。反射鏡の周期は他の周期でも良い。
The structure of the laser may be another structure. Although the length of the resonator is set to the thickness of λ, it can be set to an integral multiple of λ / 2. Desirably, it is an integral multiple of λ. Also, an example in which GaAs is used as the semiconductor substrate has been described.
The above concept can be applied even when another semiconductor substrate such as P is used. The period of the reflecting mirror may be another period.

【0053】なおこの例では活性層として、主たる元素
がGa、In、Asよりなる層、すなわちGaxIn1-x
As(GaInAs活性層)の例を示したが、より長波
長のレーザ発振を行うためには、Nを添加し主たる元素
がGa、In、N、Asからなる層(GaInNAs活
性層)とすればよい。
In this example, as the active layer, a layer whose main element is Ga, In, or As, that is, Ga x In 1 -x
Although an example of As (GaInAs active layer) has been described, in order to perform laser oscillation of a longer wavelength, a layer (GaInNAs active layer) in which N is added and the main element is Ga, In, N, and As is used. Good.

【0054】実際にGaInNAs活性層の組成を変え
ることにより、1.3μm帯、1.55μm帯のそれぞ
れにおいて、レーザ発振を行うことが可能であった。組
成を検討することにより、さらに長波長の例えば1.7
μm帯の面発光レーザも可能となる。
By actually changing the composition of the GaInNAs active layer, it was possible to perform laser oscillation in each of the 1.3 μm band and the 1.55 μm band. By studying the composition, a longer wavelength, for example, 1.7
A surface emitting laser in the μm band is also possible.

【0055】また、活性層にGaAsSbを用いてもG
aAs基板上に1.3μm帯面発光レーザを実現でき
る。このように波長1.1μm〜1.7μmの半導体レ
ーザは従来適した材料がなかったが、活性層に高歪のG
aInAs、GaInNAs、GaAsSbを用い、か
つ、非発光再結合防止層を設けることにより、従来安定
発振が困難であった波長1.1μm〜1.7μm帯の長
波長領域において、高性能な面発光レーザを実現できる
ようになった。
Also, when GaAsSb is used for the active layer,
A 1.3 μm band surface emitting laser can be realized on an aAs substrate. As described above, a semiconductor laser having a wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm has not conventionally been available with a suitable material.
By using aInAs, GaInNAs, and GaAsSb, and providing a non-radiative recombination preventing layer, a high-performance surface emitting laser in a long wavelength region of the 1.1 μm to 1.7 μm band where stable oscillation has been difficult in the past. Can be realized.

【0056】次に本発明の光送受信システムに適用され
る発光素子である長波長帯面発光型半導体レーザの他の
構成について、図3を用いて説明する。この場合も図1
の場合と同様に面方位(100)のn−GaAs基板を
使用している。それぞれの媒質内における発振波長λの
1/4倍の厚さ(λ/4の厚さ)でn−AlxGa1-x
s(x=0.9)とn−AlxGa1-xAs(x=0)を
交互に35周期積層したn−半導体分布ブラッグ反射鏡
(Al0.9Ga0.1As/GaAs下部反射鏡)を形成し、その上に
λ/4の厚さのn−GaxIn1-xyAs1-y(x=0.
5、y=1)層を積層した。この例ではn−GaxIn
1-xyAs1-y(x=0.5、y=1)層も下部反射鏡
の一部であり低屈折率層となっている。
Next, another configuration of a long wavelength band surface emitting semiconductor laser which is a light emitting element applied to the optical transmitting / receiving system of the present invention will be described with reference to FIG. Also in this case, FIG.
As in the case of (1), an n-GaAs substrate having a plane orientation of (100) is used. N-Al x Ga 1 -x A in a thickness of 1 / of the oscillation wavelength λ (thickness of λ / 4) in each medium.
An n-semiconductor distributed Bragg reflector (Al 0.9 Ga 0.1 As / GaAs lower reflector) in which s (x = 0.9) and n-Al x Ga 1-x As (x = 0) are alternately stacked for 35 periods. formed, n-Ga x in 1- x P thickness on the lambda / 4 Part y As 1-y (x = 0.
5, y = 1) layers were laminated. In this example, n-Ga x In
The 1-x Py As 1-y (x = 0.5, y = 1) layer is also a part of the lower reflector and is a low refractive index layer.

【0057】そしてその上に、アンドープ下部GaAs
スペーサ層と、3層のGaxIn1-xyAs1-y量子井戸
層である活性層(量子井戸活性層)とGaAsバリア層
(15nm)から構成される多重量子井戸活性層(この
例では3重量子井戸(TQW))と、アンドープ上部Ga
Asスペーサ層とが積層されて、媒質内における発振波
長の1波長分の厚さ(λの厚さ)の共振器を形成してい
る。
On top of that, undoped lower GaAs
A multi-quantum well active layer (a quantum well active layer) composed of a spacer layer, an active layer (quantum well active layer) which is a three-layer Ga x In 1-x N y As 1-y quantum well layer, and a GaAs barrier layer (15 nm). In the example, triple quantum well (TQW)) and undoped upper Ga
An As spacer layer is laminated to form a resonator having a thickness (λ thickness) of one oscillation wavelength in the medium.

