JP2002323646A - Optical communication system - Google Patents

Optical communication system

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JP2002323646A
JP2002323646A JP2002045461A JP2002045461A JP2002323646A JP 2002323646 A JP2002323646 A JP 2002323646A JP 2002045461 A JP2002045461 A JP 2002045461A JP 2002045461 A JP2002045461 A JP 2002045461A JP 2002323646 A JP2002323646 A JP 2002323646A
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laser
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refractive index
chip
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Kazuya Miyagaki
一也 宮垣
Akira Sakurai
彰 桜井
Masayoshi Kato
正良 加藤
Teruyuki Furuta
輝幸 古田
Takeshi Kanai
健 金井
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
Naoto Jikutani
直人 軸谷
Takashi Takahashi
孝志 高橋
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Ricoh Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical communication system by which a laser beam can be highly efficiently coupled with an optical fiber by using a surface emitting type semiconductor laser device chip which can make an operating voltage, an oscillation threshold current, etc., low as a light-emitting light source. SOLUTION: An n-semiconductor distribution Bragg reflection mirror 3 is formed on an n-GaAs substrate 2, and an n-Gax In1-x Py As1-y layer 11 with thickness of λ/4 is deposited on it. Then, a lower undoped part GaAs spacer layer 4, multiple quantum well active layer which consists of an active layer (quantum well active layer) 12 consisting of three-layers, namely Gax In1-x As quantum well layer and a GaAs barrier layer (20 nm) 13, and an upper undoped part GaAs spacer layer 4 are deposited on the layer 11, and a resonator of the thickness for one oscillation wavelength λ in the medium (thickness of λ) is formed.

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
し、さらに詳しくは、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ものであ
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. The present invention relates to an optical communication system in which a plurality of laser elements are formed using a surface 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。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。一般に、面発光半導体レーザは、GaAs又はGa
InAs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。
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.
For this reason, 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. The immediate application of the optical interconnection device is short-distance optical fiber communication in addition to parallel connection between housings of computers and the like and between boards, but large-scale computer networks and long-distance communication are expected applications in the future. There is a trunk system for distance and large-capacity communication. Generally, a surface emitting semiconductor laser is made of GaAs or Ga.
Although it is common to comprise an active layer made of InAs, an upper semiconductor distributed Bragg reflector arranged above and below the active layer, and an optical resonator composed of a lower semiconductor distributed Bragg reflector on the substrate side. Since the length of the optical resonator is significantly shorter than that of the edge emitting type semiconductor laser,
By setting the reflectivity of the reflecting mirror to an extremely high value (99% or more), it is necessary to easily cause laser oscillation. 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 at a period of 1 / wavelength is usually used.

【0003】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。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。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G
aInNAs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。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、1.3μm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。
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 reflective mirror material matching the substrate cannot obtain a large refractive index difference. Must be more than pairs. Another problem with the semiconductor laser formed on the InP substrate is that the characteristics greatly change 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. As an invention made to solve such a problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-237942 has been proposed.
The one disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H10-202, 1993 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 upper portion on the substrate side. G is applied to at least one of the lower and upper semiconductor distributed Bragg reflectors in the high refractive index layer.
The purpose of the present invention is to realize a semiconductor Bragg reflector having a high reflectivity with a small number of layers by using a semiconductor layer made of aInNAs so as to obtain a larger refractive index difference than before. GaInNAs is used as a material for the active layer. This is because the bandgap (forbidden band width) can be reduced from 1.4 eV to 0 eV by increasing the N composition, so that it can be used as a material that emits a wavelength longer than 0.85 μm. Because it becomes. In addition, it mentions that a semiconductor layer made of GaInNAs is preferable as a material for a long-wavelength surface emitting semiconductor laser in a 1.3 μm band and a 1.55 μm band because lattice matching with a GaAs substrate is possible.

【0004】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。一例を挙げると、上記のようにAl
As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。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8−340146号公報や特開平7−307
525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。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。
[0004] However, in the past, only suggesting the possibility of realizing a surface emitting semiconductor laser in a wavelength band longer than 0.85 µm, such a thing has not been actually realized. This is because, although the basic configuration is almost theoretically determined, a more specific configuration for actually obtaining stable laser emission is still unknown. As an example, as described above, Al
A semiconductor distributed Bragg reflector formed by alternately laminating a low-refractive-index material composed of As and a high-refractive-index material composed of GaAs at a period of 1/4 wavelength;
Alternatively, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-237942, in a semiconductor distributed Bragg reflector using a low refractive index layer made of a semiconductor layer made of AlInP that can be lattice-matched with the substrate, a laser element is not used at all. No light was emitted, or even if light was emitted, its luminous efficiency was low, far from a practical level. This is because a material containing Al is chemically very active and crystal defects caused by Al are likely to occur. In order to solve this, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 8-340146 and 7-307 disclose
There is a proposal to constitute a semiconductor distributed Bragg reflector from GaInNP and GaAs that do not contain Al as in the invention disclosed in Japanese Patent Application Publication No. 525. However, GaInNP
The refractive index difference between AlAs and GaAs is about half the refractive index difference between AlAs and GaAs. That is, at present, optical fiber communication is expected in computer networks and the like.
There is no long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a wavelength of 1.7 μm and a communication system using the same.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる課題
に鑑み、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、
レーザ光が光ファイバに高効率にカップリングできるこ
とを可能とする光通信システムを提案することにある。
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、レーザ光が光フ
ァイバに高効率にカップリングでき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。さらに第3の目
的は、このような光通信システムにおいて、レンズもし
くはレンズ系によるレーザと光ファイバとのカップリン
グする場合に高効率にカップリングでき、かつ、光アイ
ソレータを用いることなく安定したカップリングが可能
となる光通信システムを提案することにある。また第4
の目的は、このような光通信システムにおいて、効率良
くカップリングでき、かつ、光アイソレータを用いるこ
となく安定したカップリングが可能となる大容量の光通
信システムを提案することにある。さらに第5の目的
は、このような光通信システムにおいて、さらに高効率
で、かつ、光アイソレータを用いることなく安定したカ
ップリングが可能となる大容量の光通信システムを提案
することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-mentioned problems, the present invention has a laser oscillation wavelength of 1.
The present invention relates to a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a wavelength of 1 μm to 1.7 μm and an optical communication system thereof.
The purpose is to use a surface-emitting type semiconductor laser device chip that can lower the operating voltage, oscillation threshold current, etc. as a light emitting light source,
An object of the present invention is to propose an optical communication system that enables laser light to be efficiently coupled to an optical fiber.
A second object is to use a long-wavelength surface emitting semiconductor laser element chip having a laser oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm, which can be used stably, as a light source, and to couple laser light to an optical fiber with high efficiency. It is to propose an optical communication system that enables ringing. A third object of the present invention is to provide a high-efficiency coupling when coupling a laser or an optical fiber by a lens or a lens system in such an optical communication system, and to achieve stable coupling without using an optical isolator. It is to propose an optical communication system that enables the above. The fourth
It is an object of the present invention to propose a large-capacity optical communication system capable of efficiently coupling in such an optical communication system and enabling stable coupling without using an optical isolator. A fifth object of the present invention is to propose a large-capacity optical communication system capable of performing high-efficiency and stable coupling without using an optical isolator in such an optical communication system.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明はかかる課題を解
決するために、請求項1は、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
を発生する活性層の主たる元素がGa、In、N、As
からなる層、若しくは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、前記反射鏡は反射波
長が1.1μm以上で該反射鏡を構成する材料層の屈折
率が小大と異なる値に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AlGa1−xAs
(0<x≦1)とし、前記屈折率が大の材料層はAl
Ga1−yAs(0≦y<x≦1)とし、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AlGa1−zAs(0≦y<z<x≦1)より
なるヘテロスパイク緩衝層を20nm〜50nmの厚さ
に設けた反射鏡であるような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、該面発光型半導体
レーザ素子チップの光出射部に内接する円の直径をd、
光ファイバのコア直径をFとすると、0.5≦F/d≦
2であることを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a laser chip and an optical communication system connected to the laser chip, wherein the laser chip has an oscillation wavelength of 1.1 μm. To 1.7 μm, and the main elements of the active layer that generates light are Ga, In, N, and As.
Or a layer of Ga, In, As, and a surface-emitting type 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 reflective mirror has a reflection wavelength of 1.1 μm or more, the refractive index of a material layer constituting the reflective mirror periodically changes to a value different from a small value, and a semiconductor distributed Bragg reflection that reflects incident light by light wave interference. with a mirror, the material layer of the refractive index is small 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 As (0 ≦ y <x ≦ 1) and then, and the the refractive index between the refractive index is small and large material layer has a value between the small and large Al z Ga 1-z As A surface-emitting type semiconductor laser device chip, which is a reflector provided with a heterospike buffer layer of (0 ≦ y <z <x ≦ 1) having a thickness of 20 nm to 50 nm, is used as a light emitting source. The diameter of a circle inscribed in the light emitting portion of the surface emitting semiconductor laser element chip is d,
Assuming that the core diameter of the optical fiber is F, 0.5 ≦ F / d ≦
2.

【0007】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光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。ま
た、従来1.1μm帯〜1.7μm帯の端面発光型レー
ザと単一モード光ファイバとのカップリングを高効率に
するにはレーザの光出射部の形状やカップリングレンズ
系などを工夫しなければならなかったが、本発明の面発
光レーザを用いると同帯域において単一モード光ファイ
バへ高効率でカップリングすることができる光通信シス
テムが実現できた。かかる発明によれば、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。また、面発光レーザを用いると同帯域に
おいて単一モード光ファイバへ高効率でカップリングす
ることができる光通信システムが実現することができ
る。
In fields where the laser oscillation wavelength is expected to be 1.1 μm to 1.7 μm for optical fiber communication, such as computer networks and trunk systems for long-distance large-capacity communication, the operating voltage, oscillation threshold current and the like are reduced. Although there was no surface emitting semiconductor laser capable of performing stable oscillation with little heat generation from the laser element and an optical communication system using the same, the operation of the present invention was improved by devising a semiconductor distributed Bragg reflector as in the present invention. The voltage, the oscillation threshold current, and the like can be reduced, the laser element generates less heat, stable oscillation can be achieved, and a low-cost practical optical communication system can be realized. In addition, in order to increase the efficiency of coupling between the edge emitting laser of the conventional 1.1 μm band to the 1.7 μm band and the single mode optical fiber with high efficiency, the shape of the light emitting portion of the laser and the coupling lens system are devised. However, the use of the surface emitting laser according to the present invention has realized an optical communication system capable of coupling to a single mode optical fiber with high efficiency in the same band. According to the invention, by devising a semiconductor distributed Bragg reflector, an operating voltage, an oscillation threshold current, and the like can be reduced, a stable oscillation can be performed with less heat generation of a laser element, and a low-cost practical optical communication system Was realized. Further, by using a surface emitting laser, it is possible to realize an optical communication system capable of coupling to a single mode optical fiber with high efficiency in the same band.

【0008】請求項2は、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、前記反射鏡は反射波
長が1.1μm以上で該反射鏡を構成する材料層の屈折
率が小大と異なる値に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AlGa1−xAs
(0<x≦1)とし、前記屈折率が大の材料層はAl
Ga1−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主たる組成がGa
In1−xAs1−y(0<x≦1、0<y≦1)
層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、該
面発光型半導体レーザ素子チップの光出射部に内接する
円の直径をd、光ファイバのコア直径をFとすると、
0.5≦F/d≦2であることを特徴とする。かかる発
明によれば、請求項1と同様な作用効果を奏する。請求
項3は、前記面発光型半導体レーザ素子チップと光ファ
イバの間にレンズもしくはレンズ系が配置され、かつ、
該面発光型半導体レーザ素子チップの光出射部に内接す
る円の直径をd、光ファイバのコア直径をFとすると、
F/d≦1であることも本発明の有効な手段である。こ
のような光通信システムにおいて、レンズもしくはレン
ズ系によるレーザと光ファイバとのカップリングする場
合に高効率にカップリングでき、かつ、光アイソレータ
を用いることなく安定したカップリングが可能となる光
通信システムを実現できる。かかる技術手段によれば、
前記面発光型半導体レーザ素子チップと光ファイバの間
にレンズもしくはレンズ系が配置され、かつ、該面発光
型半導体レーザ素子チップの光出射部に内接する円の直
径をd、光ファイバのコア直径をFとすると、F/d≦
1にすることにより、高効率にカップリングでき、か
つ、光アイソレータを用いることなく安定したカップリ
ングが可能となる光通信システムを実現できる。
According to a second aspect of the present invention, 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 type 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 reflective mirror has a reflection wavelength of 1.1 μm or more, the refractive index of a material layer constituting the reflective mirror periodically changes to a value different from a small value, and a semiconductor distributed Bragg reflection that reflects incident light by light wave interference. with a mirror, the material layer of the refractive index is small 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 As (0 ≦ y <x ≦ 1), wherein the main composition between the active layer and the reflector is Ga x
In 1-x Py As 1-y (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1)
A surface-emitting type semiconductor laser device chip provided with a non-radiative recombination prevention layer composed of a layer is used as a light-emitting source, and the diameter of a circle inscribed in a light emitting portion of the surface-emitting type semiconductor laser device chip is d, Assuming that the core diameter of the optical fiber is F,
It is characterized in that 0.5 ≦ F / d ≦ 2. According to this invention, the same operation and effect as those of the first aspect can be obtained. Claim 3 is that a lens or a lens system is disposed between the surface emitting semiconductor laser element chip and the optical fiber, and
Assuming that the diameter of a circle inscribed in the light emitting portion of the surface emitting semiconductor laser element chip is d, and the core diameter of the optical fiber is F,
F / d ≦ 1 is also an effective means of the present invention. In such an optical communication system, an optical communication system capable of coupling with high efficiency when coupling a laser with a lens or a lens system to an optical fiber and enabling stable coupling without using an optical isolator. Can be realized. According to such technical means,
A lens or a lens system is disposed between the surface emitting semiconductor laser element chip and the optical fiber, and the diameter of a circle inscribed in the light emitting portion of the surface emitting semiconductor laser element chip is d, and the core diameter of the optical fiber is Is F, F / d ≦
By setting to 1, it is possible to realize an optical communication system in which coupling can be performed with high efficiency and stable coupling can be performed without using an optical isolator.

【0009】請求項4は、前記面発光型半導体レーザ素
子チップと光ファイバがアレイ状に配列されたことも本
発明の有効な手段である。このような光通信システムに
おいて、レーザアレイと光ファイバアレイとをカップリ
ングする場合、効率良くカップリングでき、かつ、光ア
イソレータを用いることなく安定したカップリングが可
能となり、さらに、複数の発光素子を用いるので情報量
の大きい低コストな光通信システムを実現できる。かか
る技術手段によれば、前記面発光型半導体レーザ素子チ
ップと光ファイバがアレイ状に配列されたことにより、
効率良くカップリングでき、かつ、光アイソレータを用
いることなく安定したカップリングが可能となり、さら
に、複数の発光素子を用いるので情報量の大きい低コス
トな光通信システムを実現できる。請求項5は、前記面
発光型半導体レーザ素子チップと、レンズもしくはレン
ズ系と、光ファイバがアレイ状に配列されたことも本発
明の有効な手段である。このような光通信システムにお
いて、レーザアレイとレンズアレイ光ファイバアレイと
をカップリングする場合、さらに高効率にカップリング
でき、かつ、光アイソレータを用いることなく安定した
カップリングが可能となり、さらに、複数の発光素子を
用いるので情報量の大きい低コストな光通信システムを
実現できる。かかる技術手段によれば、請求項4と同様
の作用効果を奏する。
According to a fourth aspect of the present invention, the surface emitting semiconductor laser chip and the optical fibers are arranged in an array. In such an optical communication system, when coupling a laser array and an optical fiber array, coupling can be performed efficiently, and stable coupling can be performed without using an optical isolator. Since it is used, a low-cost optical communication system with a large amount of information can be realized. According to such a technical means, the surface-emitting type semiconductor laser device chip and the optical fibers are arranged in an array,
Coupling can be performed efficiently, stable coupling can be performed without using an optical isolator, and a low-cost optical communication system with a large amount of information can be realized by using a plurality of light emitting elements. According to a fifth aspect of the present invention, the surface emitting semiconductor laser chip, the lens or the lens system, and the optical fibers are arranged in an array. In such an optical communication system, when coupling a laser array and a lens array optical fiber array, coupling can be performed with higher efficiency and stable coupling can be performed without using an optical isolator. Since the light emitting element of the above is used, a low-cost optical communication system having a large amount of information can be realized. According to this technical means, the same operation and effect as those of the fourth aspect can be obtained.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示した実施形
態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載
される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配
置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそ
れのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎな
い。まず最初に、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一
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 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to an embodiment shown in the drawings. However, the components, types, combinations, shapes, relative arrangements, and the like described in this embodiment are not merely intended to limit the scope of the present invention but are merely illustrative examples unless otherwise specified. . First, the laser oscillation wavelength with a small transmission loss, which is a light emitting element applied to the optical communication system of the present invention, is as follows.
One example of a long-wavelength band surface emitting semiconductor laser of 1 μm to 1.7 μm will be described with reference to FIG. As described above, conventionally, the laser oscillation wavelength to be applied by the present invention is 1.
With respect to the long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a wavelength of 1 μm to 1.7 μm, there is only a suggestion of the possibility, and a material for realizing the laser, and a more specific and detailed configuration 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.

