JP2002324941A - 光送受信システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 動作電圧、発振閾値電流等を低くできる面発
光型半導体レーザ素子チップを発光光源として利用し、
当該面発光型半導体レーザ素子チップ、もしくは当該チ
ップを収容するモジュールパッケージから引き出される
光ファイバーケーブルのファイバーケーブル長を一定長
以上とすることで当該パッケージのアセンブリ製作の生
産性の向上を図るとともに、容易に光通信システムを構
築できるようにすることにある。 【解決手段】 ｎ−ＧａＡｓ基板２上に、ｎ−半導体分
布ブラッグ反射鏡３を形成し、その上にλ／４の厚さの
ｎ−Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ層１１を積層し
た。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Ｇａ_ｘＩｎ_１−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（２０
ｎｍ）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４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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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送受信システムに関
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送受信システムに関するもので
ある。

【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。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。

【０００３】このような問題を解決するためになされた
発明として、特開平９−２３７９４２号公報に開示され
たものが知られている。それによると、製作基板として
ＧａＡｓ基板を用い、基板側の下部上部のうち少なくと
も一方の半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層に同基
板と格子整合が取れるＡｌＩｎＰからなる半導体層を用
い、さらに、下部上部のうち少なくとも一方の半導体分
布ブラッグ反射鏡の高屈折率層にＧａＩｎＮＡｓからな
る半導体層を用い、従来よりも大きい屈折率差を得るよ
うにし、少ない積層数で高反射率の半導体分布ブラッグ
反射鏡を実現しようというものである。また、ＧａＩｎ
ＮＡｓ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。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。

【０００４】一例を挙げると、上記のようにＡｌＡｓか
らなる低屈折率材料とＧａＡｓからなる高屈折率材料を
１／４波長の周期で交互に積層することによって形成し
た半導体分布ブラッグ反射鏡を使用したものや、あるい
は特開平９−２３７９４２号公報に開示されたもののよ
うに、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層に同基板
と格子整合が取れるＡｌＩｎＰからなる半導体層を用い
たものにおいては、レーザ素子が全く発光しなかった
り、あるいは、発光してもその発光効率が低く、実用レ
ベルには程遠いものであった。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７−３０７５２５
号公報に開示された発明のようにＡｌを含まないＧａＩ
ｎＮＰ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Ｇａ
Ａｓ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〜１．７
μｍ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。

【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た
省エネルギー、低コストの光送受信システムを提案する
ことにある。また第２の目的もレーザ発振波長が１．１
μｍ〜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、実用的な長
波長帯面発光半導体レーザおよびこれを用いた光送受信
システムを提案することにある。さらに第３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
光源として利用した大容量の光送受信システムを提案す
ることにある。また第４の目的は、このような長波長帯
面発光半導体レーザの特徴を活かした大容量の光送受信
システムの半導体レーザ素子と光ファイバー群間の接続
を効率よくできるようにすることにある。さらに第５の
目的は、このような長波長帯面発光半導体レーザの特徴
を活かした大容量の光送受信システムの半導体レーザ素
子と光ファイバー間の光授受を効率よくできるようにす
ることにある。また第６の目的は、このような長波長帯
面発光半導体レーザの特徴を活かした大容量の光送受信
システムの半導体レーザ素子と光ファイバー群間の接続
を精度よくできるようにすることにある。さらに第７の
目的は、このような長波長帯面発光半導体レーザの特徴
を活かした大容量の光送受信システムの光ファイバー群
間どうしの接続を効率よくできるようにすることにあ
る。また第８の目的は、このような長波長帯面発光半導
体レーザの特徴を活かした大容量の光送受信システムの
光ファイバー群間どうしの接続を精度よくできるように
することにある。

【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
チップと接続され該レーザチップのレーザ光を受光する
第１の光ファイバーと、該第１の光ファイバーの光を伝
達する送信用の第２の光ファイバーと、該第２の光ファ
イバーの光を受光する第３の光ファイバーと、該第３の
光ファイバーの光を受光する受光手段を備えた光送受信
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Ｇ
ａ、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Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）とし、
前記屈折率が大の材料層はＡｌ_ｙＧａ_１−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Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚ
Ａｓ（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
たことを特徴とする。コンピュータ・ネットワーク、長
距離大容量通信の幹線系など光ファイバー通信が期待さ
れているレーザ発振波長が１．１μｍ帯〜１．７μｍ帯
の分野において、動作電圧、発振閾値電流等を低くで
き、レーザ素子の発熱も少なく安定した発振ができる面
発光型半導体レーザおよびそれを用いた通信システムが
存在しなかったが、本発明のように半導体分布ブラッグ
反射鏡を工夫することにより、動作電圧、発振閾値電流
等を低くでき、レーザ素子の発熱も少なく安定した発振
ができ、また低コストで実用的な光通信システムが実現
できた。すなわち、従来このような用途に使用できるレ
ーザ発振波長が１．１μｍ帯〜１．７μｍ帯の長波長帯
面発光半導体レーザ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した面発光型半導体
レーザ素子チップにより、動作電圧、発振閾値電流等を
低くでき、発熱も少ない省エネルギー、低コストの安定
した光送受信システム実現できた。かかる発明によれ
ば、半導体分布ブラッグ反射鏡を工夫した面発光型半導
体レーザ素子チップにより、動作電圧、発振閾値電流等
を低くでき、発熱も少ない省エネルギー、低コストの安
定した光送受信システム実現できた。

