JP3748140B2 - Surface emitting semiconductor laser, optical transmission / reception module using the laser, and parallel information processing apparatus using the laser - Google Patents

Surface emitting semiconductor laser, optical transmission / reception module using the laser, and parallel information processing apparatus using the laser Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光型の半導体レーザ、特に、民生用等一般用に適用して好適な面発光半導体レーザに関する。
【0002】
【従来の技術】
面発光半導体レーザは、基板の表面から垂直方向にレーザ光を放射するので2次元並列集積が可能であり、更に、その出力光の広がり角が比較的狭い(10度前後)ので光ファイバとの結合が容易であるほか、素子の検査が容易であるという特徴を有している。そのため、特に、並列伝送型の光送信モジュール(光インタコネクション装置)を構成するのに適した素子として開発が盛んに行なわれている。光インタコネクション装置の当面の応用対象は、コンピュータ等の筐体間やボード間の並列接続のほか、短距離の光ファイバ通信であるが、将来の期待される応用として大規模なコンピュータ・ネットワークや長距離大容量通信の幹線系がある。
【0003】
一般に、面発光半導体レーザは、GaAs 又はGaInAs からなる活性層と、当該活性層を上下に挟んで配置された上部の反射鏡と基板側の下部の反射鏡からなる光共振器をもって構成するのが普通であるが、端面発光型半導体レーザの場合に比較して光共振器の長さが著しく短いため、反射鏡の反射率を極めて高い値(99%以上)に設定することによってレーザ発振を起こし易くする必要がある。このため、通常は、AlAs からなる低屈折率材料とGaAs からなる高屈折率材料を1/4波長の周期で交互に積層することによって形成した多層膜反射鏡が使用されている。
【0004】
反射率は、積層数を増やすことによって大きくすることができるので、30対〜40対に及ぶ積層数が採用される場合が多い。しかし、このように積層数が多いと、多層膜反射鏡の作製が難しくなって素子の歩留まりが悪くなるほか、直列抵抗が増大して消費電力が増える問題があり、更に、面発光半導体レーザの高さが増大する結果、電気配線が困難になり、レーザ駆動用トランジスタ等の他の半導体素子との集積が難しくなる。従って、積層数は、できるだけ少ないことが望ましい。積層数の低減は、低屈折率層と高屈折率層との間の屈折率差を大きくすることによって達成することができる。
【0005】
従って、大きい屈折率差が得られる材料の選択が重要である。しかし、合わせて、転移の発生を抑える観点から、基板と格子整合している材料を選ぶ必要がある。このような両面を満たす材料は現状では少ない。例えば、基板材料のなかでGaAs 基板は、良質の結晶を得ることが容易であるとともに同基板上に形成される半導体レーザの温度特性が安定しており、一般用に広く用いられているが、このGaAs 基板に格子整合する材料は、現状では、低屈折率材料として前記AlAs、高屈折率材料として前記GaAs がある程度である。
【0006】
一方、最近、格子整合していない材料を採用し、基板と反射鏡の間にバッファ層を設けることによって格子不整合に伴う問題を緩和する提案がなされた(特開平6−132605号公報参照)。同例では、低屈折率層にAlInPを採用し、高屈折率層にInGaAsPを採用している。いずれも基板と格子整合していない材料である。しかし、屈折率層の各層の厚さが波長の1/4に固定され、臨界膜厚(10nm前後)よりも著しく厚いので、格子不整合の影響を避けることができず、結晶欠陥を発生し易い問題点があった。
【0007】
次に、一般に積層数の問題は、レーザ波長が1.3μm帯や1.55μm帯である場合に特に大きい。このような長波長帯レーザの場合には専ら、基板にInPが用いられ、活性層にInGaAsPが用いられるが、基板のInPの格子定数が大きく、これに整合する反射鏡材料では屈折率差が大きく取れず、従って積層数を40対以上とする必要があった。一方、InP基板上に形成される半導体レーザには、別の問題として、温度によって特性が大きく変化する点がある。そのため、温度を一定にする装置を付加して使用する必要があり、民生用等一般用に供することが困難であった。このような積層数と温度特性の問題から、実用的な長波長帯面発光半導体は、未だ実用化されるに至っていない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来技術の前記問題点を解決し、少ない積層数で高反射率を得ることができる反射鏡を備えた新規な面発光半導体レーザを提供することにあり、更に、実用的な長波長帯面発光半導体レーザを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
AlInPは、In の組成割合を低くしてGaAs 基板と格子整合を取るようにすることが可能であり、そのような状態のAlInPの屈折率を特性分析によって調べた結果、従来材料よりも低い屈折率を得ることができることが判明した。調査結果を図1の左側に示す。
【0010】
本発明は、このような研究成果に基づいてなされたものであり、その最大の特徴とするところは、GaAs 基板を用い、基板側の下部上部のうち少なくとも一方の反射鏡の低屈折率層に同基板と格子整合が取れるAlInPからなる半導体層を用いた点にある。なお、高屈折率層も同基板と格子整合が取れる半導体層とする。その結果、従来よりも大きい屈折率差を得ることができる。この大きい屈折率差によって少ない積層数で高反射率の多層膜反射鏡を実現することができる。基板と格子整合が取れる上記の半導体層を下部反射鏡に用いることによって転位の発生を回避することが可能となることは云うまでもないが、同半導体層を上部反射鏡に用いる場合にも、基板と上部反射鏡の間の活性層やクラッド層に対して基板との格子整合についての関係付けが行なわれるので転位発生回避の効果を得ることができる。なお、屈折率が大きく変わらない範囲でAlInPに他の元素を添加することが可能である。
【0011】
次に、窒素がIII−V族材料の屈折率に変化を与える点に着目し、特性分析によってその屈折率を調べた結果、GaInNAs が従来材料よりも高い屈折率を持つ材料であることが判明した。調査結果を図1の右側に示す。
【0012】
本発明の別の特徴は、このような研究成果に基づくものであり、下部上部のうち少なくとも一方の反射鏡の高屈折率層にGaInNAs からなる半導体層を用いたことにある。その結果、従来よりも大きい屈折率差を得ることができる。この大きい屈折率差によって、少ない積層数で高反射率の多層膜反射鏡を実現することができる。なお、屈折率が大きく変わらない範囲でGaInNAs に他の元素を添加することが可能である。
【0013】
以上の結果から、言うまでもなく、反射鏡の低屈折率層に前記AlInP半導体層を採用した場合、高屈折率層に前記GaInNAs 半導体層を採用することによって、一層大きい屈折率差を得ることが可能である。
【0014】
更に、GaInNAs は、そのN(窒素)組成を増加させることによってP型半導体多層膜反射鏡の直列抵抗を低減することができる(面発光レーザでは、有効質量の大きいP型半導体での抵抗が問題となる)。直列抵抗は、価電子帯のバンド不連続の減少に伴って下がる。N組成を増加させると、価電子帯頂上のエネルギーが低下するので、高屈折率層と低屈折率層との間のヘテロ界面における価電子帯のバンド不連続が減少する。具体的に示すと、AlAs/GaAs 系半導体多層膜反射鏡では価電子帯のバンド不連続が600meV程度になるが、AlInP/GaInNAs 系半導体多層膜反射鏡では、所定のN組成割合とすることによって価電子帯のバンド不連続を400meV程度に下げることができる。直列抵抗は、価電子帯のバンド不連続の大きさの指数関数で決まるので、1へテロ界面での直列抵抗は、約1/5に減少する。従って、p型の半導体多層膜反射鏡では、積層数の低減と相まって直列抵抗が大幅に減少する。
【0015】
次に、GaInNAs を活性層の材料としてみると、N組成を増加させて行くに従ってバンドギャップ(禁制帯幅)が1.4eVから0eVへ向かって低下するので、0.85μmよりも長い波長を発光する材料として用いることが可能である。しかもGaAs 基板と格子整合が可能なので、1.3μm帯及び1.55μm帯の長波長帯面発光半導体レーザのための材料として好ましい。尤も、同GaInNAs をGaAs基板と組み合わせて端面発光型半導体レーザに用いる提案が既になされている(特開平7−154023号公報、特開平7−162097号公報及び特開平8−195522号公報参照)。しかし、同提案は、面発光型について言及していない。
【0016】
一方、特開平7−297476号公報は、InGaNの活性層を有する面発光型の半導体レーザを開示する。この公報には、GaNとInAlNとを交互に積層して形成されたブラッグ反射鏡を有する半導体レーザが開示されている。しかし、この公報が開示するInGaN、GaN、及びInAlNの各半導体結晶は、同公報の図3に示されるように六方晶系のウルツ鉱型構造を有する。従って、この公報に開示された技術に基づいて、立方晶系の閃亜鉛鉱型構造を有し且つ構成元素としてNを含むIII−V族化合物半導体層からなる活性層を有する半導体レーザを実現することは不可能である。その理由は、相互の結晶構造が本質的に異なるためである。
【0017】
本発明者は、反射鏡としてGaAs 基板に格子整合する半導体多層膜を用いることによってGaAs 基板及びGaInNAs からなる活性層を採用した面発光型半導体レーザが実現可能であることに着目した。本発明の更に別の特徴は、このような知見に基づくものである。即ち、本発明の更に別の半導体レーザは、GaAs 基板と、同基板に格子整合する低屈折率の半導体層及び同基板に格子整合する高屈折率の半導体層を交互に積層してなる反射鏡と、GaInNAs からなる活性層とを少なくとも用いて構成され、かつ、同反射鏡が上部下部のうちの少なくとも一方に配置される。その結果、低屈折率層、高屈折率層及び活性層のいずれをもGaAs 基板と格子整合している状態で使用可能となるので、結晶欠陥の生じない安定した実用的長波長帯面発光半導体レーザを実現することができる。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の実施例の目的は、従来技術の前記問題点を改善し、少ない積層数で高反射率を得ることができる反射鏡を備えた新規な面発光半導体レーザを提供することにあり、又は、実用的な長波長帯面発光半導体レーザを提供することにある。
【0019】
なお、このような長波長帯面発光半導体レーザの多層膜反射鏡にGaInNAs を用いる場合に、レーザ光が多層反射鏡に吸収されることを防ぐために、その混成組成を調節して、多層膜反射鏡のGaInNAs のバンドギャップを活性層のバンドギャップよりも大きく設定することが望ましい。
【0020】
また、活性層のGaInNAs は、GaAs 基板上に作製することが可能であるので、バンドギャップが大きいAlInP,AlGaInP,GaInP,GaInPAs又はAlGaAs 等の半導体と組み合わせることができる。そのような組み合わせによって、電子の閉じ込めを強くし、室温での漏れ電流を少なくすることができる。このようなバンドギャップが大きい半導体を半導体多層膜反射鏡やクラッド層に用いることによって前記組み合わせを実施し、GaInNAs を活性層に用いた面発光半導体レーザの室温動作を実現することができる。
【0021】
以上に説明した半導体多層膜反射鏡及び活性層は、基板上に安定に結晶成長させることが可能であり、化学線エピタキシ法、分子線エピタキシ法又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。
【0022】
また、本面発光半導体レーザは、少ない積層数で構成されるので高さを低くすることができる。従って、他の半導体素子と同一基板結晶上に集積することが容易となり、高集積の光送信モジュールを実現することができる。
【0023】
以上、半導体による多層膜反射鏡について説明したが、下部上部の反射鏡とも半導体多層膜反射鏡で構成することが可能であるほか、一方を誘電体による多層膜反射鏡とすることが可能である。例えば、下部反射鏡を半導体多層膜反射鏡で構成する場合、上部反射鏡を誘電体多層膜反射鏡とすることが可能である。
【0024】
なお、本発明で言う「格子整合を取る」は、格子不整合転位の発生を抑制するためであり、それが実現されている場合は、微量の格子不整合があっても差し支えない。例えば、格子不整合度は、±0.5%以内程度であれば良い。
【0025】
【発明の実施の形態】
GaAs 基板を用い、基板側の下部反射鏡の低屈折率層に基板と格子整合するAlInP半導体層を用いた面発光半導体レーザにおいて、当該反射鏡の高屈折率層にGaAs半導体層を用い、活性層をGaInAs/GaAs 歪量子井戸活性層とした。以上の面発光半導体レーザを4×4の二次元に集積してアレイ素子とし、同素子を用いて光送信モジュールを構成した。
【0026】
次に、基板側の下部反射鏡の高屈折率層にGaInNAs 半導体層を用いた面発光半導体レーザにおいて、基板にGaAs 基板を用い、同低屈折率層に基板と格子整合するAlInP半導体層を用いた。活性層は、GaInAs/GaInPAs 応力補償型量子井戸活性層とした。基板には、面発光半導体レーザを駆動するためのMES−FET型トランジスタ(Metal Semiconductor - Field Effect Transistor)を同時に集積した。
