JP3627899B2 - 面発光型半導体レーザとそれを用いた光通信モジュールおよび並列情報処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流狭窄層を有する面発光型半導体レーザに係わり、特に、その製作工程における電流狭窄層の選択酸化作業の効率化を図るのに好適な面発光型半導体レーザとそれを用いた光通信モジュールおよび並列情報処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
面発光型の半導体レーザは、半導体基板の表面から垂直な方向にレーザ光を放射するので、２次元集積化に適しており、例えば、光ファイバとの結合や、ウエハ単位の素子検査が容易であるといった優れた特徴を有している。
一般に、面発光型半導体レーザは、光を発生する活性層と、当該活性層を上下に挟んで配置された上部および下部の反射鏡とからなる光共振器をもって形成されている。面発光型半導体レーザの光共振器の長さは著しく短く、レーザ発振を起こすためには上下の反射鏡の反射率を極めて高い値（９９％以上）に設定することが必要である。
【０００３】
面発光型半導体レーザでは、２種類の屈折率の異なる半導体を４分の１波長の周期で交互に積み重ねることにより形成した多層膜反射鏡が主として使用されている。多層膜反射鏡に用いられる２種類の半導体材料には、少ない積層数で高反射率を得るために、両者の屈折率差ができるだけ大きいことが望まれる。また、材料が半導体結晶の場合、格子不整合転位の抑制のため、半導体基板材料と格子整合していることが好ましい。
現在、半導体基板材料としてガリウム砒素（ＧａＡｓ）が、また、低屈折率半導体層にアルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）、そして、高屈折率半導体層としてＧａＡｓを用いることが、上記条件を満たす最も良好な組み合わせであり、最も広く用いられている。
【０００４】
このような面発光型半導体レーザを大規模な２次元並列レーザアレイ等に応用していくには、消費電力の低減が必須である。そのためにはレーザ発振が開始する電流（しきい値電流）の低減が必要である。そして、この面発光型半導体レーザのしきい値電流は活性層の体積に比例するので、いかに微小な領域に電流を狭窄できるかが、低しきい値電流化への鍵となっている。
しかし、従来の一般的な半導体作製プロセスを利用した微細加工技術では、素子直径１０μｍ以下の領域において素子側面での光損失の影響が大きくなり、しきい値電流の低減は限界に達していることがわかってきた。
【０００５】
このような問題に対処する従来技術として、「エレクトロニクス レター １９９４年 第３１巻」の第１９４６頁に記載のものがある。そこでは、面発光型半導体レーザ構造にＡｌＡｓ層を導入し、素子分離後にＡｌＡｓ層を素子側面部から選択的に酸化し、ＡｌｘＯｙ絶縁層に変化させることで、中央に残った微小なＡｌＡｓ領域に電流を狭窄し、低しきい値電流でのレーザ発振に成功したことが報告されている。このＡｌＡｓ層は電流狭窄層と呼ばれる。
【０００６】
この選択酸化技術を応用して、活性層にガリウムインジウム砒素（ＧａＩｎＡｓ）／ＧａＡｓを用いた面発光型半導体レーザにおいて、１０〜２０μＡという非常に低いしきい値電流でのレーザ発振が報告されている。
ＡｌＡｓ層、あるいは微小なＧａ組成（Ｇａ組成比１０％以下）を有するＡｌＧａＡｓ層の選択酸化による電流狭窄は、面発光型半導体レーザの低しきい値電流化に向けて最も有望な技術であり、これにより面発光型半導体レーザのしきい値電流をｎＡ台に低減することが期待されている。
【０００７】
このような選択酸化構造を有する面発光型半導体レーザ素子の作製は、通常、以下のような工程で行われている。
最初に、上部反射鏡を形成するために、その周囲の部分をＡｌＡｓ電流狭窄層直上のＧａＡｓ層までエッチングする。次に、ＳｉＯ２マスクにより上部反射鏡側面を保護し、ＡｌＡｓ電流狭窄層下まで再エッチングして素子分離する。続いて選択酸化を行い、最後にＳｉＯ２マスクを除去する。ここで、上部反射鏡をＳｉＯ２マスクにより保護するのは、上部反射鏡の低屈折率半導体層に用いられているＡｌＡｓ層の酸化による特性劣化を抑制するためである。
【０００８】
本工程の最初のエッチングは、ＡｌＡｓ電流狭窄層直上のＧａＡｓ層で正確に停止させなければならない。これは、エッチング深さ数μｍに対し、±０．０５μｍ以内という非常に高いエッチング精度を必要とする。そのため、素子の歩留まりが低くなるという問題があった。
その対策として、上記ＧａＡｓ層を厚めに設計すれば良いと考えられる。しかし、その場合には、光学的設計が最適値からずれ、良好な素子特性が期待できなくなる。そこで、基本的素子構造を変化させることなく、歩留まり良く電流狭窄層のみを酸化させる手法が強く求められている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、従来の技術では、電流狭窄層（ＡｌＡｓ）の選択酸化を効率的に行なうことができない点である。
本発明の目的は、これら従来技術の課題を解決し、生産工程における歩留まりの向上が可能な面発光型半導体レーザとそれを用いた光通信モジュールおよび並列情報処理装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の面発光型半導体レーザは、低いしきい値電流でのレーザ発振を可能とするために電流狭窄層（ＡｌＡｓ）を設けた面発光型半導体レーザにおいて、反射鏡を構成する低屈折率半導体層に、アルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）やガリウムインジウム燐（ＧａＩｎＰ）、および、それらの混晶半導体であるアルミニウムガリウムインジウム燐（ＡｌＧａＩｎＰ）などの、燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたことを特徴とする。
【００１１】
これらの燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、電流狭窄層を構成するアルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）や微小なガリウム組成を有するアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）に比べて酸化されにくいので、電流狭窄層の選択酸化時において、従来のように低屈折率半導体層をＳｉＯ２で保護する必要がなくなる。そして、このように、低屈折率半導体層のＳｉＯ２での保護が不要となるので、電流狭窄層の選択酸化のためのエッチングは、ＡｌＡｓ電流狭窄層直上のＧａＡｓ層までといった高精度で行なう必要がなく、ＡｌＡｓ電流狭窄層下を超えて、例えば下部の反射鏡まで行なっても良くなり、生産効率を向上させることができる。
【００１２】
また、このような生産効率の良い面発光型半導体レーザを用いて、光通信モジュールおよび並列情報処理装置を構成することにより、光通信モジュールおよび並列情報処理装置の信頼性の向上と低コスト化を図ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を、図面により詳細に説明する。
図１は、本発明の面発光型半導体レーザの本発明に係る構成の第１の実施例を示す断面図である。
本図１において、１はガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなる半導体基板、２ａは上部半導体多層膜反射鏡、２は下部半導体多層膜反射鏡、３は障壁層、４は井戸層、５は電流狭窄層、６はＡｌｘＯｙ絶縁層、７はスペーサ層、８はコンタクト層、９は表面電極、１０はＳｉＯ２保護層、１１はポリイミド、そして、１２は裏面電極である。
【００１４】
二つの障壁層３とその間の井戸層４とにより、光を発生する活性層が構成される。そして、この活性層を上部半導体多層膜反射鏡２ａと下部半導体多層膜反射鏡２で挟んで共振器を構成し、活性層の光からレーザ光を得る。
上部半導体多層膜反射鏡２ａと下部半導体多層膜反射鏡２は、低屈折率半導体層と高屈折率半導体層を交互に積層した半導体多層膜をもって構成される。
電流狭窄層５は、アルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）、あるいは、例えばＧａ組成比１０％以下の微小なガリウム組成を有するアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）からなる。
【００１５】
