JP2004039717A - Semiconductor distribution bragg reflector, surface luminescence type semiconductor laser, surface luminescence type semiconductor laser array, optical communication system, optical write-in system, and optical pick-up system - Google Patents

Semiconductor distribution bragg reflector, surface luminescence type semiconductor laser, surface luminescence type semiconductor laser array, optical communication system, optical write-in system, and optical pick-up system Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor distribution Bragg reflector with the number of lamination layers made fewer than that of AlGaAs material especially in wavelength bands shorter than 0.78 μm and suitable for practical use. <P>SOLUTION: In the semiconductor distribution Bragg reflector having periodical changes in refraction factor and for reflecting incident light by a lightwave interference, a layer having a small refraction factor is composed of Al<SB>x</SB>Ga<SB>1-x</SB>P (0<x≤1) and a layer having a larg refraction factor is composed of Al<SB>y</SB>Ga<SB>1-y</SB>P (0≤y<x≤1). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体分布ブラッグ反射鏡および面発光型半導体レーザおよび面発光型半導体レーザアレイおよび光通信システムおよび光書き込みシステムおよび光ピックアップシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、面発光型半導体レーザは、基板に対して垂直方向に光を出射する半導体レーザであり、端面発光型に比べて低コストで高性能が得られることから、光インターコネクションの光源,光ピックアップ用の光源等の民生用途で用いられている。
【0003】
面発光型半導体レーザは、レーザ光を発生する活性層を含む活性領域を反射鏡で挟んだ構造となっている。その反射鏡としては、低屈折率層と高屈折率層とを交互に積層した半導体分布ブラッグ反射鏡が広く用いられている。半導体分布ブラッグ反射鏡の材料としては、活性層から発生する光を吸収しない材料(一般に活性層よりワイドバンドギャップの材料)であって、格子緩和を発生させないために基板に格子整合する材料が用いられる。
【0004】
ところで、反射鏡の反射率は99%以上と極めて高くする必要があり、反射率は積層数を増やすことによって高くすることができる。しかし、積層数が増加すると、面発光型半導体レーザの作製が困難になってしまう。このため、低屈折率層と高屈折率層の屈折率差が大きい方が好ましい。AlGaAs系材料は、AlAsとGaAsが終端物質であり、格子定数は基板であるGaAsとほぼ同程度であり、屈折率差が大きく、少ない積層数で高反射率を得ることができるので、良く用いられている。
【0005】
また、低しきい値化のためには電流狭さく構造が用いられている。特開平7−240506号には、AlAs/GaAsからなる半導体分布ブラッグ反射鏡による共振器と、イオン注入により高抵抗層を形成した電流狭さく構造とを用いた構造が示されている。また、特許第2917971号には、AlGaAs/GaAsからなる半導体分布ブラッグ反射鏡による共振器と、Al(Ga)Asの一部を選択的に酸化した酸化膜を用いた電流狭さく構造を用いた面発光型半導体レーザが示されている。ここで、酸化には、高温での水蒸気供給による酸化が用いられている。高温での水蒸気供給による酸化は、Alのような完全な絶縁体になること、また、活性層と狭さく層との距離を結晶成長で厳密に制御できること、また、電流通路を極めて狭くできることから、無効電流の低減,活性領域の低減に向き、低消費電力化に適しており、最近良く用いられている。
【0006】
特許第2917971号では、AlGaAsのAl組成が大きくなるに従って酸化速度が激増していくことを利用しており、酸化したい層のAl組成を他よりも大きくすることで、酸化したい層のみを酸化するようにしている。これにより、選択酸化による電流狭さく構造を得ることができる。このため、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層のAlGaAs層のAl組成は、Al(Ga)As酸化層のAl組成よりも小さくしている(つまり、Ga組成を大きくしている)。特許第2917971号では、被選択酸化層にAlGa1−yAs(y=0.97)を用い、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層にはAlGa1−xAs(x=0.92)が用いられている。
【0007】
このように、反射鏡と電流狭窄構造の点から、従来、AlGaAs系材料を用いた0.78μm帯,0.85μm帯,0.98μm帯に反射帯域を有する分布ブラッグ反射鏡(DBR)、及びこれを共振器ミラーとした同波長帯の面発光型半導体レーザが実用レベルの性能を実現している。
【0008】
一方、波長0.6μm帯で発振する面発光型半導体レーザは、プラスチックファイバー(POF:Plastic Optical Fiber)を用いた光通信や、レーザプリンタ,CD,DVD等の光書き込み,再生用光源として期待されている。安価なアクリル系プラスチックファイバーの低損失領域が赤色波長帯であり、POFによる光通信は極めて低コストな光通信システムとして期待される。
【0009】
波長0.6μm帯では、GaAs基板上のAlGaInP系材料が用いられており、端面発光型レーザでは実績がある。AlGaInP系材料は、AlGaInN系材料を除きIII−V族半導体のなかで最も大きい直接遷移型の材料であり、バンドギャップエネルギーは最大で約2.3eV(波長540nm)が得られる。半導体レーザを作製するためには、クラッド層(活性層よりもバンドギャップの大きい材料からなる)を用い、キャリアと光を活性層(発光層)に閉じ込める構造が必要である。しかしながら、AlGaInP系材料は、ヘテロ接合を形成すると伝導帯のバンドオフセット比が小さく、活性層(発光層)とクラッド層と伝導帯側のバンド不連続(△Ec)が小さいので、注入キャリア(電子)が活性層からクラッド層にオーバーフローしやすく半導体レーザの発振しきい値電流の温度依存性が大きく、温度特性が悪いなどの問題があった。面発光型では端面発光型に比べてレーザ動作に必要なキャリア密度が高くなるので特に厳しい。
【0010】
さらに、0.78μm帯,0.85μm帯,0.98μm帯で実用化されているAlGaAs系材料を用いた半導体分布ブラッグ反射鏡(DBR)を形成する場合でも制限がある。例えば特開2000−196189には、赤色面発光型半導体レーザの例が示されている。この赤色面発光型半導体レーザは、波長が0.6μm帯であり、光吸収を避けるためにAl組成0.5以上が一般に用いられ、低屈折率層と高屈折率層との屈折率差を大きく取れないので積層数が増加してしまう。すなわち、低屈折率層と高屈折率層との屈折率差は、0.98μm帯のDBRに比べて半分にもなり、積層数は2倍となってしまい、抵抗上昇,放熱が悪い等の問題が生じる。更に、実際には各層の膜厚の揺らぎのため積層数を増加させても充分高い反射率が得られず、また高反射率となる波長範囲も狭くなり、共振器長の制御の余裕は極めて小さくなる。これは波長が短波長になるほど影響が大きい。
【0011】
また、DBRの低屈折率層と高屈折率層との屈折率差を大きく取れる材料として、AlGaInP系材料を用いる検討がなされている(R.P.Schneider等による文献「Appl.Phys. Lett. 60(15), 13 April 1992, P1830」)。具体的には、(AlGa1−y .5In0.5P/Al0.5In0.5P(y=0.2程度)を用いる検討がなされている。しかしながら、この材料系は、組成のわずかなずれで格子定数が大きく変わる材料系であり、しかもInの供給量を厳密にコントロールするのが難しく、DBR数10層をすべて厳密に組成コントロールするのはむずかしい。また、低屈折率層と高屈折率層との間に組成傾斜層を入れて抵抗を低減する方法が通常用いられるが、この方法では、格子定数を変えないでコントロールするのが難しい。更に、混晶の構成元素数が多いほど、また、混晶の組成が中心に近いほど、熱抵抗が大きくなるので、放熱の点でDBRに好ましい材料とは言えない。このため、波長0.6μm帯の面発光型半導体レーザの研究開発においてもAlGaAs系材料が主に用いられている。
【0012】
また、発熱が生じるのは、主に活性層や反射鏡であり、結晶成長した側(主表面)である。放熱を積極的に行うために主表面をヒートシンク等に実装し、基板側から光を取り出す方法が考えられるが、波長0.6μm帯では基板のGaAsで吸収されてしまうため、この方法が取れない。
【0013】
また、特開平10−200202号には、上記キャリアのオーバーフローを抑制するためにGaInP基板を用い、これに格子整合する材料系で形成された面発光型半導体レーザが提案されている。この面発光型半導体レーザでは、AlInP/GaInP系反射鏡を用いている。しかしながら、GaInP基板は、作製が極めて困難であり、その上に高品質の結晶成長が得られないこと、また、反射鏡が3元系であり熱抵抗が大きいこと、また、抵抗低減のための組成傾斜層の制御が困難なことなど、実用化は難しい。
【0014】
これらのため、POFの吸収損失がボトムとなる波長650nmでは、現状で室温でやっと連続動作ができた報告(K.D.Choquette等による文献「Electronics Letters, 6th July 1995, Vol.31 No.14, P1145」)がある程度である。
【0015】
以上のような理由から、波長0.78μmよりも短波長帯の面発光型半導体レーザの実用化はされていない。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、特に0.78μmよりも短波長帯においてAlGaAs系材料よりも積層数を少なくでき、実用化に適した半導体分布ブラッグ反射鏡および面発光型半導体レーザおよび面発光型半導体レーザアレイおよび光通信システムおよび光書き込みシステムおよび光ピックアップシステムを提供することを目的としている。
【0017】
すなわち、本発明は、少ない積層数で反射率を高め、発熱を低減し、放熱を改善することにより、実用レベルの可視域半導体分布ブラッグ反射鏡および面発光型半導体レーザおよび面発光型半導体レーザアレイおよび光通信システムおよび光書き込みシステムおよび光ピックアップシステムを提供することを目的としている。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、屈折率が周期的に変化し、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において、屈折率が小なる層はAlGa1−xP(0<x≦1)からなり、屈折率が大なる層はAlGa1−yP(0≦y<x≦1)からなることを特徴としている。
【0019】
また、請求項2記載の発明は、屈折率が異なる2種の半導体層を積層してなる半導体分布ブラッグ反射鏡において、屈折率が異なる2種の半導体層は、屈折率が小なる層と屈折率が大なる層とであって、屈折率が小なる層はAlGa1−xP(0<x≦1)からなり、屈折率が大なる層はAlGa1−yP(0≦y<x≦1)からなり、前記屈折率が異なる2種の半導体層の間に、屈折率が異なる2種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられていることを特徴としている。
【0020】
また、請求項3記載の発明は、半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも1層の活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために活性領域の上部および下部に設けられている上部反射鏡および下部反射鏡とを含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、上部反射鏡および/または下部反射鏡には、請求項1または請求項2の半導体分布ブラッグ反射鏡が用いられることを特徴としている。
【0021】
また、請求項4記載の発明は、半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも1層の活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために活性領域の上部および下部に設けられている上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、前記活性領域は、GaAsに格子整合する材料(完全に格子整合していなくとも格子歪によるミスフィット転位が発生しない厚さである臨界膜厚以下であれば良い)からなり、また、前記上部反射鏡および/または下部反射鏡は、GaPに格子整合する材料(完全に格子整合していなくとも格子歪によるミスフィット転位が発生しない厚さである臨界膜厚以下であれば良い)からなる半導体分布ブラッグ反射鏡であることを特徴としている。
【0022】
また、請求項5記載の発明は、第1GaP基板上に第1半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長する工程と、GaAs基板上に活性領域を結晶成長させる工程と、第2GaP基板上に第2半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長させる工程と、活性領域と第1半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着し、GaAs基板を除去する工程と、活性領域と第2半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着する工程とを有していることを特徴としている。
【0023】
また、請求項6記載の発明は、半導体基板上に、GaPに格子整合する材料からなる第1半導体分布ブラッグ反射鏡と、GaAsに格子整合する材料からなる活性領域と、GaAsに格子整合する材料からなる第2半導体分布ブラッグ反射鏡とを有していることを特徴としている。
【0024】
また、請求項7記載の発明は、GaP基板上に第1半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長する工程と、GaAs基板上に第2半導体分布ブラッグ反射鏡と活性領域を結晶成長する工程と、活性領域と第1半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着する工程とを有していることを特徴としている。
【0025】
また、請求項8記載の発明は、請求項4または請求項6記載の面発光型半導体レーザにおいて、GaAsに格子整合する材料からなる活性領域とGaPに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡との間に、GaAsに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡の一部が形成されており、前記GaPに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡と前記GaAsに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡の一部とが接着されていることを特徴としている。
【0026】
また、請求項9記載の発明は、請求項4,請求項6または請求項8記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体基板はGaP基板であって、光の取り出しは、GaP基板側からなされるように構成されていることを特徴としている。
【0027】
また、請求項10記載の発明は、請求項4,請求項6,請求項8または請求項9に記載の面発光型半導体レーザにおいて、Al,Asを主成分としたAlAsを選択的に酸化した電流狭さく層を有していることを特徴としている。
【0028】
また、請求項11記載の発明は、請求項4,請求項6,請求項8,請求項9または請求項10に記載の面発光型半導体レーザにおいて、活性領域が少なくともGa,In,Pを含み、波長が0.78μmよりも短いことを特徴としている。
【0029】
また、請求項12記載の発明は、請求項11記載の面発光型半導体レーザによって構成されていることを特徴とする面発光型半導体レーザアレイである。
【0030】
また、請求項13記載の発明は、請求項4,請求項6,請求項8,請求項9,請求項10または請求項11に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項12記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光送信モジュールである。
【0031】
また、請求項14記載の発明は、請求項4,請求項6,請求項8,請求項9,請求項10または請求項11に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項12記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光送受信モジュールである。
【0032】
また、請求項15記載の発明は、請求項4,請求項6,請求項8,請求項9,請求項10または請求項11に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項12記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光通信システムである。
【0033】
また、請求項16記載の発明は、請求項4,請求項6,請求項8,請求項9,請求項10または請求項11に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項12記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光書き込みシステムである。
【0034】
また、請求項17記載の発明は、請求項4,請求項6,請求項8,請求項9,請求項10または請求項11に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項12記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光ピックアップシステムである。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【0036】
第1の実施形態
本発明の第1の実施形態の半導体分布ブラッグ反射鏡(DBR)は、屈折率が周期的に変化し、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って、屈折率が小なる層はAlGa1−xP(0<x≦1)からなり、屈折率が大なる層はAlGa1−yP(0≦y<x≦1)からなることを特徴としている。
【0037】
AlGaP系DBRは、これまでGaP基板にレーザ発振可能な材料を結晶成長できなかったために検討されなかった。しかし、AlP,GaPを終端物質としたAlGaP系材料は、Al組成によらずGaPと格子定数が近く、GaP基板上に結晶成長でき屈折率差も大きい。これは、AlAs,GaAsを終端物質としたAlGaAs系材料と同様な傾向である。具体的に、格子定数は、GaP:5.4495オングストローム、AlP:5.4625オングストロームであり、GaAs:5.65325オングストローム、AlAs:5.6611オングストロームである。屈折率(バンドギャップ波長における)は、GaP:3.452、AlP:3.03であり、GaAs:3.655、AlAs:3.178である。よって、AlGaP系材料は、AlGaAs系材料と同様に、半導体分布ブラッグ反射鏡の材料として適していると考えられる。更にAlGaP系材料は、AlGaAs系材料に比べてバンドギャップエネルギーが大きいことから、およそ0.55μmよりも長波長帯の光を透過する。よって、0.55μmよりも長波長帯においてAlGaPの全組成範囲を用いることができ、特に0.78μmよりも短波長帯においてAlGaAs系材料よりも適した半導体分布ブラッグ反射鏡が形成できる。
【0038】
第2の実施形態
本発明の第2の実施形態の半導体分布ブラッグ反射鏡は、屈折率が異なる2種の半導体層を積層してなる半導体分布ブラッグ反射鏡において、屈折率が異なる2種の半導体層は、屈折率が小なる層と屈折率が大なる層とであって、屈折率が小なる層はAlGa1−xP(0<x≦1)からなり、屈折率が大なる層はAlGa1−yP(0≦y<x≦1)からなり、前記屈折率が異なる2種の半導体層の間に、屈折率が異なる2種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられていることを特徴としている。具体的には、屈折率が異なる2種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層AlGa1−zP(0≦y<z<x≦1)が設けられている。
【0039】
この第2の実施形態では、屈折率が異なる2種の半導体層を積層してなる半導体分布ブラッグ反射鏡において、屈折率が異なる2種の半導体層は、屈折率が小なる層と屈折率が大なる層とであって、屈折率が小なる層はAlGa1−xP(0<x≦1)からなり、屈折率が大なる層はAlGa1−yP(0≦y<x≦1)からなり、前記屈折率が異なる2種の半導体層の間に、屈折率が異なる2種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられていることによって、反射鏡に電気を流す場合、屈折率が小なる層と屈折率が大なる層とのバンド不連続を滑らかにすることができ、高抵抗化を抑制できる。なお、屈折率が異なる2種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層のGa組成zについては、これを階段状に変化させても良く、連続的に変化させても良い。
【0040】
第3の実施形態
本発明の第3の実施形態の面発光型半導体レーザは、半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも1層の活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために活性領域の上部および下部に設けられている上部反射鏡および下部反射鏡とを含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、上部反射鏡および/または下部反射鏡には、第1または第2の実施形態の半導体分布ブラッグ反射鏡が用いられることを特徴としている。
【0041】
AlGaP系材料は、AlGaAs系材料に比べてバンドギャップエネルギーが大きいことから、およそ0.55μmよりも長波長の光を透過し、0.6μm帯等の0.78μmよりも短波長帯において、光吸収の生じない材料を半導体分布ブラッグ反射鏡(単に反射鏡ともいう)に用いることができ、かつ屈折率差を大きく取れるので、AlGaAs系材料を用いるよりも容易に99%以上の高反射率が得られ、積層数を半分程度に低減できる。これにより抵抗を低減できる。
【0042】
さらに、関連材料の熱伝導率は、それぞれ、GaAs:0.54Wcm−1−1、AlAs:0.91Wcm−1−1、GaP:1.1Wcm−1−1、AlP::0.9Wcm−1−1である。このようにAlGaP系材料の熱伝導率は、AlGaAs系材料よりも大きいので、放熱が良くなり、動作時の温度上昇を抑制でき、低しきい値,高出力化ができ、更に温度特性が向上する。なお熱伝導の効果については、0.6μm帯のみならず他の波長範囲(0.78μm、0.85μm、0.98μm、1.3μm、1.55μm帯等の長波長帯)でも効果がある。
【0043】
第4の実施形態
本発明の第4の実施形態の面発光型半導体レーザは、半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも1層の活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために活性領域の上部および下部に設けられている上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、前記活性領域は、GaAsに格子整合する材料からなり、また、前記上部反射鏡および/または下部反射鏡は、GaPに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡であることを特徴としている。
