(57)【要約】【課題】静電容量の低減を図ることの可能なｎ型半導体分布ブラッグ反射器を提供する。【解決手段】屈折率が異なる２種の半導体層が積層されているｎ型にドープされたｎ型半導体分布ブラッグ反射器において、屈折率（禁則帯幅）が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層（半導体層）が設けられていることを特徴としている。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率が異なる２種の半導体層が積層されているｎ型にドープされたｎ型半導体分布ブラッグ反射器において、屈折率が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層が設けられていることを特徴とするｎ型半導体分布ブラッグ反射器。
【請求項２】
請求項１記載のｎ型半導体分布ブラッグ反射器において、前記中間層の厚さが２０［ｎｍ］よりも厚いことを特徴とするｎ型半導体分布ブラッグ反射器。
【請求項３】
請求項１記載のｎ型半導体分布ブラッグ反射器において、前記中間層の厚さが３０［ｎｍ］以上であることを特徴とするｎ型半導体分布ブラッグ反射器。
【請求項４】
請求項１記載のｎ型半導体分布ブラッグ反射器において、前記中間層の厚さｔ［ｎｍ］が、分布ブラッグ反射器の反射波長λ［μｍ］に対して、２０＜ｔ≦（５０λ−１５）［ｎｍ］の範囲であることを特徴とするｎ型半導体分布ブラッグ反射器。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のｎ型半導体分布ブラッグ反射器が用いられていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項６】
活性層を挟んでｎ型半導体分布ブラッグ反射器とｐ型半導体分布ブラッグ反射器とが設けられている面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器がメサ形状に加工されていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項７】
活性層を挟んでｎ型半導体分布ブラッグ反射器とｐ型半導体分布ブラッグ反射器とが設けられている面発光半導体レーザ素子において、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の共振領域以外の領域が高抵抗化されていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項８】
請求項６または請求項７記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、屈折率が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層が設けられていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項９】
請求項６または請求項７記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、屈折率が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層が設けられ、前記中間層の厚さが２０［ｎｍ］よりも厚いことを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項１０】
請求項６または請求項７記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、屈折率が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層が設けられ、前記中間層の厚さが３０［ｎｍ］以上の厚さであることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項１１】
請求項６または請求項７記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、屈折率が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層が設けられ、前記中間層の厚さｔ［ｎｍ］が、分布ブラッグ反射器の反射波長λ［μｍ］に対して、２０＜ｔ≦（５０λ−１５）［ｎｍ］の範囲であることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項１２】
請求項５乃至請求項１１のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、活性層は、ＩＩＩ族材料とＶ族材料とにより構成されており、活性層のＩＩＩ族材料が、Ｇａ，Ｉｎのいずれか、または、全てであり、活性層のＶ族材料が、Ａｓ，Ｎ，Ｓｂ，Ｐのいずれか、または、全てであることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項１３】
請求項５乃至請求項１２のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子によって構成されていることを特徴とする面発光レーザアレイ。
【請求項１４】
請求項５乃至請求項１２のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子、または、請求項１３記載の面発光レーザアレイが用いられていることを特徴とする面発光レーザモジュール。
【請求項１５】
請求項５乃至請求項１２のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子、または、請求項１３記載の面発光レーザアレイ、または、請求項１４記載の面発光レーザモジュールを用いて構成された光インターコネクションシステム。
【請求項１６】
請求項５乃至請求項１２のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子、または、請求項１３記載の面発光レーザアレイ、または、請求項１４記載の面発光レーザモジュールを用いて構成された光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器および面発光半導体レーザ素子および面発光レーザアレイおよび面発光レーザモジュールおよび光インターコネクションシステムおよび光通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、０．８５μｍ帯，０．９８μｍ帯に反射帯域を有する分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、および、このような分布ブラッグ反射器を共振器ミラーとした同波長帯の面発光半導体レーザ素子が知られている。分布ブラッグ反射器は、屈折率の異なる材料をそれぞれ媒質中の光の波長の１／４厚さに交互に積層して構成され、界面での光波の多重反射を利用し、９９．９％以上もの高い反射率を得ることが可能である。
【０００３】
また、面発光半導体レーザ素子は、発振閾値電流が低く、高速動作が可能であり、また２次元集積化が容易であることから、光インターコネクション，画像処理システムの光源として好適であり注目されている。面発光半導体レーザ素子は、光学利得を生じる領域が共振器領域中の一部分のみであり、また、共振器長が短いことから、９９％以上の高い反射率を有する共振器ミラーが必要である。この共振器ミラーとしては分布ブラッグ反射器が好適である。
【０００４】
分布ブラッグ反射器の材料としては、例えば半導体材料または誘電体材料等が挙げられるが、特に半導体材料による半導体分布ブラッグ反射器は通電が可能であり、面発光半導体レーザ等のレーザ素子への応用に適している。
【０００５】
従来、このような面発光半導体レーザ素子として、ＧａＡｓを基板に用いたＡｌＧａＡｓ系材料による０．８５μｍ帯および０．９８μｍ帯の素子が知られており、この材料系では、ＡｌＧａＡｓ材料による半導体分布ブラッグ反射器が共振器ミラーとして用いられている。
【０００６】
ＡｌＧａＡｓ系材料による半導体分布ブラッグ反射器は、Ａｌ組成の異なる２種のＡｌＧａＡｓ層から構成され、低屈折率層として、Ａｌ組成の大きい半導体層（例えばＡｌＡｓ層）が用いられ、また、高屈折率層として、Ａｌ組成の小さな半導体層（例えばＧａＡｓ層）が用いられている。面発光半導体レーザ素子の典型的な例では、活性層を挟み、それぞれｐ型およびｎ型にドープされた半導体分布ブラッグ反射器が設けられ、光波の閉じ込めと活性領域へのキャリアの注入が行われている。
【０００７】
しかし、これらの２種の導電型の半導体分布ブラッグ反射器の中でも、特にｐ型半導体分布ブラッグ反射器は、Ａｌ組成の異なる２種の半導体層によるヘテロ界面の影響のために、電気抵抗が高いことが問題となっている。従来、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器の電気抵抗を低減するために、例えば、０．９８μｍ帯等の面発光半導体レーザ素子においては、文献「Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　Ｖｏｌ．２，　Ｎｏ．４，　１９９０，　ｐ．ｐ．２３４−２３６、Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　Ｖｏｌ．４，　Ｎｏ．１２，１９９２，　ｐ．ｐ．１３２５−１３２７」等に示されているように、分布ブラッグ反射器を構成するＡｌ組成の異なる２種の層の間に、これらの中間のＡｌ組成を有した組成傾斜層等のヘテロ障壁緩衝層を設けることが知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一方、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器に比べて非常に低抵抗であり、これまで素子特性（例えば、面発光半導体レーザ素子の特性）に与える影響が少ないと考えられていたために、詳細な検討は行われていなかった。
【０００９】
しかしながら、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器において、２種の異なる半導体によるヘテロ界面では、半導体材料のバンド不連続の影響によって、キャリアの蓄積，空乏化が生じ、その特性はバルク半導体と大きく異なる。特にキャリア密度が減少している空乏層は、静電容量成分への寄与があり、素子（例えば、面発光半導体レーザ素子）をパルス駆動する際や、高速変調を行う際に、電気的特性，素子応答特性に制限を与える原因となる。また、ヘテロ界面の影響により、電流−電圧特性に非線形性が生じたり、更に素子の駆動条件の違いに対し、電流−電圧特性が変化するという問題がある。
【００１０】
このように、特性の優れた素子（例えば面発光半導体レーザ素子）を得るためには、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の構造，電気特性についても詳細な検討を行う必要があるが、従来、これに関した詳細な検討は行われていなかった。
【００１１】
本発明は、半導体ヘテロ界面による電流−電圧特性への影響、及びヘテロ界面による静電容量の低減を図ることの可能なｎ型半導体分布ブラッグ反射器および面発光半導体レーザ素子および面発光レーザアレイおよび面発光レーザモジュールおよび光インターコネクションシステムおよび光通信システムを提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、屈折率が異なる２種の半導体層が積層されているｎ型にドープされたｎ型半導体分布ブラッグ反射器において、屈折率が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層が設けられていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のｎ型半導体分布ブラッグ反射器において、前記中間層の厚さが２０［ｎｍ］よりも厚いことを特徴としている。
【００１４】
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載のｎ型半導体分布ブラッグ反射器において、前記中間層の厚さが３０［ｎｍ］以上であることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項４記載の発明は、請求項１記載のｎ型半導体分布ブラッグ反射器において、前記中間層の厚さｔ［ｎｍ］が、分布ブラッグ反射器の反射波長λ［μｍ］に対して、２０＜ｔ≦（５０λ−１５）［ｎｍ］の範囲であることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のｎ型半導体分布ブラッグ反射器が用いられていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子である。
