JP2004186484A - Semiconductor light emitting element, optical transmission module, optical transmission/reception module, and optical communication system - Google Patents

Semiconductor light emitting element, optical transmission module, optical transmission/reception module, and optical communication system Download PDF

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JP2004186484A JP2002352476A JP2002352476A JP2004186484A JP 2004186484 A JP2004186484 A JP 2004186484A JP 2002352476 A JP2002352476 A JP 2002352476A JP 2002352476 A JP2002352476 A JP 2002352476A JP 2004186484 A JP2004186484 A JP 2004186484A
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俊一 佐藤
Takashi Takahashi
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor light emitting element of good temperature characteristics and low threshold value, which uses GaInNAs quantum well active layer of compression strain, by expanding freedom in design to reduce strain of the quantum well active layer. <P>SOLUTION: The semiconductor light emitting element comprises an active layer composed of nitrogen (N) which has a compression strain relative to a GaAs substrate, a quantum well active layer containing other group V element as well, and a barrier layer formed around the former. The barrier layer is a group III-V hybrid semiconductor containing both phosphor (P) and antimony (Sb). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体発光素子および光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通信システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、インターネットの爆発的普及に見られるように、扱われる情報量が飛躍的に増大しており、今後さらに加速すると考えられる。このため、幹線系のみならず、各家庭やオフィスといった加入者系やLAN(Local Area Network)などのユーザーに近い伝送路、さらには各機器間や機器内の配線へも光ファイバーが導入され、光による大容量情報伝送技術が極めて重要となる。
【0003】
このような光源として、シリカファイバーの伝送ロスが小さく、整合性が良い1.3μm帯,1.55μm帯の半導体レーザが必要であり、ユーザーに近い領域で普及させるためには、低コストの通信システムであることが絶対条件である。
【0004】
1.3μm帯,1.55μm帯の波長帯では、InP基板上の材料系が一般的であり、端面発光型レーザでは実績がある。しかし、この従来の長波長帯半導体レーザでは、環境温度が室温から80℃になると、動作電流が3倍にも増加するという大きな欠点を持っている。従って、冷却素子を使わない低コストのシステムを実現するためには、温度特性の良好な長波長帯半導体レーザの開発が極めて重要である。
【0005】
最近、GaAs基板上に1.3μm帯の半導体レーザを形成できる材料系が注目され、(Ga)InAs量子ドット、GaAsSbやGaInNAs(例えば特許文献1参照。)が研究されている。特に、GaInNAsは、レーザ特性の温度依存性を極めて小さくすることができる材料として注目されている。なお、GaInNAs系材料とは、P,Sb,Al等の他のIII−V族元素を含んでいる場合もある。
【0006】
GaInNAsは、窒素(N)と他のV族元素を含んだIII−V族混晶半導体である。すなわち、GaInNAsは、GaAsより格子定数が大きいGaInAsに窒素(N)を添加することで格子定数をGaAsに格子整合させることが可能であり、更にバンドギャップエネルギーが小さくなり、1.3μm,1.55μm帯での発光が可能な材料である。
【0007】
例えば非特許文献1では、近藤らにより、GaInNAsのバンドラインナップが計算されている。GaInNAsは、窒素(N)の添加によりバンドギャップエネルギーが小さくなるが、伝導帯と価電子帯ともにエネルギーが下がり、GaInP,AlGaAs、GaAs等のGaAs格子整合系材料に対して伝導帯のバンド不連続が極めて大きくなり、このため、高特性温度半導体レーザが実現できると予想されている。実際に、In組成10%のとき窒素組成は約3%で1.3μm帯を形成できるが、窒素組成が大きいほどしきい値電流密度が急激に上昇するという問題がある。図1は、発明者が実験的に求めたしきい値電流密度の窒素組成依存性を示す図であり、横軸は窒素組成割合(%)を示し、縦軸はしきい値電流密度を示している。図1に示すようにしきい値電流密度が窒素組成増加に伴って急激に上昇する理由は、GaInNAs層の結晶性が窒素組成増加に伴い劣化するためである。このため、In組成を大きくして窒素組成を少なくする方法が取られており(例えば特許文献2,特許文献3参照。)、基板に対して2%程度以上と大きな圧縮歪を有したGaInNAs系量子井戸活性層が用いられている。これにより、半導体レーザのしきい値電流密度が1kA/cm以下の低い値であって、かつ、環境温度が室温から80℃になっても動作電流がわずか1.3倍にしか増加せず、特性温度が200Kを越える良好なレーザが報告されている(例えば非特許文献2参照。)。なお、障壁層にはGaAs層が用いられている。圧縮歪みを有するGaInNAs系量子井戸活性層を用いた場合、障壁層にはGaAsが良く用いられている。
【0008】
しかし、このように大きな圧縮歪を有している場合、二次元成長から三次元成長に変わる実質的な臨界膜厚に近い厚さを成長させる必要があり、このための工夫が必要である。従来では、低温成長法(例えば特許文献2参照。)や、Sbを添加しサーファクタント的な効果を得る方法(例えば特許文献3参照。)が提案されているが、結晶欠陥の発生を抑えるために量子井戸数の制限があるなど、デバイス設計の制限が生じる。
【0009】
これを改善する方法として、基板より格子定数が小さいGaIn1−dAs1−e−f系材料(例えば特許文献4参照。)、GaNPAsまたはGaNAs層(例えば特許文献5参照。)、GaNAs層(例えば特許文献3参照。)を障壁層として、活性層の歪を低減(補償)する歪補償構造が提案されている。
【0010】
GaAsに対して窒素(N)を添加すると、格子定数が小さくなる。また、GaNAsはGaInNAs系量子井戸活性層との伝導帯バンド不連続が小さくなり量子準位エネルギーが下がるので、発振波長を長波長化する効果がある。しかしながら、同じ理由(GaInNAs系量子井戸層との伝導帯バンド不連続が小さくなる。)で、電子のオーバーフローが増え、温度特性が悪くなるという欠点がある。
【0011】
また、GaAsに対してPを添加すると、格子定数が小さくなるとともに、バンドギャップが大きくなり、伝導帯のエネルギーは大きくなる。よって、GaNPAsを障壁層とした場合、PとNの組成を調整することで、伝導帯のエネルギーをGaAsとGaInNAsとの接合のそれと同程度にすることが可能となる。しかしながら、P及びNの添加は、ともに格子定数をGaAsよりも小さくするので、伝導帯バンド不連続と歪み量との両方を独立に制御することはできない。このため、引張り歪量が大きくなってしまい、GaInNAs系量子井戸活性層との歪差が大きすぎるために良好な界面が得られないなどの問題が生じる。これにより、デバイス設計の自由度が制限されてしまうという問題が生じる。
【0012】
この場合、Inを添加すると格子定数を大きくすることが可能となる。しかしながら、GaIn1−dAs1−e−f系材料でGaAsよりも格子定数が小さい歪み補償層を形成する場合、GaInNAs系量子井戸活性層との価電子帯バンド不連続を制御することが困難であることがわかった。具体的には、価電子帯バンド不連続をGaAs障壁層との接合に比べて小さくすることが困難であることがわかった。よって、デバイス設計の自由度が制限されてしまうことがわかった。
【0013】
【特許文献1】
特開平6−37355号公報
【0014】
【非特許文献1】
Jpn.J.Appl.Phys.Vol.35(1996)pp.1273−1275
【0015】
【特許文献2】
特開2000−332363号公報
【0016】
【特許文献3】
特開2002−118329号公報
【0017】
【非特許文献2】
Jpn.J.Appl.Pyys.Vol.39(2000) pp.3403−3405
【0018】
【特許文献4】
特開平10−126004号公報
【0019】
【特許文献5】
特開平10−145003号公報
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、圧縮歪みのGaInNAs系量子井戸活性層を用いた半導体発光素子において、設計の自由度を大きくして量子井戸活性層の歪みを軽減させて、温度特性が良く低しきい値である半導体発光素子および光送信モジュールおよび光送受信モジュールおよび光通信システムを提供することを目的としている。
【0021】
【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、GaAs基板に対して圧縮歪を持つ窒素(N)と他のV族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層とからなる活性層を有する半導体発光素子において、前記障壁層は、燐(P)とアンチモン(Sb)を同時に含むIII−V族混晶半導体であることを特徴としている。
【0022】
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の半導体発光素子において、前記障壁層には、同時に窒素(N)も含まれていることを特徴としている。
【0023】
また、請求項3記載の発明は、請求項1記載の半導体発光素子において、前記障壁層は、GaNPAsSb、GaPAsSb、GaInNPAsSb、または、GaInPAsSbであることを特徴としている。
【0024】
また、請求項4記載の発明は、GaAs基板に対して圧縮歪を持つGa,As,Sbを同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層とからなる活性層を有する半導体発光素子において、前記障壁層は、燐(P)とアンチモン(Sb)を同時に含むIII−V族混晶半導体であることを特徴としている。
【0025】
また、請求項5記載の発明は、請求項4記載の半導体発光素子において、前記障壁層は、GaPAsSb、AlGaPAsSb、GaInPAsSb、または、AlGaInPAsSbであることを特徴としている。
【0026】
また、請求項6記載の発明は、請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、前記量子井戸活性層は、多重量子井戸活性層であることを特徴としている。
【0027】
また、請求項7記載の発明は、請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、該半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであることを特徴としている。
【0028】
また、請求項8記載の発明は、請求項7記載の半導体発光素子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。
【0029】
また、請求項9記載の発明は、請求項7記載の半導体発光素子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。
【0030】
また、請求項10記載の発明は、請求項7記載の半導体発光素子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。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【0032】
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態は、GaAs基板に対して圧縮歪を持つ窒素(N)と他のV族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層とからなる活性層を有する半導体発光素子において、障壁層が燐(P)とアンチモン(Sb)を同時に含むIII−V族混晶半導体であることを特徴としている。
【0033】