【０００７】請求項２は、レーザチップと、該レーザチ
ップと接続され該レーザチップのレーザ光を受光する第
１の光ファイバーと、該第１の光ファイバーの光を伝達
する送信用の第２の光ファイバーと、該第２の光ファイ
バーの光を受光する第３の光ファイバーと、該第３の光
ファイバーの光を受光する受光手段よりなる光送受信シ
ステムにおいて、前記レーザチップは発振波長が１．１
μｍ〜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Ｇ
ａ、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以上でそれ
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_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）とし、前記屈
折率が大の材料層はＡｌ_ｙＧａ_１−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_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−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
源としたことを特徴とする。コンピュータ・ネットワー
ク、長距離大容量通信の幹線系など光ファイバー通信が
期待されているレーザ発振波長が１．１μｍ帯〜１．７
μｍ帯の分野において、安定して使用できる長波長帯面
発光半導体レーザおよびそれを用いた通信システムが存
在しなかったが、本発明のように、非発光再結合防止層
を設けてなる面発光型半導体レーザ素子チップを発光光
源とすることにより、実用的な光送受信システムが実現
できた。すなわち、従来このような用途に使用できるレ
ーザ発振波長が１．１μｍ帯〜１．７μｍ帯の長波長帯
面発光半導体レーザが存在しなかったが、本発明のよう
に非発光再結合防止層を設けた面発光型半導体レーザ素
子チップにより、半導体分布ブラッグ反射鏡構成材料の
Ａｌに起因する結晶欠陥、発光効率低下をなくすことが
可能となり、安定したレーザ発振を行うことが可能な長
波長帯面発光半導体レーザが実現し、実用的な光送受信
システムが実現できた。かかる発明によれば、非発光再
結合防止層を設けた面発光型半導体レーザ素子チップに
より、半導体分布ブラッグ反射鏡構成材料のＡｌに起因
する結晶欠陥、発光効率低下をなくすことが可能とな
り、安定したレーザ発振を行うことが可能な長波長帯面
発光半導体レーザが実現し、実用的な光送受信システム
が実現できた。

【０００８】請求項３は、前記レーザチップにはｎ個の
半導体レーザ素子が形成されているとともに、前記第１
の光ファイバー、第２の光ファイバー、第３の光ファイ
バーならびに受光手段をそれぞれｎ個ずつ有することも
本発明の有効な手段である。このような光送受信システ
ムにおいて、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特徴を活かして、チッ
プ上に複数のレーザ発振素子を形成し、それに対応して
複数の光ファイバーを接続させた光送受信システムとし
たので、大容量、かつ高速のデータ送受信が可能となる
光送受信システムを実現できた。かかる発明によれば、
前記レーザチップにはｎ個の半導体レーザ素子が形成さ
れているとともに、前記第１の光ファイバー、第２の光
ファイバー、第３の光ファイバーならびに受光手段をそ
れぞれｎ個ずつ有するようにして、大容量、かつ高速の
データ送受信が可能となる光送受信システムを実現でき
た。

【０００９】請求項４は、前記ｎ個の半導体レーザ素子
の発光面とｎ個の第１の光ファイバー群の受光面が互い
に１対１に相対することを識別する手段を有することを
も本発明の有効な手段である。こ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
ーザの特徴を活かして、チップ上に複数のレーザ発振素
子を形成し、それに対応して複数の光ファイバーを接続
させた大容量の光送受信システムにおいて、複数個の半
導体レーザ素子の発光面と複数個の第１の光ファイバー
群の受光面が互いに１対１に相対することを識別する手
段を有するようにしたので、半導体レーザ素子と光ファ
イバー群間の接続を効率よくできるようになり、このよ
うなシステムを構築する際の工事が手際よく行えるよう
になった。かかる技術手段によれば、前記ｎ個の半導体
レーザ素子の発光面とｎ個の第１の光ファイバー群の受
光面が互いに１対１に相対することを識別する手段を有
するので、半導体レーザ素子と光ファイバー群間の接続
を効率よくできるようになり、このようなシステムを構
築する際の工事が手際よく行えるようになった。請求項
５は、前記ｎ個の半導体レーザ素子の発光面とｎ個の第
１の光ファイバー群の受光面が互いに１対１に相対する
ようにした位置決め／結合手段を有することも本発明の
有効な手段である。このようなレーザ発振波長が１．１
μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発光半導体レーザの特徴
を活かして、チップ上に複数のレーザ発振素子を形成
し、それに対応して複数の光ファイバーを接続させた大
容量の光送受信システムにおいて、半導体レーザ素子の
発光面と光ファイバーの受光面が互いに平行であるよう
にしたので、半導体レーザ素子から出射したレーザ光が
効率よく光ファイバーに入射できるようになり、ロスの
少ない高効率の光送受信システムが実現できた。かかる
技術手段によれば、前記ｎ個の半導体レーザ素子の発光
面とｎ個の第１の光ファイバー群の受光面が互いに１対
１に相対するようにした位置決め／結合手段を有するの
で、半導体レーザ素子から出射したレーザ光が効率よく
光ファイバーに入射できるようになり、ロスの少ない高
効率の光送受信システムが実現できた。