【００１７】
また、請求項６記載の発明は、活性層を挟んでｎ型半導体分布ブラッグ反射器とｐ型半導体分布ブラッグ反射器とが設けられている面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器がメサ形状に加工されていることを特徴としている。
【００１８】
また、請求項７記載の発明は、活性層を挟んでｎ型半導体分布ブラッグ反射器とｐ型半導体分布ブラッグ反射器とが設けられている面発光半導体レーザ素子において、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の共振領域以外の領域が高抵抗化されていることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項８記載の発明は、請求項６または請求項７記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、屈折率が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層が設けられていることを特徴としている。
【００２０】
また、請求項９記載の発明は、請求項６または請求項７記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、屈折率が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層が設けられ、前記中間層の厚さが２０［ｎｍ］よりも厚いことを特徴としている。
【００２１】
また、請求項１０記載の発明は、請求項６または請求項７記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、屈折率が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層が設けられ、前記中間層の厚さが３０［ｎｍ］以上の厚さであることを特徴としている。
【００２２】
また、請求項１１記載の発明は、請求項６または請求項７記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、屈折率が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層が設けられ、前記中間層の厚さｔ［ｎｍ］が、分布ブラッグ反射器の反射波長λ［μｍ］に対して、２０＜ｔ≦（５０λ−１５）［ｎｍ］の範囲であることを特徴としている。
【００２３】
また、請求項１２記載の発明は、請求項５乃至請求項１１のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、活性層は、ＩＩＩ族材料とＶ族材料とにより構成されており、活性層のＩＩＩ族材料が、Ｇａ，Ｉｎのいずれか、または、全てであり、活性層のＶ族材料が、Ａｓ，Ｎ，Ｓｂ，Ｐのいずれか、または、全てであることを特徴としている。
【００２４】
また、請求項１３記載の発明は、請求項５乃至請求項１１のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子によって構成されていることを特徴とする面発光レーザアレイである。
【００２５】
また、請求項１４記載の発明は、請求項５乃至請求項１１のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子、または、請求項１３記載の面発光レーザアレイが用いられていることを特徴とする面発光レーザモジュールである。
【００２６】
また、請求項１５記載の発明は、請求項５乃至請求項１１のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子、または、請求項１３記載の面発光レーザアレイ、または、請求項１４記載の面発光レーザモジュールを用いて構成された光インターコネクションシステムである。
【００２７】
また、請求項１６記載の発明は、請求項５乃至請求項１１のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子、または、請求項１３記載の面発光レーザアレイ、または、請求項１４記載の面発光レーザモジュールを用いて構成された光通信システムである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２９】
第１の実施形態
本発明の第１の実施形態では、屈折率が異なる２種の半導体層が積層されているｎ型にドープされたｎ型半導体分布ブラッグ反射器において、屈折率（禁則帯幅）が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層（半導体層）が設けられていることを特徴としている。
【００３０】
この第１の実施形態では、屈折率（禁則帯幅）が異なる２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層（半導体層）が設けられていることによって、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器のヘテロ界面におけるキャリアの空乏化を低減し、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の静電容量を低減することができる。
【００３１】
すなわち、半導体分布ブラッグ反射器のように、屈折率（禁則帯幅）の異なる半導体層によって形成された半導体へテロ界面では、それぞれの半導体のドーピング密度，電子親和力の違いによって、ヘテロ界面にスパイク，ノッチと呼ばれるポテンシャル分布が形成される。例えばスパイク部分では、キャリアに対するポテンシャル障壁が高く、キャリアの空乏化が起こり、逆にノッチ部分ではポテンシャル障壁が低いためにキャリアの蓄積が起こる。このようにヘテロ界面におけるキャリアの分布が一様でないために、素子特性はヘテロ界面の影響を強く反映したものとなる。公知のように、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器では、多数キャリアである正孔の有効質量が大きいために、ヘテロ界面のスパイクの影響を強く受け、素子抵抗が非常に高くなるが、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器では、多数キャリアである電子の有効質量が正孔に比べて小さいことから、素子抵抗等への影響が少なく、従来、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器のへテロ界面による影響については詳細に検討されてはいない。しかし、上述のように、ヘテロ界面では、導電型に関係無くキャリアの空乏化が生じており、これによる静電容量が生じる。
【００３２】
例えば、ヘテロ界面が素子特性に与える影響を示すものとして、図１４の電流―電圧特性について説明する。図１４の電流−電圧特性は、図１５に示したＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなるｎ型半導体分布ブラッグ反射器を含む素子に対し、ＣＷ（連続波形）における測定結果とパルスにおける測定結果とを比較したものである。ここで、図１５の素子について詳しく説明すると、図１５の素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板層上に、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓを１対のペアとする３５ペアのｎ型半導体分布ブラッグ反射器が結晶成長され、ｎ−ＧａＡｓ基板層の裏面と、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器上に形成されたＳｉＯ２絶縁層の除去部分（幅幅４０μｍ，長さ５００μｍのストライプ状の酸化膜除去部分）とに、オーミック電極が設けられている。図１５のｎ型半導体分布ブラッグ反射器においては、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓの各界面には中間層（組成傾斜層）が設けられておらず、各界面では組成が急峻に変化している。図１４では、ＣＷ測定とパルス測定とで、電流―電圧特性に大きな違いが見られ、特にパルス測定では、印加電圧が高く、素子抵抗が大きいことが分かる。更にＣＷ測定の場合にも、電流値５００ｍＡの付近で負性抵抗が現れており、ヘテロ界面におけるキャリアの空乏化，蓄積が影響を与えている様子が分かる。以上の様に、急峻なヘテロ界面を備えたｎ型分布ブラッグ反射器では、ヘテロ障壁におけるキャリアのトンネル等が原因と考えられるヘテロ電流−電圧特性の非線形性（負性抵抗）が生じたり、素子の測定条件の違いによって、電流−電圧特性に変化が生じてしまっている。
【００３３】
一方、図１６は、図１５と同様の構造の素子において、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器のＡｌＡｓ／ＧａＡｓの各界面に中間層として線形組成傾斜層を設けた場合の電流―電圧特性を示す図である。図１６には、線形組成傾斜層の厚さが２０ｎｍと３０ｎｍとの２つの場合について示されている。図１６では、図１４と比べて、パルス測定とＣＷ測定での違いが低減しており、いずれも直線的な特性に改善している。つまり、測定条件（駆動条件）に対する電流−電圧特性の違いは大幅に改善され、またＣＷ測定時に見られていた非線形性（負性抵抗）も大幅に改善されている。以上の様に、ヘテロ界面による電流−電圧特性への影響が大幅に低減されており、これに伴い界面の空乏化によって生じる静電容量も大幅に低減している。
【００３４】
面発光半導体レーザ素子では、素子サイズ，酸化狭窄径の微細化により、素子抵抗および静電容量が素子の変調速度の上限を決めている。従って、１０Ｇｂｐｓを超えるような高速変調を行うためには、素子抵抗，容量を可能な限り低減することが非常に重要であり、酸化狭窄層以外にも、半導体分布ブラッグ反射器の界面による容量を低減することが重要である。また、図１４の様に、素子の測定条件によって電流−電圧特性が変化したり、電流−電圧特性に非線形性が生じることは実用上好ましいものではない。
【００３５】
第１の実施形態のように、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器を構成する半導体層の間に、これらの間の屈折率（禁則帯幅）有する中間層（半導体層（いまの例では線形組成傾斜層））を設ける場合には、図１６に示すように、スパイク，ノッチ等のポテンシャル分布の発生を低減することができる。このように、ヘテロ界面におけるポテンシャル障壁が平滑化されることにより、従来ヘテロ界面に生じていたキャリアの蓄積，空乏化を飛躍的に低減することが可能となる。従って、電気抵抗についても更に低減できることは勿論であるが、ヘテロ界面の影響をより効果的に低減し、ｎ型分布ブラッグ反射器の電流−電圧特性の非線形性、駆動条件による電流−電圧特性の変化を低減することができる。更にヘテロ界面におけるキャリアの空乏化が抑制されることによって、空乏領域による静電容量を大幅に低減することができる。このように、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の電流−電圧特性が改善され、また静電容量が低減されることによって、例えばこれを反射鏡として用いる面発光半導体レーザ素子では、従来に比べて素子の駆動が容易となり、更により高速な変調が可能になる。
【００３６】
すなわち、第１の実施形態では、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器による静電容量の影響を低減すべく、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器を構成する屈折率の異なる２種の半導体層の間に、これらの間の屈折率を有した中間層（半導体層）を設け、ヘテロ界面におけるポテンシャル障壁を平滑化することで、駆動（測定）条件の違いによる電流−電圧特性の変化、及び電流−電圧特性における非線形性の低減と、またキャリアの空乏化による静電容量の低減を図ることができる。
【００３７】
第２の実施形態
本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態の分布ブラッグ反射器において、前記中間層の厚さが２０［ｎｍ］よりも厚い構成としている。
【００３８】
第２の実施形態では、中間層の厚さを上記の厚さとし、ヘテロ界面におけるポテンシャル障壁を平滑化することによって、電流−電圧特性における非線形性、及び測定条件による電流−電圧特性の変化、及びヘテロ界面による静電容量が低減された、電気特性に優れたｎ型分布ブラッグ反射器を得ることができる。