GaAsに対してPを1%添加した材料では、バンドギャップは11.7meV程度大きくなる。すなわち、伝導帯は7meV上がり、価電子帯は4.7meV下がる(A.G.Thompson等による文献「Pys.Rev.146(1966) p601」、Su−Huai Wei等による文献「Appl. Pyys.Lett.Vol.72 (1998) p2011」などを参照)。また、GaAs,GaPの格子定数は、それぞれ、5.65325オングストローム,5.4495オングストロームであるので、GaAsに対してP1%当たり0.0360%の引張り歪みとなる。
【0034】
GaAsに対してNを1%添加した材料では、バンドギャップは156meV小さくなり、かつ伝導帯は175meV、価電子帯は19meV下がる(Kitatani等による文献「16th Semiconductor LaserSymposium」を参照)。また閃亜鉛構造のGaNの格子定数は4.5オングストロームであるので、GaAsに対してN1%当たり0.204%の引張り歪みとなる。
【0035】
GaAsに対してInを1%添加した材料では、バンドギャップは15meV程度小さくなる。Inを添加すると価電子帯エネルギーは上がるが、GaAsとInAsとでわずか60meVであり、バンドギャップ低下分のほとんどは伝導帯が下がることによっている(Yu.F.Biryulin等による文献「Sov.Pys.Semicond.17(1983) p68」、Su−HuaiWei等による文献「Appl. Pyys.Lett.Vol.72 (1998) p2011」などを参照)。また、InAsの格子定数は6.058オングストロームであるので、GaAsに対してIn1%当たり0.0716%の圧縮歪みとなる。
【0036】
以上より、GaAsに、N、及び/またはP、及び/またはInを添加したGaIn1−dAs1−e−f系材料(特開平10−126004号公報を参照)で、GaAsよりも格子定数が小さい歪み補償層を形成する場合、GaInNAs系量子井戸活性層との価電子帯バンド不連続は、GaAs障壁層に比べて大きくなってしまうことがわかった。例えばGaAsにPを1%添加して引張り歪みとすると、価電子帯は4.7meV下がるが、これをInで補償するためにはInを8%程度添加する必要があり、圧縮歪みとなってしまう。また、GaAsにNを1%添加して引張り歪みとすると、価電子帯は19meV下がるが、これをInで補償するためにはInを32%程度添加する必要があり、圧縮歪みとなってしまう。
【0037】
ホール(正孔)の有効質量は電子の有効質量よりも大きく、ホールの注入均一性は障壁高さに敏感に依存する。そのため、価電子帯バンド不連続が大きくなると、特に多重量子井戸構造の各井戸層に正孔を均一に注入することが困難となってしまい、しきい値電流の上昇など、デバイス特性に悪影響を与えてしまう。また、量子井戸活性層と障壁層とからなるGaInNAs系量子井戸活性層の周囲は、ほとんどの場合、GaAs層が用いられている。この場合、障壁層の価電子帯エネルギーがGaAsのそれより低くなっていると、井戸層へのホール注入の障壁となってしまい、ホールが注入されにくくなるという問題が生じる。
【0038】
一方、山田らによる文献「信学技報TECHNICAL REPORT OFIEICE, LQE99−133(2000−02)」には、GaAs基板上に成長したGaAsSb量子井戸活性層を用いた1.3μm帯半導体レーザが報告されている。GaAsとGaAs0.64Sb0.36との伝導帯バンド不連続は35meV程度と見積もられており、価電子帯バンド不連続は430meVとなり、Sb添加でのバンドギャップ減少分のほとんどは価電子帯エネルギーが高くなること(Sb1%当たり12meV)によっていることがわかる。また、Sb添加は格子定数を大きくする。従って、本願の発明者は、GaAsに対して引っ張り歪みを有する材料にSbを添加すると、価電子帯バンド不連続増加分を補償することができるということを見出した。なお、GaSbの格子定数は6.094オングストロームであるので、GaAsに対してSb1%当たり0.0780%の圧縮歪みとなる。
【0039】
GaAsに対して引っ張り歪みを有する材料としては、GaAsに対して少なくともNまたはPの一方を添加する必要がある。Pを添加せずにNとSbを添加したGa(In)NAsSb引っ張り歪み層では、GaNAs障壁層と同様に伝導帯バンド不連続が小さくなるので、半導体レーザの温度特性が悪くなってしまう。なお、Ga(In)NAsSbにAlを添加すると、格子定数をほとんど変えずに伝導帯エネルギーを高める効果があるが、Nを含んだ材料は、600℃以下のような低温成長が必要であり、Alを含んだ層の成長には好ましくなく、AlとNを同時に含まないことが望ましい。
【0040】
以上より、圧縮歪みを有するGaInNAs系量子井戸活性層を用いた構造において、GaAsに少なくともPとSbを同時に添加した材料を障壁層とすると、電子のオーバーフローが問題になるほど伝導帯バンド不連続を小さくすることがなく、かつホールの注入に障害が起きるほど価電子帯バンド不連続を大きくすることがないひずみ補償量子井戸活性層構造を得ることができる。
【0041】
なお、上述した第1の実施形態の半導体発光素子において、障壁層には同時にNも含ませることができる。
【0042】
前述した文献「Jpn.J.Appl.Pyys.Vol.39(2000)pp.3403−3405」には、GaAs障壁層を用いた二重量子井戸活性層により特性温度が200K以上と良好な温度特性を有した端面発光型半導体レーザが示されており、GaInNAs系量子井戸活性層と障壁層との伝導帯バンド不連続をこれ以上大きくしなくとも使用可能な用途は充分にある。逆に、障壁層の伝導帯エネルギーを更に増加させると、量子準位が大きくなり短波長化してしまうので、GaInNAs系量子井戸活性層の窒素組成を増加させる必要があり、結晶性低下の問題が生じる可能性がある。障壁層へのNの添加は、主に伝導帯エネルギーを下げるので、ほぼ独立に伝導帯バンド不連続をコントロールでき、これを補償できるので好ましい。
【0043】
さらに、障壁層と量子井戸活性層の界面の結晶性は重要である。GaInNAs系材料をMOCVD法で成長する場合は、Nの原料の供給量はAsの原料の供給量に対してモル比(「N原料」/(「N原料」+「As原料」))が0.9を超えるほど大きくしなければならず、Nの原料は多量に供給する必要があり、原料供給のON,OFF時の制御性、つまり界面の制御性を良くすることは難かしい。また、MBE法で成長する場合は、N原料をRF等で活性化させて供給するため、原料供給のON,OFFを急峻に行うことは容易ではなく、MOCVD法と同様に界面の制御性を良くすることは難かしい。しかしながら、障壁層にもNが添加された構造にすると、この界面で原料供給のON,OFFを行なう必要がなく、良好な界面を制御して得ることが容易となる。
【0044】
また、上述した第1の実施形態の半導体発光素子において、障壁層は、具体的には、GaNPAsSb、GaPAsSb、GaInNPAsSb、あるいは、GaInPAsSbなどで構成することができる。
【0045】
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態は、GaAs基板に対して圧縮歪を持つGa,As,Sbを同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層とからなる活性層を有する半導体発光素子において、障壁層が、燐(P)とアンチモン(Sb)を同時に含むIII−V族混晶半導体であることを特徴としている。
【0046】
PとSbを同時に含んだ障壁層は、GaAsSb系圧縮歪み量子井戸活性層を用いた場合でも有効である。前述したように、GaAs(障壁層)とGaAs0.64Sb0.36(圧縮歪み量子井戸活性層)との伝導帯バンド不連続は35meV程度と見積もられており、価電子帯バンド不連続は430meVとなり、Sb添加でのバンドギャップ減少分のほとんどは価電子帯エネルギーが高くなること(Sb1%当たり12meV)によっていることがわかる。従って、GaAs障壁層とした場合、電子のオーバーフローが大きく温度特性が極めて悪い。さらに、価電子帯バンド不連続が極めて大きく、多重量子井戸活性層ではホールの注入の不均一が問題となっており、障壁層をp型にしたp型変調ドープ構造とすることで改善が図られている(文献「信学技報TECHNICAL REPORT OF IEICE, LQE99−133(2000−02)」)。
【0047】
GaAsへのPの添加は、伝導帯バンド不連続を大きくし、また、GaAsへのSb添加は、価電子帯バンド不連続を小さくする効果があり、さらに、互いに格子定数変化を補償するので好ましい。これにより、GaAs障壁層を用いた場合に比べて伝導帯バンド不連続を大きくでき、かつ価電子帯バンド不連続を小さくできる接合が可能となり、電子のオーバーフローを低減し、かつホールの注入効率を向上させることができる。
【0048】
上述した第2の実施形態の半導体発光素子において、障壁層は、具体的には、GaPAsSb、AlGaPAsSb、GaInPAsSb、あるいは、AlGaInPAsSbなどで構成することができる。
【0049】
また、上述した第1,第2の半導体発光素子において、量子井戸活性層は、例えば多重量子井戸活性層とすることができる。
【0050】
ホール(正孔)の有効質量は電子の有効質量よりも大きく、ホールの注入均一性は障壁高さに敏感に依存する。そのため、価電子帯バンド不連続が大きくなると、特に多重量子井戸構造の各井戸層に正孔を均一に注入することが困難となってしまい、しきい値電流の上昇など、デバイス特性に悪影響を与えてしまう。GaAsにP及び/またはNを添加してGaAsよりも格子定数の小さい材料を形成した場合、GaInNAs系量子井戸活性層との価電子帯バンド不連続は、GaAs障壁層に比べて大きくなってしまう。Inの添加は小さくする効果があるが、その効果はわずかである。これに対し、本発明のようにSbを添加することで充分な効果を得ることができる。
【0051】
また、GaAsSb系量子井戸活性層の場合も障壁層にSbを添加することで、GaAs障壁層に比べて価電子帯バンド不連続を低減でき、各井戸層への正孔注入が均一になる。
【0052】
また、上述した第1,第2の半導体発光素子は、具体的には、面発光型半導体レーザとして構成することができる。
【0053】
安価で、距離を気にしないで、光ネットワーク,光配線の大容量化を図るためには、光源として、シリカファイバーの伝送ロスが小さく整合性が良い1.3μm帯,1.55μm帯の半導体レーザであって、温度特性が良く冷却素子を使用しない半導体レーザが必要であり、これには、面発光型半導体レーザ素子(VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser:垂直キャビティ面発光型半導体レーザ素子)が極めて有望である。面発光型半導体レーザ素子(面発光レーザ)は端面発光型レーザに比べて、低価格化,低消費電力化,小型化,2次元集積化に向き、実際に、GaAs基板上に形成できる0.85μm帯では、すでに高速LANである1Gbit/秒のイーサネットなどで実用化されている。GaInNAs系材料またはGaAsSb系材料を活性層にしているので、これらの波長に対応できる。
【0054】
また、面発光レーザは端面発光型レーザと比べて、共振器長が極端に短く、利得領域が小さいので、大きな活性層利得を必要とする。素子の特性を良好にするためには、量子井戸活性層の数を複数にして利得を増加させる必要がある。本発明のように歪み補償層を設けることで、活性層の数を増やすことができ、低しきい値電流動作し、高出力であり、温度特性が良い面発光レーザを実現できる。なお、MOCVD法で形成すると面発光レーザの半導体分布ブラッグ反射鏡の抵抗を低減できるので、低電圧駆動が可能となり、好ましい。
【0055】
また、上述した本発明の面発光レーザを光源として用いた光送信モジュールを構成することができる。
【0056】
上述したように、本発明の面発光レーザは、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流動作し、温度特性が良いので、この面発光レーザを用いることによって、冷却素子が不要な低コストな光送信モジュールを実現することができる。
【0057】
また、上述した本発明の面発光レーザを光源として用いた光送受信モジュールを構成することができる。
【0058】
上述したように、本発明の面発光レーザは、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流動作し、温度特性が良いので、この面発光レーザを用いることによって、冷却素子が不要な低コストな光送受信モジュールを実現することができる。
【0059】
また、上述した本発明の面発光レーザを光源として用いた光通信システムを構成することができる。
【0060】
上述したように、本発明の面発光レーザは、低抵抗で駆動電圧が低く、低しきい値電流動作し、温度特性が良いので、この面発光レーザを用いることによって、冷却素子が不要な低コストな光ファイバー通信システム,光インターコネクションシステムなどの光通信システムを実現することができる。
【0061】
【実施例】
次に、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。
【0062】
(第1の実施例)
図2は本発明の第1の実施例のGaInNAs端面発光型半導体レーザを示す図である。なお、図2の例では、リッジストライプ型レーザとなっている。また、図2のGaInNAs端面発光型半導体レーザは、層構造としてはSCH−SQW(Separate Confinement Heterostructure Single Quantum Well)構造である。
【0063】
図2の例では、面方位(100)のn−GaAs基板上に、Seドープn−GaAsバッファ層,Seドープn−AlGaAs下部クラッド層,アンドープGaAs下部光ガイド層,活性層,アンドープGaAs上部光ガイド層,Znドープp−AlGaAs上部クラッド層,Znドープp−GaAsコンタクト層が順次成長されている。
【0064】
