(57)【要約】【課題】低抵抗で、かつ、光吸収損失が小さい半導体分布ブラッグ反射器を提供する。【解決手段】屈折率が連続的あるいは段階的に変化する半導体層からなる領域と、互いに屈折率が異なり、かつ、一定の屈折率をもつ２種の半導体層の間に、該２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられている領域とを備えている半導体分布ブラッグ反射器である。このような構成では、低抵抗な半導体分布ブラッグ反射器を提供することができる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率が連続的あるいは段階的に変化する半導体層からなる領域と、互いに屈折率が異なり、かつ、一定の屈折率をもつ２種の半導体層の間に、該２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられている領域とを備えていることを特徴とする半導体分布ブラッグ反射器。
【請求項２】
請求項１記載の半導体分布ブラッグ反射器において、屈折率が連続的あるいは段階的に変化する半導体層からなる領域における最大の禁則帯幅と最小の禁則帯幅との差は、互いに屈折率が異なり、かつ、一定の屈折率をもつ２種の半導体層の間に、該２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられている領域における最大の禁則帯幅と最小の禁則帯幅との差に比べて小さいことを特徴とする半導体分布ブラッグ反射器。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の半導体分布ブラッグ反射器において、半導体分布ブラッグ反射器内の光の電界強度が相対的に大きな部位が、屈折率が連続的あるいは段階的に変化する半導体層からなる領域であって、かつ、半導体分布ブラッグ反射器内の光の電界強度が相対的に大きな部位におけるドーピング濃度が他の領域のドーピング濃度に対し相対的に低濃度であり、また、半導体分布ブラッグ反射器内の光の電界強度が相対的に小さな部位が、互いに屈折率が異なり、かつ、一定の屈折率をもつ２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられている領域であって、かつ、半導体分布ブラッグ反射器内の光の電界強度が相対的に小さな部位におけるドーピング濃度が他の領域のドーピング濃度に対し相対的に高濃度であることを特徴とする半導体分布ブラッグ反射器。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体分布ブラッグ反射器において、該半導体分布ブラッグ反射器の反射波長は、１．１μｍよりも長波であることを特徴とする半導体分布ブラッグ反射器。
【請求項５】
活性層と半導体分布ブラッグ反射器とを有する面発光レーザ素子において、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体分布ブラッグ反射器を共振器ミラーとして用いたことを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項６】
請求項５記載の面発光レーザ素子において、前記活性層はＩＩＩ−Ｖ族材料からなり、活性層のＩＩＩ族材料が、Ｇａ，Ｉｎのいずれか、または、全てから構成され、また、活性層のＶ族材料が、Ａｓ，Ｎ，Ｓｂのいずれか、または、全てから構成されていることを特徴とする面発光レーザ素子。
【請求項７】
請求項５または請求項６記載の面発光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８】
請求項５または請求項６記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイを用いたことを特徴とする面発光レーザモジュール。
【請求項９】
請求項５または請求項６記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイ、または、請求項８記載の面発光レーザモジュールを用いて構成されていることを特徴とする光インターコネクションシステム。
【請求項１０】
請求項５または請求項６記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイ、または、請求項８記載の面発光レーザモジュールを用いて構成されていることを特徴とする光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体分布ブラッグ反射器および面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよび光通信システムおよび光インターコネクションシステムに関する。
【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）、及び、これを共振器ミラーとして用いた面発光レーザ素子が知られている。
【０００３】
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、屈折率の異なる材料の界面での光波の多重反射を利用し、９９．９％以上の高い反射率を得ることが可能である。
【０００４】
また、面発光レーザ素子は、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。面発光レーザ素子は、光学利得を生じる領域が、共振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。
【０００５】
分布ブラッグ反射器の材料としては、例えば、半導体や誘電体材料等が挙げられるが、特に半導体材料による分布ブラッグ反射器は通電が可能であり、面発光レーザ素子等のレーザ素子への応用に適している。
【０００６】
従来、このような面発光レーザ素子として、ＧａＡｓを基板に用いたＡｌＧａＡｓ系材料による０．８５μｍ帯，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。
【０００７】
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、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。典型的な面発光レーザ素子の例では、活性層を挟み、それぞれｐ型とｎ型と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。
【０００８】
また、面発光レーザ素子では、閾値電流密度（キャリア濃度）を低減する目的から、活性層に近いｐ型半導体分布ブラッグ反射器の一部に、Ａｌ（Ｇａ）Ａｓ選択酸化層よりなる電流狭窄層を設ける構造が知られている。Ａｌ２Ｏ３による選択酸化層（電流狭窄層）は良質な絶縁体であり、キャリアである正孔は、選択酸化層によって狭窄され、活性層の限られた領域に注入が行われるので、容易に注入領域のキャリア濃度を発振閾値密度（キャリア濃度）まで増加させることが可能であり、サブミリアンペアの低閾値電流を得ることができる。また、選択酸化層は、半導体層に比べて低屈折率であるので、横モードの閉じ込め層として作用し、０．９８μｍ帯の面発光レーザ素子では、狭窄径を４μｍ程度以下に絞ることで、単一基本横モード発振を得ることができる。
【０００９】
しかしながら、上述のように４μｍ程度以下に狭窄を行った面発光レーザ素子では、狭窄領域の電流通路の面積が減少し、電気抵抗が非常に増大してしまうという不具合がある。上記のサイズまで狭窄径を絞った面発光レーザ素子では、狭窄によって生じる狭窄抵抗が素子抵抗の半分以上を占めているのが現状である。面発光レーザ素子の高抵抗化は、動作電圧の上昇、発熱による出力飽和、変調速度の低下等の様々な不具合の原因であり、狭窄による抵抗を低減するために、狭窄領域、及びその周辺の抵抗を低減させる必要がある。
【００１０】
以上のように、狭窄によってｐ型半導体分布ブラッグ反射器が高抵抗となる原因に、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器の抵抗が本質的に高いことが挙げられる。ｐ型半導体材料では、禁則帯幅の異なる２種の半導体層のヘテロ界面に生じるポテンシャル障壁の影響が大きく、ｎ型半導体材料によるｎ型半導体分布ブラッグ反射器に比べて非常に高抵抗となる。
【００１１】
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帯等の面発光レーザ素子において、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」等のように、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組成を有する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。
【００１２】
このように、面発光レーザ素子では、素子の低抵抗化が重要な課題であり、従来、特にｐ半導体分布ブラッグ反射器の低抵抗化に関して活発に研究・開発が行われており、上述のようなヘテロ障壁緩衝層を設けることが非常に効果的であり、更に、半導体分布ブラッグ反射器を構成する半導体層、特にヘテロ障壁緩衝層、及びその周辺のドーピング濃度を高くすることが非常に効果的である。
【００１３】
しかしながら、高濃度にドーピングされたｐ型半導体では、素子抵抗等の電気的特性の改善が可能である反面、自由キャリア吸収と価電子帯間吸収とが顕著になり、光学的特性が劣化するという問題が生じる。特に、面発光レーザ素子において、スロープ効率，電力変換効率等を向上させるためには、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器による発振光の吸収を低減させることが重要であり、電気的抵抗の低減と吸収損失の低減という相反する課題を同時に解決する必要がある。
【００１４】
この課題を解決するものとして、特開２００１−３３２８１２では、半導体分布ブラッグ反射器を用いた面発光レーザ素子において、活性層側にあたる半導体分布ブラッグ反射器のドーピング濃度を活性層から離れた領域に対して相対的に低濃度とし、更に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種の半導体層の禁則帯幅の差を小さくするようにしている。
【００１５】