【００３９】
再度、図１６を参照すると、図１６では厚さ２０ｍの組成傾斜層（中間層）を設けた構造において、図１４の中間層を設けない構造に対して、ＣＷ測定とパルス測定の違いが大幅に低減されていることが分かる。つまり、厚さ２０ｎｍの組成傾斜層によって、パルス測定とＣＷ測定での電流−電圧特性の違いが大幅に低減し、更にＣＷ測定において見られていた電流−電圧特性における非線形性が解消されている。これらの結果は、厚さ２０ｎｍの組成傾斜層において、ブラッグ反射器のヘテロ界面におけるポテンシャル障壁を大幅に平滑化できることを示している。また、これに伴って、ヘテロ界面におけるキャリアの空乏化による静電容量も大幅に低減することができる。
【００４０】
第２の実施形態では、以上の様に２０ｎｍよりも厚い組成傾斜層を設けることによって、ヘテロ界面の影響を大幅に低減し、ｎ型分布ブラッグ反射器の電流−電圧特性が改善され、ヘテロ界面における静電容量を低減できる。
【００４１】
第３の実施形態
本発明の第３の実施形態は、第１の実施形態のｎ型分布ブラッグ反射器において、前記中間層の厚さが３０ｎｍ以上の範囲である構成としている。
【００４２】
第３の実施形態では、中間層を上記の厚さとすることによって、より効果的にヘテロ界面の影響、及びヘテロ界面における静電容量が低減された、電気特性に優れたｎ型分布ブラッグ反射器を得ることができる。
【００４３】
中間層によりヘテロ界面の影響が低減されるのは、中間層によってヘテロ界面が平坦化され、界面におけるキャリアの蓄積、空乏化が抑制される為であり、より厚い中間層程、この作用は大きい。ここで、再度図１６の電流−電圧特性を見ると、図１６では、中間層によるヘテロ界面におけるポテンシャル障壁の平滑化の効果によって、組成傾斜層（中間層）の厚さの異なる２種の試料ともに、パルス測定とＣＷ測定における電流−電圧特性の違い、及びＣＷ測定における非線形性が低減されているが、特に３０ｎｍの厚さの組成傾斜層を設けた試料の方が、以上の点がより改善されており、ＣＷ測定と、パルス測定の違いは殆ど無くなっている。よって、中間層の厚さを３０ｎｍ以上とすることにより、更に大きな改善効果を得ることができる。
【００４４】
第３の実施形態では、以上の様に、特に３０ｎｍ以上の厚さの組成傾斜層を設けることによって、ヘテロ界面の影響をより効果的に低減し、ｎ型分布ブラッグ反射器の電流−電圧特性が改善され、ヘテロ界面における静電容量をより効果的に低減できる。
【００４５】
第４の実施形態
本発明の第４の実施形態は、第１の実施形態のｎ型分布ブラッグ反射器において、前記中間層の厚さｔ［ｎｍ］が、分布ブラッグ反射器の反射波長λ［μｍ］に対して、２０＜ｔ≦（５０λ−１５）［ｎｍ］の範囲にある構成としている。
【００４６】
第４の実施形態では、以上の構成とすることにより、高い反射率を維持したまま、ヘテロ界面の影響が低減された電気特性に優れたｎ型分布ブラッグ反射器を得ることができる。分布ブラッグ反射器は、これを構成する半導体層の屈折率差が大きい程、また界面が急峻である程高い反射率を得ることができる。従って、組成傾斜層の厚さが厚くなるのに対応し、反射率は次第に低下する傾向がある。
【００４７】
図１７は、この様子を示したものである。すなわち、図１７は、各波長帯において、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓよりなる分布ブラッグ反射器の組成傾斜層の厚さに対する反射率変化の微係数を示す図である。分布ブラッグ反射器の積層数は、各波長帯において反射率が初めて９９．９％を超える層数としている。図１７から、反射率は始め緩やかに変化（低下）を始め、ある値から急激に変化することが分かる。図１７では、この様子を分かり易くする為に、幾つかの波長帯において、微係数が変化し始める厚さに対し接線を示している。この接線から、微係数が０．０１を超える辺りから、いずれの波長帯においても急激に変化が起こっていることが分かる。この様に、微係数が０．０１となる厚さが、分布ブラッグ反射器の反射率変化が急激に増加を始める厚さ（閾値厚さ）であり、この閾値厚さよりも組成傾斜層厚さを厚くし過ぎると、分布ブラッグ反射器の反射率は急激に低下する。それぞれの波長帯域において、微係数が０．０１となる時の（閾値厚さにおける）組成傾斜層厚さを読み取ると、次表（表１）の様になり、ブラッグ反射器の反射波長λ［μｍ］と、閾値厚さには、次式（数１）の様な線形の関係がある。
【００４８】
【表１】
2004031925.tif 000003
【００４９】
【数１】
閾値厚さ＝（５０λ−１５）［ｎｍ］
【００５０】
ここで、反射波長とは、分布ブラッグ反射器の反射帯域において、最も反射率が高くなる波長のことである。また、中間層を設けない構造においては、ブラッグ反射器を構成する屈折率がｎで表される層の厚さは、反射波長λに対しλ／４ｎと表される。
【００５１】
一方、上述の様に、駆動条件による電流−電圧特性の違い、及び非線形性、及びヘテロ界面におけるキャリアの蓄積、空乏化を改善する効果は、中間層の厚さが厚い場合において顕著であり、厚い中間層を設けることが望ましい。しかし、厚すぎる場合には上述の様な問題があるので、中間層の厚さには最適な範囲がある。
【００５２】
以上の結果から、電気特性（電流−電圧特性）と光学特性（反射率）との両方を考慮した場合に、最適な中間層の厚さの範囲を、分布ブラッグ反射器の反射波長λ［μｍ］に応じて、２０＜ｔ≦（５０λ−１５）［ｎｍ］と表すことができる。ここで、中間層厚さｔの範囲を定める不等式は、λ＞０．７μｍの範囲で成立し、この波長より長波の反射波長を有するｎ型分布ブラッグ反射器において適応することができる。例えば、ＡｌＧａＡｓ系材料を活性層材料に用いた素子は、典型的には０．７８μｍ〜０．８５μｍ帯においてレーザ発振を得ることができる。また、ＧａＩｎＡｓ系材料を用いた場合には、０．９８μｍ帯〜１．２μｍ帯においてレーザ発振を得ることができる。更に、ＧａＩｎＮＡｓＳｂＰ系材料を用いることにより、１．２μｍ帯よりも長波においてレーザ発振を得ることができる。
【００５３】
従って、この第４の実施形態の定める範囲の厚さの中間層を有したｎ型分布ブラッグ反射器は、これらを材料とした、波長が０．７μｍよりも長波の光を対象としたレーザや、光変調器等の光デバイスなどに用いることができる。
【００５４】
第５の実施形態
本発明の第５の実施形態は、第１〜第４のいずれかの実施形態のｎ型半導体分布ブラッグ反射器を用いた面発光半導体レーザ素子である。
【００５５】
この第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子では、第１〜第４のいずれかの実施形態のｎ型半導体分布ブラッグ反射器が用いられることで、面発光半導体レーザ素子の静電容量が低減され、高速変調が可能となる。
【００５６】
すなわち、第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子では、第１〜第４のいずれかの実施形態のｎ型半導体分布ブラッグ反射器を用いていることで、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の界面に形成されるスパイク，ノッチ等のポテンシャル分布が平滑化されている。従って、これによるキャリアの空乏，蓄積の影響が、従来の面発光半導体レーザ素子に比べて飛躍的に低減され、電気抵抗は勿論、ヘテロ界面における静電容量も低減されている。
【００５７】
従って、第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子は、従来の面発光半導体レーザ素子に比べて高速変調に適した構造であり、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の静電容量が低減したことによって、１０Ｇｂｐｓを超える高速変調を容易に行うことができる。
【００５８】
第６の実施形態
本発明の第６の実施形態では、活性層を挟んでｎ型半導体分布ブラッグ反射器とｐ型半導体分布ブラッグ反射器とが設けられている面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器がメサ形状に加工されていることを特徴としている。
【００５９】
この第６の実施形態では、活性層を挟んでｎ型半導体分布ブラッグ反射器とｐ型半導体分布ブラッグ反射器とが設けられている面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器がメサ形状に加工されていることで、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器を通して素子部（共振領域）に注入される電流の通路が限定され、静電容量に寄与するｎ型半導体分布ブラッグ反射器の面積が減少し、これによって、静電容量を低減することができ、高速変調が可能となる。
【００６０】
すなわち、第６の実施形態では、活性層を挟んでｎ型半導体分布ブラッグ反射器とｐ型半導体分布ブラッグ反射器とが設けられている面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器がメサ形状に加工されている（より具体的には、後述の図４の例のように、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の素子部（共振領域）以外の領域を基板表面までエッチングにより除去している）。前述のように、電子親和力の異なる２種の半導体層からなるヘテロ界面では、スパイクやノッチ等のポテンシャル分布が形成され、キャリアが空乏化することによる静電容量が発生している。また、従来、面発光レーザ素子では、閾値電流を低減する為に、ＡｌＡｓ等のＡｌを含む半導体層を酸化して形成される酸化狭窄構造が設けられている。正孔は、電子に比べ拡散長が短く高い狭窄効率が得られるので、前記の狭窄構造は、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器側に設けられている。ｎ型半導体分布ブラッグ反射器側は、特に狭窄構造は設けられておらず、基板裏面全面に形成された電極から多数キャリアである電子の注入が行われる構造となっている。従って、従来の面発光半導体レーザ素子では、電子は正孔の通路であるメサ径に比べて広い電流通路を有し、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器中の電子電流が通過する面積は、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器よりも広い。静電容量は、面積に比例して増加するので、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器による静電容量は、この電流の広がりに対応して増加し、素子容量を増加させている原因となっている。
【００６１】
この第６の実施形態では、具体的には、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の素子部（共振領域）以外の領域をエッチング除去することによって、エッチング除去によって残された領域に電子の電流通路を限定し、これによって、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器による静電容量を低減することを可能としている。よって、この第６の実施形態の面発光半導体レーザ素子は、従来の面発光半導体レーザ素子に比べて高速変調に適した構造であり、この第６の実施形態の面発光半導体レーザ素子では、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の静電容量が低減されたことによって、１０Ｇｂｐｓ以上の高速変調を容易に行うことが可能となる。
【００６２】
換言すれば、この第６の実施形態の面発光半導体レーザ素子では、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器における電流通路を素子部（共振領域）のメサ径と同程度に狭窄することにより、静電容量として寄与するｎ型半導体分布ブラッグ反射器の面積を低減し、素子の静電容量の低減を図ることができ、高速変調が可能となる。
【００６３】
第７の実施形態
本発明の第７の実施形態では、活性層を挟んでｎ型半導体分布ブラッグ反射器とｐ型半導体分布ブラッグ反射器とが設けられている面発光半導体レーザ素子において、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の共振領域以外の領域が高抵抗化されていることを特徴としている。
【００６４】