【0058】さらにその上に、p−半導体分布ブラッグ
反射鏡(上部反射鏡)が形成されている。上部反射鏡
は、被選択酸化層となるAlAs層を、GaInP層と
AlGaAs層で挟んだ3λ/4の厚さの低屈折率層
(厚さが(λ/4−15nm)のCドープp−Gax
1-xyAs1-y(x=0.5、y=1)層、Cドープ
p−Al zGa1-zAs(z=1)被選択酸化層(厚さ3
0nm)、厚さが(2λ/4−15nm)のCドープp
−AlxGa1-xAs層(x=0.9))と、厚さがλ/
4のGaAs層(1周期)と、Cドープのp−Alx
1-xAs層(x=0.9)とp−AlxGa1-xAs
(x=0)層をそれぞれの媒質内における発振波長の1
/4倍の厚さで交互に積層した周期構造(22周期)と
から構成されている半導体分布ブラッグ反射鏡(Al0.9G
a0.1As/GaAs上部反射鏡)である。
Further, a p-semiconductor distributed Bragg
A reflecting mirror (upper reflecting mirror) is formed. Top reflector
Is a method in which an AlAs layer to be a selectively oxidized layer is formed as a GaInP layer.
Low refractive index layer having a thickness of 3λ / 4 sandwiched between AlGaAs layers
(C-doped p-Ga having a thickness of (λ / 4-15 nm)xI
n1-xPyAs1-y(X = 0.5, y = 1) layer, C-doped
p-Al zGa1-zAs (z = 1) selective oxidation layer (thickness 3
0 nm) and a C-doped p having a thickness of (2λ / 4-15 nm)
-AlxGa1-xAs layer (x = 0.9)) and the thickness is λ /
4 GaAs layer (one period) and C-doped p-AlxG
a1-xAs layer (x = 0.9) and p-AlxGa1-xAs
The (x = 0) layer has an oscillation wavelength of 1 in each medium.
With a periodic structure (22 periods) alternately stacked with a thickness of / 4 times
Consisting of a semiconductor distributed Bragg reflector (Al0.9G
a0.1As / GaAs upper reflector).

【0059】なおこの例においても、図3では複雑にな
るので図示することは省略しているが、半導体分布ブラ
ッグ反射鏡の構造は、図2に示したような低屈折率層
(屈折率小の層)と高屈折率層(屈折率大の層)の間
に、屈折率が小と大の間の値をとる材料層AlzGa1-z
As(0≦y<z<x≦1)を設けたものである。そし
て、最上部の、p−AlxGa1-xAs(x=0)層は、
電極とコンタクトを取るためのコンタクト層(p−コン
タクト層)としての役割も持たせている。
Also in this example, although not shown because it is complicated in FIG. 3, the structure of the semiconductor distributed Bragg reflector has a low refractive index layer (low refractive index layer) as shown in FIG. Layer) and a high refractive index layer (high refractive index layer), a material layer Al z Ga 1-z having a refractive index between low and high
As (0 ≦ y <z <x ≦ 1) is provided. And the uppermost p-Al x Ga 1 -x As (x = 0) layer is
It also serves as a contact layer (p-contact layer) for making contact with the electrode.

【0060】ここで量子井戸活性層のIn組成xは37
%、N(窒素)組成は0.5%とした。また量子井戸活
性層の厚さは7nmとした。またこの面発光型半導体レ
ーザの成長方法はMOCVD法で行った。半導体レーザ
の各層を構成する原料には、TMA(トリメチルアルミ
ニウム)、TMG(トリメチルガリウム)、TMI(ト
リメチルインジウム)、AsH3(アルシン)、PH
3(フォスフィン)、そして窒素の原料にはDMHy
(ジメチルヒドラジン)を用いた。DMHyは低温で分
解するので600℃以下のような低温成長に適してお
り、特に低温成長の必要な歪みの大きい量子井戸層を成
長する場合に好ましい。なおキャリアガスにはH2を用
いた。
Here, the In composition x of the quantum well active layer is 37
%, And the N (nitrogen) composition was 0.5%. The thickness of the quantum well active layer was 7 nm. The surface emitting semiconductor laser was grown by MOCVD. Materials for forming each layer of the semiconductor laser include TMA (trimethylaluminum), TMG (trimethylgallium), TMI (trimethylindium), AsH 3 (arsine), PH
3 (phosphine), and DMHy
(Dimethylhydrazine) was used. Since DMHy decomposes at low temperature, it is suitable for low-temperature growth at a temperature of 600 ° C. or lower, and is particularly preferable when growing a quantum well layer having a large strain that requires low-temperature growth. Note that H 2 was used as a carrier gas.

