JP4046466B2 - 半導体分布ブラッグ反射鏡、面発光型半導体レーザ並びにこれを用いた光送信モジュール、光送受信モジュール及び光通信システム - Google Patents
半導体分布ブラッグ反射鏡、面発光型半導体レーザ並びにこれを用いた光送信モジュール、光送受信モジュール及び光通信システム Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、光通信用半導体レーザ、光通信モジュール、光通信システム、プリンタ用書き込み光源、光ピックアップシステム用光源等の各種光源に利用可能な可視領域及び長波長帯の面発光型半導体レーザ、及び、このような面発光型半導体レーザに好適な半導体分布ブラッグ反射鏡並びに面発光型半導体レーザを用いた光送信モジュール、光送受信モジュール及び光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
面発光型半導体レーザ（面発光レーザ）は基板に対して垂直方向に光を出射する半導体レーザであり、光インターコネクションの光源、光ピックアップ用の光源等、各種光源として用いられている。
【０００３】
面発光型半導体レーザは、基本的には、光を発生する活性層を含んだ活性領域を反射鏡で挟んだ構造となっている。その反射鏡としては低屈折率層と高屈折率層を交互に積層した半導体分布ブラッグ反射鏡が広く用いられている。半導体分布ブラッグ反射鏡の材料としては、活性層から発生する光を吸収しない材料（一般に、活性層よりワイドバンドギャップの材料）であって、格子緩和を発生させないために基板に格子整合する材料が用いられる。
【０００４】
ところで、反射鏡の反射率は９９％以上と極めて高くする必要がある。反射率は積層数を増やすことによって高くなる。しかし、積層数が増加すると作製が困難になってしまう。このため、低屈折率層と高屈折率層の屈折率差が大きい方が好ましい。ＡｌＧａＡｓ系材料はＡｌＡｓとＧａＡｓが終端物質であり、格子定数は基板であるＧａＡｓとほぼ同程度であり、屈折率差が大きいので、よく用いられている。
【０００５】
また、低閾値化のためには電流狭窄構造が用いられている。例えば、特開平７−２４０５０６号公報に示されるように、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる半導体分布ブラッグ反射鏡による共振器と、イオン注入により高抵抗層を形成した電流狭窄構造とを用いた構造がある。
【０００６】
また、特許第２９１７９７１号公報に示されるように、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる半導体分布ブラッグ反射鏡による共振器と、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓの一部を選択的に酸化した酸化膜を用いた電流狭窄構造とを用いた面発光レーザもある。
【０００７】
その製法として高温での水蒸気供給による酸化が用いられている。ＡｌxＯyのような完全な絶縁体になること、また、活性層と狭窄層との距離を結晶成長で厳密に制御できること、電流通路を極めて狭くできることから、無効電流の低減、活性領域の低減に向き、低消費電力化に適しており、最近良く用いられている。ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成が大きくなるに従い酸化速度が激増していくことを利用しており、酸化したい層のＡｌ組成を他より大きくすることで得ることができる。このため、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層にはＡｌ（Ｇａ）Ａｓ酸化層よりＡｌ組成を小さく、つまり、Ｇａ組成を大きくしている。
【０００８】
特許第２９１７９７１号公報では、被選択酸化層にＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｙ＝０．９７）が用いられ、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層にはＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．９２）が用いられている。
【０００９】
これらの半導体分布ブラッグ反射鏡技術及び電流狭窄技術によりＧａＡｓやＧａＩｎＡｓを活性層とした波長０．８５μｍ，０．９８μｍ帯の面発光レーザは良好な性能が得られている。
【００１０】
しかし、半導体分布ブラッグ反射鏡はできるだけ積層数が少ない方が望ましい。また、選択酸化技術を用いた場合、低屈折率層であるＡｌxＧａ1-xＡｓのＡｌ組成を小さくすると屈折率が大きくなり、高屈折率層との屈折率差が小さくなるため、高反射率を得るための積層数を増やす必要が生じる。また、ＧａＡｓに格子定数が近いもののＡｌＡｓで０．１４％の違いがあり、多層膜反射鏡として多くの層を積層することから信頼性への影響が懸念される。
【００１１】
さらに、可視波長領域や長波長領域においては実用的な性能の面発光レーザは得られていない。
【００１２】
波長６００ｎｍ〜７００ｎｍ帯の赤色面発光レーザはＧａＡｓに格子整合したＡｌＧａＩｎＰ系材料が用いられている。特に、光ピックアップシステムや、レーザプリンタ等の光源では記録密度向上の点からできるだけ短波長が求められている。また、６５０ｎｍの波長は吸収損失の点でアクリル系プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）を用いたＩＥＥＥ１３９４等の光データリンクに適した光源である。
【００１３】
半導体分布ブラッグ反射鏡としては、ＡｌＧａＡｓ（ほぼＡｌＡｓ組成）／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓの組み合わせが多く用いられている（例えば、ＩＥＥＥ Ｐhotonics Ｔechnology Ｌetter，Ｖol.6，Ｎo.3，1994. ＰＰ.313-316.）。波長が短くなると吸収を避けるため高屈折率層のＡｌ組成は大きくなり、低屈折率層との屈折率差が小さくなるので、結果として、高反射率を得るための積層数はＧａＡｓを用いることのできる波長９８０ｎｍ帯等の面発光レーザに比べて増加してしまう。
【００１４】
そこで、例えば、特開平６−１９６８２１号公報等に見られるように、ＧａＡｓ基板に格子整合する（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐ及び（ＡｌyＧａ1-y）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（０≦ｙ＜ｘ≦１）を各々低屈折率層、高屈折率層としたものがある。（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐ／（ＡｌyＧａ1-y）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（ｘ＝１，ｙ＝０．５）ミラーで比較すると、Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ／（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐの屈折率差はＡｌＡｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｐの屈折率差に比べて大きく積層数を低減できるとともに、価電子帯のバンド不連続が小さくＰ側のミラーの抵抗を低減できる可能性を持っている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バンドギャップの関係で波長が６８０ｎｍ程度より短波長では吸収が起きるので、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐを高屈折率層に用いることはできず、６５０ｎｍ，６３０ｎｍ帯等の短波長レーザの高屈折率層には４元混晶であるＡｌを添加したＡｌＧａＩｎＰを用いざるを得ない。４元混晶は制御する原料が増えるので組成制御の困難性が増す。また、電気抵抗、熱抵抗が高くなる問題がある。また、厳密な組成コントロールの困難なＩｎを含んだ材料系であり、しかも、特にＩｎに対する格子定数の組成依存性が大きい材料系なので、安定に生産するのが困難なこと及び低抵抗Ｐ型ＡｌＩｎＰを得るのが困難なことが課題である。このため、半導体分布ブラッグ反射鏡としてはＡｌＧａＡｓ系材料が主に用いられている。
【００１６】
また、現在の光ファイバ通信には、石英系光ファイバでの損失が小さい１．３μｍ，１．５５μｍ帯の長波長帯の半導体レーザが用いられている。今後は各端末へも光ファイバ化（Ｆiber Ｔo Ｔhe Ｈome（ＦＴＴＨ））が進み、さらには各機器間、機器内においても光による情報伝送が導入され光による情報伝送技術がますます重要になる。
【００１７】
これらを実現するためには、光通信モジュールの「桁違い」の低価格化が最重要課題の一つであり、消費電力が小さく、かつ、冷却システムを必要としない良好な温度特性の長波長帯半導体レーザが強く求められている。
【００１８】
この波長に対応するバンドギャップを有するIII−Ｖ族半導体であるＩｎＰ基板上のＧａＩｎＰＡｓ系材料が市場を独占している。しかし、ＩｎＰ系材料は，クラッド層（スペーサ層）と発光層との間の伝導帯バンド不連続が小さく、発光層への注入電子の閉じ込めが温度上昇とともに悪い。
【００１９】
さらに、ＩｎＰ基板に格子整合する材料では、屈折率差が大きくて半導体分布ブラッグ反射鏡に適した材料がない。結果として、実用に耐え得る良好な性能の長波長面発光レーザは得られていない。
【００２０】
これを解決できる材料として、例えば特開平６−３７号公報によれば、ＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＮＡｓ系材料が提案されている。ＧａＩｎＮＡｓはＮと他のＶ族元素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体である。ＧａＡｓより格子定数が大きいＧａＩｎＡｓにＮを添加することで格子定数をＧａＡｓに格子整合させることが可能であり、さらにバンドギャップエネルギーが小さくなり１．３μｍ，１．５μｍ帯での発光が可能な材料である。
【００２１】
Ｊpn．Ｊ．Ａppl．Ｐhys．Ｖol．35(1996)ＰＰ．1273-1275では、近藤らによりバンドラインナップが計算されている。ＧａＡｓ格子整合系なのでＡｌＧａＡｓ等をクラッド層に用いることで伝導帯のバンド不連続が大きくなる。このため高特性温度半導体レーザが実現できると予想されている。
【００２２】
ＧａＡｓ基板に形成できることから半導体多層膜反射鏡としてＡｌ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ系材料を用いることができ、ＩｎＰ基板上に形成する場合に比べて積層数を非常に低減できる。
【００２３】
しかしながら、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ系材料を用いる９８０ｎｍ帯等の従来のＧａＡｓ基板上面発光レーザに比べて、波長が長い分、反射鏡の各層の層厚が厚くなるので、半導体多層膜反射鏡の総厚が厚くなり、反射鏡の作製が困難になって、歩留まりが低下する問題が残る。
【００２４】
そこで、本発明は、少ない積層数で高い反射率が得られる半導体分布ブラッグ反射鏡を提供することを目的とする。
【００２５】
また、本発明は、総厚が薄く製造が容易な面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
【００２６】
また、上記目的を実現する上で、閾値電流の小さい面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
【００２７】
同様に、上記目的を実現する上で、閾値電流が小さく可視光を扱える面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
【００２８】
同様に、上記目的を実現する上で、閾値電流が小さく９００ｎｍより長波長域を扱える面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
【００２９】
同様に、上記目的を実現する上で、閾値電流が小さく１．１μｍより長波長域を扱える面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
【００３０】
また、上記の面発光型半導体レーザを利用することで、低コストで、高性能・高信頼性の光送信モジュール、光送受信モジュール及び光通信システムを提供することを目的とする。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、屈折率が周期的に変化する構造を有して入射光を光波干渉により反射させる半導体分布ブラッグ反射鏡において、反射鏡はＧａＡｓ半導体基板上に形成され、低屈折率部分を形成する半導体の少なくとも一部はＡｌ，Ｐ及びＡｓを同時に含むＡｌＰ y Ａｓ 1-y 層（ただし、０＜ｙ＜１）であることを特徴とする。
【００３２】
従って、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ただし、０＜ｘ≦１）よりＡｌＰ y Ａｓ 1-y 層（ただし、０＜ｙ＜１）の方がバンドギャップは大きく、また、屈折率は小さい。よって、ＡｌＰ y Ａｓ 1-y 層層を低屈折率層として用いると高屈折率層との屈折率差が大きくなり、高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡を少ない積層数で実現できる。また、ＡｌxＧａ1-xＡｓでは格子整合できないが、Ｐを約４％添加することでＧａＡｓ基板に完全に格子整合させることができる。
【００３５】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体分布ブラッグ反射鏡において、前記低屈折率部分を形成する半導体の少なくとも一部の格子定数が、前記半導体基板の格子定数より小さく、引っ張り歪を有することを特徴とする。
