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JP2002324945A - Optical communication system - Google Patents

Optical communication system

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Publication number
JP2002324945A
JP2002324945A JP2002045466A JP2002045466A JP2002324945A JP 2002324945 A JP2002324945 A JP 2002324945A JP 2002045466 A JP2002045466 A JP 2002045466A JP 2002045466 A JP2002045466 A JP 2002045466A JP 2002324945 A JP2002324945 A JP 2002324945A
Authority
JP
Japan
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layer
semiconductor laser
optical
laser
active layer
Prior art date
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Pending
Application number
JP2002045466A
Other languages
Japanese (ja)
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JP2002324945A5 (en
Inventor
Yukie Suzuki
幸栄 鈴木
Akira Sakurai
彰 桜井
Masayoshi Kato
正良 加藤
Teruyuki Furuta
輝幸 古田
Kazuya Miyagaki
一也 宮垣
Takeshi Kanai
健 金井
Atsuyuki Watada
篤行 和多田
Shunichi Sato
俊一 佐藤
Satoru Sugawara
悟 菅原
Shinji Sato
新治 佐藤
Shuichi Hikiji
秀一 曳地
Takuro Sekiya
卓朗 関谷
Naoto Jikutani
直人 軸谷
Takashi Takahashi
孝志 高橋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ricoh Co Ltd filed Critical Ricoh Co Ltd
Priority to JP2002045466A priority Critical patent/JP2002324945A/en
Publication of JP2002324945A publication Critical patent/JP2002324945A/en
Publication of JP2002324945A5 publication Critical patent/JP2002324945A5/ja
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  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 動作電圧、発振閾値電流等を低くできる面発
光型半導体レーザ素子チップを発光光源として利用し、
当該面発光型半導体レーザ素子チップ、もしくは当該チ
ップを収容するモジュールパッケージから引き出される
光ファイバーケーブルのファイバーケーブル長を一定長
以上とすることで当該パッケージのアセンブリ製作の生
産性の向上を図るとともに、容易に光通信システムを構
築できるようにすることにある。 【解決手段】 n−GaAs基板2上に、n−半導体分
布ブラッグ反射鏡3を形成し、その上にλ/4の厚さの
n−GaIn1−xAs1−y層11を積層し
た。そしてその上にアンドープ下部GaAsスペーサ層
4と、3層のGaIn1−xAs量子井戸層である活
性層(量子井戸活性層)12とGaAsバリア層(20
nm)13からなる多重量子井戸活性層と、アンドープ
上部GaAsスペーサ層4とが積層されて、媒質内にお
ける発振波長λの1波長分の厚さ(λの厚さ)の共振器
を形成している。
(57) [Problem] To use a surface-emitting type semiconductor laser device chip capable of lowering an operating voltage, an oscillation threshold current and the like as a light-emitting light source,
By increasing the fiber cable length of the surface emitting type semiconductor laser device chip or the optical fiber cable drawn from the module package containing the chip to a certain length or more, it is possible to improve the productivity of the assembly production of the package and easily. An object of the present invention is to make it possible to construct an optical communication system. On An n-GaAs substrate 2, n-semiconductor distributed to form a Bragg reflector 3, the thickness of lambda / 4 on the n-Ga x In-1 x P y As 1-y layer 11 Were laminated. An undoped lower GaAs spacer layer 4, an active layer (quantum well active layer) 12, which is a three-layer Ga x In 1-x As quantum well layer, and a GaAs barrier layer (20) are formed thereon.
nm) 13 and an undoped upper GaAs spacer layer 4 are laminated to form a resonator having a thickness of one oscillation wavelength λ (thickness of λ) in the medium. I have.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は光通信などに用いら
れる半導体レーザならびにその光通信システムに関し、
さらに詳しくは、半導体レーザとして製作に使用する半
導体基板面に対して垂直方向に光を発するいわゆる面発
光レーザを用い複数のレーザ素子を形成して、大容量の
通信を可能にした光通信システムに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser used for optical communication and the like and an optical communication system therefor.
More specifically, the present invention relates to an optical communication system in which a plurality of laser elements are formed using a so-called surface-emitting laser that emits light in a direction perpendicular to a semiconductor substrate surface used for manufacturing a semiconductor laser, thereby enabling large-capacity communication. Things.

【0002】[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ー通信で
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。一般に、面発光半導体レーザは、GaAs又はGa
InAsからなる活性層と、当該活性層を上下に挟んで
配置された上部の半導体分布ブラッグ反射鏡と基板側の
下部の半導体分布ブラッグ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半導体分布ブラッ
グ反射鏡が使用されている。
2. Description of the Related Art A surface emitting semiconductor laser emits laser light in a vertical direction from the surface of a substrate, so that two-dimensional parallel integration is possible, and the spread angle of the output light is relatively narrow (about 10 degrees). Therefore, it is easy to couple with an optical fiber and easy to inspect the element.
Therefore, in particular, development as an element suitable for configuring an optical transmission module (optical interconnection device) of a parallel transmission type has been actively conducted. The immediate application of the optical interconnection device is parallel connection between housings of computers and the like and between boards, as well as short-distance optical fiber communication, but large-scale computer networks and long distances are expected applications in the future. There is a trunk system for distance and large-capacity communication. Generally, a surface emitting semiconductor laser is made of GaAs or Ga.
Although it is common to comprise an active layer made of InAs, an upper semiconductor distributed Bragg reflector arranged above and below the active layer, and an optical resonator composed of a lower semiconductor distributed Bragg reflector on the substrate side. Since the length of the optical resonator is significantly shorter than that of the edge emitting semiconductor laser,
By setting the reflectivity of the reflecting mirror to an extremely high value (99% or more), it is necessary to easily cause laser oscillation. For this reason, a semiconductor distributed Bragg reflector formed by alternately laminating a low-refractive-index material made of AlAs and a high-refractive-index material made of GaAs at a period of 1 / wavelength is usually used.

【0003】ところで上記のように、光通信に使用され
るようなレーザ波長が1.1μm以上の長波長帯レー
ザ、例えばレーザ波長が1.3μm帯や1.55μm帯
であるような長波長帯レーザは、製作基板に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る。また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り、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。このような問題を解決す
るためになされた発明として、特開平9−237942
号公報に開示されたものが知られている。それによる
と、製作基板として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半導体分布ブラッグ反射鏡
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、さらに、下部上部のうち少なく
とも一方の半導体分布ブラッグ反射鏡の高屈折率層にG
aInNAsからなる半導体層を用い、従来よりも大き
い屈折率差を得るようにし、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しようというものであ
る。また、GaInNAsを活性層の材料として使用し
ている。これは、N組成を増加させることによってバン
ドギャップ(禁制帯幅)を1.4eVから0eVへ向か
って低下させることができるので、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となる
からである。しかもGaAs基板と格子整合が可能なの
で、GaInNAsからなる半導体層は、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点についても言及している。
By the way, as described above, a long wavelength band laser having a laser wavelength of 1.1 μm or more used for optical communication, for example, a long wavelength band having a laser wavelength of 1.3 μm or 1.55 μm. In the laser, InP is used for the production substrate and InGaAsP is used for the active layer. However, the lattice constant of InP of the substrate is large, and a reflective mirror material matching the substrate cannot obtain a large refractive index difference. Must be more than pairs. Another problem with the semiconductor laser formed on the InP substrate is that the characteristics greatly change 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 purposes such as consumer use. Light emitting semiconductors have not yet been put to practical use. As an invention made to solve such a problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-237942 has been proposed.
The one disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H10-260, 1993 is known. According to this, a GaAs substrate is used as a production substrate, and a semiconductor layer made of AlInP that can be lattice-matched with the substrate is used as a low refractive index layer of at least one of the semiconductor distributed Bragg reflectors in the lower upper portion on the substrate side. G is applied to at least one of the lower and upper semiconductor distributed Bragg reflectors in the high refractive index layer.
The purpose of the present invention is to realize a semiconductor Bragg reflector having a high reflectivity with a small number of layers by using a semiconductor layer made of aInNAs so as to obtain a larger refractive index difference than before. GaInNAs is used as a material for the active layer. This is because the band gap (forbidden band width) can be reduced from 1.4 eV to 0 eV by increasing the N composition, and therefore, it can be used as a material that emits a wavelength longer than 0.85 μm. Because it becomes. In addition, it mentions that a semiconductor layer made of GaInNAs is preferable as a material for a long-wavelength surface emitting semiconductor laser in a 1.3 μm band and a 1.55 μm band because lattice matching with a GaAs substrate is possible.

【0004】しかしながら、従来は0.85μmよりも
長い波長帯の面発光半導体レーザ実現の可能性を示唆す
るにとどまっているだけであり、実際にはそのようなも
のは実現していない。これは基本的な構成は理論的には
ほぼ決まってはいるものの、実際に安定したレーザ発光
が得られるようにするための、より具体的な構成がまだ
不明だからである。一例を挙げると、上記のようにAl
As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
形成した半導体分布ブラッグ反射鏡を使用したものや、
あるいは特開平9−237942号公報に開示されたも
ののように、半導体分布ブラッグ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
を用いたものにおいては、レーザ素子が全く発光しなか
ったり、あるいは、発光してもその発光効率が低く、実
用レベルには程遠いものであった。これは、Alを含ん
だ材料が化学的に非常に活性であり、Alに起因する結
晶欠陥が生じ易いためである。これを解決するために
は、特開平8−340146号公報や特開平7−307
525号公報に開示された発明のようにAlを含まない
GaInNPとGaAsとから半導体分布ブラッグ反射
鏡を構成する提案がある。しかしながら、GaInNP
とGaAsとの屈折率差はAlAsとGaAsとの屈折
率差に比べて約半分であり、反射鏡の積層数を非常に多
くなり製作が困難となる。すなわち現状では、コンピュ
ータ・ネットワークなどで光ファイバー通信が期待され
ているが、それに使用できるレーザ波長が1.1μm〜
1.7μmの長波長帯面発光半導体レーザおよびそれを
用いた通信システムが存在せず、その出現が切望されて
いる。
[0004] However, in the past, only suggesting the possibility of realizing a surface emitting semiconductor laser in a wavelength band longer than 0.85 µm, such a thing has not been actually realized. This is because, although the basic configuration is almost theoretically determined, a more specific configuration for actually obtaining stable laser emission is still unknown. As an example, as described above, Al
A semiconductor distributed Bragg reflector formed by alternately laminating a low-refractive-index material composed of As and a high-refractive-index material composed of GaAs at a period of 1/4 wavelength;
Alternatively, as disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 9-237942, a semiconductor distributed Bragg reflector using a low refractive index layer made of a semiconductor layer made of AlInP that can be lattice-matched with the substrate has no laser element. No light was emitted, or even if light was emitted, its luminous efficiency was low, far from a practical level. This is because a material containing Al is chemically very active and crystal defects caused by Al are likely to occur. To solve this problem, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 8-340146 and 7-307 disclose the method.
There is a proposal for forming a semiconductor distributed Bragg reflector from GaInNP and GaAs that do not contain Al as in the invention disclosed in Japanese Patent No. 525. However, GaInNP
The refractive index difference between AlAs and GaAs is about half the refractive index difference between AlAs and GaAs. That is, at present, optical fiber communication is expected in computer networks and the like.
There is no long-wavelength surface-emitting semiconductor laser having a wavelength of 1.7 μm and a communication system using the same.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる課題
に鑑み、光通信などに用いられるレーザ発振波長が1.
1μm〜1.7μmの長波長帯面発光半導体レーザなら
びにその光通信システムに関するものであり、その第1
の目的は、動作電圧、発振閾値電流等を低くできる面発
光型半導体レーザ素子チップを発光光源として利用し、
低消費電力で、部品点数が少なく、良好な光学的結合効
率を可能とする光通信システムを提案することにある。
また第2の目的は、安定して使用できるレーザ発振波長
が1.1μm〜1.7μmの長波長帯面発光半導体レー
ザ素子チップを発光光源として利用し、信頼性が高く実
用的で、部品点数が少なく、良好な光学的結合効率を可
能とする光通信システムを提案することにある。さらに
第3の目的は、このような光通信システムにおいて、ア
ライメントマージンが大きく、低コストで、良好な光学
的結合効率を提案することにある.また第4の目的は、
このような光通信システムにおいて、高い信頼性を提案
することにある。さらに第5の目的は、このような光通
信システムにおいて、大容量の光通信システムを提案す
ることにある。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-mentioned problems, the present invention has a laser oscillation wavelength of 1.
The present invention relates to a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a wavelength of 1 μm to 1.7 μm and an optical communication system thereof.
The purpose is to use a surface-emitting type semiconductor laser device chip that can lower the operating voltage, oscillation threshold current, etc. as a light emitting light source,
An object of the present invention is to propose an optical communication system which has low power consumption, has a small number of parts, and enables good optical coupling efficiency.
A second object is to use a long-wavelength surface emitting semiconductor laser device chip having a laser oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm which can be used stably as a light emitting light source, and has high reliability and practicality. It is an object of the present invention to propose an optical communication system which has low optical coupling and enables good optical coupling efficiency. A third object of the present invention is to propose a good optical coupling efficiency at a low cost with a large alignment margin in such an optical communication system. The fourth purpose is
It is to propose high reliability in such an optical communication system. A fifth object is to propose a large-capacity optical communication system in such an optical communication system.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明はかかる課題を解
決するために、請求項1は、レーザチップと該レーザチ
ップと接続される光通信システムにおいて、前記レーザ
チップは発振波長が1.1μm〜1.7μmであり、光
を発生する活性層の主たる元素がGa、In、N、As
からなる層、若しくはGa、In、Asよりなる層と
し、レーザ光を得るために前記活性層の上部及び下部に
設けられた反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型
半導体レーザ素子チップであって、前記反射鏡は反射波
長が1.1μm以上で該反射鏡を構成する材料層の屈折
率が小大と異なる値に周期的に変化し入射光を光波干渉
によって反射する半導体分布ブラッグ反射鏡であるとと
もに、前記屈折率が小の材料層はAlGa1−xAs
(0<x≦1)とし、前記屈折率が大の材料層はAl
Ga1−yAs(0≦y<x≦1)とし、かつ前記屈折
率が小と大の材料層の間に該屈折率が小と大の間の値を
とるAlGa1−zAs(0≦y<z<x≦1)より
なるヘテロスパイク緩衝層を20nm〜50nmの厚さ
に設けた反射鏡であるような面発光型半導体レーザ素子
チップを発光光源としたものであり、光ファイバまたは
光導波路のコア径X、半導体レーザの開口径d、半導体
レーザの光放射角θとすると、半導体レーザから光ファ
イバまたは光導波路端までの光路長lがd+2ltan
(θ/2)≦Xを満たすことを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a laser chip and an optical communication system connected to the laser chip, wherein the laser chip has an oscillation wavelength of 1.1 μm. To 1.7 μm, and the main elements of the active layer that generates light are Ga, In, N, and As.
Or a layer of Ga, In, As, and a surface-emitting type semiconductor laser device chip having a resonator structure including reflectors provided above and below the active layer in order to obtain a laser beam. The reflective mirror has a reflection wavelength of 1.1 μm or more, the refractive index of a material layer constituting the reflective mirror periodically changes to a value different from a small value, and a semiconductor distributed Bragg reflection that reflects incident light by light wave interference. with a mirror, the material layer of the refractive index is small is Al x Ga 1-x as
(0 <x ≦ 1), and the material layer having a large refractive index is Al y
Ga 1-y As (0 ≦ y <x ≦ 1) and then, and the the refractive index between the refractive index is small and large material layer has a value between the small and large Al z Ga 1-z As The light emitting source is a surface-emitting type semiconductor laser device chip which is a reflector having a heterospike buffer layer of (0 ≦ y <z <x ≦ 1) with a thickness of 20 nm to 50 nm. Assuming that the core diameter X of the fiber or the optical waveguide, the aperture diameter d of the semiconductor laser, and the light emission angle θ of the semiconductor laser, the optical path length l from the semiconductor laser to the end of the optical fiber or the optical waveguide is d + 2 tan.
(Θ / 2) ≦ X is satisfied.

【0007】コンピュータ・ネットワーク、長距離大容
量通信の幹線系など光ファイバ通信が期待されているレ
ーザ発振波長が1.1μm帯〜1.7μm帯の分野にお
いて、動作電圧、発振閾値電流等を低くでき、レーザ素
子の発熱も少なく安定した発振ができる面発光型半導体
レーザおよびそれを用いた通信システムが存在しなかっ
たが、本発明のように半導体分布ブラッグ反射鏡を工夫
することにより、動作電圧、発振閾値電流等を低くで
き、レーザ素子の発熱も少なく安定した発振ができ、ま
た低コストで実用的な光通信システムが実現できた。ま
た、従来端面発光型レーザを用いた場合に比べ、本発明
のような動作電圧、発振閾値電流等を低くできる面発光
型半導体レーザを用いることで、低消費電力な光通信シ
ステムを実現でき、さらに、従来の端面発光型半導体レ
ーザの場合には、半導体レーザと光ファイバまたは光導
波路の間にレンズ光学系を挿入する必要があったが、本
発明のような半導体レーザと光ファイバまたは光導波路
の位置関係にすることで、レンズを用いる必要がないた
め部品点数が少なく、光軸方向に関してアライメントが
緩やかで光ファイバまたは光導波路と良好な光学的結合
効率を実現できた。かかる発明によれば、半導体分布ブ
ラッグ反射鏡を工夫することにより、動作電圧、発振閾
値電流等を低くでき、レーザ素子の発熱も少なく安定し
た発振ができ、また低コストで実用的な光通信システム
が実現できた。また、動作電圧、発振閾値電流等を低く
できる面発光型半導体レーザを用いることで、低消費電
力な光通信システムを実現でき、さらに、半導体レーザ
と光ファイバまたは光導波路の位置関係にすることで、
レンズを用いる必要がないため部品点数が少なく、光軸
方向に関してアライメントが緩やかで光ファイバまたは
光導波路と良好な光学的結合効率を実現できた。
In fields where the laser oscillation wavelength is expected to be 1.1 μm to 1.7 μm for optical fiber communication, such as computer networks and trunk systems for long-distance large-capacity communication, the operating voltage, oscillation threshold current and the like are reduced. Although there was no surface emitting semiconductor laser capable of generating stable laser oscillation with little heat generation from the laser element and a communication system using the same, the operating voltage was improved by devising a semiconductor distributed Bragg reflector as in the present invention. In addition, the oscillation threshold current and the like can be reduced, the laser element generates less heat, stable oscillation can be achieved, and a low-cost practical optical communication system can be realized. Further, compared to the case of using a conventional edge emitting laser, by using a surface emitting semiconductor laser capable of lowering the operating voltage and the oscillation threshold current as in the present invention, an optical communication system with low power consumption can be realized. Further, in the case of the conventional edge emitting semiconductor laser, it is necessary to insert a lens optical system between the semiconductor laser and the optical fiber or the optical waveguide. By adopting the above positional relationship, it is not necessary to use a lens, so that the number of parts is small, the alignment is loose in the optical axis direction, and good optical coupling efficiency with the optical fiber or the optical waveguide can be realized. According to the invention, by devising a semiconductor distributed Bragg reflector, an operating voltage, an oscillation threshold current, and the like can be reduced, a stable oscillation can be performed with less heat generation of a laser element, and a low-cost practical optical communication system Was realized. In addition, by using a surface-emitting type semiconductor laser capable of reducing operating voltage, oscillation threshold current, and the like, an optical communication system with low power consumption can be realized, and further, by setting the positional relationship between the semiconductor laser and an optical fiber or an optical waveguide. ,
Since there is no need to use a lens, the number of parts is small, alignment is gradual in the optical axis direction, and good optical coupling efficiency with an optical fiber or an optical waveguide can be realized.

【0008】請求項2は、レーザチップと該レーザチッ
プと接続される光通信システムにおいて、前記レーザチ
ップは発振波長が1.1μm〜1.7μmであり、光を
発生する活性層の主たる元素がGa、In、N、Asか
らなる層、もしくはGa、In、Asよりなる層とし、
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
られた反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導
体レーザ素子チップであって、前記反射鏡は反射波長が
1.1μm以上でそれを構成する材料層の屈折率が小大
と異なる値に周期的に変化し入射光を光波干渉によって
反射する半導体分布ブラッグ反射鏡であるとともに、前
記屈折率が小の材料層はAlGa1− As(0<x
≦1)とし、前記屈折率が大の材料層はAlGa
1−yAs(0≦y<x≦1)とした反射鏡であり、前
記活性層と前記反射鏡の間に主たる組成がGaIn
1−xAs1−y(0<x≦1、0<y≦1)層よ
りなる非発光再結合防止層を設けてなる面発光型半導体
レーザ素子チップを発光光源としたものであり、光ファ
イバまたは光導波路のコア径X、半導体レーザの開口径
d、半導体レーザの光放射角θとすると、半導体レーザ
から光ファイバまたは光導波路端までの光路長lがd+
2ltan(θ/2)≦Xを満たすことを特徴とする。
コンピュータ・ネットワーク、長距離大容量通信の幹線
系など光ファイバ通信が期待されているレーザ発振波長
が1.1μm帯〜1.7μm帯の分野において、安定し
て使用できる長波長帯面発光半導体レーザおよびそれを
用いた通信システムが存在しなかったが、本発明のよう
に、非発光再結合防止層を設けてなる面発光型半導体レ
ーザ素子チップとすることにより安定した発振が可能と
なり、これを発光光源とした実用的な光通信システムが
実現できた。さらに、従来端面発光型半導体レーザの場
合には、半導体レーザと光ファイバまたは光導波路の間
にレンズ光学系を挿入する必要があったが、本発明のよ
うな半導体レーザと光ファイバまたは光導波路の位置関
係にすることで、レンズを用いる必要がないため部品点
数が少なく、光軸方向に関してアライメントが緩やかで
光ファイバまたは光導波路と良好な光学的結合効率を実
現できた。かかる発明によれば、非発光再結合防止層を
設けてなる面発光型半導体レーザ素子チップとすること
により安定した発振が可能となり、これを発光光源とし
た実用的な光通信システムが実現できた。また、半導体
レーザと光ファイバまたは光導波路の位置関係にするこ
とで、レンズを用いる必要がないため部品点数が少な
く、光軸方向に関してアライメントが緩やかで光ファイ
バまたは光導波路と良好な光学的結合効率を実現でき
た。
A second aspect of the present invention is a laser chip and an optical communication system connected to the laser chip, wherein the laser chip has an oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm, and a main element of an active layer for generating light is a main element. A layer made of Ga, In, N, As or a layer made of Ga, In, As,
A surface-emitting type semiconductor laser device chip having a resonator structure including a reflector provided above and below the active layer to obtain a laser beam, wherein the reflector has a reflection wavelength of 1.1 μm or more. The semiconductor layer is a distributed Bragg reflector in which the refractive index of the material layer constituting the semiconductor layer periodically changes to a value different from a small value and reflects incident light by light wave interference, and the material layer having a small refractive index is Al x Ga. 1− x As (0 <x
≦ 1), and the material layer having a large refractive index is Al y Ga
1-y As (0 ≦ y <x ≦ 1), wherein the main composition between the active layer and the reflector is Ga x In
A surface-emitting type semiconductor laser device chip provided with a non-radiative recombination preventing layer composed of 1-x Py As 1-y (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1) layers is used as a light emitting light source. , The core diameter X of the optical fiber or the optical waveguide, the aperture diameter d of the semiconductor laser, and the light emission angle θ of the semiconductor laser, the optical path length l from the semiconductor laser to the end of the optical fiber or the optical waveguide is d +
It is characterized by satisfying 2ltan (θ / 2) ≦ X.
A long-wavelength surface emitting semiconductor laser that can be used stably in the field of laser oscillation wavelengths of 1.1 μm to 1.7 μm where optical fiber communication is expected, such as computer networks and trunk lines for long-distance large-capacity communication. And there was no communication system using the same. However, as in the present invention, a surface-emitting type semiconductor laser device chip provided with a non-radiative recombination prevention layer enables stable oscillation, A practical optical communication system as a light source was realized. Further, in the case of the conventional edge emitting semiconductor laser, it was necessary to insert a lens optical system between the semiconductor laser and the optical fiber or the optical waveguide. By using a positional relationship, it is not necessary to use a lens, so that the number of components is small, alignment is loose in the optical axis direction, and good optical coupling efficiency with an optical fiber or an optical waveguide can be realized. According to the invention, stable oscillation can be achieved by using a surface emitting semiconductor laser device chip provided with a non-radiative recombination preventing layer, and a practical optical communication system using this as a light emitting light source can be realized. . In addition, by setting the positional relationship between the semiconductor laser and the optical fiber or the optical waveguide, there is no need to use a lens, so the number of components is small, alignment is loose in the optical axis direction, and good optical coupling efficiency with the optical fiber or the optical waveguide. Was realized.

