(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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内で不純物のドーピング濃度が互いに異なる第１の領域と第２の領域を有し、前記第１の領域は光の入射側にあたり、前記第１の領域と前記第２の領域のそれぞれの領域で、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もつ中間層を有し、
前記第１の領域における不純物のドーピング濃度は、前記第２の領域における不純物のドーピング濃度に対し低濃度であり、前記第１の領域における中間層の厚さは前記第２の領域における中間層の厚さに比べて厚い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、前記第１の領域における２種の半導体層の禁則帯幅の差が、前記第２の領域における２種の半導体層の禁則帯幅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に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の設計反射波長が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５】
請求項４記載の面発光半導体レーザ素子において、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、全てであることを特徴とする面発光半導体レーザ素子。
【請求項６】
請求項４または請求項５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７】
請求項４または請求項５に記載の面発光半導体レーザ素子、または、請求項６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８】
請求項４または請求項５に記載の面発光半導体レーザ素子、または、請求項６記載の面発光レーザアレイ、または、請求項７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９】
請求項４または請求項５に記載の面発光半導体レーザ素子、または、請求項６記載の面発光レーザアレイ、または、請求項７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、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】
また、面発光半導体レーザ素子では、閾値電流密度を低減する目的のために、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選択酸化層を酸化して得られる電流狭窄層（Ａｌ2Ｏ3）を設ける構造が知られている。Ａｌ2Ｏ3による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、電流狭窄層によって狭窄され、活性層の限られた領域に注入されるので、容易に注入領域のキャリア密度を発振に要する閾値キャリア密度まで増加させることが可能であり、この結果、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、選択酸化層の屈折率は、半導体層に比べて低屈折率であるため、横モードの閉じ込め層として作用し、０．９８μｍ帯の素子では狭窄径を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。
【０００８】
しかしながら、上述のように、狭窄径を４μｍ程度以下に絞った素子では、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。上記のサイズにまで狭窄径を絞った素子では、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しまっているのが現状である。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となり、狭窄による抵抗を低減するために、狭窄領域の抵抗、及びその周辺の抵抗を低減させる必要がある。
【０００９】
狭窄による高抵抗化の原因としては、本質的にｐ型半導体分布ブラッグ反射器の抵抗が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。
【００１０】
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。
【００１１】
このように、面発光半導体レーザ素子では、素子の低抵抗化が重要な課題であり、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・開発が行われている。低抵抗化には、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とこ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。
【００１２】
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を改善することができる反面、正孔の自由キャリア吸収、及び価電子帯間吸収が顕著になり、光学的特性が劣化するという問題がある。特に、面発光半導体レーザ素子において、素子の電力変換効率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、光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。
【００１３】
この課題を解決するものとして、特開２００１−３３２８１２には、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構成について示されている。
【００１４】
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電気的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の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。このような構成とした面発光レーザ素子では、光出力の飽和点は高く、また素子抵抗も低くできる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、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濃度を低減し、更に、これによる電気的抵抗の増加を防ぐために、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。
【００１６】
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って、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、電気的抵抗を十分に低減するには限界があった。
【００１７】
また、特開２００１−３３２８１２に示されている素子では、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が著しく低下してしまい、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という問題がある。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、半導体分布ブラッグ反射器の積層数を増加しなければならないという問題もある。
【００１８】
本発明は、反射率を低下させることなく、低抵抗で且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。
【００１９】
【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、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内で不純物のドーピング濃度が互いに異なる第１の領域と第２の領域を有し、前記第１の領域は光の入射側にあたり、前記第１の領域と前記第２の領域のそれぞれの領域で、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もつ中間層を有し、
前記第１の領域における不純物のドーピング濃度は、前記第２の領域における不純物のドーピング濃度に対し低濃度であり、前記第１の領域における中間層の厚さは前記第２の領域における中間層の厚さに比べて厚いことを特徴としている。
【００２０】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の半導体分布ブラッグ反射器において、前記第１の領域における２種の半導体層の禁則帯幅の差が、前記第２の領域における２種の半導体層の禁則帯幅の差に比べて小さいことを特徴としている。
【００２３】
また、請求項３記載の発明は、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の設計反射波長が１．１μｍよりも長波であることを特徴としている。
【００２４】
また、請求項４記載の発明は、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。
【００２５】
また、請求項５記載の発明は、請求項４記載の面発光半導体レーザ素子において、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、全てであることを特徴としている。
【００２６】
また、請求項６記載の発明は、請求項４または請求項５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。
【００２７】
また、請求項７記載の発明は、請求項４または請求項５に記載の面発光半導体レーザ素子、または、請求項６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。
【００２８】
