JP3738849B2 - 面発光型半導体レーザ、光モジュール、ならびに光伝達装置 - Google Patents
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Description
本発明の第1の態様の面発光型半導体レーザは、
発光素子部と、
前記発光素子部上に設けられ、かつ、出射面を有する光検出部と、を含み、
前記発光素子部は、第1ミラーと、前記第1ミラーの上方に設けられた活性層と、前記活性層の上方に設けられた第2ミラーとを含み、
前記第2ミラーは第1領域および第2領域からなり、
前記第2領域は前記光検出部に接し、
前記第2領域は前記第1領域よりも高抵抗であり、
前記第1領域および前記第2領域は第1導電型の不純物を含み、
前記第2領域における第1導電型の不純物の濃度は、前記第1領域における第1導電型の不純物の濃度よりも低い。
上記本発明の面発光型半導体レーザにおいて、前記第2領域における第1導電型の不純物の濃度は1×10 16 [cm −2 ]未満であることができる。
また、上記本発明の面発光型半導体レーザにおいて、前記第2領域は、第2導電型の不純物をさらに含むことにより、半絶縁性になっていることができる。
本発明の第2の態様の面発光型半導体レーザは、
発光素子部と、
前記発光素子部上に設けられ、かつ、出射面を有する光検出部と、を含み、
前記発光素子部は、第1ミラーと、前記第1ミラーの上方に設けられた活性層と、前記活性層の上方に設けられた第2ミラーとを含み、
前記第2ミラーは第1領域および第2領域からなり、
前記第2領域は前記光検出部に接し、
前記第2領域は前記第1領域よりも高抵抗であり、
前記第2領域は真性半導体からなる。
ここで、「真性半導体」とは、電気伝導に関与するキャリアのほとんどが、価電子帯から伝導体に熱励起された自由電子、あるいは価電子帯に生じた同数の正孔であり、不純物や格子欠陥の存在によるキャリア濃度の変化が無視できる半導体をいう。
本発明の光モジュールは、前記面発光型半導体レーザと、光導波路とを含む。また、本発明の光伝達装置は、上記光モジュールを含む。
1.光素子の構造
図1は、本発明を適用した第1の実施の形態に係る面発光型半導体レーザ(以下、「面発光レーザ」ともいう)100を模式的に示す断面図である。また、図2は、図1に示す面発光レーザ100を模式的に示す平面図である。
発光素子部140は、半導体基板(本実施形態ではn型GaAs基板)101上に設けられている。この発光素子部140は垂直共振器(以下「共振器」とする)を構成する。また、この発光素子部140は、柱状の半導体堆積体(以下「柱状部」とする)130を含むことができる。
光検出部120は発光素子部140上に設けられ、出射面108を有する。また、光検出部120は第1コンタクト層111と、光吸収層112と、第2コンタクト層113とを含む。第1コンタクト層111は発光素子部140の第2ミラー104上に設けられ、光吸収層112は第1コンタクト層111上に設けられ、第2コンタクト層113は光吸収層112上に設けられている。さらに、本実施の形態の光検出部120においては、第1コンタクト層111の平面形状が光吸収層112および第2コンタクト層113の平面形状よりも大きい場合が示されている(図1および図2参照)。また、第3電極116は第1コンタクト層111上に設けられている。すなわち、この第1コンタクト層111は第3電極116に接している。
本実施の形態の面発光レーザ100においては、発光素子部140のn型第1ミラー102およびp型第2ミラー104、ならびに光検出部120のn型第1コンタクト層111およびp型第2コンタクト層113から、全体としてnpnp構造が構成される。すなわち、この面発光レーザ100においては、3つのpn接合を有し、半導体の伝導型が構造内において3回変化している。なお、上記各層において、p型とn型を入れ替えることにより、全体としてpnpn構造を構成することもできる。以上の点は、後述する実施の形態の面発光レーザにおいても同様に適用される。