【0027】
また、GaAs 基板を用い、活性層にGaInNAs を用いた面発光半導体レーザにおいて、活性層を基板に格子整合するGaInNAs 無歪活性層とし、基板に格子整合する低屈折率のGaInP半導体層と基板に格子整合する高屈折率のGaInNAs 半導体層を交互に積層した反射鏡を活性層と基板の間に配置した。以上の面発光半導体レーザは、室温で発光し、1.3μmの発光波長を得た。
【0028】
以下、図面に示した幾つかの実施例を参照して更に詳細に説明する。
【0029】
【実施例】
<実施例1>
発光波長が0.98μm帯のポリイミド埋め込み型面発光半導体レーザを図2に示す。同図において、1は、n−GaAs 基板(n不純物濃度=1×1018cm-3)、2は、n型の半導体多層膜反射鏡(n不純物濃度=1×1018cm-3)、3はGaAs スペーサ層、4はGaInAs/GaAs 歪量子井戸活性層、5はGaAs スペーサ層、6は、GaAs 基板に格子整合したp−GaInPクラッド層(p不純物濃度=1×1018cm-3)、7は、p−GaAs コンタクト層(p不純物濃度=1×1019cm-3)を示す。
【0030】
活性層4には、3層の7nm厚Ga0.85In0.15As 井戸層を10nm厚のGaAs 障壁層で隔てて実効的に1.27eV(波長;0.98μm)のバンドギャップを持つ歪量子井戸層を用いた。
【0031】
半導体多層膜反射鏡2は、半導体中で1/4波長厚の高屈折率のGaAs 層と半導体中で1/4波長厚の低屈折率のAlInP層を交互に積層した。AlInP層については、基板1と格子整合を取るようAl のIII族元素の中の割合を50%に設定した。反射率を99%以上にするために、反射鏡層の積層数を12対とした。
【0032】
化学線エピタキシ装置を用い、1×10-5Torr の高真空中で半導体の各層2〜7を連続して結晶成長させた。なお、結晶成長には、その他に分子線エピタキシ装置や有機金属気相装置を用いることが可能である。III族のアルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)及びインジウム(In)の原料には、それぞれ有機金属のアラン、トリエチルガリュウム及びトリメチルインジウムを、V族の燐(P)及び砒素(As)の原料には、それぞれフォスフィン及びアルシンを用いた。n型不純物、p型不純物の原料には、それぞれ珪素(Si)及びベリリウム(Be)を用いた。結晶成長の温度は500℃に設定した。
【0033】
次に、化学気相堆積工程とホトレジスト工程により直径10μmの円形のSiO2膜(後の工程で除去するため、図2では図示を省略した)を形成し、これをマスクとしてn型の半導体多層膜反射鏡2の途中までウエットエッチングしてメサ状にする。その後、SiO2マスクを残したまま化学気相堆積工程によりSiO2保護層8を形成し、続いてポリイミドを塗布して硬化し、ポリイミド膜9を形成した。
【0034】
次に、反応性イオンビームエッチングによりSiO2マスクが露出するまでポリイミド膜9をエッチングし、メサの上部のSiO2マスクを除去して平坦な面を得た。この後、リフトオフ法によりリング状のp側電極10を形成し、更にスッパタ蒸着法により誘電体多層膜反射鏡11を形成し、n側電極12を形成した。誘電体多層膜反射鏡11は、誘電体中で1/4波長厚さの高屈折率のアモルファスSi 層と誘電体中で1/4波長厚さの低屈折率SiO2層とを交互に積層して作製した。反射率を99%以上にするために積層数を4対とした。
【0035】
作製した本面発光半導体レーザに電流を注入したところ、レーザ光が誘電体多層膜反射鏡側から出射され、室温において発振波長は、0.98μmであった。本面発光半導体レーザは、潮解性のある材料を用いてないので、10万時間以上の長い素子寿命を有した。
【0036】
本実施例では、面発光半導体レーザの誘電体多層膜反射鏡にアモルファスSi層とSiO2層の材料系を用いたが、誘電体多層膜反射鏡は、高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されていれば良いので、SiNとSiO2、アモルファスSi とSiNx、或いはTiO2とSiO2等の他の材料系を用いることが可能である。
【0037】
以上の面発光半導体レーザを4×4の二次元に集積してアレイ素子とした。同アレイ素子と、各レーザを駆動する回路を集積したチップと、光ファイバ束(16本の束)とを組み合わせて、光送信モジュール(光コネクション装置)を構成した。これを図3に示す。図3において、51はレーザアレイ素子、52は、駆動回路53を集積したIC(集積回路)チップ、54は光ファイバ束、55は光コネクタを示す。各面発光半導体レーザは、200Mb/秒の信号を伝送する。従ってモジュール全体は、200Mb/秒×16=3.2Gb/秒の信号を伝送する。
【0038】
上記光送信モジュールの8個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した。図4に同装置の構成を示す。同図において、61は光送信モジュール、62は、二次元フォトダイオードアレイからなる光受信モジュール、63は光ファイバアレイ、64はコンピュータ、65はコンピュータ64の送信ボード、66は、コンピュータ64の受信ボードを示す。両コンピュータ間で3.2Gb/秒×8=25.6Gb/秒の大容量の信号が伝送される。
【0039】
なお、本実施例の面発光半導体レーザは、集積せず単独の素子として用いることもできる。
【0040】
<実施例2>
同一基板上に駆動用のMES−FET型トランジスタを集積した発光波長が0.98μmの円柱型面発光半導体レーザを図5に示す。同図の左側に半導体レーザを示し、右側にトランジスタを示す。同図において、20は半絶縁性のGaAs基板、21は、n−GaAs バッファ層(n不純物濃度=1×1017cm-3)、同図左側において、22はn型半導体多層膜反射鏡(n不純物濃度=1×1018cm-3)、23はGa0.82In0.180.37As0.63 スペーサ層、24は、GaInAs/GaInPAs 応力補償型量子井戸活性層、25はGaInPAs スペーサ層、26は、p型半導体多層膜反射鏡(p不純物濃度=1×1019cm-3)を示す。バッファ層21は、半導体レーザ部位に加えてトランジスタ部位まで形成した。
【0041】
活性層24には、圧縮歪を持つ5層の7nm厚Ga0.85In0.15As 井戸層を伸張歪を持つ6nm厚のGa0.88In0.120.29As0.71 障壁層で隔てて、実効的に1.27eV(波長:0.98μm)のバンドギャップを持つ応力補償型量子井戸活性層を用いた。半導体多層膜反射鏡22及び26は、半導体中で1/4波長厚のGa0.95In0.050.01As0.99 層と半導体中で1/4波長厚のAl0.5In0.5P層を交互に積層した。両層とも、基板20及びバッファ層21と格子整合を取るよう組成比を設定した。なお、AlInP層のAl のIII族元素の中の割合を50%に設定した。反射率を99%以上にするために各反射鏡層の積層数を11対とした。
【0042】
半導体の各層21〜26は、分子線エピタキシ装置を用いて1×10-4Torrの高真空中で連続して結晶成長させた。なお、結晶成長には、その他に化学線エピタキシ装置や有機金属気相エピタキシ装置を用いることが可能である。Al,Ga及びInの原料には、それぞれの金属を、P及びAs の原料には、それぞれフォスフィン及びアルシンを、そしてNの原料には、高周波プラズマにより活性化した窒素分子を用いた。窒素分子の活性化は、そのほかにECRプラズマ(Electron Cyclotron Resonance;電子サイクロトロン共鳴)を用いて行なうことができる。n型不純物、p型不純物の原料には、それぞれSi 及びCBr4を用いた。結晶成長の温度を500℃に設定した。
【0043】
次に、反応性イオンビームエッチングにより、バッファ層21の表面までエッチングし、図5に示す様に直径5μmの円柱状の発光領域を残した。この後、化学気相堆積工程によりSiO2保護層27を形成し、p側電極28及びn側電極29を形成し、面発光半導体レーザを作製した。
【0044】
次に、図5右側のトランジスタ部分の作製について説明する。初めに、トランジスタの外側の部分を半絶縁性基板20に達するまでエッチングして、素子の分離を行った。この後、ソース電極30、ゲート電極31及びドレイン電極32を形成しMES−FET型トランジスタを完成させた。
【0045】
最後に、アルミニウムを蒸着して電気配線33を行なった。配線33は、トランジスタのソース電極30と面発光半導体レーザのp側電極28を結んでいる。
【0046】
本発明の面発光半導体レーザは、多層膜反射鏡の積層数が従来の素子の数分の一なので、素子の高さも従来の素子の数分の一になった。これにより、配線33を均一な厚さで形成することが可能となり、従来の素子で問題となっていた面発光半導体レーザの側面部での断線を回避することができた。その結果、素子の歩留まりを大きく向上させることができた。
【0047】
面発光半導体レーザのn側電極29とトランジスタのゲート電極31及びドレイン電極32に対する配線は、従来の配線技術で容易に形成できる。これらの配線は、図5では簡略化して示した。
【0048】
次に、本集積回路の動作について説明する。ドレイン電極32には電圧Vd が印加されると、トランジスタが導通状態のときに、ドレイン電極32からソース電極30に電流が流れる。その結果、配線33を通して面発光半導体レーザに電流が注入され、面発光半導体レーザがレーザ発振する。室温において発振波長が0.98μmのレーザ光が基板側から出射した。ゲート電極31に印加される電圧Vg によってトランジスタの導通/非導通が制御され、レーザに注入される電流が制御される。電流の大きさは、面発光半導体レーザのn側電極29に接続される抵抗Rにより設定される。
【0049】
実施した面発光半導体レーザは、潮解性のある材料を用いてないので、1万時間以上の長い素子寿命を有した。また、半導体多層膜反射鏡の積層数を従来の素子に比べて数分の一にすることができた。更に、p型の反射鏡にGaInNAs を用いたので、半導体多層膜反射鏡の直列抵抗を減らすことができるとともに、半導体レーザの消費電力を下げることができた。本半導体レーザとトランジスタを集積して2次元アレイとすることにより、小型の光送信モジュールを構成することができた。同モジュールを並列光情報処理の1つである符号化論理演算システムの光源として利用することができた。
【0050】
本実施例では、面発光半導体レーザとMES−FET型トランジスタを集積したが、言うまでもなく抵抗やコンデンサを含む他の半導体素子と集積することが可能である。一方、本実施例で示した面発光半導体レーザは、単独の素子としても用いることができる。
【0051】
なお、本実施例で採用したAlInP/GaInNAs 系多層膜反射鏡について、積層数と反射率の関係を調べた。図6に、従来のGaInP/GaAs 系多層膜反射鏡と比較した結果を示した。多層膜反射鏡での損失が無い場合を実線で、損失が40cm-1の場合を破線で示す。初めに、損失が無い場合について説明する。GaInP/GaAs 系多層膜反射鏡では、目標の99.5%の反射率を得るのに32対の積層数が必要である。一方、本発明のAlInP/GaInNAs 系多層膜反射鏡では13対で達成され、積層数を約1/3に低減することができる。この積層数は、従来の化学的に不安定なAlAs/GaAs 系多層膜反射鏡の16対を凌駕している。
【0052】
続いて、損失が40cm-1の場合について説明する。AlInP/GaInNAs 系多層膜反射鏡は15対で99.5%の反射率が得られる。しかし、従来のGaInP/GaAs 系多層膜反射鏡では、いくら積層数を増やしても反射率は99.3%で飽和して99.5%に達しない。実際の多層膜反射鏡では、損失が40cm-1程度になることがあり、AlInP/GaInNAs 系多層膜反射鏡が積層数の低減と高い反射率の確保に非常に有効であることが判る。
【0053】
上記結果は、AlInP及びGaInNAs がGaAs 基板に格子整合している場合であるが、格子不整合転位が発生しない範囲で歪層が形成される場合でも同様の効果を得ることができる。また、歪層に対して結晶欠陥が生じないように応力補償を施すことが可能であり、その場合も同様の積層数低減の効果を得ることができる。
【0054】
<実施例3>
波長が1.3μm帯の面発光半導体レーザを図7に示す。同図において、1はn−GaAs 基板(n不純物濃度=1×1018cm-3)、42はn型の半導体多層膜反射鏡(n不純物濃度=1×1018cm-3)、43はGaAs スペーサ層、44はGa0.8In0.20.04As0.96 無歪活性層、45はGaAs スペーサ層、46はp−Al0.3Ga0.7As クラッド層(p不純物濃度=1×1018cm-3)、47はp−GaAs コンタクト層(p不純物濃度=1×1019cm-3)を示す。
【0055】
活性層44には、GaAs 基板1と格子整合し、波長1.3μmに対して0.95eVのバンドギャップを持つノンドープのGaInNAs 層を用いた。半導体多層膜反射鏡42は、半導体中で1/4波長厚の高屈折率のGa0.9In0.10.01As0.99 層と半導体中で1/4波長厚の低屈折率のGa0.5In0.5P層を交互に積層した。両層とも、基板1と格子整合を取るよう組成比を設定した。反射率を99%以上にするために反射鏡42の積層数を27対とした。
【0056】
半導体の各層42〜47は、有機金属気相エピタキシ装置を用いて連続して1×10-1Torrの低真空中で結晶成長させた。なお、結晶成長にはその他に化学線エピタキシ装置や分子線エピタキシ装置を用いることが可能である。Ga 及びIn の原料には、それぞれトリメチルガリュウム及びトリメチルインジウムを、P及びAs の原料には、それぞれフォスフィン及びアルシンを、そしてNの原料には、タシャリブチルアミンを用いた。n型不純物、p型不純物の原料には、それぞれジシラン及びジメチルジンクを用いた。結晶成長の温度を600℃に設定した。