【００３６】
従って、Ｐ添加量をさらに増やすこと（ＡｌＰyＡｓ1-yの場合、ｙが４％以上）で引っ張り歪を有することになるが、屈折率は格子整合する材料よりさらに小さくなる。よって、引っ張り歪を有するＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層を低屈折率層として用いると、高屈折率層との屈折率差がさらに大きくなり、より少ない積層数で高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡を実現できる。低屈折率層としてよく用いられるＡｌＡｓがＧａＡｓ基板に対して０．１４％の圧縮歪を有することから、０．１４％程度の引っ張り歪を有している材料なら格子不整合は実用上問題ない。０．１４％程度の引っ張り歪を有するＡｌＰyＡｓ1-yのＰ組成は８％程度である。
【００３７】
請求項３記載の発明は、半導体基板上に、少なくとも光を発生する活性層と、レーザ光を得るために前記活性層の上部及び下部に設けられた反射鏡と、を含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体基板はＧａＡｓ半導体基板であり、少なくとも一方の前記反射鏡は屈折率が周期的に変化する構造を有し入射光を光波干渉により反射させる半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、前記半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率部分を形成する半導体の少なくとも一部はＡｌ，Ｐ及びＡｓを同時に含むＡｌＰ y Ａｓ 1-y 層（ただし、０＜ｙ＜１）であることを特徴とする。
【００３８】
従って、少ない層数で高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡が得られるので、面発光型半導体レーザの総厚が薄くなり、製造が容易となる。また、面発光型半導体レーザの高さが低くなり段差が小さくなるので平坦化や配線が容易になり、また、他の素子とのモノリシック化も容易になる。また、ＡｌxＧａ1-xＡｓでは完全には格子整合できないが、Ｐを約４％添加することでＧａＡｓ基板に完全に格子整合させることができ、面発光型半導体レーザの信頼性を高くできる。
【００４１】
請求項４記載の発明は、請求項４又は５記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記低屈折率部分を形成する半導体の少なくとも一部の格子定数が、前記半導体基板の格子定数より小さく、引っ張り歪を有することを特徴とする。
【００４２】
従って、Ｐ添加量をさらに増やすことで引っ張り歪を有することになるが、屈折率は格子整合する材料よりさらに小さくなる。よって、引っ張り歪を有するＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層を低屈折率層として用いると、高屈折率層との屈折率差がさらに大きくなり、より少ない積層数で高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡を実現でき、面発光型半導体レーザの総厚が薄くなり作製が容易になる。また、面発光型半導体レーザの高さが低くなり段差が小さくなるので平坦化や配線が容易になり、また、他の素子とのモノリシック化も容易になる。低屈折率層としてよく用いられるＡｌＡｓがＧａＡｓ基板に対して０．１４％の圧縮歪を有することから、０．１４％程度の引っ張り歪を有している材料なら格子不整合は実用上問題ない。つまり、Ｐ組成８％程度は実用上問題ない。
【００４３】
請求項５記載の発明は、請求項３又は４記載の面発光型半導体レーザにおいて、Ａｌ，Ａｓを主成分としたＡｌＡｓを選択的に酸化した開口部を有する電流狭窄用酸化層を備えることを特徴とする。
【００４４】
従って、ＡｌxＧａ1-xＡｓにＰを添加することで屈折率が小さくなるとともに酸化速度が低下することが酸化実験により分かった。ＡｌＡｓにＧａやＩｎを添加すると酸化速度がＧａやＩｎ組成の増加に伴って急激に低下することは良く知られているが、Ｐを添加した時の振る舞いは知られていなかった。そこで、ＧａＡｓ基板上のＡｌＡｓと、ＧａＡｓ基板上に組成傾斜層を介して成長されたＧａＡｓ0.6Ｐ0.4エピ基板上のＡｌＡｓ0.6Ｐ0.4を高温中での水蒸気による酸化を行った。各々厚さは４０ｎｍでクラッド層で挟んである。エッチングにより被選択酸化層の側面が現れるまでメサを形成し、側面から酸化する。ＡｌＡｓは４４０℃、１０ｍｉｎ間で８μｍ酸化されＡｌxＯyとなった。一方、ＡｌＡｓ0.6Ｐ0.4は５００℃、２０ｍｉｎ間でもほとんど酸化されなかった。よって、III族がＡｌのみであるにもかかわらず、Ｐが含まれることで酸化速度を低下させることが分かった。
【００４５】
よって、半導体分布ブラッグ反射鏡の屈折率差を小さくすることなく半導体分布ブラッグ反射鏡の酸化を抑えることができるので、半導体分布ブラッグ反射鏡の層数を増やすことなく選択酸化層による電流狭窄構造を採用でき、面発光型半導体レーザの低消費電力化と薄膜化を両立できる。
【００４６】
請求項６記載の発明は、請求項３ないし５の何れか一に記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体分布ブラッグ反射鏡の高屈折率半導体層がＡｌＧａＡｓ層であり、前記活性層がＧａＩｎＰ層であることを特徴とする。
【００４７】
従って、光を吸収しない材料で半導体分布ブラッグ反射鏡を構成する必要があるため、ワイドギャップであるＧａＩｎＰを活性層に用いた可視レーザは高屈折率層として大きい屈折率の材料を用いることができないため、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層と高屈折率層との屈折率差は小さく、積層数は０．９８μｍ帯等の波長の長い面発光型半導体レーザに比べて多い。よって、ＡｌxＧａ1-xＡｓにＰを添加し屈折率を小さくすることによる積層数低減効果は大きく、可視面発光型半導体レーザの作製が容易になる。
【００４８】
請求項７記載の発明は、請求項３ないし５の何れか一に記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体分布ブラッグ反射鏡の高屈折率半導体層がＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y層（ただし、０＜ｘ≦１，０＜ｙ＜１）であることを特徴とする。
【００４９】
従って、高屈折率層の屈折率が従来よりも大きくなるので、さらに積層数の低減を図ることができ、面発光レーザの製造が容易となる。
【００５０】
請求項８記載の発明は、請求項３ないし５の何れか一に記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記活性層がＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＡｓＳｂの何れかにより形成されていることを特徴とする。
【００５１】
従って、ＧａＡｓ基板上に長波長帯面発光型半導体レーザを形成すると、従来のＩｎＰ基板上に形成した場合に比べて、半導体分布ブラッグ反射鏡の積総数低減効果は大きい。しかし、それでもレーザの波長が１．３μｍ帯等、長い場合、半導体分布ブラッグ反射鏡の総厚は厚くなってしまう。この点、低屈折率層であるＡｌxＧａ1-xＡｓにＰを添加し屈折率を小さくすることで、従来のＧａＡｓ基板上の長波長帯面発光型半導体レーザ用の半導体分布ブラッグ反射鏡よりも積層数をさらに低減でき、製造が容易となる。
【００５２】
請求項９記載の発明の光送信モジュールは、請求項３ないし８の何れか一に記載の面発光型半導体レーザを光源として備えることを特徴とする。
【００５３】
従って、請求項３ないし８の何れか一に記載の低コストで、高品質・高信頼性に優れた面発光型半導体レーザを用いることによって、低コストで、高性能で信頼性の高い光送信モジュールを実現することができる。
【００５４】
請求項１０記載の発明の光送受信モジュールは、請求項３ないし８の何れか一に記載の面発光型半導体レーザを光源として備えることを特徴とする。
【００５５】
従って、請求項３ないし８の何れか一に記載の低コストで、高品質・高信頼性に優れた面発光型半導体レーザを用いることによって、低コストで、高性能で信頼性の高い光送受信モジュールを実現することができる。
【００５６】
請求項１１記載の発明の光通信システムは、請求項３ないし８の何れか一に記載の面発光型半導体レーザを光源として備えることを特徴とする。
【００５７】
従って、請求項３ないし８の何れか一に記載の低コストで、高品質・高信頼性に優れた面発光型半導体レーザを用いることによって、低コストで、高性能で信頼性の高い光通信システムを実現することができる。
【００５８】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１に基づいて説明する。本実施の形態は、半導体分布ブラッグ反射鏡１への適用例を示す。ここでは、反射させる波長を６５０ｎｍとする。本実施の形態では、半導体基板であるＧａＡｓ基板２上にＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層（ただし、ｘ＝１．０，ｙ＝０．０４）３とｎ-Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層４とを各々の媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層したＡｌＰ0.04Ａｓ0.96／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ周期構造（３１周期）５が有機金属気相成長方法（ＭＯＣＶＤ）により成長させることにより形成されている。
【００５９】
原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＡｓＨ3（アルシン），ＰＨ3（フォスフィン）を用いた。キャリアガスにはＨ2を用いた。ＡｌＰ0.04Ａｓ0.96層３はＧａＡｓ基板２に格子整合している。ＡｌＰ0.04Ａｓ0.96層３の６５０ｎｍに対する屈折率は３．０９８と見積もられ、Ｐを添加することでＡｌＡｓの３．１２より小さくなる。波長６５０ｎｍの光に対する反射率は９９．９％であった。
【００６０】
この結果、同じ反射率を得るのに、従来のＡｌＡｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ反射鏡の３４周期より積層数を低減させることができる。低屈折率層としてＡｌＰyＡｓ1-y層２を用いたが、Ｇａが含まれるＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-yを用いてもＡｌxＧａ1-xＡｓより屈折率が小さくなるので効果がある。
【００６１】
本発明の第二の実施の形態を図１に基づいて説明する。本実施の形態も、半導体分布ブラッグ反射鏡１に関するもので、反射させる波長を６５０ｎｍとする。本実施の形態では、ｙの比率が第一の実施の形態の場合と異なる。
【００６２】
即ち、ＧａＡｓ基板２上にＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層（ただし、ｘ＝１．０，ｙ＝０．０８）３とｎ-Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層４とを各々の媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（２９周期）５が有機金属気相成長方法（ＭＯＣＶＤ）により成長させることにより形成されている。
【００６３】
原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＡｓＨ3（アルシン），ＰＨ3（フォスフィン）を用いた。キャリアガスにはＨ2を用いた。ＡｌＰ0.08Ａｓ0.92層３はＧａＡｓ基板２より格子定数は小さく０．１４％引っ張り歪を有している。Ｐ組成を大きくしたので、さらに屈折率は小さい。波長６５０ｎｍの光に対する反射率は９９．９％であった。この結果、従来のＡｌＡｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ反射鏡の３４周期より低減させることができたものである。
【００６４】
本発明の第三の実施の形態を図２に基づいて説明する。本実施の形態は、面発光型半導体レーザ１１への適用例を示す。
【００６５】
（０１１）方向に１５°オフした面方位（１００）のｎ-ＧａＡｓ基板１２上にｎ-ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層（ただし、ｘ＝１．０，ｙ＝０．０４）１３とｎ-Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層１４を各々の媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（３１周期）１５からなるｎ-半導体分布ブラッグ反射鏡（下部反射鏡）１６、アンドープ下部（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐスペーサ層１７、４層の圧縮歪ＧａＩｎＰ井戸層と(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層からなる多重量子井戸活性層１８、アンドープ上部(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐスペーサ層１９、Ｚｎドープｐ-ＡｌＡｓ被選択酸化層（５０ｎｍ）２０、Ｃドープｐ-ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層（ただし、ｘ＝１．０，ｙ＝０．０４）２１とｐ-Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層２２を各々の媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（２４周期）２３からなる半導体分布ブラッグ反射鏡（上部反射鏡）２４、ｐ-ＧａＡｓコンタクト層２５、を順次成長させることにより形成されている。