また、請求項８記載の発明は、請求項４または請求項５に記載の面発光半導体レーザ素子、または、請求項６記載の面発光レーザアレイ、または、請求項７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。
【００２９】
また、請求項９記載の発明は、請求項４または請求項５に記載の面発光半導体レーザ素子、または、請求項６記載の面発光レーザアレイ、または、請求項７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。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００３１】
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種の半導体層の間に、前記２種の半導体層の間の屈折率をもつ中間層（半導体層）を有する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内の一部の領域における中間層（半導体層）の厚さが他の領域における中間層（半導体層）の厚さと異なっていることを特徴としている。
【００３２】
図１は本発明の第１の実施形態の半導体分布ブラッグ反射器の具体例を示す図である。図１の半導体分布ブラッグ反射器は、０．９８μｍを設計反射波長とする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。
【００３３】
図１のｐ型半導体分布ブラッグ反射器の作製には、III族原料として、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、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。
【００３４】
図１の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Ｉとｐ型半導体分布ブラッグ反射器IIとが順次に積層されて構成されており、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は、２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層（半導体層）として、図２に示すように、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は線形組成傾斜層周辺のバンドエネルギーを示した図である。なお、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。
【００３５】
ここで、第１の実施形態の半導体分布ブラッグ反射器では、積層方向に順次に積層されている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とで、中間層（線形組成傾斜層）の厚さが異なっている。
【００３６】
図３には図１のｐ型半導体分布ブラッグ反射器Ｉの構成が示され、また、図４には図１のｐ型半導体分布ブラッグ反射器IIの構成が示されている。
【００３７】
図３は、図１のｐ型半導体分布ブラック反射器Ｉにおける積層の１周期を示したものであり、図３を参照すると、ブラッグ反射器Ｉでは、低屈折率層としてｐ−ＡｌＡｓが用いられ、高屈折率層としてｐ−ＧａＡｓが用いられている。また、これらの半導体層のそれぞれの間には、厚さ６０ｎｍの中間層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ線形組成傾斜層）が設けられており、図３に示す構成を１周期とし、図１の半導体分布ブラッグ反射器では４周期が積層されている。
【００３８】
また、図４は、図１のｐ型半導体分布ブラック反射器IIにおける積層の１周期を示したものであり、図４を参照すると、ブラッグ反射器IIでは、低屈折率層としてｐ−ＡｌＡｓが用いられ、高屈折率層としてｐ−ＧａＡｓが用いられている。また、これらの半導体層のそれぞれの間には、厚さ３０ｎｍの中間層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ線形組成傾斜層）が設けられており、図４に示す構成を１周期とし、図１の半導体分布ブラッグ反射器では２０周期が積層されている。
【００３９】
すなわち、第１の実施形態では、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もつ中間層（組成傾斜層）を有する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内の一部の領域Ｉ（ブラッグ反射器Ｉ）における中間層（組成傾斜層）の厚さを他の領域II（ブラッグ反射器II）における中間層（組成傾斜層）の厚さに比べて厚い構成としている。
【００４０】
ここで、ブラッグ反射器Ｉ，IIにおいて、ブラッグ反射器を構成する各層の厚さは、中間層（組成傾斜層）を含めて、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、調整されている。具体的には、ブラッグ反射器Ｉにおけるｐ−ＡｌＡｓ層の厚さは１２．３ｎｍであり、ｐ−ＧａＡｓ層の厚さは２０．３ｎｍである。また、ブラッグ反射器IIにおけるｐ−ＡｌＡｓ層の厚さは５１．６ｎｍであり、ｐ−ＧａＡｓ層の厚さは４０．９ｎｍである。
【００４１】
また、図１のｐ型半導体分布ブラッグ反射器は、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（ブラッグ反射器Ｉ）における不純物のドーピング濃度は、領域II（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。
【００４２】
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（ブラッグ反射器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、従来技術のように自由キャリア吸収、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。
【００４３】
更に、図１の半導体分布ブラッグ反射器では、ドーピング濃度が相対的に低濃度である領域Ｉ（ブラッグ反射器Ｉ）における組成傾斜層の厚さを６０ｎｍと、領域II（ブラッグ反射器II）に比べて厚い構成としている。
【００４４】
不純物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り、電気抵抗が高くなるが、図１の半導体分布ブラッグ反射器では、ドーピング濃度が相対的に低濃度である領域Ｉ（ブラッグ反射器Ｉ）における組成傾斜層の厚さを６０ｎｍと非常に厚くすることによって、ポテンシャル障壁を十分に平滑化することが可能となる。これによって、不純物ドーピング濃度を低濃度としたことによるヘテロ界面の影響のために、素子が高抵抗化することを防止できる。また、ドーピング濃度を低濃度としたことにより、光の吸収損失も低く、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が得られる。
【００４５】
なお、第１の実施形態において、半導体分布ブラッグ反射器は、ＧａＡｓ基板上に、ＭＯＣＶＤ法によって結晶成長を行なって作製できるが、この他の成長方法が用いられていても良い。また、上述の例では、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（屈折率の異なる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、線形組成傾斜層を用いているが、中間層としては、この他にも、非線形に組成が変化する非線形組成傾斜層を用いても良いし、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ても良い。
【００４６】
ｐ型半導体分布ブラッグ反射器では、上述のように、スパイク等の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、へテロ界面を構成する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低濃度である程、高抵抗化は顕著である。従来、ヘテロ界面の影響を低減し、抵抗を低減するために、組成傾斜層等の２種の半導体層の間に設けるヘテロ障壁緩衝層のドーピング濃度を高濃度にしていたが、ドーピング濃度を高濃度としたことによって光吸収が増加し、光学特性を劣化させていたという問題がある。
【００４７】
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る。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、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他に、ブラッグ反射器中への光の電界強度が大きな領域のしみ出しが大きくなり、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問題がある。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。
【００４８】
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、ブラッグ反射器中にＡｌ（Ｇａ）Ａｓを酸化してなる酸化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。酸化狭窄層の周辺においては、電流が集中し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。
【００４９】
これに対し、本発明の第１の実施形態の半導体分布ブラッグ反射器では、例えば上述のようなドーピング濃度の低い領域や、酸化狭窄層の周辺部等の高抵抗化しやすい領域の中間層（組成傾斜層）の厚さを、他の領域に対して相対的に厚くすることにより、以上の領域における電気的抵抗を非常に効果的に低減することができる。
【００５０】