この第７の実施形態では、活性層を挟んでｎ型半導体分布ブラッグ反射器とｐ型半導体分布ブラッグ反射器とが設けられている面発光半導体レーザ素子において、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の共振領域以外の領域が高抵抗化されていることで、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器を通して素子部（共振領域）に注入される電流の通路が限定され、静電容量に寄与するｎ型半導体分布ブラッグ反射器の面積が減少し、これによって、静電容量を低減することができ、高速変調が可能となる。
【００６５】
すなわち、第７の実施形態では、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の素子部（共振領域）以外の領域を高抵抗化しており、第６の実施形態の説明と同様に、基板側から注入される電子の電流通路がｎ型半導体分布ブラッグ反射器のメサ領域の一部に限定されることによって、静電容量として寄与するｎ型半導体分布ブラッグ反射器の面積を低減し、これによって、面発光半導体レーザ素子の静電容量を従来の面発光半導体レーザ素子に比べ小さくすることができ、高速変調に適した構造を得ることができる。
【００６６】
換言すれば、この第７の実施形態の面発光半導体レーザ素子も、第６の実施形態と同様に、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器における電流通路を素子部（共振領域）のメサ径と同程度に狭窄することにより、静電容量として寄与するｎ型半導体分布ブラッグ反射器の面積を低減し、素子の静電容量の低減を図ることができ、高速変調が可能となる。
【００６７】
なお、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器を高抵抗化する方法としては、例えば後述の実施例５のように水素イオン注入等の方法を用いることができる。特に水素イオン注入を用いると、活性領域とエッチング表面の距離が近いことから、放熱に優れ、埋め込みが容易であり、物理強度が優れている等の利点がある。特に、放熱に優れていることによって、高出力を得ることが可能となる。実際、この第７の実施形態の面発光半導体レーザ素子では、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の静電容量を低減することによって、１０Ｇｂｐｓ以上の高速変調を容易に行うことが可能となる。
【００６８】
第８の実施形態
本発明の第８の実施形態では、第６または第７の実施形態の面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、屈折率が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層（半導体層）が設けられていることを特徴としている。
【００６９】
この第８の実施形態では、第６または第７の実施形態の面発光半導体レーザ素子において、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、屈折率が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層（半導体層）が設けられていることで、更に、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器のヘテロ界面の静電容量を飛躍的に低減することができ、より一層の高速変調が可能となる。
【００７０】
すなわち、第８の実施形態では、第６または第７の実施形態の面発光半導体レーザ素子において、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器を構成する２種の半導体層のヘテロ界面に、２種の半導体層の間の屈折率（禁則帯幅）を有する中間層（半導体層）を設けている。第１〜第５のいずれかの実施形態において説明したように、上記中間層（半導体層）を２種の半導体層のヘテロ界面に設けることによって、ヘテロ界面におけるポテンシャルが平滑化され、キャリアの空乏，蓄積が低減し、空乏化によって生じる静電容量を飛躍的に低減することができる。更に、第６または第７の実施形態のように、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の電子の通路をメサ領域内に限定することによって、容量として実効的に寄与する半導体分布ブラッグ反射器の面積を低減することができる。従って、第８の実施形態のように、これらを合わせ用いることにより、より一層効果的に面発光半導体レーザ素子の静電容量を低減することができ、非常に高速変調に適した構造を得ることができる。実際、第８の実施形態の面発光半導体レーザ素子は、以上のようにｎ型半導体分布ブラッグ反射器の静電容量が低減したことによって、１０Ｇｂｐｓ以上の高速変調を容易に行うことが可能となる。
【００７１】
第９の実施形態
本発明の第９の実施形態は、第６または第７の実施形態の面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、屈折率が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層が設けられ、前記中間層の厚さが２０［ｎｍ］よりも厚い構成としている。
【００７２】
第９の実施形態の構成とすることで、電子電流の通路を限定し、静電容量に寄与するｎ型半導体分布ブラッグ反射器の面積を低減でき、更に、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器のヘテロ界面の静電容量を低減し、高速変調が可能となる。
【００７３】
第１０の実施形態
本発明の第１０の実施形態は、第６または第７の実施形態の面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、屈折率が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層が設けられ、前記中間層の厚さが３０［ｎｍ］以上の範囲である構成としている。
【００７４】
第１０の実施形態の構成とすることで、電子電流の通路を限定し、静電容量に寄与するｎ型半導体分布ブラッグ反射器の面積を低減でき、更に、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器のヘテロ界面の静電容量を低減し、高速変調が可能となる。
【００７５】
第１１の実施形態
本発明の第１１の実施形態は、第６または第７の実施形態の面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、屈折率が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層が設けられ、前記中間層の厚さｔ［ｎｍ］が、分布ブラッグ反射器の反射波長λ［μｍ］に対して、２０＜ｔ≦（５０λ−１５）［ｎｍ］の範囲である構成としている。
【００７６】
第１１の実施形態の構成とすることで、電子電流の通路を限定し、静電容量に寄与するｎ型半導体分布ブラッグ反射器の面積を低減でき、更に、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器のヘテロ界面の静電容量を低減し、高速変調が可能となる。
【００７７】
第１２の実施形態
本発明の第１２の実施形態では、第５乃至第１１のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ素子において、活性層は、ＩＩＩ族材料とＶ族材料とにより構成されており、活性層のＩＩＩ族材料が、Ｇａ，Ｉｎのいずれか、または、全てであり、活性層のＶ族材料が、Ａｓ，Ｎ，Ｓｂ，Ｐのいずれか、または、全てであることを特徴としている。
【００７８】
この第１２の実施形態では、第５乃至第１１のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ素子において、活性層は、ＩＩＩ族材料とＶ族材料とにより構成されており、活性層のＩＩＩ族材料が、Ｇａ，Ｉｎのいずれか、または、全てであり、活性層のＶ族材料が、Ａｓ，Ｎ，Ｓｂ，Ｐのいずれか、または、全てであることで、ＧａＡｓ基板上に、光ファイバ通信で重要な１．３μｍ帯，１．５μｍ帯を含む１．１μｍよりも長波で発振する面発光半導体レーザ素子を得ることができる。また、ＧａＡｓを半導体基板として用いることができるので、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓによる高品質な半導体分布ブラッグ反射器を共振器ミラーに用いることができる。よって、閾値が低く、特性の優れた長波長帯の面発光半導体レーザ素子を提供することができる。
【００７９】
すなわち、第１２の実施形態では、活性層のＩＩＩ族材料が、Ｇａ，Ｉｎのいずれか、または、全てであり、活性層のＶ族材料が、Ａｓ，Ｎ，Ｓｂ，Ｐのいずれか、または、全てであり、これらの材料から構成される活性層は、ＧａＡｓ基板上に結晶成長が可能であり、反射率，熱伝導性，プロセス制御（結晶成長や、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ混晶等の選択酸化）の点において優れた特性を持つＡｌＧａＡｓ系材料によるＤＢＲを用いた面発光半導体レーザ素子を得ることができる。また、これらの材料を活性層に用いることで、０．８５μｍ帯，０．９８μｍ帯、更に光ファイバ通信で重要な１．３μｍ帯，１．５μｍ帯を含む１．１μｍよりも長波の発振を得ることができる。
【００８０】
これにより、例えば、波長１．３μｍ帯のレーザ素子と石英シングルモードレーザと組み合わせることによって、高速光通信が可能になる。また、１．５μｍ帯の素子によるＤＷＤＭを用いれば、大容量通信を行うことが可能である。
【００８１】
この際、特に、上述した材料（活性層材料）の中でも、ＧａＩｎＮ（Ｓｂ）Ａｓ混晶材料は、１．１μｍ以上の発振を得ることができる上に、キャリア閉じ込め層となるＧａＡｓ層に対して、ＧａＩｎＮ（Ｓｂ）Ａｓ層の伝導帯のバンド不連続量が大きく、電子のオーバーフローが低減できるので、高温まで安定な発振を得ることができる。これらに加えて、本発明の面発光半導体レーザ素子では、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の静電容量が低減されているので、従来の素子に比べて高速変調を容易に行なうことができる。従って、本発明によれば、光通信，光伝送用として好適な面発光半導体レーザ素子を提供することができる。
【００８２】
第１３の実施形態
本発明の第１３の実施形態は、第５乃至第１２のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ素子によって構成された面発光レーザアレイである。
【００８３】
この第１３の実施形態の面発光レーザアレイは、第５乃至第１２のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ素子によって構成されているので、素子の静電容量が従来よりも小さく、高速変調が可能となる。
【００８４】
すなわち、この第１３の実施形態の面発光レーザアレイを構成している面発光半導体レーザ素子は、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器による静電容量が低減されていることによって、高速変調が可能であり、これらの面発光半導体レーザ素子によって構成されている面発光レーザアレイもまた、同様に高速変調が可能である。また、面発光レーザアレイを形成することによって、並列光伝送が容易となり、更に高速，大容量の光伝送，光通信を行うことが可能となる。このように、第１３の実施形態では、高速，大容量の光伝送，光通信が可能な面発光レーザアレイを提供することができる。
【００８５】
第１４の実施形態
本発明の第１４の実施形態は、第５乃至第１２のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ素子、または、第１３の実施形態の面発光レーザアレイによって構成された面発光レーザモジュールである。
【００８６】
この第１４の実施形態の面発光レーザモジュールは、第５乃至第１２のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ素子、または、第１３の実施形態の面発光レーザアレイによって構成されているので、高速，大容量の光伝送，光通信が可能となる。
【００８７】
すなわち、この第１４の実施形態の面発光レーザモジュールには、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の静電容量が低減され、従来よりも高速変調が可能な面発光半導体レーザ素子または面発光レーザアレイが用いられているので、高速，大容量の光伝送，光通信が可能となる。具体的に、後述の実施例７のように、ＧａＩｎＮＡｓ混晶半導体を活性層材料とした１．３μｍ帯面発光半導体レーザ素子と石英シングルモードファイバとを組み合わせた面発光レーザモジュールは、１．３μｍ帯が石英の零分散帯に当たるため、高速変調に非常に適した構成であり、この面発光レーザモジュールを用いることによって、高速，大容量の光通信、光伝送を行うことができる。このように、第１４の実施形態では、高速，大容量の光伝送，光通信が可能な面発光レーザモジュールを提供することができる。