【0011】本発明では、面方位(100)のn−Ga
As基板2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−AlGa
1−xAs(x=1.0)(低屈折率層〜屈折率小の
層)とn−AlGa1−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3(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−GaIn1−xAs1−y(x=0.
5、y=1)層11を積層した。この例ではn−Ga
In1−xAs −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。そしてその上にアンドープ下部GaAsス
ペーサ層4と、3層のGaIn −xAs量子井戸層
である活性層(量子井戸活性層)12とGaAsバリア
層(20nm)13からなる多重量子井戸活性層と、ア
ンドープ上部GaAs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。さらにその上に、C(炭素)ド
ープのp−GaIn1−xAs1−y(x=0.
5、y=1)層とZnドープp−AlGa1−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−AlGa1−xAs
(x=0.9)とZnドープp−AlGa1−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5(Al0.9Ga
0.1As/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−GaIn1−x
As1−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。
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AlGa1−zAs(0≦
y<z<x≦1)よりなるヘテロスパイク緩衝層を設け
ている。
In the present invention, n-Ga having a plane orientation of (100) is used.
Oscillation wavelength λ in each medium on As substrate 2
N-Al with a thickness of 1/4 (thickness of λ / 4)xGa
1-xAs (x = 1.0) (low refractive index layer to low refractive index
Layer) and n-AlyGa1-yAs (y = 0) (high refractive index
N-semiconductor in which 35 layers are alternately stacked with each other
Body distribution Bragg reflector 3 (AlAs / GaAs lower semiconductor)
And a λ / 4 thick layer on it.
Sano n-GaxIn1-xPyAs1-y(X = 0.
5, y = 1) Layer 11 was laminated. In this example, n-Gax
In1-xPyAs1 -Y(X = 0.5, y = 1) layer
A part of the lower reflector, a low refractive index layer (low refractive index layer)
Has become. And undoped lower GaAs
Pacer layer 4 and three layers of GaxIn1 -XAs quantum well layer
Active layer (quantum well active layer) 12 and GaAs barrier
A multiple quantum well active layer comprising a layer (20 nm) 13;
And an upper doped GaAs spacer layer,
Of the thickness of one oscillation wavelength λ (thickness of λ)
A resonator is formed. In addition, C (carbon)
P-GaxIn1-xPyAs1-y(X = 0.
5, y = 1) layer and Zn-doped p-AlxGa1-xAs
(X = 0) is set to 1 of the oscillation wavelength λ in each medium.
/ 4 times the thickness of the periodic structure (one cycle) laminated alternately
Layer on which C-doped p-AlxGa1-xAs
(X = 0.9) and Zn-doped p-AlxGa1-xAs
(X = 0) is set to 1 of the oscillation wavelength λ in each medium.
With a periodic structure (25 periods) alternately stacked with a thickness of / 4 times
Semiconductor Bragg reflector 5 (Al0.9Ga
0.1As / GaAs upper semiconductor distributed Bragg reflector)
Is formed. In this example, p-GaxIn1-xP y
As1-yThe (x = 0.5, y = 1) layer is also a part of the upper reflecting mirror.
And a low refractive index layer (a layer having a low refractive index).
Here, both the upper and lower mirrors have low refractive index layers.
(Low refractive index layer) / high refractive index layer (high refractive index layer) alternately
In the present invention, there is a refraction
Al with a ratio between small and largezGa1-zAs (0 ≦
providing a hetero-spike buffer layer consisting of y <z <x ≦ 1)
ing.

【0012】図2により本発明に適用される面発光半導
体レーザの反射波長が1.1μm以上の反射鏡について
より具体的に説明する。本発明に適用される反射波長が
1.1μm以上の反射鏡では、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ヘテロスパイク緩衝層AlGa
1−zAs(0≦y<z<x≦1)15を設けている。
図2は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)。従来レーザ波長が0.85μm帯の半導体
レーザに関して、このようなヘテロスパイク緩衝層15
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〜1.7μm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。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。このようなヘテロスパイク緩衝層は形成時に
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、AlGa1−zAs(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〜AlAs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G
a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。
FIG. 2 shows a surface emitting semiconductor device applied to the present invention.
Reflector whose reflection wavelength of body laser is 1.1μm or more
This will be described more specifically. The reflection wavelength applied to the present invention is
In a reflecting mirror of 1.1 μm or more, a low refractive index layer (a low refractive index layer) is used.
Layer) and the high refractive index layer (high refractive index layer)
Hetero spike buffer layer Al with a value betweenzGa
1-zAs (0 ≦ y <z <x ≦ 1) 15 is provided.
Figure 2 shows a part of a semiconductor distributed Bragg reflector.
There is a figure (it is omitted in FIG. 1 because the figure is complicated)
are doing). Conventional semiconductor with laser wavelength 0.85μm band
With respect to the laser, such a heterospike buffer layer 15
It is being considered to establish
The material, its thickness, etc.
It has not been. Also, the laser oscillation wavelength as in the present invention is
1.1 μm to 1.7 μm long wavelength band surface emitting semiconductor laser
Is not considered at all. The reason is this field
(Long wavelength band whose laser oscillation wavelength is 1.1 μm to 1.7 μm
Surface emitting semiconductor lasers) is a new field, and it is still almost
This is because research has not progressed. The inventor is quick
In this field (the laser oscillation wavelength is 1.1 μm to 1.7 μm)
Long wavelength surface emitting semiconductor laser and optical communication using the same
Of the usefulness of shin) and intensive study to realize it
Was done. Such a heterospike buffer layer is formed during formation.
The Al composition is controlled by controlling the gas flow rate.
By changing the material layer continuously or stepwise
Shaped so that the refractive index changes continuously or stepwise
To achieve. More specifically, AlzGa1-zAs (0 ≦
y <z <x ≦ 1) Change the value of z of the layer from 0 to 1.0
GaAs to AlGaAs to AlAs
The shape is such that the ratio of Al and Ga gradually changes
To achieve. This is because the gas flow rate is controlled during layer formation as described above.
Created by trawling. Al and G
Formed so that the ratio of a changes continuously as described above
Or even if the ratio changes gradually
It has the same effect.

【0013】このようなヘテロスパイク緩衝層を設ける
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17と高屈折率層16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。このようなヘテロスパイク緩衝層につ
いてより具体的に説明する。図3は半導体分布ブラッグ
反射鏡を構成する2種類の半導体層の間にヘテロスパイ
ク緩衝層を設けた半導体分布ブラッグ反射鏡の例を示す
ものである。図では、半導体分布ブラッグ反射鏡の材料
の例としてAlGaAs系半導体材料(AlGa
1−zAs(0≦y<z<x≦1))について示してい
る。半導体分布ブラッグ反射鏡を構成する2種類の半導
体層はAlAs、GaAsであり、AlAs、GaAs
の中間の価電子帯エネルギーを持つヘテロスパイク緩衝
層として、これの間にAl組成を変化させた組成傾斜層
を設けている。すなわち、AlGa1−zAs(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〜AlAsとい
う具合にAlとGaの比率が徐々に変わるようにしてい
る。AlGaAs系半導体材料は、Al組成の増加と伴
に、バンドギャップエネルギーが大きくなり、屈折率が
低下する。またこの際、伝導帯では、Al組成0.43
まで、エネルギーが増加した後減少を始めるが、価電子
帯では単調に、略Al組成の増加量に比例して価電子帯
エネルギーが低下する(トータルとして、バンドギャッ
プエネルギーは組成に対して増加している。)。この他
にもAlGaInP系材料を例に挙げると、この材料は
4元材料であるが、AlInP組成の増加に伴い、Al
GaAs系におけるAl組成の増加と同様の傾向を示
す。伝導帯エネルギーは、AlInP組成0.7まで増
加した後減少を始める。しかし価電子帯エネルギーは、
AlInP組成の増加に対し同様に単調に減少する。
The reason for providing such a hetero-spike buffer 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 a hetero-barrier generated at the interface between the two types of semiconductor layers constituting the semiconductor distributed Bragg reflector. By making the Al composition gradually change to the other composition and changing the refractive index, it is possible to suppress the generation of the hetero barrier. Such a hetero spike buffer layer will be described more specifically. FIG. 3 shows an example of a semiconductor distributed Bragg reflector in which a heterospike buffer layer is provided between two types of semiconductor layers constituting the semiconductor distributed Bragg reflector. In the figure, AlGaAs-based semiconductor material as an example of the material of the semiconductor distributed Bragg reflector (Al z Ga
1-z As (0 ≦ y <z <x ≦ 1) is shown. The two kinds of semiconductor layers constituting the semiconductor distributed Bragg reflector are AlAs and GaAs, and AlAs and GaAs.
As a hetero-spike buffer layer having an intermediate valence band energy, a composition gradient layer in which the Al composition is changed is provided therebetween. That, Al z Ga 1-z As (0 ≦
(y <z <x ≦ 1) The value of z of the layer is changed from 0 to 1.0, that is, the ratio of Al to Ga is gradually changed such as GaAs to AlGaAs to AlAs. The AlGaAs-based semiconductor material has an increased bandgap energy and a decreased refractive index as the Al composition increases. At this time, in the conduction band, the Al composition was 0.43.
Until the energy increases, the energy begins to decrease, but in the valence band, the valence band energy decreases monotonically in proportion to the increase in the Al composition (total band gap energy increases with respect to the composition). ing.). In addition to this, if an AlGaInP-based material is taken as an example, this material is a quaternary material.
It shows the same tendency as the increase in the Al composition in the GaAs system. The conduction band energy begins to decrease after increasing to an AlInP composition of 0.7. But the valence band energy is
Similarly, it monotonically decreases with an increase in the AlInP composition.

【0014】図3の例では、GaAs層の近くの領域の
(図3では、領域I)組成傾斜率(バンドギャップエネ
ルギーの増加率)を、AlAs層の近くの領域の(図3
では領域II)組成傾斜率に比べて大きくしている。比
較のために、単に線形にAl組成を変化させた線形組成
傾斜層をヘテロスパイク緩衝層とした構造を図4に示
す。図5は、反射波長1.3μmのAlAs・GaAs
の界面に厚さ20nmの図3のヘテロスパイク緩衝層を
設けた4ペアp−DBRの電気抵抗を見積もった結果で
ある。図5では、ヘテロスパイク緩衝層を含むDBRの
各層のキャリア密度を1E18[cm−3]のP型とし
ており、縦軸にゼロバイアス付近における微分シート抵
抗値を示している。横軸は、領域IのAl組成傾斜率で
あり、異なる領域Iの厚さ(図中に示している)につい
てそれぞれ示している。領域Iと領域IIの和は常に2
0nmであり、領域IIの厚さ及び組成傾斜率は、領域
Iの厚さと組成傾斜率から決まる。単純にGaAs層と
AlAs層間に線形組成傾斜層を設けた場合のAl組成
傾斜率は0.05[nm−1]であり、これは、図のA
点に当たる。図5のように、領域IのAl組成傾斜度を
大きくしていくことにより、従来のように単に組成傾斜
率を線形とした場合に比べ、抵抗値が減少する。また、
極小となる最適なAl組成傾斜率が存在していることが
分かる。例えば、領域Iの厚さが10nm(領域IIと
同じ厚さ)では、Al組成傾斜率0.09[nm−1
で従来の80%程度に低抵抗化している(また、この傾
向は印加電圧に依らない。)。
In the example shown in FIG. 3, the composition gradient rate (increase rate of band gap energy) of the region near the GaAs layer (region I in FIG. 3) is shown in FIG.
In the region II), the composition gradient is increased as compared with the composition gradient. For comparison, FIG. 4 shows a structure in which a linear composition gradient layer having a linearly changed Al composition is used as a hetero-spike buffer layer. FIG. 5 shows AlAs.GaAs having a reflection wavelength of 1.3 μm.
4 shows the results of estimating the electrical resistance of a 4-pair p-DBR in which the heterospike buffer layer of FIG. In FIG. 5, the carrier density of each layer of the DBR including the hetero-spike buffer layer is a P-type of 1E18 [cm −3 ], and the vertical axis indicates the differential sheet resistance near zero bias. The abscissa indicates the Al composition gradient in the region I, and indicates the thickness of the different region I (shown in the drawing). The sum of region I and region II is always 2
0 nm, and the thickness of the region II and the composition gradient are determined by the thickness of the region I and the composition gradient. When the linear composition gradient layer is simply provided between the GaAs layer and the AlAs layer, the Al composition gradient is 0.05 [nm -1 ].
Hit the point. By increasing the gradient of the Al composition in the region I as shown in FIG. 5, the resistance value is reduced as compared with the conventional case where the composition gradient is simply made linear. Also,
It can be seen that there is an optimum Al composition gradient that is a minimum. For example, when the thickness of the region I is 10 nm (the same thickness as the region II), the Al composition gradient is 0.09 [nm −1 ].
In this case, the resistance is reduced to about 80% of the conventional value (this tendency does not depend on the applied voltage).

【0015】次にこの理由について説明する。図6は、
AlAs/GaAsによるDBRヘテロ界面の熱平衡状
態のバンド図を表すものである。図のように、バンド不
連続に起因するヘテロスパイクはおもに禁則帯幅の広い
AlAs層側で顕著に現れており、ほとんどGaAs層
側ではノッチが発生しない。GaAs層側に発生するノ
ッチは、本来、高抵抗化の原因とはならないのでAlA
s層側に発生するスパイクを、限られたヘテロスパイク
緩衝層の厚さで効率良く平坦にすることが、低抵抗化に
対し重要である。図3の構造では、ノッチが発生するG
aAs側で急激に組成を増加させて、スパイクが発生す
るAlAs側の組成傾斜を緩やかに変化させたことに対
応している。これによって、ヘテロスパイク緩衝層の組
成変化を単純に線形とした場合に比べてスパイクの発生
を低減させる事ができる(従って、逆に領域IのAl組
成傾斜率を領域IIより小さくすると、抵抗値が増加す
る。)。図7に、図3の熱平衡状態のバンド図の模式図
を示す。従来の単純な組成傾斜層に比べ、同じ厚さでA
lAs側の組成傾斜率を緩やかにすることができる。以
上より、領域Iの組成傾斜率を大きくすることで、従来
よりも電気抵抗を低減することができることがわかる。
Next, the reason will be described. FIG.
FIG. 3 is a band diagram of a thermal equilibrium state of a DBR hetero interface made of AlAs / GaAs. As shown in the figure, heterospikes caused by band discontinuity mainly appear remarkably on the AlAs layer side having a large band gap, and almost no notch is generated on the GaAs layer side. The notch generated on the GaAs layer side does not originally cause a high resistance, so that the AlA
It is important to lower the resistance efficiently that spikes generated on the s layer side are efficiently flattened with a limited thickness of the hetero spike buffer layer. In the structure of FIG.
This corresponds to the fact that the composition is rapidly increased on the aAs side and the composition gradient on the AlAs side where spikes occur is gradually changed. This makes it possible to reduce the occurrence of spikes as compared with the case where the change in the composition of the hetero-spike buffer layer is simply linear. Increases.). FIG. 7 is a schematic diagram of a band diagram in the thermal equilibrium state of FIG. Compared to the conventional simple composition gradient layer, A
The composition gradient on the lAs side can be reduced. From the above, it can be understood that the electric resistance can be reduced as compared with the related art by increasing the composition gradient rate of the region I.