【0009】請求項3は、前記半導体レーザと光ファイ
バまたは光導波路は当接していることも本発明の有効な
手段である。かかる技術手段によれば、このような光通
信システムにおいて、半導体レーザと光ファイバまたは
光導波路は当接していることによって、レンズ光学系を
必要としないため部品点数が少なく、光軸と直交する方
向のアライメントマージンも増加するため低コストで、
光ファイバまたは光導波路と良好な光学的結合効率を実
現できた。請求項4は、前記光ファイバまたは光導波路
は、放熱部をもち、該放熱部は、前記半導体レーザ素子
チップに当接していることも本発明の有効な手段であ
る。かかる技術手段によれば、このような光ファイバま
たは光導波路は、放熱部をもち、該放熱部は、前記半導
体レーザ素子チップに当接していることによって、半導
体レーザ発信により発生した熱を基板側からだけでな
く、発光面側からも放熱できるため、より安定した光通
信システムを実現できた。請求項5は、前記光ファイバ
または光導波路と、前記半導体レーザ素子は、複数個設
けられていることも本発明の有効な手段である。かかる
技術手段によれば、このような光ファイバまたは光導波
路と面発光型半導体レーザ素子を複数用いることによっ
て、並列信号処理を行えるため、より大容量の光通信シ
ステムを実現できた。
According to a third aspect of the present invention, the semiconductor laser and the optical fiber or the optical waveguide are in contact with each other. According to such a technical means, in such an optical communication system, since the semiconductor laser and the optical fiber or the optical waveguide are in contact with each other, a lens optical system is not required, so that the number of parts is small and the direction orthogonal to the optical axis is reduced. Low cost because the alignment margin of
Good optical coupling efficiency with optical fiber or optical waveguide could be realized. According to a fourth aspect of the present invention, the optical fiber or the optical waveguide has a heat radiating portion, and the heat radiating portion is in contact with the semiconductor laser element chip. According to such a technical means, such an optical fiber or an optical waveguide has a heat radiating portion, and the heat radiating portion abuts on the semiconductor laser element chip, thereby transferring heat generated by the semiconductor laser emission to the substrate side. Since the heat can be dissipated not only from the light but also from the light emitting surface side, a more stable optical communication system can be realized. According to a fifth aspect of the present invention, a plurality of the optical fiber or the optical waveguide and the semiconductor laser device are provided. According to such technical means, parallel signal processing can be performed by using a plurality of such optical fibers or optical waveguides and surface emitting semiconductor laser devices, so that a larger capacity optical communication system can be realized.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示した実施形
態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載
される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配
置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそ
れのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎな
い。まず最初に、本発明の光通信システムに適用される
発光素子である伝送ロスの少ないレーザ発振波長が1.
1μm〜1.7μmの長波長帯面発光半導体レーザの一
例について図1を用いて説明する。前述のように、従来
は本発明が適用しようとしているレーザ発振波長が1.
1μm〜1.7μmの長波長帯面発光半導体レーザに関
しては、その可能性の示唆があるのみで、実現のための
材料、ならびにより具体的、詳細な構成は不明であっ
た。本発明では、活性層としてGaInNAs等の材料
を使用し、さらに具体的な構成を明確にした。以下にそ
れを詳述する。本発明では、面方位(100)のn−G
aAs基板2上に、それぞれの媒質内における発振波長
λの1/4倍の厚さ(λ/4の厚さ)でn−AlGa
1−xAs(x=1.0)(低屈折率層〜屈折率小の
層)とn−AlGa1−yAs(y=0)(高屈折率
層〜屈折率大の層)を交互に35周期積層したn−半導
体分布ブラッグ反射鏡3(AlAs/GaAs下部半導
体分布ブラッグ反射鏡)を形成し、その上にλ/4の厚
さのn−GaIn1−xAs1−y(x=0.
5、y=1)層11を積層した。この例ではn−Ga
In1−xAs −y(x=0.5、y=1)層も
下部反射鏡の一部であり低屈折率層(屈折率小の層)と
なっている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to an embodiment shown in the drawings. However, the components, types, combinations, shapes, relative arrangements, and the like described in this embodiment are not merely intended to limit the scope of the present invention but are merely illustrative examples unless otherwise specified. . First, the laser oscillation wavelength with a small transmission loss, which is a light emitting element applied to the optical communication system of the present invention, is as follows.
One example of a long-wavelength band surface emitting semiconductor laser of 1 μm to 1.7 μm will be described with reference to FIG. As described above, conventionally, the laser oscillation wavelength to be applied by the present invention is 1.
With respect to the long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a wavelength of 1 μm to 1.7 μm, there is only a suggestion of the possibility, and a material for realizing the laser, and a more specific and detailed configuration were unknown. In the present invention, a material such as GaInNAs is used for the active layer, and a more specific configuration is clarified. The details are described below. In the present invention, n-G of plane orientation (100) is used.
On the aAs substrate 2, n-Al x Ga having a thickness (thickness of λ / 4) 1 / times the oscillation wavelength λ in each medium.
1-x As (x = 1.0 ) ( low refractive index layer-refractive index small layer) and n-Al y Ga 1-y As (y = 0) ( high refractive index layer-refractive index large layer) alternately 35 cycles laminated n- semiconductor distributed Bragg reflector 3 (AlAs / GaAs lower semiconductor distributed Bragg reflector) is formed, n-Ga x in 1- x P y of the thickness of lambda / 4 on the As 1-y (x = 0.
5, y = 1) Layer 11 was laminated. In this example n-Ga x
In 1-x P y As 1 -y (x = 0.5, y = 1) layer are also part of the lower reflecting mirror has a low refractive index layer (a layer having a refractive index is small).

【0011】そしてその上にアンドープ下部GaAsス
ペーサ層4と、3層のGaIn −xAs量子井戸層
である活性層(量子井戸活性層)12とGaAsバリア
層(20nm)13からなる多重量子井戸活性層と、ア
ンドープ上部GaAsスペーサ層とが積層されて、媒質
内における発振波長λの1波長分の厚さ(λの厚さ)の
共振器を形成している。さらにその上に、C(炭素)ド
ープのp−GaIn1−xAs1−y(x=0.
5、y=1)層とZnドープp−AlGa1−xAs
(x=0)をそれぞれの媒質内における発振波長λの1
/4倍の厚さで交互に積層した周期構造(1周期)を積
層し、その上にCドープのp−AlGa1−xAs
(x=0.9)とZnドープp−AlGa1−xAs
(x=0)をそれぞれの媒質内における発振波長λの1
/4倍の厚さで交互に積層した周期構造(25周期)と
からなる半導体分布ブラッグ反射鏡5(Al0.9Ga
0.1As/GaAs上部半導体分布ブラッグ反射鏡)
を形成している。この例ではp−GaIn1−x
As1−y(x=0.5、y=1)層も上部反射鏡の一
部であり、低屈折率層(屈折率小の層)となっている。
なおここで、上部/下部反射鏡ともそれぞれ低屈折率層
(屈折率小の層)/高屈折率層(屈折率大の層)を交互
に積層して形成するが、本発明ではこれらの間に、屈折
率が小と大の間の値をとるAlGa1−zAs(0≦
y<z<x≦1)よりなるヘテロスパイク緩衝層を設け
ている。
Then, an undoped lower GaAs switch is formed thereon.
Pacer layer 4 and three layers of GaxIn1 -XAs quantum well layer
Active layer (quantum well active layer) 12 and GaAs barrier
A multiple quantum well active layer comprising a layer (20 nm) 13;
And an upper doped GaAs spacer layer,
Of the thickness of one oscillation wavelength λ (thickness of λ)
A resonator is formed. In addition, C (carbon)
P-GaxIn1-xPyAs1-y(X = 0.
5, y = 1) layer and Zn-doped p-AlxGa1-xAs
(X = 0) is set to 1 of the oscillation wavelength λ in each medium.
/ 4 times the thickness of the periodic structure (one cycle) laminated alternately
Layer on which C-doped p-AlxGa1-xAs
(X = 0.9) and Zn-doped p-AlxGa1-xAs
(X = 0) is set to 1 of the oscillation wavelength λ in each medium.
With a periodic structure (25 periods) alternately stacked with a thickness of / 4 times
Semiconductor Bragg reflector 5 (Al0.9Ga
0.1As / GaAs upper semiconductor distributed Bragg reflector)
Is formed. In this example, p-GaxIn1-xP y
As1-yThe (x = 0.5, y = 1) layer is also a part of the upper reflecting mirror.
And a low refractive index layer (a layer having a low refractive index).
Here, both the upper and lower mirrors have low refractive index layers.
(Low refractive index layer) / high refractive index layer (high refractive index layer) alternately
In the present invention, there is a refraction
Al with a ratio between small and largezGa1-zAs (0 ≦
providing a hetero-spike buffer layer consisting of y <z <x ≦ 1)
ing.

【0012】図2により本発明に適用される面発光半導
体レーザの反射波長が1.1μm以上の反射鏡について
より具体的に説明する。本発明に適用される反射波長が
1.1μm以上の反射鏡では、低屈折率層(屈折率小の
層)と高屈折率層(屈折率大の層)の間に、屈折率が小
と大の間の値をとるヘテロスパイク緩衝層AlGa
1−zAs(0≦y<z<x≦1)15を設けている。
図2は半導体分布ブラッグ反射鏡の一部を示したもので
ある(図1では図が複雑になるので図示することを省略
している)。従来レーザ波長が0.85μm帯の半導体
レーザに関して、このようなヘテロスパイク緩衝層15
を設けることも検討はされているが、まだ検討段階であ
り、その材料、あるいはその厚さなどまで詳細には検討
されていない。また本発明のようなレーザ発振波長が
1.1μm〜1.7μmの長波長帯面発光半導体レーザ
に関しては全く検討されていない。その理由はこの分野
(レーザ発振波長が1.1μm〜1.7μmの長波長帯
面発光半導体レーザ)が新しい分野であり、まだほとん
ど研究が進んでいないからである。本発明者はいち早く
この分野(レーザ発振波長が1.1μm〜1.7μmの
長波長帯面発光半導体レーザおよびそれを用いた光通
信)の有用性に気付き、それを実現するために鋭意検討
を行った。
FIG. 2 shows a surface emitting semiconductor device applied to the present invention.
Reflector whose reflection wavelength of body laser is 1.1μm or more
This will be described more specifically. The reflection wavelength applied to the present invention is
In a reflecting mirror of 1.1 μm or more, a low refractive index layer (a low refractive index layer) is used.
Layer) and the high refractive index layer (high refractive index layer)
Hetero spike buffer layer Al with a value betweenzGa
1-zAs (0 ≦ y <z <x ≦ 1) 15 is provided.
Figure 2 shows a part of a semiconductor distributed Bragg reflector.
There is a figure (it is omitted in FIG. 1 because the figure is complicated)
are doing). Conventional semiconductor with laser wavelength 0.85μm band
With respect to the laser, such a heterospike buffer layer 15
It is being considered to establish
The material, its thickness, etc.
It has not been. Also, the laser oscillation wavelength as in the present invention is
1.1 μm to 1.7 μm long wavelength band surface emitting semiconductor laser
Is not considered at all. The reason is this field
(Long wavelength band whose laser oscillation wavelength is 1.1 μm to 1.7 μm
Surface emitting semiconductor lasers) is a new field, and it is still almost
This is because research has not progressed. The inventor is quick
In this field (the laser oscillation wavelength is 1.1 μm to 1.7 μm)
Long wavelength surface emitting semiconductor laser and optical communication using the same
Of the usefulness of shin) and intensive study to realize it
Was done.

【0013】このようなヘテロスパイク緩衝層は形成時
にガス流量をコントロールするなどして、そのAl組成
を連続的もしくは段階的に変えるようにしてその材料層
の屈折率が連続的もしくは段階的に変化するようにして
形成する。より具体的には、AlGa1−zAs(0
≦y<z<x≦1)層のzの値を0から1.0まで変わ
るように、つまりGaAs〜AlGaAs〜AlAsと
いう具合にAlとGaの比率が徐々に変わるようにして
形成する。これは前述のように層形成時にガス流量をコ
ントロールすることによって作成される。また、Alと
Gaの比率が前述のように連続的に変わるようにして形
成しても良いし、段階的にその比率が変わるようにして
も同等の効果がある。このようなヘテロスパイク緩衝層
を設ける理由は、半導体分布ブラッグ反射鏡の持つ問題
点の一つであるp−半導体分布ブラッグ反射鏡の電気抵
抗が高いという課題を解決するためである。これは半導
体分布ブラッグ反射鏡を構成する2種類の半導体層の界
面に生じるヘテロ障壁が原因であるが、本発明のように
低屈折率層17と高屈折率層16の界面に一方の組成か
ら他方の組成へ次第にAl組成が変化するようにして、
屈折率も変化させることによってヘテロ障壁の発生を抑
制することが可能である。このようなヘテロスパイク緩
衝層についてより具体的に説明する。図3は半導体分布
ブラッグ反射鏡を構成する2種類の半導体層の間にヘテ
ロスパイク緩衝層を設けた半導体分布ブラッグ反射鏡の
例を示すものである。図では、半導体分布ブラッグ反射
鏡の材料の例としてAlGaAs系半導体材料(Al
Ga1−zAs(0≦y<z<x≦1))について示し
ている。半導体分布ブラッグ反射鏡を構成する2種類の
半導体層はAlAs、GaAsであり、AlAs、Ga
Asの中間の価電子帯エネルギーを持つヘテロスパイク
緩衝層として、これの間にAl組成を変化させた組成傾
斜層を設けている。すなわち、AlGa1−zAs
(0≦y<z<x≦1)層のzの値を0から1.0まで
変わるように、つまりGaAs〜AlGaAs〜AlA
sという具合にAlとGaの比率が徐々に変わるように
している。
The refractive index of the material layer of such a hetero-spike buffer layer changes continuously or stepwise by controlling the gas flow rate at the time of formation or by changing the Al composition continuously or stepwise. It is formed as follows. More specifically, Al z Ga 1-z As (0
.Ltoreq.y <z <x.ltoreq.1) The layer is formed so that the value of z changes from 0 to 1.0, that is, the ratio of Al to Ga gradually changes, such as GaAs to AlGaAs to AlAs. This is created by controlling the gas flow during layer formation as described above. Further, it may be formed so that the ratio of Al and Ga changes continuously as described above, or the same effect can be obtained even if the ratio changes stepwise. The reason for providing such a heterospike buffer layer is to solve the problem that the electrical resistance of the p-semiconductor distributed Bragg reflector, which is one of the problems of the distributed Bragg reflector, is high. This is due to a hetero-barrier generated at the interface between the two types of semiconductor layers constituting the semiconductor distributed Bragg reflector. As the Al composition gradually changes to the other composition,
By changing the refractive index, it is possible to suppress the generation of the hetero barrier. Such a hetero spike buffer layer will be described more specifically. FIG. 3 shows an example of a semiconductor distributed Bragg reflector in which a hetero-spike buffer layer is provided between two types of semiconductor layers constituting the semiconductor distributed Bragg reflector. In the figure, as an example of the material of the semiconductor distributed Bragg reflector, an AlGaAs-based semiconductor material (Al z
Ga 1-z As (0 ≦ y <z <x ≦ 1) is shown. The two kinds of semiconductor layers constituting the semiconductor distributed Bragg reflector are AlAs and GaAs, and AlAs and Ga
As a hetero-spike buffer layer having an intermediate valence band energy of As, a composition gradient layer in which the Al composition is changed is provided therebetween. That, Al z Ga 1-z As
(0 ≦ y <z <x ≦ 1) The value of z of the layer is changed from 0 to 1.0, that is, GaAs to AlGaAs to AlA.
The ratio of Al and Ga is gradually changed to s.

【0014】AlGaAs系半導体材料は、Al組成の
増加と伴に、バンドギャップエネルギーが大きくなり、
屈折率が低下する。またこの際、伝導帯では、Al組成
0.43まで、エネルギーが増加した後減少を始める
が、価電子帯では単調に、略Al組成の増加量に比例し
て価電子帯エネルギーが低下する(トータルとして、バ
ンドギャップエネルギーは組成に対して増加してい
る。)。この他にもAlGaInP系材料を例に挙げる
と、この材料は4元材料であるが、AlInP組成の増
加に伴い、AlGaAs系におけるAl組成の増加と同
様の傾向を示す。伝導帯エネルギーは、AlInP組成
0.7まで増加した後減少を始める。しかし価電子帯エ
ネルギーは、AlInP組成の増加に対し同様に単調に
減少する。図3の例では、GaAs層の近くの領域の
(図3では、領域I)組成傾斜率(バンドギャップエネ
ルギーの増加率)を、AlAs層の近くの領域の(図3
では領域II)組成傾斜率に比べて大きくしている。比較
のために、単に線形にAl組成を変化させた線形組成傾
斜層をヘテロスパイク緩衝層とした構造を図4に示す。
The AlGaAs-based semiconductor material has an increased band gap energy as the Al composition increases.
The refractive index decreases. At this time, in the conduction band, the energy starts to decrease until the Al composition reaches 0.43, but in the valence band, the valence band energy decreases monotonically in substantially proportion to the increase amount of the Al composition ( Overall, the bandgap energy increases with composition.) In addition to this, when an AlGaInP-based material is taken as an example, this material is a quaternary material, but shows the same tendency as the AlGaAs-based Al composition increases as the AlInP composition increases. The conduction band energy begins to decrease after increasing to an AlInP composition of 0.7. However, the valence band energy similarly decreases monotonically with increasing AlInP composition. In the example of FIG. 3, the composition gradient rate (increase rate of the band gap energy) of the region near the GaAs layer (region I in FIG. 3) is shown in FIG.
In region II), the composition gradient is larger than the composition gradient. For comparison, FIG. 4 shows a structure in which a linear composition gradient layer having a linearly changed Al composition is used as a hetero-spike buffer layer.

【0015】図5は、反射波長1.3μmのAlAs・
GaAsの界面に厚さ20nmの図3のヘテロスパイク
緩衝層を設けた4ペアp−DBRの電気抵抗を見積もっ
た結果である。図5では、ヘテロスパイク緩衝層を含む
DBRの各層のキャリア密度を1E18[cm−3]の
P型としており、縦軸にゼロバイアス付近における微分
シート抵抗値を示している。横軸は、領域IのAl組成
傾斜率であり、異なる領域Iの厚さ(図中に示してい
る)についてそれぞれ示している。領域Iと領域IIの和
は常に20nmであり、領域IIの厚さ及び組成傾斜率
は、領域Iの厚さと組成傾斜率から決まる。単純にGa
As層とAlAs層間に線形組成傾斜層を設けた場合の
Al組成傾斜率は0.05[nm−1]であり、これ
は、図のA点に当たる。図5のように、領域IのAl組
成傾斜度を大きくしていくことにより、従来のように単
に組成傾斜率を線形とした場合に比べ、抵抗値が減少す
る。また、極小となる最適なAl組成傾斜率が存在して
いることが分かる。例えば、領域Iの厚さが10nm
(領域IIと同じ厚さ)では、Al組成傾斜率0.09
[nm−1]で従来の80%程度に低抵抗化している
(また、この傾向は印加電圧に依らない。)。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the reflection wavelength of 1.3 μm AlAs
It is a result of estimating the electric resistance of a 4-pair p-DBR in which the heterospike buffer layer of FIG. 3 having a thickness of 20 nm is provided at the GaAs interface. In FIG. 5, the carrier density of each layer of the DBR including the hetero-spike buffer layer is a P-type of 1E18 [cm −3 ], and the vertical axis indicates the differential sheet resistance near zero bias. The abscissa indicates the Al composition gradient in the region I, and indicates the thickness of the different region I (shown in the figure). The sum of the region I and the region II is always 20 nm, and the thickness and the composition gradient of the region II are determined by the thickness of the region I and the composition gradient. Simply Ga
When the linear composition gradient layer is provided between the As layer and the AlAs layer, the Al composition gradient is 0.05 [nm -1 ], which corresponds to the point A in the figure. As shown in FIG. 5, by increasing the gradient of the Al composition in the region I, the resistance value is reduced as compared with the conventional case where the composition gradient is simply made linear. It can also be seen that there is an optimum Al composition gradient that is minimal. For example, the thickness of the region I is 10 nm.
(The same thickness as in the region II), the Al composition gradient was 0.09.
In [nm -1 ], the resistance is reduced to about 80% of the conventional value (this tendency does not depend on the applied voltage).