【0061】またこの例では、GaInNAs層(量子
井戸活性層)は540℃で成長した。MOCVD法は過
飽和度が高くNと他のV族を同時に含んだ材料の結晶成
長に適している。またMBE法のような高真空を必要と
せず、原料ガスの供給流量や供給時間を制御すれば良い
ので量産性にも優れている。
In this example, the GaInNAs layer (quantum well active layer) was grown at 540 ° C. The MOCVD method has a high degree of supersaturation and is suitable for crystal growth of a material containing N and another V group simultaneously. In addition, high vacuum is not required as in the MBE method, and the supply flow rate and supply time of the source gas may be controlled.

【0062】さらにこの例では、所定の大きさのメサ部
分をp−GaxIn1-xyAs1-y(x=0.5、y=
1)層に達するまで、p−AlzGa1-zAs(z=1)
被選択酸化層の側面を露出させて形成し、側面の現れた
AlzGa1-zAs(z=1)層を水蒸気で側面から酸化
してAlxy電流狭さく層を形成している。
[0062] Further in this example, the predetermined size mesa portion of the p-Ga x In 1-x P y As 1-y (x = 0.5, y =
Until reaching 1) layer, p-Al z Ga 1- z As (z = 1)
The selective oxidation layer is formed by exposing the side surface, and the Al x Ga 1 -z As (z = 1) layer on the side surface is oxidized from the side surface with water vapor to form an Al x O y current narrowing layer. .

【0063】最後にポリイミド(絶縁膜)でメサエッチ
ングで除去した部分を埋め込んで平坦化し、上部反射鏡
上のポリイミドを除去し、p−コンタクト層上に光出射
部を除いてp側電極を形成し、GaAs基板の裏面にn
側電極を形成した。
Finally, the portion removed by mesa etching with polyimide (insulating film) is buried and flattened, the polyimide on the upper reflecting mirror is removed, and the p-side electrode is formed on the p-contact layer except for the light emitting portion. And n on the back surface of the GaAs substrate.
Side electrodes were formed.

【0064】この例においては、被選択酸化層の下部に
上部反射鏡の一部としてGaxIn1 -xyAs1-y(0<
x<1、0<y≦1)層が挿入している。例えばウェッ
トエッチングの場合では、硫酸系エッチャントを用いれ
ば、AlGaAs系に対してGaInPAs系はエッチ
ング停止層として用いることができるため、GaxIn
1-xyAs1-y(0<x<1、0<y≦1)層が挿入さ
れていることで、選択酸化のためのメサエッチングの高
さを厳密に制御できる。このため、均一性、再現性を高
められ、低コスト化が図れる。
In this example, the lower part of the selectively oxidized layer
Ga as part of the top reflectorxIn1 -xPyAs1-y(0 <
x <1, 0 <y ≦ 1) layers are inserted. For example
In the case of etching, a sulfuric acid-based etchant is used.
For example, the GaInPAs system is an etch to the AlGaAs system.
Ga can be used as a stopping layer.xIn
1-xPyAs1-y(0 <x <1, 0 <y ≦ 1) layer inserted
The high mesa etching for selective oxidation.
Can be strictly controlled. Therefore, uniformity and reproducibility are improved.
Cost can be reduced.

【0065】またこの例の面発光型半導体レーザ(素
子)を一次元または二次元に集積した場合、素子製作時
における制御性が良好になることにより、アレイ内の各
素子の素子特性の均一性、再現性も極めて良好になると
いう効果がある。なおこの例では、エッチングストップ
層を兼ねるGaxIn1-xyAs1-y(0<x<1、0<
y≦1)層を上部反射鏡側に設けたが、下部反射鏡側に
設けても良い。
When the surface emitting semiconductor laser (element) of this example is integrated one-dimensionally or two-dimensionally, the controllability at the time of element production is improved, and the uniformity of the element characteristics of each element in the array is improved. In addition, there is an effect that reproducibility becomes extremely good. In this example, Ga x In 1-x Py As 1-y (0 <x <1, 0 <
Although the y ≦ 1) layer is provided on the upper reflecting mirror side, it may be provided on the lower reflecting mirror side.

