JP2002329919A - Optical communication system - Google Patents

Optical communication system

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JP2002329919A
JP2002329919A JP2002045470A JP2002045470A JP2002329919A JP 2002329919 A JP2002329919 A JP 2002329919A JP 2002045470 A JP2002045470 A JP 2002045470A JP 2002045470 A JP2002045470 A JP 2002045470A JP 2002329919 A JP2002329919 A JP 2002329919A
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卓朗 関谷
Akira Sakurai
彰 桜井
Masayoshi Kato
正良 加藤
Teruyuki Furuta
輝幸 古田
Kazuya Miyagaki
一也 宮垣
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
Naoto Jikutani
直人 軸谷
Takashi Takahashi
孝志 高橋
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly reliable optical communication system whose power consumption is low by using a surface emitting semiconductor laser element chip capable of lowering an operating voltage, an oscillation threshold current or the like as a light emitting light source, which reduces a change in the characteristic of a semiconductor laser and prevents loss of life. SOLUTION: An n-semiconductor distributed Bragg reflecting mirror 3 is formed on an n-GaAs substrate 2, and an n-Gax In1-x Py As1-y layer 11 in a thickness of λ/4 is laminated on it. An undoped lower-part GaAs spacer 4, three layers of Gax In1-x As quantum well layers (quantum well active layers) 12 and GaAs barrier layers (20 nm) 13, and an undoped upper-part spacer layer 4, are laminated on it. A resonator in a thickness of one wavelength portion (a thickness of λ) of an oscillation wavelength inside a medium 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.
Therefore, in particular, development as an element suitable for configuring an optical transmission module (optical interconnection device) of a parallel transmission type has been actively conducted. The immediate application of the optical interconnection device is parallel connection between housings of computers and the like and between boards, as well as short-distance optical fiber communication, but large-scale computer networks and long distances 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 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. H10-260, 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 band gap (forbidden band width) can be reduced from 1.4 eV to 0 eV by increasing the N composition, and therefore, 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。また、下記に示すように本発明における長波長帯
面発光型レーザにおいては、高歪のGaInNAs活性
層を持つため、実装基板の線膨張係数との差によって発
生する熱応力により特性の劣化が懸念される。
[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 Unexamined Patent Publication No. 9-237942, 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 has no laser element. 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. To solve this problem, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 8-340146 and 7-307 disclose the method.
There is a proposal for forming a semiconductor distributed Bragg reflector from GaInNP and GaAs that do not contain Al as in the invention disclosed in Japanese Patent 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. Further, as described below, the long-wavelength band surface emitting laser according to the present invention has a GaInNAs active layer with a high strain. Is done.

【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する
ことによって低消費電力で、半導体レーザの特性変動を
低減しつつ、寿命低下を防止することによって信頼性の
高い光通信システムを提案することにある。また第2の
目的もまた、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す
ることによって低消費電力で、半導体レーザの特性変動
を低減しつつ、寿命低下を防止することによって信頼性
の高い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、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、信頼性が高く実用的
で、半導体レーザの特性変動を低減しつつ、寿命低下を
防止することによって信頼性の高い光通信システムを提
案することにある。また第4の目的もまた、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、信頼性が高く実用的で、半導体レーザの特性変
動を低減しつつ、寿命低下を防止することによって信頼
性の高い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、半
導体レーザで発生する熱を効率良く逃し、その特性変動
を低減して、寿命低下を防止することによってより信頼
性の高い光通信システムを提案することにある。また第
6の目的もまた、このような光通信システムにおいて、
半導体レーザで発生する熱を効率良く逃し、その特性変
動を低減して、寿命低下を防止することによってより信
頼性の高い光通信システムを提案することにある。さら
に第7の目的は、このような光通信システムにおいて、
半導体レーザで発生する熱を効率良く逃し、その特性変
動を低減して、寿命低下を防止することによってより信
頼性の高い光通信システムの半導体レーザ部分のパッケ
ージ構造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 of the present invention is to use a surface-emitting type semiconductor laser device chip capable of lowering an operating voltage, an oscillation threshold current, and the like as a light emitting light source, to reduce power consumption, to reduce fluctuations in semiconductor laser characteristics, and to prevent a reduction in life. To propose a highly reliable optical communication system. The second object is to reduce the life of the semiconductor laser while reducing the fluctuation in characteristics of the semiconductor laser with low power consumption by using a surface-emitting type semiconductor laser element chip capable of lowering the operating voltage, the oscillation threshold current and the like as a light emitting light source. It is to propose a highly reliable optical communication system by preventing the above. A third object is that the laser oscillation wavelength that can be used stably is 1.
A long wavelength surface emitting semiconductor laser device chip of 1 μm to 1.7 μm is used as a light emitting light source, and has high reliability and practicality. It is to propose a high optical communication system. The fourth object is to use a long-wavelength surface emitting semiconductor laser device chip having a laser oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm, which can be used stably, as a light emitting light source, and to have high reliability and practicality. An object of the present invention is to propose a highly reliable optical communication system by preventing a reduction in the life of a laser while reducing fluctuations in laser characteristics. A fifth object of the present invention is to provide a more reliable optical communication system in such an optical communication system by efficiently releasing heat generated by a semiconductor laser, reducing its characteristic fluctuations, and preventing a reduction in life. It is to propose. A sixth object is also provided in such an optical communication system.
It is an object of the present invention to propose a more reliable optical communication system by efficiently dissipating heat generated by a semiconductor laser, reducing its characteristic fluctuation, and preventing a reduction in life. A seventh object is to provide such an optical communication system,
An object of the present invention is to propose a more reliable semiconductor laser package structure of an optical communication system by efficiently dissipating heat generated by a semiconductor laser, reducing its characteristic fluctuation, and preventing a reduction in life.

【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、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光通信システムであって、前記
レーザチップと該レーザチップを実装する基板材料の線
膨張係数の差が2×10−6/K以内であることを特徴
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 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, and the refractive index of a material layer constituting the reflective mirror periodically changes to a value different from that of the other, and semiconductor distributed Bragg reflection in which incident light is reflected 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 An optical communication system using a surface-emitting type semiconductor laser device chip as a reflector having a heterospike buffer layer (0 ≦ y <z <x ≦ 1) having a thickness of 20 nm to 50 nm as a light source. The difference between the linear expansion coefficients of the laser chip and the substrate material on which the laser chip is mounted is within 2 × 10 −6 / K.

【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、低消費電力で、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。さらに、レーザチップとそのレーザチップ
を実装する基板材料の線膨張係数の差を2×10−6
K以内であるようにすることによって、高歪のGaIn
NAs活性層をもつ長波長帯面発光型レーザの線膨張係
数と実装基板の線膨張係数の差を小さくできるため、熱
応力の発生が抑制され、結果として熱応力によって発生
する半導体レーザの特性変動を低減しつつ、寿命の低下
を防止でき、信頼性の高い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、低消費電力で、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。さらに、レーザチップとそのレーザチッ
プを実装する基板材料の線膨張係数の差を2×10−6
/K以内であるようにすることによって、高歪のGaI
nNAs活性層をもつ長波長帯面発光型レーザの線膨張
係数と実装基板の線膨張係数の差を小さくできるため、
熱応力の発生が抑制され、結果として熱応力によって発
生する半導体レーザの特性変動を低減しつつ、寿命の低
下を防止でき、信頼性の高い光通信システムが実現でき
た。
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 generating stable laser oscillation with little heat generation from the laser element and a communication system using the same, the operating voltage was improved by devising a semiconductor distributed Bragg reflector as in the present invention. In addition, the oscillation threshold current and the like can be reduced, low power consumption, stable oscillation with little heat generation of the laser element can be achieved, and a low-cost and practical optical communication system can be realized. Further, the difference between the linear expansion coefficient of the laser chip and the substrate material on which the laser chip is mounted is 2 × 10 −6 /
K, the high strain GaIn
Since the difference between the linear expansion coefficient of the long-wavelength surface emitting laser having the NAs active layer and the linear expansion coefficient of the mounting substrate can be reduced, the generation of thermal stress is suppressed, and as a result, the characteristic fluctuation of the semiconductor laser caused by the thermal stress , While preventing a reduction in the service life, a highly reliable optical communication system was realized. According to the invention, by devising the semiconductor distributed Bragg reflector, the operating voltage, the oscillation threshold current, and the like can be reduced, the power consumption is low, the laser element generates less heat, and stable oscillation can be performed. Optical communication system was realized. Further, 2 × 10 -6 to difference in the linear expansion coefficient of the substrate material that implements the laser chip and the laser chip
/ K, the high strain GaI
Since the difference between the linear expansion coefficient of the long wavelength surface emitting laser having the nNAs active layer and the linear expansion coefficient of the mounting substrate can be reduced,
The generation of thermal stress is suppressed, and as a result, the variation in the characteristics of the semiconductor laser caused by the thermal stress is reduced, the reduction in the life is prevented, and a highly reliable optical communication system is realized.

【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
発生する活性層お主たる元素が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AlGa 1−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光通信システムであって、前記
レーザチップを実装する基板がSi、SiC、GaA
s、AlNの何れかより構成されることを特徴とする。
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、低消費電力
で、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。さ
らに、長波長帯面発光型レーザチップをSi、SiC、
GaAs、AlNのいずれかからなる基板に実装するこ
とによって、高歪のGaInNAs活性層をもつ長波長
帯面発光型レーザの線膨張係数と実装基板の線膨張係数
の差が小さいため、熱応力の発生が抑制され、結果とし
て熱応力によって発生する半導体レーザの特性変動を低
減しつつ、寿命の低下を防止でき、信頼性の高い光通信
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、低消費電力で、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。さらに、長波長帯面
発光型レーザチップをSi、SiC、GaAs、AlN
のいずれかからなる基板に実装することによって、高歪
のGaInNAs活性層をもつ長波長帯面発光型レーザ
の線膨張係数と実装基板の線膨張係数の差が小さいた
め、熱応力の発生が抑制され、結果として熱応力によっ
て発生する半導体レーザの特性変動を低減しつつ、寿命
の低下を防止でき、信頼性の高い光通信システムが実現
できた。
A second aspect of the present invention is a laser chip and the laser chip.
In an optical communication system connected to a
The oscillation wavelength is 1.1 μm to 1.7 μm.
Whether the main element generated in the active layer is Ga, In, N, or As
A layer made of Ga, In, or As,
Provided above and below the active layer to obtain laser light
-Emitting semi-conductor with resonator structure including a mirrored reflector
Laser chip, wherein the reflection mirror has a reflection wavelength of
When the refractive index of the material layer constituting the reflecting mirror is 1.1 μm or more,
Periodically changes to different values, and the incident light is
Is a semiconductor distributed Bragg reflector that reflects
The material layer having a small refractive index is AlxGa 1-xAs
(0 <x ≦ 1), and the material layer having a large refractive index is made of Aly
Ga1-yAs (0 ≦ y <x ≦ 1), and the refraction is
The refractive index between the small and large material layers has a value between small and large.
Al takenzGa1-zFrom As (0 ≦ y <z <x ≦ 1)
A heterospike buffer layer having a thickness of 20 nm to 50 nm
Surface-emitting type semiconductor laser device, such as a reflector provided in a semiconductor device
An optical communication system using a chip as a light source,
The substrate on which the laser chip is mounted is Si, SiC, GaAs
s or AlN.
The backbone of computer networks and long-distance large-capacity communications
Laser oscillation wavelength for optical fiber communication
In the field of 1.1 μm band to 1.7 μm band,
Pressure, oscillation threshold current, etc.
Surface-emitting type semiconductor laser capable of stable oscillation without
Although there was no communication system using it, the present invention
By devising a semiconductor distributed Bragg reflector like
Operating voltage, oscillation threshold current, etc.
As a result, stable oscillation can be achieved with less heat generated by the laser element.
A low-cost and practical optical communication system was realized. Sa
In addition, a long wavelength band surface emitting laser chip is used for Si, SiC,
Mount on a substrate made of either GaAs or AlN
A long wavelength with a high strain GaInNAs active layer
Linear expansion coefficient of band-emission laser and linear expansion coefficient of mounting substrate
Is small, the generation of thermal stress is suppressed, and as a result
Characteristics of semiconductor lasers caused by thermal stress
Highly reliable optical communication that can reduce the lifespan while reducing
The system has been realized. According to the invention, the semiconductor component
By devising a cloth Bragg reflector, the operating voltage and
Low threshold current and low power consumption.
Stable oscillation with less heat generation, and practical at low cost
Optical communication system was realized. In addition, long wavelength band surface
Emitting laser chip using Si, SiC, GaAs, AlN
High distortion by mounting on a substrate made of either
-Wavelength surface-emitting lasers with different GaInNAs active layers
The difference between the linear expansion coefficient of
Therefore, the generation of thermal stress is suppressed, and as a result,
Life while reducing characteristic fluctuations of semiconductor lasers
Optical communication system with high reliability
did it.