【0016】次にこの理由について説明する。図6は、
AlAs/GaAsによるDBRヘテロ界面の熱平衡状
態のバンド図を表すものである。図のように、バンド不
連続に起因するヘテロスパイクはおもに禁則帯幅の広い
AlAs層側で顕著に現れており、ほとんどGaAs層
側ではノッチが発生しない。GaAs層側に発生するノ
ッチは、本来、高抵抗化の原因とはならないのでAlA
s層側に発生するスパイクを、限られたヘテロスパイク
緩衝層の厚さで効率良く平坦にすることが、低抵抗化に
対し重要である。図3の構造では、ノッチが発生するG
aAs側で急激に組成を増加させて、スパイクが発生す
るAlAs側の組成傾斜を緩やかに変化させたことに対
応している。これによって、ヘテロスパイク緩衝層の組
成変化を単純に線形とした場合に比べてスパイクの発生
を低減させる事ができる(従って、逆に領域IのAl組
成傾斜率を領域IIより小さくすると、抵抗値が増加す
る。)。図7に、図3の熱平衡状態のバンド図の模式図
を示す。従来の単純な組成傾斜層に比べ、同じ厚さでA
lAs側の組成傾斜率を緩やかにすることができる。以
上より、領域Iの組成傾斜率を大きくすることで、従来
よりも電気抵抗を低減することができることがわかる。
次にこのような屈折率が小と大の間の値をとるヘテロス
パイク緩衝層AlGa1−zAs(0≦y<z<x≦
1)の最適厚さについて、検討した結果を説明する。図
8は、1.3μmに反射中心波長を持つAlAs/Ga
Asによる4ペアDBRについて、ヘテロスパイク緩衝
層厚さを変えて、ゼロバイアス付近での微分電気抵抗率
を計算した結果である。DBR層のドーピング密度は1
E18cm とし、ヘテロスパイク緩衝層を含む各層
のドーピング密度は一様としている。また、破線で示す
値は、各半導体層のバルク抵抗から求めた抵抗率であ
り、ヘテロ界面の影響が全く無いとした場合に得られる
DBRの抵抗率を示したものである。
Next, the reason will be described. FIG.
FIG. 3 is a band diagram of a thermal equilibrium state of a DBR hetero interface made of AlAs / GaAs. As shown in the figure, heterospikes caused by band discontinuity mainly appear remarkably on the AlAs layer side having a large band gap, and almost no notch is generated on the GaAs layer side. The notch generated on the GaAs layer side does not originally cause a high resistance, so that the AlA
It is important to lower the resistance efficiently that spikes generated on the s layer side are efficiently flattened with a limited thickness of the hetero spike buffer layer. In the structure of FIG.
This corresponds to the fact that the composition is rapidly increased on the aAs side and the composition gradient on the AlAs side where spikes occur is gradually changed. This makes it possible to reduce the occurrence of spikes as compared with the case where the composition change of the hetero-spike buffer layer is simply linear (accordingly, when the Al composition gradient in the region I is smaller than that in the region II, the resistance value becomes smaller). Increases.). FIG. 7 is a schematic diagram of a band diagram in the thermal equilibrium state of FIG. Compared to the conventional simple composition gradient layer, A
The composition gradient on the lAs side can be reduced. From the above, it is understood that the electric resistance can be reduced as compared with the related art by increasing the composition gradient in the region I.
Then hetero spike buffer layer Al z Ga 1-z As ( 0 ≦ y of such a refractive index takes a value between the small and large <z <x ≦
The result of study on the optimum thickness of 1) will be described. FIG. 8 shows AlAs / Ga having a reflection center wavelength at 1.3 μm.
It is the result of calculating the differential electric resistivity near zero bias by changing the thickness of the hetero-spike buffer layer for the four-pair DBR using As. The doping density of the DBR layer is 1
E18cm - 3 and then, doping density of each layer containing a hetero spike buffer layer are uniform. The value indicated by the broken line is the resistivity obtained from the bulk resistance of each semiconductor layer, and shows the resistivity of the DBR obtained when there is no influence from the hetero interface.

【0017】図8の様にヘテロスパイク緩衝層を設けな
いDBR(ヘテロスパイク緩衝層厚さが0)では抵抗率
が1Ωcmと非常に高抵抗であり、現実的な問題とし
て20ペア以上積層したDBRを通し素子に通電させる
事自体が困難であり、更に通電させる為には非常に高い
電圧を必要とする。従って、この様なDBRを備えた面
発光レーザ素子は現実に発振させる事は困難である。し
かしながら、5nmのヘテロスパイク緩衝層を設けた場
合には、ヘテロスパイク緩衝層を設けない場合に比べ
て、約2桁程度抵抗率を低減する事が可能であり、素子
の通電が容易になって発振を得る事が可能となる。更
に、通電に必要な電圧も低減するので、素子の破壊、故
障等、信頼性に関する諸問題も大きく改善する。更に、
ヘテロスパイク緩衝層を厚くするに従って抵抗率は急激
に低減しており、特に20nm以上では、抵抗率はほぼ
一定の値となる。図8はヘテロスパイク緩衝層、及び各
層のp型ドーピング密度を1E18cm −3として一様
のドープした場合の構造について示したものである。な
お、このドーピング濃度は通常DBRに用いられる標準
的な値である。図8のDBRの構造では抵抗率の減少が
飽和し始めるヘテロスパイク緩衝層の厚さは約20nm
であり、この時の抵抗率は、バルク抵抗率のおよそ2.
5倍程度と非常に低い値まで低減されている。つまり、
テロスパイク緩衝層厚さの下限値を20nmとし、それ
以上の厚さにすれば素子の動作電圧を最も低い値とする
ことができ、素子発熱も最小限にすることができる。従
って発振を維持できる温度、並びに得られる光出力が増
加する。しかしながら、これに反してDBRの光学的特
性には、ヘテロスパイク緩衝層が厚くなるに従って反射
率が低下するという問題がある。図9は、ヘテロスパイ
ク緩衝層厚さの変化に対するDBRの反射率の減少の様
子を詳しく示したものである。図に示した直線と比較す
ると、ヘテロスパイク緩衝層の厚さが50nm以上から
急激に反射率の変化率が大きくなる様子が分かる。素子
の発振閾値電流はこれに対応して急激に増加し始める。
従って、ヘテロスパイク緩衝層の厚さの上限は50nm
とするのが適当である。以上の様に20nm以上、50
nm以下のヘテロスパイク緩衝層を設けたDBRでは、
ヘテロ界面の影響による抵抗を有効に低減する事が可能
であり、また、高い反射率を同時に得る事ができる。こ
れを用いた面発光レーザ素子では、現実的な駆動条件に
おいて、容易に低閾値電流での発振を得る事が可能であ
る。
As shown in FIG. 8, no hetero-spike buffer layer is provided.
DBR (hetero spike buffer layer thickness 0) resistivity
Is 1Ωcm2Is very high resistance and a real problem
Through the DBR stacked by 20 pairs or more
The thing itself is difficult, and it is very expensive to further energize
Requires voltage. Therefore, a surface with such a DBR
It is difficult for a light emitting laser device to actually oscillate. I
However, when a 5 nm hetero-spike buffer layer is provided
In this case, compared to the case without a hetero spike buffer layer,
It is possible to reduce the resistivity by about two digits,
And the oscillation can be obtained. Change
In addition, since the voltage required for energization is also reduced,
Various problems related to reliability, such as obstacles, are greatly improved. Furthermore,
The resistivity increases sharply as the thickness of the heterospike buffer layer increases.
, And especially at 20 nm and above, the resistivity is almost
It has a constant value. FIG. 8 shows the heterospike buffer layer and each
The p-type doping density of the layer is 1E18 cm -3As uniform
This shows the structure in the case of doping. What
In addition, this doping concentration is a standard used for a DBR.
Value. In the structure of the DBR shown in FIG.
The thickness of the heterospike buffer layer that begins to saturate is about 20 nm
And the resistivity at this time is approximately 2.75 of the bulk resistivity.
The value is reduced to a very low value of about five times. That is,
The lower limit of the thickness of the terror spike buffer layer is set to 20 nm.
With the above thickness, the operating voltage of the element is set to the lowest value.
And the heat generation of the element can be minimized. Obedience
The temperature at which oscillation can be maintained, and the resulting optical output
Add. However, on the contrary, the optical characteristics of DBR
Reflectivity increases as the thickness of the heterospike buffer layer increases
There is a problem that the rate decreases. Fig. 9 shows heterospy
Like the decrease in reflectivity of the DBR to the change in the buffer layer thickness
The child is shown in detail. Compare with the straight line shown in the figure.
Then, the thickness of the hetero-spike buffer layer becomes 50 nm or more.
It can be seen that the rate of change in reflectance sharply increases. element
The oscillation threshold current starts to increase correspondingly.
Therefore, the upper limit of the thickness of the hetero spike buffer layer is 50 nm.
Is appropriate. As described above, 20 nm or more, 50
In a DBR provided with a heterospike buffer layer of nm or less,
Effective reduction of resistance due to hetero interface
In addition, a high reflectance can be obtained at the same time. This
In a surface emitting laser device using
Therefore, it is possible to easily obtain oscillation at a low threshold current.
You.

【0018】本発明のようなレーザ発振波長が1.1μ
m〜1.7μmの長波長帯面発光半導体レーザの場合、
20nm〜50nmの厚さとするのが良く、これより薄
いと抵抗が大となり電流が流れにくく、素子が発熱した
り、駆動エネルギーが高くなるという不具合がある。ま
た厚いと抵抗が小となり、素子の発熱や、駆動エネルギ
ーの面で有利になるが、今度は反射率がとれないという
不具合があり、前述のように最適の範囲(20nm〜5
0nmの厚さ)を選ぶ必要がある。なお、前述のように
従来のレーザ波長が0.85μm帯の半導体レーザに関
してこのようなヘテロスパイク緩衝層を設けることも検
討されているが、本発明のようなレーザ発振波長が1.
1μm〜1.7μmの長波長帯面発光半導体レーザの場
合は、より効果的である。なぜなら、例えば同等の反射
率(例えば99.5%以上)を得るためには、0.85
μm帯よりも1.1μm帯〜1.7μm帯の場合、この
ような材料層を約2倍程度にすることができるので、半
導体分布ブラッグ反射鏡の抵抗値を低減させることがで
き、動作電圧、発振閾値電流等が低くなり、レーザ素子
の発熱防止ならびに安定発振、少エネルギー駆動の面で
有利となる。つまり半導体分布ブラッグ反射鏡にこのよ
うなヘテロスパイク緩衝層を設けることは、本発明のよ
うなレーザ発振波長が1.1μm〜1.7μmの長波長
帯面発光半導体レーザの場合に特に効果的な工夫といえ
る。なお効果的な反射率を得るためのより詳細な検討結
果の一例を挙げると、例えば1.3μm帯面発光型レー
ザ素子では、AlGa1−xAs(x=1.0)(低
屈折率層〜屈折率小の層)とAlGa1−yAs(y
=0)(高屈折率層〜屈折率大の層)を20周期積層し
た場合においては、半導体分布ブラッグ反射鏡の反射率
が99.7%以下となるAlGa1−zAs(0≦y
<z<x≦1)層の厚さは30nmである.また、反射
率が99.5%以上となる波長帯域は53nmであり、
反射率を99.5%以上と設計した場合、±2%の膜厚
制御ができればよい.そこでこれと同等およびこれより
薄い、10nm、20nm、30nmのものを試作した
ところ、反射率を実用上問題のない程度に保つことがで
き、半導体分布ブラッグ反射鏡の抵抗値を低減させるこ
とができた1.3μm帯面発光型レーザ素子を実現、レ
ーザ発振に成功した。なお試作したレーザ素子の他の構
成は後述のとおりである。
The laser oscillation wavelength of the present invention is 1.1 μm.
m to 1.7 μm long wavelength band surface emitting semiconductor laser,
The thickness is preferably from 20 nm to 50 nm. If the thickness is smaller than this, there is a problem that the resistance becomes large and current does not easily flow, the element generates heat, and the driving energy increases. When the thickness is large, the resistance becomes small, which is advantageous in terms of heat generation of the element and driving energy. However, there is a problem that the reflectance cannot be obtained this time, and as described above, the optimum range (20 nm to 5 nm) is obtained.
(Thickness of 0 nm). As described above, the provision of such a hetero-spike buffer layer for a conventional semiconductor laser having a laser wavelength in the 0.85 μm band has been studied.
In the case of a long-wavelength surface emitting semiconductor laser of 1 μm to 1.7 μm, it is more effective. This is because, for example, to obtain the same reflectance (for example, 99.5% or more), 0.85
In the case of the 1.1 μm to 1.7 μm band than the μm band, such a material layer can be approximately doubled, so that the resistance value of the semiconductor distributed Bragg reflector can be reduced and the operating voltage can be reduced. In addition, the oscillation threshold current and the like are reduced, which is advantageous in terms of prevention of heat generation of the laser element, stable oscillation, and low energy driving. In other words, providing such a hetero-spike buffer layer on a semiconductor distributed Bragg reflector is particularly effective for a long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a laser oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm as in the present invention. It can be called a device. As an example of a more detailed study result for obtaining an effective reflectance, for example, in a 1.3 μm band surface emitting laser device, Al x Ga 1-x As (x = 1.0) (low refractive index) rate layer-refractive index small layer) and Al y Ga 1-y as ( y
= 0) (in the case of a high refractive index layer-refractive index large layer) 20 period stacking, the reflectance of the semiconductor distributed Bragg reflector is 99.7% or less Al z Ga 1-z As ( 0 ≦ y
<Z <x ≦ 1) The thickness of the layer is 30 nm. The wavelength band where the reflectance is 99.5% or more is 53 nm,
When the reflectance is designed to be 99.5% or more, it is only necessary to control the film thickness by ± 2%. Therefore, when prototypes of 10 nm, 20 nm, and 30 nm which are equivalent to and thinner than this were prototyped, the reflectivity could be kept to a practically acceptable level, and the resistance value of the semiconductor distributed Bragg reflector could be reduced. A 1.3 μm band surface emitting laser device was realized, and laser oscillation was successful. Other configurations of the prototyped laser element are as described below.

【0019】なお多層膜反射鏡においては設計波長(膜
厚制御が完全にできたとして)を含んで反射率の高い帯
域がある。高反射率の帯域(反射率が狙いの波長に対し
て必要値以上である領域を含む)と呼ぶ。設計波長の反
射率が最も高く、波長が離れるにしたがってごくわずか
ずつ低下している領域である。これはある領域から急激
に低下する。そして狙いの波長に対して必要な反射率以
上となるように、本来、多層膜反射鏡の膜厚を原子層レ
ベルで完全に制御する必要がある。しかし実際には±1
%程度の膜厚誤差は生じるので狙いの波長と最も反射率
の高い波長はずれてしまう。例えば狙いの波長が1.3
μmの場合、膜厚制御が1%ずれたとき、最も反射率の
高い波長は13nmずれてしまう。よってこの高反射率
の帯域(ここでは反射率が狙いの波長に対して必要値以
上である領域)は広い方が望ましい。このように本発明
のようなレーザ発振波長が1.1μm〜1.7μmの長
波長帯面発光半導体レーザにおいて、このような半導体
分布ブラッグ反射鏡の構成を工夫、最適化することによ
り、反射率を高く維持したまま抵抗値を低減させること
ができるので、動作電圧、発振閾値電流等を低くでき、
レーザ素子の発熱防止ならびに安定発振、少エネルギー
駆動が可能となる。
In the multilayer mirror, there is a band having a high reflectance including a design wavelength (assuming that the film thickness can be completely controlled). It is referred to as a high-reflectance band (including a region where the reflectivity is equal to or more than a required value for a target wavelength). This is the region where the reflectance at the design wavelength is the highest and decreases very little as the wavelength increases. It drops off sharply from some area. Originally, it is necessary to completely control the film thickness of the multilayer mirror at the atomic layer level so that the reflectance is higher than the required reflectance for the target wavelength. But actually ± 1
Since a film thickness error of about% occurs, the target wavelength deviates from the wavelength having the highest reflectance. For example, if the target wavelength is 1.3
In the case of μm, when the film thickness control is shifted by 1%, the wavelength having the highest reflectance is shifted by 13 nm. Therefore, it is desirable that the band of the high reflectance (here, the region where the reflectance is equal to or more than a required value with respect to a target wavelength) is wide. As described above, in the long-wavelength surface emitting semiconductor laser having a laser oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm as in the present invention, the reflectivity is improved by devising and optimizing the configuration of such a semiconductor distributed Bragg reflector. The resistance value can be reduced while maintaining high, so that the operating voltage, oscillation threshold current, etc. can be reduced,
Prevention of heat generation of the laser element, stable oscillation, and low energy driving are possible.

【0020】再び図1に戻り、最上部の、p−Al
1−xAs(x=0)層は、電極とコンタクトを取る
ためのコンタクト層(p−コンタクト層)としての役割
も持っている。ここで、量子井戸活性層のIn組成xは
39%(Ga0.61In0.39As)とした。また
量子井戸活性層の厚さは7nmとした。なお量子井戸活
性層は、GaAs基板に対して約2.8%の圧縮歪を有
していた。またこの面発光型半導体レーザ全体の成長方
法はMOCVD法で行った。この場合、格子緩和は見ら
れなかった。半導体レーザの各層を構成する原料には、
TMA(トリメチルアルミニウム)、TMG(トリメチ
ルガリウム)、TMI(トリメチルインジウム)、As
(アルシン)、PH(フォスフィン)を用いた。
また、キャリアガスにはHを用いた。図1に示した素
子の活性層(量子井戸活性層)のように歪が大きい場合
は、非平衡となる低温成長が好ましい。ここでは、Ga
InAs層(量子井戸活性層)は550℃で成長させて
いる。ここで使用したMOCVD法は過飽和度が高く高
歪活性層の結晶成長に適している。またMBE法のよう
な高真空を必要とせず、原料ガスの供給流量や供給時間
を制御すれば良いので量産性にも優れている。
Returning again to FIG. 1, the uppermost p-Al x G
The a1 - xAs (x = 0) layer also has a role as a contact layer (p-contact layer) for making contact with an electrode. Here, the In composition x of the quantum well active layer was 39% (Ga 0.61 In 0.39 As). The thickness of the quantum well active layer was 7 nm. The quantum well active layer had a compressive strain of about 2.8% with respect to the GaAs substrate. The entire surface emitting semiconductor laser was grown by MOCVD. In this case, no lattice relaxation was observed. The raw materials constituting each layer of the semiconductor laser include:
TMA (trimethylaluminum), TMG (trimethylgallium), TMI (trimethylindium), As
H 3 (arsine) and PH 3 (phosphine) were used.
H 2 was used as a carrier gas. In the case where the strain is large as in the active layer (quantum well active layer) of the device shown in FIG. Here, Ga
The InAs layer (quantum well active layer) is grown at 550 ° C. The MOCVD method used here has a high degree of supersaturation and is suitable for crystal growth of a high strain active layer. In addition, high vacuum is not required as in the MBE method, and the supply flow rate and supply time of the source gas may be controlled.

【0021】またこの例では、電流経路外の部分をプロ
トン(H)照射によって絶縁層(高抵抗部)を作っ
て、電流狭さく部を形成した。そしてこの例では、上部
反射鏡の最上部の層であり上部反射鏡一部となっている
p−コンタクト層上に光出射部を除いてp側電極を形成
し、基板の裏面にn側電極を形成した。この例では、上
下反射鏡に挟まれた、キャリアが注入され再結合する活
性領域(本実施例では上部及び下部スペーサ層と多重量
子井戸活性層とからなる共振器)において、活性領域内
にはAlを含んだ材料(III族に占める割合が1%以
上)を用いず、さらに、下部及び上部反射鏡の低屈折率
層の最も活性層に近い層をGaIn1−xAs
1−y(0<x≦1、0<y≦1)の非発光再結合防止
層としている。すなわちxあるいはyの値を適宜選ぶこ
とにより、GaInPもしくはGaInPAsもしくは
GaPAsが非発光再結合防止層とされる。なおこの層
には、Al以外の他の材料を微量添加する場合もある
が、主たる材料は、GaIn1−xAs
1−y(0<x≦1、0<y≦1)である。キャリア
は、活性層に最も近くワイドギャップである上部及び下
部反射鏡の低屈折率層間に閉じ込められるので、活性領
域のみをAlを含まない層(III族に占める割合が1%
以下)で構成しても活性領域に接する反射鏡の低屈折率
層(ワイドギャップ層)にAlを含んだ構造としたので
は、キャリアが注入され再結合する時、この界面で非発
光再結合が生じ発光効率は低下してしまう。よって活性
領域はAlを含まない層で構成することが望ましい。ま
たこの主たる組成がGaIn1−xAs
1−y(0<x≦1、0<y≦1)よりなる非発光再結
合防止層は、その格子定数がGaAs基板よりも小さ
く、引張り歪を有している。
In this example, a portion outside the current path was formed by irradiating protons (H + ) to form an insulating layer (high resistance portion) to form a current narrowing portion. In this example, a p-side electrode is formed on the p-contact layer which is the uppermost layer of the upper reflector and is a part of the upper reflector, excluding the light emitting portion, and an n-side electrode is formed on the back surface of the substrate. Was formed. In this example, in the active region (resonator including the upper and lower spacer layers and the multiple quantum well active layer in this embodiment) sandwiched between the upper and lower reflectors and into which carriers are injected and recombined, the active region has material containing al (percentage of group III 1% or more) without using a further layer closest to the active layer of the low refractive index layer of the lower and upper reflector Ga x in 1-x P y As
1-y (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1) as a non-radiative recombination preventing layer. That is, by appropriately selecting the value of x or y, GaInP, GaInPAs, or GaPAs is used as the non-radiative recombination preventing layer. Note that this layer, there is a case where a material other than Al is added small amount, the main material, Ga x In 1-x P y As
1-y (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1). The carriers are confined between the low-refractive index layers of the upper and lower reflectors, which are the wide gaps closest to the active layer, so that only the active region is an Al-free layer (1% of the group III).
However, if the low refractive index layer (wide gap layer) of the reflector in contact with the active region is made to contain Al even when the carrier is injected and recombined, non-radiative recombination occurs at this interface. Occurs and the luminous efficiency is reduced. Therefore, it is desirable that the active region be formed of a layer containing no Al. Also this main composition Ga x In 1-x P y As
The non-radiative recombination preventing layer made of 1-y (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1) has a lattice constant smaller than that of the GaAs substrate and has a tensile strain.