例えば、図５は、０．９８μｍ帯における４ペアのｐ型半導体分布ブラッグ反射器の抵抗率を、ブラッグ反射器を構成する低屈折率層のＡｌ組成をパラメータとして、組成傾斜層の厚さに対して示した図であり、縦軸は、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）を示している。従って、図５では、ヘテロ界面の影響が低減されるに従って、規格化抵抗率は１に漸近していく。ここで、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、光の吸収を低減するために、全ての領域で５×１０17ｃｍ-3としている。
【００５１】
図５から、半導体分布ブラッグ反射器の抵抗率は、Ａｌ組成の差を小さくすることによっても低下するが、これ以上に中間層（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。
【００５２】
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、十分に抵抗を低減出来ることが分かる。
【００５３】
また、図６は、０．９８μｍ帯における５ペアのｐ型半導体分布ブラッグ反射器について、ブラッグ反射器を構成する低屈折率層のＡｌ組成をパラメータとして、反射率を中間層（組成傾斜層）の厚さに対して示した図である。ここで、０．９８μｍに反射波長を有する、組成傾斜層を設けない構造における高屈折率層であるＧａＡｓ層の厚さは、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。図６からは、低屈折率層のＡｌ組成を減じることによってブラッグ反射器の反射率が大きく低下することと、例えば６０ｎｍ程度もの厚い中間層（組成傾斜層）を設けた場合であっても、反射率への影響は低屈折率層のＡｌ組成の変化に比べて少ないことが分かる。
【００５４】
従って、この第１の実施形態の半導体分布ブラッグ反射器では、ドーピングが低濃度である領域においても、従来技術のように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、厚い中間層（組成傾斜層）を設けることによって、反射率を高く維持したまま十分に抵抗を低減することができる。また、反射率が高いことによって、光の半導体分布ブラッグ反射器へのしみ出しも低減できるので、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。
【００５５】
また、このように中間層（組成傾斜層）の厚さを厚くした領域に、選択酸化層等の酸化狭窄層を設けて電流の狭窄を行う場合には、酸化狭窄により電流が集中する領域の抵抗が低減していることにより、抵抗の増加が低減できる。
【００５６】
以上のように、この第１の実施形態では、光の吸収損失、電気的抵抗が小さく、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。
【００５７】
ここで、本発明の第１の実施形態として、分布ブラッグ反射器Ｉ及びIIの中間層（組成傾斜層）の厚さ及びドーピング濃度が異なる２つの領域から構成されたｐ型分布ブラッグ反射器について示したが、この他にも、ｐ型分布ブラッグ反射器としては、２つの領域から構成されたもの以外にも、更に複数の（３つ以上の）中間層の厚さ及びドーピング濃度が異なる領域から構成されたものであっても良い。
【００５８】
第２の実施形態
本発明の第２の実施形態では、上述した第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）の厚さが厚い領域における２種の半導体層の禁則帯幅の差が、屈折率が異なる２種の半導体層の間の屈折率を有する中間層（半導体層）の厚さが薄い領域における２種の半導体層の禁則帯幅の差に比べて小さいことを特徴としている。
【００５９】
図７は本発明の第２の実施形態の半導体分布ブラッグ反射器の具体例を示す図である。図７の半導体分布ブラッグ反射器は、０．９８μｍを設計反射波長とする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。
【００６０】
また、図７の半導体分布ブラッグ反射器は、第１の実施形態のｐ型半導体分布ブラッグ反射器と同様に、中間層（組成傾斜層）の厚さが異なる２つの領域Ｉ，II（２つのブラック反射器Ｉ，II）によって構成されているが、この第２の実施形態では、更に、それぞれの領域Ｉ，IIにおける低屈折率層のＡｌ組成が異なっている。
【００６１】
図８には、図７のｐ型半導体分布ブラッグ反射器Ｉにおける１周期の構成が示され、また、図９には、図７のｐ型半導体分布ブラッグ反射器IIにおける１周期の構成が示されている。
【００６２】
図８，図９の例では、領域Ｉ（ブラッグ反射器Ｉ）の低屈折率層として、図８に示すようにｐ−Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓが用いられているのに対し、領域II（ブラッグ反射器II）の低屈折率層として、図９に示すようにｐ−ＡｌＡｓが用いられている。また、それぞれの領域Ｉ，IIの高屈折率層には、ｐ−ＧａＡｓ層が用いられている。
【００６３】
また、ブラッグ反射器Ｉの各へテロ界面には、厚さ６０ｎｍの中間層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ線形組成傾斜層）が設けられ、ブラッグ反射器IIの各へテロ界面には、厚さ３０ｎｍの中間層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ線形組成傾斜層）が設けられている。
【００６４】
ここで、ブラッグ反射器Ｉ，IIにおいて、ブラッグ反射器を構成する各層の厚さは、中間層（組成傾斜層）を含めて、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いる。具体的には、ブラッグ反射器Ｉにおけるｐ−Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層の厚さは１８．０ｎｍであり、ｐ−ＧａＡｓ層の厚さは、１１．８ｎｍである。また、ブラッグ反射器IIにおけるｐ−ＡｌＡｓ層の厚さは５１．６ｎｍであり、ｐ−ＧａＡｓ層の厚さは４０．９ｎｍである。
【００６５】
また、図７の半導体分布ブラッグ反射器は、基板表面である領域Ｉ（ブラッグ反射器Ｉ）側から光が入射されるとして設計されており、領域Ｉ（ブラッグ反射器Ｉ）における不純物のドーピング濃度は、例えば５×１０17ｃｍ-3程度と領域II（ブラッグ反射器II）における不純物ドーピング濃度に対して相対的に低濃度となっている。
【００６６】
図７，図８，図９の半導体分布ブラッグ反射器では、領域Ｉ（ブラッグ反射器Ｉ）の低屈折率層がｐ−Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓとなっており、低屈折率層のＡｌ組成が低減していることによって（ＡｌＡｓからＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓに低減していることによって）、ヘテロ界面のポテンシャル障壁の発生を抑制することができる。
【００６７】
更に、一般にＡｌＧａＡｓ混晶はＡｌ組成が小さい程、キャリアである正孔の移動度が大きくなる傾向がある。従って、本発明のように、厚い組成傾斜層により、十分にヘテロ界面におけるポテンシャル障壁の影響が低減されたブラッグ反射器では、移動度が大きくなることによる抵抗の低減を効果的に得ることが可能である。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の低屈折率層のＡｌ組成を低減することにより、更に、電気的抵抗が低減されたブラッグ反射器を得ることができる。
【００６８】
このように、第２の実施形態においても、光の吸収損失、電気抵抗が小さく、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。
【００６９】
また、第２の実施形態では、半導体分布ブラッグ反射器内の一部の領域における中間層（組成傾斜層）の厚さを他の領域に比べ厚くするとともに、更に、この領域における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が他の領域に比べて相対的に小さい構成とすることによって、以下のように、電気的抵抗をより一層低減することができる。
【００７０】
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、電気的抵抗が高くなる。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半導体層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、高抵抗化し易いが、この第２の実施形態のように、このような領域の中間層（組成傾斜層）の厚さを他の領域に比べ厚くすることによって、電気的抵抗を効果的に低減することが可能であり、この際、更に、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、電気的抵抗をより一層効果的に低減することができる。
【００７１】
また、例えば、半導体分布ブラッグ反射器を面発光半導体レーザ素子等の共振器ミラーとして用いる場合等、半導体分布ブラッグ反射器中にＡｌ（Ｇａ）Ａｓを酸化してなる酸化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密度としない場合においても非常に高抵抗化し易い。
【００７２】
しかしながら、この第２の実施形態の半導体分布ブラッグ反射器のように、ドーピング濃度の低い領域や、酸化狭窄層の周辺部等の高抵抗化しやすい領域の中間層（組成傾斜層）の厚さを厚くすることによって、この領域における電気的抵抗を非常に効果的に低減することが可能であり、この際、更に、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、電気的抵抗をより一層効果的に低減することができる。
【００７３】
例えば、図５に示すように組成傾斜層の厚さを５０ｎｍとすることにより、いずれの構造においても非常に効果的に電気的抵抗が低減されるが、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更に小さくすることによって、より一層低抵抗となる。従って、更に電気的抵抗を低減するには、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。また、ＡｌＧａＡｓ混晶はＡｌ組成が小さい程、キャリアである正孔の移動度が大きくなる傾向があるので、上述の構成とすることでより低抵抗となる。しかし、図６のように、禁則帯幅の差をあまり小さくしすぎると、反射率への影響が大きくなり、半導体分布ブラッグ反射器への光のしみだしが顕著となってしまうので、反射率を考慮しながら、特性が著しく劣化しないように、低屈折率層のＡｌ組成を選ぶことにより、より電気的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。