このように、本例の面発光型半導体レーザは、半導体基板１上に、共振器を構成する下部半導体多層膜反射鏡２および上部半導体多層膜反射鏡２ａ、活性層を構成する障害層３および井戸層４、電流狭窄層５等を有し、半導体基板１側から半導体基板１面に垂直にレーザ光を放射する。
特に、本例の面発光型半導体レーザの上部半導体多層膜反射鏡２ａと下部半導体多層膜反射鏡２は、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）あるいはアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）からなる高屈折率半導体層と、燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる低屈折率半導体層から構成される半導体多層膜構造となっている。
【００１６】
この低屈折率半導体層に用いられる燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の材料としては、アルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）やガリウムインジウム燐（ＧａＩｎＰ）、あるいは、それらの混晶半導体であるアルミニウムガリウムインジウム燐（ＡｌＧａＩｎＰ）等が適する。また、その燐（Ｐ）の分率は４８〜５１％が適している。さらに、それらの半導体の混晶組成比は、格子不整合転位の抑制のため半導体基板１の材料と格子整合するよう、そして、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）との屈折率差を大きくするため禁制帯幅が、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）よりもできるだけ大きくなるように選ぶのが好ましい。
【００１７】
以下、このような面発光型半導体レーザの詳細を説明する。
具体的には、１．３μｍ帯トップ電極型面発光型半導体レーザとしての構造およびその作製について説明する。
活性層はガリウムインジウム窒素砒素（Ｇａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１Ａｓ０．９９）／ＧａＡｓ単一量子井戸構造とした。
本素子構造の作製には、精密な膜厚制御や材料の瞬時の切り替えが必要であること、また、ガリウムインジウム窒素砒素（Ｇａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１Ａｓ０．９９）における窒素（Ｎ）の導入には、非平衡状態での成長法が適しているという点で、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法や有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等が適している。ここでは成長方法をガスソースＭＢＥ（ＧＳ−ＭＢＥ）法とする。
【００１８】
本例では、ＩＩＩ族元素の供給源として、金属ガリウム（Ｇａ）、金属インジウム（Ｉｎ）、金属アルミニウム（Ａｌ）を用い、また、Ｖ族元素の供給源として、砒素（Ａｓ）に関してはアルシン（ＡｓＨ３）、燐（Ｐ）に関してはフォスフィン（ＰＨ３）を用いる。また、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）、ｐ型不純物として四臭化炭素（ＣＢｒ４）を用いる。尚、ｐ型不純物としてベリリウム（Ｂｅ）を用いても良い。窒素（Ｎ）についてはＮ２ガスをＲＦプラズマ励起したＮラジカルを使用する。また、窒素プラズマの励起は、その他にＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：電子サイクロトロン共鳴）プラズマを用いても行うことができる。
【００１９】
作製する半導体基板１はｎ型のガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板（ｎ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ〓３）を用いる。
そして、ＡｓＨ３供給下のＡｓ雰囲気において、半導体基板１を昇温した後、半導体基板１上に、下部半導体多層膜反射鏡２として、ｎ型Ａｌ０．５３Ｉｎ０．４７Ｐ／ｎ型ＧａＡｓ（ｎ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ〓３）を２５周期積層する。その膜厚は、それぞれ半導体中で１／４波長厚になるようにする。
【００２０】
その後、ノンドープＧａＡｓ障壁層３を成長し、次に、ＮラジカルとＡｓＨ３を供給しながらＧａとＩｎを供給し、膜厚７ｎｍのノンドープＧａ０．３Ｉｎ０．７Ｎ０．０１Ａｓ０．９９井戸層４を形成する。
続いて、Ｎラジカルの供給を止め、ノンドープＧａＡｓ障壁層３、ｐ型ＡｌＡｓ電流狭窄層５（ｐ型不純物濃度＝５×１０１７ｃｍ〓３）の順に形成する。
ここで、井戸層４および障壁層３からなる量子井戸活性層と電流狭窄層５の厚みをそれぞれ１波長および４分の１波長とする。
【００２１】
次に、１／４波長厚のｐ型ＧａＡｓスペーサ層７（ｐ型不純物濃度＝５×１０１７ｃｍ〓３）を形成した後、上部半導体多層膜反射鏡２ａとして、ｐ型Ａｌ０．５３Ｉｎ０．４７Ｐ／ｐ型ＧａＡｓ（ｐ型不純物濃度＝５×１０１７ｃｍ〓３）により１５周期積層スル。その膜厚は、それぞれ半導体中で１／４波長厚になるようにする。
そして、最後にｐ型ＧａＡｓコンタクト層８（ｐ型不純物濃度＝５×１０１９ｃｍ〓３）を成長させる。
【００２２】
このようにして作製した膜に、次の図２に示す工程を施して面発光型半導体レーザを作製する。
図２は、図１における面発光型半導体レーザの本発明に係わる作製工程例を示す説明図である。
結晶成長の後、まず最初に、二酸化珪素（ＳｉＯ２）マスクにより、活性層直下まで、すなわち下部半導体多層膜反射鏡２までメサエッチングを行う。
【００２３】
このときのエッチングは活性層下まで到達すればよく、その深さ方向の精度はほとんど要求されない。
また、ウエットエッチングによる素子作製の場合には、例えば、エッチング液として、臭化水素（ＨＢｒ）：過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）：水（Ｈ２Ｏ）を混合した液を用いれば、ＧａＡｓ層も、また、燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層も同時にエッチングすることが可能である。あるいは、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＥ）法のようなドライエッチングを用いることも可能である。
【００２４】
次に、このようにして形成されたメサ構造に、選択酸化を行う。この選択酸化工程により、ＡｌＡｓ層からなる電流狭窄層５は、側面部分がＡｌｘＯｙ絶縁層６に変化する。このとき、上部半導体多層膜反射鏡２ａおよび下部半導体多層膜反射鏡２は、低屈折率半導体層にアルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）やガリウムインジウム燐（ＧａＩｎＰ）、あるいは、それらの混晶半導体であるアルミニウムガリウムインジウム燐（ＡｌＧａＩｎＰ）などの、燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いており、ＧａＡｓ層と同様にほとんど酸化の影響を受けない。
【００２５】
その後、通常の面発光型半導体レーザの作製工程と同様に、ＳｉＯ２保護層１０、ポリイミド１１の順に形成する。
そして、ポリイミド１１を、ＲＩＥ法等により、上部半導体多層膜反射鏡２ａの上部のＳｉＯ２が露出するまでエッチングして平坦化する。
最後に、ＳｉＯ２マスクを除去して、ｐ側表面電極９およびｎ側裏面電極１２を形成し、素子として完成させる。
【００２６】
このように、本例の面発光型半導体レーザでは、上部半導体多層膜反射鏡２ａおよび下部半導体多層膜反射鏡２の低屈折率半導体層に、アルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）やガリウムインジウム燐（ＧａＩｎＰ）、あるいは、それらの混晶半導体であるアルミニウムガリウムインジウム燐（ＡｌＧａＩｎＰ）などの、燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いることにより、電流狭窄層５に対する選択酸化処理による酸化の影響を回避することができるので、１回のメサエッチングのみの簡単な作製工程で、かつ、選択酸化工程での歩留まり低下の少ない素子作製が可能となる。
【００２７】