【００１０】請求項６は、前記ｎ個の半導体レーザ素子
の発光面とｎ個の第１の光ファイバー群の受光面が互い
に１対１に相対するようにした位置決め／結合手段を有
することも本発明の有効な手段である。このようなレー
ザ発振波長が１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発光
半導体レーザの特徴を活かして、チップ上に複数のレー
ザ発振素子を形成し、それに対応して複数の光ファイバ
ーを接続させた大容量の光送受信システムにおいて、複
数個の半導体レーザ素子の発光面と複数個の第１の光フ
ァイバー群の受光面が互いに１対１に相対するようにし
た位置決め／結合手段を有するようにしたので、半導体
レーザ素子と光ファイバー間の接続を高精度にできるよ
うになり、このようなシステムが長期にわたり安定して
稼動できるようになった。かかる技術手段によれば、前
記ｎ個の半導体レーザ素子の発光面とｎ個の第１の光フ
ァイバー群の受光面が互いに１対１に相対するようにし
た位置決め／結合手段を有するので、半導体レーザ素子
と光ファイバー間の接続を高精度にできるようになり、
このようなシステムが長期にわたり安定して稼動できる
ようになった。請求項７は、前記ｎ個の第１、第２、第
３のそれぞれの光ファイバー群の光送出面および受光面
が互いに１対１に相対することを識別する手段を有する
ことも本発明の有効な手段である。このようなレーザ発
振波長が１．１μｍ〜１．７μｍの長波長帯面発光半導
体レーザの特徴を活かして、チップ上に複数のレーザ発
振素子を形成し、それに対応して複数の光ファイバーを
接続させた大容量の光送受信システムにおいて、それぞ
れの光ファイバー群の光送出面および受光面が互いに１
対１に相対することを識別する手段を有するようにした
ので、光ファイバー間どうしの接続を効率よくできるよ
うになり、このようなシステムを構築する際の工事が手
際よく行えるようになった。かかる技術手段によれば、
前記ｎ個の第１、第２、第３のそれぞれの光ファイバー
群の光送出面および受光面が互いに１対１に相対するこ
とを識別する手段を有するので、光ファイバー間どうし
の接続を効率よくできるようになり、このようなシステ
ムを構築する際の工事が手際よく行えるようになった。
請求項８は、前記ｎ個の第１、第２、第３のそれぞれの
光ファイバー群の光送出面および受光面が互いに１対１
に相対するようにした位置決め／結合手段を有すること
も本発明の有効な手段である。こ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
ーザの特徴を活かして、チップ上に複数のレーザ発振素
子を形成し、それに対応して複数の光ファイバーを接続
させた大容量の光送受信システムにおいて、それぞれの
光ファイバー群の光送出面および受光面が互いに１対１
に相対するようにした位置決め／結合手段を有するよう
にしたので、光ファイバー間どうしの接続を高精度にで
きるようになり、このようなシステムが長期にわたり安
定して稼動できるようになった。かかる技術手段によれ
ば、前記ｎ個の第１、第２、第３のそれぞれの光ファイ
バー群の光送出面および受光面が互いに１対１に相対す
るようにした位置決め／結合手段を有するので、光ファ
イバー間どうしの接続を高精度にできるようになり、こ
のようなシステムが長期にわたり安定して稼動できるよ
うになった。

【００１１】

【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。

【００１２】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−Ａｌ_ｘＧａ
_１−ｘＡｓ（ｘ＝１．０）（低屈折率層〜屈折率小の
層）とｎ−Ａｌ_ｙＧａ_１−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−Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ（ｘ＝０．
５、ｙ＝１）層１１を積層した。この例ではｎ−Ｇａ_ｘ
Ｉｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_{１ −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Ｇａ_ｘＩｎ_{１ −ｘ}Ａｓ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−Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ（ｘ＝０．
５、ｙ＝１）層とＺｎドープｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−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−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ
（ｘ＝０．９）とＺｎドープｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−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（Ａｌ_０．９Ｇａ
_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−Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ _ｙ
Ａｓ_１−ｙ（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層も上部反射鏡の一
部であり、低屈折率層（屈折率小の層）となっている。
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Ａｌ_ｚＧａ_１−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。

【００１３】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Ａｌ_ｚＧａ
_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、Ａｌ_ｚＧａ_１−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。

【００１４】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（Ａｌ_ｚＧａ
_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、Ａｌ_ｚＧａ_１−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。

【００１５】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、ＡｌＧａＡｓ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。

【００１６】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２０ｎ
ｍ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ＡｌＡ
ｓ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。）。

【００１７】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。

【００１８】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Ａｌ_ｚＧａ_１−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^{− ３}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^２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。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。

【００１９】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５０
ｎｍとするのが適当である。以上の様に２０ｎｍ以上、
５０ｎｍ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。

【００２０】本発明のようなレーザ発振波長が１．１μ
ｍ〜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〜５
０ｎｍの厚さ）を選ぶ必要がある。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、０．８５
μｍ帯よりも１．１μｍ帯〜１．７μｍ帯の場合、この
ような材料層を約２倍程度にすることができるので、半
導体分布ブラッグ反射鏡の抵抗値を低減させることがで
き、動作電圧、発振閾値電流等が低くなり、レーザ素子
の発熱防止ならびに安定発振、少エネルギー駆動の面で
有利となる。つまり半導体分布ブラッグ反射鏡にこのよ
うな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_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝１．０）（低
屈折率層〜屈折率小の層）とＡｌ_ｙＧａ_１−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Ａｌ_ｚＧａ_１−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、１０ｎｍ、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。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１．３μｍの場合、膜厚制御が１％ずれたとき、
最も反射率の高い波長は１３ｎｍずれてしまう。よって
この高反射率の帯域（ここでは反射率が狙いの波長に対
して必要値以上である領域）は広い方が望ましい。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。

【００２１】再び図１に戻り、最上部の、ｐ−Ａｌ_ｘＧ
ａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０）層は、電極とコンタクトを取る
ためのコンタクト層（ｐ−コンタクト層）としての役割
も持っている。ここで、量子井戸活性層のＩｎ組成ｘは
３９％（Ｇａ_０．６１Ｉｎ_０．３９Ａｓ）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）、Ａｓ
Ｈ_３（アルシン）、ＰＨ_３（フォスフィン）を用いた。
また、キャリアガスにはＨ_２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、Ｇａ
ＩｎＡｓ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。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Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_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、Ｇａ_ｘＩ
ｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１）で
ある。

【００２２】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Ｇａ_ｘＩｎ
_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−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。