この従来技術では、半導体分布ブラッグ反射器による光吸収の影響による光出力の劣化を改善する方法として、活性層の近傍に位置する半導体分布ブラッグ反射器のドーピング濃度を他の領域のドーピング濃度に比べて低くする構成としている。更に、ドーピング濃度を低減したことによる半導体分布ブラッグ反射器の抵抗の増加を防止するために、上記の低濃度ドーピング領域における半導体分布ブラッグ反射器を構成する半導体層の禁則帯幅の差を、他の領域の禁則帯幅の差に比べて小さくし、ヘテロ界面に生じるポテンシャル障壁高さの低減を行っている。このような構成の面発光レーザ素子では、光出力の飽和点は高く、また素子抵抗も低い。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術には、次の問題があった。すなわち、面発光レーザ素子の特性を改善するには、狭窄による抵抗の増加を低減する必要があるが、酸化狭窄層の周辺の領域、つまり活性層に近い領域のドーピングを高濃度とすることは、光吸収等の影響から、逆に素子特性を低下させてしまう。特開２００１−３３２８１２では、光吸収を低減することを目的として、活性層近傍の領域のドーピングを低濃度とし、更に、これによる抵抗の増加を防ぐ手段として、半導体分布ブラッグ反射器を構成する２種の半導体層の禁則帯幅の差を小さくする構成としている。しかしながら、このようにヘテロ界面を構成する半導体層の禁則帯幅の差を小さくすることにより、ある程度の低抵抗化の効果は得られるものの、実際にはドーピング濃度を低減したことによってヘテロ界面の影響が大きくなることは避けられず、十分に抵抗を低減するには、これらの界面の間に設けられる組成傾斜層等のヘテロ障壁緩衝層を適切に設計することが非常に重要である。特開２００１−３３２８１２の面発光レーザ素子においても、ヘテロ界面の影響を低減する方法として、半導体分布ブラッグ反射器を構成する２種の半導体層の間の屈折率をもつ層をヘテロ界面に設けた構造を用いているが、厚さ，構造等についての詳細な検討はなされておらず、ヘテロ障壁緩衝層の形状及び厚さ等から、十分に低抵抗の抵抗は難しいと考えられる。更に、禁則帯幅の差を小さくすることにより、半導体分布ブラッグ反射器の反射率は著しく低下してしまうので、半導体分布ブラッグ反射器内への光のしみ出しが大きくなる。また、禁則帯幅の差を小さくした領域の反射率が低下してしまうので、この低下分を補償するために、逆に半導体分布ブラッグ反射器の積層数が増加してしまうという問題がある。
【００１７】
本発明は、低抵抗で、かつ、光吸収損失が小さい半導体分布ブラッグ反射器および面発光レーザ素子および面発光レーザアレイおよび光通信システムおよび光インターコネクションシステムを提供することを目的としている。
【００１８】
【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記載の発明では、屈折率が連続的あるいは段階的に変化する半導体層からなる領域と、互いに屈折率が異なり、かつ、一定の屈折率をもつ２種の半導体層の間に、該２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられている領域とを備えていることを特徴としている。
【００１９】
また、請求項２記載の発明では、請求項１記載の半導体分布ブラッグ反射器において、屈折率が連続的あるいは段階的に変化する半導体層からなる領域における最大の禁則帯幅と最小の禁則帯幅との差は、互いに屈折率が異なり、かつ、一定の屈折率をもつ２種の半導体層の間に、該２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられている領域における最大の禁則帯幅と最小の禁則帯幅との差に比べて小さいことを特徴としている。
【００２０】
また、請求項３記載の発明では、請求項１または請求項２記載の半導体分布ブラッグ反射器において、半導体分布ブラッグ反射器内の光の電界強度が相対的に大きな部位が、屈折率が連続的あるいは段階的に変化する半導体層からなる領域であって、かつ、半導体分布ブラッグ反射器内の光の電界強度が相対的に大きな部位におけるドーピング濃度が他の領域のドーピング濃度に対し相対的に低濃度であり、また、半導体分布ブラッグ反射器内の光の電界強度が相対的に小さな部位が、互いに屈折率が異なり、かつ、一定の屈折率をもつ２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられている領域であって、かつ、半導体分布ブラッグ反射器内の光の電界強度が相対的に小さな部位におけるドーピング濃度が他の領域のドーピング濃度に対し相対的に高濃度であることを特徴としている。
【００２１】
また、請求項４記載の発明では、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体分布ブラッグ反射器において、該半導体分布ブラッグ反射器の反射波長は、１．１μｍよりも長波であることを特徴としている。
【００２２】
また、請求項５記載の発明では、活性層と半導体分布ブラッグ反射器とを有する面発光レーザ素子において、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体分布ブラッグ反射器を共振器ミラーとして用いたことを特徴とする面発光レーザ素子である。
【００２３】
また、請求項６記載の発明では、請求項５記載の面発光レーザ素子において、前記活性層はＩＩＩ−Ｖ族材料からなり、活性層のＩＩＩ族材料が、Ｇａ，Ｉｎのいずれか、または、全てから構成され、また、活性層のＶ族材料が、Ａｓ，Ｎ，Ｓｂのいずれか、または、全てから構成されていることを特徴としている。
【００２４】
また、請求項７記載の発明では、請求項５または請求項６記載の面発光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８記載の発明では、請求項５または請求項６記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイを用いた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９記載の発明では、請求項５または請求項６記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイ、または、請求項８記載の面発光レーザモジュールを用いて構成されていることを特徴とする光インターコネクションシステムである。
【００２７】
また、請求項１０記載の発明では、請求項５または請求項６記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイ、または、請求項８記載の面発光レーザモジュールを用いて構成されていることを特徴とする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の実施形態は、屈折率が連続的あるいは段階的に変化する半導体層からなる領域と、互いに屈折率が異なり、かつ、一定の屈折率をもつ２種の半導体層の間に、該２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられている領域とを備えている半導体分布ブラッグ反射器である。このような構成では、低抵抗な半導体分布ブラッグ反射器を提供することができる。
【００３０】
すなわち、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器では、半導体へテロ界面におけるスパイク等のポテンシャル障壁の影響により高抵抗化し易いという問題があり、これは、２種の半導体層の禁則帯幅の差が大きい程、また、ヘテロ界面付近のドーピング濃度が小さい程、顕著である。従来、ヘテロ界面の影響を低減するために、組成傾斜層等の２種の半導体層の間に設ける半導体層のドーピングを高くすることが効果的であるが、ドーピング濃度を高濃度とすることによって、光吸収が増加するため、光学的特性を低下させてしまうという問題がある。
【００３１】
また、光吸収を低減するためには、不純物濃度を低減することが有効であるが、逆にヘテロ界面のポテンシャル障壁の影響が顕著となってしまう。ヘテロ界面のポテンシャル障壁の影響を低減するためには、ヘテロ界面を構成する２種の半導体層の禁則帯幅の差を小さくすること等が考えられるが、この場合には、反射率の低下が生じ、ブラッグ反射器の層数を増加させてしまうことの他に、ブラッグ反射器中における光の電界強度のしみ出しを大きくし、低濃度ドーピング領域の厚さを更に厚く設けなければならず、結果的に抵抗値を増加させてしまうという問題が生じる。また、禁則帯幅を小さくした場合でも、ヘテロ界面に設ける組成傾斜層を適切に設計しなければ、十分に抵抗を低減することは難しい。
【００３２】
図６は、０．９８μｍ帯における４周期のｐ型半導体ブラッグ反射器の抵抗率を、組成傾斜層の厚さと、ブラッグ反射器を構成する低屈折率層のＡｌ組成とに対して示した図である。なお、図６において、縦軸には、各ブラッグ反射器の抵抗率をヘテロ界面の影響が全く無いと仮定した場合の値、つまり単純にバルクの抵抗で決まる抵抗率によって規格化した値（規格化抵抗率）が示されている。従って、図６において、ヘテロ界面の影響が低減されるに従い、縦軸の規格化抵抗率は１に漸近する。また、図６では、高屈折率層にはＧａＡｓ層を用いており、ブラッグ反射器のドーピング濃度は、例えば光の吸収を低減するために、全ての領域で５×１０１７［ｃｍ−３］としている。
【００３３】
図６を参照すると、半導体分布ブラッグ反射器の反射率は、Ａｌ組成の差を小さくすることによっても低下するが、これ以上に組成傾斜層の厚さを厚くすることによって激減することが分かる。このように、十分に厚い組成傾斜層を設けた場合には、Ａｌ組成の差を著しく小さくしなくとも、十分に抵抗を低減できることが分かる。
【００３４】
また、図７は、同様な５周期のブラッグ反射器について、組成傾斜層の厚さと反射率との関係について示した図である。ここで、０．９８μｍ帯における組成傾斜層を設けない構造で、高屈折率層をＧａＡｓ層とした場合の膜厚は、６９．５ｎｍであり、低屈折率層であるＡｌＡｓ，Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ，Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ，Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓの厚さは、それぞれ、８０．２ｎｍ，７７．５ｎｍ，７４．８ｎｍである。
【００３５】
図７からは、ブラッグ反射器の反射率が、低屈折率層のＡｌ組成を減じることによって、大きな反射率の低下が生じることがわかり、また、例えば７０ｎｍとブラッグ反射器の殆どを線形組成傾斜層で構成した場合でも、反射率の低下は低屈折率層のＡｌ組成の変化に比べて少ないことがわかる。すなわち、分布ブラッグ反射器の全てを組成傾斜層により構成したような場合においても、著しい反射率の低下が無いことが分かる。
【００３６】
従って、本発明の半導体分布ブラッグ反射器では、反射率に大きな影響を与える程度に低屈折率層のＡｌ組成を低減しなくとも、分布ブラッグ反射器を組成傾斜層等のヘテロ障壁緩衝層のみによって構成することにより、高い反射率を保ったまま十分に低抵抗化することが可能であることが分かる。更に、ヘテロ障壁緩衝層のみでブラッグ反射器を構成することにより、通常用いられている典型的なドーピング濃度（１×１０１８ｃｍ−３程度）の場合は勿論であるが、例えば吸収を低減するために、ドーピングを低濃度（＜１×１０１８ｃｍ−３）とした場合においても、非常に効果的にヘテロ障壁を平滑化し、低抵抗とすることが可能である。
【００３７】
また、さらに、吸収を低減するために低濃度ドーピング領域を設ける場合には、反射率を著しく低下させることがないので、半導体分布ブラッグ反射器中への光のしみ出しは低減し、低濃度領域の層数を低減することが可能であり、半導体分布ブラッグ反射器全体としての抵抗も低く抑えることができる。また、反射率への影響が少ないので、ブラッグ反射器の層数を増やす必要が無く、積層数の増加による抵抗の増加を防ぐことができる。
【００３８】
