JP2002353568A - 半導体レーザとそれを用いた光モジュール及び光通信システム - Google Patents

半導体レーザとそれを用いた光モジュール及び光通信システム

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Abstract

(57)【要約】 【課題】低コストかつ素子抵抗を50Ω以下まで低減し、
10Gb/sを超える高速特性を達成する光モジュールを実現
するための端面発光レーザを実現する。 【解決手段】基板結晶101上に光を発生する活性層104と
活性層から発生した光からレーザ光を得る為に活性層の
上下を反射鏡102、110で挟んだ共振器構造を有し、かつ
前記活性層と前記反射鏡の１つとの間に再成長半導体層
（スペーサー層105、109）を有し、基板結晶101と垂直
に光を出射する面発光レーザにおいて、再成長界面又は
その直近の面が高濃度のドーパントをもつ薄膜で形成さ
れる。 【効果】再成長界面108のデルタドープによって再成長
界面の汚染付着物によるの悪影響を取り除く。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体レーザとそれ
を用いた光モジュール及び光通信システム、更に詳しく
言えば、基板結晶上に光を発生すると活性層前記活性層
から発生した光からレーザ光を得る共振器構造をもち、
活性層の近くに再成長層が形成される構造の半導体レー
ザ及びその半導体レーザを構成要素とする光モジュール
及びそれを用いた光通信システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年の情報伝送の急速な高速化が求めら
れている。そのため、伝送速度が１０Gb/s以上の光通信
の開発が行われている。通常、光通信には、半導体レー
ザ、受光素子及びそれらの駆動回路等を組み込んだ光モ
ジュールが用いられる。
【０００３】上記光モジュールを使用し、伝送速度が10
Gb/sを超える光通信システムとしてとして、図９に示す
ようなシステムが知られている。光モジュール907は、
光モジュールを動作させる外部回路908に従って、半導
体レーザ901から信号光を送信する。また、相手の光モ
ジュールから送信された光信号を、受光素子駆動回路90
6で駆動される受光素子905によって受信する。全ての光
信号は、光ファイバー909を通して高速で伝送される。
【０００４】半導体レーザ901としては、ガリウムイン
ジウム燐砒素（GaInPAs）系の半導体材料を活性層に用
いた端面発光型のレーザが主として用いられている。一
般に、GaInPAs系レーザは、素子温度が上昇した時に、
しきい値電流が大きく増大するという欠点をもつ。その
ため、温度安定用のぺルチェ素子904を組み込んだり、
半導体レーザ901からの光出力変動をモニター用の受光
素子903で常に計測してレーザ駆動回路902にフィードバ
ックするオートパワーコントロール（APC）回路を組み
込む必要がある。
【０００５】そのため、光モジュール907を構成する部
品数が多く、また、駆動回路が複雑でサイズも大型であ
り、光モジュール自体のコストの増大を余儀無くされて
いる。
【０００６】それに対して、高速光モジュールに適した
光源として、面発光レーザが注目を集めている。面発光
レーザは、光を発生する活性層と、活性層の微少領域に
電流を注入するための電流狭窄層及び当該活性層を上下
に挟むように配置された一組の反射鏡からなる光共振器
をもって構成される。面発光レーザは、その共振器長が
僅か数μｍであり、端面発光レーザの共振器長（数100
μｍ）に比べてはるかに短く、活性領域の体積が小さい
ので高速特性に優れる。さらに、ビーム形状が円形に近
く光ファイバとの結合が容易、へき開工程が不要でウエ
ハ単位の素子検査が可能、低しきい値電流でレーザ発振
し低消費電力といった低コスト化においても優れた特長
