(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶基板上部に光を発生する活性層と、当該活性層から発生した光からレーザ光を得るために活性層の上部及び下部を上部反射鏡と基板側の下部反射鏡で挟んだ共振器とを有し、結晶基板面に垂直にレーザ光を放射する面発光半導体レーザにおいて、前記結晶基板は、ＧａＡｓ基板であり、少なくとも一方の反射鏡は、前記ＧａＡｓ基板に格子整合する低屈折率半導体層と前記ＧａＡｓ基板に格子整合する高屈折率半導体層とを交互に積層してなる半導体多層膜を含めて構成され、当該低屈折率半導体層は、主たる元素がアルミニウム、インジウム及び燐の材料からなり、前記高屈折率半導体層は、主たる元素がガリウム、インジウム、窒素及び砒素の材料からなることを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項２】
結晶基板上部に光を発生する活性層と、当該活性層から発生した光からレーザ光を得るために活性層の上部及び下部を上部反射鏡と基板側の下部反射鏡で挟んだ共振器とを有し、結晶基板面に垂直にレーザ光を放射する面発光半導体レーザにおいて、少なくとも一方の反射鏡は、低屈折率の半導体層と高屈折率の半導体層とを交互に積層してなる半導体多層膜をもって構成され、当該高屈折率半導体層は、主たる元素がガリウム、インジウム、窒素及び砒素の材料からなることを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項３】
前記半導体多層膜は、ｐ型の導電性を与える不純物が混入していることを特徴とする請求項２に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項４】
前記半導体多層膜をもって構成される反射鏡は、低屈折率半導体層と高屈折率半導体層の積層数が３０対以下であることを特徴とする請求項２に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項５】
結晶基板上部に光を発生する活性層と、当該活性層から発生した光からレーザ光を得るために活性層の上部及び下部を上部反射鏡と基板側の下部反射鏡で挟んだ共振器とを有し、結晶基板面に垂直にレーザ光を放射する面発光半導体レーザにおいて、前記結晶基板はＧａＡｓ基板であり、少なくとも一方の反射鏡は、当該ＧａＡｓ基板に格子整合する低屈折率半導体層と、当該ＧａＡｓ基板に格子整合する高屈折率半導体層とを交互に積層してなる半導体多層膜をもって構成され、前記活性層は、主たる元素がガリウム、インジウム、窒素及び砒素の材料からなることを特徴とする面発光半導体レーザ。
【請求項６】
前記レーザ光の波長が０．８５μｍよりも長く、赤外線の波長範囲にあることを特徴とする請求項５に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項７】
前記レーザ光の波長が１．３μｍ帯又は１．５５μｍ帯のいずれかであることを特徴とする請求項５に記載の面発光半導体レーザ。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか一に記載の面発光半導体レーザを光源として備えたことを特徴とする光送信モジュール。
【請求項９】
請求項１〜請求項７のいずれか一に記載の面発光半導体レーザを光源として備えたことを特徴とする並列情報処理装置。
【請求項１０】
請求項１〜請求項７のいずれか一に記載の面発光半導体レーザを光源として備えたことを特徴とする光ファイバ通信システム。
【請求項１１】
請求項１〜請求項７のいずれか一に記載の面発光半導体レーザを光源として備えたことを特徴とする光送受信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、面発光型の半導体レーザ、特に、民生用等一般用に適用して好適な面発光半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
面発光半導体レーザは、基板の表面から垂直方向にレーザ光を放射するので２次元並列集積が可能であり、更に、その出力光の広がり角が比較的狭い（１０度前後）ので光ファイバとの結合が容易であるほか、素子の検査が容易であるという特徴を有している。そのため、特に、並列伝送型の光送信モジュール（光インタコネクション装置）を構成するのに適した素子として開発が盛んに行なわれている。光インタコネクション装置の当面の応用対象は、コンピュータ等の筐体間やボード間の並列接続のほか、短距離の光ファイバ通信であるが、将来の期待される応用として大規模なコンピュータ・ネットワークや長距離大容量通信の幹線系がある。
【０００３】
一般に、面発光半導体レーザは、ＧaＡs 又はＧaＩnＡs からなる活性層と、当該活性層を上下に挟んで配置された上部の反射鏡と基板側の下部の反射鏡からなる光共振器をもって構成するのが普通であるが、端面発光型半導体レーザの場合に比較して光共振器の長さが著しく短いため、反射鏡の反射率を極めて高い値(９９％以上)に設定することによってレーザ発振を起こし易くする必要がある。このため、通常は、ＡlＡs からなる低屈折率材料とＧaＡs からなる高屈折率材料を１／４波長の周期で交互に積層することによって形成した多層膜反射鏡が使用されている。
【０００４】
反射率は、積層数を増やすことによって大きくすることができるので、３０対〜４０対に及ぶ積層数が採用される場合が多い。しかし、このように積層数が多いと、多層膜反射鏡の作製が難しくなって素子の歩留まりが悪くなるほか、直列抵抗が増大して消費電力が増える問題があり、更に、面発光半導体レーザの高さが増大する結果、電気配線が困難になり、レーザ駆動用トランジスタ等の他の半導体素子との集積が難しくなる。従って、積層数は、できるだけ少ないことが望ましい。積層数の低減は、低屈折率層と高屈折率層との間の屈折率差を大きくすることによって達成することができる。
