JPH10173294A - 窒素を含む化合物半導体多層膜ミラー及びそれを用いた面型発光デバイス - Google Patents

窒素を含む化合物半導体多層膜ミラー及びそれを用いた面型発光デバイス

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JPH10173294A JP22308397A JP22308397A JPH10173294A JP H10173294 A JPH10173294 A JP H10173294A JP 22308397 A JP22308397 A JP 22308397A JP 22308397 A JP22308397 A JP 22308397A JP H10173294 A JPH10173294 A JP H10173294A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】温度特性の改善された面型発光デバイス、この
デバイス等で用いられる窒素を含む化合物半導体多層膜
ミラーである。 【解決手段】面型発光デバイスは、活性層１０４とそれ
を挟む一組の反射器１０２、１０６を有し、活性層１０
４面に垂直に光を出射する。一組の反射器１０２、１０
６の一部あるいは全てが窒素を含む化合物半導体多層膜
で構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信、光情報処
理および光演算分野などに用いられる面型発光デバイ
ス、このデバイス等で用いられる窒素を含む化合物半導
体多層膜ミラー、その製造方法、それを用いた通信シス
テム等に関する。
【０００２】
【従来の技術】面型発光デバイス、特に面発光半導体レ
ーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser、以下
ＶＣＳＥＬとも略記する）は、光通信、光情報処理ある
いは光演算などその適用範囲が広いことから、近年活発
に研究されているデバイスである。ＶＣＳＥＬは通常の
端面発光レーザに比べ、（１）構造が簡単、（２）動作
電流が低い、（３）切断することなくウェハに多数作製
したままでウェハ単位で素子チェックができるなど多く
の長所がある。
【０００３】反面、いくつかの欠点も有している。たと
えば、ＩｎＧａＡｓＰ系の化合物半導体を活性層とする
波長１．３μｍ〜１．５５μｍ帯のＶＣＳＥＬにおい
て、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）の半導体多層膜でＤＢ
Ｒ（Distributed Bragg Reflector）ミラーを形成する
場合、ミラーを構成する両半導体間の屈折率差が小さい
こと、およびＩｎＧａＡｓＰはＩｎＰに比べ熱抵抗が数
倍大きいことから、以下の問題点を生じる。 （１）電気抵抗が高くなる。高反射率を得るためには、
両半導体間の屈折率差が小さいので多層膜の層数を増や
さなければならず、従って、ヘテロバリア数が多くなり
且つ全体の膜厚も厚くなるので、ＤＢＲミラー層を介し
て電流を流すとき、きわめて高抵抗になる。 （２）熱抵抗が高くなる。熱抵抗の大きいＩｎＧａＡｓ
Ｐの層数が増えると熱抵抗が急激に上昇し、ヒートシン
クによる放熱の効率が悪くなる。
【０００４】以上の２点により、熱が多く発生し且つ熱
が溜り易いのでＶＣＳＥＬ（特に、１．３μｍ〜１．５
５μｍ帯のもの）の注入電流対光出力特性の温度依存性
はきわめて悪かった。即ち、特性温度Ｔ0が小さかった
り、最高ＣＷ温度が低かった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】以上の問題点をクリア
するために、現在行われている方法として、半導体多層
膜ミラーの代わりに、屈折率差を比較的大きくとれる誘
電体多層膜ミラーを用いる方法（たとえば、電子情報通
学会論文誌、Ｊ７６−Ｃ−１巻、１０号、１９９３年、
３６７−３７４頁）がある。図１２は、その方法による
ＶＣＳＥＬの断面模式図を表している。
【０００６】図１２において、６０１はＩｎＰ基板、６
０２はｎ型クラッド層、６０３はＩｎＧａＡｓＰ活性
層、６０４はｐ型ＩｎＰクラッド層、６０５はｐ型Ｉｎ
ＧａＡｓＰキャップ層である。また、６０６および６０
７はＳｉＯ2／Ｓｉ等から成る誘電体ＤＢＲ層、６０８
および６０９は環状電極、６１１は基板６０１に窓部
（ここに誘電体ＤＢＲ層６０６が作られる）を作るとき
のエッチングストッパ層である。
【０００７】この結果、所望の反射率は得られ、パルス
動作では動作電流は低くなる。しかし、この誘電体多層
膜ミラーの従来例１では、連続動作では発熱のため、ま
だ動作電流が上がったり、光出力を制限したりしてい
た。また、半導体多層膜ではなく誘電体多層膜であるの
で他の半導体層と共に連続的に作製できなく、作製方法
が複雑になるため、コスト面でも不利であった。
【０００８】更に、上記問題点をクリアするために、現
在行われている従来例２の方法として、活性層などのエ
ピタキシャル成長層とは格子定数の異なるＡｌＧａＡｓ
／ＧａＡｓからなる半導体多層膜ミラーを別に作り、こ
れを上記エピタキシャル成長層に、直接、接着で貼り付
ける方法（Babic et al. "Double Fused 1.52μm Verti