をもっている。
【０００７】また、レーザの発振波長に関しても、近
年、ガリウムインジウム窒素砒素（GaInNAs）、ガリウ
ム砒素アンチモン（GaAsSb）といったガリウム砒素（Ga
As）基板上に形成可能な新しい半導体材料による１．３
μｍ帯の面発光レーザの発振が相次いで報告され、長距
離、高速伝送が可能なシングルモードファイバーに適合
する長波長帯面発光レーザ実用化の期待が非常に高まっ
ている。特に、GaInNAsを活性層に用いた場合には、伝
導帯における深いポテンシャル井戸で電子を閉じ込める
ことができ、温度に対する特性の安定性も大幅に改善で
きると予測されている。
【０００８】以上の利点により、長波長帯面発光レーザ
が実現されれば、高性能、かつ、低コストで、LANでの
使用に適した光モジュールが可能であると期待されてい
る。
【０００９】面発光レーザの光共振器の長さは著しく短
く、レーザ発振を起こすためには上下の反射鏡の反射率
を極めて高い値（99.5％以上）に設定することが必要で
ある。反射鏡としては、屈折率の異なる2種類の半導体
を1/4波長厚（λ/4n：λは波長、nは半導体材料の屈折
率）で交互に積み重ねることにより形成した多層膜反射
鏡が主として使用されている。
【００１０】多層膜反射鏡に用いられる２種類の半導体
材料には、少ない積層数で高反射率を得るため、両者の
屈折率差ができるだけ大きいことが望まれる。また、材
料が半導体結晶の場合、格子不整合転位の抑制のため、
基板材料と格子整合していることが好まれる。現状で
は、GaAs/アルミニウム砒素（AlAs）系半導体材料、あ
るいは、二酸化珪素（SiO２）/二酸化チタン（TiO２）
等の誘電体材料から構成した多層膜反射鏡が主として用
いられている。また、電流狭窄層は、素子の低閾電流化
のために必須であり、活性層と電流を注入する電極の間
に配置され、活性層に注入される電流を微少領域（以下
アパーチャーと記述する。）に限定する役割を果たす。
単一横モード化のためには、アパーチャー径を発振波長
が850ｎｍで２−３μｍ、1300ｎｍで５−６μｍと小さ
くなければならない。具体的には、素子構造内に導入し
たAlAs層を横方向から選択的に酸化し酸化アルミニウム
（Al ｘOｙ）絶縁層に変化させることで中央に残った微
小なAlAs領域のみで電流を狭窄する方法が現在主流であ
る。また、バンドギャップの大きい半導体材料や、素子
内の導電型とは逆の導電型にドーピングを施した材料を
素子内に埋込むことにより電流を狭窄する方法もある。
【００１１】一方、10Gb/sを超える高速特性を有する光
モジュール実現においては、光源として用いる面発光レ
ーザは、10Gb/sを超える高速特性を達成する必要があ
る。そのためには、面発光レーザ素子の抵抗（R）及び
容量（C）の低減が不可欠である。図５に、抵抗及び容
量と、変調特性の関係を示す。面発光レーザ素子の容量
は一般的な値として数100 fFであるので、10Gb/sを超え
る高速変調を達成する為には素子抵抗を少なくとも50Ω
以下に低減する必要がある。
【００１２】面発光レーザには、上述のように、AlAs/G
aAs系の半導体多層膜反射鏡が主として用いられてい
る。従来素子では、上部ｐ型のAlAs/GaAs系半導体多層
膜反射鏡の上に電極が配置され、その半導体多層膜反射
鏡を通して活性層に電流が注入されていた。その際、Al
As/GaAs系半導体の価電子帯のエネルギー差は、有効質
量の重い正孔にとってヘテロ界面で大きな抵抗成分にな
り素子抵抗を増大させる問題があった。その対策とし
て、AlAs/GaAsヘテロ界面に組成を徐々に変化させたAlG
aAs半導体層を導入し、かつ、そのAlAs側のみにｐ型ド
ーピングを施してヘテロ界面の抵抗成分を低減する等の
試みがなされてきた。しかしながら、単一横モードを実
現する小径アパーチャーの素子において50Ω以下の素子
抵抗を達成することは非常に困難である。