【００２３】このＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−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
_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−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Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ
（ｙ＝１の場合）の場合、ｘが大きくなりＧａＰに近づ
くと格子定数が大きくなり、バンドギャップは大きくな
る。バンドギャップＥｇは、直接遷移でＥｇ（Γ）＝
１．３５１＋０．６４３ｘ＋０．７８６ｘ^２、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Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ _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_ｘ
Ｉｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−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Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１
−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Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ
_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。

【００２４】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Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−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 _ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−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Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ _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）。

【００２５】しかしながら今回発明者が製作したよう
に、６００℃以下の低温成長などの非平衡度の高い成長
法により高歪のＧａＩｎＡｓ量子井戸活性層を従来より
厚くコヒーレント成長することが可能となり、波長は
１．２μｍまで到達できた。なおこの波長はＳｉ半導体
基板に対して透明である。従ってＳｉ基板上に電子素子
と光素子を集積した回路チップにおいてＳｉ基板を通し
た光伝送が可能となる。以上の説明より明らかなように
Ｉｎ組成が大きい高圧縮歪のＧａＩｎＡｓを活性層に用
いることにより、ＧａＡｓ基板上に長波長帯の面発光型
半導体レーザを形成できることがわかった。なお前述の
ように、このような面発光型半導体レーザは、ＭＯＣＶ
Ｄ法で成長させることができるが、ＭＢＥ法等の他の成
長方法を用いることもできる。また活性層の積層構造と
して、３重量子井戸構造（ＴＱＷ）の例を示したが、他
の井戸数の量子井戸を用いた構造（ＳＱＷ、ＭＱＷ）等
を用いることもできる。レーザの構造も他の構造にして
もかまわない。また共振器長はλの厚さとしたがλ／２
の整数倍とすることができる。望ましくはλの整数倍で
ある。また半導体基板としてＧａＡｓを用いた例を示し
たが、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Ｇ
ａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層、すなわちＧａ_ｘＩｎ_１−ｘ
Ａｓ（ＧａＩｎＡｓ活性層）の例を示したが、より長波
長のレーザ発振を行うためには、Ｎを添加し主たる元素
がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓからなる層（ＧａＩｎＮＡｓ活
性層）とすればよい。実際にＧａＩｎＮＡｓ活性層の組
成を変えることにより、１．３μｍ帯、１．５５μｍ帯
のそれぞれにおいて、レーザ発振を行うことが可能であ
った。組成を検討することにより、さらに長波長の例え
ば１．７μｍ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１．３
μｍ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ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮ
Ａｓ、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。

【００２６】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_ｘＧ
ａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０．９）とｎ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡ
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 _０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／Ｇａ
Ａｓ下部反射鏡）を形成し、その上にλ／４の厚さのｎ
−Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ（ｘ＝０．５、ｙ＝
１）層を積層した。この例ではｎ−Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ
_ｙＡｓ_１−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
_ｘＩｎ_１−ｘＮ_ｙＡｓ_１−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_ｘＩ
ｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−ｙ（ｘ＝０．５、ｙ＝１）層、Ｃ
ドープｐ−Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（ｚ＝１）被選択酸化
層（厚さ３０ｎｍ）、厚さが（２λ／４−１５ｎｍ）の
Ｃドープｐ−Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．９））
と、厚さがλ／４のＧａＡｓ層（１周期）と、Ｃドープ
のｐ−Ａｌ_ｘＧａ_{１ −ｘ}Ａｓ層（ｘ＝０．９）とｐ−Ａ
ｌ_ｘＧａ_１−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（Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ／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Ａｌ_ｚＧａ_１−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
_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（ｘ＝０）層は、電極とコンタクトを
取るためのコンタクト層（ｐ−コンタクト層）としての
役割も持たせている。

【００２７】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_３（アルシン）、ＰＨ_３
（フォスフィン）、そして窒素の原料にはＤＭＨｙ（ジ
メチルヒドラジン）を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解す
るので６００℃以下のような低温成長に適しており、特
に低温成長の必要な歪みの大きい量子井戸層を成長する
場合に好ましい。なおキャリアガスにはＨ_２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−Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ _１−ｙ（ｘ＝０．
５、ｙ＝１）層に達するまで、ｐ−Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡ
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Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（ｚ＝１）層を水蒸
気で側面から酸化してＡｌ_ｘＯ_ｙ電流狭さく層を形成し
ている。

【００２８】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Ｇａ_ｘＩｎ _１−ｘＰ_ｙＡ
ｓ_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、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−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
ａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_{１ −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Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ
_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。

【００２９】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。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ＧａＩｎＮＡ
ｓ量子井戸層とＧａＡｓ障壁層とからなる活性層と、Ｇ
ａＡｓを第１の障壁層、ＧａＩｎＰＡｓ、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ＧａＡ
ｓ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。

【００３０】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Ｇａ_ｘＩｎ
_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−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。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（ＧａＩｎ
ＮＡｓ活性層）ので、ＧａＡｓ基板上に長波長帯の面発
光型半導体レーザを形成できた。またＡｌとＡｓを主成
分とした被選択酸化層の選択酸化により電流狭さくを行
ったので、しきい値電流は低かった。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。

【００３１】なお、図１０の面発光型半導体レーザも図
１の場合と同様にＭＯＣＶＤ法で成長させることができ
るが、ＭＢＥ法等の他の成長方法を用いることもでき
る。また窒素の原料に、ＤＭＨｙを用いたが、活性化し
た窒素やＮＨ_３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、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。
また図１０の面発光型半導体レーザにおいて、ＧａＩｎ
ＮＡｓ活性層の組成を変えることで、１．５５μｍ帯、
更にはもっと長波長の１．７μｍ帯の面発光型半導体レ
ーザも可能となる。ＧａＩｎＮＡｓ活性層にＴｌ、Ｓ
ｂ、Ｐなど他のIII−Ｖ族元素が含まれていてもかまわ
ない。また活性層にＧａＡｓＳｂを用いても、ＧａＡｓ
基板上に１．３μｍ帯の面発光型半導体レーザを実現で
きる。なお本発明では活性層として、主たる元素がＧ
ａ、Ｉｎ、Ａｓよりなる層（ＧａＩｎＡｓ活性層）、あ
るいはＮを添加し主たる元素がＧａ、Ｉｎ、Ｎ、Ａｓか
らなる層（ＧａＩｎＮＡｓ活性層）を用いる説明をして
きたが、他にＧａＮＡｓ、ＧａＰＮ、ＧａＮＰＡｓ、Ｇ
ａＩｎＮＰ、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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【表１】 図１３において、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ２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Ａ
ｌ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。