【0066】またこの例においても、上下反射鏡に挟ま
れた、キャリアが注入され再結合する活性領域(本実施
例では上部及び下部スペーサ層と多重量子井戸活性層と
からなる共振器)において、活性領域内にはAlを含ん
だ材料を用いず、さらに下部及び上部反射鏡の低屈折率
層の最も活性層に近い層をGaxIn1-xyAs1-y(0
<x<1、0<y≦1)の非発光再結合防止層としてい
る。つまりこの例では、活性領域内及び反射鏡と活性領
域との界面に、Alを含まない構成としているので、キ
ャリア注入時に、Alに起因していた結晶欠陥が原因と
なる非発光再結合を低減させることができる。
Also in this example, in an active region (in this embodiment, a resonator composed of upper and lower spacer layers and a multiple quantum well active layer) sandwiched between upper and lower reflectors and into which carriers are injected and recombined, No material containing Al is used in the active region, and the lower refractive index layers of the lower and upper mirrors, which are closest to the active layer, are formed of Ga x In 1-x Py As 1-y (0
<X <1, 0 <y ≦ 1). That is, in this example, Al is not included in the active region and at the interface between the reflecting mirror and the active region, so that non-radiative recombination caused by crystal defects caused by Al during carrier injection is reduced. Can be done.

【0067】なお反射鏡と活性領域との界面にAlを含
まない構成を、この例のように上下反射鏡に適用するこ
とが好ましいが、いずれか一方の反射鏡に適用するだけ
でも効果がある。またこの例では、上下反射鏡とも半導
体分布ブラッグ反射鏡としたが、一方の反射鏡を半導体
分布ブラッグ反射鏡とし、他方の反射鏡を誘電体反射鏡
としても良い。
It is preferable to apply a structure in which Al is not contained at the interface between the reflecting mirror and the active region to the upper and lower reflecting mirrors as in this example, but it is effective to apply it to only one of the reflecting mirrors. . In this example, both the upper and lower reflecting mirrors are semiconductor distributed Bragg reflecting mirrors, but one reflecting mirror may be a semiconductor distributed Bragg reflecting mirror and the other reflecting mirror may be a dielectric reflecting mirror.

【0068】さらにこの例でも、GaAs基板と活性層
との間の下部反射鏡に図1の例の場合と同様の考えを適
用したので、活性層の成長時に問題となるAlに起因す
る結晶欠陥の活性層への這い上がりによる悪影響が押さ
えられ、活性層を高品質に結晶成長することができる。
Further, also in this example, the same idea as in the case of the example of FIG. 1 is applied to the lower reflector between the GaAs substrate and the active layer, so that crystal defects caused by Al which are problematic at the time of growing the active layer. Of the active layer is suppressed, and crystal growth of the active layer with high quality can be achieved.

【0069】なお、このような非発光再結合防止層は、
図1、図3のいずれの構成においても半導体分布ブラッ
グ反射鏡の一部を構成するので、その厚さは、媒質内に
おける発振波長λの1/4倍の厚さ(λ/4の厚さ)と
している。あるいはそれを複数層も設けても良い。
It should be noted that such a non-radiative recombination preventing layer is
1 and 3, a part of the semiconductor distributed Bragg reflector is formed, and its thickness is 、 of the oscillation wavelength λ in the medium (thickness of λ / 4). ). Alternatively, a plurality of layers may be provided.

【0070】以上の説明より明らかなように、このよう
な構成により、発光効率は高く、信頼性は実用上十分な
面発光型半導体レーザが得られた。また、半導体分布ブ
ラッグ反射鏡の低屈折率層のすべてではなく、少なくと
も活性領域に最も近い部分をAlを含まないGaxIn
1-xyAs1-y(0<x<1、0<y≦1)の非発光再
結合防止層としただけなので、反射鏡の積層数を特に増
加させることなく、上記効果を得ることができた。
As is clear from the above description, a surface-emitting type semiconductor laser having high luminous efficiency and sufficient reliability for practical use was obtained with such a configuration. Also, not all of the low refractive index layers of the semiconductor distributed Bragg reflector, but at least the portion closest to the active region is Ga x In containing no Al.
1-x Py As 1-y (0 <x <1, 0 <y ≦ 1) is used only as a non-radiative recombination prevention layer, so that the above-described effect can be obtained without particularly increasing the number of stacked reflectors. I was able to.

【0071】またこのような構成にしても、ポリイミド
の埋め込みは容易であるので、配線(この例ではp側電
極)が段切れしにくく、素子の信頼性は高いものが得ら
れる。このように製作した面発光型半導体レーザの発振
波長は約1.3μmであった。
Even with such a configuration, since the polyimide can be easily buried, the wiring (p-side electrode in this example) is not easily disconnected, and a device having high reliability can be obtained. The oscillation wavelength of the surface emitting semiconductor laser manufactured in this manner was about 1.3 μm.

【0072】この例では、主たる元素がGa、In、
N、Asからなる層を活性層に用いた(GaInNAs
活性層)ので、GaAs基板上に長波長帯の面発光型半
導体レーザを形成できた。またAlとAsを主成分とし
た被選択酸化層の選択酸化により電流狭さくを行ったの
で、しきい値電流は低かった。
In this example, the main elements are Ga, In,
A layer composed of N and As was used as an active layer (GaInNAs
As a result, a long-wavelength surface emitting semiconductor laser could be formed on the GaAs substrate. Further, the current was narrowed by selective oxidation of the selectively oxidized layer containing Al and As as main components, so that the threshold current was low.