【００１３】また、抵抗の高い上部半導体多層膜反射鏡
を介さず電流を注入する構造の面発光レーザも検討され
ている。一例として、本願発明者等が開発した特開平11
-204875号公報に記載の面発光レーザの素子構造図を図
６示す。ここで、601はn電極、602はｎ−GaAs基板、603
は下部多層膜反射鏡、604は第１ GaAsスペーサー層、60
5はノンドープGaInNAs活性層、606は第２ GaAsスペーサ
ー層、607は電流狭窄層、608はｐ−電流導入層、609は
第３ ｐ-GaAsスペーサー層、610はｐ電極、611は上部多
層膜反射鏡である。
【００１４】ｐ電極610から注入された電流は、第３ス
ペーサー層609から電流導入層608を通して、電流狭窄層
607で限定されたアパーチャーに導かれ、活性層605に導
入される。即ち、上部多層膜反射鏡611を介さないの
で、素子抵抗が低減される。さらに本構造においては、
ｐ=1x10２０ cm−３ 程度にドーピング濃度を高くした
電流導入層608を導入し、電極とアパーチャー間の抵抗
成分の低減が実現されている。従って、本構造では、単
一横モードを実現する小径アパーチャーの素子において
は50Ω以下の素子抵抗を達成することができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、図６に示す面
発光レーザを実際に多ロット作製したところ、抵抗値が
20Ω程度で非常に特性が良い素子も得られるが、ロット
間で特性の再現性が悪いと言う問題が生じた。特に抵抗
値が異常に大きく電気的特性が悪い物が発生した。本願
発明者等がその原因を追求したところ、アパーチャーの
一部となる第３ GaAsスペーサー層609と第２ GaAsスペ
ーサー層606の接合面に問題がある事が判明した。その
接合面は、電流狭窄層607及び電流導入層608を選択的に
エッチングして取り除いた後に第３スペーサー層609を
再成長することにより形成される再成長界面であり、再
成長工程の不具合により特性が劣化する。
【００１６】具体的には、再成長前に行う微量エッチン
グの再現性が悪く界面の結晶性が十分でない場合があ
る。他方、微量エッチング工程を省くと、電流狭窄層60
7及び電流導入層608を選択的にエッチングして取り除く
工程で何らかの理由で界面にSiが付着し、その界面がｎ
型の導電型になりその後ｐ型の第3スペーサー層609を再
成長してもｐ−ｎ接合及びそれに因る空乏層が形成され
大きな抵抗成分となる。
【００１７】本発明の第１の目的は、電極間に再成長界
面をもつ半導体素子の上記再成長界面に生じる不純物の
影響を低減した半導体レーザを実現することである。
【００１８】本発明の第２の目的は、電極間に再成長界
面をもつ面発光レーザにおける電極間の抵抗を低減する
と同時に多ロット作成時に特性の揃った高速かつ高性能
な面発光半導体レーザ及びその面発光半導体レーザを用
いた、構成が簡易で、経済的（低コストな）光モジュー
ル及び光通信システムを提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の半導体レーザは、電極間に再成長工程で構
成された複数の半導体層をもつ半導体素レーザにおい
て、再成長界面又はその直近の面が高濃度のドーパント
をもつ薄膜で形成される。また、上記目的を達成するた
め、本発明の面発光半導体レーザレーザは、基板結晶上
に光を発生する活性層と前記活性層から発生した光から
レーザ光を得る為に活性層の上下を反射鏡で挟んだ共振
器構造を有し、かつ前記活性層と前記反射鏡の１つとの
間に再成長半導体層を有し、上記基板結晶と垂直に光を
出射する面発光レーザにおいて、再成長界面又はその直
近の面が高濃度のドーパントをもつ薄膜で形成される。
【００２０】前記ドーパントとしては、拡散定数の小さ
いものが適しており、カーボンが最適である。界面から
10ｎｍ以内の位置へのデルタドーピングはトンネル効果