cal-Cavity Lasers",Applied Physics Letter, 66(9),
pp.1030-1032(1995)）がある。
【０００９】この従来例２では、所望の反射率は得られ
（図６の表から分かる様に、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ
（Ｐ）と比較して、屈折率差に対応するバンドギャップ
差は大きくとれ、更に１．３μｍ〜１．５５μｍ帯（図
６中、Ｗの点線で示す）の光に対して吸収層として作用
しない）かつ、ＡｌＡｓ層の酸化プロセスにより、電流
狭窄が容易なことから、初期的には低電流動作が確認さ
れている。しかし、活性層に起因する温度特性の悪さは
改善されていないし、３枚の基板（一対の半導体多層膜
ミラー用のものと上記エピタキシャル成長層用のもの）
および３回の結晶成長および貼り付け工程など、コスト
面や信頼性の点でも不利であり、充分な方法とはいえな
い。
【００１０】一方、近年、従来のＩＩＩ−Ｖ族化合物に
窒素を添加した、ＩＩＩ−ＶＮが報告されている（Kond
ow et al. "GaInNAs: A Novel Material for Long Wave
length Range Laser Diodes with Excellent High-Temp
erature Performance", Japan Journal of Applied Phy
sics Letters, 35, pp.1273-1275(1996)）。たとえば、
ＧａＡｓ基板上に作製されたＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ
量子井戸活性層やＳｉ基板上に作製されたＧａＮＡｓＰ
／ＧａＮＰ量子井戸活性層は、１．３μｍ〜１．５５μ
ｍ帯の発光波長をカバーするだけでなく（図６から、Ｇ
ａＩｎＮＡｓやＧａＮＡｓＰの線（太い線で示す）を、
ＧａＡｓやＳｉの縦の線（ＧａＡｓやＳｉと格子整合す
るものを示す）の所でＷの点線にかからせ得ることが分
かる）、伝導帯のバンドオフセット量を通常のＩｎＧａ
Ａｓ／ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸に比べ大きくとれるた
め、活性層の温度特性の飛躍的向上が期待できるとされ
ている。しかしながら、このような新しい材料を用いた
面発光レーザの最適な構造はこれまで堤案されていな
い。
【００１１】よって、以上の状況に鑑み、本発明の目的
は、温度特性などの特性の改善されたＶＣＳＥＬ（特に
波長１．３〜１．５５μｍ帯のＩｎＧａＡｓＰ系等のＶ
ＣＳＥＬ）等の面型発光デバイス、このデバイス等で用
いられる窒素を含む化合物半導体多層膜ミラー、その製
造方法、それを用いた通信システムなどを提供すること
にある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、ＶＣＳ
ＥＬなどの半導体ミラー製作に関して、ＩｎＰに対して
屈折率差が小さく、熱抵抗が大きいＩｎＧａＡｓＰのか
わりに窒化化合物半導体、たとえばＧａＩｎＮＡｓを用
いる点にある。詳細には以下の通りである。
【００１３】活性層とそれを挟む一組の反射器を有し、
該活性層面に垂直に光を出射する本発明の面型発光デバ
イスあるいはこの様なデバイス等に用いられる化合物半
導体多層膜ミラーは、該一組の反射器或はミラーの一部
あるいは全てが窒素を含む化合物半導体多層膜で構成さ
れていることを特徴とする。
【００１４】以上の構成において、具体的には，第１
に、次の様にもできる。活性層とそれを挟む一組の反射
器を有し、該活性層面に垂直に光を出射する面発光半導
体レーザ等において、該多層膜ミラーの反射器の少なく
とも一部がＩｎＰおよびＩｎＰに格子整合するＧａＩｎ
ＮＡｓあるいはＧａＩｎＮＡｓＰの単位薄膜対で構成さ
れていること、あるいは該反射器の少なくとも一部がＩ
ｎＰおよびＩｎＰに格子整合するＧａＮＳｂの単位薄膜
対で構成されていること、あるいは、該反射器の少なく
とも一部がＧａＡｓおよびＧａＡｓに格子整合するＧａ
ＩｎＮＡｓあるいはＧａｌｎＮＡｓＰの単位薄膜対で構
成されていること、を特徴とする。
【００１５】格子整合条件を満たしながら屈折率差が大
きくされた以上の多層膜ミラーの構成の原理を説明す
る。図６は、主なＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の格子定数
とバンドギャップの関係を示す図である。ＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体にＮを添加すると、格子定数とバンドギャ
ップとの関係が、通常のＩＩＩ−Ｖ族半導体、たとえば
ＧａＩｎＡｓＰの場合とは逆になる。すなわち、ＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体にＮを添加する場合、格子定数が小
さくなるとエネルギギャップも小さくなる。これらは、
窒素と他のＶ族元素の電子親和力が大きく異なることに
起因するとされている。したがって、同じ格子定数を持
つ２つの化合物半導体、たとえば、ＩｎＰ／ＧａＩｎＮ
ＡｓＰ、ＩｎＰ／ＧａＮＳｂ、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡ
ｓ間の屈折率差は、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰの場合より
も大きくできる。よって、たとえば、ＩｎＰ／ＩｎＧａ
ＡｓＰの多層膜よりも、ＩｎＰ／ＧａｌｎＮＡｓＰの多
層膜ミラーの方が少ない層数で反射率を大きくすること
ができる。勿論、多層膜ミラーの単位薄膜対の一方の薄
膜のみでなく、両方の薄膜を窒素を含む半導体薄膜で構
成することもできる。
【００１６】更には、第２に、以下の様にもできる。前
記一組の反射器或はミラーの一部あるいは全てが窒素を
含む化合物半導体多層膜で構成されると共に、前記―組
の反射器或はミラーの少なくとも一部がＡｌを含む化合
物半導体多層膜で構成される。更に具体的には、前記一
組の反射器が半導体多層膜で構成され、それを構成する
単位薄膜対が、ＡｌＡｓ（あるいはＡｌＧａＡｓ）およ
びＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＮＡｓ（あるいはＧ
ａＩｎＮＡｓＰ）の半導体膜で構成されており、かつ前
記活性層が窒素を含む（例えば、活性層としてＧａＡｓ
に格子定数が近いＧａＩｎＮＡｓ等を用いる）。
【００１７】また、前記窒素およびＡｌを含む化合物半
導体多層膜のうち、Ａｌを含む化合物半導体層の一部が
酸化されて高抵抗層とされており、該化合物半導体多層
膜の表面に形成された電極から注入されるキャリアを狭
窄する。この構成は、前記窒素およびＡｌを含む化合物
半導体多層膜のうち、Ａｌを含む化合物半導体層の一部
を水蒸気中で熱酸化し、高抵抗層とする製造方法で好適
に製造される。
【００１８】以上の第２の構成の本発明の面型発光デバ
イスあるいはこの様なデバイス等に用いられる化合物半
導体多層膜ミラーの作用を説明する。ＶＣＳＥＬ等の反
射器に求められる特性は、上記従来例の説明からも分か
る様に、以下の通りであり、このうち、より多く満足す
ることが求められる。 （１）高反射率を有すること（駆動電流を下げるため） （２）低抵抗であること（駆動電圧を下げるため） （３）低熱抵抗であること（活性層近傍の温度上昇を抑
えるため） （４）電流狭窄が容易であること。
【００１９】このうち、（１）に関しては、吸収が小さ
いことが求められるため、発光波長よりもエネルギーが
大きなバンドギャップを有する半導体が求められる。ま
た、（２）に関しては、多層膜ミラーを形成する単位薄
膜対の屈折率差が大きいことが必要である（第１の具体
的構成と同様に、第２の具体的構成においても、格子定
数とバンドギャップの関係を示す図６から、これが満た
されることが分かる）。つまり、屈折率差が大きいほど
所望の反射率にするのに必要な層数が少なくて済むから
であり、これは電気的に見れば、ヘテロ界面が減るため
低抵抗になるからである。（３）に関しては、Ａｌを含
む材料系が熱抵抗が小さいことが知られている。（４）
に関しては、Ａｌを含む材料では水蒸気中で熱処理する
ことで容易に酸化し高抵抗化するブロセスがよく知られ
ている。また、（３）に関しては、層数が少なくできる
ので、充分に満足されるとも言える。勿論、第２の具体
的構成においても、多層膜ミラーの単位薄膜対の一方の
薄膜のみでなく、両方の薄膜をＡｌを含む半導体薄膜で
構成することもできる。
【００２０】活性層の温度特性について、格子定数とバ
ンドギャップの関係を示す図６で説明する。上記の様
に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にＮを添加すると、格子
定教とバンドギャップとの関係が、通常のＩＩＩ−Ｖ族
半導体、たとえばＡｌＧａＡｓやＧａＩｎＡｓＰの場合
とは大きく異なる。すなわち、格子定数が小さくなると
エネルギギャップも小さくなる（図６中の太線）。たと
えば、ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＮＡｓは、発光
波長が１．３μｍ〜１．５５μｍをカバーし、かつその
伝導帯（価電子帯ではなく）のバンドオフセット量が通
常のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に比べ大きいことが指摘
されている。このこと（ＧａＩｎＮＡｓなどの窒素を含
む層とこの隣接層（例えば、ＧａＡｓ）間の伝導帯のバ
ンドオフセット量が大きいこと）を利用して、活性層の
温度特性が向上できる（温度が上昇しても注入電子が活
性層からオーバフローしにくくなり、注入キャリアが効
率よく再結合して発光効率が向上する）。このことは、
活性層が多重量子井戸（この場合、井戸層を窒素を含む
層とする）で構成される場合に限らず、単一量子井戸や
バルク活性層である場合でも利用できる。
【００２１】第２の具体的構成において屈折率差が大き
くとれることについて更に説明する。図７は主な化合物
半導体の屈折率の波長依存性（分散）を示している。
１．３μｍにおいて、通常用いられているＡｌＡｓ／Ｇ
ａＡｓの屈折率差よりもＡｌＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓの屈
折率差が大きいことがわかる。たとえば、Ｇａ0.8Ｉｎ
0.2Ｎ0.02Ａｓ0.98を用いた場合、ＡｌＡｓとの屈折率
差は０．７５が得られ、９９．９９％の反射率を得るペ