【００６６】
成長方法はＭＯＣＶＤ法で行った。原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＡｓＨ3（アルシン）、ＰＨ3（フォスフィン）を用いた。キャリアガスにはＨ2を用いた。
【００６７】
電流狭窄部分２６は、電流経路外の部分をプロトン（Ｈ+）照射によって絶縁層２７を作って形成した。光取り出し口となる上部反射鏡２４上の光取り出し口２８部分のコンタクト層２５を除去し、ｐコンタクト層２５上にｐ側電極２９、基板１２裏面にはｎ側電極３０を形成した。
【００６８】
反射率を９９．９％とした時の積層数は３１周期であり、従来のＡｌＡｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ反射鏡の３４周期より積層数を低減させることができたものである。低屈折率層としてＡｌＰyＡｓ1-y層１３，２１を用いたが、Ｇａの含まれるＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-yを用いてもＡｌxＧａ1-xＡｓより屈折率が小さくなるので効果がある。これにより、面発光型半導体レーザ１１の製造が容易となった。作製した面発光型半導体レーザ１１の発振波長は約６５０ｎｍであった。半導体分布ブラッグ反射鏡１６，２４の格子定数がＧａＡｓ基板１２に格子整合しているので信頼性は極めて良好であった。
【００６９】
本発明の第四の実施の形態を図２に基づいて説明する。本実施の形態も、面発光型半導体レーザ１１に関するものであるが、半導体分布ブラッグ反射鏡１６，２４の低屈折率層としてＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層（ただし、ｘ＝１．０，ｙ＝０．０８）１３，２１を用いた点以外は、第三の実施の形態の場合と同様である。
【００７０】
格子整合するＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層１３，２１より屈折率が小さく、反射率を９９．９％とした時の積層数は２９周期であり、従来のＡｌＡｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ反射鏡の３４周期より積層数を低減させることができる。これにより、面発光型半導体レーザ１１の製造が容易となった。なお、作製した面発光型半導体レーザ１１の発振波長は約６５０ｎｍであった。
【００７１】
本発明の第五の実施の形態を図３に基づいて説明する。本実施の形態は、面発光型半導体レーザ３１への適用例を示す。
【００７２】
（０１１）方向に１５°オフした面方位（１１０）のｎ-ＧａＡｓ基板３２上にｎ-ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層（ただし、ｘ＝１．０，ｙ＝０．０４）３３とｎ-Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層３４を各々の媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（３１周期）３５からなるｎ-半導体分布ブラッグ反射鏡（下部反射鏡）３６、アンドープ下部（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐスペーサ層３７、３層の圧縮歪ＧａＩｎＰ井戸層と(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層からなる多重量子井戸活性層３８、アンドープ上部(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐスペーサ層３９、Ｚｎドープｐ-ＡｌＡｓ被選択酸化層（５０ｎｍ）４０、Ｃドープｐ-ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層（ただし、ｘ＝１．０，ｙ＝０．０４）４１とｐ-Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層４２を各々の媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（２４周期）４３からなる半導体分布ブラッグ反射鏡（上部反射鏡）４４、ｐ-ＧａＡｓコンタクト層４５、が順次成長されている。
【００７３】
成長方法はＭＯＣＶＤ法で行った。原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＡｓＨ3（アルシン）、ＰＨ3（フォスフィン）を用いた。キャリアガスにはＨ2を用いた。
【００７４】
所定の大きさのメサをｐ-ＡｌＡｓ被選択酸化層４０の側面が露出するまで形成し、側面の現れたＡｌＡｓを水蒸気で側面から酸化してＡｌxＯy電流狭窄部４６を形成した。この時、上部反射鏡４４のＡｌＰＡｓ層４１はほとんど酸化されなかった。次に、光取り出し口となる上部反射鏡４４上の光取り出し口４７部分のコンタクト層４５を除去し、ｐ-ＧａＡｓコンタクト層４５にｐ側電極４８、基板３２裏面にはｎ側電極４９を形成した。
【００７５】
ここで、ＡｌxＧａ1-xＡｓとＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-yの酸化速度について示す。ＡｌxＧａ1-xＡｓにＰを添加することで屈折率が小さくなるとともに酸化速度が低下することが酸化実験により分かった。ＡｌＡｓにＧａやＩｎを添加すると酸化速度がＧａやＩｎ組成の増加に伴って急激に低下することは良く知られているが、Ｐを添加した時の振る舞いは知られていなかった。そこで、ＧａＡｓ基板３２上のＡｌＡｓとＧａＡｓ基板３２上に組成傾斜層を介して成長されたＧａＡｓ0.6Ｐ0.4エピ基板上のＡｌＡｓ0.6Ｐ0.4を高温中での水蒸気による酸化を行った。ＡｌＡｓは４４０℃，１０ｍｉｎ間で８μｍ酸化されＡｌxＯyとなった。一方、ＡｌＡｓ0.6Ｐ0.4は５００℃，２０ｍｉｎ間でもほとんど酸化されなかった。よって、III族がＡｌのみであるにもかかわらずＰが含まれることで酸化速度を低下させることが分かった。
【００７６】
反射率を９９．９％とした時の積層数は３１周期であり、従来のＡｌ0.95Ｇａ00.5Ａｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓの３６周期に比べて低減できた。酸化はＡｌ組成が大きいほど進むので、ＡｌＡｓ選択酸化による電流狭窄構造を用いるために、従来は反射鏡の低屈折率層のＡｌ組成を被選択酸化層より小さくしていたが、Ｐを加えることで屈折率が小さくなるとともに酸化速度が小さくなるので積層数を増加することなく、むしろ積層数を少なくしてＡｌＡｓ酸化構造を用いることができる。これにより面発光型半導体レーザ３１の製造が容易となった。作製した面発光型半導体レーザ３１の発振波長は約６５０ｎｍであった。ＡｌＡｓの選択酸化により電流狭窄を行ったので閾値電流は低かった。また、半導体分布ブラッグ反射鏡の格子定数がＧａＡｓ基板３２に格子整合しているので信頼性は極めて良好であった。また、本実施の形態の面発光型半導体レーザ３１を光ピックアップシステムや、レーザプリンタの光源に用いることができる。
【００７７】
本発明の第六の実施の形態を図４に基づいて説明する。本実施の形態は、面発光型半導体レーザ５１への適用例を示す。
【００７８】
面方位（１００）のｎ-ＧａＡｓ基板５２上にｎ-ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層（ただし、ｘ＝１．０，ｙ＝０．０４）５３とｎ-ＧａＡｓ層５４を各々の媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（２１周期）５５からなるｎ-半導体分布ブラッグ反射鏡（下部反射鏡）５６、アンドープ下部ＧａＡｓスペーサ層５７、３層のＧａ0.7Ｉｎ0.5Ｎ0.01Ａｓ0.99Ａｓ井戸層とＧａＡｓバリア層（１３ｎｍ）からなる多重量子井戸活性層５８、アンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層５９、Ｚｎドープｐ-ＡｌＡｓ層（５０ｎｍ）６０、Ｃドープのｐ-ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層（ただし、ｘ＝１．０，ｙ＝０．０４）６１とｐ-ＧａＡｓ層６２を各々の媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（１６周期）６３からなる半導体分布ブラッグ反射鏡（上部反射鏡）６４、ｐ-ＧａＡｓコンタクト層６５、が順次成長されている。井戸層のＩｎ組成ｘは３７％、窒素組成は０．５％とした。井戸層の厚さは７ｎｍとした。
【００７９】
成長方法はＭＯＣＶＤ法で行った。原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＡｓＨ3（アルシン）、ＰＨ3（フォスフィン）、窒素の原料にはＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので６００℃以下のような低温成長に適しており、特に、低温成長の必要な歪みの大きい量子井戸層を成長する場合、好ましい。本実施の形態では、ＧａＩｎＮＡｓ層５８は５４０℃で成長した。キャリアガスにはＨ2を用いた。
【００８０】
所定の大きさのメサをｐ-ＡｌＡｓ層被選択酸化層６０の側面を露出させるまで形成し、側面の現れたＡｌＡｓを水蒸気で側面から酸化してＡｌxＯy電流狭窄部６６を形成した。そして、次にポリイミド６７でエッチング部を埋め込んで平坦化し、ｐコンタクト層６５と光取り出し口６８となる上部反射鏡６４上のポリイミド６７を除去し、ｐコンタクト層６５にｐ側電極６９、ｎ裏面にｎ側電極７０を形成した。
【００８１】
反射率を９９．５％とした時の積層数は１６周期であり従来のＡｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ／ＧａＡｓの１８周期に比べて低減できた。酸化はＡｌ組成が大きいほど進むので、ＡｌＡｓ選択酸化による電流狭窄構造を用いるために、従来は反射鏡の低屈折率層のＡｌ組成を被選択酸化層６０より小さくしていたが、Ｐを加えることで屈折率が小さくなるとともに酸化速度が小さくなるので積層数を増加することなく、むしろ積層数を少なくしてＡｌＡｓ酸化構造を用いることができる。これにより、面発光型半導体レーザ５１の製造が容易となった。作製した面発光型半導体レーザ５１の発振波長は約１．３μｍであった。ＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いたのでＧａＡｓ基板５２上に長波長帯の面発光型半導体レーザ５１を形成できた。ＡｌＡｓの選択酸化により電流狭窄を行ったので閾値電流は低かった。また、半導体分布ブラッグ反射鏡の格子定数がＧａＡｓ基板５２に格子整合しているので信頼性は極めて良好であった。また、上部反射鏡６４を薄くできたのでポリイミド６７の埋め込みは容易になり、さらに、配線が段切れしにくくなり（本実施の形態ではｐ側電極６８）素子の歩留まりは向上した。このように低消費電力で低コストの１．３μｍ帯面発光型半導体レーザ５１を実現できた。
【００８２】
ＭＯＣＶＤ法での成長の例を示したが、ＭＢＥ法等他の成長方法を用いることもできる。また、窒素の原料にＤＭＨｙを用いたが活性化した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもできる。また、積層構造として３重量子井戸構造（ＴＱＷ）の例を示したが、他の井戸数の量子井戸を用いた構造（ＳＱＷ，ＭＱＷ）等を用いることもできる。レーザの構造も他の構造にしても構わない。ＧａＩｎＮＡｓ活性層５８の組成を変えることで１．５５μｍ帯、さらにはもっと長波長の面発光型半導体レーザ５１も可能となる。また、活性層にＧａＡｓＳｂを用いてもＧａＡｓ基板５２上に１．３μｍ帯面発光レーザを実現できる。さらに、ＧａＩｎＡｓを用いた場合、従来１．１μｍまでが長波長化の限界と考えられていたが、６００℃以下の低温成長により高歪のＧａＩｎＡｓ量子井戸活性層を従来より厚く成長することが可能となり、波長は１．２μｍまで到達できる。波長１．１μｍ〜１．３μｍの半導体レーザは従来適した材料がなかったが、高歪ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＡｓＳｂを用いることにより可能となる。さらに、従来高性能化が困難であった波長１．３μｍ帯、１．５５μｍ帯等長波長において、高性能な面発光型半導体レーザ５１を実現できる。
【００８３】
本発明の第七の実施の形態を図４及び図５に基づいて説明する。本実施の形態の面発光型半導体レーザ５１は、図４に示す構造において、半導体分布ブラッグ反射鏡５６，６４の高屈折率層としてＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y層（ただし、０＜ｘ≦１，０＜ｙ＜１）を用いたものであり、その他の点は第六の実施の形態の場合と同様である。
【００８４】
ＧａＩｎＮＡｓはＧａＡｓ基板５２に格子整合可能であり、バンドギャップはＧａＡｓより小さく、屈折率はＧａＡｓより大きい。屈折率の測定例を図５に示す。ＧａＡｓ基板５２に格子整合するＧａ0.13Ｉｎ0.87Ｎ0.04Ａｓ0.96の例である。ＧａＡｓよりも大きいことが分かる。よって、反射鏡の積層数を第六の実施の形態よりもさらに低減させることができる。これにより、面発光型半導体レーザ５１の製造がさらに容易となる。
【００８５】
本発明の第八の実施の形態を図６に基づいて説明する。本実施の形態は、例えば第六の実施の形態で説明した１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ５１と石英系光ファイバ７１とを組み合わせた光送信モジュール７２への適用例を示す。
【００８６】