【００７４】
なお、第２の実施形態において、半導体分布ブラッグ反射器は、ＧａＡｓ基板上に、ＭＯＣＶＤ法によって結晶成長を行なって作製できるが、この他の成長方法が用いられていても良い。また、上述の例では、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（屈折率の異なる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、線形組成傾斜層を用いているが、中間層としては、この他にも、非線形に組成が変化する非線形組成傾斜層を用いても良いし、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ても良い。
【００７５】
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、該半導体分布ブラッグ反射器内の光の電界強度に応じて、該半導体分布ブラッグ反射器内の複数の中間層（半導体層）の厚さ及びドーピング濃度が相違していることを特徴としている。
【００７６】
より具体的に、第３の実施形態では、半導体分布ブラッグ反射器内の光の電界強度が大きな領域においては、中間層（半導体層）の厚さを厚く、且つ不純物のドーピング濃度を低くする一方、光の電界強度が小さな領域においては、中間層（半導体層）の厚さを薄く、且つ不純物のドーピング濃度を高くしている。
【００７７】
図１０は本発明の第３の実施形態の半導体分布ブラッグ反射器の具体例を示す図である。図１０の半導体分布ブラッグ反射器は、０．９８μｍ帯を設計反射波長とする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。
【００７８】
また、図１０の半導体分布ブラッグ反射器は、第１の実施形態のｐ型半導体分布ブラッグ反射器と同様に、中間層（組成傾斜層）の厚さが異なる２つの領域Ｉ，II（２つのブラック反射器Ｉ，II）によって構成されているが、第３の実施形態では、領域Ｉにおける中間層（組成傾斜層）の厚さ、及び不純物のドーピング濃度と、領域IIにおける中間層（組成傾斜層）の厚さ、及び不純物のドーピング濃度とが、光の電界強度に応じて相違している。この際、半導体分布ブラッグ反射器を構成する各層の厚さは、中間層（組成傾斜層）を含めて、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調整されている。
【００７９】
具体的に、図１０の半導体分布ブラッグ反射器は、基板表面側である領域Ｉ（ブラッグ反射器Ｉ）側から光が入射されるとして設計されており、領域Ｉ（ブラッグ反射器Ｉ）では図１１のように低屈折率層としてｐ−Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓが用いられ、高屈折率層としてｐ−ＧａＡｓが用いられている。なお、図１１は、領域Ｉにおける半導体分布ブラッグ反射器の構成を示す図であり、半導体分布ブラッグ反射器Ｉは、図１１のように１対のｐ−ＧａＡｓ／ｐ−Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層と、それぞれの層の間に設けられた２つの組成傾斜層よりなる基本構造を１周期とし、図１０ではこの基本構造を繰り返し５周期積層して構成されている。図１１は、図１０の半導体分布ブラッグ反射器における組成傾斜層の厚さの変化の様子を詳しく示すために、上記の基本構造を２周期積層した構造について示したものである。
【００８０】
また、図１２は図１０の半導体分布ブラッグ反射器における領域IIにおける構成を示す図であり、領域II（ブラッグ反射器II）では、図１２のように、低屈折率層としてｐ−Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓが用いられ、高屈折率層としてｐ−ＧａＡｓが用いられている。なお、図１２は同様に、領域II（ブラッグ反射器II）における基本構造を示した図であり、領域IIではｐ−ＡｌＧａＡｓとｐ−ＧａＡｓ層のそれぞれの間には厚さ３０ｎｍの中間層（組成傾斜層）が設けられており、図１０では、図１２に示す基本構造を１周期とし、２０周期が繰り返し積層されている。
【００８１】
ここで、領域II（ブラッグ反射器II）において、各へテロ界面には、厚さ３０ｎｍの中間層（組成傾斜層）が設けられている。
【００８２】
また、領域II（ブラッグ反射器II）におけるＡｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層及びＧａＡｓ層の不純物のドーピング濃度は１×１０18ｃｍ-3程度としている。中間層（組成傾斜層）のドーピング濃度は、これと同程度かやや高濃度とすることによって、より効果的に低抵抗化が行える。
【００８３】
一方、領域Ｉ（ブラッグ反射器Ｉ）における中間層（組成傾斜層）のドーピング濃度は、光の電界強度が大きい表面側から基板側に向かって（図１０，図１１の矢印Ｒの方向に向かって）次第に高濃度となるように調整されており、これに対応して、中間層（組成傾斜層）の厚さは、表面側から基板側に向かって（図１０，図１１の矢印Ｒの方向に向かって）次第に薄くなるように設定されている。
【００８４】
具体的に、領域Ｉ（ブラッグ反射器Ｉ）では、表面側におけるドーピング濃度は例えば５×１０17ｃｍ-3となっており、基板側に向かって次第に増加するように（領域II（ブラッグ反射器II）のドーピング濃度に向かって）調整されている。また、中間層（組成傾斜層）の厚さも、表面側の６０ｎｍから基板側に向かって次第に減少するように（ブラッグ反射器IIにおける厚さ３０ｎｍに向かって）調整されている。
【００８５】
より具体的には、領域Ｉ（ブラッグ反射器Ｉ）の最表面のヘテロ界面には、厚さ６０ｎｍの中間層（組成傾斜層）が設けられており、この中間層（組成傾斜層）を挟むｐ−Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層の厚さは１８．０ｎｍであり、ｐ−ＧａＡｓ層の厚さは１１．８ｎｍである。そして、領域Ｉ（ブラッグ反射器Ｉ）における中間層（組成傾斜層）の厚さは、この中間層（組成傾斜層）の厚さ６０ｎｍから、領域II（ブラッグ反射器II）の方向に向かって、領域II（ブラッグ反射器II）の中間層（組成傾斜層）の厚さである３０ｎｍになるように、ドーピング濃度に応じて徐々に厚さを減少させている。これに伴って、ｐ−Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層、ｐ−ＧａＡｓ層の膜厚は次第に増加している。ここで、領域II（ブラッグ反射器II）におけるｐ−Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ層の厚さは５１．６ｎｍであり、ｐ−ＧａＡｓ層の厚さは４０．９ｎｍである。
【００８６】
この第３の実施形態の半導体分布ブラッグ反射器では、入射される光の電界強度の大きな領域で、不純物のドーピング濃度を低濃度とし、更に、不純物のドーピング濃度が低濃度となることによって高抵抗となることを防止するために、中間層（組成傾斜層）の厚さを選んでおり（中間層の厚さを厚くしており）、これにより、不必要に抵抗を増加させること無く、また、領域Ｉ（ブラッグ反射器Ｉ）における反射率を低下させること無く、効率良く吸収損失を低減することが可能となり、光学的，電気的特性の優れたブラッグ反射器を得ることができる。
【００８７】
このように、第３の実施形態の半導体分布ブラッグ反射器では、ブラッグ反射器中に厚さが異なった複数の中間層（組成傾斜層）が設けられており、組成傾斜層の厚さ及びドーピング濃度が、半導体分布ブラッグ反射器に入射される光の電界強度に応じて相違しており（具体的に、電界強度が大きな領域においては組成傾斜層の厚さが厚く、更にドーピング濃度が低くなる構成とし、一方電界強度が小さな領域においては、組成傾斜層の厚さが薄く、更にドーピング濃度が高くなる構成としており）、これにより、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、光の吸収損失の低減、及び低抵抗化を図ることができる。
【００８８】
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、反射波が強め合うように各半導体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。
【００８９】
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し、さらにドーピング濃度に応じて十分に低抵抗化できるように組成傾斜層の厚さを決めることによって、より効果的に光の吸収損失の低減と、電気的抵抗の低減を行うことが可能になる。このように、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、吸収を低減するために設けた低ドーピング濃度領域において、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たり、組成傾斜層を設けて反射率を低下させたりすることが防止できる。
【００９０】
しかしながら、第３の実施形態においても、光の電界強度が大きな入射表面近傍の領域では、ドーピング濃度を十分に低濃度とする必要があるので、十分に厚い組成傾斜層を設けて、低抵抗化することが重要である。
【００９１】
また、例えば、半導体分布ブラッグ反射器を面発光半導体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密度としない場合においても非常に高抵抗化し易い。
【００９２】
このように、酸化狭窄層の周辺では、狭窄により電流通路が減少し、高抵抗化しやすい上に、ドーピング密度が低濃度であることが多いことから、高抵抗になってしまう問題がある。しかしながら、この第３の実施形態のように、このような領域の組成傾斜層を他の領域に比べて十分に厚い構成とすると、狭窄により電流が集中する領域の抵抗が十分に低減されていることにより、抵抗の増加を低減することができる。