ここで、活性層は、圧縮歪みを有する1層のGaInNAs量子井戸活性層(井戸層)と、その上下に形成された引張り歪みを有するGaPAsSb障壁層(バリア層)とからなっている。井戸層のIn組成xは35%,窒素組成は0.8%とした。また、井戸層の厚さは8nmとした。成長方法はMOCVD法で行った。キャリアガスには、Hを用いた。また、原料には、TMG(トリメチルガリウム),TMI(トリメチルインジウム),AsH(アルシン),PH(フォスフィン)を用い、そして窒素の原料には、DMHy(ジメチルヒドラジン)を用いた。DMHyは低温で分解するので、600℃以下のような低温成長に適している。この第1の実施例では、GaInNAs層を550℃で成長した。特に歪みの大きい量子井戸層を成長する場合は例えば500℃〜600℃程度の低温成長が好ましい。GaPAsSb障壁層もGaInNAs層と同じ550℃で成長した。
【0065】
そして、フォトリソグラフィとエッチング技術により幅3μmのストライプ領域以外をp−AlGaAs層の途中まで除去し、リッジ構造を形成した。そして、このリッジ構造上に、p側電極を、電流注入部となる部分を除去した絶縁膜を介して形成した。また、基板の裏面には、n側電極を形成した。
【0066】
この第1の実施例では、GaAs光ガイド層とGaInNAs量子井戸活性層との間にGaPAsSb障壁層が形成されている。障壁層がGaPAsである場合はGaAsとGaPAsとの間に価電子帯バンド不連続が形成されるが、Sbが適量添加されていることで価電子帯バンド不連続が低減されており、ホール注入の障害はない。一方、Pが添加されていることで伝導帯バンド不連続は大きくなり、有効質量が小さいためにオーバーフローしやすい電子が量子井戸中に効果的に閉じ込められるようになった。これにより、単一量子井戸構造であるが極めて温度特性が良好になった。更に、歪み補償構造となっており、歪みの低減効果により素子の信頼性が向上した。
【0067】
上述の例では、MOCVD法での成長の例を示したが、MBE法等他の成長方法を用いることもできる。また、窒素の原料にDMHyを用いたが、活性化した窒素やNH等他の窒素化合物を用いることもできる。また、積層構造として、単一量子井戸構造(SQW)の例を示したが、多重量子井戸構造を用いることもできる。また、各層の組成厚さ等は必要に応じて設定できる。また、クラッド層には、AlGaAs系材料と同様にワイドギャップのAlGaInP系材料を用いることもできる。また、レーザの構造も他の構造にしてもかまわない。
【0068】
(第2の実施例)
図3は本発明の第2の実施例のGaInNAs面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【0069】
この第2の実施例における面発光型半導体レーザ素子は、3インチの大きさの面方位(100)のn−GaAs基板上に、それぞれの媒質内における発振波長の1/4倍の厚さでn−AlGa1−xAs(x=0.9)とn−GaAsを交互に35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(下部半導体分布ブラッグ反射鏡:単に下部反射鏡ともいう)が形成されている。そして、その上に、アンドープ下部GaAsスペーサ層,4層のGaInNAs井戸層と5層のGaNPAsSb障壁層(バリア層)からなる多重量子井戸活性層,アンドープ上部GaAsスペーサ層が形成されている。そして、その上に、p−半導体分布ブラッグ反射鏡(上部半導体分布ブラッグ反射鏡:単に上部反射鏡ともいう)が形成されている。
【0070】
上部反射鏡は、Cドープのp−AlGa1−xAs(x=0.9)とp−GaAsをそれぞれの媒質内における発振波長の1/4倍の厚さで交互に積層した周期構造(例えば、25周期)で構成されている。なお、上部反射鏡中の活性層に近い位置には、AlAsからなる被選択酸化層が例えば30nmの厚さで設けられている。また、上部反射鏡の最上部のGaAs層は、電極とのコンタクトを取るコンタクト層を兼ねている。
【0071】
この第2の実施例では、活性層内の井戸層のIn組成xは37%,窒素組成は0.5%とした。また、井戸層は、厚さが7nmであり、GaAs基板に対して約2.5%の圧縮歪(高歪)を有していた。また、GaNPAsSb障壁層は、20nmの厚さとし、GaAs基板に対して0.2%の引張り歪みを有し、かつ伝導帯,価電子帯ともにGaAsを障壁層として用いた場合とほぼ同じになるような組成に調整した。具体的に、GaNPAsSb障壁層のP組成は21%、N組成は0.8%、Sb組成は9.2%とした。概念的には以下のように説明できる。すなわち、GaAsに対してPを添加すると、GaInNAs量子井戸との伝導帯,価電子帯バンド不連続が大きくなる形で引張り歪みとなる。このGaPAsに更にNを添加すると、主に伝導帯バンド不連続が小さくなる形で更に引張り歪みとなる。そして、このGaNPAsに更にSbを添加すると、価電子帯バンド不連続が小さくなる形で引張り歪み量を小さくする。これにより、GaAs基板に対して引張り歪みを有し、かつ伝導帯,価電子帯ともにGaAsを障壁層として用いた場合と同じになるように設計できる。したがって、電子のオーバーフローが問題になるほど伝導帯バンド不連続を小さくすることなく、かつホールの注入に障害が起きるほど価電子帯バンド不連続を大きくすることのない歪補償構造を形成できる。
【0072】
成長方法はMOCVD法で行なった。キャリアガスには、Hを用いた。また、GaInNAs活性層の原料には、TMG(トリメチルガリウム),TMI(トリメチルインジウム),AsH(アルシン)を用い、そして窒素の原料には、DMHy(ジメチルヒドラジン)を用いた。DMHyは低温で分解するので、600℃以下のような低温成長に適しており,特に低温成長の必要な歪みの大きい量子井戸層を成長する場合好ましい原料である。この第2の実施例のGaInNAs面発光型半導体レーザ素子の活性層のように歪が大きい場合は、非平衡となる低温成長が好ましい。この第2の実施例では、GaInNAs層は540℃で成長させた。
【0073】
この第2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コンタクト部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。
【0074】
作製した面発光型半導体レーザ素子の発振波長は約1.3μmであった。GaInNAsを活性層に用いたので、GaAs基板上に長波長帯の面発光型半導体レーザ素子を形成できた。また、歪み補償構造を採用しているので、大きな圧縮歪みを有した活性層を用いていても結晶欠陥発生することなく井戸数を増やすことができ、更に伝導帯,価電子帯ともにバンド不連続を、GaAs障壁層を用いた時と同程度にコントロールできたので、温度特性は良好であり、高温まで動作した。
【0075】
また、AlとAsを主成分とした被選択酸化層の選択酸化により電流狭さくを行ったので、しきい値電流は低かった。被選択酸化層を選択酸化したAl酸化膜からなる電流狭さく層を用いた電流狭さく構造によると、電流狭さく層を活性層に近づけて形成することで電流の広がりを抑えられ、大気に触れない微小領域に効率良くキャリアを閉じ込めることができる。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、しきい値電流は低減される。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。
【0076】
GaInNAs等の窒素と他のV族を含んだ半導体層の作製にはMBE法が主に用いられていたが、原理的に高真空中での成長なので原料供給量を大きくできない。すなわち、原料供給量を大きくすると、排気系に負担がかかるというデメリットがある。高真空排気系の排気ポンプを必要とするが、MBEチャンバー内の残留原料等を除去するなどのために排気系に負担がかかり故障しやすいことからスループットは悪い。
【0077】
面発光型半導体レーザ素子は、レーザ光を発生する少なくとも1層の活性層を含んだ活性領域を半導体多層膜反射鏡で挟んで構成されている。端面発光型レーザの結晶成長層の厚さが3μm程度であるのに対して、例えば1.3μm波長帯の面発光型半導体レーザ素子では、結晶成長層の厚さとして10μmを超える厚さが必要になるが、MBE法では高真空を必要とすることから原料供給量を高くすることができず、成長速度は1μm/時程度であり、10μmの厚さを成長するには原料供給量を変えるための成長中断時間を設けないとしても最低10時間かかる。
【0078】
活性領域の厚さは全体に比べて通常ごくわずかであり(10%以下)、ほとんどが多層膜反射鏡を構成する層である。半導体多層膜反射鏡は、それぞれの媒質内における発振波長の1/4倍の厚さ(λ/4の厚さ)で低屈折率層と高屈折率層を交互に積層して(例えば20〜40ペア)形成されている。GaAs基板上の面発光型半導体レーザ素子では、AlGaAs系材料を用いAl組成を変えて低屈折率層(Al組成大)と高屈折率層(Al組成小)としている。しかし実際には、特にp側は各層のヘテロ障壁により抵抗が大きくなるので、低屈折率層と高屈折率層との間に、Al組成が両者の間となる中間層を挿入して多層膜反射鏡の抵抗を低減している。
【0079】
このように、面発光型半導体レーザ素子は、100層を超える組成の異なる半導体層を成長しなければならない他に、多層膜反射鏡の低屈折率層と高屈折率層との間にも中間層を設けるなど、瞬時に原料供給量を制御する必要がある素子である。しかし、MBE法では、原料供給量を原料セルの温度を変えて制御しており、臨機応変に組成をコントロールすることができない。よって、MBE法により成長した半導体多層膜反射鏡は、抵抗を低くするのは困難であり動作電圧が高い。
【0080】
一方、MOCVD法は、原料ガス流量を制御するだけで良く、瞬時に組成をコントロールできるとともに、MBE法のような高真空を必要とせず、また成長速度を例えば3μm/時以上と高くでき、容易にスループットを上げられることから、極めて量産に適した成長方法である。
【0081】
なお、この第2の実施例では、障壁層として、GaNPAsSbを用いたが、GaAsよりも格子定数が小さいGaPAsSb,GaInNPAsSb,GaInPAsSbのいずれかを用いることもできる。また、量子井戸活性層として、GaInNAsを用いたが、GaAsよりも格子定数の大きいGaInNAsSb,GaInNPAs,GaInNPAsSbを用いることもできる。また、1.3μm帯よりは短波長となってしまうが、Nを含まないGaInAsでもIn組成を大きくして例えば波長1.1μm以上とした場合においては、従来障壁層としてGaAsが用いられているので、本発明により同様な効果が得られる。
【0082】
このように、この第2の実施例によれば、低抵抗,低消費電力で低コストの1.3μm帯の面発光型半導体レーザ素子を実現できる。
【0083】
(第3の実施例)
図4は本発明の第3の実施例の1.3μm帯GaAsSb面発光型半導体レーザ素子を示す図である。
【0084】
この第3の実施例が第2の実施例と違うところは、量子井戸活性層としてGaAsSb(Sb組成36%)、障壁層(バリア層)としてGaPAsSb(P組成39%、Sb組成18%)を用いた点である。井戸数は2とした。また、障壁層はGaAs基板にほぼ格子整合している。この第3の実施例では、GaAs障壁層を用いた場合に比べて伝導帯バンド不連続は255meV大きくなり、価電子帯バンド不連続は33meV小さくなった。これにより、温度特性は良好になり、更にしきい値電流は小さくなった。この第3の実施例では、量子井戸活性層としてGaAsSbを用いたが、In,Al,Pをわずかに含んでいてもかまわない。
【0085】
(第4の実施例)
図5は本発明の第4の実施例の面発光レーザアレイを示す図(上面図)である。
【0086】
この第4の実施例の面発光レーザアレイは、第2の実施例の面発光レーザが10素子、1次元に並んだものとなっている。これは、2次元に集積させてもかまわない。ただし、第4の実施例の面発光レーザアレイは、第2の実施例と導電型p,nが逆になっている。すなわち、第4の実施例の面発光レーザアレイでは、上面にn側個別電極が形成され、基板裏面にp側共通電極が形成されている。これはアノードコモンとして高速動作が可能なバイポーラトランジスタ駆動回路を用いることができるので、複数の素子により同時により多くのデータを伝送することができるからである。これにより、同時により多くのデータを伝送する並列伝送が可能となる。
【0087】
(第5の実施例)
図6は本発明の第5の実施例の光送信モジュールを示す図であり、第5の実施例の光送信モジュールは、第4の実施例の面発光レーザアレイチップとシリカファイバーとを組み合わせたものとなっている。この第5の実施例では、面発光レーザアレイチップからのレーザ光が光ファイバーに入力され伝送される。ここで、光ファイバーには、シングルモードファイバーを用いている。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が集積したレーザアレイを用いた並列伝送が試みられている。この第5の実施例では、シングルモード高出力面発光レーザを用いているので、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。
【0088】
さらに、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と、低コストで信頼性が高い光送信モジュールを実現できる他に、これを用いた低コスト,高信頼性の光通信システムを実現できる。また、GaInNAsを用いた面発光型半導体レーザ素子は、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システムを実現できる。
【0089】
この第5の実施例では、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。
【0090】
(第6の実施例)
図7は本発明の第6の実施例の光送受信モジュールを示す図であり、この第6の実施例の光送受信モジュールは、第2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、光ファイバーとを組み合わせたものとなっている。
【0091】