【0009】請求項3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、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AlGa 1−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光通信システム
であって、前記レーザチップと該レーザチップを実装す
る基板材料の線膨張係数の差が2×10−6/K以内で
あることを特徴とする。
A third aspect of the present invention is a laser chip and the laser chip.
In an optical communication system connected to a
The oscillation wavelength is 1.1 μm to 1.7 μm.
Whether the main element of the generated active layer is Ga, In, N, or As
A layer made of Ga, In, or As,
Provided above and below the active layer to obtain laser light
-Emitting semi-conductor with resonator structure including a mirrored reflector
Laser chip, wherein the reflection mirror has a reflection wavelength of
When the refractive index of the material layer constituting the reflecting mirror is 1.1 μm or more,
Periodically changes to different values, and the incident light is
Is a semiconductor distributed Bragg reflector that reflects
The material layer having a small refractive index is AlxGa 1-xAs
(0 <x ≦ 1), and the material layer having a large refractive index is made of Aly
Ga1-yAs (0 ≦ y <x ≦ 1)
The main composition between the active layer and the reflector is Gax
In1-xPyAs1-y(0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1)
Emission type half provided with a non-radiative recombination prevention layer composed of
Optical communication system using a semiconductor laser element chip as a light source
And mounting the laser chip and the laser chip.
The difference between the linear expansion coefficients of the substrate materials is 2 × 10-6Within / K
There is a feature.

【0010】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、安定して使用できる長波長帯面発光半導体レーザ
およびそれを用いた通信システムが存在しなかったが、
本発明のように、非発光再結合防止層を設けてなる面発
光型半導体レーザ素子チップとすることにより安定した
発振が可能となり、これを発光光源とした実用的な光通
信システムが実現できた。さらに、レーザチップとその
レーザチップを実装する基板材料の線膨張係数の差を2
×10−6/K以内であるようにすることによって、高
歪のGaInNAs活性層をもつ長波長帯面発光型レー
ザの線膨張係数と実装基板の線膨張係数の差を小さくで
きるため、熱応力の発生が抑制され、結果として熱応力
によって発生する半導体レーザの特性変動を低減しつ
つ、寿命の低下を防止でき、信頼性の高い光通信システ
ムが実現できた。かかる発明によれば、非発光再結合防
止層を設けてなる面発光型半導体レーザ素子チップとす
ることにより安定した発振が可能となり、これを発光光
源とした実用的な光通信システムが実現できた。さら
に、レーザチップとそのレーザチップを実装する基板材
料の線膨張係数の差を2×10−6/K以内であるよう
にすることによって、高歪のGaInNAs活性層をも
つ長波長帯面発光型レーザの線膨張係数と実装基板の線
膨張係数の差を小さくできるため、熱応力の発生が抑制
され、結果として熱応力によって発生する半導体レーザ
の特性変動を低減しつつ、寿命の低下を防止でき、信頼
性の高い光通信システムが実現できた。
A long wavelength band surface that can be used stably in the field of laser oscillation wavelengths of 1.1 μm to 1.7 μm where optical fiber communication is expected, such as computer networks and trunk lines for long distance and large capacity communication. Although there was no light emitting semiconductor laser and a communication system using the same,
As in the present invention, the surface-emitting type semiconductor laser device chip provided with the non-radiative recombination preventing layer enables stable oscillation, and a practical optical communication system using this as a light-emitting light source was realized. . Further, the difference between the linear expansion coefficient of the laser chip and the substrate material on which the laser chip is mounted is calculated as 2
By setting it within 10-6 / K, the difference between the linear expansion coefficient of the long-wavelength band surface emitting laser having the GaInNAs active layer with high strain and the linear expansion coefficient of the mounting substrate can be reduced, so that the thermal stress can be reduced. Is suppressed, and as a result, the characteristic fluctuation of the semiconductor laser caused by the thermal stress is reduced, and the life of the semiconductor laser is prevented from being shortened. As a result, a highly reliable optical communication system can be realized. According to the invention, stable oscillation can be achieved by using a surface emitting semiconductor laser device chip provided with a non-radiative recombination preventing layer, and a practical optical communication system using this as a light emitting light source can be realized. . Further, by setting the difference between the linear expansion coefficients of the laser chip and the substrate material on which the laser chip is mounted to be within 2 × 10 −6 / K, a long-wavelength surface emission type having a GaInNAs active layer with a high strain is provided. Since the difference between the coefficient of linear expansion of the laser and the coefficient of linear expansion of the mounting board can be reduced, the occurrence of thermal stress is suppressed.As a result, the characteristic fluctuation of the semiconductor laser caused by the thermal stress can be reduced, and the life can be prevented from being shortened. Thus, a highly reliable optical communication system was realized.

【0011】請求項4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、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AlGa 1−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光通信システム
であって、前記レーザチップを実装する基板がSi、S
iC、GaAs、AlNの何れかより構成されることを
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通信が期待されているレ
ーザ発振波長が1.1μm帯〜1.7μm帯の分野にお
いて、安定して使用できる長波長帯面発光半導体レーザ
およびそれを用いた通信システムが存在しなかったが、
本発明のように、非発光再結合防止層を設けてなる面発
光型半導体レーザ素子チップとすることにより安定した
発振が可能となり、これを発光光源とした実用的な光通
信システムが実現できた。さらに、長波長帯面発光型レ
ーザチップをSi、SiC、GaAs、AlNのいずれ
かからなる基板に実装することによって、高歪のGaI
nNAs活性層をもつ長波長帯面発光型レーザの線膨張
係数と実装基板の線膨張係数の差が小さいため、熱応力
の発生が抑制され、結果として熱応力によって発生する
半導体レーザの特性変動を低減しつつ、寿命の低下を防
止でき、信頼性の高い光通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てなる面
発光型半導体レーザ素子チップとすることにより安定し
た発振が可能となり、これを発光光源とした実用的な光
通信システムが実現できた。さらに、長波長帯面発光型
レーザチップをSi、SiC、GaAs、AlNのいず
れかからなる基板に実装することによって、高歪のGa
InNAs活性層をもつ長波長帯面発光型レーザの線膨
張係数と実装基板の線膨張係数の差が小さいため、熱応
力の発生が抑制され、結果として熱応力によって発生す
る半導体レーザの特性変動を低減しつつ、寿命の低下を
防止でき、信頼性の高い光通信システムが実現できた。
A fourth aspect of the present invention provides a laser chip and the laser chip.
In an optical communication system connected to a
The oscillation wavelength is 1.1 μm to 1.7 μm.
Whether the main element of the generated active layer is Ga, In, N, or As
A layer made of Ga, In, or As,
Provided above and below the active layer to obtain laser light
-Emitting semi-conductor with resonator structure including a mirrored reflector
Laser chip, wherein the reflection mirror has a reflection wavelength of
When the refractive index of the material layer constituting the reflecting mirror is 1.1 μm or more,
Periodically changes to different values, and the incident light is
Is a semiconductor distributed Bragg reflector that reflects
The material layer having a small refractive index is AlxGa 1-xAs
(0 <x ≦ 1), and the material layer having a large refractive index is made of Aly
Ga1-yAs (0 ≦ y <x ≦ 1)
The main composition between the active layer and the reflector is Gax
In1-xPyAs1-y(0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1)
Emission type half provided with a non-radiative recombination prevention layer composed of
Optical communication system using a semiconductor laser element chip as a light source
Wherein the substrate on which the laser chip is mounted is Si, S
iC, GaAs, or AlN
Features. Computer network, long distance
Optical fiber communications such as trunk lines for mass communication are expected.
Laser oscillation wavelengths in the 1.1 to 1.7 μm band
-Wavelength surface emitting semiconductor laser that can be used stably
And there was no communication system using it,
As in the present invention, a surface emitting layer provided with a non-radiative recombination preventing layer is provided.
Stable by using optical semiconductor laser chip
Oscillation is possible, and practical light transmission
The communication system was realized. In addition, a long-wavelength surface-emitting laser
Any of Si, SiC, GaAs and AlN
By mounting on a substrate consisting of
Linear expansion of long wavelength surface emitting laser with nNAs active layer
Because the difference between the coefficient and the coefficient of linear expansion of the mounting board is small, thermal stress
Generation is suppressed, resulting in thermal stress
Prevents shortening of service life while reducing characteristic fluctuations of semiconductor lasers
The optical communication system with high reliability was realized. Or
According to the invention, the surface provided with the non-radiative recombination preventing layer
Light emitting semiconductor laser device chip
Oscillation that can be used as a light source
The communication system has been realized. Furthermore, long wavelength band surface emitting type
Laser chip made of any of Si, SiC, GaAs and AlN
By mounting it on a substrate made of
Linear expansion of long wavelength surface emitting laser with InNAs active layer
Since the difference between the tension coefficient and the linear expansion coefficient of the mounting board is small,
The generation of force is suppressed, resulting in thermal stress
To reduce the life of semiconductor lasers while reducing their characteristic fluctuations.
An optical communication system with high reliability can be realized.