【００８８】
第１５の実施形態
本発明の第１５の実施形態は、第５乃至第１２のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ素子、または、第１３の実施形態の面発光レーザアレイ、または、第１４の実施形態の面発光レーザモジュールによって構成された光インターコネクションシステムである。
【００８９】
この第１５の実施形態の光インターコネクションシステムは、第５乃至第１２のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ素子、または、第１３の実施形態の面発光レーザアレイ、または、第１４の実施形態の面発光レーザモジュールによって構成されているので、高速，大容量の光伝送が可能となる。
【００９０】
すなわち、この第１５の実施形態の光インターコネクションシステムには、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の静電容量が低減され、従来に比べて高速変調が可能な面発光半導体レーザ素子または面発光レーザアレイまたは面発光レーザモジュールが用いられているので、高速，大容量の光伝送，光通信が可能となる。具体的に、後述の実施例７のように、ＧａＩｎＮＡｓ混晶半導体を活性層材料とした１．３μｍ帯面発光レーザと石英シングルモードファイバとを組み合わせた面発光レーザモジュールによって構成された光インターコネクションシステムでは、１．３μｍ帯が石英の零分散帯に当たるため、高速変調に非常に適した構成であり、高速，大容量の光通信，光伝送を行うことができる。また、ＧａＩｎＮＡｓ混晶半導体を活性層とした面発光半導体レーザ素子は、素子の動作環境温度等の変化に対しても、高温まで、安定に発振を得ることが可能であるので、非常に信頼性の高い光インターコネクションシステムを得ることができる。このように、第１５の実施形態では、高速，大容量の光通信が可能であり、更に信頼性の高い光インターコネクションシステムを提供することができる。
【００９１】
第１６の実施形態
本発明の第１６の実施形態は、第５乃至第１２のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ素子、または、第１３の実施形態の面発光レーザアレイ、または、第１４の実施形態の面発光レーザモジュールによって構成された光通信システムである。
【００９２】
この第１６の実施形態の光通信システムは、第５乃至第１２のいずれかの実施形態の面発光半導体レーザ素子、または、第１３の実施形態の面発光レーザアレイ、または、第１４の実施形態の面発光レーザモジュールによって構成されているので、高速，大容量光通信が可能となる。
【００９３】
すなわち、第１６の実施形態の光通信システムには、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の静電容量が低減され、従来に比べて高速変調が可能な面発光半導体レーザ素子または面発光レーザアレイまたは面発光レーザモジュールが用いられているので、高速，大容量の光伝送，光通信が可能となる。具体的に、後述の実施例７のように、ＧａＩｎＮＡｓ混晶半導体を活性層材料とした１．３μｍ帯面発光レーザと石英シングルモードファイバとを組み合わせた面発光レーザモジュールによって構成された光通信システムでは、１．３μｍ帯が石英の零分散帯に当たるため、高速変調に非常に適した構成であり、高速，大容量の光伝送を行うことができる。また、ＧａＩｎＮＡｓ混晶半導体を活性層とした面発光半導体レーザ素子は、素子の動作環境温度等の変化に対しても、高温まで、安定に発振を得ることが可能であるので、非常に信頼性の高い光通信システムを得ることができる。このように、第１６の実施形態では、高速，大容量の光伝送が可能であり、更に信頼性の高い光通信システムを提供することができる。
【００９４】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。
【００９５】
（実施例１）
図１は、実施例１として第１の実施形態のｎ型半導体分布ブラッグ反射器の一例を説明するための図である。図１のｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、０．９８μｍを設計反射波長とした半導体分布ブラッグ反射器であり、ｎ−ＡｌＡｓ層と、ｎ−ＧａＡｓ層と、ｎ−ＡｌＡｓ層とｎ−ＧａＡｓ層との間に図２のようにＡｌ組成を一方の値から他方の値に線形に変化させた厚さ３０ｎｍのｎ−ＡｌＧａＡｓ線形組成傾斜層（中間層）とが、周期的に積層されることによって構成されている。
【００９６】
ここで、図１のｎ型半導体分布ブラッグ反射器のｎ−ＡｌＡｓ層の厚さは５１．６ｎｍであり、ｎ−ＧａＡｓ層の厚さは４０．９ｎｍである。波長０．９８μｍの光に対して、各半導体層中における光の位相変化がπ／２となる厚さ、つまり半導体分布ブラッグ反射器における多重反射の位相条件を満たす厚さは、それぞれ８２．９ｎｍ、６９．５ｎｍであるが、厚さ３０ｎｍの線形組成傾斜層における位相変化を考慮し、ｎ−ＡｌＡｓ層と、ｎ−ＧａＡｓ層との厚さを上記の厚さとしている。
【００９７】
図１のｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ），トリメチルガリウム（ＴＭＧ），アルシン（ＡｓＨ３）ガスを原料として、ＭＯＣＶＤ法により結晶成長させることができる。また、ｎ型のドーパントにはセレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）を用いることができる。ＭＯＶＣＤ法では、原料の供給量を変化させることでＡｌＧａＡｓの組成を制御することができるので、容易に組成傾斜層を成長させることができる。
【００９８】
図１のｎ型半導体分布ブラッグ反射器では、各へテロ界面に組成傾斜層（中間層）を設けたことによって、電気抵抗は勿論、ヘテロ界面による静電容量を従来に比べて低減することができた。
【００９９】
（実施例２）
図１８は、実施例２として第３の実施形態のｎ型半導体分布ブラッグ反射器の一例を説明するための図である。図１のｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、１．３μｍを設計反射波長とした半導体分布ブラッグ反射器であり、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層と、ｎ−ＧａＡｓ層と、ｎ−Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ−ＧａＡｓ層との間に図２のようにＡｌ組成を一方の値から他方の値に線形に変化させた厚さ４０ｎｍのｎ−ＡｌＧａＡｓ線形組成傾斜層（中間層）とが、周期的に積層されることによって構成されている。
【０１００】
ここで、各層の厚さは、実施例１と同様に、組成傾斜層における光の位相変化に応じた厚さを減じ、ブラッグ反射器の多重反射の位相条件が満たされる様に選んでいる。ここで、組成傾斜層の厚さ４０ｎｍは、分布ブラッグ反射器の反射波長λ（＝１．３μｍ）に対し、２０＜ｔ≦（５０λ−１５）［ｎｍ］の範囲に選んでおり、高い反射率を維持したまま、ヘテロ界面による静電容量を従来に比べて低減することができた。よって、面発光レーザ素子等の共振器ミラーとして、好適なｎ型分布ブラッグ反射器を得ることができた。
【０１０１】
（実施例３）
図３は、実施例３として第５，第１２の実施形態の面発光半導体レーザ素子の一例を説明するための図である。図３の面発光半導体レーザ素子は、ＧａＩｎＮＡｓを活性層とした１．３μｍ帯の面発光半導体レーザ素子であり、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ），トリメチルガリウム（ＴＭＧ），トリメチルインジウム（ＴＭＩ），アルシン（ＡｓＨ３）ガスを原料とし、ＭＯＣＶＤ法によって結晶成長がなされている。この際、活性層の窒素原料には、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）を用いることができる。また、ｐ型ドーパントにはＣＢｒ４を用い、ｎ型ドーパントにはＨ２Ｓｅを用いることができる。
【０１０２】
図３の面発光半導体レーザ素子は、次のようにして作製される。すなわち、先ず、ｎ−ＧａＡｓ基板上に、ｎ−ＧａＡｓバッファー層の結晶成長を行った後、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓを１対のペアとしたｎ型半導体分布ブラッグ反射器３６ペアの結晶成長を行なう。この際、ｎ−ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ半導体分布ブラッグ反射器の各へテロ界面には、実施例１に示したように、一方から他方の組成へＡｌ組成を線形に変化させた厚さ３０ｎｍのｎ−ＡｌＧａＡｓ線形組成傾斜層を中間層（半導体層）として設ける。
【０１０３】
このようにｎ−ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ半導体分布ブラッグ反射器を形成した後、ＧａＡｓ共振器スペーサー層，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸構造（活性層），ＧａＡｓ共振器スペーサー層，Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ／ＧａＡｓを１対のペアとした２２ペアのｐ型半導体分布ブラッグ反射器を順次に形成する。ここで、１対目のｐ型半導体分布ブラッグ反射器の界面には厚さ３０ｎｍのＡｌＡｓ選択酸化層を設けている。更に、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器の各界面には、素子抵抗を低減するために、一方の組成から他方の組成へＡｌ組成を線形に変化させた線形組成傾斜層（厚さ３０ｎｍ）を設けている。また、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器の再表面層となるＧａＡｓ層の表面付近のドーピング密度を１×１０１９ｃｍ−３としてコンタクト層と兼用している。
【０１０４】
ここで、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器及びｎ型半導体分布ブラッグ反射器を構成する各層の厚さは、組成傾斜層（中間層）を含めて、実施例１と同様に分布ブラッグ反射器の多重反射の位相条件を満たすように調整されており、ＡｌＡｓ選択酸化層に接したＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層の厚さも同様に調整が行われている。また、この面発光半導体レーザ素子の、活性層と２つの共振器スペーサー層における発振光の位相変化は２πに等しく、１λキャビティーを形成している。また、活性層は１λキャビティーの中央、つまり光の定在波の腹となる位置に配置されている。
【０１０５】
次に、公知の写真製版，ドライエッチング法により、素子部となる領域を残し、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層の表面からｎ半導体分布ブラッグ反射器に接したＧａＡｓ共振器スペーサー層の途中までの各層をメサ形状に加工（ドライエッチング除去）している。この際、素子部となるメサは３０μｍ×３０μｍの方形メサ形状としている。
【０１０６】
次に、８０℃に加熱した純水を窒素ガスによりバブリングして得られた雰囲気中で加熱を行い、ＡｌＡｓ選択酸化層のエッチング側面から素子中央部に向かい、横方向から選択酸化を行い電流狭窄構造としている。このとき、電流通路となる領域の大きさは５μｍ×５μｍとした。
【０１０７】
次に、メサ部をポリイミド等の絶縁性樹脂によって埋め込んだ後、電極材料の蒸着及びリフトオフを行ない、素子上面の光出射部に開口を有するｐ側電極を形成する。次に、基板の裏面にｎ側電極を形成し、図３の面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【０１０８】