【００９３】
以上のように、ドーピング濃度の低い領域や、酸化狭窄層の周辺部等の高抵抗化しやすい領域の中間層（組成傾斜層）の厚さを厚くすることによって、ブラッグ反射器の抵抗を非常に効果的に低減することができる。従って、この第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。
【００９４】
なお、第３の実施形態では、ドーピング濃度，中間層厚さが相違する半導体分布ブラッグ反射器として、中間層の厚さ及びドーピング濃度が光の入射側から、光の電界強度に対応して次第に薄く且つ高濃度となる半導体分布ブラッグ反射器を用いて説明したが、第１，第２の実施形態では、中間層の厚さが異なる２種の領域からなる半導体分布ブラッグ反射器において、中間層の厚い領域におけるドーピングの濃度を低濃度とし、中間層の薄い領域におけるドーピングの濃度を高濃度として、中間層の厚さ及びドーピング濃度を相違させた構成としており、同様に、効果的に光の吸収損失の低減と電気抵抗の低減を図ることができるものである。
【００９５】
なお、第３の実施形態において、半導体分布ブラッグ反射器は、ＧａＡｓ基板上に、ＭＯＣＶＤ法によって結晶成長を行なって作製できるが、この他の成長方法が用いられていても良い。また、上述の例では、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（屈折率の異なる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、線形組成傾斜層を用いているが、中間層としては、この他にも、非線形に組成が変化する非線形組成傾斜層を用いても良いし、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ても良い。
【００９６】
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、半導体分布ブラッグ反射器の設計反射波長が１．１μｍよりも長波であることを特徴としている。
【００９７】
図１３は第４の実施形態の半導体分布ブラッグ反射器の具体例を示す図である。図１３の半導体分布ブラッグ反射器は、１．３μｍ帯を設計反射波長とするｐ型半導体分布ブラッグ反射器であり、結晶成長法としてＭＯＣＶＤ法によってＧａＡｓ基板上に作製されている。
【００９８】
また、図１３の半導体分布ブラッグ反射器は、第１の実施形態のｐ型半導体分布ブラッグ反射器と同様に、中間層（組成傾斜層）の厚さが異なる２つの領域Ｉ，IIによって構成されている。
【００９９】
ここで、図１４は、図１３のｐ型半導体分布ブラッグ反射器Ｉにおける積層の１周期を示したものであり、図１３を参照すると、ブラッグ反射器Ｉでは、低屈折率層としてｐ−Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓが用いられ、高屈折率層としてｐ−ＧａＡｓが用いられている。また、これらの半導体層のそれぞれの間には厚さ８０ｎｍの中間層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ線形組成傾斜層）が設けられており、図１３の半導体分布ブラッグ反射器では図１４に示す構成を１周期とし、４周期が積層されている。
【０１００】
同様に、図１５は、図１３のｐ型半導体分布ブラッグ反射器IIにおける積層の１周期を示したものであり、ブラッグ反射器IIでは、低屈折率層としてｐ−ＡｌＡｓが用いられ、高屈折率層としてｐ−ＧａＡｓが用いられている。また、これらの半導体層のそれぞれの間には厚さ５０ｎｍの中間層（ｐ−ＡｌＧａＡｓ線形組成傾斜層）が設けられており、図１３の半導体分布ブラッグ反射器では図１５に示す構成を１周期とし、２０周期が積層されている。
【０１０１】
また、図１３の半導体分布ブラッグ反射器は、基板表面である領域Ｉ（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、例えば５×１０17ｃｍ-3と、領域IIにおけるドーピング濃度に対して相対的に低濃度となるようにしている。
【０１０２】
図１３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帯等のブラッグ反射器と比べ長波となっている。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」には、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、更に１．５μｍ帯では、約３倍となることが記載されている。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。
【０１０３】
図１３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Ｉ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。更に、反射波長が長波となったことによって、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帯の面発光レーザ素子等と比べて厚くなっている。このため、厚い中間層（組成傾斜層）を設ける場合においても、反射率の低下への影響が少なくなっている。また、厚い中間層（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、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が大きな場合においても、中間層（組成傾斜層）により電気的抵抗を低減する効果が十分に得られる。従って、半導体分布ブラッグ反射器への光のしみ出しは小さく抑えられ、低濃度ドーピング領域の厚さを薄くすることができる。さらに、半導体分布ブラッグ反射器の層数を低減することができ、電気抵抗を低く抑えることができる。
【０１０４】
このように、第４の実施形態では、光の吸収損失が少なく、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が得られる。
【０１０５】
より詳細に説明すると、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及び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、かつ、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。
【０１０６】
しかしながら、本発明の第１乃至第３のいずれか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。また、この第４の実施形態の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として、例えば、１．３μｍ帯での組成傾斜層を設けない構造における、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の厚さは１１１．６ｎｍと、波長の長波長化に伴って厚くなっている。このように反射波長が長波である程、組成傾斜層が半導体分布ブラッグ反射器内に占める割合が少なくなり、反射率に与える影響を低減することができる。つまり、反射率を高く維持したまま、従来の０．８５μｍ帯，０．９８μｍ帯の半導体分布ブラッグ反射器よりも厚い組成傾斜層を設けることが可能となる。組成傾斜層は厚さが厚くなる程、ヘテロ界面のポテンシャル障壁を平滑にする効果が高いので、電気的抵抗を十分に低減することが可能となる。
【０１０７】
図１６は、１．３μｍを反射波長とした５ペアの半導体分布ブラッグ反射器について、低屈折率層のＡｌ組成をパラメータとして、組成傾斜層の厚さに対する反射率を示す図である。図１６において、半導体分布ブラッグ反射器の高屈折率層はＧａＡｓとしている。組成傾斜層を設けない場合の、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であり、高屈折率層であるＧａＡｓ層の厚さは上記のように、９５．２ｎｍである。図１６を参照すると、０．９８μｍ帯の半導体分布ブラッグ反射器と同様に、大半が組成傾斜層となるような厚い組成傾斜層を設けた場合でも、反射率への影響は比較的少ないことが分かる。
【０１０８】
従って、このような長波長帯を反射波長とした半導体分布ブラッグ反射器では、従来の０．９８μｍ帯の半導体分布ブラッグ反射器に比べて、組成傾斜層の反射率への影響がより少なく、低濃度ドーピング領域における反射率を高く維持し、半導体分布ブラッグ反射器中の光のしみ出しを低減することが容易となる。
【０１０９】
よって、この第４の実施形態の半導体分布ブラッグ反射器は、低濃度ドーピング領域の層数を低減することが可能であり、ブラッグ反射器全体として低抵抗であり、また低濃度領域における反射率も十分に高いので、半導体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できる。
【０１１０】
このように、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、特に顕著に低抵抗とすることができる。
【０１１１】
また、更に、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半導体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。酸化狭窄層の周辺の領域の組成傾斜層を他の領域に比べて十分に厚い構成とすると、狭窄により電流が集中する領域の抵抗が十分に低減されていることにより、抵抗の増加を低減することができる。
【０１１２】
以上のように、この第４の実施形態では、光の吸収損失、及び電気的抵抗が十分に低く、光学的，電気的に特性の優れた長波長帯域（反射波長が１．１μｍよりも長波の帯域）における半導体分布ブラッグ反射器を得ることができる。
【０１１３】