によりキャリアが界面へ移動するので実質的に再成長界
面へのデルタドープと同じになる。また、デルタドーピ
ングの層厚は、作製誤差を考慮し10ｎｍ以下である。
【００２１】本発明によれば、前記再成長界面又はその
直近の面が高濃度のドーパントをもつ半導体レーザで
は、ｐ型ドーパントをデルタドープする事で、図６で説
明したｎ型ドーパントのSiを補償して、ｐ−ｎ接合及び
それに因る空乏層の抵抗成分を解消できる。すなわち界
面に付着し汚染した物質はSiであったが、ｐ型のドーパ
ントとなる物質が付着した場合ｎ型ドーパントをデルタ
ドープすることで補償できる。また、再成長工程は面発
光レーザ以外の半導体素子でも広く使用されている。汚
染付着物を電気的に補償する再成長界面へのデルタドー
プは界面及び素子特性を改善のするため有効である。
【００２２】また、本発明の面発光半導体レーザの好ま
しい実施形態では、上記面発光半導体レーザにおいて、
前記再成長界面が、光定在波の節の位置近傍（望ましく
は節の位置から1/8波長より近い位置）に形成される。
【００２３】光定在波の腹及び節の位置は、共振器内の
物質の屈折率を考慮した反射鏡からの距離と発振波長で
一様に決まる。共振器間の距離は、正確に1/2波長厚の
整数倍になっており、1/2波長厚毎に腹が存在する。一
般に、活性層は最大利得を得るために光定在波の腹の位
置に置かれる（但し、活性層の位置が定在波の腹の位置
を決定する訳ではない）。その場合、光定在波の節は活
性層から1/4, 3/4, 5/4波長厚の位置に存在する。図７
に示すように、再成長界面の位置を光定在波の節に形成
すると、節の位置では光が存在しないので再成長界面は
吸収及び散乱の要因にならない。また、界面の位置によ
り光の損失がどの様に影響されるか見積もった。光吸収
体になるＣデルタドープを施した界面を１つ有するAlAs
/GaAs多層膜反射鏡（25周期）の反射スペクトルのシミ
ュレーション結果を、図8に示す。100％と反射率の差
が、光の損失を示す。界面が節に位置するばあいの損失
は0.04％で、Ｃデルタドープした界面が存在しない場合
と全く同一である。
【００２４】一方、界面が腹に位置する場合、損失は0.
17％と4倍以上になった。一般に、光密度の大きい面発
光レーザでは、損失の増加は素子の光特性に大きく影響
する。従って、4倍の損失増は、単に効率が1/４に悪化
するだけではなく、発振動作自体を阻止する場合もあり
える。上記シミュレーションでは、定量化を簡単に行う
為に界面の光損失要因としてＣデルタドープ界面を取り
扱ったが、再成長界面の場合も全く同様である。また、
界面は正確に節の位置で無くとも、節から±1/8波長厚
より近くにある場合面発光半導体レーザの特性に改善効
果がある。
【００２５】前記ドーパントをもつ薄膜又は前記再成長
界面が上述の再成長界面が光定在波の節の位置近傍に形
成される場合には、半導体レーザの静特性と輝度特性を
同時に改善する効果をもつ。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下に説明する実施例の面発光レ
ーザはp接合界面を有しているが、再成長界面の位置を
光定在波の節に合わせることで再成長界面による光損失
を解消させる手段は、界面の伝導型によらない。 ＜実施例１＞図１は本発明による面発光レーザの一実施
例の構造を示す断面図である。基板結晶101上に光を発
生する活性層１04と活性層104から発生した光からレー
ザ光を得る為に活性層１04の上下を反射鏡102及び110で
挟んだ共振器構造を有し、かつ活性層104と反射鏡の１
つ110との間に第２のスペーサ層105と、スペーサ層105
上に再成長工程によって形成された第３のスペーサ層10
9の半導体層を有し、基板結晶と垂直に光を出射する面
発光レーザである。
【００２７】再成長界面108は、光定在波の節の位置か
ら1/8波長より近い位置に形成される。本実施例の発光