光源としての面発光型半導体レーザ５１からのレーザ光による光信号が光ファイバ７１に入力され、伝送される。この際、発振波長の異なる複数の半導体レーザ５１を１次元又は２次元にアレイ状に配置させれば、波長多重送信により伝送速度を増加させることができる。また、半導体レーザ５１を１次元又は２次元にアレイ状に配置させれば、各々に対応する複数の光ファイバ７１からなる光ファイバ束とを結合させることで伝送速度を増加させることができる。
【００８７】
本実施の形態を光通信システムに用いると、面発光型半導体レーザ５１が低コストであるので、送信用半導体レーザ５１と光ファイバ７１とを組合せた光送信モジュールを用いた低コストな光通信システムを実現できる。また、ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ５１の温度特性が良いこと、及び、低閾値であることにより、発熱が少なく高温まで冷却なしで使えるシステムを実現できる。６５０ｎｍ帯の面発光型半導体レーザ１１又は３１とアクリル系ＰＯＦ（プラスチック光ファイバ）の組合せでも良い。
【００８８】
本発明の第九の実施の形態を図７に基づいて説明する。本実施の形態は、例えば第六の実施の形態で説明した１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ５１と受信用のフォトダイオード７３と石英系光ファイバ７１とを組み合わせた光送受信モジュール７４への適用例を示す。
【００８９】
本実施の形態を光通信システムに用いると、光源としての面発光型半導体レーザ５１が低コストであるので送信用半導体レーザ５１と受信用フォトダイオード７３と光ファイバ７１とを組み合わせた光送受信モジュール７４を用いた低コストな光通信システムを実現できる。また、ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ５１の温度特性が良いこと、及び、低閾値であることにより、発熱が少なく高温まで冷却なしで使えるシステムを実現できる。６５０ｎｍ帯の面発光型半導体レーザとアクリル系ＰＯＦ（プラスチック光ファイバ）の組合せでも良い。
【００９０】
なお、前述した実施の形態の面発光型半導体レーザを用いる光通信システムとしては、光ファイバを用いる長距離通信用に限らず、ＬＡＮ（Ｌocal Ａrea Ｎetwork）などのコンピュータ等の機器間伝送、さらにはボード間、ＣＰＵ間のデータ伝送、ボード内のＬＳＩ間、ＬＳＩ内の素子間等、光インターコネクションとして短距離通信に用いることができる。近年、ＬＳＩ等の処理性能は向上しているが、これらを接続する部分の伝送速度が今後ボトルネックとなる。システム内の信号接続を従来の電気接続から光インターコネクトで行うと、例えば、コンピュータシステムのボード間、ボード内のＬＳＩ間、ＬＳＩ内の素子間等を光送信モジュールや光送受信モジュールを用いて接続した場合、超高速コンピュータシステムが可能となる。また、複数のコンピュータシステム等を上記光送信モジュールや光送受信モジュールを用いて接続した場合、超高速ネットワークシステムができる。
【００９１】
特に、面発光型半導体レーザは端面発光型レーザに比べて桁違いに低消費電力化でき、２次元アレイ化が容易なので、並列伝送型の光通信システムに適している。
【００９２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ただし、０＜ｘ≦１）よりＡｌxＧａ1-xＰ（ただし、０＜ｘ≦１）の方がバンドギャップは大きく、また、屈折率は小さいことから、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ただし、０＜ｘ≦１）にＰを加えたＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y（ただし、０＜ｘ≦１，０＜ｙ＜１）の屈折率はＡｌxＧａ1-xＡｓより小さくなるので、ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層を低屈折率層として用いることで高屈折率層との屈折率差が大きくなり、高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡を少ない積層数で実現でき、また、ＡｌxＧａ1-xＡｓでは格子整合できないが、Ｐを添加することでＧａＡｓ基板に完全に格子整合させることができる。
【００９３】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の半導体分布ブラッグ反射鏡において、ＡｌＰyＡｓ1-y（０＜ｙ＜１）はＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y（ただし、０＜ｘ≦１，０＜ｙ＜１）の中で最も屈折率の小さい材料であることから、ＡｌＰyＡｓ1-y層（０＜ｙ＜１）を低屈折率層として用いることにより、高屈折率層との屈折率差がさらに大きくなり、高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡を少ない積層数で実現でき、また、ＡｌxＧａ1-xＡｓでは完全に格子整合はできないが、Ｐを約４％添加することでＧａＡｓ基板に完全に格子整合させることができる。
【００９４】
請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２記載の半導体分布ブラッグ反射鏡において、Ｐ添加量をさらに増やすこと（ＡｌＰyＡｓ1-yの場合、ｙが４％以上）で引っ張り歪を有することになるが、屈折率は格子整合する材料よりさらに小さくなることから、引っ張り歪を有するＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層を低屈折率層として用いることにより、高屈折率層との屈折率差がさらに大きくなり、より少ない積層数で高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡を実現できる。
【００９５】
請求項４記載の発明の面発光型半導体レーザによれば、少ない層数で高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡を利用するので、面発光レーザの総厚を薄くすることができ、製造が容易となる上に、面発光レーザの高さが低くなり段差が小さくなるので平坦化や配線が容易になり、また、他の素子とのモノリシック化も容易になり、また、ＡｌxＧａ1-xＡｓでは完全には格子整合できないが、Ｐを添加することでＧａＡｓ基板に完全に格子整合させることができ、面発光型半導体レーザの信頼性を高くすることができる。
【００９６】
請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の面発光型半導体レーザにおいて、ＡｌＰyＡｓ1-yを低屈折率層として用いることで高屈折率層との屈折率差がさらに大きくなり、少ない積層数で高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡を実現でき、面発光レーザの総厚が薄くなり作製が容易になり、面発光型半導体レーザの高さが低くなり段差が小さくなるので平坦化や配線が容易になり、また、他の素子とのモノリシック化も容易になる。
【００９７】
請求項６記載の発明によれば、請求項４又は５記載の面発光型半導体レーザにおいて、Ｐ添加量をさらに増やすことで引っ張り歪を有することになるが、屈折率は格子整合する材料よりさらに小さくなることから、引っ張り歪を有するＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層を低屈折率層として用いることにより、高屈折率層との屈折率差がさらに大きくなり、より少ない積層数で高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡を実現でき、面発光型半導体レーザの総厚が薄くなり作製が容易になり、また、面発光型半導体レーザの高さが低くなり段差が小さくなるので平坦化や配線が容易になり、また、他の素子とのモノリシック化も容易になる。
【００９８】
請求項７記載の発明によれば、請求項４，５又は６記載の面発光型半導体レーザにおいて、ＡｌxＧａ1-xＡｓにＰを添加することで屈折率が小さくなるとともに酸化速度が低下することから、III族がＡｌのみであるにもかかわらず、Ｐが含まれることで酸化速度を低下させることが分かったものであり、半導体分布ブラッグ反射鏡の屈折率差を小さくすることなく半導体分布ブラッグ反射鏡の酸化を抑えることができるので、半導体分布ブラッグ反射鏡の層数を増やすことなく選択酸化層による電流狭窄構造を採用でき、面発光型半導体レーザの低消費電力化と薄膜化を両立できる。
【００９９】
請求項８記載の発明によれば、請求項４ないし７の何れか一に記載の面発光型半導体レーザにおいて、光を吸収しない材料で半導体分布ブラッグ反射鏡を構成する必要があるため、ワイドギャップであるＧａＩｎＰを活性層に用いた可視レーザは高屈折率層として大きい屈折率の材料を用いることができないため、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層と高屈折率層との屈折率差は小さく、積層数は０．９８μｍ帯等の波長の長い面発光型半導体レーザに比べて多いことから、ＡｌxＧａ1-xＡｓにＰを添加し屈折率を小さくすることによる積層数低減効果は大きく、可視面発光型半導体レーザの作製が容易になる。
【０１００】
請求項９記載の発明によれば、請求項４ないし７の何れか一に記載の面発光型半導体レーザにおいて、高屈折率層の屈折率が従来よりも大きくなるので、さらに積層数の低減を図ることができ、面発光型半導体レーザの製造が容易となる。
【０１０１】
請求項１０記載の発明によれば、請求項４ないし７の何れか一に記載の面発光型半導体レーザにおいて、ＧａＡｓ基板上に長波長帯面発光レーザを形成すると、従来のＩｎＰ基板上に形成した場合に比べて、半導体分布ブラッグ反射鏡の積総数低減効果は大きい。しかし、それでもレーザの波長が１．３μｍ帯等、長い場合、半導体分布ブラッグ反射鏡の総厚は厚くなってしまうが、低屈折率層であるＡｌxＧａ1-xＡｓにＰを添加し屈折率を小さくすることで、従来のＧａＡｓ基板上の長波長帯面発光レーザ用半導体分布ブラッグ反射鏡よりも積層数をさらに低減でき、製造が容易となる。
【０１０２】
請求項１１記載の発明の光送信モジュールによれば、請求項４ないし１０の何れか一に記載の低コストで、高品質・高信頼性に優れた面発光型半導体レーザを用いることによって、低コストで、高性能で信頼性の高い光送信モジュールを実現することができる。
【０１０３】
請求項１２記載の発明の光送受信モジュールによれば、請求項４ないし１０の何れか一に記載の低コストで、高品質・高信頼性に優れた面発光型半導体レーザを用いることによって、低コストで、高性能で信頼性の高い光送受信モジュールを実現することができる。
【０１０４】
請求項１３記載の発明の光通信システムによれば、請求項４ないし１０の何れか一に記載の低コストで、高品質・高信頼性に優れた面発光型半導体レーザを用いることによって、低コストで、高性能で信頼性の高い光通信システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一及び第二の実施の形態を示す半導体分布ブラッグ反射鏡の断面構造図である。
【図２】本発明の第三及び第四の実施の形態を示す面発光型半導体レーザの断面構造図である。
【図３】本発明の第五の実施の形態を示す半導体分布ブラッグ反射鏡の断面構造図である。
【図４】本発明の第六及び第七の実施の形態を示す半導体分布ブラッグ反射鏡の断面構造図である。
【図５】ＧａＩｎＮＡｓの屈折率特性を示す特性図である。
【図６】本発明の第八の実施の形態を示す光送信モジュールの概略構成図である。
【図７】本発明の第九の実施の形態を示す光送受信モジュールの概略構成図である。
【符号の説明】
１ 半導体分布ブラッグ反射鏡
２ ＧａＡｓ半導体基板
３ ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層＝低屈折率部分
１１ 面発光型半導体レーザ
１２ ＧａＡｓ半導体基板
１３ ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層＝低屈折率部分
１６ 半導体分布ブラッグ反射鏡
１８ 活性層
２１ ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層＝低屈折率部分
２４ 半導体分布ブラッグ反射鏡
３１ 面発光型半導体レーザ
３２ ＧａＡｓ半導体基板
３３ ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層＝低屈折率部分
３６ 半導体分布ブラッグ反射鏡
３８ 活性層
４１ ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層＝低屈折率部分
４３ 半導体分布ブラッグ反射鏡
５１ 面発光型半導体レーザ
５２ ＧａＡｓ半導体基板
５３ ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層＝低屈折率部分
５６ 半導体分布ブラッグ反射鏡
５８ 活性層
６１ ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層＝低屈折率部分
６３ 半導体分布ブラッグ反射鏡
７２ 光送信モジュール
７４ 光送受信モジュール
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、光通信用半導体レーザ、光通信モジュール、光通信システム、プリンタ用書き込み光源、光ピックアップシステム用光源等の各種光源に利用可能な可視領域及び長波長帯の面発光型半導体レーザ、及び、このような面発光型半導体レーザに好適な半導体分布ブラッグ反射鏡並びに面発光型半導体レーザを用いた光送信モジュール、光送受信モジュール及び光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