【0022】エピタキシャル成長では下地の情報を反映
して成長するので基板表面に欠陥があると成長層へ這い
上がっていく。しかし歪層があるとそのような欠陥の這
い上がりが抑えられ効果があることが知られている。上
記欠陥が活性層に達すると発光効率を低減させてしま
う。また、歪を有する活性層では臨界膜厚が低減し必要
な厚さの層を成長できないなどの問題が生じる。特に活
性層の圧縮歪量が例えば2%以上と大きい場合や、歪層
の厚さ臨界膜厚より厚く成長する場合、低温成長などの
非平衡成長を行っても欠陥の存在で成長できないなど、
特に問題となる。歪層があるとそのような欠陥の這い上
がりが抑えられるので、発光効率を改善したり、活性層
の圧縮歪量が例えば2%以上の層を成長できたり、歪層
の厚さを臨界膜厚より厚く成長することが可能となる。
このGaIn1−xAs1−y(0<x≦1、0
<y≦1)層は活性領域に接しており活性領域にキャリ
アを閉じ込める役割も持っているが、GaIn1−x
As1−y(0<x≦1、0<y≦1)層は格子定
数が小さくなるほどバンドギャップエネルギーを大きく
取り得る。例えばGaIn1−xP(y=1の場合)
の場合、xが大きくなりGaPに近づくと格子定数が大
きくなり、バンドギャップは大きくなる。バンドギャッ
プEgは、直接遷移でEg(Γ)=1.351+0.6
43x+0.786x、間接遷移でEg(X)=2.
24+0.02xと与えられている。よって活性領域と
GaIn1−xAs 1−y(0<x≦1、0<y
≦1)層のヘテロ障壁は大きくなるのでキャリア閉じ込
めが良好となり、しきい値電流低減、温度特性改善など
の効果がある。さらにこのGaIn1−xAs
1−y(0<x≦1、0<y≦1)層よりなる非発光再
結合防止層は、その格子定数がGaAs基板よりも大き
く、圧縮歪を有しており、かつ前記活性層の格子定数が
前記GaIn1−xAs −y(0<x≦1、0
<y≦1)層よりも大きく圧縮歪を有している。またこ
のGaIn1−xAs1−y(0<x≦1、0<
y≦1)層の歪の方向が活性層と同じ方向なので、活性
層が感じる実質的な圧縮歪量を低減する方向に働く。歪
が大きいほど外的要因の影響を受けやすいので、活性層
の圧縮歪量が例えば2%以上と大きい場合や、臨界膜厚
を超えた場合に特に有効である。
In the epitaxial growth, the information of the base is reflected
Crawling to the growth layer if there is a defect on the substrate surface
Going up. However, if there is a strained layer, crawling of such defects
It is known that rising is suppressed and there is an effect. Up
When the defect reaches the active layer, the luminous efficiency is reduced.
U. In addition, the critical thickness is required to be reduced for active layers with strain.
Problems such as the inability to grow a layer having a large thickness occur. Especially active
When the compressive strain amount of the elastic layer is as large as 2% or more, for example,
When growing thicker than the critical film thickness,
Even if non-equilibrium growth is performed, growth cannot be performed due to the presence of defects.
This is particularly problematic. The presence of strained layers crawls such defects
The reduction of slag is effective for improving luminous efficiency and
Can grow a layer having a compressive strain of, for example, 2% or more.
Can be grown thicker than the critical film thickness.
This GaxIn1-xPyAs1-y(0 <x ≦ 1, 0
<Y ≦ 1) layer is in contact with the active region and carries
It also has the role of confiningxIn1-x
PyAs1-y(0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1)
The smaller the number, the larger the bandgap energy
I can take it. For example, GaxIn1-xP (when y = 1)
In the case of x, the lattice constant increases as x increases and approaches GaP.
And the band gap increases. Band guy
In the direct transition, Eg (=) = 1.351 + 0.6
43x + 0.786x2, Eg (X) = 2.
24 + 0.02x. So the active area
GaxIn1-xPyAs 1-y(0 <x ≦ 1, 0 <y
≦ 1) Carrier confinement because the hetero barrier of the layer becomes large
Better, lower threshold current, improve temperature characteristics, etc.
Has the effect of Furthermore, this GaxIn1-xPyAs
1-y(0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1)
The coupling prevention layer has a lattice constant larger than that of the GaAs substrate.
And has a compressive strain, and the lattice constant of the active layer is
The GaxIn1-xPyAs1 -Y(0 <x ≦ 1, 0
<Y ≦ 1) It has a larger compressive strain than the layer. Again
GaxIn1-xPyAs1-y(0 <x ≦ 1, 0 <
y ≦ 1) Since the strain direction of the layer is the same as that of the active layer,
It works to reduce the substantial amount of compressive strain felt by the layer. distorted
The active layer is more sensitive to external factors as
Is large, for example, 2% or more, or the critical film thickness
It is particularly effective when the value exceeds.

【0023】例えば発振波長が1.3μm帯の面発光型
レーザはGaAs基板上に形成するのが好ましく、共振
器には半導体多層膜反射鏡を用いる場合が多く、トータ
ル厚さが5〜8μmで50〜80層の半導体層を活性層
成長前に成長する必要がある(一方、端面発光型レーザ
の場合、活性層成長前のトータル厚さは2μm程度で3
層程度の半導体層を成長するだけで良い)。この場合、
高品質のGaAs基板を用いてもさまざまな原因(一度
発生した欠陥は基本的には結晶成長方向に這い上がる
し、ヘテロ界面での欠陥発生などがある)でGaAs基
板表面の欠陥密度に比べて活性層成長直前の表面の欠陥
密度はどうしても増えてしまう。活性層成長以前に、歪
層の挿入や、活性層が感じる実質的な圧縮歪量が低減す
ると、活性層成長直前の表面にある欠陥の影響を低減で
きるようになる。この例では、活性領域内及び反射鏡と
活性領域との界面にAlを含まない構成としたので、キ
ャリア注入時にAlに起因していた結晶欠陥が原因とな
る非発光再結合がなくなり、非発光再結合が低減した。
前述のように、反射鏡と活性領域との界面にAlを含ま
ない構成とする、すなわち非発光再結合防止層を設ける
ことを、上下反射鏡ともに適用することが好ましいが、
一方の反射鏡に適用するだけでも効果がある。またこの
例では、上下反射鏡とも半導体分布ブラッグ反射鏡とし
たが、一方の反射鏡を半導体分布ブラッグ反射鏡とし、
他方の反射鏡を誘電体反射鏡としても良い。また前述の
例では、反射鏡低屈折率層の最も活性層に近い層のみを
GaIn1−xAs1−y(0<x≦1、0<y
≦1)の非発光再結合防止層としているが、複数層のG
In1−xAs1−y(0<x≦1、0<y≦
1)を非発光再結合防止層としても良い。さらにこの例
では、GaAs基板と活性層との間の下部反射鏡にこの
考えを適用し、活性層の成長時に問題となる、Alに起
因する結晶欠陥の活性層への這い上がりによる悪影響が
押さえられ、活性層を高品質に結晶成長することができ
る。これらにより、発光効率は高く、信頼性は実用上十
分な面発光型半導体レーザが得られた。また、半導体分
布ブラッグ反射鏡の低屈折率層のすべてではなく、少な
くとも活性領域に最も近い部分をAlを含まないGa
In1−xAs 1−y(0<x≦1、0<y≦1)
層としただけなので、反射鏡の積層数を特に増加させる
ことなく、上記効果を得ることができている。このよう
にして製作した面発光型半導体レーザの発振波長は約
1.2μmであった。GaAs基板上のGaInAs
は、In組成の増加で長波長化するが歪み量の増加をと
もない、従来1.1μmまでが長波長化の限界と考えら
れていた(文献「IEEE Photonics.Technol.Lett.Vol.9
(1997)pp.1319-1321」参照)。
For example, a surface emitting type having an oscillation wavelength of 1.3 μm band
The laser is preferably formed on a GaAs substrate.
In many cases, a semiconductor multilayer reflector is used for the reflector.
The active layer is a semiconductor layer having a thickness of 5 to 8 μm and 50 to 80 layers.
It must be grown before growth (while edge-emitting lasers
In this case, the total thickness before growing the active layer is about 2 μm and 3
It is only necessary to grow about a semiconductor layer). in this case,
Even if a high quality GaAs substrate is used, various causes (once
Generated defects basically creep up in the crystal growth direction
And GaAs based defects)
Defects on the surface just before active layer growth compared to the defect density on the plate surface
Density will inevitably increase. Before growing the active layer, strain
Insertion of a layer and the amount of substantial compressive strain felt by the active layer are reduced.
Reduces the effect of defects on the surface just before the active layer growth.
I will be able to. In this example, in the active area and with the reflector
Since the structure does not contain Al at the interface with the active region,
Crystal defects caused by Al during carrier injection
Non-radiative recombination disappeared, and non-radiative recombination was reduced.
As described above, Al is contained at the interface between the reflector and the active region.
Structure, that is, a non-radiative recombination prevention layer is provided.
It is preferable to apply this to both upper and lower reflectors,
It is effective to apply it to only one of the reflectors. Also this
In the example, both the upper and lower reflectors are semiconductor distributed Bragg reflectors.
However, one of the reflectors is a semiconductor distributed Bragg reflector,
The other reflecting mirror may be a dielectric reflecting mirror. Also mentioned above
In the example, only the layer closest to the active layer of the mirror low refractive index layer is
GaxIn1-xPyAs1-y(0 <x ≦ 1, 0 <y
≦ 1), but a plurality of layers of G
a xIn1-xPyAs1-y(0 <x ≦ 1, 0 <y ≦
1) may be a non-radiative recombination preventing layer. Further examples
Then, the lower reflector between the GaAs substrate and the active layer
Applying the idea, starting with Al, which is a problem when growing the active layer
Of crystal defects caused by creeping into active layer
The active layer can be crystallized with high quality.
You. As a result, luminous efficiency is high and reliability is practically sufficient.
A good surface emitting semiconductor laser was obtained. Also, semiconductor components
Not all, but all, of the low index layers of the cloth Bragg reflector
At least the portion closest to the active region is Ga containing no Al.x
In1-xPyAs 1-y(0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1)
Increases the number of stacked mirrors, especially since it is only a layer
Without the above, the above-mentioned effect can be obtained. like this
The oscillation wavelength of the surface-emitting type semiconductor laser manufactured in
It was 1.2 μm. GaInAs on GaAs substrate
Increases the wavelength by increasing the In composition, but increases the amount of strain.
No limit is considered to be the limit for longer wavelengths up to 1.1 μm.
(Reference "IEEE Photonics.Technol.Lett.Vol.9
(1997) pp. 1319-1321 ").

【0024】しかしながら今回発明者が製作したよう
に、600℃以下の低温成長などの非平衡度の高い成長
法により高歪のGaInAs量子井戸活性層を従来より
厚くコヒーレント成長することが可能となり、波長は
1.2μmまで到達できた。なおこの波長はSi半導体
基板に対して透明である。従ってSi基板上に電子素子
と光素子を集積した回路チップにおいてSi基板を通し
た光伝送が可能となる。以上の説明より明らかなように
In組成が大きい高圧縮歪のGaInAsを活性層に用
いることにより、GaAs基板上に長波長帯の面発光型
半導体レーザを形成できることがわかった。なお前述の
ように、このような面発光型半導体レーザは、MOCV
D法で成長させることができるが、MBE法等の他の成
長方法を用いることもできる。また活性層の積層構造と
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
もかまわない。また共振器長はλの厚さとしたがλ/2
の整数倍とすることができる。望ましくはλの整数倍で
ある。また半導体基板としてGaAsを用いた例を示し
たが、InPなどの他の半導体基板を用いた場合でも上
記の考え方を適用できる。反射鏡の周期は他の周期でも
良い。なおこの例では活性層として、主たる元素がG
a、In、Asよりなる層、すなわちGaIn1−x
As(GaInAs活性層)の例を示したが、より長波
長のレーザ発振を行うためには、Nを添加し主たる元素
がGa、In、N、Asからなる層(GaInNAs活
性層)とすればよい。実際にGaInNAs活性層の組
成を変えることにより、1.3μm帯、1.55μm帯
のそれぞれにおいて、レーザ発振を行うことが可能であ
った。組成を検討することにより、さらに長波長の例え
ば1.7μm帯の面発光レーザも可能となる。また、活
性層にGaAsSbを用いてもGaAs基板上に1.3
μm帯面発光レーザを実現できる。このように波長1.
1μm〜1.7μmの半導体レーザは従来適した材料が
なかったが、活性層に高歪のGaInAs、GaInN
As、GaAsSbを用い、かつ、非発光再結合防止層
を設けることにより、従来安定発振が困難であった波長
1.1μm〜1.7μm帯の長波長領域において、高性
能な面発光レーザを実現できるようになった。
However, as manufactured by the present inventors, a highly strained GaInAs quantum well active layer can be grown coherently thicker than before by a method of high non-equilibrium growth such as low temperature growth at 600 ° C. or lower. Could reach 1.2 μm. This wavelength is transparent to the Si semiconductor substrate. Therefore, light transmission through the Si substrate becomes possible in a circuit chip in which an electronic element and an optical element are integrated on the Si substrate. As is clear from the above description, it has been found that a long-wavelength surface emitting semiconductor laser can be formed on a GaAs substrate by using GaInAs having a high In composition and a high compression strain for the active layer. As described above, such a surface-emitting type semiconductor laser has a MOCV
Although the growth can be performed by the D method, other growth methods such as the MBE method can also be used. Although the triple quantum well structure (TQW) has been described as an example of the stacked structure of the active layer, a structure (SQW, MQW) using a quantum well of another number of wells may be used. The structure of the laser may be another structure. The length of the resonator was set to the thickness of λ, but λ / 2
Can be an integer multiple of. Desirably, it is an integral multiple of λ. Although the example using GaAs as the semiconductor substrate has been described, the above concept can be applied to a case where another semiconductor substrate such as InP is used. The period of the reflecting mirror may be another period. In this example, the main element is G for the active layer.
a, In, As layer, that is, Ga x In 1-x
Although an example of As (GaInAs active layer) has been described, in order to perform laser oscillation of a longer wavelength, a layer (GaInNAs active layer) in which N is added and the main element is Ga, In, N, and As is used. Good. By actually changing the composition of the GaInNAs active layer, it was possible to perform laser oscillation in each of the 1.3 μm band and the 1.55 μm band. By examining the composition, a surface emitting laser having a longer wavelength, for example, in the 1.7 μm band can be obtained. Further, even if GaAsSb is used for the active layer, the active layer is formed on the GaAs substrate at 1.3.
A μm band surface emitting laser can be realized. Thus, the wavelength 1.
Conventionally, there is no suitable material for the semiconductor laser of 1 μm to 1.7 μm, but GaInAs and GaInN with high strain are used for the active layer.
By using As and GaAsSb and providing a non-radiative recombination preventing layer, a high-performance surface-emitting laser can be realized in a long wavelength region of 1.1 μm to 1.7 μm where stable oscillation has conventionally been difficult. Now you can.

【0025】次に本発明の光送受信システムに適用され
る発光素子である長波長帯面発光型半導体レーザの他の
構成について、図10を用いて説明する。この場合も図
1の場合と同様に面方位(100)のn−GaAs基板
21を使用している。それぞれの媒質内における発振波
長λの1/4倍の厚さ(λ/4の厚さ)でn−Al
1−xAs(x=0.9)とn−AlGa1−x
s(x=0)を交互に35周期積層したn−半導体分布
ブラッグ反射鏡24(Al 0.9Ga0.1As/Ga
As下部反射鏡)を形成し、その上にλ/4の厚さのn
−GaIn1−xAs1−y(x=0.5、y=
1)層を積層した。この例ではn−GaIn1−x
As1−y(x=0.5、y=1)層も下部反射鏡の
一部であり低屈折率層となっている。そしてその上に、
アンドープ下部GaAsスペーサ層23と、3層のGa
In1−xAs1−y量子井戸層である活性層3
3(量子井戸活性層)とGaAsバリア層34(15n
m)から構成される多重量子井戸活性層(この例では3
重量子井戸(TQW))と、アンドープ上部GaAsス
ペーサ層23とが積層されて、媒質内における発振波長
の1波長分の厚さ(λの厚さ)の共振器を形成してい
る。さらにその上に、p−半導体分布ブラッグ反射鏡
(上部反射鏡)24が形成されている。上部反射鏡は、
被選択酸化層となるAlAs層27を、GaInP層と
AlGaAs層で挟んだ3λ/4の厚さの低屈折率層
(厚さが(λ/4−15nm)のCドープp−Ga
1−xAs1−y(x=0.5、y=1)層、C
ドープp−AlGa1−zAs(z=1)被選択酸化
層(厚さ30nm)、厚さが(2λ/4−15nm)の
Cドープp−AlGa1−xAs層(x=0.9))
と、厚さがλ/4のGaAs層(1周期)と、Cドープ
のp−AlGa −xAs層(x=0.9)とp−A
Ga1−xAs(x=0)層をそれぞれの媒質内に
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(22周期)とから構成されている半導体分布ブラ
ッグ反射鏡(Al0.9Ga0.1As/GaAs上部
反射鏡)である。
Next, the present invention is applied to the optical transmitting / receiving system of the present invention.
Other long-wavelength surface-emitting semiconductor lasers
The configuration will be described with reference to FIG. Again, figure
N-GaAs substrate having a plane orientation of (100) as in the case of 1.
21 is used. Oscillation wave in each medium
N-Al with a thickness 1/4 times the length λ (thickness of λ / 4)xG
a1-xAs (x = 0.9) and n-AlxGa1-xA
n-semiconductor distribution in which s (x = 0) is alternately stacked for 35 periods
Bragg reflector 24 (Al 0.9Ga0.1As / Ga
As lower reflector), and a λ / 4-thick n is formed thereon.
-GaxIn1-xPyAs1-y(X = 0.5, y =
1) Layers were laminated. In this example, n-GaxIn1-xP
yAs1-yThe (x = 0.5, y = 1) layer is also the lower reflector
It is a part and is a low refractive index layer. And on top of that,
Undoped lower GaAs spacer layer 23 and three Ga layers
xIn1-xNyAs1-yActive layer 3 which is a quantum well layer
3 (quantum well active layer) and GaAs barrier layer 34 (15n
m) of the multi-quantum well active layer (3 in this example)
Quantum well (TQW)) and undoped upper GaAs
An oscillation wavelength in the medium is formed by laminating the
A resonator having a thickness of one wavelength (thickness of λ) is formed.
You. In addition, a p-semiconductor distributed Bragg reflector
(Upper reflector) 24 is formed. The upper reflector is
The AlAs layer 27 serving as the selectively oxidized layer is formed as a GaInP layer.
Low refractive index layer having a thickness of 3λ / 4 sandwiched between AlGaAs layers
(C-doped p-Ga having a thickness of (λ / 4-15 nm)xI
n1-xPyAs1-y(X = 0.5, y = 1) layer, C
Doped p-AlzGa1-zAs (z = 1) selective oxidation
Layer (thickness 30 nm), thickness (2λ / 4-15 nm)
C-doped p-AlxGa1-xAs layer (x = 0.9)
GaAs layer (one period) having a thickness of λ / 4, and C-doped
P-AlxGa1 -XAs layer (x = 0.9) and pA
lxGa1-xAs (x = 0) layer in each medium
Period alternately stacked with a thickness of 1/4 of the oscillation wavelength
Structure (22 periods)
Reflector (Al0.9Ga0.1As / GaAs upper part
Reflecting mirror).

【0026】なおこの例においても、図10では複雑に
なるので図示することは省略しているが、半導体分布ブ
ラッグ反射鏡の構造は、図2に示したような低屈折率層
(屈折率小の層)と高屈折率層(屈折率大の層)の間
に、屈折率が小と大の間の値をとるAlGa1−z
s(0≦y<z<x≦1)よりなるヘテロスパイク緩衝
層を設けたものである。そして、最上部の、p−Al
Ga1−xAs(x=0)層は、電極とコンタクトを取
るためのコンタクト層(p−コンタクト層)としての役
割も持たせている。ここで量子井戸活性層のIn組成x
は37%、N(窒素)組成は0.5%とした。また量子
井戸活性層の厚さは7nmとした。またこの面発光型半
導体レーザの成長方法はMOCVD法で行った。半導体
レーザの各層を構成する原料には、TMA(トリメチル
アルミニウム)、TMG(トリメチルガリウム)、TM
I(トリメチルインジウム)、AsH(アルシン)、
PH(フォスフィン)、そして窒素の原料にはDMH
y(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
長する場合に好ましい。なおキャリアガスにはHを用
いた。
Also in this example, although the illustration is omitted because it becomes complicated in FIG. 10, the structure of the semiconductor distributed Bragg reflector has a low refractive index layer (low refractive index layer) as shown in FIG. Al z Ga 1-z a the layers) and between the high refractive index layer (a layer having a refractive index is large), the refractive index takes a value between the small and large
A hetero spike buffer layer made of s (0 ≦ y <z <x ≦ 1) is provided. And, at the top, p-Al x
The Ga 1-x As (x = 0) layer also has a role as a contact layer (p-contact layer) for making contact with an electrode. Here, the In composition x of the quantum well active layer
Was 37% and the N (nitrogen) composition was 0.5%. The thickness of the quantum well active layer was 7 nm. The surface emitting semiconductor laser was grown by MOCVD. Materials for forming each layer of the semiconductor laser include TMA (trimethylaluminum), TMG (trimethylgallium), TM
I (trimethylindium), AsH 3 (arsine),
PH 3 (phosphine), and DMH as raw material for nitrogen
y (dimethylhydrazine) was used. Since DMHy decomposes at low temperature, it is suitable for low-temperature growth at a temperature of 600 ° C. or lower, and is particularly preferable when growing a quantum well layer having a large strain that requires low-temperature growth. Note that H 2 was used as a carrier gas.