【0073】被選択酸化層を選択酸化したAl酸化膜か
らなる電流狭さく層を用いた電流狭さく構造によると、
電流狭さく層を活性層に近づけて形成することで電流の
広がりを抑えられ、大気に触れない微小領域に効率良く
キャリアを閉じ込めることができる。更に酸化してAl
酸化膜となることで屈折率が小さくなり凸レンズの効果
でキャリアの閉じ込められた微小領域に効率良く光を閉
じ込めることができ、極めて効率が良くなり、しきい値
電流は低減できる。また容易に電流狭さく構造を形成で
きることから、製造コストを低減できる。
According to the current narrowing structure using the current narrowing layer made of the Al oxide film obtained by selectively oxidizing the selectively oxidized layer,
By forming the current narrowing layer close to the active layer, the spread of current can be suppressed, and carriers can be efficiently confined in a minute region that is not exposed to the atmosphere. Further oxidized to Al
By forming an oxide film, the refractive index is reduced, and light can be efficiently confined in a minute region in which carriers are confined by the effect of the convex lens, and the efficiency is extremely improved, and the threshold current can be reduced. In addition, since the current narrowing structure can be easily formed, the manufacturing cost can be reduced.

【0074】以上の説明から明らかなように図3のよう
な構成においても図1の場合と同様に、1.3μm帯の
面発光型半導体レーザを実現でき、しかも低消費電力で
低コストの素子が得られる。なお、図3の面発光型半導
体レーザも図1の場合と同様にMOCVD法で成長させ
ることができるが、MBE法等の他の成長方法を用いる
こともできる。また窒素の原料に、DMHyを用いた
が、活性化した窒素やNH3等他の窒素化合物を用いる
こともできる。
As is apparent from the above description, a 1.3 μm band surface emitting semiconductor laser can be realized in the configuration as shown in FIG. 3, as in the case of FIG. Is obtained. The surface emitting semiconductor laser of FIG. 3 can be grown by MOCVD as in the case of FIG. 1, but other growth methods such as MBE can be used. Although DMHy is used as a nitrogen source, activated nitrogen and other nitrogen compounds such as NH 3 can be used.

【0075】さらに活性層の積層構造として3重量子井
戸構造(TQW)の例を示したが、他の井戸数の量子井
戸を用いた構造(SQW、DQW、MQW)等を用いる
こともできる。レーザの構造も他の構造にしてもかまわ
ない。
Further, the triple quantum well structure (TQW) has been described as an example of the stacked structure of the active layer. However, a structure using other quantum wells (SQW, DQW, MQW) or the like can be used. The structure of the laser may be another structure.

【0076】また図3の面発光型半導体レーザにおい
て、GaInNAs活性層の組成を変えることで、1.
55μm帯、更にはもっと長波長の1.7μm帯の面発
光型半導体レーザも可能となる。GaInNAs活性層
にTl、Sb、Pなど他のIII−V族元素が含まれてい
てもかまわない。また活性層にGaAsSbを用いて
も、GaAs基板上に1.3μm帯の面発光型半導体レ
ーザを実現できる。
In the surface-emitting type semiconductor laser shown in FIG. 3, by changing the composition of the GaInNAs active layer, 1.
A surface emitting semiconductor laser in the 55 μm band, and even in the longer wavelength 1.7 μm band, is also possible. The GaInNAs active layer may contain other III-V elements such as Tl, Sb, and P. Also, even if GaAsSb is used for the active layer, a 1.3 μm band surface emitting semiconductor laser can be realized on a GaAs substrate.

【0077】なお活性層にGaInAsを用いた場合、
従来1.1μmまでが長波長化の限界と考えられていた
が、600℃以下の低温成長により高歪のGaInAs
量子井戸活性層を従来よりも厚く成長することが可能と
なり、波長は1.2μmまで到達できる。このように、
波長1.1μm〜1.7μmの半導体レーザは従来適し
た材料がなかったが、活性層に高歪のGaInAs、G
aInNAs、GaAsSbを用い、かつ非発光再結合
防止層を設けることにより、従来安定発振が困難であっ
た波長1.1μm〜1.7μm帯の長波長領域におい
て、高性能な面発光レーザを実現できるようになり、光
通信システムへの応用ができるようになった。
When GaInAs is used for the active layer,
Conventionally, up to 1.1 μm has been considered to be the limit of increasing the wavelength.
The quantum well active layer can be grown thicker than before, and the wavelength can reach up to 1.2 μm. in this way,
Conventionally, there is no suitable material for the semiconductor laser having a wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm, but GaInAs, G
By using aInNAs and GaAsSb and providing a non-radiative recombination prevention layer, a high-performance surface-emitting laser can be realized in the long wavelength region of the 1.1 μm to 1.7 μm wavelength band where stable oscillation has conventionally been difficult. As a result, application to optical communication systems has become possible.