面発光型半導体レーザ（面発光レーザ）は基板に対して垂直方向に光を出射する半導体レーザであり、光インターコネクションの光源、光ピックアップ用の光源等、各種光源として用いられている。
【０００３】
面発光型半導体レーザは、基本的には、光を発生する活性層を含んだ活性領域を反射鏡で挟んだ構造となっている。その反射鏡としては低屈折率層と高屈折率層を交互に積層した半導体分布ブラッグ反射鏡が広く用いられている。半導体分布ブラッグ反射鏡の材料としては、活性層から発生する光を吸収しない材料（一般に、活性層よりワイドバンドギャップの材料）であって、格子緩和を発生させないために基板に格子整合する材料が用いられる。
【０００４】
ところで、反射鏡の反射率は９９％以上と極めて高くする必要がある。反射率は積層数を増やすことによって高くなる。しかし、積層数が増加すると作製が困難になってしまう。このため、低屈折率層と高屈折率層の屈折率差が大きい方が好ましい。ＡｌＧａＡｓ系材料はＡｌＡｓとＧａＡｓが終端物質であり、格子定数は基板であるＧａＡｓとほぼ同程度であり、屈折率差が大きいので、よく用いられている。
【０００５】
また、低閾値化のためには電流狭窄構造が用いられている。例えば、特開平７−２４０５０６号公報に示されるように、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなる半導体分布ブラッグ反射鏡による共振器と、イオン注入により高抵抗層を形成した電流狭窄構造とを用いた構造がある。
【０００６】
また、特許第２９１７９７１号公報に示されるように、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓからなる半導体分布ブラッグ反射鏡による共振器と、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓの一部を選択的に酸化した酸化膜を用いた電流狭窄構造とを用いた面発光レーザもある。
【０００７】
その製法として高温での水蒸気供給による酸化が用いられている。ＡｌxＯyのような完全な絶縁体になること、また、活性層と狭窄層との距離を結晶成長で厳密に制御できること、電流通路を極めて狭くできることから、無効電流の低減、活性領域の低減に向き、低消費電力化に適しており、最近良く用いられている。ＡｌＧａＡｓのＡｌ組成が大きくなるに従い酸化速度が激増していくことを利用しており、酸化したい層のＡｌ組成を他より大きくすることで得ることができる。このため、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層にはＡｌ（Ｇａ）Ａｓ酸化層よりＡｌ組成を小さく、つまり、Ｇａ組成を大きくしている。
【０００８】
特許第２９１７９７１号公報では、被選択酸化層にＡｌyＧａ1-yＡｓ（ｙ＝０．９７）が用いられ、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層にはＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．９２）が用いられている。
【０００９】
これらの半導体分布ブラッグ反射鏡技術及び電流狭窄技術によりＧａＡｓやＧａＩｎＡｓを活性層とした波長０．８５μｍ，０．９８μｍ帯の面発光レーザは良好な性能が得られている。
【００１０】
しかし、半導体分布ブラッグ反射鏡はできるだけ積層数が少ない方が望ましい。また、選択酸化技術を用いた場合、低屈折率層であるＡｌxＧａ1-xＡｓのＡｌ組成を小さくすると屈折率が大きくなり、高屈折率層との屈折率差が小さくなるため、高反射率を得るための積層数を増やす必要が生じる。また、ＧａＡｓに格子定数が近いもののＡｌＡｓで０．１４％の違いがあり、多層膜反射鏡として多くの層を積層することから信頼性への影響が懸念される。
【００１１】
さらに、可視波長領域や長波長領域においては実用的な性能の面発光レーザは得られていない。
【００１２】
波長６００ｎｍ〜７００ｎｍ帯の赤色面発光レーザはＧａＡｓに格子整合したＡｌＧａＩｎＰ系材料が用いられている。特に、光ピックアップシステムや、レーザプリンタ等の光源では記録密度向上の点からできるだけ短波長が求められている。また、６５０ｎｍの波長は吸収損失の点でアクリル系プラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）を用いたＩＥＥＥ１３９４等の光データリンクに適した光源である。
【００１３】
半導体分布ブラッグ反射鏡としては、ＡｌＧａＡｓ（ほぼＡｌＡｓ組成）／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓの組み合わせが多く用いられている（例えば、ＩＥＥＥ Ｐhotonics Ｔechnology Ｌetter，Ｖol.6，Ｎo.3，1994. ＰＰ.313-316.）。波長が短くなると吸収を避けるため高屈折率層のＡｌ組成は大きくなり、低屈折率層との屈折率差が小さくなるので、結果として、高反射率を得るための積層数はＧａＡｓを用いることのできる波長９８０ｎｍ帯等の面発光レーザに比べて増加してしまう。
【００１４】
そこで、例えば、特開平６−１９６８２１号公報等に見られるように、ＧａＡｓ基板に格子整合する（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐ及び（ＡｌyＧａ1-y）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（０≦ｙ＜ｘ≦１）を各々低屈折率層、高屈折率層としたものがある。（ＡｌxＧａ1-x）0.5Ｉｎ0.5Ｐ／（ＡｌyＧａ1-y）0.5Ｉｎ0.5Ｐ（ｘ＝１，ｙ＝０．５）ミラーで比較すると、Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐ／（Ａｌ0.2Ｇａ0.8）0.5Ｉｎ0.5Ｐの屈折率差はＡｌＡｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｐの屈折率差に比べて大きく積層数を低減できるとともに、価電子帯のバンド不連続が小さくＰ側のミラーの抵抗を低減できる可能性を持っている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バンドギャップの関係で波長が６８０ｎｍ程度より短波長では吸収が起きるので、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐを高屈折率層に用いることはできず、６５０ｎｍ，６３０ｎｍ帯等の短波長レーザの高屈折率層には４元混晶であるＡｌを添加したＡｌＧａＩｎＰを用いざるを得ない。４元混晶は制御する原料が増えるので組成制御の困難性が増す。また、電気抵抗、熱抵抗が高くなる問題がある。また、厳密な組成コントロールの困難なＩｎを含んだ材料系であり、しかも、特にＩｎに対する格子定数の組成依存性が大きい材料系なので、安定に生産するのが困難なこと及び低抵抗Ｐ型ＡｌＩｎＰを得るのが困難なことが課題である。このため、半導体分布ブラッグ反射鏡としてはＡｌＧａＡｓ系材料が主に用いられている。
【００１６】
また、現在の光ファイバ通信には、石英系光ファイバでの損失が小さい１．３μｍ，１．５５μｍ帯の長波長帯の半導体レーザが用いられている。今後は各端末へも光ファイバ化（Ｆiber Ｔo Ｔhe Ｈome（ＦＴＴＨ））が進み、さらには各機器間、機器内においても光による情報伝送が導入され光による情報伝送技術がますます重要になる。
【００１７】
これらを実現するためには、光通信モジュールの「桁違い」の低価格化が最重要課題の一つであり、消費電力が小さく、かつ、冷却システムを必要としない良好な温度特性の長波長帯半導体レーザが強く求められている。
【００１８】
この波長に対応するバンドギャップを有するIII−Ｖ族半導体であるＩｎＰ基板上のＧａＩｎＰＡｓ系材料が市場を独占している。しかし、ＩｎＰ系材料は，クラッド層（スペーサ層）と発光層との間の伝導帯バンド不連続が小さく、発光層への注入電子の閉じ込めが温度上昇とともに悪い。
【００１９】
さらに、ＩｎＰ基板に格子整合する材料では、屈折率差が大きくて半導体分布ブラッグ反射鏡に適した材料がない。結果として、実用に耐え得る良好な性能の長波長面発光レーザは得られていない。
【００２０】
これを解決できる材料として、例えば特開平６−３７号公報によれば、ＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＮＡｓ系材料が提案されている。ＧａＩｎＮＡｓはＮと他のＶ族元素を含んだIII−Ｖ族混晶半導体である。ＧａＡｓより格子定数が大きいＧａＩｎＡｓにＮを添加することで格子定数をＧａＡｓに格子整合させることが可能であり、さらにバンドギャップエネルギーが小さくなり１．３μｍ，１．５μｍ帯での発光が可能な材料である。
【００２１】
Ｊpn．Ｊ．Ａppl．Ｐhys．Ｖol．35(1996)ＰＰ．1273-1275では、近藤らによりバンドラインナップが計算されている。ＧａＡｓ格子整合系なのでＡｌＧａＡｓ等をクラッド層に用いることで伝導帯のバンド不連続が大きくなる。このため高特性温度半導体レーザが実現できると予想されている。
【００２２】
ＧａＡｓ基板に形成できることから半導体多層膜反射鏡としてＡｌ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ系材料を用いることができ、ＩｎＰ基板上に形成する場合に比べて積層数を非常に低減できる。
【００２３】
しかしながら、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓ系材料を用いる９８０ｎｍ帯等の従来のＧａＡｓ基板上面発光レーザに比べて、波長が長い分、反射鏡の各層の層厚が厚くなるので、半導体多層膜反射鏡の総厚が厚くなり、反射鏡の作製が困難になって、歩留まりが低下する問題が残る。
【００２４】
そこで、本発明は、少ない積層数で高い反射率が得られる半導体分布ブラッグ反射鏡を提供することを目的とする。
【００２５】
また、本発明は、総厚が薄く製造が容易な面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
【００２６】
また、上記目的を実現する上で、閾値電流の小さい面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
【００２７】
同様に、上記目的を実現する上で、閾値電流が小さく可視光を扱える面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
【００２８】
同様に、上記目的を実現する上で、閾値電流が小さく９００ｎｍより長波長域を扱える面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
【００２９】
同様に、上記目的を実現する上で、閾値電流が小さく１．１μｍより長波長域を扱える面発光型半導体レーザを提供することを目的とする。
【００３０】
また、上記の面発光型半導体レーザを利用することで、低コストで、高性能・高信頼性の光送信モジュール、光送受信モジュール及び光通信システムを提供することを目的とする。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、屈折率が周期的に変化する構造を有して入射光を光波干渉により反射させる半導体分布ブラッグ反射鏡において、反射鏡はＧａＡｓ半導体基板上に形成され、低屈折率部分を形成する半導体の少なくとも一部はＡｌ，Ｐ及びＡｓを同時に含むＡｌＰ y Ａｓ 1-y 層（ただし、０＜ｙ＜１）であることを特徴とする。
【００３２】
従って、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ただし、０＜ｘ≦１）よりＡｌＰ y Ａｓ 1-y 層（ただし、０＜ｙ＜１）の方がバンドギャップは大きく、また、屈折率は小さい。よって、ＡｌＰ y Ａｓ 1-y 層層を低屈折率層として用いると高屈折率層との屈折率差が大きくなり、高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡を少ない積層数で実現できる。また、ＡｌxＧａ1-xＡｓでは格子整合できないが、Ｐを約４％添加することでＧａＡｓ基板に完全に格子整合させることができる。
【００３５】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体分布ブラッグ反射鏡において、前記低屈折率部分を形成する半導体の少なくとも一部の格子定数が、前記半導体基板の格子定数より小さく、引っ張り歪を有することを特徴とする。
【００３６】
従って、Ｐ添加量をさらに増やすこと（ＡｌＰyＡｓ1-yの場合、ｙが４％以上）で引っ張り歪を有することになるが、屈折率は格子整合する材料よりさらに小さくなる。よって、引っ張り歪を有するＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層を低屈折率層として用いると、高屈折率層との屈折率差がさらに大きくなり、より少ない積層数で高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡を実現できる。低屈折率層としてよく用いられるＡｌＡｓがＧａＡｓ基板に対して０．１４％の圧縮歪を有することから、０．１４％程度の引っ張り歪を有している材料なら格子不整合は実用上問題ない。０．１４％程度の引っ張り歪を有するＡｌＰyＡｓ1-yのＰ組成は８％程度である。
【００３７】
請求項３記載の発明は、半導体基板上に、少なくとも光を発生する活性層と、レーザ光を得るために前記活性層の上部及び下部に設けられた反射鏡と、を含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体基板はＧａＡｓ半導体基板であり、少なくとも一方の前記反射鏡は屈折率が周期的に変化する構造を有し入射光を光波干渉により反射させる半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、前記半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率部分を形成する半導体の少なくとも一部はＡｌ，Ｐ及びＡｓを同時に含むＡｌＰ y Ａｓ 1-y 層（ただし、０＜ｙ＜１）であることを特徴とする。