【0044】
GaP基板上に結晶成長できる材料は、間接遷移材料が多く、レーザ発振可能となるような材料を得るのは困難であるが、GaAs基板上に臨界膜厚以下の厚さで結晶成長可能な材料には、GaAs,AlGaAs,GaInP,AlGaInP,GaPAs,GaInPAs,GaInAs,GaInNAs,GaNAs,GaInNAsSb,GaAsSbなどの半導体レーザの活性層として充分な品質で形成可能な材料がある。これらの活性層を用い、かつGaP基板上に臨界膜厚以下の厚さで結晶成長可能な材料であるAlGaP系材料を用いて反射鏡を形成した場合、従来のAlGaAs系反射鏡と比較して熱伝導率が高く、放熱が改善された温度特性の良好な面発光型半導体レーザを実現できる。また、AlGaP系材料がAlGaAs系材料に比べてワイドギャップであるので、特に780nmよりも短波長とした場合は、屈折率差を大きく取れ、少ない積層数で高反射率を容易に得られ、吸収も低減され、低しきい値,高出力の面発光型半導体レーザが得られる。この場合、活性層の材料としては、GaInP,AlGaInP,AlGaAs,GaAsP,AlGaInAs等が挙げられる。
【0045】
第5の実施形態
本発明の第5の実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法は、第1GaP基板上に第1半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長する工程と、GaAs基板上に活性領域を結晶成長させる工程と、第2GaP基板上に第2半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長させる工程と、活性領域と第1半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着し、GaAs基板を除去する工程と、活性領域と第2半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着する工程とを有していることを特徴としている。
【0046】
第1,第2反射鏡に使われるAlP,GaPを終端物質としたAlGaP系材料は、GaPと格子定数が近くGaP基板上に結晶成長でき、屈折率差も大きい。これは、AlAs,GaAsを終端物質としたAlGaAs系材料と同様な傾向である。また、例えば波長0.6μm帯は、GaAs基板にミスフィット転位なしに成長できるAlGaInP系材料により活性層を含む活性領域を形成できる。そして、これらを接着することによって面発光型半導体レーザを形成できる。なお、一方の半導体分布ブラッグ反射鏡と活性領域を接着後、GaAs基板はエッチング等で除去する。接着の方法としては、それぞれの表面を洗浄して貼り合わせ、600℃などの高温で熱処理を行うことで接着できる。
【0047】
第6の実施形態
本発明の第6の実施形態の面発光型半導体レーザは、半導体基板上に、GaPに格子整合する材料からなる第1半導体分布ブラッグ反射鏡と、GaAsに格子整合する材料からなる活性領域と、GaAsに格子整合する材料からなる第2半導体分布ブラッグ反射鏡とを有していることを特徴としている。
【0048】
GaPは、GaAsに比べて約2倍の熱伝導率を有しており、放熱性が良い。よって、動作時の発熱を良く逃がすことができるので、温度特性が良好になる。また、GaP基板上に結晶成長できる材料は、間接遷移材料が多く、レーザ発振可能となるような材料を得るのは困難であるが、GaAs基板上には、レーザ発振可能となる材料を容易に形成可能である。すなわち、GaAsに格子整合する材料からなる活性領域は、GaAs基板上に容易に形成可能である。
【0049】
なお、上述のように、第1,第2半導体分布ブラッグ反射鏡としてはGaP基板上に結晶成長した材料を用いるのが好ましいが、第1,第2反射鏡のどちらかまたは両方の反射鏡と、活性領域とをともに、GaAs基板上に結晶成長して、GaP基板を接着してもGaP基板による放熱の効果がある。
【0050】
第7の実施形態
本発明の第7の実施形態の面発光型半導体レーザの製造方法は、GaP基板上に第1半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長する工程と、GaAs基板上に第2半導体分布ブラッグ反射鏡と活性領域を結晶成長する工程と、活性領域と第1半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着する工程とを有していることを特徴としている。
【0051】
第1反射鏡に使われるAlP,GaPを終端物質としたAlGaP系材料は、GaPと格子定数が近くGaP基板上に結晶成長でき、屈折率差も大きい。これは、AlAs,GaAsを終端物質としたAlGaAs系材料と同様な傾向である。また、例えば波長0.6μm帯はGaAs基板にミスフィット転位なしに成長できるAlGaInP系材料により活性層を含む活性領域を形成できる。第2半導体分布ブラッグ反射鏡はGaAs基板上に上記活性領域と連続してAlGaAs系材料を用いて形成できる。そしてこれらを接着することにより上記面発光型半導体レーザを形成できる。接着の方法としては、それぞれの表面を洗浄して貼り合わせ、600℃などの高温で熱処理を行うことで接着できる。
【0052】
第8の実施形態
本発明の第8の実施形態の面発光型半導体レーザは、第4または第6の実施形態の面発光型半導体レーザにおいて、GaAsに格子整合する材料からなる活性領域とGaPに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡との間に、GaAsに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡の一部が形成されており、前記GaPに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡と前記GaAsに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡の一部とが接着されていることを特徴としている。
【0053】
ウエハ接着界面が活性層近傍であると、活性層で発生する熱や、閉じ込められた光が作用して、GaP系材料とGaAs系材料との格子定数の違いによる結晶欠陥が起源となって活性層に影響を及ぼし、信頼性を低下させてしまう場合がある。この第8の実施形態のようにウエハ接着界面と活性層との間にGaAs基板に格子整合するAlGaAs系反射鏡を設け、活性層と接着界面を遠ざけることで、上記影響が及ぶのを防止することができる。
【0054】
第9の実施形態
本発明の第9の実施形態の面発光型半導体レーザは、第4,第6または第8の実施形態の面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体基板はGaP基板であって、光の取り出しは、GaP基板側からなされるように構成されていることを特徴としている。
【0055】
GaP基板は、およそ0.55μmよりも長波長帯の光に対して透明であり、光の取り出しが可能である。よって、発熱が主に生じる側にヒートシンク等を取り付けられる、いわゆるジャンクションダウン実装が可能となり、極めて放熱性を良くでき、温度特性を良好にすることができる。また、実装基板の方に配線等を作製しておき、はんだ等を介してボンディングすると、ワイヤーボンディングが不要となるので、アレイ素子の場合、特に経済性の面で効果的である。
【0056】
第10の実施形態
本発明の第10の実施形態の面発光型半導体レーザは、第4,第6,第8または第9の実施形態の面発光型半導体レーザにおいて、Al,Asを主成分としたAlAsを選択的に酸化した電流狭さく層を有していることを特徴としている。
【0057】
AlGa1−xAsにPを添加することで、屈折率が小さくなるとともに酸化速度が低下することが、酸化実験によりわかった。AlAsにGaやInを添加すると酸化速度がGaやIn組成の増加に伴って急激に低下することは良く知られているが、Pを添加した時の振る舞いは知られていなかった。そこで、GaAs基板上のAlAsと、GaAs基板上に組成傾斜層を介して成長されたGaAs0.60.4エピ基板上のAlAs0.60.4とに対し、高温中での水蒸気による酸化を行った。それぞれ厚さは40nmでクラッド層ではさんであり、エッチングにより被選択酸化層の側面が現れるまでメサを形成し、側面から酸化を行なった。この結果、AlAsは、440℃、10分間で8μm酸化され、Alとなった。一方、AlAs0.60.4は500℃、20分間でもほとんど酸化されなかった。よって、III族がAlのみであるにもかかわらず、Pが含まれることで酸化速度を低下させることがわかった。つまり、AlGaP系DBRは、AlPであっても酸化速度はAlAsに比べて極めて遅い。よって、AlGaAs系DBRのように酸化層よりもAl組成の小さいAlGaAsをDBRに用いる必要はなく、Al組成の大きなAlGaPを用いることができる。よって半導体分布ブラッグ反射鏡の屈折率差を小さくすることなく半導体分布ブラッグ反射鏡の酸化を抑えることができるので、半導体分布ブラッグ反射鏡の層数を増やすことなく、選択酸化層による電流狭さく構造を採用でき、面発光型半導体レーザの低消費電力化と薄膜化とを両立させることができる。
【0058】
第11の実施形態
本発明の第11の実施形態の面発光型半導体レーザは、第4,第6,第8,第9または第10の実施形態の面発光型半導体レーザにおいて、活性領域が少なくともGa,In,Pを含み、波長が0.78μmよりも短いことを特徴としている。
【0059】
AlGaP系材料は、AlGaAs系材料に比べてバンドギャップエネルギーが大きいことから、およそ0.55μmよりも長波長帯の光を透過し、特に0.78μmよりも短波長帯において光吸収の生じない材料を反射鏡に用いることができ、かつ屈折率差を大きく取れるので、AlGaAs系材料を用いるよりも容易に99%以上の高反射率が得られ、積層数を半分程度に低減でき、低抵抗の半導体分布ブラッグ反射鏡が形成できる。さらにAlGaP系材料の熱伝導率は、AlGaAs系材料よりも大きいので、放熱が良くなり、動作時の温度上昇を抑制でき、温度特性が向上する。GaAs基板上のAlGaInP系材料は、0.6μm帯から0.78μmよりも短波長の波長を得ることができる。よって、第4,第6,第8,第9,第10の実施形態によれば、AlGaInP系材料からなる活性領域を用いた波長が0.78μmよりも短い面発光型半導体レーザを、低しきい値,高出力,良好な温度特性で作製できる。活性層としては例えばGaInP量子井戸を用い、AlGaInPを障壁層やスペーサ(クラッド)層として用いることができる。
【0060】
第12の実施形態
本発明の第12の実施形態の面発光型半導体レーザアレイは、第11の実施形態の面発光型半導体レーザによって構成されていることを特徴としている。
【0061】
本発明の面発光型半導体レーザは、発熱,放熱が改善されたので、アレイとした場合、他の素子で発生した熱の干渉による特性劣化(しきい値上昇,出力低下など)が低減し、高性能の面発光型半導体レーザアレイを実現できる。さらに他の素子への熱の影響を低減できることから、素子間の間隔を狭くできるなどのメリットがある。
【0062】
第13の実施形態
本発明の第13の実施形態の光送信モジュールは、第4,第6,第8,第9,第10または第11の実施形態の面発光型半導体レーザ、または、第12の実施形態の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴としている。
【0063】
本発明の面発光型半導体レーザは、特に発熱,放熱が改善されたので、低しきい値,高温動作可能,高出力となり、アクリル系POFを用いた光伝送が可能となり、安い光源である面発光型半導体レーザと安い光ファイバーであるPOFとを用いた経済的な光送信モジュールを実現できる。
【0064】
第14の実施形態
本発明の第14の実施形態の光送受信モジュールは、第4,第6,第8,第9,第10または第11の実施形態の面発光型半導体レーザ、または、第12の実施形態の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴としている。
【0065】
本発明の面発光型半導体レーザは、特に発熱,放熱が改善されたので、低しきい値,高温動作可能,高出力となり、アクリル系POFを用いた光伝送が可能となり、安い光源である面発光型半導体レーザと安い光ファイバーであるPOFとを用いた経済的な光送受信モジュールを実現できる。
【0066】
第15の実施形態
本発明の第15の実施形態の光通信システムは、第4,第6,第8,第9,第10または第11の実施形態の面発光型半導体レーザ、または、第12の実施形態の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴としている。
【0067】
本発明の面発光型半導体レーザは、特に発熱,放熱が改善されたので、低しきい値,高温動作可能,高出力となり、アクリル系POFを用いた光伝送が可能となり、安い光源である面発光型半導体レーザと安い光ファイバーであるPOFとを用いた経済的な光通信システムを実現できる。そして、面発光型半導体レーザを用いていることから、LEDを用いた場合に比べて高速伝送可能であり、かつ極めて経済的であり、特に一般家庭やオフィスの室内,機器内などの光通信システムに用いることが効果的である。
【0068】
第16の実施形態
本発明の第16の実施形態の光書き込みシステム(例えば、レーザプリンタ)ーは、第4,第6,第8,第9,第10または第11の実施形態の面発光型半導体レーザ、または、第12の実施形態の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴としている。
【0069】
面発光型半導体レーザは、低消費電力動作に有利であり、プリンターのような箱の中の温度上昇を低減できる。また、面発光型である場合、アレイ化が容易でしかも通常の半導体プロセスで形成するので素子の位置制度が高く、同時にマルチビームでの書きこみが容易となり、書きこみ速度が格段に向上し、書きこみドット密度が上昇しても印刷速度を落とすことなく印刷できる。また同じ書きこみドット密度の場合は印刷速度を早くできる。
【0070】
第17の実施形態
本発明の第17の実施形態の光ピックアップシステムは、第4,第6,第8,第9,第10または第11の実施形態の面発光型半導体レーザ、または、第12の実施形態の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴としている。
【0071】
メディアへの光書き込み,再生用光源である半導体レーザの波長は、CDでは0.78μm、DVDでは0.65μmが用いられている。面発光型半導体レーザは、端面型半導体レーザに比べて1桁程度消費電力が小さく電力が長持ちすることから、通常の光ピックアップシステムはもちろん、本発明により0.65μmの面発光型半導体レーザを再生用光源としたハンディータイプの光ピックアップシステムを実現できる。
【0072】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
【0073】
第1の実施例
図1は本発明の第1の実施例の半導体分布ブラッグ反射鏡を示す図である。第1の実施例の半導体分布ブラッグ反射鏡では、反射設計波長を650nmとし、n−GaP基板上にAlPとGaPをそれぞれの媒質内における反射設計波長の1/4倍の厚さで交互に積層したAlP/GaP周期構造を有機金属気相成長方法(MOCVD法)により成長した。原料には、TMG(トリメチルガリウム),TMA(トリメチルアルミニウム),PH(フォスフィン)を用い、また、n型のドーパントとしてHSe(セレン化水素)を用いた。また、キャリアガスには、Hを用いた。なお、AlPとGaPとの間には、Al組成を一方の値から他方の値に線形に変化させた厚さ10nmのAlGaP線形組成傾斜層を挿入しており、傾斜層を含めて媒質内における設計波長の1/4倍の厚さとしている。MOCVD法では、原料の供給量を変化させることでAlGaPの組成を制御することができるので、MBE法(分子線エピタキシー法)に比べて容易に組成傾斜層を成長させることができる。
【0074】
AlPとGaPは屈折率差が大きく、バンドギャップも大きく、AlGaP系材料は550nmより長波長帯で光を吸収しないので、650nmという波長においても少ない積層数で高反射率を得ることができた。さらに、組成傾斜層を挿入することで、抵抗も低減できた。
【0075】
第2の実施例
図2は本発明の第2の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【0076】
図2に示すように、第2の実施例における面発光型半導体レーザ素子は、n−GaP基板上にn−AlPとn−GaPとを交互に(例えば24.5周期)積層した周期構造からなるn−半導体分布ブラッグ反射鏡(第1半導体分布ブラッグ反射鏡:単に、第1反射鏡ともいう)が形成されている。そして、この第1反射鏡の上に、n−GaP第1キャップ層が形成されて、第1反射鏡構造が形成さされている。なお、第1反射鏡構造において、AlPとGaPとの間には、Al組成を一方の値から他方の値に線形に変化させた厚さ20nmの線形組成傾斜層を挿入しており、線形組成傾斜層を含めて媒質内における発振波長の1/4倍の厚さとしている。具体的には、AlPとGaPとの間には、線形組成傾斜層として、AlGa1−zP(0≦y<z<x≦1)が設けられている。この線形組成傾斜層が設けられていることによって、この第1の反射鏡構造に電気を流す場合、AlPとGaPとの間のバンド不連続を滑らかにすることができ、高抵抗化を抑制できる。なお、線形組成傾斜層の組成zを階段状に変化させても良く、連続的に変化させても良い。また、線形組成傾斜層の厚さは、反射率が充分になる範囲で厚い方が好ましい。AlPは、GaPと格子定数が近いので、臨界膜厚以下の厚さとなり、第1反射鏡構造は、GaP基板に実質的に格子整合する材料系となっている。
【0077】
このような第1反射鏡構造の上に、GaAs基板に対して引張り歪組成となるn−Ga0.6In0.4P第2キャップ層、GaAs基板に格子整合する(Al0.7Ga0.30.5In0.5P第1スペーサ(クラッド)層、GaAs基板に対して圧縮歪組成となるGa0.4In0.6P井戸層とGaAs基板に格子整合する(Al0.5Ga0.50.5In0.5P障壁層とからなる量子井戸活性層、(Al0.7Ga0.30.5In0.5P第2スペーサ(クラッド)層が形成されている。
【0078】
そして、更にその上に、p−AlGa1−xAs(x=0.95)とp−AlGa1−yAs(y=0.5)を交互に(例えば50周期)積層した周期構造からなるp−半導体分布ブラッグ反射鏡(第2半導体分布ブラッグ反射鏡:単に、第2反射鏡ともいう)が形成されている。なお、この第2反射鏡において、p−AlGa1−xAs(x=0.95)とp−AlGa1−yAs(y=0.5)との間には、Al組成を一方の値から他方の値に線形に変化させた厚さ20nmの線形組成傾斜層を挿入しており、線形組成傾斜層を含めて媒質内における発振波長の1/4倍の厚さとしている。具体的には、線形組成傾斜層として、AlGa1−zAs(0≦y<z<x≦1)が設けられている。
【0079】
そして、最上部には、p−GaAsコンタクト層が形成されている。なお、GaAsは、発振光を吸収する組成なので、薄くする必要があり、また最上部のp−AlGa1−yAs(y=0.5)とGaAsを含め反射率が低下しないような厚さにする必要がある。最上部のGaAs層は、電極とコンタクトを取るコンタクト層となっている。また、第1反射鏡と第2反射鏡との間は、発振波長の1波長分の厚さ(いわゆるラムダキャビティー)とした。
【0080】
なお、この第2の実施例の面発光型半導体レーザのウエハは以下のように作製されている。
【0081】
すなわち、図3(a)に示すように、n−GaP基板上に、n−AlPとn−GaPとを交互に積層した周期構造からなる第1反射鏡、n−GaP第1キャップ層を形成する。
【0082】
また、図3(b)に示すように、p−GaAs基板上に、GaInPエッチングストップ層、p−GaAsコンタクト層、p−AlGa1−yAs(y=0.5)とp−AlGa1−xAs(x=0.95)とを交互に積層した第2反射鏡を形成し、更にその上に、(Al0.7Ga0.30.5In0.5P第2スペーサ(クラッド)層、GaInP/AlGaInP量子井戸活性層、(Al0.7Ga0.30.5In0.5P第1スペーサ(クラッド)層、n−Ga0.6In0.4P第2キャップ層を形成する。
【0083】
結晶成長は、MOCVD法により行なった。原料には、TMG(トリメチルガリウム),TMA(トリメチルアルミニウム),TMI(トリメチルインジウム),PH(フォスフィン)、AsH(アルシン)、n型のドーパントとしてHSeを(セレン化水素)、p型のドーパントとしてCBrを用いた。また、キャリアガスにはHを用いた。MOCVD法では、組成傾斜層のような構成は原料ガス供給量を制御することで容易に形成できるので、DBRを含んだ面発光型半導体レーザの結晶成長方法として適している。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。
【0084】
そして、図3(a)と図3(b)の2枚の成長基板の結晶成長面を洗浄して室温で密着させ、その後、高温(例えば600℃)でH雰囲気で熱処理して接着する。その後、GaAs基板をGaInPエッチングストップ層まで化学的にエッチング除去する。硫酸系のエッチング液を用いるとGaInP等のリン系材料はエッチングされないので制御できる。更に今度はGaInPエッチングストップ層を塩酸系エッチング液で選択的にエッチングする。塩酸系エッチング液を用いると逆にリン系材料がエッチングされ、GaAsなどはエッチングされないので制御できる。これにより、p−GaAsコンタクト層表面を露出させることができる。
【0085】
これにより、n−GaP基板上に、n−AlGaP系DBR(第1反射鏡)、AlGaInP系活性領域、p−AlGaAs系DBR(第2反射鏡)が積層されたウエハが形成された。
【0086】
そして、第2の実施例では、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)とし、電流狭さく部を形成する。そして、第2反射鏡の最上部の層である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、GaP基板の裏面にn側電極を形成する。
【0087】
AlGaP系DBRは、AlGaAs系DBRに比べて材料のバンドギャップが大きく、短波長帯においては少ない積層数で吸収が少なくかつ高い反射率を得ることができる。また、GaP基板はGaAs基板よりも熱伝導率が大きいことと、AlGaP系DBRはAlGaAs系DBRに比べて熱伝導率が大きいことにより、放熱が改善され、GaAs基板上に形成した素子に比べてしきい値が低く、出力が高く、高温まで連続動作が可能であった。
【0088】
なお、ウエハ接着技術を利用した面発光型半導体レーザは、特開平7−335967,特開平11−103125,特開2001−68783などに提案されているが、これらは1.3μmや1.55μm帯のような長波長帯におけるものである。この波長帯では、InP基板上の材料系が主に活性層として用いられるが、同基板上に優れた反射鏡材料が見当たらなく、0.85μm帯等で用いられるGaAs基板上のAlGaAs系材料による優れた反射鏡を接着している。これに対し、本発明では、GaP基板上に結晶成長可能なAlGaP系材料を反射鏡に用いており、これら従来例とは構成,作用効果を異にしている。
【0089】
第3の実施例
図4は本発明の第3の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【0090】
この第3の実施例が第2の実施例と主に違うところは、電流狭窄をプロトン照射ではなく、AlAs層の選択酸化で行った点である。
【0091】
すなわち、この第3の実施例では、p側DBRの最も活性層に近い低屈折率層の一部をAlAs層とした。そして所定の大きさのメサを少なくともp−AlAs被選択酸化層の側面を露出させて形成し、側面の現れたAlAsを水蒸気で側面から酸化してAl電流狭さく層を形成した。そして次にポリイミドでエッチング部を埋め込んで平坦化し、pコンタクト層と光出射部のある上部反射鏡上のポリイミドを除去し、pコンタクト層上の光出射部以外にp側電極を形成し、基板の裏面にn側電極を形成した。
【0092】
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ることができ、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。さらに酸化して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、しきい値電流を低減することができる。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。
【0093】
第4の実施例
図5は本発明の第4の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【0094】
この第4の実施例が第3の実施例と主に違うところは、光取り出しをGaP基板側とした点である。このため、第3の実施例と異なり、第1反射鏡の反射率を第2反射鏡の反射率よりも低くした。また、GaP基板の裏面に光取り出し窓を形成し、更に無反射膜を形成した。そしてジャンクションダウンでヒートシンクに実装した。
【0095】