【０００５】
従って、大きい屈折率差が得られる材料の選択が重要である。しかし、合わせて、転移の発生を抑える観点から、基板と格子整合している材料を選ぶ必要がある。このような両面を満たす材料は現状では少ない。例えば、基板材料のなかでＧaＡs 基板は、良質の結晶を得ることが容易であるとともに同基板上に形成される半導体レーザの温度特性が安定しており、一般用に広く用いられているが、このＧaＡs 基板に格子整合する材料は、現状では、低屈折率材料として前記ＡlＡs、高屈折率材料として前記ＧaＡs がある程度である。
【０００６】
一方、最近、格子整合していない材料を採用し、基板と反射鏡の間にバッファ層を設けることによって格子不整合に伴う問題を緩和する提案がなされた（特開平６−１３２６０５号公報参照）。同例では、低屈折率層にＡlＩnＰを採用し、高屈折率層にＩnＧaＡsＰを採用している。いずれも基板と格子整合していない材料である。しかし、屈折率層の各層の厚さが波長の１／４に固定され、臨界膜厚（１０ｎｍ前後）よりも著しく厚いので、格子不整合の影響を避けることができず、結晶欠陥を発生し易い問題点があった。
【０００７】
次に、一般に積層数の問題は、レーザ波長が１．３μｍ帯や１．５５μｍ帯である場合に特に大きい。このような長波長帯レーザの場合には専ら、基板にＩnＰが用いられ、活性層にＩnＧaＡsＰが用いられるが、基板のＩnＰの格子定数が大きく、これに整合する反射鏡材料では屈折率差が大きく取れず、従って積層数を４０対以上とする必要があった。一方、ＩnＰ基板上に形成される半導体レーザには、別の問題として、温度によって特性が大きく変化する点がある。そのため、温度を一定にする装置を付加して使用する必要があり、民生用等一般用に供することが困難であった。このような積層数と温度特性の問題から、実用的な長波長帯面発光半導体は、未だ実用化されるに至っていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来技術の前記問題点を解決し、少ない積層数で高反射率を得ることができる反射鏡を備えた新規な面発光半導体レーザを提供することにあり、更に、実用的な長波長帯面発光半導体レーザを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
ＡlＩnＰは、Ｉn の組成割合を低くしてＧaＡs 基板と格子整合を取るようにすることが可能であり、そのような状態のＡlＩnＰの屈折率を特性分析によって調べた結果、従来材料よりも低い屈折率を得ることができることが判明した。調査結果を図１の左側に示す。
【００１０】
本発明は、このような研究成果に基づいてなされたものであり、その最大の特徴とするところは、ＧaＡs 基板を用い、基板側の下部上部のうち少なくとも一方の反射鏡の低屈折率層に同基板と格子整合が取れるＡlＩnＰからなる半導体層を用いた点にある。なお、高屈折率層も同基板と格子整合が取れる半導体層とする。その結果、従来よりも大きい屈折率差を得ることができる。この大きい屈折率差によって少ない積層数で高反射率の多層膜反射鏡を実現することができる。基板と格子整合が取れる上記の半導体層を下部反射鏡に用いることによって転位の発生を回避することが可能となることは云うまでもないが、同半導体層を上部反射鏡に用いる場合にも、基板と上部反射鏡の間の活性層やクラッド層に対して基板との格子整合についての関係付けが行なわれるので転位発生回避の効果を得ることができる。なお、屈折率が大きく変わらない範囲でＡlＩnＰに他の元素を添加することが可能である。
【００１１】
次に、窒素がIII−Ｖ族材料の屈折率に変化を与える点に着目し、特性分析によってその屈折率を調べた結果、ＧaＩnＮＡs が従来材料よりも高い屈折率を持つ材料であることが判明した。調査結果を図１の右側に示す。
【００１２】
本発明の別の特徴は、このような研究成果に基づくものであり、下部上部のうち少なくとも一方の反射鏡の高屈折率層にＧaＩnＮＡs からなる半導体層を用いたことにある。その結果、従来よりも大きい屈折率差を得ることができる。この大きい屈折率差によって、少ない積層数で高反射率の多層膜反射鏡を実現することができる。なお、屈折率が大きく変わらない範囲でＧaＩnＮＡs に他の元素を添加することが可能である。
【００１３】
以上の結果から、言うまでもなく、反射鏡の低屈折率層に前記ＡlＩnＰ半導体層を採用した場合、高屈折率層に前記ＧaＩnＮＡs 半導体層を採用することによって、一層大きい屈折率差を得ることが可能である。
【００１４】
更に、ＧaＩnＮＡs は、そのＮ（窒素）組成を増加させることによってＰ型半導体多層膜反射鏡の直列抵抗を低減することができる（面発光レーザでは、有効質量の大きいＰ型半導体での抵抗が問題となる）。直列抵抗は、価電子帯のバンド不連続の減少に伴って下がる。Ｎ組成を増加させると、価電子帯頂上のエネルギーが低下するので、高屈折率層と低屈折率層との間のヘテロ界面における価電子帯のバンド不連続が減少する。具体的に示すと、ＡlＡs／ＧaＡs 系半導体多層膜反射鏡では価電子帯のバンド不連続が６００ｍeＶ程度になるが、ＡlＩnＰ／ＧaＩnＮＡs 系半導体多層膜反射鏡では、所定のＮ組成割合とすることによって価電子帯のバンド不連続を４００ｍeＶ程度に下げることができる。直列抵抗は、価電子帯のバンド不連続の大きさの指数関数で決まるので、１へテロ界面での直列抵抗は、約１／５に減少する。従って、ｐ型の半導体多層膜反射鏡では、積層数の低減と相まって直列抵抗が大幅に減少する。