【0012】請求項5は、前記レーザチップを実装した
実装基板は、放熱部材に固定されており、該放熱部材は
前記レーザチップより熱伝導率が大きい材料よりなるこ
とも本発明の有効な手段である。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やあるいは非発光再結合防止層を設
けるなどの工夫により、動作電圧、発振閾値電流等を低
くでき、低消費電力で、レーザ素子の発熱も少なく安定
した発振ができ、これを発光光源とした実用的な光通信
システムが実現できた。さらにレーザチップを実装した
実装基板を放熱部材に固定し、その放熱部材をレーザチ
ップより熱伝導率が大きい材料よりなるようにすること
により、半導体レーザで発生する熱を効率良く逃がすこ
とができるようになった.その結果、レーザ出力のその
特性変動が低減でき、寿命低下を防止でき、より信頼性
の高い光通信システムが実現できた。かかる技術手段に
よれば、前記レーザチップを実装した実装基板は、放熱
部材に固定されており、該放熱部材は前記レーザチップ
より熱伝導率が大きい材料よりなるので、半導体レーザ
で発生する熱を効率良く逃がすことができるようになっ
た.その結果、レーザ出力のその特性変動が低減でき、
寿命低下を防止でき、より信頼性の高い光通信システム
が実現できた。
According to another aspect of the present invention, the mounting substrate on which the laser chip is mounted is fixed to a heat radiating member, and the heat radiating member is made of a material having a higher thermal conductivity than the laser chip. It is. The laser oscillation wavelength is expected to be 1.1 μm to 1.1 for optical fiber communication such as computer networks and trunk lines for long-distance large-capacity communication.
In the field of the 7 μm band, there has been no surface emitting semiconductor laser capable of lowering the operating voltage, the oscillation threshold current, etc., and generating stable laser with less heat generation of the laser element and a communication system using the same. By devising a semiconductor distributed Bragg reflector or providing a non-radiative recombination prevention layer, the operating voltage, oscillation threshold current, etc. can be reduced, low power consumption, stable oscillation with little heat generation from the laser element. A practical optical communication system using this as a light source was realized. Furthermore, by fixing the mounting board on which the laser chip is mounted to a heat radiating member and using the heat radiating member of a material having a higher thermal conductivity than the laser chip, heat generated by the semiconductor laser can be efficiently released. Became. As a result, the characteristic fluctuation of the laser output can be reduced, the life can be prevented from being shortened, and a more reliable optical communication system can be realized. According to such a technical means, the mounting substrate on which the laser chip is mounted is fixed to a heat radiating member, and the heat radiating member is made of a material having a higher thermal conductivity than the laser chip. I was able to escape efficiently. As a result, the characteristic fluctuation of the laser output can be reduced,
A reduction in the life can be prevented, and a more reliable optical communication system can be realized.

【0013】請求項6は、前記レーザチップを実装した
実装基板は、放熱部材に固定されており、該放熱部材
は、AlN、Cu/W、W、Mo、Cuのいずれかから
なることも本発明の有効な手段である。かかる技術手段
によれば、実装基板が固定されている放熱部材をAl
N、Cu/W、W、Moのいずれかからなることによっ
て、熱伝導率が大きいため半導体レーザやレーザ駆動回
路から発生する熱を効率よく放熱することができ、また
放熱部材の線膨張係数と実装基板の線膨張係数との差も
小さいため、熱応力が発生せず、ひいては長波長帯面発
光型半導体レーザにも歪みを与えないため、半導体レー
ザの特性変動を低減しつつ、寿命の低下を防止でき、信
頼性の高い光通信システムを実現できた。請求項7は、
前記放熱部材は、光送信モジュールのパッケージを兼ね
ていることも本発明の有効な手段である。かかる技術手
段によれば、実装基板が固定されている放熱部材を光送
信モジュールのパッケージにすることで、部品点数が少
なく、また放熱特性も良好で、長波長帯面発光型半導体
レーザの特性変動を低減しつつ、寿命の低下を防止で
き、信頼性の高い光通信システムを実現できた。
According to a sixth aspect of the present invention, the mounting board on which the laser chip is mounted is fixed to a heat radiating member, and the heat radiating member may be made of any of AlN, Cu / W, W, Mo, and Cu. This is an effective means of the invention. According to such technical means, the heat radiation member to which the mounting substrate is fixed is
Since any one of N, Cu / W, W, and Mo has a large thermal conductivity, heat generated from a semiconductor laser or a laser driving circuit can be efficiently radiated. Since the difference from the coefficient of linear expansion of the mounting board is small, thermal stress does not occur and, consequently, the long-wavelength surface-emitting semiconductor laser is not distorted. And a highly reliable optical communication system was realized. Claim 7
It is also an effective means of the present invention that the heat radiating member also serves as a package of the optical transmission module. According to this technical means, the heat radiation member to which the mounting substrate is fixed is made into the package of the optical transmission module, so that the number of components is small, the heat radiation characteristic is good, and the characteristic fluctuation of the long-wavelength surface emitting semiconductor laser. , The life can be prevented from being shortened, and a highly reliable optical communication system can be realized.

【0014】[0014]

【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。本発明では、面方位(100)のn−G
aAs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。
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. In the present invention, n-G of plane orientation (100) is used.
On the aAs substrate 2, n-Al x Ga having a thickness (thickness of λ / 4) 1 / times the oscillation wavelength λ in each medium.
1-x As (x = 1.0 ) ( low refractive index layer-refractive index small layer) and n-Al y Ga 1-y As (y = 0) ( high refractive index layer-refractive index large layer) alternately 35 cycles laminated n- semiconductor distributed Bragg reflector 3 (AlAs / GaAs lower semiconductor distributed Bragg reflector) is formed, n-Ga x in 1- x P y of the thickness of lambda / 4 on the As 1-y (x = 0.
5, y = 1) Layer 11 was laminated. In this example n-Ga x
In 1-x P y As 1 -y (x = 0.5, y = 1) layer are also part of the lower reflecting mirror has a low refractive index layer (a layer having a refractive index is small).

【0015】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。
An undoped lower GaAs layer is formed thereon.
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.

【0016】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。
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.

【0017】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〜AlA
s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、A
lとGaの比率が前述のように連続的に変わるようにし
て形成しても良いし、段階的にその比率が変わるように
しても同等の効果がある。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。
More specifically 0017], 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, GaAs to AlGaAs to AlA.
It is formed so that the ratio of Al and Ga changes gradually as in s. This is created by controlling the gas flow during layer formation as described above. Also, A
The same effect can be obtained by changing the ratio between 1 and Ga continuously as described above, or by changing the ratio stepwise. The reason for providing such a heterospike 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.

【0018】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(AlGa1−z
s(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A
lAs、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、AlG
aAs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、Al
InP組成の増加に対し同様に単調に減少する。
[0018] 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 hetero-spike 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 A
s (0 ≦ y <z <x ≦ 1)). The two kinds of semiconductor layers constituting the semiconductor distributed Bragg reflector are A
As a hetero-spike buffer layer of ls and GaAs having a valence band energy between AlAs and GaAs, a composition gradient layer in which the Al composition is changed is provided between them. 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.
AlGaAs-based semiconductor materials have been developed with increasing Al composition.
The band gap energy increases and the refractive index decreases. At this time, in the conduction band, the energy starts to decrease until the Al composition reaches 0.43, but in the valence band, the valence band energy decreases monotonically in substantially proportion to the increase amount of the Al composition ( Overall, the bandgap energy increases with composition.) In addition to this, taking an AlGaInP-based material as an example, this material is 4
It is an original material, but with the increase of AlInP composition, AlG
It shows the same tendency as the increase in the Al composition in the aAs system.
The conduction band energy begins to decrease after increasing to an AlInP composition of 0.7. However, the valence band energy is Al
Similarly, it decreases monotonously with an increase in the InP composition.

【0019】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。)。
In the example shown in FIG. 3, the composition gradient (band-gap energy increase rate) of the region near the GaAs layer (region I in FIG. 3) is shown in FIG.
In region II), the composition gradient is larger than 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 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 figure). The sum of area I and area II is always 20n
m, and the thickness and the composition gradient of the region II are determined by the thickness and the composition gradient of the region I. Simply GaAs layer and AlA
When the linear composition gradient layer is provided between the s layers, the Al composition gradient is 0.05 [nm -1 ], which corresponds to the point A in the figure. As shown in FIG. 5, by increasing the gradient of the Al composition in the region I, the resistance value is reduced as compared with the conventional case where the composition gradient is simply made linear. It can also be seen that there is an optimum Al composition gradient that is minimal. For example, when the thickness of the region I is 10 nm (the same thickness as that of the region II), the Al composition gradient is 0.09 [nm -1 ], and the resistance is reduced to about 80% of the conventional resistance. It does not depend on voltage.)

【0020】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 composition change of the hetero-spike buffer layer is simply linear (accordingly, when the Al composition gradient in the region I is smaller than that in the region II, the resistance value becomes smaller). 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 is understood that the electric resistance can be reduced as compared with the related art by increasing the composition gradient in the region I.

【0021】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。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、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。
Next, such a refractive index is set to a value between small and large.
Hetero spike buffer layer AlzGa1-zAs (0 ≦
y <z <x ≦ 1)
explain. FIG. 8 shows A having a reflection center wavelength at 1.3 μm.
For a 4-pair DBR with lAs / GaAs,
By changing the thickness of the spike buffer layer,
It is the result of having calculated the partial electrical resistivity. DBR layer dopi
Ring density is 1E18cm 3And heterospike buffering
The doping density of each layer including the layer is uniform. Ma
The value shown by the broken line is obtained from the bulk resistance of each semiconductor layer.
If the resistivity is assumed to be
It shows the resistivity of the DBR obtained in this case. FIG.
DBR without hetero spike buffer layer
When the spike buffer layer thickness is 0), the resistivity is 1Ωcm2And non
Always high resistance, more than 20 pairs as a practical problem
It is difficult to energize the element through the layered DBR itself.
Requires a very high voltage to further energize
You. Therefore, a surface emitting laser device having such a DBR
Is difficult to actually oscillate. However, 5
When a hetero spike buffer layer of nm
Compared to the case without the spike buffer layer, the resistance is about two digits.
It is possible to reduce the drag coefficient, making it easier to energize the element.
Therefore, it is possible to obtain oscillation. In addition, the electricity required for
Pressure also reduces the reliability of the device,
Problems are greatly improved. In addition, heterospike buffer
As the thickness of the layer increases, the resistivity decreases sharply.
Above 20 nm, the resistivity has a substantially constant value. Figure
8 is a hetero-spike buffer layer and p-type doping of each layer
Density 1E18cm -3As a uniform doping
It shows the structure. Note that this doping
The concentration is a standard value usually used for DBR. FIG.
In the structure of DBR, the decrease in resistivity begins to saturate
The thickness of the spike buffer layer is about 20 nm.
The resistivity is very low, about 2.5 times the bulk resistivity.
Has been reduced to a lower value. In other words, the terror spike buffer layer
If the lower limit of the thickness is 20 nm,
The operating voltage of the element can be set to the lowest value,
Heat can also be minimized. Therefore, oscillation can be maintained
Temperature, as well as the resulting light output. However,
On the other hand, the optical characteristics of DBR
It is said that the reflectance decreases as the thickness of the buffer layer increases
There's a problem. FIG. 9 shows the change in the thickness of the heterospike buffer layer.
Details of how the DBR reflectivity decreases with respect to
It is. Compared to the straight line shown in the figure,
Rapid change in reflectivity when the buffer layer thickness exceeds 50 nm
It can be seen that the rate increases. The oscillation threshold current of the device is
It starts to increase rapidly in response. Therefore, hetero spa
The upper limit of the thickness of the buffer layer is suitably 50 nm.
You. As described above, heteros of 20 nm or more and 50 nm or less
In a DBR with a pike buffer layer, the effect of hetero interface
Resistance can be effectively reduced and
The reflectance can be obtained at the same time. Surface emitting laser using this
Low-threshold element under realistic driving conditions.
It is possible to obtain oscillation with a value current.