また、例えば、分布ブラッグ反射器を面発光レーザ素子等の共振器ミラーとして用いる場合等、ブラッグ反射器中にＡｌ（Ｇａ）Ａｓを酸化してなる酸化狭窄層（電流狭窄層）が設けられる場合が多く、更に、酸化狭窄層は狭窄効果を高めるために、活性層に近い低濃度ドーピング領域に設けられることが多い。酸化狭窄領域の周辺においては、電流通路が小さくなることによって、ドーピング濃度を低濃度としない場合においても非常に高抵抗化し易い。しかしながら、本発明のように分布ブラッグ反射器を組成傾斜層等のヘテロ障壁緩衝層のみによって構成した領域は低抵抗であるので、酸化狭窄により電流が集中する領域が低抵抗であることにより、従来に比べて、電流狭窄による高抵抗化を防止することが可能である。
【００３９】
このように、本発明の第１の実施形態では、電気抵抗が低く、特性の優れた半導体分布ブラッグ反射器を得ることができる。
【００４０】
第２の実施形態
本発明の第２の実施形態は、第１の実施形態の半導体分布ブラッグ反射器において、屈折率が連続的あるいは段階的に変化する半導体層からなる領域における最大の禁則帯幅と最小の禁則帯幅の差は、互いに屈折率が異なり、かつ、一定の屈折率をもつ２種の半導体層の間に、該２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられている領域における最大の禁則帯幅と最小の禁則帯幅との差に比べて小さいことを特徴としており、これによって、以下のように、低抵抗な半導体分布ブラッグ反射器を提供することができる。
【００４１】
すなわち、前述したように、ヘテロ界面における高抵抗化の原因は、ヘテロ界面に生じるポテンシャル障壁であり、ヘテロ界面を構成する半導体層の禁則帯幅の差が大きい程、また、ヘテロ界面のドーピング濃度が低い程、抵抗が高くなる。例えば、光の吸収損失を低減するために、光の入射側にあたるブラッグ反射器のドーピング濃度を低濃度とすると、ドーピング濃度を低減したことによって、ヘテロ界面の影響が顕著になり、高抵抗化し易い。しかし、本発明のようにドーピング濃度が相対的に低濃度である領域の全てを組成傾斜層等によって構成することにより、通常用いられている典型的なドーピング濃度（１×１０１８ｃｍ−３程度）の場合は勿論、ドーピング濃度を低濃度（＜１×１０１８ｃｍ−３）とした場合も、反射率を著しく低下させることなく、抵抗を十分に低減することが可能である。
【００４２】
さらに、この際に、組成傾斜層のみによって構成される半導体分布ブラッグ反射器の最大の禁則帯幅と最小の禁則帯幅の差を小さくすることにより、ポテンシャル障壁の発生がより抑制されるので、さらに低抵抗な半導体分布ブラッグ反射器を得ることができる。例えば、再び図６を参照すると、組成傾斜層の厚さを５０ｎｍとすることによって、いずれの構造においても非常に効果的に抵抗が低減されているが、半導体分布ブラッグ反射器を構成する半導体層の禁則帯幅の差を小さくすることによって、より低抵抗となることが分かる。従って、さらに抵抗を低減する目的においては，半導体層の禁則帯幅の差を小さくすることが有効であることが分かる。
【００４３】
しかし、禁則帯幅の差をあまり小さくしすぎると、図７のように反射率への影響が大きくなり、反射率の低下が顕著となり、さらに半導体分布ブラッグ反射器への光のしみ出しが大きくなるので、これらの点を考慮し、特性が著しく劣化しない程度に、低屈折率層のＡｌ組成を選ぶことにより、光学特性と電気特性との両方に優れた半導体分布ブラッグ反射器を得ることができる。
【００４４】
また、さらに、半導体分布ブラッグ反射器を面発光レーザ素子等の共振器ミラーとして用いる場合等、ブラッグ反射器中にＡｌ（Ｇａ）Ａｓを酸化してなる酸化狭窄層（電流狭窄層）が設けられる場合が多く、さらに、酸化狭窄層は狭窄効果を高めるために、活性層に近い低濃度ドーピング領域に設けられることが多い。酸化狭窄領域の周辺においては、電流通路が小さくなることによって、ドーピング濃度を低濃度としない場合においても非常に高抵抗化し易い。しかしながら、本発明のように半導体分布ブラッグ反射器を組成傾斜層等のヘテロ障壁緩衝層のみによって構成し、前記領域の最大の禁則帯幅と最小の禁則帯幅との差を他の領域に比べ小さく選ぶことで、狭窄領域を低抵抗とすることができ、従来に比べて狭窄による高抵抗化を防止することが可能となる。
【００４５】
さらに、ｐ−ＡｌＧａＡｓ混晶はＡｌ組成の減少とともに、多数キャリアである正孔の移動度が大きくなる傾向があり、十分にヘテロ障壁の影響が低減された半導体分布ブラッグ反射器では、正孔の移動度が大きくなることにより、抵抗が低減する効果が期待できる。
【００４６】
このように、本発明の第２の実施形態では、電気抵抗が低く、特性の優れた半導体分布ブラッグ反射器を得ることができる。
【００４７】
第３の実施形態
本発明の第３の実施形態は、第１または第２の実施形態の半導体分布ブラッグ反射器において、半導体分布ブラッグ反射器内の光の電界強度が相対的に大きな部位が、屈折率が連続的あるいは段階的に変化する半導体層からなる領域であって、かつ、半導体分布ブラッグ反射器内の光の電界強度が相対的に大きな部位におけるドーピング濃度が他の領域のドーピング濃度に対し相対的に低濃度であり、また、半導体分布ブラッグ反射器内の光の電界強度が相対的に小さな部位が、互いに屈折率が異なり、かつ、一定の屈折率をもつ２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられている領域であって、かつ、半導体分布ブラッグ反射器内の光の電界強度が相対的に小さな部位におけるドーピング濃度が他の領域のドーピング濃度に対し相対的に高濃度であることを特徴としており、これによって、以下のように、半導体分布ブラッグ反射器内の電界強度に応じて、効率良く、発振光の吸収損失の低減及び低抵抗化を図ることができる。換言すれば、半導体分布ブラッグ反射器の発振光の吸収損失を低減し、より低抵抗とすることができる。
【００４８】
すなわち、半導体分布ブラッグ反射器では、各半導体層の屈折率の違いによる光波の多重反射を利用し、各半導体層の厚さは反射波が強め合う位相条件となるように選ばれている。従って、光波の反射は単一の反射鏡のように表面のみで生じるのではなく、光波は半導体分布ブラッグ反射器の内部に浸透しながら、徐々に反射を受けており、入射表面ほど、光の電界強度が強くなっている。
【００４９】
従って、光の電界強度に応じて、電界強度が大きな領域における半導体分布ブラッグ反射器のドーピング濃度を低濃度とすることにより、光の電界強度が大きな領域における光の吸収損失を大幅に低減することが可能となり、光学特性が非常に優れたブラッグ反射器を得ることができる。
【００５０】
さらに、第１，第２の実施形態で説明したように、本発明の半導体分布ブラッグ反射器では、ドーピング濃度が低濃度である領域を組成傾斜層等のヘテロ障壁緩衝層のみで形成することにより、ドーピング濃度を低濃度とした場合でも、ヘテロ障壁の影響はほとんど無く、電気抵抗を非常に低く抑えることが可能となる。従って、吸収が少なく、電気抵抗も低い、特性の優れた半導体分布ブラッグ反射器を得ることが可能となる。
【００５１】
また、さらに、ヘテロ障壁緩衝層のみによって構成された領域のブラッグ反射器のドーピング濃度も、単に一定に低濃度とするのではなく、光の電界強度に応じて（具体的に、電界強度の減衰にともなって）、光吸収が顕著とならないように次第に高濃度になるように変化させることもできる。このような構成とすることによって、光吸収を低減する目的で、ドーピング濃度を低濃度とした領域において、必要以上にドーピング濃度を低濃度とし、高抵抗としてしまうことを防止でき、より効率良く、低吸収化及び低抵抗化を図ることができる。
【００５２】
従って、本発明の第３の実施形態では、光学的，電気的に特性の優れた半導体分布ブラッグ反射器を得ることができる。
【００５３】
第４の実施形態
本発明の第４の実施形態は、第１乃至第３のいずれかの実施形態の半導体分布ブラッグ反射器において、該半導体分布ブラッグ反射器の反射波長は、１．１μｍよりも長波であることを特徴としており、反射波長が１．１μｍよりも長波の半導体分布ブラッグ反射器の発振光の吸収損失を低減し、低抵抗化することができる。
【００５４】
すなわち、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器の光吸収の原因である価電子帯間吸収は、電子が光を吸収し、価電子帯のスピン軌道スプリットオフバンドから、ヘビーホールバンド及びライトホールバンドに遷移することによって生じ、これらの準位間のエネルギー差が僅かであることから、より長波の光に対して吸収が顕著となる。従って、光通信等で重要な１．３μｍ，１．５μｍ帯では、これまでＧａＡｓ基板上に作製されていたレーザ素子等の０．８５μｍ，０．９８μｍ帯等の光に比べ、非常に大きな吸収損失が存在する。つまり、従来技術によるｐ型半導体分布ブラッグ反射器では、吸収係数が大きいので、抵抗が低く、吸収損失が小さいという両方の特性を兼ね備えた特性の優れたｐ型半導体分布ブラッグ反射器を得ることが難しい。
【００５５】
これに対し、本発明の第１乃至第３の実施形態の構成では、前述のように光吸収が顕著となる領域、つまり、半導体分布ブラッグ反射器内において光の強度が大きな領域の光吸収を、抵抗を増加させることなく、低減することが可能である。図１８は、図７と同様に１．１μｍよりも長波の反射波長を有する半導体分布ブラッグ反射器の例として、１．３μｍを反射波長とした５周期のブラッグ反射器において、屈折率が一定である半導体層の間に線形組成傾斜層を設けた場合の反射率を、組成傾斜層の厚さと、低屈折率層であるＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成とを変えて示した結果を表わす図である。
【００５６】
１．３μｍを反射波長とするブラッグ反射器において、組成傾斜層を設けない場合の、高屈折率層であるＧａＡｓ層の厚さは９５．２ｎｍであり、低屈折率層であるＡｌＡｓ，Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ，Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ，Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層の厚さは、それぞれ、１１１．６ｎｍ，１０８．２ｎｍ，１０４．８ｎｍ，１０１．５ｎｍである。ブラッグ反射器を構成する半導体層の厚さは、波長の長波長化にともなって厚くなっているが、図１８からわかるように、このような波長帯においても、ブラッグ反射器の全てを組成傾斜層で構成したとしても、同様に著しい反射率の低下が無いことが分かる。
【００５７】
よって、本発明のように１．１μｍよりも長波に反射波長を有する半導体分布ブラッグ反射器において、光の電界強度が大きな領域のドーピング濃度を低濃度とし、この領域のブラッグ反射器を組成傾斜層等のヘテロ障壁緩衝層のみで構成することによって、特に吸収が顕著な長波長帯において、発振光の吸収損失の低減と低抵抗化とを図ることが可能となる。
【００５８】
さらに、従来のように、ドーピング濃度が低濃度である領域のＡｌ組成を低下させた場合に比べて、ブラッグ反射器の反射率が十分に高いので、光のしみ出しを低減することが可能であり、低濃度領域の厚さを薄くすることができる。また、反射率の低下が少ないことから、分布ブラッグ反射器の層数を増加させる必要が少なく、同様にブラッグ反射器全体としての抵抗を低く抑えることが可能となる。
【００５９】
以上のように、波長が１．１μｍ帯よりも長波の半導体分布ブラッグ反射器において、特に顕著に低吸収とする大きな効果を得られる。
【００６０】