従来、GaAs基板上に形成されたAlGaInP系赤色面発光型半導体レーザは、GaAsが光を吸収するので基板側光取り出し構造はできなかったが、本発明では、基板がGaPであるので、基板側光取り出し構造が可能となり、よってジャンクションダウン実装が可能となり、放熱は更に改善された。よって更に高温まで連続動作が可能であった。
【0096】
また、基板側光取り出し構造としたことで、アレイ素子や他の機能素子と集積した場合、駆動回路等との接続にワイヤーボンディングを用いずに、あらかじめ配線構造を形成した別基板上に、はんだなどの導電性接着剤を介してボンディングでき、低コスト化が図れる。
【0097】
第5の実施例
図6は本発明の第5の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【0098】
この第5の実施例が第3の実施例と主に違うところは、ウエハ接着界面と活性層との間に、GaAs基板に格子整合するAlGaAs系DBRが形成されている点である。つまり、第5の実施例では、第1反射鏡が、AlGaP系第1反射鏡(A)とAlGaAs系第1反射鏡(B)との2段で形成されている。この第5の実施例では、AlGaAs系DBRは5ペアとした。また、この第5の実施例では、AlGaAs系DBRは、n−AlGa1−xAs(x=0.95)とn−AlGa1−yAs(y=0.5)とを交互に積層した構造とし、ウエハ接着界面となる最上層(低屈折率層)はn−GaIn1−xP(x=0.6)第2キャップ層とした。そして、GaP基板上の最上層であるGaP第1キャップ層とGaAs基板最上層であるGaInP第2キャップ層との厚さは、合計でλ/4の奇数倍とした。
【0099】
ウエハ接着界面が活性層近傍であると、GaP系とGaAs系材料との格子定数の違いによる結晶欠陥が活性層に影響を及ぼし信頼性を低下させてしまう場合があるが、この第5の実施例のようにウエハ接着界面と活性層との間にGaAs基板に格子整合するAlGaAs系DBRを設けることで上記影響をなくすことができる。
【0100】
第6の実施例
図7は本発明の第6の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【0101】
この第6の実施例が第5の実施例と主に違うところは、第2反射鏡にもGaP基板に格子整合するAlGaP系DBRを用いたことである。
【0102】
なお、この第6の実施例の面発光型半導体レーザのウエハは以下のように作製されている。
【0103】
すなわち、図8(a)に示すように、n−GaP基板上に、n−AlPとn−GaPとを29.5ペア積層した周期構造からなる第1反射鏡(A)、n−GaP第1キャップ層を形成し、これをエピウエハ1とする。
【0104】
また、図8(b)に示すように、p−GaP基板上に、GaPAsエッチングストップ層、p−GaPコンタクト層、p−AlPとp−GaPとを19.5ペア積層した周期構造からなる第2反射鏡(A)、p−GaP第3キャップ層を形成し、これをエピウエハ2とする。
【0105】
また、図8(c)に示すように、p−GaAs基板上に、p−GaInP第4キャップ層、p−AlGa1−xAs(x=0.95)とp−AlGa1−yAs(y=0.5)とを交互に4.5ペア積層した第2反射鏡(B)を形成し、更にその上に、(Al0.7Ga0.30.5In0.5P第2スペーサ層(クラッド層)、GaInP/AlGaInP量子井戸活性層、(Al0.7Ga0.30.5In0.5P第1スペーサ層(クラッド層)、n−AlGa1−xAs(x=0.95)とn−AlGa1−yAs(y=0.5)とを4.5ペア交互に積層した第1反射鏡(B)、n−GaInP第2キャップ層を形成し、これをエピウエハ3とする。なお、この第6の実施例では、p側DBRの最も活性層に近い低屈折率層の一部をAlAs被選択酸化層とした。
【0106】
なお、各反射鏡の低屈折率層と高屈折率層との間には組成傾斜層を挿入した。結晶成長はMOCVD法により行なった。原料には、TMG(トリメチルガリウム),TMA(トリメチルアルミニウム),PH(フォスフィン)、AsH(アルシン)、n型のドーパントとしてHSe(セレン化水素)、p型のドーパントとしてCBrを用いた。また、キャリアガスにはHを用いた。MOCVD法は、組成傾斜層のような構成は原料ガス供給量を制御することで容易に形成できるのでDBRを含んだ面発光型半導体レーザの結晶成長方法として適している。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。
【0107】
そして、この第6の実施例では、まずエピウエハ1とエピウエハ3の2枚の成長基板の結晶成長面を洗浄して室温で密着させ、その後、高温(例えば600℃)でH雰囲気で熱処理して接着する。その後、GaAs基板をp−GaInP第4キャップ層が現れるまで化学的にエッチング除去する。硫酸系のエッチング液を用いると、GaInP等のリン系材料はエッチングされないので制御できる。これにより、p−GaInP第4キャップ層の表面が現れた。
【0108】
次に、この貼り合わせたウエハとエピウエハ2との2枚の成長基板の結晶成長面を洗浄して室温で密着させ、その後、高温(例えば600℃)でH雰囲気で熱処理して接着する。その後、エピウエハ2のp−GaP基板をGaPAsエッチングストップ層まで化学的にエッチング除去する。塩酸系のエッチング液を用いるとGaPAs等の砒素系材料はエッチングされないので制御できる。更に今度はGaPAsエッチングストップ層を硫酸系エッチング液で選択的にエッチングする。硫酸系エッチング液を用いると逆に砒素系材料がエッチングされ、GaPなどはエッチングされないので制御できる。これによりp−GaPコンタクト層表面が現れた。
【0109】
これにより、n−GaP基板上に、n−AlGaP系とn−AlGaAs系の2段構成からなるDBR、AlGaInP系活性領域、p−AlGaAs系とp−AlGaP系の2段構成からなるDBRが積層された図7の面発光型半導体レーザのウエハが形成された。
【0110】
そして、第6の実施例では、所定の大きさのメサを少なくともp−AlAs被選択酸化層の側面を露出させて形成し、側面の現れたAlAsを水蒸気で側面から酸化してAl電流狭さく部を形成した。そして、次に、ポリイミドでエッチング部を埋め込んで平坦化し、pコンタクト層と光出射部のある上部反射鏡上のポリイミドを除去し、pコンタクト層上の光出射部以外にp側電極を形成し、また、基板の裏面にn側電極を形成した。
【0111】
AlGaP系DBRは、AlGaAs系DBRに比べて材料のバンドギャップが大きく、短波長帯においては少ない積層数で光の吸収が少なく、かつ、高い反射率を得ることができる。また、GaP基板はGaAs基板より熱伝導率が大きいことと、AlGaP系DBRはAlGaAs系DBRに比べて熱伝導率が大きいことにより、放熱が改善され、GaAs基板上に形成した素子に比べてしきい値が小さく、出力が大きく、高温まで連続動作が可能であった。
【0112】
また、AlGaAs系DBRにおいてAlAsとGaAsは屈折率差が大きいのでDBRに適した材料といえるが、レーザの波長が短くなるに従い、光の吸収を避けるため高屈折率層のAl組成を大きくする必要がある。このため、例えば波長650nmでは高屈折率層にAl0.5Ga0.5Asがよく用いられる。よって、低屈折率層との屈折率差がAlAs/GaAsとの組み合わせに比べて約半分になり必要な反射率を得るために積層数は2倍程度に増加してしまう。さらに実際には積層数が増えると膜厚の揺らぎがあり、また完全には光吸収を抑えたDBR組成ではないので吸収のため高い反射率を得るのが困難になってしまい、面発光型半導体レーザの特性を悪化させてしまう問題がある。
【0113】
一方、反射鏡にAlGaP系材料を用いると、550nmよりも長い波長に対して透明となり、これらの波長においてGaPとAlPの間のどの組成をも用いることが可能となる。これにより屈折率差が大きく取れ、積層数を増加させることなく結晶成長は容易であり、高反射率を容易に得ることができる。
【0114】
更に、面発光型半導体レーザでは、DBRを構成する低屈折率層と高屈折率層とのバンド不連続により高抵抗となりやすいため、第1の実施例に示したように組成傾斜層を挿入して低抵抗化を図っている。AlPとGaPとのバンド不連続は、Sandip等による文献「Appl. Phys. Lett. Vol.60, No.5, 1992, pp630−632」によると、伝導帯及び価電子帯とも、AlAsとGaAsとのそれと同程度である。上述のようにAlGaP系材料をDBRに用いると積層数を約半分にすることができるため、抵抗増加の原因であるヘテロ接合数が約半分となり、抵抗低減が図れ、DBRでの発熱を低減することができる。
【0115】
第7の実施例
図9は本発明の第7の実施例の面発光型半導体レーザアレイ(面発光型半導体レーザアレイチップ)を示す図(上面図)である。
【0116】
第7の実施例の面発光型半導体レーザアレイは、第6の実施例の面発光型半導体レーザが10素子、1次元に並んだものとなっている。ただし、第6の実施例の面発光型半導体レーザと、pとnは逆にした。なお、図9の例では、第6の実施例の面発光型半導体レーザを1次元に集積させたが、第6の実施例の面発光型半導体レーザを2次元に集積させても良い。すなわち、第7の実施例の面発光型半導体レーザアレイは、p型GaP半導体基板上に形成されており、上面にn側個別電極が形成され、裏面にp側共通電極が形成されている。ここで、この面発光型半導体レーザアレイの発振波長は、650nmであった。また、発熱を低減し、放熱を良好にしたので、隣りの素子へ悪影響は及ぼさなかった。
【0117】
第8の実施例
図10は第8の実施例の光送信モジュールを示す図であり、第7の実施例の面発光型半導体レーザアレイチップと安価なアクリル系POF(プラスチック光ファイバー)とを組み合わせたものとなっている。この第8の実施例では、面発光型半導体レーザからのレーザ光がPOFに入力され、伝送される。ここで、アクリル系POFは、650nmの波長に吸収損失のボトムがあり、従って、この波長が好ましい。光通信の分野では、同時により多くのデータを伝送するために、複数の半導体レーザを集積させたレーザアレイを用いた並列伝送が試みられている。これにより、高速な並列伝送が可能となり、従来よりも多くのデータを同時に伝送できるようになった。
【0118】
なお、図10の例では、面発光型半導体レーザ素子と光ファイバーとを1対1に対応させたが、発振波長の異なる複数の面発光型半導体レーザ素子を1次元または2次元にアレイ状に配置して波長多重送信することにより、伝送速度を更に増大することが可能となる。
【0119】
さらに、この第8の実施例では、本発明による安価な面発光型半導体レーザ素子と安価なPOFとを組み合わせたので、低コストの光送信モジュールを実現でき、さらに、これを用いた低コストの光通信システムを実現できる。POFは石英系ファイバーに比べて透明ではないので、長距離伝送には向かず、極めて低コストであることから、家庭用,オフィスの室内用,機器内用等の短距離のデータ通信に有効である。
【0120】
第9の実施例
図11は本発明の第9の実施例の光送受信モジュールを示す図であり、第6の実施例の面発光型半導体レーザ素子と受信用フォトダイオードとアクリル系POFとを組み合わせたものとなっている。
【0121】
本発明による面発光型半導体レーザ素子を光通信システムに用いる場合、面発光型半導体レーザ素子とPOFは低コストであるので、図11に示すように、送信用の面発光型半導体レーザ素子と、受信用フォトダイオードと、POFとを組み合わせた光送受信モジュールを用いた低コストの光通信システムを実現できる。また、POFはファイバの径が大きく、ファイバとのカップリングが容易で、実装コストを低減できることから、極めて低コストのモジュールを実現できる。また、本発明に係る面発光型半導体レーザ素子の場合、温度特性が良いこと、及び、低しきい値であることにより、発熱が少なく、高温まで冷却なしで使えるより低コストのシステムを実現できる。
【0122】
本発明に係る面発光型半導体レーザ素子を用いた光通信システムとしては、光ファイバーを用いたLAN(Local Area Network)などのコンピュータ等の機器間伝送、さらには機器内のボード間データ伝送、ボード内のLSI間、LSI内の素子間等の光インターコネクションとして、特に短距離通信に用いることができる。
【0123】
すなわち、近年LSI等の処理性能は向上しているが、これらを接続する部分の伝送速度が今後ボトルネックとなる。システム内の信号接続を従来の電気接続から光インターコネクションに変えると(例えば、コンピュータシステムのボード間、ボード内のLSI間、LSI内の素子間等を本発明に係る光送信モジュールや光送受信モジュールを用いて接続すると)、超高速コンピュータシステムが可能となる。
【0124】
また、複数のコンピュータシステム等を本発明に係る光送信モジュールや光送受信モジュールを用いて接続した場合、超高速ネットワークシステムが構築できる。特に、面発光型半導体レーザ素子は、端面発光型レーザに比べて、桁違いに低消費電力化でき2次元アレイ化が容易なので、並列伝送型の光通信システムに適している。
【0125】
第10の実施例
図12は本発明の第10の実施例を示す図である。すなわち、波長650nmである4×4の二次元に配置された面発光型半導体レーザアレイチップ(16ビームVCSELアレイ)と感光帯ドラムとを組み合わせたレーザプリンタの光走査部分を示す図である。図13は図12における面発光型半導体レーザアレイチップの概略構成を示す図(上面図)である。図12,図13のレーザプリンタでは、4×4の二次元に配置された面発光型半導体レーザアレイチップの点灯のタイミングを調整することで、感光帯上では図13のように副走査方向に20μm間隔で光源が並んでいる場合と同様な構成と捉えることができる。
【0126】
この第10の実施例では、面発光型半導体レーザアレイからの複数のビームを、同じ光学系を用い走査用ポリゴンミラーを高速回転させて点灯のタイミングを調整して被走査面である感光帯上に集光して、一度に複数のビームを走査している。
【0127】
この第10の実施例によると、副走査方向に20μm間隔で感光帯上に書き込み可能である。なお、この副走査方向の間隔は、1200DPI(ドット/インチ)に相当する。また、主走査方向の書き込み間隔は、光源の点灯のタイミングで容易に制御できる。このレーザプリンタでは、16ドットを同時に書き込み可能であり、高速印刷できた。アレイ数を増加させることで、更に高速印刷が可能となる。また、面発光型半導体レーザ素子の間隔を調整することで、副走査方向の間隔を調整できる。すなわち、1200DPIよりも高密度にすることができ、より高品質の印刷が可能となる。なお、高密度化するためには、ビーム径をレンズ系を用いてより絞る必要があるが、波長による限界があり、光源の波長は短い方が好ましい。従来、面発光型半導体レーザでは780nmよりも短い波長で、出力,温度特性等を満足できる素子が得られなかったが、本発明によって赤色(600nm台)波長域で実用レベルの素子となったため、実現できた。
【0128】
なお、この第10の実施例では、レーザプリンタへの応用例を示したが、本発明の面発光型半導体レーザを光ピックアップシステムに適用することもできる。すなわち、CD等の記録,再生用光源としても用いることができる。
【0129】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項1記載の発明によれば、屈折率が周期的に変化し、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において、屈折率が小なる層はAlGa1−xP(0<x≦1)からなり、屈折率が大なる層はAlGa1−yP(0≦y<x≦1)からなるので、少ない積層数で反射率を高め、発熱を低減し、放熱を改善することにより、実用レベルの可視域半導体分布ブラッグ反射鏡を提供することができる。すなわち、AlP,GaPを終端物質としたAlGaP系材料は、AlAs,GaAsを終端物質としたAlGaAs系材料と同様に屈折率差が大きく、しかもAl組成によらずGaPと格子定数が近くGaP基板上に結晶成長できる。よって、AlGaP系材料はAlGaAs系材料と同様に半導体分布ブラッグ反射鏡の材料として適していると考えられる。更にAlGaP系材料は、AlGaAs系材料に比べてバンドギャップエネルギーが大きいことから、およそ0.55μmよりも長波長帯の光を透過する。よって、0.55μmよりも長波長帯においてAlGaPの全組成範囲を用いることができ、特に0.78μmよりも短波長帯においてAlGaAs系材料よりも積層数を少なくでき、実用化に適した半導体分布ブラッグ反射鏡を提供することができる。
【0130】
また、請求項2記載の発明によれば、屈折率が異なる2種の半導体層を積層してなる半導体分布ブラッグ反射鏡において、屈折率が異なる2種の半導体層は、屈折率が小なる層と屈折率が大なる層とであって、屈折率が小なる層はAlGa1−xP(0<x≦1)からなり、屈折率が大なる層はAlGa1−yP(0≦y<x≦1)からなり、前記屈折率が異なる2種の半導体層の間に、屈折率が異なる2種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられているので(具体的には、AlGa1−zP(0≦y<z<x≦1)からなる中間層が設けられていることで)、反射鏡に電気を流す場合、屈折率が小なる層と屈折率が大なる層とのバンド不連続を滑らかにすることができ、これによって、高抵抗化が抑制され、低抵抗の反射鏡を提供することができる。
【0131】
また、請求項3記載の発明によれば、半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも1層の活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために活性領域の上部および下部に設けられている上部反射鏡および下部反射鏡とを含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、上部反射鏡および/または下部反射鏡には、請求項1または請求項2の半導体分布ブラッグ反射鏡が用いられるので、放熱が良くなり、動作時の温度上昇を抑制でき、高出力,低しきい値電流の面発光型半導体レーザを提供することができる。すなわち、AlGaP系材料は、AlGaAs系材料に比べてバンドギャップエネルギーが大きいことから、およそ0.55μmよりも長波長の光を透過し、特に0.78μmよりも短波長帯においてAlGaAs系材料を用いるよりも容易に99%以上の高反射率が得られ、これにより、反射鏡の積層数を半分程度に低減できて、抵抗を低減でき、また、光の吸収を低減できる。さらに、AlGaP系材料の熱伝導率はAlGaAs系材料よりも大きいので、放熱が良くなり、動作時の温度上昇を抑制でき、高出力,低しきい値電流の面発光型半導体レーザが得られ、また温度特性を向上させることができる。なお、熱伝導の効果については、レーザの波長が0.6μm帯のみならず他の波長範囲でも効果がある。
【0132】
また、請求項4記載の発明によれば、半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも1層の活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために活性領域の上部および下部に設けられている上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、前記活性領域は、GaAsに格子整合する材料からなり、また、前記上部反射鏡および/または下部反射鏡は、GaPに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡であるので(具体的に、AlGaP系材料を反射鏡材料として用いたので)、従来のAlGaAs系反射鏡を用いた面発光型半導体レーザと比較して熱伝導率が高く、放熱が改善された温度特性の良好な面発光型半導体レーザを実現できる。また、AlGaP系材料がAlGaAs系材料に比べてワイドギャップであるので、特に780nmよりも短波長とした場合は、少ない積層数で高反射率を容易に得られ、吸収も低減され、低しきい値,高出力の面発光型半導体レーザが得られる。
【0133】
また、請求項5記載の発明によれば、第1GaP基板上に第1半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長する工程と、GaAs基板上に活性領域を結晶成長させる工程と、第2GaP基板上に第2半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長させる工程と、活性領域と第1半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着し、GaAs基板を除去する工程と、活性領域と第2半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着する工程とを有しているので、従来のAlGaAs系反射鏡を用いた面発光型半導体レーザと比較して熱伝導率が高く、放熱が改善された温度特性の良好な面発光型半導体レーザを作製できる。また、AlGaP系材料がAlGaAs系材料に比べてワイドギャップであるので、特に780nmよりも短波長とした場合は、少ない積層数で高反射率を容易に得られ、吸収も低減され、低しきい値,高出力の面発光型半導体レーザが得られる。すなわち、AlP,GaPを終端物質としたAlGaP系材料は、AlAs,GaAsを終端物質としたAlGaAs系材料と同様に、格子定数がGaPと近くGaP基板上に結晶成長でき、屈折率差も大きい。また例えば波長0.6μm帯はGaAs基板にミスフィット転位なしに成長できるAlGaInP系材料により活性層を含む活性領域を形成できる。そしてこれらを接着することにより、上記面発光型半導体レーザを作製できる。
【0134】
また、請求項6記載の発明によれば、半導体基板上に、GaPに格子整合する材料からなる第1半導体分布ブラッグ反射鏡と、GaAsに格子整合する材料からなる活性領域と、GaAsに格子整合する材料からなる第2半導体分布ブラッグ反射鏡とを有しているので、従来のAlGaAs系反射鏡を用いた面発光型半導体レーザと比較して熱伝導率が高く、放熱が改善された温度特性の良好な面発光型半導体レーザを実現できる。また、AlGaP系材料がAlGaAs系材料に比べてワイドギャップであるので、特に780nmよりも短波長とした場合は、少ない積層数で高反射率を容易に得られ、吸収も低減され、低しきい値,高出力の面発光型半導体レーザが得られる。すなわち、GaPは、GaAsに比べて約2倍の熱伝導率を有しており、放熱性が良い。よって、動作時の発熱を良く逃がすことができるので、温度特性が良好になる。なお、上述のように両方の半導体分布ブラッグ反射鏡をGaP基板上に結晶成長するのが好ましいが、反射鏡と活性領域をともにGaAs基板上に結晶成長して、GaP基板を接着してもGaP基板による放熱の効果を得ることができる。
【0135】
また、請求項7記載の発明によれば、GaP基板上に第1半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長する工程と、GaAs基板上に第2半導体分布ブラッグ反射鏡と活性領域を結晶成長する工程と、活性領域と第1半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着する工程とを有しているので、従来のAlGaAs系反射鏡を用いた面発光型半導体レーザと比較して熱伝導率が高く、放熱が改善された温度特性の良好な面発光型半導体レーザを作製できる。また、AlGaP系材料がAlGaAs系材料に比べてワイドギャップであるので、特に780nmよりも短波長とした場合は、少ない積層数で高反射率を容易に得られ、吸収も低減され、低しきい値,高出力の面発光型半導体レーザが得られる。すなわち、AlP,GaPを終端物質としたAlGaP系材料は、GaPと格子定数が近くGaP基板上に結晶成長でき、屈折率差も大きい。これはAlAs,GaAsを終端物質としたAlGaAs系材料と同様な傾向である。また例えば波長0.6μm帯はGaAs基板にミスフィット転位なしに成長できるAlGaInP系材料により活性層を含む活性領域を形成できる。第2半導体分布ブラッグ反射鏡はGaAs基板上に上記活性領域と連続してAlGaAs系材料を用いて形成できる。そしてこれらを接着することにより、上記面発光型半導体レーザを作製できる。
【0136】
また、請求項8記載の発明によれば、請求項4または請求項6記載の面発光型半導体レーザにおいて、GaAsに格子整合する材料からなる活性領域とGaPに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡との間に、GaAsに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡の一部が形成されており、前記GaPに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡と前記GaAsに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡の一部とが接着されているので、信頼性が低下するのを防止できる。すなわち、ウエハ接着界面が活性層近傍であると、活性層で発生する熱や、閉じ込められた光が作用して、GaP系とGaAs系材料との格子定数の違いによる結晶欠陥が起源となって活性層に影響を及ぼし信頼性を低下させてしまう場合があるが、請求項8のようにウエハ接着界面と活性層との間にGaAs基板に格子整合するAlGaAs系DBRを設けることで、上記影響が及ぶのを防止することができる。
【0137】