【0022】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。
The laser oscillation wavelength of the present invention is 1.1 μm.
m to 1.7 μm long wavelength band surface emitting semiconductor laser,
The thickness is preferably from 20 nm to 50 nm. If the thickness is smaller than this, there is a problem that the resistance becomes large and current does not easily flow, the element generates heat, and the driving energy increases. When the thickness is large, the resistance becomes small, which is advantageous in terms of heat generation of the element and driving energy. However, there is a problem that the reflectance cannot be obtained this time, and as described above, the optimum range (20 nm to 5 nm) is obtained.
(Thickness of 0 nm). 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.
In the case of a long-wavelength surface emitting semiconductor laser of 1 μm to 1.7 μm, it is more effective. This is because, for example, to obtain the same reflectance (for example, 99.5% or more), 0.85
In the case of the 1.1 μm to 1.7 μm band than the μm band, such a material layer can be approximately doubled, so that the resistance value of the semiconductor distributed Bragg reflector can be reduced and the operating voltage can be reduced. In addition, the oscillation threshold current and the like are reduced, which is advantageous in terms of prevention of heat generation of the laser element, stable oscillation, and low energy driving. 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.

【0023】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、AlGa1−xAs(x=1.
0)(低屈折率層〜屈折率小の層)とAlGa1−y
As(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、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。
As an example of a more detailed examination result for obtaining an effective reflectivity, for example, in a 1.3 μm band surface emitting laser device, Al x Ga 1 -x As (x = 1.
0) (low refractive index layer-refractive index small layer) and Al y Ga 1-y
As (y = 0) in the case where the (high refractive index layer-refractive index large layer) 20 period stacking, the reflectance of the semiconductor distributed Bragg reflector is 99.7% or less Al z Ga 1-z As
The thickness of the (0 ≦ y <z <x ≦ 1) layer is 30 nm. The wavelength band where the reflectance is 99.5% or more is 53 nm.
When the reflectance is designed to be 99.5% or more, ± 2
% Can be controlled. Therefore, when prototypes of 10 nm, 20 nm, and 30 nm which are equivalent to and thinner than this were prototyped, the reflectivity could be kept to a practically acceptable level, and the resistance value of the semiconductor distributed Bragg reflector could be reduced. A 1.3 μm band surface emitting laser device was realized, and laser oscillation was successful. Other configurations of the prototyped laser element are as described below. In the multilayer reflector, there is a band having a high reflectivity including the design wavelength (assuming that the film thickness can be completely controlled). High reflectance band (including areas where the reflectance is greater than the required value for the target wavelength)
Call. This is the region where the reflectance at the design wavelength is the highest and decreases very little as the wavelength increases. It drops off sharply from some area. Originally, it is necessary to completely control the film thickness of the multilayer mirror at the atomic layer level so that the reflectance is higher than the required reflectance for the target wavelength. However, a film thickness error of about ± 1% actually occurs, so that the target wavelength deviates from the wavelength having the highest reflectance. For example, when the target wavelength is 1.3 μm, when the film thickness control is shifted by 1%, the wavelength having the highest reflectance is shifted by 13 nm. Therefore, it is desirable that the band of the high reflectance (here, the region where the reflectance is equal to or more than a required value with respect to a target wavelength) is wide. Thus, the laser oscillation wavelength as in the present invention is 1.
In a long-wavelength surface emitting semiconductor laser of 1 μm to 1.7 μm, by devising and optimizing the configuration of such a semiconductor distributed Bragg reflector, it is possible to reduce the resistance value while maintaining a high reflectance. In addition, the operating voltage, the oscillation threshold current, and the like can be reduced, and the prevention of heat generation of the laser element, stable oscillation, and low-energy driving can be achieved.

【0024】再び図1に戻り、最上部の、p−Al
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%(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)、As
(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、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。
Returning again to FIG. 1, the uppermost p-Al x G
The a1 - xAs (x = 0) layer also has a role as a contact layer (p-contact layer) for making contact with an electrode. 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. The entire surface emitting semiconductor laser was grown by MOCVD. In this case, no lattice relaxation was observed. The raw materials constituting each layer of the semiconductor laser include:
TMA (trimethylaluminum), TMG (trimethylgallium), TMI (trimethylindium), As
H 3 (arsine) and PH 3 (phosphine) were used.
H 2 was used as a carrier gas. In the case where the strain is large as in the active layer (quantum well active layer) of the device shown in FIG. Here, Ga
The InAs 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. In addition, high vacuum is not required as in the MBE method, and the supply flow rate and supply time of the source gas may be controlled. In this example, a portion outside the current path was irradiated with protons (H + ) to form an insulating layer (high-resistance portion) to form a current narrowing portion. In this example, a p-side electrode is formed on the p-contact layer which is the uppermost layer of the upper reflector and is a part of the upper reflector, excluding the light emitting portion, and an n-side electrode is formed on the back surface of the substrate. Was formed.

【0025】この例では、上下反射鏡に挟まれた、キャ
リアが注入され再結合する活性領域(本実施例では上部
及び下部スペーサ層と多重量子井戸活性層とからなる共
振器)において、活性領域内にはAlを含んだ材料(II
I族に占める割合が1%以上)を用いず、さらに、下部
及び上部反射鏡の低屈折率層の最も活性層に近い層をG
In1−xAs1−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、GaIn
1−xAs1−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−x
As1−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 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 is used. In the material containing Al (II
The ratio of the low refractive index layers of the lower and upper reflectors closest to the active layer is G.
a x In 1-x P y As 1-y (0 <x ≦ 1,0 <y ≦
The non-radiative recombination preventing layer of 1) is used. That is, by appropriately selecting the value of x or y, GaInP, GaInPAs, or GaPAs is used as the non-radiative recombination preventing layer. Although a small amount of material other than Al may be added to this layer in some cases, the main material is Ga x In.
1−x Py As 1−y (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1). Since the carriers are confined between the low-refractive index layers of the upper and lower reflecting mirrors which are closest to the active layer and have a wide gap, only the active region is constituted by a layer containing no Al (the percentage of group III is 1% or less). However, if the low-refractive index layer (wide gap layer) of the reflector in contact with the active region has a structure containing Al, when carriers are injected and recombined, non-radiative recombination occurs at this interface, and luminous efficiency is reduced. Will drop. Therefore, it is desirable that the active region be formed of a layer containing no Al. The main composition is Ga x In 1-x P
The non-radiative recombination preventing layer made of y As 1-y (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1) has a smaller lattice constant than the GaAs substrate and has a 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. In particular, when the amount of compressive strain of the active layer is large, for example, 2% or more, or when the thickness of the strained layer is larger than the critical thickness, even if non-equilibrium growth such as low-temperature growth is performed, growth cannot be performed due to the presence of defects. This is particularly problematic. If a strained layer is present, such a defect can be prevented from climbing up, so that the luminous efficiency can be improved, a layer having a compressive strain of 2% or more of the active layer can be grown, or the thickness of the strained layer can be reduced to a critical film. It becomes possible to grow thicker than thick.

【0026】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.

【0027】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。
As described above, the interface between the reflector and the active region
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.

【0028】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.Tec
hnol.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GaI
nAs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。なお前述のように、このような
面発光型半導体レーザは、MOCVD法で成長させるこ
とができるが、MBE法等の他の成長方法を用いること
もできる。また活性層の積層構造として、3重量子井戸
構造(TQW)の例を示したが、他の井戸数の量子井戸
を用いた構造(SQW、MQW)等を用いることもでき
る。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、A
s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GaAsS
b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〜1.7μ
m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、GaInNAs、GaAsS
b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。
The oscillation wavelength of the surface emitting semiconductor laser manufactured as described above was about 1.2 μm. GaInAs on a GaAs substrate has a longer wavelength due to an increase in the In composition, but with an increase in the amount of strain. Conventionally, up to 1.1 μm has been considered to be the limit of a longer wavelength (see “IEEE Photonics. Tec”).
hnol. Lett. Vol. 9 (1997) pp. 1319-1321 "). However, as produced by the inventor of the present invention, a high strain GaI is formed by a high non-equilibrium growth method such as low temperature growth of 600 ° C. or less.
The nAs quantum well active layer can be grown coherently thicker than before, and the wavelength can reach 1.2 μm. This wavelength is transparent to the Si semiconductor substrate. Therefore, light transmission through the Si substrate becomes possible in a circuit chip in which an electronic element and an optical element are integrated on the Si substrate. As is apparent from the above description, by using GaInAs having a large In composition and a high compression strain for the active layer, G
It has been found that a long-wavelength surface emitting semiconductor laser can be formed on an aAs substrate. As described above, such a surface emitting semiconductor laser can be grown by MOCVD, but other growth methods such as MBE can also be used. Although the triple quantum well structure (TQW) has been described as an example of the stacked structure of the active layer, a structure (SQW, MQW) using a quantum well of another number of wells may be used. 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. Although the example using GaAs as the semiconductor substrate has been described, the above concept can be applied to a case where 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. Means that N is added and the main elements are Ga, In, N, A
s (GaInNAs active layer).
By actually changing the composition of the GaInNAs active layer, it was possible to perform laser oscillation in each of the 1.3 μm band and the 1.55 μm band. By examining the composition, a surface emitting laser having a longer wavelength, for example, in the 1.7 μm band can be obtained. In addition, GaAsS is used for the active layer.
Even if b is used, a 1.3 μm band surface emitting laser can be realized on a GaAs substrate. Thus, the wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm
The conventional semiconductor laser has no suitable material, but the active layer has a high strain of GaInAs, GaInNAs, or GaAsS.
b and the provision of the non-radiative recombination preventing layer, wavelengths of 1.1 μm to 1.
In the long wavelength region of the 7 μm band, a high-performance surface emitting laser can be realized.

【0029】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.

【0030】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。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。
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. Finally, mesa etching with polyimide (insulating film)
Embed the part removed in step and flatten it.
Remove the polyimide and place the light emitting part on the p-contact layer.
Excluding the p-side electrode, and the n-side electrode on the back of the GaAs substrate.
The pole was formed.

【0031】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−xAs
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GaInPA
s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。
In this example, the lower part of the selectively oxidized layer
Ga as part of the top reflectorxIn 1-xPyAs
1-y(0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1) layers are inserted.
For example, in the case of wet etching, a sulfuric acid etcher
By using a component, GaInPA can be used for the AlGaAs system.
The s-system can be used as an etch stop layer
, GaxIn1-xPyAs1-y(0 <x ≦ 1, 0
<Y ≦ 1) Insertion of layer allows selective oxidation
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.

【0032】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。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。
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. The oscillation wavelength of the surface emitting semiconductor laser manufactured in this manner was about 1.3 μm. In this example, the main element is Ga,
A layer composed of In, N, and As was used for the active layer (GaIn
(NAs active layer), a long-wavelength surface emitting semiconductor laser could be formed on the GaAs substrate. Also, the current was narrowed by selective oxidation of the selectively oxidized layer mainly composed of Al and As, so that 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, since the current narrowing structure can be easily formed, the manufacturing cost can be reduced.