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は低コストであるので、図7に示すように、送信用の面発光型半導体レーザ素子(1.3μm帯GaInNAs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、光ファイバーとを組み合わせた低コスト,高信頼性の光通信システムを実現できる。また、本発明に係るGaInNAsを用いた面発光型半導体レーザ素子は、温度特性が良いこと、動作電圧が低いこと、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。
【0092】
さらに、1.3μm等の長波長帯で低損失となるフッ素添加POF(プラスチックファイバ)とGaInNAsを活性層に用いた面発光型半導体レーザとを組み合わせると、ファイバが低コストであること、ファイバの径が大きくて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。
【0093】
本発明の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長距離通信に用いることができるのみならず、LAN(Local Area Network)などのコンピュータ等の機器間伝送、さらには、ボード間のデータ伝送、ボード内のLSI間、LSI内の素子間等、光インターコネクションとして短距離通信に用いることができる。
【0094】
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トに変えると(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。
【0095】
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すると、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。
【0096】
以上説明したように、窒素を含んだ半導体層であるGaInNAs系材料またはGaAsSb系材料によると、GaAs基板を用いた0.85μm帯面発光型半導体レーザ素子などで実績のあるAl(Ga)As/(Al)GaAs系半導体多層膜分布ブラッグ反射鏡や、AlAsの選択酸化による電流狭さく構造が適用でき、また、本発明を採用することにより、実用レベルの高性能の1.3μm帯等の長波長帯面発光型半導体レーザ素子を実現でき、さらにこれらの素子を用いると、冷却素子不要で低コストの光ファイバー通信システム、光インターコネクションシステムなどの光通信システムを実現することができる。
【0097】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項1乃至請求項3記載の発明によれば、GaAs基板に対して圧縮歪を持つ窒素(N)と他のV族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層とからなる活性層を有する半導体発光素子において、前記障壁層は、燐(P)とアンチモン(Sb)を同時に含むIII−V族混晶半導体であるので(すなわち、圧縮歪みを有するGaInNAs系量子井戸活性層を用いた構造において、GaAsに少なくともPとSbを同時に添加した材料を障壁層とすることにより)、電子のオーバーフローが問題になるほど伝導帯バンド不連続を小さくすることがなく、かつホールの注入に障害が起きるほど価電子帯バンド不連続を大きくすることがない歪補償量子井戸活性層構造を得ることができ、設計の自由度が向上し、温度特性が良好で高温まで動作し、かつ信頼性の高い半導体発光素子を提供することができる。
【0098】
特に、請求項2記載の発明では、請求項1記載の半導体発光素子において、前記障壁層には、同時に窒素(N)も含まれており、窒素(N)の添加は主に伝導帯エネルギーを下げるので、P,Sbとはほぼ独立に伝導帯バンド不連続をコントロールでき、更にP添加により伝導帯エネルギーが増加して量子準位が大きくなり短波長化してしまうことを補償できるので好ましい。よって、より設計の自由度が向上し、温度特性が良好で高温まで動作し、かつ信頼性の高い半導体発光素子を提供することができる。更に、N原料の切り替え時の制御は、MOCVD法でもMBE法でも難しいが、障壁層にもNが添加された構造であると、この界面でN原料供給のON,OFFの必要がなく、良好な界面を制御して得ることが容易となる。
【0099】
また、請求項4乃至請求項5記載の発明によれば、GaAs基板に対して圧縮歪を持つGa,As,Sbを同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層とからなる活性層を有する半導体発光素子において、前記障壁層は、燐(P)とアンチモン(Sb)を同時に含むIII−V族混晶半導体であり、PとSbを同時に含んだ障壁層はGaAsSb系圧縮歪み量子井戸活性層を用いた場合でも有効である。GaAsへのPの添加は伝導帯バンド不連続を大きくし、Sb添加は価電子帯バンド不連続を小さくする効果があり、更に、互いに格子定数変化を補償するので好ましい。これにより、GaAs障壁層を用いた場合に比べて、伝導帯バンド不連続を大きく、かつ価電子帯バンド不連続を小さくできる接合が可能となり、電子のオーバーフローを低減し、かつホールの注入効率を向上できるので、温度特性が良好でしきい値電流の小さい半導体発光素子を提供することができる。
【0100】
また、請求項6記載の発明は、請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、前記量子井戸活性層は、多重量子井戸活性層であること特徴としている。ホール(正孔)の有効質量は電子の有効質量よりも大きく、ホールの注入均一性は障壁高さに敏感に依存する。そのため、価電子帯バンド不連続が大きくなると特に多重量子井戸構造の各井戸層に正孔を均一に注入することが困難となってしまい、しきい値電流の上昇など、デバイス特性に悪影響を与えてしまう。GaAsにP及び(または)Nを添加してGaAsより格子定数の小さい材料を形成した場合、GaInNAs系量子井戸活性層との価電子帯バンド不連続は、GaAs障壁層に比べて大きくなってしまう。Inの添加は、GaInNAs系量子井戸活性層との価電子帯バンド不連続を小さくする効果があるが、その効果はわずかである。本発明のように障壁層にSbを添加することで、充分な効果を得ることができる。また、GaAsSb系量子井戸活性層の場合も障壁層にSbを添加することで、GaAs障壁層に比べて価電子帯バンド不連続を低減でき、各井戸層への正孔注入が均一になり、しきい値が低減する。
【0101】
また、請求項7記載の発明は、請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、該半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであり、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、低価格化,低消費電力化,小型化,2次元集積化に向く。ここで、GaInNAs系材料またはGaAsSb系材料を活性層にしているので、シリカファイバーの伝送ロスが小さく整合性が良い1.3μm帯,1.55μm帯の波長に対応できる。また、面発光型半導体レーザは、端面発光型レーザと比べて共振器長が極端に短く、利得領域が小さいので、大きな活性層利得を必要とする。素子の特性を良好にするためには量子井戸活性層の数を複数にして利得を増加させる必要がある。本発明のように伝導帯や価電子帯のバンド不連続を制御した歪補償層を設けたので、井戸層を多重化することが可能となり、低しきい値電流動作し、高出力であり、温度特性が良い面発光型半導体レーザを実現できる。なお、MOCVD法で形成すると、面発光型半導体レーザの半導体分布ブラッグ反射鏡の抵抗を低減できるので、低電圧駆動が可能となり、好ましい。これにより、安価で、距離を気にしないで、光ネットワーク,光配線の大容量化を図ることができる。
【0102】
また、請求項8記載の発明によれば、請求項7記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いた光送信モジュールであるので、冷却素子が不要な低コストな光送信モジュールを実現することができる。
【0103】
また、請求項9記載の発明によれば、請求項7記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いた光送受信モジュールであるので、冷却素子が不要な低コストな光送受信モジュールを実現することができる。
【0104】
また、請求項10記載の発明によれば、請求項7記載の面発光型半導体レーザ素子を光源として用いた光通信システムであるので、冷却素子が不要な低コストな光ファイバー通信システム,光インターコネクションシステムなどの光通信システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願の発明者が実験的に求めたしきい値電流密度の窒素組成依存性を示す図である。
【図2】第1の実施例の半導体発光素子を示す図である。
【図3】第2の実施例の半導体発光素子を示す図である。
【図4】第3の実施例の半導体発光素子を示す図である。
【図5】第4の実施例の面発光レーザアレイを示す図である。
【図6】第5の実施例の光送信モジュールを示す図である。
【図7】第6の実施例の光送受信モジュールを示す図である。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device, an optical transmitting module, an optical transmitting and receiving module, and an optical communication system.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as seen in the explosive spread of the Internet, the amount of information handled has been dramatically increased, and it is expected that the amount of information will be further accelerated in the future. For this reason, optical fibers are introduced not only into trunk lines but also into subscriber lines such as homes and offices, transmission lines close to users such as LANs (Local Area Network), and wiring between devices and in devices. Therefore, large-capacity information transmission technology becomes extremely important.
[0003]
As such a light source, a 1.3 μm band and a 1.55 μm band semiconductor laser having a small transmission loss of silica fiber and a good matching is required. It is an absolute condition to be a system.
[0004]
In the wavelength band of 1.3 μm band and 1.55 μm band, the material system on the InP substrate is generally used, and the edge emitting laser has a track record. However, this conventional long-wavelength band semiconductor laser has a major drawback that when the ambient temperature changes from room temperature to 80 ° C., the operating current increases three times. Therefore, in order to realize a low-cost system that does not use a cooling element, it is extremely important to develop a long-wavelength band semiconductor laser having good temperature characteristics.
[0005]
Recently, attention has been paid to a material system capable of forming a 1.3 μm band semiconductor laser on a GaAs substrate, and (Ga) InAs quantum dots, GaAsSb, and GaInNAs (for example, see Patent Document 1) have been studied. In particular, GaInNAs have attracted attention as a material capable of extremely reducing the temperature dependence of laser characteristics. Note that the GaInNAs-based material may include another group III-V element such as P, Sb, or Al.