【0027】またこの例では、GaInNAs層(量子
井戸活性層)は540℃で成長した。MOCVD法は過
飽和度が高くNと他のV族を同時に含んだ材料の結晶成
長に適している。またMBE法のような高真空を必要と
せず、原料ガスの供給流量や供給時間を制御すれば良い
ので量産性にも優れている。さらにこの例では、所定の
大きさのメサ部分をp−GaIn1−xAs
1−y(x=0.5、y=1)層に達するまで、p−A
Ga1−zAs(z=1)被選択酸化層の側面を露
出させて形成し、側面の現れたAlGa1−zAs
(z=1)層を水蒸気で側面から酸化してAl
流狭さく層を形成している。最後にポリイミド(絶縁
膜)でメサエッチングで除去した部分を埋め込んで平坦
化し、上部反射鏡上のポリイミドを除去し、p−コンタ
クト層上に光出射部を除いてp側電極を形成し、GaA
s基板の裏面にn側電極を形成した。この例において
は、被選択酸化層の下部に上部反射鏡の一部としてGa
In 1−xAs1−y(0<x≦1、0<y≦
1)層を挿入している。例えばウェットエッチングの場
合では、硫酸系エッチャントを用いれば、AlGaAs
系に対してGaInPAs系はエッチング停止層として
用いることができるため、GaIn1−xAs
1−y(0<x≦1、0<y≦1)層が挿入されている
ことで、選択酸化のためのメサエッチングの高さを厳密
に制御できる。このため、均一性、再現性を高められ、
低コスト化が図れる。またこの例の面発光型半導体レー
ザ(素子)を一次元または二次元に集積した場合、素子
製作時における制御性が良好になることにより、アレイ
内の各素子の素子特性の均一性、再現性も極めて良好に
なるという効果がある。
In this example, the GaInNAs layer (quantum
The well active layer was grown at 540 ° C. MOCVD is too
Crystallization of materials with high saturation and containing N and other V-groups at the same time
Suitable for long. In addition, high vacuum like MBE method is required
Instead, it is sufficient to control the supply flow rate and supply time of the source gas
Therefore, it is also excellent in mass productivity. Further, in this example, the predetermined
The mesa portion of size is p-GaxIn1-xPyAs
1-y(X = 0.5, y = 1) pA until reaching the layer
lzGa1-zAs (z = 1) Exposing the side surface of the selective oxidation layer
Al formed on the side surfacezGa1-zAs
(Z = 1) layer is oxidized from the side with water vapor to form AlxOyElectric
A flow narrowing layer is formed. Finally polyimide (insulation
Fill the part removed by mesa etching with film) and flatten
To remove the polyimide on the upper reflector,
A p-side electrode is formed on the semiconductor layer except for the light emitting portion, and GaAs
An n-side electrode was formed on the back surface of the s substrate. In this example
Is formed as a part of the upper reflecting mirror below the layer to be selectively oxidized.
xIn 1-xPyAs1-y(0 <x ≦ 1, 0 <y ≦
1) Inserting layers. For example, for wet etching
In this case, if a sulfuric acid-based etchant is used, AlGaAs
GaInPAs system as an etch stop layer
Ga can be usedxIn1-xPyAs
1-y(0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1) layer is inserted
Stricter mesa etching height for selective oxidation
Can be controlled. For this reason, uniformity and reproducibility can be improved,
Cost reduction can be achieved. The surface-emitting type semiconductor laser of this example
When the (element) is integrated in one or two dimensions, the element
The better controllability during manufacturing allows the array
Very good uniformity and reproducibility of element characteristics of each element
It has the effect of becoming.

【0028】なおこの例では、エッチングストップ層を
兼ねるGaIn1−xAs −y(0<x≦1、
0<y≦1)層を上部反射鏡側に設けたが、下部反射鏡
側に設けても良い。またこの例においても、上下反射鏡
に挟まれた、キャリアが注入され再結合する活性領域
(本実施例では上部及び下部スペーサ層と多重量子井戸
活性層とからなる共振器)において、活性領域内にはA
lを含んだ材料を用いず、さらに下部及び上部反射鏡の
低屈折率層の最も活性層に近い層をGaIn1−x
As 1−y(0<x≦1、0<y≦1)の非発光再結
合防止層としている。つまりこの例では、活性領域内及
び反射鏡と活性領域との界面に、Alを含まない構成と
しているので、キャリア注入時に、Alに起因していた
結晶欠陥が原因となる非発光再結合を低減させることが
できる。なお反射鏡と活性領域との界面にAlを含まな
い構成を、この例のように上下反射鏡に適用することが
好ましいが、いずれか一方の反射鏡に適用するだけでも
効果がある。またこの例では、上下反射鏡とも半導体分
布ブラッグ反射鏡としたが、一方の反射鏡を半導体分布
ブラッグ反射鏡とし、他方の反射鏡を誘電体反射鏡とし
ても良い。さらにこの例でも、GaAs基板と活性層と
の間の下部反射鏡に図1の例の場合と同様の考えを適用
したので、活性層の成長時に問題となるAlに起因する
結晶欠陥の活性層への這い上がりによる悪影響が押さえ
られ、活性層を高品質に結晶成長することができる。な
お、このような非発光再結合防止層は、図1、図10の
いずれの構成においても半導体分布ブラッグ反射鏡の一
部を構成するので、その厚さは、媒質内における発振波
長λの1/4倍の厚さ(λ/4の厚さ)としている。あ
るいはそれを複数層も設けても良い。
In this example, the etching stop layer is
Ga that doublesxIn1-xPyAs1 -Y(0 <x ≦ 1,
0 <y ≦ 1) layer is provided on the upper reflecting mirror side, but the lower reflecting mirror
It may be provided on the side. Also in this example, the upper and lower reflectors
Between active regions where carriers are injected and recombined
(In this embodiment, the upper and lower spacer layers and the multiple quantum well
In the resonator comprising the active layer, A
l and no lower and upper reflectors
The layer closest to the active layer of the low refractive index layer is GaxIn1-xP
yAs 1-yNon-radiative reconnection of (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1)
It is a matching prevention layer. In other words, in this example,
And a structure that does not contain Al at the interface between the reflector and the active region.
Was caused by Al at the time of carrier injection.
To reduce non-radiative recombination caused by crystal defects
it can. Note that Al is not contained at the interface between the reflector and the active region.
Can be applied to the upper and lower reflectors as in this example.
Preferred, but can be applied to just one of the mirrors
effective. In this example, both the upper and lower reflectors are semiconductor components.
A cloth Bragg reflector was used, but one of the reflectors was a semiconductor distribution
A Bragg reflector and the other mirror as a dielectric mirror
May be. Also in this example, the GaAs substrate and the active layer
The same idea as in the example of Fig. 1 is applied to the lower reflector during
Caused by Al which is a problem during the growth of the active layer.
Negative effects due to crawling of crystal defects into active layer are suppressed
Thus, the active layer can be grown with high quality crystal. What
In addition, such a non-radiative recombination preventing layer is provided in FIG. 1 and FIG.
In either configuration, a semiconductor distributed Bragg reflector
The thickness of the oscillating wave in the medium.
The thickness is set to 1 / of the length λ (thickness of λ / 4). Ah
Alternatively, a plurality of layers may be provided.

【0029】以上、半導体ブラッグ反射鏡の一部に非発
光再結合防止層を設けた例について示してきたが、非発
光再結合防止層を共振器の中に設けても良い。例えば、
共振器部をGaInNAs量子井戸層とGaAs障壁層
とからなる活性層と、GaAsを第1の障壁層、GaI
nPAs、GaAsP、GaInPからなる非発光再結
合防止層を第二の障壁層とした構造があげられる。共振
器部の厚さは1波長分の厚さとすることができる。非発
光再結合防止層はGaAs第1の障壁層よりバンドギャ
ップが大きいのでキャリアが注入される活性領域は実質
GaAs障壁層までとなる。また、残留したAl原料、
またはAl反応物、またはAl化合物、またはAlを除
去する工程を設ける場合は、非発光再結合防止層の途中
で設けたり、非発光再結合防止層とAlを含んだ層との
間にGaAs層を設けてその層の途中などで行うことが
できる。以上の説明より明らかなように、このような構
成により、発光効率は高く、信頼性は実用上十分な面発
光型半導体レーザが得られた。また、半導体分布ブラッ
グ反射鏡の低屈折率層のすべてではなく、少なくとも活
性領域に最も近い部分をAlを含まないGaIn
1−xAs1−y(0<x≦1、0<y≦1)の非
発光再結合防止層としただけなので、反射鏡の積層数を
特に増加させることなく、上記効果を得ることができ
た。
Although an example in which the non-radiative recombination preventing layer is provided on a part of the semiconductor Bragg reflector has been described above, the non-radiative recombination preventing layer may be provided in the resonator. For example,
The resonator section is composed of an active layer composed of a GaInNAs quantum well layer and a GaAs barrier layer, and GaAs is a first barrier layer.
A structure in which a non-radiative recombination preventing layer made of nPAs, GaAsP, and GaInP is used as the second barrier layer is exemplified. The thickness of the resonator section can be one wavelength. Since the band gap of the non-radiative recombination prevention layer is larger than that of the GaAs first barrier layer, the active region into which carriers are injected substantially extends to the GaAs barrier layer. Also, the remaining Al raw material,
In the case where a step of removing an Al reactant, an Al compound, or Al is provided, the step may be provided in the middle of the non-radiative recombination preventing layer, or a GaAs layer may be provided between the non-radiative recombination preventing layer and the layer containing Al. And can be performed in the middle of the layer. As is clear from the above description, a surface-emitting type semiconductor laser having high luminous efficiency and sufficient reliability for practical use was obtained with such a configuration. Also, not all of the low refractive index layers of the semiconductor distributed Bragg reflector, but at least the portion closest to the active region is Ga x In containing no Al.
1-x Py As 1-y (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1) is used as the non-radiative recombination preventing layer, so that the above-described effect can be obtained without particularly increasing the number of stacked reflectors. I was able to.

【0030】またこのような構成にしても、ポリイミド
の埋め込みは容易であるので、配線(この例ではp側電
極)が段切れしにくく、素子の信頼性は高いものが得ら
れる。このように製作した面発光型半導体レーザの発振
波長は約1.3μmであった。この例では、主たる元素
がGa、In、N、Asからなる層を活性層に用いた
(GaInNAs活性層)ので、GaAs基板上に長波
長帯の面発光型半導体レーザを形成できた。またAlと
Asを主成分とした被選択酸化層の選択酸化により電流
狭さくを行ったので、しきい値電流は低かった。被選択
酸化層を選択酸化したAl酸化膜からなる電流狭さく層
を用いた電流狭さく構造によると、電流狭さく層を活性
層に近づけて形成することで電流の広がりを抑えられ、
大気に触れない微小領域に効率良くキャリアを閉じ込め
ることができる。更に酸化してAl酸化膜となることで
屈折率が小さくなり凸レンズの効果でキャリアの閉じ込
められた微小領域に効率良く光を閉じ込めることがで
き、極めて効率が良くなり、しきい値電流は低減でき
る。また容易に電流狭さく構造を形成できることから、
製造コストを低減できる。以上の説明から明らかなよう
に図10のような構成においても図1の場合と同様に、
1.3μm帯の面発光型半導体レーザを実現でき、しか
も低消費電力で低コストの素子が得られる。
In addition, even with such a configuration, since the polyimide can be easily embedded, the wiring (p-side electrode in this example) is hardly disconnected, and a device having high reliability can be obtained. The oscillation wavelength of the surface emitting semiconductor laser manufactured in this manner was about 1.3 μm. In this example, a layer composed mainly of Ga, In, N, and As was used as the active layer (GaInNAs active layer), so that a long-wavelength surface emitting semiconductor laser could be formed on a GaAs substrate. Also, the current was narrowed by selective oxidation of the selectively oxidized layer mainly composed of Al and As, so that the threshold current was low. According to the current narrowing structure using the current narrowing layer made of the Al oxide film in which the selective oxidation layer is selectively oxidized, the current spreading can be suppressed by forming the current narrowing layer close to the active layer,
Carriers can be efficiently confined in a minute region that does not come into contact with the atmosphere. Further, by oxidizing to form an Al oxide film, the refractive index is reduced, light can be efficiently confined in a minute region in which carriers are confined by the effect of a convex lens, the efficiency is extremely improved, and the threshold current can be reduced. . In addition, because the current narrowing structure can be easily formed,
Manufacturing costs can be reduced. As is clear from the above description, even in the configuration as shown in FIG. 10, as in the case of FIG.
A surface emitting semiconductor laser in the 1.3 μm band can be realized, and a low-power and low-cost device can be obtained.

【0031】なお、図10の面発光型半導体レーザも図
1の場合と同様にMOCVD法で成長させることができ
るが、MBE法等の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NH等他の窒素化合物を用いることもでき
る。さらに活性層の積層構造として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、DQW、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かまわない。
また図10の面発光型半導体レーザにおいて、GaIn
NAs活性層の組成を変えることで、1.55μm帯、
更にはもっと長波長の1.7μm帯の面発光型半導体レ
ーザも可能となる。GaInNAs活性層にTl、S
b、Pなど他のIII−V族元素が含まれていてもかまわ
ない。また活性層にGaAsSbを用いても、GaAs
基板上に1.3μm帯の面発光型半導体レーザを実現で
きる。なお本発明では活性層として、主たる元素がG
a、In、Asよりなる層(GaInAs活性層)、あ
るいはNを添加し主たる元素がGa、In、N、Asか
らなる層(GaInNAs活性層)を用いる説明をして
きたが、他にGaNAs、GaPN、GaNPAs、G
aInNP、GaNAsSb、GaInNAsSb等も
好適に使用できる。特にこれらの例のように、窒素を含
む活性層の場合、本発明の非発光再結合防止層は特に効
果的である。以下にそれを説明する。
Although the surface emitting semiconductor laser shown in FIG. 10 can be grown by MOCVD as in the case of FIG. 1, other growth methods such as MBE can be used. Although DMHy is used as a nitrogen source, activated nitrogen and other nitrogen compounds such as NH 3 may be used. Furthermore, although an example of a triple quantum well structure (TQW) has been shown as the stacked structure of the active layer, a structure (SQW, DQW, MQW) using a quantum well of another number of wells may be used. The structure of the laser may be another structure.
In the surface-emitting type semiconductor laser shown in FIG.
By changing the composition of the NAs active layer, the 1.55 μm band,
Further, a longer-wavelength surface-emitting type semiconductor laser in the 1.7 μm band can be used. Tl, S in GaInNAs active layer
Other III-V elements such as b and P may be contained. Even if GaAsSb is used for the active layer, GaAs
A 1.3 μm band surface emitting semiconductor laser can be realized on a substrate. In the present invention, the main element for the active layer is G
Although a description has been given of using a layer made of a, In, and As (GaInAs active layer) or a layer made of Ga, In, N, and As and adding N as a main element (GaInNAs active layer), other than GaNAs, GaPN , GaNPAs, G
aInNP, GaNAsSb, GaInNAsSb and the like can also be suitably used. Particularly in the case of an active layer containing nitrogen as in these examples, the non-radiative recombination preventing layer of the present invention is particularly effective. This will be described below.

【0032】図11は、我々のMOCVD装置で作製し
たGaInNAs量子井戸層とGaAsバリア層とから
なるGaInNAs/GaAs2重量子井戸構造からな
る活性層の室温フォトルミネッセンススペクトルを示し
ている。図12は試料構造である。GaAs基板上20
1に、下部クラッド層202、中間層203、窒素を含
む活性層204、中間層203、上部クラッド層205
が順次積層されている。図11において、AはAlGa
Asクラッド層上にGaAs中間層をはさんで2重量子
井戸構造を形成した試料であり、BはGaInPクラッ
ド層上にGaAs中間層をはさんで2重量子井戸構造を
連続的に形成した試料である。図11に示すように、試
料Aでは試料Bに比べてフォトルミネッセンス強度が半
分以下に低下している。従って、1台のMOCVD装置
を用いてAlGaAs等のAlを構成元素として含む半
導体層上に、GaInNAs等の窒素を含む活性層を連
続的に形成すると、活性層の発光強度が劣化してしまう
という問題が生じた。そのため、AlGaAsクラッド
層上に形成したGaInNAs系レーザの閾電流密度
は、GaInPクラッド層上に形成した場合に比べて2
倍以上高くなってしまう。
FIG. 11 shows a room-temperature photoluminescence spectrum of an active layer having a GaInNAs / GaAs double quantum well structure including a GaInNAs quantum well layer and a GaAs barrier layer manufactured by our MOCVD apparatus. FIG. 12 shows a sample structure. 20 on GaAs substrate
1, a lower cladding layer 202, an intermediate layer 203, an active layer 204 containing nitrogen, an intermediate layer 203, and an upper cladding layer 205.
Are sequentially laminated. In FIG. 11, A is AlGa
A sample in which a double quantum well structure is formed on an As clad layer with a GaAs intermediate layer interposed therebetween, and a sample B in which a double quantum well structure is continuously formed with a GaAs intermediate layer interposed on a GaInP clad layer. It is. As shown in FIG. 11, the photoluminescence intensity of Sample A is lower than that of Sample B by less than half. Therefore, when an active layer containing nitrogen such as GaInNAs is continuously formed on a semiconductor layer containing Al as a constituent element such as AlGaAs using one MOCVD apparatus, the emission intensity of the active layer is deteriorated. A problem arose. Therefore, the threshold current density of the GaInNAs-based laser formed on the AlGaAs cladding layer is 2 times smaller than that formed on the GaInP cladding layer.
More than twice as high.

【0033】この原因解明について検討した。図13は
クラッド層をAlGaAsとし、中間層をGaAsと
し、活性層をGaInNAs/GaAs2重量子井戸構
造として構成した素子を1台のエピタキシャル成長装置
(MOCVD)を用いて形成したときの、窒素と酸素濃
度の深さ方向分布を示した図である。測定はSIMSに
よって行った。表1に測定条件を示す。
The elucidation of the cause was examined. FIG. 13 shows the nitrogen and oxygen concentrations when an element having a cladding layer of AlGaAs, an intermediate layer of GaAs, and an active layer of a GaInNAs / GaAs double quantum well structure was formed using a single epitaxial growth apparatus (MOCVD). FIG. 5 is a diagram showing a distribution in a depth direction. The measurement was performed by SIMS. Table 1 shows the measurement conditions.

【表1】 図13において、GaInNAs/GaAs2重量子井
戸構造に対応して、活性層中に2つの窒素ピークが見ら
れる。そして、活性層において、酸素のピークが検出さ
れている。しかし、NとAlを含まない中間層における
酸素濃度は活性層の酸素濃度よりも約1桁低い濃度とな
っている。一方、クラッド層をGaInPとし、中間層
をGaAsとし、活性層をGaInNAs/GaAs2
重量子井戸構造として構成した素子について、酸素濃度
の深さ方向分布を測定した場合には、活性層中の酸素濃
度はバックグラウンドレベルであった。即ち、窒素化合
物原料と有機金属Al原料を用いて、1台のエピタキシ
ャル成長装置により、基板と窒素を含む活性層との間に
Alを含む半導体層を設けた半導体発光素子を連続的に
結晶成長すると、窒素を含む活性層中に酸素が取りこま
れることが我々の実験により明らかとなった。活性層に
取りこまれた酸素は非発光再結合準位を形成するため、
活性層の発光効率を低下させてしまう。この活性層に取
りこまれた酸素が、基板と窒素を含む活性層との間にA
lを含む半導体層を設けた半導体発光素子における発光
効率を低下させる原因であることが新たに判明した。こ
の酸素の起源は装置内に残留している酸素を含んだ物
質、または窒素化合物原料中に不純物として含まれる酸
素を含んだ物質と考えられる。
[Table 1] In FIG. 13, two nitrogen peaks are observed in the active layer corresponding to the GaInNAs / GaAs double quantum well structure. Then, an oxygen peak is detected in the active layer. However, the oxygen concentration in the intermediate layer containing neither N nor Al is about one digit lower than the oxygen concentration in the active layer. On the other hand, the cladding layer is made of GaInP, the intermediate layer is made of GaAs, and the active layer is made of GaInNAs / GaAs2.
When the distribution of the oxygen concentration in the depth direction was measured for the element configured as the quantum well structure, the oxygen concentration in the active layer was at the background level. That is, when a semiconductor light emitting device having a semiconductor layer containing Al between a substrate and an active layer containing nitrogen is continuously grown by a single epitaxial growth apparatus using a nitrogen compound raw material and an organic metal Al raw material, Our experiments revealed that oxygen was incorporated into the active layer containing nitrogen. Oxygen incorporated in the active layer forms a non-radiative recombination level,
The luminous efficiency of the active layer is reduced. Oxygen incorporated in this active layer causes A between the substrate and the active layer containing nitrogen.
It has been newly found that this is a cause of lowering the luminous efficiency of a semiconductor light emitting element provided with a semiconductor layer containing l. The origin of this oxygen is considered to be a substance containing oxygen remaining in the apparatus or a substance containing oxygen contained as an impurity in the nitrogen compound raw material.

【0034】次に酸素の取りこまれる原因について検討
した。図14は、図13と同じ試料のAl濃度の深さ方
向分布を示した図である。測定はSIMSによって行っ
た。表2に測定条件を示す。
Next, the cause of oxygen uptake was examined. FIG. 14 is a diagram illustrating the distribution of Al concentration in the depth direction of the same sample as in FIG. 13. The measurement was performed by SIMS. Table 2 shows the measurement conditions.

【表2】 図14より、本来Al原料を導入していない活性層にお
いて、Alが検出されている。しかし、Alを含む半導
体層(クラッド層)に隣接した中間層(GaAs層)に
おいては、Al濃度は活性層よりも約1桁低い濃度とな
っている。これは、活性層中のAlがAlを含む半導体
層(クラッド層)から拡散、置換して混入したものでは
ないことを示している。一方、GaInPのようにAl
を含まない半導体層上に窒素を含む活性層を成長した場
合には、活性層中にAlは検出されなかった。従って、
活性層中に検出されたAlは、成長室内またはガス供給
ラインに残留したAl原料、またはAl反応物、または
Al化合物、またはAlが、窒素化合物原料または窒素
化合物原料中の不純物(水分等)と結合して活性層中に
取りこまれたものである。すなわち、窒素化合物原料と
有機金属Al原料を用いて、1台のエピタキシャル成長
装置により、基板と窒素を含む活性層との間にAlを含
む半導体層を設けた半導体発光素子を連続的に結晶成長
すると、窒素を含む活性層中に自然にAlが取りこまれ
てしまうことが新たにわかった。
[Table 2] FIG. 14 shows that Al was detected in the active layer into which the Al material was not originally introduced. However, in the intermediate layer (GaAs layer) adjacent to the semiconductor layer containing Al (cladding layer), the Al concentration is about one digit lower than that of the active layer. This indicates that Al in the active layer is not diffused, replaced or mixed in from the semiconductor layer (cladding layer) containing Al. On the other hand, like GaInP, Al
When an active layer containing nitrogen was grown on a semiconductor layer containing no, Al was not detected in the active layer. Therefore,
The Al detected in the active layer is the Al source remaining in the growth chamber or in the gas supply line, or an Al reactant, or an Al compound, or Al reacts with the nitrogen compound source or impurities (such as moisture) in the nitrogen compound source. It is bonded and taken into the active layer. That is, when a semiconductor light emitting device having a semiconductor layer containing Al between a substrate and an active layer containing nitrogen is continuously crystal-grown by a single epitaxial growth apparatus using a nitrogen compound raw material and an organic metal Al raw material. It was newly found that Al was naturally taken into the active layer containing nitrogen.