実際に作製した素子では、電流が流れるＡｌＡｓ電流狭窄層５の未酸化の領域が直径約５μｍの場合に、閾値電流が０．１ｍＡで、室温において連続発振した。その発振波長は１．３μｍであった。
この波長は、光ファイバ通信で用いられる波長帯と一致する。よって、本単体の素子を光ファイバ通信システムの光源として用いることができる。
例えば、本例の面発光型半導体レーザを２次元に集積してアレイ素子とし、このアレイ素子を用いて光通信を行なうモジュールを形成することが可能である。また、その光通信モジュールを用いてコンピュータ間を結び、並列情報処理装置を構成することが可能である。
【００２８】
また、本例の面発光型半導体レーザにおいては、活性領域における量子井戸層として、ガリウムインジウム砒素（ＧａＩｎＡｓ）、あるいはガリウムインジウム窒素砒素（ＧａＩｎＮＡｓ）等の、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板上にスードモルフィックに形成可能な材料を用いることができる。ここでいうスードモルフィックとは、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板との格子不整合転位の発生を抑制可能な程度の薄い膜厚の場合を意味する。
また、本例の面発光型半導体レーザの半導体多層膜反射鏡（上部半導体多層膜反射鏡２ａおよび下部半導体多層膜反射鏡２）は、半導体基板１上に安定して結晶成長させることが可能であるため、化学線エピタキシ法、分子線エピタキシ法または有機金属気相エピタキシ法のいずれの手法を用いても作製することができる。
【００２９】
尚、面発光型半導体レーザにおいて、低屈折率半導体層にアルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）を用いることに関しては、例えば、特開平６−１３２６０５号公報や特開平９−２３７９４２号公報などに記載されている。しかし、これらの技術においては、少ない積層数で高反射率を得ることを目的として、単に、低屈折率半導体層にアルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）を、高屈折率半導体層にインジウムガリウム砒素燐（ＩｎＧａＡｓＰ）またはガリウムインジウム窒素砒素（ＧａＩｎＮＡｓ）を用いたものである。
【００３０】
そのため、特開平６−１３２６０５号公報および特開平９−２３７９４２号公報においては、アルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）などの燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、電流狭窄層を構成するアルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）や微小なガリウム組成を有するアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）に比べて酸化されにくいとの言及はなされていない。すなわち、本例のように、電流狭窄層の選択酸化時に、従来、要求された非常に高いエッチング精度を不要とするために利用することに関しての考慮は全くなされていない。
【００３１】
図３は、本発明の面発光型半導体レーザの本発明に係る構成の第２の実施例を示す断面図である。
本例は、０．９８μｍ帯リング状電極型面発光型半導体レーザを示している。
本リング状電極型面発光型半導体レーザにおいては、電流狭窄層５は、障壁層３と井戸層４からなる活性層の下部に配置される。活性層はＧａ０．９Ｉｎ０．１Ａｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸構造である。
【００３２】
本素子構造の面発光型半導体レーザの作製にはＭＯＣＶＤ法を用いる。
また、本例では、ＩＩＩ族元素であるガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）の供給源として、それぞれ有機金属のトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、そしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、また、Ｖ族元素の供給源として、アルシン（ＡｓＨ３）、フォスフィン（ＰＨ３）を用いる。
また、ｎ型不純物としてシラン（ＳｉＨ４）、ｐ型不純物としてジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いる。
【００３３】
作製する半導体基板１はｎ型のガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板（ｎ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ〓３）を用いる。
そして、ＡｓＨ３供給下のＡｓ雰囲気において、半導体基板１を昇温した後、基板上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ／ｎ型ＧａＡｓ（ｎ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ〓３）による下部の多層膜反射鏡（下部半導体多層膜反射鏡２）を２５周期積層する。その膜厚は、それぞれ半導体中で１／４波長厚になるようにする。
【００３４】
次に、ノンドープＧａＡｓスペーサ層７を形成し、続いて、ｐ型ＡｌＡｓ電流狭窄層５（ｐ型不純物濃度＝５×１０１７ｃｍ〓３）、ノンドープＧａＡｓ障壁層３の順に形成する。そして、膜厚７ｎｍのノンドープＧａ０．８Ｉｎ０．２Ａｓ井戸層４、上部ノンドープＧａＡｓ障壁層３の順に形成する。ここで、電流狭窄層５と量子井戸活性層との厚みをそれぞれ４分の１波長および１波長とする。
その後、１／４波長厚のｐ型ＧａＡｓコンタクト層８（ｐ型不純物濃度＝２×１０１８ｃｍ〓３）を形成する。
【００３５】
このようにして作製した膜に、ＳｉＯ２およびレジストをマスクに用いたＲＩＥ法によるドライエッチングと、Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏを混合した液を用いたウエットエッチングとを組み合わせて、下部の多層膜反射鏡（下部半導体多層膜反射鏡２）の上部までメサエッチングを施す。
続いて選択酸化を行う。ＡｌＡｓ電流狭窄層５は、この工程により側面部がＡｌｘＯｙ絶縁層６に変化する。このとき、下部の多層膜反射鏡（下部半導体多層膜反射鏡２）は全く酸化の影響を受けない。
【００３６】
その後は、ＳｉＯ２保護層１０、ポリイミド１１の順に形成する。
そして、ポリイミドをＲＩＥ法により、コンタクト層８までエッチングして平坦化し、メサ上部のＳｉＯ２マスクを除去した後、リング状のｐ側表面電極９を形成する。さらに、スパッタ蒸着法により誘電体多層膜反射鏡１３を形成し、最後に裏面電極１２ａを形成して、素子として完成する。
【００３７】
このようにして実際に試作した素子は、波長０．９８μｍで、室温にて連続発振した。
尚、本例では多層膜反射鏡の高屈折率半導体層としてガリウム砒素（ＧａＡｓ）を用いているが、Ａｌ組成比が低いアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）を用いても同様の効果が得られる。また、電流狭窄層５がアルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）であるが、例えばＧａ組成比１０％以下等の微小なＧａ組成を有するアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）を用いても同様の効果が得られる。
【００３８】
図４は、図１における面発光型半導体レーザを用いた本発明の光通信モジュールの本発明に係わる構成例を示す斜視実体図である。
本例の光通信モジュールは、図１および図３で示した構成の面発光型半導体レーザ２１を４×４の２次元に並列集積化し、アレイ素子２２としたものである。そして、このアレイ素子２２と、入力信号（電気信号）に対応して各面発光型半導体レーザ２１の発光オンオフを制御する駆動回路２３と、１６本の光ファイバからなる光ファイバ束２４とを組み合わせ、入力された電気信号を光信号に変換して、光コネクタ２５から送出する光通信モジュールを形成したものである。
【００３９】
このような構成において、各面発光型半導体レーザ２１は２００Ｍｂ／秒の信号を生成する。従って、モジュール全体では２００Ｍｂ／秒×１６＝３．２Ｇｂ／秒の信号を伝送することができる。
また、面発光型半導体レーザ２１の作製は容易化されており、その信頼性の向上と低価格化が図られており、それを用いることにより、本例の光通信モジュールに関しても、その信頼性の向上と低価格化が可能である。