なお、第４の実施形態において、半導体分布ブラッグ反射器は、ＧａＡｓ基板上に、ＭＯＣＶＤ法によって結晶成長を行なって作製できるが、この他の成長法，例えばＭＢＥ法等が用いられていても良い。また、上述の例では、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（屈折率の異なる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、線形組成傾斜層を用いているが、中間層としては、この他にも、非線形に組成が変化する非線形組成傾斜層を用いても良いし、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ても良い。
【０１１４】
第５の実施形態
上述した第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用いて面発光半導体レーザ素子を構成することができる。
【０１１５】
本発明の第５の実施形態は、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面発光半導体レーザ素子である。
【０１１６】
図１７は第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子の具体例を示す図である。図１７の面発光半導体レーザ素子は、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。
【０１１７】
すなわち、図１７の面発光半導体レーザ素子は、ｎ−ＧａＡｓ基板上に、ｎ−ＧａＡｓバッファー層を形成した後、ＡｌＡｓ／ＧａＡｓを１対としたｎ型半導体分布ブラッグ反射器３６ペア、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、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。
【０１１８】
ここで、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器は、Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ／ＧａＡｓを１対とした４対のｐ型半導体分布ブラッグ反射器Ｉ（領域Ｉ）と、Ａｌ0.8Ｇａ0.2Ａｓ／ＧａＡｓを１対とした１８対のｐ型半導体分布ブラッグ反射器II（領域II）とによって構成されており、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（領域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。
【０１１９】
また、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器Ｉ（領域Ｉ）の各へテロ界面には、一方の半導体層から他方の半導体層へＡｌ組成を線形に変化させた厚さ８０ｎｍの線形組成傾斜層（中間層）が設けられている。また、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器II（領域II）の各へテロ界面にも、同様に、厚さ５０ｎｍの線形組成傾斜層（中間層）が設けられている。
【０１２０】
１．３μｍ帯のように長波の面発光半導体レーザ素子では、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（中間層）を設けることが可能である。
【０１２１】
また、図１７の面発光半導体レーザ素子では、活性層側から１対目のｐ型半導体分布ブラッグ反射器Ｉ（領域Ｉ）の界面に、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。
【０１２２】
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、第１の実施形態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、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。
【０１２３】
図１７の面発光半導体レーザ素子は、上記のような積層構造（素子積層膜）を形成した後、次のようにして作製される。
【０１２４】
すなわち、上記のような積層構造を形成した後、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のエッチング除去を行なう。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。
【０１２５】
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る。ここで、電流通路となる領域の大きさは５μｍ×５μｍとする。
【０１２６】
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、素子の上面に光出射部に開口を有したｐ型電極を形成する。次に、ＧａＡｓ基板の裏面にｎ型電極を形成し、図１７の面発光半導体レーザ素子を作製することができる。
【０１２７】
図１７の面発光半導体レーザ素子では、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、これにより、光吸収による損失が低減されており、これによって、素子のスロープ効率を向上させ、発振閾値電流を低減させることができる。更に、ｐ型ブラッグ反射器Ｉ（領域Ｉ）における中間層（組成傾斜層）の厚さを、ｐ型ブラッグ反射器II（領域II）における中間層（組成傾斜層）の厚さに比べて厚く設けたことで、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、抵抗値の増加，動作電圧の増加が生じるのを防止できる。従って、素子の発熱も増加することが無く、新たな発熱による出力の低下は見られず、逆に、光の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可能となる。
【０１２８】
また、図１７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構成することができる。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。このことから、図１７の面発光半導体レーザ素子は、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、高速通信システムを容易に実現することが可能となる。
【０１２９】
なお、上述の例では、ｎ型半導体基板上に結晶成長を行って作製された面発光半導体レーザ素子について説明したが、面発光半導体レーザ素子としては、この他にも、ｐ型半導体基板上に結晶成長を行なって作製されたものであっても良い。
【０１３０】
図１８には、ｐ型半導体基板上に結晶成長を行なって作製された面発光半導体レーザ素子の例が示されている。図１８の面発光半導体レーザ素子は、ｐ−ＧａＡｓ基板上に、ＭＯＣＶＤ法により図１７の面発光半導体レーザ素子と同様に結晶成長を行って作製される。
【０１３１】
すなわち、図１８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対とする３２対のｐ型半導体分布ブラッグ反射器II（領域II）の結晶成長を行い、続いて、Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓ／ＧａＡｓを１対とする５対のｐ型半導体分布ブラッグ反射器Ｉ（領域Ｉ）、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対とする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作製される。
【０１３２】
図１８の面発光半導体レーザ素子では、図１７の面発光半導体レーザ素子と同様に、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器II（領域II）の各へテロ界面には、電気的抵抗を低減するための厚さ５０ｎｍの線形組成傾斜層（中間層）が、また、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器Ｉ（領域Ｉ）の各へテロ界面には、厚さ８０ｎｍの線形組成傾斜層（中間層）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。
【０１３３】
図１８の面発光半導体レーザ素子は、結晶成長の後、図１７の面発光半導体レーザ素子と同様に、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。
【０１３４】
図１８の面発光半導体レーザ素子も図１７の面発光半導体レーザ素子と同様に、ｐ型半導体分布ブラッグ反射器による光の吸収損失が低減したことによって、発振閾値電流が低減し、スロープ効率を向上させることができる。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る。
【０１３５】
また、図１８の面発光半導体レーザ素子は、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、高速通信システムを容易に実現することが可能となる。
【０１３６】
このように、第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子では、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。
【０１３７】
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組成傾斜層の厚さを、その他の高濃度ドーピング領域に比べて厚くすることにより、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が十分に平滑化され、抵抗値を増加させることなく光の吸収損失を低減することが可能となる。この際、組成傾斜層の厚さは図６のように十分に厚くした場合であっても、反射率に与える影響は少なく、従って、十分に厚い組成傾斜層を設けることができる。従って、従来のように低濃度領域における電気抵抗を低減するために、Ａｌ組成を著しく低下させる必要がなく、低濃度ドーピング領域の反射率を高く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するできるので、抵抗の増加が防止できる。また、ブラッグ反射器の積層数も少なくすることができるので、抵抗の増加を防止することができる。