本実施の形態の面発光レーザ100の一般的な動作を以下に示す。なお、下記の面発光レーザ100の駆動方法は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の変更が可能である。
次に、本発明を適用した第1の実施の形態の面発光レーザ100の製造方法の一例について、図3〜図8を用いて説明する。図3〜図8は、図1に示す面発光レーザ100の一製造工程を模式的に示す断面図であり、それぞれ図1に示す断面図に対応している。
(1)まず、n型GaAsからなる半導体基板101の表面101aに、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、図3に示すように、半導体多層膜150が形成される(図3参照)。ここで、半導体多層膜150は例えば、n型Al0.9Ga0.1As層とn型Al0.15Ga0.85As層とを交互に積層した40ペアの第1ミラー102、GaAsウエル層とAl0.3Ga0.7Asバリア層からなり、ウエル層が3層で構成される量子井戸構造を含む活性層103、p型Al0.9Ga0.1As層とp型Al0.15Ga0.85As層とを交互に積層した5ペアの第1領域104aおよび20ペアの第2領域104bからなる第2ミラー104、n型GaAsからなる第1コンタクト層111、不純物がドーピングされていないGaAsからなる光吸収層112、およびp型GaAsからなる第2コンタクト層113からなる。これらの層を順に半導体基板101上に積層させることにより、半導体多層膜150が形成される(図3参照)。
以下、本実施の形態に係る面発光レーザ100の作用効果について説明する。
まず、本実施の形態に係る面発光レーザ100の作用効果について説明する前に、公知の面発光レーザ900の構造について説明する。
図23は公知の面発光レーザ900を模式的に示す断面図である。図23に示す面発光レーザ900は、発光素子部940および光検出部920を含む。発光素子部940は半導体基板901上に設けられ、n型の第1ミラー902、活性層903、およびp型の第2ミラー904がこの順に積層されて構成される。光検出部920は発光素子部940上に設けられ、n型の第1コンタクト層911、不純物が導入されていない光吸収層912、およびp型の第2コンタクト層913が順に積層されている。さらに、発光素子部940を駆動させるための第1電極907および第2電極909が設けられ、光検出部920を駆動させるための第3電極916および第4電極910が設けられている。
これに対して、本実施の形態の面発光レーザ100によれば、第2ミラー104が第1領域104aおよび第2領域104bからなり、第2領域104bが光検出部120に接し、第2領域104bが第1領域104aよりも高抵抗である。また、この第2領域104bは通常のエピタキシャル成長により形成することができる。これにより、第2領域104bの膜厚を大きく形成することができる。その結果、発光素子部140と光検出部120との間に生じる寄生容量を小さくすることができる。
また、本実施の形態の面発光レーザ100によれば、発光素子部140の第1電極107および第2電極109のいずれか一方と、光検出部120の第3電極116および第4電極110のいずれか一方とを電極接合部にて電気的に接続することにより、3端子構造とすることができる。
接続方法1においては、図9(a)ならびに図10〜図13に示すように、発光素子部140の第2電極109と、光検出部120の第3電極116とが電極接合部160aにて電気的に接続されている。より具体的には、図12および図13に示すように、面発光レーザ100から電極パッド(図示せず)に至るまでの間に電極接合部160aが設けられ、この電極接合部160aにて第2電極109と第3電極116とが電気的に接続されている。すなわち、電極接続部160aにおいては、第3電極116上に第2電極109が設けられている。
接続方法2においては、図14に示すように、発光素子部140の第2電極109と、光検出部120の第4電極110とが、電極接合部160bにて電気的に接続されている。この電極接合部160bは、面発光レーザ100から電極パッド(図示せず)に至るまでの間に設けられている。電極接続部160bにおいては、第4電極110上に第2電極109が設けられている。