【0033】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、GaInNAs活性層の組成を変えることで、1.
55μm帯、更にはもっと長波長の1.7μm帯の面発
光型半導体レーザも可能となる。GaInNAs活性層
にTl、Sb、Pなど他のIII−V族元素が含まれてい
てもかまわない。また活性層にGaAsSbを用いて
も、GaAs基板上に1.3μm帯の面発光型半導体レ
ーザを実現できる。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(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、GaN
PAs、GaInNP、GaNAsSb、GaInNA
sSb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。
As is clear from the above description, a 1.3 μm band surface emitting semiconductor laser can be realized in the configuration as shown in FIG. 10 as in the case of FIG. Is obtained. The surface-emitting type semiconductor laser shown in FIG. 10 can be grown by MOCVD as in the case of FIG. 1, but other growth methods such as MBE can also be used. Although DMHy is used as a nitrogen source, activated nitrogen and other nitrogen compounds such as NH 3 may be used. Furthermore, although an example of a triple quantum well structure (TQW) has been shown as the stacked structure of the active layer, a structure (SQW, DQW, MQW) using a quantum well of another number of wells may 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 to 1.
A surface emitting semiconductor laser in the 55 μm band, and even in the longer wavelength 1.7 μm band, is also possible. The GaInNAs active layer may contain other III-V elements such as Tl, Sb, and P. Also, even if GaAsSb is used for the active layer, a 1.3 μm band surface emitting semiconductor laser can be realized on a GaAs substrate. In the present invention, as an active layer, a main element is a layer made of Ga, In, or As (GaInAs active layer), or a main element added with N is Ga, In, or
Although the description has been given using the layer composed of N and As (GaInNAs active layer), other than GaNAs, GaPN, GaN
PAs, GaInNP, GaNAsSb, GaInNA
sSb and 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.

【0034】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 comprising 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】 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。
[Table 1] In FIG. 13, two nitrogen peaks are observed in the active layer corresponding to the GaInNAs / GaAs double 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 made of GaAs, and the active layer is made of GaInNAs / GaAs2.
When the distribution of the oxygen concentration in the depth direction was measured for the element configured as the 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,
The luminous efficiency of the active layer is reduced. Oxygen incorporated in this active layer causes A between the substrate and the active layer containing nitrogen.
It has been newly found that this is a cause of lowering the luminous efficiency of a semiconductor light emitting element provided with a semiconductor layer containing l. 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.

【0035】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。
[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.

【0036】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、GaIn
NAs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A
l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Al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。
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. 14 corresponds to the Al concentration profile of FIG. From this, GaIn
Oxygen impurities in the NAs well layer are more likely to be introduced into the well layer than to be taken in with the nitrogen source.
It was clarified that they were incorporated together with l. That is, the Al raw material remaining in the growth chamber or Al
When the reactant, or Al compound, or Al comes into contact with the nitrogen compound raw material, Al is combined with a substance containing oxygen such as water contained in the nitrogen compound raw material or water remaining in the gas line or the reaction chamber. Then, Al and oxygen are taken into the active layer. Our experiments have clarified for the first time that oxygen taken into the active layer has reduced the luminous efficiency of the active layer. So to improve this,
At least the Al source material, the Al reactant, or the Al compound, or the Al remaining in the growth chamber in a place where the nitrogen compound source material or the impurities contained in the nitrogen compound source material touch.
It has been found that it is necessary to provide a step of removing.

【0037】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 between the growth of the semiconductor layer containing Al and the start of the growth of the active layer containing nitrogen, when a nitrogen compound 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.

【0038】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.

【0039】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。
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 reduced 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.

【0040】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.Let
t.、 2000、 36 (21)、 pp1776-1777において、同じMOC
VD成長室でAlGaAs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、A
lGaAs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、MOCV
D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。
When a crystal growth method is used without using an organic metal Al raw material and a nitrogen compound raw material as in a normal MBE method, 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 semiconductor light emitting 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.Let
t., 2000, 36 (21), pp1776-1777, the same MOC
Even when an intermediate layer made of GaAs is provided on the AlGaAs cladding layer in the VD growth chamber, GaInNAs is continuously formed.
It has been reported that when a quantum well layer is grown, the photoluminescence intensity is significantly deteriorated. In the above report, in order to improve the photoluminescence intensity, A
An lGaAs cladding layer and a GaInNAs active layer are grown in different MOCVD growth chambers. Therefore, MOCV
In the case of a crystal growth method using an organic metal Al raw material and a nitrogen compound raw material as in the method D, this is a problem that occurs at least.

【0041】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.

【0042】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。上記のように、本発明における
1.1μm〜1.7μmの長波長帯面発光型レーザの実
現には、高歪のGaInAs、GaInNAs、GaA
sSb活性層が重要であり、そのためには機械的ストレ
スをできるだけ小さくする必要がある。その機械的スト
レスとして、システムの使用温度範囲において、環境や
半導体レーザ自身や駆動回路による発熱のために、半導
体レーザと実装基板との間に発生する熱応力がある。こ
の熱応力は、温度変化に対して、材質により線膨張係数
が異なるため、お互いに固定されて束縛されていること
によって、形状を保持しようとして発生し、その大きさ
は、温度変化や物質の線膨張係数、ヤング率などに依存
している。このような熱応力を発生させないようにする
には、半導体レーザを含むモジュールの温度を一定に保
つ事も考えられるが、コストも高くなり、実使用上温度
を完全に一定にするのは困難である。従って、低コスト
で信頼性の高いシステムを提供するためには、使用部材
と半導体レーザの線膨張係数を近いものを用い、熱応力
による半導体レーザへの影響を小さくすることが望まし
い。
FIG. 18 shows an example in which such a long wavelength band surface emitting semiconductor laser device is formed as a large number of chips on an n-GaAs wafer 40 having a (100) plane orientation, 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. As described above, in order to realize a long-wavelength surface emitting laser of 1.1 μm to 1.7 μm in the present invention, GaInAs, GaInNAs, and GaAs having high strain are required.
The sSb active layer is important, and therefore, it is necessary to minimize mechanical stress. As the mechanical stress, there is a thermal stress generated between the semiconductor laser and the mounting substrate due to the environment, heat generated by the semiconductor laser itself, and a driving circuit in the operating temperature range of the system. This thermal stress is generated by trying to maintain the shape by being fixed and bound to each other because the coefficient of linear expansion differs depending on the material with respect to the temperature change. It depends on the coefficient of linear expansion, Young's modulus, and the like. In order to prevent such thermal stress from occurring, it is conceivable to keep the temperature of the module including the semiconductor laser constant. However, it is also costly and it is difficult to keep the temperature completely constant in practical use. is there. Therefore, in order to provide a low-cost and highly reliable system, it is desirable to use a member having a similar linear expansion coefficient to that of the semiconductor laser to be used, and to reduce the influence of the thermal stress on the semiconductor laser.

【0043】本発明ではこの点に鑑み、各種線膨張係数
の異なる材料によって実装基板を製作し、実際のレーザ
発振時に発生する熱応力およびそれにともなうレーザの
出力特性について検討を行った。使用した面発光型レー
ザは、図1に示すものであり、発振波長は1.3μmの
ものを使用した。また、チップサイズは、5mm×10
mm(厚さ0.6mm)で、300μmピッチで1列に
20個のレーザ素子を形成したものを使用した。一方実
装基板のサイズは10mm×20mm(厚さ2mm)と
した。以下にその結果を示す。表中、○は0〜70℃の
使用環境において安定出力が得られたもの、×は安定出
力が得られず、実用に供さないものをあらわしている。 材料 線膨張係数 レーサ゛の出力特性 石英カ゛ラス 0.3×10-6/K ×スミクリスタル 2×10-6/K × CVDタ゛イヤモント゛ 2×10-6/K × Si 4×10-6/K ○ SiC 4×10-6/K ○ AlN 5×10-6/K ○ GaAs 6×10-6/K ○ Al-Si(60Al-40Si) 15×10-6/K × Cu 17×10-6/K × 本発明の半導体レーザの線膨張係数は6×10−6/K
である。よって、上記結果より、半導体レーザと実装基
板の線膨張係数の差が約2×10−6/K以内にあれ
ば、レーザ発振時に発生する熱応力およびそれにともな
うレーザの出力特性が安定しており、実用的であること
がわかる。中でも、Si、SiC、GaAs、AlN
は、材料入手しやすさ、実装基板としての製作、加工の
しやすさの面からも特に好適に利用できる材料である
In view of this point, in the present invention, mounting substrates were manufactured from various materials having different linear expansion coefficients, and the thermal stress generated during actual laser oscillation and the output characteristics of the laser accompanying the stress were examined. The surface emitting laser used is that shown in FIG. 1 and has an oscillation wavelength of 1.3 μm. The chip size is 5mm × 10
A laser device having 20 mm in thickness (0.6 mm in thickness) and 20 laser elements formed in one row at a pitch of 300 μm was used. On the other hand, the size of the mounting substrate was 10 mm × 20 mm (2 mm thick). The results are shown below. In the table, ○ indicates that a stable output was obtained in a use environment of 0 to 70 ° C., and X indicates that a stable output was not obtained and was not practically used. Material Linear expansion coefficient Laser output characteristics Quartz glass 0.3 × 10 -6 / K × Sumicrystal 2 × 10 -6 / K × CVD diamond 2 × 10 -6 / K × Si 4 × 10 -6 / K ○ SiC 4 × 10 -6 / K ○ AlN 5 × 10 -6 / K ○ GaAs 6 × 10 -6 / K ○ Al-Si (60Al-40Si) 15 × 10 -6 / K × Cu 17 × 10 -6 / K × book The linear expansion coefficient of the semiconductor laser of the present invention is 6 × 10 −6 / K
It is. Therefore, from the above results, if the difference between the linear expansion coefficients of the semiconductor laser and the mounting substrate is within about 2 × 10 −6 / K, the thermal stress generated during laser oscillation and the output characteristics of the laser accompanying it are stable. It turns out that it is practical. Among them, Si, SiC, GaAs, AlN
Is a material that can be particularly preferably used in terms of material availability, fabrication as a mounting substrate, and ease of processing.