波長は1.3μｍである。以下具体的構成及び製造方法を
示す。
【００２８】図１において、１０１はｎ型GaAs基板（n=
1x10１８ cm−３、d=300μｍ）、102はｎ型GaAs/AlAs半
導体多層膜反射鏡（n=1x10１８ cm−３）、103はｎドー
プ第1GaAsスペーサ層(n=1x10１８ cm−３、d=1/2波長
厚)、104はノンドープGaInNAs/GaAs歪量子井戸活性層、
105はｐドープ第2GaAsスペーサ層(ｐ=1x10１７ c
m−３、d=1/4波長厚)、106はGaAs基板と格子整合するｎ
型Ga(0.5)In(0.5)P電流狭窄層(n=1x10１８ cm−３、d=5
0 nm)、107はｐ型GaAs電流導入層（ｐ=1x10２０ c
m− ３、d=1/2波長厚）、108は再成長界面、109はｐ型第
3GaAsスペーサ層(ｐ=1x10１ ８ cm−３、d=3/4波長厚)、
110はノンドープGaAs/AlInP半導体多層膜反射鏡、111は
ｐ側電極、112はｎ側電極である。
【００２９】下部半導体多層膜反射鏡102は、1/4波長厚
の高屈折率のGaAs層と1/4波長厚の低屈折率のAlAs層を
交互に積層した。反射率を99.5％以上にする為に反射鏡
層の積層数を25対とした。活性層104には、7ｎｍ厚のGa
InNAs井戸層1層を10ｎｍ厚のGaAs障壁層で挟んだ実効的
に0.95eV(波長:1.3μｍ)のバンドギャップを持つ歪量子
井戸層を用いた。第1スペーサ層103及び第2スペーサ層1
05の厚みは、正確には活性層104の厚みの半分をそれぞ
れ差し引いた。その結果、共振器長は正確に1.5波長厚
となった。
【００３０】半導体層102-107は、ガスソース分子線エ
ピタキシー装置を用いて1×10−７Torrの高真空中で連
続して結晶成長させた。III族の原料には金属のアルミ
ニュム、ガリュウム及びインジウムを、Ｖ族の原料には
金属砒素、フォスフィン及びプラズマで励起した窒素を
用いた。ドーパントの原料には、Si及びCBr4を用いた。
ウエハーを取り出しホトリソグラフ工程により図１に示
すように、ｐ型GaAs電流導入層107、電流狭窄層106を硫
酸系エッチング液及び塩酸系エッチング液により順次選
択的にエッチングし、直径５μｍのアパーチャーを形成
した。ウエハーを結晶成長装置に戻し、砒素と共にCBr4
のビームを照射し再成長界面にp=1x10１２cm−２ の密
度でＣデルタドープを施した。
【００３１】その後、第３ GaAsスペーサ層109を再成長
した。再成長界面は、上部反射鏡の下面から3/4波長厚
の位置にあるので光定在波の節にある。また、電流狭窄
層106を選択エッチングする際に、エッチング時間を制
御することで空洞113を作製した。再成長時に、空洞113
の上部のｐ型GaAs電流導入層107が変形し、空洞113がテ
ーパー状になる。その為、アパーチャーと空洞113が接
する部分での光損失が減少し素子の光学特性が改善され
た。アパーチャー内部のGaAsと外側の空洞部の真空は屈
折率差が大きいので、単一の横モード発振が容易に得ら
れる。
【００３２】引き続いて上部半導体多層膜反射鏡110を
成長した。上部半導体多層膜反射鏡110は、1/4波長厚の
GaAs層と1/4波長厚のGaAs基板と格子整合するAl(0.5)In
(0.5)P層を交互に積層した。反射率を99.5％以上にする
為に反射鏡層の積層数を25対とした。次に、上部多層膜
反射鏡110の外側を第２ GaAsスペーサ層109に達するま
でドライエッチングした。その後、内径7μｍ外径15μ
ｍのリング状ｐ側電極111及びｎ側電極112を形成した。
最後に、リング状ｐ側電極111の外側をエッチングし素
子分離を行った。
【００３３】本面発光レーザに電流を注入したところ、
閾電流100μＡでレーザ発振した。レーザ光は誘電体多
層膜反射鏡側から出射され、室温において発振波長は1.