【００４０】
図５は、図４における光通信モジュールを用いた本発明の並列処理装置の本発明に係わる構成例を示す斜視実体図である。
本例の並列情報処理装置は、図４に示す光通信モジュールを６個用いてコンピュータ間を結び構成したものであり、それぞれ３個の光通信モジュール３１，３１ａと、二次元フォトダイオードアレイ等からなる３個の光受信モジュール３２，３２ａ、それぞれ光通信モジュール３１，３１ａを搭載した送信ボード３３，３３ａ、それぞれ光受信モジュール３２，３２ａを搭載した受信ボード３４，３４ａ、コンピュータ３５，３５ａ、および、コンピュータ３５，３５ａ間を接続する光ファイバ束３６からなる。
【００４１】
１つの光通信モジュール３１，３１ａでは、図４で説明したように３．２Ｇｂ／秒の信号を伝送することができるので、両コンピュータ３５，３５ａ間では、３．２Ｇｂ／秒×６＝１９．２Ｇｂ／秒の信号を伝送することができる。
【００４２】
以上、図を用いて説明したように、本実施例では、低しきい値電流でレーザ発振させるために、ＡｌＡｓ層、あるいは微小なＧａ組成（Ｇａ組成比１０％以下）を有するＡｌＧａＡｓ層からなる電流狭窄層の選択酸化を行なう面発光型半導体レーザにおいて、多層膜反射鏡に、ガリウム砒素あるいはアルミニウムガリウム砒素からなる高屈折率半導体層と、燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる低屈折率半導体層により構成される半導体多層膜構造を用いることにより、１回のエッチングのみで電流狭窄層の選択酸化が可能となり、素子作製工程を大幅に簡素化でき、素子作製工程における歩留まりを向上させることが可能である。
【００４３】
すなわち、本例では、低いしきい値電流でのレーザ発振を可能とすることを目的として電流狭窄層（ＡｌＡｓ）を設ける面発光型半導体レーザに係わる技術に、例えば、特開平６−１３２６０５号公報や特開平９−２３７９４２号公報などに記載のように、少ない積層数で高反射率を得ることを目的として低屈折率半導体層にアルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）を、高屈折率半導体層にインジウムガリウム砒素燐（ＩｎＧａＡｓＰ）またはガリウムインジウム窒素砒素（ＧａＩｎＮＡｓ）を用いる面発光型半導体レーザに係わる技術を組み合わせることにより、従来、電流狭窄層の選択酸化時に要求された非常に高いエッチング精度を不要とすることができる。
【００４４】
例えば、上記特開平６−１３２６０５号公報や特開平９−２３７９４２号公報等においては特に記載されていないが、アルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）などの燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、電流狭窄層を構成するアルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）や微小なガリウム組成を有するアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）に比べて酸化されにくい。このことに着目して、本例では、アルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）やガリウムインジウム燐（ＧａＩｎＰ）、および、それらの混晶半導体であるアルミニウムガリウムインジウム燐（ＡｌＧａＩｎＰ）などの燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を低屈折率半導体層に用いる。
【００４５】
このことにより、電流狭窄層の選択酸化時において、従来のように、低屈折率半導体層をＳｉＯ２で保護することを不要にすることができる。そして、このように、低屈折率半導体層のＳｉＯ２での保護が不要となるので、電流狭窄層の選択酸化のためのエッチングを、ＡｌＡｓ電流狭窄層直上のＧａＡｓ層までといった高精度なものではなく、ＡｌＡｓ電流狭窄層下を超えて、例えば下部の反射鏡まで行なっても良くなり、作製が容易となり、信頼性の向上と生産コストの低減化を図ることができ、生産効率を大幅に向上させることができる。
【００４６】
また、このような本例の面発光型半導体レーザは、光ファイバを伝送媒体とする光通信に適合した発振波長の活性層材料を用いることで、その光源として利用することが可能であり、複数の面発光型半導体レーザを２次元に集積してアレイ素子とし、このアレイ素子を用いて信頼性が高くかつ低コストな光通信モジュールを形成することができる。また、その光通信モジュールを用いてコンピュータ間を結び、高性能な並列情報処理装置を構成することが可能である。
【００４７】
尚、本発明は、図１〜図５を用いて説明した実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、図３で示した０．９８μｍ帯リング状電極型面発光型半導体レーザの例では、誘電体多層膜反射鏡１３に関しては特に記載しなかったが、この誘電体多層膜反射鏡１３は、電流狭窄層５の選択酸化工程の後に設けられるものであり、選択酸化の影響を受けないので、その材質は、下部の多層膜反射鏡（下部半導体多層膜反射鏡２）のように、低屈折率半導体層を、燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により構成することに限定されない。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、１回のエッチングのみで容易に電流狭窄層の選択酸化ができるので、面発光型半導体レーザの作製工程を効率化して歩留まりを向上させることができ、面発光型半導体レーザとそれを用いた光通信モジュールおよび並列情報処理装置の信頼性の向上およびコストの低減を図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の面発光型半導体レーザの本発明に係る構成の第１の実施例を示す断面図である。
【図２】図１における面発光型半導体レーザの本発明に係わる作製工程例を示す説明図である。
【図３】本発明の面発光型半導体レーザの本発明に係る構成の第２の実施例を示す断面図である。
【図４】図１における面発光型半導体レーザを用いた本発明の光通信モジュールの本発明に係わる構成例を示す斜視実体図である。
【図５】図４における光通信モジュールを用いた本発明の並列処理装置の本発明に係わる構成例を示す斜視実体図である。
【符号の説明】
１：半導体基板、２：上部半導体多層膜反射鏡、２ａ：下部半導体多層膜反射鏡、３：障壁層、４：井戸層、５：電流狭窄層、６：ＡｌｘＯｙ絶縁層、７：スペーサ層、８：コンタクト層、９：表面電極、１０：ＳｉＯ２保護層、１１：ポリイミド、１２，１２ａ：裏面電極、１３：上部誘電体多層膜反射鏡、２１：面発光型半導体レーザ、２２：レーザアレイ素子、２３：駆動回路、２４：光ファイバ束、２５：光コネクタ、３１，３１ａ：光通信モジュール、３２，３２ａ：光受信モジュール、３３，３３ａ：送信ボード、３４，３４ａ：受信ボード、３５，３５ａ：コンピュータ、３６：光ファイバ束。
【発明の属する技術分野】
本発明は、電流狭窄層を有する面発光型半導体レーザに係わり、特に、その製作工程における電流狭窄層の選択酸化作業の効率化を図るのに好適な面発光型半導体レーザとそれを用いた光通信モジュールおよび並列情報処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
面発光型の半導体レーザは、半導体基板の表面から垂直な方向にレーザ光を放射するので、２次元集積化に適しており、例えば、光ファイバとの結合や、ウエハ単位の素子検査が容易であるといった優れた特徴を有している。
一般に、面発光型半導体レーザは、光を発生する活性層と、当該活性層を上下に挟んで配置された上部および下部の反射鏡とからなる光共振器をもって形成されている。面発光型半導体レーザの光共振器の長さは著しく短く、レーザ発振を起こすためには上下の反射鏡の反射率を極めて高い値（９９％以上）に設定することが必要である。
【０００３】
面発光型半導体レーザでは、２種類の屈折率の異なる半導体を４分の１波長の周期で交互に積み重ねることにより形成した多層膜反射鏡が主として使用されている。多層膜反射鏡に用いられる２種類の半導体材料には、少ない積層数で高反射率を得るために、両者の屈折率差ができるだけ大きいことが望まれる。また、材料が半導体結晶の場合、格子不整合転位の抑制のため、半導体基板材料と格子整合していることが好ましい。