ア数は従来の２／３程度になる。このことは、駆動電圧
低下によるジュール熱の低減および熱抵抗滅少による熱
放散の拡大を意味し、ミラーに起因する温度特性劣化要
因を著しく改善する。このことは上記第１の具体的構成
でも同様である。
【００２２】以上説明した様に、本発明は、少なくとも
多層膜ミラーの一部にＧａＩｎＮＡｓに代表される窒化
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いることが大きな特長で
ある。更にＡｌを含む層を設ければ、Ａｌを含む材料系
は熱抵抗が小さく、水蒸気中で熱処理することで容易に
酸化し高抵抗化するので、この点からも上記（３）、
（４）を容易に満たすことができる。更に、ＶＣＳＥＬ
の活性層にも窒素を含む材料を用いれば、伝導帯のバン
ドオフセット量を大きくできるために温度特性が向上
し、更には通信用に好適な１．３μｍ〜１．５５μｍ帯
の発光波長をカバーする様にもできる。
【００２３】また、本発明の面型発光デバイスを用いた
光通信システムは、上記の面型発光デバイスと、該面型
発光デバイスを送信信号に応じて変調された変調電流に
よって駆動する制御手段を備えた光送信機または送受信
機、該光送信機または送受信機からの光を伝送する光フ
ァイバなどの伝送手段、及び前記伝送手段によって伝送
された光を受信する光受信機または送受信機からなるこ
とを特徴とする。
【００２４】更に、本発明の面型発光デバイスを用いた
光通信方法は、送信部の光源として、上記の面型発光デ
バイスを用い、送信信号に応じて変調された変調電流を
前記面型発光デバイスに供給することによって、送信信
号に応じて変調された信号光を取り出し、この信号光を
光受信機または送受信機に向けて送信することを特徴と
する。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下図面を参照しつつ具体的に本
発明の実施の形態を説明する。
【００２６】（第１実施例）ＩｎＰ／ＧａＩｎＮＡｓＰ
ＤＢＲミラー 図１は本発明の第１実施例の断面構造図、図２はその平
面図である。以下図面を用いて先ず作製方法を説明す
る。
【００２７】たとえば（１００）面を有するｎ−ＩｎＰ
基板１０１上に、化学分子線エピタキシャル成長法（Ch
emical Beam Epitaxy、以下ＣＢＥ法と略記する）等を
用いて以下の半導体層をエピタキシャル成長する。初め
に、ｎ−ＧａＩｎＮＡｓＰ／ＩｎＰ ＤＢＲ層１０２で
ある。ＧａＩｎＮＡｓＰはＩｎＰに格子整合するよう組
成を制御した（図６のＧａＩｎＮＡｓＰの太い線とＩｎ
Ｐの縦の線の交わる所を参照。この交点とＩｎＰの点の
所とが充分離れていて屈折率差が大きくとれていること
が分かる）。本実施例の場合、ＧａＩｎＮＡｓＰのエネ
ルギギャップは１．５０μｍとなった。ＧａＩｎＮＡｓ
ＰおよびＩｎＰ各層に、電流注入できる様にたとえばＳ
ｉドーピングし、ｎ型とするとともに、厚さはそれぞれ
発振波長の１／４で４ペア積層することで、９９％の反
射率を得た。
【００２８】次に、キャリア濃度ｌ０18ｃｍ-3、厚さ
１．５μｍのｎ−ＩｎＰクラッド層１０３、歪み量子井
戸活性層１０４である。本実施例では、しきい値を下げ
るため歪み量子井戸構造を用いた（量子井戸構造に加え
て歪み（特に、圧縮歪み）を入れることで更にしきい値
を下げられる）。図３に活性層１０４のバンド構造図を
示した。ＩｎＧａＡｓ井戸層（厚さ５０μｍ、格子不整
量＋０．６％（圧縮歪み））１３１、ＩｎＧａＡｓＰ障
壁層（発光波長１．１５μｍ、格子不整量０％）１３２
から成り、井戸数は４である。この結果、利得ピーク波
長は１．５５μｍとなる。ただし、活性層の構造はこれ
に限るものではない。たとえば、歪みの無い通常のＭＱ
Ｗ活性層でもよいし、単層から成るバルク活性層でもよ
い。さらには、ＧａＩｎＮＡｓを含むＭＱＷ活性層でも
よい（これについては後述の実施例を参照）。
【００２９】続いて、キャリア濃度ｌ０18ｃｍ-3、厚さ
１．５μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層１０５、ｐ−ＧａＩ
ｎＮＡｓＰ／ＩｎＰ ＤＢＲ層１０６である。ドーピン
グ以外はＤＢＲ層１０２と同じである。ＤＢＲ層１０６
の各層に、たとえばＢｅをドーピングし、ｐ型とした。
【００３０】更に、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１
０７（Ｅｇ＝１．ｌ５μｍ、キャリア密度３×ｌ０19ｃ
ｍ-3）を厚さ０．５μｍ積層する。
【００３１】この様に積層したウェハに導波路形成を行
なう。塩素系ドライエッチング等を用いて、直径１０μ
ｍ、高さ約３μｍの円筒状のメサを形成する。次に、エ
ッチングダメージ除去および新たな結晶欠陥の増殖を防
ぐため、ＣＢＥ法等でエッチング側面に、アンドープＩ
ｎＰあるいはＦｅドープ高抵抗ＩｎＰ側面保護層１０８
でエピタキシャルにコーティングを行った。更に、基板
表面に、光を取り出すための円状のウィンドウ１２０を
ウエットエッチングで形成する。基板１０１をもウエッ
トエッチングして基板表裏両面に円状のウィンドウを形
成してもよい。しかし、この場合、ＩｎＰ基板１０１は
発振光に対して透明であるので、ウィンドウを形成しな
くてもよい。
【００３２】最後に、電極形成を行なう。開口径５ミク