3μｍであった。本面発光レーザは、10万時間以上の長
い素子寿命を有した。また、複数のロット間での歩留ま
りも７０％以上と高かった。上記性能は、長波長帯面発
光レーザとしては非常に優れている。尚、活性層として
GaAsSbなどの材料を用いても1.3μｍ帯の面発光レーザ
素子を作製することができる。 ＜実施例２＞図２は本発明による面発光レーザの他の実
施例の構造を示す断面図である。基板結晶201上に光を
発生する活性層204と前記活性層から発生した光からレ
ーザ光を得る為に活性層204の上下を反射鏡202及び２10
で挟んだ共振器構造を有し、かつ活性層204と反射鏡の
１つ2１０との間に第２のスペーサ層2０５と、スペーサ
層205上に再成長工程によって形成された第３のスペー
サ層２０９の半導体層を有し、基板結晶と垂直に光を出
射する面発光レーザである。
【００３４】再成長界面208は、光定在波の節の位置か
ら1/8波長より近い位置に形成される。本実施例の発光
波長は0.98μｍである。以下具体的構成及び製造方法を
示す。201はｎ型GaAs基板（ｎ=1x10１８ cm−３、d=100
μｍ）、202はｎ型GaAs/AlAs半導体多層膜反射鏡（ｎ=1
x10１８ cm−３）、203はｎドープ第１ GaAsスペーサ層
(n=1x10１７ cm−３、d=1/2波長厚)、204はノンドープG
aInAs/GaAs歪量子井戸活性層、205はｐドープ第２ GaAs
スペーサ層(ｐ=1x10１７ cm−３、d=3/4波長厚)、206は
GaAs基板と格子整合するAl(0.5)In(0.5)Pを選択酸化さ
せたAlInOｘ電流狭窄層(d=100 nm)、207はｐ型GaAs電流
導入層（ｐ=1x10２０ cm−３、d=1/2波長厚）、208は再
成長界面、209はp型第３GaAsスペーサ層(p=1x10１８ cm
−３、d=3/4波長厚)、210はSiO２/TiO２誘電体多層膜反
射鏡、211はｐ側電極、212はｎ側電極である。半導体多
層膜反射鏡202は、半導体中で1/4波長厚の高屈折率のGa
As層と半導体中で1/4波長厚の低屈折率のAlAs層を交互
に積層した。反射率を99.5%以上にする為に反射鏡層の
積層数を25対とした。活性層204には、３層の7nm厚GaIn
As井戸層を10ｎｍ厚のGaAs障壁層で隔てて実効的に1.27
ｅＶ(波長:0.98μｍ)のバンドギャップを持つ歪量子井
戸層を用いた。第1スペーサ層203及び第2スペーサ層205
の厚みは、正確には活性層204の厚みの半分をそれぞれ
差し引いた。その結果、共振器長は正確に2波長厚とな
った。
【００３５】半導体層202-207は、有機金属気相エピタ
キシー装置を用いて50Torrの真空中で連続して結晶成長
させた。III族の原料には金属のトリメチルアルミニュ
ム、トリメチルガリュウム及びトリメチルインジウム
を、Ｖ族の原料にはヂメチルヒドラジン、フォスフィン
及びアルシンを用いた。ドーパントの原料には、ヂシラ
ン、及びヂメチル亜鉛を用いた。ウエハーを取り出しホ
トリソグラフ工程により図２に示すようにp型GaAs電流
導入層207及び電流狭窄層206となるAlInP層を硫酸系エ
ッチング液及び塩酸系エッチング液により順次選択的に
エッチングし、直径3μｍのアパーチャーを形成した。
【００３６】ウエハーをエピタキシー装置に戻し、第３
GaAsスペーサ層209を再成長した。第３ GaAsスペーサ
層209の再成長界面208に接する最初の10ｎｍにｐ=1x10
２０ cm−３の高ドープを施して実効的にデルタドープ
をなした。再成長界面208は、上部反射鏡の下面から3/4
波長厚の位置にあるので光定在波の節にある。
【００３７】次にリング状ｐ側電極211が形成される部
分の外側を第１ GaAsスペーサ層205途中までエッチング
し素子分離を行った。その後、高温の水蒸気中でAlInP
を外周部分から選択酸化させてAlInOx電流狭窄層206を
作製した。アパーチャ部分にはAlInPが存在しないのでA
lInPの選択酸化はアパーチャ部分で確実に停止し、アパ
ーチャの径は高精度に制御できた。
【００３８】次に、リフトオフ法により内径10μｍ外径
15μｍのリング状ｐ側電極211を形成した。その後、ス
ッパタ蒸着法により誘電体多層膜反射鏡210を形成し
た。誘電体多層膜反射鏡210は、誘電体中で1/4波長厚さ
の高屈折率TiO２層と誘電体中で1/4波長厚さの低屈折率
SiO２層を交互に積層して作製した。反射率を99％以上
にする為に積層数を7対とした。その後、図１に示すよ
うにCl系反応性イオンビームエッチングにより誘電体多
層膜反射鏡10の外側をエッチングし、ｐ側電極11を露出
させた。最後に、ｎ側電極12を形成した。