現在、半導体基板材料としてガリウム砒素（ＧａＡｓ）が、また、低屈折率半導体層にアルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）、そして、高屈折率半導体層としてＧａＡｓを用いることが、上記条件を満たす最も良好な組み合わせであり、最も広く用いられている。
【０００４】
このような面発光型半導体レーザを大規模な２次元並列レーザアレイ等に応用していくには、消費電力の低減が必須である。そのためにはレーザ発振が開始する電流（しきい値電流）の低減が必要である。そして、この面発光型半導体レーザのしきい値電流は活性層の体積に比例するので、いかに微小な領域に電流を狭窄できるかが、低しきい値電流化への鍵となっている。
しかし、従来の一般的な半導体作製プロセスを利用した微細加工技術では、素子直径１０μｍ以下の領域において素子側面での光損失の影響が大きくなり、しきい値電流の低減は限界に達していることがわかってきた。
【０００５】
このような問題に対処する従来技術として、「エレクトロニクス レター １９９４年 第３１巻」の第１９４６頁に記載のものがある。そこでは、面発光型半導体レーザ構造にＡｌＡｓ層を導入し、素子分離後にＡｌＡｓ層を素子側面部から選択的に酸化し、ＡｌｘＯｙ絶縁層に変化させることで、中央に残った微小なＡｌＡｓ領域に電流を狭窄し、低しきい値電流でのレーザ発振に成功したことが報告されている。このＡｌＡｓ層は電流狭窄層と呼ばれる。
【０００６】
この選択酸化技術を応用して、活性層にガリウムインジウム砒素（ＧａＩｎＡｓ）／ＧａＡｓを用いた面発光型半導体レーザにおいて、１０〜２０μＡという非常に低いしきい値電流でのレーザ発振が報告されている。
ＡｌＡｓ層、あるいは微小なＧａ組成（Ｇａ組成比１０％以下）を有するＡｌＧａＡｓ層の選択酸化による電流狭窄は、面発光型半導体レーザの低しきい値電流化に向けて最も有望な技術であり、これにより面発光型半導体レーザのしきい値電流をｎＡ台に低減することが期待されている。
【０００７】
このような選択酸化構造を有する面発光型半導体レーザ素子の作製は、通常、以下のような工程で行われている。
最初に、上部反射鏡を形成するために、その周囲の部分をＡｌＡｓ電流狭窄層直上のＧａＡｓ層までエッチングする。次に、ＳｉＯ２マスクにより上部反射鏡側面を保護し、ＡｌＡｓ電流狭窄層下まで再エッチングして素子分離する。続いて選択酸化を行い、最後にＳｉＯ２マスクを除去する。ここで、上部反射鏡をＳｉＯ２マスクにより保護するのは、上部反射鏡の低屈折率半導体層に用いられているＡｌＡｓ層の酸化による特性劣化を抑制するためである。
【０００８】
本工程の最初のエッチングは、ＡｌＡｓ電流狭窄層直上のＧａＡｓ層で正確に停止させなければならない。これは、エッチング深さ数μｍに対し、±０．０５μｍ以内という非常に高いエッチング精度を必要とする。そのため、素子の歩留まりが低くなるという問題があった。
その対策として、上記ＧａＡｓ層を厚めに設計すれば良いと考えられる。しかし、その場合には、光学的設計が最適値からずれ、良好な素子特性が期待できなくなる。そこで、基本的素子構造を変化させることなく、歩留まり良く電流狭窄層のみを酸化させる手法が強く求められている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、従来の技術では、電流狭窄層（ＡｌＡｓ）の選択酸化を効率的に行なうことができない点である。
本発明の目的は、これら従来技術の課題を解決し、生産工程における歩留まりの向上が可能な面発光型半導体レーザとそれを用いた光通信モジュールおよび並列情報処理装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の面発光型半導体レーザは、低いしきい値電流でのレーザ発振を可能とするために電流狭窄層（ＡｌＡｓ）を設けた面発光型半導体レーザにおいて、反射鏡を構成する低屈折率半導体層に、アルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）やガリウムインジウム燐（ＧａＩｎＰ）、および、それらの混晶半導体であるアルミニウムガリウムインジウム燐（ＡｌＧａＩｎＰ）などの、燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いたことを特徴とする。
【００１１】
これらの燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、電流狭窄層を構成するアルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）や微小なガリウム組成を有するアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）に比べて酸化されにくいので、電流狭窄層の選択酸化時において、従来のように低屈折率半導体層をＳｉＯ２で保護する必要がなくなる。そして、このように、低屈折率半導体層のＳｉＯ２での保護が不要となるので、電流狭窄層の選択酸化のためのエッチングは、ＡｌＡｓ電流狭窄層直上のＧａＡｓ層までといった高精度で行なう必要がなく、ＡｌＡｓ電流狭窄層下を超えて、例えば下部の反射鏡まで行なっても良くなり、生産効率を向上させることができる。
【００１２】
また、このような生産効率の良い面発光型半導体レーザを用いて、光通信モジュールおよび並列情報処理装置を構成することにより、光通信モジュールおよび並列情報処理装置の信頼性の向上と低コスト化を図ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を、図面により詳細に説明する。
図１は、本発明の面発光型半導体レーザの本発明に係る構成の第１の実施例を示す断面図である。
本図１において、１はガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなる半導体基板、２ａは上部半導体多層膜反射鏡、２は下部半導体多層膜反射鏡、３は障壁層、４は井戸層、５は電流狭窄層、６はＡｌｘＯｙ絶縁層、７はスペーサ層、８はコンタクト層、９は表面電極、１０はＳｉＯ２保護層、１１はポリイミド、そして、１２は裏面電極である。
【００１４】
二つの障壁層３とその間の井戸層４とにより、光を発生する活性層が構成される。そして、この活性層を上部半導体多層膜反射鏡２ａと下部半導体多層膜反射鏡２で挟んで共振器を構成し、活性層の光からレーザ光を得る。
上部半導体多層膜反射鏡２ａと下部半導体多層膜反射鏡２は、低屈折率半導体層と高屈折率半導体層を交互に積層した半導体多層膜をもって構成される。
電流狭窄層５は、アルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）、あるいは、例えばＧａ組成比１０％以下の微小なガリウム組成を有するアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）からなる。
【００１５】
このように、本例の面発光型半導体レーザは、半導体基板１上に、共振器を構成する下部半導体多層膜反射鏡２および上部半導体多層膜反射鏡２ａ、活性層を構成する障害層３および井戸層４、電流狭窄層５等を有し、半導体基板１側から半導体基板１面に垂直にレーザ光を放射する。
特に、本例の面発光型半導体レーザの上部半導体多層膜反射鏡２ａと下部半導体多層膜反射鏡２は、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）あるいはアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）からなる高屈折率半導体層と、燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる低屈折率半導体層から構成される半導体多層膜構造となっている。
【００１６】
この低屈折率半導体層に用いられる燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の材料としては、アルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）やガリウムインジウム燐（ＧａＩｎＰ）、あるいは、それらの混晶半導体であるアルミニウムガリウムインジウム燐（ＡｌＧａＩｎＰ）等が適する。また、その燐（Ｐ）の分率は４８〜５１％が適している。さらに、それらの半導体の混晶組成比は、格子不整合転位の抑制のため半導体基板１の材料と格子整合するよう、そして、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）との屈折率差を大きくするため禁制帯幅が、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）よりもできるだけ大きくなるように選ぶのが好ましい。