また、さらに、第１乃至第３の実施形態で述べたように、ブラッグ反射器を面発光レーザ素子等の共振器ミラーとして用いる場合等、ブラッグ反射器中にＡｌ（Ｇａ）Ａｓを酸化してなる酸化狭窄層（電流狭窄層）が設けられる場合が多く、さらに酸化狭窄層は狭窄効果を高めるために、活性層に近い低濃度ドーピング領域に設けられることが多い。酸化狭窄領域の周辺においては、電流通路が小さくなることによって、ドーピング濃度を低濃度としない場合においても非常に高抵抗化し易い。
【００６１】
これに対し、本発明のように半導体分布ブラッグ反射器を組成傾斜層等のヘテロ障壁緩衝層のみによって構成した領域は低抵抗であるので、酸化狭窄により電流が集中する領域が低抵抗であることにより、従来に比べて電流狭窄による高抵抗化を防止することが可能である。
【００６２】
このように、本発明の第４の実施形態では、発振光の吸収損失及び抵抗値が十分に低く、光学的，電気的に特性の優れた半導体分布ブラッグ反射器を得ることができる。
【００６３】
第５の実施形態
本発明の第５の実施形態は、活性層と半導体分布ブラッグ反射器とを有する面発光レーザ素子において、第１乃至第４のいずれかの実施形態の半導体分布ブラッグ反射器を共振器ミラーとして用いたことを特徴とする面発光レーザ素子であり、この面発光レーザ素子では、活性層に近い、発振光の電界強度が大きな領域におけるｐ型半導体分布ブラッグ反射器のドーピング濃度を、活性層から離れた発振光の電界強度が比較的小さい領域におけるドーピング濃度に対して低濃度とすることによって、光の吸収損失を低減し、スロープ効率の向上、発振閾値電流の低減が可能となる。換言すれば、素子抵抗を増加させることなく、面発光レーザ素子における発振光の吸収損失を低減し、スロープ効率を向上させ、更に発振閾値電流を低減させ、更に高出力動作を可能とし、更に電力変換効率を向上させることが可能となる。
【００６４】
また、本発明では、ｐ型ブラッグ反射器の低濃度ドーピング領域におけるブラッグ反射器を組成傾斜層のみで構成することにより、低濃度ドーピング領域のヘテロ界面のポテンシャル障壁を十分に平滑化することが可能であり、電気抵抗を増加させることなく、吸収損失を低減することができる。また、ブラッグ反射器を組成傾斜層のみで構成した場合の反射率の低下は、ブラッグ反射器の低屈折率層であるＡｌＧａＡｓ混晶のＡｌ組成を低減した場合に比べて影響が少なく、高い反射率を維持することが可能である。よって、ブラッグ反射器中への光のしみ出しが低減され、低濃度ドーピング領域の厚さを薄くできるので、抵抗の増加を低減することができる。また、ブラッグ反射器全体の積層数も少なくすることができるので、抵抗の増加を低減することができる。
【００６５】
さらに、分布ブラッグ反射器を面発光レーザ素子等の共振器ミラーとして用いる場合、ブラッグ反射器中にＡｌ（Ｇａ）Ａｓを酸化してなる酸化狭窄層（電流狭窄層）が設けられる場合が多く、酸化狭窄層は、狭窄効果を高めるために、活性層に近い低濃度ドーピング領域に設けられることが多い。酸化狭窄領域の周辺においては、電流通路が小さくなることによって、ドーピング濃度を低濃度としない場合においても非常に高抵抗化し易い。
【００６６】
これに対し、本発明のように分布ブラッグ反射器を組成傾斜層等のヘテロ障壁緩衝層のみによって構成した領域は低抵抗であるので、酸化狭窄により電流が集中する領域が低抵抗であることにより、従来に比べて狭窄による高抵抗化を防止することが可能となる。
【００６７】
よって、従来の面発光レーザ素子に比べて、動作電圧，素子の発熱を低減することが可能であり、熱による飽和出力が高く、吸収損失が低減したことによりスロープ効率が向上し、更に発振閾値電流を低減した面発光レーザ素子を得ることができる。
【００６８】
第６の実施形態
本発明の第６の実施形態は、第５の実施形態の面発光レーザ素子において、前記活性層はＩＩＩ−Ｖ族材料からなり、活性層のＩＩＩ族材料が、Ｇａ，Ｉｎのいずれか、または、全てから構成され、また、活性層のＶ族材料が、Ａｓ，Ｎ，Ｓｂのいずれか、または、全てから構成されていることを特徴としている。これらの材料からなる活性層は、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（半導体分布ブラッグ反射器）を用いた面発光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、さらに、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。換言すれば、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第５の実施形態の特徴を有した通信用途に好適な面発光レーザ素子が得られる。
【００６９】
そして、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を組み合わせることによって、高速光通信が可能となる。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。
【００７０】
この際、特に、第６の実施形態で挙げる材料の中でも、ＧａＩｎＮ（Ｓｂ）Ａｓ混晶材料は、１．１μｍ以上の発振波長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。
【００７１】
これらに加えて、上述したように、本発明の面発光レーザ素子は、従来の面発光レーザ素子に比べて、吸収損失が小さく、低抵抗であるので、スロープ効率が向上し、発振閾値電流が低減された面発光レーザ素子を得ることができる。また、抵抗も低いので、飽和出力が高く、高出力を得ることができる。また、電力変換効率が高く、低消費電力も小さい。以上のように、光通信，光伝送用として好適な面発光レーザ素子を得ることができる。
【００７２】
第７の実施形態
本発明の第７の実施形態は、第５または第６の実施形態の面発光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である。これにより、第７の実施形態では、第５，第６の実施形態の特徴を有する面発光レーザアレイが得られる。
【００７３】
すなわち、本発明の面発光レーザ素子は、第５の実施形態で説明したように、スロープ効率が大きく、発振閾値電流が低く、電力変換効率が高く、低消費電力な面発光レーザ素子となる。従って、本発明の面発光レーザ素子により構成された面発光レーザアレイでは、アレイ全体としての電力変換効率が高く、非常に高効率な面発光レーザアレイを得ることができる。
【００７４】
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、さらに大容量の光伝送，光通信を行うことが可能となる。また、第６の実施形態の活性層材料によって１．３μｍ帯で発振するレーザアレイを構成した場合には、高速並列伝送，通信が可能になる。また同様に、１．５μｍ帯付近で発振するレーザアレイを構成した場合には、ＷＤＭ，ＤＷＤＭ等の波長多重通信が可能であり、さらに高速，大容量の光伝送，光通信が可能な面発光レーザアレイを得ることができる。
【００７５】
第８の実施形態
本発明の第８の実施形態は、第５または第６の実施形態の面発光レーザ素子、または、第７の実施形態の面発光レーザアレイを用いたことを特徴とする面発光レーザモジュールである。第８の実施形態の面発光レーザモジュールには、第５乃至第７の実施形態による、発振光の吸収損失が低減された低抵抗な面発光レーザ素子、または、面発光レーザアレイが用いられているので、スロープ効率が大きく、発振閾値電流が低く、電力変換効率が高く、低消費電力な面発光レーザモジュールを得ることができる。また、特に後述の実施例６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、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，大容量な光通信，光伝送を行うことができる。また、１．５μｍ帯で発振する面発光レーザ素子を用いた面発光レーザモジュールでは、ＷＤＭ，ＤＷＤＭ等の波長多重通信が可能であり、さらに高速，大容量の光伝送，光通信が可能となる。
【００７６】
以上のように、この第８の実施形態では、特性の優れた高速，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得ることができる。
【００７７】
第９の実施形態
本発明の第９の実施形態は、第５または第６の実施形態の面発光レーザ素子、または、第７の実施形態の面発光レーザアレイ、または、第８の実施形態の面発光レーザモジュールを用いて構成されていることを特徴とする光インターコネクションシステムである。第９の実施形態の光インターコネクションシステムには、第５乃至第８の実施形態による、発振光の吸収損失が低減された低抵抗な面発光レーザ素子、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、電力変換効率が高く、低消費電力な光通信システムを得ることができる。
【００７８】
また、後述の実施例６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，大容量な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レーザ素子は、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できるので、非常に信頼性の高い光通信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、この第９の実施形態では、高速，大容量な光伝送が可能であり、また、電力変換効率が高く、さらに信頼性の高い光通信システムを得ることができる。
【００７９】
第１０の実施形態
本発明の第１０の実施形態は、第５または第６の実施形態の面発光レーザ素子、または、第７の実施形態の面発光レーザアレイ、または、第８の実施形態の面発光レーザモジュールを用いて構成されていることを特徴とする光通信システムである。第１０の実施形態の光通信システムには、第５乃至第８の実施形態による、発振光の吸収損失が低減された低抵抗な面発光レーザ素子、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、電力変換効率が高く、低消費電力な光通信システムを得ることができる。
【００８０】
また、後述の実施例６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，大容量な光通信、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レーザ素子は、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できるので、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。
【００８１】
このように、この第１０の実施形態では、高速，大容量な光通信が可能であり、また、電力変換効率が高く、さらに信頼性の高い光通信システムを得ることができる。
【００８２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００８３】
実施例１
実施例１は、第１，第３の実施形態に対応した実施例である。図１は実施例１の半導体分布ブラッグ反射器を示す図である。図１の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ｐ型半導体分布ブラッグ反射器であり、結晶成長方法としてＭＯＣＶＤ法を用いてＧａＡｓ基板上に作製されている。