【0078】図4はこのような長波長帯面発光半導体レ
ーザ素子を、面方位(100)のn−GaAsウエハに
多数のチップとして形成した例、ならびにレーザ素子チ
ップを示したものである。ここで示したレーザ素子チッ
プには、1〜n個のレーザ素子が形成されているが、そ
の個数nはその用途に応じて、数ならびに配列方法が決
められる。
FIG. 4 shows an example in which such a long wavelength band surface emitting semiconductor laser device is formed as a large number of chips on an n-GaAs wafer having a plane orientation of (100), and a laser device chip. In the laser element chip shown here, 1 to n laser elements are formed, and the number n and the arrangement method are determined according to the application.

【0079】光伝送装置に信号が入力されると切り替え
回路によって当該当該複数面発光型半導体レーザ素子に
信号が入力されると発光し、光ファイバにレーザ光が照
射される。また同一パッケージ内に前記面発光型半導体
レーザ素子からの発光を監視する判定回路を内蔵、レー
ザ光の強さがある閾値より小さくなった時に作動する。
判定回路はフォトダイオードに比較回路の機能を付加し
たもので前記面発光型半導体レーザ素子からのレーザ光
の強さがある閾値より小さくなった時に作動するように
する。
When a signal is input to the optical transmission device, the switching circuit emits light when a signal is input to the multi-surface emitting semiconductor laser device, and the optical fiber is irradiated with laser light. A decision circuit for monitoring light emission from the surface-emitting type semiconductor laser device is incorporated in the same package, and operates when the intensity of the laser beam becomes smaller than a certain threshold value.
The determination circuit is obtained by adding a function of a comparison circuit to the photodiode, and operates when the intensity of the laser beam from the surface emitting semiconductor laser element becomes smaller than a certain threshold value.

【0080】これにより前記面発光型半導体レーザ素子
が劣化した場合、放射されるレーザ光の強さがある閾値
より小さくなり判定回路が作動し、判定回路の出力によ
り切り替え回路が作動し、別の面発光型半導体レーザ素
子を駆動させる。これにより当該面発光型半導体レーザ
素子の劣化に対して信頼性の高い光通信システムを構築
することが可能となった。
When the surface-emitting type semiconductor laser device is deteriorated, the intensity of the emitted laser beam becomes smaller than a certain threshold value, the judgment circuit is activated, and the switching circuit is activated by the output of the judgment circuit. The surface-emitting type semiconductor laser device is driven. This makes it possible to construct an optical communication system with high reliability against the deterioration of the surface emitting semiconductor laser device.

【0081】[0081]

【発明の効果】コンピュータ・ネットワーク、長距離大
容量通信の幹線系など光ファイバー通信が期待されてい
るレーザ発振波長が1.1μm帯〜1.7μm帯の分野
において、動作電圧、発振閾値電流等を低くでき、レー
ザ素子の発熱も少なく安定した発振ができる面発光型半
導体レーザおよびそれを用いた通信システムが存在しな
かったが、本発明のように半導体分布ブラッグ反射鏡を
工夫することにより、動作電圧、発振閾値電流等を低く
でき、レーザ素子の発熱も少なく安定した発振ができ、
また低コストで実用的な光通信システムが実現できた。
According to the present invention, the operating voltage, the oscillation threshold current and the like are determined in the field of the laser oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm, which is expected to be used for optical fiber communication, such as a computer network and a trunk line of a long distance and large capacity communication. Although there was no surface-emitting type semiconductor laser and a communication system using the same, which can reduce the heat generation of the laser element and produce stable oscillation with little heat generation, the operation of the present invention is improved by devising a semiconductor distributed Bragg reflector as in the present invention. Voltage, oscillation threshold current, etc. can be reduced, and stable oscillation can be achieved with less heat generation of the laser element.
Moreover, a low-cost and practical optical communication system was realized.

【0082】さらに、従来このようなレーザ発振波長が
1.1μm帯〜1.7μm帯の分野における実用的な光
通信システムが無かったことにより、これに使用される
面発光型半導体レーザ素子において比較的劣化し易い半
導体レーザ素子で信頼性の高い光通信システムをどのよ
うに構築したらよいのかという検討がされていなかった
が、本発明のようにモジュールパッケージに切り替え回
路、判定回路を内蔵することにで、より信頼性の高い光
通信システムの構築が可能となった。
Further, since there has been no practical optical communication system in the field where the laser oscillation wavelength is in the 1.1 μm band to 1.7 μm band, the surface emitting type semiconductor laser device used for this has been compared. There was no study on how to construct a highly reliable optical communication system using semiconductor laser elements that are easily deteriorated. However, as in the present invention, a switching circuit and a decision circuit are built in a module package. Thus, a more reliable optical communication system can be constructed.