ロンのリング状電極１０９、１１０を、ｎ−ＤＢＲミラ
ー１０２およびｐ−ＤＢＲミラー１０６上に形成する。
以上で面発光半導体レーザが完成する。
【００３３】図４は、電流対光出力特性を本実施例と図
１２で示す従来例１とを比較したものである。本実施例
では、しきい値電流が低減され、効率（注入電流対光出
力の比率）も大幅に改善されている。これは、反射率が
高く、電気抵抗および熱抵抗の小さいＤＢＲミラー１０
２、１０６が形成されていることによる。
【００３４】（第２実施例）ＩｎＰ／ＧａＮＳｂ ＤＢ
Ｒミラー 第１実施例の構成において、ＤＢＲミラーとしてＧａＮ
Ｓｂ／ＩｎＰミラーを用いてもよい。即ち、この場合、
ｎ−ＧａＩｎＮＡｓ（Ｐ）のかわりにｎ−ＧａＮＳｂを
用いる。ＧａＮＳｂはＩｎＰに格子整合するように組成
を選んである（図６のＧａＮＳｂの太い線とＩｎＰの縦
の線の交わる所を参照。この交点とＩｎＰの点の所とが
更に充分離れていて屈折率差が大きくとれていることが
分かる）。このときのエネルギギャップはほぼ１．６μ
ｍであった。その他の条件は第１実施例と同じでよい。
【００３５】このときの効果は、第１実施例の効果に加
えて、ＧａＮＳｂが３元混晶であって元素数が比較的少
なくＩＩＩ族元素がＧａだけであることから組成制御が
容易になる（組成が精密に設定できる等）ことである。
従って、層間の格子整合が精密にできて歪みが蓄積しな
いので層数或は層厚を多くできる。
【００３６】（第３実施例）ＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ
（Ｐ）ミラー 次に、波長１μｍ帯のＧａＡｓ基板を用いたＶＣＳＥＬ
に本発明を適用した例について述べる。第１実施例にお
いて、活性層にＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ ＭＱＷを用
い、ＤＢＲミラーとしてＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓを用
いた例について、図１を再度用いて説明する。
【００３７】たとえば（１００）面を有するｎ−ＧａＡ
ｓ基板１０１上に、ＣＢＥ法等を用いて以下の半導体層
をエピタキシャル成長する。先ず、ｎ−ＧａＩｎＮＡｓ
／ＧａＡｓ ＤＢＲ層１０２である。ＧａＩｎＮＡｓは
ＧａＡｓに格子整合するように組成を選んだ（図６のＧ
ａＩｎＮＡｓの太い線とＧａＡｓの縦の線の交わる所を
参照。この交点とＧａＡｓの点の所とを充分離して屈折
率差が大きくとれることが分かる）。本実施例の場合そ
のエネルギギャップは０．９μｍであった。各層に、た
とえばＳｉドーピングしｎ型とすると共に、厚さはそれ
ぞれ発振波長の１／４で、４ペア積層することで９９％
の反射率を得た。ここではＧａＩｎＮＡｓを用いたが、
ＧａＩｎＮＡｓＰを用いてもよい。
【００３８】次に、キャリア濃度ｌ０18ｃｍ-3、厚さ
１．５μｍのｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１０３、歪み
量子井戸活性層１０４を積層する。本実施例でも、しき
い値を下げるため圧縮歪み量子井戸構造を用いた。Ｇａ
Ａｓを障壁層、ＩｎＧａＡｓを井戸層とし、バンドギャ
ップ波長０．９５μｍになるように井戸層の組成を制御
した。
【００３９】続いて、キャリア濃度ｌ０18ｃｍ-3、厚さ
１．５μｍのｐ−ＧａＡｓクラッド層１０５、ｐ−Ｇａ
ＮＳｂ／ＩｎＰ ＤＢＲ層１０６（ドーピング以外はＤ
ＢＲ層１０２と同じである）、キャリア密度３×ｌ０19
ｃｍ-3、厚さ０．５μｍのコンタクト層１０７を作成す
る。
【００４０】ここで、導波路を形成する。塩素系ドライ
エッチング等を用いて直径１０μｍ、高さ約３μｍの円
筒状のメサを形成する。次に、エッチングダメージ除去
および新たな結晶欠陥の増殖を防ぐため、ＣＢＥ法等で
エッチング側面をアンドープＧａＡｓあるいはＦｅドー
プ高抵抗ＧａＡｓ側面保護層１０８でエピタキシャルに
コーティングを行った。更に、基板表面側に光を取り出
すための円状のウィンドウ１２０をウエットエッチング
で形成する。
【００４１】最後に、電極形成を行なう。開口径５ミク
ロンのリング状電極１０９、１１０をｎ−ＤＢＲミラー
１０２およびｐ−ＤＢＲミラー１０６上に形成する。
【００４２】本実施例に固有の効果は、ＧａＡｓ／Ｇａ
ＩｎＮＡｓ（Ｐ）は、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）より
は熱伝導率が良いＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓに比べて、更
に熱伝導率が良いため、より高温での動作が期待できる
点と、ＤＢＲミラー１０２、１０６にＡｌを含まないた
め、酸化による素子劣化（寿命の短縮化）の心配がない
ことである。
【００４３】（第４実施例）ＡｌＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ
ミラー 図５は本発明の第４実施例の断面構造図である。この実
施例はＧａＡｓ基板上に作製した例である。以下作製方
法を説明する。
【００４４】たとえば（１００）面を有するｎ−ＧａＡ
ｓ基板２０１上にＣＢＥ法等を用いて以下の半導体層を
エピタキシャル成長する。初めに、ｎ−ＡｌＡｓ／Ｇａ