【００１７】
以下、このような面発光型半導体レーザの詳細を説明する。
具体的には、１．３μｍ帯トップ電極型面発光型半導体レーザとしての構造およびその作製について説明する。
活性層はガリウムインジウム窒素砒素（Ｇａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１Ａｓ０．９９）／ＧａＡｓ単一量子井戸構造とした。
本素子構造の作製には、精密な膜厚制御や材料の瞬時の切り替えが必要であること、また、ガリウムインジウム窒素砒素（Ｇａ０．７Ｉｎ０．３Ｎ０．０１Ａｓ０．９９）における窒素（Ｎ）の導入には、非平衡状態での成長法が適しているという点で、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法や有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等が適している。ここでは成長方法をガスソースＭＢＥ（ＧＳ−ＭＢＥ）法とする。
【００１８】
本例では、ＩＩＩ族元素の供給源として、金属ガリウム（Ｇａ）、金属インジウム（Ｉｎ）、金属アルミニウム（Ａｌ）を用い、また、Ｖ族元素の供給源として、砒素（Ａｓ）に関してはアルシン（ＡｓＨ３）、燐（Ｐ）に関してはフォスフィン（ＰＨ３）を用いる。また、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）、ｐ型不純物として四臭化炭素（ＣＢｒ４）を用いる。尚、ｐ型不純物としてベリリウム（Ｂｅ）を用いても良い。窒素（Ｎ）についてはＮ２ガスをＲＦプラズマ励起したＮラジカルを使用する。また、窒素プラズマの励起は、その他にＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：電子サイクロトロン共鳴）プラズマを用いても行うことができる。
【００１９】
作製する半導体基板１はｎ型のガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板（ｎ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ〓３）を用いる。
そして、ＡｓＨ３供給下のＡｓ雰囲気において、半導体基板１を昇温した後、半導体基板１上に、下部半導体多層膜反射鏡２として、ｎ型Ａｌ０．５３Ｉｎ０．４７Ｐ／ｎ型ＧａＡｓ（ｎ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ〓３）を２５周期積層する。その膜厚は、それぞれ半導体中で１／４波長厚になるようにする。
【００２０】
その後、ノンドープＧａＡｓ障壁層３を成長し、次に、ＮラジカルとＡｓＨ３を供給しながらＧａとＩｎを供給し、膜厚７ｎｍのノンドープＧａ０．３Ｉｎ０．７Ｎ０．０１Ａｓ０．９９井戸層４を形成する。
続いて、Ｎラジカルの供給を止め、ノンドープＧａＡｓ障壁層３、ｐ型ＡｌＡｓ電流狭窄層５（ｐ型不純物濃度＝５×１０１７ｃｍ〓３）の順に形成する。
ここで、井戸層４および障壁層３からなる量子井戸活性層と電流狭窄層５の厚みをそれぞれ１波長および４分の１波長とする。
【００２１】
次に、１／４波長厚のｐ型ＧａＡｓスペーサ層７（ｐ型不純物濃度＝５×１０１７ｃｍ〓３）を形成した後、上部半導体多層膜反射鏡２ａとして、ｐ型Ａｌ０．５３Ｉｎ０．４７Ｐ／ｐ型ＧａＡｓ（ｐ型不純物濃度＝５×１０１７ｃｍ〓３）により１５周期積層スル。その膜厚は、それぞれ半導体中で１／４波長厚になるようにする。
そして、最後にｐ型ＧａＡｓコンタクト層８（ｐ型不純物濃度＝５×１０１９ｃｍ〓３）を成長させる。
【００２２】
このようにして作製した膜に、次の図２に示す工程を施して面発光型半導体レーザを作製する。
図２は、図１における面発光型半導体レーザの本発明に係わる作製工程例を示す説明図である。
結晶成長の後、まず最初に、二酸化珪素（ＳｉＯ２）マスクにより、活性層直下まで、すなわち下部半導体多層膜反射鏡２までメサエッチングを行う。
【００２３】
このときのエッチングは活性層下まで到達すればよく、その深さ方向の精度はほとんど要求されない。
また、ウエットエッチングによる素子作製の場合には、例えば、エッチング液として、臭化水素（ＨＢｒ）：過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）：水（Ｈ２Ｏ）を混合した液を用いれば、ＧａＡｓ層も、また、燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層も同時にエッチングすることが可能である。あるいは、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＥ）法のようなドライエッチングを用いることも可能である。
【００２４】
次に、このようにして形成されたメサ構造に、選択酸化を行う。この選択酸化工程により、ＡｌＡｓ層からなる電流狭窄層５は、側面部分がＡｌｘＯｙ絶縁層６に変化する。このとき、上部半導体多層膜反射鏡２ａおよび下部半導体多層膜反射鏡２は、低屈折率半導体層にアルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）やガリウムインジウム燐（ＧａＩｎＰ）、あるいは、それらの混晶半導体であるアルミニウムガリウムインジウム燐（ＡｌＧａＩｎＰ）などの、燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いており、ＧａＡｓ層と同様にほとんど酸化の影響を受けない。
【００２５】
その後、通常の面発光型半導体レーザの作製工程と同様に、ＳｉＯ２保護層１０、ポリイミド１１の順に形成する。
そして、ポリイミド１１を、ＲＩＥ法等により、上部半導体多層膜反射鏡２ａの上部のＳｉＯ２が露出するまでエッチングして平坦化する。
最後に、ＳｉＯ２マスクを除去して、ｐ側表面電極９およびｎ側裏面電極１２を形成し、素子として完成させる。
【００２６】
このように、本例の面発光型半導体レーザでは、上部半導体多層膜反射鏡２ａおよび下部半導体多層膜反射鏡２の低屈折率半導体層に、アルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）やガリウムインジウム燐（ＧａＩｎＰ）、あるいは、それらの混晶半導体であるアルミニウムガリウムインジウム燐（ＡｌＧａＩｎＰ）などの、燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いることにより、電流狭窄層５に対する選択酸化処理による酸化の影響を回避することができるので、１回のメサエッチングのみの簡単な作製工程で、かつ、選択酸化工程での歩留まり低下の少ない素子作製が可能となる。
【００２７】
実際に作製した素子では、電流が流れるＡｌＡｓ電流狭窄層５の未酸化の領域が直径約５μｍの場合に、閾値電流が０．１ｍＡで、室温において連続発振した。その発振波長は１．３μｍであった。
この波長は、光ファイバ通信で用いられる波長帯と一致する。よって、本単体の素子を光ファイバ通信システムの光源として用いることができる。
例えば、本例の面発光型半導体レーザを２次元に集積してアレイ素子とし、このアレイ素子を用いて光通信を行なうモジュールを形成することが可能である。また、その光通信モジュールを用いてコンピュータ間を結び、並列情報処理装置を構成することが可能である。
【００２８】
また、本例の面発光型半導体レーザにおいては、活性領域における量子井戸層として、ガリウムインジウム砒素（ＧａＩｎＡｓ）、あるいはガリウムインジウム窒素砒素（ＧａＩｎＮＡｓ）等の、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板上にスードモルフィックに形成可能な材料を用いることができる。ここでいうスードモルフィックとは、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板との格子不整合転位の発生を抑制可能な程度の薄い膜厚の場合を意味する。
また、本例の面発光型半導体レーザの半導体多層膜反射鏡（上部半導体多層膜反射鏡２ａおよび下部半導体多層膜反射鏡２）は、半導体基板１上に安定して結晶成長させることが可能であるため、化学線エピタキシ法、分子線エピタキシ法または有機金属気相エピタキシ法のいずれの手法を用いても作製することができる。
【００２９】