【0016】次にこのような屈折率が小と大の間の値を
とるヘテロスパイク緩衝層AlGa1−zAs(0≦
y<z<x≦1)の最適厚さについて、検討した結果を
説明する。図8は、1.3μmに反射中心波長を持つA
lAs/GaAsによる4ペアDBRについて、ヘテロ
スパイク緩衝層厚さを変えて、ゼロバイアス付近での微
分電気抵抗率を計算した結果である。DBR層のドーピ
ング密度は1E18cm とし、ヘテロスパイク緩衝
層を含む各層のドーピング密度は一様としている。ま
た、破線で示す値は、各半導体層のバルク抵抗から求め
た抵抗率であり、ヘテロ界面の影響が全く無いとした場
合に得られるDBRの抵抗率を示したものである。図8
の様にヘテロスパイク緩衝層を設けないDBR(ヘテロ
スパイク緩衝層厚さが0)では抵抗率が1Ωcmと非
常に高抵抗であり、現実的な問題として20ペア以上積
層したDBRを通し素子に通電させる事自体が困難であ
り、更に通電させる為には非常に高い電圧を必要とす
る。従って、この様なDBRを備えた面発光レーザ素子
は現実に発振させる事は困難である。しかしながら、5
nmのヘテロスパイク緩衝層を設けた場合には、ヘテロ
スパイク緩衝層を設けない場合に比べて、約2桁程度抵
抗率を低減する事が可能であり、素子の通電が容易にな
って発振を得る事が可能となる。更に、通電に必要な電
圧も低減するので、素子の破壊、故障等、信頼性に関す
る諸問題も大きく改善する。更に、ヘテロスパイク緩衝
層を厚くするに従って抵抗率は急激に低減しており、特
に20nm以上では、抵抗率はほぼ一定の値となる。
[0016] Next hetero spike buffer layer Al z Ga 1-z As ( 0 ≦ such a refractive index takes a value between the small and large
The result of study on the optimum thickness of y <z <x ≦ 1) will be described. FIG. 8 shows A having a reflection center wavelength at 1.3 μm.
It is the result of calculating the differential electric resistivity near zero bias for the 4-pair DBR of 1As / GaAs by changing the thickness of the hetero-spike buffer layer. Doping density of the DBR layer 1E18 cm - and 3, the doping density of each layer containing a hetero spike buffer layer are uniform. The value indicated by the broken line is the resistivity obtained from the bulk resistance of each semiconductor layer, and shows the resistivity of the DBR obtained when there is no influence from the hetero interface. FIG.
In a DBR without a hetero-spike buffer layer (hetero-spike buffer layer thickness is 0), the resistivity is as high as 1 Ωcm 2 , and as a practical problem, the device is passed through a DBR having 20 pairs or more stacked. It is difficult to energize itself, and a very high voltage is required to further energize. Therefore, it is difficult to actually oscillate the surface emitting laser device having such a DBR. However, 5
When the hetero-spike buffer layer of nm is provided, the resistivity can be reduced by about two orders of magnitude as compared with the case where the hetero-spike buffer layer is not provided. Can be obtained. Further, since the voltage required for energization is also reduced, various problems relating to reliability, such as destruction and failure of the element, are greatly improved. Furthermore, the resistivity sharply decreases as the thickness of the heterospike buffer layer is increased, and particularly when the thickness is 20 nm or more, the resistivity becomes a substantially constant value.

【0017】図8はヘテロスパイク緩衝層、及び各層の
p型ドーピング密度を1E18cm −3として一様のド
ープした場合の構造について示したものである。なお、
このドーピング濃度は通常DBRに用いられる標準的な
値である。図8のDBRの構造では抵抗率の減少が飽和
し始めるヘテロスパイク緩衝層の厚さは約20nmであ
り、この時の抵抗率は、バルク抵抗率のおよそ2.5倍
程度と非常に低い値まで低減されている。つまり、テロ
スパイク緩衝層厚さの下限値を20nmとし、それ以上
の厚さにすれば素子の動作電圧を最も低い値とすること
ができ、素子発熱も最小限にすることができる。従って
発振を維持できる温度、並びに得られる光出力が増加す
る。しかしながら、これに反してDBRの光学的特性に
は、ヘテロスパイク緩衝層が厚くなるに従って反射率が
低下するという問題がある。図9は、ヘテロスパイク緩
衝層厚さの変化に対するDBRの反射率の減少の様子を
詳しく示したものである。図に示した直線と比較する
と、ヘテロスパイク緩衝層の厚さが50nm以上から急
激に反射率の変化率が大きくなる様子が分かる。素子の
発振閾値電流はこれに対応して急激に増加し始める。従
って、ヘテロスパイク緩衝層の厚さの上限は50nmと
するのが適当である。以上の様に20nm以上、50n
m以下のヘテロスパイク緩衝層を設けたDBRでは、ヘ
テロ界面の影響による抵抗を有効に低減する事が可能で
あり、また、高い反射率を同時に得る事ができる。これ
を用いた面発光レーザ素子では、現実的な駆動条件にお
いて、容易に低閾値電流での発振を得る事が可能であ
る。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、20nm
〜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(20nm〜50nmの
厚さ)を選ぶ必要がある。
FIG. 8 shows a hetero-spike buffer layer and each layer.
p-type doping density 1E18cm -3As a uniform de
It shows the structure in the case of a loop. In addition,
This doping concentration is the standard value normally used for DBR.
Value. In the DBR structure of FIG. 8, the decrease in resistivity is saturated.
The thickness of the heterospike buffer layer that begins to
The resistivity at this time is approximately 2.5 times the bulk resistivity.
The degree has been reduced to very low values. In other words, terrorism
The lower limit of the thickness of the spike buffer layer is 20 nm, and more
The operating voltage of the device should be the lowest value if the thickness is
And heat generation of the element can be minimized. Therefore
The temperature at which oscillation can be maintained and the resulting light output increase
You. However, on the contrary, the optical characteristics of DBR
The reflectivity increases as the thickness of the heterospike buffer layer increases.
There is a problem of lowering. FIG. 9 shows the heterospike moderation.
How the reflectivity of the DBR decreases with changes in the thickness of the impact layer
This is shown in detail. Compare with the straight line shown in the figure
The thickness of the hetero-spike buffer layer suddenly increases from 50 nm or more.
It can be seen that the rate of change of the reflectivity becomes extremely large. Elemental
The oscillation threshold current starts to increase correspondingly sharply. Obedience
Therefore, the upper limit of the thickness of the hetero spike buffer layer is 50 nm.
It is appropriate to do. As described above, 20 nm or more, 50 n
m in a DBR provided with a heterospike buffer layer
It is possible to effectively reduce the resistance due to the effect of the terrorist interface.
Yes, and a high reflectance can be obtained at the same time. this
In a surface emitting laser device using
Therefore, it is possible to easily obtain oscillation with a low threshold current.
You. The laser oscillation wavelength as in the present invention is 1.1 μm-1.
20 nm in the case of a long wavelength band surface emitting semiconductor laser of 7 μm
The thickness is preferably about 50 nm.
And the current hardly flows, causing the element to generate heat or drive
There is a problem that energy is high. When it is thick again
The resistance becomes small, and heat generation of the element and drive energy are reduced.
This is an advantage, but the problem is that the reflectance cannot be obtained this time.
Yes, as described above, the optimum range (20 nm to 50 nm)
Thickness).

【0018】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ヘテ
ロスパイク緩衝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1.1
μm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ヘテロスパイク
緩衝層を設けることは、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。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、Al
Ga1−xAs(x=1.0)(低屈折率層〜屈折率
小の層)とAlGa1−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AlGa1−zAs(0≦y<z<x≦1)
層の厚さは30nmである.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、10n
m、20nm、30nm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。
As described above, the provision of such a hetero-spike buffer layer for a conventional semiconductor laser having a laser wavelength in the 0.85 μm band has been studied. 1 μm to 1.7 μm
In the case of a long-wavelength band surface emitting semiconductor laser, it is more effective. Because, for example, the equivalent reflectance (for example, 99.5)
% Or more) is required to be 1.1 or more than the 0.85 μm band.
In the case of the μm band to 1.7 μm band, such a material layer is formed by about 2 μm.
Because the resistance can be reduced, the operating voltage, oscillation threshold current, etc. can be reduced. This is advantageous. In other words, providing such a hetero-spike buffer layer on a semiconductor distributed Bragg reflector is particularly effective for 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. It can be called a device. In addition, 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 element, Al
x Ga 1-x As (x = 1.0) ( low refractive index layer-refractive index small layer) and Al y Ga 1-y As ( y = 0) ( high refractive index layer-refractive index large layer) in case where the 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. The reflectivity is 99.5%.
The above wavelength band is 53 nm, and the reflectance is 99.
If it is designed to be 5% or more, it is only necessary to control the film thickness by ± 2%. Therefore, 10n equivalent and thinner
When a prototype of m, 20 nm, and 30 nm was manufactured as a prototype, a 1.3 μm band surface emitting laser that could keep the reflectivity to a practically negligible level and reduced the resistance of the semiconductor distributed Bragg reflector was reduced. The device was realized and laser oscillation was successful. Other configurations of the prototyped laser element are as described below.

【0019】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。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1.3
μm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。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。再び図1に戻り、最上部の、p−A
Ga1−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39%(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。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)、AsH(アルシン)、PH(フォスフィン)
を用いた。また、キャリアガスにはH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。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MB
E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 the multilayer mirror, there is a band having a high reflectance including a 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 a region where the reflectance at the design wavelength is the highest, and decreases only slightly as the wavelength is further away. 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. But actually ± 1
Since a film thickness error of about% occurs, the target wavelength deviates from the wavelength having the highest reflectance. For example, if the target wavelength is 1.3
In the case of 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 high reflectance band (here, the region where the reflectance is equal to or more than a required value with respect to a target wavelength) is wide. As described above, in the 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 reflectivity is improved by devising and optimizing the configuration of such a semiconductor distributed Bragg reflector. The resistance value can be reduced while maintaining high, so that the operating voltage, oscillation threshold current, etc. can be reduced,
Prevention of heat generation of the laser element, stable oscillation, and low energy driving are possible. Returning to FIG. 1 again, the uppermost pA
l x Ga 1-x As ( x = 0) layer also has the role of a contact layer (p- contact layer) for taking electrode and a contact. Here, the In composition x of the quantum well active layer was 39% (Ga 0.61 In 0.39 As). The thickness of the quantum well active layer was 7 nm. The quantum well active layer had a compressive strain of about 2.8% with respect to the GaAs substrate. In addition, the entire surface emitting semiconductor laser was grown by MOCVD. In this case, no lattice relaxation was observed. Materials for forming each layer of the semiconductor laser include TMA (trimethylaluminum), TMG
(Trimethyl gallium), TMI (trimethyl indium), AsH 3 (arsine), PH 3 (phosphine)
Was used. H 2 was used as a carrier gas. FIG.
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. The MOCVD method used here has a high degree of supersaturation and is suitable for crystal growth of a high strain active layer. Also MB
It is excellent in mass productivity because the supply flow rate and supply time of the raw material gas need only be controlled without requiring a high vacuum as in the E method.

【0020】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。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(III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GaIn1−xAs
1−y(0<x≦1、0<y≦1)の非発光再結合防止
層としている。すなわちxあるいはyの値を適宜選ぶこ
とにより、GaInPもしくはGaInPAsもしくは
GaPAsが非発光再結合防止層とされる。なおこの層
には、Al以外の他の材料を微量添加する場合もある
が、主たる材料は、GaIn1−xAs
1−y(0<x≦1、0<y≦1)である。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。
またこの主たる組成がGaIn1−xAs1−y
(0<x≦1、0<y≦1)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。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。
In this example, the portion outside the current path was irradiated with protons (H + ) to form an insulating layer (high-resistance portion), thereby forming 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. In this example, the active region (in this embodiment, a resonator composed of the upper and lower spacer layers and the multiple quantum well active layer) sandwiched between the upper and lower reflectors and into which carriers are injected and recombined, has an active region. material containing al (percentage of group III 1% or more) without using a further layer closest to the active layer of the low refractive index layer of the lower and upper reflector Ga x in 1-x P y As
1-y (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1) as a non-radiative recombination preventing layer. That is, by appropriately selecting the value of x or y, GaInP, GaInPAs, or GaPAs is used as the non-radiative recombination preventing layer. Note that this layer, there is a case where a material other than Al is added small amount, the main material, Ga x In 1-x P y As
1-y (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1). Carriers are confined between the low-refractive index layers of the upper and lower reflectors, which are the wide gaps closest to the active layer, so that only the active region is an Al-free layer (1% of the group III).
%), The low refractive index layer (wide gap layer) of the reflector in contact with the active region has a structure including Al, so that when carriers are injected and recombined, non-emission light is regenerated at this interface. Coupling occurs and the luminous efficiency decreases. Therefore, it is desirable that the active region be formed of a layer containing no Al.
Also this main composition Ga x In 1-x P y As 1-y
The non-radiative recombination preventing layer composed of (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1) has a lattice constant smaller than that of the 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. When the 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. Especially when the amount of compressive strain of the active layer is as large as 2% or more,
In the case where the strained layer is grown to be thicker than the critical thickness, there is a particular problem that even if non-equilibrium growth such as low-temperature growth is performed, growth cannot be performed due to the presence of defects. The presence of a strained layer suppresses such a defect from climbing up, so that the luminous efficiency can be improved, and a layer having a compressive strain of 2% or more of the active layer can be grown.
It is possible to grow the thickness of the strained layer larger than the critical thickness.

【0021】このGaIn1−xAs1−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、Ga
In1−xAs1−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。例えばGaIn1−x
(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+0.786x、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GaIn1−xAs 1−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。さらにこのGa
In1−xAs1−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Ga
As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GaIn1−xAs
−y(0<x≦1、0<y≦1)層よりも大きく圧縮歪
を有している。またこのGaIn1−xAs
1−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。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GaAs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。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。
This GaxIn1-xPyAs1-y(0
<X ≦ 1, 0 <y ≦ 1) layer is in contact with the active region and is active
It also has the role of confining carriers in the region,
xIn1-xPyAs1-y(0 <x ≦ 1, 0 <y ≦
1) The band gap energy of the layer decreases as the lattice constant decreases.
It can take large amounts of lugi. For example, GaxIn1-xP
In the case of (y = 1), x increases and approaches GaP.
Increase the lattice constant and the band gap.
You. The band gap Eg is Eg (Γ) =
1.351 + 0.643x + 0.786x2, Indirect transition
And Eg (X) = 2.24 + 0.02x
You. Therefore, the active region and GaxIn1-xPyAs 1-y
(0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1) layer has a large hetero barrier.
As a result, carrier confinement is improved and threshold current is reduced.
This has the effect of reducing the temperature and improving the temperature characteristics. Furthermore, this Gax
In1-xPyAs1-y(0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1)
The non-radiative recombination prevention layer composed of a layer has a lattice constant of Ga.
Larger than the As substrate, having a compressive strain, and
When the lattice constant of the active layer is GaxIn1-xPyAs1
-Y(0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1) Larger compressive strain than layer
have. In addition, this GaxIn1-xPyAs
1-y(0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1) The direction of strain in the layer is active
Substantial compressive strain perceived by the active layer because it is in the same direction as the layer
Work in the direction of reducing The larger the distortion, the more the influence of external factors
The active layer has a compressive strain of 2% or more, for example.
Is particularly effective when the thickness is large or when the thickness exceeds the critical thickness.
You. For example, a surface emitting laser with an oscillation wavelength of 1.3 μm band
It is preferably formed on a GaAs substrate.
In many cases, a conductor multilayer reflector is used, and the total thickness is
Before growing the active layer, 50 to 80 semiconductor layers of 5 to 8 μm are formed.
Need to be grown (while edge-emitting lasers,
The total thickness before growing the active layer is about 2 μm and about 3 layers.
It is only necessary to grow a semiconductor layer). In this case, high quality
Various causes (even once occurred
Defects basically creep up in the crystal growth direction,
Surface defects on the GaAs substrate
What is the defect density of the surface just before the active layer growth compared to the depression density?
Even if it increases. Insertion of strained layer before active layer growth
In addition, when the effective compressive strain perceived by the active layer is reduced,
To reduce the effect of defects on the surface just before the growth of the conductive layer
become. In this example, in the active area and the mirror and the active area
Since the interface with Al does not contain Al, the carrier injection
Non-light emission due to crystal defects caused by Al when entering
There was no recombination and non-radiative recombination was reduced.