接続方法3においては、図15に示すように、発光素子部140の第1電極107と、光検出部120の第4電極110とが、電極接合部160cにて電気的に接続されている。この電極接合部160cは、面発光レーザ100から電極パッド(図示せず)に至るまでの間であって、発光素子部140および光検出部120を除く領域に設けられている。電極接続部160cにおいては、第4電極110上に第1電極107が設けられている。
接続方法4においては、図16に示すように、発光素子部140の第1電極107と、光検出部120の第3電極116とが、電極接合部160dにて電気的に接続されている。この電極接合部160dは、面発光レーザ100から電極パッド(図示せず)に至るまでの間に設けられている。電極接続部160cにおいては、第3電極116上に第1電極107が設けられている。
接続方法1においては、図9(a)に示すように、発光素子部140の第2電極109と、光検出部120の第3電極116とが電気的に接続されている。この場合、第2電極109と第3電極116との間には電位差が生じないため、発光素子部140と光検出部120との間には寄生容量が発生しない。
さらに、本実施の形態の面発光レーザ100によれば、第2ミラー104は活性層103上に設けられ、第2ミラー104において第2領域104bは第1領域104a上に設けられている。また、発光素子部140を駆動させるための第1電極107および第2電極109を含み、第2電極109が第2ミラー104の第1領域104aに接している。すなわち、活性層103のより近傍に第2電極109が設けられているため、活性層103に効率的に電圧を印加することができる。
1.光素子の構造
図17は、本発明を適用した第2の実施の形態に係る面発光レーザ200を模式的に示す断面図である。図18は、図17に示す面発光レーザ100を模式的に示す平面図である。
本実施の形態の面発光レーザ200の基本的な動作は、第1の実施の形態の面発光レーザ100と同様であるため、詳しい説明は省略する。
本実施の形態に係る面発光レーザ200は、第1の実施の形態に係る面発光レーザ100と実質的に同じ作用効果を有する。
1.光素子の構造
図19は、本発明を適用した第3の実施の形態に係る面発光レーザ300を模式的に示す断面図である。
本実施の形態の面発光レーザ300は、半導体基板201上での発光素子部240および光検出部220の積層順が、第1の実施の形態の面発光レーザ100と逆である。しかしながら、本実施の形態の面発光レーザ300の基本的な動作は、第1の実施の形態の面発光レーザ100と同様であるため、詳しい説明は省略する。
本実施の形態に係る面発光レーザ300は、第1の実施の形態に係る面発光レーザ100と実質的に同じ作用および効果を有する。
図20は、本発明を適用した第4の実施の形態の光モジュール500を模式的に示す図である。この光モジュール500は、第1の実施の形態の面発光型半導体レーザ100(図1参照)と、半導体チップ20と、光ファイバ30とを含む。なお、本実施の形態の光モジュール500において、第1の実施の形態の面発光型半導体レーザ100のかわりに、上述した他の実施形態の面発光型半導体レーザを用いた場合でも、同様の作用および効果を奏することができる。このことは、後述する第5および第6の実施形態においても同様である。
面発光型半導体レーザ100は、光ファイバ30の端面30aから出射される光を吸収する。この面発光型半導体レーザ100は、光ファイバ30の端面30aとの相対的な位置が固定された状態となっている。具体的には、面発光型半導体レーザ100の出射面108が光ファイバ30の端面30aと対向している。
図21は、本発明を適用した第5の実施の形態の光伝達装置を示す図である。光伝達装置90は、コンピュータ、ディスプレイ、記憶装置、プリンタ等の電子機器92を相互に接続するものである。電子機器92は、情報通信機器であってもよい。光伝達装置90は、ケーブル94の両端にプラグ96が設けられたものであってもよい。ケーブル94は、光ファイバ30(図20参照)を含む。プラグ96は、面発光型半導体レーザ100および半導体チップ20を内蔵する。なお、光ファイバ30はケーブル94に内蔵され、面発光型半導体レーザ100および半導体チップ20はプラグ96に内蔵されているため、図21には図示されていない。光ファイバ30と面発光型半導体レーザ100との取り付け状態は、第4の実施の形態にて説明した通りである。