また、請求項9記載の発明によれば、請求項4,請求項6または請求項8記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体基板はGaP基板であって、光の取り出しは、GaP基板側からなされるように構成されているので、ジャンクションダウン実装が可能となり、極めて放熱性を良くでき、温度特性を良好にすることができる。すなわち、GaP基板は、およそ0.55μmよりも長波長の光に対して透明であり、光の取り出しが可能である。よって発熱が主に生じる側にヒートシンク等を取り付けられる、いわゆるジャンクションダウン実装が可能となり、極めて放熱性を良くでき、温度特性を良好にすることができる。また、実装基板の方に配線等を作製しておくことで、ワイヤーボンディングが不要となり、アレイ素子の場合、特に効果的である。
【0138】
また、請求項10記載の発明によれば、請求項4,請求項6,請求項8または請求項9に記載の面発光型半導体レーザにおいて、Al,Asを主成分としたAlAsを選択的に酸化した電流狭さく層を有しているので、面発光型半導体レーザの低消費電力化と薄膜化とを両立できる。すなわち、AlGa1−xAsにPを添加することで屈折率が小さくなるとともに、III族がAlのみであるにもかかわらず酸化速度が低下することが酸化実験によりわかった。よって、AlGaAs系反射鏡のように酸化層よりもAl組成の小さいAlGaAsを用いる必要はなく、Al組成の大きなAlGaPを用いることができる。よって、半導体分布ブラッグ反射鏡の屈折率差を小さくすることなく半導体分布ブラッグ反射鏡の酸化を抑えることができるので、半導体分布ブラッグ反射鏡の層数を増やすことなく選択酸化層による電流狭さく構造を採用でき、面発光型半導体レーザの低消費電力化と薄膜化とを両立できる。
【0139】
また、請求項11記載の発明によれば、請求項4,請求項6,請求項8,請求項9または請求項10に記載の面発光型半導体レーザにおいて、活性領域が少なくともGa,In,Pを含み、波長が0.78μmよりも短いことを特徴とするので、波長が0.78μmよりも短い温度特性の良好な面発光型半導体レーザを提供できる。すなわち、AlGaP系材料は、AlGaAs系材料に比べてバンドギャップエネルギーが大きいことから、およそ0.55μmよりも長波長帯の光を透過し、特に0.78μmよりも短波長帯においてAlGaAs系材料を用いるよりも容易に99%以上の高反射率が得られ、積層数を半分程度に低減でき、低抵抗の半導体分布ブラッグ反射鏡が形成できる。さらに、AlGaP系材料の熱伝導率はAlGaAs系材料よりも大きいので、放熱が良くなり、動作時の温度上昇を抑制でき、温度特性が向上する。よって、AlGaInP系材料からなる活性領域を用いた波長が0.78μmよりも短い温度特性の良好な面発光型半導体レーザを提供できる。
【0140】
また、請求項12記載の発明は、請求項11記載の面発光型半導体レーザによって構成されていることを特徴とする面発光型半導体レーザアレイであり、請求項11記載の面発光型半導体レーザは、発熱,放熱が改善されているので、これをアレイとした場合、他の素子で発生した熱による特性劣化(しきい値上昇,出力低下など)が低減し、高性能の面発光型半導体レーザアレイを実現できる。さらに他の素子への熱の影響を低減できることから、素子間の間隔を狭くできるなどのメリットがある。
【0141】
また、請求項13記載の発明は、請求項4,請求項6,請求項8,請求項9,請求項10または請求項11に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項12記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光送信モジュールであり、請求項4,請求項6,請求項8,請求項9,請求項10または請求項11に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項12記載の面発光型半導体レーザアレイは、特に発熱,放熱が改善されているので、低しきい値,高温動作可能,高出力となり、アクリル系POFを用いた光伝送が可能となり、安い光源である面発光型半導体レーザと安い光ファイバーであるPOFとを用いた経済的な光送信モジュールを実現できる。
【0142】
また、請求項14記載の発明は、請求項4,請求項6,請求項8,請求項9,請求項10または請求項11に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項12記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光送受信モジュールであり、請求項4,請求項6,請求項8,請求項9,請求項10または請求項11に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項12記載の面発光型半導体レーザアレイは、特に発熱,放熱が改善されているので、低しきい値,高温動作可能,高出力となり、アクリル系POFを用いた光伝送が可能となり、安い光源である面発光型半導体レーザと安い光ファイバーであるPOFとを用いた経済的な光送受信モジュールを実現できる。
【0143】
また、請求項15記載の発明は、請求項4,請求項6,請求項8,請求項9,請求項10または請求項11に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項12記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光通信システムであり、請求項4,請求項6,請求項8,請求項9,請求項10または請求項11に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項12記載の面発光型半導体レーザアレイは、特に発熱,放熱が改善されているので、低しきい値,高温動作可能,高出力となり、アクリル系POFを用いた光伝送が可能となり、安い光源である面発光型半導体レーザと安い光ファイバーであるPOFとを用いた経済的な光通信システムを実現できる。面発光型半導体レーザを用いていることから、高速伝送可能であり、かつ極めて経済的であり、特に一般家庭やオフィスの室内などの短距離光通信システムに用いることが効果的である。
【0144】
また、請求項16記載の発明は、請求項4,請求項6,請求項8,請求項9,請求項10または請求項11に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項12記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光書き込みシステム(具体的には、例えばレーザプリンタ)であり、面発光型半導体レーザは低消費電力動作に有利であることから、プリンタのような箱の中の温度上昇を低減できる。また、面発光型レーザを用いているので、アレイ化が容易でしかも通常の半導体プロセスで形成することができて、素子の位置精度が高く、同時にマルチビームでの書き込みが容易となり、書き込み速度が格段に向上し、書き込みドット密度が上昇しても印刷速度を落とすことなく印刷できる。また、同じ書き込みドット密度の場合は、印刷速度を速くできる。
【0145】
また、請求項17記載の発明は、請求項4,請求項6,請求項8,請求項9,請求項10または請求項11に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項12記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光ピックアップシステムであり、面発光型半導体レーザは端面発光型半導体レーザに比べて1桁程度消費電力が小さく電力が長持ちすることから、通常の光ピックアップシステムはもちろん、本発明により0.65μmの面発光型半導体レーザを再生用光源としたハンディータイプの光ピックアップシステムに特に効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の半導体分布ブラッグ反射鏡を示す図である。
【図2】本発明の第2の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【図3】第2の実施例の面発光型半導体レーザのウエハの作製工程例を示す図である。
【図4】本発明の第3の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【図5】本発明の第4の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【図6】本発明の第5の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【図7】本発明の第6の実施例の面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【図8】第6の実施例の面発光型半導体レーザのウエハの作製工程例を示す図である。
【図9】本発明の第7の実施例の面発光型半導体レーザアレイ(面発光型半導体レーザアレイチップ)を示す図(上面図)である。
【図10】第8の実施例の光送信モジュールを示す図である。
【図11】本発明の第9の実施例の光送受信モジュールを示す図である。
【図12】本発明の第10の実施例を示す図である。
【図13】図12における面発光型半導体レーザアレイチップの概略構成を示す図(上面図)である。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor distributed Bragg reflector, a surface emitting semiconductor laser, a surface emitting semiconductor laser array, an optical communication system, an optical writing system, and an optical pickup system.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a surface emitting semiconductor laser emits light in a direction perpendicular to a substrate, and has a lower cost and higher performance than an edge emitting semiconductor laser. It is used in consumer applications such as light sources for home use.
[0003]
The surface-emitting type semiconductor laser has a structure in which an active region including an active layer for generating laser light is sandwiched between reflectors. As the reflecting mirror, a semiconductor distributed Bragg reflecting mirror in which low refractive index layers and high refractive index layers are alternately stacked is widely used. As the material of the semiconductor distributed Bragg reflector, a material that does not absorb the light generated from the active layer (generally, a material having a wider band gap than the active layer) and is lattice-matched to the substrate to prevent lattice relaxation from being used is used. Can be
[0004]
By the way, the reflectivity of the reflecting mirror needs to be extremely high at 99% or more, and the reflectivity can be increased by increasing the number of layers. However, when the number of layers increases, it becomes difficult to manufacture a surface-emitting type semiconductor laser. For this reason, it is preferable that the refractive index difference between the low refractive index layer and the high refractive index layer is large. AlGaAs-based materials are often used because AlAs and GaAs are terminating substances, and the lattice constant is almost the same as that of GaAs as the substrate, the refractive index difference is large, and high reflectance can be obtained with a small number of stacked layers. Have been.
[0005]
In order to lower the threshold value, a current narrowing structure is used. Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-240506 discloses a structure using a resonator using a semiconductor distributed Bragg reflector made of AlAs / GaAs and a current narrowing structure in which a high resistance layer is formed by ion implantation. Japanese Patent No. 2917971 discloses a surface using a resonator using a semiconductor distributed Bragg reflector made of AlGaAs / GaAs and a current narrowing structure using an oxide film obtained by selectively oxidizing a part of Al (Ga) As. A light emitting semiconductor laser is shown. Here, oxidation by steam supply at a high temperature is used for the oxidation. The oxidation by steam supply at high temperaturexOyIn addition, it becomes a perfect insulator as described above, the distance between the active layer and the narrow layer can be strictly controlled by crystal growth, and the current path can be made extremely narrow. It is suitable for low power consumption and has been widely used recently.
[0006]
Japanese Patent No. 2917971 utilizes the fact that the oxidation rate sharply increases as the Al composition of AlGaAs increases, and only the layer to be oxidized is oxidized by making the Al composition of the layer to be oxidized larger than the others. Like that. Thus, a structure in which the current is narrowed by selective oxidation can be obtained. For this reason, the Al composition of the AlGaAs layer of the low refractive index layer of the semiconductor distributed Bragg reflector is smaller than the Al composition of the Al (Ga) As oxide layer (that is, the Ga composition is increased). Japanese Patent No. 2917971 discloses that a layer to be selectively oxidized contains Al.yGa1-yAs (y = 0.97) was used, and the low refractive index layer of the semiconductor distributed Bragg reflector was made of Al.xGa1-xAs (x = 0.92) is used.
[0007]
As described above, from the viewpoint of the reflector and the current confinement structure, a distributed Bragg reflector (DBR) having a reflection band in the 0.78 μm band, 0.85 μm band, 0.98 μm band using an AlGaAs-based material, and A surface-emitting type semiconductor laser in the same wavelength band using this as a resonator mirror has achieved a practical level of performance.
[0008]
On the other hand, a surface emitting semiconductor laser that oscillates in a wavelength band of 0.6 μm is expected as a light source for optical communication using a plastic fiber (POF: Plastic Optical Fiber) and for optical writing and reproduction of laser printers, CDs, DVDs, and the like. ing. The low-loss region of the inexpensive acrylic plastic fiber is in the red wavelength band, and optical communication using POF is expected to be an extremely low-cost optical communication system.
[0009]
In the wavelength band of 0.6 μm, an AlGaInP-based material on a GaAs substrate is used, and an edge emitting laser has a track record. The AlGaInP-based material is the largest direct-transition type material among the III-V semiconductors except for the AlGaInN-based material, and has a maximum band gap energy of about 2.3 eV (wavelength 540 nm). In order to manufacture a semiconductor laser, a structure is required in which a carrier and light are confined in an active layer (light-emitting layer) using a cladding layer (made of a material having a larger band gap than the active layer). However, the AlGaInP-based material has a small band offset ratio of the conduction band when a heterojunction is formed, and a small band discontinuity (△ Ec) between the active layer (light emitting layer), the cladding layer, and the conduction band. ) Easily overflows from the active layer to the cladding layer, and there is a problem that the temperature dependence of the oscillation threshold current of the semiconductor laser is large and the temperature characteristics are poor. The surface emission type is particularly severe because the carrier density required for laser operation is higher than that of the edge emission type.
[0010]
Further, there is a limitation in forming a semiconductor distributed Bragg reflector (DBR) using an AlGaAs-based material practically used in the 0.78 μm band, the 0.85 μm band, and the 0.98 μm band. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-196189 discloses an example of a red surface emitting semiconductor laser. This red surface emitting type semiconductor laser has a wavelength of 0.6 μm band, and an Al composition of 0.5 or more is generally used to avoid light absorption, and the difference in refractive index between the low refractive index layer and the high refractive index layer is reduced. Since it cannot be made large, the number of layers increases. That is, the difference in the refractive index between the low refractive index layer and the high refractive index layer is half that of the DBR in the 0.98 μm band, the number of layers is doubled, and the resistance rise and the heat radiation are poor. Problems arise. Further, in practice, a sufficiently high reflectivity cannot be obtained even if the number of layers is increased due to fluctuations in the film thickness of each layer, and a wavelength range in which a high reflectivity is narrowed. Become smaller. This has a greater effect as the wavelength becomes shorter.
