JPH09237942A

JPH09237942A - 面発光半導体レーザ、当該レーザを用いた光送受信モジュール及び当該レーザを用いた並列情報処理装置

Info

Publication number: JPH09237942A
Application number: JP8341120A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Kondo; 正彦近藤; Shinji Nishimura; 信治西村; Kazunori Shinoda; 和典篠田; Kazuhisa Uomi; 和久魚見
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-12-27
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 1997-09-09
Anticipated expiration: 2016-12-20
Also published as: JP3748140B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】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。更
に、実用的な長波長帯面発光半導体レーザを提供する。【解決手段】基板１にＧaＡs を用い、同基板と活性層
４の間に形成した半導体多層膜反射鏡２の低屈折率層を
構成する主たる元素をＡl，Ｉn 及びＰとし、同屈折率
層を基板と格子整合させる。反射鏡の高屈折率層を構成
する主たる元素をＧa，Ｉn，Ｎ及びＡs とする。基板に
ＧaＡs を用い、同基板上に形成した活性層を構成する
主たる元素をＧa，Ｉn，Ｎ及びＡs とし、活性層４と基
板１の間に基板と格子整合する半導体多層膜反射鏡２を
配置する。【効果】光送受信モジュール（光インタコネクション装
置）、並列情報処理装置及び光ファイバ通信システムな
どの光応用システムに広く利用可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【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ＩnＧaＡs
Ｐ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Ｇa
ＩnＮＡs 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７−１
６２０９７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ＩnＧa
Ｎ、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】この活性層の構造は、発光領域（光学的活
性領域）を井戸層と同井戸層よりも禁制帯幅が広い障壁
層とで構成する量子井戸構造の井戸層に適用してもよ
い。以上に述べた本発明の半導体レーザ装置の望ましき
一例は、ＧaＡs 基板上部に形成され且つ屈折率が互い
に異なる２種類の半導体層の積層構造を有する反射鏡領
域と、当該反射鏡領域上部に形成されたＧa_xＩn_1-xＮ_y
Ａs_1-y からなる活性層とを含めてなり、当該基板、当
該反射鏡領域、及び当該活性層のそれぞれが立方晶系の
結晶構造（例えば、閃亜鉛鉱型構造等）を有することに
特徴づけられる。そして、活性層のＧaＩnＮＡsのＧaと
Ｉnの組成比ｘ及びＮとＡsの組成比ｙは、半導体レーザ
の用途に応じた波長に適するように設定されている（０
≦ｘ≦１，０＜ｙ≦１、望ましくは０＜ｘ＜１，０＜ｙ
＜１）。この例においても、先に本発明の別の特徴の後
半で述べた反射鏡構造を当該反射鏡領域に適用すること
ができるため、低屈折率層をＡl_uＩn_1-uＰで形成して
も、また高屈折率層をＧa_vＩn_1-vＮ_zＡs_1-z で形成して
もよい（望ましくは、０＜ｕ＜１，０＜ｖ＜１及び０＜
ｚ＜１）。

【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，ＧaＩn
ＰＡs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Ｇa
ＩnＡs／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ＧaＩ
nＮＡs 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＝１×１０
¹⁸ｃｍ^-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−Ｇ
aＩnＰクラッド層（ｐ不純物濃度＝１×１０¹⁸ｃ
ｍ^-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Ｇa_0.85Ｉn
_0.15Ａs 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。ＡlＩn
Ｐ層については、基板１と格子整合を取るようＡl のII
I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^-5
Ｔorr 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ＳiＮ_x、或いはＴiＯ₂とＳ
iＯ₂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＝３．２Ｇ
ｂ／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０．９８
μｍ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＝１×１０
¹⁷ｃｍ^-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
Ｇa_0.82Ｉn_0.18Ｐ_0.37Ａs_0.63 スペーサ層、２４は、Ｇ
aＩnＡs／ＧaＩnＰＡs 応力補償型量子井戸活性層、２
５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７ｎ
ｍ厚Ｇa_0.85Ｉn_0.15Ａs 井戸層を伸張歪を持つ６ｎｍ厚
のＧa_0.88Ｉn_0.12Ｐ_0.29Ａs_0.71 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
Ｇa_0.95Ｉn_0.05Ｎ_0.01Ａs_0.99 層と半導体中で１／４波
長厚のＡl_0.5Ｉn_0.5Ｐ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 Cyc
lotron 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ＭＥ
Ｓ−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／Ｇa
ＩnＮＡs 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Ａ
lＡs／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１
５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−Ｇ
aＡs 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＝１×１０¹⁸
ｃｍ^-3）、４３はＧaＡs スペーサ層、４４はＧa_0.8Ｉn
_0.2Ｎ_0.04Ａs_0.96 無歪活性層、４５はＧaＡs スペーサ
層、４６はｐ−Ａl_0.3Ｇa_0.7Ａs 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Ｇa_0.9Ｉn_0.1Ｎ_0.01As_0.99 層と半導体中で１
／４波長厚の低屈折率のＧa_0.5Ｉn_0.5Ｐ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、Ｓi
Ｏ₂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１．５５
μｍ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、ＩnＧa
Ａs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、９
３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９
１３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、５
０％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９
２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】

【発明の効果】本発明によれば、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、ＧaＩnＮＡs 材料を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。本面発光半導体レーザ
は、以上の特徴を有するので、光インタコネクション装
置、コンピュータ、並列情報処理装置及び光ファイバ通
信システム等に広く利用することができる。

【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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者魚見和久東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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。
【請求項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。
【請求項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
を特徴とする請求項１に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項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請求項２又は
請求項３に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項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請求項３に記載の面
発光半導体レーザ。
【請求項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。
【請求項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請求項
６に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項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請求
項７に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項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請求項１〜請求項
８のいずれか一に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項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請求項１〜請求項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。
【請求項１１】請求項１〜請求項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。
【請求項１２】請求項１〜請求項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。
【請求項１３】請求項１〜請求項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。
【請求項１４】請求項１〜請求項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。