尚、面発光型半導体レーザにおいて、低屈折率半導体層にアルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）を用いることに関しては、例えば、特開平６−１３２６０５号公報や特開平９−２３７９４２号公報などに記載されている。しかし、これらの技術においては、少ない積層数で高反射率を得ることを目的として、単に、低屈折率半導体層にアルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）を、高屈折率半導体層にインジウムガリウム砒素燐（ＩｎＧａＡｓＰ）またはガリウムインジウム窒素砒素（ＧａＩｎＮＡｓ）を用いたものである。
【００３０】
そのため、特開平６−１３２６０５号公報および特開平９−２３７９４２号公報においては、アルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）などの燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、電流狭窄層を構成するアルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）や微小なガリウム組成を有するアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）に比べて酸化されにくいとの言及はなされていない。すなわち、本例のように、電流狭窄層の選択酸化時に、従来、要求された非常に高いエッチング精度を不要とするために利用することに関しての考慮は全くなされていない。
【００３１】
図３は、本発明の面発光型半導体レーザの本発明に係る構成の第２の実施例を示す断面図である。
本例は、０．９８μｍ帯リング状電極型面発光型半導体レーザを示している。
本リング状電極型面発光型半導体レーザにおいては、電流狭窄層５は、障壁層３と井戸層４からなる活性層の下部に配置される。活性層はＧａ０．９Ｉｎ０．１Ａｓ／ＧａＡｓ歪量子井戸構造である。
【００３２】
本素子構造の面発光型半導体レーザの作製にはＭＯＣＶＤ法を用いる。
また、本例では、ＩＩＩ族元素であるガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）の供給源として、それぞれ有機金属のトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、そしてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用い、また、Ｖ族元素の供給源として、アルシン（ＡｓＨ３）、フォスフィン（ＰＨ３）を用いる。
また、ｎ型不純物としてシラン（ＳｉＨ４）、ｐ型不純物としてジエチルジンク（ＤＥＺｎ）を用いる。
【００３３】
作製する半導体基板１はｎ型のガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板（ｎ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ〓３）を用いる。
そして、ＡｓＨ３供給下のＡｓ雰囲気において、半導体基板１を昇温した後、基板上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ／ｎ型ＧａＡｓ（ｎ型不純物濃度＝１×１０１８ｃｍ〓３）による下部の多層膜反射鏡（下部半導体多層膜反射鏡２）を２５周期積層する。その膜厚は、それぞれ半導体中で１／４波長厚になるようにする。
【００３４】
次に、ノンドープＧａＡｓスペーサ層７を形成し、続いて、ｐ型ＡｌＡｓ電流狭窄層５（ｐ型不純物濃度＝５×１０１７ｃｍ〓３）、ノンドープＧａＡｓ障壁層３の順に形成する。そして、膜厚７ｎｍのノンドープＧａ０．８Ｉｎ０．２Ａｓ井戸層４、上部ノンドープＧａＡｓ障壁層３の順に形成する。ここで、電流狭窄層５と量子井戸活性層との厚みをそれぞれ４分の１波長および１波長とする。
その後、１／４波長厚のｐ型ＧａＡｓコンタクト層８（ｐ型不純物濃度＝２×１０１８ｃｍ〓３）を形成する。
【００３５】
このようにして作製した膜に、ＳｉＯ２およびレジストをマスクに用いたＲＩＥ法によるドライエッチングと、Ｈ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏを混合した液を用いたウエットエッチングとを組み合わせて、下部の多層膜反射鏡（下部半導体多層膜反射鏡２）の上部までメサエッチングを施す。
続いて選択酸化を行う。ＡｌＡｓ電流狭窄層５は、この工程により側面部がＡｌｘＯｙ絶縁層６に変化する。このとき、下部の多層膜反射鏡（下部半導体多層膜反射鏡２）は全く酸化の影響を受けない。
【００３６】
その後は、ＳｉＯ２保護層１０、ポリイミド１１の順に形成する。
そして、ポリイミドをＲＩＥ法により、コンタクト層８までエッチングして平坦化し、メサ上部のＳｉＯ２マスクを除去した後、リング状のｐ側表面電極９を形成する。さらに、スパッタ蒸着法により誘電体多層膜反射鏡１３を形成し、最後に裏面電極１２ａを形成して、素子として完成する。
【００３７】
このようにして実際に試作した素子は、波長０．９８μｍで、室温にて連続発振した。
尚、本例では多層膜反射鏡の高屈折率半導体層としてガリウム砒素（ＧａＡｓ）を用いているが、Ａｌ組成比が低いアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）を用いても同様の効果が得られる。また、電流狭窄層５がアルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）であるが、例えばＧａ組成比１０％以下等の微小なＧａ組成を有するアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）を用いても同様の効果が得られる。
【００３８】
図４は、図１における面発光型半導体レーザを用いた本発明の光通信モジュールの本発明に係わる構成例を示す斜視実体図である。
本例の光通信モジュールは、図１および図３で示した構成の面発光型半導体レーザ２１を４×４の２次元に並列集積化し、アレイ素子２２としたものである。そして、このアレイ素子２２と、入力信号（電気信号）に対応して各面発光型半導体レーザ２１の発光オンオフを制御する駆動回路２３と、１６本の光ファイバからなる光ファイバ束２４とを組み合わせ、入力された電気信号を光信号に変換して、光コネクタ２５から送出する光通信モジュールを形成したものである。
【００３９】
このような構成において、各面発光型半導体レーザ２１は２００Ｍｂ／秒の信号を生成する。従って、モジュール全体では２００Ｍｂ／秒×１６＝３．２Ｇｂ／秒の信号を伝送することができる。
また、面発光型半導体レーザ２１の作製は容易化されており、その信頼性の向上と低価格化が図られており、それを用いることにより、本例の光通信モジュールに関しても、その信頼性の向上と低価格化が可能である。
【００４０】
図５は、図４における光通信モジュールを用いた本発明の並列処理装置の本発明に係わる構成例を示す斜視実体図である。
本例の並列情報処理装置は、図４に示す光通信モジュールを６個用いてコンピュータ間を結び構成したものであり、それぞれ３個の光通信モジュール３１，３１ａと、二次元フォトダイオードアレイ等からなる３個の光受信モジュール３２，３２ａ、それぞれ光通信モジュール３１，３１ａを搭載した送信ボード３３，３３ａ、それぞれ光受信モジュール３２，３２ａを搭載した受信ボード３４，３４ａ、コンピュータ３５，３５ａ、および、コンピュータ３５，３５ａ間を接続する光ファイバ束３６からなる。
【００４１】
１つの光通信モジュール３１，３１ａでは、図４で説明したように３．２Ｇｂ／秒の信号を伝送することができるので、両コンピュータ３５，３５ａ間では、３．２Ｇｂ／秒×６＝１９．２Ｇｂ／秒の信号を伝送することができる。
【００４２】
以上、図を用いて説明したように、本実施例では、低しきい値電流でレーザ発振させるために、ＡｌＡｓ層、あるいは微小なＧａ組成（Ｇａ組成比１０％以下）を有するＡｌＧａＡｓ層からなる電流狭窄層の選択酸化を行なう面発光型半導体レーザにおいて、多層膜反射鏡に、ガリウム砒素あるいはアルミニウムガリウム砒素からなる高屈折率半導体層と、燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる低屈折率半導体層により構成される半導体多層膜構造を用いることにより、１回のエッチングのみで電流狭窄層の選択酸化が可能となり、素子作製工程を大幅に簡素化でき、素子作製工程における歩留まりを向上させることが可能である。
【００４３】