【００３９】本面発光レーザに電流を注入したところ、
閾電流10μＡでレーザ発振した。レーザ光は誘電体多層
膜反射鏡側から出射され、室温において発振波長は0.98
μｍであった。本面発光レーザは、10万時間以上の長い
素子寿命を有した。尚、活性層をGaAs等とし、スペーサ
層及び多層膜反射鏡の高屈折率層としてAlGaAsなどを用
いれば、1μｍ以下の光に対して透明となるので、波長
が0.85μｍ等の1μｍ以下の面発光レーザにも適用でき
る。 ＜実施例３＞図３は本発明による光モジュールを使用し
た光通信システムの一実施形態の構成を示すブロック図
である。図は、簡明のため、２つの端末A,B間を２本の
光ファイバー307で結合した光通信システムを示し、端
末A,Bは同じ構成である。各端末は、光信号を送受信す
る光モジュールパッケージ全体305と、光モジュール305
を動作させる外部回路306とから構成されている。光モ
ジュール305は前記実施例の本発明による面発光レーザ
素子301と、面発光レーザ素子301を駆動するレーザ駆動
回路302と、受光素子303と、受光素子駆動回路304とを
もつ。
【００４０】本発明による面発光レーザ301は、素子抵
抗が低いため素子自体の発熱が小さく、温度変動が小さ
い。それに加えて、面発光レーザ自体のしきい値電流値
が小さいことも相まって、使用時のしきい値電流値の変
化が非常に小さくなる。それにより、小型かつ単純な回
路で素子を駆動することが可能となる。よって、図４に
示した従来の高速光モジュールで必要であったペルチェ
素子や、APC回路が不要となる。それにより、部品点数
が大幅に少なくでき、また、駆動回路のサイズが小さく
できる。よって、光モジュール自体のサイズも小型化
し、大幅な低コスト化を実現できる。また、素子作製時
の歩留まりが高いことも、低コスト化に有効である。さ
らに、本光モジュールは、面発光レーザの抵抗が低く、
素子自体の発熱が小さいことから、活性層の劣下が生じ
にくいので、従来の光モジュールと比較してより長時間
に渡って安定な特性を提供することができる。以上の効
果は、既に述べたように、活性層における深いポテンシ
ャル井戸で電子を閉じ込めることができる温度特性に優
れた活性層材料、一例としてGaInNAs等を用いた面発光
レーザにおいては、さらに顕著となる。 ＜実施例４＞図４は本発明による半導体レーザの更に他
の実施例の構造を示す断面図である。本半導体レーザは
横型発光の分布帰還形発光レーザでである。（a）は光
ビーム方向に垂直な断面図、(b)は（a）の光軸方向の断
面図である。ｐ-GaAs基板401上に、ｐ-AlGaAsクラッド
層402、回折格子403、ｐ-AlGaAsガイド層404、GaNAsSb
無歪活性層405、ｎ-AlGaAsクラッド層407が順次積層さ
れ、メサストライプを形成する。メサストライプの側面
は、ｐ-AlGaAs埋込層412、ｎ-AlGaAs埋込層413、ｐ-AlG
aAs埋込層414が埋め込まれている。さらに、クラッド層
及び埋込層上にｎ-AlGaAs平坦化層415、ｎ-GaAsギャッ
プ層408、SiO２電流狭窄層406が化積層され、ｎ-電極41
1が形成されている。また、ｐ-GaAs基板の下側にｐ電極
412が形成されている。上記構成は従来知られているも
のと同じであるが、本実施例では、回折格子上の再成長
層であるｐ-AlGaAsガイド層の成長直前に行うカーボン
デルタドープによってドーパントを含む層が形成され、
回折格子形成時に生じた不純物による悪影響を軽減し、
電極411,412間の抵抗を小さくする。
【００４１】
【発明の効果】本発明によれば、再成長工程を経て作製
される半導体光レーザにおいて、再成長界面の汚染付着
物を電気的に補償するデルタドープを行うことにより、
素子抵抗が十分に低く超高速動作が可能な半導体レーザ
を再現性よく作製できる。したがって、半導体レーザを
光源として用いる高速光モジュールの高性能化、低コス
ト化が図れる。更に半導体レーザが面発光レーザである
場合、デルタドープによるドーパントのある再成長界面
の位置を光定在波の節に合わせることで再成長界面がレ
ーザ光の吸収又は散乱要因とならない様にする事で、高
速動作をすると共に、半導体レーザの発光特性を改善で
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による面発光半導体レーザ素子の一実
施例の断面図。
【図２】 本発明による面発光半導体レーザ素子の他の
実施例の断面図。
【図３】 本発明の半導体レーザを用いた光通信システ
ムの構成図。
【図４】 本発明による面発光半導体レーザ素子の他の
実施例の断面図。