【００３４】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。

【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。

【００３５】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１×１０^１９ｃｍ^−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２×１０^１８ｃｍ^−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。

【００３６】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×
１０^１７ｃｍ^−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、１×１０^１７ｃｍ^−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。

【００３７】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_３もしくはＰＨ_３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_３もしくはＰＨ_３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。

【００３８】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。

【００３９】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はレーザ発振波長が１．１
μｍ帯〜１．７μｍ帯の長波長帯面発光半導体レーザを
用いた光送受信システムの一例である。この例では発光
光源であるレーザ素子発光部５０はＡ地点に設置されて
いる。出射された光信号は光ファイバー５１に光カップ
リングされ、図中太矢印５２で示した送信方向に伝送さ
れる。そして光ファイバーの終端部であるＢ地点に設置
された受光ユニットであるフォトダイオード等の受光素
子の光ディテクタ部５３に光カップリングされ、光送受
信システムとして機能する。この例は発光光源の設置場
所Ａと受光ユニットの設置場所Ｂは、光ファイバー５１
によって直線で結ばれる例である。

【００４０】図２０はレーザ発振波長が１．１μｍ帯〜
１．７μｍ帯の長波長帯面発光半導体レーザを用いた光
送受信システムの他の例であり、実際にはこのように間
に複数本（この例では３本）の光ファイバーが介在す
る。従来よりレーザ発振波長が０．８５μｍ帯では光通
信システムが検討されていたが、光ファイバーの伝送ロ
スが大きくて実用的ではなかった。また伝送ロスが小さ
い実用的な長波長帯においては安定したレーザ素子がで
きなかったが、本発明では前述のように半導体分布ブラ
ッグ反射鏡の工夫、あるいは非発光再結合防止層を設け
るような工夫により、レーザ発振波長が１．１μｍ帯〜
１．７μｍ帯の面発光型半導体レーザを省エネルギー、
低発熱、安定駆動ができるようになり、実用的な長波長
帯光通信システムが可能となった。この例は、上記のよ
うな長波長帯面発光型半導体レーザＬＤチップ５５とそ
のレーザ素子発光部５６から出たレーザ光を受光しそれ
を送信するための伝送経路として作用する第１の光ファ
イバーＦＧ１と、この第１の光ファイバーＦＧ１から出
たレーザ光を受光しそれを送信するための伝送経路とし
て作用する第２の光ファイバーＦＧ２と、この第２の光
ファイバーＦＧ２から出たレーザ光を受光しそれを送信
するための伝送経路として作用する第３の光ファイバー
ＦＧ３と、この第３の光ファイバーＦＧ３から出たレー
ザ光を受光するための光ディテクタ部５７を有するフォ
トダイオードチップ５８とからなっている。そして、半
導体レーザＬＤチップ５５と第１の光ファイバーＦＧ１
との間にはＬＤ−ＦＧ１接続モジュールＭＧ１があり、
両者を光カップリングさせている。また同様に各光ファ
イバー間、光ファイバーとフォトダイオードチップ５８
間にも同様に、ＦＧ１−ＦＧ２接続モジュールＭＧ２、
ＦＧ２−ＦＧ３接続モジュールＭＧ３、ＦＧ３−フォト
ダイオード接続モジュールＭＧ４が間に入り光カップリ
ングさせている。

【００４１】ここで本発明では、半導体レーザＬＤチッ
プ５５の発光面と、それに対向する第１の光ファイバー
ＦＧ１の受光面とを平行になるようにしている。これは
両面が平行ではないような場合には、出射したレーザ光
が、効率よく光ファイバーに入射されず、光利用効率が
落ちるからである。これは後述（図２２）のように複数
個（図２２では５個）の半導体レーザＬＤチップおよび
複数本の光ファイバーとした場合も同様である。すなわ
ち、各半導体レーザＬＤチップの発光面によって形成さ
れる幾何学的な仮想平面と、複数の光ファイバーの入射
端面によって形成される幾何学的な仮想平面とは、互い
に平行になるように構成される。このような互いに平行
な平面を得るための具体的手段としては、後述のような
チップホルダー、ファイバーホルダーおよびストッパー
機構が良好に用いられる。なお、今、半導体レーザＬＤ
チップと光ファイバーの関係において論じているが、こ
の互いの平行関係は、光ファイバー―光ファイバー間、
光ファイバー―光ディテクタ部においても適用すること
が、高効率送受信システムを得るためには望ましい。