１ｎＮＡｓ ＤＢＲ層２０２である。ＧａＩｎＮＡｓは
ＧａＡｓに格子整合するよう組成を制御した（たとえば
Ｇａ0.8Ｉｎ0.2Ｎ0.02Ａｓ0.98とするとエネルギーギャ
ップは１．０５μｍとなる。図６のＧａＩｎＮＡｓの太
い線とＧａＡｓの縦の線の交わる所を参照。この交点と
ＡｌＡｓの点の所とが充分離れていて屈折率差が大きく
とれていることが分かる。図７も参照）。ＧａＩｎＮＡ
ｓおよびＡｌＡｓ各層には、Ｓｉをドーピングし、ｎ型
とするとともに、厚さはそれぞれ発振波長の１／４で１
５ペア積層することで、９９．９９％の反射率を得た。
【００４５】次に、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、厚
さ１７０ｎｍのｎ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓスペーサ層２０
３、歪み量子井戸活性層２０４を積層する。本実施例の
活性層２０４では、発振波長を１．３μｍとするため、
以下の構造を用いた。図８に活性層近傍のバンド図を示
した。ＧａＩｎＮＡｓ井戸層（厚さ６ｎｍ、格子不整量
＋０．６％）２３１、ＧａＡｓ障壁層（厚さ１０ｎｍ）
２３２から成り、井戸数は２である。この結果、利得ピ
ークは１．３μｍとなる。ただし、上述した様に活性層
の構造はこれに限るものではない。
【００４６】続いて、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、
厚さ１７０ｎｍのｐ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓスペーサ層２
０５、ｐ−ＡｌＡｓ／ＩｎＧａＮＡｓ ＤＢＲ層２０６
である。ＤＢＲ層２０６は、反射位相を考慮して層数は
１０．５ペアとするとともに、各層にＢｅをドーピング
しｐ型とした。
【００４７】更に、キャリア密度３×１０19ｃｍ-3のｐ
−ＧａＡｓコンタクト層（図５では省略）を厚さ０．２
μｍ積層する。
【００４８】上下のスペーザ層２０３、２０５の厚さを
０．１７μｍにしているのは、共振器長を１波長とし、
かつ、その中心で光密度の最も高いところに活性層２０
４が来るようにすることで、しきい値を低減するためで
ある。ＤＢＲ層２０６の層数を、反射位相を考慮して１
０．５ペアとしたのはこの為である。
【００４９】この様に積層したウェハに導波路形成を行
なう。塩素系ドライエッチング等を用いて、直径１５μ
ｍ、高さはｐ型スペーサ層２０５上部で停止するよう円
筒状のメサを形成する。次に、水蒸気中で熱処理するこ
とでｐ−ＩｎＧａＮＡｓ／ＡｌＡｓ ＤＢＲ層２０６の
ＡｌＡｓ層の―部を酸化し、電流狭窄構造２０９を作り
つけた。
【００５０】最後に、電極形成を行なう。開口径１０μ
ｍのリング状電極２０７、２０８をｎ−ＤＢＲミラー２
０２およびｐ−ＤＢＲミラー２０６上に形成する。
【００５１】図９は、本実施例の効果を説明する特性図
である。横軸は駆動電流（ＣＷ）であり、左の縦軸は光
出力、右の縦軸は電圧である。実線は本実施例の例を、
波線１は、ＩｎＰ基板上に形成されたＩｎＧａＡｓＰ／
ＩｎＧａＡｓ ＭＱＷ活性層およびＡｌＡｓ／ＧａＡｓ
多層膜ミラーを有するＶＣＳＥＬの例を、波線２はＧａ
Ａｓ基板上に形成された、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ
ＭＱＷ活性層およびＡｌＡｓ／ＧａＡｓ多層膜ミラーを
有するＶＣＳＥＬの例をそれぞれ示している。波線１の
例と本実施例の差は、活性層およびミラーの違いによる
ものであり、波線２の例と本実施例の差は、ミラーの違
いによるものである。波線１の例では、しきい値は、５
ｍＡ程度と比較的低いが、ミラー部の電気的および熱的
な抵抗が大きいこと、および熱変化に弱い活性層を使用
していることの相乗効果で、すぐに光出力が飽和してい
る。―方、波線２の例では、温度特性に優れたＧａＩｎ
ＮＡｓを含んだ活性層を使用しているため、波線１の例
に比べれば、特性は向上しているが、ミラーに関して
は、依然、電気抵抗が高く発熱により熱飽和が起きてい
る。これに対し、本実施例では、活性層およびミラー両
方に改善を加えた為、しきい値電流、光出力および効率
の点で従来例の問題点を飛躍的に改善している。また、
本実施例では、ミラーが低抵抗であるので駆動電圧があ
まり上昇しないことも分かる。この様な活性層を第１乃
至第３の実施例で用いて更に特性を向上させることも勿
論可能である。
【００５２】（第５実施例）ＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＮ
ＡｓＰミラー 第４実施例において、ＡｌＡｓ／ＩｎＧａＮＡｓ ＤＢ
Ｒミラーの代わりに、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓＰ
ＤＢＲミラーを用いてもよい。また、さらにＤＢＲミ
ラーの抵抗を小さくして駆動電圧を低減するためにＤＢ
Ｒミラーの多層膜界面のヘテロギャッブを徐々に変化さ
せたグレーディド構造にしてもよい。これは、ＧａＩｎ
ＮＡｓ（Ｐ）のＮの割合を徐々に変化させることで行な
う。ＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓＰ ＤＢＲミラーを