[0011]
Also, studies have been made on using an AlGaInP-based material as a material capable of obtaining a large difference in the refractive index between the low refractive index layer and the high refractive index layer of the DBR (Appl. Phys. @ Lett., Pp. Schneider et al.). 60 (15), {13} April $ 1992, $ P1830 "). Specifically, (AlyGa1-y)0 . 5In0.5P / Al0.5In0.5The use of P (y = about 0.2) has been studied. However, this material system is a material system in which the lattice constant changes greatly due to a slight deviation of the composition, and it is difficult to strictly control the supply amount of In. It is difficult. In addition, a method of reducing the resistance by inserting a composition gradient layer between the low refractive index layer and the high refractive index layer is usually used, but it is difficult to control this without changing the lattice constant. Furthermore, as the number of constituent elements of the mixed crystal increases and the composition of the mixed crystal approaches the center, the thermal resistance increases. Therefore, it cannot be said that the material is preferable for the DBR in terms of heat radiation. For this reason, AlGaAs-based materials are mainly used in research and development of surface emitting semiconductor lasers in the wavelength band of 0.6 μm.
[0012]
Further, heat is generated mainly on the active layer and the reflecting mirror, and on the side (main surface) where the crystal is grown. In order to actively dissipate heat, a method of mounting the main surface on a heat sink or the like and extracting light from the substrate side is conceivable. However, in the wavelength of 0.6 μm band, this is not possible because it is absorbed by GaAs of the substrate. .
[0013]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-200202 proposes a surface-emitting type semiconductor laser using a GaInP substrate to suppress the overflow of the carrier and formed of a material system lattice-matched to the substrate. In this surface-emitting type semiconductor laser, an AlInP / GaInP-based reflecting mirror is used. However, the GaInP substrate is extremely difficult to manufacture, and high-quality crystal growth cannot be obtained thereon. Further, the reflecting mirror is a ternary system and has a large thermal resistance. Practical application is difficult, for example, it is difficult to control the composition gradient layer.
[0014]
For these reasons, at a wavelength of 650 nm at which the absorption loss of the POF is at the bottom, a continuous operation could be finally achieved at room temperature at present (see KD Choquette et al., “Electronics Letters, # 6”).thJuly 1995, Vol. 31 No. 14, ΔP1145 ”) to some extent.
[0015]
For the above reasons, a surface emitting semiconductor laser having a wavelength band shorter than 0.78 μm has not been put to practical use.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides a semiconductor distributed Bragg reflector, a surface-emitting type semiconductor laser, a surface-emitting type semiconductor laser array, a light-emitting device, and a semiconductor distributed Bragg reflector suitable for practical use, in which the number of layers is smaller than that of an AlGaAs-based material particularly in a wavelength band shorter than 0.78 μm. It is an object to provide a communication system, an optical writing system, and an optical pickup system.
[0017]
That is, the present invention increases the reflectance with a small number of stacked layers, reduces heat generation, and improves heat dissipation, thereby realizing a practical semiconductor Bragg reflector, a surface emitting semiconductor laser, and a surface emitting semiconductor laser array. And an optical communication system, an optical writing system, and an optical pickup system.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a semiconductor distributed Bragg reflector in which the refractive index changes periodically and the incident light is reflected by light wave interference.xGa1-xP (0 <x ≦ 1), the layer having a large refractive index is AlyGa1-yIt is characterized by being composed of P (0 ≦ y <x ≦ 1).
[0019]
According to a second aspect of the present invention, in a semiconductor distributed Bragg reflector formed by laminating two types of semiconductor layers having different refractive indexes, two types of semiconductor layers having different refractive indexes are different from a layer having a lower refractive index. The layer having a large refractive index and the layer having a small refractive index are AlxGa1-xP (0 <x ≦ 1), the layer having a large refractive index is AlyGa1-yP (0 ≦ y <x ≦ 1), and a semiconductor layer having a refractive index between the two semiconductor layers having different refractive indexes is provided between the two semiconductor layers having different refractive indexes. It is characterized by:
[0020]
According to a third aspect of the present invention, there is provided an active region including at least one active layer for generating laser light on a semiconductor substrate, and upper and lower portions provided above and below the active region for obtaining laser light. In a surface emitting semiconductor laser having a resonator structure including a reflecting mirror and a lower reflecting mirror, the semiconductor distributed Bragg reflecting mirror according to claim 1 or 2 is used for the upper reflecting mirror and / or the lower reflecting mirror. It is characterized by.
[0021]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an active region including at least one active layer for generating a laser beam on a semiconductor substrate, and upper and lower portions provided above and below the active region for obtaining the laser beam. In a surface emitting semiconductor laser having a resonator structure including a reflecting mirror and a lower reflecting mirror, the active region is made of a material lattice-matched to GaAs (thickness which does not cause misfit dislocation due to lattice distortion even if not completely lattice-matched). The upper reflecting mirror and / or the lower reflecting mirror are made of a material lattice-matched to GaP (misfit dislocation due to lattice strain even if not completely lattice-matched). The thickness is not more than the critical film thickness, which is a thickness that does not cause the generation of the semiconductor distributed Bragg reflector.
[0022]
The invention according to claim 5 provides a step of growing a first semiconductor distributed Bragg reflector on a first GaP substrate, a step of growing an active region on a GaAs substrate, and a step of growing a second semiconductor on a second GaP substrate. Crystal growing a distributed Bragg reflector, bonding the active region to the first semiconductor distributed Bragg reflector, removing the GaAs substrate, and bonding the active region to the second semiconductor distributed Bragg reflector; It is characterized by having.
[0023]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a first semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to GaP, an active region made of a material lattice-matched to GaAs, and a material lattice-matched to GaAs. And a second distributed Bragg reflector made of semiconductor.
[0024]
Further, according to the present invention, a step of crystal-growing a first semiconductor distributed Bragg reflector on a GaP substrate, a step of crystal-growing a second semiconductor distributed Bragg reflector and an active region on a GaAs substrate, Bonding the region and the first semiconductor Bragg reflector to each other.
[0025]
According to an eighth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser according to the fourth or sixth aspect, the active region made of a material lattice-matched to GaAs and the semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to GaP are provided. And a part of a semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to GaAs is formed between the semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to the GaP and a material lattice-matched to the GaAs. And a part of the semiconductor distributed Bragg reflector.
[0026]
According to a ninth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth or eighth aspect, the semiconductor substrate is a GaP substrate, and light is extracted from the GaP substrate side. It is characterized by being constituted so that.
[0027]
According to a tenth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth or ninth aspect, AlAs containing Al and As as main components is selectively oxidized. It is characterized by having a current narrowing layer.
[0028]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth, or tenth aspect, the active region includes at least Ga, In, and P. , The wavelength is shorter than 0.78 μm.
[0029]
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a surface-emitting type semiconductor laser array comprising the surface-emitting type semiconductor laser according to the eleventh aspect.
[0030]
According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided a surface-emitting type semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth, tenth, or eleventh aspects, or the surface described in the twelfth aspect. An optical transmission module using a light emitting semiconductor laser array as a light source.
[0031]
According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided a surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth, tenth, or eleventh aspects, or a twelfth aspect. An optical transceiver module, wherein a light emitting semiconductor laser array is used as a light source.
[0032]
According to a fifteenth aspect of the present invention, there is provided a surface-emitting type semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth, tenth, or eleventh aspect, or a surface according to the twelfth aspect. An optical communication system in which a light emitting semiconductor laser array is used as a light source.
[0033]
According to a sixteenth aspect of the present invention, there is provided a surface-emitting type semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth, tenth, or eleventh aspects, or a twelfth aspect. An optical writing system is characterized in that a light emitting semiconductor laser array is used as a light source.
[0034]
According to a seventeenth aspect of the present invention, there is provided a surface-emitting type semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth, tenth, or eleventh aspects, or a surface emitting semiconductor laser according to the twelfth aspect. An optical pickup system is characterized in that a light emitting semiconductor laser array is used as a light source.
[0035]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0036]
First embodiment
The semiconductor distributed Bragg reflector (DBR) according to the first embodiment of the present invention is a semiconductor distributed Bragg reflector whose refractive index changes periodically and reflects incident light by light wave interference, and has a small refractive index. Layer is AlxGa1-xP (0 <x ≦ 1), the layer having a large refractive index is AlyGa1-yIt is characterized by being composed of P (0 ≦ y <x ≦ 1).
[0037]
AlGaP-based DBRs have not been studied because a material capable of laser oscillation could not be grown on a GaP substrate. However, an AlGaP-based material having AlP or GaP as a terminating substance has a lattice constant close to that of GaP regardless of the Al composition, and allows a crystal to grow on a GaP substrate and has a large refractive index difference. This is the same tendency as an AlGaAs-based material having AlAs and GaAs as termination materials. Specifically, the lattice constants are GaP: 5.4495 Å, AlP: 5.4625 Å, GaAs: 5.65325 Å, and AlAs: 5.6611 Å. The refractive indexes (at the band gap wavelength) are GaP: 3.452, AlP: 3.03, GaAs: 3.655, and AlAs: 3.178. Therefore, it is considered that the AlGaP-based material is suitable as the material of the semiconductor distributed Bragg reflector similarly to the AlGaAs-based material. Further, since the AlGaP-based material has a larger band gap energy than the AlGaAs-based material, it transmits light in a wavelength band longer than about 0.55 μm. Therefore, the entire composition range of AlGaP can be used in a wavelength band longer than 0.55 μm, and in particular, a semiconductor distributed Bragg reflector more suitable than an AlGaAs-based material can be formed in a wavelength band shorter than 0.78 μm.
[0038]
Second embodiment
The semiconductor distributed Bragg reflector according to the second embodiment of the present invention is a semiconductor distributed Bragg reflector formed by laminating two types of semiconductor layers having different refractive indexes. And the layer with a large refractive index, and the layer with a small refractive index is AlxGa1-xP (0 <x ≦ 1), the layer having a large refractive index is AlyGa1-yP (0 ≦ y <x ≦ 1), and a semiconductor layer having a refractive index between the two semiconductor layers having different refractive indexes is provided between the two semiconductor layers having different refractive indexes. It is characterized by: Specifically, a semiconductor layer Al having a refractive index between two types of semiconductor layers having different refractive indexeszGa1-zP (0 ≦ y <z <x ≦ 1) is provided.
[0039]
In the second embodiment, in a semiconductor distributed Bragg reflector formed by laminating two types of semiconductor layers having different refractive indices, the two types of semiconductor layers having different refractive indices are different in refractive index from a layer having a lower refractive index. A layer having a large refractive index and a layer having a small refractive index is AlxGa1-xP (0 <x ≦ 1), the layer having a large refractive index is AlyGa1-yP (0 ≦ y <x ≦ 1), and a semiconductor layer having a refractive index between the two semiconductor layers having different refractive indexes is provided between the two semiconductor layers having different refractive indexes. Thus, when electricity is passed through the reflecting mirror, band discontinuity between a layer having a small refractive index and a layer having a large refractive index can be smoothed, and a high resistance can be suppressed. Note that the Ga composition z of the semiconductor layer having a refractive index between two kinds of semiconductor layers having different refractive indexes may be changed stepwise or continuously.
[0040]
Third embodiment
A surface emitting semiconductor laser according to a third embodiment of the present invention includes an active region including at least one active layer for generating laser light on a semiconductor substrate, and upper and lower portions of the active region for obtaining laser light. In the surface-emitting type semiconductor laser having a resonator structure including an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror provided in the semiconductor device, the upper reflecting mirror and / or the lower reflecting mirror may have the semiconductor distribution according to the first or second embodiment. It is characterized in that a Bragg reflector is used.
[0041]
Since the AlGaP-based material has a larger band gap energy than the AlGaAs-based material, the AlGaP-based material transmits light having a wavelength longer than about 0.55 μm and emits light at a wavelength shorter than 0.78 μm such as the 0.6 μm band. Since a material that does not cause absorption can be used for a semiconductor distributed Bragg reflector (also simply referred to as a reflector), and a large difference in refractive index can be obtained, a high reflectance of 99% or more can be obtained more easily than using an AlGaAs-based material. As a result, the number of layers can be reduced to about half. Thereby, the resistance can be reduced.
[0042]
Further, the thermal conductivity of the related materials is GaAs: 0.54 Wcm, respectively.-1K-1, AlAs: 0.91 Wcm-1K-1, GaP: 1.1 Wcm-1K-1, AlP :: 0.9 Wcm-1K-1It is. As described above, since the thermal conductivity of the AlGaP-based material is higher than that of the AlGaAs-based material, the heat radiation is improved, the temperature rise during operation can be suppressed, the threshold value and the output can be increased, and the temperature characteristics can be further improved. I do. The effect of heat conduction is effective not only in the 0.6 μm band but also in other wavelength ranges (long wavelength bands such as the 0.78 μm, 0.85 μm, 0.98 μm, 1.3 μm, and 1.55 μm bands). .
[0043]
Fourth embodiment
A surface emitting semiconductor laser according to a fourth embodiment of the present invention includes an active region including at least one active layer that generates laser light on a semiconductor substrate, and upper and lower portions of the active region for obtaining laser light. In the surface-emitting type semiconductor laser having a resonator structure including an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror, the active region is made of a material lattice-matched with GaAs, and the upper reflecting mirror and / or the lower reflecting mirror are provided. The reflector is a semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to GaP.
[0044]
Many materials capable of crystal growth on a GaP substrate are indirect transition materials, and it is difficult to obtain a material that enables laser oscillation. However, a material capable of crystal growth on a GaAs substrate with a thickness equal to or less than the critical film thickness is used. Are materials that can be formed with sufficient quality as an active layer of a semiconductor laser, such as GaAs, AlGaAs, GaInP, AlGaInP, GaPAs, GaInPAs, GaInAs, GaInNAs, GaNAs, GaInNAsSb, and GaAsSb. When these active layers are used and a reflecting mirror is formed on a GaP substrate using an AlGaP-based material which is a material capable of growing a crystal with a thickness equal to or less than a critical film thickness, compared with a conventional AlGaAs-based reflecting mirror, A surface-emitting type semiconductor laser having high thermal conductivity and improved heat dissipation and good temperature characteristics can be realized. Further, since the AlGaP-based material has a wider gap than the AlGaAs-based material, especially when the wavelength is shorter than 780 nm, a large difference in refractive index can be obtained, a high reflectance can be easily obtained with a small number of layers, and the absorption can be improved. Is reduced, and a low-threshold, high-output surface-emitting type semiconductor laser can be obtained. In this case, examples of the material of the active layer include GaInP, AlGaInP, AlGaAs, GaAsP, and AlGaInAs.
[0045]
Fifth embodiment
The method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to the fifth embodiment of the present invention includes the steps of: growing a first semiconductor distributed Bragg reflector on a first GaP substrate; and growing an active region on a GaAs substrate. Crystal growing a second semiconductor distributed Bragg reflector on the second GaP substrate, bonding the active region to the first semiconductor distributed Bragg reflector and removing the GaAs substrate, removing the active region and the second semiconductor distributed Bragg reflector, Bonding a Bragg reflector.
[0046]
An AlGaP-based material having AlP or GaP as a terminating substance used for the first and second reflecting mirrors has a lattice constant close to that of GaP and can be crystal-grown on a GaP substrate, and has a large refractive index difference. This is the same tendency as an AlGaAs-based material having AlAs and GaAs as termination materials. Further, for example, in the wavelength band of 0.6 μm, an active region including an active layer can be formed of an AlGaInP-based material that can grow on a GaAs substrate without misfit dislocations. Then, a surface-emitting type semiconductor laser can be formed by bonding them. After bonding one semiconductor distributed Bragg reflector and the active region, the GaAs substrate is removed by etching or the like. As a method of bonding, the surfaces can be cleaned and bonded, and heat treatment can be performed at a high temperature such as 600 ° C. for bonding.
[0047]
Sixth embodiment
A surface emitting semiconductor laser according to a sixth embodiment of the present invention comprises a first semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to GaP, an active region made of a material lattice-matched to GaAs, and a semiconductor substrate. A second semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to GaAs.
[0048]
GaP has approximately twice the thermal conductivity as GaAs and has good heat dissipation. Therefore, heat generated during operation can be well released, and the temperature characteristics are improved. In addition, many materials capable of crystal growth on a GaP substrate are indirect transition materials, and it is difficult to obtain a material capable of laser oscillation. However, a material capable of laser oscillation is easily provided on a GaAs substrate. It can be formed. That is, an active region made of a material lattice-matched to GaAs can be easily formed on a GaAs substrate.
[0049]
As described above, as the first and second semiconductor distributed Bragg reflectors, it is preferable to use a material crystal-grown on a GaP substrate, but it is preferable to use one or both of the first and second reflectors. Even if the active region and the active region are both crystal-grown on a GaAs substrate and bonded to a GaP substrate, there is an effect of heat dissipation by the GaP substrate.
[0050]
Seventh embodiment
The method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser according to the seventh embodiment of the present invention includes a step of growing a first semiconductor distributed Bragg reflector on a GaP substrate and a method of forming the second semiconductor distributed Bragg reflector on a GaAs substrate. The method is characterized in that the method includes a step of crystal growing a region and a step of bonding the active region and the first semiconductor distributed Bragg reflector.
[0051]
An AlGaP-based material having AlP or GaP as a terminating substance used for the first reflecting mirror has a lattice constant close to that of GaP and can grow a crystal on a GaP substrate, and has a large refractive index difference. This is the same tendency as an AlGaAs-based material having AlAs and GaAs as termination materials. Further, for example, in the wavelength band of 0.6 μm, an active region including an active layer can be formed of an AlGaInP-based material that can grow on a GaAs substrate without misfit dislocations. The second semiconductor distributed Bragg reflector can be formed on the GaAs substrate by using an AlGaAs-based material continuously with the active region. Then, the surface emitting semiconductor laser can be formed by bonding them. As a method of bonding, the surfaces can be cleaned and bonded, and heat treatment can be performed at a high temperature such as 600 ° C. for bonding.
[0052]
Eighth embodiment
The surface-emitting type semiconductor laser according to the eighth embodiment of the present invention is the same as the surface-emitting type semiconductor laser according to the fourth or sixth embodiment, except that an active region made of a material lattice-matched to GaAs and a material lattice-matched to GaP are used. A semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to GaAs is formed between the semiconductor distributed Bragg reflector and a semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to GaP. And a part of a semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to the semiconductor.
[0053]
If the wafer bonding interface is near the active layer, the heat generated in the active layer and the confined light act to activate the crystal defects due to the difference in lattice constant between the GaP-based material and the GaAs-based material. This may affect the layers and reduce reliability. As in the eighth embodiment, an AlGaAs-based reflecting mirror lattice-matched to a GaAs substrate is provided between the wafer bonding interface and the active layer, and the active layer and the bonding interface are kept away from each other to prevent the above-mentioned influence from being exerted. be able to.
[0054]
Ninth embodiment
A surface emitting semiconductor laser according to a ninth embodiment of the present invention is the surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth or eighth embodiment, wherein the semiconductor substrate is a GaP substrate, and light is extracted. It is characterized in that it is configured to be made from the GaP substrate side.
[0055]
The GaP substrate is transparent to light in a wavelength band longer than about 0.55 μm, and can extract light. Therefore, a so-called junction-down mounting in which a heat sink or the like is attached to a side where heat is mainly generated becomes possible, so that heat radiation can be extremely improved and temperature characteristics can be improved. In addition, if wiring and the like are formed on the mounting substrate and bonding is performed via solder or the like, wire bonding becomes unnecessary, so that an array element is particularly effective in terms of economy.
[0056]
Tenth embodiment
The surface emitting semiconductor laser according to the tenth embodiment of the present invention is different from the surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth or ninth embodiment in that AlAs mainly containing Al and As is selectively used. It is characterized by having a current narrowing layer which is oxidized.