【0044】また、実装基板を固定している放熱部材に
ついても、半導体レーザの線膨張係数に近いものを選ぶ
ことによって、実装基板への歪みが小さくなり、ひいて
は半導体レーザに与える機械的ストレスも軽減される。
更に、放熱部材として用いるため、熱伝導率は高いこと
が要求される。本発明ではこの点に鑑み、各種熱伝導率
の異なる材料によって放熱部材を製作し、実際のレーザ
発振時に発生する熱によるレーザの出力特性について検
討を行った。使用した面発光型レーザは、上記実装基板
検討時のものと同じであり、実装基板としてはここでは
SiCを使用した。そのサイズも上記検討時と同じであ
る。以下にその結果を示す。表中、○は0〜70℃の使
用環境において安定出力が得られたもの、×は安定出力
が得られず、実用に供さないものをあらわしている。 材料 熱伝導率 レーサ゛の出力特性 SiO2 〜8W/mK ×アルミナ (Al2O3) 〜17W/mK ×コハ゛ール 〜17W/mK × AlN 〜200W/mK ○ Cu/W 180〜200W/mK ○ W 〜170W/mK ○ Mo 〜160W/mK ○ Cu 〜390W/mK ○ 本発明の半導体レーザの熱伝導率は55W/mKであ
る。よって、上記結果より、本発明の半導体レーザの熱
伝導率より放熱部材の熱伝導率が大きい場合に良好な結
果が得られることがわかる。つまり放熱部材の熱伝導率
が本発明の半導体レーザの熱伝導率より大きい場合に
は、レーザ発振時に発生する熱が実装基板に伝わり、そ
の後半導体レーザ側に戻ることなく放熱部材に伝わるの
で、熱を効率よく逃がすことができる。よって蓄熱にと
もなうレーザの出力特性変動が生じず、安定した実用的
な特性が得られることがわかる。中でも、AlN、Cu
/W、W、Mo、Cuは、材料入手しやすさ、放熱部材
としての製作、加工のしやすさの面からも特に好適に利
用できる材料である。特にCu/Wは、組成比を制御
し、熱伝導を上記の範囲にしたものは、後述の図20に
示したような、パッケージ基板としても用いることがで
きるため、非常に好ましい。
Also, by selecting a heat dissipating member that fixes the mounting substrate to a material having a coefficient of linear expansion close to that of the semiconductor laser, distortion to the mounting substrate is reduced, and mechanical stress applied to the semiconductor laser is reduced. Is done.
Furthermore, since it is used as a heat radiating member, it is required to have high thermal conductivity. In view of this point, in the present invention, a heat radiating member was manufactured from various materials having different thermal conductivity, and the output characteristics of the laser due to heat generated during actual laser oscillation were examined. The surface emitting laser used was the same as that used in the study of the mounting substrate, and SiC was used here as the mounting substrate. The size is also the same as in the above study. The results are shown below. In the table, ○ indicates that a stable output was obtained in a use environment of 0 to 70 ° C., and X indicates that a stable output was not obtained and was not practically used. Material Thermal conductivity Laser output characteristics SiO 2 〜8 W / mK × alumina (Al 2 O 3 ) 1717 W / mK × Kohal 1717 W / mK × AlN 200200 W / mK ○ Cu / W 180∼200 W / mK ○ W 〜 170 W / mK Mo-160 W / mK Cu-390 W / mK The semiconductor laser of the present invention has a thermal conductivity of 55 W / mK. Therefore, it can be seen from the above results that good results are obtained when the heat conductivity of the heat radiation member is larger than the heat conductivity of the semiconductor laser of the present invention. In other words, when the heat conductivity of the heat radiating member is larger than the heat conductivity of the semiconductor laser of the present invention, heat generated during laser oscillation is transmitted to the mounting substrate, and then transmitted to the heat radiating member without returning to the semiconductor laser side. Can be escaped efficiently. Therefore, it can be seen that the output characteristics of the laser do not fluctuate due to heat storage, and stable and practical characteristics can be obtained. Among them, AlN, Cu
/ W, W, Mo, and Cu are materials that can be particularly suitably used from the viewpoint of availability of materials, production as a heat radiation member, and ease of processing. Particularly, Cu / W in which the composition ratio is controlled and the heat conduction is in the above range is very preferable because it can be used also as a package substrate as shown in FIG. 20 described later.

【0045】以下に、このような部材を用いた光通信シ
ステムの例を示す。通信システムは、面発光型半導体レ
ーザとその駆動回路を有する光送信部、面型受光素子と
その駆動回路を有する光受光部、及びそれらの間の伝送
経路として作用する光ファイバーまたは光導波路からな
っている。半導体レーザ及び面型受光素子の駆動回路
は、それぞれの素子と同一の実装基板上に実装している
か、あるいは半導体レーザ素子形成基板にウエハプロセ
スにより、レーザ素子形成と同様に作り込んでいる。ま
た、光伝送経路の両側に、光送信部と光受光部を備える
ことで、双方向の通信を行う光通信システムが実現でき
る。図19にこのような光通信システムの光送信部の一
例を示す。光送信部は、面発光型半導体レーザ50、半
導体レーザを駆動する駆動回路51、これらを実装する
実装基板52、半導体レーザの位置調整と放熱をかねた
放熱部材53、放熱部材を保持し、ヒートシンク及び放
熱フィンとして用いられる金属パッケージ54、及び光
伝送路としての光ファイバ55から構成される。金属パ
ッケージ54と放熱部材53、実装基板52は、半田ま
たは樹脂により機械的及び熱的に接続されている。ま
た、半導体レーザ50と駆動回路51は、ワイヤボンデ
ィング等により電気的に接続されている。ここでは半導
体レーザとして、図1の構成で発振波長はが1.2μm
のものを使用した。実装基板として、線膨張係数4×1
−6/KのSi基板を用い、半導体レーザをAuSn
半田で、ダイボンディングし、電極と電気的、機械的に
接続した。Si基板表面には、200nmのSiO
が形成されている。ここでは、熱酸化を用いたが、CV
DやSOGで形成したSiO膜でも良い。また、酸化
膜は絶縁のために用いているが、放熱特性がSiより劣
るため、絶縁性が十分な範囲でできるだけ薄いのが望ま
しく、必要がなければ形成しなくともよい。同様に半導
体レーザを駆動する駆動回路も同じ実装基板上に固定し
た。この実装基板を固定している放熱用部材として、熱
伝導性が高く、線膨張係数のマッチングも取れているA
lN(線膨張係数5×10−6/K、熱伝導率200W
/mK)を用い、金属パッケージには、Cu/Wの粉体
成型品を用いた。その組成比は、89W−11Cuで、
線膨張整数は、6.5×10−6/K、熱伝導率は、1
80W/mKであった。この様な粉体成型品は、低コス
トで高い寸法精度が得られ、また、放熱フィンや形状な
ど容易に形成でき、効率的に放熱できる。ここでは、コ
ア径50μmのマルチモード光ファイバを用い、半導体
レーザと光学的に接続した。このような光通信システム
を0〜70℃の使用環境において検討したところレーザ
出力も安定で、特性変化がなく、寿命劣化もなく、良好
な光通信システムが可能となった。
An example of an optical communication system using such members will be described below. The communication system is composed of a light emitting unit having a surface emitting semiconductor laser and its driving circuit, a light receiving unit having a surface light receiving element and its driving circuit, and an optical fiber or an optical waveguide acting as a transmission path between them. I have. The drive circuits for the semiconductor laser and the surface-type light receiving element are mounted on the same mounting substrate as the respective elements, or are formed on the semiconductor laser element formation substrate by a wafer process in the same manner as the laser element formation. In addition, by providing an optical transmitting unit and an optical receiving unit on both sides of the optical transmission path, an optical communication system that performs bidirectional communication can be realized. FIG. 19 shows an example of an optical transmission unit of such an optical communication system. The light transmitting unit includes a surface-emitting type semiconductor laser 50, a driving circuit 51 for driving the semiconductor laser, a mounting substrate 52 for mounting these components, a heat radiating member 53 for adjusting the position and radiating heat of the semiconductor laser, and holding a heat radiating member. And a metal package 54 used as a radiation fin and an optical fiber 55 as an optical transmission path. The metal package 54, the heat radiating member 53, and the mounting board 52 are mechanically and thermally connected by solder or resin. The semiconductor laser 50 and the drive circuit 51 are electrically connected by wire bonding or the like. Here, as a semiconductor laser, the configuration shown in FIG. 1 has an oscillation wavelength of 1.2 μm.
Was used. Linear expansion coefficient 4 × 1 as mounting board
A Si substrate of 0 -6 / K, AuSn a semiconductor laser
Die bonding was performed with solder, and the electrodes were electrically and mechanically connected. A 200 nm SiO 2 film is formed on the surface of the Si substrate. Here, thermal oxidation was used, but CV
An SiO 2 film formed of D or SOG may be used. Although the oxide film is used for insulation, since the heat radiation property is inferior to that of Si, it is desirable that the oxide film be as thin as possible within a sufficient range of insulation. Similarly, a drive circuit for driving the semiconductor laser was fixed on the same mounting substrate. As a heat-dissipating member fixing this mounting board, A having high thermal conductivity and matching of linear expansion coefficient
1N (linear expansion coefficient 5 × 10 −6 / K, thermal conductivity 200 W
/ MK), and a powder molded product of Cu / W was used for the metal package. The composition ratio is 89W-11Cu,
The linear expansion integer is 6.5 × 10 −6 / K, and the thermal conductivity is 1
It was 80 W / mK. Such a powder molded product can obtain high dimensional accuracy at low cost, and can be easily formed such as a radiation fin or a shape, and can efficiently radiate heat. Here, a multimode optical fiber having a core diameter of 50 μm was used and optically connected to the semiconductor laser. Examination of such an optical communication system in a use environment of 0 to 70 ° C. has revealed that the laser output is stable, the characteristics do not change, the life is not deteriorated, and an excellent optical communication system is possible.

【0046】Si基板の代わりに、GaAs(線膨張係
数6×10−6/K)やAlN(線膨張係数5×10
−6/K)やSiC(線膨張係数4×10−6/K)基
板を実装基板として用いた場合も、良好な結果を得た。
AlNやSiC基板の場合は、絶縁性基板であるため、
酸化膜の形成はしていない。それ以外は、上記と同じ構
造としている。取り扱いやコストの点で、SiやAlN
が実装基板としては好ましい。また、放熱部材として、
AlNの代わりに、89W−11Cuや85W−15C
u、80W−20CuのCu/W(これらの線膨張係数
は、6〜8×10−6/K、熱伝導率は180〜200
W/mKであった)やW、Mo、Cuを用いても良好な
結果を得た。なお、ここでは、送信部の半導体レーザは
単体で用いたが、それらを複数アレイ化した大容量光通
信システムには本発明のような実装基板材料や放熱部材
が特に好適に用いられる。例えば本発明の面発光型半導
体レーザの特徴を活かして、1枚のチップ上に複数のレ
ーザ素子を形成したマルチレーザアレイチップの場合
は、複数のレーザ素子が近接して形成されているため、
レーザ発振による熱発生およびその蓄熱による熱応力お
よびそれによるレーザ出力特性の変動が特に問題とな
る。さらにこのようなチップ上には、レーザ素子駆動回
路も同時に形成することもあり、その駆動回路から発生
する熱も重畳され、よりいっそう問題となる。その場合
であっても、本発明のような実装基板材料や放熱部材を
適切に選ぶことにより、何ら問題が発生することなく、
安定したレーザ出力が得られる。
Instead of the Si substrate, GaAs (linear expansion coefficient 6 × 10 −6 / K) or AlN (linear expansion coefficient 5 × 10
−6 / K) or SiC (linear expansion coefficient: 4 × 10 −6 / K) substrate was used as a mounting substrate, and good results were obtained.
In the case of an AlN or SiC substrate, since it is an insulating substrate,
No oxide film was formed. Otherwise, it has the same structure as above. In terms of handling and cost, Si and AlN
Is preferable as a mounting substrate. In addition, as a heat dissipation member,
89W-11Cu or 85W-15C instead of AlN
u, Cu / W of 80W-20Cu (their coefficient of linear expansion is 6 to 8 × 10 −6 / K, and the thermal conductivity is 180 to 200
W / mK), W, Mo and Cu. Here, although the semiconductor laser of the transmission unit is used alone, a mounting substrate material and a heat radiation member as in the present invention are particularly suitably used in a large-capacity optical communication system in which a plurality of the semiconductor lasers are arrayed. For example, in the case of a multi-laser array chip in which a plurality of laser elements are formed on one chip by utilizing the features of the surface emitting semiconductor laser of the present invention, since a plurality of laser elements are formed in close proximity,
Heat generation due to laser oscillation, thermal stress due to heat storage, and fluctuations in laser output characteristics due to heat generation are particularly problematic. Further, a laser element driving circuit may be formed on such a chip at the same time, and the heat generated from the driving circuit is also superimposed, which causes a further problem. Even in that case, by appropriately selecting the mounting board material and the heat dissipation member as in the present invention, without any problem,
A stable laser output is obtained.