【００１５】
次に、ＧaＩnＮＡs を活性層の材料としてみると、Ｎ組成を増加させて行くに従ってバンドギャップ（禁制帯幅）が１．４ｅＶから０ｅＶへ向かって低下するので、０．８５μｍよりも長い波長を発光する材料として用いることが可能である。しかもＧaＡs 基板と格子整合が可能なので、１．３μｍ帯及び１．５５μｍ帯の長波長帯面発光半導体レーザのための材料として好ましい。尤も、同ＧaＩnＮＡs をＧaＡs基板と組み合わせて端面発光型半導体レーザに用いる提案が既になされている(特開平７−１５４０２３号公報、特開平７−１６２０９７号公報及び特開平８−１９５５２２号公報参照）。しかし、同提案は、面発光型について言及していない。
【００１６】
一方、特開平７−２９７４７６号公報は、ＩnＧaＮの活性層を有する面発光型の半導体レーザを開示する。この公報には、ＧaＮとＩnＡlＮとを交互に積層して形成されたブラッグ反射鏡を有する半導体レーザが開示されている。しかし、この公報が開示するＩnＧaＮ、ＧaＮ、及びＩnＡlＮの各半導体結晶は、同公報の図３に示されるように六方晶系のウルツ鉱型構造を有する。従って、この公報に開示された技術に基づいて、立方晶系の閃亜鉛鉱型構造を有し且つ構成元素としてＮを含むIII−Ｖ族化合物半導体層からなる活性層を有する半導体レーザを実現することは不可能である。その理由は、相互の結晶構造が本質的に異なるためである。
【００１７】
本発明者は、反射鏡としてＧaＡs 基板に格子整合する半導体多層膜を用いることによってＧaＡs 基板及びＧaＩnＮＡs からなる活性層を採用した面発光型半導体レーザが実現可能であることに着目した。本発明の更に別の特徴は、このような知見に基づくものである。即ち、本発明の更に別の半導体レーザは、ＧaＡs 基板と、同基板に格子整合する低屈折率の半導体層及び同基板に格子整合する高屈折率の半導体層を交互に積層してなる反射鏡と、ＧaＩnＮＡs からなる活性層とを少なくとも用いて構成され、かつ、同反射鏡が上部下部のうちの少なくとも一方に配置される。その結果、低屈折率層、高屈折率層及び活性層のいずれをもＧaＡs 基板と格子整合している状態で使用可能となるので、結晶欠陥の生じない安定した実用的長波長帯面発光半導体レーザを実現することができる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の実施例の目的は、従来技術の前記問題点を改善し、少ない積層数で高反射率を得ることができる反射鏡を備えた新規な面発光半導体レーザを提供することにあり、又は、実用的な長波長帯面発光半導体レーザを提供することにある。
【００１９】
なお、このような長波長帯面発光半導体レーザの多層膜反射鏡にＧaＩnＮＡs を用いる場合に、レーザ光が多層反射鏡に吸収されることを防ぐために、その混成組成を調節して、多層膜反射鏡のＧaＩnＮＡs のバンドギャップを活性層のバンドギャップよりも大きく設定することが望ましい。
【００２０】
また、活性層のＧaＩnＮＡs は、ＧaＡs 基板上に作製することが可能であるので、バンドギャップが大きいＡlＩnＰ，ＡlＧaＩnＰ，ＧaＩnＰ，ＧaＩnＰＡs又はＡlＧaＡs 等の半導体と組み合わせることができる。そのような組み合わせによって、電子の閉じ込めを強くし、室温での漏れ電流を少なくすることができる。このようなバンドギャップが大きい半導体を半導体多層膜反射鏡やクラッド層に用いることによって前記組み合わせを実施し、ＧaＩnＮＡs を活性層に用いた面発光半導体レーザの室温動作を実現することができる。
【００２１】
以上に説明した半導体多層膜反射鏡及び活性層は、基板上に安定に結晶成長させることが可能であり、化学線エピタキシ法、分子線エピタキシ法又は有機金属気相エピタキシ法のいずれの手法を用いても作製することができる。
【００２２】
また、本面発光半導体レーザは、少ない積層数で構成されるので高さを低くすることができる。従って、他の半導体素子と同一基板結晶上に集積することが容易となり、高集積の光送信モジュールを実現することができる。
【００２３】
以上、半導体による多層膜反射鏡について説明したが、下部上部の反射鏡とも半導体多層膜反射鏡で構成することが可能であるほか、一方を誘電体による多層膜反射鏡とすることが可能である。例えば、下部反射鏡を半導体多層膜反射鏡で構成する場合、上部反射鏡を誘電体多層膜反射鏡とすることが可能である。
【００２４】
なお、本発明で言う「格子整合を取る」は、格子不整合転位の発生を抑制するためであり、それが実現されている場合は、微量の格子不整合があっても差し支えない。例えば、格子不整合度は、±０．５％以内程度であれば良い。
【００２５】
【発明の実施の形態】
ＧaＡs 基板を用い、基板側の下部反射鏡の低屈折率層に基板と格子整合するＡlＩnＰ半導体層を用いた面発光半導体レーザにおいて、当該反射鏡の高屈折率層にＧaＡs半導体層を用い、活性層をＧaＩnＡs／ＧaＡs 歪量子井戸活性層とした。以上の面発光半導体レーザを４×４の二次元に集積してアレイ素子とし、同素子を用いて光送信モジュールを構成した。
【００２６】
次に、基板側の下部反射鏡の高屈折率層にＧaＩnＮＡs 半導体層を用いた面発光半導体レーザにおいて、基板にＧaＡs 基板を用い、同低屈折率層に基板と格子整合するＡlＩnＰ半導体層を用いた。活性層は、ＧaＩnＡs／ＧaＩnＰＡs 応力補償型量子井戸活性層とした。基板には、面発光半導体レーザを駆動するためのＭＥＳ−ＦＥＴ型トランジスタ（Metal Semiconductor - Field Effect Transistor）を同時に集積した。