[0057]
AlxGa1-xOxidation experiments have shown that the addition of P to As decreases the refractive index and decreases the oxidation rate. It is well known that when Ga or In is added to AlAs, the oxidation rate sharply decreases with an increase in the Ga or In composition, but the behavior when P is added was not known. Therefore, AlAs on a GaAs substrate and GaAs grown on a GaAs substrate via a composition gradient layer are described.0.6P0.4AlAs on epi substrate0.6P0.4And oxidized by steam at high temperature. Each layer was 40 nm thick and was sandwiched between cladding layers. A mesa was formed by etching until a side surface of the layer to be selectively oxidized appeared, and oxidation was performed from the side surface. As a result, AlAs is oxidized by 8 μm in 10 minutes at 440 ° C.xOyIt became. On the other hand, AlAs0.6P0.4Was hardly oxidized even at 500 ° C. for 20 minutes. Therefore, it was found that although P was included, the oxidation rate was reduced even though the group III was only Al. That is, the oxidation rate of the AlGaP-based DBR is much lower than that of AlAs, even if it is AlP. Therefore, it is not necessary to use AlGaAs having an Al composition smaller than the oxide layer for the DBR as in the AlGaAs-based DBR, and AlGaP having a large Al composition can be used. Therefore, the oxidation of the semiconductor distributed Bragg reflector can be suppressed without reducing the refractive index difference of the semiconductor distributed Bragg reflector, and the current narrowing structure by the selective oxidation layer can be realized without increasing the number of layers of the semiconductor distributed Bragg reflector. It is possible to achieve both low power consumption and thinning of the surface emitting semiconductor laser.
[0058]
Eleventh embodiment
The surface emitting semiconductor laser according to the eleventh embodiment of the present invention is the surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth or tenth embodiment in which the active region has at least Ga, In, P And the wavelength is shorter than 0.78 μm.
[0059]
Since the AlGaP-based material has a larger band gap energy than the AlGaAs-based material, a material that transmits light in a longer wavelength band than about 0.55 μm, and in particular, does not absorb light in a shorter wavelength band than 0.78 μm. Can be used as a reflector, and a large difference in refractive index can be obtained. Therefore, a high reflectance of 99% or more can be easily obtained as compared with the case of using an AlGaAs-based material. A semiconductor distributed Bragg reflector can be formed. Further, since the thermal conductivity of the AlGaP-based material is higher than that of the AlGaAs-based material, the heat radiation is improved, the temperature rise during operation can be suppressed, and the temperature characteristics are improved. An AlGaInP-based material on a GaAs substrate can obtain a wavelength shorter than 0.78 μm from the 0.6 μm band. Therefore, according to the fourth, sixth, eighth, ninth, and tenth embodiments, a surface emitting semiconductor laser using an active region made of an AlGaInP-based material and having a wavelength shorter than 0.78 μm can be reduced. It can be manufactured with threshold value, high output and good temperature characteristics. As the active layer, for example, a GaInP quantum well is used, and AlGaInP can be used as a barrier layer or a spacer (cladding) layer.
[0060]
Twelfth embodiment
The surface emitting semiconductor laser array according to the twelfth embodiment of the present invention is characterized by being constituted by the surface emitting semiconductor laser according to the eleventh embodiment.
[0061]
The surface-emitting type semiconductor laser of the present invention has improved heat generation and heat radiation. Therefore, in the case of an array, characteristic deterioration (threshold increase, output decrease, etc.) due to interference of heat generated by other elements is reduced, A high-performance surface-emitting type semiconductor laser array can be realized. Further, since the influence of heat on other elements can be reduced, there is an advantage that the interval between the elements can be reduced.
[0062]
Thirteenth embodiment
The optical transmission module according to the thirteenth embodiment of the present invention is directed to the surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth, tenth, or eleventh embodiment, or the surface emitting semiconductor laser according to the twelfth embodiment. It is characterized in that a light emitting semiconductor laser array is used as a light source.
[0063]
The surface-emitting type semiconductor laser of the present invention has improved heat generation and heat radiation, so that it has a low threshold value, can operate at a high temperature, and has a high output, can perform optical transmission using an acrylic POF, and is a cheap light source. An economical optical transmission module using a light emitting semiconductor laser and a cheap optical fiber, POF, can be realized.
[0064]
Fourteenth embodiment
The optical transceiver module according to the fourteenth embodiment of the present invention includes the surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth, tenth, or eleventh embodiment, or the surface emitting semiconductor laser according to the twelfth embodiment. It is characterized in that a light emitting semiconductor laser array is used as a light source.
[0065]
The surface-emitting type semiconductor laser of the present invention has improved heat generation and heat radiation, so that it has a low threshold value, can operate at a high temperature, and has a high output, can perform optical transmission using an acrylic POF, and is a cheap light source. An economical optical transceiver module using a light emitting semiconductor laser and a cheap optical fiber, POF, can be realized.
[0066]
15th embodiment
The optical communication system according to the fifteenth embodiment of the present invention includes the surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth, tenth or eleventh embodiment, or the surface emitting semiconductor laser according to the twelfth embodiment. It is characterized in that a light emitting semiconductor laser array is used as a light source.
[0067]
The surface-emitting type semiconductor laser of the present invention has improved heat generation and heat radiation, so that it has a low threshold value, can operate at a high temperature, and has a high output, can perform optical transmission using an acrylic POF, and is a cheap light source. An economical optical communication system using a light emitting semiconductor laser and a cheap optical fiber, POF, can be realized. In addition, since a surface-emitting type semiconductor laser is used, high-speed transmission is possible and extremely economical as compared with a case where an LED is used. Is effective.
[0068]
Sixteenth embodiment
An optical writing system (for example, a laser printer) according to a sixteenth embodiment of the present invention includes the surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth, tenth, or eleventh embodiment, or The twelfth embodiment is characterized in that the surface emitting semiconductor laser array is used as a light source.
[0069]
The surface-emitting type semiconductor laser is advantageous for low power consumption operation and can reduce a rise in temperature in a box such as a printer. In the case of the surface emitting type, arraying is easy, and since it is formed by a normal semiconductor process, the positional accuracy of the elements is high, and at the same time, writing with a multi-beam becomes easy, and the writing speed is remarkably improved. Even if the writing dot density increases, printing can be performed without reducing the printing speed. In the case of the same writing dot density, the printing speed can be increased.
[0070]
Seventeenth embodiment
The optical pickup system according to the seventeenth embodiment of the present invention is directed to the surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth, tenth, or eleventh embodiment or the surface emitting semiconductor laser according to the twelfth embodiment. It is characterized in that a light emitting semiconductor laser array is used as a light source.
[0071]
The wavelength of a semiconductor laser used as a light source for optical writing and reproduction on a medium is 0.78 μm for a CD and 0.65 μm for a DVD. The surface-emitting type semiconductor laser consumes about one digit less power than the end-face type semiconductor laser and has a longer power. Therefore, the present invention can reproduce not only a normal optical pickup system but also a 0.65 μm surface-emitting type semiconductor laser according to the present invention. A handy type optical pickup system can be realized as a light source.
[0072]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0073]
First embodiment
FIG. 1 is a view showing a semiconductor distributed Bragg reflector according to a first embodiment of the present invention. In the semiconductor distributed Bragg reflector of the first embodiment, the reflection design wavelength is 650 nm, and AlP and GaP are alternately laminated on an n-GaP substrate with a thickness of 1/4 times the reflection design wavelength in each medium. The resulting AlP / GaP periodic structure was grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). Raw materials include TMG (trimethylgallium), TMA (trimethylaluminum), PH3(Phosphine) and H as an n-type dopant2Se (hydrogen selenide) was used. Also, the carrier gas contains H2Was used. Note that an AlGaP linear composition gradient layer having a thickness of 10 nm in which the Al composition is linearly changed from one value to the other value is inserted between AlP and GaP. The thickness is 1/4 times the design wavelength. In the MOCVD method, since the composition of AlGaP can be controlled by changing the supply amount of the raw material, the composition gradient layer can be grown more easily than in the MBE method (molecular beam epitaxy method).
[0074]
Since AlP and GaP have a large difference in refractive index and a large band gap, and AlGaP-based materials do not absorb light in a wavelength band longer than 550 nm, high reflectance can be obtained with a small number of layers even at a wavelength of 650 nm. Furthermore, the resistance could be reduced by inserting the composition gradient layer.
[0075]
Second embodiment
FIG. 2 is a diagram showing a surface emitting semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention.
[0076]
As shown in FIG. 2, the surface emitting semiconductor laser device according to the second embodiment has a periodic structure in which n-AlP and n-GaP are alternately (for example, 24.5) stacked on an n-GaP substrate. An n-semiconductor distributed Bragg reflector (first semiconductor distributed Bragg reflector: also simply referred to as a first reflector) is formed. Then, an n-GaP first cap layer is formed on the first reflecting mirror, and a first reflecting mirror structure is formed. In the first reflector structure, a linear composition gradient layer having a thickness of 20 nm in which the Al composition is linearly changed from one value to the other value is inserted between AlP and GaP. The thickness is set to 1 / of the oscillation wavelength in the medium including the inclined layer. Specifically, a linear composition gradient layer is formed between AlP and GaP.zGa1-zP (0 ≦ y <z <x ≦ 1) is provided. By providing this linear composition gradient layer, when electricity flows through the first reflecting mirror structure, the band discontinuity between AlP and GaP can be smoothed, and the increase in resistance can be suppressed. . The composition z of the linear composition gradient layer may be changed stepwise or may be changed continuously. Further, the thickness of the linear composition gradient layer is preferably as large as possible within a range where the reflectance is sufficient. Since AlP has a lattice constant close to that of GaP, it has a thickness equal to or less than the critical film thickness, and the first reflecting mirror structure is a material system substantially lattice-matched to the GaP substrate.
[0077]
On such a first reflecting mirror structure, n-Ga having a tensile strain composition with respect to a GaAs substrate is provided.0.6In0.4P Second cap layer, lattice matched to GaAs substrate (Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P first spacer (cladding) layer, Ga having a compressive strain composition with respect to the GaAs substrate0.4In0.6Lattice matching between the P well layer and the GaAs substrate (Al0.5Ga0.5)0.5In0.5A quantum well active layer comprising a P barrier layer, (Al0.7Ga0.3)0.5In0.5A P second spacer (cladding) layer is formed.
[0078]
And furthermore, p-AlxGa1-xAs (x = 0.95) and p-AlyGa1-yA p-semiconductor distributed Bragg reflecting mirror (second semiconductor distributed Bragg reflecting mirror: also simply referred to as a second reflecting mirror) having a periodic structure in which As (y = 0.5) is alternately stacked (for example, 50 periods) is formed. ing. In this second reflecting mirror, p-AlxGa1-xAs (x = 0.95) and p-AlyGa1-yBetween As (y = 0.5), a linear composition gradient layer having a thickness of 20 nm in which the Al composition is linearly changed from one value to the other value is inserted. The thickness is set to 1 / of the oscillation wavelength in the medium. Specifically, as the linear composition gradient layer, AlzGa1-zAs (0 ≦ y <z <x ≦ 1) is provided.
[0079]
Then, a p-GaAs contact layer is formed on the uppermost portion. Since GaAs has a composition that absorbs oscillation light, it needs to be thin, and the uppermost p-AlyGa1-yIt is necessary to make the thickness including As (y = 0.5) and GaAs such that the reflectance does not decrease. The uppermost GaAs layer is a contact layer that makes contact with the electrode. In addition, the thickness between the first and second reflecting mirrors is set to a thickness of one oscillation wavelength (so-called lambda cavity).
[0080]
The surface-emitting semiconductor laser wafer of the second embodiment is manufactured as follows.
[0081]
That is, as shown in FIG. 3A, a first reflecting mirror and an n-GaP first cap layer having a periodic structure in which n-AlP and n-GaP are alternately stacked are formed on an n-GaP substrate. I do.
[0082]
Further, as shown in FIG. 3B, a GaInP etching stop layer, a p-GaAs contact layer, a p-AlyGa1-yAs (y = 0.5) and p-AlxGa1-xAs (x = 0.95) are alternately laminated to form a second reflecting mirror, and further, (Al)0.7Ga0.3)0.5In0.5P second spacer (cladding) layer, GaInP / AlGaInP quantum well active layer, (Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P first spacer (cladding) layer, n-Ga0.6In0.4A P second cap layer is formed.
[0083]
The crystal growth was performed by the MOCVD method. Raw materials include TMG (trimethylgallium), TMA (trimethylaluminum), TMI (trimethylindium), PH3(Phosphine), AsH3(Arsine), H as an n-type dopant2Se (hydrogen selenide) and CBr as a p-type dopant4Was used. The carrier gas is H2Was used. In the MOCVD method, a composition such as a composition gradient layer can be easily formed by controlling the supply amount of a source gas, and thus is suitable as a crystal growth method for a surface emitting semiconductor laser including a DBR. In addition, since high vacuum is not required as in the MBE method and the supply flow rate and supply time of the source gas need only be controlled, mass productivity is excellent.
[0084]
Then, the crystal growth surfaces of the two growth substrates shown in FIGS. 3A and 3B are cleaned and brought into close contact at room temperature, and then H is applied at a high temperature (for example, 600 ° C.).2Adhere by heat treatment in atmosphere. Thereafter, the GaAs substrate is chemically etched down to the GaInP etching stop layer. When a sulfuric acid-based etchant is used, phosphorus-based materials such as GaInP are not etched, and thus can be controlled. Further, this time, the GaInP etching stop layer is selectively etched with a hydrochloric acid-based etchant. Conversely, when a hydrochloric acid-based etchant is used, the phosphorus-based material is etched, and GaAs or the like is not etched, so that control can be performed. Thereby, the surface of the p-GaAs contact layer can be exposed.
[0085]
As a result, a wafer was formed in which an n-AlGaP-based DBR (first reflecting mirror), an AlGaInP-based active region, and a p-AlGaAs-based DBR (second reflecting mirror) were stacked on the n-GaP substrate.
[0086]
In the second embodiment, the portion outside the current path is changed to proton (H+) Irradiation to form an insulating layer (high resistance portion) to form a current narrowing portion. Then, a p-side electrode is formed on the p-contact layer, which is the uppermost layer of the second reflector, excluding the light emitting portion, and an n-side electrode is formed on the back surface of the GaP substrate.
[0087]
The AlGaP-based DBR has a larger band gap of the material than the AlGaAs-based DBR, and in a short wavelength band, can obtain a small absorption and a high reflectance with a small number of layers. Further, the heat conductivity of the GaP substrate is higher than that of the GaAs substrate, and the heat conductivity of the AlGaP-based DBR is higher than that of the AlGaAs-based DBR. The threshold was low, the output was high, and continuous operation was possible up to high temperatures.
[0088]
Surface emitting semiconductor lasers utilizing the wafer bonding technique have been proposed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 7-335967, 11-103125, 2001-68783, etc., but these are in the 1.3 μm and 1.55 μm bands. In a long wavelength band such as In this wavelength band, the material system on the InP substrate is mainly used as the active layer, but no excellent reflector material is found on the substrate, and the AlGaAs-based material on the GaAs substrate used in the 0.85 μm band or the like is used. Excellent reflector is glued. On the other hand, in the present invention, an AlGaP-based material capable of growing a crystal on a GaP substrate is used for the reflector, and the configuration and operation and effect are different from those of the conventional examples.
[0089]
Third embodiment
FIG. 4 is a view showing a surface emitting semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.
[0090]
The main difference between the third embodiment and the second embodiment is that the current confinement is performed not by proton irradiation but by selective oxidation of the AlAs layer.
[0091]
That is, in the third embodiment, part of the low refractive index layer closest to the active layer of the p-side DBR is an AlAs layer. Then, a mesa of a predetermined size is formed by exposing at least the side surface of the p-AlAs selectively oxidized layer, and the AlAs that has appeared on the side surface is oxidized from the side surface with water vapor to form an AlAs.xOyA current narrowing layer was formed. Then, the etched portion is buried with polyimide and planarized, the polyimide on the upper reflector having the p-contact layer and the light-emitting portion is removed, and a p-side electrode is formed on the p-contact layer other than the light-emitting portion. An n-side electrode was formed on the back surface of.
[0092]
In addition, the threshold current was low because the current was narrowed by selective oxidation of the selectively oxidized layer containing Al and As as main components. 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 it can be exposed to the atmosphere. The carrier can be efficiently confined in a small area that is not present. Further, by oxidizing to form an Al oxide film, the refractive index is reduced, and light can be efficiently confined in a minute region in which carriers are confined by the effect of the convex lens, and the efficiency is extremely improved, and the threshold current is reduced. be able to. In addition, since the current narrowing structure can be easily formed, the manufacturing cost can be reduced.
[0093]
Fourth embodiment
FIG. 5 is a view showing a surface emitting semiconductor laser device according to a fourth embodiment of the present invention.
[0094]
The main difference between the fourth embodiment and the third embodiment is that light is extracted from the GaP substrate. Therefore, different from the third embodiment, the reflectance of the first reflecting mirror is lower than the reflectance of the second reflecting mirror. Further, a light extraction window was formed on the back surface of the GaP substrate, and a non-reflection film was further formed. And mounted on the heat sink by junction down.
[0095]
Conventionally, an AlGaInP red surface emitting semiconductor laser formed on a GaAs substrate cannot have a substrate-side light extraction structure because GaAs absorbs light. However, in the present invention, the substrate is GaP, A light extraction structure became possible, so that junction-down mounting became possible, and heat dissipation was further improved. Therefore, continuous operation was possible up to a higher temperature.
[0096]
In addition, by adopting the substrate-side light extraction structure, when integrated with array elements or other functional elements, soldering is performed on a separate substrate on which a wiring structure has been formed in advance, without using wire bonding to connect to drive circuits and the like. Bonding can be performed via a conductive adhesive such as this, and cost reduction can be achieved.
[0097]
Fifth embodiment
FIG. 6 is a view showing a surface emitting semiconductor laser device according to a fifth embodiment of the present invention.
[0098]
The fifth embodiment differs from the third embodiment mainly in that an AlGaAs-based DBR lattice-matched to the GaAs substrate is formed between the wafer bonding interface and the active layer. That is, in the fifth embodiment, the first reflecting mirror is formed in two stages of the AlGaP-based first reflecting mirror (A) and the AlGaAs-based first reflecting mirror (B). In the fifth embodiment, five pairs of AlGaAs-based DBRs were used. In the fifth embodiment, the AlGaAs-based DBR is made of n-AlxGa1-xAs (x = 0.95) and n-AlyGa1-yAs (y = 0.5) are alternately stacked, and the uppermost layer (low-refractive index layer) serving as the wafer bonding interface is n-Ga.xIn1-xP (x = 0.6) was used as a second cap layer. The thickness of the GaP first cap layer, which is the uppermost layer on the GaP substrate, and the thickness of the GaInP second cap layer, which is the uppermost layer of the GaAs substrate, were set to an odd multiple of λ / 4 in total.
[0099]
If the wafer bonding interface is near the active layer, crystal defects due to the difference in lattice constant between the GaP-based material and the GaAs-based material may affect the active layer and reduce the reliability. The effect can be eliminated by providing an AlGaAs-based DBR lattice-matched to the GaAs substrate between the wafer bonding interface and the active layer as in the example.
[0100]
Sixth embodiment
FIG. 7 is a view showing a surface emitting semiconductor laser device according to a sixth embodiment of the present invention.