【００３８】
従って、少ない層数で高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡が得られるので、面発光型半導体レーザの総厚が薄くなり、製造が容易となる。また、面発光型半導体レーザの高さが低くなり段差が小さくなるので平坦化や配線が容易になり、また、他の素子とのモノリシック化も容易になる。また、ＡｌxＧａ1-xＡｓでは完全には格子整合できないが、Ｐを約４％添加することでＧａＡｓ基板に完全に格子整合させることができ、面発光型半導体レーザの信頼性を高くできる。
【００４１】
請求項４記載の発明は、請求項４又は５記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記低屈折率部分を形成する半導体の少なくとも一部の格子定数が、前記半導体基板の格子定数より小さく、引っ張り歪を有することを特徴とする。
【００４２】
従って、Ｐ添加量をさらに増やすことで引っ張り歪を有することになるが、屈折率は格子整合する材料よりさらに小さくなる。よって、引っ張り歪を有するＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層を低屈折率層として用いると、高屈折率層との屈折率差がさらに大きくなり、より少ない積層数で高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡を実現でき、面発光型半導体レーザの総厚が薄くなり作製が容易になる。また、面発光型半導体レーザの高さが低くなり段差が小さくなるので平坦化や配線が容易になり、また、他の素子とのモノリシック化も容易になる。低屈折率層としてよく用いられるＡｌＡｓがＧａＡｓ基板に対して０．１４％の圧縮歪を有することから、０．１４％程度の引っ張り歪を有している材料なら格子不整合は実用上問題ない。つまり、Ｐ組成８％程度は実用上問題ない。
【００４３】
請求項５記載の発明は、請求項３又は４記載の面発光型半導体レーザにおいて、Ａｌ，Ａｓを主成分としたＡｌＡｓを選択的に酸化した開口部を有する電流狭窄用酸化層を備えることを特徴とする。
【００４４】
従って、ＡｌxＧａ1-xＡｓにＰを添加することで屈折率が小さくなるとともに酸化速度が低下することが酸化実験により分かった。ＡｌＡｓにＧａやＩｎを添加すると酸化速度がＧａやＩｎ組成の増加に伴って急激に低下することは良く知られているが、Ｐを添加した時の振る舞いは知られていなかった。そこで、ＧａＡｓ基板上のＡｌＡｓと、ＧａＡｓ基板上に組成傾斜層を介して成長されたＧａＡｓ0.6Ｐ0.4エピ基板上のＡｌＡｓ0.6Ｐ0.4を高温中での水蒸気による酸化を行った。各々厚さは４０ｎｍでクラッド層で挟んである。エッチングにより被選択酸化層の側面が現れるまでメサを形成し、側面から酸化する。ＡｌＡｓは４４０℃、１０ｍｉｎ間で８μｍ酸化されＡｌxＯyとなった。一方、ＡｌＡｓ0.6Ｐ0.4は５００℃、２０ｍｉｎ間でもほとんど酸化されなかった。よって、III族がＡｌのみであるにもかかわらず、Ｐが含まれることで酸化速度を低下させることが分かった。
【００４５】
よって、半導体分布ブラッグ反射鏡の屈折率差を小さくすることなく半導体分布ブラッグ反射鏡の酸化を抑えることができるので、半導体分布ブラッグ反射鏡の層数を増やすことなく選択酸化層による電流狭窄構造を採用でき、面発光型半導体レーザの低消費電力化と薄膜化を両立できる。
【００４６】
請求項６記載の発明は、請求項３ないし５の何れか一に記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体分布ブラッグ反射鏡の高屈折率半導体層がＡｌＧａＡｓ層であり、前記活性層がＧａＩｎＰ層であることを特徴とする。
【００４７】
従って、光を吸収しない材料で半導体分布ブラッグ反射鏡を構成する必要があるため、ワイドギャップであるＧａＩｎＰを活性層に用いた可視レーザは高屈折率層として大きい屈折率の材料を用いることができないため、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層と高屈折率層との屈折率差は小さく、積層数は０．９８μｍ帯等の波長の長い面発光型半導体レーザに比べて多い。よって、ＡｌxＧａ1-xＡｓにＰを添加し屈折率を小さくすることによる積層数低減効果は大きく、可視面発光型半導体レーザの作製が容易になる。
【００４８】
請求項７記載の発明は、請求項３ないし５の何れか一に記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体分布ブラッグ反射鏡の高屈折率半導体層がＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y層（ただし、０＜ｘ≦１，０＜ｙ＜１）であることを特徴とする。
【００４９】
従って、高屈折率層の屈折率が従来よりも大きくなるので、さらに積層数の低減を図ることができ、面発光レーザの製造が容易となる。
【００５０】
請求項８記載の発明は、請求項３ないし５の何れか一に記載の面発光型半導体レーザにおいて、前記活性層がＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＡｓＳｂの何れかにより形成されていることを特徴とする。
【００５１】
従って、ＧａＡｓ基板上に長波長帯面発光型半導体レーザを形成すると、従来のＩｎＰ基板上に形成した場合に比べて、半導体分布ブラッグ反射鏡の積総数低減効果は大きい。しかし、それでもレーザの波長が１．３μｍ帯等、長い場合、半導体分布ブラッグ反射鏡の総厚は厚くなってしまう。この点、低屈折率層であるＡｌxＧａ1-xＡｓにＰを添加し屈折率を小さくすることで、従来のＧａＡｓ基板上の長波長帯面発光型半導体レーザ用の半導体分布ブラッグ反射鏡よりも積層数をさらに低減でき、製造が容易となる。
【００５２】
請求項９記載の発明の光送信モジュールは、請求項３ないし８の何れか一に記載の面発光型半導体レーザを光源として備えることを特徴とする。
【００５３】
従って、請求項３ないし８の何れか一に記載の低コストで、高品質・高信頼性に優れた面発光型半導体レーザを用いることによって、低コストで、高性能で信頼性の高い光送信モジュールを実現することができる。
【００５４】
請求項１０記載の発明の光送受信モジュールは、請求項３ないし８の何れか一に記載の面発光型半導体レーザを光源として備えることを特徴とする。
【００５５】
従って、請求項３ないし８の何れか一に記載の低コストで、高品質・高信頼性に優れた面発光型半導体レーザを用いることによって、低コストで、高性能で信頼性の高い光送受信モジュールを実現することができる。
【００５６】
請求項１１記載の発明の光通信システムは、請求項３ないし８の何れか一に記載の面発光型半導体レーザを光源として備えることを特徴とする。
【００５７】
従って、請求項３ないし８の何れか一に記載の低コストで、高品質・高信頼性に優れた面発光型半導体レーザを用いることによって、低コストで、高性能で信頼性の高い光通信システムを実現することができる。
【００５８】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態を図１に基づいて説明する。本実施の形態は、半導体分布ブラッグ反射鏡１への適用例を示す。ここでは、反射させる波長を６５０ｎｍとする。本実施の形態では、半導体基板であるＧａＡｓ基板２上にＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層（ただし、ｘ＝１．０，ｙ＝０．０４）３とｎ-Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層４とを各々の媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層したＡｌＰ0.04Ａｓ0.96／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ周期構造（３１周期）５が有機金属気相成長方法（ＭＯＣＶＤ）により成長させることにより形成されている。
【００５９】
原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＡｓＨ3（アルシン），ＰＨ3（フォスフィン）を用いた。キャリアガスにはＨ2を用いた。ＡｌＰ0.04Ａｓ0.96層３はＧａＡｓ基板２に格子整合している。ＡｌＰ0.04Ａｓ0.96層３の６５０ｎｍに対する屈折率は３．０９８と見積もられ、Ｐを添加することでＡｌＡｓの３．１２より小さくなる。波長６５０ｎｍの光に対する反射率は９９．９％であった。
【００６０】
この結果、同じ反射率を得るのに、従来のＡｌＡｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ反射鏡の３４周期より積層数を低減させることができる。低屈折率層としてＡｌＰyＡｓ1-y層２を用いたが、Ｇａが含まれるＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-yを用いてもＡｌxＧａ1-xＡｓより屈折率が小さくなるので効果がある。
【００６１】
本発明の第二の実施の形態を図１に基づいて説明する。本実施の形態も、半導体分布ブラッグ反射鏡１に関するもので、反射させる波長を６５０ｎｍとする。本実施の形態では、ｙの比率が第一の実施の形態の場合と異なる。
【００６２】
即ち、ＧａＡｓ基板２上にＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層（ただし、ｘ＝１．０，ｙ＝０．０８）３とｎ-Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層４とを各々の媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（２９周期）５が有機金属気相成長方法（ＭＯＣＶＤ）により成長させることにより形成されている。
【００６３】
原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム），ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム），ＡｓＨ3（アルシン），ＰＨ3（フォスフィン）を用いた。キャリアガスにはＨ2を用いた。ＡｌＰ0.08Ａｓ0.92層３はＧａＡｓ基板２より格子定数は小さく０．１４％引っ張り歪を有している。Ｐ組成を大きくしたので、さらに屈折率は小さい。波長６５０ｎｍの光に対する反射率は９９．９％であった。この結果、従来のＡｌＡｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ反射鏡の３４周期より低減させることができたものである。
【００６４】
本発明の第三の実施の形態を図２に基づいて説明する。本実施の形態は、面発光型半導体レーザ１１への適用例を示す。
【００６５】
（０１１）方向に１５°オフした面方位（１００）のｎ-ＧａＡｓ基板１２上にｎ-ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層（ただし、ｘ＝１．０，ｙ＝０．０４）１３とｎ-Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層１４を各々の媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（３１周期）１５からなるｎ-半導体分布ブラッグ反射鏡（下部反射鏡）１６、アンドープ下部（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐスペーサ層１７、４層の圧縮歪ＧａＩｎＰ井戸層と(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層からなる多重量子井戸活性層１８、アンドープ上部(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐスペーサ層１９、Ｚｎドープｐ-ＡｌＡｓ被選択酸化層（５０ｎｍ）２０、Ｃドープｐ-ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層（ただし、ｘ＝１．０，ｙ＝０．０４）２１とｐ-Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層２２を各々の媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（２４周期）２３からなる半導体分布ブラッグ反射鏡（上部反射鏡）２４、ｐ-ＧａＡｓコンタクト層２５、を順次成長させることにより形成されている。
【００６６】
成長方法はＭＯＣＶＤ法で行った。原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＡｓＨ3（アルシン）、ＰＨ3（フォスフィン）を用いた。キャリアガスにはＨ2を用いた。
【００６７】
電流狭窄部分２６は、電流経路外の部分をプロトン（Ｈ+）照射によって絶縁層２７を作って形成した。光取り出し口となる上部反射鏡２４上の光取り出し口２８部分のコンタクト層２５を除去し、ｐコンタクト層２５上にｐ側電極２９、基板１２裏面にはｎ側電極３０を形成した。
【００６８】
反射率を９９．９％とした時の積層数は３１周期であり、従来のＡｌＡｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ反射鏡の３４周期より積層数を低減させることができたものである。低屈折率層としてＡｌＰyＡｓ1-y層１３，２１を用いたが、Ｇａの含まれるＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-yを用いてもＡｌxＧａ1-xＡｓより屈折率が小さくなるので効果がある。これにより、面発光型半導体レーザ１１の製造が容易となった。作製した面発光型半導体レーザ１１の発振波長は約６５０ｎｍであった。半導体分布ブラッグ反射鏡１６，２４の格子定数がＧａＡｓ基板１２に格子整合しているので信頼性は極めて良好であった。