用いた本実施例の効果は、元素数が多いのでその割合を
制御して格子定数と屈折率をより柔軟に制御できること
である。
【００５３】（第６実施例）図１０、図１１を用いて面
発光半導体レーザの応用例を説明する。図１０に、本発
明による面発光半導体レーザを波長多重光ＬＡＮシステ
ムに応用する場合の各端末に接続される光−電気変換部
（ノード）の構成例を示し、図１１にそのノード２８１
を用いた光ＬＡＮシステムの構成例を示す。
【００５４】外部に接続された光ファイバ２８０を媒体
として光信号がノード２８１に取り込まれ、分岐部２７
２によりその一部が波長可変光フィルタ等を備えた受信
装置２７３に入射する。この受信装置２７３により所望
の波長の光信号だけ取り出して信号検波を行う。一方、
ノード２８１から光信号を送信する場合には、上記実施
例の面発光半導体レーザ２７４を変調電流を用いて適当
な方法で駆動し、アイソレータ２７５（高反射率のミラ
ーを備える面発光レーザであるので省いてもあまり問題
はない）を通して送信信号に応じて変調された出力光を
分岐部２７６を介して光伝送路２８０に入射せしめる。
ここで、半導体レーザ及び波長可変光フィルタを２つ以
上の複数設けて、波長可変範囲を広げることもできる。
【００５５】光ＬＡＮシステムのネットワークとして、
図１１に示すものはバス型であり、ＡおよびＢの方向に
ノードを接続しネットワーク化された多数の端末及びセ
ンタ２８２を設置することができる。ただし、多数のノ
ードを接続するためには、光の減衰を補償するために光
増幅器を伝送路２８０上に直列に配することが必要とな
る。また、各端末２８２にノード２８１を２つ接続し伝
送路を２本にすることでＤＱＤＢ方式による双方向の伝
送が可能となる。また、ネットワークの方式として、図
１１のＡとＢをつなげたルーブ型やスター型あるいはそ
れらを複合した形態のものでもよい。
【００５６】
【発明の効果】本発明の効果は以下の通りである。面発
光半導体レーザ等において、高反射率かつ熱抵抗の小さ
い半導体多層膜ミラーを形成できることで、 （１）動作電流を下げることができる。 （２）層数が少なくなるので同一電流を注入するとして
も低電圧、低抵抗で動作する。 （３）放熱性が良くなり、温度特性が飛躍的に改善され
る。 （４）ミラーが半導体多層膜であるので結晶成長時にミ
ラーを形成できるため、作製が単純化されて、低コスト
となる。
【００５７】また、こうした面発光半導体レーザを光送
信機、光通信システムなどに用いれば、実用的で高品質
な装置、システムを比較的簡単に構築できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施例の断面模式図で
ある。
【図２】図２はその平面図である。
【図３】図３は第１の実施例の活性層のバンド構造図で
ある。
【図４】図４はその注入電流対光出力特性を示す図であ
る。
【図５】図５は、第４の実施例の断面模式図である。
【図６】図６は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の格子定数
とバンドギャップの関係を説明する模式図である。
【図７】図７は主な半導体の屈折率と光子エネルギーの
関係を説明する模式図である。
【図８】図８は第４の実施例の活性層を説明するバンド
構造図である。
【図９】図９は、第４の実施例および従来例の注入電流
対光出力特性および電流電圧特性を示す図である。
【図１０】図１０は本発明の面発光半導体レーザを用い
たノードの構成例を示す図である。
【図１１】図１１は図１０のノードを用いたバス型光通
信システムの構成例を示す図である。
【図１２】図１２は従来例１の面発光半導体レーザの断
面模式図である。
【符号の説明】
１０１、２０１ 基板 １０２、１０６、２０２、２０６ 半導体ＤＢＲ １０３、１０５ クラッド層 １０４、２０４ 活性層 １０７ コンタクト層 １０８ 側面保護層 １０９、１１０、２０７、２０８ リング型電極 １２０ ウィンドウ １３１、２３１ 井戸層 １３２、２３２ 障壁層 ２０３、２０５ スペーサ層 ２０９ 電流狭窄領域 ２８０ 光伝送路 ２８１ ノード ２７２ 光分岐部 ２７３ 受信器 ２７４ 本発明の面発光半導体レーザ ２７５ アイソレータ ２７６ 合流部 ２８２ 端末装置

Claims (21)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】一部あるいは全てが窒素を含む化合物半導
    体多層膜で構成されていることを特徴とする多層膜ミラ
    ー。
  2. 【請求項２】多層膜を構成する単位薄膜対が、ＩｎＰお
    よびＩｎＰに格子整合するＧａＩｎＮＡｓあるいはＧａ
    ＩｎＮＡｓＰの半導体膜で構成されていることを特徴と
    する請求項１記載の多層膜ミラー。
  3. 【請求項３】多層膜を構成する単位薄膜対が、ＩｎＰお
    よびＩｎＰに格子整合するＧａＮＳｂの半導体膜で構成
    されていることを特徴とする請求項１記載の多層膜ミラ
    ー。
  4. 【請求項４】多層膜を構成する単位薄膜対が、ＧａＡｓ
    およびＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＮＡｓあるいは
    ＧａＩｎＮＡｓＰの半導体膜で構成されていることを特