[0006]
GaInNAs is a group III-V mixed crystal semiconductor containing nitrogen (N) and other group V elements. That is, by adding nitrogen (N) to GaInAs having a larger lattice constant than GaAs, the lattice constant of GaInNAs can be lattice-matched to that of GaAs, and the band gap energy is further reduced to 1.3 μm, 1.3 μm. It is a material that can emit light in the 55 μm band.
[0007]
For example, in Non-Patent Document 1, the band lineup of GaInNAs is calculated by Kondo et al. Although the band gap energy of GaInNAs decreases with the addition of nitrogen (N), the energy of both the conduction band and the valence band decreases, and the band discontinuity of the conduction band with respect to GaAs lattice-matched materials such as GaInP, AlGaAs, and GaAs. Is extremely large, and therefore, it is expected that a high characteristic temperature semiconductor laser can be realized. Actually, when the In composition is 10%, the nitrogen composition can form a 1.3 μm band at about 3%, but there is a problem that the threshold current density sharply increases as the nitrogen composition increases. FIG. 1 is a diagram showing the nitrogen composition dependency of the threshold current density experimentally obtained by the inventor. The horizontal axis shows the nitrogen composition ratio (%), and the vertical axis shows the threshold current density. ing. As shown in FIG. 1, the reason why the threshold current density sharply increases with an increase in the nitrogen composition is that the crystallinity of the GaInNAs layer deteriorates with an increase in the nitrogen composition. For this reason, a method of increasing the In composition and decreasing the nitrogen composition has been adopted (for example, see Patent Documents 2 and 3), and a GaInNAs-based material having a large compression strain of about 2% or more with respect to the substrate. A quantum well active layer is used. Thereby, the threshold current density of the semiconductor laser is 1 kA / cm. 2 A good laser has been reported that has a low value below, the operating current increases only 1.3 times even when the ambient temperature changes from room temperature to 80 ° C., and the characteristic temperature exceeds 200 K ( For example, see Non-Patent Document 2.) Note that a GaAs layer is used for the barrier layer. When a GaInNAs-based quantum well active layer having a compressive strain is used, GaAs is often used for the barrier layer.
[0008]
However, in the case of having such a large compressive strain, it is necessary to grow a thickness close to a substantial critical film thickness that changes from two-dimensional growth to three-dimensional growth, and a device for this is required. Conventionally, a low-temperature growth method (for example, see Patent Document 2) and a method of adding Sb to obtain a surfactant effect (for example, see Patent Document 3) have been proposed, but in order to suppress the occurrence of crystal defects. There are restrictions on device design, such as restrictions on the number of quantum wells.
[0009]
As a method of improving this, Ga has a lattice constant smaller than that of the substrate. d In 1-d N e P f As 1-ef A strain that reduces (compensates) the distortion of the active layer by using a system material (for example, see Patent Document 4), a GaNPAs or GNAs layer (for example, see Patent Document 5), and a GNAs layer (for example, see Patent Document 3) as a barrier layer. Compensation structures have been proposed.
[0010]
When nitrogen (N) is added to GaAs, the lattice constant decreases. In addition, since the conduction band discontinuity of GaNAs with the GaInNAs-based quantum well active layer is reduced and the quantum level energy is reduced, GaNAs has the effect of increasing the oscillation wavelength. However, for the same reason (the conduction band discontinuity with the GaInNAs-based quantum well layer is reduced), there is a disadvantage that the overflow of electrons increases and the temperature characteristics deteriorate.
[0011]
Further, when P is added to GaAs, the lattice constant decreases, the band gap increases, and the energy of the conduction band increases. Therefore, when GaNPAs is used as the barrier layer, by adjusting the composition of P and N, the energy of the conduction band can be made approximately equal to that of the junction between GaAs and GaInNAs. However, since the addition of P and N both makes the lattice constant smaller than that of GaAs, it is impossible to independently control both the conduction band discontinuity and the strain amount. For this reason, the amount of tensile strain increases, and there arises a problem that a good interface cannot be obtained because the strain difference from the GaInNAs-based quantum well active layer is too large. This causes a problem that the degree of freedom in device design is limited.
[0012]
In this case, if In is added, the lattice constant can be increased. However, Ga d In 1-d N e P f As 1-ef It has been found that it is difficult to control the valence band discontinuity with the GaInNAs-based quantum well active layer when forming a strain compensation layer having a lattice constant smaller than that of GaAs with a system material. Specifically, it has been found that it is difficult to reduce the valence band discontinuity as compared with the junction with the GaAs barrier layer. Therefore, it was found that the degree of freedom in device design was limited.
[0013]
[Patent Document 1]
JP-A-6-37355
[0014]
[Non-patent document 1]
Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 35 (1996) pp. 1273-1275
[0015]
[Patent Document 2]
JP 2000-332363 A
[0016]
[Patent Document 3]
JP-A-2002-118329
[0017]
[Non-patent document 2]
Jpn. J. Appl. Pyys. Vol. 39 (2000) pp. 3403-3405
[0018]
[Patent Document 4]
JP-A-10-126004
[0019]
[Patent Document 5]
JP-A-10-145003
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides a semiconductor light emitting device using a GaInNAs-based quantum well active layer having a compressive strain, thereby increasing the degree of freedom of design and reducing the strain of the quantum well active layer, and has a good temperature characteristic and a low threshold value. It is an object of the present invention to provide a semiconductor light emitting device, an optical transmitting module, an optical transmitting and receiving module, and an optical communication system.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a quantum well active layer simultaneously containing nitrogen (N) having a compressive strain with respect to a GaAs substrate and another group V element is formed around the active layer. In a semiconductor light emitting device having an active layer including a barrier layer, the barrier layer is a III-V mixed crystal semiconductor containing phosphorus (P) and antimony (Sb) simultaneously.
[0022]
According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device of the first aspect, the barrier layer contains nitrogen (N) at the same time.
[0023]
According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device of the first aspect, the barrier layer is GaNPAsSb, GaPAsSb, GaInNPAsSb, or GaInPAsSb.
[0024]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor light emitting device having an active layer including a quantum well active layer simultaneously containing Ga, As, and Sb having a compressive strain with respect to a GaAs substrate, and a barrier layer formed therearound. The device is characterized in that the barrier layer is a group III-V mixed crystal semiconductor containing phosphorus (P) and antimony (Sb) simultaneously.
[0025]
According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device of the fourth aspect, the barrier layer is made of GaPAsSb, AlGaPAsSb, GaInPAsSb, or AlGaInPAsSb.
[0026]
According to a sixth aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device according to any one of the first to fifth aspects, the quantum well active layer is a multiple quantum well active layer.
[0027]
According to a seventh aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device according to any one of the first to sixth aspects, the semiconductor light emitting element is a surface emitting semiconductor laser.
[0028]
The invention according to claim 8 is an optical transmission module, wherein the semiconductor light emitting device according to claim 7 is used as a light source.
[0029]
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided an optical transceiver module, wherein the semiconductor light emitting device according to the seventh aspect is used as a light source.
[0030]
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided an optical communication system in which the semiconductor light emitting device according to the seventh aspect is used as a light source.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0032]
(1st Embodiment)
The first embodiment of the present invention relates to an active layer comprising a quantum well active layer containing nitrogen (N) having a compressive strain and another group V element simultaneously with respect to a GaAs substrate, and a barrier layer formed around the quantum well active layer. A semiconductor light emitting device having a layer is characterized in that the barrier layer is a group III-V mixed crystal semiconductor containing phosphorus (P) and antimony (Sb) simultaneously.
[0033]
In the case where GaAs is doped with 1% of P, the band gap is increased by about 11.7 meV. That is, the conduction band rises by 7 meV and the valence band falls by 4.7 meV (Ag. Thompson et al., "Pys. Rev. 146 (1966) p601", Su-Huai Wei et al., "Appl. Pys. Lett." Vol.72 (1998) p2011 "). Since the lattice constants of GaAs and GaP are 5.65325 angstroms and 5.4495 angstroms, respectively, the tensile strain is 0.0360% per 1% of P with respect to GaAs.
[0034]
In a material in which N is added to GaAs by 1%, the band gap is reduced by 156 meV, the conduction band is reduced by 175 meV, and the valence band is reduced by 19 meV (Kitatani et al. th Semiconductor Laser Symposium "). Further, since the lattice constant of GaN having a zinc blend structure is 4.5 angstroms, the tensile strain is 0.204% per 1% of N with respect to GaAs.
[0035]
In a material in which 1% of In is added to GaAs, the band gap is reduced by about 15 meV. The valence band energy increases when In is added, but the valence band energy is only 60 meV for GaAs and InAs, and most of the decrease in the band gap is due to the lowering of the conduction band (Yu.F. Biryulin et al., Sov. Pys. 17 (1983) p68 ", Su-Huawei et al.," Appl. Pys. Lett. Vol. 72 (1998) p2011 ", etc.). Further, since the lattice constant of InAs is 6.058 Å, the compression strain is 0.0716% per 1% of In with respect to GaAs.
[0036]
As described above, Ga obtained by adding N, and / or P, and / or In to GaAs d In 1-d N e P f As 1-ef When a strain compensation layer having a lattice constant smaller than that of GaAs is formed of a system material (see Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-126004), the valence band discontinuity with the GaInNAs quantum well active layer is caused by the GaAs barrier layer. It turned out to be larger than that. For example, when tensile strain is caused by adding 1% of P to GaAs, the valence band is reduced by 4.7 meV. To compensate for this with In, it is necessary to add about 8% of In, resulting in compressive strain. I will. Also, if N is added to GaAs and tensile strain is caused by adding 1%, the valence band is reduced by 19 meV, but to compensate for this by In, it is necessary to add In by about 32%, resulting in compressive strain. .
[0037]
The effective mass of holes is larger than the effective mass of electrons, and the uniformity of hole injection depends sensitively on the barrier height. Therefore, when the valence band discontinuity increases, it becomes difficult to uniformly inject holes into each well layer of the multiple quantum well structure, and adversely affects device characteristics such as an increase in threshold current. I will give it. In most cases, a GaAs layer is used around the GaInNAs-based quantum well active layer including the quantum well active layer and the barrier layer. In this case, if the valence band energy of the barrier layer is lower than that of GaAs, the barrier layer becomes a barrier for hole injection into the well layer, causing a problem that holes are hardly injected.
[0038]
On the other hand, a 1.3 μm band semiconductor laser using a GaAsSb quantum well active layer grown on a GaAs substrate has been reported in the document “Technical Report Technical Report, LQE99-133 (2000-02)” by Yamada et al. ing. GaAs and GaAs 0.64 Sb 0.36 It is estimated that the conduction band discontinuity is about 35 meV, the valence band discontinuity is 430 meV, and most of the decrease in the band gap due to the addition of Sb increases the valence band energy (per 1% of Sb). 12 meV). Also, the addition of Sb increases the lattice constant. Therefore, the inventor of the present application has found that the addition of Sb to a material having a tensile strain with respect to GaAs can compensate for the increase in the valence band discontinuity. Since the lattice constant of GaSb is 6.094 Å, the compression strain is 0.0780% per 1% of Sb with respect to GaAs.
[0039]
As a material having a tensile strain with respect to GaAs, it is necessary to add at least one of N and P to GaAs. In a Ga (In) NAsSb tensile strained layer to which N and Sb are added without adding P, the conduction band discontinuity is reduced as in the case of the GaNAs barrier layer, so that the temperature characteristics of the semiconductor laser are deteriorated. Note that when Al is added to Ga (In) NAsSb, the effect of increasing the conduction band energy without substantially changing the lattice constant is obtained. However, a material containing N needs to be grown at a low temperature of 600 ° C. or lower. It is not preferable for the growth of a layer containing Al, and it is desirable not to contain Al and N at the same time.