図３の面発光半導体レーザ素子では、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器及びｎ型半導体分布ブラッグ反射器の両方のヘテロ界面の間に組成傾斜層が設けられている。ｐ型半導体分布ブラッグ反射器中に設けられている組成傾斜層は、公知技術のように、素子抵抗を低減させるためのものである。また、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器中にｎ型組成傾斜層を設けることによって、従来の素子と比べて素子の静電容量を飛躍的に低減することができる。すなわち、図３の面発光半導体レーザ素子は、ｎ型組成傾斜層がｎ型半導体分布ブラッグ反射器に設けられることによって、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器を構成するＡｌＡｓとＧａＡｓの界面におけるスパイク，ノッチ等のポテンシャル分布が平滑化される。これにより、キャリアの蓄積，空乏が抑制されて、静電容量が飛躍的に低減され、高速変調に好適な構造となる。実際、図３の面発光半導体レーザ素子は、１０Ｇｂｐｓ以上の高速変調を容易に行うことができた。
【０１０９】
また、図３の面発光半導体レーザ素子は、活性層材料をＧａＩｎＮＡｓとしており、ＧａＡｓ基板上にＡｌ（Ｇａ）Ａｓ／ＧａＡｓによる特性の優れた半導体分布ブラッグ反射器を用いて、１．３μｍで発振する面発光半導体レーザ素子を提供することができた。すなわち、ＧａＩｎＮＡｓ混晶は、ＧａＡｓ等のバリア層、又は共振器スペーサー層との伝導帯バンド不連続量が大きく、活性層への電子の閉じ込め効果が高いので、高温まで安定な発振が得られる。また、１．３μｍ帯は、石英ファイバの零分散帯にあたり、同シングルモードファイバを用いることにより、高速通信が可能である。上述のように、実際に、図３の面発光半導体レーザ素子では、高速変調が可能であり、石英シングルモードファイバと組み合わせることによって、高速通信を容易に行うことが可能となる。
【０１１０】
（実施例４）
図４は、実施例４として第６，第８の実施形態の面発光半導体レーザ素子の一例を説明するための図である。図４の面発光半導体レーザ素子は、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸を活性層とする０．９８μｍ帯の面発光半導体レーザ素子であり、ｎ−ＧａＡｓ基板上にＭＯＣＶＤ法によって実施例３と同様に結晶成長がなされている。
【０１１１】
すなわち、図４の面発光半導体レーザ素子では、Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ／ＧａＡｓを１対のペアとした３６ペアのｎ型半導体分布ブラッグ反射器を結晶成長した後、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ共振器スペーサー層，ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸構造，Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ共振器スペーサー層，Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ／ＧａＡｓを１対のペアとした２２ペアのｐ型半導体分布ブラッグ反射器が順次に形成されている。
【０１１２】
ここで、図４の面発光半導体レーザ素子では、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器中のみに、素子抵抗を低減させるための厚さ３０ｎｍの線形組成傾斜層が設けられている。また、更に、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器には、実施例３と同様にＡｌＡｓ選択酸化層が設けられている。
【０１１３】
また、半導体分布ブラッグ反射器を構成する層の厚さは、発振波長である０．９８μｍの光に対し、分布ブラッグ反射器の多重反射の位相条件を満たすように、組成傾斜層及び選択酸化層の厚さを考慮して設定されている。
【０１１４】
ところで、この実施例４の面発光半導体レーザ素子は、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器が基板表面までエッチング（ドライエッチング）されていることによって（すなわち、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器がメサ形状にエッチング加工されていることによって）、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器における電子の通路がメサ領域に限定されている。
【０１１５】
本来、この面発光半導体レーザ素子では、ドライエッチングは、選択酸化層の横方向の酸化を行うために行われる工程であって、従来の面発光半導体レーザ素子では、共振器スペーサー層の途中、もしくは、２〜３ペア程度のｎ型半導体分布ブラッグ反射器の途中までがエッチング除去されている。従って、従来の面発光半導体レーザ素子においては、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器は電子に対する狭窄構造とはなっておらず、電子電流は、基板の裏面全体に設けられたｎ側電極から、メサ径よりも広いｎ型半導体分布ブラッグ反射器の領域を通って活性領域に注入される。この際、電子電流の通路となる領域のｎ型半導体分布ブラッグ反射器の界面における静電容量が、面発光半導体レーザ素子の容量として寄与する。
【０１１６】
従って、この実施例４のように、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器をエッチングによってメサ径と同程度にエッチング加工することにより（メサ形状に加工することにより）、静電容量を低減することができる。すなわち、実施例４の面発光半導体レーザ素子の静電容量は、従来の素子に比べて小さく、高速変調に適している。実際、実施例４の面発光半導体レーザ素子は、１０Ｇｂｐｓを超える高速変調を容易に行うことができた。
【０１１７】
また、図４の面発光半導体レーザ素子のｎ型半導体分布ブラッグ反射器に、図５の構成のｎ型半導体分布ブラッグ反射器を用いることにより、面発光半導体レーザ素子の容量をより一層低減することが可能となる。すなわち、図５のｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、図１のｎ型半導体分布ブラッグ反射器と同様に、ｎ−Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層とｎ−ＧａＡｓ層のヘテロ界面に一方から他方の組成へＡｌ組成を線形に変化させたｎ−ＡｌＧａＡｓ線形組成傾斜層（中間層）が設けられたものであり、図５のｎ型半導体分布ブラッグ反射器を図４の面発光半導体レーザ素子のｎ型半導体分布ブラッグ反射器として用いることによって、ヘテロ界面による静電容量を飛躍的に低減できるとともに、電子電流の通路が狭窄されて静電容量として寄与する領域の面積を低減することができ、これにより、更に素子容量を低減させることが可能となる。従って、図４の面発光半導体レーザ素子において、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器に図５のｎ型半導体分布ブラッグ反射器を用いることで、非常に高速変調に好適な素子構造が得られる。このような面発光半導体レーザ素子では、１０Ｇｂｐｓ以上の高速変調を容易に行うことができた。
【０１１８】
（実施例５）
図６は、実施例５として第７，第８の実施形態の面発光半導体レーザ素子の一例を説明するための図である。図６の面発光半導体レーザ素子は、ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸を活性層とする０．９８μｍ帯の面発光半導体レーザ素子であり、ｎ−ＧａＡｓ基板上にＭＯＣＶＤによって実施例３と同様に結晶成長がなされている。
【０１１９】
すなわち、図６の面発光半導体レーザ素子では、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓを１対のペアとした３６ペアのｎ型半導体分布ブラッグ反射器を結晶成長した後、Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ共振器スペーサー層，ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸構造，Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ共振器スペーサー層，Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ／ＧａＡｓを１対のペアとした２２ペアのｐ型半導体分布ブラッグ反射器が順次に形成されている。
【０１２０】
ここで、図６の面発光半導体レーザ素子では、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器中のみに、素子抵抗を低減させるための厚さ３０ｎｍの線形組成傾斜層が設けられている。また、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器には、実施例３と同様にＡｌＡｓ選択酸化層が設けられている。
【０１２１】
また、半導体分布ブラッグ反射器を構成する層の厚さは、発振波長である０．９８μｍの光に対し、分布ブラッグ反射器の多重反射の位相条件を満たすように、組成傾斜層及び選択酸化層の厚さを考慮して設定されている。
【０１２２】
ところで、この実施例５の面発光半導体レーザ素子は、実施例３と同様にｐ−ＧａＡｓコンタクト層の表面からｎ半導体分布ブラッグ反射器に接したＧａＡｓ共振器スペーサー層の途中までの各層をメサ形状に加工（ドライエッチング除去）した後、ドライエッチングに用いたレジストパターンをマスクとしてｎ型半導体分布ブラッグ反射器に水素イオン注入を行ない、注入が行われたｎ型半導体分布ブラッグ反射器の全領域が高抵抗化されたものとなっている。すなわち、メサ部以外（共振領域以外）のｐ型半導体分布ブラッグ反射器が高抵抗化されている。そして、このようなイオン注入の後、実施例３と同様にＡｌＡｓ層の選択酸化により酸化狭窄構造を設けた後、絶縁性樹脂による埋め込み、ｐ側電極，ｎ側電極の形成がなされている。
【０１２３】
実施例４で説明したように、従来の面発光半導体レーザ素子においては、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器は電子に対しての狭窄構造とはなっておらず、電子の電流通路は、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器のところで、メサ径よりも広い領域に広がっており、面発光半導体レーザ素子の容量として、このｎ型半導体分布ブラッグ反射器の領域におけるヘテロ界面の静電容量の寄与がある。
【０１２４】
これに対し、この実施例５の面発光半導体レーザ素子のように、水素イオン注入によりｎ型半導体分布ブラッグ反射器に高抵抗化領域を設け、電子電流通路を狭窄することによって、不必要な静電容量を低減することが可能となる。従って、この実施例５の面発光半導体レーザ素子は、高速変調に適した構造となっている。また、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器中における電子電流の狭窄構造を水素イオン注入による高抵抗化によって形成しているので、メサ高さを不必要に高くせずに済み、素子の物理的強度も高く、また絶縁性樹脂による埋め込みも容易である。また、実施例５の面発光半導体レーザ素子では、活性領域とエッチング表面との距離が近いので、基板側への放熱を低下させずに済み、熱による出力の低下の影響が少ない。実際、実施例５の面発光半導体レーザ素子では、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の静電容量を低減できたことによって、１０Ｇｂｐｓを超える高速変調を容易に実現することができた。
【０１２５】
また、図６の面発光半導体レーザ素子のｎ型半導体分布ブラッグ反射器に、図７の構成のｎ型半導体分布ブラッグ反射器を用いることにより、面発光半導体レーザ素子の容量をより一層低減することが可能となる。すなわち、図７のｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、図１のｎ型半導体分布ブラッグ反射器と同様に、ｎ−ＡｌＡｓ層とｎ−ＧａＡｓ層のヘテロ界面に一方から他方の組成へＡｌ組成を線形に変化させたｎ−ＡｌＧａＡｓ線形組成傾斜層（中間層）が設けられたものであり、図７のｎ型半導体分布ブラッグ反射器を図６の面発光半導体レーザ素子のｎ型半導体分布ブラッグ反射器として用いることによって、ヘテロ界面による静電容量を飛躍的に低減できるとともに、電子電流の通路が狭窄されて静電容量として寄与する領域の面積を低減することができ、これにより、更に素子容量を低減させることが可能となる。従って、図６の面発光半導体レーザ素子において、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器に図７のｎ型半導体分布ブラッグ反射器を用いることで、非常に高速変調に好適な素子構造が得られる。このような面発光半導体レーザ素子では、１０Ｇｂｐｓ以上の高速変調を容易に行うことができた。