【0083】コンピュータ・ネットワーク、長距離大容
量通信の幹線系など光ファイバー通信が期待されている
レーザ発振波長が1.1μm帯〜1.7μm帯の分野に
おいて、安定して使用できる長波長帯面発光半導体レー
ザおよびそれを用いた通信システムが存在しなかった
が、本発明のように、非発光再結合防止層を設けてなる
面発光型半導体レーザ素子チップとすることにより安定
した発振が可能となり、これを発光光源とした実用的な
光通信システムが実現できた。
In the field of laser oscillation wavelengths of 1.1 μm to 1.7 μm where optical fiber communication is expected, such as computer networks and trunk lines for long-distance large-capacity communication, long-wavelength surface light emission can be used stably. Although a semiconductor laser and a communication system using the same did not exist, as in the present invention, stable oscillation can be achieved by using a surface emitting semiconductor laser element chip provided with a non-radiative recombination prevention layer, A practical optical communication system using this as a light source was realized.

【0084】さらに、従来このようなレーザ発振波長が
1.1μm帯〜1.7μm帯の分野における実用的な光
通信システムが無かったことにより、これに使用される
面発光型半導体レーザ素子において比較的劣化し易い半
導体レーザ素子で信頼性の高い光通信システムをどのよ
うに構築したらよいのかという検討がされていなかった
が、本発明のようにモジュールパッケージに切り替え回
路、判定回路を内蔵することにで、より信頼性の高い光
通信システムの構築が可能となった。
Further, since there is no practical optical communication system in the field where the laser oscillation wavelength is in the range of 1.1 μm to 1.7 μm, the surface emitting type semiconductor laser device used for this has been compared. There was no study on how to construct a highly reliable optical communication system using semiconductor laser elements that are easily deteriorated. However, as in the present invention, a switching circuit and a decision circuit are built in a module package. Thus, a more reliable optical communication system can be constructed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザの素子部断面図である。
FIG. 1 is a sectional view of an element part of a long-wavelength band surface emitting semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザの半導体分布ブラッグ反射鏡の構成の部分断面
図である。
FIG. 2 is a partial cross-sectional view of a configuration of a semiconductor distributed Bragg reflector of a long wavelength band surface emitting semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザの他の構成の素子部断面図である。
FIG. 3 is a sectional view of an element portion of another configuration of a long-wavelength band surface emitting semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.

【図4】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザ素子を形成したウエハ基板ならびにレーザ素子
チップを示す平面図である。
FIG. 4 is a plan view showing a wafer substrate and a laser element chip on which a long wavelength band surface emitting semiconductor laser element according to one embodiment of the present invention is formed.

【図5】本発明の一実施形態に係る複数長波長帯面発光
半導体レーザ、切り替え回路、判定回路からなる光通信
システムの構成図である。
FIG. 5 is a configuration diagram of an optical communication system including a plurality of long wavelength band surface emitting semiconductor lasers, a switching circuit, and a determination circuit according to an embodiment of the present invention.

【図6】本発明の一実施形態に係る複数長波長帯面発光
半導体レーザ、切り替え回路、判定回路、光ファイバか
らなる光通信システムの構造図である。
FIG. 6 is a structural diagram of an optical communication system including a plurality of long wavelength band surface emitting semiconductor lasers, a switching circuit, a determination circuit, and an optical fiber according to an embodiment of the present invention.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 和多田 篤行 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 佐藤 俊一 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 鈴木 幸栄 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 菅原 悟 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 佐藤 新治 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 曳地 秀一 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 関谷 卓朗 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 金井 健 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 加藤 正良 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 Fターム(参考) 5F073 AA08 AA13 AA21 AA62 AA74 AB02 AB17 AB27 AB28 BA02 CA07 CA17 CB02 DA05 DA22 DA23 EA29 FA02 GA12 GA38 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Atsuyuki Watada 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Company (72) Inventor Shunichi Sato 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Share Inside Ricoh Company (72) Inventor Yukie Suzuki 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Stock Company Ricoh Company (72) Inventor Satoru Sugahara 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Stock Company Ricoh Company ( 72) Inventor Shinji Sato 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Company (72) Inventor Shuichi Hikichi 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Company (72) Inventor Takuro Sekiya 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Co., Ltd. (72) Inventor Ken Kanai 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Co., Ltd. In Ricoh (72) Inventor Masayoshi Kato 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo F-term in Ricoh Company (reference) 5F073 AA08 AA13 AA21 AA62 AA74 AB02 AB17 AB27 AB28 BA02 CA07 CA17 CB02 DA05 DA22 DA23 EA29 FA02 GA12 GA38