【００４２】図２１は、上記図２０のシステムを上に、
そしてその下に上記図２０のシステムを上左右反対にし
たものをならべて示したシステムであり、それにより双
方向の光送受信システムを構成したものである。図２１
の下の部分は、向かって右から順に、面発光型半導体レ
ーザＬＤチップとそのレーザ素子発光部から出たレーザ
光を受光しそれを送信するための伝送経路として作用す
る第３の光ファイバーＦＲ３と、この第３の光ファイバ
ーＦＲ３から出たレーザ光を受光しそれを送信するため
の伝送経路として作用する第２の光ファイバーＦＲ２
と、この第２の光ファイバーＦＲ２から出たレーザ光を
受光しそれを送信するための伝送経路として作用する第
１の光ファイバーＦＲ１と、この第１の光ファイバーＦ
Ｒ１から出たレーザ光を受光するための光ディテクタ部
を有するフォトダイオードチップとからなっている。そ
して、半導体レーザＬＤチップと第３の光ファイバーＦ
Ｒ３との間にはＦＲ３−ＬＤ接続モジュールＭＲ４があ
り、両者を光カップリングさせている。また同様に各光
ファイバー間、光ファイバーとフォトダイオードチップ
間にも同様に、ＦＲ２−ＦＲ３接続モジュールＭＲ３、
ＦＲ１−ＦＲ２接続モジュールＭＲ２、フォトダイオー
ド−ＦＲ１接続モジュールＭＲ１が間に入り光カップリ
ングさせている。なお、光ファイバーや接続モジュール
に付けたＦＧ１、ＭＧ１、あるいは、ＦＲ１、ＭＲ１等
のＧ、Ｒはそれぞれ光の送信方向を考慮し、Ｇｏ、Ｒｅ
ｔｕｒｎの頭文字を付けたものである。

【００４３】図２２は、図２０に示したシングルＬＤに
よる通信システムを複数個（ｎ個）にしたシステムの例
である。すなわち１つの半導体レーザＬＤチップに複数
個（この例では５個）のレーザ素子発光部が設けられた
例であり、この複数個に対応して、第１、第２、第３の
光ファイバー群もそれぞれ複数本の光ファイバーとした
ものである。またそれに対応して、フォトダイオードチ
ップも複数個の光ディテクタ部としている。本発明では
面発光型半導体レーザＬＤチップを利用しているので、
このように１つの半導体レーザＬＤチップに複数個のレ
ーザ素子発光部を設けることは容易であり、レーザ素子
発光部を複数個（ｎ個）とすることにより、簡単に大容
量の通信システムが実現できる。なお図示しないが、こ
のような複数本のファイバーを用いた大容量の通信シス
テムも、上記図６に示した双方向の光送受信システムの
考え方を取り入れ、複数本のファイバーを用いた双方向
の大容量光送受信システムも本発明の範疇にはいるもの
である。

【００４４】次に本発明の他の特徴について説明する。
図２３は、図２２の左側部すなわち面発光型半導体レー
ザＬＤチップと第１の光ファイバー群ＭＦＧ１とそれら
を光カップリングさせるためのＬＤ−ＭＦＧ１接続モジ
ュールＭＧ１を示している。なおＬＤ−ＭＦＧ１接続モ
ジュールＭＧ１は概念的に長方形点線で示している。こ
の概念的長方形点線部分のより具体的構成について、図
２４〜図２７を用いて説明する。図２４と図２５はそれ
ぞれ面発光型半導体レーザＬＤチップと第１の光ファイ
バー群ＭＦＧ１とを光カップリングさせる前の状態（図
２４）と光カップリングさせた後の状態（図２５）を示
している。すなわち、図２３で概念的に長方形点線部分
で示したＬＤ−ＭＦＧ１接続モジュールＭＧ１は具体的
には、ＬＤチップホルダー６０とファイバーホルダー６
１の組合せからなるものである。そして両者は、図２４
に示した矢印のように挿入することにより、レーザ素子
発光面と光ファイバーの端面（受光面）が互いに１対１
に相対するように配置され光カップリングができる状態
になる。つまりＬＤチップホルダー６０とファイバーホ
ルダー６１が結合される。その際本発明では、レーザ素
子発光面と光ファイバーの端面（受光面）が左右あるい
は上下の方向において間違わずに互いに１対１に相対す
るようにするための位置、方向を識別するための手段を
有している。図では、ＬＤチップホルダーとファイバー
ホルダーのそれぞれに、矢印のマークを入れた例を示し
たが、このような識別手段を設けることにより、本発明
のような光送受信システムを構築する際、半導体レーザ
素子と光ファイバー群間の接続持に瞬時に互いの方向な
どを間違えることなく認識、接続ができるので、効率よ
くを行うことができる。なおこの識別手段は、このよう
な視認できる矢印のマークに限定されるものではなく、
色の違いを利用するようなものでもよい。さらに必ずし
も視認できるものに限定されるものではなく、形状の凹
凸などを利用して、触覚により認識できるようなもので
あってもよい。なおこのような触覚により認識できるよ
うなものとすると、暗闇とか夜間に工事を行う場合であ
っても簡単に認識できるというメリットがある。

【００４５】図２６と図２７は、ＬＤチップホルダーと
ファイバーホルダーの組合せからなるＬＤ−ＭＦＧ１接
続モジュールＭＧ１の他の例である。この例の場合も、
図２４、図２５に示した場合と同様に、ＬＤチップホル
ダーとファイバーホルダーのそれぞれに識別手段を設け
ているが、それに加えて、両者が精度良く位置決め、結
合できるような工夫もなされている。この例では、ＬＤ
チップホルダーのＡ部とＢ部の端面において両者が固定
されることにより、図の左右方向に精度良く位置決め、
結合させることができる。