【0057】
次に、化学気相堆積工程とホトレジスト工程により直径10μmの円形のSiO2膜を形成し、これをマスクとしてn型の半導体多層膜反射鏡42の途中までウエットエッチングしてメサ状にする。その後、SiO2マスクを残したまま化学気相堆積工程によりSiO2保護層8を形成し、ポリイミドを塗布して硬化する。次に、反応性イオンビームエッチングによりSiO2マスクが露出するまでポリイミドをエッチングして、ポリイミド層9を形成した。続いて、メサの上部のSiO2マスクを除去して平坦な面を得た。
【0058】
この後、リフトオフ法によりリング状のp側電極10を形成した。更に、スッパタ蒸着法により誘電体多層膜反射鏡11を形成し、n側電極12を形成した。誘電体多層膜反射鏡11は、誘電体中で1/4波長厚さの高屈折率アモルファスSi 層と誘電体中で1/4波長厚さの低屈折率SiO2層を交互に積層して構成した。その積層数を5対とした。
【0059】
本面発光半導体レーザは、室温において1.3μmの波長で安定にレーザ発振し、潮解性のある材料を用いてないので、10万時間以上の長い素子寿命を有した。
【0060】
次に、活性層44のGaInNAs の組成比を別の所定の値に変えて、発振波長が1.55μmの面発光半導体レーザを作製した。1.3μm及び1.55μmの両波長は、光ファイバ通信で用いられる波長帯と一致する。両半導体レーザとも、集積してアレイ素子として構成することが可能であるほか、単体の素子として利用することもできる。単体の素子を光ファイバ通信システムの光源用に用いた。
【0061】
なお、本実施例は、発振波長を1.3μm及び1.55μmとしたものであるが、GaInNAs の組成比を更に変えて波長を一層長くすることが可能である。前記したようにバンドギャプを0eVにすることが原理的に可能であるので、波長を限りなく長くすることが可能であるが、反射鏡の実現性の点から波長は赤外線の範囲となる。
【0062】
<実施例4>
本発明の面発光半導体レーザを実装基板にフリップチップボンディングにより実装するとともに、面型フォトディテクタを同基板に同じくフリップチップボンディングにより実装した光送受信モジュール(光コネクション装置)を図8、図9に示す。図8は、面発光半導体レーザの基板への実装形態を示す断面図、図9は、光送受信モジュールの構造図である。
【0063】
図8において、81は面発光半導体レーザ、82は実装基板、83は半田バンプ、84は半導体レーザ81の一方の電極、85は半導体レーザ81の他方の電極を示す。半導体レーザ81として、図2に示した素子を採用したが、図7に示した素子を用いることが可能である。
【0064】
面型フォトディテクタの実装形態は図示していないが、図8の半導体レーザ81を面型フォトディテクタに置き換えた構造で示すことができる。面型フォトディテクタは、光波長が1.3μm帯の場合、InGaAs材料のものを採用した。この材料により良好な光電変換効率を得ることができる。なお、光波長が可視光帯の場合は、Si材料のものを採用することが製作コストと光電変換効率の両面から有利である。
【0065】
図8に示したフリップチップボンディングにより、光送受信モジュールにおいて、高速駆動と実装プロセスの簡素化及び位置合わせの容易性を得ることができる。フリップチップボンディングにおいては、図8に示すように、半導体レーザ81への電流供給用の電極84,85は、同一素子上面に形成される。レーザ光の出射は、素子面とは逆の素子基板裏面から行なわれる。フォトディテクタの場合も同様にレーザ光の入射が素子面とは逆の素子基板裏面から行なわれる。
【0066】
素子(半導体レーザ81及びフォトディテクタ)を実装する基板82には、広帯域の回路及び配線が実装されており、その帯域は、光送受信モジュールの駆動周波数以上である。こような広帯域の基板82のボンディングパット上に半田バンプを配置した。実装は、素子を裏返しにし、基板82を半田溶解温度以上に熱した状態で素子のボンディングパットと半田バンプを接触させて両者を接着することにより行なった。
【0067】
このフリップチップボンディングは、一般的に採用されるワイヤボンディングに比べてインダクタンスを低減することができるため、素子の高速駆動に有利である。また、基板82への実装工程も簡単であり、位置ずれを小さくすることができるため高精度の位置合わせを容易に実現することができる。
【0068】
なお、図8では素子1個を示したが、複数の素子を素子基板上に集積し、素子毎に電極を設け、集積した素子を同時に基板82に実装することが可能である。
【0069】
次に、図9において、92は、半導体レーザ81及びフォトディテクタに結合する光ファイバ、93は、光ファイバ92を収容するファイバフェルール、90は、ファイバフェルール93を案内するファイバフェルールガイド、94は、ファイバフェルール93を精度良く固定するためのガードシェルフ、91は入出光信号、95は出射光信号、96は入射光信号、97は、半導体レーザ81をアレイ状に集積した面発光レーザアレイ、98は、フォトディテクタをアレイ状に集積した面型フォトディテクタアレイ、99は、面発光レーザアレイ97及びフォトディテクタアレイ98を駆動するための駆動用IC、913は、実装基板82を6搭載するマザーボード、911は、実装基板82をマザーボード913に接続するための実装基板82側の信号ピンアレイ、912は、信号ピンアレイ911を受けるためのマザーボード913側の信号ピンソケットを示す。
【0070】
マザーボード913からの電気信号は、本送受信モジュール内で光信号に変換され、逆に光信号が電気信号に変換される。電気信号は、光信号の形態で光ファイバの中を伝送する。面発光半導体レーザ97及びフォトディテクタは、1次元アレイの形状にモノリシック集積されて形成される。なお、1次元アレイに限らず、2次元アレイとすることが可能である。これらのアレイ97,98は、図8に示したフリップチップボンディングにより実装基板82上に実装される。そして、実装基板82にアレイ97,98を駆動するための駆動回路を収容した集積回路を搭載した。このような実装により、配線長が著しく短かくなり、配線に伴う帯域の劣化を抑圧することができた。
【0071】
アレイ97,98の素子毎に用いる光ファイバとして、リボン型光ファイバ92を採用した。光ファイバの端面とアレイ97,98の素子とを近接して配置することによって、レンズ等の光学素子を用いることなく、両者を光学的に結合した。光ファイバのコア径が50μmであり、素子の光入出射径も同等の50μmである場合、両者の間隔を10μm以下とすることにより、50%を越える高効率の光学的結合効率を実現することができる。また、この際の位置合わせ余裕度は、50%のパワー変動を許容すると、実現容易な±5μm程度となる。
【0072】
マザーボード913を収容する装置へマザーボード913の組み込む場合、リボン型光ファイバ92とマザーボード913とが平行な位置関係にあることが望ましい。そのため、アレイ97,98の各素子を光ファイバ端面に垂直に配置するよう実装基板82をマザーボード913に垂直に配置した。実装基板82とマザーボード913とは、信号ピンアレイ911と信号ピンソケット912とにより電気的に接続される。
【0073】
リボン型光ファイバ92は、ファイバフェルール93とファイバフェルールガイド90からなるガイド機構により、アレイ97,98の各素子との位置関係が確保される。
【0074】
なお、アレイ97,98の各素子を外気から遮断するため、同各素子の上面を厚さ7μmのアクリル材料の膜で被った。なお、この材料に限らず、光ファイバ端面と素子との光結合状態を乱さない厚さと屈折率を有するその他の薄膜状物質を用いることができる。
【0075】
以上の光送受信モジュールの構成により、部品点数の削減と、光ファイバと素子の位置合わせの高精度化を実現することができた。その結果、モジュールとしての利便性、モジュール実装の経済性、位置合わせ余裕度のそれぞれを向上させることができた。
【0076】
本発明の実施例によれば、反射鏡に屈折率差が大きい半導体材料を使用するので、少ない積層数で所望の反射率を得ることができる。また、同材料に潮解性がない材料を採用するので、長寿命の面発光半導体レーザを実現することができる。積層数が少ないので、レーザの高さを低くすることが可能になり、ほかの半導体素子と集積することが容易となる。そのため、高集積の光送信モジュール及び光送受信モジュールを実現することができる。また、本発明の他の実施例によれば、Ga, In, NおよびAsを有する材料を面発光半導体レーザの活性層に用いるので、波長が1.3μm及び1.55μmのレーザ光を室温で安定に発振することができる。
(付記)
1.結晶基板上部に光を発生する活性層と、当該活性層から発生した光からレーザ光を得るために活性層の上部及び下部を上部反射鏡と基板側の下部反射鏡で挟んだ共振器とを有し、結晶基板面に垂直にレーザ光を放射する面発光半導体レーザにおいて、前記結晶基板は、GaAs 基板であり、少なくとも一方の反射鏡は、
前記GaAs 基板に格子整合する低屈折率半導体層と前記GaAs 基板に格子整合する高屈折率半導体層とを交互に積層してなる半導体多層膜を含めて構成され、当該低屈折率半導体層は、主たる元素がアルミニウム、インジウム及び燐の材料からなることを特徴とする面発光半導体レーザ。
2.結晶基板上部に光を発生する活性層と、当該活性層から発生した光からレーザ光を得るために活性層の上部及び下部を上部反射鏡と基板側の下部反射鏡で挟んだ共振器とを有し、結晶基板面に垂直にレーザ光を放射する面発光半導体レーザにおいて、少なくとも一方の反射鏡は、低屈折率の半導体層と高屈折率の半導体層とを交互に積層してなる半導体多層膜をもって構成され、当該高屈折率半導体層は、主たる元素がガリウム、インジウム、窒素及び砒素の材料からなることを特徴とする面発光半導体レーザ。
3.前記高屈折率半導体層は、主たる元素がガリウム、インジウム、窒素及び砒素の材料からなることを特徴とする前記1.に記載の面発光半導体レーザ。
4.前記半導体多層膜は、p型の導電性を与える不純物が混入していることを特徴とする前記2.又は3.に記載の面発光半導体レーザ。
5.前記半導体多層膜をもって構成される反射鏡は、低屈折率半導体層と高屈折率半導体層の積層数が30対以下であることを特徴とする前記3.に記載の面発光半導体レーザ。
6.結晶基板上部に光を発生する活性層と、当該活性層から発生した光からレーザ光を得るために活性層の上部及び下部を上部反射鏡と基板側の下部反射鏡で挟んだ共振器とを有し、結晶基板面に垂直にレーザ光を放射する面発光半導体レーザにおいて、前記結晶基板はGaAs 基板であり、少なくとも一方の反射鏡は、当該GaAs 基板に格子整合する低屈折率半導体層と、当該GaAs 基板に格子整合する高屈折率半導体層とを交互に積層してなる半導体多層膜をもって構成され、前記活性層は、主たる元素がガリウム、インジウム、窒素及び砒素の材料からなることを特徴とする面発光半導体レーザ。
7.前記レーザ光の波長が0.85μmよりも長く、赤外線の波長範囲にあること
を特徴とする前記6.に記載の面発光半導体レーザ。
8.前記レーザ光の波長が1.3μm帯又は1.55μm帯のいずれかであることを特徴とする前記7.に記載の面発光半導体レーザ。
9.前記活性層と前記反射鏡の半導体多層膜とを含む半導体部分は、他の半導体素子と同一の結晶基板上に集積されていることを特徴とする前記1.〜前記8.のいずれか一に記載の面発光半導体レーザ。
10.前記活性層と前記反射鏡の半導体多層膜とを含む半導体部分を化学線エピタキシ法、分子線エピタキシ法又は有機金属気相エピタキシ法のいずれかにより作製することを特徴とする前記1.〜前記9.のいずれか一に記載の面発光半導体レーザの製造方法。
11.前記1.〜前記9.のいずれか一に記載の面発光半導体レーザを光源として備えたことを特徴とする光送信モジュール。
12.前記1.〜前記9.のいずれか一に記載の面発光半導体レーザを光源として備えたことを特徴とする並列情報処理装置。
13.前記1.〜前記9.のいずれか一に記載の面発光半導体レーザを光源として備えたことを特徴とする光ファイバ通信システム。
14.前記1.〜前記9.のいずれか一に記載の面発光半導体レーザを光源として備えたことを特徴とする光送受信モジュール。
【図面の簡単な説明】
【図1】低屈折率材料と高屈折率材料の屈折率特性を説明するための曲線図。
【図2】本発明に係る面発光半導体レーザの第1の実施例を説明するための断面図。
【図3】本発明に係る光送信モジュールの例を説明するための配置構成図。
【図4】図3の光送信モジュールを利用した並列情報処理装置の例を説明するための配置構成図。
【図5】本発明の面発光半導体レーザの第2の実施例を説明するための断面図。
【図6】多層膜反射鏡の積層数と反射率の関係を説明するための曲線図。
【図7】本発明の面発光半導体レーザの第3の実施例を説明するための断面図。
【図8】本発明の第4の実施例を説明するための素子実装断面図。
【図9】本発明の第4の実施例を説明するための光送受信モジュール構造図。
【符号の説明】
1…n−GaAs 基板
2…n型AlInP/GaAs 半導体多層膜反射鏡
4…GaInAs/GaAs 歪量子井戸活性層
9…ポリイミド保護層
10,28…p側電極
11…誘電体多層膜反射鏡
12,29…n側電極
20…半絶縁性GaAs 基板
21…n−GaAs バッファ層
22…n型AlInP/GaInNAs 半導体多層膜反射鏡
24…GaInAs/GaInPAs 応力補償型量子井戸活性層
26…p型AlInP/GaInNAs 半導体多層膜反射鏡
30…ソース電極
31…ゲート電極
33…ドレイン電極
33…Al 配線
42…n型GaInP/GaInNAs 半導体多層膜反射鏡
44…GaInNAs 無歪活性層
50,81…面発光半導体レーザ
51…レーザアレイ素子
61…光送信モジュール
82…実装基板
83…半田バンプ
84…半導体レーザの一方の電極
85…半導体レーザの他方の電極