【００６９】
本発明の第四の実施の形態を図２に基づいて説明する。本実施の形態も、面発光型半導体レーザ１１に関するものであるが、半導体分布ブラッグ反射鏡１６，２４の低屈折率層としてＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層（ただし、ｘ＝１．０，ｙ＝０．０８）１３，２１を用いた点以外は、第三の実施の形態の場合と同様である。
【００７０】
格子整合するＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層１３，２１より屈折率が小さく、反射率を９９．９％とした時の積層数は２９周期であり、従来のＡｌＡｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ反射鏡の３４周期より積層数を低減させることができる。これにより、面発光型半導体レーザ１１の製造が容易となった。なお、作製した面発光型半導体レーザ１１の発振波長は約６５０ｎｍであった。
【００７１】
本発明の第五の実施の形態を図３に基づいて説明する。本実施の形態は、面発光型半導体レーザ３１への適用例を示す。
【００７２】
（０１１）方向に１５°オフした面方位（１１０）のｎ-ＧａＡｓ基板３２上にｎ-ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層（ただし、ｘ＝１．０，ｙ＝０．０４）３３とｎ-Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層３４を各々の媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（３１周期）３５からなるｎ-半導体分布ブラッグ反射鏡（下部反射鏡）３６、アンドープ下部（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐスペーサ層３７、３層の圧縮歪ＧａＩｎＰ井戸層と(Ａｌ0.5Ｇａ0.5)0.5Ｉｎ0.5Ｐバリア層からなる多重量子井戸活性層３８、アンドープ上部(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐスペーサ層３９、Ｚｎドープｐ-ＡｌＡｓ被選択酸化層（５０ｎｍ）４０、Ｃドープｐ-ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層（ただし、ｘ＝１．０，ｙ＝０．０４）４１とｐ-Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ層４２を各々の媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（２４周期）４３からなる半導体分布ブラッグ反射鏡（上部反射鏡）４４、ｐ-ＧａＡｓコンタクト層４５、が順次成長されている。
【００７３】
成長方法はＭＯＣＶＤ法で行った。原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＡｓＨ3（アルシン）、ＰＨ3（フォスフィン）を用いた。キャリアガスにはＨ2を用いた。
【００７４】
所定の大きさのメサをｐ-ＡｌＡｓ被選択酸化層４０の側面が露出するまで形成し、側面の現れたＡｌＡｓを水蒸気で側面から酸化してＡｌxＯy電流狭窄部４６を形成した。この時、上部反射鏡４４のＡｌＰＡｓ層４１はほとんど酸化されなかった。次に、光取り出し口となる上部反射鏡４４上の光取り出し口４７部分のコンタクト層４５を除去し、ｐ-ＧａＡｓコンタクト層４５にｐ側電極４８、基板３２裏面にはｎ側電極４９を形成した。
【００７５】
ここで、ＡｌxＧａ1-xＡｓとＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-yの酸化速度について示す。ＡｌxＧａ1-xＡｓにＰを添加することで屈折率が小さくなるとともに酸化速度が低下することが酸化実験により分かった。ＡｌＡｓにＧａやＩｎを添加すると酸化速度がＧａやＩｎ組成の増加に伴って急激に低下することは良く知られているが、Ｐを添加した時の振る舞いは知られていなかった。そこで、ＧａＡｓ基板３２上のＡｌＡｓとＧａＡｓ基板３２上に組成傾斜層を介して成長されたＧａＡｓ0.6Ｐ0.4エピ基板上のＡｌＡｓ0.6Ｐ0.4を高温中での水蒸気による酸化を行った。ＡｌＡｓは４４０℃，１０ｍｉｎ間で８μｍ酸化されＡｌxＯyとなった。一方、ＡｌＡｓ0.6Ｐ0.4は５００℃，２０ｍｉｎ間でもほとんど酸化されなかった。よって、III族がＡｌのみであるにもかかわらずＰが含まれることで酸化速度を低下させることが分かった。
【００７６】
反射率を９９．９％とした時の積層数は３１周期であり、従来のＡｌ0.95Ｇａ00.5Ａｓ／Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓの３６周期に比べて低減できた。酸化はＡｌ組成が大きいほど進むので、ＡｌＡｓ選択酸化による電流狭窄構造を用いるために、従来は反射鏡の低屈折率層のＡｌ組成を被選択酸化層より小さくしていたが、Ｐを加えることで屈折率が小さくなるとともに酸化速度が小さくなるので積層数を増加することなく、むしろ積層数を少なくしてＡｌＡｓ酸化構造を用いることができる。これにより面発光型半導体レーザ３１の製造が容易となった。作製した面発光型半導体レーザ３１の発振波長は約６５０ｎｍであった。ＡｌＡｓの選択酸化により電流狭窄を行ったので閾値電流は低かった。また、半導体分布ブラッグ反射鏡の格子定数がＧａＡｓ基板３２に格子整合しているので信頼性は極めて良好であった。また、本実施の形態の面発光型半導体レーザ３１を光ピックアップシステムや、レーザプリンタの光源に用いることができる。
【００７７】
本発明の第六の実施の形態を図４に基づいて説明する。本実施の形態は、面発光型半導体レーザ５１への適用例を示す。
【００７８】
面方位（１００）のｎ-ＧａＡｓ基板５２上にｎ-ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層（ただし、ｘ＝１．０，ｙ＝０．０４）５３とｎ-ＧａＡｓ層５４を各々の媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（２１周期）５５からなるｎ-半導体分布ブラッグ反射鏡（下部反射鏡）５６、アンドープ下部ＧａＡｓスペーサ層５７、３層のＧａ0.7Ｉｎ0.5Ｎ0.01Ａｓ0.99Ａｓ井戸層とＧａＡｓバリア層（１３ｎｍ）からなる多重量子井戸活性層５８、アンドープ上部ＧａＡｓスペーサ層５９、Ｚｎドープｐ-ＡｌＡｓ層（５０ｎｍ）６０、Ｃドープのｐ-ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層（ただし、ｘ＝１．０，ｙ＝０．０４）６１とｐ-ＧａＡｓ層６２を各々の媒質内における発振波長の１／４倍の厚さで交互に積層した周期構造（１６周期）６３からなる半導体分布ブラッグ反射鏡（上部反射鏡）６４、ｐ-ＧａＡｓコンタクト層６５、が順次成長されている。井戸層のＩｎ組成ｘは３７％、窒素組成は０．５％とした。井戸層の厚さは７ｎｍとした。
【００７９】
成長方法はＭＯＣＶＤ法で行った。原料にはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＡｓＨ3（アルシン）、ＰＨ3（フォスフィン）、窒素の原料にはＤＭＨｙ（ジメチルヒドラジン）を用いた。ＤＭＨｙは低温で分解するので６００℃以下のような低温成長に適しており、特に、低温成長の必要な歪みの大きい量子井戸層を成長する場合、好ましい。本実施の形態では、ＧａＩｎＮＡｓ層５８は５４０℃で成長した。キャリアガスにはＨ2を用いた。
【００８０】
所定の大きさのメサをｐ-ＡｌＡｓ層被選択酸化層６０の側面を露出させるまで形成し、側面の現れたＡｌＡｓを水蒸気で側面から酸化してＡｌxＯy電流狭窄部６６を形成した。そして、次にポリイミド６７でエッチング部を埋め込んで平坦化し、ｐコンタクト層６５と光取り出し口６８となる上部反射鏡６４上のポリイミド６７を除去し、ｐコンタクト層６５にｐ側電極６９、ｎ裏面にｎ側電極７０を形成した。
【００８１】
反射率を９９．５％とした時の積層数は１６周期であり従来のＡｌ0.95Ｇａ0.05Ａｓ／ＧａＡｓの１８周期に比べて低減できた。酸化はＡｌ組成が大きいほど進むので、ＡｌＡｓ選択酸化による電流狭窄構造を用いるために、従来は反射鏡の低屈折率層のＡｌ組成を被選択酸化層６０より小さくしていたが、Ｐを加えることで屈折率が小さくなるとともに酸化速度が小さくなるので積層数を増加することなく、むしろ積層数を少なくしてＡｌＡｓ酸化構造を用いることができる。これにより、面発光型半導体レーザ５１の製造が容易となった。作製した面発光型半導体レーザ５１の発振波長は約１．３μｍであった。ＧａＩｎＮＡｓを活性層に用いたのでＧａＡｓ基板５２上に長波長帯の面発光型半導体レーザ５１を形成できた。ＡｌＡｓの選択酸化により電流狭窄を行ったので閾値電流は低かった。また、半導体分布ブラッグ反射鏡の格子定数がＧａＡｓ基板５２に格子整合しているので信頼性は極めて良好であった。また、上部反射鏡６４を薄くできたのでポリイミド６７の埋め込みは容易になり、さらに、配線が段切れしにくくなり（本実施の形態ではｐ側電極６８）素子の歩留まりは向上した。このように低消費電力で低コストの１．３μｍ帯面発光型半導体レーザ５１を実現できた。
【００８２】
ＭＯＣＶＤ法での成長の例を示したが、ＭＢＥ法等他の成長方法を用いることもできる。また、窒素の原料にＤＭＨｙを用いたが活性化した窒素やＮＨ3等他の窒素化合物を用いることもできる。また、積層構造として３重量子井戸構造（ＴＱＷ）の例を示したが、他の井戸数の量子井戸を用いた構造（ＳＱＷ，ＭＱＷ）等を用いることもできる。レーザの構造も他の構造にしても構わない。ＧａＩｎＮＡｓ活性層５８の組成を変えることで１．５５μｍ帯、さらにはもっと長波長の面発光型半導体レーザ５１も可能となる。また、活性層にＧａＡｓＳｂを用いてもＧａＡｓ基板５２上に１．３μｍ帯面発光レーザを実現できる。さらに、ＧａＩｎＡｓを用いた場合、従来１．１μｍまでが長波長化の限界と考えられていたが、６００℃以下の低温成長により高歪のＧａＩｎＡｓ量子井戸活性層を従来より厚く成長することが可能となり、波長は１．２μｍまで到達できる。波長１．１μｍ〜１．３μｍの半導体レーザは従来適した材料がなかったが、高歪ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＡｓＳｂを用いることにより可能となる。さらに、従来高性能化が困難であった波長１．３μｍ帯、１．５５μｍ帯等長波長において、高性能な面発光型半導体レーザ５１を実現できる。
【００８３】
本発明の第七の実施の形態を図４及び図５に基づいて説明する。本実施の形態の面発光型半導体レーザ５１は、図４に示す構造において、半導体分布ブラッグ反射鏡５６，６４の高屈折率層としてＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y層（ただし、０＜ｘ≦１，０＜ｙ＜１）を用いたものであり、その他の点は第六の実施の形態の場合と同様である。
【００８４】
ＧａＩｎＮＡｓはＧａＡｓ基板５２に格子整合可能であり、バンドギャップはＧａＡｓより小さく、屈折率はＧａＡｓより大きい。屈折率の測定例を図５に示す。ＧａＡｓ基板５２に格子整合するＧａ0.13Ｉｎ0.87Ｎ0.04Ａｓ0.96の例である。ＧａＡｓよりも大きいことが分かる。よって、反射鏡の積層数を第六の実施の形態よりもさらに低減させることができる。これにより、面発光型半導体レーザ５１の製造がさらに容易となる。
【００８５】
本発明の第八の実施の形態を図６に基づいて説明する。本実施の形態は、例えば第六の実施の形態で説明した１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ５１と石英系光ファイバ７１とを組み合わせた光送信モジュール７２への適用例を示す。
【００８６】
光源としての面発光型半導体レーザ５１からのレーザ光による光信号が光ファイバ７１に入力され、伝送される。この際、発振波長の異なる複数の半導体レーザ５１を１次元又は２次元にアレイ状に配置させれば、波長多重送信により伝送速度を増加させることができる。また、半導体レーザ５１を１次元又は２次元にアレイ状に配置させれば、各々に対応する複数の光ファイバ７１からなる光ファイバ束とを結合させることで伝送速度を増加させることができる。
【００８７】
本実施の形態を光通信システムに用いると、面発光型半導体レーザ５１が低コストであるので、送信用半導体レーザ５１と光ファイバ７１とを組合せた光送信モジュールを用いた低コストな光通信システムを実現できる。また、ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ５１の温度特性が良いこと、及び、低閾値であることにより、発熱が少なく高温まで冷却なしで使えるシステムを実現できる。６５０ｎｍ帯の面発光型半導体レーザ１１又は３１とアクリル系ＰＯＦ（プラスチック光ファイバ）の組合せでも良い。
【００８８】
本発明の第九の実施の形態を図７に基づいて説明する。本実施の形態は、例えば第六の実施の形態で説明した１．３μｍ帯ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ５１と受信用のフォトダイオード７３と石英系光ファイバ７１とを組み合わせた光送受信モジュール７４への適用例を示す。
【００８９】
本実施の形態を光通信システムに用いると、光源としての面発光型半導体レーザ５１が低コストであるので送信用半導体レーザ５１と受信用フォトダイオード７３と光ファイバ７１とを組み合わせた光送受信モジュール７４を用いた低コストな光通信システムを実現できる。また、ＧａＩｎＮＡｓ面発光型半導体レーザ５１の温度特性が良いこと、及び、低閾値であることにより、発熱が少なく高温まで冷却なしで使えるシステムを実現できる。６５０ｎｍ帯の面発光型半導体レーザとアクリル系ＰＯＦ（プラスチック光ファイバ）の組合せでも良い。