【図５】 抵抗及び容量と、変調特性の関係を示す図。
【図６】 従来の面発光レーザ素子の断面図。
【図７】 再成長界面の位置を光定在波の節に合わすこ
とで再成長界面がレーザ光の吸収又は散乱要因とならな
い事を説明する図。
【図８】 界面の位置により光の損失の影響を説明する
特性図。
【図９】 従来の半導体レーザを用いた光通信システム
の構成図。
【符号の説明】
101−半導体基板、102−下部多層膜反射鏡、103−第1ス
ペーサー層、104−活性層、105−第2スペーサー層、106
−電流狭窄層、107−電流導入層、108−再成長界面、10
9−第3スペーサー層、110−上部多層膜反射鏡、111−p
側電極、112−n側電極、113−空洞。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 工藤 真 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Ｆターム(参考） 5F073 AA65 AA74 AB17 AB28 BA01 CA07 CA17 CB02 DA05 DA06 DA11 DA23 EA14

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板結晶上に光を発生する活性層と前記活
    性層から発生した光からレーザ光を得る共振器構造をす
    る半導体レーザであって、前記活性層の上下側に配置さ
    れた電極の1つと前記活性層との間に再成長工程よって
    形成され少なくとも１つの再成長界面にデルタドーピン
    グが行なわれた層をもつことを特徴とする半導体レー
    ザ。
  2. 【請求項２】基板結晶上に光を発生する活性層と前記活
    性層から発生した光からレーザ光を得る為に活性層の上
    下を反射鏡で挟んだ共振器構造を有し、かつ前記活性層
    と前記反射鏡の１つとの間に再成長半導体層を有し、上
    記基板結晶と垂直に光を出射する面発光レーザであっ
    て、再成長界面又はその直近の面が高濃度のドーパント
    をもつ薄膜で形成されたことを特徴とする面発光半導体
    レーザ。
  3. 【請求項３】上記再成長界面が上記面発光レーザ内の光
    定在波の節の位置から1/8波長より近い位置に形成され
    たことを特徴とする請求項２記載の面発光半導体レー
    ザ。
  4. 【請求項４】上記ドーパントがカーボンであることを特
    徴とする請求項２又は3記載の面発光半導体レーザ。
  5. 【請求項５】前記基板結晶がGaAs、活性層がGaInNAs/Ga
    As又はGaInAs/GaAs歪量子井戸層、反射鏡がGaAs/AlAs又
    はGaAs/AlInP半導体多層膜、再成長層が上記活性層上に
    形成されたGaAsスペーサ層上に形成されたGaAsスペーサ
    層であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１
    つに記載の面発光半導体レーザ。
  6. 【請求項６】基板結晶上に光を発生すると活性層前記活
    性層から発生した光からレーザ光を得る半導体レーザの
    製造方法であって、前記活性層の上下側に配置された電
    極の1つと前記活性層との間に再成長によって半導体層
    を形成する工程において、再成長界面にデルタドーピン
    グを行うことを特徴とする半導体レーザの製造方法。
  7. 【請求項７】基板結晶上に光を発生すると活性層前記活
    性層から発生した光からレーザ光を得るために前記活性
    層の上下を挟んだ共振器構造をもち、前記基板結晶と垂
    直に光を発生する面発光半導体レーザの製造方法であっ
    て、前記活性層の上側に第１のスペーサ層を形成し、前記
    第１のスペーサ層上に光透過アパーチャをもつ電流狭窄
    層をエッチング処理によりにより形成する工程と、少な
    くとも前記第１のスペーサ層の前記アパーチャ部にデル
    タドープを行う工程と、前記デルタドープされた第１の
    スペーサ層上に第２のスペーサ層を形成する工程とをも
    つ面発光半導体レーザの製造方法。
  8. 【請求項８】特許請求の範囲第1項から第４項のいずれ
    かに1つに記載の半導体レーザを光源として含むことを
    特徴とする光モジュール。
  9. 【請求項９】請求項1から５のいずれかに1つに記載の半
    導体面発光レーザ素子又は請求項８記載の光モジュール
    を用いたことを特徴とする光通信システム。
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