54,92…光ファイバ
91…入出光信号
95…出射光信号
96…入射光信号
97…面発光レーザアレイ
98…面型フォトディテクタアレイ
913…マザーボード
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surface emitting semiconductor laser, and more particularly to a surface emitting semiconductor laser suitable for general use such as consumer use.
[0002]
[Prior art]
The surface emitting semiconductor laser emits laser light in the vertical direction from the surface of the substrate, so that it can be two-dimensionally integrated, and the spread angle of the output light is relatively narrow (around 10 degrees), so In addition to being easy to combine, it has the feature of being easy to inspect elements. For this reason, in particular, development has been actively conducted as an element suitable for configuring a parallel transmission type optical transmission module (optical interconnection device). Current applications of optical interconnection devices include short-distance optical fiber communications as well as parallel connections between computers and other cabinets and boards. Future applications are expected to include large-scale computer networks and There is a trunk line system for long distance and large capacity communication.
[0003]
In general, a surface emitting semiconductor laser is constituted by an optical resonator comprising an active layer made of GaAs or GaInAs, an upper reflecting mirror disposed on the upper and lower sides of the active layer, and a lower reflecting mirror on the substrate side. Normally, the length of the optical resonator is significantly shorter than in the case of an edge-emitting semiconductor laser, so that the laser oscillation is caused by setting the reflectivity of the reflector to a very high value (99% or more). It needs to be easy. For this reason, a multilayer film reflector formed by alternately laminating a low-refractive index material made of AlAs and a high-refractive index material made of GaAs at a quarter wavelength period is usually used.
[0004]
Since the reflectance can be increased by increasing the number of stacked layers, the number of stacked layers ranging from 30 to 40 pairs is often adopted. However, with such a large number of stacked layers, it is difficult to manufacture a multilayer reflector and the yield of the device is deteriorated. In addition, there are problems that the series resistance increases and the power consumption increases. As a result of the increase in height, electrical wiring becomes difficult, and integration with other semiconductor elements such as laser driving transistors becomes difficult. Therefore, it is desirable that the number of stacked layers is as small as possible. The reduction in the number of stacked layers can be achieved by increasing the refractive index difference between the low refractive index layer and the high refractive index layer.
[0005]
Therefore, selection of a material that can provide a large refractive index difference is important. However, it is also necessary to select a material that is lattice-matched with the substrate from the viewpoint of suppressing the occurrence of transition. At present, there are few materials that satisfy both sides. For example, among the substrate materials, a GaAs substrate is easy to obtain a high-quality crystal and the temperature characteristics of a semiconductor laser formed on the substrate is stable, and is widely used for general purposes. At present, the materials that lattice match with the GaAs substrate are AlAs as a low refractive index material and GaAs as a high refractive index material to some extent.
[0006]
On the other hand, recently, a proposal has been made to alleviate the problems associated with lattice mismatch by adopting a material that is not lattice-matched and providing a buffer layer between the substrate and the reflecting mirror (see JP-A-6-132605). . In this example, AlInP is adopted for the low refractive index layer, and InGaAsP is adopted for the high refractive index layer. Both are materials that are not lattice matched to the substrate. However, since the thickness of each layer of the refractive index layer is fixed to ¼ of the wavelength and is significantly thicker than the critical film thickness (around 10 nm), the effect of lattice mismatch cannot be avoided and crystal defects are generated. There was an easy problem.
[0007]
Next, the problem of the number of stacked layers is generally particularly serious when the laser wavelength is in the 1.3 μm band or 1.55 μm band. In the case of such a long wavelength band laser, InP is used exclusively for the substrate and InGaAsP is used for the active layer, but the lattice constant of InP of the substrate is large, and a reflecting mirror material matching this has a refractive index difference. Therefore, it was necessary to increase the number of stacked layers to 40 pairs or more. On the other hand, another problem with semiconductor lasers formed on InP substrates is that their characteristics vary greatly with temperature. For this reason, it is necessary to add a device for keeping the temperature constant, and it is difficult to use the device for general use such as consumer use. Due to such problems of the number of stacked layers and temperature characteristics, a practical long-wavelength surface emitting semiconductor has not yet been put into practical use.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a novel surface-emitting semiconductor laser including a reflecting mirror that can solve the above-described problems of the prior art and obtain a high reflectance with a small number of stacked layers. Another object of the present invention is to provide a long-wavelength surface emitting semiconductor laser.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
AlInP can be made lattice-matched with the GaAs substrate by reducing the composition ratio of In. As a result of investigating the refractive index of AlInP in such a state by characteristic analysis, the refractive index is lower than that of the conventional material. It turns out that the rate can be obtained. The survey results are shown on the left side of FIG.