図22は、本発明を適用した第6の実施の形態の光伝達装置の使用形態を示す図である。光伝達装置90は、電子機器80間に接続されている。電子機器80として、液晶表示モニタまたはディジタル対応のCRT(金融、通信販売、医療、教育の分野で使用されることがある。)、液晶プロジェクタ、プラズマディスプレイパネル(PDP)、ディジタルTV、小売店のレジ(POS(Point of Sale Scanning)用)、ビデオ、チューナー、ゲーム装置、プリンタ等が挙げられる。
Claims (15)
- 発光素子部と、
前記発光素子部上に設けられ、かつ、出射面を有する光検出部と、を含み、
前記発光素子部は、第1ミラーと、前記第1ミラーの上方に設けられた活性層と、前記活性層の上方に設けられた第2ミラーとを含み、
前記第2ミラーは第1領域および第2領域からなり、
前記第2領域は前記光検出部に接し、
前記第2領域は前記第1領域よりも高抵抗であり、
前記第1領域および前記第2領域は第1導電型の不純物を含み、
前記第2領域における第1導電型の不純物の濃度は、前記第1領域における第1導電型の不純物の濃度よりも低い、面発光型半導体レーザ。 - 請求項1において、
前記第2領域における第1導電型の不純物の濃度は1×1016[cm−2]未満である、面発光型半導体レーザ。 - 請求項1または2において、
前記第2領域は、第2導電型の不純物をさらに含むことにより、半絶縁性になっている、面発光型半導体レーザ。 - 発光素子部と、
前記発光素子部上に設けられ、かつ、出射面を有する光検出部と、を含み、
前記発光素子部は、第1ミラーと、前記第1ミラーの上方に設けられた活性層と、前記活性層の上方に設けられた第2ミラーとを含み、
前記第2ミラーは第1領域および第2領域からなり、
前記第2領域は前記光検出部に接し、
前記第2領域は前記第1領域よりも高抵抗であり、
前記第2領域は真性半導体からなる、面発光型半導体レーザ。 - 請求項1ないし4のいずれかにおいて、
さらに、前記発光素子部を駆動させるための第1電極および第2電極を含み、
前記第2電極は前記第1領域に接している、面発光型半導体レーザ。 - 請求項1ないし5のいずれかにおいて、
前記第2領域の膜厚は1μm以上である、面発光型半導体レーザ。 - 請求項1ないし6のいずれかにおいて、
前記第1領域は電流狭窄層を含む、面発光型半導体レーザ。 - 請求項1ないし7のいずれかにおいて、
前記第2領域は自然放出光の反射層を含む、面発光型半導体レーザ。 - 請求項1ないし8のいずれかにおいて、
前記光検出部は、前記発光素子部にて生じた光の一部を電流に変換する機能を有する、面発光型半導体レーザ。 - 請求項1ないし9のいずれかにおいて、
前記光検出部は、
第1コンタクト層と、
前記第1コンタクト層の上方に設けられた光吸収層と、
前記光吸収層の上方に設けられた第2コンタクト層と、を含む、面発光型半導体レーザ。 - 請求項2ないし10のいずれかにおいて、
さらに、前記光検出部を駆動させるための第3電極および第4電極を含み、
前記第1電極および前記第2電極のいずれか一方と、前記第3電極および前記第4電極のいずれか一方とが、電極接合部にて電気的に接続されている、面発光型半導体レーザ。 - 請求項11において、
前記電極接合部は、前記発光素子部および前記光検出部を除いた、電極パッドに至るまでの領域に設けられた、面発光型半導体レーザ。 - 請求項1ないし12のいずれかにおいて、
前記発光素子部および前記光検出部は、全体としてpnpn構造またはnpnp構造をなす、面発光型半導体レーザ。 - 請求項1ないし13のいずれかに記載の面発光型半導体レーザと、光導波路とを含む、光モジュール。
- 請求項14に記載の光モジュールを含む、光伝達装置。
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