【0035】図14に示した同じ素子における窒素と酸
素濃度の深さ方向分布と比較すると、2重量子井戸活性
層中の2つの酸素ピークプロファイルは、窒素濃度のピ
ークプロファイルと対応しておらず、図14のAl濃度
プロファイルと対応している。このことから、GaIn
NAs井戸層中の酸素不純物は、窒素原料と共に取りこ
まれるというよりも、むしろ井戸層中に取りこまれたA
lと結合して一緒に取りこまれていることが明らかとな
った。即ち、成長室内に残留したAl原料、またはAl
反応物、またはAl化合物、またはAlが窒素化合物原
料と接触すると、Alと窒素化合物原料中に含まれる水
分またはガスラインや反応室中に残留する水分などの酸
素を含んだ物質とが結合して、活性層中にAlと酸素が
取りこまれる。この活性層に取り込まれた酸素が活性層
の発光効率を低下させていたことが我々の実験により初
めて明らかとなった。よってこれを改善するためには、
少なくとも成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物
原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留したAl原
料、またはAl反応物、またはAl化合物、またはAl
を除去する工程を設けることが必要であることがわかっ
た。Alを含んだ半導体層成長後、窒素を含む活性層成
長開始までの間にこの工程を設けると、窒素を含む活性
層を成長するため成長室に窒素化合物原料を供給したと
きに、残留したAl原料、またはAl反応物、またはA
l化合物、またはAlと、窒素化合物原料または窒素化
合物原料中に含まれる不純物及び装置内に残留する酸素
を含んだ物質とが反応して、活性層に取り込まれるAl
及び酸素不純物の濃度を低減することができた。更に、
非発光再結合防止層成長終了後までに除去しておくと、
電流注入によって活性層にキャリアが注入される時、活
性層での非発光再結合への悪影響を抑えられるので好ま
しい。例えば、窒素を含む活性層中のAl濃度を1×1
19cm−3以下に低減することにより、室温連続発
振が可能となった。さらに、窒素を含む活性層中のAl
濃度を2×1018cm−3以下に低減することによ
り、Alを含まない半導体層上に形成した場合と同等の
発光特性が得られた。成長室内の窒素化合物原料または
窒素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留
したAl原料、またはAl反応物、またはAl化合物、
またはAlを除去する工程とは例えば、キャリアガスで
パージする工程を設けることがあげられる。ここで、パ
ージ工程の時間は、Alを含む半導体層の成長が終了し
て成長室へのAl原料の供給が停止してから、窒素を含
む半導体層の成長を開始するために窒素化合物原料を成
長室に供給するまでの間隔をいう。上記パージの方法と
して、Alと窒素のいずれも含まない中間層中で成長中
断をしてキャリアガスでパージする方法がある。成長中
断をしてパージする場合は、成長中断する場所を、Al
を含んだ半導体層成長後から非発光再結合防止層の途中
までの間に設けることができる。
As compared with the nitrogen and oxygen concentration distributions in the depth direction in the same device shown in FIG. 14, the two oxygen peak profiles in the double quantum well active layer do not correspond to the nitrogen concentration peak profiles. 14 corresponds to the Al concentration profile of FIG. From this, GaIn
Oxygen impurities in the NAs well layer are more likely to be introduced into the well layer than to be taken in with the nitrogen source.
It was clarified that they were incorporated together with l. That is, the Al raw material remaining in the growth chamber or Al
When the reactant, or Al compound, or Al comes into contact with the nitrogen compound raw material, Al is combined with a substance containing oxygen such as water contained in the nitrogen compound raw material or water remaining in the gas line or the reaction chamber. Then, Al and oxygen are taken into the active layer. Our experiments have clarified for the first time that oxygen taken into the active layer has reduced the luminous efficiency of the active layer. So to improve this,
At least the Al source material, the Al reactant, or the Al compound, or the Al remaining in the growth chamber in a place where the nitrogen compound source material or the impurities contained in the nitrogen compound source material touch.
It has been found that it is necessary to provide a step of removing. If this step is provided after the growth of the semiconductor layer containing Al and before the start of the growth of the active layer containing nitrogen, when the nitrogen compound raw material is supplied to the growth chamber to grow the active layer containing nitrogen, the remaining Al Raw material, or Al reactant, or A
l compound or Al reacts with a nitrogen compound raw material or an impurity contained in the nitrogen compound raw material and a substance containing oxygen remaining in the device, and Al taken into the active layer.
And the concentration of oxygen impurities could be reduced. Furthermore,
If removed before the end of the non-radiative recombination prevention layer growth,
When carriers are injected into the active layer by current injection, it is preferable because adverse effects on non-radiative recombination in the active layer can be suppressed. For example, the Al concentration in the active layer containing nitrogen is 1 × 1
By reducing it to 0 19 cm −3 or less, continuous oscillation at room temperature became possible. Further, Al in the active layer containing nitrogen
By reducing the concentration to 2 × 10 18 cm −3 or less, light emission characteristics equivalent to those formed on a semiconductor layer containing no Al were obtained. An Al source, an Al reactant, or an Al compound remaining in a place where a nitrogen compound source or an impurity contained in the nitrogen compound source touches in the growth chamber;
Alternatively, the step of removing Al includes, for example, providing a step of purging with a carrier gas. Here, during the time of the purge step, after the growth of the Al-containing semiconductor layer ends and the supply of the Al raw material to the growth chamber is stopped, the nitrogen compound raw material is used to start the growth of the nitrogen-containing semiconductor layer. This is the interval until the material is supplied to the growth chamber. As a method of the purging, there is a method of interrupting the growth in an intermediate layer containing neither Al nor nitrogen and purging with a carrier gas. When the growth is interrupted and purged, the place where the growth is interrupted is set to Al
Can be provided from after the growth of the semiconductor layer containing the compound to the middle of the non-radiative recombination preventing layer.

【0036】図15は、本発明におけるキャリアガスで
パージする工程を設けることを説明するための半導体発
光素子の断面構造図の1例を示している。図15におい
て、基板上201にAlを構成元素として含む第1の半
導体層202、第1の下部中間層601、第2の下部中
間層602、窒素を含む活性層204、上部中間層20
3、第2の半導体層205が順次積層されている。結晶
成長は有機金属Al原料と有機窒素原料を用いたエピタ
キシャル成長装置を用いている。そして、第1の下部中
間層成長後と第2の下部中間層の成長開始との間に成長
中断工程を設けたことを特徴としている。成長中断中
に、成長室内の窒素化合物原料または窒素化合物原料中
に含まれる不純物が触れる場所に残留したAl原料、ま
たはAl反応物、またはAl化合物、またはAlを、キ
ャリアガスである水素でパージして除去している。図1
6は、第1の下部中間層601と第2の下部中間層60
2の間で成長中断し、パージ時間を60分設けた半導体
発光素子におけるAl濃度の深さ方向分布の測定結果で
ある。図16に示すように、活性層中のAl濃度は3×
1017cm−3以下まで低減することができた。この
値は、中間層中のAl濃度と同程度となっている。図1
7は、同じ素子について、窒素と酸素濃度の深さ方向分
布を測定した結果である。図17に示すように、活性層
中の酸素濃度は、1×1017cm−3とバックグラウ
ンドレベルまで低減できた。
FIG. 15 shows an example of a sectional structural view of a semiconductor light emitting device for explaining that a step of purging with a carrier gas in the present invention is provided. 15, a first semiconductor layer 202 containing Al as a constituent element, a first lower intermediate layer 601, a second lower intermediate layer 602, an active layer 204 containing nitrogen, and an upper intermediate layer 20 are formed on a substrate 201.
Third, the second semiconductor layer 205 is sequentially stacked. For crystal growth, an epitaxial growth apparatus using an organic metal Al raw material and an organic nitrogen raw material is used. A growth interruption step is provided between after the growth of the first lower intermediate layer and the start of the growth of the second lower intermediate layer. During the growth interruption, the Al source material, the Al reactant, or the Al compound, or the Al remaining in the growth chamber where the nitrogen compound source material or the impurities contained in the nitrogen compound source material touch is purged with hydrogen as a carrier gas. Has been removed. FIG.
6 is a first lower intermediate layer 601 and a second lower intermediate layer 60
2 shows a measurement result of the distribution of the Al concentration in the depth direction in a semiconductor light emitting device in which the growth was interrupted between 2 and the purge time was set to 60 minutes. As shown in FIG. 16, the Al concentration in the active layer is 3 ×
It could be reduced to 10 17 cm −3 or less. This value is about the same as the Al concentration in the intermediate layer. FIG.
FIG. 7 shows the result of measuring the distribution of the nitrogen and oxygen concentrations in the depth direction for the same device. As shown in FIG. 17, the oxygen concentration in the active layer was reduced to a background level of 1 × 10 17 cm −3 .

【0037】なお、下部中間層中で酸素濃度にピークが
現れているのは、成長中断界面に酸素が偏析したためで
ある。よって、成長中断をしてパージする場合は、成長
中断する場所を、Alを含んだ半導体層成長後から非発
光再結合防止層成長終了までの間に設けることが好まし
い。非発光再結合防止層は量子井戸活性層や障壁層より
バンドギャップエネルギーを大きくすることができ、電
流注入によって活性層にキャリアが注入される時、成長
中断界面に偏析した酸素による非発光再結合による悪影
響を抑えられるからである。このように窒素を含む活性
層を用いる場合は非発光再結合防止層を設けることは特
に効果がある。この半導体発光素子は、第1の下部中間
層と第2の下部中間層の間で成長中断し、パージ時間を
60分設けることにより、窒素を含む活性層中のAlや
O等の不純物濃度を低減することができた。これによ
り、窒素を含む活性層の発光効率を改善することができ
た。なお、成長室内をキャリアガスでパージする工程に
おいて、サセプターを加熱しながらパージすることによ
り、サセプターまたはサセプター周辺に吸着したAl原
料や反応生成物を脱ガスさせて、効率良く除去すること
ができる。ただし、基板を同時に加熱する場合は、最表
面の半導体層が熱分解するのを防止するため、成長中断
中においてもAsHもしくはPH等のV族原料ガス
を成長室に供給し続ける必要がある。また、成長室内を
キャリアガスでパージする際に、基板を成長室から別室
に搬送しておくこともできる。基板を成長室から別室に
搬送することにより、サセプターを加熱しながらパージ
を行う最に、AsHもしくはPH等のV族原料ガス
を成長室に供給する必要がない。従って、サセプターま
たはサセプター周辺に堆積したAlを含む反応生成物の
熱分解をより促進させることができる。これにより、効
率よく成長室内のAl濃度を低減することができる。
The reason why a peak appears in the oxygen concentration in the lower intermediate layer is that oxygen segregates at the growth interruption interface. Therefore, in the case of purging after interrupting the growth, it is preferable that the place where the growth is interrupted be provided after the growth of the Al-containing semiconductor layer until the end of the growth of the non-radiative recombination preventing layer. The non-radiative recombination prevention layer can increase the bandgap energy compared to the quantum well active layer and the barrier layer. This is because adverse effects due to the above can be suppressed. When an active layer containing nitrogen is used as described above, providing a non-radiative recombination preventing layer is particularly effective. In this semiconductor light emitting device, the growth is interrupted between the first lower intermediate layer and the second lower intermediate layer, and the purge time is set to 60 minutes to reduce the concentration of impurities such as Al and O in the active layer containing nitrogen. Could be reduced. Thereby, the luminous efficiency of the active layer containing nitrogen could be improved. In the step of purging the growth chamber with a carrier gas, by purging the susceptor while heating it, the Al raw material and reaction products adsorbed on the susceptor or around the susceptor can be degassed and removed efficiently. However, when the substrates are heated simultaneously, it is necessary to keep supplying a group V source gas such as AsH 3 or PH 3 to the growth chamber even during the interruption of the growth, in order to prevent the semiconductor layer on the outermost surface from being thermally decomposed. is there. Further, when purging the growth chamber with a carrier gas, the substrate can be transferred from the growth chamber to another chamber. By transporting the substrate from the growth chamber to another chamber, there is no need to supply a group V source gas such as AsH 3 or PH 3 to the growth chamber when purging while heating the susceptor. Therefore, the thermal decomposition of the reaction product containing Al deposited around the susceptor or the susceptor can be further promoted. Thereby, the Al concentration in the growth chamber can be efficiently reduced.

【0038】また、中間層を成長しながらパージを行う
方法がある。Alを含んだAlGaAs系からなる反射
鏡と窒素を含む活性層との間に非発光再結合防止層を設
けていることから、Alを含んだ層と窒素を含む活性層
との距離が長くなるため、成長しながらパージを行う場
合でもパージの時間を長くできるメリットがある。この
場合は成長速度を遅くして時間を長くすると良い。ま
た、Alを含んだAlGaAs系からなる反射鏡と窒素
を含む活性層とを別装置で形成する方法もある。この場
合でも再成長界面を非発光再結合防止層の下部に設ける
と、窒素を含む活性層のAlやO等の不純物濃度を低減
することができる。通常のMBE法のように、有機金属
Al原料と窒素化合物原料を用いない結晶成長方法で作
製した場合には、基板と窒素を含む活性層との間にAl
を含む半導体層を設けた半導体発光素子における発光効
率低下については報告されていない。一方、MOCVD
法では、Alを含む半導体層上に形成したGaInNA
s活性層の発光効率の低下が報告されている。Electro
n.Lett.、 2000、 36 (21)、 pp1776-1777において、同じ
MOCVD成長室でAlGaAsクラッド層上にGaA
sからなる中間層を設けた場合でも、連続的にGaIn
NAs量子井戸層を成長すると、フォトルミネッセンス
強度が著しく劣化することが報告されている。上記報告
においては、フォトルミネッセンス強度を改善するため
に、AlGaAsクラッド層とGaInNAs活性層を
異なるMOCVD成長室で成長させている。従って、M
OCVD法のように、有機金属Al原料と窒素化合物原
料を用いる結晶成長方法の場合には少なくても起きる問
題である。MBE法は超減圧(高真空中)で結晶成長が
行われるのに対して、MOCVD法は通常数10Tor
rから大気圧程度と、MBE法に比べて反応室の圧力が
高いため、平均自由行程が圧倒的に短く、供給された原
料やキャリアガスがガスラインや反応室等で他と接触、
反応するためと考えられる。よって、MOCVD法のよ
うに、反応室やガスラインの圧力が高い成長方法の場
合、Alを含んだ半導体層成長後、窒素を含んだ活性層
成長前までに、更に好ましくは非発光再結合防止層成長
終了後までの間に、成長室内の窒素化合物原料または窒
素化合物原料中に含まれる不純物が触れる場所に残留し
たAl原料、またはAl反応物、またはAl化合物、ま
たはAlを除去する工程を設けると、窒素を含んだ活性
層へ酸素が取りこまれることを防止する効果が高い。た
とえばAlを含んだ半導体層を成長後、窒素を含む活性
層を成長する前に、ガスラインや成長室を真空引きする
方法もある。この場合加熱して行うと効果が高い。
Further, there is a method of performing purging while growing the intermediate layer. Since the non-radiative recombination preventing layer is provided between the AlGaAs-based reflecting mirror containing Al and the nitrogen-containing active layer, the distance between the Al-containing layer and the nitrogen-containing active layer becomes longer. Therefore, there is an advantage that the purge time can be lengthened even when the purge is performed while growing. In this case, it is better to slow down the growth rate and lengthen the time. There is also a method in which a reflecting mirror made of AlGaAs containing Al and an active layer containing nitrogen are formed by different apparatuses. Even in this case, if the regrowth interface is provided below the non-radiative recombination preventing layer, the concentration of impurities such as Al and O in the active layer containing nitrogen can be reduced. As in the case of the ordinary MBE method, when the crystal is formed by a crystal growth method that does not use the organometallic Al raw material and the nitrogen compound raw material, the Al is placed between the substrate and the active layer containing nitrogen.
No report has been made on a decrease in luminous efficiency in a semiconductor light emitting device provided with a semiconductor layer containing. On the other hand, MOCVD
In the method, GaInNA formed on a semiconductor layer containing Al is used.
It has been reported that the luminous efficiency of the s active layer is reduced. Electro
n. Lett., 2000, 36 (21), pp 1776-1777, GaAs is deposited on an AlGaAs cladding layer in the same MOCVD growth chamber.
s even if an intermediate layer made of GaIn is provided.
It has been reported that growing a NAs quantum well layer significantly reduces the photoluminescence intensity. In the above report, an AlGaAs cladding layer and a GaInNAs active layer are grown in different MOCVD growth chambers in order to improve the photoluminescence intensity. Therefore, M
In the case of a crystal growth method using an organic metal Al raw material and a nitrogen compound raw material, such as the OCVD method, this is a problem that occurs at least. In the MBE method, crystal growth is performed under ultra-low pressure (in a high vacuum), whereas in the MOCVD method, several tens Torr are usually used.
Since the pressure of the reaction chamber is higher than that of the MBE method from r to about atmospheric pressure, the mean free path is overwhelmingly short, and the supplied raw material or carrier gas comes into contact with others in a gas line, a reaction chamber, or the like.
It is thought to react. Therefore, in the case of a growth method in which the pressure in the reaction chamber or gas line is high, such as the MOCVD method, it is more preferable to prevent non-radiative recombination after the growth of the semiconductor layer containing Al and before the growth of the active layer containing nitrogen. A step is provided for removing the Al source material, the Al reactant, or the Al compound, or the Al remaining at the place where the nitrogen compound source or the impurities contained in the nitrogen compound source touches in the growth chamber until after the layer growth is completed. This has a high effect of preventing oxygen from being taken into the active layer containing nitrogen. For example, there is a method in which a gas line or a growth chamber is evacuated after growing a semiconductor layer containing Al and before growing an active layer containing nitrogen. In this case, the effect is high if heating is performed.

【0039】また、Alを含んだ半導体層を成長後、窒
素を含む活性層を成長する前に、エッチングガスを流し
て除去する方法もある。Al系残留物と反応し除去する
ことのできるガスの一例として有機系化合物ガスが上げ
られる。上述のように窒素を含んだ活性層成長時に有機
系化合物ガスの一つであるDMHyガスをDMHyシリ
ンダーを用いて供給するとAl系残留物と反応すること
は明らかである。よってAlを含んだ半導体層成長後、
窒素を含んだ活性層成長の前までに、有機系化合物ガス
シリンダーを用いて有機系化合物ガスを供給すると反応
室側壁、加熱帯、基板を保持する治具等に残留している
Al系残留物と反応し除去することのできるので、活性
層への酸素の取り込みを抑えることができる。更に窒素
を含む活性層の窒素原料と同じガスを用いると、特別に
ガスラインを追加する必要がないので好ましい。この工
程は成長中断して行っても良く、GaNAs、GaIn
NAs、GaInNP層など窒素を含む層を活性層とは
別にダミー層として結晶成長して行っても良い。成長中
断して行う場合に比べて、結晶成長でAl除去工程を行
うと時間的ロスがなくなり好ましい。なお活性層にGa
InAs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も厚
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。このように、波長1.1μm〜1.7μmの
半導体レーザは従来適した材料がなかったが、活性層に
高歪のGaInAs、GaInNAs、GaAsSbを
用い、かつ非発光再結合防止層を設けることにより、従
来安定発振が困難であった波長1.1μm〜1.7μm
帯の長波長領域において、高性能な面発光レーザを実現
できるようになり、光通信システムへの応用ができるよ
うになった。図18はこのような長波長帯面発光半導体
レーザ素子を、面方位(100)のn−GaAsウエハ
40に多数のチップとして形成した例、ならびにレーザ
素子チップを示したものである。ここで示したレーザ素
子チップには、1〜n個のレーザ素子41が形成されて
いるが、その個数nはその用途に応じて、数ならびに配
列方法が決められる。
There is also a method of removing the semiconductor layer containing Al by flowing an etching gas after growing the semiconductor layer before growing the active layer containing nitrogen. An example of a gas that can react with and remove an Al-based residue is an organic-based compound gas. As described above, when a DMHy gas, which is one of the organic compound gases, is supplied using a DMHy cylinder during the growth of the active layer containing nitrogen, it is apparent that the gas reacts with the Al-based residue. Therefore, after growing a semiconductor layer containing Al,
When organic compound gas is supplied using an organic compound gas cylinder before the growth of the active layer containing nitrogen, Al-based residue remaining on the reaction chamber side wall, the heating zone, the jig holding the substrate, and the like. Can be removed by reacting with oxygen, so that the incorporation of oxygen into the active layer can be suppressed. Furthermore, it is preferable to use the same gas as the nitrogen material of the active layer containing nitrogen, since it is not necessary to add a special gas line. This step may be performed with the growth interrupted.
A layer containing nitrogen, such as an NAs or GaInNP layer, may be formed by crystal growth as a dummy layer separately from the active layer. It is preferable to perform the Al removal step by crystal growth as compared with the case where the growth is interrupted, because there is no time loss. Note that Ga is used for the active layer.
In the case of using InAs, it has conventionally been considered that the wavelength limit is 1.1 μm or less, but it is possible to grow a GaInAs quantum well active layer having a high strain with a high strain by growing at a low temperature of 600 ° C. or less. , The wavelength can reach up to 1.2 μm. As described above, a semiconductor laser having a wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm does not have a material suitable for a conventional semiconductor laser. Wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm, which has conventionally been difficult to achieve stable oscillation
In the long wavelength region of the band, a high-performance surface emitting laser can be realized, and application to an optical communication system has become possible. FIG. 18 shows an example in which such a long wavelength band surface emitting semiconductor laser device is formed as a large number of chips on an n-GaAs wafer 40 having a plane orientation of (100), and a laser device chip. In the laser element chip shown here, 1 to n laser elements 41 are formed, and the number n and the arrangement method are determined according to the application.