【0047】なお従来は本発明のような発振波長が1.
1μm〜1.7μmである面発光型半導体レーザ素子が
存在しなかったため、これを用いた通信システムやこの
ような長波長帯の面発光型半導体レーザ素チップの実装
時の技術課題が明らかにされていなかった。しかしなが
ら今回本発明によって初めて、具体的な技術課題が認識
され、そしてその解決手段が明らかになったのである。
また、半導体レーザと光カップリングさせる光伝送路
も、マルチモードファイバとしたが、光導波路やシング
ルモード光ファイバ、プラスチック光ファイバなどでも
構わない。本発明の半導体レーザは、ペルチェ素子モジ
ュールのような高コストの放熱用部材を用いる必要はな
いが、その使用を妨げるものではない。次に、本発明の
他の実施例を図20に示す。図19同様、光通信システ
ムの光送信部を示している。本実施例では、放熱部材
が、金属パッケージをかねている。光送信部は、1枚の
チップ上に複数のレーザ素子をアレイ化したレーザアレ
イチップ56、半導体レーザを駆動する駆動回路、これ
らを実装する実装基板57、実装基板を固定し、ヒート
シンク及び放熱フィンとして用いられる金属パッケージ
58、及び光伝送路としての光ファイバ59とそれを固
定しているフェルール60から構成される。金属パッケ
ージ58と実装基板57は、半田または樹脂により機械
的及び熱的に接続されている。また、半導体レーザと駆
動回路(図示されていない)は、ワイヤボンディング等
により電気的に接続されている。
Conventionally, the oscillation wavelength as in the present invention is 1.
Since there was no surface emitting semiconductor laser device having a thickness of 1 μm to 1.7 μm, technical problems in mounting a communication system using such a device and mounting a surface emitting semiconductor laser chip in such a long wavelength band were clarified. I didn't. However, for the first time, specific technical problems have been recognized by the present invention, and the solution has been clarified.
Further, the optical transmission line for optical coupling with the semiconductor laser is also a multimode fiber, but may be an optical waveguide, a single mode optical fiber, a plastic optical fiber, or the like. The semiconductor laser of the present invention does not need to use a high-cost heat radiation member such as a Peltier device module, but does not prevent the use thereof. Next, another embodiment of the present invention is shown in FIG. 19 shows an optical transmission unit of the optical communication system as in FIG. In this embodiment, the heat radiation member also functions as a metal package. The optical transmitter includes a laser array chip 56 in which a plurality of laser elements are arrayed on a single chip, a drive circuit for driving a semiconductor laser, a mounting board 57 on which these are mounted, and a heat sink and a radiation fin. And an optical fiber 59 as an optical transmission line and a ferrule 60 fixing the same. The metal package 58 and the mounting board 57 are mechanically and thermally connected by solder or resin. The semiconductor laser and a drive circuit (not shown) are electrically connected by wire bonding or the like.

【0048】ここでは半導体レーザとして、図8に示す
ものを用い、発振波長は1.3μmで、対抗する光ファ
イバと同じ250μmピッチで4個アレイ化した素子を
用いた。先の実施例同様、実装基板として、Si基板を
用い、半導体レーザをAuSn半田で、ダイボンディン
グし、電極と電気的、機械的に接続した。Si基板表面
には、200nmのSiO膜が形成されている。ここ
では、熱酸化を用いたが、CVDやSOGでも良い。ま
た、酸化膜は絶縁のために用いているが、放熱特性がS
iより劣るため、絶縁性が十分な範囲でできるだけ薄い
のが望ましく、必要がなければ形成しなくともよい。同
様に半導体レーザを駆動する駆動回路(図示されていな
い)も同じ実装基板上に固定した。この実装基板を固定
する、放熱用部材をかねた金属パッケージには、Cu/
Wの粉体成型品を用いた。その組成比は、89W−11
Cuで、線膨張係数は、6.5×10−6/Kと半導体
レーザ及び実装基板の線膨張係数と近い値で、熱伝導率
は180W/mKであった。この様な粉体成型品は、低
コストで高い寸法精度が得られ、また、放熱フィンや形
状など容易に形成でき、効率的に放熱できる。光伝送路
として、コア径50μmのマルチモード光ファイバを2
50μmピッチで並べた4本用い、半導体レーザと光学
的に接続した。このような光通信システムを0〜70℃
の使用環境において検討したところレーザ出力も安定で
特性変化がなく、寿命劣化もなく、良好な光通信システ
ムが可能となった。金属パッケージが放熱部材をかねて
いるため、部品点数が少なく、放熱効率も高いシステム
が構築できた。
Here, the semiconductor laser shown in FIG. 8 was used, and an element having an oscillation wavelength of 1.3 μm and being arrayed in four at the same pitch of 250 μm as the opposing optical fiber was used. As in the previous embodiment, an Si substrate was used as a mounting substrate, and a semiconductor laser was die-bonded with AuSn solder to be electrically and mechanically connected to electrodes. A 200 nm SiO 2 film is formed on the surface of the Si substrate. Here, thermal oxidation is used, but CVD or SOG may be used. Although the oxide film is used for insulation, the heat dissipation characteristic is S
Since it is inferior to i, it is desirable that the insulating property is as thin as possible within a sufficient range. Similarly, a drive circuit (not shown) for driving the semiconductor laser was fixed on the same mounting substrate. The metal package for fixing the mounting substrate and also serving as a heat dissipation member includes Cu /
A powder molded product of W was used. Its composition ratio is 89W-11.
The coefficient of linear expansion of Cu was 6.5 × 10 −6 / K, a value close to the linear expansion coefficients of the semiconductor laser and the mounting substrate, and the thermal conductivity was 180 W / mK. Such a powder molded product can obtain high dimensional accuracy at low cost, and can be easily formed such as a radiation fin or a shape, and can efficiently radiate heat. A multi-mode optical fiber having a core diameter of 50 μm is used as an optical transmission line.
Four of them were arranged at a pitch of 50 μm and optically connected to a semiconductor laser. Such an optical communication system is set at 0 to 70 ° C.
Investigations have been made in the use environment, and the laser output is stable, there is no change in characteristics, and there is no deterioration in the life, and a good optical communication system has become possible. Since the metal package also functions as a heat radiating member, a system with a small number of components and high heat radiating efficiency could be constructed.

【0049】Si基板の代わりに、GaAsやAlNや
SiC基板を実装基板として用いた場合も、同様に良好
な結果を得た。AlNやSiC基板の場合は、絶縁性基
板であるため、酸化膜の形成はしていない。それ以外
は、上記と同じ構造としている。ここでは、半導体レー
ザ及び光ファイバを4個用いているが、1個でも、また
は、8、12、16個など必要に応じて複数用いられ
る。特に本発明の面発光型半導体レーザの特徴を活かし
て、1枚のチップ上に複数のレーザ素子を形成したマル
チレーザアレイチップの場合は、簡単に多数のレーザ素
子を形成できるため、大容量通信用に最適であり、熱の
問題が重要となるが、本発明のような実装基板材料や放
熱部材を適切に選ぶことにより、何ら問題が発生するこ
となく、安定したレーザ出力が得られる。また、半導体
レーザと光カップリングさせる光伝送路も、マルチモー
ドファイバとしたが、光導波路やシングルモード光ファ
イバ、プラスチック光ファイバなどでも構わない。
Similarly, when a GaAs, AlN or SiC substrate was used as the mounting substrate instead of the Si substrate, good results were obtained. In the case of an AlN or SiC substrate, an oxide film is not formed because the substrate is an insulating substrate. Otherwise, it has the same structure as above. Here, four semiconductor lasers and four optical fibers are used; In particular, in the case of a multi-laser array chip in which a plurality of laser elements are formed on one chip by taking advantage of the features of the surface-emitting type semiconductor laser of the present invention, a large number of laser elements can be easily formed. Although the problem of heat is important, stable laser output can be obtained without any problem by properly selecting the mounting substrate material and the heat radiation member as in the present invention. Further, the optical transmission line for optical coupling with the semiconductor laser is also a multimode fiber, but may be an optical waveguide, a single mode optical fiber, a plastic optical fiber, or the like.

【0050】[0050]

【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することにより、
動作電圧、発振閾値電流等を低くでき、低消費電力で、
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。さら
に、レーザチップとそのレーザチップを実装する基板材
料の線膨張係数の差を2×10−6/K以内であるよう
にすることによって、高歪のGaInNAs活性層をも
つ長波長帯面発光型レーザの線膨張係数と実装基板の線
膨張係数の差を小さくできるため、熱応力の発生が抑制
され、結果として熱応力によって発生する半導体レーザ
の特性変動を低減しつつ、寿命の低下を防止でき、信頼
性の高い光通信システムが実現できた。また請求項2で
は、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、低消費電力で、
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。さら
に、長波長帯面発光型レーザチップをSi、SiC、G
aAs、AlNのいずれかからなる基板に実装すること
によって、高歪のGaInNAs活性層をもつ長波長帯
面発光型レーザの線膨張係数と実装基板の線膨張係数の
差が小さいため、熱応力の発生が抑制され、結果として
熱応力によって発生する半導体レーザの特性変動を低減
しつつ、寿命の低下を防止でき、信頼性の高い光通信シ
ステムが実現できた。また請求項3では、非発光再結合
防止層を設けてなる面発光型半導体レーザ素子チップと
することにより安定した発振が可能となり、これを発光
光源とした実用的な光通信システムが実現できた。さら
に、レーザチップとそのレーザチップを実装する基板材
料の線膨張係数の差を2×10−6/K以内であるよう
にすることによって、高歪のGaInNAs活性層をも
つ長波長帯面発光型レーザの線膨張係数と実装基板の線
膨張係数の差を小さくできるため、熱応力の発生が抑制
され、結果として熱応力によって発生する半導体レーザ
の特性変動を低減しつつ、寿命の低下を防止でき、信頼
性の高い光通信システムが実現できた。
As described above, according to the first aspect of the present invention, by devising a semiconductor distributed Bragg reflector,
The operating voltage, oscillation threshold current, etc. can be reduced, with low power consumption.
Stable oscillation was achieved with little heat generation of the laser element, and a practical optical communication system at low cost was realized. Further, by setting the difference between the linear expansion coefficients of the laser chip and the substrate material on which the laser chip is mounted to be within 2 × 10 −6 / K, a long-wavelength surface emission type having a GaInNAs active layer with a high strain is provided. Since the difference between the coefficient of linear expansion of the laser and the coefficient of linear expansion of the mounting board can be reduced, the occurrence of thermal stress is suppressed.As a result, the characteristic fluctuation of the semiconductor laser caused by the thermal stress can be reduced, and the life can be prevented from being shortened. Thus, a highly reliable optical communication system was realized. Further, in the second aspect, by devising a semiconductor distributed Bragg reflector,
The operating voltage, oscillation threshold current, etc. can be reduced, with low power consumption.
Stable oscillation was achieved with little heat generation of the laser element, and a practical optical communication system at low cost was realized. Further, a long-wavelength band surface emitting laser chip is made of Si, SiC, G
By mounting on a substrate made of either aAs or AlN, the difference between the linear expansion coefficient of the long wavelength band surface emitting laser having the GaInNAs active layer with high strain and the linear expansion coefficient of the mounting substrate is small, so that thermal stress is reduced. The generation is suppressed, and as a result, the fluctuation in the characteristics of the semiconductor laser caused by the thermal stress is reduced, the reduction in the life is prevented, and a highly reliable optical communication system can be realized. According to the third aspect of the present invention, a surface-emitting type semiconductor laser device chip provided with a non-radiative recombination preventing layer enables stable oscillation and realizes a practical optical communication system using this as a light emitting light source. . Further, by setting the difference between the linear expansion coefficients of the laser chip and the substrate material on which the laser chip is mounted to be within 2 × 10 −6 / K, a long-wavelength surface emission type having a GaInNAs active layer with a high strain is provided. Since the difference between the coefficient of linear expansion of the laser and the coefficient of linear expansion of the mounting board can be reduced, the occurrence of thermal stress is suppressed.As a result, the characteristic fluctuation of the semiconductor laser caused by the thermal stress can be reduced, and the life can be prevented from being shortened. Thus, a highly reliable optical communication system was realized.