【００２７】
また、ＧaＡs 基板を用い、活性層にＧaＩnＮＡs を用いた面発光半導体レーザにおいて、活性層を基板に格子整合するＧaＩnＮＡs 無歪活性層とし、基板に格子整合する低屈折率のＧaＩnＰ半導体層と基板に格子整合する高屈折率のＧaＩnＮＡs 半導体層を交互に積層した反射鏡を活性層と基板の間に配置した。以上の面発光半導体レーザは、室温で発光し、１．３μｍの発光波長を得た。
【００２８】
以下、図面に示した幾つかの実施例を参照して更に詳細に説明する。
【００２９】
【実施例】
＜実施例１＞
発光波長が０．９８μｍ帯のポリイミド埋め込み型面発光半導体レーザを図２に示す。同図において、１は、ｎ−ＧaＡs 基板（ｎ不純物濃度＝１×１０18ｃｍ-3）、２は、ｎ型の半導体多層膜反射鏡(ｎ不純物濃度＝１×１０18ｃｍ-3)、３はＧaＡs スペーサ層、４はＧaＩnＡs／ＧaＡs 歪量子井戸活性層、５はＧaＡs スペーサ層、６は、ＧaＡs 基板に格子整合したｐ−ＧaＩnＰクラッド層（ｐ不純物濃度＝１×１０18ｃｍ-3）、７は、ｐ−ＧaＡs コンタクト層（ｐ不純物濃度＝１×１０19ｃｍ-3）を示す。
【００３０】
活性層４には、３層の７ｎｍ厚Ｇa0.85Ｉn0.15Ａs 井戸層を１０ｎｍ厚のＧaＡs 障壁層で隔てて実効的に１．２７eＶ(波長；０．９８μｍ)のバンドギャップを持つ歪量子井戸層を用いた。
【００３１】
半導体多層膜反射鏡２は、半導体中で１／４波長厚の高屈折率のＧaＡs 層と半導体中で１／４波長厚の低屈折率のＡlＩnＰ層を交互に積層した。ＡlＩnＰ層については、基板１と格子整合を取るようＡl のIII族元素の中の割合を５０％に設定した。反射率を９９％以上にするために、反射鏡層の積層数を１２対とした。
【００３２】
化学線エピタキシ装置を用い、１×１０-5Ｔorr の高真空中で半導体の各層２〜７を連続して結晶成長させた。なお、結晶成長には、その他に分子線エピタキシ装置や有機金属気相装置を用いることが可能である。III族のアルミニウム（Ａl）、ガリウム（Ｇa）及びインジウム（Ｉn）の原料には、それぞれ有機金属のアラン、トリエチルガリュウム及びトリメチルインジウムを、Ｖ族の燐（Ｐ）及び砒素（Ａs）の原料には、それぞれフォスフィン及びアルシンを用いた。ｎ型不純物、ｐ型不純物の原料には、それぞれ珪素（Ｓi）及びベリリウム（Ｂe）を用いた。結晶成長の温度は５００℃に設定した。
【００３３】
次に、化学気相堆積工程とホトレジスト工程により直径１０μｍの円形のＳiＯ2膜(後の工程で除去するため、図２では図示を省略した）を形成し、これをマスクとしてｎ型の半導体多層膜反射鏡２の途中までウエットエッチングしてメサ状にする。その後、ＳiＯ2マスクを残したまま化学気相堆積工程によりＳiＯ2保護層８を形成し、続いてポリイミドを塗布して硬化し、ポリイミド膜９を形成した。
【００３４】
次に、反応性イオンビームエッチングによりＳiＯ2マスクが露出するまでポリイミド膜９をエッチングし、メサの上部のＳiＯ2マスクを除去して平坦な面を得た。この後、リフトオフ法によりリング状のｐ側電極１０を形成し、更にスッパタ蒸着法により誘電体多層膜反射鏡１１を形成し、ｎ側電極１２を形成した。誘電体多層膜反射鏡１１は、誘電体中で１／４波長厚さの高屈折率のアモルファスＳi 層と誘電体中で１／４波長厚さの低屈折率ＳiＯ2層とを交互に積層して作製した。反射率を９９％以上にするために積層数を４対とした。
【００３５】
作製した本面発光半導体レーザに電流を注入したところ、レーザ光が誘電体多層膜反射鏡側から出射され、室温において発振波長は、０．９８μｍであった。本面発光半導体レーザは、潮解性のある材料を用いてないので、１０万時間以上の長い素子寿命を有した。
【００３６】
本実施例では、面発光半導体レーザの誘電体多層膜反射鏡にアモルファスＳi層とＳiＯ2層の材料系を用いたが、誘電体多層膜反射鏡は、高屈折率層と低屈折率層が交互に積層されていれば良いので、ＳiＮとＳiＯ2、アモルファスＳi とＳiＮx、或いはＴiＯ2とＳiＯ2等の他の材料系を用いることが可能である。
【００３７】
以上の面発光半導体レーザを４×４の二次元に集積してアレイ素子とした。同アレイ素子と、各レーザを駆動する回路を集積したチップと、光ファイバ束（１６本の束）とを組み合わせて、光送信モジュール（光コネクション装置）を構成した。これを図３に示す。図３において、５１はレーザアレイ素子、５２は、駆動回路５３を集積したＩＣ（集積回路）チップ、５４は光ファイバ束、５５は光コネクタを示す。各面発光半導体レーザは、２００Ｍｂ／秒の信号を伝送する。従ってモジュール全体は、２００Ｍｂ／秒×１６＝３．２Ｇｂ／秒の信号を伝送する。
【００３８】
上記光送信モジュールの８個を用いてコンピュータ間を結び、並列情報処理装置を構成した。図４に同装置の構成を示す。同図において、６１は光送信モジュール、６２は、二次元フォトダイオードアレイからなる光受信モジュール、６３は光ファイバアレイ、６４はコンピュータ、６５はコンピュータ６４の送信ボード、６６は、コンピュータ６４の受信ボードを示す。両コンピュータ間で３．２Ｇｂ／秒×８＝２５．６Ｇｂ／秒の大容量の信号が伝送される。
【００３９】
なお、本実施例の面発光半導体レーザは、集積せず単独の素子として用いることもできる。
【００４０】
＜実施例２＞