[0010]
The present invention has been made on the basis of such research results. The greatest feature of the present invention is that a GaAs substrate is used, and the low refractive index layer of at least one of the reflectors on the lower side on the substrate side is used. This is in that a semiconductor layer made of AlInP capable of lattice matching with the substrate is used. Note that the high refractive index layer is also a semiconductor layer capable of lattice matching with the substrate. As a result, it is possible to obtain a larger refractive index difference than in the prior art. Due to this large refractive index difference, a multilayer film reflecting mirror having a high reflectivity can be realized with a small number of layers. Needless to say, it is possible to avoid the occurrence of dislocations by using the above semiconductor layer that can be lattice-matched with the substrate for the lower reflector, but also when using the same semiconductor layer for the upper reflector, Since the active layer and the clad layer between the substrate and the upper reflecting mirror are related to the lattice matching with the substrate, the effect of avoiding the occurrence of dislocation can be obtained. It should be noted that other elements can be added to AlInP within a range where the refractive index does not change greatly.
[0011]
Next, paying attention to the fact that nitrogen changes the refractive index of III-V group materials, and investigating the refractive index by characteristic analysis, it was found that GaInNAs is a material having a higher refractive index than conventional materials. did. The survey results are shown on the right side of FIG.
[0012]
Another feature of the present invention is based on such research results, and is that a semiconductor layer made of GaInNAs is used for the high refractive index layer of at least one of the lower upper mirrors. As a result, it is possible to obtain a larger refractive index difference than in the prior art. Due to this large refractive index difference, a multilayer film reflecting mirror having a high reflectivity can be realized with a small number of layers. It is possible to add other elements to GaInNAs within a range where the refractive index does not change greatly.
[0013]
From the above results, it goes without saying that when the AlInP semiconductor layer is adopted as the low refractive index layer of the reflecting mirror, it is possible to obtain a larger refractive index difference by adopting the GaInNAs semiconductor layer as the high refractive index layer. It is.
[0014]
Furthermore, GaInNAs can reduce the series resistance of the P-type semiconductor multilayer reflector by increasing its N (nitrogen) composition (in a surface-emitting laser, the resistance of a P-type semiconductor with a large effective mass is a problem). Becomes). Series resistance decreases with decreasing band discontinuity in the valence band. When the N composition is increased, the energy at the top of the valence band is decreased, so that the valence band discontinuity at the heterointerface between the high refractive index layer and the low refractive index layer is reduced. Specifically, the AlAs / GaAs semiconductor multilayer reflector has a band discontinuity of about 600 meV in the AlAs / GaAs semiconductor multilayer reflector, but the AlInP / GaInNAs semiconductor multilayer reflector has a predetermined N composition ratio. Band discontinuity in the valence band can be lowered to about 400 meV. Since the series resistance is determined by an exponential function of the magnitude of the band discontinuity in the valence band, the series resistance at one heterointerface is reduced to about 1/5. Therefore, in the p-type semiconductor multilayer film reflecting mirror, the series resistance is greatly reduced in combination with the reduction in the number of stacked layers.
[0015]
Next, when GaInNAs is used as the material of the active layer, the band gap (forbidden band width) decreases from 1.4 eV to 0 eV as the N composition is increased, and thus emits a wavelength longer than 0.85 μm. It is possible to use it as a material. In addition, since lattice matching with the GaAs substrate is possible, it is preferable as a material for long-wavelength surface emitting semiconductor lasers in the 1.3 μm band and the 1.55 μm band. However, proposals have already been made to use the GaInNAs in combination with a GaAs substrate for an edge-emitting semiconductor laser (see Japanese Patent Laid-Open Nos. 7-154023, 7-162097, and 8-195522). However, the proposal does not mention the surface-emitting type.
[0016]
On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-297476 discloses a surface emitting semiconductor laser having an InGaN active layer. This publication discloses a semiconductor laser having a Bragg reflector formed by alternately laminating GaN and InAlN. However, each semiconductor crystal of InGaN, GaN, and InAlN disclosed in this publication has a hexagonal wurtzite structure as shown in FIG. Therefore, based on the technique disclosed in this publication, a semiconductor laser having an active layer made of a III-V group compound semiconductor layer having a cubic zinc blende structure and containing N as a constituent element is realized. It is impossible. The reason is that the crystal structures of each other are essentially different.
[0017]
The inventor of the present invention paid attention to the fact that a surface emitting semiconductor laser employing an active layer made of a GaAs substrate and GaInNAs can be realized by using a semiconductor multilayer film lattice-matched to the GaAs substrate as a reflecting mirror. Yet another feature of the present invention is based on such findings. That is, another semiconductor laser of the present invention is a reflector comprising a GaAs substrate, a low-refractive index semiconductor layer lattice-matched to the same substrate, and a high-refractive index semiconductor layer lattice-matched to the same substrate. And an active layer made of GaInNAs, and the reflecting mirror is disposed in at least one of the upper and lower portions. As a result, since any of the low refractive index layer, the high refractive index layer and the active layer can be used in a lattice-matched state with the GaAs substrate, a stable and practical long-wavelength surface emitting semiconductor that does not cause crystal defects. A laser can be realized.
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
  The present inventionExamples ofThe purpose ofImprovementAnd providing a novel surface emitting semiconductor laser including a reflecting mirror capable of obtaining a high reflectivity with a small number of layers,OrAn object of the present invention is to provide a practical long-wavelength surface emitting semiconductor laser.
[0019]
In addition, when using GaInNAs for the multilayer reflector of such a long-wavelength surface emitting semiconductor laser, in order to prevent the laser light from being absorbed by the multilayer reflector, the composite composition is adjusted and the multilayer reflector is used. It is desirable to set the band gap of the mirror GaInNAs to be larger than the band gap of the active layer.
[0020]
Further, since GaInNAs of the active layer can be fabricated on a GaAs substrate, it can be combined with a semiconductor such as AlInP, AlGaInP, GaInP, GaInPAs, or AlGaAs having a large band gap. Such a combination can strengthen electron confinement and reduce leakage current at room temperature. Such a combination can be implemented by using such a semiconductor having a large band gap for a semiconductor multilayer reflector or a cladding layer, and room temperature operation of a surface emitting semiconductor laser using GaInNAs as an active layer can be realized.
[0021]
The semiconductor multilayer mirror and the active layer described above can be stably crystal-grown on the substrate, and any one of actinic epitaxy, molecular beam epitaxy, or metal organic vapor phase epitaxy can be used. Can also be produced.
[0022]
In addition, since the surface emitting semiconductor laser is configured with a small number of stacked layers, the height can be reduced. Therefore, it is easy to integrate on the same substrate crystal as other semiconductor elements, and a highly integrated optical transmission module can be realized.
[0023]
The multilayer reflector made of semiconductor has been described above. However, the lower upper reflector can be composed of a semiconductor multilayer reflector, and one of them can be a dielectric multilayer reflector. . For example, when the lower reflecting mirror is composed of a semiconductor multilayer film reflecting mirror, the upper reflecting mirror can be a dielectric multilayer film reflecting mirror.
[0024]
Note that “lattice matching” in the present invention is to suppress the generation of lattice mismatch dislocations, and if this is realized, there may be a slight amount of lattice mismatch. For example, the lattice mismatch degree may be about ± 0.5%.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In a surface emitting semiconductor laser using a GaAs substrate and an AlInP semiconductor layer lattice-matched with the substrate in the low refractive index layer of the lower reflecting mirror on the substrate side, a GaAs semiconductor layer is used as the high refractive index layer of the reflecting mirror, and active The layer was a GaInAs / GaAs strained quantum well active layer. The above surface emitting semiconductor lasers were integrated in a 4 × 4 two-dimensional array element to form an optical transmission module.
[0026]
Next, in a surface emitting semiconductor laser using a GaInNAs semiconductor layer as a high refractive index layer of a lower reflecting mirror on the substrate side, a GaAs substrate is used as the substrate, and an AlInP semiconductor layer lattice-matched with the substrate is used as the low refractive index layer. It was. The active layer was a GaInAs / GaInPAs stress compensated quantum well active layer. On the substrate, MES-FET type transistors (Metal Semiconductor-Field Effect Transistors) for driving the surface emitting semiconductor laser were simultaneously integrated.
[0027]
Further, in a surface emitting semiconductor laser using a GaAs substrate and using GaInNAs as an active layer, the active layer is a GaInNAs unstrained active layer that lattice matches with the substrate, and a low refractive index GaInP semiconductor layer that lattice matches with the substrate and the substrate. A reflecting mirror in which lattice-matched high refractive index GaInNAs semiconductor layers are alternately stacked is disposed between the active layer and the substrate. The surface emitting semiconductor laser described above emitted light at room temperature and obtained an emission wavelength of 1.3 μm.
[0028]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to some embodiments shown in the drawings.
[0029]
【Example】
<Example 1>
FIG. 2 shows a polyimide embedded surface emitting semiconductor laser having an emission wavelength of 0.98 μm. In the figure, 1 is an n-GaAs substrate (n impurity concentration = 1 × 1018cm-3) 2 is an n-type semiconductor multilayer mirror (n impurity concentration = 1 × 1018cm-3) 3 is a GaAs spacer layer, 4 is a GaInAs / GaAs strained quantum well active layer, 5 is a GaAs spacer layer, 6 is a p-GaInP cladding layer lattice-matched to the GaAs substrate (p impurity concentration = 1 × 10)18cm-3), 7 is a p-GaAs contact layer (p impurity concentration = 1 × 1019cm-3).
[0030]
The active layer 4 has three layers of 7 nm thick Ga0.85In0.15A strained quantum well layer having a band gap of 1.27 eV (wavelength; 0.98 μm) was used by separating the As well layer with a 10 nm thick GaAs barrier layer.
[0031]
The semiconductor multilayer mirror 2 is formed by alternately stacking a GaAs layer having a high refractive index having a quarter wavelength thickness in a semiconductor and an AlInP layer having a low refractive index having a quarter wavelength thickness in the semiconductor. For the AlInP layer, the proportion of Al group III elements was set to 50% so as to achieve lattice matching with the substrate 1. In order to make the reflectivity 99% or more, the number of reflecting mirror layers was 12 pairs.
[0032]
Using actinic epitaxy equipment, 1 × 10-FiveEach of the semiconductor layers 2 to 7 was continuously crystal-grown in a high vacuum of Torr. In addition, a molecular beam epitaxy apparatus or a metal organic vapor phase apparatus can be used for crystal growth. Group III aluminum (Al), gallium (Ga) and indium (In) raw materials are organometallic alane, triethylgallium and trimethylindium, respectively, and group V phosphorus (P) and arsenic (As) raw materials. Phosphine and arsine were used, respectively. Silicon (Si) and beryllium (Be) were used as raw materials for n-type impurities and p-type impurities, respectively. The temperature for crystal growth was set to 500 ° C.