【0022】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。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GaIn1−xAs1−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Ga In1−xAs1−y(0<x
≦1、0<y≦1)を非発光再結合防止層としても良
い。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A
lを含まないGaIn1−xAs 1−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。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 Photonics.Techn
ol.Lett.Vol.9(1997)pp.1319-1321」参照)。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GaIn
As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。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、G
aAs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。
As mentioned above, the interface between the reflector and the active area
In which Al does not contain, that is, non-radiative recombination prevention
The provision of a stop layer can be applied to both upper and lower reflectors.
Although preferred, it is effective to apply it to one of the mirrors.
You. In this example, both the upper and lower reflectors are semiconductor distribution black.
Mirror, but one of the mirrors is a semiconductor distributed Bragg
It is also possible to use a reflecting mirror and the other reflecting mirror as a dielectric mirror
No. In the above-described example, the most active layer of the low refractive index layer of the reflecting mirror is used.
Only the layer close toxIn1-xPyAs1-y(0 <
x ≦ 1, 0 <y ≦ 1)
Has a plurality of layers of Ga xIn1-xPyAs1-y(0 <x
≦ 1, 0 <y ≦ 1) may be used as the non-radiative recombination preventing layer.
No. Further, in this example, the distance between the GaAs substrate and the active layer is
Applying this idea to the lower reflector, there is a problem when growing the active layer
The crawling of crystal defects caused by Al onto the active layer
The adverse effect of the active layer is suppressed and the active layer is crystallized with high quality.
Can be lengthened. Due to these, luminous efficiency is high,
A surface emitting semiconductor laser with sufficient reliability for practical use can be obtained.
Was. In addition, the low refractive index layer of the semiconductor distributed Bragg reflector is
Not all but at least the part closest to the active area
Ga not containing lxIn1-xPyAs 1-y(0 <x
≦ 1, 0 <y ≦ 1)
The above effect can be obtained without particularly increasing the number.
coming. The surface-emitting type semiconductor laser fabricated in this manner
The oscillation wavelength of the laser was about 1.2 μm. On GaAs substrate
GaInAs has a longer wavelength due to an increase in the In composition, but strain
Longer wavelength up to 1.1 μm with conventional increase
Was considered to be the limit (see "IEEE Photonics.Techn.
ol. Lett. Vol. 9 (1997) pp. 1319-1321 "). But
However, as the inventor made this time, low temperature of 600 ° C or less
High strain GaIn by growth method with high non-equilibrium such as growth
Coherent growth of As quantum well active layer thicker than before
Wavelength can reach up to 1.2 μm
Was. This wavelength is transparent to the Si semiconductor substrate.
You. Therefore, when an electronic device and an optical device are integrated on a Si substrate,
Optical transmission through Si substrate
You. As is clear from the above description, the high In composition is large.
By using compressive strained GaInAs for the active layer, G
Forming long-wavelength surface-emitting semiconductor laser on aAs substrate
I knew I could do it.

【0023】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(TQ
W)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。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G
aAsを用いた例を示したが、InP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。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GaIn1−xAs(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。実際にGa
InNAs活性層の組成を変えることにより、1.3μ
m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1.7μm帯の面発光レーザ
も可能となる。また、活性層にGaAsSbを用いても
GaAs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。
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.
In addition, a triple quantum well structure (TQ
Although the example of W) is shown, a structure (SQW, MQW) using a quantum well of another number of wells or the like can be used. 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. G is used as a semiconductor substrate.
Although an example using aAs has been described, the above concept can be applied even when another semiconductor substrate such as InP is used. The period of the reflecting mirror may be another period. In this example, an example in which the main element is a layer composed of Ga, In, and As, that is, Ga x In 1-x As (GaInAs active layer) is shown as an active layer. Is
What is necessary is just to make it the layer (GaInNAs active layer) which adds N and the main element consists of Ga, In, N, and As. Actually Ga
By changing the composition of the InNAs active layer, 1.3 μm
Laser oscillation could be performed in each of the m band and the 1.55 μm band. By examining the composition, a surface emitting laser having a longer wavelength, for example, in the 1.7 μm band can be obtained. Further, even if GaAsSb is used for the active layer, a 1.3 μm band surface emitting laser can be realized on a GaAs 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.

【0024】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10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
21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−Al
1−xAs(x=0.9)とn−AlGa1−x
s(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24(Al 0.9Ga0.1As/Ga
As下部反射鏡)を形成し、その上にλ/4の厚さのn
−GaIn1−xAs1−y(x=0.5、y=
1)層を積層した。この例ではn−GaIn1−x
As1−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。そしてその上に、
アンドープ下部GaAsスペーサ層23と、3層のGa
In1−xAs1−y量子井戸層である活性層3
3(量子井戸活性層)とGaAsバリア層34(15n
m)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GaAsス
ペーサ層23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。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)24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27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−Ga
1−xAs1−y(x=0.5、y=1)層、C
ドープp−AlGa1−zAs(z=1)被選択酸化
層(厚さ30nm)、厚さが(2λ/4−15nm)の
Cドープp−AlGa1−xAs層(x=0.9))
と、厚さがλ/4のGaAs層(1周期)と、Cドープ
のp−AlGa −xAs層(x=0.9)とp−A
Ga1−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(Al0.9Ga0.1As/GaAs上部
反射鏡)である。なおこの例においても、図10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AlGa1−z
As(0≦y<z<x≦1)よりなるヘテロスパイク緩
衝層を設けたものである。そして、最上部の、p−Al
Ga1−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。
Next, the present invention is applied to the optical transmitting / receiving system of the present invention.
Other long-wavelength surface-emitting semiconductor lasers
The configuration will be described with reference to FIG. Again, figure
N-GaAs substrate having a plane orientation of (100) as in the case of 1.
21 is used. Oscillation wave in each medium
N-Al with a thickness 1/4 times the length λ (thickness of λ / 4)xG
a1-xAs (x = 0.9) and n-AlxGa1-xA
n-semiconductor distribution in which s (x = 0) is alternately stacked for 35 periods
Bragg reflector 24 (Al 0.9Ga0.1As / Ga
As lower reflector), and a λ / 4-thick n is formed thereon.
-GaxIn1-xPyAs1-y(X = 0.5, y =
1) Layers were laminated. In this example, n-GaxIn1-xP
yAs1-yThe (x = 0.5, y = 1) layer is also the lower reflector
It is a part and is a low refractive index layer. And on top of that,
Undoped lower GaAs spacer layer 23 and three Ga layers
xIn1-xNyAs1-yActive layer 3 which is a quantum well layer
3 (quantum well active layer) and GaAs barrier layer 34 (15n
m) of the multi-quantum well active layer (3 in this example)
Quantum well (TQW)) and undoped upper GaAs
An oscillation wavelength in the medium is formed by laminating the
A resonator having a thickness of one wavelength (thickness of λ) is formed.
You. In addition, a p-semiconductor distributed Bragg reflector
(Upper reflector) 24 is formed. The upper reflector is
The AlAs layer 27 serving as the 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-AlzGa1-zAs (z = 1) selective oxidation
Layer (thickness 30 nm), thickness (2λ / 4-15 nm)
C-doped p-AlxGa1-xAs layer (x = 0.9)
GaAs layer (one period) having a thickness of λ / 4, and C-doped
P-AlxGa1 -XAs layer (x = 0.9) and pA
lxGa1-xAs (x = 0) layer in each medium
Period alternately stacked with a thickness of 1/4 of the oscillation wavelength
Structure (22 periods)
Reflector (Al0.9Ga0.1As / GaAs upper part
Reflecting mirror). Note that in this example as well, FIG.
Although illustration is omitted because it is complicated, semiconductor components
The structure of the cloth Bragg reflector has a low refraction as shown in Fig. 2.
Index layer (low refractive index layer) and high refractive index layer (high refractive index layer)
In the meantime, Al whose refractive index takes a value between small and largezGa1-z
Heterospike relaxation consisting of As (0 ≦ y <z <x ≦ 1)
An opposing layer is provided. And the topmost p-Al
xGa1-xThe As (x = 0) layer connects the electrode and the contact.
Contact layer (p-contact layer)
They also have a role.

【0025】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)、AsH(アルシン)、PH
(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Hを用いた。
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。さらにこの例では、所定の大きさのメサ
部分をp−GaIn1−xAs 1−y(x=0.
5、y=1)層に達するまで、p−AlGa1−z
s(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AlGa1−zAs(z=1)層を水蒸
気で側面から酸化してAl電流狭さく層を形成し
ている。
Here, the In composition x of the quantum well active layer is 37
%, And the N (nitrogen) composition was 0.5%. Also the quantum well activity
The thickness of the conductive layer was 7 nm. In addition, this surface-emitting type semiconductor laser
The laser was grown by MOCVD. Semiconductor laser
The raw material for each layer is TMA (trimethylaluminum).
), TMG (trimethylgallium), TMI (g)
Limethylindium), AsH3(Arsine), PH3
(Phosphine), and DMHy
Methylhydrazine) was used. DMHy decomposes at low temperature
Therefore, it is suitable for low-temperature growth below 600 ° C.
A highly strained quantum well layer that requires low temperature growth
Preferred in the case. The carrier gas is H2Was used.
In this example, a GaInNAs layer (quantum well active layer) is used.
Grew at 540 ° C. MOCVD has a high degree of supersaturation
Suitable for crystal growth of materials containing N and other V-groups at the same time
You. Also, high vacuum is not required unlike the MBE method,
Control the supply flow rate and supply time of
Is also excellent. Furthermore, in this example, a mesa
Part is p-GaxIn1-xPyAs 1-y(X = 0.
5, y = 1) p-Al until the layer is reachedzGa1-zA
s (z = 1) is formed by exposing the side surface of the selective oxidation layer,
Al that appeared on the sidezGa1-zAs (z = 1) layer is steamed
Oxidized from the side with airxOyForming a current narrowing layer
ing.

【0026】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。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GaIn 1−x
1−y(0<x≦1、0<y≦1)層を挿入してい
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GaIn
PAs系はエッチング停止層として用いることができる
ため、GaIn1−xAs1−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。
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G
In1−xAs −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。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GaIn1−xAs
1−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。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。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。な
お、このような非発光再結合防止層は、図1、図10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。
Finally, a mesa etch with polyimide (insulating film)
The part removed by polishing is embedded and flattened, and the upper reflector
Remove polyimide on top and emit light on p-contact layer
A p-side electrode is formed except for the portion, and n-side electrode is formed on the back surface of the GaAs substrate.
Side electrodes were formed. In this example, the selective oxidation layer
The lower part has Ga as part of the upper reflector.xIn 1-xPyA
s1-y(0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1)
You. For example, in the case of wet etching,
If a chant is used, GaIn can be used for an AlGaAs system.
PAs based can be used as etch stop layer
Therefore, GaxIn1-xPyAs1-y(0 <x ≦ 1,
0 <y ≦ 1) Insertion of the layer allows selective oxidation.
The height of the mesa etching can be strictly controlled. others
Therefore, uniformity and reproducibility can be improved, and cost can be reduced.
In addition, the surface emitting semiconductor laser (element) of this example is reduced to one dimension.
Or two-dimensional integration, controllability during device fabrication
Improves the characteristics of each element in the array.
The effect is that the uniformity and reproducibility of
You. In this example, G serving as an etching stop layer is also used.
axIn1-xPyAs1 -Y(0 <x ≦ 1, 0 <y ≦
1) The layer is provided on the upper reflector side, but is provided on the lower reflector side
May be. In this example, too,
In addition, the active region where carriers are injected and recombine (this embodiment)
Then, the upper and lower spacer layers and the multiple quantum well active layer
Including the Al in the active region.
Low refractive index layers of lower and upper reflectors without using materials
The layer closest to the active layer ofxIn1-xPyAs
1-yNon-radiative recombination prevention (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1)
And layers. That is, in this example, the
The interface between the mirror and the active region should not contain Al
Therefore, at the time of carrier injection, crystal defects caused by Al
Can reduce non-radiative recombination due to entrapment
You. It should be noted that the interface between the reflector and the active region does not contain Al.
It is preferable to apply the configuration to the upper and lower reflectors as in this example.
It is effective even if applied to only one of the reflectors
There is. In this example, both the upper and lower reflecting mirrors have a semiconductor distribution block.
Rag reflector was used, but one reflector was
And the other reflector as a dielectric reflector
good. Further, also in this example, between the GaAs substrate and the active layer.
The same idea as in the example of FIG. 1 was applied to the lower reflector of
Therefore, a crystal caused by Al, which is a problem when growing the active layer,
Negative effects due to crawling of defects into active layer are suppressed
As a result, the active layer can be grown with high quality crystals. What
In addition, such a non-radiative recombination preventing layer is provided in FIG. 1 and FIG.
In either configuration, a semiconductor distributed Bragg reflector
The thickness of the oscillating wave in the medium.
The thickness is set to 1 / of the length λ (thickness of λ / 4). Ah
Alternatively, a plurality of layers may be provided.

【0027】以上、半導体ブラッグ反射鏡の一部に非発
光再結合防止層を設けた例について示してきたが、非発
光再結合防止層を共振器の中に設けても良い。例えば、
共振器部をGaInNAs量子井戸層とGaAs障壁層
とからなる活性層と、GaAsを第1の障壁層、GaI
nPAs、GaAsP、GaInPからなる非発光再結
合防止層を第二の障壁層とした構造があげられる。共振
器部の厚さは1波長分の厚さとすることができる。非発
光再結合防止層はGaAs第1の障壁層よりバンドギャ
ップが大きいのでキャリアが注入される活性領域は実質
GaAs障壁層までとなる。また、残留したAl原料、
またはAl反応物、またはAl化合物、またはAlを除
去する工程を設ける場合は、非発光再結合防止層の途中
で設けたり、非発光再結合防止層とAlを含んだ層との
間にGaAs層を設けてその層の途中などで行うことが
できる。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GaIn
1−xAs1−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。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。
Although an example in which the non-radiative recombination preventing layer is provided on a part of the semiconductor Bragg reflector has been described above, the non-radiative recombination preventing layer may be provided in the resonator. For example,
The resonator section is composed of an active layer composed of a GaInNAs quantum well layer and a GaAs barrier layer, and GaAs is a first barrier layer.
A structure in which a non-radiative recombination preventing layer made of nPAs, GaAsP, and GaInP is used as the second barrier layer is exemplified. The thickness of the resonator section can be one wavelength. Since the band gap of the non-radiative recombination prevention layer is larger than that of the GaAs first barrier layer, the active region into which carriers are injected substantially extends to the GaAs barrier layer. Also, the remaining Al raw material,
In the case where a step of removing an Al reactant, an Al compound, or Al is provided, the step may be provided in the middle of the non-radiative recombination preventing layer, or a GaAs layer may be provided between the non-radiative recombination preventing layer and the layer containing Al. And can be performed in the middle of the layer. 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 as the non-radiative recombination preventing layer, so that the above-described effect can be obtained without particularly increasing the number of stacked reflectors. I was able to. In addition, even with such a configuration, since the polyimide can be easily embedded, the wiring (the p-side electrode in this example) is hardly disconnected, and a device having high reliability can be obtained.