【００８４】
図１のｐ型半導体分布ブラッグ反射器は、ＡｌＧａＡｓ混晶半導体から構成されたものであり、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ），トリメチルガリウム（ＴＭＧ）が用いられ、また、Ｖ族原料としてアルシン（ＡｓＨ３）ガスが用いられている。また、ｐ型のドーパントにはＣＢｒ４が用いられている。
【００８５】
実施例１の半導体分布ブラッグ反射器は、図１に示すように、半導体分布ブラッグ反射器Ｉと、半導体分布ブラッグ反射器ＩＩとによって構成されており、ブラッグ反射器ＩＩには、電気抵抗を低減する目的で、互いに屈折率が異なり、かつ、一定の屈折率をもつ２種の半導体層の間に、これら２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられている。具体的に、これら２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層の例として、図２のように、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が設けられている。ここで、図２は、屈折率が一定な層と、これらの層の間に設けられた組成傾斜層のバンドエネルギーを模式的に示した図である。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。
【００８６】
図１における分布ブラッグ反射器ＩＩでは、ＧａＡｓ層を高屈折率層とし、Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層を低屈折率層とし、図２，図３に示すように、これらの層のそれぞれの間に線形組成傾斜層を設けた構成を１周期として、２０周期が繰り返し積層されている。
【００８７】
また、図４，図５はブラッグ反射器Ｉの構成を説明するための図であり、ブラッグ反射器Ｉは、屈折率が連続的あるいは段階的に変化する半導体層の一例として、ブラッグ反射器ＩＩと同様な線形組成傾斜層のみによって反射器構造が構成されている。図４は、図２と同様に、線形組成傾斜層のみによって構成されたブラッグ反射器Ｉのバンドエネルギーを模式的に示す図である。ブラッグ反射器Ｉは、ＧａＡｓからＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓへ、Ａｌ０．８Ｇａ０．２ＡｓからＧａＡｓへとＡｌ組成を線形に変化させた、組成変化の方向が異なる２種の線形組成傾斜層によって構成されており、図１におけるブラッグ反射器Ｉでは、図４，図５に示すように、これら２種の線形組成傾斜層の対を１周期として、４周期が繰り返し積層されている。
【００８８】
図２乃至図５からわかるように、ブラッグ反射器Ｉとブラッグ反射器ＩＩとでは、ブラッグ反射器ＩＩが、ブラッグ反射器を構成する元々の主体層である屈折率が一定である半導体層を含んでいるのに対し、ブラッグ反射器Ｉは、主体層を含まずに、線形組成傾斜層等のブラッグ反射器ＩＩにおける中間層に相当する半導体層のみによって構成されている点が大きく異なっている。
【００８９】
ここで、ブラッグ反射器ＩＩにおける組成傾斜層の厚さは３０ｎｍであり、屈折率が一定な層の厚さは、ブラッグ反射器における光波の多重反射の位相条件を満たすように、組成傾斜層と屈折率が一定である層における光の位相変化がπ／２となるように調整されている。
【００９０】
この実施例１の０．９８μｍを反射波長としたブラッグ反射器では、高屈折率層であるＧａＡｓ層の厚さが４０．７ｎｍであり、低屈折率層であるＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層の厚さが４９．１ｎｍである。
【００９１】
また、同様に、ブラッグ反射器Ｉにおける線形組成傾斜層の厚さも光波の多重反射の位相条件を満たすように調整されており、線形組成傾斜層の厚さは、線形組成傾斜層における光の位相変化がπ／２となる厚さである７４．７ｎｍとなっている。
【００９２】
ここで、図１のｐ型半導体分布ブラッグ反射器では、ブラッグ反射器が結晶成長されている側から、つまりブラッグ反射器Ｉ側から光が入射されるものとして設計されており、ブラッグ反射器Ｉにおける不純物のドーピング濃度は、ブラッグ反射器ＩＩにおける不純物のドーピング濃度に対して低濃度となるように、例えば５×１０１７ｃｍ−３程度にドーピングが施されている。
【００９３】
このように、光の入射側にあたる、光の電界強度が相対的に大きな領域Ｉでの不純物ドーピング濃度を低濃度とすることにより、自由キャリア吸収，価電子帯間吸収による光の吸収損失を低減することができる。さらに、この実施例１では、ドーピング濃度が相対的に低濃度であるブラッグ反射器Ｉを線形組成傾斜層のみで構成している。ドーピング濃度を低濃度とすると、ヘテロ界面におけるポテンシャル障壁の影響によって、電気抵抗が高くなるという問題があるが、この実施例１のように、低ドーピング領域を線形組成傾斜層のみで構成した場合は十分にポテンシャル障壁を平滑化することが可能となる。従って、この実施例１のブラッグ反射器では、ヘテロ界面の影響によって素子が高抵抗化することはなかった。また、ドーピング濃度を低濃度としたことにより、光の吸収損失は低く、光学的，電気的に特性の優れた半導体分布ブラッグ反射器を得ることができた。
【００９４】
実施例２
実施例２は、第２，第３の実施形態に対応した実施例である。図８は実施例２の半導体分布ブラッグ反射器を示す図である。
【００９５】
図８の半導体分布ブラッグ反射器は、０．９８μｍを反射波長とするＡｌＧａＡｓ混晶半導体からなるｐ型半導体分布ブラッグ反射器であり、実施例１と同様にＭＯＣＶＤ法によって結晶成長が行われている。また、図８の半導体分布ブラッグ反射器は、実施例１のｐ型半導体分布ブラッグ反射器と同様に、ブラッグ反射器ＩＩには、電気抵抗を低減する目的で、互いに屈折率が異なり、かつ、一定の屈折率をもつ２種の半導体層の間に、これら２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられているが、実施例２では、これら２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層は、図９のように、一方の組成から他方の組成へＡｌ組成を放物形状に変化させた放物組成傾斜層となっている。ここで、ブラッグ反射器ＩＩにおける放物組成傾斜層の厚さは３０ｎｍとしている。
【００９６】
ブラッグ反射器ＩＩを構成する屈折率が一定の層は、低屈折率層としてＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層が用いられ、高屈折率層としてＧａＡｓ層が用いられており、図８におけるブラッグ反射器ＩＩでは、図１０に示す構成を１周期として、２０周期が繰り返し積層されている。
【００９７】
また、ブラッグ反射器Ｉは、実施例１と同様に、屈折率が連続的あるいは段階的に変化する半導体層からなっているが、実施例２では、ブラッグ反射器Ｉは、図１１に示すような放物組成傾斜層のみによって構成されている。図１１は、放物組成傾斜層のみによって構成されたブラッグ反射器Ｉのバンドエネルギーを模式的に示す図である。図１１のように、ブラッグ反射器Ｉは、ＧａＡｓからＡｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓへ、または、Ａｌ０．７Ｇａ０．３ＡｓからＧａＡｓへとＡｌ組成を放物形状に変化させた、Ａｌ組成変化の方向が異なる２種の放物組成傾斜層によって構成されており、図８のブラッグ反射器Ｉでは、図１２に示すように、これら２種の放物組成傾斜層の対を１周期として、４周期が繰り返し積層されている。
【００９８】
また、さらに、この実施例２の半導体分布ブラッグ反射器では、第２の実施形態に対応した実施例として、ブラッグ反射器Ｉにおける半導体材料の最大の禁則帯幅と最小の禁則帯幅との差が、ブラッグ反射器ＩＩにおける半導体材料の最大の禁則帯幅と最小の禁則帯幅との差に比べて小さくなっている。
【００９９】
また、この実施例２の半導体分布ブラッグ反射器においても、半導体分布ブラッグ反射器を構成する各半導体層の厚さは、実施例１と同様に光波の多重反射の位相条件を満たすように決められており、ブラッグ反射器Ｉでは、それぞれの放物組成傾斜層での光の位相変化がπ／２となるように、放物組成傾斜層の厚さを７７．３ｎｍとしている。また、ブラッグ反射器ＩＩでは、放物組成傾斜層と屈折率が一定である半導体層とを合わせた光の位相の変化量がπ／２となるように屈折率が一定である半導体層の厚さの調整を行っており、高屈折率層であるＧａＡｓ層の厚さを４２．６ｎｍとし、低屈折率層であるＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の厚さを４９．９ｎｍとしている。
【０１００】
ここで、図８のｐ型半導体分布ブラッグ反射器では、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器が結晶成長されている側から、つまりブラッグ反射器Ｉ側から光が入射されるものとして設計されており、領域Ｉにおける不純物のドーピング濃度は、領域ＩＩにおける不純物のドーピング濃度に対して低濃度となるように、例えば５×１０１７ｃｍ−３程度にドーピングが施されている。
【０１０１】
この実施例２の半導体分布ブラッグ反射器では、ブラッグ反射器Ｉの放物組成傾斜層を構成する（Ａｌ）ＧａＡｓ混晶半導体の最大のＡｌ組成を０．７としており、ブラッグ反射器ＩＩのＡｌＧａＡｓ混晶半導体の最大のＡｌ組成０．９に対してＡｌ組成を小さくしており、ブラッグ反射器Ｉの最大の禁則帯幅と最小の禁則帯幅との差を、ブラッグ反射器ＩＩに対して低減した構造となっている。このようにブラッグ反射器を構成する最大の禁則帯幅と最小の禁則帯幅との差を小さくすると、ヘテロ界面のポテンシャル障壁の発生を抑制する効果が得られる。さらに、一般にｐ−ＡｌＧａＡｓ混晶はＡｌ組成が小さい程、多数キャリアである正孔の移動度が大きくなる傾向があり、ヘテロ界面の影響が十分に低減された構造に対しては、移動度が大きくなることによる低抵抗化が期待できる。従って、反射率が著しく低減しない程度に、低濃度ドーピング領域におけるＡｌＧａＡｓ組成傾斜層の最大のＡｌ組成を低減することにより、より電気抵抗が低減されたブラッグ反射器を得ることができた。
【０１０２】
また、上述の実施例１，実施例２は、いずれも、第３の実施形態に対応した実施例として、光の入射側であるブラッグ反射器Ｉにおけるｐ型不純物ドーピング濃度を、ブラッグ反射器ＩＩに比べて低濃度としている。
【０１０３】
半導体分布ブラッグ反射器では、各半導体層の屈折率の違いによる光波の多重反射を利用し、各半導体層の厚さは反射波が強め合う位相条件となるように選ばれている。従って、光波の反射は単一の反射鏡のように表面のみで生じるのではなく、光波は半導体分布ブラッグ反射器の内部に浸透しながら、徐々に反射を受けており、入射表面ほど光の電界強度が強くなっている。従って、実施例１，実施例２で述べたように、光の入射側におけるブラッグ反射器Ｉのドーピング濃度を低濃度とすることにより、光の吸収損失が低減される。また、第３の実施形態に対応した実施例として、図１３のように、ブラッグ反射器Ｉにおけるドーピングを連続的または段階的に変化させる構成とすることもできる。
【０１０４】
実施例３