同一基板上に駆動用のＭＥＳ−ＦＥＴ型トランジスタを集積した発光波長が０．９８μｍの円柱型面発光半導体レーザを図５に示す。同図の左側に半導体レーザを示し、右側にトランジスタを示す。同図において、２０は半絶縁性のＧaＡs基板、２１は、ｎ−ＧaＡs バッファ層（ｎ不純物濃度＝１×１０17ｃｍ-3)、同図左側において、２２はｎ型半導体多層膜反射鏡（ｎ不純物濃度＝１×１０18ｃｍ-3）、２３はＧa0.82Ｉn0.18Ｐ0.37Ａs0.63 スペーサ層、２４は、ＧaＩnＡs／ＧaＩnＰＡs 応力補償型量子井戸活性層、２５はＧaＩnＰＡs スペーサ層、２６は、ｐ型半導体多層膜反射鏡（ｐ不純物濃度＝１×１０19ｃｍ-3)を示す。バッファ層２１は、半導体レーザ部位に加えてトランジスタ部位まで形成した。
【００４１】
活性層２４には、圧縮歪を持つ５層の７ｎｍ厚Ｇa0.85Ｉn0.15Ａs 井戸層を伸張歪を持つ６ｎｍ厚のＧa0.88Ｉn0.12Ｐ0.29Ａs0.71 障壁層で隔てて、実効的に１．２７eＶ(波長：０．９８μｍ)のバンドギャップを持つ応力補償型量子井戸活性層を用いた。半導体多層膜反射鏡２２及び２６は、半導体中で１／４波長厚のＧa0.95Ｉn0.05Ｎ0.01Ａs0.99 層と半導体中で１／４波長厚のＡl0.5Ｉn0.5Ｐ層を交互に積層した。両層とも、基板２０及びバッファ層２１と格子整合を取るよう組成比を設定した。なお、ＡlＩnＰ層のＡl のIII族元素の中の割合を５０％に設定した。反射率を９９％以上にするために各反射鏡層の積層数を１１対とした。
【００４２】
半導体の各層２１〜２６は、分子線エピタキシ装置を用いて１×１０-4Ｔorrの高真空中で連続して結晶成長させた。なお、結晶成長には、その他に化学線エピタキシ装置や有機金属気相エピタキシ装置を用いることが可能である。Ａl，Ｇa及びＩnの原料には、それぞれの金属を、Ｐ及びＡs の原料には、それぞれフォスフィン及びアルシンを、そしてＮの原料には、高周波プラズマにより活性化した窒素分子を用いた。窒素分子の活性化は、そのほかにＥＣＲプラズマ（Electron Cyclotron Resonance；電子サイクロトロン共鳴）を用いて行なうことができる。ｎ型不純物、ｐ型不純物の原料には、それぞれＳi 及びＣＢr4を用いた。結晶成長の温度を５００℃に設定した。
【００４３】
次に、反応性イオンビームエッチングにより、バッファ層２１の表面までエッチングし、図５に示す様に直径５μｍの円柱状の発光領域を残した。この後、化学気相堆積工程によりＳiＯ2保護層２７を形成し、ｐ側電極２８及びｎ側電極２９を形成し、面発光半導体レーザを作製した。
【００４４】
次に、図５右側のトランジスタ部分の作製について説明する。初めに、トランジスタの外側の部分を半絶縁性基板２０に達するまでエッチングして、素子の分離を行った。この後、ソース電極３０、ゲート電極３１及びドレイン電極３２を形成しＭＥＳ−ＦＥＴ型トランジスタを完成させた。
【００４５】
最後に、アルミニウムを蒸着して電気配線３３を行なった。配線３３は、トランジスタのソース電極３０と面発光半導体レーザのｐ側電極２８を結んでいる。
【００４６】
本発明の面発光半導体レーザは、多層膜反射鏡の積層数が従来の素子の数分の一なので、素子の高さも従来の素子の数分の一になった。これにより、配線３３を均一な厚さで形成することが可能となり、従来の素子で問題となっていた面発光半導体レーザの側面部での断線を回避することができた。その結果、素子の歩留まりを大きく向上させることができた。
【００４７】
面発光半導体レーザのｎ側電極２９とトランジスタのゲート電極３１及びドレイン電極３２に対する配線は、従来の配線技術で容易に形成できる。これらの配線は、図５では簡略化して示した。
【００４８】
次に、本集積回路の動作について説明する。ドレイン電極３２には電圧Ｖd が印加されると、トランジスタが導通状態のときに、ドレイン電極３２からソース電極３０に電流が流れる。その結果、配線３３を通して面発光半導体レーザに電流が注入され、面発光半導体レーザがレーザ発振する。室温において発振波長が０．９８μｍのレーザ光が基板側から出射した。ゲート電極３１に印加される電圧Ｖg によってトランジスタの導通／非導通が制御され、レーザに注入される電流が制御される。電流の大きさは、面発光半導体レーザのｎ側電極２９に接続される抵抗Ｒにより設定される。
【００４９】
実施した面発光半導体レーザは、潮解性のある材料を用いてないので、１万時間以上の長い素子寿命を有した。また、半導体多層膜反射鏡の積層数を従来の素子に比べて数分の一にすることができた。更に、ｐ型の反射鏡にＧaＩnＮＡs を用いたので、半導体多層膜反射鏡の直列抵抗を減らすことができるとともに、半導体レーザの消費電力を下げることができた。本半導体レーザとトランジスタを集積して２次元アレイとすることにより、小型の光送信モジュールを構成することができた。同モジュールを並列光情報処理の１つである符号化論理演算システムの光源として利用することができた。
【００５０】
本実施例では、面発光半導体レーザとＭＥＳ−ＦＥＴ型トランジスタを集積したが、言うまでもなく抵抗やコンデンサを含む他の半導体素子と集積することが可能である。一方、本実施例で示した面発光半導体レーザは、単独の素子としても用いることができる。
【００５１】
なお、本実施例で採用したＡlＩnＰ／ＧaＩnＮＡs 系多層膜反射鏡について、積層数と反射率の関係を調べた。図６に、従来のＧaＩnＰ／ＧaＡs 系多層膜反射鏡と比較した結果を示した。多層膜反射鏡での損失が無い場合を実線で、損失が４０ｃｍ-1の場合を破線で示す。初めに、損失が無い場合について説明する。ＧaＩnＰ／ＧaＡs 系多層膜反射鏡では、目標の９９．５％の反射率を得るのに３２対の積層数が必要である。一方、本発明のＡlＩnＰ／ＧaＩnＮＡs 系多層膜反射鏡では１３対で達成され、積層数を約１／３に低減することができる。この積層数は、従来の化学的に不安定なＡlＡs／ＧaＡs 系多層膜反射鏡の１６対を凌駕している。