【0028】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。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A
lとAsを主成分とした被選択酸化層の選択酸化により
電流狭さくを行ったので、しきい値電流は低かった。被
選択酸化層を選択酸化したAl酸化膜からなる電流狭さ
く層を用いた電流狭さく構造によると、電流狭さく層を
活性層に近づけて形成することで電流の広がりを抑えら
れ、大気に触れない微小領域に効率良くキャリアを閉じ
込めることができる。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。以上の説明から明らかなよう
に図10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1
0の面発光型半導体レーザも図1の場合と同様にMOC
VD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、D
MHyを用いたが、活性化した窒素やNH等他の窒素
化合物を用いることもできる。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、M
QW)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。また図10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1.7μ
m帯の面発光型半導体レーザも可能となる。GaInN
As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GaAsS
b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。なお本発明では活性層と
して、主たる元素がGa、In、Asよりなる層(Ga
InAs活性層)、あるいはNを添加し主たる元素がG
a、In、N、Asからなる層(GaInNAs活性
層)を用いる説明をしてきたが、他にGaNAs、Ga
PN、GaNPAs、GaInNP、GaNAsSb、
GaInNAsSb等も好適に使用できる。特にこれら
の例のように、窒素を含む活性層の場合、本発明の非発
光再結合防止層は特に効果的である。以下にそれを説明
する。
The oscillation wavelength of the surface emitting semiconductor laser manufactured as described above was about 1.3 μm. In this example, a layer composed mainly of Ga, In, N, and As was used as the active layer (GaInNAs active layer), so that a long-wavelength surface emitting semiconductor laser could be formed on a GaAs substrate. A
Since the current was narrowed by selective oxidation of the layer to be selectively oxidized containing l and As as main components, the threshold current was low. According to the current narrowing structure using the current narrowing layer made of the Al oxide film in which the selective oxidation layer is selectively oxidized, the current spreading can be suppressed by forming the current narrowing layer close to the active layer, so that the current narrowing can be prevented from being exposed to the atmosphere. Carriers can be efficiently confined in the region. Further, by oxidizing to form an Al oxide film, the refractive index is reduced, light can be efficiently confined in a minute region in which carriers are confined by the effect of a convex lens, the efficiency is extremely improved, and the threshold current can be reduced. . In addition, because the current narrowing structure can be easily formed,
Manufacturing costs can be reduced. As is clear from the above description, even in the configuration as shown in FIG. 10, as in the case of FIG.
A surface emitting semiconductor laser in the 1.3 μm band can be realized, and a low-power and low-cost device can be obtained. FIG.
The surface-emitting type semiconductor laser of 0 is similar to the MOC of FIG.
Although growth can be performed by the VD method, other growth methods such as the MBE method can also be used. In addition, D
Although MHy was used, activated nitrogen and other nitrogen compounds such as NH 3 can also be used. Further, an example of a triple quantum well structure (TQW) is shown as a stacked structure of the active layer, but a structure (SQW, DQW, M
QW) can also be used. The structure of the laser may be another structure. In the surface-emitting type semiconductor laser shown in FIG. 10, the composition of the GaInNAs active layer is changed so that the 1.55 μm band, and further, the longer wavelength 1.7 μm.
An m-band surface emitting semiconductor laser is also possible. GaInN
The As active layer may contain other III-V elements such as Tl, Sb, and P. The active layer is made of GaAsS.
Even if b is used, a 1.3 μm band surface emitting semiconductor laser can be realized on a GaAs substrate. In the present invention, as the active layer, a layer (Ga) whose main element is Ga, In, or As
InAs active layer) or the main element added with N is G
Although a description has been given using a layer made of a, In, N, and As (an active layer of GaInNAs), other than GaNAs, Ga,
PN, GaNPAs, GaInNP, GaNAsSb,
GaInNAsSb or the like can also be suitably used. Particularly in the case of an active layer containing nitrogen as in these examples, the non-radiative recombination preventing layer of the present invention is particularly effective. This will be described below.

【0029】図11は、我々のMOCVD装置で作製し
たGaInNAs量子井戸層とGaAsバリア層とから
なるGaInNAs/GaAs2重量子井戸構造からな
る活性層の室温フォトルミネッセンススペクトルを示し
ている。図12は試料構造である。GaAs基板上20
1に、下部クラッド層202、中間層203、窒素を含
む活性層204、中間層203、上部クラッド層205
が順次積層されている。図11において、AはAlGa
Asクラッド層上にGaAs中間層をはさんで2重量子
井戸構造を形成した試料であり、BはGaInPクラッ
ド層上にGaAs中間層をはさんで2重量子井戸構造を
連続的に形成した試料である。図11に示すように、試
料Aでは試料Bに比べてフォトルミネッセンス強度が半
分以下に低下している。従って、1台のMOCVD装置
を用いてAlGaAs等のAlを構成元素として含む半
導体層上に、GaInNAs等の窒素を含む活性層を連
続的に形成すると、活性層の発光強度が劣化してしまう
という問題が生じた。そのため、AlGaAsクラッド
層上に形成したGaInNAs系レーザの閾電流密度
は、GaInPクラッド層上に形成した場合に比べて2
倍以上高くなってしまう。この原因解明について検討し
た。図13はクラッド層をAlGaAsとし、中間層を
GaAsとし、活性層をGaInNAs/GaAs2重
量子井戸構造として構成した素子を1台のエピタキシャ
ル成長装置(MOCVD)を用いて形成したときの、窒
素と酸素濃度の深さ方向分布を示した図である。測定は
SIMSによって行った。表1に測定条件を示す。
FIG. 11 shows a room-temperature photoluminescence spectrum of an active layer having a GaInNAs / GaAs double quantum well structure including a GaInNAs quantum well layer and a GaAs barrier layer manufactured by our MOCVD apparatus. FIG. 12 shows a sample structure. 20 on GaAs substrate
1, a lower cladding layer 202, an intermediate layer 203, an active layer 204 containing nitrogen, an intermediate layer 203, and an upper cladding layer 205.
Are sequentially laminated. In FIG. 11, A is AlGa
A sample in which a double quantum well structure is formed on an As clad layer with a GaAs intermediate layer interposed therebetween, and a sample B in which a double quantum well structure is continuously formed with a GaAs intermediate layer interposed on a GaInP clad layer. It is. As shown in FIG. 11, the photoluminescence intensity of Sample A is lower than that of Sample B by less than half. Therefore, when an active layer containing nitrogen such as GaInNAs is continuously formed on a semiconductor layer containing Al as a constituent element such as AlGaAs using one MOCVD apparatus, the emission intensity of the active layer is deteriorated. A problem arose. Therefore, the threshold current density of the GaInNAs-based laser formed on the AlGaAs cladding layer is 2 times smaller than that formed on the GaInP cladding layer.
More than twice as high. The elucidation of this cause was examined. FIG. 13 shows the nitrogen and oxygen concentrations when an element having a cladding layer of AlGaAs, an intermediate layer of GaAs, and an active layer of a GaInNAs / GaAs double quantum well structure was formed using a single epitaxial growth apparatus (MOCVD). FIG. 5 is a diagram showing a distribution in a depth direction. The measurement was performed by SIMS. Table 1 shows the measurement conditions.

【表1】 [Table 1]

【0030】図13において、GaInNAs/GaA
s2重量子井戸構造に対応して、活性層中に2つの窒素
ピークが見られる。そして、活性層において、酸素のピ
ークが検出されている。しかし、NとAlを含まない中
間層における酸素濃度は活性層の酸素濃度よりも約1桁
低い濃度となっている。一方、クラッド層をGaInP
とし、中間層をGaAsとし、活性層をGaInNAs
/GaAs2重量子井戸構造として構成した素子につい
て、酸素濃度の深さ方向分布を測定した場合には、活性
層中の酸素濃度はバックグラウンドレベルであった。即
ち、窒素化合物原料と有機金属Al原料を用いて、1台
のエピタキシャル成長装置により、基板と窒素を含む活
性層との間にAlを含む半導体層を設けた半導体発光素
子を連続的に結晶成長すると、窒素を含む活性層中に酸
素が取りこまれることが我々の実験により明らかとなっ
た。活性層に取りこまれた酸素は非発光再結合準位を形
成するため、活性層の発光効率を低下させてしまう。こ
の活性層に取りこまれた酸素が、基板と窒素を含む活性
層との間にAlを含む半導体層を設けた半導体発光素子
における発光効率を低下させる原因であることが新たに
判明した。この酸素の起源は装置内に残留している酸素
を含んだ物質、または窒素化合物原料中に不純物として
含まれる酸素を含んだ物質と考えられる。
In FIG. 13, GaInNAs / GaAs
Two nitrogen peaks are found in the active layer corresponding to the s2 quantum well structure. Then, an oxygen peak is detected in the active layer. However, the oxygen concentration in the intermediate layer containing neither N nor Al is about one digit lower than the oxygen concentration in the active layer. On the other hand, the cladding layer is made of GaInP.
, The intermediate layer is GaAs, and the active layer is GaInNAs.
When the depth direction distribution of the oxygen concentration was measured for the device configured as the / GaAs double quantum well structure, the oxygen concentration in the active layer was at the background level. That is, when a semiconductor light emitting device having a semiconductor layer containing Al between a substrate and an active layer containing nitrogen is continuously grown by a single epitaxial growth apparatus using a nitrogen compound raw material and an organic metal Al raw material, Our experiments revealed that oxygen was incorporated into the active layer containing nitrogen. Oxygen incorporated in the active layer forms a non-radiative recombination level, which lowers the luminous efficiency of the active layer. It has been newly found that the oxygen incorporated in the active layer causes a reduction in the luminous efficiency of the semiconductor light emitting element in which the semiconductor layer containing Al is provided between the substrate and the active layer containing nitrogen. The origin of this oxygen is considered to be a substance containing oxygen remaining in the apparatus or a substance containing oxygen contained as an impurity in the nitrogen compound raw material.

【0031】次に酸素の取りこまれる原因について検討
した。図14は、図13と同じ試料のAl濃度の深さ方
向分布を示した図である。測定はSIMSによって行っ
た。表2に測定条件を示す。
Next, the cause of the incorporation of oxygen was examined. FIG. 14 is a diagram illustrating the distribution of Al concentration in the depth direction of the same sample as in FIG. 13. The measurement was performed by SIMS. Table 2 shows the measurement conditions.

【表2】 図14より、本来Al原料を導入していない活性層にお
いて、Alが検出されている。しかし、Alを含む半導
体層(クラッド層)に隣接した中間層(GaAs層)に
おいては、Al濃度は活性層よりも約1桁低い濃度とな
っている。これは、活性層中のAlがAlを含む半導体
層(クラッド層)から拡散、置換して混入したものでは
ないことを示している。一方、GaInPのようにAl
を含まない半導体層上に窒素を含む活性層を成長した場
合には、活性層中にAlは検出されなかった。従って、
活性層中に検出されたAlは、成長室内またはガス供給
ラインに残留したAl原料、またはAl反応物、または
Al化合物、またはAlが、窒素化合物原料または窒素
化合物原料中の不純物(水分等)と結合して活性層中に
取りこまれたものである。すなわち、窒素化合物原料と
有機金属Al原料を用いて、1台のエピタキシャル成長
装置により、基板と窒素を含む活性層との間にAlを含
む半導体層を設けた半導体発光素子を連続的に結晶成長
すると、窒素を含む活性層中に自然にAlが取りこまれ
てしまうことが新たにわかった。図14に示した同じ素
子における窒素と酸素濃度の深さ方向分布と比較する
と、2重量子井戸活性層中の2つの酸素ピークプロファ
イルは、窒素濃度のピークプロファイルと対応しておら
ず、図14のAl濃度プロファイルと対応している。こ
のことから、GaInNAs井戸層中の酸素不純物は、
窒素原料と共に取りこまれるというよりも、むしろ井戸
層中に取りこまれたAlと結合して一緒に取りこまれて
いることが明らかとなった。即ち、成長室内に残留した
Al原料、またはAl反応物、またはAl化合物、また
はAlが窒素化合物原料と接触すると、Alと窒素化合
物原料中に含まれる水分またはガスラインや反応室中に
残留する水分などの酸素を含んだ物質とが結合して、活
性層中にAlと酸素が取りこまれる。この活性層に取り
込まれた酸素が活性層の発光効率を低下させていたこと
が我々の実験により初めて明らかとなった。よってこれ
を改善するためには、少なくとも成長室内の窒素化合物
原料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる
場所に残留したAl原料、またはAl反応物、またはA
l化合物、またはAlを除去する工程を設けることが必
要であることがわかった。
[Table 2] FIG. 14 shows that Al was detected in the active layer into which the Al material was not originally introduced. However, in the intermediate layer (GaAs layer) adjacent to the semiconductor layer containing Al (cladding layer), the Al concentration is about one digit lower than that of the active layer. This indicates that Al in the active layer is not diffused, replaced or mixed in from the semiconductor layer (cladding layer) containing Al. On the other hand, like GaInP, Al
When an active layer containing nitrogen was grown on a semiconductor layer containing no, Al was not detected in the active layer. Therefore,
The Al detected in the active layer is the Al source remaining in the growth chamber or in the gas supply line, or an Al reactant, or an Al compound, or Al reacts with the nitrogen compound source or impurities (such as moisture) in the nitrogen compound source. It is bonded and taken into the active layer. That is, when a semiconductor light emitting device having a semiconductor layer containing Al between a substrate and an active layer containing nitrogen is continuously crystal-grown by a single epitaxial growth apparatus using a nitrogen compound raw material and an organic metal Al raw material. It was newly found that Al was naturally taken into the active layer containing nitrogen. Compared with the depth distribution of nitrogen and oxygen concentrations in the same device shown in FIG. 14, the two oxygen peak profiles in the double quantum well active layer do not correspond to the nitrogen concentration peak profiles. Corresponding to the Al concentration profile. From this, the oxygen impurities in the GaInNAs well layer are:
It became clear that rather than being taken in with the nitrogen source, they were taken in together with Al taken in the well layer. That is, when the Al raw material or Al reactant remaining in the growth chamber or the Al compound or Al comes into contact with the nitrogen compound raw material, the moisture contained in the Al and the nitrogen compound raw material or the water remaining in the gas line or the reaction chamber. Al and oxygen are taken into the active layer by bonding with a substance containing oxygen such as. Our experiments have clarified for the first time that oxygen taken into the active layer has reduced the luminous efficiency of the active layer. Therefore, in order to improve this, at least the nitrogen source material or the Al source material or the Al reactant remaining at the place where the impurities contained in the nitrogen compound source contact the growth chamber.
It was found that it was necessary to provide a step for removing the l-compound or Al.