[0033]
Next, circular SiO 2 with a diameter of 10 μm is obtained by a chemical vapor deposition process and a photoresist process.2A film (not shown in FIG. 2 for removal in a later step) is formed, and this is used as a mask to wet-etch the middle of the n-type semiconductor multilayer mirror 2 to form a mesa shape. Then, SiO2With the chemical vapor deposition process while leaving the mask, the SiO2A protective layer 8 was formed, and subsequently polyimide was applied and cured to form a polyimide film 9.
[0034]
Next, by reactive ion beam etching, SiO2The polyimide film 9 is etched until the mask is exposed, and the SiO on the top of the mesa2The mask was removed to obtain a flat surface. Thereafter, a ring-shaped p-side electrode 10 was formed by a lift-off method, a dielectric multilayer film reflecting mirror 11 was further formed by a sputtering method, and an n-side electrode 12 was formed. The dielectric multilayer mirror 11 includes a high refractive index amorphous Si layer having a quarter wavelength thickness in the dielectric and a low refractive index SiO having a quarter wavelength thickness in the dielectric.2It was produced by alternately laminating layers. In order to make the reflectance 99% or more, the number of stacked layers was set to 4 pairs.
[0035]
When current was injected into the fabricated main surface emitting semiconductor laser, laser light was emitted from the dielectric multilayer film reflecting mirror side, and the oscillation wavelength was 0.98 μm at room temperature. Since this surface emitting semiconductor laser does not use a deliquescent material, it has a long element lifetime of 100,000 hours or more.
[0036]
In the present embodiment, an amorphous Si layer and an SiO2 are applied to a dielectric multilayer reflector of a surface emitting semiconductor laser.2Although a dielectric multilayer reflector is used as long as the high refractive index layer and the low refractive index layer are alternately laminated, SiN and SiO are used.2, Amorphous Si and SiNxOr TiO2And SiO2Other material systems such as can be used.
[0037]
The above surface emitting semiconductor lasers were integrated in a 4 × 4 two-dimensional array array. An optical transmission module (optical connection device) was configured by combining the array element, a chip in which circuits for driving each laser were integrated, and an optical fiber bundle (16 bundles). This is shown in FIG. In FIG. 3, 51 is a laser array element, 52 is an IC (integrated circuit) chip in which a drive circuit 53 is integrated, 54 is an optical fiber bundle, and 55 is an optical connector. Each surface emitting semiconductor laser transmits a signal of 200 Mb / sec. Therefore, the entire module transmits a signal of 200 Mb / sec × 16 = 3.2 Gb / sec.
[0038]
A parallel information processing apparatus was constructed by connecting computers using eight of the optical transmission modules. FIG. 4 shows the configuration of the apparatus. In the figure, 61 is an optical transmission module, 62 is an optical reception module comprising a two-dimensional photodiode array, 63 is an optical fiber array, 64 is a computer, 65 is a transmission board of computer 64, and 66 is a reception board of computer 64. Indicates. A large capacity signal of 3.2 Gb / sec × 8 = 25.6 Gb / sec is transmitted between the two computers.
[0039]
Note that the surface emitting semiconductor laser of this example can be used as a single element without being integrated.
[0040]
<Example 2>
FIG. 5 shows a cylindrical surface emitting semiconductor laser having an emission wavelength of 0.98 μm, in which driving MES-FET transistors are integrated on the same substrate. A semiconductor laser is shown on the left side of the figure, and a transistor is shown on the right side. In the figure, 20 is a semi-insulating GaAs substrate, 21 is an n-GaAs buffer layer (n impurity concentration = 1 × 1017cm-3On the left side of the figure, 22 is an n-type semiconductor multilayer mirror (n impurity concentration = 1 × 10).18cm-3), 23 is Ga0.82In0.18P0.37As0.63 The spacer layer, 24 is a GaInAs / GaInPAs stress compensation type quantum well active layer, 25 is a GaInPAs spacer layer, and 26 is a p-type semiconductor multilayer mirror (p impurity concentration = 1 × 10).19cm-3). The buffer layer 21 was formed up to the transistor part in addition to the semiconductor laser part.
[0041]
The active layer 24 includes 5 layers of 7 nm thick Ga having compressive strain.0.85In0.15As well 6nm thick Ga with well strain0.88In0.12P0.29As0.71 A stress compensated quantum well active layer having a band gap of 1.27 eV (wavelength: 0.98 μm) effectively separated by a barrier layer was used. The semiconductor multilayer reflectors 22 and 26 are made of Ga having a ¼ wavelength thickness in a semiconductor.0.95In0.05N0.01As0.99 Al of 1/4 wavelength thickness in layers and semiconductors0.5In0.5P layers were alternately stacked. In both layers, the composition ratio was set so as to achieve lattice matching with the substrate 20 and the buffer layer 21. The proportion of Al in the group III element of the AlInP layer was set to 50%. In order to make the reflectivity 99% or more, the number of laminated mirror layers was 11 pairs.
[0042]
Each of the semiconductor layers 21 to 26 is formed by using a molecular beam epitaxy apparatus.-FourCrystals were grown continuously in a high vacuum of Torr. In addition, for the crystal growth, it is possible to use a chemical beam epitaxy apparatus or a metal organic vapor phase epitaxy apparatus. Respective metals were used as the raw materials for Al, Ga and In, phosphine and arsine were used as the raw materials for P and As, respectively, and nitrogen molecules activated by high-frequency plasma were used as the raw materials for N. In addition, the activation of the nitrogen molecules can be performed using ECR plasma (Electron Cyclotron Resonance). Si and CBr are used as raw materials for n-type impurities and p-type impurities, respectively.FourWas used. The temperature for crystal growth was set to 500 ° C.
[0043]
Next, the surface of the buffer layer 21 was etched by reactive ion beam etching to leave a cylindrical light emitting region having a diameter of 5 μm as shown in FIG. Thereafter, SiO is performed by a chemical vapor deposition process.2A protective layer 27 was formed, a p-side electrode 28 and an n-side electrode 29 were formed, and a surface emitting semiconductor laser was manufactured.
[0044]
Next, fabrication of the transistor portion on the right side of FIG. 5 will be described. First, the outer portion of the transistor was etched until it reached the semi-insulating substrate 20 to separate the elements. Then, the source electrode 30, the gate electrode 31, and the drain electrode 32 were formed, and the MES-FET type transistor was completed.
[0045]
Finally, electrical wiring 33 was performed by depositing aluminum. The wiring 33 connects the source electrode 30 of the transistor and the p-side electrode 28 of the surface emitting semiconductor laser.
[0046]
In the surface emitting semiconductor laser according to the present invention, the number of multilayer reflectors stacked is one-fifth that of a conventional element, so that the height of the element is also a fraction of that of a conventional element. As a result, the wiring 33 can be formed with a uniform thickness, and disconnection at the side surface of the surface emitting semiconductor laser, which has been a problem with conventional devices, can be avoided. As a result, the device yield can be greatly improved.
[0047]
Wiring for the n-side electrode 29 of the surface emitting semiconductor laser and the gate electrode 31 and drain electrode 32 of the transistor can be easily formed by conventional wiring techniques. These wirings are shown in a simplified manner in FIG.
[0048]
Next, the operation of this integrated circuit will be described. When the voltage Vd is applied to the drain electrode 32, a current flows from the drain electrode 32 to the source electrode 30 when the transistor is in a conductive state. As a result, a current is injected into the surface emitting semiconductor laser through the wiring 33, and the surface emitting semiconductor laser oscillates. A laser beam having an oscillation wavelength of 0.98 μm was emitted from the substrate side at room temperature. The conduction / non-conduction of the transistor is controlled by the voltage Vg applied to the gate electrode 31, and the current injected into the laser is controlled. The magnitude of the current is set by a resistor R connected to the n-side electrode 29 of the surface emitting semiconductor laser.
[0049]
The surface-emitting semiconductor laser that was implemented did not use a deliquescent material and therefore had a long device life of 10,000 hours or more. In addition, the number of stacked semiconductor multilayer mirrors could be reduced to a fraction of that of conventional elements. Furthermore, since GaInNAs is used for the p-type reflector, the series resistance of the semiconductor multilayer reflector can be reduced and the power consumption of the semiconductor laser can be reduced. By integrating the semiconductor laser and the transistor into a two-dimensional array, a small optical transmission module can be configured. The module could be used as a light source for an encoding logic operation system, which is one of parallel optical information processing.
[0050]
In this embodiment, the surface emitting semiconductor laser and the MES-FET type transistor are integrated, but needless to say, it can be integrated with other semiconductor elements including resistors and capacitors. On the other hand, the surface emitting semiconductor laser shown in this embodiment can be used as a single element.
[0051]
The relationship between the number of layers and the reflectivity of the AlInP / GaInNAs-based multilayer mirror employed in this example was examined. FIG. 6 shows the result of comparison with a conventional GaInP / GaAs multilayer reflector. When there is no loss at the multilayer mirror, the solid line indicates the loss is 40 cm.-1This case is indicated by a broken line. First, a case where there is no loss will be described. In the GaAs / GaAs multilayer mirror, 32 pairs of layers are required to obtain the target reflectivity of 99.5%. On the other hand, the AlInP / GaInNAs multilayer reflector of the present invention achieves 13 pairs, and the number of stacked layers can be reduced to about 1/3. This number of layers exceeds 16 pairs of conventional chemically unstable AlAs / GaAs multilayer reflectors.
[0052]
Then, the loss is 40cm-1The case will be described. The AlInP / GaInNAs multi-layer film reflecting mirror has a reflectance of 99.5% with 15 pairs. However, in the conventional GaInP / GaAs multilayer reflector, the reflectance is saturated at 99.3% and does not reach 99.5% no matter how many layers are stacked. In an actual multilayer mirror, the loss is 40 cm.-1It can be seen that the AlInP / GaInNAs-based multilayer mirror is very effective in reducing the number of layers and ensuring a high reflectance.
[0053]
The above result is the case where AlInP and GaInNAs are lattice-matched to the GaAs substrate, but the same effect can be obtained even when the strained layer is formed in a range where no lattice mismatch dislocation occurs. Further, it is possible to perform stress compensation so that crystal defects do not occur in the strained layer, and in this case, the same effect of reducing the number of stacked layers can be obtained.
[0054]
<Example 3>
FIG. 7 shows a surface emitting semiconductor laser having a wavelength band of 1.3 μm. In the figure, 1 is an n-GaAs substrate (n impurity concentration = 1 × 1018cm-3), 42 is an n-type semiconductor multilayer mirror (n impurity concentration = 1 × 1018cm-3), 43 is a GaAs spacer layer, 44 is Ga0.8In0.2N0.04As0.96 Unstrained active layer, 45 is GaAs spacer layer, 46 is p-Al0.3Ga0.7As cladding layer (p impurity concentration = 1 × 1018cm-347 is a p-GaAs contact layer (p impurity concentration = 1 × 1019cm-3).