【００５２】
続いて、損失が４０ｃｍ-1の場合について説明する。ＡlＩnＰ／ＧaＩnＮＡs 系多層膜反射鏡は１５対で９９．５％の反射率が得られる。しかし、従来のＧaＩnＰ／ＧaＡs 系多層膜反射鏡では、いくら積層数を増やしても反射率は９９．３％で飽和して９９．５％に達しない。実際の多層膜反射鏡では、損失が４０ｃｍ-1程度になることがあり、ＡlＩnＰ／ＧaＩnＮＡs 系多層膜反射鏡が積層数の低減と高い反射率の確保に非常に有効であることが判る。
【００５３】
上記結果は、ＡlＩnＰ及びＧaＩnＮＡs がＧaＡs 基板に格子整合している場合であるが、格子不整合転位が発生しない範囲で歪層が形成される場合でも同様の効果を得ることができる。また、歪層に対して結晶欠陥が生じないように応力補償を施すことが可能であり、その場合も同様の積層数低減の効果を得ることができる。
【００５４】
＜実施例３＞
波長が１．３μｍ帯の面発光半導体レーザを図７に示す。同図において、１はｎ−ＧaＡs 基板(ｎ不純物濃度＝１×１０18ｃｍ-3）、４２はｎ型の半導体多層膜反射鏡（ｎ不純物濃度＝１×１０18ｃｍ-3）、４３はＧaＡs スペーサ層、４４はＧa0.8Ｉn0.2Ｎ0.04Ａs0.96 無歪活性層、４５はＧaＡs スペーサ層、４６はｐ−Ａl0.3Ｇa0.7Ａs クラッド層（ｐ不純物濃度＝１×１０18ｃｍ-3）、４７はｐ−ＧaＡs コンタクト層(ｐ不純物濃度＝１×１０19ｃｍ-3）を示す。
【００５５】
活性層４４には、ＧaＡs 基板１と格子整合し、波長１．３μｍに対して０．９５eＶのバンドギャップを持つノンドープのＧaＩnＮＡs 層を用いた。半導体多層膜反射鏡４２は、半導体中で１／４波長厚の高屈折率のＧa0.9Ｉn0.1Ｎ0.01Ａs0.99 層と半導体中で１／４波長厚の低屈折率のＧa0.5Ｉn0.5Ｐ層を交互に積層した。両層とも、基板１と格子整合を取るよう組成比を設定した。反射率を９９％以上にするために反射鏡４２の積層数を２７対とした。
【００５６】
半導体の各層４２〜４７は、有機金属気相エピタキシ装置を用いて連続して１×１０-1Ｔorrの低真空中で結晶成長させた。なお、結晶成長にはその他に化学線エピタキシ装置や分子線エピタキシ装置を用いることが可能である。Ｇa 及びＩn の原料には、それぞれトリメチルガリュウム及びトリメチルインジウムを、Ｐ及びＡs の原料には、それぞれフォスフィン及びアルシンを、そしてＮの原料には、タシャリブチルアミンを用いた。ｎ型不純物、ｐ型不純物の原料には、それぞれジシラン及びジメチルジンクを用いた。結晶成長の温度を６００℃に設定した。
【００５７】
次に、化学気相堆積工程とホトレジスト工程により直径１０μｍの円形のＳiＯ2膜を形成し、これをマスクとしてｎ型の半導体多層膜反射鏡４２の途中までウエットエッチングしてメサ状にする。その後、ＳiＯ2マスクを残したまま化学気相堆積工程によりＳiＯ2保護層８を形成し、ポリイミドを塗布して硬化する。次に、反応性イオンビームエッチングによりＳiＯ2マスクが露出するまでポリイミドをエッチングして、ポリイミド層９を形成した。続いて、メサの上部のＳiＯ2マスクを除去して平坦な面を得た。
【００５８】
この後、リフトオフ法によりリング状のｐ側電極１０を形成した。更に、スッパタ蒸着法により誘電体多層膜反射鏡１１を形成し、ｎ側電極１２を形成した。誘電体多層膜反射鏡１１は、誘電体中で１／４波長厚さの高屈折率アモルファスＳi 層と誘電体中で１／４波長厚さの低屈折率ＳiＯ2層を交互に積層して構成した。その積層数を５対とした。
【００５９】
本面発光半導体レーザは、室温において１．３μｍの波長で安定にレーザ発振し、潮解性のある材料を用いてないので、１０万時間以上の長い素子寿命を有した。
【００６０】
次に、活性層４４のＧaＩnＮＡs の組成比を別の所定の値に変えて、発振波長が１．５５μｍの面発光半導体レーザを作製した。１．３μｍ及び１．５５μｍの両波長は、光ファイバ通信で用いられる波長帯と一致する。両半導体レーザとも、集積してアレイ素子として構成することが可能であるほか、単体の素子として利用することもできる。単体の素子を光ファイバ通信システムの光源用に用いた。
【００６１】
なお、本実施例は、発振波長を１．３μｍ及び１．５５μｍとしたものであるが、ＧaＩnＮＡs の組成比を更に変えて波長を一層長くすることが可能である。前記したようにバンドギャプを０ｅＶにすることが原理的に可能であるので、波長を限りなく長くすることが可能であるが、反射鏡の実現性の点から波長は赤外線の範囲となる。
【００６２】
＜実施例４＞
本発明の面発光半導体レーザを実装基板にフリップチップボンディングにより実装するとともに、面型フォトディテクタを同基板に同じくフリップチップボンディングにより実装した光送受信モジュール（光コネクション装置）を図８、図９に示す。図８は、面発光半導体レーザの基板への実装形態を示す断面図、図９は、光送受信モジュールの構造図である。
【００６３】
図８において、８１は面発光半導体レーザ、８２は実装基板、８３は半田バンプ、８４は半導体レーザ８１の一方の電極、８５は半導体レーザ８１の他方の電極を示す。半導体レーザ８１として、図２に示した素子を採用したが、図７に示した素子を用いることが可能である。
【００６４】
面型フォトディテクタの実装形態は図示していないが、図８の半導体レーザ８１を面型フォトディテクタに置き換えた構造で示すことができる。面型フォトディテクタは、光波長が１．３μｍ帯の場合、ＩnＧaＡs材料のものを採用した。この材料により良好な光電変換効率を得ることができる。なお、光波長が可視光帯の場合は、Ｓi材料のものを採用することが製作コストと光電変換効率の両面から有利である。