すなわち、本例では、低いしきい値電流でのレーザ発振を可能とすることを目的として電流狭窄層（ＡｌＡｓ）を設ける面発光型半導体レーザに係わる技術に、例えば、特開平６−１３２６０５号公報や特開平９−２３７９４２号公報などに記載のように、少ない積層数で高反射率を得ることを目的として低屈折率半導体層にアルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）を、高屈折率半導体層にインジウムガリウム砒素燐（ＩｎＧａＡｓＰ）またはガリウムインジウム窒素砒素（ＧａＩｎＮＡｓ）を用いる面発光型半導体レーザに係わる技術を組み合わせることにより、従来、電流狭窄層の選択酸化時に要求された非常に高いエッチング精度を不要とすることができる。
【００４４】
例えば、上記特開平６−１３２６０５号公報や特開平９−２３７９４２号公報等においては特に記載されていないが、アルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）などの燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、電流狭窄層を構成するアルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）や微小なガリウム組成を有するアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）に比べて酸化されにくい。このことに着目して、本例では、アルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）やガリウムインジウム燐（ＧａＩｎＰ）、および、それらの混晶半導体であるアルミニウムガリウムインジウム燐（ＡｌＧａＩｎＰ）などの燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を低屈折率半導体層に用いる。
【００４５】
このことにより、電流狭窄層の選択酸化時において、従来のように、低屈折率半導体層をＳｉＯ２で保護することを不要にすることができる。そして、このように、低屈折率半導体層のＳｉＯ２での保護が不要となるので、電流狭窄層の選択酸化のためのエッチングを、ＡｌＡｓ電流狭窄層直上のＧａＡｓ層までといった高精度なものではなく、ＡｌＡｓ電流狭窄層下を超えて、例えば下部の反射鏡まで行なっても良くなり、作製が容易となり、信頼性の向上と生産コストの低減化を図ることができ、生産効率を大幅に向上させることができる。
【００４６】
また、このような本例の面発光型半導体レーザは、光ファイバを伝送媒体とする光通信に適合した発振波長の活性層材料を用いることで、その光源として利用することが可能であり、複数の面発光型半導体レーザを２次元に集積してアレイ素子とし、このアレイ素子を用いて信頼性が高くかつ低コストな光通信モジュールを形成することができる。また、その光通信モジュールを用いてコンピュータ間を結び、高性能な並列情報処理装置を構成することが可能である。
【００４７】
尚、本発明は、図１〜図５を用いて説明した実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、図３で示した０．９８μｍ帯リング状電極型面発光型半導体レーザの例では、誘電体多層膜反射鏡１３に関しては特に記載しなかったが、この誘電体多層膜反射鏡１３は、電流狭窄層５の選択酸化工程の後に設けられるものであり、選択酸化の影響を受けないので、その材質は、下部の多層膜反射鏡（下部半導体多層膜反射鏡２）のように、低屈折率半導体層を、燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により構成することに限定されない。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、１回のエッチングのみで容易に電流狭窄層の選択酸化ができるので、面発光型半導体レーザの作製工程を効率化して歩留まりを向上させることができ、面発光型半導体レーザとそれを用いた光通信モジュールおよび並列情報処理装置の信頼性の向上およびコストの低減を図ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の面発光型半導体レーザの本発明に係る構成の第１の実施例を示す断面図である。
【図２】図１における面発光型半導体レーザの本発明に係わる作製工程例を示す説明図である。
【図３】本発明の面発光型半導体レーザの本発明に係る構成の第２の実施例を示す断面図である。
【図４】図１における面発光型半導体レーザを用いた本発明の光通信モジュールの本発明に係わる構成例を示す斜視実体図である。
【図５】図４における光通信モジュールを用いた本発明の並列処理装置の本発明に係わる構成例を示す斜視実体図である。
【符号の説明】
１：半導体基板、２：上部半導体多層膜反射鏡、２ａ：下部半導体多層膜反射鏡、３：障壁層、４：井戸層、５：電流狭窄層、６：ＡｌｘＯｙ絶縁層、７：スペーサ層、８：コンタクト層、９：表面電極、１０：ＳｉＯ２保護層、１１：ポリイミド、１２，１２ａ：裏面電極、１３：上部誘電体多層膜反射鏡、２１：面発光型半導体レーザ、２２：レーザアレイ素子、２３：駆動回路、２４：光ファイバ束、２５：光コネクタ、３１，３１ａ：光通信モジュール、３２，３２ａ：光受信モジュール、３３，３３ａ：送信ボード、３４，３４ａ：受信ボード、３５，３５ａ：コンピュータ、３６：光ファイバ束。
Claims (6)
- ガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなる半導体基板上に、光を発生する活性層と、該活性層を高屈折率半導体層と低屈折率半導体層とを交互に積層した半導体多層膜構造の二つの反射鏡で挟んで上記活性層の光からレーザ光を得る共振器とを具備し、上記半導体基板に垂直にレーザ光を放射する面発光型半導体レーザであって、
アルミニウム砒素（ＡｌＡｓ）もしくは組成比１０％以下のＧａ組成を有するアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）からなり、低しきい値電流で上記レーザ光を発振させるために選択酸化される電流狭窄層を、上記活性層と上記二つの反射鏡のいずれか一方との間に設け、上記電流狭窄層の選択酸化時に上記半導体基板に積層済みの上記反射鏡の上記高屈折率半導体層を、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）もしくはアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）により構成し、上記低屈折率半導体層を、燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により構成することを特徴とする面発光型半導体レーザ。 - 請求項１に記載の面発光型半導体レーザにおいて、上記低屈折率半導体層を構成する上記燐を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、アルミニウムインジウム燐（ＡｌＩｎＰ）、ガリウムインジウム燐（ＧａＩｎＰ）、あるいはそれらの混晶半導体であるアルミニウムガリウムインジウム燐（ＡｌＧａＩｎＰ）のいずれかであることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
- 請求項１、もしくは、請求項２のいずれかに記載の面発光型半導体レーザにおいて、上記活性層は、ガリウム（Ｇａ）とインジウム（Ｉｎ）および砒素（Ａｓ）、もしくは、ガリウム（Ｇａ）とインジウム（Ｉｎ）と窒素（Ｎ）および砒素（Ａｓ）からなることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
- 請求項１から請求項３のいずれかに記載の面発光型半導体レーザにおいて、上記半導体基板上の上記反射鏡と上記活性層および上記電流狭窄層は、化学線エピタキシ法、分子線エピタキシ法もしくは有機金属気相エピタキシ法のいずれかにより作製されることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
- 請求項１から請求項４のいづれかに記載の面発光型半導体レーザを光源として備え、入力された電気信号に対応して上記面発光型半導体レーザの発光オンオフを制御し、上記電気信号を光信号に変換して通信を行なうことを特徴とする光通信モジュール。
- 請求項５に記載の光通信モジュールを具備し、該光通信モジュールにより、光伝送媒体で相互に接続された複数のコンピュータ間での通信を行ない、並列処理を行なうことを特徴とする並列情報処理装置。
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