【０１３８】
更に、面発光半導体レーザ素子では、半導体分布ブラッグ反射器中にＡｌ（Ｇａ）Ａｓを酸化してなる酸化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。酸化狭窄層の周辺においては、電流が集中し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という問題がある。
【０１３９】
しかしながら、本発明の半導体分布ブラッグ反射器のように、例えば上述の様なドーピング濃度の低い領域や、酸化狭窄層の周辺部等の高抵抗化しやすい領域の組成傾斜層の厚さを、他の領域に対して相対的に厚くすることにより、以上の領域における抵抗を非常に効果的に低減することが可能である。
【０１４０】
よって、従来の素子に比べ、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、発振閾値電流が低減した面発光半導体レーザ素子を得ることができる。
【０１４１】
このように、第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子は、素子抵抗を増加させることなく、面発光半導体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特性を有している。
【０１４２】
なお、この第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子において、活性層のIII族材料を、Ｇａ，Ｉｎのいずれか、または、全てのものとし、活性層のＶ族材料を、Ａｓ，Ｎ，Ｓｂのいずれか、または、全てのものとすることができる。
【０１４３】
これらの材料から成る活性層は、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帯及び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よりも長波の発振光を得ることができる。
【０１４４】
具体的に、波長１．３μｍ帯の面発光半導体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、高速光通信を実現することが可能になる。また、１．５μｍ帯の素子によるＤＷＤＭを用いれば、大容量通信を実現することが可能になる。
【０１４５】
この際、特に、上述した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。
【０１４６】
これらに加えて、本発明の面発光半導体レーザ素子では、上述のように、従来の素子に比べて、光の吸収損失が小さく、低抵抗であるので、スロープ効率が向上し、発振閾値電流を低減することができる。また、抵抗が低いので、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半導体レーザ素子を提供することができる。
【０１４７】
以上の各実施形態において、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なったが、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大きい（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も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ではエッチング制御性を向上させることができる。
【０１４８】
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。
【０１４９】
図１９は第６の実施形態の面発光レーザアレイの具体例を示す図である。図１９の面発光レーザアレイは、第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子を２次元的に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１９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。なお、図１９の面発光レーザアレイは、第５の実施形態と同様の手順，方法で作製されている。
【０１５０】
図１９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、光の吸収損失が小さく、更に低抵抗であり、特にアレイとした場合の電力変換効率が高いので、効率の高い面発光レーザアレイを得ることができる。
【０１５１】
すなわち、本発明の面発光半導体レーザ素子は、前述したように、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、低消費電力のものにすることができる。従って、このような本発明の面発光半導体レーザ素子により構成された面発光レーザアレイは、アレイ全体としての電力変換効率が高く、非常に高効率なものとなる。
【０１５２】
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、更に大容量の光伝送、光通信を行うことが可能である。また、本発明の面発光半導体レーザ素子の前述した活性層材料によって１．３μｍ帯で発振する面発光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、更に高速，大容量光伝送，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。
【０１５３】
第７の実施形態
本発明の第７の実施形態は、第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子、または、第６の実施形態の面発光レーザアレイを用いた面発光レーザモジュールである。
【０１５４】
図２０は第７の実施形態の面発光レーザモジュールの具体例を示す図である。図２０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。
【０１５５】
ここで、面発光レーザアレイには、第６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。
【０１５６】
また、この第７の実施形態の面発光レーザモジュールの光源として、第６の実施形態の面発光レーザアレイを用いることにより、光の吸収損失が小さく、更に低抵抗であり、電力変換効率が高い面発光レーザモジュールを得ることができる。
【０１５７】
このように、第７の実施形態の面発光レーザモジュールには、光の吸収損失が低減された低抵抗な第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子、又は、第６の実施形態の面発光レーザアレイが用いられており、これによって、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提供することができる。
【０１５８】
特に、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となり、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可能となる。
【０１５９】
また、１．５μｍ帯で発振する面発光半導体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、更に、高速，大容量の光伝送，光通信が可能となる。以上のように、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提供することができる。
【０１６０】
第８の実施形態
本発明の第８の実施形態は、第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子、または、第６の実施形態の面発光レーザアレイ、または、第７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た光インターコネクションシステムである。
【０１６１】
図２１は第８の実施形態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２１の光インターコネクションシステムでは、機器１と機器２と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７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。
【０１６２】
図２１の光インターコネクションシステムでは、第７の実施形態の面発光レーザモジュールを用いることで、発振光の吸収損失が小さく、更に低抵抗であり、電力変換効率を高くすることができ、消費電力が小さく特性の優れた光伝送システムを得ることができる。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面発光レーザ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る。
【０１６３】
なお、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、第５の実施形態におけるような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、光インターコネクションシステムとしては、第７の実施形態の面発光レーザモジュールの他にも、第５の実施形態，第６の実施形態の面発光半導体レーザ素子，面発光レーザアレイを用いることができる。また、機器間の光インターコネクションシステムの他にも、ボード間，チップ間，チップ内の光インターコネクションに適用することもできる。
【０１６４】
このように、第８の実施形態は、第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子、または、第６の実施形態の面発光レーザアレイ、または、第７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光インターコネクションシステムであり、この光インターコネクションシステムには、吸収損失が低減された低抵抗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るので、電力変換効率が高く、低消費電力な光インターコネクションシステムを構築できる。