図１３は実施例３の半導体分布ブラッグ反射器を示す図である。図１３の半導体分布ブラッグ反射器は、実施例２と同様な層構成を有する０．９８μｍを反射波長としたＡｌＧａＡｓ混晶半導体からなるｐ型半導体分布ブラッグ反射器であるが、実施例２と異なっている点は、図１４に示すように、ブラッグ反射器Ｉにおけるｐ型ドーピング濃度が、ブラッグ反射器Ｉ内の光の電界強度に対応し表面側から基板側に向かって次第に増加するようにドーピングされている点である。
【０１０５】
つまり、実施例２では、光の入射側にあたる半導体分布ブラッグ反射器Ｉにおけるドーピング濃度を、半導体分布ブラッグ反射器ＩＩにおけるドーピング濃度に対して一様に低濃度としているが、実施例３では、半導体分布ブラッグ反射器Ｉにおけるドーピング濃度を光の入射側（この実施例３では、基板表面側）から光の電界強度に応じて、次第に高濃度となるようにドーピングを行っている。
【０１０６】
図１４はブラッグ反射器Ｉの構成を示す図であり、図１４のブラッグ反射器Ｉでは、図１１，図１２と同様に、Ａｌ組成の変化の方向が異なる２種の放物組成傾斜層の対を１周期として、４周期が繰り返し積層されており、光の入射側から光の電界強度に応じて次第に高濃度となるようにドーピングを行っている。このように、ｐ型不純物のドーピング濃度を光の電界強度に応じて定めると、ブラッグ反射器Ｉにおいて、必要以上にドーピング濃度を低濃度としてしまうことが無くなるので、不必要に抵抗を増加させることを防止できる。従って、以上の構成とすることで、より効率的に吸収及び抵抗の低減を行うことが可能であり、この実施例３では、光の吸収損失，抵抗が低く、光学的，電気的に特性の優れた半導体分布ブラッグ反射器を得ることができた。
【０１０７】
また、第１乃至第３の実施形態に対応した実施例として、以上の様なものの他にも、半導体分布ブラッグ反射器Ｉ，半導体分布ブラッグ反射器ＩＩの積層数として、上述した積層数以外の積層数が用いられても良い。また、半導体分布ブラッグ反射器の構成も、半導体分布ブラッグ反射器Ｉ，ＩＩを用いた２段構成とする以外にも、構成の異なる２段以上の複数段の半導体分布ブラッグ反射器から構成されたものであっても良い。
【０１０８】
ここで、構成の異なる半導体分布ブラッグ反射器とは、例えば、互いに屈折率が異なり、かつ、一定の屈折率をもつ２種の半導体層の間に、該２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層を備えてなる領域（半導体分布ブラッグ反射器ＩＩ）に対しては、組成傾斜層の厚さを変化させたもの、または、低屈折率層または高屈折率層のＡｌ組成を変化させたもの、または、組成傾斜層のＡｌ組成（屈折率）の変化率を変化させたもの、または、ドーピング濃度を変化させたもの等が挙げられる。
【０１０９】
さらに、例えば、屈折率が連続的あるいは段階的に変化する半導体層からなる領域（半導体分布ブラッグ反射器Ｉ）に対しては、半導体分布ブラッグ反射器を構成する半導体層の最大の禁則帯幅と最小の禁則帯幅との差を変化させたもの、または、Ａｌ組成（屈折率）の変化率を変化させたもの、または、ドーピング濃度を変化させたもの等が挙げられる。
【０１１０】
具体例として、発振光の吸収損失を十分に低減し、さらに電気抵抗を不必要に高抵抗としないために、構成の異なる複数の分布ブラッグ反射器Ｉを用いて、光の入射側から光の電界強度に応じて、それぞれの構成中におけるドーピング濃度を次第に高濃度とすることが挙げられる。
【０１１１】
また、この際に、それぞれの構成における最大の禁則帯幅と最小の禁則帯幅との差を、ドーピング濃度に応じて、表面側から次第に大きくすること等も例として挙げられる。また、ブラッグ反射器ＩＩにおいても、同様の考えに基づいて、構成の異なる複数のブラッグ反射器において、ドーピング濃度，組成傾斜層の厚さ，低屈折率層及び高屈折率層のＡｌ組成等を変化させることができる。
【０１１２】
また、半導体分布ブラッグ反射器を、それぞれ構成の異なる複数段の半導体分布ブラッグ反射器から構成する以外にも、次のように、構成が連続的に変化する半導体分布ブラッグ反射器によって構成することもできる。
【０１１３】
すなわち、互いに屈折率が異なり、かつ、一定の屈折率をもつ２種の半導体層の間に、該２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層を備えてなる領域内においては、組成傾斜層の厚さ，低屈折率層及び高屈折率層のＡｌ組成、及び、ドーピング密度が連続に変化する構成を用い、さらに、屈折率が連続的あるいは段階的に変化する半導体層からなる領域においては、半導体層の最大の禁則帯幅および最小の禁則帯幅が連続的に変化する構成を用いることもできる。
【０１１４】
実施例４
実施例４は、第４の実施形態に対応した実施例である。図１５は実施例４の半導体分布ブラッグ反射器を示す図である。
【０１１５】
図１５の半導体分布ブラッグ反射器は、ＡｌＧａＡｓ混晶半導体により構成された１．３μｍ帯を反射波長とするｐ型半導体分布ブラッグ反射器であり、実施例１と同様にＭＯＣＶＤ法によって結晶成長が行われたものであって、図１５に示すように、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器Ｉとｐ型半導体分布ブラッグ反射器ＩＩとにより構成されている。
【０１１６】
ここで、ブラッグ反射器ＩＩは、図１６のように、低屈折率層としてＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層が用いられ、高屈折率層としてＧａＡｓ層が用いられており、さらに、これらの間に、厚さ５０ｎｍの線形組成傾斜層が設けられている。
【０１１７】
また、ブラッグ反射器Ｉは、組成傾斜層のみによって構成されており、図１７のように、ＧａＡｓ層からＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層へ、または、Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層からＧａＡｓ層へＡｌ組成を線形に変化させた、Ａｌ組成の変化の方向が異なる２種の組成傾斜層の対を１周期として、４周期が繰り返し積層されている。
【０１１８】
この実施例４の半導体分布ブラッグ反射器の反射波長は１．３μｍであり、実施例１，実施例２と同様に、上記反射波長に対してブラッグ反射器による光波の多重反射の位相条件が満たされるように各半導体層の厚さが決められており、ブラッグ反射器Ｉにおける組成傾斜層の厚さは１０１．４ｎｍである。また、ブラッグ反射器ＩＩでは、組成傾斜層と屈折率が一定である層における光の位相変化がπ／２となるように、高屈折率層であるＧａＡｓ層の厚さを４６．８ｍとし、低屈折率層であるＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓ層の厚さを５６．５ｎｍとしている。
【０１１９】
ここで、図１５のｐ型半導体分布ブラッグ反射器では、ブラッグ反射器が結晶成長されている側から、つまりブラッグ反射器Ｉ側から光が入射されるものとして設計されており、領域Ｉにおける不純物のドーピング濃度は、領域ＩＩにおける不純物のドーピング濃度に対し低濃度となるように、例えば５×１０１７ｃｍ−３程度にドーピングが施されている。
【０１２０】
この実施例４の半導体分布ブラッグ反射器の設計反射波長は、１．３μｍと長波長帯であり、従来の０．９８μｍ帯等の半導体分布ブラッグ反射器と比べて反射波長が長波となっている。このような長波長帯においては、価電子帯間の光吸収が非常に顕著となることが知られている。例えば、文献「ＩＥＥＥ　Ｊ．　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．　Ｖｏｌ．３３　Ｎｏ．８　１９９７　ｐ．ｐ．１３６９」を参照すると、１．３μｍ帯の光に対するＧａＡｓの光吸収係数は、０．９８μｍ帯の約２倍であり、さらに１．５μｍ帯では、約３倍となることが示されている。このように、１．１μｍよりも長波の光に対しては、光吸収が非常に顕著になり、高効率な半導体分布ブラッグ反射器を得るためには、光吸収の低減を行うことが非常に重要である。この実施例４の半導体分布ブラッグ反射器では、光の入射側にあたる領域のドーピング濃度を相対的に低濃度としており、光の吸収損失が少ない。
【０１２１】
また、この実施例４では、屈折率が一定である半導体層と、組成傾斜層とからなるｐ型ブラッグ反射器ＩＩにおいて、組成傾斜層の厚さを５０ｎｍと厚くしている。この実施例４の半導体分布ブラッグ反射器のように、１．１μｍよりも長波の反射波長を有する半導体分布ブラッグ反射器では、長波長化にともなって半導体分布ブラッグ反射器を構成する層の厚さが従来の０．９８μｍ帯の半導体分布ブラッグ反射器等と比べて厚くなっている。従って、半導体分布ブラッグ反射器中に上記のように厚さの厚い組成傾斜層を設けた場合でも、０．９８μｍ帯に比べて反射率の低下への影響が少ない。また、厚い組成傾斜層を設けることによって、ヘテロ界面のポテンシャル障壁を平滑化する効果が非常に高くなっている。従って、ブラッグ反射器ＩＩにおける抵抗も十分に低減されている。
【０１２２】
また、ブラッグ反射器Ｉでは、ドーピング濃度を低濃度とした領域を組成傾斜層のみからなるブラッグ反射器としたことにより、低濃度ドーピングであるにもかかわらず、十分にポテンシャル障壁を平坦化することが可能であり、低抵抗であった。
【０１２３】
以上のように、実施例４では、光の吸収損失が少ない、電気抵抗が低い特性の優れた長波長帯域における半導体分布ブラッグ反射器を得ることができた。
【０１２４】
実施例５
実施例５は、第５，第６の実施形態に対応した実施例である。図１９は実施例５の面発光レーザ素子を示す図である。
【０１２５】
図１９の面発光レーザ素子は、ＧａＩｎＮＡｓを活性層とした１．３μｍ帯面発光レーザ素子であり、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行われている。この際、活性層の窒素原料には、ジメチルヒドラジン（ＤＭＨｙ）を用いている。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を用いている。
【０１２６】
図１９の面発光レーザ素子は、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の対を１周期した、ｎ型半導体分布ブラッグ反射器３６周期、ＧａＡｓ共振器スペーサー層、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ　３重量子井戸、ＧａＡｓ共振器スペーサー層、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器の結晶成長を行っている。
【０１２７】
ここで、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器は、Ａｌ０．８Ｇａ０．２ＡｓからＧａＡｓへ、また、ＧａＡｓからＡｌ０．８Ｇａ０．２ＡｓへＡｌ組成を線形に変化させた２種の線形組成傾斜層のみからなる基本構造を１周期として、５周期を繰り返し積層したｐ型半導体ブラッグ反射器Ｉと、屈折率が一定な層として、Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓによる低屈折率層とＧａＡｓによる高屈折率層を対とし、これらの間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５０ｎｍのＡｌ組成の変化の方向が異なる２種の線形組成傾斜層を設けてなる基本構造を１周期として１８周期を繰り返し積層したｐ型半導体分布ブラッグ反射器ＩＩとによって構成されている。