【0040】次に、半導体レーザと光ファイバまたは光
導波路の結合部に関して、本発明の説明を下記に記す.
まず、図19に示すように、半導体レーザ52から基板
に対して法線方向に放出されたレーザビームをその光軸
に対して、垂直な検出面での強度分布は、ガウス関数に
近い強度分布が得られた.ここで、ビーム径をそのプロ
ファイルの半値全幅(FWHM)とし、そのビーム径5
0と半導体レーザ−検出面の距離51から、光放射角θ
を測定できる。本実施例の面発光型半導体レーザにおい
ては、等方的に5〜10度程度の値が得られた。一方、
従来公知の1.1〜1.7μm帯の端面発光型半導体レ
ーザにおいては、この光放射角が大きく、異方性がある
ことが知られている。典型的な値として、半導体レーザ
の基板に垂直方向の光放射角θは〜35度、基板に並
行方向の光放射角θ//〜25度である。したがって、
従来の端面発光型半導体レーザにおいては、光ファイバ
や光導波路において、効率的な光結合を得るためにマイ
クロレンズなどを用いてきた。一方、本実施例の半導体
レーザにおいては、上記のように光放射角が小さいた
め、この様なマイクロレンズが不用で、半導体レーザと
光ファイバまたは光導波路間を近接できる可能性があ
る。また、光放射角が小さいため、半導体レーザと光フ
ァイバまたは光導波路間の距離がある場合でも、ビーム
径の広がりが小さく、ある範囲の半導体レーザと光ファ
イバまたは光導波路間の光路長に置いて、レンズを用い
ずに良好な光結合を得る可能性がある。図20に半導体
レーザの光の広がりと光ファイバまたは光導波路の位置
関係を示す模式図、図21にビーム径の広がりの計算結
果の一例を示す。半導体レーザ53の開口径をd[μ
m]、放射角をθ[度]、半導体レーザ−光ファイバ端
または光導波路端の光路長をl[μm]、ファイバのコ
ア径をX[μm]とする。半導体レーザ53の光軸54
と、光ファイバまたは光導波路の光軸は一致しており、
図では波線で示してある。ここで、開口径dは、開口が
円の場合には、その直径を正方形の場合には、正方形の
一辺の長さをdとする。開口が長方形などその他の形の
場合には、それに内接する楕円の面積に相当する面積を
持つ円の直径をdとする。
Next, the present invention will be described below with respect to a coupling portion between a semiconductor laser and an optical fiber or an optical waveguide.
First, as shown in FIG. 19, a laser beam emitted from a semiconductor laser 52 in a direction normal to a substrate has an intensity distribution close to a Gaussian function on a detection surface perpendicular to its optical axis. was gotten. Here, the beam diameter is defined as the full width at half maximum (FWHM) of the profile, and the beam diameter 5
0 and the distance 51 between the semiconductor laser and the detection surface, the light emission angle θ
Can be measured. In the surface emitting semiconductor laser of this example, a value of about 5 to 10 degrees was obtained isotropically. on the other hand,
It is known that conventionally known edge emitting semiconductor lasers in the 1.1 to 1.7 μm band have a large light emission angle and anisotropy. As typical values, the light emission angle θθ in the direction perpendicular to the substrate of the semiconductor laser is 〜35 degrees, and the light emission angle θ // in the direction parallel to the substrate is 25 degrees. Therefore,
In a conventional edge emitting semiconductor laser, a microlens or the like has been used in an optical fiber or an optical waveguide to obtain efficient optical coupling. On the other hand, in the semiconductor laser of this embodiment, since the light emission angle is small as described above, such a microlens is unnecessary, and there is a possibility that the semiconductor laser can be brought close to the optical fiber or the optical waveguide. In addition, since the light emission angle is small, even if there is a distance between the semiconductor laser and the optical fiber or the optical waveguide, the beam diameter is small, and a certain range is set in the optical path length between the semiconductor laser and the optical fiber or the optical waveguide. There is a possibility that good optical coupling can be obtained without using a lens. FIG. 20 is a schematic diagram showing the spread of the light of the semiconductor laser and the positional relationship between the optical fiber and the optical waveguide, and FIG. 21 shows an example of the calculation result of the spread of the beam diameter. The opening diameter of the semiconductor laser 53 is d [μ
m], the radiation angle is θ [degrees], the optical path length at the semiconductor laser-optical fiber end or the optical waveguide end is l [μm], and the core diameter of the fiber is X [μm]. Optical axis 54 of semiconductor laser 53
And the optical axis of the optical fiber or optical waveguide are coincident,
In the figure, these are indicated by wavy lines. Here, as for the opening diameter d, when the opening is a circle, if the diameter is a square, the length of one side of the square is d. In the case where the opening has a rectangular shape or another shape, the diameter of a circle having an area corresponding to the area of an ellipse inscribed therein is defined as d.

【0041】ここで、半導体レーザ−光ファイバ端また
は光導波路端の光路長としたのは、図23に示すように
ミラー62で光を折り返す場合を考慮して、光路長とし
ている。この様な光の折り返しがなく光路が直線の場合
には、半導体レーザ−光ファイバ端または光導波路端の
光路長は、単に半導体レーザ−光ファイバ端または光導
波路端の距離となる。光導波路63の場合は、コア64
の断面が円ではなく、一般的に長方形や正方形であり、
正方形の場合には、その一辺をX[μm]、長方形の場
合には短軸をX[μm]とする。このとき、半導体レー
ザから垂直に放出されたビームは、光放射角θをもっ
て、光路長lが大きくなるほど広がり、光ファイバまた
は光導波路の端面に達する。光ファイバまたは導波路端
面でのレーザビーム径は、 d+2ltan(θ/2) であらわされ、このビーム径が、光ファイバまたは光導
波路のコア径X以下である光路長l内であれば、良好な
光結合がえられると考えられる。図21にはこの式に基
づいて、本実施例の一例として、半導体レーザの開口部
径5μm、光放射角10度の場合の、比較例として、光
放射角度35度の端面発光型の場合の、半導体レーザ−
光ファイバ端または光導波路端の光路長lとビーム径の
関係を示す。本実施例の場合には、比較例に比べてビー
ムの広がりが小さい。光ファイバとして一般的なマルチ
モードファイバのコア径50μm(クラッド径125μ
m)の場合、lが260μmの場合、コア径とビーム径
が一致する。このコア径とビーム径が一致する半導体レ
ーザ−ファイバ端の距離内であれば、ファイバのコア径
に対して、ビーム径の方が小さく、レーザビームのロス
がなく良好な結合を得ることができる。言い換えれば、
半導体レーザと光ファイバ端の距離(光軸方向のアライ
メント)は、比較例に比べ非常にラフで良いことがわか
る。また、サイトップ(旭硝子)のようなGI−POF
など、コア径が100μmの場合には、レーザビーム径
がコア径と一致する、半導体レーザ−ファイバ端の距離
は、550μmと更に大きいため、半導体レーザのパッ
ケージと光ファイバを分離した構成を取ることができ
る。
Here, the optical path length at the semiconductor laser-optical fiber end or the optical waveguide end is set in consideration of the case where light is turned back by the mirror 62 as shown in FIG. When the optical path is straight without such folding of light, the optical path length at the semiconductor laser-optical fiber end or the optical waveguide end is simply the distance between the semiconductor laser-optical fiber end or the optical waveguide end. In the case of the optical waveguide 63, the core 64
Is not a circle, but generally a rectangle or square,
In the case of a square, one side is X [μm], and in the case of a rectangle, the short axis is X [μm]. At this time, the beam emitted vertically from the semiconductor laser spreads as the optical path length l increases with the light emission angle θ, and reaches the end face of the optical fiber or the optical waveguide. The laser beam diameter at the end surface of the optical fiber or the waveguide is represented by d + 2 tan (θ / 2). It is considered that optical coupling is obtained. FIG. 21 shows, based on this formula, a case where the opening diameter of the semiconductor laser is 5 μm and the light emission angle is 10 degrees as an example of the present embodiment, and a case of an edge emission type with a light emission angle of 35 degrees as a comparative example. , Semiconductor laser
The relationship between the optical path length l at the end of the optical fiber or the end of the optical waveguide and the beam diameter is shown. In the case of this embodiment, the beam spread is smaller than that of the comparative example. The core diameter of a general multimode fiber as an optical fiber is 50 μm (cladding diameter 125 μm).
In the case of m), when 1 is 260 μm, the core diameter matches the beam diameter. If the core diameter and the beam diameter are within the distance between the semiconductor laser and the fiber end, the beam diameter is smaller than the fiber core diameter, and good coupling can be obtained without laser beam loss. . In other words,
It can be seen that the distance (alignment in the optical axis direction) between the semiconductor laser and the end of the optical fiber is very rough compared to the comparative example. GI-POF such as Cytop (Asahi Glass)
For example, when the core diameter is 100 μm, the laser beam diameter matches the core diameter, and the distance between the semiconductor laser and the end of the fiber is 550 μm. Can be.

【0042】図22に上記の面発光型半導体レーザを用
いた通信システムの半導体レーザと光ファイバの結合部
の一例を示す。通信システムは、面発光型半導体レーザ
55とその駆動回路を有する光送信部、面型フォトディ
テクタとその駆動回路を有する光受光部、及びそれらの
間の伝送経路として作用する光ファイバまたは光導波路
からなっている。ここでは、半導体レーザ及びフォトデ
ィテクタの駆動回路は、それぞれの素子と同一の実装基
板上に実装している(図示していない)。また、光伝送
経路の両側に、光送信部と光受光部を備えることで、双
方向の通信を行っても良い。実装基板56として熱伝導
性の良いSi基板を用い、そこに、図1に示す構造の面
発光型半導体レーザ55をアレイ状に並べたレーザアレ
イ素子57を実装する。なお、発振波長は1.3μmの
ものを使用した。ここでは、半導体レーザの開口径を1
0μmとし、半導体レーザを12個とした。半導体レー
ザのピッチは、200μmとした。ついで、半導体レー
ザと同一の200μmピッチで、マルチモードファイバ
径に相当する125μmの貫通穴の空いた、窒化アルミ
AlNよりなるホールアレイ58をレーザアレイ素子5
7のマーカー59とこのホールアレイ素子58のガイド
60が一致するように固定した。このとき、ホールアレ
イ58は、レーザアレイ素子57と当接しており、熱伝
導率が約300Wm−1−1と非常に大きく、放熱部
としても作用している。このため、半導体レーザの発振
による熱を発光面側からも放熱できるため、より安定し
た光通信システムとなる。ここに、端面を研磨したマル
チモードファイバ61をつき当て、接着剤で固定した。
この様にすることによって、光軸と垂直方向に正確なア
ライメントが得られる。一方、光軸に垂直方向は光ファ
イバをつき当てているだけなのでラフなアライメント
で、半導体レーザ−光ファイバ間は、0〜20μm程度
の空間を生じた。しかし、光放射角θが8度、開口径d
が10μmでは、半導体レーザ−光ファイバ間の距離が
50μmの場合でも、ビーム径は、17μmであり、マ
ルチファイバ61のコア径50μmより十分小さく、上
記の式を満たしており、良好な光結合が得られた。従っ
て、1.3μmの面発光型半導体レーザを用いて、半導
体レーザと光ファイバの結合部にレンズを用いることが
ないため、部品点数が少なく、低コストで、光軸方向に
ついてアライメントが緩やかな光通信システムを構築で
きた。
FIG. 22 shows an example of a coupling section between a semiconductor laser and an optical fiber in a communication system using the above-mentioned surface emitting semiconductor laser. The communication system includes a surface-emitting type semiconductor laser 55, an optical transmission unit having a driving circuit therefor, a surface-type photodetector and a light receiving unit having the driving circuit, and an optical fiber or an optical waveguide acting as a transmission path therebetween. ing. Here, the drive circuits for the semiconductor laser and the photodetector are mounted on the same mounting board as the respective elements (not shown). In addition, by providing an optical transmitting unit and an optical receiving unit on both sides of the optical transmission path, bidirectional communication may be performed. A laser array element 57 in which surface emitting semiconductor lasers 55 having the structure shown in FIG. 1 are arranged in an array is mounted on a Si substrate having good thermal conductivity as a mounting substrate 56. The oscillation wavelength used was 1.3 μm. Here, the opening diameter of the semiconductor laser is set to 1
0 μm and 12 semiconductor lasers. The pitch of the semiconductor laser was 200 μm. Next, a hole array 58 made of aluminum nitride AlN and having a through hole of 125 μm corresponding to the diameter of the multimode fiber and having the same 200 μm pitch as the semiconductor laser was inserted into the laser array element 5.
7 and the guide 60 of the hole array element 58 were fixed so as to coincide with each other. At this time, the hole array 58 is in contact with the laser array element 57, has a very high thermal conductivity of about 300 Wm −1 K −1, and also functions as a heat radiating part. Therefore, heat generated by the oscillation of the semiconductor laser can be radiated also from the light emitting surface side, so that a more stable optical communication system can be obtained. Here, the multimode fiber 61 whose end face was polished was applied and fixed with an adhesive.
By doing so, accurate alignment can be obtained in the direction perpendicular to the optical axis. On the other hand, since only the optical fiber is applied in the direction perpendicular to the optical axis, rough alignment results in a space of about 0 to 20 μm between the semiconductor laser and the optical fiber. However, the light emission angle θ is 8 degrees and the aperture diameter d
Is 10 μm, even when the distance between the semiconductor laser and the optical fiber is 50 μm, the beam diameter is 17 μm, which is sufficiently smaller than the core diameter of the multi-fiber 61 of 50 μm, and satisfies the above expression, and good optical coupling is achieved. Obtained. Therefore, since a 1.3 μm surface-emitting type semiconductor laser is used and a lens is not used at the joint between the semiconductor laser and the optical fiber, the number of parts is small, the cost is low, and light whose alignment is gentle in the optical axis direction is low. The communication system could be built.

【0043】一方、光ファイバを半導体レーザにつき当
てたのち、マイクロメータを用いて引き出し量を変え、
半導体レーザ−光ファイバ間の距離が400μmの場
合、ビーム径は66μmとなり、マルチファイバのコア
径50μmより大きく、上記式を満たさない場合は、十
分な光結合が得られなかった。実験結果を以下に示す。 d+2ltan(θ/2)(μm) X(μm) 評価 10 50 ○ 20 50 ○ 30 50 ○ 40 50 ○ 50 50 ○ 60 50 △ 70 50 × 80 50 × 10 62.5 ○ 20 62.5 ○ 30 62.5 ○ 40 62.5 ○ 50 62.5 ○ 60 62.5 ○ 70 62.5 × 80 62.5 × 評価:○ 光学的結合効率が良好で実用使用に耐える △ 光学的結合効率がやや悪くで実用使用にはやや難あり × 光学的結合効率が悪く実用使用不可 以上の結果より、光ファイバのコア径をX、半導体レー
ザの開口径をd、半導体レーザの光放射角をθ、半導体
レーザから光ファイバまでの光路長をlとした場合、X
はd+2ltan(θ/2)以上にしないと実用的では
ないことがわかる。ここでは、光ファイバを12本とし
たが、1本でも、また、4、8、16本など送信するデ
ータによって適宜必要な数でかまわない。また、光ファ
イバとして、マルチモードファイバを用いたが、遠距離
で、大容量の情報を転送するには、シングルモードファ
イバが、近距離で低コストにするにはプラスチック光フ
ァイバ(POF)が適しているが、上記の式はどの光フ
ァイバについても成り立つ。またファイバ端面は、無反
射コーティングなどの処理を行っても良い。また、放熱
部として、窒化アルミAlNを用いたが、Siやカーボ
ン、アルミナなどのセラミックスなど、熱伝導率の高い
ものであれば放熱部として作用する。
On the other hand, after the optical fiber was applied to the semiconductor laser, the amount of drawing was changed using a micrometer.
When the distance between the semiconductor laser and the optical fiber was 400 μm, the beam diameter was 66 μm, which was larger than the core diameter of the multi-fiber of 50 μm. When the above expression was not satisfied, sufficient optical coupling was not obtained. The experimental results are shown below. d + 2ltan (θ / 2) (μm) X (μm) Evaluation 1050 ○ 2050 ○ 30 50 ○ 40 50 ○ 50 50 ○ 60 50 △ 70 50 × 80 50 × 10 62.5 ○ 20 62.5 ○ 3062 .5 6 40 62.5 50 62.5 60 62.5 70 62.5 × 80 62.5 × Evaluation: Good optical coupling efficiency and endurable for practical use △ Optical coupling efficiency is slightly poor × The optical coupling efficiency is poor and the practical use is impossible. From the above results, the core diameter of the optical fiber is X, the aperture diameter of the semiconductor laser is d, the light emission angle of the semiconductor laser is θ, and the semiconductor laser is When the optical path length from the optical fiber to the optical fiber is l, X
It can be understood that is not practical unless the value is not less than d + 2 tan (θ / 2). In this case, the number of optical fibers is 12. However, the number may be one or may be 4, 8, 16, or any other appropriate number depending on data to be transmitted. A multi-mode fiber is used as the optical fiber. A single-mode fiber is suitable for transmitting large-capacity information over a long distance, and a plastic optical fiber (POF) is suitable for a short distance and low cost. However, the above equation holds for any optical fiber. The fiber end face may be subjected to a treatment such as a non-reflection coating. Although aluminum nitride AlN is used as the heat radiating portion, any material having a high thermal conductivity, such as ceramics such as Si, carbon, and alumina, can function as a heat radiating portion.

【0044】次に、本発明の別の実施例について、先と
同様に、半導体レーザと光ファイバの結合部を説明す
る。構成は、図22に示すものとほぼ同じだが、半導体
レーザと光ファイバを当接させ、半導体レーザと光ファ
イバまたは導波路の距離をほぼ0としている。なお、こ
こでいう“当接”は、“半導体レーザと光ファイバまた
は導波路の距離をほぼ0としている”と同義であるが、
アセンブリ上の精度の点も考慮にいれ、実際には0〜1
0μmまでもその“当接”に含むものとする。実装基板
として熱伝導性の良いSi基板を用い、そこに、図1に
示す構造の面発光型半導体レーザをアレイ状に並べたレ
ーザアレイ素子を実装する。なお、この場合も発振波長
が1.3μmのものを使用した。ここでは、半導体レー
ザの開口径を10μmとし、半導体レーザを12個とし
た。半導体レーザのピッチは、200μmとした。つい
で、半導体レーザと同一の200μmピッチで、マルチ
モードファイバ径に相当する125μmの貫通穴の空い
た、窒化アルミAlNよりなるホールアレイに、マルチ
モード光ファイバを差し込み、レーザアレイ素子と密着
する面より、光ファイバをやや突出させて固定する。つ
いで、光ファイバを研磨し、レーザアレイ素子と密着す
る側のホールアレイ面に光ファイバ端を一致させる。こ
の様にした後、先ほどと同様に、マーカーとガイドを一
致させることによって、面発光型半導体レーザと光ファ
イバの光軸を一致させ、なおかつ、レーザアレイ素子と
ホールアレイを固定することによって、半導体レーザと
光ファイバを当接させることができる。この場合は、先
の実施例よりより高い光の結合効率が得られた。ビーム
の広がりはほとんどなく、開口径に一致するため、光フ
ァイバのコア径に比べて十分小さく、光軸に直交するア
ライメントマージンも増加するため、低コストで、1.
3μmの面発光レーザを用いた光通信システムを構築で
きる。
Next, another embodiment of the present invention will be described in the same manner as described above, with respect to a coupling portion between a semiconductor laser and an optical fiber. The configuration is almost the same as that shown in FIG. 22, except that the semiconductor laser and the optical fiber are in contact with each other, and the distance between the semiconductor laser and the optical fiber or the waveguide is substantially zero. Note that “contact” here is synonymous with “the distance between the semiconductor laser and the optical fiber or the waveguide is substantially zero”.
Taking into account the accuracy of the assembly, actually 0-1
The term "contact" includes up to 0 μm. A Si substrate having good heat conductivity is used as a mounting substrate, and a laser array element in which surface emitting semiconductor lasers having the structure shown in FIG. 1 are arranged in an array is mounted thereon. In this case, the one having an oscillation wavelength of 1.3 μm was used. Here, the opening diameter of the semiconductor laser is 10 μm, and the number of the semiconductor lasers is 12. The pitch of the semiconductor laser was 200 μm. Then, the multi-mode optical fiber is inserted into a hole array made of aluminum nitride AlN at the same 200 μm pitch as that of the semiconductor laser and having a through-hole of 125 μm corresponding to the multi-mode fiber diameter. Then, the optical fiber is slightly projected and fixed. Next, the optical fiber is polished, and the end of the optical fiber is made to coincide with the hole array surface on the side in close contact with the laser array element. After doing so, the marker is aligned with the guide as before, so that the optical axis of the surface emitting semiconductor laser and the optical fiber are aligned, and the laser array element and the hole array are fixed. The laser and the optical fiber can be brought into contact. In this case, higher light coupling efficiency was obtained than in the previous example. Since the beam is hardly spread and coincides with the aperture diameter, it is sufficiently smaller than the core diameter of the optical fiber, and the alignment margin perpendicular to the optical axis increases.
An optical communication system using a 3 μm surface emitting laser can be constructed.