【0032】Alを含んだ半導体層成長後、窒素を含む
活性層成長開始までの間にこの工程を設けると、窒素を
含む活性層を成長するため成長室に窒素化合物原料を供
給したときに、残留したAl原料、またはAl反応物、
またはAl化合物、またはAlと、窒素化合物原料また
は窒素化合物原料中に含まれる不純物及び装置内に残留
する酸素を含んだ物質とが反応して、活性層に取り込ま
れるAl及び酸素不純物の濃度を低減することができ
た。更に、非発光再結合防止層成長終了後までに除去し
ておくと、電流注入によって活性層にキャリアが注入さ
れる時、活性層での非発光再結合への悪影響を抑えられ
るので好ましい。例えば、窒素を含む活性層中のAl濃
度を1×1019cm−3以下に低減することにより、
室温連続発振が可能となった。さらに、窒素を含む活性
層中のAl濃度を2×1018cm−3以下に低減する
ことにより、Alを含まない半導体層上に形成した場合
と同等の発光特性が得られた。成長室内の窒素化合物原
料または窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場
所に残留したAl原料、またはAl反応物、またはAl
化合物、またはAlを除去する工程とは例えば、キャリ
アガスでパージする工程を設けることがあげられる。こ
こで、パージ工程の時間は、Alを含む半導体層の成長
が終了して成長室へのAl原料の供給が停止してから、
窒素を含む半導体層の成長を開始するために窒素化合物
原料を成長室に供給するまでの間隔をいう。上記パージ
の方法として、Alと窒素のいずれも含まない中間層中
で成長中断をしてキャリアガスでパージする方法があ
る。成長中断をしてパージする場合は、成長中断する場
所を、Alを含んだ半導体層成長後から非発光再結合防
止層の途中までの間に設けることができる。
If this step is provided after the growth of the semiconductor layer containing Al and before the start of the growth of the active layer containing nitrogen, when a nitrogen compound raw material is supplied to the growth chamber for growing the active layer containing nitrogen, Residual Al raw material or Al reactant,
Alternatively, an Al compound or Al reacts with a nitrogen compound raw material or an impurity contained in the nitrogen compound raw material and a substance containing oxygen remaining in the device to reduce the concentration of Al and oxygen impurities taken into the active layer. We were able to. Further, it is preferable to remove the non-radiative recombination preventing layer after the growth thereof, since the adverse effect on non-radiative recombination in the active layer can be suppressed when carriers are injected into the active layer by current injection. For example, by reducing the Al concentration in the active layer containing nitrogen to 1 × 10 19 cm −3 or less,
Room temperature continuous oscillation became possible. Further, by reducing the Al concentration in the nitrogen-containing active layer to 2 × 10 18 cm −3 or less, light emission characteristics equivalent to those formed on a semiconductor layer containing no Al were obtained. Al source or Al reactant or Al remaining in the growth chamber where the nitrogen compound source or impurities contained in the nitrogen compound source touch.
The step of removing the compound or Al includes, for example, providing a step of purging with a carrier gas. Here, the time of the purge step is set after the growth of the Al-containing semiconductor layer is completed and the supply of the Al raw material to the growth chamber is stopped.
It refers to an interval until a nitrogen compound raw material is supplied to a growth chamber to start growth of a semiconductor layer containing nitrogen. As a method of the purging, there is a method of interrupting the growth in an intermediate layer containing neither Al nor nitrogen and purging with a carrier gas. In the case where the growth is interrupted and the purge is performed, the place where the growth is interrupted can be provided between the growth of the Al-containing semiconductor layer and the middle of the non-radiative recombination preventing layer.

【0033】図15は、本発明におけるキャリアガスで
パージする工程を設けることを説明するための半導体発
光素子の断面構造図の1例を示している。図15におい
て、基板上201にAlを構成元素として含む第1の半
導体層202、第1の下部中間層601、第2の下部中
間層602、窒素を含む活性層204、上部中間層20
3、第2の半導体層205が順次積層されている。結晶
成長は有機金属Al原料と有機窒素原料を用いたエピタ
キシャル成長装置を用いている。そして、第1の下部中
間層成長後と第2の下部中間層の成長開始との間に成長
中断工程を設けたことを特徴としている。成長中断中
に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中
に含まれる不純物が触れる場所に残留したAl原料、ま
たはAl反応物、またはAl化合物、またはAlを、キ
ャリアガスである水素でパージして除去している。図1
6は、第1の下部中間層601と第2の下部中間層60
2の間で成長中断し、パージ時間を60分設けた半導体
発光素子におけるAl濃度の深さ方向分布の測定結果で
ある。図16に示すように、活性層中のAl濃度は3×
1017cm−3以下まで低減することができた。この
値は、中間層中のAl濃度と同程度となっている。図1
7は、同じ素子について、窒素と酸素濃度の深さ方向分
布を測定した結果である。図17に示すように、活性層
中の酸素濃度は、1×1017cm−3とバックグラウ
ンドレベルまで低減できた。なお、下部中間層中で酸素
濃度にピークが現れているのは、成長中断界面に酸素が
偏析したためである。よって、成長中断をしてパージす
る場合は、成長中断する場所を、Alを含んだ半導体層
成長後から非発光再結合防止層成長終了までの間に設け
ることが好ましい。非発光再結合防止層は量子井戸活性
層や障壁層よりバンドギャップエネルギーを大きくする
ことができ、電流注入によって活性層にキャリアが注入
される時、成長中断界面に偏析した酸素による非発光再
結合による悪影響を抑えられるからである。このように
窒素を含む活性層を用いる場合は非発光再結合防止層を
設けることは特に効果がある。
FIG. 15 shows an example of a sectional structural view of a semiconductor light emitting device for explaining that a step of purging with a carrier gas in the present invention is provided. 15, a first semiconductor layer 202 containing Al as a constituent element, a first lower intermediate layer 601, a second lower intermediate layer 602, an active layer 204 containing nitrogen, and an upper intermediate layer 20 are formed on a substrate 201.
Third, the second semiconductor layer 205 is sequentially stacked. For crystal growth, an epitaxial growth apparatus using an organic metal Al raw material and an organic nitrogen raw material is used. A growth interruption step is provided between after the growth of the first lower intermediate layer and the start of the growth of the second lower intermediate layer. During the growth interruption, the Al source material, the Al reactant, or the Al compound, or the Al remaining in the growth chamber where the nitrogen compound source material or the impurities contained in the nitrogen compound source material touch is purged with hydrogen as a carrier gas. Has been removed. FIG.
6 is a first lower intermediate layer 601 and a second lower intermediate layer 60
2 shows a measurement result of the distribution of the Al concentration in the depth direction in a semiconductor light emitting device in which the growth was interrupted between 2 and the purge time was set to 60 minutes. As shown in FIG. 16, the Al concentration in the active layer is 3 ×
It could be reduced to 10 17 cm −3 or less. This value is about the same as the Al concentration in the intermediate layer. FIG.
FIG. 7 shows the result of measuring the distribution of the nitrogen and oxygen concentrations in the depth direction for the same device. As shown in FIG. 17, the oxygen concentration in the active layer was reduced to a background level of 1 × 10 17 cm −3 . The reason why a peak appears in the oxygen concentration in the lower intermediate layer is that oxygen segregates at the growth interruption interface. Therefore, in the case of purging after interrupting the growth, it is preferable that the place where the growth is interrupted be provided after the growth of the Al-containing semiconductor layer until the end of the growth of the non-radiative recombination preventing layer. The non-radiative recombination prevention layer can increase the bandgap energy compared to the quantum well active layer and the barrier layer. This is because adverse effects due to the above can be suppressed. When an active layer containing nitrogen is used as described above, providing a non-radiative recombination preventing layer is particularly effective.

【0034】この半導体発光素子は、第1の下部中間層
と第2の下部中間層の間で成長中断し、パージ時間を6
0分設けることにより、窒素を含む活性層中のAlやO
等の不純物濃度を低減することができた。これにより、
窒素を含む活性層の発光効率を改善することができた。
なお、成長室内をキャリアガスでパージする工程におい
て、サセプターを加熱しながらパージすることにより、
サセプターまたはサセプター周辺に吸着したAl原料や
反応生成物を脱ガスさせて、効率良く除去することがで
きる。ただし、基板を同時に加熱する場合は、最表面の
半導体層が熱分解するのを防止するため、成長中断中に
おいてもAsHもしくはPH等のV族原料ガスを成
長室に供給し続ける必要がある。また、成長室内をキャ
リアガスでパージする際に、基板を成長室から別室に搬
送しておくこともできる。基板を成長室から別室に搬送
することにより、サセプターを加熱しながらパージを行
う最に、AsHもしくはPH等のV族原料ガスを成
長室に供給する必要がない。従って、サセプターまたは
サセプター周辺に堆積したAlを含む反応生成物の熱分
解をより促進させることができる。これにより、効率よ
く成長室内のAl濃度を低減することができる。また、
中間層を成長しながらパージを行う方法がある。Alを
含んだAlGaAs系からなる反射鏡と窒素を含む活性
層との間に非発光再結合防止層を設けていることから、
Alを含んだ層と窒素を含む活性層との距離が長くなる
ため、成長しながらパージを行う場合でもパージの時間
を長くできるメリットがある。この場合は成長速度を遅
くして時間を長くすると良い。また、Alを含んだAl
GaAs系からなる反射鏡と窒素を含む活性層とを別装
置で形成する方法もある。この場合でも再成長界面を非
発光再結合防止層の下部に設けると、窒素を含む活性層
のAlやO等の不純物濃度を低減することができる。通
常のMBE法のように、有機金属Al原料と窒素化合物
原料を用いない結晶成長方法で作製した場合には、基板
と窒素を含む活性層との間にAlを含む半導体層を設け
た半導体発光素子における発光効率低下については報告
されていない。一方、MOCVD法では、Alを含む半
導体層上に形成したGaInNAs活性層の発光効率の
低下が報告されている。Electron.Lett.、 2000、 36 (2
1)、 pp1776-1777において、同じMOCVD成長室でA
lGaAsクラッド層上にGaAsからなる中間層を設
けた場合でも、連続的にGaInNAs量子井戸層を成
長すると、フォトルミネッセンス強度が著しく劣化する
ことが報告されている。上記報告においては、フォトル
ミネッセンス強度を改善するために、AlGaAsクラ
ッド層とGaInNAs活性層を異なるMOCVD成長
室で成長させている。従って、MOCVD法のように、
有機金属Al原料と窒素化合物原料を用いる結晶成長方
法の場合には少なくても起きる問題である。
In this semiconductor light emitting device, the growth is interrupted between the first lower intermediate layer and the second lower intermediate layer, and the purge time is set to 6 hours.
By providing for 0 minutes, Al and O in the active layer containing nitrogen are removed.
, Etc. could be reduced. This allows
The luminous efficiency of the active layer containing nitrogen could be improved.
In the step of purging the growth chamber with a carrier gas, by purging the susceptor while heating it,
The Al raw materials and reaction products adsorbed on the susceptor or around the susceptor can be degassed and removed efficiently. However, when the substrates are heated simultaneously, it is necessary to keep supplying a group V source gas such as AsH 3 or PH 3 to the growth chamber even during the interruption of the growth, in order to prevent the semiconductor layer on the outermost surface from being thermally decomposed. is there. Further, when purging the growth chamber with a carrier gas, the substrate can be transferred from the growth chamber to another chamber. By transporting the substrate from the growth chamber to another chamber, there is no need to supply a group V source gas such as AsH 3 or PH 3 to the growth chamber when purging while heating the susceptor. Therefore, the thermal decomposition of the reaction product containing Al deposited around the susceptor or the susceptor can be further promoted. Thereby, the Al concentration in the growth chamber can be efficiently reduced. Also,
There is a method of purging while growing the intermediate layer. Since the non-radiative recombination preventing layer is provided between the AlGaAs-based reflecting mirror containing Al and the active layer containing nitrogen,
Since the distance between the layer containing Al and the active layer containing nitrogen becomes longer, there is an advantage that the purge time can be lengthened even when purging is performed while growing. In this case, it is better to slow down the growth rate and lengthen the time. In addition, Al containing Al
There is also a method in which a GaAs-based reflecting mirror and an active layer containing nitrogen are formed by different apparatuses. Even in this case, if the regrowth interface is provided below the non-radiative recombination preventing layer, the concentration of impurities such as Al and O in the active layer containing nitrogen can be reduced. In the case of using a crystal growth method that does not use an organometallic Al material and a nitrogen compound material as in a normal MBE method, a semiconductor light emitting device in which a semiconductor layer containing Al is provided between a substrate and an active layer containing nitrogen. No report has been made on the decrease in luminous efficiency of the device. On the other hand, in the MOCVD method, it has been reported that the luminous efficiency of a GaInNAs active layer formed on a semiconductor layer containing Al decreases. Electron.Lett., 2000, 36 (2
1), pp1776-1777, A in the same MOCVD growth chamber
It has been reported that even when an intermediate layer made of GaAs is provided on an lGaAs cladding layer, the photoluminescence intensity is significantly deteriorated when a GaInNAs quantum well layer is continuously grown. In the above report, an AlGaAs cladding layer and a GaInNAs active layer are grown in different MOCVD growth chambers in order to improve the photoluminescence intensity. Therefore, like the MOCVD method,
In the case of the crystal growth method using the organic metal Al raw material and the nitrogen compound raw material, this is a problem that occurs at least.

【0035】MBE法は超減圧(高真空中)で結晶成長
が行われるのに対して、MOCVD法は通常数10To
rrから大気圧程度と、MBE法に比べて反応室の圧力
が高いため、平均自由行程が圧倒的に短く、供給された
原料やキャリアガスがガスラインや反応室等で他と接
触、反応するためと考えられる。よって、MOCVD法
のように、反応室やガスラインの圧力が高い成長方法の
場合、Alを含んだ半導体層成長後、窒素を含んだ活性
層成長前までに、更に好ましくは非発光再結合防止層成
長終了後までの間に、成長室内の窒素化合物原料または
窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留
したAl原料、またはAl反応物、またはAl化合物、
またはAlを除去する工程を設けると、窒素を含んだ活
性層へ酸素が取りこまれることを防止する効果が高い。
たとえばAlを含んだ半導体層を成長後、窒素を含む活
性層を成長する前に、ガスラインや成長室を真空引きす
る方法もある。この場合加熱して行うと効果が高い。ま
た、Alを含んだ半導体層を成長後、窒素を含む活性層
を成長する前に、エッチングガスを流して除去する方法
もある。Al系残留物と反応し除去することのできるガ
スの一例として有機系化合物ガスが上げられる。上述の
ように窒素を含んだ活性層成長時に有機系化合物ガスの
一つであるDMHyガスをDMHyシリンダーを用いて
供給するとAl系残留物と反応することは明らかであ
る。よってAlを含んだ半導体層成長後、窒素を含んだ
活性層成長の前までに、有機系化合物ガスシリンダーを
用いて有機系化合物ガスを供給すると反応室側壁、加熱
帯、基板を保持する治具等に残留しているAl系残留物
と反応し除去することのできるので、活性層への酸素の
取り込みを抑えることができる。更に窒素を含む活性層
の窒素原料と同じガスを用いると、特別にガスラインを
追加する必要がないので好ましい。この工程は成長中断
して行っても良く、GaNAs、GaInNAs、Ga
InNP層など窒素を含む層を活性層とは別にダミー層
として結晶成長して行っても良い。成長中断して行う場
合に比べて、結晶成長でAl除去工程を行うと時間的ロ
スがなくなり好ましい。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G
aInAs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GaI
nAs、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
なり、光通信システムへの応用ができるようになった。
In the MBE method, crystal growth is performed under ultra-low pressure (in a high vacuum), whereas in the MOCVD method, several tens of To
Since the pressure in the reaction chamber is higher than that of the MBE method from rr to about atmospheric pressure, the mean free path is extremely short, and the supplied raw material and carrier gas come into contact with and react with others in a gas line, a reaction chamber, or the like. It is thought to be. Therefore, in the case of a growth method in which the pressure in the reaction chamber or gas line is high, such as the MOCVD method, it is more preferable to prevent non-radiative recombination after the growth of the semiconductor layer containing Al and before the growth of the active layer containing nitrogen. Until the end of the layer growth, an Al source or an Al reactant, or an Al compound remaining in a place where the nitrogen compound source or an impurity contained in the nitrogen compound source touches in the growth chamber.
Alternatively, when a step of removing Al is provided, the effect of preventing oxygen from being taken into the active layer containing nitrogen is high.
For example, there is a method in which a gas line or a growth chamber is evacuated after growing a semiconductor layer containing Al and before growing an active layer containing nitrogen. In this case, the effect is high if heating is performed. There is also a method of removing the semiconductor layer containing Al by flowing an etching gas after growing the semiconductor layer before growing the active layer containing nitrogen. An example of a gas that can react with and remove an Al-based residue is an organic-based compound gas. As described above, when a DMHy gas, which is one of the organic compound gases, is supplied using a DMHy cylinder during the growth of the active layer containing nitrogen, it is apparent that the gas reacts with the Al-based residue. Therefore, when the organic compound gas is supplied using the organic compound gas cylinder after the growth of the semiconductor layer containing Al and before the growth of the active layer containing nitrogen, a jig for holding the reaction chamber side wall, the heating zone, and the substrate is used. And the like, can be removed by reacting with the Al-based residue remaining in the active layer, etc., so that the incorporation of oxygen into the active layer can be suppressed. Furthermore, it is preferable to use the same gas as the nitrogen material of the active layer containing nitrogen, since it is not necessary to add a special gas line. This step may be performed by interrupting the growth, and includes GaNAs, GaInNAs, Ga
A layer containing nitrogen such as an InNP layer may be formed by crystal growth as a dummy layer separately from the active layer. It is preferable to perform the Al removal step by crystal growth as compared with the case where the growth is interrupted, because there is no time loss. When GaInAs is used for the active layer, up to 1.1 μm has conventionally been considered to be the limit of increasing the wavelength.
The aInAs quantum well active layer can be grown thicker than before, and the wavelength can reach up to 1.2 μm. 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 nAs, GaInNAs, and GaAsSb, and by providing a non-radiative recombination prevention layer, a high-performance surface emitting laser can be realized in a long wavelength region of a wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm where stable oscillation has conventionally been difficult. It is now possible to apply it to optical communication systems.