[0101]
The sixth embodiment differs from the fifth embodiment mainly in that an AlGaP-based DBR lattice-matched to a GaP substrate is also used for the second reflecting mirror.
[0102]
The wafer of the surface emitting semiconductor laser of the sixth embodiment is manufactured as follows.
[0103]
That is, as shown in FIG. 8A, a first reflecting mirror (A) having a periodic structure in which 29.5 pairs of n-AlP and n-GaP are stacked on an n-GaP substrate, One cap layer is formed, and this is referred to as epiwafer 1.
[0104]
As shown in FIG. 8B, a periodic structure having a 19.5 pair of a GaPAs etching stop layer, a p-GaP contact layer, and 19.5 pairs of p-AlP and p-GaP laminated on a p-GaP substrate. 2 Reflector (A) and p-GaP third cap layer are formed, and this is referred to as epiwafer 2.
[0105]
Further, as shown in FIG. 8C, a p-GaInP fourth cap layer and a p-AlxGa1-xAs (x = 0.95) and p-AlyGa1-yAs (y = 0.5) are alternately stacked in 4.5 pairs to form a second reflecting mirror (B), and further, (Al)0.7Ga0.3)0.5In0.5P second spacer layer (cladding layer), GaInP / AlGaInP quantum well active layer, (Al0.7Ga0.3)0.5In0.5P first spacer layer (cladding layer), n-AlxGa1-xAs (x = 0.95) and n-AlyGa1-yAs (y = 0.5) and a 4.5-pair alternately laminated first reflector (B) and an n-GaInP second cap layer are formed. In the sixth embodiment, a part of the low refractive index layer closest to the active layer of the p-side DBR is an AlAs selective oxidation layer.
[0106]
Note that a composition gradient layer was inserted between the low refractive index layer and the high refractive index layer of each reflecting mirror. The crystal growth was performed by the MOCVD method. Raw materials include TMG (trimethylgallium), TMA (trimethylaluminum), PH3(Phosphine), AsH3(Arsine), H as an n-type dopant2Se (hydrogen selenide), CBr as a p-type dopant4Was used. The carrier gas is H2Was used. The MOCVD method is suitable as a crystal growth method for a surface-emitting type semiconductor laser including a DBR because a composition such as a composition gradient layer can be easily formed by controlling the supply amount of a source gas. Further, since the supply flow rate and the supply time of the raw material gas need only be controlled without requiring a high vacuum unlike the MBE method, mass productivity is excellent.
[0107]
In the sixth embodiment, first, the crystal growth surfaces of the two growth substrates of the epi-wafer 1 and the epi-wafer 3 are washed and brought into close contact at room temperature, and then H is heated at a high temperature (for example, 600 ° C.).2Adhere by heat treatment in atmosphere. After that, the GaAs substrate is chemically etched away until the p-GaInP fourth cap layer appears. When a sulfuric acid-based etchant is used, a phosphorus-based material such as GaInP is not etched, and thus can be controlled. Thereby, the surface of the p-GaInP fourth cap layer appeared.
[0108]
Next, the crystal growth surfaces of the two growth substrates, the bonded wafer and the epi-wafer 2, are cleaned and brought into close contact at room temperature.2Adhere by heat treatment in atmosphere. After that, the p-GaP substrate of the epiwafer 2 is chemically etched down to the GaPAs etching stop layer. When a hydrochloric acid-based etchant is used, arsenic-based materials such as GaPAs are not etched, and can be controlled. Further, this time, the GaPAs etching stop layer is selectively etched with a sulfuric acid-based etching solution. Conversely, when a sulfuric acid-based etchant is used, the arsenic-based material is etched, and GaP or the like is not etched, so that control can be performed. As a result, the surface of the p-GaP contact layer appeared.
[0109]
Thereby, on the n-GaP substrate, a DBR having a two-stage structure of an n-AlGaP system and an n-AlGaAs system, an AlGaInP-based active region, and a DBR having a two-stage structure of a p-AlGaAs system and a p-AlGaP system are stacked. Thus, a wafer of the surface emitting semiconductor laser shown in FIG. 7 was formed.
[0110]
In the sixth embodiment, a mesa of a predetermined size is formed by exposing at least the side surface of the p-AlAs layer to be selectively oxidized, and the AlAs that appears on the side surface is oxidized from the side surface with water vapor to form an AlAs.xOyA current narrowing portion was formed. Then, the etched portion is buried and flattened with polyimide, the polyimide on the upper reflector having the p-contact layer and the light-emitting portion is removed, and a p-side electrode is formed on the p-contact layer other than the light-emitting portion. An n-side electrode was formed on the back surface of the substrate.
[0111]
The AlGaP-based DBR has a larger band gap of the material than the AlGaAs-based DBR, and in a short wavelength band, the light absorption is small with a small number of layers and a high reflectance can be obtained. The heat conductivity of the GaP substrate is higher than that of the GaAs substrate, and the heat conductivity of the AlGaP-based DBR is higher than that of the AlGaAs-based DBR. The threshold was small, the output was large, and continuous operation was possible up to high temperatures.
[0112]
In addition, AlAs and GaAs can be said to be suitable for DBR because of a large difference in refractive index between AlGaAs-based DBRs. However, as the wavelength of the laser becomes shorter, it is necessary to increase the Al composition of the high refractive index layer to avoid light absorption. There is. Therefore, for example, at a wavelength of 650 nm, Al0.5Ga0.5As is often used. Therefore, the refractive index difference from the low refractive index layer is about half as compared with the combination of AlAs / GaAs, and the number of layers increases to about twice in order to obtain a necessary reflectance. Further, in practice, the film thickness fluctuates as the number of stacked layers increases, and it is difficult to obtain a high reflectance due to absorption since the DBR composition does not completely suppress light absorption. There is a problem that the characteristics of the laser are deteriorated.
[0113]
On the other hand, if an AlGaP-based material is used for the reflecting mirror, it becomes transparent for wavelengths longer than 550 nm, and it becomes possible to use any composition between GaP and AlP at these wavelengths. As a result, a large difference in refractive index can be obtained, crystal growth is easy without increasing the number of layers, and a high reflectance can be easily obtained.
[0114]
Further, in the surface-emitting type semiconductor laser, since the band is discontinuous between the low-refractive-index layer and the high-refractive-index layer constituting the DBR, the resistance tends to be high, so that a composition gradient layer is inserted as shown in the first embodiment. To reduce resistance. According to Sandip et al.'S document "Appl. @ Phys. @ Let. @ Vol.60, No. 5, $ 1992, @ pp630-632", the band discontinuity between AlP and GaP is the same as that of AlAs and GaAs in both the conduction band and the valence band. It is comparable to that of. As described above, when the AlGaP-based material is used for the DBR, the number of stacked layers can be reduced to about half, so that the number of hetero junctions, which is the cause of the increase in resistance, is reduced to about half, the resistance can be reduced, and heat generation in the DBR is reduced. be able to.
[0115]
Seventh embodiment
FIG. 9 is a diagram (top view) showing a surface-emitting type semiconductor laser array (surface-emitting type semiconductor laser array chip) according to a seventh embodiment of the present invention.
[0116]
The surface emitting semiconductor laser array according to the seventh embodiment has ten surface emitting semiconductor lasers according to the sixth embodiment arranged one-dimensionally. However, p and n were reversed for the surface emitting semiconductor laser of the sixth embodiment. In the example of FIG. 9, the surface emitting semiconductor laser of the sixth embodiment is integrated one-dimensionally, but the surface emitting semiconductor laser of the sixth embodiment may be integrated two-dimensionally. That is, the surface-emitting type semiconductor laser array of the seventh embodiment is formed on a p-type GaP semiconductor substrate, and has an n-side individual electrode formed on the upper surface and a p-side common electrode formed on the back surface. Here, the oscillation wavelength of this surface emitting semiconductor laser array was 650 nm. Further, heat generation was reduced and heat radiation was improved, so that there was no adverse effect on adjacent elements.
[0117]
Eighth embodiment
FIG. 10 is a view showing an optical transmission module according to the eighth embodiment, which is a combination of the surface emitting semiconductor laser array chip of the seventh embodiment and an inexpensive acrylic POF (plastic optical fiber). . In the eighth embodiment, laser light from a surface emitting semiconductor laser is input to a POF and transmitted. Here, the acrylic POF has a bottom of absorption loss at a wavelength of 650 nm, and therefore, this wavelength is preferable. In the field of optical communication, parallel transmission using a laser array in which a plurality of semiconductor lasers are integrated has been attempted in order to transmit more data at the same time. As a result, high-speed parallel transmission becomes possible, and more data can be transmitted simultaneously than in the past.
[0118]
In the example of FIG. 10, the surface-emitting type semiconductor laser device and the optical fiber are in one-to-one correspondence, but a plurality of surface-emitting type semiconductor laser devices having different oscillation wavelengths are arranged one-dimensionally or two-dimensionally in an array. By performing wavelength multiplexing transmission, the transmission speed can be further increased.
[0119]
Further, in the eighth embodiment, since the inexpensive surface-emitting type semiconductor laser device according to the present invention and the inexpensive POF are combined, a low-cost optical transmission module can be realized. An optical communication system can be realized. POF is not transparent compared to quartz-based fiber, so it is not suitable for long-distance transmission and has extremely low cost. Therefore, POF is effective for short-distance data communication such as for home use, indoor use in offices, and in equipment. is there.
[0120]
Ninth embodiment
FIG. 11 is a view showing an optical transceiver module according to a ninth embodiment of the present invention, which is a combination of the surface emitting semiconductor laser device, the receiving photodiode, and the acrylic POF of the sixth embodiment. I have.
[0121]
When the surface-emitting type semiconductor laser device according to the present invention is used in an optical communication system, the surface-emitting type semiconductor laser device and the POF are low-cost, so as shown in FIG. It is possible to realize a low-cost optical communication system using an optical transmission / reception module in which a receiving photodiode and a POF are combined. Further, since the POF has a large fiber diameter, is easily coupled with the fiber, and can reduce the mounting cost, an extremely low-cost module can be realized. Further, in the case of the surface emitting semiconductor laser device according to the present invention, since the temperature characteristics are good and the threshold value is low, a system that generates less heat and can be used without cooling to a high temperature without cooling can be realized. .
[0122]
As an optical communication system using the surface emitting semiconductor laser device according to the present invention, transmission between devices such as a computer such as a LAN (Local Area Network) using an optical fiber, data transmission between boards in the device, In particular, it can be used for short-distance communication as an optical interconnection between LSIs and between elements in the LSI.
[0123]
That is, although the processing performance of LSIs and the like has been improved in recent years, the transmission speed of the part connecting them will become a bottleneck in the future. When the signal connection in the system is changed from the conventional electrical connection to the optical interconnection (for example, between the boards of the computer system, between the LSIs in the board, between the elements in the LSI, etc., the optical transmitting module and the optical transmitting and receiving module according to the present invention). ) To enable an ultra-high-speed computer system.
[0124]
When a plurality of computer systems are connected using the optical transmission module and the optical transmission / reception module according to the present invention, an ultra-high-speed network system can be constructed. In particular, a surface-emitting type semiconductor laser device is suitable for a parallel transmission type optical communication system because power consumption can be reduced by orders of magnitude and a two-dimensional array can be easily formed as compared with an edge-emitting type laser.
[0125]
Tenth embodiment
FIG. 12 is a view showing a tenth embodiment of the present invention. That is, FIG. 3 is a diagram showing an optical scanning portion of a laser printer in which a surface emitting semiconductor laser array chip (16-beam VCSEL array) and a photosensitive band drum are arranged in two dimensions of 4 × 4 having a wavelength of 650 nm. FIG. 13 is a diagram (top view) showing a schematic configuration of the surface emitting semiconductor laser array chip in FIG. In the laser printers of FIGS. 12 and 13, by adjusting the lighting timing of the surface-emitting type semiconductor laser array chips arranged two-dimensionally in 4 × 4, on the photosensitive zone in the sub-scanning direction as shown in FIG. It can be understood that the configuration is the same as the case where the light sources are arranged at intervals of 20 μm.
[0126]
In the tenth embodiment, a plurality of beams from a surface-emitting type semiconductor laser array are rotated on a scanning polygon mirror at a high speed using the same optical system to adjust the lighting timing to adjust the timing of lighting on a photosensitive band which is a surface to be scanned. And scans multiple beams at once.
[0127]
According to the tenth embodiment, it is possible to write on the photosensitive belt at intervals of 20 μm in the sub-scanning direction. Note that the interval in the sub-scanning direction corresponds to 1200 DPI (dots / inch). Further, the writing interval in the main scanning direction can be easily controlled by the lighting timing of the light source. With this laser printer, 16 dots could be written simultaneously, and high-speed printing was possible. By increasing the number of arrays, higher-speed printing becomes possible. Further, by adjusting the interval between the surface emitting semiconductor laser elements, the interval in the sub-scanning direction can be adjusted. That is, the density can be made higher than 1200 DPI, and higher quality printing can be performed. In order to increase the density, it is necessary to further narrow the beam diameter using a lens system. However, there is a limit due to the wavelength, and it is preferable that the wavelength of the light source is shorter. Conventionally, a surface-emitting type semiconductor laser has not been able to obtain an element satisfying output and temperature characteristics at a wavelength shorter than 780 nm. However, the present invention has achieved a practical level element in a red (600 nm) wavelength region. It was realized.
[0128]
Although the tenth embodiment shows an example of application to a laser printer, the surface emitting semiconductor laser of the present invention can be applied to an optical pickup system. That is, it can also be used as a light source for recording and reproducing CDs and the like.
[0129]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, in a semiconductor distributed Bragg reflector whose refractive index changes periodically and reflects incident light by light wave interference, a layer having a small refractive index is made of Al.xGa1-xP (0 <x ≦ 1), the layer having a large refractive index is AlyGa1-ySince P (0 ≦ y <x ≦ 1), the reflectance can be increased with a small number of layers, the heat generation can be reduced, and the heat dissipation can be improved. it can. That is, an AlGaP-based material having AlP or GaP as a terminating substance has a large difference in refractive index similarly to an AlGaAs-based material having AlAs or GaAs as a terminating substance, and has a lattice constant close to that of GaP regardless of the Al composition. Crystal growth. Therefore, it is considered that the AlGaP-based material is suitable as a material of the semiconductor distributed Bragg reflector similarly to the AlGaAs-based material. Further, since the AlGaP-based material has a larger band gap energy than the AlGaAs-based material, it transmits light in a wavelength band longer than about 0.55 μm. Therefore, the entire composition range of AlGaP can be used in a wavelength band longer than 0.55 μm, and the number of stacked layers can be smaller than that of an AlGaAs-based material in a wavelength band shorter than 0.78 μm. A Bragg reflector can be provided.
[0130]
According to the second aspect of the present invention, in a semiconductor distributed Bragg reflector formed by laminating two types of semiconductor layers having different refractive indices, the two types of semiconductor layers having different refractive indices are layers having a lower refractive index. And a layer having a large refractive index, and a layer having a small refractive index is AlxGa1-xP (0 <x ≦ 1), the layer having a large refractive index is AlyGa1-yP (0 ≦ y <x ≦ 1), and a semiconductor layer having a refractive index between the two semiconductor layers having different refractive indexes is provided between the two semiconductor layers having different refractive indexes. (Specifically, AlzGa1-zP (because the intermediate layer composed of 0 ≦ y <z <x ≦ 1) is provided), and when electricity is passed through the reflecting mirror, the band between the layer having a small refractive index and the layer having a large refractive index is different. The continuity can be smoothed, whereby the increase in resistance is suppressed, and a low-resistance reflector can be provided.
[0131]
According to the third aspect of the present invention, an active region including at least one active layer for generating a laser beam on a semiconductor substrate and upper and lower portions of the active region for obtaining a laser beam are provided. In a surface-emitting type semiconductor laser having a resonator structure including an upper reflector and a lower reflector, the semiconductor Bragg reflector according to claim 1 or 2 is used as the upper reflector and / or the lower reflector. Therefore, the heat radiation is improved, the temperature rise during operation can be suppressed, and a surface emitting semiconductor laser with high output and low threshold current can be provided. That is, since the AlGaP-based material has a larger band gap energy than the AlGaAs-based material, it transmits light having a wavelength longer than about 0.55 μm, and particularly uses the AlGaAs-based material in a shorter wavelength band than 0.78 μm. As a result, a high reflectance of 99% or more can be obtained more easily, whereby the number of stacked reflectors can be reduced to about half, resistance can be reduced, and light absorption can be reduced. Further, since the thermal conductivity of the AlGaP-based material is higher than that of the AlGaAs-based material, the heat dissipation is improved, the temperature rise during operation can be suppressed, and a surface-emitting type semiconductor laser with high output and low threshold current can be obtained. Further, temperature characteristics can be improved. The effect of heat conduction is effective not only when the laser wavelength is in the 0.6 μm band but also in other wavelength ranges.
[0132]
According to the fourth aspect of the present invention, an active region including at least one active layer for generating a laser beam, and an upper portion and a lower portion of the active region for obtaining a laser beam are provided on a semiconductor substrate. In a surface emitting semiconductor laser having a resonator structure including an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror, the active region is made of a material lattice-matched to GaAs, and the upper reflecting mirror and / or the lower reflecting mirror is: Since it is a semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to GaP (specifically, an AlGaP-based material is used as the reflector material), it is compared with a surface-emitting type semiconductor laser using a conventional AlGaAs-based reflector. As a result, it is possible to realize a surface-emitting type semiconductor laser having a high thermal conductivity and improved heat radiation and excellent temperature characteristics. In addition, since the AlGaP-based material has a wider gap than the AlGaAs-based material, particularly when the wavelength is shorter than 780 nm, high reflectance can be easily obtained with a small number of layers, absorption is reduced, and the threshold is low. And a high output surface emitting semiconductor laser can be obtained.
[0133]
According to the fifth aspect of the present invention, a step of growing a first semiconductor distributed Bragg reflector on a first GaP substrate, a step of growing an active region on a GaAs substrate, and a step of growing a first semiconductor distributed Bragg reflector on a GaAs substrate. (2) the step of growing a semiconductor distributed Bragg reflector; the step of bonding the active region to the first semiconductor distributed Bragg reflector and the step of removing the GaAs substrate; and the step of bonding the active region to the second semiconductor distributed Bragg reflector. Manufacturing a surface emitting semiconductor laser having a higher thermal conductivity and improved heat radiation and better temperature characteristics than a surface emitting semiconductor laser using a conventional AlGaAs-based reflector. it can. In addition, since the AlGaP-based material has a wider gap than the AlGaAs-based material, particularly when the wavelength is shorter than 780 nm, high reflectance can be easily obtained with a small number of layers, absorption is reduced, and the threshold is low. And a high output surface emitting semiconductor laser can be obtained. That is, an AlGaP-based material having AlP or GaP as a terminating material can grow crystals on a GaP substrate with a lattice constant close to that of GaP and have a large refractive index difference, similarly to an AlGaAs-based material having AlAs or GaAs as a terminating material. For example, in the wavelength band of 0.6 μm, an active region including an active layer can be formed of an AlGaInP-based material that can grow on a GaAs substrate without misfit dislocations. By bonding these, the above-mentioned surface-emitting type semiconductor laser can be manufactured.