【００４６】次に本発明の他の特徴について説明する。
図２４〜図２７に示した識別手段、位置決め／結合手段
は、面発光型半導体レーザＬＤチップと第１の光ファイ
バー群ＭＦＧ１とを光カップリングさせるＬＤ−ＭＦＧ
１接続モジュールＭＧ１に関するものである。しかし本
発明のこの考え方は、面発光型半導体レーザＬＤチップ
と第１の光ファイバー群ＭＦＧ１とを光カップリングさ
せるＬＤ−ＭＦＧ１接続モジュールＭＧ１のみに適用さ
れるものではなく、第１の光ファイバー群ＭＦＧ１と第
２の光ファイバー群ＭＦＧ２とを光カップリングさせる
ＭＦＧ１−ＭＦＧ２接続モジュールＭＧ２にも適用でき
る。図２８はその例を示したものである。この場合も、
第１の光ファイバー群ＭＦＧ１の端面（光送信面）と第
２の光ファイバー群ＭＦＧ２の端面（受光面）が左右あ
るいは上下の方向において間違わずに互いに１対１に相
対するようにするための位置、方向を識別するための手
段を有している。図では、上記図２４〜図２７の例と同
様に第１のファイバー群ホルダーと第２のファイバーホ
ルダーのそれぞれに、矢印のマークを入れた例を示し
た。このような識別手段を設けることにより、本発明の
ような光送受信システムを構築する際、第１の光ファイ
バー群と第２の光ファイバー群間の接続持に瞬時に互い
の方向などを間違えることなく認識、接続ができるの
で、効率よくを行うことができる。なおこの識別手段
は、上記図２４〜図２７の例と同様に、このような視認
できる矢印のマークに限定されるものではなく、色の違
いを利用するようなものでもよい。特に単に色をつける
だけではなく、蛍光塗料を利用すると夜間、暗闇でも認
識できるのでより効果的である。さらに必ずしも視認で
きるものに限定されるものではなく、形状の凹凸などを
利用して、触覚により認識できるようなものであっても
よい。またこのような触覚により認識できるようなもの
とすると、暗闇とか夜間に工事を行う場合であっても簡
単に認識できるというメリットがある。

【００４７】さらに、この場合（図２８）も第１のファ
イバー群ホルダーと第２のファイバーホルダーのそれぞ
れに識別手段を設けるのみならず、それに加えて、両者
が精度良く位置決め、結合できるような工夫もなされて
いる。すなわち、図２８では、その一例として、第１の
ファイバー群ホルダーのＡ部と第２のファイバーホルダ
ーのＢ部において、両者の端面が互いに面接触し、その
部分がストッパーとなって、図の左右方向に精度良く位
置決め、結合させることができる。さらにこのような関
係（識別手段、位置決め／結合手段）は、第２の光ファ
イバー群ＭＦＧ２と第３の光ファイバー群ＭＦＧ３およ
びそれらを光カップリングさせるＭＦＧ２−ＭＦＧ３接
続モジュールＭＧ３においても、また第３の光ファイバ
ー群ＭＦＧ３とフォトダイオードチップおよびそれらを
光カップリングさせるＭＦＧ３−フォトダイオード接続
モジュールＭＧ４においても同様に適用され、本発明の
ような光送受信システムを構築する際、互いの光ファイ
バー群間、あるいはフォトダイオードチップ間との接続
持に瞬時に互いの方向などを間違えることなく認識、接
続ができ、さらに精度良く位置決め、結合させることが
できる。なお本発明のような接続モジュールを用いて複
数本のファイバーを接続し、数ｃｍ〜数１００ｋｍにわ
たる光送受信システムが簡単に構築できるようになった
のは、前述のように本発明の素子構造の工夫により、発
振波長１．１μｍ〜１．７μｍの面発光型半導体レーザ
素子の安定発振が可能となったためである。また発振波
長１．１μｍ〜１．７μｍにおいて、従来実現できなか
った面発光型半導体レーザ素子が本発明の素子構造の工
夫により実現でき、レーザの素子の検査が大変楽にな
り、生産性が著しく向上したことも大きく寄与してい
る。つまり、従来の０．８５μｍのレーザ素子では、こ
のような光送受信システムの構築は困難であったが、本
発明の発振波長１．１μｍ〜１．７μｍの面発光型半導
体レーザ素子の出現により、初めて商業ベースの光送受
信システムが実現できたのである。

【００４８】

【発明の効果】以上記載のごとく請求項１の発明によれ
ば、半導体分布ブラッグ反射鏡を工夫した面発光型半導
体レーザ素子チップにより、動作電圧、発振閾値電流等
を低くでき、発熱も少ない省エネルギー、低コストの安
定した光送受信システム実現できた。また請求項２で
は、非発光再結合防止層を設けた面発光型半導体レーザ
素子チップにより、半導体分布ブラッグ反射鏡構成材料
のＡｌに起因する結晶欠陥、発光効率低下をなくすこと
が可能となり、安定したレーザ発振を行うことが可能な
長波長帯面発光半導体レーザが実現し、実用的な光送受
信システムが実現できた。また請求項３では、前記レー
ザチップにはｎ個の半導体レーザ素子が形成されている
とともに、前記第１の光ファイバー、第２の光ファイバ
ー、第３の光ファイバーならびに受光手段をそれぞれｎ
個ずつ有するようにして、大容量、かつ高速のデータ送
受信が可能となる光送受信システムを実現できた。また
請求項４では、前記ｎ個の半導体レーザ素子の発光面と
ｎ個の第１の光ファイバー群の受光面が互いに１対１に
相対することを識別する手段を有するので、半導体レー
ザ素子と光ファイバー群間の接続を効率よくできるよう
になり、このようなシステムを構築する際の工事が手際
よく行えるようになった。

【００４９】また請求項５では、前記ｎ個の半導体レー
ザ素子の発光面とｎ個の第１の光ファイバー群の受光面
が互いに１対１に相対するようにした位置決め／結合手
段を有するので、半導体レーザ素子から出射したレーザ
光が効率よく光ファイバーに入射できるようになり、ロ
スの少ない高効率の光送受信システムが実現できた。ま
た請求項６では、前記ｎ個の半導体レーザ素子の発光面
とｎ個の第１の光ファイバー群の受光面が互いに１対１
に相対するようにした位置決め／結合手段を有するの
で、半導体レーザ素子と光ファイバー間の接続を高精度
にできるようになり、このようなシステムが長期にわた
り安定して稼動できるようになった。また請求項７で
は、前記ｎ個の第１、第２、第３のそれぞれの光ファイ
バー群の光送出面および受光面が互いに１対１に相対す
ることを識別する手段を有するので、光ファイバー間ど
うしの接続を効率よくできるようになり、このようなシ
ステムを構築する際の工事が手際よく行えるようになっ
た。また請求項８では、前記ｎ個の第１、第２、第３の
それぞれの光ファイバー群の光送出面および受光面が互
いに１対１に相対するようにした位置決め／結合手段を
有するので、光ファイバー間どうしの接続を高精度にで
きるようになり、このようなシステムが長期にわたり安
定して稼動できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図８】ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ（ｐ＝１Ｅ１８ｃｍ^−３）
４ペアの抵抗率を示す図である。