[0055]
As the active layer 44, a non-doped GaInNAs layer having a lattice gap of 0.95 eV with respect to a wavelength of 1.3 μm and a lattice match with the GaAs substrate 1 was used. The semiconductor multilayer mirror 42 is a high refractive index Ga having a quarter wavelength thickness in a semiconductor.0.9In0.1N0.01As0.99 Low refractive index Ga with 1/4 wavelength thickness in layers and semiconductors0.5In0.5P layers were alternately stacked. In both layers, the composition ratio was set so as to achieve lattice matching with the substrate 1. In order to make the reflectivity 99% or more, the number of laminated mirrors 42 is 27.
[0056]
Each of the semiconductor layers 42 to 47 is continuously formed by using a metal organic vapor phase epitaxy apparatus.-1Crystals were grown in a low vacuum of Torr. In addition, it is possible to use a chemical beam epitaxy apparatus or a molecular beam epitaxy apparatus for crystal growth. Trimethylgallium and trimethylindium were used as raw materials for Ga and In, phosphine and arsine were used as raw materials for P and As, respectively, and tributylamine was used as a raw material for N. Disilane and dimethyl zinc were used as raw materials for n-type impurities and p-type impurities, respectively. The temperature of crystal growth was set to 600 ° C.
[0057]
Next, circular SiO 2 with a diameter of 10 μm is obtained by a chemical vapor deposition process and a photoresist process.2A film is formed, and this is used as a mask to wet-etch halfway through the n-type semiconductor multilayer reflector 42 to form a mesa shape. Then, SiO2With the chemical vapor deposition process while leaving the mask, the SiO2The protective layer 8 is formed, and polyimide is applied and cured. Next, by reactive ion beam etching, SiO2The polyimide layer 9 was formed by etching the polyimide until the mask was exposed. Next, the top of the mesa2The mask was removed to obtain a flat surface.
[0058]
Thereafter, a ring-shaped p-side electrode 10 was formed by a lift-off method. Further, the dielectric multilayer film reflecting mirror 11 was formed by the sputtering method, and the n-side electrode 12 was formed. The dielectric multilayer mirror 11 includes a high refractive index amorphous Si layer having a quarter wavelength thickness in the dielectric and a low refractive index SiO having a quarter wavelength thickness in the dielectric.2Layers were alternately stacked. The number of layers was 5 pairs.
[0059]
This surface-emitting semiconductor laser stably oscillates at a wavelength of 1.3 μm at room temperature, and has a long device life of 100,000 hours or more because no deliquescent material is used.
[0060]
Next, the composition ratio of GaInNAs in the active layer 44 was changed to another predetermined value to fabricate a surface emitting semiconductor laser having an oscillation wavelength of 1.55 μm. Both wavelengths of 1.3 μm and 1.55 μm coincide with the wavelength band used in optical fiber communication. Both semiconductor lasers can be integrated and configured as an array element, or can be used as a single element. A single element was used for the light source of an optical fiber communication system.
[0061]
In this embodiment, the oscillation wavelengths are 1.3 .mu.m and 1.55 .mu.m. However, it is possible to further increase the wavelength by further changing the composition ratio of GaInNAs. As described above, it is theoretically possible to set the band gap to 0 eV, so that the wavelength can be made as long as possible. However, the wavelength is in the infrared range in terms of the feasibility of the reflecting mirror.
[0062]
<Example 4>
FIG. 8 and FIG. 9 show an optical transceiver module (optical connection device) in which the surface emitting semiconductor laser of the present invention is mounted on a mounting substrate by flip chip bonding and the surface type photodetector is mounted on the same substrate by flip chip bonding. FIG. 8 is a cross-sectional view showing how the surface emitting semiconductor laser is mounted on the substrate, and FIG. 9 is a structural diagram of the optical transceiver module.
[0063]
In FIG. 8, 81 is a surface emitting semiconductor laser, 82 is a mounting substrate, 83 is a solder bump, 84 is one electrode of the semiconductor laser 81, and 85 is the other electrode of the semiconductor laser 81. Although the element shown in FIG. 2 is adopted as the semiconductor laser 81, the element shown in FIG. 7 can be used.
[0064]
Although the surface-type photodetector is not shown in a mounting form, it can be shown as a structure in which the semiconductor laser 81 in FIG. 8 is replaced with a surface-type photodetector. As the surface photodetector, an InGaAs material was used when the light wavelength was in the 1.3 μm band. Good photoelectric conversion efficiency can be obtained with this material. In the case where the light wavelength is in the visible light band, it is advantageous from the viewpoints of both production cost and photoelectric conversion efficiency to employ the Si material.
[0065]
By the flip chip bonding shown in FIG. 8, in the optical transceiver module, high-speed driving, simplification of the mounting process, and ease of alignment can be obtained. In flip chip bonding, as shown in FIG. 8, electrodes 84 and 85 for supplying current to the semiconductor laser 81 are formed on the upper surface of the same element. The laser beam is emitted from the back surface of the element substrate opposite to the element surface. Similarly, in the case of a photodetector, laser light is incident from the back surface of the element substrate opposite to the element surface.
[0066]
A broadband circuit and wiring are mounted on the substrate 82 on which the elements (semiconductor laser 81 and photodetector) are mounted, and the bandwidth is equal to or higher than the drive frequency of the optical transceiver module. Solder bumps were placed on the bonding pads of such a broadband substrate 82. Mounting was performed by turning the element upside down and bringing the bonding pad of the element and solder bumps into contact with each other in a state where the substrate 82 was heated to a temperature equal to or higher than the solder melting temperature.
[0067]
This flip-chip bonding can reduce inductance compared to generally employed wire bonding, and is advantageous for high-speed driving of elements. Further, the mounting process on the substrate 82 is simple, and the positional deviation can be reduced, so that highly accurate alignment can be easily realized.
[0068]
Although one element is shown in FIG. 8, it is possible to integrate a plurality of elements on an element substrate, provide an electrode for each element, and mount the integrated elements on the substrate 82 at the same time.
[0069]
9, 92 is an optical fiber coupled to the semiconductor laser 81 and the photodetector, 93 is a fiber ferrule that houses the optical fiber 92, 90 is a fiber ferrule guide that guides the fiber ferrule 93, and 94 is a fiber. A guard shelf for fixing the ferrule 93 with high accuracy, 91 is an incoming / outgoing light signal, 95 is an outgoing light signal, 96 is an incident light signal, 97 is a surface emitting laser array in which semiconductor lasers 81 are integrated in an array, and 98 is A surface type photo detector array in which photo detectors are integrated in an array, 99 is a driving IC for driving the surface emitting laser array 97 and the photo detector array 98, 913 is a mother board on which six mounting substrates 82 are mounted, and 911 is a mounting substrate. Mounting board for connecting 82 to motherboard 913 2 side of the signal pin array 912 shows a motherboard 913 side of the signal pin socket for receiving a signal pin array 911.
[0070]
An electrical signal from the motherboard 913 is converted into an optical signal in the transmission / reception module, and conversely, the optical signal is converted into an electrical signal. The electrical signal is transmitted through the optical fiber in the form of an optical signal. The surface emitting semiconductor laser 97 and the photodetector are monolithically integrated into a one-dimensional array shape. In addition, not only a one-dimensional array but a two-dimensional array can be used. These arrays 97 and 98 are mounted on a mounting substrate 82 by flip chip bonding shown in FIG. Then, an integrated circuit containing a drive circuit for driving the arrays 97 and 98 was mounted on the mounting substrate 82. By such mounting, the wiring length is remarkably shortened, and it is possible to suppress the deterioration of the band due to the wiring.
[0071]
As the optical fiber used for each element of the arrays 97 and 98, a ribbon type optical fiber 92 is employed. By arranging the end face of the optical fiber and the elements of the arrays 97 and 98 close to each other, they were optically coupled without using an optical element such as a lens. When the core diameter of the optical fiber is 50 μm and the light input / output diameter of the element is equal to 50 μm, a high optical coupling efficiency exceeding 50% is realized by setting the distance between them to 10 μm or less. Can do. Further, the alignment margin at this time is about ± 5 μm, which can be easily realized, if a power fluctuation of 50% is allowed.
[0072]
When the mother board 913 is incorporated into a device that accommodates the mother board 913, it is desirable that the ribbon optical fiber 92 and the mother board 913 are in a parallel positional relationship. Therefore, the mounting substrate 82 is arranged perpendicularly to the mother board 913 so that each element of the arrays 97 and 98 is arranged perpendicularly to the end face of the optical fiber. The mounting board 82 and the motherboard 913 are electrically connected by a signal pin array 911 and a signal pin socket 912.
[0073]
The ribbon-type optical fiber 92 has a positional relationship with each element of the arrays 97 and 98 by a guide mechanism including a fiber ferrule 93 and a fiber ferrule guide 90.
[0074]
In addition, in order to block each element of the arrays 97 and 98 from the outside air, the upper surface of each element was covered with a film of acrylic material having a thickness of 7 μm. Not only this material but also other thin film substances having a thickness and a refractive index that do not disturb the optical coupling state between the end face of the optical fiber and the element can be used.
[0075]
With the configuration of the optical transmission / reception module described above, it was possible to reduce the number of components and increase the accuracy of alignment between the optical fiber and the element. As a result, it was possible to improve convenience as a module, economics of module mounting, and alignment margin.
[0076]
  The present inventionExamples ofSince a semiconductor material having a large refractive index difference is used for the reflecting mirror, a desired reflectance can be obtained with a small number of layers. Further, since a material having no deliquescence is adopted as the material, a long-life surface emitting semiconductor laser can be realized. Since the number of stacked layers is small, the height of the laser can be reduced and integration with other semiconductor elements is facilitated. Therefore, a highly integrated optical transmission module and optical transmission / reception module can be realized. According to another embodiment of the present invention, since a material having Ga, In, N and As is used for the active layer of the surface emitting semiconductor laser, laser beams having wavelengths of 1.3 μm and 1.55 μm are used at room temperature. It can oscillate stably.
(Appendix)
1. An active layer that generates light on the top of the crystal substrate, and a resonator that sandwiches the upper and lower portions of the active layer between the upper reflecting mirror and the lower reflecting mirror on the substrate side in order to obtain laser light from the light generated from the active layer. In a surface emitting semiconductor laser that emits laser light perpendicular to the crystal substrate surface, the crystal substrate is a GaAs substrate, and at least one of the reflecting mirrors is
A low refractive index semiconductor layer lattice-matched to the GaAs substrate and a high-refractive index semiconductor layer lattice-matched to the GaAs substrate are alternately included, and the low refractive index semiconductor layer includes: A surface emitting semiconductor laser characterized in that a main element is made of a material of aluminum, indium and phosphorus.
2. An active layer that generates light on the top of the crystal substrate, and a resonator that sandwiches the upper and lower portions of the active layer between the upper reflecting mirror and the lower reflecting mirror on the substrate side in order to obtain laser light from the light generated from the active layer. A surface-emitting semiconductor laser that emits laser light perpendicular to the crystal substrate surface, wherein at least one of the reflecting mirrors is a semiconductor multilayer in which low-refractive index semiconductor layers and high-refractive index semiconductor layers are alternately stacked A surface-emitting semiconductor laser comprising a film, wherein the high-refractive-index semiconductor layer is made of a material of which main elements are gallium, indium, nitrogen and arsenic.