【0051】また請求項4では、非発光再結合防止層を
設けてなる面発光型半導体レーザ素子チップとすること
により安定した発振が可能となり、これを発光光源とし
た実用的な光通信システムが実現できた。さらに、長波
長帯面発光型レーザチップをSi、SiC、GaAs、
AlNのいずれかからなる基板に実装することによっ
て、高歪のGaInNAs活性層をもつ長波長帯面発光
型レーザの線膨張係数と実装基板の線膨張係数の差が小
さいため、熱応力の発生が抑制され、結果として熱応力
によって発生する半導体レーザの特性変動を低減しつ
つ、寿命の低下を防止でき、信頼性の高い光通信システ
ムが実現できた。また請求項5では、前記レーザチップ
を実装した実装基板は、放熱部材に固定されており、該
放熱部材は前記レーザチップより熱伝導率が大きい材料
よりなるので、半導体レーザで発生する熱を効率良く逃
がすことができるようになった.その結果、レーザ出力
のその特性変動が低減でき、寿命低下を防止でき、より
信頼性の高い光通信システムが実現できた。また請求項
6では、実装基板が固定されている放熱部材をAlN、
Cu/W、W、Moのいずれかからなることによって、
熱伝導率が大きいため半導体レーザやレーザ駆動回路か
ら発生する熱を効率よく放熱することができ、また放熱
部材の線膨張係数と実装基板の線膨張係数との差も小さ
いため、熱応力が発生せず、ひいては長波長帯面発光型
半導体レーザにも歪みを与えないため、半導体レーザの
特性変動を低減しつつ、寿命の低下を防止でき、信頼性
の高い光通信システムを実現できた。また請求項7で
は、実装基板が固定されている放熱部材を光送信モジュ
ールのパッケージにすることで、部品点数が少なく、ま
た放熱特性も良好で、長波長帯面発光型半導体レーザの
特性変動を低減しつつ、寿命の低下を防止でき、信頼性
の高い光通信システムを実現できた。
According to a fourth aspect of the present invention, a surface emitting type semiconductor laser device chip provided with a non-radiative recombination preventing layer enables stable oscillation, and a practical optical communication system using this as a light emitting light source. I realized it. Further, a long wavelength band surface emitting laser chip is used for Si, SiC, GaAs,
By mounting on a substrate made of any of AlN, the difference between the linear expansion coefficient of the long-wavelength band surface emitting laser having a GaInNAs active layer with high strain and the linear expansion coefficient of the mounting substrate is small, so that thermal stress is generated. As a result, the variation in characteristics of the semiconductor laser caused by thermal stress can be reduced, and the life of the semiconductor laser can be prevented from being reduced. Thus, a highly reliable optical communication system can be realized. According to claim 5, the mounting board on which the laser chip is mounted is fixed to a heat radiating member, and the heat radiating member is made of a material having a higher thermal conductivity than the laser chip. I was able to escape better. As a result, the characteristic fluctuation of the laser output can be reduced, the life can be prevented from being shortened, and a more reliable optical communication system can be realized. In a sixth aspect, the heat radiation member to which the mounting substrate is fixed is AlN,
By being made of any of Cu / W, W, and Mo,
High thermal conductivity enables efficient heat dissipation from semiconductor lasers and laser drive circuits. Also, the difference between the coefficient of thermal expansion of the heat dissipating member and the coefficient of linear expansion of the mounting board is small, causing thermal stress. As a result, the long-wavelength surface emitting semiconductor laser is not distorted, so that the characteristic fluctuation of the semiconductor laser can be reduced, the life can be prevented from being shortened, and a highly reliable optical communication system can be realized. According to a seventh aspect of the present invention, the heat radiation member to which the mounting substrate is fixed is formed into a package of the optical transmission module, so that the number of components is small, the heat radiation characteristic is good, and the characteristic fluctuation of the long wavelength band surface emitting semiconductor laser is reduced. A reduction in the life can be prevented, and a highly reliable optical communication system can be realized.

【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
導体レーザ素子を用いた通信システムの光送信部を示す
模式図である。
FIG. 19 is a schematic diagram showing an optical transmission unit of a communication system using a long-wavelength surface emitting semiconductor laser device according to one embodiment of the present invention.

【図20】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザ素子を用いた通信システムの光送信部を示す
模式図である。
FIG. 20 is a schematic diagram showing an optical transmission unit of a communication system using a long-wavelength band surface emitting semiconductor laser device according to one 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 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) 5F073 AA74 AB04 AB28 BA02 CA07 CA17 CB02 DA05 FA13 FA15 FA22 GA38  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Teruyuki Furuta 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Co., Ltd. (72) Inventor Kazuya Miyagaki 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Co., Ltd. (72) Inventor Ken Kanai 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Co., Ltd. (72) Atsushi Watada 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Ricoh Co., Ltd. (72) Inventor Shunichi Sato 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Ricoh Co., Ltd. (72) Inventor Yukie Suzuki 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Ricoh Co., Ltd. (72) Invention Person Satoru Sugawara 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Company (72) Inventor Shinji Sato 1-3-6, Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Stock Company Inside Ricoh (72) Inventor Shuichi Hikichi 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Ricoh Co., Ltd. (72) Inventor Naoto Shakuya 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Ricoh Co., Ltd. 72) Inventor Takashi Takahashi 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo F-term in Ricoh Co., Ltd. 5F073 AA74 AB04 AB28 BA02 CA07 CA17 CB02 DA05 FA13 FA15 FA22 GA38

Claims (7)

【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、
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
源とした光通信システムであって、前記レーザチップと
該レーザチップを実装する基板材料の線膨張係数の差が
2×10−6/K以内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
Alternatively, a surface emitting semiconductor laser device chip having a resonator structure including a reflecting mirror provided on an upper portion and a lower portion of the active layer 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
The semiconductor distributed Bragg reflector in which the refractive index of the material layer constituting the reflecting mirror periodically changes to a value different from the above, reflects incident light by light wave interference, and the material layer having the small refractive index 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.
Light emitted from a surface-emitting type semiconductor laser device chip such as a reflector having a hetero-spike buffer layer of 1-z As (0 ≦ y <z <x ≦ 1) having a thickness of 20 nm to 50 nm. An optical communication system, wherein a difference between linear expansion coefficients of the laser chip and a substrate material on which the laser chip is mounted is within 2 × 10 −6 / K.
【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
性層お主たる元素が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
源とした光通信システムであって、前記レーザチップを
実装する基板がSi、SiC、GaAs、AlNの何れ
かより構成されることを特徴とする光通信システム。
2. In a laser chip and an optical communication system connected to the laser chip, the laser chip has an oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm, and an active layer that generates light is mainly Ga or In. , N, As
Alternatively, a surface emitting semiconductor laser device chip having a resonator structure including a reflecting mirror provided on an upper portion and a lower portion of the active layer 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
The semiconductor distributed Bragg reflector in which the refractive index of the material layer constituting the reflecting mirror periodically changes to a value different from the above, reflects incident light by light wave interference, and the material layer having the small refractive index 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.
Light emitted from a surface-emitting type semiconductor laser device chip such as a reflector having a hetero-spike buffer layer of 1-z As (0 ≦ y <z <x ≦ 1) having a thickness of 20 nm to 50 nm. An optical communication system, wherein a substrate on which the laser chip is mounted is made of one of Si, SiC, GaAs, and AlN.
【請求項3】 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、
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
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光通信システムであって、前記レ
ーザチップと該レーザチップを実装する基板材料の線膨
張係数の差が2×10−6/K以内であることを特徴と
する光通信システム。
3. 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
Alternatively, a surface emitting semiconductor laser device chip having a resonator structure including a reflecting mirror provided on an upper portion and a lower portion of the active layer 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
The semiconductor distributed Bragg reflector in which the refractive index of the material layer constituting the reflecting mirror periodically changes to a value different from the above, reflects incident light by light wave interference, and the material layer having the small refractive index 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 ) is the the reflecting mirror, main composition between said reflector and said active layer is Ga x In 1-x P y A
An optical communication system in which a surface-emitting type semiconductor laser device chip provided with a non-radiative recombination prevention layer composed of s 1-y (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1) layers is used as a light emitting source, An optical communication system, wherein a difference between linear expansion coefficients of a laser chip and a substrate material on which the laser chip is mounted is within 2 × 10 −6 / K.
【請求項4】 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、
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
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光通信システムであって、前記レ
ーザチップを実装する基板がSi、SiC、GaAs、
AlNの何れかより構成されることを特徴とする光通信
システム。
4. 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
Alternatively, a surface emitting semiconductor laser device chip having a resonator structure including a reflecting mirror provided on an upper portion and a lower portion of the active layer 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
The semiconductor distributed Bragg reflector in which the refractive index of the material layer constituting the reflecting mirror periodically changes to a value different from the above, reflects incident light by light wave interference, and the material layer having the small refractive index 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 ) is the the reflecting mirror, main composition between said reflector and said active layer is Ga x In 1-x P y A
An optical communication system in which a surface-emitting type semiconductor laser device chip provided with a non-radiative recombination prevention layer composed of s 1-y (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1) layers is used as a light emitting source, The substrate on which the laser chip is mounted is Si, SiC, GaAs,
An optical communication system comprising any one of AlN.
【請求項5】 前記レーザチップを実装した実装基板
は、放熱部材に固定されており、該放熱部材は前記レー
ザチップより熱伝導率が大きい材料よりなることを特徴
とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の光通信シス
テム。
5. The mounting board according to claim 1, wherein the mounting board on which the laser chip is mounted is fixed to a heat radiating member, and the heat radiating member is made of a material having a higher thermal conductivity than the laser chip. The optical communication system according to claim 1.
【請求項6】 前記レーザチップを実装した実装基板
は、放熱部材に固定されており、該放熱部材は、Al
N、Cu/W、W、Mo、Cuのいずれかからなること
を特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の光通
信システム。
6. A mounting board on which the laser chip is mounted is fixed to a heat radiating member, and the heat radiating member is made of Al.
The optical communication system according to any one of claims 1 to 5, comprising one of N, Cu / W, W, Mo, and Cu.
【請求項7】 前記放熱部材は、光送信モジュールのパ
ッケージを兼ねていることを特徴とする請求項5又は6
に記載の光通信システム。
7. The heat radiating member also serves as a package of an optical transmission module.
The optical communication system according to claim 1.
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