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 レーザチップと該レーザチップと接続さ
れる光通信システムにおいて前記レーザチップは発振波
長が1.1μm〜1.7μmであり、光を発生する活性
層を、主たる元素がGa、In、N、Asからなる層、
もしくはGa、In、Asよりなる層とし、レーザ光を
得るために前記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素
子チップであって、前記反射鏡はそれを構成する材料層
の屈折率が小/大と周期的に変化し入射光を光波干渉に
よって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡であるととも
に、前記屈折率が小の材料層はAlxGa1-xAs(0<
x≦1)とし、前記屈折率が大の材料層はAlyGa1-y
As(0≦y<x≦1)とした反射鏡であり、かつ前記
屈折率が小と大の材料層の間に該屈折率が小と大の間の
値をとる材料層AlzGa1-zAs(0≦y<z<x≦
1)を設けてなる面発光型半導体レーザ素子チップを発
光光源としたものであり、前記光通信システムは2N個
の前記面発光型半導体レーザとN個の光ファイバと前記
面発光型半導体レーザ素子の発光状態を監視する判定回
路と切り替え回路とよりなることを特徴とする光通信シ
ステム。
In a laser chip and an optical communication system connected to the laser chip, the laser chip has an oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm, and forms an active layer for generating light by using Ga, In as a main element. , N, As
Alternatively, a surface emitting semiconductor laser device chip having a resonator structure including a reflecting mirror provided on an upper portion and a lower portion of the active layer in order to obtain a laser beam as a layer made of Ga, In, and As, The reflecting mirror is a semiconductor distributed Bragg reflecting mirror in which the refractive index of a material layer constituting the reflecting mirror periodically changes between small and large and reflects incident light by light wave interference, and the material layer having a small refractive index is Al x Ga 1-x As (0 <
x ≦ 1), and the material layer having a large refractive index is Al y Ga 1-y
A reflecting mirror having As (0 ≦ y <x ≦ 1), and a material layer Al z Ga 1 in which the refractive index takes a value between small and large between the material layers having small and large refractive indexes. -z As (0 ≦ y <z <x ≦
The surface emitting semiconductor laser device chip provided with 1) is used as a light emitting light source, and the optical communication system comprises 2N surface emitting semiconductor lasers, N optical fibers, and the surface emitting semiconductor laser device. An optical communication system comprising: a determination circuit for monitoring a light emission state of the light emitting device; and a switching circuit.
【請求項2】 レーザチップと該レーザチップと接続さ
れる光通信システムにおいて、前記レーザチップは発振
波長が1.1μm〜1.7μmであり、光を発生する活
性層を、主たる元素がGa、In、N、Asからなる
層、もしくはGa、In、Asよりなる層とし、レーザ
光を得るために前記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
ザ素子チップであって、前記反射鏡はそれを構成する材
料の屈折率が小/大と周期的に変化し入射光を光波干渉
によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡であるとと
もに、前記屈折率が小の材料はAlxGa1-xAs(0<
x≦1)とし、前記屈折率が大の材料はAlyGa1-y
s(0≦y<x≦1)とした反射鏡であり、前記活性層
と前記反射鏡の間にGaInPもしくはGaInPAs
よりなる非発光再結合防止層を設けてなる面発光型半導
体レーザ素子チップを発光光源としたものであり、前記
光通信システムは2N個の前記面発光型半導体レーザと
N個の光ファイバと前記面発光型半導体レーザ素子の発
光状態を監視する判定回路と切り替え回路とよりなるこ
とを特徴とする光通信システム。
2. In a laser chip and an optical communication system connected to the laser chip, the laser chip has an oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm, and has an active layer for generating light, wherein the main element is Ga, A surface emitting type having a layer structure of In, N, and As or a layer of Ga, In, and As and having a resonator structure including reflectors provided above and below the active layer to obtain a laser beam. A semiconductor laser device chip, wherein the reflecting mirror is a semiconductor distributed Bragg reflecting mirror that periodically changes the refractive index of a material forming the reflecting mirror to small / large and reflects incident light by light wave interference; Is smaller than that of Al x Ga 1 -x As (0 <
x ≦ 1), and the material having a large refractive index is Al y Ga 1-y A
s (0 ≦ y <x ≦ 1), wherein GaInP or GaInPAs is provided between the active layer and the reflector.
A surface-emitting type semiconductor laser device chip provided with a non-light-emitting recombination prevention layer comprising a light-emitting source, wherein the optical communication system has 2N surface-emitting type semiconductor lasers, N optical fibers, and An optical communication system comprising: a determination circuit for monitoring a light emitting state of a surface emitting semiconductor laser device; and a switching circuit.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009007646A (en) * 2007-06-28 2009-01-15 Ricoh Co Ltd Metalorganic chemical vapor deposition method, metalorganic vapor deposition device, program, recording medium, semiconductor laser production method, surface emitting laser, optical scanner, image forming apparatus, optical transmission module, and optical transmission system

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