[0040]
As described above, in a structure using a GaInNAs-based quantum well active layer having a compressive strain, when a material in which at least P and Sb are simultaneously added to GaAs is used as a barrier layer, the conduction band discontinuity is so small that overflow of electrons becomes a problem. It is possible to obtain a strain-compensated quantum well active layer structure that does not cause the valence band discontinuity to be so large as to hinder hole injection.
[0041]
In the semiconductor light emitting device of the first embodiment described above, N can be simultaneously contained in the barrier layer.
[0042]
In the above-mentioned document “Jpn. J. Appl. Is disclosed, and there are sufficient applications that can be used without further increasing the conduction band discontinuity between the GaInNAs-based quantum well active layer and the barrier layer. Conversely, if the conduction band energy of the barrier layer is further increased, the quantum level becomes larger and the wavelength becomes shorter. Therefore, it is necessary to increase the nitrogen composition of the GaInNAs-based quantum well active layer, which causes a problem of crystallinity deterioration. Can occur. Addition of N to the barrier layer is preferable because it mainly lowers the conduction band energy, so that the conduction band discontinuity can be controlled and compensated almost independently.
[0043]
Further, the crystallinity at the interface between the barrier layer and the quantum well active layer is important. When the GaInNAs-based material is grown by the MOCVD method, the supply amount of the N raw material is 0 with respect to the supply amount of the As raw material (“N raw material” / (“N raw material” + “As raw material”)). It is necessary to supply a large amount of the N raw material, and it is difficult to improve the controllability at the time of ON / OFF of the raw material supply, that is, the controllability of the interface. Further, in the case of growing by MBE, since the N source is activated and supplied by RF or the like, it is not easy to rapidly turn ON and OFF the source supply. It is difficult to improve. However, if a structure in which N is also added to the barrier layer is used, there is no need to turn on and off the supply of the raw material at this interface, and it becomes easy to control and obtain a good interface.
[0044]
Further, in the semiconductor light emitting device of the first embodiment described above, the barrier layer can be specifically made of GaNPAsSb, GaPAsSb, GaInNPAsSb, GaInPAsSb, or the like.
[0045]
(Second embodiment)
The second embodiment of the present invention is a semiconductor light emitting device having an active layer including a quantum well active layer simultaneously containing Ga, As, and Sb having a compressive strain with respect to a GaAs substrate and a barrier layer formed around the quantum well active layer. The device is characterized in that the barrier layer is a group III-V mixed crystal semiconductor containing phosphorus (P) and antimony (Sb) simultaneously.
[0046]
The barrier layer containing both P and Sb is effective even when a GaAsSb-based compression-strained quantum well active layer is used. As described above, GaAs (barrier layer) and GaAs 0.64 Sb 0.36 The conduction band discontinuity with the (compressed strained quantum well active layer) is estimated to be about 35 meV, the valence band discontinuity is 430 meV, and most of the decrease in the band gap due to the addition of Sb is the valence band energy. Is increased (12 meV per 1% of Sb). Therefore, when a GaAs barrier layer is used, the overflow of electrons is large and the temperature characteristics are extremely poor. Furthermore, the valence band discontinuity is extremely large, and uneven injection of holes is a problem in the multiple quantum well active layer. Improvement can be achieved by using a p-type modulation doping structure in which the barrier layer is p-type. (Reference: “Technical Report of IEICE, IEICE, LQE99-133 (2000-02)”).
[0047]
The addition of P to GaAs increases the conduction band discontinuity, and the addition of Sb to GaAs has the effect of reducing the valence band discontinuity, and furthermore, it is preferable because it compensates for the change of the lattice constant with each other. . This makes it possible to form a junction in which the conduction band discontinuity can be made larger and the valence band band discontinuity can be made smaller than in the case where a GaAs barrier layer is used, thereby reducing electron overflow and improving hole injection efficiency. Can be improved.
[0048]
In the semiconductor light emitting device of the second embodiment described above, the barrier layer can be specifically made of GaPAsSb, AlGaPAsSb, GaInPAsSb, AlGaInPAsSb, or the like.
[0049]
In the first and second semiconductor light emitting devices described above, the quantum well active layer can be, for example, a multiple quantum well active layer.
[0050]
The effective mass of holes is larger than the effective mass of electrons, and the uniformity of hole injection depends sensitively on the barrier height. Therefore, when the valence band discontinuity increases, it becomes difficult to uniformly inject holes into each well layer of the multiple quantum well structure, and adversely affects device characteristics such as an increase in threshold current. I will give it. When P and / or N is added to GaAs to form a material having a smaller lattice constant than GaAs, the valence band discontinuity with the GaInNAs-based quantum well active layer becomes larger than that of the GaAs barrier layer. . The addition of In has the effect of reducing the effect, but the effect is slight. On the other hand, a sufficient effect can be obtained by adding Sb as in the present invention.
[0051]
Also, in the case of a GaAsSb-based quantum well active layer, by adding Sb to the barrier layer, valence band discontinuity can be reduced as compared with the GaAs barrier layer, and hole injection into each well layer becomes uniform.
[0052]
Further, the first and second semiconductor light emitting devices described above can be specifically configured as a surface emitting semiconductor laser.
[0053]
In order to increase the capacity of optical networks and optical wirings at low cost and without concern for distance, as a light source, a 1.3 μm band or 1.55 μm band semiconductor having a small transmission loss of silica fiber and good matching. A semiconductor laser that has good temperature characteristics and does not use a cooling element is required. For this, a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser: vertical cavity surface emitting semiconductor laser element) is required. Very promising. Surface emitting semiconductor laser devices (surface emitting lasers) are suitable for lower cost, lower power consumption, smaller size, and two-dimensional integration than edge emitting lasers, and can be actually formed on a GaAs substrate. The 85 μm band has already been put to practical use in high-speed LANs such as 1 Gbit / sec Ethernet. Since a GaInNAs-based material or a GaAsSb-based material is used for the active layer, it is possible to cope with these wavelengths.
[0054]
Further, the surface emitting laser requires a large active layer gain because the cavity length is extremely short and the gain region is small as compared with the edge emitting laser. In order to improve the characteristics of the device, it is necessary to increase the gain by increasing the number of quantum well active layers. By providing the strain compensation layer as in the present invention, the number of active layers can be increased, a low threshold current operation, a high output, and a surface emitting laser with good temperature characteristics can be realized. Note that the formation by the MOCVD method is preferable because the resistance of the semiconductor distributed Bragg reflector of the surface emitting laser can be reduced, so that low voltage driving becomes possible.
[0055]
Further, an optical transmission module using the above-described surface emitting laser of the present invention as a light source can be configured.
[0056]
As described above, the surface emitting laser of the present invention has a low resistance, a low driving voltage, a low threshold current operation, and a good temperature characteristic. A cost-effective optical transmission module can be realized.
[0057]
Further, an optical transceiver module using the above-described surface emitting laser of the present invention as a light source can be configured.
[0058]
As described above, the surface emitting laser of the present invention has a low resistance, a low driving voltage, a low threshold current operation, and a good temperature characteristic. It is possible to realize a costly optical transmission / reception module.
[0059]
Further, an optical communication system using the above-described surface emitting laser of the present invention as a light source can be configured.
[0060]
As described above, the surface emitting laser of the present invention has a low resistance, a low driving voltage, a low threshold current operation, and a good temperature characteristic. It is possible to realize an optical communication system such as an optical fiber communication system and an optical interconnection system which is inexpensive.
[0061]
【Example】
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0062]
(First embodiment)
FIG. 2 is a diagram showing a GaInNAs edge emitting semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention. In the example of FIG. 2, a ridge stripe type laser is used. Further, the GaInNAs edge emitting semiconductor laser of FIG. 2 has a SCH-SQW (Separate Definition Heterostructure Single Quantum Well) structure as a layer structure.
[0063]
In the example of FIG. 2, a Se-doped n-GaAs buffer layer, a Se-doped n-AlGaAs lower cladding layer, an undoped GaAs lower light guide layer, an active layer, and an undoped GaAs upper light are formed on an n-GaAs substrate having a (100) plane orientation. A guide layer, a Zn-doped p-AlGaAs upper cladding layer, and a Zn-doped p-GaAs contact layer are sequentially grown.
[0064]
Here, the active layer includes a GaInNAs quantum well active layer (well layer) having a compressive strain, and a GaPAsSb barrier layer (barrier layer) having a tensile strain formed above and below the GaInNAs quantum well active layer. The In composition x of the well layer was 35%, and the nitrogen composition was 0.8%. The thickness of the well layer was 8 nm. The growth was performed by the MOCVD method. The carrier gas is H 2 Was used. The raw materials include TMG (trimethyl gallium), TMI (trimethyl indium), AsH 3 (Arsine), PH 3 (Phosphine), and DMHy (dimethylhydrazine) was used as a nitrogen source. Since DMHy decomposes at a low temperature, it is suitable for low-temperature growth at 600 ° C. or lower. In the first embodiment, the GaInNAs layer was grown at 550 ° C. In particular, when a quantum well layer having a large strain is grown, low temperature growth of, for example, about 500 ° C. to 600 ° C. is preferable. The GaPAsSb barrier layer was also grown at 550 ° C., the same as the GaInNAs layer.
[0065]
Then, a portion other than the stripe region having a width of 3 μm was removed halfway through the p-AlGaAs layer by photolithography and etching technology to form a ridge structure. Then, on this ridge structure, a p-side electrode was formed via an insulating film from which a portion serving as a current injection portion was removed. An n-side electrode was formed on the back surface of the substrate.
[0066]
In the first embodiment, a GaPAsSb barrier layer is formed between a GaAs light guide layer and a GaInNAs quantum well active layer. When the barrier layer is GaPAs, a valence band discontinuity is formed between GaAs and GaPAs, but the valence band discontinuity is reduced by adding an appropriate amount of Sb, and hole injection is performed. There are no obstacles. On the other hand, the addition of P increases the conduction band discontinuity, and the electrons that easily overflow due to the small effective mass are effectively confined in the quantum well. As a result, although the single quantum well structure was used, the temperature characteristics were extremely improved. Further, a distortion compensation structure is provided, and the reliability of the element is improved by the effect of reducing distortion.
[0067]
In the above-described example, the example of the growth by the MOCVD method is shown, but another growth method such as the MBE method can be used. Also, DMHy was used as a nitrogen source, but activated nitrogen and NH 3 Other nitrogen compounds can also be used. Although the single quantum well structure (SQW) has been described as an example of the stacked structure, a multiple quantum well structure can be used. Further, the composition thickness and the like of each layer can be set as needed. In addition, a wide-gap AlGaInP-based material can be used for the cladding layer as in the case of the AlGaAs-based material. Further, the structure of the laser may be another structure.
[0068]
(Second embodiment)
FIG. 3 is a diagram showing a GaInNAs surface emitting semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention.