【０１２８】
１．３μｍ帯のように長波の面発光レーザ素子では、ブラッグ反射器ＩＩにおいて反射率を著しく低下させることなく、このように厚い組成傾斜層を設けることが可能である。
【０１２９】
さらに、発振領域である活性層に近く、光電界強度が大きな領域に位置するブラッグ反射器Ｉのドーピング濃度は、発振光の吸収損失を低減するように５×１０１７ｃｍ−３程度と、ブラッグ反射器ＩＩにおけるドーピング濃度１×１０１８ｃｍ−３に対して相対的に低濃度となるように、ドーピングが施されている。
【０１３０】
また、ｐ型ブラッグ反射器Ｉにおいて、活性層側から１番目の発振光による定在波の節となる位置に、厚さ３０ｎｍのＡｌＡｓ選択酸化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の最表面のＧａＡｓ層は、ドーピング濃度を高くし、コンタクト層と兼用するようにしている。
【０１３１】
ここで、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器と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線形組成傾斜層の厚さも同様に調整が行われている。この実施例５の面発光レーザ素子の、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、λキャビティーを形成している。また、活性層は、λ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。
【０１３２】
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型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のエッチング除去を行っている。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。
【０１３３】
次に、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を設けている。電流通路となる領域の大きさは５μｍ×５μｍとした。
【０１３４】
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、及びリフトオフ法を用いて、素子上面に光出射部に開口を有したｐ側電極を形成している。次に、裏面研磨を行った後、基板裏面にｎ側電極材料を蒸着し、アニールによってオーミック電極を形成し、図１９の面発光レーザ素子とした。
【０１３５】
図１９の面発光レーザ素子では、特に発振光の強度が強い活性層近傍におけるｐ型半導体分布ブラッグ反射器のドーピング濃度が低減されており、光吸収による損失が低減されて、素子のスロープ効率が向上し、発振閾値電流は低減していた。
【０１３６】
さらに、ｐ型ブラッグ反射器Ｉを線形組成傾斜層のみにより構成したことにより、ドーピング濃度を低濃度としているにもかかわらず、ヘテロ界面のポテンシャル障壁が十分平滑化されており、効果的に低抵抗化することができた。従って、ＡｌＡｓ酸化狭窄層により電流経路を小さく絞った場合の抵抗の増加を低減することが可能であり、素子の高抵抗化を低減することができた。従って、ドーピングを低減したことによる新たな発熱、および、これによる出力の低下は見られず、逆に吸収損失が低減したことにより、従来よりも高出力を得ることができた。
【０１３７】
また、実施例５の面発光レーザ素子は、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で発振する面発光レーザ素子を得ることができた。ＧａＩｎＮＡｓ混晶は、ＧａＡｓ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た。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。以上のように、実施例５の面発光レーザ素子では、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できた。
【０１３８】
なお、上述の例では、ｎ型半導体基板上に結晶成長を行った面発光レーザ素子について説明を行ったが、面発光レーザ素子として、この他にもｐ型半導体基板上に結晶成長が行われたものであっても良い。
【０１３９】
図２０は、ｐ型半導体基板上に結晶成長が行われた実施例５の面発光レーザ素子を示す図である。図２０の面発光レーザ素子は、ｐ−ＧａＡｓ基板上に、ＭＯＣＶＤ法によって同様に結晶成長を行ったものである。すなわち、図２０の面発光レーザ素子は、ｐ−ＧａＡｓバッファー層の結晶成長を行った後、Ａｌ０．８Ｇａ０．２ＡｓとＧａＡｓとからなる屈折率が一定の層と、これらの間にＡｌ組成を一方の組成から他方の組成へ線形に変化させたＡｌ組成の変化の方向が異なる２種の線形組成傾斜層とからなる基本構造を１周期とした３２周期のｐ型半導体分布ブラッグ反射器ＩＩの結晶成長を行い、続いてＡｌ０．８Ｇａ０．２ＡｓからＧａＡｓへ、また、ＧａＡｓからＡｌ０．８Ｇａ０．２ＡｓへＡｌ組成を線形に変化させたＡｌ組成の変化の方向が異なる２種の線形組成傾斜層の対を１周期としたｐ−分布ブラッグ反射器５周期、及び、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対とした２４対のｎ型半導体分布ブラッグ反射器の結晶成長を行っている。
【０１４０】
ここで、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器ＩＩの線形組成傾斜層の厚さは５０ｎｍとしており、ブラッグ反射器Ｉ，ブラッグ反射器ＩＩにおける各半導体層の厚さは、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。
【０１４１】
また、ｐ型ブラッグ反射器の活性層に一番近い発振光の定在波の節となる位置には、同様に多重反射の位相条件を考慮してＡｌＡｓ選択酸化層が設けられている。図２０の素子は、このような結晶成長の後、図１７の素子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反射器の途中までエッチングが行われている。
【０１４２】
図２０の素子においても、図１９の素子と同様に、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器による吸収損失が低減したことにより、発振閾値電流が低減し、スロープ効率の向上が得られている。また、素子抵抗の増加が防止されたことによって、動作電圧は低く、高出力を得ることができた。
【０１４３】
また、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できた。
【０１４４】
なお、上述の例では、素子はＭＯＣＶＤ法により結晶成長が行われているが、この他にもＭＢＥ法等のその他の成長法が用いられても良い。
【０１４５】
また、半導体分布ブラッグ反射器の材料としてＡｌＧａＡｓ混晶について説明を行ったが、この他にもＧａＩｎＰ混晶を用いることも可能である。ＧａＩｎＰ混晶は、ＧａＡｓ基板に対し格子整合が可能であり、禁則帯幅もＧａＡｓ化合物半導体に比べて大きいので（屈折率はＧａＡｓ化合物半導体に比べ小さいので）、ＡｌＧａＡｓ混晶の代わりに低屈折率層として用いることができる。また、ＧａＩｎＰ混晶半導体は、ＡｌＧａＡｓ混晶半導体層に対して湿式エッチングにおける選択性を有しており、湿式エッチングによりメサを形成する場合のエッチングストップ層として用いることができるので、同工程による面発光レーザ素子のエッチング制御性を向上させることができる。
【０１４６】
実施例６
実施例６は、第７の実施形態に対応した実施例である。図２１は、実施例６の面発光レーザアレイを示す図である。より具体的に、図２１は、第５，第６の実施形態の面発光レーザ素子を２次元に３×３個集積したモノリシックレーザアレイの上面図を示したものである。図２１の面発光レーザアレイは、個々の面発光レーザ素子を独立に駆動するために、個別にｐ側電極配線が設けられている。また、図２１の面発光レーザアレイは、実施例５と同様の手順・方法で作製されている。
【０１４７】
実施例６において、面発光レーザアレイを構成する個々の面発光レーザ素子は、吸収損失が小さく、さらに低抵抗であり、特にアレイとした場合の電力変換効率が高かった。以上のように、実施例６では、効率の高い面発光レーザアレイを得ることができた。
【０１４８】
実施例７
実施例７は、第８の実施形態に対応した実施例である。図２２は実施例７の面発光レーザモジュールを示す図である。図２２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、ファイバアレイを実装して構成されている。ここで、面発光レーザアレイには、第７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、マイクロレンズアレイを介してシリコン基板に形成したＶ溝に実装された石英シングルモードファイバと結合している。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が行える。
【０１４９】
また、この面発光レーザアレイモジュールの光源として、第７の実施形態の面発光レーザアレイを用いたことにより、吸収損失が小さく、さらに低抵抗であり、電力変換効率が高い面発光レーザモジュールを得ることができた。
【０１５０】
実施例８
実施例８は、第９の実施形態に対応した実施例である。図２３は、実施例８の機器間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２３のインターコネクションシステムでは、機器１と機器２の間を光ファイバアレイを用いて接続したものである。ここで、送信側である機器１は、第８の実施形態の面発光レーザアレイによるレーザアレイモジュールと、これの駆動回路とを備えている。また、受信側である機器２は、フォトダイオードアレイモジュールと、信号検出回路とを備えている。
【０１５１】
また、この実施例８の光インターコネクションシステムは、第７の実施形態の面発光レーザアレイモジュールを用いたことで、発振光の吸収損失が小さく、更に低抵抗であり、電力変換効率が高かった。以上のように消費電力の小さな特性の優れた光伝送システムを得ることができた。また、ＧａＩｎＮＡｓを活性層とした本発明の面発光レーザアレイを用いたレーザアレイモジュールを用いることによって、環境温度の変化に対しても、安定な、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た。
【０１５２】
この実施例８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、第５，第６の実施形態による単一の面発光レーザ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、第８の実施形態の面発光レーザアレイモジュールの他にも、第５乃至第７の実施形態の面発光レーザ素子，面発光レーザアレイを用いることができる。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応用することもできる。