【0045】本発明の別の実施例について、先と同様
に、半導体レーザと光導波路の結合部を図21に示す。
ここでは、半導体レーザから放出されたビームがミラー
によって折り返された例を示している。実装基板として
熱伝導性の良いSi基板を用い、そこに、図1に示す構
造の面発光型半導体レーザをアレイ状に並べたレーザア
レイ素子を実装する。ここでは、半導体レーザの開口径
を15μmとし、半導体レーザを4個とした。一方、ミ
ラーを実装またはモノリシックに形成した実装基板上に
光導波路を形成する。ここでミラーは、Si基板をKO
Hによって異方性エッチングし、Agを成膜したミラー
をSi基板に実装した。更に、ミラーを有する実装基板
上に、光導波路を形成した。光導波路は、クラッドを形
成した後、コアにポリメチルメタクリレート(PMM
A)を用い、パターニングを行い、上層にクラッド層を
形成した。サイズは50×50μmとした。光導波路と
して、PMMAの他に、ポリイミドやエポキシ樹脂、ポ
リウレタンやポリエチレンなどのポリマー導波路やシリ
コン酸化膜などの無機膜も用いることができる。また、
形成方法もスピンコートやディップコートなどの塗布と
パターニングを組み合わせたり、樹脂モールドや金型加
工によるものなどが用いられる。レーザアレイ素子を有
する実装基板と光導波路を有する基板を半導体レーザの
光軸と光導波路の光軸がミラーを介して一致するように
固定する。半導体レーザの光放射角は、10度で、開口
径は15μm、半導体レーザ−導波路間の光路長lは、
光導波路の端面の位置を変えることで、50、100、
250μmの3種類を用意した。上述の式を満たす光路
長50、100μmについては良好な光結合が得られた
が、上述の式を満たさない光路長250μmについては
良好な光結合は得られなかった。しかし従来の端面発光
型半導体レーザに比べ、レンズなどが不用で、光軸方向
のアライメントはラフで良かった。従って、1.2μm
の面発光型半導体レーザを用いて、光軸方向についてア
ライメントが緩やかな光通信システムを構築できた。こ
こでは、ミラーを導波路とは別に形成したが、導波路端
面をダイシングブレードなどにより45度に加工し、そ
の傾斜面にAgなどの金属を成膜することによって、導
波路とミラーを一体に形成しても良い。また、光導波路
径は、マルチモードのため50μmとしたが、シングル
モードの場合には10μmなど小さくする必要があるが
基本的に同様の式が成り立つ。また、ここでは、光導波
路の断面は、正方形としたが、長方形やまた光シートの
ように単独の導波路で複数の光信号を伝送してもよい。
In another embodiment of the present invention, a coupling portion between a semiconductor laser and an optical waveguide is shown in FIG.
Here, an example is shown in which a beam emitted from a semiconductor laser is folded by a mirror. A Si substrate having good heat conductivity is used as a mounting substrate, and a laser array element in which surface emitting semiconductor lasers having the structure shown in FIG. 1 are arranged in an array is mounted thereon. Here, the opening diameter of the semiconductor laser was 15 μm, and the number of semiconductor lasers was four. On the other hand, an optical waveguide is formed on a mounting substrate on which a mirror is mounted or formed monolithically. Here, the mirror is KO
A mirror on which anisotropic etching was performed by H and Ag was formed was mounted on a Si substrate. Further, an optical waveguide was formed on a mounting substrate having a mirror. After forming the cladding, the optical waveguide is formed of polymethyl methacrylate (PMM) in the core.
Using A), patterning was performed to form a cladding layer as an upper layer. The size was 50 × 50 μm. In addition to PMMA, a polymer waveguide such as polyimide, epoxy resin, polyurethane, or polyethylene, or an inorganic film such as a silicon oxide film can be used as the optical waveguide. Also,
As a forming method, a method of combining application and patterning such as spin coating or dip coating, or a method by resin molding or die processing is used. The mounting substrate having the laser array element and the substrate having the optical waveguide are fixed so that the optical axis of the semiconductor laser and the optical axis of the optical waveguide are aligned via a mirror. The light emission angle of the semiconductor laser is 10 degrees, the aperture diameter is 15 μm, and the optical path length l between the semiconductor laser and the waveguide is:
By changing the position of the end face of the optical waveguide, 50, 100,
Three types of 250 μm were prepared. Good optical coupling was obtained for optical path lengths of 50 and 100 μm that satisfied the above equation, but good optical coupling was not obtained for an optical path length of 250 μm that did not satisfy the above equation. However, compared with the conventional edge emitting semiconductor laser, no lens or the like is required, and the alignment in the optical axis direction is rough and good. Therefore, 1.2 μm
An optical communication system with gentle alignment in the optical axis direction was constructed using the surface emitting type semiconductor laser. Here, the mirror is formed separately from the waveguide, but the waveguide end face is processed to 45 degrees by a dicing blade or the like, and a metal such as Ag is formed on the inclined surface to integrate the waveguide and the mirror. It may be formed. The optical waveguide diameter is set to 50 μm for the multi-mode. However, in the case of the single mode, it is necessary to reduce the diameter to 10 μm, but basically the same expression holds. Here, the cross section of the optical waveguide is a square, but a plurality of optical signals may be transmitted by a single waveguide such as a rectangle or an optical sheet.

【0046】本発明の別の実施例について、先と同様
に、半導体レーザと光導波路の結合部を図24に示す。
実装基板として熱伝導性の良いSi基板を用い、そこ
に、図1に示す構造の面発光型半導体レーザを実装す
る。なお、この場合も、発振波長は1.3μmのものを
使用した。ここでは、半導体レーザの開口径を7μmと
し、光放射角は8度、半導体レーザはアレイではなく1
個とした。半導体レーザを実装した実装基板をパッケー
ジに位置あわせして固定した。更に、パッケージのガイ
ドとガイドピンで位置あわせをした光ファイバガイドに
よって、半導体レーザとシングルモード光ファイバの光
軸を一致させる。シングルモード光ファイバのコア径
は、10μm、クラッド径は125μmで、光ファイバ
ガイドの径はクラッド径に一致させている。ここで、シ
ングルモードの光ファイバを半導体レーザに当接させる
ことによって、良好な光結合が得られた。シングルモー
ドの光ファイバを用いているために、長距離を高帯域の
光伝送が可能となる。1.3μmの面発光型半導体レー
ザを用いて、良好な光結合を持つ光通信システムを構築
できた。
FIG. 24 shows another embodiment of the present invention, in which a semiconductor laser and an optical waveguide are connected in the same manner as described above.
A surface emitting semiconductor laser having the structure shown in FIG. 1 is mounted on a Si substrate having good thermal conductivity as a mounting substrate. Note that, also in this case, an oscillation wavelength of 1.3 μm was used. Here, the aperture diameter of the semiconductor laser is 7 μm, the light emission angle is 8 degrees, and the semiconductor laser is not an array but one.
And The mounting substrate on which the semiconductor laser was mounted was aligned with the package and fixed. Further, the optical axes of the semiconductor laser and the single mode optical fiber are made to coincide with each other by the optical fiber guide which is aligned with the package guide and the guide pin. The core diameter of the single mode optical fiber is 10 μm, the cladding diameter is 125 μm, and the diameter of the optical fiber guide matches the cladding diameter. Here, good optical coupling was obtained by bringing the single mode optical fiber into contact with the semiconductor laser. Since a single-mode optical fiber is used, long-range, high-bandwidth optical transmission becomes possible. An optical communication system having good optical coupling was constructed using a 1.3 μm surface emitting semiconductor laser.

【0047】[0047]

【発明の効果】以上記載のごとく請求項1の発明によれ
ば、半導体分布ブラッグ反射鏡を工夫することにより、
動作電圧、発振閾値電流等を低くでき、レーザ素子の発
熱も少なく安定した発振ができ、また低コストで実用的
な光通信システムが実現できた。また、動作電圧、発振
閾値電流等を低くできる面発光型半導体レーザを用いる
ことで、低消費電力な光通信システムを実現でき、さら
に、半導体レーザと光ファイバまたは光導波路の位置関
係にすることで、レンズを用いる必要がないため部品点
数が少なく、光軸方向に関してアライメントが緩やかで
光ファイバまたは光導波路と良好な光学的結合効率を実
現できた。また請求項2では、非発光再結合防止層を設
けてなる面発光型半導体レーザ素子チップとすることに
より安定した発振が可能となり、これを発光光源とした
実用的な光通信システムが実現できた。また、半導体レ
ーザと光ファイバまたは光導波路の位置関係にすること
で、レンズを用いる必要がないため部品点数が少なく、
光軸方向に関してアライメントが緩やかで光ファイバま
たは光導波路と良好な光学的結合効率を実現できた。ま
た請求項3では、このような光通信システムにおいて、
半導体レーザと光ファイバまたは光導波路は当接してい
ることによって、レンズ光学系を必要としないため部品
点数が少なく、光軸と直交する方向のアライメントマー
ジンも増加するため低コストで、光ファイバまたは光導
波路と良好な光学的結合効率を実現できた。また請求項
4では、このような光ファイバまたは光導波路は、放熱
部をもち、該放熱部は、前記半導体レーザ素子チップに
当接していることによって、半導体レーザ発信により発
生した熱を基板側からだけでなく、発光面側からも放熱
できるため、より安定した光通信システムを実現でき
た。また請求項5では、このような光ファイバまたは光
導波路と面発光型半導体レーザ素子を複数用いることに
よって、並列信号処理を行えるため、より大容量の光通
信システムを実現できた。
As described above, according to the first aspect of the present invention, by devising a semiconductor distributed Bragg reflector,
The operating voltage, the oscillation threshold current, and the like can be reduced, the laser element generates less heat, stable oscillation can be achieved, and a low-cost practical optical communication system can be realized. In addition, by using a surface-emitting type semiconductor laser capable of reducing operating voltage, oscillation threshold current, and the like, an optical communication system with low power consumption can be realized, and further, by setting the positional relationship between the semiconductor laser and an optical fiber or an optical waveguide. Since there is no need to use a lens, the number of components is small, alignment is loose in the optical axis direction, and good optical coupling efficiency with an optical fiber or an optical waveguide can be realized. According to the second aspect of the present invention, a surface-emitting type semiconductor laser device chip provided with a non-radiative recombination preventing layer enables stable oscillation and realizes a practical optical communication system using this as a light-emitting light source. . Also, by setting the positional relationship between the semiconductor laser and the optical fiber or the optical waveguide, it is not necessary to use a lens, so the number of parts is small,
The alignment was loose in the direction of the optical axis, and good optical coupling efficiency with the optical fiber or the optical waveguide was realized. According to claim 3, in such an optical communication system,
Since the semiconductor laser and the optical fiber or the optical waveguide are in contact with each other, the number of parts is small because a lens optical system is not required, and the alignment margin in the direction orthogonal to the optical axis is increased. Good optical coupling efficiency with the waveguide was realized. In claim 4, such an optical fiber or an optical waveguide has a heat radiating portion, and the heat radiating portion abuts on the semiconductor laser element chip, so that the heat generated by the semiconductor laser emission from the substrate side. In addition, since heat can be dissipated from the light emitting surface side, a more stable optical communication system can be realized. In claim 5, parallel signal processing can be performed by using a plurality of such optical fibers or optical waveguides and a surface emitting semiconductor laser device, so that a larger capacity optical communication system can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザの素子部断面図である。
FIG. 1 is a sectional view of an element part of a long-wavelength band surface emitting semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半導
体レーザの半導体分布ブラッグ反射鏡の構成の部分断面
図である。
FIG. 2 is a partial cross-sectional view of a configuration of a semiconductor distributed Bragg reflector of a long wavelength band surface emitting semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.

【図3】本発明に適用される半導体分布ブラッグ反射鏡
のヘテロスパイク緩衝層の組成傾斜率をAlAs層より
もGaAs層の近くで大きくした例を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an example in which the composition gradient of the hetero-spike buffer layer of the semiconductor distributed Bragg reflector applied to the present invention is larger near the GaAs layer than the AlAs layer.

【図4】ヘテロスパイク緩衝層のAl組成を線形に変化
させた例を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an example in which the Al composition of the hetero-spike buffer layer is changed linearly.

【図5】図3のヘテロスパイク緩衝層の微分シート抵抗
を見積った結果を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a result of estimating a differential sheet resistance of the hetero-spike buffer layer of FIG. 3;

【図6】AlAs/GaAsによる半導体分布ブラッグ
反射鏡のDBRヘテロ界面の熱平衡状態のバンド図であ
る。
FIG. 6 is a band diagram showing a thermal equilibrium state of a DBR heterointerface of a semiconductor distributed Bragg reflector made of AlAs / GaAs.

【図7】図3のヘテロスパイク緩衝層の熱平衡状態のバ
ンド図である。
FIG. 7 is a band diagram of the hetero-spike buffer layer of FIG. 3 in a thermal equilibrium state.

【図8】AlAs/GaAs(p=1E18cm−3
4ペアの抵抗率を示す図である。
FIG. 8: AlAs / GaAs (p = 1E18 cm −3 )
It is a figure which shows the resistivity of 4 pairs.

【図9】AlAs/GaAs半導体分布ブラッグ反射鏡
の反射率の変化率を示す図である。
FIG. 9 is a graph showing the rate of change of the reflectance of an AlAs / GaAs semiconductor distributed Bragg reflector.

【図10】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザの他の構成の素子部断面図である。
FIG. 10 is a sectional view of an element portion of another configuration of a long-wavelength band surface emitting semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.

【図11】本発明の一実施形態に係るGaInNAs/
GaAs2重量子井戸構造からなる活性層の室温フォト
ルミネッセンススペクトル図である。
FIG. 11 shows GaInNAs / according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a room-temperature photoluminescence spectrum diagram of an active layer having a GaAs double quantum well structure.

【図12】試料構造図である。FIG. 12 is a structural diagram of a sample.

【図13】窒素と酸素濃度の深さ方向分布を示す図であ
る。
FIG. 13 is a diagram showing a depth direction distribution of nitrogen and oxygen concentrations.

【図14】Al濃度の深さ方向分布を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing the distribution of the Al concentration in the depth direction.

【図15】キャリアガスパージで成長中断する場合の説
明構造図である。
FIG. 15 is an explanatory structural view in the case where growth is interrupted by carrier gas purge.

【図16】成長中断工程を設けて水素でパージした場合
のAl濃度の深さ方向分布を示す図である。
FIG. 16 is a diagram showing the distribution of the Al concentration in the depth direction in a case where a growth interruption step is provided and purged with hydrogen.

【図17】成長中断工程を設けて水素でパージした場合
の窒素と酸素濃度の深さ方向分布を示す図である。
FIG. 17 is a diagram showing a depth direction distribution of nitrogen and oxygen concentrations when a growth interruption step is provided and purged with hydrogen.

【図18】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザ素子を形成したウエハ基板ならびにレーザ素
子チップを示す平面図である。
FIG. 18 is a plan view showing a wafer substrate and a laser element chip on which a long wavelength band surface emitting semiconductor laser element according to one embodiment of the present invention is formed.

【図19】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザの光放射角とビーム径の関係を示す模式図で
ある。
FIG. 19 is a schematic diagram illustrating a relationship between a light emission angle and a beam diameter of a long wavelength band surface emitting semiconductor laser according to an embodiment of the present invention.

【図20】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザのビームの広がりと光ファイバのコア径、光
路長の関係を示す模式図である。
FIG. 20 is a schematic diagram showing the relationship between the beam spread of the long wavelength band surface emitting semiconductor laser according to one embodiment of the present invention, the core diameter of the optical fiber, and the optical path length.

【図21】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザ素子のビーム径と光路長の関係を示す計算例
を示す図である。
FIG. 21 is a diagram showing a calculation example showing the relationship between the beam diameter and the optical path length of the long wavelength band surface emitting semiconductor laser device according to one embodiment of the present invention.

【図22】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザ素子を用いた光通信システムの半導体レーザ
と光ファイバの結合部を示す模式図である。
FIG. 22 is a schematic diagram showing a coupling portion between a semiconductor laser and an optical fiber in an optical communication system using a long wavelength band surface emitting semiconductor laser device according to one embodiment of the present invention.

【図23】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザ素子を用いた光通信システムの半導体レーザ
と光導波路の結合部を示す模式図である。
FIG. 23 is a schematic view showing a coupling portion between a semiconductor laser and an optical waveguide of an optical communication system using a long-wavelength band surface emitting semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention.

【図24】本発明の一実施形態に係る長波長帯面発光半
導体レーザ素子を用いた光通信システムの半導体レーザ
と光導波路の結合部を示す模式図である。
FIG. 24 is a schematic diagram showing a coupling portion between a semiconductor laser and an optical waveguide of an optical communication system using a long-wavelength band surface emitting semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 n側電極、2 n−GaAs基板、3 下部半導体
分布ブラッグ反射鏡、4 GaAsスペーサ層、5 上
部半導体分布ブラッグ反射鏡、6 p−コンタクト層、
12 TQW活性層、13 GaAsバリア層
1 n-side electrode, 2 n-GaAs substrate, 3 lower distributed Bragg reflector, 4 GaAs spacer layer, 5 upper distributed Bragg reflector, 6 p-contact layer,
12 TQW active layer, 13 GaAs barrier layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古田 輝幸 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 宮垣 一也 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 金井 健 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 和多田 篤行 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 佐藤 俊一 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 菅原 悟 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 佐藤 新治 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 曳地 秀一 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 関谷 卓朗 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 軸谷 直人 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 高橋 孝志 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 Fターム(参考) 5F073 AA03 AA55 AA74 AB20 BA01 CA17 CB02 CB19 DA14 EA02 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Teruyuki Furuta 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Co., Ltd. (72) Inventor Kazuya Miyagaki 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Co., Ltd. (72) Inventor Ken Kanai 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Co., Ltd. (72) Atsushi Watada 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Ricoh Co., Ltd. (72) Inventor Shunichi Sato 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Ricoh Co., Ltd. (72) Inventor Satoru Sugahara 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Ricoh Co., Ltd. (72) Invention Person Shinji Sato 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Ricoh Co., Ltd. (72) Inventor Shuichi Hikichi 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Co., Ltd. Inside Ricoh (72) Inventor Takuro Sekiya 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Company (72) Inventor Naoto Shakuya 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo Inside Ricoh Company ( 72) Inventor Takashi Takahashi 1-3-6 Nakamagome, Ota-ku, Tokyo F-term in Ricoh Co., Ltd. 5F073 AA03 AA55 AA74 AB20 BA01 CA17 CB02 CB19 DA14 EA02

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 レーザチップと、該レーザチップと接続
される光通信システムにおいて、前記レーザチップは発
振波長が1.1μm〜1.7μmであり、光を発生する
活性層の主たる元素がGa、In、N、Asからなる
層、若しくはGa、In、Asよりなる層とし、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
反射鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レー
ザ素子チップであって、前記反射鏡は反射波長が1.1
μm以上で該反射鏡を構成する材料層の屈折率が小大と
異なる値に周期的に変化し入射光を光波干渉によって反
射する半導体分布ブラッグ反射鏡であるとともに、前記
屈折率が小の材料層はAl Ga1−xAs(0<x≦
1)とし、前記屈折率が大の材料層はAlGa −y
As(0≦y<x≦1)とし、かつ前記屈折率が小と大
の材料層の間に該屈折率が小と大の間の値をとるAl
Ga1−zAs(0≦y<z<x≦1)よりなるヘテロ
スパイク緩衝層を20nm〜50nmの厚さに設けた反
射鏡であるような面発光型半導体レーザ素子チップを発
光光源としたものであり、光ファイバまたは光導波路の
コア径X、半導体レーザの開口径d、半導体レーザの光
放射角θとすると、半導体レーザから光ファイバまたは
光導波路端までの光路長lがd+2ltan(θ/2)
≦Xを満たすことを特徴とする光通信システム。
1. A laser chip and a connection with the laser chip
In an optical communication system, the laser chip emits light.
Has an oscillation wavelength of 1.1 μm to 1.7 μm and generates light.
The main element of the active layer is composed of Ga, In, N, and As
Layer or a layer made of Ga, In, As, and a laser
Provided at the top and bottom of the active layer to obtain light
Surface-emitting type semiconductor laser having a resonator structure including a reflector
The element chip, wherein the reflection mirror has a reflection wavelength of 1.1.
When the refractive index of the material layer constituting the reflecting mirror is larger than μm,
Periodically changes to different values, and the incident light is reflected by light wave interference.
A semiconductor distributed Bragg reflecting mirror,
The material layer with a small refractive index is Al xGa1-xAs (0 <x ≦
1) and the material layer having a large refractive index is AlyGa1 -Y
As (0 ≦ y <x ≦ 1), and the refractive index is small and large.
Al whose refractive index takes a value between small and large between the material layers ofz
Ga1-zHetero consisting of As (0 ≦ y <z <x ≦ 1)
A spike buffer layer having a thickness of 20 nm to 50 nm
Launches a surface-emitting type semiconductor laser device chip that is a mirror
The light source is an optical fiber or optical waveguide.
Core diameter X, opening diameter d of semiconductor laser, light of semiconductor laser
Assuming the radiation angle θ, the optical fiber or
The optical path length l to the end of the optical waveguide is d + 2ltan (θ / 2)
An optical communication system satisfying ≦ X.
【請求項2】 レーザチップと該レーザチップと接続さ
れる光通信システムにおいて、前記レーザチップは発振
波長が1.1μm〜1.7μmであり、光を発生する活
性層の主たる元素がGa、In、N、Asからなる層、
もしくはGa、In、Asよりなる層とし、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
鏡を含んだ共振器構造を有する面発光型半導体レーザ素
子チップであって、前記反射鏡は反射波長が1.1μm
以上でそれを構成する材料層の屈折率が小大と異なる値
に周期的に変化し入射光を光波干渉によって反射する半
導体分布ブラッグ反射鏡であるとともに、前記屈折率が
小の材料層はAlGa 1−xAs(0<x≦1)と
し、前記屈折率が大の材料層はAlGa1−yAs
(0≦y<x≦1)とした反射鏡であり、前記活性層と
前記反射鏡の間に主たる組成がGaIn1−x
1−y(0<x≦1、0<y≦1)層よりなる非発光
再結合防止層を設けてなる面発光型半導体レーザ素子チ
ップを発光光源としたものであり、光ファイバまたは光
導波路のコア径X、半導体レーザの開口径d、半導体レ
ーザの光放射角θとすると、半導体レーザから光ファイ
バまたは光導波路端までの光路長lがd+2ltan
(θ/2)≦Xを満たすことを特徴とする光通信システ
ム。
2. A laser chip connected to the laser chip.
In an optical communication system, the laser chip
The wavelength is 1.1 μm to 1.7 μm, and the light generating activity
A layer in which the main element of the active layer is Ga, In, N, As,
Alternatively, a layer made of Ga, In, or As is used, and laser light is
Reflections provided above and below the active layer to obtain
Surface-emitting type semiconductor laser device having a cavity structure including a mirror
A reflecting chip having a reflection wavelength of 1.1 μm
Above, the refractive index of the material layer that constitutes it is different from the small and large values
The half that changes periodically and reflects the incident light by light wave interference
A conductor distributed Bragg reflector, and the refractive index is
Small material layer is AlxGa 1-xAs (0 <x ≦ 1)
The material layer having a large refractive index is made of AlyGa1-yAs
(0 ≦ y <x ≦ 1), wherein the active layer is
The main composition between the reflectors is GaxIn1-xPyA
s1-yNon-light-emitting layer (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1)
Surface-emitting type semiconductor laser device having a recombination prevention layer
Optical fiber or optical fiber
The core diameter X of the waveguide, the aperture diameter d of the semiconductor laser, the semiconductor laser
If the light emission angle θ of the laser is
The optical path length l to the end of the optical waveguide or the optical waveguide is d + 2ltan
An optical communication system characterized by satisfying (θ / 2) ≦ X
M
【請求項3】 前記半導体レーザと光ファイバまたは光
導波路は当接していることを特徴とする請求項1、2に
記載の光通信システム。
3. The optical communication system according to claim 1, wherein the semiconductor laser and the optical fiber or the optical waveguide are in contact with each other.
【請求項4】 前記光ファイバまたは光導波路は、放熱
部をもち、該放熱部は、前記半導体レーザ素子チップに
当接していることを特徴とする請求項1、2に記載の光
通信システム。
4. The optical communication system according to claim 1, wherein the optical fiber or the optical waveguide has a heat radiating part, and the heat radiating part is in contact with the semiconductor laser element chip.
【請求項5】 前記光ファイバまたは光導波路と、前記
半導体レーザ素子は、複数個設けられていることを特徴
とする請求項1、2に記載の光通信システム。
5. The optical communication system according to claim 1, wherein a plurality of said optical fibers or optical waveguides and said plurality of semiconductor laser devices are provided.
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