【００９０】
なお、前述した実施の形態の面発光型半導体レーザを用いる光通信システムとしては、光ファイバを用いる長距離通信用に限らず、ＬＡＮ（Ｌocal Ａrea Ｎetwork）などのコンピュータ等の機器間伝送、さらにはボード間、ＣＰＵ間のデータ伝送、ボード内のＬＳＩ間、ＬＳＩ内の素子間等、光インターコネクションとして短距離通信に用いることができる。近年、ＬＳＩ等の処理性能は向上しているが、これらを接続する部分の伝送速度が今後ボトルネックとなる。システム内の信号接続を従来の電気接続から光インターコネクトで行うと、例えば、コンピュータシステムのボード間、ボード内のＬＳＩ間、ＬＳＩ内の素子間等を光送信モジュールや光送受信モジュールを用いて接続した場合、超高速コンピュータシステムが可能となる。また、複数のコンピュータシステム等を上記光送信モジュールや光送受信モジュールを用いて接続した場合、超高速ネットワークシステムができる。
【００９１】
特に、面発光型半導体レーザは端面発光型レーザに比べて桁違いに低消費電力化でき、２次元アレイ化が容易なので、並列伝送型の光通信システムに適している。
【００９２】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ただし、０＜ｘ≦１）よりＡｌxＧａ1-xＰ（ただし、０＜ｘ≦１）の方がバンドギャップは大きく、また、屈折率は小さいことから、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ただし、０＜ｘ≦１）にＰを加えたＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y（ただし、０＜ｘ≦１，０＜ｙ＜１）の屈折率はＡｌxＧａ1-xＡｓより小さくなるので、ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層を低屈折率層として用いることで高屈折率層との屈折率差が大きくなり、高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡を少ない積層数で実現でき、また、ＡｌxＧａ1-xＡｓでは格子整合できないが、Ｐを添加することでＧａＡｓ基板に完全に格子整合させることができる。
【００９３】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の半導体分布ブラッグ反射鏡において、ＡｌＰyＡｓ1-y（０＜ｙ＜１）はＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y（ただし、０＜ｘ≦１，０＜ｙ＜１）の中で最も屈折率の小さい材料であることから、ＡｌＰyＡｓ1-y層（０＜ｙ＜１）を低屈折率層として用いることにより、高屈折率層との屈折率差がさらに大きくなり、高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡を少ない積層数で実現でき、また、ＡｌxＧａ1-xＡｓでは完全に格子整合はできないが、Ｐを約４％添加することでＧａＡｓ基板に完全に格子整合させることができる。
【００９４】
請求項３記載の発明によれば、請求項１又は２記載の半導体分布ブラッグ反射鏡において、Ｐ添加量をさらに増やすこと（ＡｌＰyＡｓ1-yの場合、ｙが４％以上）で引っ張り歪を有することになるが、屈折率は格子整合する材料よりさらに小さくなることから、引っ張り歪を有するＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層を低屈折率層として用いることにより、高屈折率層との屈折率差がさらに大きくなり、より少ない積層数で高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡を実現できる。
【００９５】
請求項４記載の発明の面発光型半導体レーザによれば、少ない層数で高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡を利用するので、面発光レーザの総厚を薄くすることができ、製造が容易となる上に、面発光レーザの高さが低くなり段差が小さくなるので平坦化や配線が容易になり、また、他の素子とのモノリシック化も容易になり、また、ＡｌxＧａ1-xＡｓでは完全には格子整合できないが、Ｐを添加することでＧａＡｓ基板に完全に格子整合させることができ、面発光型半導体レーザの信頼性を高くすることができる。
【００９６】
請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の面発光型半導体レーザにおいて、ＡｌＰyＡｓ1-yを低屈折率層として用いることで高屈折率層との屈折率差がさらに大きくなり、少ない積層数で高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡を実現でき、面発光レーザの総厚が薄くなり作製が容易になり、面発光型半導体レーザの高さが低くなり段差が小さくなるので平坦化や配線が容易になり、また、他の素子とのモノリシック化も容易になる。
【００９７】
請求項６記載の発明によれば、請求項４又は５記載の面発光型半導体レーザにおいて、Ｐ添加量をさらに増やすことで引っ張り歪を有することになるが、屈折率は格子整合する材料よりさらに小さくなることから、引っ張り歪を有するＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層を低屈折率層として用いることにより、高屈折率層との屈折率差がさらに大きくなり、より少ない積層数で高反射率の半導体分布ブラッグ反射鏡を実現でき、面発光型半導体レーザの総厚が薄くなり作製が容易になり、また、面発光型半導体レーザの高さが低くなり段差が小さくなるので平坦化や配線が容易になり、また、他の素子とのモノリシック化も容易になる。
【００９８】
請求項７記載の発明によれば、請求項４，５又は６記載の面発光型半導体レーザにおいて、ＡｌxＧａ1-xＡｓにＰを添加することで屈折率が小さくなるとともに酸化速度が低下することから、III族がＡｌのみであるにもかかわらず、Ｐが含まれることで酸化速度を低下させることが分かったものであり、半導体分布ブラッグ反射鏡の屈折率差を小さくすることなく半導体分布ブラッグ反射鏡の酸化を抑えることができるので、半導体分布ブラッグ反射鏡の層数を増やすことなく選択酸化層による電流狭窄構造を採用でき、面発光型半導体レーザの低消費電力化と薄膜化を両立できる。
【００９９】
請求項８記載の発明によれば、請求項４ないし７の何れか一に記載の面発光型半導体レーザにおいて、光を吸収しない材料で半導体分布ブラッグ反射鏡を構成する必要があるため、ワイドギャップであるＧａＩｎＰを活性層に用いた可視レーザは高屈折率層として大きい屈折率の材料を用いることができないため、半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層と高屈折率層との屈折率差は小さく、積層数は０．９８μｍ帯等の波長の長い面発光型半導体レーザに比べて多いことから、ＡｌxＧａ1-xＡｓにＰを添加し屈折率を小さくすることによる積層数低減効果は大きく、可視面発光型半導体レーザの作製が容易になる。
【０１００】
請求項９記載の発明によれば、請求項４ないし７の何れか一に記載の面発光型半導体レーザにおいて、高屈折率層の屈折率が従来よりも大きくなるので、さらに積層数の低減を図ることができ、面発光型半導体レーザの製造が容易となる。
【０１０１】
請求項１０記載の発明によれば、請求項４ないし７の何れか一に記載の面発光型半導体レーザにおいて、ＧａＡｓ基板上に長波長帯面発光レーザを形成すると、従来のＩｎＰ基板上に形成した場合に比べて、半導体分布ブラッグ反射鏡の積総数低減効果は大きい。しかし、それでもレーザの波長が１．３μｍ帯等、長い場合、半導体分布ブラッグ反射鏡の総厚は厚くなってしまうが、低屈折率層であるＡｌxＧａ1-xＡｓにＰを添加し屈折率を小さくすることで、従来のＧａＡｓ基板上の長波長帯面発光レーザ用半導体分布ブラッグ反射鏡よりも積層数をさらに低減でき、製造が容易となる。
【０１０２】
請求項１１記載の発明の光送信モジュールによれば、請求項４ないし１０の何れか一に記載の低コストで、高品質・高信頼性に優れた面発光型半導体レーザを用いることによって、低コストで、高性能で信頼性の高い光送信モジュールを実現することができる。
【０１０３】
請求項１２記載の発明の光送受信モジュールによれば、請求項４ないし１０の何れか一に記載の低コストで、高品質・高信頼性に優れた面発光型半導体レーザを用いることによって、低コストで、高性能で信頼性の高い光送受信モジュールを実現することができる。
【０１０４】
請求項１３記載の発明の光通信システムによれば、請求項４ないし１０の何れか一に記載の低コストで、高品質・高信頼性に優れた面発光型半導体レーザを用いることによって、低コストで、高性能で信頼性の高い光通信システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一及び第二の実施の形態を示す半導体分布ブラッグ反射鏡の断面構造図である。
【図２】本発明の第三及び第四の実施の形態を示す面発光型半導体レーザの断面構造図である。
【図３】本発明の第五の実施の形態を示す半導体分布ブラッグ反射鏡の断面構造図である。
【図４】本発明の第六及び第七の実施の形態を示す半導体分布ブラッグ反射鏡の断面構造図である。
【図５】ＧａＩｎＮＡｓの屈折率特性を示す特性図である。
【図６】本発明の第八の実施の形態を示す光送信モジュールの概略構成図である。
【図７】本発明の第九の実施の形態を示す光送受信モジュールの概略構成図である。
【符号の説明】
１ 半導体分布ブラッグ反射鏡
２ ＧａＡｓ半導体基板
３ ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層＝低屈折率部分
１１ 面発光型半導体レーザ
１２ ＧａＡｓ半導体基板
１３ ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層＝低屈折率部分
１６ 半導体分布ブラッグ反射鏡
１８ 活性層
２１ ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層＝低屈折率部分
２４ 半導体分布ブラッグ反射鏡
３１ 面発光型半導体レーザ
３２ ＧａＡｓ半導体基板
３３ ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層＝低屈折率部分
３６ 半導体分布ブラッグ反射鏡
３８ 活性層
４１ ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層＝低屈折率部分
４３ 半導体分布ブラッグ反射鏡
５１ 面発光型半導体レーザ
５２ ＧａＡｓ半導体基板
５３ ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層＝低屈折率部分
５６ 半導体分布ブラッグ反射鏡
５８ 活性層
６１ ＡｌxＧａ1-xＰyＡｓ1-y層＝低屈折率部分
６３ 半導体分布ブラッグ反射鏡
７２ 光送信モジュール
７４ 光送受信モジュール
Claims (11)
- 屈折率が周期的に変化する構造を有して入射光を光波干渉により反射させる半導体分布ブラッグ反射鏡において、反射鏡はＧａＡｓ半導体基板上に形成され、低屈折率部分を形成する半導体の少なくとも一部はＡｌ，Ｐ及びＡｓを同時に含むＡｌＰ y Ａｓ 1-y 層（ただし、０＜ｙ＜１）であることを特徴とする半導体分布ブラッグ反射鏡。
- 前記低屈折率部分を形成する半導体の少なくとも一部の格子定数が、前記半導体基板の格子定数より小さく、引っ張り歪を有することを特徴とする請求項１記載の半導体分布ブラッグ反射鏡。
- 半導体基板上に、少なくとも光を発生する活性層と、レーザ光を得るために前記活性層の上部及び下部に設けられた反射鏡と、を含む共振器構造を有する面発光型半導体レーザにおいて、前記半導体基板はＧａＡｓ半導体基板であり、少なくとも一方の前記反射鏡は屈折率が周期的に変化する構造を有し入射光を光波干渉により反射させる半導体分布ブラッグ反射鏡を含み、前記半導体分布ブラッグ反射鏡の低屈折率部分を形成する半導体の少なくとも一部はＡｌ，Ｐ及びＡｓを同時に含むＡｌＰ y Ａｓ 1-y 層（ただし、０＜ｙ＜１）であることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
- 前記低屈折率部分を形成する半導体の少なくとも一部の格子定数が、前記半導体基板の格子定数より小さく、引っ張り歪を有することを特徴とする請求項３記載の面発光型半導体レーザ。
- Ａｌ，Ａｓを主成分としたＡｌＡｓを選択的に酸化した開口部を有する電流狭窄用酸化層を備えることを特徴とする請求項３又は４記載の面発光型半導体レーザ。
- 前記半導体分布ブラッグ反射鏡の高屈折率半導体層がＡｌＧａＡｓ層であり、前記活性層がＧａＩｎＰ層であることを特徴とする請求項３ないし５の何れか一に記載の面発光型半導体レーザ。
- 前記半導体分布ブラッグ反射鏡の高屈折率半導体層がＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y層（ただし、０＜ｘ≦１，０＜ｙ＜１）であることを特徴とする請求項３ないし５の何れか一に記載の面発光型半導体レーザ。
- 前記活性層がＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＡｓＳｂの何れかにより形成されていることを特徴とする請求項３ないし５の何れか一に記載の面発光型半導体レーザ。
- 請求項３ないし８の何れか一に記載の面発光型半導体レーザを光源として備えることを特徴とする光送信モジュール。
- 請求項３ないし８の何れか一に記載の面発光型半導体レーザを光源として備えることを特徴とする光送受信モジュール。
- 請求項３ないし８の何れか一に記載の面発光型半導体レーザを光源として備えることを特徴とする光通信システム。
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