[0069]
The surface-emitting type semiconductor laser device according to the second embodiment has a thickness of 1/4 times the oscillation wavelength in each medium on an n-GaAs substrate having a plane orientation (100) of 3 inches. n-Al x Ga 1-x An n-semiconductor distributed Bragg reflector (lower semiconductor distributed Bragg reflector: also simply referred to as a lower reflector) having a periodic structure in which As (x = 0.9) and n-GaAs are alternately stacked for 35 periods is formed. . Then, an undoped lower GaAs spacer layer, a multiple quantum well active layer composed of four GaInNAs well layers and five GaNPAsSb barrier layers (barrier layers), and an undoped upper GaAs spacer layer are formed thereon. A p-semiconductor distributed Bragg reflector (upper semiconductor distributed Bragg reflector: also simply referred to as an upper reflector) is formed thereon.
[0070]
The top reflector is C-doped p-Al x Ga 1-x It has a periodic structure (for example, 25 periods) in which As (x = 0.9) and p-GaAs are alternately stacked with a thickness of 1/4 times the oscillation wavelength in each medium. A selective oxidation layer made of AlAs is provided at a position close to the active layer in the upper reflecting mirror, for example, with a thickness of 30 nm. The GaAs layer at the top of the upper reflector also functions as a contact layer for making contact with the electrode.
[0071]
In the second embodiment, the In composition x of the well layer in the active layer was 37%, and the nitrogen composition was 0.5%. The well layer had a thickness of 7 nm and had a compressive strain (high strain) of about 2.5% with respect to the GaAs substrate. The GaNPAsSb barrier layer has a thickness of 20 nm, has a tensile strain of 0.2% with respect to the GaAs substrate, and has substantially the same conduction band and valence band as those when GaAs is used as the barrier layer. Was adjusted to a suitable composition. Specifically, the P composition of the GaNPAsSb barrier layer was 21%, the N composition was 0.8%, and the Sb composition was 9.2%. Conceptually, it can be explained as follows. That is, when P is added to GaAs, a tensile strain occurs in a form in which the conduction band and valence band discontinuity with the GaInNAs quantum well become large. When N is further added to this GaPAs, tensile strain is further increased mainly in a form in which conduction band discontinuity is reduced. When Sb is further added to the GaNPAs, the amount of tensile strain is reduced in such a manner that the valence band discontinuity is reduced. Thus, the GaAs substrate can be designed so as to have a tensile strain and to have the same conduction band and valence band as those in the case where GaAs is used as the barrier layer. Therefore, it is possible to form a strain compensation structure that does not reduce the conduction band discontinuity so that the overflow of electrons becomes a problem, and does not increase the valence band discontinuity so as to cause a failure in hole injection.
[0072]
The growth was performed by MOCVD. The carrier gas is H 2 Was used. The raw materials of the GaInNAs active layer include TMG (trimethyl gallium), TMI (trimethyl indium), AsH 3 (Arsine), and DMHy (dimethylhydrazine) was used as a nitrogen source. Since DMHy decomposes at low temperatures, it is suitable for low-temperature growth at a temperature of 600 ° C. or less, and is a preferable raw material particularly when growing a large-quantity well layer that requires low-temperature growth. In the case where the strain is large as in the active layer of the GaInNAs surface emitting semiconductor laser device of the second embodiment, low temperature growth in which non-equilibrium is obtained is preferable. In this second example, the GaInNAs layer was grown at 540 ° C.
[0073]
In the second embodiment, 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 Al layer. x O y A 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 portion and the light-emitting portion is removed, and a p-side electrode is formed in a portion other than the light-emitting portion on the p-contact layer, Further, an n-side electrode was formed on the back surface of the substrate.
[0074]
The oscillation wavelength of the manufactured surface-emitting type semiconductor laser device was about 1.3 μm. Since GaInNAs was used for the active layer, a long-wavelength surface emitting semiconductor laser device could be formed on a GaAs substrate. In addition, since the strain compensation structure is employed, the number of wells can be increased without generating crystal defects even when an active layer having a large compressive strain is used. Was controlled to the same degree as when the GaAs barrier layer was used, so that the temperature characteristics were good and the device was operated up to a high temperature.
[0075]
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 the current narrowing can be prevented from being exposed to the atmosphere. Carriers can be efficiently confined in the region. Furthermore, by oxidizing to form an Al oxide film, the refractive index is reduced, and light can be efficiently confined in a small 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. Is done. In addition, since the current narrowing structure can be easily formed, the manufacturing cost can be reduced.
[0076]
Although the MBE method has been mainly used for manufacturing a semiconductor layer containing nitrogen such as GaInNAs and another group V, the supply amount of the raw material cannot be increased because the growth is performed in a high vacuum in principle. That is, there is a demerit that increasing the raw material supply amount places a burden on the exhaust system. Although an exhaust pump of a high vacuum exhaust system is required, the throughput is poor because the exhaust system is burdensome for removing residual materials and the like in the MBE chamber and is liable to break down.
[0077]
A surface-emitting type semiconductor laser device is configured such that an active region including at least one active layer for generating laser light is sandwiched between semiconductor multilayer film reflecting mirrors. While the thickness of the crystal growth layer of an edge-emitting laser is about 3 μm, for example, a surface-emitting semiconductor laser device in a 1.3 μm wavelength band requires a thickness of more than 10 μm as the thickness of the crystal growth layer. However, the MBE method requires a high vacuum, so that the supply amount of the raw material cannot be increased, the growth rate is about 1 μm / hour, and the supply amount of the raw material is changed in order to grow the thickness of 10 μm. It takes at least 10 hours even if no growth interruption time is provided.
[0078]
The thickness of the active region is usually very small (10% or less) as compared with the whole, and most of the layers constitute the multilayer mirror. The semiconductor multilayer mirror has a low refractive index layer and a high refractive index layer alternately stacked at a thickness (thickness of λ / 4) of 1 / times the oscillation wavelength in each medium (for example, 20 to 40). 40 pairs). In a surface-emitting type semiconductor laser device on a GaAs substrate, an AlGaAs-based material is used to change the Al composition to form a low refractive index layer (large Al composition) and a high refractive index layer (small Al composition). However, in practice, especially on the p side, the resistance increases due to the hetero barrier of each layer. Therefore, an intermediate layer having an Al composition between them is inserted between the low refractive index layer and the high refractive index layer to form a multilayer film. The resistance of the reflector has been reduced.
[0079]
As described above, in the surface-emitting type semiconductor laser device, a semiconductor layer having a composition of more than 100 layers must be grown, and an intermediate layer between the low refractive index layer and the high refractive index layer of the multilayer mirror is required. It is an element that requires instantaneous control of the raw material supply amount, such as providing a layer. However, in the MBE method, the raw material supply amount is controlled by changing the temperature of the raw material cell, and the composition cannot be flexibly controlled. Therefore, it is difficult to reduce the resistance of the semiconductor multilayer mirror grown by the MBE method, and the operating voltage is high.
[0080]
On the other hand, the MOCVD method only needs to control the flow rate of the source gas, can control the composition instantaneously, does not require a high vacuum unlike the MBE method, and can increase the growth rate to, for example, 3 μm / hour or more. This is a growth method that is extremely suitable for mass production because the throughput can be increased.
[0081]
In the second embodiment, GaNPAsSb is used as the barrier layer. However, any one of GaPAsSb, GaInNPAsSb, and GaInPAsSb having a smaller lattice constant than GaAs can be used. Although GaInNAs is used as the quantum well active layer, GaInNAsSb, GaInNPAs, and GaInNPAsSb having a larger lattice constant than GaAs can also be used. Although the wavelength is shorter than the 1.3 μm band, GaAs is conventionally used as the barrier layer in the case where the In composition is increased to, for example, 1.1 μm or more even in the case of GaInAs containing no N. Therefore, a similar effect can be obtained by the present invention.
[0082]
As described above, according to the second embodiment, a low-cost, low-power, low-cost, 1.3 μm-band surface emitting semiconductor laser device can be realized.
[0083]
(Third embodiment)
FIG. 4 is a diagram showing a 1.3 μm band GaAsSb surface emitting semiconductor laser device according to a third embodiment of the present invention.
[0084]
The third embodiment is different from the second embodiment in that GaAsSb (Sb composition: 36%) is used as a quantum well active layer and GaPAsSb (P composition: 39%, Sb composition: 18%) is used as a barrier layer (barrier layer). This is the point used. The number of wells was 2. The barrier layer is substantially lattice-matched to the GaAs substrate. In the third embodiment, the conduction band discontinuity is increased by 255 meV and the valence band discontinuity is decreased by 33 meV as compared with the case where the GaAs barrier layer is used. As a result, the temperature characteristics were improved, and the threshold current was further reduced. In the third embodiment, GaAsSb is used as the quantum well active layer, but it may contain In, Al, and P slightly.
[0085]
(Fourth embodiment)
FIG. 5 is a diagram (top view) showing a surface emitting laser array according to a fourth embodiment of the present invention.
[0086]
The surface emitting laser array according to the fourth embodiment includes ten elements of the surface emitting laser according to the second embodiment arranged one-dimensionally. This may be integrated in two dimensions. However, the surface emitting laser array of the fourth embodiment has the conductivity types p and n opposite to those of the second embodiment. That is, in the surface emitting laser array of the fourth embodiment, the n-side individual electrode is formed on the upper surface, and the p-side common electrode is formed on the back surface of the substrate. This is because a bipolar transistor drive circuit capable of high-speed operation can be used as the anode common, so that more data can be transmitted simultaneously by a plurality of elements. This enables parallel transmission of transmitting more data at the same time.
[0087]
(Fifth embodiment)
FIG. 6 is a diagram showing an optical transmission module according to a fifth embodiment of the present invention. The optical transmission module according to the fifth embodiment combines the surface emitting laser array chip of the fourth embodiment with a silica fiber. It has become something. In the fifth embodiment, laser light from a surface emitting laser array chip is input to an optical fiber and transmitted. Here, a single mode fiber is used as the optical fiber. In order to transmit more data at the same time, parallel transmission using a laser array in which a plurality of semiconductor lasers are integrated has been attempted. In the fifth embodiment, since a single-mode high-output surface-emitting laser is used, high-speed parallel transmission is possible, and more data can be transmitted simultaneously than in the past.
[0088]
Further, when the surface emitting semiconductor laser device according to the present invention is used in an optical communication system, a low-cost and highly reliable optical transmission module can be realized, and a low-cost and high-reliability optical communication system using the same can be realized. realizable. Further, the surface emitting semiconductor laser device using GaInNAs has a good temperature characteristic and a low threshold value, so that a system which generates little heat and can be used without cooling to a high temperature can be realized.
[0089]
In the fifth embodiment, the surface emitting semiconductor laser device and the optical fiber are in one-to-one correspondence, but a plurality of surface emitting semiconductor laser devices having different oscillation wavelengths are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array. Then, by performing wavelength multiplex transmission, it is possible to further increase the transmission speed.
[0090]
(Sixth embodiment)
FIG. 7 is a diagram showing an optical transceiver module according to a sixth embodiment of the present invention. The optical transceiver module according to the sixth embodiment includes a surface-emitting type semiconductor laser device according to the second embodiment, It is a combination of a diode and an optical fiber.