[0134]
According to the sixth aspect of the present invention, a first semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to GaP, an active region made of a material lattice-matched to GaAs, and a lattice matched to GaAs are formed on a semiconductor substrate. And a second semiconductor distributed Bragg reflector made of a material which has a higher thermal conductivity and improved heat radiation compared to a surface emitting semiconductor laser using a conventional AlGaAs-based reflector. And a surface-emitting type semiconductor laser having good characteristics can be realized. In addition, since the AlGaP-based material has a wider gap than the AlGaAs-based material, particularly when the wavelength is shorter than 780 nm, high reflectance can be easily obtained with a small number of layers, absorption is reduced, and the threshold is low. And a high output surface emitting semiconductor laser can be obtained. That is, GaP has approximately twice the thermal conductivity as GaAs and has good heat dissipation. Therefore, heat generated during operation can be well released, and the temperature characteristics are improved. As described above, it is preferable that both semiconductor distributed Bragg reflectors are crystal-grown on a GaP substrate. However, when both the reflector and the active region are crystal-grown on a GaAs substrate and the GaP substrate is bonded, the GaP substrate is bonded. The effect of heat dissipation by the substrate can be obtained.
[0135]
According to the seventh aspect of the present invention, a step of crystal-growing the first semiconductor distributed Bragg reflector on the GaP substrate and a step of crystal-growing the second semiconductor distributed Bragg reflector and the active region on the GaAs substrate are provided. Bonding the active region and the first semiconductor distributed Bragg reflector, so that the thermal conductivity is higher and the heat radiation is higher than that of a surface emitting semiconductor laser using a conventional AlGaAs-based reflector. A surface emitting semiconductor laser with improved temperature characteristics and good characteristics can be manufactured. In addition, since the AlGaP-based material has a wider gap than the AlGaAs-based material, particularly when the wavelength is shorter than 780 nm, high reflectance can be easily obtained with a small number of layers, absorption is reduced, and the threshold is low. And a high output surface emitting semiconductor laser can be obtained. That is, an AlGaP-based material having AlP or GaP as a terminating substance has a lattice constant close to that of GaP and can grow a crystal on a GaP substrate, and has a large refractive index difference. This is the same tendency as AlGaAs-based materials having AlAs and GaAs as termination materials. For example, in the wavelength band of 0.6 μm, an active region including an active layer can be formed of an AlGaInP-based material that can grow on a GaAs substrate without misfit dislocations. The second semiconductor distributed Bragg reflector can be formed on the GaAs substrate by using an AlGaAs-based material continuously with the active region. By bonding these, the above-mentioned surface-emitting type semiconductor laser can be manufactured.
[0136]
According to the eighth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser according to the fourth or sixth aspect, the active region made of a material lattice-matched to GaAs and the semiconductor distributed Bragg made of a material lattice-matched to GaP are provided. A part of a semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to GaAs is formed between the reflector and the semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to the GaP and lattice-matched to the GaAs. Since a part of the semiconductor distributed Bragg reflector made of the material is adhered, it is possible to prevent a decrease in reliability. That is, when the wafer bonding interface is near the active layer, heat generated in the active layer and confined light act to cause crystal defects due to a difference in lattice constant between GaP-based and GaAs-based materials. In some cases, the influence may be exerted on the active layer to lower the reliability. However, by providing an AlGaAs-based DBR lattice-matched to the GaAs substrate between the wafer bonding interface and the active layer as described in claim 8, the above-mentioned effect is obtained. Can be prevented.
[0137]
According to the ninth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth or eighth aspect, the semiconductor substrate is a GaP substrate, and light is extracted from the GaP substrate side. Therefore, junction down mounting is possible, heat radiation can be extremely improved, and temperature characteristics can be improved. That is, the GaP substrate is transparent to light having a wavelength longer than about 0.55 μm, and can extract light. Therefore, a so-called junction-down mounting in which a heat sink or the like can be attached to a side where heat is mainly generated becomes possible, so that heat radiation can be extremely improved and temperature characteristics can be improved. Further, by preparing wirings and the like on the mounting substrate, wire bonding becomes unnecessary, which is particularly effective in the case of an array element.
[0138]
According to a tenth aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth or ninth aspect, AlAs containing Al and As as main components is selectively used. Since the oxidized current narrowing layer is provided, both low power consumption and thinning of the surface emitting semiconductor laser can be achieved. That is, AlxGa1-xOxidation experiments have shown that the addition of P to As decreases the refractive index and lowers the oxidation rate even though the group III is only Al. Therefore, it is not necessary to use AlGaAs having a smaller Al composition than the oxide layer as in the case of the AlGaAs-based reflector, and it is possible to use AlGaP having a large Al composition. Therefore, since the oxidation of the semiconductor distributed Bragg reflector can be suppressed without reducing the refractive index difference of the semiconductor distributed Bragg reflector, the current narrowing structure by the selective oxidation layer can be achieved without increasing the number of layers of the semiconductor distributed Bragg reflector. It is possible to achieve both low power consumption and thinning of the surface emitting semiconductor laser.
[0139]
According to the eleventh aspect of the present invention, in the surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth or tenth aspect, the active region has at least Ga, In, P And the wavelength is shorter than 0.78 μm, so that it is possible to provide a surface emitting semiconductor laser having a good temperature characteristic and a wavelength shorter than 0.78 μm. That is, since the AlGaP-based material has a larger band gap energy than the AlGaAs-based material, the AlGaP-based material transmits light in a wavelength band longer than about 0.55 μm, and particularly, transmits the AlGaAs-based material in a shorter wavelength band than 0.78 μm. High reflectivity of 99% or more can be obtained more easily than when used, the number of stacked layers can be reduced to about half, and a distributed Bragg reflector with low resistance can be formed. Further, since the thermal conductivity of the AlGaP-based material is higher than that of the AlGaAs-based material, the heat radiation is improved, the temperature rise during operation can be suppressed, and the temperature characteristics are improved. Therefore, it is possible to provide a surface emitting semiconductor laser having a good temperature characteristic and a wavelength shorter than 0.78 μm using an active region made of an AlGaInP-based material.
[0140]
According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a surface emitting semiconductor laser array comprising the surface emitting semiconductor laser according to the eleventh aspect. Since heat generation and heat dissipation are improved, when this is used as an array, characteristic deterioration (threshold rise, output decrease, etc.) due to heat generated by other elements is reduced, and a high performance surface emitting semiconductor laser Array can be realized. Further, since the influence of heat on other elements can be reduced, there is an advantage that the interval between the elements can be reduced.
[0141]
According to a thirteenth aspect of the present invention, there is provided a surface-emitting type semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth, tenth, or eleventh aspects, or the surface described in the twelfth aspect. An optical transmission module, wherein a light-emitting type semiconductor laser array is used as a light source, wherein the surface according to claim 4, claim 6, claim 8, claim 9, claim 10, or claim 11 is provided. The light emitting type semiconductor laser or the surface emitting type semiconductor laser array according to the twelfth aspect is particularly improved in heat generation and heat radiation, so that it has a low threshold value, can operate at a high temperature, has a high output, and uses an acrylic POF. Optical transmission becomes possible, and an economical optical transmission module using a surface emitting semiconductor laser, which is a cheap light source, and POF, which is a cheap optical fiber, can be realized.
[0142]
According to a fourteenth aspect of the present invention, there is provided a surface emitting semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth, tenth, or eleventh aspects, or a twelfth aspect. 12. A light transmitting / receiving module, wherein a light emitting type semiconductor laser array is used as a light source, wherein the surface according to claim 4, claim 6, claim 8, claim 9, claim 10, or claim 11. The light emitting type semiconductor laser or the surface emitting type semiconductor laser array according to the twelfth aspect is particularly improved in heat generation and heat radiation, so that it has a low threshold value, can operate at a high temperature, has a high output, and uses an acrylic POF. Optical transmission becomes possible, and an economical optical transmitting and receiving module using a surface emitting semiconductor laser, which is a cheap light source, and POF, which is a cheap optical fiber, can be realized.
[0143]
According to a fifteenth aspect of the present invention, there is provided a surface-emitting type semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth, tenth, or eleventh aspect, or a surface according to the twelfth aspect. An optical communication system, wherein a light-emitting type semiconductor laser array is used as a light source, and the surface according to claim 4, claim 6, claim 8, claim 9, claim 10, or claim 11. The light emitting type semiconductor laser or the surface emitting type semiconductor laser array according to the twelfth aspect is particularly improved in heat generation and heat radiation, so that it has a low threshold value, can operate at a high temperature, has a high output, and uses an acrylic POF. Optical transmission becomes possible, and an economical optical communication system using a surface emitting semiconductor laser, which is a cheap light source, and POF, which is a cheap optical fiber, can be realized. Since a surface emitting semiconductor laser is used, high-speed transmission is possible and extremely economical, and it is particularly effective to use it for a short-distance optical communication system such as a general home or office room.
[0144]
According to a sixteenth aspect of the present invention, there is provided a surface-emitting type semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth, tenth, or eleventh aspects, or a twelfth aspect. An optical writing system (specifically, for example, a laser printer) characterized in that a light emitting semiconductor laser array is used as a light source, and a surface emitting semiconductor laser is advantageous for low power consumption operation. The temperature rise in a box such as a printer can be reduced. In addition, since a surface emitting laser is used, arraying is easy, and it can be formed by a normal semiconductor process, so that the position accuracy of the elements is high, writing with a multi-beam is easy, and the writing speed is high. The printing is remarkably improved, and printing can be performed without decreasing the printing speed even when the writing dot density increases. In the case of the same writing dot density, the printing speed can be increased.
[0145]
According to a seventeenth aspect of the present invention, there is provided a surface-emitting type semiconductor laser according to the fourth, sixth, eighth, ninth, tenth, or eleventh aspects, or a surface emitting semiconductor laser according to the twelfth aspect. An optical pickup system characterized in that a light emitting semiconductor laser array is used as a light source. A surface emitting semiconductor laser consumes about one digit less power than an edge emitting semiconductor laser and has a long lasting power. The present invention is particularly effective not only for a normal optical pickup system but also for a handy type optical pickup system using a 0.65 μm surface emitting semiconductor laser as a reproduction light source.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a semiconductor distributed Bragg reflector according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing a surface emitting semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a manufacturing process of a wafer of a surface emitting semiconductor laser according to a second embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a surface emitting semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a surface emitting semiconductor laser device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a surface emitting semiconductor laser device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a view showing a surface emitting semiconductor laser device according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a manufacturing process of a wafer of a surface emitting semiconductor laser according to a sixth embodiment.
FIG. 9 is a diagram (top view) showing a surface-emitting type semiconductor laser array (surface-emitting type semiconductor laser array chip) according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating an optical transmission module according to an eighth embodiment.
FIG. 11 is a diagram showing an optical transceiver module according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing a tenth embodiment of the present invention.
13 is a diagram (top view) showing a schematic configuration of the surface-emitting type semiconductor laser array chip in FIG. 12;

Claims (17)

屈折率が周期的に変化し、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において、屈折率が小なる層はAlGa1−xP(0<x≦1)からなり、屈折率が大なる層はAlGa1−yP(0≦y<x≦1)からなることを特徴とする半導体分布ブラッグ反射鏡。Refractive index periodically changes in a semiconductor distributed Bragg reflector that reflects the optical interference of incident light, the layer in which the refractive index is small consists Al x Ga 1-x P ( 0 <x ≦ 1), the refractive index There semiconductor distributed Bragg reflector is larger. layers, characterized in that it consists of Al y Ga 1-y P ( 0 ≦ y <x ≦ 1). 屈折率が異なる2種の半導体層を積層してなる半導体分布ブラッグ反射鏡において、屈折率が異なる2種の半導体層は、屈折率が小なる層と屈折率が大なる層とであって、屈折率が小なる層はAlGa1−xP(0<x≦1)からなり、屈折率が大なる層はAlGa1−yP(0≦y<x≦1)からなり、前記屈折率が異なる2種の半導体層の間に、屈折率が異なる2種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられていることを特徴とする半導体分布ブラッグ反射鏡。In a semiconductor distributed Bragg reflector formed by laminating two kinds of semiconductor layers having different refractive indexes, two kinds of semiconductor layers having different refractive indexes are a layer having a small refractive index and a layer having a large refractive index, layers in which the refractive index is small consists Al x Ga 1-x P ( 0 <x ≦ 1), a layer in which the refractive index is large is made of Al y Ga 1-y P ( 0 ≦ y <x ≦ 1), A semiconductor distributed Bragg reflector, wherein a semiconductor layer having a refractive index between the two semiconductor layers having different refractive indexes is provided between the two semiconductor layers having different refractive indexes. 半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも1層の活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために活性領域の上部および下部に設けられている上部反射鏡および下部反射鏡とを含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、上部反射鏡および/または下部反射鏡には、請求項1または請求項2の半導体分布ブラッグ反射鏡が用いられることを特徴とする面発光型半導体レーザ。A resonance including, on a semiconductor substrate, an active region including at least one active layer for generating laser light, and an upper reflecting mirror and a lower reflecting mirror provided above and below the active region for obtaining laser light 3. A surface-emitting type semiconductor laser having a reflector structure, wherein the semiconductor distributed Bragg reflector according to claim 1 or 2 is used as an upper reflecting mirror and / or a lower reflecting mirror. 半導体基板上に、レーザ光を発生する少なくとも1層の活性層を含む活性領域と、レーザ光を得るために活性領域の上部および下部に設けられている上部反射鏡および下部反射鏡を含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、前記活性領域は、GaAsに格子整合する材料からなり、また、前記上部反射鏡および/または下部反射鏡は、GaPに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡であることを特徴とする面発光型半導体レーザ。A resonator including, on a semiconductor substrate, an active region including at least one active layer for generating a laser beam, and an upper reflector and a lower reflector provided at an upper portion and a lower portion of the active region for obtaining the laser beam In a surface emitting semiconductor laser having a structure, the active region is made of a material lattice-matched to GaAs, and the upper mirror and / or the lower reflector is a semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to GaP. A surface-emitting type semiconductor laser characterized by being a mirror. 第1GaP基板上に第1半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長する工程と、GaAs基板上に活性領域を結晶成長させる工程と、第2GaP基板上に第2半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長させる工程と、活性領域と第1半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着し、GaAs基板を除去する工程と、活性領域と第2半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着する工程とを有していることを特徴とする面発光型半導体レーザの製造方法。Crystal growing a first semiconductor distributed Bragg reflector on a first GaP substrate; crystal growing an active region on a GaAs substrate; and crystal growing a second semiconductor distributed Bragg reflector on a second GaP substrate. Bonding the active region to the first semiconductor distributed Bragg reflector and removing the GaAs substrate; and bonding the active region to the second semiconductor distributed Bragg reflector. A method for manufacturing a surface emitting semiconductor laser. 半導体基板上に、GaPに格子整合する材料からなる第1半導体分布ブラッグ反射鏡と、GaAsに格子整合する材料からなる活性領域と、GaAsに格子整合する材料からなる第2半導体分布ブラッグ反射鏡とを有していることを特徴とする面発光型半導体レーザ。A first semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to GaP, an active region made of a material lattice-matched to GaAs, and a second semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to GaAs on a semiconductor substrate; A surface-emitting type semiconductor laser comprising: GaP基板上に第1半導体分布ブラッグ反射鏡を結晶成長する工程と、GaAs基板上に第2半導体分布ブラッグ反射鏡と活性領域を結晶成長する工程と、活性領域と第1半導体分布ブラッグ反射鏡とを接着する工程とを有していることを特徴とする面発光型半導体レーザの製造方法。Crystal growing a first semiconductor distributed Bragg reflector on a GaP substrate; crystal growing a second semiconductor distributed Bragg reflector and an active region on a GaAs substrate; Bonding a surface emitting semiconductor laser. 請求項4または請求項6記載の面発光型半導体レーザにおいて、GaAsに格子整合する材料からなる活性領域とGaPに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡との間に、GaAsに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡の一部が形成されており、前記GaPに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡と前記GaAsに格子整合する材料からなる半導体分布ブラッグ反射鏡の一部とが接着されていることを特徴とする面発光型半導体レーザ。7. The surface emitting semiconductor laser according to claim 4, wherein the GaAs is lattice-matched between an active region made of a material lattice-matched to GaAs and a semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to GaP. A part of a semiconductor distributed Bragg reflector made of a material is formed, and a semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to the GaP and a part of a semiconductor distributed Bragg reflector made of a material lattice-matched to the GaAs are formed. A surface-emitting type semiconductor laser characterized by being bonded. 請求項4,請求項6または請求項8記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体基板はGaP基板であって、光の取り出しは、GaP基板側からなされるように構成されていることを特徴とする面発光型半導体レーザ。9. The surface emitting semiconductor laser according to claim 4, wherein the semiconductor substrate is a GaP substrate, and light is extracted from the GaP substrate side. Surface emitting semiconductor laser. 請求項4,請求項6,請求項8または請求項9に記載の面発光型半導体レーザにおいて、Al,Asを主成分としたAlAsを選択的に酸化した電流狭さく層を有していることを特徴とする面発光型半導体レーザ。The surface-emitting type semiconductor laser according to any one of claims 4, 6, 8 and 9, further comprising a current narrowing layer selectively oxidized from AlAs containing Al and As as main components. Characteristic surface emitting semiconductor laser. 請求項4,請求項6,請求項8,請求項9または請求項10に記載の面発光型半導体レーザにおいて、活性領域が少なくともGa,In,Pを含み、波長が0.78μmよりも短いことを特徴とする面発光型半導体レーザ。The surface emitting semiconductor laser according to any one of claims 4, 6, 8, 9 and 10, wherein the active region contains at least Ga, In, and P, and the wavelength is shorter than 0.78 μm. A surface-emitting type semiconductor laser characterized by the above-mentioned. 請求項11記載の面発光型半導体レーザによって構成されていることを特徴とする面発光型半導体レーザアレイ。A surface emitting semiconductor laser array comprising the surface emitting semiconductor laser according to claim 11. 請求項4,請求項6,請求項8,請求項9,請求項10または請求項11に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項12記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光送信モジュール。The surface emitting semiconductor laser according to claim 4, claim 6, claim 8, claim 9, claim 10, or claim 11, or the surface emitting semiconductor laser array according to claim 12 is used as a light source. An optical transmission module, comprising: 請求項4,請求項6,請求項8,請求項9,請求項10または請求項11に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項12記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光送受信モジュール。The surface emitting semiconductor laser according to claim 4, claim 6, claim 8, claim 9, claim 10, or claim 11, or the surface emitting semiconductor laser array according to claim 12 is used as a light source. An optical transceiver module, comprising: 請求項4,請求項6,請求項8,請求項9,請求項10または請求項11に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項12記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光通信システム。The surface emitting semiconductor laser according to claim 4, claim 6, claim 8, claim 9, claim 10, or claim 11, or the surface emitting semiconductor laser array according to claim 12 is used as a light source. An optical communication system, comprising: 請求項4,請求項6,請求項8,請求項9,請求項10または請求項11に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項12記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光書き込みシステム。The surface emitting semiconductor laser according to claim 4, claim 6, claim 8, claim 9, claim 10, or claim 11, or the surface emitting semiconductor laser array according to claim 12 is used as a light source. An optical writing system, comprising: 請求項4,請求項6,請求項8,請求項9,請求項10または請求項11に記載の面発光型半導体レーザ、または、請求項12記載の面発光型半導体レーザアレイが光源として用いられていることを特徴とする光ピックアップシステム。The surface emitting semiconductor laser according to claim 4, claim 6, claim 8, claim 9, claim 10, or claim 11, or the surface emitting semiconductor laser array according to claim 12 is used as a light source. An optical pickup system.
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