3. The high refractive index semiconductor layer is characterized in that the main elements are made of materials of gallium, indium, nitrogen and arsenic. A surface emitting semiconductor laser according to claim 1.
4). The semiconductor multilayer film is mixed with an impurity imparting p-type conductivity. Or 3. A surface emitting semiconductor laser according to claim 1.
5. 2. The reflecting mirror having the semiconductor multilayer film, wherein the number of laminated low refractive index semiconductor layers and high refractive index semiconductor layers is 30 pairs or less. A surface emitting semiconductor laser according to claim 1.
6). An active layer that generates light on the top of the crystal substrate, and a resonator that sandwiches the upper and lower portions of the active layer between the upper reflecting mirror and the lower reflecting mirror on the substrate side in order to obtain laser light from the light generated from the active layer. A surface emitting semiconductor laser that emits laser light perpendicular to the crystal substrate surface, wherein the crystal substrate is a GaAs substrate, and at least one of the reflecting mirrors includes a low-refractive index semiconductor layer lattice-matched to the GaAs substrate; The semiconductor device is composed of a semiconductor multilayer film in which high-refractive index semiconductor layers lattice-matched to the GaAs substrate are alternately stacked, and the active layer is composed of materials of gallium, indium, nitrogen and arsenic as main elements. Surface emitting semiconductor laser.
7. The wavelength of the laser beam is longer than 0.85 μm and is in the infrared wavelength range.
The above-mentioned 6. A surface emitting semiconductor laser according to claim 1.
8). 6. The wavelength of the laser beam is in a 1.3 μm band or a 1.55 μm band. A surface emitting semiconductor laser according to claim 1.
9. The semiconductor portion including the active layer and the semiconductor multilayer film of the reflecting mirror is integrated on the same crystal substrate as the other semiconductor elements. -Said 8. The surface emitting semiconductor laser according to any one of the above.
10. The semiconductor part including the active layer and the semiconductor multilayer film of the reflecting mirror is manufactured by any one of actinic epitaxy, molecular beam epitaxy, or metal organic vapor phase epitaxy. -Said 9. The manufacturing method of the surface emitting semiconductor laser as described in any one of these.
11. 1 above. -Said 9. An optical transmission module comprising the surface-emitting semiconductor laser according to claim 1 as a light source.
12 1 above. -Said 9. A parallel information processing apparatus comprising the surface-emitting semiconductor laser according to claim 1 as a light source.
13. 1 above. -Said 9. An optical fiber communication system comprising the surface-emitting semiconductor laser according to claim 1 as a light source.
14 1 above. -Said 9. An optical transceiver module comprising the surface-emitting semiconductor laser according to any one of the above as a light source.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a curve diagram for explaining refractive index characteristics of a low refractive index material and a high refractive index material.
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a first embodiment of a surface emitting semiconductor laser according to the present invention.
FIG. 3 is an arrangement configuration diagram for explaining an example of an optical transmission module according to the present invention.
4 is an arrangement configuration diagram for explaining an example of a parallel information processing apparatus using the optical transmission module of FIG. 3;
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a second embodiment of the surface emitting semiconductor laser according to the present invention.
FIG. 6 is a curve diagram for explaining the relationship between the number of laminated multilayer mirrors and the reflectance.
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a third embodiment of the surface emitting semiconductor laser according to the present invention.
FIG. 8 is an element mounting sectional view for explaining a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a structural diagram of an optical transceiver module for explaining a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... n-GaAs substrate
2 ... n-type AlInP / GaAs semiconductor multilayer reflector
4 ... GaInAs / GaAs strained quantum well active layer
9 ... Polyimide protective layer
10, 28 ... p-side electrode
11 ... Dielectric multilayer reflector
12, 29 ... n-side electrode
20 ... Semi-insulating GaAs substrate
21 ... n-GaAs buffer layer
22 ... n-type AlInP / GaInNAs semiconductor multilayer mirror
24 ... GaInAs / GaInPAs Stress compensated quantum well active layer
26 ... p-type AlInP / GaInNAs semiconductor multilayer mirror
30 ... Source electrode
31 ... Gate electrode
33 ... Drain electrode
33 ... Al wiring
42 ... n-type GaInP / GaInNAs semiconductor multilayer mirror
44 ... GaInNAs unstrained active layer
50, 81... Surface emitting semiconductor laser
51. Laser array element
61: Optical transmission module
82 ... Mounting board
83 ... Solder bump
84: One electrode of semiconductor laser
85 ... The other electrode of the semiconductor laser
54, 92 ... optical fiber
91 ... I / O light signal
95: Output light signal
96: Incident light signal
97 ... Surface emitting laser array
98 ... Surface type photo detector array
913 ... Motherboard

Claims (11)

結晶基板上部に光を発生する活性層と、当該活性層から発生した光からレーザ光を得るために活性層の上部及び下部を上部反射鏡と基板側の下部反射鏡で挟んだ共振器とを有し、結晶基板面に垂直にレーザ光を放射する面発光半導体レーザにおいて、前記結晶基板は、GaAs基板であり、少なくとも一方の反射鏡は、前記GaAs基板に格子整合する低屈折率半導体層と前記GaAs基板に格子整合する高屈折率半導体層とを交互に積層してなる半導体多層膜を含めて構成され、当該低屈折率半導体層は、主たる元素がアルミニウム、インジウム及び燐の材料からなり、前記高屈折率半導体層は、主たる元素がガリウム、インジウム、窒素及び砒素の材料からなることを特徴とする面発光半導体レーザ。  An active layer that generates light on the top of the crystal substrate, and a resonator that sandwiches the upper and lower portions of the active layer between the upper reflecting mirror and the lower reflecting mirror on the substrate side in order to obtain laser light from the light generated from the active layer. A surface-emitting semiconductor laser that emits laser light perpendicular to the crystal substrate surface, wherein the crystal substrate is a GaAs substrate, and at least one of the reflecting mirrors includes a low-refractive index semiconductor layer lattice-matched to the GaAs substrate; The semiconductor device is configured to include a semiconductor multilayer film formed by alternately laminating high refractive index semiconductor layers lattice-matched to the GaAs substrate, and the low refractive index semiconductor layer is made of a material whose main elements are aluminum, indium and phosphorus, The high-refractive-index semiconductor layer is a surface emitting semiconductor laser characterized in that main elements are made of materials of gallium, indium, nitrogen and arsenic. 結晶基板上部に光を発生する活性層と、当該活性層から発生した光からレーザ光を得るために活性層の上部及び下部を上部反射鏡と基板側の下部反射鏡で挟んだ共振器とを有し、結晶基板面に垂直にレーザ光を放射する面発光半導体レーザにおいて、少なくとも一方の反射鏡は、低屈折率の半導体層と高屈折率の半導体層とを交互に積層してなる半導体多層膜をもって構成され、当該高屈折率半導体層は、主たる元素がガリウム、インジウム、窒素及び砒素の材料からなることを特徴とする面発光半導体レーザ。  An active layer that generates light on the top of the crystal substrate, and a resonator that sandwiches the upper and lower portions of the active layer between the upper reflecting mirror and the lower reflecting mirror on the substrate side in order to obtain laser light from the light generated from the active layer. A surface-emitting semiconductor laser that emits laser light perpendicular to the crystal substrate surface, wherein at least one of the reflecting mirrors is a semiconductor multilayer in which low-refractive index semiconductor layers and high-refractive index semiconductor layers are alternately stacked A surface-emitting semiconductor laser comprising a film, wherein the high-refractive-index semiconductor layer is made of a material of which main elements are gallium, indium, nitrogen and arsenic. 前記半導体多層膜は、p型の導電性を与える不純物が混入していることを特徴とする請求項2に記載の面発光半導体レーザ。  The surface emitting semiconductor laser according to claim 2, wherein the semiconductor multilayer film is mixed with an impurity imparting p-type conductivity. 前記半導体多層膜をもって構成される反射鏡は、低屈折率半導体層と高屈折率半導体層の積層数が30対以下であることを特徴とする請求項2に記載の面発光半導体レーザ。  3. The surface emitting semiconductor laser according to claim 2, wherein the reflecting mirror including the semiconductor multilayer film has 30 or less pairs of low refractive index semiconductor layers and high refractive index semiconductor layers. 結晶基板上部に光を発生する活性層と、当該活性層から発生した光からレーザ光を得るために活性層の上部及び下部を上部反射鏡と基板側の下部反射鏡で挟んだ共振器とを有し、結晶基板面に垂直にレーザ光を放射する面発光半導体レーザにおいて、前記結晶基板はGaAs基板であり、少なくとも一方の反射鏡は、当該GaAs基板に格子整合する低屈折率半導体層と、当該GaAs基板に格子整合する高屈折率半導体層とを交互に積層してなる半導体多層膜をもって構成され、前記活性層は、主たる元素がガリウム、インジウム、窒素及び砒素の材料からなることを特徴とする面発光半導体レーザ。  An active layer that generates light on the top of the crystal substrate, and a resonator that sandwiches the upper and lower portions of the active layer between the upper reflecting mirror and the lower reflecting mirror on the substrate side in order to obtain laser light from the light generated from the active layer. In a surface emitting semiconductor laser that emits laser light perpendicular to the crystal substrate surface, the crystal substrate is a GaAs substrate, and at least one reflecting mirror includes a low-refractive index semiconductor layer that lattice-matches to the GaAs substrate, The active layer is composed of a material composed of gallium, indium, nitrogen, and arsenic, and the active layer is formed of a semiconductor multilayer film in which high refractive index semiconductor layers lattice-matched to the GaAs substrate are alternately stacked. Surface emitting semiconductor laser. 前記レーザ光の波長が0.85μmよりも長く、赤外線の波長範囲にあることを特徴とする請求項5に記載の面発光半導体レーザ。  6. The surface emitting semiconductor laser according to claim 5, wherein the wavelength of the laser beam is longer than 0.85 [mu] m and is in the infrared wavelength range. 前記レーザ光の波長が1.3μm帯又は1.55μm帯のいずれかであることを特徴とする請求項5に記載の面発光半導体レーザ。  The surface emitting semiconductor laser according to claim 5, wherein the wavelength of the laser light is in a 1.3 μm band or a 1.55 μm band. 請求項1〜請求項のいずれか一に記載の面発光半導体レーザを光源として備えたことを特徴とする光送信モジュール。An optical transmission module comprising the surface-emitting semiconductor laser according to any one of claims 1 to 7 as a light source. 請求項1〜請求項のいずれか一に記載の面発光半導体レーザを光源として備えたことを特徴とする並列情報処理装置。Parallel processing apparatus comprising the surface emitting semiconductor laser according as the light source to any one of claims 1 to 7. 請求項1〜請求項のいずれか一に記載の面発光半導体レーザを光源として備えたことを特徴とする光ファイバ通信システム。An optical fiber communication system comprising the surface emitting semiconductor laser according to any one of claims 1 to 7 as a light source. 請求項1〜請求項のいずれか一に記載の面発光半導体レーザを光源として備えたことを特徴とする光送受信モジュール。Optical transceiver module comprising the surface-emitting semiconductor laser according as the light source to any one of claims 1 to 7.
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