[0091]
When the surface emitting semiconductor laser device according to the present invention is used in an optical communication system, the surface emitting semiconductor laser device is inexpensive. Therefore, as shown in FIG. 7, the surface emitting semiconductor laser device for transmission (1.3 μm) is used. A low-cost and highly reliable optical communication system can be realized by combining a band GaInNAs surface emitting semiconductor laser device), a receiving photodiode, and an optical fiber. In addition, the surface emitting semiconductor laser device using GaInNAs according to the present invention has good temperature characteristics, low operating voltage, and low threshold value. A system that can be used at lower cost can be realized.
[0092]
Further, when a fluorine-doped POF (plastic fiber), which has low loss in a long wavelength band such as 1.3 μm, and a surface emitting semiconductor laser using GaInNAs as an active layer are combined, the cost of the fiber is reduced, Since the diameter is large and coupling with the fiber is easy and the mounting cost can be reduced, an extremely low-cost module can be realized.
[0093]
The optical communication system using the surface emitting semiconductor laser device of the present invention can be used not only for long-distance communication using an optical fiber, but also for transmission between devices such as a computer such as a LAN (Local Area Network). Can be used for short-distance communication as optical interconnection such as data transmission between boards, between LSIs in a board, between elements in an LSI, and the like.
[0094]
In recent years, processing performance of LSIs and the like has been improved, but the transmission speed of a portion connecting these components will become a bottleneck in the future. When the signal connection in the system is changed from the conventional electrical connection to the optical interconnect (for example, between the boards of the computer system, between the LSIs in the board, between the elements in the LSI, etc., the optical transmission module or the optical transmission / reception module according to the present invention is used). ), An ultra-high-speed computer system is possible.
[0095]
Further, when a plurality of computer systems and the like 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 significantly lower in power consumption than an edge-emitting type laser and can be easily formed into a two-dimensional array, so that it is suitable for a parallel transmission type optical communication system.
[0096]
As described above, according to the GaInNAs-based material or the GaAsSb-based material, which is a semiconductor layer containing nitrogen, Al (Ga) As / has a proven track record in a 0.85 μm band surface emitting semiconductor laser device using a GaAs substrate. A (Al) GaAs-based semiconductor multilayer film distributed Bragg reflector or a structure in which the current is narrowed by selective oxidation of AlAs can be applied. By adopting the present invention, a long-wavelength such as a 1.3 μm band having a practical level of high performance can be obtained. A band-emission semiconductor laser device can be realized, and if these devices are used, a low-cost optical communication system such as an optical fiber communication system and an optical interconnection system that does not require a cooling device can be realized.
[0097]
【The invention's effect】
As described above, according to the first to third aspects of the present invention, a quantum well active layer simultaneously containing nitrogen (N) having a compressive strain with respect to a GaAs substrate and another group V element is provided. In a semiconductor light emitting device having an active layer composed of a barrier layer formed therearound, the barrier layer is a group III-V mixed crystal semiconductor containing phosphorus (P) and antimony (Sb) at the same time (that is, compressed). In a structure using a strained GaInNAs-based quantum well active layer, a material in which at least P and Sb are simultaneously added to GaAs is used as a barrier layer), so that conduction band discontinuity is reduced so that electron overflow becomes a problem. And a strain-compensated quantum well active layer structure can be obtained which does not cause valence band discontinuity to be so large as to hinder hole injection. Yoshido is improved, the temperature characteristics operates to good high temperature, and it is possible to provide a highly reliable semiconductor light-emitting device.
[0098]
In particular, according to the second aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device according to the first aspect, the barrier layer also contains nitrogen (N) at the same time, and the addition of nitrogen (N) mainly reduces the conduction band energy. The lowering is preferable because the conduction band discontinuity can be controlled almost independently of P and Sb, and it is possible to compensate for the increase in the conduction band energy due to the addition of P to increase the quantum level and shorten the wavelength. Therefore, it is possible to provide a highly reliable semiconductor light emitting device with improved design flexibility, good temperature characteristics, operation at high temperatures, and high reliability. Further, it is difficult to control the switching of the N source material by the MOCVD method or the MBE method. However, if the barrier layer has a structure in which N is added, there is no need to turn on and off the supply of the N material at this interface. It becomes easy to control and obtain a suitable interface.
[0099]
According to the fourth and fifth aspects of the present invention, the quantum well active layer simultaneously contains Ga, As, and Sb having a compressive strain with respect to the GaAs substrate, and the barrier layer formed around the quantum well active layer. In a semiconductor light emitting device having an active layer, the barrier layer is a group III-V mixed crystal semiconductor containing phosphorus (P) and antimony (Sb) simultaneously, and the barrier layer containing P and Sb is GaAsSb-based compressive strain. It is effective even when a quantum well active layer is used. The addition of P to GaAs has the effect of increasing the conduction band discontinuity, and the addition of Sb has the effect of reducing the valence band discontinuity, and furthermore, it is preferable because it compensates for the mutual change in the lattice constant. As a result, compared to the case of using a GaAs barrier layer, a junction capable of increasing the conduction band discontinuity and reducing the valence band discontinuity becomes possible, reducing the overflow of electrons, and improving the hole injection efficiency. Since the temperature can be improved, a semiconductor light emitting element having good temperature characteristics and a small threshold current can be provided.
[0100]
According to a sixth aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device according to any one of the first to fifth aspects, the quantum well active layer is a multiple quantum well active layer. The effective mass of holes is larger than the effective mass of electrons, and the uniformity of hole injection depends sensitively on the barrier height. Therefore, when the valence band discontinuity becomes large, it becomes particularly difficult to uniformly inject holes into each well layer of the multiple quantum well structure, which adversely affects device characteristics such as an increase in threshold current. Would. When P and / or N is added to GaAs to form a material having a smaller lattice constant than GaAs, the valence band discontinuity with the GaInNAs-based quantum well active layer becomes larger than that of the GaAs barrier layer. . The addition of In has the effect of reducing the valence band discontinuity with the GaInNAs-based quantum well active layer, but the effect is slight. A sufficient effect can be obtained by adding Sb to the barrier layer as in the present invention. Also, in the case of a GaAsSb-based quantum well active layer, by adding Sb to the barrier layer, valence band discontinuity can be reduced as compared with the GaAs barrier layer, and hole injection into each well layer becomes uniform. The threshold decreases.
[0101]
According to a seventh aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device according to any one of the first to sixth aspects, the semiconductor light emitting device is a surface emitting semiconductor laser, and the surface emitting semiconductor laser is Compared to edge emitting semiconductor lasers, it is suitable for lower cost, lower power consumption, smaller size, and two-dimensional integration. Here, since the GaInNAs-based material or the GaAsSb-based material is used for the active layer, it is possible to cope with 1.3 μm band and 1.55 μm band wavelengths in which the transmission loss of the silica fiber is small and the matching is good. Also, the surface emitting semiconductor laser requires a large active layer gain because the cavity length is extremely short and the gain region is small as compared with the edge emitting laser. In order to improve the characteristics of the device, it is necessary to increase the gain by increasing the number of quantum well active layers. Since the strain compensation layer that controls the band discontinuity of the conduction band and the valence band is provided as in the present invention, it is possible to multiplex well layers, operate with a low threshold current, and have a high output, A surface emitting semiconductor laser having good temperature characteristics can be realized. Note that the formation by the MOCVD method is preferable because the resistance of the semiconductor distributed Bragg reflector of the surface emitting semiconductor laser can be reduced, so that low voltage driving is possible. As a result, it is possible to increase the capacity of the optical network and the optical wiring at low cost without worrying about the distance.
[0102]
According to the eighth aspect of the present invention, since the optical transmission module uses the surface emitting semiconductor laser device according to the seventh aspect as a light source, a low-cost optical transmission module that does not require a cooling element can be realized. Can be.
[0103]
According to the ninth aspect of the present invention, an optical transceiver module using the surface emitting semiconductor laser device according to the seventh aspect as a light source can realize a low-cost optical transceiver module that does not require a cooling element. Can be.
[0104]
According to the tenth aspect of the present invention, there is provided an optical communication system using the surface-emitting type semiconductor laser device according to the seventh aspect as a light source. An optical communication system such as a system can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the nitrogen composition dependency of a threshold current density experimentally obtained by the inventor of the present application.
FIG. 2 is a diagram showing a semiconductor light emitting device of a first embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing a semiconductor light emitting device of a second embodiment.
FIG. 4 is a diagram showing a semiconductor light emitting device of a third embodiment.
FIG. 5 is a diagram illustrating a surface emitting laser array according to a fourth embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating an optical transmission module according to a fifth embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating an optical transceiver module according to a sixth embodiment.

Claims (10)

GaAs基板に対して圧縮歪を持つ窒素(N)と他のV族元素を同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層とからなる活性層を有する半導体発光素子において、前記障壁層は、燐(P)とアンチモン(Sb)を同時に含むIII−V族混晶半導体であることを特徴とする半導体発光素子。A semiconductor light emitting device having an active layer including a quantum well active layer simultaneously containing nitrogen (N) having a compressive strain with respect to a GaAs substrate and another group V element and a barrier layer formed therearound. A semiconductor light emitting device, wherein the layer is a group III-V mixed crystal semiconductor containing phosphorus (P) and antimony (Sb) simultaneously. 請求項1記載の半導体発光素子において、前記障壁層には、同時に窒素(N)も含まれていることを特徴とする半導体発光素子。2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein said barrier layer also contains nitrogen (N). 請求項1記載の半導体発光素子において、前記障壁層は、GaNPAsSb、GaPAsSb、GaInNPAsSb、または、GaInPAsSbであることを特徴とする半導体発光素子。2. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein said barrier layer is GaNPAsSb, GaPAsSb, GaInNPAsSb, or GaInPAsSb. GaAs基板に対して圧縮歪を持つGa,As,Sbを同時に含んだ量子井戸活性層とその周囲に形成された障壁層とからなる活性層を有する半導体発光素子において、前記障壁層は、燐(P)とアンチモン(Sb)を同時に含むIII−V族混晶半導体であることを特徴とする半導体発光素子。In a semiconductor light emitting device having an active layer including a quantum well active layer simultaneously containing Ga, As, and Sb having a compressive strain with respect to a GaAs substrate and a barrier layer formed around the active layer, the barrier layer is formed of phosphorus ( A semiconductor light emitting device comprising a group III-V mixed crystal semiconductor containing both P) and antimony (Sb). 請求項4記載の半導体発光素子において、前記障壁層は、GaPAsSb、AlGaPAsSb、GaInPAsSb、または、AlGaInPAsSbであることを特徴とする半導体発光素子。5. The semiconductor light emitting device according to claim 4, wherein said barrier layer is GaPAsSb, AlGaPAsSb, GaInPAsSb, or AlGaInPAsSb. 請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、前記量子井戸活性層は、多重量子井戸活性層であることを特徴とする半導体発光素子。6. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the quantum well active layer is a multiple quantum well active layer. 請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の半導体発光素子において、該半導体発光素子は、面発光型半導体レーザであることを特徴とする半導体発光素子。7. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the semiconductor light emitting device is a surface emitting semiconductor laser. 請求項7記載の半導体発光素子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。An optical transmission module, wherein the semiconductor light emitting device according to claim 7 is used as a light source. 請求項7記載の半導体発光素子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。An optical transceiver module, wherein the semiconductor light emitting device according to claim 7 is used as a light source. 請求項7記載の半導体発光素子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。An optical communication system, wherein the semiconductor light emitting device according to claim 7 is used as a light source.
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