    徴とする請求項１記載の多層膜ミラー。
  5. 【請求項５】一部あるいは全てがＡｌを含む化合物半導
    体多層膜で構成されていることを特徴とする請求項１記
    載の多層膜ミラー。
  6. 【請求項６】多層膜を構成する単位薄膜対が、ＡｌＡｓ
    あるいはＡｌＧａＡｓおよびＧａＡｓに格子整合するＧ
    ａＩｎＮＡｓあるいはＧａＩｎＮＡｓＰの半導体膜で構
    成されていることを特徴とする請求項５記載の多層膜ミ
    ラー。
  7. 【請求項７】活性層とそれを挟む一組の反射器を有し、
    該活性層面に垂直に光を出射する面型発光デバイスにお
    いて、該一組の反射器の一部あるいは全てが窒素を含む
    化合物半導体多層膜で構成されていることを特徴とする
    面型発光デバイス。
  8. 【請求項８】前記一組の反射器の単位薄膜対がＩｎＰお
    よびＩｎＰに格子整合するＧａＩｎＮＡｓあるいはＧａ
    ＩｎＮＡｓＰの半導体膜で構成されていることを特徴と
    する請求項７記載の面型発光デバイス。
  9. 【請求項９】前記一組の反射器の単位薄膜対がＩｎＰお
    よびＩｎＰに格子整合するＧａＮＳｂの半導体膜で構成
    されていることを特徴とする請求項７記載の面発光半導
    体レーザ。
  10. 【請求項１０】前記一組の反射器の単位薄膜対がＧａＡ
    ｓおよびＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＮＡｓあるい
    はＧａＩｎＮＡｓＰの半導体膜で構成されていることを
    特徴とする請求項７記載の面型発光デバイス。
  11. 【請求項１１】前記活性層が窒素を含むことを特徴とす
    る請求項７乃至１０の何れかに記載の面型発光デバイ
    ス。
  12. 【請求項１２】前記―組の反射器の少なくとも一部が、
    Ａｌを含む化合物半導体多層膜で構成されていることを
    特徴とする請求項７記載の面型発光デバイス。
  13. 【請求項１３】前記一組の反射器が半導体多層膜で構成
    され、それを構成する単位薄膜対が、ＡｌＡｓあるいは
    ＡｌＧａＡｓおよびＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＮ
    ＡｓあるいはＧａＩｎＮＡｓＰの半導体膜で構成されて
    おり、かつ前記活性層が窒素を含むことを特徴とする請
    求項１２記載の面型発光デバイス。
  14. 【請求項１４】前記窒素およびＡｌを含む化合物半導体
    多層膜のうち、Ａｌを含む化合物半導体層の一部が酸化
    されて高抵抗層とされており、該化合物半導体多層膜に
    注入されるキャリアを狭窄することを特徴とする請求項
    １２または１３記載の面型発光デバイス。
  15. 【請求項１５】前記活性層を含む導波路が柱状にエッチ
    ングされていて、その周りに側面保護層が形成されてい
    ることを特徴とする請求項７乃至１４の何れかに記載の
    面型発光デバイス。
  16. 【請求項１６】前記化合物半導体多層膜の表面にキャリ
    ア注入用にリング型電極が形成されていることを特徴と
    する請求項７乃至１５の何れかに記載の面型発光デバイ
    ス。
  17. 【請求項１７】前記―組の反射器間の共振器長を１波長
    とし、その中心のところに活性層が形成され、反射器で
    ある化合物半導体多層膜の層数を、反射位相を考慮して
    決めていることを特徴とする請求項７乃至１６の何れか
    に記載の面型発光デバイス。
  18. 【請求項１８】前記反射器の多層膜界面のヘテロギャッ
    ブを徐々に変化させたグレーディド構造としていること
    を特徴とする請求項７乃至１７の何れかに記載の面型発
    光デバイス。
  19. 【請求項１９】請求項１４記載の面型発光デバイスの製
    造方法において、前記窒素およびＡｌを含む化合物半導
    体多層膜のうち、Ａｌを含む化合物半導体層の一部を水
    蒸気中で熱酸化し、高抵抗層とすることで、該化合物半
    導体多層膜の表面に形成された電極から注入されたキャ
    リアを狭窄することを特徴とする面型発光デバイスの製
    造方法。
  20. 【請求項２０】請求項７乃至１８の何れかに記載の面型
    発光デバイスと、該面型発光デバイスを送信信号に応じ
    て変調された変調電流によって駆動する制御手段を備え
    た光送信機または送受信機、該光送信機または送受信機
    からの光を伝送する伝送手段、及び前記伝送手段によっ
    て伝送された光を受信する光受信機または送受信機から
    なることを特徴とする光通信システム。
  21. 【請求項２１】送信部の光源として、請求項７乃至１８
    の何れかに記載の面型発光デバイスを用い、送信信号に
    応じて変調された変調電流を前記面型発光デバイスに供
    給することによって、送信信号に応じて変調された信号
    光を取り出し、この信号光を光受信機または送受信機に
    向けて送信することを特徴とする光通信方法。
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