【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。

【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。

【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。

【図１２】試料構造図である。

【図１３】窒素と酸素濃度の深さ方向分布を示す図であ
る。

【図１４】Ａｌ濃度の深さ方向分布を示す図である。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図１９】発光光源と受光ユニットを伝送路で直線的に
結んだ光送受信システムの例を示す図である。

【図２０】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザおよび接続する光通信システムの例を示す図
である。

【図２１】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザおよび接続する光通信システムの双方向シス
テムを示す図である。

【図２２】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザおよび接続する光通信システムで、複数のフ
ァイバー群を利用した大容量光通信システムの例を示す
図である。

【図２３】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザおよび接続する光通信システムの面発光型半
導体レーザＬＤチップと第１の光ファイバー群ＭＦＧ１
とそれらを光カップリングさせるためのＬＤ−ＭＦＧ１
接続モジュールＭＧ１を示す図である。

【図２４】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザおよび接続する光通信システムのＬＤ−ＭＦ
Ｇ１接続モジュールＭＧ１の構造を説明する図（カップ
リング前）である。

【図２５】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザおよび接続する光通信システムのＬＤ−ＭＦ
Ｇ１接続モジュールＭＧ１の構造を説明する図（カップ
リング時）である。

【図２６】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザおよび接続する光通信システムのＬＤ−ＭＦ
Ｇ１接続モジュールＭＧ１の他の構造を説明する図（カ
ップリング前）である。

【図２７】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザおよび接続する光通信システムのＬＤ−ＭＦ
Ｇ１接続モジュールＭＧ１の他の構造を説明する図（カ
ップリング後）である。

【図２８】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザおよび接続する光通信システムのＭＦＧ１−
ＭＦＧ２接続モジュールＭＧ２の構造を説明する図（カ
ップリング後）である。

【符号の説明】

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

───────────────────────────────────────────────────── 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 宮垣 一也 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 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 BA02 BA11 DA03 DA04 DA06 DA16 5F073 AA07 AA08 AA51 AA65 AA74 AB04 AB17 BA02 CA07 CA17 DA05 DA27 EA23 EA29 FA07

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザチップと、該レーザチップと接続
   され該レーザチップのレーザ光を受光する第１の光ファ
   イバーと、該第１の光ファイバーの光を伝達する送信用
   の第２の光ファイバーと、該第２の光ファイバーの光を
   受光する第３の光ファイバーと、該第３の光ファイバー
   の光を受光する受光手段を備えた光送受信システムにお
   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、Ｉ
   ｎ、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Ａｌ_ｘ
   Ｇａ _１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）とし、前記屈折率が大の
   材料層はＡｌ_ｙＧａ_１−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Ａｌ_ｚＧａ_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ことを特徴と
   する光送受信システム。
2. 【請求項２】 レーザチップと、該レーザチップと接続
   され該レーザチップのレーザ光を受光する第１の光ファ
   イバーと、該第１の光ファイバーの光を伝達する送信用
   の第２の光ファイバーと、該第２の光ファイバーの光を
   受光する第３の光ファイバーと、該第３の光ファイバー
   の光を受光する受光手段よりなる光送受信システムにお
   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、Ｉ
   ｎ、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以上でそれを構成する材料層
   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_ｘＧａ
   _{１− ｘ}Ａｓ（０＜ｘ≦１）とし、前記屈折率が大の材料
   層はＡｌ_ｙＧａ_１−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_ｘＩｎ_１−ｘＰ_ｙＡｓ_１−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ことを
   特徴とする光送受信システム。
3. 【請求項３】 前記レーザチップにはｎ個の半導体レー
   ザ素子が形成されているとともに、前記第１の光ファイ
   バー、第２の光ファイバー、第３の光ファイバーならび
   に受光手段をそれぞれｎ個ずつ有することを特徴とする
   請求項１、２に記載の光送受信システム。
4. 【請求項４】 前記ｎ個の半導体レーザ素子の発光面と
   ｎ個の第１の光ファイバー群の受光面が互いに１対１に
   相対することを識別する手段を有することを特徴とする
   請求項３に記載の光送受信システム。
5. 【請求項５】 前記半導体レーザ素子の発光面と光ファ
   イバーの受光面が互いに平行であることを特徴とする請
   求項４に記載の光送受信システム。
6. 【請求項６】 前記ｎ個の半導体レーザ素子の発光面と
   ｎ個の第１の光ファイバー群の受光面が互いに１対１に
   相対するようにした位置決め／結合手段を有することを
   特徴とする請求項３に記載の光送受信システム。
7. 【請求項７】 前記ｎ個の第１、第２、第３のそれぞれ
   の光ファイバー群の光送出面および受光面が互いに１対
   １に相対することを識別する手段を有することを特徴と
   する請求項３に記載の光送受信システム。
8. 【請求項８】 前記ｎ個の第１、第２、第３のそれぞれ
   の光ファイバー群の光送出面および受光面が互いに１対
   １に相対するようにした位置決め／結合手段を有するこ
   とを特徴とする請求項３に記載の光送受信システム。