【０１２６】
なお、上述した各実施例（実施例１，実施例３，実施例４，実施例５）では、ｎ型半導体基板上に結晶成長を行った面発光半導体レーザ素子を示したが、本発明の面発光半導体レーザ素子としては、ｎ型半導体基板のかわりに、ｐ型半導体基板を用いることも可能である。
【０１２７】
図８は、例えば実施例３の面発光半導体レーザ素子をｐ型半導体基板上に実現した例を示す図であり、図８の面発光半導体レーザ素子は、ｐ−ＧａＡｓ基板上に、ＭＯＣＶＤ法によって同様に結晶成長がなされたものである。すなわち、図８の面発光半導体レーザ素子は、先ず、ｐ−ＧａＡｓ基板上に、ｐ−ＧａＡｓバッファー層の結晶成長を行った後、Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ／ＧａＡｓを１対のペアとしたｐ型半導体分布ブラッグ反射器３６ペアの結晶成長を行い、ＧａＡｓ共振器スペーサー層，ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層，ＧａＡｓスペーサー層，Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ／ＧａＡｓを１対のペアとしたｎ型半導体分布ブラッグ反射器２６ペアを順次に結晶成長して形成されている。
【０１２８】
ここで、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器の各へテロ界面には、電気抵抗を低減するための線形組成傾斜層（厚さ３０ｎｍ）が、半導体分布ブラッグ反射器の多重反射の位相条件を満たすように設けられている。また、活性層に一番近いＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ／ＧａＡｓのヘテロ界面には、ＡｌＡｓ選択酸化層が同様に位相条件を考慮して設けられている。更に、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器には、本発明のｎ型半導体分布ブラッグ反射器が用いられている。すなわち、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の各へテロ界面には、静電容量を低減するための線形組成傾斜層（厚さが３０ｎｍ）が中間層（半導体層）として設けられている。
【０１２９】
図８の面発光半導体レーザ素子は、上記のような結晶成長の後、実施例３と同様に、ドライエッチング、選択酸化、絶縁性樹脂による埋め込み、電極形成が行われている。但し、ドライエッチング工程では、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器中のＡｌＡｓ選択酸化層を酸化させるために、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器の途中までエッチングが行われている。
【０１３０】
図８の面発光半導体レーザ素子では、実施例３と同様に、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の静電容量が低減されたことにより、高速変調に好適な構造となっており、１０Ｇｂｐｓを超える変調を容易に行うことができた。
【０１３１】
また、図９は面発光半導体レーザ素子の他の構成例を示す図である。図９の面発光半導体レーザ素子は、図８の面発光半導体レーザ素子と同様に作製がなされたものであり、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器中には、電気抵抗を低減させるための組成傾斜層が設けられ、また、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器中には、静電容量を低減させるための組成傾斜層（中間層）が設けられている。ただし、図９の面発光半導体レーザ素子は、メサ部のドライエッチング工程の後に、実施例５と同様に水素イオン注入が行われており、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器のメサ部以外（共振領域以外）の領域が高抵抗化されている。従って、正孔の電流通路をメサ径程度に狭窄したことによって、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器による静電容量も低減され、図８の素子に比べて更に高速変調に好適な構造となっている。
【０１３２】
また、上述した各実施例（実施例１，実施例３，実施例４，実施例５）では、面発光半導体レーザ素子の結晶成長をＭＯＣＶＤ法によって行なっているが、ＭＯＣＶＤ法以外の成長方法を用いて結晶成長を行なうこともできる。また、半導体分布ブラッグ反射器を構成する屈折率の異なる２種の半導体層の間に設けられる中間層（２種の半導体層の間の屈折率（禁則帯幅）を有する半導体層）として、線形組成傾斜層が用いられるとしたが、中間層としては、この他にも、非線形に組成が変化しているものを用いることもできるし、また、屈折率が異なる単層または複数の層によって構成されたものを用いることもできる。
【０１３３】
（実施例６）
図１０は、実施例６として第１３の実施形態の面発光レーザアレイの一例を説明するための図である。図１０の面発光レーザアレイは、上述した本発明の面発光半導体レーザ素子を２次元に３×３個集積したモノリシックレーザアレイとなっている。図１０の面発光レーザアレイでは、個々の面発光半導体レーザ素子を独立に駆動するために、個別にｐ電極配線が設けられている。図１０の面発光レーザアレイは、実施例１，実施例３乃至実施例５と同様の手順，方法で作製されている。
【０１３４】
図１０の面発光レーザアレイでは、この面発光レーザアレイを構成する個々の面発光半導体レーザ素子は、いずれも、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器による静電容量が低減されており、従って、この面発光レーザアレイは、非常に高速変調に好適な構造となっており、実際、高速変調が可能であった。
【０１３５】
（実施例７）
図１１は、実施例７として第１４の実施形態の面発光レーザモジュールの一例を説明するための図である。図１１の面発光レーザモジュールは、シリコン基板上に、１次元モノリシック面発光レーザアレイと、マイクロレンズアレイと、ファイバアレイ（石英シングルモードファイバ）とが実装されて構成されている。
【０１３６】
ここで、面発光レーザアレイには、第１３の実施形態の面発光レーザアレイがファイバに対向して設けられており、この面発光レーザアレイは、マイクロレンズアレイを介して、シリコン基板に形成されたＶ溝に実装されている石英シングルモードファイバと結合している。この面発光レーザアレイの発振波長は１．３μｍ帯であり、石英シングルモードファイバを用いることで、高速光並列伝送を行なうことができる。
【０１３７】
また、図１１の面発光レーザモジュールの光源として、第１３の実施形態の面発光レーザアレイを用いることにより、高速変調が可能となり、高速伝送が可能な面発光レーザモジュールを得ることができる。
【０１３８】
（実施例８）
図１２は、第１５の実施形態の光インターコネクションシステムの一例としての並列光インターコネクションシステムを示す図である。図１２のインターコネクションシステムでは、機器１と機器２の間が光ファイバアレイ（石英シングルモードファイバアレイ）を用いて接続されている。ここで、送信側である機器１には、第１４の実施形態の面発光レーザアレイによる面発光レーザモジュールと、これの駆動回路とが備わっている。また、受信側である機器２には、フォトダイオードアレイモジュールと信号検出回路とが備わっている。
【０１３９】
図１２の光インターコネクションシステムでは、第１４の実施形態の面発光レーザモジュールを用いることで、高速光並列伝送が可能となる。また、面発光レーザモジュールには、ＧａＩｎＮＡｓを活性層とした面発光レーザアレイが用いられることで、環境温度の変化に対しても安定に発振が得られ、非常に信頼性の高いインターコネクションシステムを構成することができる。
【０１４０】
上述の例では、並列光インターコネクションシステムを例に説明したが、この他にも、単一素子を用いたシリアル伝送システムを構成することもできる。また、機器間の他にも、ボード間，チップ間，チップ内インターコネクションに適用することもできる。
【０１４１】
（実施例９）
図１３は、第１６の実施形態の光通信システムの実施例としての光ＬＡＮシステムを示す図である。図１３の光ＬＡＮシステムは、上述した本発明の面発光半導体レーザ素子または面発光レーザアレイまたは面発光レーザモジュールを用いて構成されている。
【０１４２】
すなわち、図１３の光ＬＡＮシステムでは、サーバーとコアスイッチとの間の光伝送の光源、および／または、コアスイッチと各スイッチとの間の光伝送の光源、および／または、スイッチと各端末との間の光伝送の光源に、上述した本発明の面発光半導体レーザ素子または面発光レーザアレイまたは面発光レーザモジュールが用いられている。また、各機器間は石英シングルモードファイバまたはマルチモードファイバによって結合を行っている。このような光ＬＡＮの物理層としては、例えば１０００ＢＡＳＥ−ＬＸ等のギガビットイーサネットが挙げられる。
【０１４３】
図１３の光ＬＡＮシステムでは、光伝送の光源に、上述した本発明の面発光半導体レーザ素子または面発光レーザアレイまたは面発光レーザモジュールが用いられることで、高速通信が可能となった。更に、ＧａＩｎＮＡｓを活性層とした本発明の面発光レーザでは、動作環境温度等、駆動条件の変化に対しても安定に発振が得られ、信頼性の高い光通信システムを構成することができる。
【０１４４】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１記載の発明によれば、屈折率が異なる２種の半導体層が積層されているｎ型にドープされたｎ型半導体分布ブラッグ反射器において、屈折率が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層が設けられているので、半導体へテロ界面の静電容量が低減されたｎ型半導体分布ブラッグ反射器を提供することができる。
【０１４５】
また、請求項２記載の発明によれば、中間層の厚さを２０ｎｍよりも厚くすることによって、ヘテロ界面の影響を大幅に低減し、ｎ型分布ブラッグ反射器の電流−電圧特性を改善することができるとともに、ヘテロ界面における静電容量を低減することができる。
【０１４６】
中間層によりヘテロ界面の容量が低減されるのは、中間層によってヘテロ界面におけるスパイク，ノッチ等のポテンシャル分布が平滑化され、界面におけるキャリアの蓄積，空乏化が抑制される為である。中間層を設けない場合には、ヘテロ界面に生じるスパイク，ノッチ形状のポテンシャル分布によってキャリア（電子）の蓄積，空乏化が生じ、測定条件による電流−電圧特性の変化、及びヘテロ障壁におけるキャリアのトンネル等が原因と考えられる電流−電圧特性の非線形性が生じるといった問題がある。更に、これに加えて、キャリアの空乏化にる静電容量の発生等も問題となる。しかし、ｎ型分布ブラッグ反射器の各界面に２０ｎｍ以上の厚さの中間層を設けた場合には、これらの問題を大幅に改善することができる。つまり、２０ｎｍよりも厚い中間層によって、測定条件による電流−電圧特性の変化、及び電流−電圧特性の非線形性は大幅に低減し、またヘテロ界面による静電容量を大幅に低減することができる。以上から、電気特性の優れたｎ型分布ブラッグ反射器を得ることができる。
【０１４７】
また、請求項３記載の発明によれば、中間層の厚さを３０ｎｍ以上の厚さとすることによって、ヘテロ界面の影響を更に効果的に低減し、ｎ型分布ブラッグ反射器の電流−電圧特性を改善することができるとともに、ヘテロ界面における静電容量を低減することができる。
【０１４８】
中間層によりヘテロ界面の容量が低減されるのは、中間層によって、ヘテロ界面におけるスパイク，ノッチ等のポテンシャルの分布が平滑化され、界面におけるキャリアの蓄積，空乏化が抑制される為であり、厚い中間層程、この作用は大きい。従って、特に中間層の厚さを３０ｎｍ以上とすることにより、ＣＷ測定とパルス測定との違いは殆ど無くなり、より効果的に前述の様な作用を得ることができる。以上の様に、電流−電圧特性の変化、及び電流−電圧特性の非線形性をより効果的に低減し、また同様にヘテロ界面による静電容量をより効果的に低減することができる。以上から、電気特性の優れたｎ型分布ブラッグ反射器を得ることができる。