【００６５】
図８に示したフリップチップボンディングにより、光送受信モジュールにおいて、高速駆動と実装プロセスの簡素化及び位置合わせの容易性を得ることができる。フリップチップボンディングにおいては、図８に示すように、半導体レーザ８１への電流供給用の電極８４，８５は、同一素子上面に形成される。レーザ光の出射は、素子面とは逆の素子基板裏面から行なわれる。フォトディテクタの場合も同様にレーザ光の入射が素子面とは逆の素子基板裏面から行なわれる。
【００６６】
素子（半導体レーザ８１及びフォトディテクタ）を実装する基板８２には、広帯域の回路及び配線が実装されており、その帯域は、光送受信モジュールの駆動周波数以上である。こような広帯域の基板８２のボンディングパット上に半田バンプを配置した。実装は、素子を裏返しにし、基板８２を半田溶解温度以上に熱した状態で素子のボンディングパットと半田バンプを接触させて両者を接着することにより行なった。
【００６７】
このフリップチップボンディングは、一般的に採用されるワイヤボンディングに比べてインダクタンスを低減することができるため、素子の高速駆動に有利である。また、基板８２への実装工程も簡単であり、位置ずれを小さくすることができるため高精度の位置合わせを容易に実現することができる。
【００６８】
なお、図８では素子１個を示したが、複数の素子を素子基板上に集積し、素子毎に電極を設け、集積した素子を同時に基板８２に実装することが可能である。
【００６９】
次に、図９において、９２は、半導体レーザ８１及びフォトディテクタに結合する光ファイバ、９３は、光ファイバ９２を収容するファイバフェルール、９０は、ファイバフェルール９３を案内するファイバフェルールガイド、９４は、ファイバフェルール９３を精度良く固定するためのガードシェルフ、９１は入出光信号、９５は出射光信号、９６は入射光信号、９７は、半導体レーザ８１をアレイ状に集積した面発光レーザアレイ、９８は、フォトディテクタをアレイ状に集積した面型フォトディテクタアレイ、９９は、面発光レーザアレイ９７及びフォトディテクタアレイ９８を駆動するための駆動用ＩＣ、９１３は、実装基板８２を６搭載するマザーボード、９１１は、実装基板８２をマザーボード９１３に接続するための実装基板８２側の信号ピンアレイ、９１２は、信号ピンアレイ９１１を受けるためのマザーボード９１３側の信号ピンソケットを示す。
【００７０】
マザーボード９１３からの電気信号は、本送受信モジュール内で光信号に変換され、逆に光信号が電気信号に変換される。電気信号は、光信号の形態で光ファイバの中を伝送する。面発光半導体レーザ９７及びフォトディテクタは、１次元アレイの形状にモノリシック集積されて形成される。なお、１次元アレイに限らず、２次元アレイとすることが可能である。これらのアレイ９７，９８は、図８に示したフリップチップボンディングにより実装基板８２上に実装される。そして、実装基板８２にアレイ９７，９８を駆動するための駆動回路を収容した集積回路を搭載した。このような実装により、配線長が著しく短かくなり、配線に伴う帯域の劣化を抑圧することができた。
【００７１】
アレイ９７，９８の素子毎に用いる光ファイバとして、リボン型光ファイバ９２を採用した。光ファイバの端面とアレイ９７，９８の素子とを近接して配置することによって、レンズ等の光学素子を用いることなく、両者を光学的に結合した。光ファイバのコア径が５０μｍであり、素子の光入出射径も同等の５０μｍである場合、両者の間隔を１０μｍ以下とすることにより、５０％を越える高効率の光学的結合効率を実現することができる。また、この際の位置合わせ余裕度は、５０％のパワー変動を許容すると、実現容易な±５μｍ程度となる。
【００７２】
マザーボード９１３を収容する装置へマザーボード９１３の組み込む場合、リボン型光ファイバ９２とマザーボード９１３とが平行な位置関係にあることが望ましい。そのため、アレイ９７，９８の各素子を光ファイバ端面に垂直に配置するよう実装基板８２をマザーボード９１３に垂直に配置した。実装基板８２とマザーボード９１３とは、信号ピンアレイ９１１と信号ピンソケット９１２とにより電気的に接続される。
【００７３】
リボン型光ファイバ９２は、ファイバフェルール９３とファイバフェルールガイド９０からなるガイド機構により、アレイ９７，９８の各素子との位置関係が確保される。
【００７４】
なお、アレイ９７，９８の各素子を外気から遮断するため、同各素子の上面を厚さ７μｍのアクリル材料の膜で被った。なお、この材料に限らず、光ファイバ端面と素子との光結合状態を乱さない厚さと屈折率を有するその他の薄膜状物質を用いることができる。
【００７５】
以上の光送受信モジュールの構成により、部品点数の削減と、光ファイバと素子の位置合わせの高精度化を実現することができた。その結果、モジュールとしての利便性、モジュール実装の経済性、位置合わせ余裕度のそれぞれを向上させることができた。
【００７６】
本発明の実施例によれば、反射鏡に屈折率差が大きい半導体材料を使用するので、少ない積層数で所望の反射率を得ることができる。また、同材料に潮解性がない材料を採用するので、長寿命の面発光半導体レーザを実現することができる。積層数が少ないので、レーザの高さを低くすることが可能になり、ほかの半導体素子と集積することが容易となる。そのため、高集積の光送信モジュール及び光送受信モジュールを実現することができる。また、本発明の他の実施例によれば、Ｇａ，  Ｉｎ，  ＮおよびＡｓを有する材料を面発光半導体レーザの活性層に用いるので、波長が１．３μｍ及び１．５５μｍのレーザ光を室温で安定に発振することができる。
（付記）