【0036】図18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
40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41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。図19は長波長帯面発光半導体レ
ーザを用いた光通信システムの一例であり、面発光レー
ザ51と光ファイバ51Wで構成される。図19では面
発光レーザと光ファイバが直接カップリングされている
が、レンズもしくはレンズ系を用いたカップリングでも
良い。面発光レーザ51の光出射部51Wの直径をdと
し、光ファイバ12のコア直径をFとする。光出射部が
多角形の場合には内接する円の直径をdとする。面発光
レーザからのレーザ光は図19の点線(51B)のよう
に発散していく。ただし、端面発光型レーザの広がり角
に比べれば小さい。図19のように面発光レーザと光フ
ァイバを近接させた場合、光軸が光ファイバ端面に垂直
で端面の中心を通って光ファイバ端面位置でコア直径と
ほぼ同程度であればカップリング効率を最も高くでき
る。実施例に用いる面発光レーザは前述の通り波長1.
1μm〜1.7μm帯であるが、特に1.3μm帯や
1.55μm帯を用いれば、石英ファイバでの内部損失
が小さいため、長距離伝送に適する。面発光レーザ51
の光出射部51Wの直径をd(光出射部が多角形の場合
には内接する円の直径をdとする)とし、光ファイバ5
2のコア直径をFとしたとき、F、dの比は、 F/d≦2 …(式1) とすることによってカップリング効率を高くすることが
できる。
FIG. 18 shows an example in which such a long-wavelength band surface emitting semiconductor laser device is formed as a number of chips on an n-GaAs wafer 40 having a plane orientation of (100), and a laser device chip. In the laser element chip shown here, 1 to n laser elements 41 are formed, and the number n and the arrangement method are determined according to the application. FIG. 19 shows an example of an optical communication system using a long-wavelength band surface emitting semiconductor laser, which comprises a surface emitting laser 51 and an optical fiber 51W. In FIG. 19, the surface emitting laser and the optical fiber are directly coupled. However, a coupling using a lens or a lens system may be used. The diameter of the light emitting portion 51W of the surface emitting laser 51 is d, and the core diameter of the optical fiber 12 is F. If the light emitting portion is polygonal, the diameter of the inscribed circle is d. The laser light from the surface emitting laser diverges as shown by a dotted line (51B) in FIG. However, it is smaller than the spread angle of the edge emitting laser. When the surface emitting laser and the optical fiber are brought close to each other as shown in FIG. Can be the highest. The surface emitting laser used in the embodiment has a wavelength of 1.
The band is from 1 μm to 1.7 μm. Particularly, when the 1.3 μm band or the 1.55 μm band is used, the internal loss in the quartz fiber is small, so that it is suitable for long-distance transmission. Surface emitting laser 51
The light emitting portion 51W has a diameter d (when the light emitting portion is polygonal, the diameter of an inscribed circle is d), and the optical fiber 5
Assuming that the core diameter of No. 2 is F, the coupling efficiency can be increased by setting the ratio of F and d to F / d ≦ 2 (Equation 1).

【0037】次に、レーザと光ファイバを直接カップリ
ングさせる事を前提とした一実施例について図19を使
って説明する。従来では1.3μm帯などの端面発光レ
ーザで光ファイバへ直接カップリングするとカップリン
グ効率が低く、さらに、光ファイバからの戻り光の影響
でレーザ発振状態が変動するといった短所があった。し
かし、本発明では面発光レーザを用いるためビーム形状
は円形にすることができ、その広がり角に異方性はな
い。このためカップリング効率は端面型レーザよりも高
くなる。さらに、面発光型レーザには反射率の非常に高
い反射膜が施されているため、戻り光の影響をほとんど
受けない。このため直接カップリングが可能になる。し
たがって、従来ではレーザに戻り光が戻らないように光
アイソレータを用いていたが、面発光レーザを使用する
ことによって光アイソレータを省略することができる。
面発光型レーザの光出射部の直径をd(光出射部が多角
形の場合には内接する円の直径をdとする)、光ファイ
バのコア直径をFとすると、 0.5≦F/d≦2 …(式2) の範囲となるように設定するとカップリング効率を高く
できる。この範囲の理由について次に詳細に述べる。
Next, an embodiment on the assumption that the laser and the optical fiber are directly coupled will be described with reference to FIG. Conventionally, coupling directly to an optical fiber with an edge emitting laser in the 1.3 μm band or the like has a disadvantage that the coupling efficiency is low and that the laser oscillation state fluctuates due to the influence of the return light from the optical fiber. However, in the present invention, since the surface emitting laser is used, the beam shape can be circular, and the divergence angle is not anisotropic. For this reason, the coupling efficiency is higher than that of the end face type laser. Further, since the surface emitting laser is provided with a reflection film having a very high reflectance, it is hardly affected by return light. This allows direct coupling. Therefore, in the related art, the optical isolator is used so that the return light does not return to the laser, but the optical isolator can be omitted by using the surface emitting laser.
If the diameter of the light emitting portion of the surface emitting laser is d (the diameter of an inscribed circle is d when the light emitting portion is polygonal) and the core diameter of the optical fiber is F, 0.5 ≦ F / If d ≦ 2 (Equation 2), the coupling efficiency can be increased. The reasons for this range are described in detail below.

【0038】表3に、筆者らが面発光レーザと単一モー
ド光ファイバとのカップリング損失を調べた結果を示
す。表3は直接カップリングの場合である。面発光レー
ザの光出射部がコア直径よりも大きくなるとカップリン
グ効率が減少していくが、d≦2F(すなわち、0.5
≦F/d)であればカップリング損失は3〜5dB以内
に抑えられる。また、光出射部の大きさがコア直径より
も小さいとき、光出射部に内接する円の直径と波長で決
まるレーザビームの広がり角が単一モード光ファイバに
単一モードでカップリングできるNA(開口率)以下の
とき高効率にカップリングできる。例えばコア直径10
μmで、コアの屈折率1.4469、クラッドの屈折率
1.4435とし、レーザ波長1.3μmとすれば単一
モードでカップリング可能なNAは0.0995にな
る。このNAに対応する光出射部の直径は約6.5μm
である。しかし、6.5μm以下でも例えば5μm程度
であればカップリングの損失は3〜5dBに抑えられ
る。d≧0.5F(すなわち、F/d≦2)であればよ
い。以上より、面発光レーザと光ファイバを直接カップ
リングさせる場合には、 0.5≦F/d≦2 …(式2) の範囲となるように設定するとカップリング損失を比較
的小さくでき、効率良くカップリングできる。なお、本
実施例では単一モード光ファイバを用いたが、多モード
光ファイバや、テーパ付き導光路を介して単一モード光
ファイバへカップリングさせたとしても式2の関係を保
てば同様の効果が得られる。
Table 3 shows the results of an investigation by the authors on the coupling loss between the surface emitting laser and the single mode optical fiber. Table 3 shows the case of direct coupling. When the light emitting portion of the surface emitting laser becomes larger than the core diameter, the coupling efficiency decreases, but d ≦ 2F (that is, 0.5 ≦ 2F).
If ≦ F / d), the coupling loss can be suppressed within 3 to 5 dB. Further, when the size of the light emitting portion is smaller than the core diameter, the NA (divergence angle of the laser beam determined by the diameter and wavelength of the circle inscribed in the light emitting portion) can be coupled to the single mode optical fiber in a single mode. The coupling can be performed with high efficiency when the aperture ratio is equal to or less. For example, core diameter 10
In μm, the refractive index of the core is 1.4469, the refractive index of the cladding is 1.4435, and if the laser wavelength is 1.3 μm, the NA that can be coupled in a single mode is 0.0995. The diameter of the light emitting portion corresponding to this NA is about 6.5 μm
It is. However, the coupling loss can be suppressed to 3 to 5 dB even at 6.5 μm or less, for example, at about 5 μm. It is sufficient that d ≧ 0.5F (that is, F / d ≦ 2). As described above, when the surface emitting laser is directly coupled to the optical fiber, the coupling loss can be relatively reduced by setting the range of 0.5 ≦ F / d ≦ 2 (Equation 2), and the efficiency can be reduced. Can be well coupled. In this embodiment, the single mode optical fiber is used. However, even if the single mode optical fiber is coupled to a single mode optical fiber via a multimode optical fiber or a tapered light guide path, the same applies if the relationship of Equation 2 is maintained. The effect of is obtained.

【表3】 [Table 3]

【0039】次に他の例として、面発光レーザとカップ
リングレンズと光ファイバを用いた光通信システムを図
20に示す。面発光レーザ51と単一モード光ファイバ
52の間にカップリングレンズ53が配置される。カッ
プリングレンズは単レンズであっても、複数枚のレンズ
を組み合わせたレンズ系であっても良い。単レンズで構
成するには、好ましくは面発光レーザの出射部の近くに
レンズ53が配置されたほうが良い。カップリングレン
ズのレンズパワー(もしくは焦点距離)を選ぶことによ
って光出射部の直径d(光出射部が多角形の場合には内
接する円の直径をdとする)は光ファイバのコア直径以
上にしてもカップリング損失を小さく抑える事が可能に
なる。例えば、コア直径を10μmとし、光出射部の直
径が20μmとしたとき、レンズによってビーム径を1
/2にする必要がある。レンズの焦点距離をf、レーザ
波長をλ(=1.3μm)、光出射部の半径をω(=
10μm)、屈折率n(=1)とすると、 をみたすfを求めれば良い。このとき焦点距離fは約1
40μmとなる。カップリングレンズを用いる場合、光
出射部の直径をd(光出射部が多角形の場合には内接す
る円の直径をdとする)、光ファイバのコア直径をFと
すると、d≧F、すなわち、 F/d≦1 …(式3) であれば効率良く光ファイバにカップリングできる。
Next, as another example, FIG. 20 shows an optical communication system using a surface emitting laser, a coupling lens, and an optical fiber. A coupling lens 53 is arranged between the surface emitting laser 51 and the single mode optical fiber 52. The coupling lens may be a single lens or a lens system combining a plurality of lenses. In order to form a single lens, it is preferable to dispose the lens 53 near the emission part of the surface emitting laser. By selecting the lens power (or focal length) of the coupling lens, the diameter d of the light emitting portion (when the light emitting portion is polygonal, the diameter of the inscribed circle is set to d) or more than the core diameter of the optical fiber. However, the coupling loss can be reduced. For example, when the core diameter is 10 μm and the diameter of the light emitting portion is 20 μm, the beam diameter is set to 1 by a lens.
/ 2. The focal length of the lens is f, the laser wavelength is λ (= 1.3 μm), and the radius of the light emitting portion is ω 0 (=
10 μm) and the refractive index n (= 1), It is sufficient to find f that satisfies At this time, the focal length f is about 1
It becomes 40 μm. When a coupling lens is used, if the diameter of the light emitting portion is d (the diameter of an inscribed circle is d if the light emitting portion is polygonal) and the core diameter of the optical fiber is F, d ≧ F, That is, if F / d ≦ 1 (Equation 3), coupling to the optical fiber can be efficiently performed.

【表4】 [Table 4]

【0040】図20ではカップリングレンズを1枚のレ
ンズで構成したが、複数のレンズによるレンズ系を構成
しても良い。たとえば、図21に2枚のレンズでカップ
リングさせる一実施例を示す。第1のレンズ54と第2
のレンズ53でレーザ光を光ファイバにカップリングさ
せる。第1のレンズ54によって、面発光レーザ51の
光出射部51Wからの発散光を第2のレンズ53に向け
て収束させ、第2のレンズ面でビームウエストとなる。
第2のレンズは図20のレンズ53と同じ働きをする。
1枚のレンズをレーザの光出射部の近傍に置けない場合
や、レーザ光の広がり角が大きくて光ファイバへのカッ
プリング効率が小さくなる場合には、レンズを複数枚で
構成すればカップリング効率を高くすることができる。
なお、本実施例では単一モード光ファイバを用いたが、
多モード光ファイバや、テーパ付き導光路を介して単一
モード光ファイバへカップリングさせたとしても式3の
関係を保てば同様の効果が得られる。従来の端面発光型
レーザを用いた場合ではカップリングレンズからの戻り
光によってレーザ発振状態が変動を受けることがあり、
これを避けるには光アイソレータが必要であった。しか
し、面発光レーザを使用すると、光反射率の反射膜を使
用しているため戻り光の影響をほとんど受けないため光
アイソレータが不要である。
In FIG. 20, the coupling lens is constituted by one lens, but a lens system constituted by a plurality of lenses may be constituted. For example, FIG. 21 shows an embodiment in which two lenses are used for coupling. First lens 54 and second lens
The laser light is coupled to the optical fiber by the lens 53. The first lens 54 converges the divergent light from the light emitting portion 51W of the surface emitting laser 51 toward the second lens 53, and forms a beam waist on the second lens surface.
The second lens has the same function as the lens 53 of FIG.
If one lens cannot be placed in the vicinity of the laser light emitting part, or if the divergence angle of the laser beam is large and the coupling efficiency to the optical fiber is low, coupling the lens with multiple lenses will Efficiency can be increased.
In this embodiment, the single mode optical fiber is used.
Even when coupling to a multimode optical fiber or a single mode optical fiber via a tapered light guide path, the same effect can be obtained if the relationship of Expression 3 is maintained. When a conventional edge-emitting laser is used, the laser oscillation state may be changed by return light from the coupling lens,
To avoid this, an optical isolator was required. However, when a surface-emitting laser is used, since a reflection film having a light reflectance is used, it is hardly affected by return light, so that an optical isolator is unnecessary.