【０１４９】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１記載のｎ型半導体分布ブラッグ反射器において、前記中間層の厚さｔ［ｎｍ］が、分布ブラッグ反射器の反射波長λ［μｍ］に対して、２０＜ｔ≦（５０λ−１５）［ｎｍ］の範囲であるので、高い反射率を維持したまま、ヘテロ界面の影響が低減された、電気特性の優れたｎ型分布ブラッグ反射器を得ることができる。すなわち、分布ブラッグ反射器は、これを構成する半導体層の屈折率差が大きい程、また界面が急峻である程、高い反射率を得ることができる。従って、中間層の厚さが厚くなるのに対応し、反射率は次第に低下する傾向がある。従って、中間層の厚さを厚くし過ぎると、分布ブラッグ反射器の反射率は急激に低下する。しかし、ヘテロ界面を平坦にする効果は、中間層の厚さが厚い程有効に得られる。よって中間層の厚さとして、これらを両立する最適な範囲があることが分かる。つまり、最適な中間層の厚さの範囲とし、中間層の厚さを分布ブラッグ反射器の反射波長λ［μｍ］に対し、２０＜ｔ≦（５０λ−１５）［ｎｍ］に選ぶことによって、高い反射率を維持したまま、ヘテロ界面の影響が低減された、電気特性の優れたｎ型分布ブラッグ反射器を得ることができる。
【０１５０】
また、請求項５記載の発明によれば、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のｎ型半導体分布ブラッグ反射器が用いられていることを特徴とする面発光半導体レーザ素子であるので、静電容量が低減され、高速変調が可能な面発光半導体レーザ素子を提供することができる。
【０１５１】
また、請求項６記載の発明によれば、活性層を挟んでｎ型半導体分布ブラッグ反射器とｐ型半導体分布ブラッグ反射器とが設けられている面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器がメサ形状に加工されているので、静電容量が低減され、高速変調が可能な面発光半導体レーザ素子を提供することができる。
【０１５２】
また、請求項７記載の発明によれば、活性層を挟んでｎ型半導体分布ブラッグ反射器とｐ型半導体分布ブラッグ反射器とが設けられている面発光半導体レーザ素子において、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の共振領域以外の領域が高抵抗化されているので、静電容量が低減され、高速変調が可能な面発光半導体レーザ素子を提供することができる。
【０１５３】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項６または請求項７記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、屈折率が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層が設けられているので、静電容量が低減され、高速変調が可能な面発光半導体レーザ素子を提供することができる。
【０１５４】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項６または請求項７記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、屈折率が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層が設けられ、前記中間層の厚さが２０［ｎｍ］よりも厚いので、電子電流の通路を限定し、静電容量に寄与するｎ型半導体分布ブラッグ反射器の面積を低減でき、更に、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器のヘテロ界面の静電容量を低減し、高速変調が可能となる。すなわち、請求項１，請求項２の効果で説明した様に、前記の半導体層をヘテロ界面に設けることによって、中間層を設けない場合に比べて、ヘテロ界面におけるポテンシャルの分布が平滑化され、キャリアの空乏，蓄積が低減し、空乏化によって生じる静電容量を飛躍的に低減することができる。更に、請求項６，請求項７の様に、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器のエッチング、及び高抵抗化により電子の通路をメサ領域内に限定することによって、容量として実効的に寄与する半導体分布ブラッグ反射器の面積を低減することができる。従って、請求項９の様にこれらを併せて用いることにより、更に効果的に素子の静電容量を低減することが可能であり、非常に高速変調に適した構造を得ることが可能である。請求項９による素子は、以上の様にｎ型半導体分布ブラッグ反射器の静電容量が低減したことによって、１０Ｇｂｐｓ以上の高速変調を容易に行うことが可能となる。
【０１５５】
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項６または請求項７記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、屈折率が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層が設けられ、前記中間層の厚さが３０［ｎｍ］以上の厚さであるので、電子電流の通路を限定し、静電容量に寄与するｎ型半導体分布ブラッグ反射器の面積を低減でき、更に、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器のヘテロ界面の静電容量を低減し、高速変調が可能となる。すなわち、請求項１，請求項２の効果で説明した様に、前記の半導体層をヘテロ界面に設けることによって、十分にヘテロ界面におけるポテンシャルの分布を平滑化することが可能であり、キャリアの空乏，蓄積が低減し、空乏化によって生じる静電容量を更に飛躍的に低減することができる。更に、請求項６，請求項７の様に、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器のエッチング、及び高抵抗化により電子の通路をメサ領域内に限定することによって、容量として実効的に寄与する半導体分布ブラッグ反射器の面積を低減することができる。従って、請求項１０の様にこれらを併せて用いることにより、更に効果的に素子の静電容量を低減することが可能であり、非常に高速変調に適した構造を得ることが可能である。請求項１０による素子は、以上の様にｎ型半導体分布ブラッグ反射器の静電容量が低減したことによって、１０Ｇｂｐｓ以上の高速変調を容易に行うことが可能となる。
【０１５６】
また、請求項１１記載の発明によれば、請求項６または請求項７記載の面発光半導体レーザ素子において、前記ｎ型半導体分布ブラッグ反射器は、屈折率が異なる２種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層が設けられ、前記中間層の厚さｔ［ｎｍ］が、分布ブラッグ反射器の反射波長λ［μｍ］に対して、２０＜ｔ≦（５０λ−１５）［ｎｍ］の範囲であるので、電子電流の通路を限定し、静電容量に寄与するｎ型半導体分布ブラッグ反射器の面積を低減でき、更に、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器のヘテロ界面の静電容量を低減し、高速変調が可能となる。すなわち、請求項１，請求項２，請求項３の効果で説明した様に、前記の半導体層をヘテロ界面に設けることによって、ヘテロ界面におけるポテンシャルの分布が平滑化され、キャリアの空乏，蓄積が低減し、空乏化によって生じる静電容量を飛躍的に低減することができる。また、中間層の厚さを上記の範囲に選ぶことによって、ｎ型分布ブラッグ反射器の反射率を高く維持することができ、発振閾値電流の低い面発光レーザ素子を得ることができる。
【０１５７】
更に、請求項６，請求項７の様にｎ型半導体分布ブラッグ反射器のエッチング及び高抵抗化により電子の通路をメサ領域内に限定することによって、容量として実効的に寄与する半導体分布ブラッグ反射器の面積を低減することができる。従って、請求項１１の様にこれらを併せて用いることにより、更に効果的に素子の静電容量を低減することが可能であり、非常に高速変調に適した構造を得ることが可能である。請求項１１による素子は、以上の様にｎ型半導体分布ブラッグ反射器の静電容量が低減したことによって、１０Ｇｂｐｓ以上の高速変調を容易に行うことが可能となる。
【０１５８】
また、請求項１２記載の発明によれば、請求項５乃至請求項１１のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子において、活性層は、ＩＩＩ族材料とＶ族材料とにより構成されており、活性層のＩＩＩ族材料が、Ｇａ，Ｉｎのいずれか、または、全てであり、活性層のＶ族材料が、Ａｓ，Ｎ，Ｓｂのいずれか、または、全てであるので、静電容量が低減され、高速変調が可能な長波長帯の面発光半導体レーザ素子を提供することができる。
【０１５９】
また、請求項１３記載の発明によれば、請求項５乃至請求項１２のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子によって構成されていることを特徴とする面発光レーザアレイであるので、静電容量が低減され、高速変調が可能な面発光レーザアレイを提供することができる。
【０１６０】
また、請求項１４記載の発明によれば、請求項５乃至請求項１２のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子、または、請求項１３記載の面発光レーザアレイが用いられていることを特徴とする面発光レーザモジュールであるので、高速な光通信，光伝送が可能な面発光レーザモジュールを提供することができる。
【０１６１】
また、請求項１５記載の発明によれば、請求項５乃至請求項１２のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子、または、請求項１３記載の面発光レーザアレイ、または、請求項１４記載の面発光レーザモジュールを用いて構成された光インターコネクションシステムであるので、高速，大容量の光伝送が可能な光インターコネクションシステムを提供することができる。
【０１６２】
また、請求項１６記載の発明によれば、請求項５乃至請求項１２のいずれか一項に記載の面発光半導体レーザ素子、または、請求項１３記載の面発光レーザアレイ、または、請求項１４記載の面発光レーザモジュールを用いて構成された光通信システムであるので、高速，大容量の光伝送が可能な光通信システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態のｎ型半導体分布ブラッグ反射器の一例を説明するための図である。
【図２】組成傾斜層の一例を示す図である。
【図３】第２，第６の実施形態の面発光半導体レーザ素子の一例を説明するための図である。
【図４】第３，第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子の一例を説明するための図である。
【図５】ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の一例を示す図である。
【図６】第４，第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子の一例を説明するための図である。
【図７】ｎ型半導体分布ブラッグ反射器の一例を示す図である。
【図８】実施例２の面発光半導体レーザ素子をｐ型半導体基板上に実現した例を示す図である。
【図９】面発光半導体レーザ素子の他の構成例を示す図である。
【図１０】第７の実施形態の面発光レーザアレイの一例を説明するための図である。
【図１１】第８の実施形態の面発光レーザモジュールの一例を説明するための図である。
【図１２】第９の実施形態の光インターコネクションシステムの一例としての並列光インターコネクションシステムを示す図である。
【図１３】第１０の実施形態の光通信システムの実施例としての光ＬＡＮシステムを示す図である。
【図１４】ヘテロ界面が素子特性に与える影響を示すための電流―電圧特性を示す図である。
【図１５】ＡｌＡｓ／ＧａＡｓからなるｎ型半導体分布ブラッグ反射器を含む素子を示す図である。
【図１６】図１５と同様の構造の素子において、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器のＡｌＡｓ／ＧａＡｓの各界面に中間層として線形組成傾斜層を設けた場合の電流―電圧特性を示す図である。
【図１７】各波長帯において、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓよりなる分布ブラッグ反射器の組成傾斜層の厚さに対する反射率変化の微係数を示す図である。
【図１８】第３の実施形態のｎ型半導体分布ブラッグ反射器の一例を説明するための図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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