１．結晶基板上部に光を発生する活性層と、当該活性層から発生した光からレーザ光を得るために活性層の上部及び下部を上部反射鏡と基板側の下部反射鏡で挟んだ共振器とを有し、結晶基板面に垂直にレーザ光を放射する面発光半導体レーザにおいて、前記結晶基板は、ＧａＡｓ  基板であり、少なくとも一方の反射鏡は、
前記ＧａＡｓ  基板に格子整合する低屈折率半導体層と前記ＧａＡｓ  基板に格子整合する高屈折率半導体層とを交互に積層してなる半導体多層膜を含めて構成され、当該低屈折率半導体層は、主たる元素がアルミニウム、インジウム及び燐の材料からなることを特徴とする面発光半導体レーザ。
２．結晶基板上部に光を発生する活性層と、当該活性層から発生した光からレーザ光を得るために活性層の上部及び下部を上部反射鏡と基板側の下部反射鏡で挟んだ共振器とを有し、結晶基板面に垂直にレーザ光を放射する面発光半導体レーザにおいて、少なくとも一方の反射鏡は、低屈折率の半導体層と高屈折率の半導体層とを交互に積層してなる半導体多層膜をもって構成され、当該高屈折率半導体層は、主たる元素がガリウム、インジウム、窒素及び砒素の材料からなることを特徴とする面発光半導体レーザ。
３．前記高屈折率半導体層は、主たる元素がガリウム、インジウム、窒素及び砒素の材料からなることを特徴とする前記１．に記載の面発光半導体レーザ。
４．前記半導体多層膜は、ｐ型の導電性を与える不純物が混入していることを特徴とする前記２．又は３．に記載の面発光半導体レーザ。
５．前記半導体多層膜をもって構成される反射鏡は、低屈折率半導体層と高屈折率半導体層の積層数が３０対以下であることを特徴とする前記３．に記載の面発光半導体レーザ。
６．結晶基板上部に光を発生する活性層と、当該活性層から発生した光からレーザ光を得るために活性層の上部及び下部を上部反射鏡と基板側の下部反射鏡で挟んだ共振器とを有し、結晶基板面に垂直にレーザ光を放射する面発光半導体レーザにおいて、前記結晶基板はＧａＡｓ  基板であり、少なくとも一方の反射鏡は、当該ＧａＡｓ  基板に格子整合する低屈折率半導体層と、当該ＧａＡｓ  基板に格子整合する高屈折率半導体層とを交互に積層してなる半導体多層膜をもって構成され、前記活性層は、主たる元素がガリウム、インジウム、窒素及び砒素の材料からなることを特徴とする面発光半導体レーザ。
７．前記レーザ光の波長が０．８５μｍよりも長く、赤外線の波長範囲にあること
を特徴とする前記６．に記載の面発光半導体レーザ。
８．前記レーザ光の波長が１．３μｍ帯又は１．５５μｍ帯のいずれかであることを特徴とする前記７．に記載の面発光半導体レーザ。
９．前記活性層と前記反射鏡の半導体多層膜とを含む半導体部分は、他の半導体素子と同一の結晶基板上に集積されていることを特徴とする前記１．〜前記８．のいずれか一に記載の面発光半導体レーザ。
１０．前記活性層と前記反射鏡の半導体多層膜とを含む半導体部分を化学線エピタキシ法、分子線エピタキシ法又は有機金属気相エピタキシ法のいずれかにより作製することを特徴とする前記１．〜前記９．のいずれか一に記載の面発光半導体レーザの製造方法。
１１．前記１．〜前記９．のいずれか一に記載の面発光半導体レーザを光源として備えたことを特徴とする光送信モジュール。
１２．前記１．〜前記９．のいずれか一に記載の面発光半導体レーザを光源として備えたことを特徴とする並列情報処理装置。
１３．前記１．〜前記９．のいずれか一に記載の面発光半導体レーザを光源として備えたことを特徴とする光ファイバ通信システム。
１４．前記１．〜前記９．のいずれか一に記載の面発光半導体レーザを光源として備えたことを特徴とする光送受信モジュール。
【図面の簡単な説明】
【図１】低屈折率材料と高屈折率材料の屈折率特性を説明するための曲線図。
【図２】本発明に係る面発光半導体レーザの第１の実施例を説明するための断面図。
【図３】本発明に係る光送信モジュールの例を説明するための配置構成図。
【図４】図３の光送信モジュールを利用した並列情報処理装置の例を説明するための配置構成図。
【図５】本発明の面発光半導体レーザの第２の実施例を説明するための断面図。
【図６】多層膜反射鏡の積層数と反射率の関係を説明するための曲線図。
【図７】本発明の面発光半導体レーザの第３の実施例を説明するための断面図。
【図８】本発明の第４の実施例を説明するための素子実装断面図。
【図９】本発明の第４の実施例を説明するための光送受信モジュール構造図。
【符号の説明】
１…ｎ−ＧaＡs 基板
２…ｎ型ＡlＩnＰ／ＧaＡs 半導体多層膜反射鏡
４…ＧaＩnＡs／ＧaＡs 歪量子井戸活性層
９…ポリイミド保護層
１０，２８…ｐ側電極
１１…誘電体多層膜反射鏡
１２，２９…ｎ側電極
２０…半絶縁性ＧaＡs 基板
２１…ｎ−ＧaＡs バッファ層
２２…ｎ型ＡlＩnＰ／ＧaＩnＮＡs 半導体多層膜反射鏡
２４…ＧaＩnＡs／ＧaＩnＰＡs 応力補償型量子井戸活性層
２６…ｐ型ＡlＩnＰ／ＧaＩnＮＡs 半導体多層膜反射鏡
３０…ソース電極
３１…ゲート電極
３３…ドレイン電極
３３…Ａl 配線
４２…ｎ型ＧaＩnＰ／ＧaＩnＮＡs 半導体多層膜反射鏡
４４…ＧaＩnＮＡs 無歪活性層
５０，８１…面発光半導体レーザ
５１…レーザアレイ素子
６１…光送信モジュール
８２…実装基板
８３…半田バンプ
８４…半導体レーザの一方の電極
８５…半導体レーザの他方の電極
５４，９２…光ファイバ
９１…入出光信号
９５…出射光信号
９６…入射光信号
９７…面発光レーザアレイ
９８…面型フォトディテクタアレイ
９１３…マザーボード
【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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