【０１６５】
特に、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可能である。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、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提供することができる。
【０１６６】
このように、第８の実施形態では、第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子、または、第６の実施形態の面発光レーザアレイ、または、第７の実施形態の面発光レーザモジュールを用いることによって、高速，大容量な光伝送が可能であり、また電力変換効率が高く、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。
【０１６７】
第９の実施形態
本発明の第９の実施形態は、第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子、または、第６の実施形態の面発光レーザアレイ、または、第７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た光通信システムである。
【０１６８】
図２２は第９の実施形態の光通信システムの一例としての光ＬＡＮシステムを示す図である。図２２の光ＬＡＮシステムは、第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子、または、第６の実施形態の面発光レーザアレイ、または、第７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。
【０１６９】
すなわち、図２２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、第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子、または、第６の実施形態の面発光レーザアレイ、または、第７の実施形態の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。
【０１７０】
図２２の光ＬＡＮシステムでは、光伝送の光源に、第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子、または、第６の実施形態の面発光レーザアレイ、または、第７の実施形態の面発光レーザモジュールが用いられることで、発振光の吸収損失が小さく、低抵抗であり、更に電力変換効率を高くすることができ、消費電力の小さな光伝送システムを提供することができる。更に、ＧａＩｎＮＡｓを活性層とした本発明の面発光レーザでは、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。
【０１７１】
このように、第９の実施形態は、第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子、または、第６の実施形態の面発光レーザアレイ、または、第７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た光通信システムであり、この光通信システムには、光の吸収損失が低減された低抵抗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構築できる。
【０１７２】
特に、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可能である。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、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。
【０１７３】
このように、第９の実施形態では、第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子、または、第６の実施形態の面発光レーザアレイ、または、第７の実施形態の面発光レーザモジュールを用いることによって、高速，大容量な光通信が可能であり、また電力変換効率が高く、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。
【０１７４】
ここで、光通信システムとして、ＬＡＮについて説明を行ったが、この他にも幹線系やＷＡＮ，ＭＡＮ等にも用いることができる。また、端末は、光により情報の授受を行う全ての情報機器端末に用いることができる。
【０１７５】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１乃至請求項３記載の発明によれば、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内で不純物のドーピング濃度が互いに異なる第１の領域と第２の領域を有し、前記第１の領域は光の入射側にあたり、前記第１の領域と前記第２の領域のそれぞれの領域で、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もつ中間層を有し、
前記第１の領域における不純物のドーピング濃度は、前記第２の領域における不純物のドーピング濃度に対し低濃度であり、前記第１の領域における中間層の厚さは前記第２の領域における中間層の厚さに比べて厚いので、反射率を低下させることなく、低抵抗で且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ことができる。
【０１７６】
また、請求項４または請求項５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が用いられているので、発振光の吸収損失が低く、更に抵抗が低く、高出力動作が可能で、効率の高い面発光半導体レーザ素子を提供することができる。
【０１７７】
また、請求項６記載の発明によれば、請求項４または請求項５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ので、発振光の吸収損失が低く、更に抵抗が低く、高出力動作が可能で、効率の高い面発光レーザアレイを提供することができる。
【０１７８】
また、請求項７記載の発明によれば、請求項４または請求項５に記載の面発光半導体レーザ素子、または、請求項６記載の面発光レーザアレイが用いられているので、高出力動作が可能で、電力変換効率が高く、消費電力が低い面発光レーザモジュールを提供することができる。
【０１７９】
また、請求項８記載の発明によれば、請求項４または請求項５に記載の面発光半導体レーザ素子、または、請求項６記載の面発光レーザアレイ、または、請求項７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、低消費電力で、電力変換効率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。
【０１８０】
また、請求項９記載の発明によれば、請求項４または請求項５に記載の面発光半導体レーザ素子、または、請求項６記載の面発光レーザアレイ、または、請求項７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、低消費電力で、電力変換効率の高い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】本発明の第１の実施形態の半導体分布ブラッグ反射器の具体例を示す図である。
【図２】線形組成傾斜層の一例を示す図である。
【図３】図１のｐ型半導体分布ブラッグ反射器Ｉの構成例を示す図である。
【図４】図１のｐ型半導体分布ブラッグ反射器IIの構成例を示す図である。
【図５】０．９８μｍ帯における４ペアのｐ型半導体分布ブラッグ反射器の抵抗率を、ブラッグ反射器を構成する低屈折率層のＡｌ組成をパラメータとして、組成傾斜層の厚さに対して示した図である。
【図６】０．９８μｍ帯における５ペアのｐ型半導体分布ブラッグ反射器について、ブラッグ反射器を構成する低屈折率層のＡｌ組成をパラメータとして、反射率を中間層（組成傾斜層）の厚さに対して示した図である。
【図７】本発明の第２の実施形態の半導体分布ブラッグ反射器の具体例を示す図である。
【図８】図７のｐ型半導体分布ブラッグ反射器Ｉの構成を示す図である。
【図９】図７のｐ型半導体分布ブラッグ反射器IIの構成を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態の半導体分布ブラッグ反射器の具体例を示す図である。
【図１１】図１０の半導体分布ブラッグ反射器の領域Ｉを示す図である。
【図１２】図１０の半導体分布ブラッグ反射器の領域IIを示す図である。
【図１３】第４の実施形態の半導体分布ブラッグ反射器の具体例を示す図である。
【図１４】図１３の半導体分布ブラッグ反射器の領域Ｉを示す図である。
【図１５】図１３の半導体分布ブラッグ反射器の領域IIを示す図である。
【図１６】１．３μｍを反射波長とした５ペアの半導体分布ブラッグ反射器について、低屈折率層のＡｌ組成をパラメータとして、組成傾斜層の厚さに対する反射率を示す図である。
【図１７】第５の実施形態の面発光半導体レーザ素子の具体例を示す図である。
【図１８】ｐ型半導体基板上に結晶成長を行なって作製された面発光半導体レーザ素子の例を示す図である。
【図１９】第６の実施形態の面発光レーザアレイの具体例を示す図である。
【図２０】第７の実施形態の面発光レーザモジュールの具体例を示す図である。
【図２１】第８の実施形態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２２】第９の実施形態の光通信システムの一例としての光ＬＡＮシステムを示す図である。
【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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