【０１５３】
実施例９
実施例９は、第１０の実施形態に対応した実施例である。実施例９では、第１０の実施形態の光通信システムの一例として、図２４の光ＬＡＮシステムの概念図を用いて説明する。図２４の光ＬＡＮシステムは、第５乃至第８の実施形態の面発光レーザ素子、または、面発光レーザアレイ素子、または、面発光レーザモジュールを用いて光ＬＡＮシステムを構成したものである。
【０１５４】
ここで、サーバーとコアスイッチとの間、及び、コアスイッチと各スイッチとの間、及び、スイッチと各端末との間の光伝送の光源には、第５乃至第７のいずれかの実施形態の面発光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。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されている。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。
【０１５５】
図２４の光ＬＡＮシステムでは、光源に、第５乃至第７のいずれかの実施形態の面発光レーザ素子または面発光レーザアレイを用いたことで、発振光の吸収損失が小さく、抵抗も低かった。さらに電力変換効率は高く、消費電力の小さな光伝送システムを得ることができた。さらに、ＧａＩｎＮＡｓを活性層とした本発明の面発光レーザ素子では、環境温度等の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た。
【０１５６】
上述の例では、光通信システムとして、ＬＡＮを例に説明したが、光通信システムとしては、この他にも、ＷＡＮや幹線系であっても良い。また、端末以外にも光スイッチや光ルーター等の中継器に用いられていても良い。さらに、光によって情報を授受する全ての情報機器端末全てに用いることができる。
【０１５７】
【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、屈折率が連続的あるいは段階的に変化する半導体層からなる領域と、互いに屈折率が異なり、かつ、一定の屈折率をもつ２種の半導体層の間に、該２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられている領域とを備えているので、低抵抗な半導体分布ブラッグ反射器を提供することができる。すなわち、電気抵抗が低く、特性の優れた半導体分布ブラッグ反射器を得ることができる。
【０１５８】
また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の半導体分布ブラッグ反射器において、屈折率が連続的あるいは段階的に変化する半導体層からなる領域における最大の禁則帯幅と最小の禁則帯幅との差は、互いに屈折率が異なり、かつ、一定の屈折率をもつ２種の半導体層の間に、該２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられている領域における最大の禁則帯幅と最小の禁則帯幅との差に比べて小さいので、低抵抗な半導体分布ブラッグ反射器を提供することができる。すなわち、電気抵抗が低く、特性の優れた半導体分布ブラッグ反射器を得ることができる。
【０１５９】
また、請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の半導体分布ブラッグ反射器において、半導体分布ブラッグ反射器内の光の電界強度が相対的に大きな部位が、屈折率が連続的あるいは段階的に変化する半導体層からなる領域であって、かつ、半導体分布ブラッグ反射器内の光の電界強度が相対的に大きな部位におけるドーピング濃度が他の領域のドーピング濃度に対し相対的に低濃度であり、また、半導体分布ブラッグ反射器内の光の電界強度が相対的に小さな部位が、互いに屈折率が異なり、かつ、一定の屈折率をもつ２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層が設けられている領域であって、かつ、半導体分布ブラッグ反射器内の光の電界強度が相対的に小さな部位におけるドーピング濃度が他の領域のドーピング濃度に対し相対的に高濃度であるので、半導体分布ブラッグ反射器内の電界強度に応じて、効率良く、吸収損失の低減及び低抵抗化を図ることができる。換言すれば、半導体分布ブラッグ反射器の発振光の吸収損失を低減し、より低抵抗とすることができる。
【０１６０】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体分布ブラッグ反射器において、該半導体分布ブラッグ反射器の反射波長は、１．１μｍよりも長波であるので、反射波長が１．１μｍよりも長波の半導体分布ブラッグ反射器の発振光の吸収損失を低減し、低抵抗化することができる。
【０１６１】
また、請求項５記載の発明によれば、活性層と半導体分布ブラッグ反射器とを有する面発光レーザ素子において、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の半導体分布ブラッグ反射器を共振器ミラーとして用いることにより、素子抵抗を増加させることなく、面発光レーザ素子における発振光の吸収損失を低減し、スロープ効率を向上させ、更に発振閾値電流を低減させ、更に高出力動作を可能とし、更に電力変換効率を向上させることが可能となる。
【０１６２】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項５記載の面発光レーザ素子において、前記活性層はＩＩＩ−Ｖ族材料からなり、活性層のＩＩＩ族材料が、Ｇａ，Ｉｎのいずれか、または、全てから構成され、また、活性層のＶ族材料が、Ａｓ，Ｎ，Ｓｂのいずれか、または、全てから構成されており、これらの材料からなる活性層は、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（半導体分布ブラッグ反射器）を用いた面発光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、さらに、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。換言すれば、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請求項５の特徴を有した通信用途に好適な面発光レーザ素子が得られる。
【０１６３】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項５または請求項６の面発光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であるので、請求項５または請求項６の特徴を有する面発光レーザアレイが得られる。
【０１６４】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項５または請求項６記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイを用いたことを特徴とする面発光レーザモジュールであるので、スロープ効率が大きく、発振閾値電流が低く、電力変換効率が高く、低消費電力な面発光レーザモジュールを得ることができる。
【０１６５】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項５または請求項６記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイ、または、請求項８記載の面発光レーザモジュールを用いて構成されていることを特徴とする光インターコネクションシステムであるので、電力変換効率が高く、低消費電力な光通信システムを得ることができる。
【０１６６】
また、請求項１０記載の発明によれば、請求項５または請求項６記載の面発光レーザ素子、または、請求項７記載の面発光レーザアレイ、または、請求項８記載の面発光レーザモジュールを用いて構成されていることを特徴とする光通信システムであるので、電力変換効率が高く、低消費電力な光通信システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の半導体分布ブラッグ反射器を示す図である。
【図２】屈折率が一定な層と、これらの層の間に設けられた組成傾斜層のバンドエネルギーを模式的に示した図である。
【図３】互いに屈折率が異なり、かつ、一定の屈折率をもつ２種の半導体層の間に、これら２種の半導体層の間の屈折率を有する線形組成傾斜層を設けた構成を示す図である。
【図４】ブラッグ反射器Ｉの構成を説明するための図である。
【図５】ブラッグ反射器Ｉの構成を説明するための図である。
【図６】０．９８μｍ帯における４周期のｐ型半導体ブラッグ反射器の抵抗率を、組成傾斜層の厚さと、ブラッグ反射器を構成する低屈折率層のＡｌ組成とに対して示した図である。
【図７】図６と同様な５周期のブラッグ反射器について、組成傾斜層の厚さと反射率との関係について示した図である。
【図８】実施例２の半導体分布ブラッグ反射器を示す図である。
【図９】互いに屈折率が異なり、かつ、一定の屈折率をもつ２種の半導体層の間に、これら２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層として、一方の組成から他方の組成へＡｌ組成を放物形状に変化させた放物組成傾斜層を設けた構成を示す図である。
【図１０】互いに屈折率が異なり、かつ、一定の屈折率をもつ２種の半導体層の間に、これら２種の半導体層の間の屈折率を有する半導体層として、一方の組成から他方の組成へＡｌ組成を放物形状に変化させた放物組成傾斜層を設けた構成を示す図である。
【図１１】放物組成傾斜層のみによって構成されたブラッグ反射器Ｉのバンドエネルギーを模式的に示す図である。
【図１２】Ａｌ組成変化の方向が異なる２種の放物組成傾斜層の対を示す図である。
【図１３】実施例３の半導体分布ブラッグ反射器を示す図である。
【図１４】ブラッグ反射器Ｉの構成を示す図である。
【図１５】実施例４の半導体分布ブラッグ反射器を示す図である。
【図１６】ブラッグ反射器ＩＩの構成を示す図である。
【図１７】ブラッグ反射器Ｉの構成を示す図である。
【図１８】図７と同様に１．１μｍよりも長波の反射波長を有する半導体分布ブラッグ反射器の例として、１．３μｍを反射波長とした５周期のブラッグ反射器において、屈折率が一定である半導体層の間に線形組成傾斜層を設けた場合の反射率を、組成傾斜層の厚さと、低屈折率層であるＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成とを変えて示した結果を表わす図である。
【図１９】実施例５の面発光レーザ素子を示す図である。
【図２０】ｐ型半導体基板上に結晶成長が行われた実施例５の面発光レーザ素子を示す図である。
【図２１】実施例６の面発光レーザアレイを示す図である。
【図２２】実施例７の面発光レーザモジュールを示す図である。
【図２３】実施例８の機器間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２４】光ＬＡＮシステムの概念図である。
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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