【0041】次に面発光レーザアレイと光ファイバアレ
イで構成される実施例を図22を用いて説明する。面発
光レーザ51は図22のように光出射部をアレイ状にし
ても、面発光素子自体をアレイ状に配列しても良い。さ
らには、レーザ素子チップを複数並べてアレイ状にして
も良い。図22では対応する光出射部51Wと光ファイ
バ52が直接カップリングされているので、前述の図1
9における説明のように、光出射部に内接する円の直径
dと光ファイバのコア直径Fの関係を式2の範囲となる
ように設定するとカップリング損失を比較的小さくで
き、効率良くカップリングできる。これらがアレイ状に
配列されるため、光利用効率が高く情報量の大きい光通
信システムが構築できる。図23は面発光レーザアレイ
とカップリングレンズアレイと光ファイバアレイで構成
される実施例を説明する図である。面発光レーザ51は
図23のように光出射部をアレイ状にしても、面発光素
子自体をアレイ状に配列しても良い。図23では対応す
る光出射部51Wとレンズアレイの一つのレンズ要素と
光ファイバ52の関係は、図20の説明と同じである。
すなわち、光出射部の直径d(光出射部が多角形の場合
には内接する円の直径をdとする)と光ファイバのコア
直径Fの関係を式3とすれば効率良くカップリングがで
きる。これらがアレイ状に配列されるため、光利用効率
が高く情報量の大きい光通信システムが構築できる。な
お、本実施例ではレンズアレイ55を1枚使用している
が、レンズアレイを複数枚利用しても良い。アレイ状で
光通信システムを構築する場合、従来の端面発光型レー
ザアレイでは戻り光の影響を避けるには光アイソレータ
アレイが必要であったが、本発明では面発光レーザを用
いるため戻り光の影響をほとんど受けないため光アイソ
レータアレイを使用する必要はない。このため、低コス
トな光通信システムである。
Next, an embodiment comprising a surface emitting laser array and an optical fiber array will be described with reference to FIG. The surface emitting laser 51 may have an array of light emitting portions as shown in FIG. 22 or an array of surface emitting elements themselves. Further, a plurality of laser element chips may be arranged in an array. In FIG. 22, since the corresponding light emitting portion 51W and the optical fiber 52 are directly coupled, the aforementioned FIG.
As described in FIG. 9, when the relationship between the diameter d of the circle inscribed in the light emitting portion and the core diameter F of the optical fiber is set to be within the range of Expression 2, the coupling loss can be made relatively small, and the coupling can be efficiently performed. it can. Since these are arranged in an array, an optical communication system having high light use efficiency and a large amount of information can be constructed. FIG. 23 is a view for explaining an embodiment comprising a surface emitting laser array, a coupling lens array and an optical fiber array. The surface emitting laser 51 may have an array of light emitting portions as shown in FIG. 23, or an array of surface emitting elements themselves. In FIG. 23, the relationship between the corresponding light emitting portion 51W, one lens element of the lens array, and the optical fiber 52 is the same as that described in FIG.
That is, if the relationship between the diameter d of the light emitting portion (when the light emitting portion is polygonal, the diameter of the inscribed circle is d) and the core diameter F of the optical fiber is expressed by Equation 3, coupling can be efficiently performed. . Since these are arranged in an array, an optical communication system having high light use efficiency and a large amount of information can be constructed. Although one lens array 55 is used in this embodiment, a plurality of lens arrays may be used. When constructing an optical communication system in an array, an optical isolator array was necessary to avoid the influence of return light in the conventional edge-emitting laser array, but in the present invention, the influence of return light is used because a surface-emitting laser is used. It is not necessary to use an optical isolator array because it is hardly affected by the optical isolator. Therefore, it is a low-cost optical communication system.

【0042】[0042]

【発明の効果】以上記載のごとく請求項1、2の発明に
よれば、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。また、面発光レー
ザを用いると同帯域において単一モード光ファイバへ高
効率でカップリングすることができる光通信システムが
実現できる。また請求項3では、前記面発光型半導体レ
ーザ素子チップと光ファイバの間にレンズもしくはレン
ズ系が配置され、かつ、該面発光型半導体レーザ素子チ
ップの光出射部に内接する円の直径をd、光ファイバの
コア直径をFとすると、F/d≦1にすることにより、
高効率にカップリングでき、かつ、光アイソレータを用
いることなく安定したカップリングが可能となる光通信
システムを実現できる。また請求項4、5では、前記面
発光型半導体レーザ素子チップと光ファイバがアレイ状
に配列されたことにより、効率良くカップリングでき、
かつ、光アイソレータを用いることなく安定したカップ
リングが可能となり、さらに、複数の発光素子を用いる
ので情報量の大きい低コストな光通信システムを実現で
きる。
As described above, according to the first and second aspects of the present invention, by devising the semiconductor distributed Bragg reflector, the operating voltage, the oscillation threshold current and the like can be reduced, and the heat generation of the laser element is reduced and the laser element is stabilized. Oscillation was achieved and a low-cost practical optical communication system was realized. Further, if a surface emitting laser is used, an optical communication system capable of coupling to a single mode optical fiber with high efficiency in the same band can be realized. In a third aspect, a lens or a lens system is disposed between the surface emitting semiconductor laser chip and the optical fiber, and the diameter of a circle inscribed in the light emitting portion of the surface emitting semiconductor laser chip is d. Assuming that the core diameter of the optical fiber is F, by setting F / d ≦ 1,
It is possible to realize an optical communication system capable of performing coupling with high efficiency and performing stable coupling without using an optical isolator. According to claims 4 and 5, the surface emitting type semiconductor laser device chip and the optical fibers are arranged in an array, so that coupling can be efficiently performed,
In addition, stable coupling can be performed without using an optical isolator, and a low-cost optical communication system with a large amount of information can be realized because a plurality of light emitting elements are used.

【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】本発明に適用される半導体分布ブラッグ反射鏡
のヘテロスパイク緩衝層の組成傾斜率をAlAs層より
もGaAs層の近くで大きくした例を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an example in which the composition gradient of the hetero-spike buffer layer of the semiconductor distributed Bragg reflector applied to the present invention is larger near the GaAs layer than the AlAs layer.

【図4】ヘテロスパイク緩衝層のAl組成を線形に変化
させた例を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an example in which the Al composition of the hetero-spike buffer layer is changed linearly.

【図5】図3のヘテロスパイク緩衝層の微分シート抵抗
を見積った結果を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a result of estimating a differential sheet resistance of the hetero-spike buffer layer of FIG. 3;

【図6】AlAs/GaAsによる半導体分布ブラッグ
反射鏡のDBRヘテロ界面の熱平衡状態のバンド図であ
る。
FIG. 6 is a band diagram showing a thermal equilibrium state of a DBR heterointerface of a semiconductor distributed Bragg reflector made of AlAs / GaAs.

【図7】図3のヘテロスパイク緩衝層の熱平衡状態のバ
ンド図である。
FIG. 7 is a band diagram of the hetero-spike buffer layer of FIG. 3 in a thermal equilibrium state.

【図8】AlAs/GaAs(p=1E18cm−3
4ペアの抵抗率を示す図である。
FIG. 8: AlAs / GaAs (p = 1E18 cm −3 )
It is a figure which shows the resistivity of 4 pairs.

【図9】AlAs/GaAs半導体分布ブラッグ反射鏡
の反射率の変化率を示す図である。
FIG. 9 is a graph showing the rate of change of the reflectance of an AlAs / GaAs semiconductor distributed Bragg reflector.

【図10】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. 10 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11】本発明の一実施形態に係るGaInNAs/
GaAs2重量子井戸構造からなる活性層の室温フォト
ルミネッセンススペクトル図である。
FIG. 11 shows GaInNAs / according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a room-temperature photoluminescence spectrum diagram of an active layer having a GaAs double quantum well structure.

【図12】試料構造図である。FIG. 12 is a structural diagram of a sample.

【図13】窒素と酸素濃度の深さ方向分布を示す図であ
る。
FIG. 13 is a diagram showing a depth direction distribution of nitrogen and oxygen concentrations.

【図14】Al濃度の深さ方向分布を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing the distribution of the Al concentration in the depth direction.

【図15】キャリアガスパージで成長中断する場合の説
明構造図である。
FIG. 15 is an explanatory structural view in the case where growth is interrupted by carrier gas purge.

【図16】成長中断工程を設けて水素でパージした場合
のAl濃度の深さ方向分布を示す図である。
FIG. 16 is a diagram showing the distribution of the Al concentration in the depth direction in a case where a growth interruption step is provided and purged with hydrogen.

【図17】成長中断工程を設けて水素でパージした場合
の窒素と酸素濃度の深さ方向分布を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing a depth direction distribution of nitrogen and oxygen concentrations when a growth interruption step is provided and purged with hydrogen.

【図18】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. 18 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19】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザ素子と光ファイバを用いて直接カップリング
させた光通信システムの図である。
FIG. 19 is a diagram of an optical communication system in which a long wavelength band surface emitting semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention is directly coupled with an optical fiber.

【図20】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザ素子とカップリングレンズと光ファイバを用
いた光通信システムの図である。
FIG. 20 is a diagram of an optical communication system using a long wavelength band surface emitting semiconductor laser device, a coupling lens, and an optical fiber according to an embodiment of the present invention.

【図21】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザ素子と2枚構成のカップリングレンズと光フ
ァイバを用いた光通信システムの図である。
FIG. 21 is a diagram of an optical communication system using a long-wavelength band surface emitting semiconductor laser device, a two-piece coupling lens, and an optical fiber according to an embodiment of the present invention.

【図22】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザ素子と光ファイバアレイを用いた光通信シス
テムの図である。
FIG. 22 is a diagram of an optical communication system using a long-wavelength band surface emitting semiconductor laser device and an optical fiber array according to an embodiment of the present invention.

【図23】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザ素子とレンズアレイと光ファイバアレイを用
いた光通信システムの図である。
FIG. 23 is a diagram of an optical communication system using a long wavelength band surface emitting semiconductor laser device, a lens array, and an optical fiber array according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 n側電極、2 n−GaAs基板、3 下部半導体
分布ブラッグ反射鏡、4 GaAsスペーサ層、5 上
部半導体分布ブラッグ反射鏡、6 p−コンタクト層、
12 TQW活性層、13 GaAsバリア層
1 n-side electrode, 2 n-GaAs substrate, 3 lower distributed Bragg reflector, 4 GaAs spacer layer, 5 upper distributed Bragg reflector, 6 p-contact layer,
12 TQW active layer, 13 GaAs barrier layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古田 輝幸 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 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 軸谷 直人 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 高橋 孝志 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) 2H037 AA01 BA03 CA13 DA03 DA04 DA05 5F073 AA07 AA08 AA51 AA53 AA65 AA74 AA89 AB05 AB17 AB27 AB28 BA02 BA09 CA07 CA17 CB02 CB19 DA05 DA23 DA27 DA35 EA02 EA23 EA27 EA29 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Teruyuki Furuta 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Company (72) Inventor Ken Kanai 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Share Inside Ricoh Company (72) Inventor Atsuyuki Watada 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Stock Company Ricoh Company (72) Inventor Shunichi Sato 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Stock Company Ricoh ( 72) Inventor Yukie Suzuki 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Ricoh Co., Ltd. (72) Inventor Satoru Sugahara 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Ricoh Co., Ltd. (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 Stock Company Inside Ricoh (72) Inventor Takuro Sekiya 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Company (72) Inventor Naoto Shakuya 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Company ( 72) Inventor Takashi Takahashi 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo F-term in Ricoh Co., Ltd. (reference) 2H037 AA01 BA03 CA13 DA03 DA04 DA05 5F073 AA07 AA08 AA51 AA53 AA65 AA74 AA89 AB05 AB17 AB27 AB28 BA02 BA09 CA07 CA17 CB02 CB19 DA05 DA23 DA27 DA35 EA02 EA23 EA27 EA29

Claims (5)

【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
性層の主たる元素がGa、In、N、Asからなる層、
若しくは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、前記反射鏡は反射波長が1.1μm
以上で該反射鏡を構成する材料層の屈折率が小大と異な
る値に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AlGa1−xAs(0<x≦1)
とし、前記屈折率が大の材料層はAlGa1− As
(0≦y<x≦1)とし、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AlGa
1−zAs(0≦y<z<x≦1)よりなるヘテロスパ
イク緩衝層を20nm〜50nmの厚さに設けた反射鏡
であるような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、該面発光型半導体レーザ素子チッ
プの光出射部に内接する円の直径をd、光ファイバのコ
ア直径をFとすると、0.5≦F/d≦2であることを
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 a main element of an active layer for generating light is Ga, In. , N, As
Or 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 has a reflection wavelength of 1.1 μm
As described above, the refractive index of the material layer constituting the reflecting mirror is a semiconductor distributed Bragg reflecting mirror that periodically changes to a value different from a small value and reflects incident light by light wave interference, and the material layer having the small refractive index is used. Is Al x Ga 1-x As (0 <x ≦ 1)
And then, the material layer of the refractive index is large is Al y Ga 1- y As
(0 ≦ y <x ≦ 1), and Al z Ga having a value between the small and large refractive index between the material layers having the small and large refractive index.
A surface-emitting type semiconductor laser device chip which is a reflector having a hetero-spike buffer layer made of 1-z As (0 ≦ y <z <x ≦ 1) with a thickness of 20 nm to 50 nm is used as an emission light source. Where d is the diameter of a circle inscribed in the light emitting portion of the surface-emitting type semiconductor laser element chip and F is the core diameter of the optical fiber, and 0.5 ≦ F / d ≦ 2. Optical communication system.
【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、前記反射鏡は反射波長が1.1
μm以上で該反射鏡を構成する材料層の屈折率が小大と
異なる値に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Al Ga1−xAs(0<x≦
1)とし、前記屈折率が大の材料層はAlGa −y
As(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主たる組成がGaIn1−x
As1−y(0<x≦1、0<y≦1)層よりなる非
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、該面発光型半導
体レーザ素子チップの光出射部に内接する円の直径を
d、光ファイバのコア直径をFとすると、0.5≦F/
d≦2であることを特徴とする光通信システム。
2. A laser chip connected to the laser chip.
In an optical communication system, the laser chip
The wavelength is 1.1 μm to 1.7 μm, and the light generating activity
The main layer is made of Ga, In, N, As
Layer or a layer made of Ga, In, As
Provided at the top and bottom of the active layer to obtain light
Surface-emitting type semiconductor laser having a resonator structure including a reflector
The element chip, wherein the reflection mirror has a reflection wavelength of 1.1.
When the refractive index of the material layer constituting the reflecting mirror is larger than μm,
Periodically changes to different values, and the incident light is reflected by light wave interference.
A semiconductor distributed Bragg reflecting mirror,
The material layer with a small refractive index is Al xGa1-xAs (0 <x ≦
1) and the material layer having a large refractive index is AlyGa1 -Y
A reflecting mirror having As (0 ≦ y <x ≦ 1),
The main composition between the layer and the reflector is GaxIn1-xP
yAs1-y(0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1)
Surface-emitting type semiconductor laser device provided with emission recombination prevention layer
The light emitting source is a semiconductor chip, and the surface emitting type semiconductor
The diameter of the circle inscribed in the light emitting part of the laser diode chip
d, where F is the core diameter of the optical fiber, 0.5 ≦ F /
An optical communication system, wherein d ≦ 2.
【請求項3】 前記面発光型半導体レーザ素子チップと
光ファイバの間にレンズもしくはレンズ系が配置され、
かつ、該面発光型半導体レーザ素子チップの光出射部に
内接する円の直径をd、光ファイバのコア直径をFとす
ると、F/d≦1であることを特徴とする請求項1又は
2に記載の光通信システム。
3. A lens or lens system is arranged between the surface emitting semiconductor laser device chip and an optical fiber,
Further, when a diameter of a circle inscribed in the light emitting portion of the surface emitting type semiconductor laser element chip is d and a core diameter of the optical fiber is F, F / d ≦ 1 is satisfied. 3. The optical communication system according to claim 1.
【請求項4】 前記面発光型半導体レーザ素子チップと
光ファイバがアレイ状に配列されたことを特徴とする請
求項1又は2に記載の光通信システム。
4. The optical communication system according to claim 1, wherein said surface-emitting type semiconductor laser device chip and optical fibers are arranged in an array.
【請求項5】 前記面発光型半導体レーザ素子チップ
と、レンズもしくはレンズ系と、光ファイバがアレイ状
に配列されたことを特徴とする請求項3に記載の光通信
システム。
5. The optical communication system according to claim 3, wherein said surface-emitting type semiconductor laser device chip, a lens or a lens system, and optical fibers are arranged in an array.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2011078196A1 (en) * 2009-12-21 2011-06-30 Ricoh Company, Ltd. Optical device capable of minimizing output variation due to feedback light, optical scanning apparatus, and image forming apparatus

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CN102668280A (en) * 2009-12-21 2012-09-12 株式会社理光 Optical device capable of minimizing output variation due to feedback light, optical scanning apparatus, and image forming apparatus
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